(57)【要約】【課題】キャスクにおける長期間の使用においても十分な密封性能を確保すること。【解決手段】本発明に係る金属ガスケット２０は、環状のスプリング３０に内被４０を被覆し、さらに、外被５０により内外輪をまとめて被覆した構成である。外被５０の材料には、高純度鉄が用いられており、密封性能を確保する。外被５０を構成する高純度鉄は、純度が９９．９５％程度であり、これを３００℃〜４５０℃に所定時間保持した後、空気中で放冷する熱処理によって硬度を５０Ｈｖ（Ｈｖ：ビッカース硬度）程度まで低くする。また、この熱処理によって純鉄の表面には不動態皮膜が形成されるので、耐腐食性が向上する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リサイクル燃料集合体を収納するキャビティが形成される、放射線を遮蔽する胴本体と、
当該胴本体のキャビティ開口側に取り付けられる蓋と、
高純度鉄の外被と、この外被に被覆され且つ前記外被をシール面の方向へ押圧する押圧部材とを有し、前記胴本体と前記蓋との間に介在して前記キャビティ内の密封を維持する金属ガスケットと、
を備えたことを特徴とするキャスク。
【請求項２】
上記押圧部材は、スプリングであることを特徴とする請求項１に記載のキャスク。
【請求項３】
上記押圧部材は、板巻状のスプリングであることを特徴とする請求項１に記載のキャスク。
【請求項４】
上記外被の硬度は上記胴本体及び上記蓋よりも低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のキャスク。
【請求項５】
上記外被の硬度は８０Ｈｖ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のキャスク。
【請求項６】
上記外被を構成する高純度鉄は、所定温度に所定時間保持した後、放冷する熱処理が施されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のキャスク。
【請求項７】
上記熱処理により、外被の表面に不動態皮膜を形成したことを特徴とする請求項６に記載のキャスク。
【請求項８】
上記熱処理の温度は３００℃〜４５０℃であることを特徴とする請求項６又は７に記載のキャスク。
【請求項９】
さらに、上記押圧部材と上記外被との間に、上記押圧部材を被覆する内被を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のキャスク。
【請求項１０】
高純度鉄からなり、密封対象物と接して密封を維持する環状の外被と、
この外被によって被覆され、且つ前記外被をシール面の方向へ押圧する環状の押圧部材と、
を備えたことを特徴とする金属ガスケット。
【請求項１１】
高純度鉄からなり、密封対象物と接して密封を維持する環状の外被と、
前記外被をシール面の方向へ押圧する環状の押圧部材とを備え、
フープ径を異ならせた二個の前記押圧部材をそれぞれ同心状に配置して二重リングを構成し、それぞれの環状の前記押圧部材を前記外被によって被覆して一体化したことを特徴とする金属ガスケット。
【請求項１２】
さらに、上記外被の端部同士を接合して断面楕円状に形成したことを特徴とする請求項１１に記載の金属ガスケット。
【請求項１３】
上記二個の環状の押圧部材のうち、一方の直径を他方の直径よりも小さくしたことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の金属ガスケット。
【請求項１４】
上記押圧部材は、スプリングであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項１５】
上記押圧部材は、板巻状のスプリングであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項１６】
上記外被の硬度は上記密封対象物よりも低いことを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項１７】
上記外被の硬度は８０Ｈｖ以下であることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか１に記載の金属ガスケット。
【請求項１８】
上記外被表面は、腐食に対する耐性を向上させる皮膜で覆われていることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項１９】
上記外被を構成する高純度鉄は酸液処理されていることを特徴とする請求項１８に記載の金属ガスケット。
【請求項２０】
上記外被を構成する高純度鉄は、所定温度に所定時間保持した後、放冷する熱処理が施されていることを特徴とする請求項１０〜１９のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項２１】
上記熱処理により、外被の表面に不動態皮膜を形成したことを特徴とする請求項２０に記載の金属ガスケット。
【請求項２２】
上記熱処理の温度は３００℃〜４５０℃であることを特徴とする請求項２１に記載の金属ガスケット。
【請求項２３】
さらに上記密封対象物と接する上記外被のシール領域が予め平面に形成されていることを特徴とする請求項１０〜２２のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項２４】
さらに、上記押圧部材と上記外被との間に、上記押圧部材を被覆する内被を備えたことを特徴とする請求項１０〜２３のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼を終えたリサイクル燃料集合体を収容する圧力容器であって、長期間の貯蔵においても十分な密封性能を維持できる信頼性の高いキャスク及び金属ガスケットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
核燃料サイクルの終期にあって燃焼を終え使用できなくなった核燃料集合体を、リサイクル燃料集合体という。リサイクル燃料集合体は、ＦＰなど高放射能物質を含むので熱的に冷却する必要があるので、原子力発電所の冷却ピットで約１０年間冷却される。その後、放射線の遮蔽機能を持つリサイクル燃料集合体格納容器であるキャスクに収納され、トラック等の輸送手段で再処理施設に搬送された後、貯蔵される。キャスク内には、高放射能物質が収容されているので、４０〜６０年が見込まれる貯蔵期間中における当該キャスクの密封には厳重な注意が必要である。このようなキャスクの従来例としては、特許文献１や非特許文献１等に様々な種類のものが開示されているので、必要があればこれらを参照されたい。
【０００３】
図２１は、キャスクのシールに使用する金属ガスケット及びキャスクのシール部を示す拡大図である。なお、一次蓋５０７と胴本体５０１との間及び二次蓋５０８と胴本体５０１との間のシール部は同様の密封構造となる。ガスケット溝５２５は機械加工により形成され、使用する金属ガスケット５１８（５１９）は二連リング構造のものを用いる。この金属ガスケット５１８（５１９）は、腐食や高温酸化に強いインコネル（商標名：クロム１６％、鉄７％を含むニッケル系合金）によって製作したスプリング５２１に、同じくインコネル製の内被５２２で被覆し、さらに、アルミニウム製の外被５２３により内外輪をまとめて被覆した構成である。図１６（ａ）は、金属ガスケット５１８（５１９）の使用前における状態を示す。金属ガスケット５１８（５１９）は、二次蓋５０８等と胴本体５０１等とが固定されると、その締め付け力によって図２１（ｂ）のように変形し、密封機能を発揮する。
【０００４】
ガスケット溝５２５に対しては、外被５２３部分に設けたボルト穴を用いて固定する。前記金属ガスケット５１８（５１９）には、例えば原子力用キャスクに対する使用実績が多い、日本バルカー工業株式会社製「トライバック」やフランス国のCEFILAC社製の「ヘリコフレックスシール」などを用いることができる。
【０００５】
金属ガスケットの塑性変形率と密封性能の温度・時間依存性はLarson-Miller Parameter（ＬＭＰ）により表すことが可能であり、その詳細は、非特許文献２に記載されているので、必要があればこれを適宜参照されたい。一般的に、金属ガスケットの長期密封性能は、密封保持限界のＬＭＰを求め、所定温度における限界時間を予測することにより評価される。また、このような金属ガスケットにおいて密封性を確保する構造は、シングルリングタイプの金属ガスケットではあるが、外被５２３と内被５２２との間に固体潤滑材被覆を形成して、リークを抑える金属ガスケットが特許文献１に開示されている。
【特許文献１】
実公平５−７５１５４  ｐ１、図１、図２
【非特許文献１】
原子力ｅｙｅ  平成１０年４月１日発行、日刊工業出版プロダクションｐ３２〜ｐ３９
【非特許文献２】
リサイクル燃料貯蔵キャスクの長期密封性能評価手法の開発  加藤、伊東、三枝  日本原子力学会誌、Vol.38、No.6、95〜101、1996
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、リサイクル燃料集合体を内部に格納したキャスク５００は、貯蔵施設で数十年という長い期間貯蔵される。このとき、リサイクル燃料の崩壊熱によって、金属ガスケット５１８（５１９）は１２０℃程度の環境下で使用が開始される。そして、数十年の貯蔵期間中、徐々に金属ガスケット５１８（５１９）の使用環境温度が低下し、貯蔵期間の末期には６０℃程度の環境下で使用されることになる。
【０００７】
密封性能を高めるため、一般に金属ガスケット５１８（５１９）の外被５２３は軟質金属であるアルミニウムであるが、上記温度範囲はアルミニウムにとって高温クリープと低温クリープとの間である。このため、初期には十分な密封性能を持っていた金属ガスケット５１８（５１９）であっても、高温環境下における長期間の使用によってクリープ変形による応力緩和現象が発生し、密封性能の低下を招くおそれがあった。また、従来の金属ガスケット５１８（５１９）は、数ＭＰａの作用圧力の下で密封を保つ性能を持っているが、作用圧力が高い分、強い力で外被５２３を押し付けることになる。このため、外被５２３がクリープしやすく、数十年の長期にわたり所定の密封性能を維持できる金属ガスケットは、クリープ変形の少ない高級材料（例えば金、銀等）を外被５２３に使用するのが現状であった。また、上記特許文献１に開示された構造の金属ガスケットにおいても、このクリープ変形を低減させることはできず、長期貯蔵においては個体潤滑剤被覆が劣化して金属ガスケットの応力緩和現象を引き起こすおそれもあった。
【０００８】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、数十年の長期間にわたり比較的高温環境下で使用される場合であっても、金属ガスケットの劣化を最小限にして十分な密封性能を確保すること、金属ガスケットの外被に高級材料を使用せずに価格を抑えることのうち少なくとも一つを達成できるキャスク及び金属ガスケットを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に係るキャスクは、リサイクル燃料集合体を収納するキャビティが形成される、放射線を遮蔽する胴本体と、当該胴本体のキャビティ開口側に取り付けられる蓋と、高純度鉄の外被と、この外被に被覆され且つ前記外被をシール面の方向へ押圧する押圧部材とを有し、前記胴本体と前記蓋との間に介在して前記キャビティ内の密封を維持する金属ガスケットと、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
このキャスクは、外被に高純度鉄を用いた金属ガスケットを使用して密封する。高純度鉄の融点はおよそ１５００℃以上と高いため、キャスクにおける金属ガスケットの使用環境である１２０℃程度の温度では、外被のクリープ変形は無視できる。これによって、数十年の長期保存においても、金属ガスケットの劣化を抑えて高い密封性能を維持できる。また、高純度鉄は耐腐食性も高いので、特別な処理を施さなくとも腐食を抑えることができる。さらに、金や銀とは異なり比較的安価なので、キャスク全体の製造コストを抑えることができる。ここで、本発明にいう高純度鉄は、純度が９９．９％以上であることが望ましく、より優れた密封性能や耐腐食性を発揮させるためには９９．９５％以上の純度であることが好ましい（以下同様）。また、シール面とは、上記キャスクであれば上記金属ガスケットの外被と上記胴本体及び上記蓋とが接触する面をいう。
【００１１】
また、請求項２に係るキャスクのように、上記押圧部材には、スプリングを使用することが好ましい。このように、押圧部材にスプリングを使用すれば、設計を工夫することによって、外被を均一にキャスクの胴本体や蓋に押し付けて十分な密封性能を発揮させることができる。このスプリングには、コイルスプリングや板材を巻くことにより構成した板巻状のものが含まれる。また、スプリングの断面形状は特に限定されるものではない。
【００１２】
また、請求項３に係るキャスクのように、上記押圧部材として板巻状のスプリングを使用してもよい。板巻状のスプリングは、シール時の圧縮により、全体的にスプリングの径が小さくなる。即ち、スプリングの径が小さくなるだけなので、スプリングの変形による蓋や胴本体等との接触面が大きくなることが抑制される。これにより、単位面積当たりの接触圧力の低下を防止して、確実な密封が可能になる。
【００１３】
また、請求項４に係るキャスクのように、上記外被の硬度は上記胴本体及び上記蓋よりも低いことが好ましい。この範囲の硬度であれば、金属ガスケットの外被はキャスク胴本体や蓋よりも軟らかいので、これらを損傷することもなく、キャスク胴本体や蓋の再利用が容易となる。さらには、請求項５に係るキャスクのように、上記外被の硬度は８０Ｈｖ以下とすることが好ましい。この範囲の硬度であれば、キャスク胴本体や蓋のシール面とよくなじむので、キャスク胴本体や蓋を保護しつつ十分な密封性能を発揮できる。
【００１４】
また、請求項６に係るキャスクは、上記キャスクにおいて、上記外被を構成する高純度鉄は、所定温度に所定時間保持した後、放冷する熱処理が施されていることを特徴とする。このキャスクは、密封に使用する金属ガスケットの外被に高純度鉄を使用しているので、このような熱処理によって硬度を下げることができる。これにより、例えば圧延によって外被の形状に延ばして加工硬化した材料であっても軟化によって優れた密封性能を発揮させることができる。
【００１５】
また、請求項７に係るキャスクは、上記キャスクにおいて、上記熱処理により、外被の表面に不動態皮膜を形成したことを特徴とする。このように、外被の表面に不動態皮膜が形成されているので外被の耐腐食性が向上し、数十年の長期貯蔵においても金属ガスケットの劣化を最小限にして十分な密封性能を維持できる。なお、このような不動態皮膜を形成するには、空気中、あるいは酸素濃度を調整した炉内雰囲気における熱処理が好ましい。また、請求項８に係るキャスクのように、上記熱処理の温度は３００℃〜４５０℃が好ましい。この温度範囲に熱処理対象金属である高純度鉄を保持すれば、外被の硬度を十分に低下させることができ、また、耐腐食性の高い不動態皮膜を形成することができる。なお、保持時間は熱処理対象物の大きさによって変化する。
【００１６】
また、請求項９に係るキャスクは、上記キャスクにおいて、さらに、上記押圧部材と上記外被との間に、上記押圧部材を被覆する内被を備えたことを特徴とする。このキャスクは、押圧部材と外被との間に、押圧部材を被覆する内被をさらに備えた金属ガスケットを使用する。このため、上記キャスク又は金属ガスケットの奏する作用・効果の他に、この内被によって押圧部材の押圧力が外被に均等に伝わるという作用が得られる。これによって、外被の局所的な応力集中を分散させることができるので、外被のクリープ変形に起因する応力緩和現象を抑えて、長期貯蔵における信頼性を高めることができる。
【００１７】
また、請求項１０に係る金属ガスケットは、高純度鉄からなり、密封対象物と接して密封を維持する環状の外被と、この外被によって被覆され、且つ前記外被をシール面の方向へ押圧する環状の押圧部材と、を備えたことを特徴とする。この金属ガスケットの外被に用いられる高純度鉄の融点はおよそ１５００℃以上と高いため、クリープ変形しにくい。このため、例えば１２０℃程度の使用環境温度では外被のクリープ変形は無視でき、数十年の長期にわたって金属ガスケットの劣化を抑えて高い密封性能を維持できる。また、高純度鉄は耐腐食性も高いので、特別な処理を施さなくとも腐食を抑えることができる。さらに、金や銀とは異なり価格も比較的安いので、金属ガスケットを比較的安価に提供できる。なお、シール面とは、金属ガスケットの外被が接触して密封する面をいう。
【００１８】
また、請求項１１に係る金属ガスケットは、高純度鉄からなり、密封対象物と接して密封を維持する環状の外被と、前記外被をシール面の方向へ押圧する環状の押圧部材とを備え、フープ径を異ならせた二個の前記押圧部材をそれぞれ同心状に配置して二重リングを構成し、それぞれの環状の前記押圧部材を前記外被によって被覆して一体化したことを特徴とする。
【００１９】
この金属ガスケットは、フープ径の異なる環状のスプリングを同心状に配置し、これらを外被で一体としてある。このように、外被同士で個々のスプリングを一体化しているので、長期間貯蔵において外被がクリープ変形しても、二個のスプリングが互いにこのクリープ変形を規制する。これによって、外被のクリープ変形に起因する金属ガスケットの応力緩和現象をさらに抑えて、より高い密封に対する信頼性を担保できる。
【００２０】
また、請求項１２に係る金属ガスケットは、上記金属ガスケットにおいて、さらに、上記外被の端部同士を接合して断面楕円状に形成したことを特徴とする。
【００２１】
この金属ガスケットは、フープ径の異なる環状のスプリングを同心状に配置し、これらを外被で被覆した後、外被の端部同士を接合した断面楕円状のものである。このため、例えばキャスクの密封にこの金属ガスケットを使用した場合には、蓋側と胴本体側との両方のシール領域において、二個のスプリングが互いに外被のクリープ変形を規制できる。これによって、外被のクリープ変形に起因する金属ガスケットの応力緩和現象をさらに抑えて、長期貯蔵においてさらに高い安全性を担保できる。また、外被の端部同士を接合することによって、金属ガスケットの濡れ面積を最小にした完全な密封構造とすることができる。
【００２２】
ここで、キャスクは、安全上の配慮から、水を満たしたプール内でリサイクル燃料集合体を格納し、金属ガスケットを介して本体胴と蓋とで密封する。このため、真空乾燥その他の手段で水分を除去する必要があるが、この金属ガスケットは内部に水分が浸入しないので耐腐食性に優れ、長期貯蔵における信頼性を高くできる。また、金属ガスケットの濡れ面積が小さいので、従来よりも容易に乾燥できる。なお、金属ガスケットの断面を楕円状としたものには、金属ガスケットの断面を通常の楕円形としたものの他、図１６（ｂ）に示すように二つの円弧と二つの直線とで構成されるレーストラック状の形状も含まれるものとする（以下同様）。
【００２３】
また、請求項１３に係る金属ガスケットは、上記金属ガスケットにおいて、上記二個の環状の押圧部材のうち、一方の直径を他方の直径よりも小さくしたことを特徴とする。
【００２４】
この金属ガスケットは、異なるフープ径を持つ二個の環状のスプリングを同心状に配置し、両者のスプリング直径を異ならせて径の異なるガスケットリングを備える。この金属ガスケットを例えばキャスクの密封に使用した場合には、径の大きい方のガスケットリングがキャスクの胴本体及び蓋と接する。そして、この状態で真空乾燥すれば、径の小さいほうのガスケットリング側に隙間が残るので、金属ガスケットに付着した水分が容易に蒸発する。このように、金属ガスケット内の水分を十分に取り除くことができるので、金属ガスケットが腐食するおそれを極小にできる。これによって、長期間の貯蔵においても密封性能の信頼性を高くできる。
【００２５】
また、請求項１４に係る金属ガスケットのように、上記押圧部材には、スプリングを使用することが好ましい。このように、押圧部材にスプリングを使用すれば、設計を工夫することによって、外被を均一に密封対象物へ押し付けて十分な密封性能を発揮させることができる。このスプリングには、コイルスプリングや板材を巻くことにより構成した板巻状のものが含まれる。また、スプリングの断面形状は特に限定されるものではない。
【００２６】
また、請求項１５に係る金属ガスケットのように、上記押圧部材として板巻状のスプリングを使用してもよい。板巻状のスプリングは、シール時の圧縮により、全体的にスプリングの径が小さくなる。即ち、スプリングの径が小さくなるだけなので、スプリングの変形による密封対象物との接触面が大きくなることが抑制される。これにより、単位面積当たりの接触圧力の低下を防止して、確実な密封が可能になる。
【００２７】
また、請求項１６に係る金属ガスケットは、上記金属ガスケットにおいて、上記外被の硬度は上記密封対象物よりも低いことを特徴とする。このようにすれば、金属ガスケットの外被は密封対象物よりも軟らかいので、これらを損傷することもなく、密封対象物の再利用が容易となる。さらには、請求項１７に係る金属ガスケットのように、上記外被の硬度は８０Ｈｖ以下とすることが好ましい。この範囲の硬度であれば、密封対象物のシール面とよくなじむので、密封対象物を保護しつつ十分な密封性能を発揮できる。
【００２８】
また、請求項１８に係る金属ガスケットは、上記金属ガスケットにおいて、上記外被表面は、腐食に対する耐性を向上させる皮膜で覆われていることを特徴とする。このため、この金属ガスケットの外被は腐食しにくいので、長期にわたり腐食による密封性能の低下を抑えて信頼性を向上させることができる。特に、リサイクル燃料集合体を数十年の長期にわたって貯蔵するキャスクの密封用途に使用した場合には、キャスクの信頼性を向上させることができる。このような耐腐食性皮膜は、例えば金やクロム等の耐腐食性に優れた材料をめっきやイオンプレーティング等によって外被表面に付着させることによって形成することができる。
【００２９】
また、請求項１９に係る金属ガスケットのように、上記外被を構成する高純度鉄を酸液処理することにより、腐食に対する耐性を向上させる皮膜を形成してもよい。酸液処理によれば、比較的簡単な設備でこのような耐腐食性皮膜を形成することができるので、金属ガスケットの製造コストを抑えることができる。
【００３０】
また、請求項２０に係る金属ガスケットは、上記金属ガスケットにおいて、上記外被を構成する高純度鉄は、所定温度に所定時間保持した後、放冷する熱処理が施されていることを特徴とする。この金属ガスケットは外被に高純度鉄を使用しているので、このような熱処理によって硬度を下げることができる。これにより、例えば圧延によって外被の形状に延ばして加工硬化した材料であっても軟化によって優れた密封性能を発揮させることができる。
【００３１】
また、請求項２１に係る金属ガスケットは、上記金属ガスケットにおいて、上記熱処理により、外被の表面に不動態皮膜を形成したことを特徴とする。このように、外被の表面に不動態皮膜が形成されているので外被の耐腐食性が向上し、数十年の使用においても金属ガスケットの劣化を最小限にして十分な密封性能を維持できる。なお、このような不動態皮膜を形成するには、空気中、あるいは酸素濃度を調整した炉内雰囲気における熱処理が好ましい。また、請求項２２に係る金属ガスケットのように、上記熱処理の温度は３００℃〜４５０℃が好ましい。この温度範囲に熱処理対象金属である高純度鉄を保持すれば、外被の硬度を十分に低下させることができ、また、耐腐食性の高い不動態皮膜を形成することができる。なお、保持時間は熱処理対象物の大きさによって変化する。
【００３２】
また、請求項２３に係る金属ガスケットは、上記金属ガスケットにおいて、さらに上記密封対象物と接する上記外被のシール領域が予め平面に形成されていることを特徴とする。このように、密封対象物である蓋及び胴本体と金属ガスケット外被のシール領域とが平面で接するので、前記外被のシール領域における応力集中を分散させて、応力分布をより均一にできる。これによって、外被のクリープ変形の進行を抑制できるので、長期貯蔵においても金属ガスケットの応力緩和現象を抑えることができる。また、応力緩和現象を抑えることによって、金属ガスケットのスプリングバック（有効弾性復元）も多くとることができるので、キャスクに対してこの金属ガスケットを使用した場合には、蓋と胴本体とのずれに対する裕度を大きくできる。その結果、数十年の長期貯蔵においてもより高い安全性を担保できる。また、シール面を平坦にすることで外被の厚みを選択できるので、外被を従来よりも厚くして、シール部からの外被の逃げをより拘束することもできる。ここで、金属ガスケットのシール領域とは、金属ガスケットの外被の一部であって、密封対象物（例えばキャスクの胴本体と蓋）に接して密封する領域をいう（以下同様）。
【００３３】
また、請求項２４に係る金属ガスケットは、上記金属ガスケットにおいて、さらに、上記押圧部材と上記外被との間に、上記押圧部材を被覆する内被を備えたことを特徴とする。この金属ガスケットは、スプリングと外被との間に、スプリングを被覆する内被をさらに備える。このため、上記金属ガスケットの奏する作用・効果の他に、この内被によってスプリングの押圧力が外被に均等に伝わるという作用が得られる。これによって、外被の局所的な応力集中を分散させることができるので、外被のクリープ変形に起因する応力緩和現象を抑制して、長期貯蔵における信頼性を高めることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。ここで、本発明に係る金属ガスケットの適用範囲は特に限定されるものではなく、例えばキャスクのシールや原子炉格納容器のシール部分等にも適用できる。なお、この発明に係る金属ガスケットは、特に比較的高温環境下で数十年の単位で密封性能を維持するような用途に適しており、そのような用途の中でもリサイクル燃料集合体を収納して運搬し、長期間貯蔵するキャスクに好適である。
【００３５】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係るキャスクの密封構造を示す説明図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る金属ガスケットを示す断面図である。このキャスクのシール構造１０は、外被５０に高純度鉄を使用した金属ガスケットにより密封する点に特徴がある。なお、実施の形態１に係る密封構造の金属ガスケット２０は、フープ径Ｄｆの異なる二個のスプリング３０ａと３０ｂとを同心状に配置して、両者を外被５０によって被覆して結合する、いわゆるダブルリングタイプのものである。しかし、本発明に適用できる金属ガスケットはこのタイプには限られず、図２（ｂ）に示すような、１個のスプリング３０を内被４０と外被５０とで被覆する、いわゆるシングルリングタイプの金属ガスケット２０'にも適用できる。以下の実施の形態においても同様である。なお、内被４０は必ずしも必要ではない。また、スプリング３０ａ、３０ｂは、便宜上スプリング３０とも表記する。
【００３６】
実施の形態１においては、図２（ａ）に示す金属ガスケット２０のように、スプリング３０ａと３０ｂとの間の外被５０を、図２（ａ）の下方向に向かってたわませた構造に対して本発明を適用した場合について説明する。また、このような構造の金属ガスケット２０のみならず、図２（ｃ）に示す金属ガスケット２０''のように、スプリング３０ａと３０ｂとの間の外被５０をたわませない構造に対しても本発明は適用できる。さらに、図２（ｄ）に示すように、外被５０のみならず、内被４０'によってもスプリング３０ａ、３０ｂを結合すると、外被５０の逃げを小さくすることができる。
【００３７】
本発明に係る金属ガスケット２０及びキャスクの密封構造について説明する前に、当該金属ガスケット２０の主な適用対象であるキャスクについて概説する。
図１９は、キャスクの構造を示す断面図である。図２０は、図１９に示したキャスクの一部拡大図である。このキャスク５００は、ステンレス製又は炭素鋼製の胴本体５０１と、キャスク外面を構成する外筒５０２と、胴本体５０１と外筒５０２との間に充填される水素を含有した中性子遮蔽材５０３と、胴本体５０１の下部に溶接され、中性子遮蔽材５０４を封入した構造の底板５０５と、胴本体５０１に溶接一体化したフランジ部５０６に設けた一次蓋５０７及び二次蓋５０８とから構成される。リサイクル燃料集合体を収納するバスケット５１３は、胴本体５０１のキャビティ５０９内に配置される。前記一次蓋５０７と二次蓋５０８は、図２０に示すように、ボルト５１０、５１１によってフランジ部５０６に固定され、二次蓋５０８には中性子遮蔽材５１２が封入されている。
【００３８】
前記バスケット５１３は、ボロン（Ｂ）とアルミニウムとの複合材料によって形成した複数のセルから構成されている。また、このキャスク５００のキャビティ５０９内にはヘリウムガスが負圧状態で充填されている。その一方、一次蓋５０７と二次蓋５０８の間の空隙内は正圧となり、これによってキャスク５００内部と外部との間に圧力障壁を形成している。また、二次蓋５０８には、蓋間空間の圧力を測定するための孔５１４が設けられており、この孔５１４の出口には圧力センサー５１５が設けられている。
【００３９】
前記一次蓋５０７には、キャスク５００内のガスを置換するためのバルブ５１６が設けられており、当該バルブ５１６はバルブカバー５１７によって覆われている。一次蓋５０７と胴本体５０１との間、二次蓋５０８と胴本体５０１との間に本発明に係る金属ガスケット２０を介在させて、キャスク５００内を外気と密封する。
【００４０】
次に、本発明に係る金属ガスケット２０及びキャスクの密封構造について説明する。図１に示すように、このシール構造１０は、例えばキャスク５００の二次蓋５０８と胴本体５０１のフランジ部との間に設けられる。なお、キャスクの一次蓋と胴本体５０１との間にもこの発明に係る密封構造及び金属ガスケットは適用できることは言うまでもない（以下同様）。図２に示すように、金属ガスケット２０は、押圧部材である環状のスプリング３０に内被４０を被覆し、さらに、外被５０により内外輪をまとめて被覆した構成である。なお、スプリング３０はコイルスプリングを使用しているが、本発明で使用できる押圧部材はこれに限定されるものではない。他の例については後述する。
【００４１】
実施の形態１においては、金属ガスケット２０のフープ径Ｄｆ（金属ガスケット２０の直径）が２ｍ程度、内輪７０及び外輪８０それぞれの断面直径Ｄは５．５ｍｍ程度、外被５０の厚さは０．４ｍｍ、内被４０の厚さは０．２ｍｍである。外被５０の材料には、高純度鉄が用いられており、密封性能を確保する。高純度鉄については後述する。また、内被４０には腐食や高温酸化に強いインコネル（登録商標）等のニッケル系合金を用いて、高温環境下においても弾性を維持できるようにしてある。より高温の耐久性を向上させたいときには、Ｃｏ含有量の多いナイモニック（登録商標）等を使用することもできる。
【００４２】
なお、この金属ガスケット２０には内被４０を使用しているが、内被４０は必ずしも必要ではなく、キャスク５００の仕様に応じて用いればよい。ただし、内被４０を設けると、スプリング３０の反発力をより均一に外被５０に伝達して、外被５０に発生する局所的な応力集中を小さく抑えることができる。これによって、外被５０のクリープ変形をより小さく抑えることができるので、内被４０を設けることが好ましく、特に硬度の低い金属材料を外被５０に使用する場合には内被４０を設けることが望ましい。
【００４３】
二次蓋５０８や一次蓋、及び胴本体５０１には、放射線を遮蔽するとともに機械的強度を保つためステンレス鋼や炭素鋼が用いられる。その一方、金属ガスケット２０の外被５０には密封性能を発揮させるため、本発明においては高純度鉄が用いられている。このため、異種金属の接触により両者間に電位差が発生して、金属ガスケット２０が電解腐食を起こし密封漏れの原因となる。これを防止するため、キャスクの二次蓋５０８や胴本体５０１の材料には、モリブデンを含むＳＵＳ３１７又はＳＵＳ６２５を使用して、電解腐食を防止するようにしている。
【００４４】
また、ＳＵＳ３１７又はＳＵＳ６２５は溶接性に優れているので、キャスクのように一般的に溶接部分が多いものに適している。さらに、ＳＵＳ３１７及びＳＵＳ６２５のほかに、ＳＵＳ３１４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３２６、ＳＵＳ３４５などを用いることもできる。また、二次蓋５０８及び胴本体５０１にＳＵＳ３１７などを用いなくても、同材による肉盛りを施すことでシール面９０を形成するようにしてもよい（図示省略）。
【００４５】
また、キャスクの二次蓋５０８や胴本体５０１の材料として使用するモリブデンを含むＳＵＳ３１７又はＳＵＳ６２５よりも腐食電位の高い材料（例えばＡｌ）を、外被５０の表面に蒸着等によりコーティングして使用してもよい。このようにすれば、二次蓋５０８や胴本体５０１よりも交換が容易な金属ガスケット２０の外被５０の方が腐食されやすくなるので、二次蓋５０８や胴本体５０１が電解腐食から守られる。
【００４６】
キャスクに使用する上記金属ガスケット２０には、数十年間にわたるシール性能が要求される。また、キャスク内に収納されるリサイクル燃料集合体は崩壊熱を発生しており、貯蔵初期における金属ガスケット２０の使用環境温度は１２０℃程度となる。そして、リサイクル燃料集合体が数十年保管される間に、金属ガスケット２０の使用環境温度は１２０℃程度から６０℃程度まで徐々に低下する。
【００４７】
このような使用環境においては、外被５０に使用する材料の種類によっては外被５０にクリープ変形が生ずる。特に、融点の比較的低いアルミニウムやスズ等を外被５０に使用した場合には、このクリープ変形が問題となる。図３は、金属ガスケットに作用する応力と、金属ガスケットの歪との関係を示した説明図である。キャスクの二次蓋５０８等を締め付けると、金属ガスケット２０には所定の締付応力σ0が作用し、これによって初期歪ε0が生ずる。この初期歪ε0は、塑性歪εｐと、弾性歪εｅ（ｔ＝０）との和で表すことができる。時間の経過によって外被５０にクリープ歪εｃが生ずると、締付応力σ0が緩和されるので、弾性歪εｅが減少する。そして、締め付け時からある時間ｔが経過したときには、クリープ歪εｃが増加した分、締付応力がσｔまで低下する。これを金属ガスケットの応力緩和現象という。
【００４８】
図３中に示すσｃは気密限界応力であり、金属ガスケット２０に作用する応力がこの気密限界応力σｃを下回ると、キャスク内部と外部との差圧によって気密が破られる。金属ガスケット２０に締付応力σ0を作用させた直後にこの締付応力σ0を除去すると、弾性歪εｅが除去されるので、金属ガスケット２０の歪は塑性歪εｐのみとなる。そして、Ｒ0点で気密が破られる。しかし、金属ガスケット２０に締付応力σ0を作用させてから長時間経過すると、上述したように締め付け応力がσｔまで低下する。そして、この状態で締め付け応力を開放すると、金属ガスケット２０の歪は塑性歪εｐとクリープ歪εｃとの和となり、Ｒ1点で気密が破られる。これは、クリープ歪εｃが増加した分だけ、初期の弾性歪εｅ（ｔ＝０）が減少したからである。
【００４９】
金属ガスケット２０の気密限界応力はσｃであるため、金属ガスケット２０の締め付け直後においては、金属ガスケットの歪がε1まで減少したときに気密が破られる。一方、長時間経過後においては、金属ガスケット２０の歪がε2まで減少したときに気密が破られることになる。これは、金属ガスケット２０の締め付け直後と比較して、より少ない歪、すなわちより少ない変位で、気密が破られることを意味する。
【００５０】
長期貯蔵におけるキャスクの密封性を維持し、信頼性を向上させるためには、金属ガスケット２０の応力緩和現象を十分に解析することが必要である。本発明者らは、金属ガスケットの応力緩和現象について鋭意研究した結果、次の事項を見出した。まず、金属ガスケット２０の応力緩和現象は、外被５０を構成する材料がクリープ変形することによる、スプリング３０の弾性変位が開放される現象である。そして、金属ガスケット２０が劣化した後のスプリングバック（有効弾性復元）は、スプリング３０が塑性変形した後における曲げ剛性に支配される。
このスプリング３０が塑性変形した後における曲げ剛性は、６０年程度の長期貯蔵後であっても金属ガスケット２０が新品であるときと比較して特性変化が無視できる程度であり、外被５０と比較すれば変化なしとし得る。すなわち、インコネル製であるスプリング３０の材質劣化は、金属ガスケット２０の応力緩和現象を考えるにあたって考慮しなくともよい。
【００５１】
長期貯蔵におけるキャスクの密封性を維持し、信頼性を向上させるためには、外被５０のクリープ変形を小さくすることが必要である。クリープ変形を小さくできれば、長期間経過後における締め付け応力σの低下も少なくなるからである。この長期保存における外被５０のクリープ変形を低減させるために、本発明に係る金属ガスケット２０の外被５０には高純度鉄を使用する。高純度鉄の融点はおよそ１５００℃以上と高いため、キャスク５００（図１９参照）の使用環境である１２０℃程度の温度では、高純度鉄を使用した外被５０のクリープ変形は問題とならない。
【００５２】
また、高純度鉄は耐腐食性も高いので、特別な処理を施さなくとも腐食を抑えることができ、また、熱処理や酸液処理等の比較的簡単な処理で耐腐食性をより向上させることができる。さらに、熱処理によって銅と同程度まで硬度を低くすることができるので、密封性能も確保できる。また、金や銀とは異なり価格も比較的安いので、キャスク５００全体の製造コストを抑えることができる。このように、リサイクル燃料をキャスク５００で長期保存する際の密封に使用する金属ガスケット２０の外被材料として、高純度鉄は好適な材料である。
【００５３】
次に、外被５０に使用する高純度鉄について説明する。図４は、高純度鉄の純度と硬度との関係を示す説明図である。ここで、硬度はビッカース硬度（Ｈｖ）である。外被５０として使用する材料は、８０Ｈｖ以下の硬度が好ましい。図４に示すように、高純度鉄の純度が９９．９％よりも高い場合には、外被５０として好ましい硬度になることが分かる。これより、外被５０に使用する高純度鉄の純度は、少なくとも９９．９％以上が好ましい。
【００５４】
図４に示すように、高純度鉄の純度が９９．９５％〜９９．９９５％までの範囲では、硬度にほとんど変化がなく、その硬度は７０Ｈｖ程度である。また、熱処理を施すと、高純度鉄の硬度は低下する。ここで、この熱処理は、所定温度に処理対象である高純度鉄を所定時間保持した後、空気中で放冷するものである。
【００５５】
密封性能を向上させるためには硬度が低い方が好ましく、６０Ｈｖ以下の硬度がキャスクの密封には好ましい。同図に示すように、高純度鉄は上記熱処理を施すと硬度が低下するので、このような硬度とするためには、外被５０に前記熱処理を施すことが好ましい。なお、高純度鉄の硬度が２０〜２５Ｈｖ程度まで低下すると、外被５０がクリープ変形するおそれがある。このため、高純度鉄の硬度は３０Ｈｖ以上が好ましく、熱処理のしやすさを考慮すると４０Ｈｖ以上が好ましい。
【００５６】
ここで、高純度鉄の耐腐食性について説明する。表１は、高純度鉄とステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）と電磁軟鉄との耐腐食性を評価した結果を示す。耐腐食性は、９０℃の流水中に試験片を２０分間さらすか、１００℃の沸騰水中に試験片を２０分間浸漬するかのいずれかの条件で評価した。耐腐食性の評価においては試験片の外観を観察した。評価基準は次の通りである。◎：変化なし、○：点錆が発生するものの金属光沢は残留、×：全体に錆発生。なお、符号の−は、当該評価よりもやや悪い程度を示す。
【００５７】
【表１】
2004205224.tif 000003
【００５８】
キャスクの密封用として使用する金属ガスケット２０の使用環境温度は最高１２０℃程度になる。また、金属ガスケット２０の近傍に水分が残留するおそれもある。したがって、このような金属ガスケット２０の使用環境を考慮して、上記試験条件を設定してある。表１から分かるように、高純度鉄はステンレス鋼と電磁軟鉄との中間程度の耐腐食性を示す。
【００５９】
表２は、熱処理又は酸液処理に対する高純度鉄の耐腐食性について評価した結果を示す。熱処理は、所定温度に２０分間保持した後、空気中で放冷したものである。そして、保持温度を２００℃、３００℃、４５０℃の三種類に変化させて評価した。また、酸液処理については、６３体積％のＨＮＯ3溶液に６０分間浸漬したものと、０．３体積％のＨ2Ｏ2溶液に同じく６０分間浸漬したものとを評価した。
【００６０】
耐腐食性は、１００℃の沸騰水中に試験片を１８０分間浸漬して評価した。保持温度が２００℃の試験片は、熱処理なしの試験片と同程度の耐腐食性であり、熱処理による改善効果はみられない。保持温度が３００℃及び４５０℃の試験片は上記条件化で試験しても錆の発生は見られず、熱処理による耐腐食性の改善効果が見られた。これは、この熱処理条件によって試験片の表面に安定した酸化膜が形成されたことが、耐腐食性が改善された要因の一つであると推定される。また、一般に、金属組織中における酸素原子の拡散媒体であるひずみ（転位）の存在が、酸化による腐食を促進させるが、上記条件による熱処理によって、このひずみが除去されたことも耐腐食性が改善された要因の一つであると推定される。
【００６１】
【表２】
2004205224.tif 000004
【００６２】
一方、ＨＮＯ3溶液による酸液処理のみでは、耐腐食性は十分には改善されない。Ｈ2Ｏ2によって酸液処理のみを施した試験片は、酸液処理及び熱処理なしの試験片と比較して耐腐食性が改善される。これは、Ｈ2Ｏ2による酸液処理によって試験片表面に安定した酸化膜が形成されたためであると推定される。なお、熱処理を施した試験片と比較して耐腐食性が劣るのは、酸液処理のみでは試験片中のひずみが除去されないので、この分だけ酸化による腐食が発生したためと考えられる。
【００６３】
これらの結果から、高純度鉄をそのまま外被５０として使用するよりも、３００℃〜４５０℃の温度域で所定時間保持し、放冷する熱処理を施してから外被５０として使用する方が、耐腐食性を改善できるので好ましい。同時に、熱処理を施すと硬度を５０Ｈｖ程度まで低くすることができ、これによって密封性能を向上させることができるので好ましい。特に、圧延工程を経た材料は加工硬化によって硬度が高くなっているので、圧延材料は熱処理してから使用することが望ましい。なお、耐腐食性の改善のみを目的とする場合には、Ｈ2Ｏ2による酸液処理を施してもよい。また、イオンプレーティングやスパッタリング等の薄膜形成手段によって金や銀の耐腐食性皮膜を外被５０の表面に形成し、耐腐食性を向上させてもよい。この場合、当該皮膜は薄いので、金や銀を皮膜として使用してもこれによって価格が大きく上昇することはない。また、ニッケル（Ｎｉ）や亜鉛（Ｚｎ）等の耐腐食性に優れた材料を、外被５０の表面にめっきして耐腐食性皮膜を形成してもよい。
【００６４】
次に、外被５０の製法について説明する。外被５０に使用する高純度鉄は、例えば電子ビーム溶融精製法や高周波溶解法等の高純度金属精製法によって製造される。電子ビーム溶融精製法は、偏向コイルを介して電子ビームを精製対象金属に照射し、精製対象金属が溶融したところで偏向コイルによって電子ビームの照射範囲を狭くしながら溶融範囲を狭くする。そして、狭くなった溶融部分に不純物を集めてこの部分を除去し、高純度の金属を精製する方法である。
【００６５】
また、高周波溶解法は、誘導加熱によって金属を溶融させるとともに、るつぼと溶融金属に渦電流を発生させ、この渦電流間に生まれる磁気反発力によって溶融金属をるつぼから浮上させながら、金属を溶融する方法である。この方法によれば、るつぼと溶融金属とが非接触のまま金属を溶融できるので、両者間に反応を起こさせないで高純度の金属を精製することができる。これらの高純度金属精製法によれば、本発明の外被５０に要求される純度の高い高純度鉄を製造することができる。
【００６６】
この高純度鉄は、圧延によって所定の厚さに展延された後、所定の硬度に調整するために、必要に応じて熱処理が施される。この熱処理は、上述したように所定温度に処理対象である高純度鉄を所定時間保持した後、空気中で放冷するものである。なお、上記例において所定温度に保持する時間は２０分であったが、処理対象物の大きさに応じて所定温度に保持する時間は適宜調整される。保持温度の範囲は、上述したように３００℃〜４５０℃が好ましい。また、酸素濃度を調節した炉内雰囲気中で放冷させてもよい。熱処理が終了したら、所定の形状に切断してからスプリング３０又は内被４０を被覆して、金属ガスケット２０が完成する。
【００６７】
次に、金属ガスケット２０に使用される、押圧部材である環状のスプリング３０について説明する。図５は、この発明の実施の形態１に係る金属ガスケットのスプリングを示す説明図である。このスプリング３０はコイルスプリングであり、インコネル（登録商標）やステンレスあるいはピアノ線、りん青銅等の線材を、図５に示すように、隙間を設けないで巻くことによって作られている。これは、隣の線との間に隙間が開いていると、密封のため金属ガスケット２０が押しつぶされたときに、均等な力で内被４０と外被５０（図１、２参照）とを押し返すことができなくなり、長期間の使用において所期の密封性能を発揮できなくなるからである。なお、ピアノ線やりん青銅をスプリング３０として使用する場合には、耐腐食性を向上させるために、予め線材の表面にクロムや金の耐腐食性皮膜を形成しておくことが好ましい。耐腐食性皮膜を形成させる手法としては、例えばめっきやイオンプレーティング等の手法があげられる。
【００６８】
また、図５（ｃ）に示すように、スプリング３２には、断面形状が矩形の素線を使用してもよい。このようにすれば、断面円形のコイルスプリングと比較して、スプリング３２と内被４０又は外被５０（図１、２参照）とはより多くの面積で接するので、より均等にスプリング３２の反発力を内被４０又は外被５０に伝えることができる。これによって、外被５０の応力分布をより均等にできるので、スプリング３２の反力を押さえ込む内被４０を省略するか、又は内被４０を薄くすることもできて、クリープ変形に起因する金属ガスケットの応力緩和現象を低減できる。これによって、長期貯蔵においても密封性能を維持できる。
【００６９】
また、断面円形のスプリング３０と断面矩形のスプリング３２とで、両者の断面係数が同じであれば、断面矩形のスプリング３２の方が素線の幅ｂを小さくできるので、ピッチｐも小さくできる。したがって、同じ曲げ剛性であれば、スプリング３２の巻き数を増やすことができるので、より均一にスプリング３２の反発力を外被５０へ伝えることができる。このように、断面矩形のスプリング３２を使用した場合には、断面円形のスプリング３０を使用するよりも、より金属ガスケットの応力緩和現象を抑制する効果がある。また、ピッチｐを小さくできるので、締付け力Ｐが作用していない場合の初期傾きθP=0は断面円形のコイルスプリングよりも小さくできる。これによって、スプリング３２の反力をより有効に利用できる。
【００７０】
また、断面円形をしたスプリング３０と断面矩形のスプリング３２との断面係数が同じであれば、断面矩形のスプリング３２の方が、金属ガスケットの締付け力によってスプリング３２内に発生する応力を小さくできる。さらに、断面矩形のスプリング３２は断面円形のスプリング３０とは異なり、隣り合う素線と面３２ａで接触する。これによって、締付け力Ｐによってこの面３２ａに発生する応力は、断面円形のスプリング３０よりも小さくできる。その結果、締付け力Ｐによる傾き角θPを断面円形のスプリング３０よりも小さくできるので、断面矩形のスプリング３２の素線に作用するねじれ応力も低減できる。これらの作用によって、断面を矩形にすればスプリング３２の長期信頼性をより高くできる。
【００７１】
一般に、金属ガスケット２０（図１、２参照）において密封圧力を得ようとすると、スプリング３０には素線径ｄが太いものを使用して、スプリング３０の曲げ剛性を高くする必要がある。スプリング３０の素線径ｄが太くなればそれだけスプリング３０の巻き線径Ｄ1は小さくなる。その結果、高いシール圧力が求められる金属ガスケット２０の断面直径Ｄは、シール圧力が低いものと比較して小さくなる。なお、スプリング３０の曲げ剛性とは、スプリング３０の径方向に力Ｐを加えた場合における、スプリング３０の径方向に対する変形のし難さをいう（以下同様）。
【００７２】
金属ガスケット２０のスプリングバック量を大きくすれば、それだけ金属ガスケット２０が変位した際の密封に対する裕度を大きくすることができる。図６は、金属ガスケットに作用させる荷重と金属ガスケットの変位との関係を示した説明図である。図中の点線は、従来の金属ガスケット５２０（図１５（ａ）参照）を、図中の実線は本発明に係る金属ガスケット２０を示す。なお、図６に示してあるのは、ＬＭＰを用いた外挿法による解析結果であり、初期温度１２０℃で６０年後に６０℃まで直線近似のもとに温度降下した場合を温度条件としたものである。なお、この温度条件は、実施のキャスクにおける長期貯蔵の温度条件を十分に再現できるものである。また、ＬＭＰを用いた外挿法は、応力緩和を安全側、すなわち応力緩和を大きく見積もる手法であり、このような解析には好ましい手法である。
【００７３】
本発明に係る金属ガスケット２０の曲げ剛性は、従来の金属ガスケット５２０における曲げ剛性のおよそ６０％としてある。このようにするため、スプリング３０の素線径ｄは従来の金属ガスケット５２０よりも細くしてある。また、この発明に係る金属ガスケットの断面直径Ｄは、従来の金属ガスケット５２０と同じである。なお、本発明に係る金属ガスケット２０の曲げ剛性は、従来の金属ガスケット５２０における曲げ剛性の４０％以上８０％以下の範囲が好ましい。この範囲であれば、ある程度の曲げ剛性を確保しつつスプリングバック量を大きくする効果を得ることができるからであり、さらには従来の金属ガスケット５２０における曲げ剛性の５０％以上７０％以下の範囲がより好ましい。
【００７４】
ここで、この発明に係る金属ガスケット２０の初期締め付け量は、従来の金属ガスケット５２０よりも大きくしてある。これによって、従来の金属ガスケット５２０とこの発明に係る金属ガスケット２０とに作用する初期応力（締付応力）σ0が等しくなるので、同じ時間経過した後の応力緩和量は同一となる。このときの締め付け応力はσｔである。ここで、締め付け応力σを徐々に開放すると、金属ガスケットは徐々に元の形に戻り、変位δが０に近づく。そして、締め付け応力σが気密限界応力σｃに到達したときの変位δが、金属ガスケットの気密限界変位δｃとなる。
【００７５】
この発明に係る金属ガスケット２０においては、従来の金属ガスケット５２０よりも曲げ剛性を小さくしてあるので、金属ガスケットの変位δに対する締め付け応力σの変化、すなわちσ／δが従来の金属ガスケットよりも緩やかになる。その結果、締め付け応力σの緩和に対して、従来よりも大きく金属ガスケット２０が変位する。すなわち、同じ締め付け応力σであれば、そのときのスプリングバック量を多くとることができるので、気密限界変位δｃもその分だけ大きくすることができる。これによって、従来の金属ガスケット５２０よりも大きなずれが生じても、キャスクの気密を維持できるので、長期貯蔵後であっても安定した密封性能を発揮して安全に輸送できる。
【００７６】
具体的には、スプリング３０にインコネルを使用した従来の金属ガスケット５２０におけるスプリングバック量δｃ520は０．０１〜０．０２ｍｍ程度である。これに対し、スプリング３０に細いインコネル素線を使用した本発明の金属ガスケット２０におけるスプリングバック量δｃ20は０．２０ｍｍ程度である。このように、本発明に係る金属ガスケット２０におけるスプリングバック量は、従来の金属ガスケット５２０におけるスプリングバック量の１０〜２０倍である。
ここで、キャスクの密封に使用する金属ガスケットに要求されるスプリングバック量はおよそ０．０５ｍｍであるが、本発明に係る金属ガスケット２０は、この値を十分に達成できる。これによって、従来の金属ガスケットでは不十分だった、リサイクル燃料集合体のキャスクにおける数十年の長期貯蔵に対しても十分な信頼性を持つ金属ガスケットを得ることができた。
【００７７】
上記説明から、スプリング３０の曲げ剛性を小さくするとスプリングバック量を増やすことができるが、曲げ剛性を小さくし過ぎると、金属ガスケット２０の変形量が大きくなるため好ましくない。また、外被５０に使用する高純度鉄は、硬度が比較的低いといってもアルミニウムや銅等に比較すれば硬度は高い。したがって、シール面に外被５０を密着させるためには、スプリング３０にある程度の反発力を発生させて外被５０をシール面に押し付ける必要がある。これらの理由から、スプリングの曲げ剛性を小さくし過ぎることは好ましくなく、ある程度の大きさの曲げ剛性を持たせる必要がある。
【００７８】
スプリング３０の曲げ剛性は、材料が決まればスプリング３０の素線径ｄと巻き線径Ｄ1との関係によって一義的に決定される。ここで、表３〜５に長期貯蔵後における金属ガスケットのスプリングバック量の評価結果を示す。この金属ガスケットに使用するスプリング３０はインコネルである。なお、この評価はＬＭＰを用いた外挿法によるものであり、温度条件は、初期温度１２０℃で６０年後に６０℃まで直線近似のもとに温度降下した場合である。また、キャスクの密封に使用される金属ガスケットに要求されるスプリングバック量が満足できたものを○とする。なお、スプリング３０の巻き線径Ｄ1は、便宜上金属ガスケット２０の断面直径Ｄ（図２（ａ）参照）で代表させてある。
【００７９】
【表３】
2004205224.tif 000005
【００８０】
【表４】
2004205224.tif 000006
【００８１】
【表５】
2004205224.tif 000007
【００８２】
表３から分かるとおり、金属ガスケット２０の断面直径Ｄが５．６ｍｍである場合には、スプリング３０の素線径ｄが０．３５ｍｍ〜０．５０ｍｍの間で良好なスプリングバック量を示すことが分かる。また、表２から、金属ガスケット２０の断面直径Ｄが１２．０ｍｍである場合には、スプリング３０の素線径ｄが０．８０ｍｍ以下で良好なスプリングバック量を示すことが分かる。表３は、スプリング３０の素線径ｄと金属ガスケット２０の断面直径Ｄとの比ｄ／Ｄで評価結果を整理したものであるが、これからｄ／Ｄが０．０２〜０．０８の範囲で良好なスプリングバック量を示すことが分かる。
【００８３】
上記結果から、スプリング３０の素線径ｄ（図５参照）は、０．３５ｍｍ以上０．８０ｍｍ以下の範囲が好ましく、０．３５ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の範囲がより好ましい。また、あまり金属ガスケット２０の断面直径Ｄが小さい場合には、断面直径Ｄに対して締付け量を大きくしないとスプリングバック量を確保できず、金属ガスケット２０による気密が破壊される場合があるので、無闇に金属ガスケット２０の断面直径Ｄ（図２参照）を小さくすることはできない。一方、金属ガスケット２０の断面直径Ｄが大きくなりすぎると、上記素線径ｄでは必要な曲げ剛性が確保できなくなるので、金属ガスケット２０の断面直径Ｄは、５．０ｍｍ以上１２．０ｍｍ以下が好ましい。また、スプリング３０の素線径ｄと金属ガスケットの断面直径Ｄとの比ｄ／Ｄとしては、０．０２以上０．０８以下が好ましい。これらの数値はスプリング３０にインコネルを使用した場合の値であるが、スプリング３０にインコネルよりも弾性率の大きいステンレスやピアノ線を使用した場合には、およそ１割〜３割程度小さい値でよい。
【００８４】
図７及び図８は、この発明に係る金属ガスケットの取り付け構造を示す説明図である。同図（ａ）に示すように、金属ガスケット２０''は、キャスク５００の一次蓋５０７あるいは二次蓋５０８に、ボルト１００等の取り付け手段によって取り付けられる。リサイクル燃料集合体は、放射線を遮蔽するために水中でキャスク５００に挿入され、あるいは取り出されるが、このときには一次蓋５０７及び二次蓋５０８も水中で取り付け等がされる。このため、蓋側に金属ガスケット２０を取り付けて作業性を向上させるようにしてある。ここで、金属ガスケット２０を一次蓋５０７等に取り付けるためには、図７（ｂ）に示すように、二次蓋５０８等の金属ガスケット取り付け位置に磁石１０２を配置する。金属ガスケット２０''の外被５０は高純度鉄なので、磁石１０２に吸着して二次蓋５０８等に取り付けられる。このようにすれば、ボルト１００を使用しないので金属ガスケット２０''の取り付け作業が容易になる。
【００８５】
また、図８（ａ）に示すように、胴本体５０１側に金属ガスケット２０''を配置してから二次蓋５０８等を胴本体５０１に取り付けてもよい。この場合には、二次蓋５０８等を胴本体５０１から取り外したときに金属ガスケット２０''が胴本体５０１側に残されるが、図８（ｂ）に示すように、金属ガスケット２０''と接する面に磁石１０４を備えた環状の取り外し冶具１０６に金属ガスケット２０を吸着させて、胴本体５０１から金属ガスケット２０''を取り除いてもよい。このように、本発明に係る金属ガスケット２０''は外被５０が高純度鉄なので、磁石を利用することにより金属ガスケット２０''を取り扱う際の自由度を向上させることができる。
【００８６】
以上、この発明の実施の形態１に係る金属ガスケット２０等について説明したが、本発明においては金属ガスケットの外被５０に高純度鉄を使用するので、キャスクによる数十年の長期貯蔵時の密封用に使用しても、ほとんどクリープ変形しない。これによって、金属ガスケット２０等の応力緩和現象を極めて小さく抑えることができるので、長期貯蔵時における密封の信頼性を向上させることができる。また、高純度鉄は腐食しにくいので、この点でも長期貯蔵における密封の信頼性を向上させることができる。
【００８７】
（変形例１）
図９は、実施の形態１の第１変形例に係る金属ガスケット及び密封構造を示す説明である。この金属ガスケット２２は、上記金属ガスケット２０等と略同様の構成であるが、板状材を巻いて端部を一部で重ねることにより、断面略円形の環状板巻状部材を押圧部材として使用する点が異なる。その他の構成は、上記実施の形態１と同様なのでその説明を省略する。
【００８８】
このキャスクのシール構造１１において、金属ガスケット２２は、フープ径Ｄｆが異なる二個の板巻状のスプリング３４ａ、３４ｂとを同心状に配置し、両者を外被５１によって被覆しながら結合する、いわゆるダブルリングタイプのものである。即ち、この金属ガスケット２２において、内輪７０と外輪８０とは外被５１の平面部５１ｃで一体化される。なお、外被５１は、上述したように高純度鉄を使用する。以下の例においても同様である。
【００８９】
前記板巻状のスプリング３４ａ、３４ｂは、板材から重ね部分Ｓが重なるように断面が略円形の板巻状に成形され、シール時の圧縮により、重ね部分Ｓが摺動して全体的に板巻状のスプリング３４ａ、３４ｂの径が小さくなる。即ち、板巻状のスプリング３４ａ、３４ｂの径が小さくなるだけであるから、板巻状のスプリング３４ａ、３４ｂの変形による胴本体５０１等との接触面が大きくなることが抑制され、単位面積当たりの接触圧力の低下を防止できる。このため、確実な密封が可能になる。
【００９０】
また、スプリング３４ｂの内側には、周方向に多数の水抜き穴１０１を穿孔するようにしても良い。この水抜き穴１０１は、内部に侵入した水を外部に出すためのものであり、その位置は、径方向内側で且つ厚さ方向（図中高さ方向）の略中央となる。例えば、下方に設けた場合は、外被５１と干渉するので当該外被５１にも穿孔加工を行う必要が生じるためである。また、シール面９０の近くに設けると、外被５１とシール面９０との間に水が浸入し易くなり、水を抜き難い状態になるからである。具体的に好ましい水抜き穴１０１の位置は、径方向内側の線Ｌを中心に±４５°以内である。一方、胴本体５０１の中心Ｃ側における板巻状の板巻状のスプリング３４ａは、金属ガスケットの内側に重ね部分Ｓが位置するため、シール時の圧縮により重ね部分Ｓが摺動して隠れないような位置に水抜き穴１０１を穿孔する必要がある。
【００９１】
また、上記板巻状のスプリング３４ａ、３４ｂの重ね部分Ｓの代わりに開口３４ａ'ｏを有する、図９（ｂ）、（ｃ）に示すような断面が略Ｃ形の板巻状のスプリング３４ａ'を使用してもよい。このような板巻状のスプリング３４ａ'は、シール時に圧縮されて縮む際に重ね部分Ｓが摺動することはない。また、シール時には全体的に板巻状のスプリング３４ａ'の径が小さくなるので、板巻状のスプリング３４ａ'の変形によって接触面が大きくなるのが抑制され、単位面積当たりの接触圧力の低下を防止できる。このため、確実な密封が可能になる。
【００９２】
上記板巻状のスプリング３４ａや３４ａ'等の材質は、実施の形態１に係るスプリング３０ａ、３０ｂと同様にインコネルが使用できる。また、外被５１の材料である高純度鉄よりも熱膨張率の大きい材料（例えばステンレスやＡｌ等）で前記板巻状のスプリング３４ａ等を構成し、これと外被５１とを合わせたクラッド材構造として金属ガスケット２２を構成してもよい。材料に関してはは、以下の例でも同様に適用できる。
【００９３】
上記板巻状のスプリング３４ａ、３４ｂの重ね部分Ｓ、又は板巻状のスプリング３４ａ'の開口３４ａ'ｏは、製作の容易さを考慮すると胴本体５０１の外側、すなわち金属ガスケット２２の外周側の配置することが好ましい。一方、金属ガスケット２２の密封機能をより十分に発揮させるためには、前記重ね部分Ｓ又は前記開口３４ａ'ｏは、胴本体５０１の中心Ｃ側、すなわち金属ガスケット２２の内周側に配置することが好ましい。
【００９４】
以上のシール構造１１及び金属ガスケット２２によれば、シール面９０に対する単位面積当たりの接触圧力の低下を防止できるとともに、二重リングにより密封性を格段に向上できる。特に、キャスクのような放射性物質を格納する容器の密封に好適である。
【００９５】
（変形例２）
図１０は、実施の形態１の第２変形例に係るキャスクにおけるシール構造を示す説明図である。このシール構造１２において、金属ガスケット２２ａは、スプリング機能を有する内被３５と、その内被３５に積層した外被５２とにより曲げ形成された構造である。この金属ガスケット２２ａを製造するには、まず板状の内被３５と外被５２とを積層して拡散接合等により接合し、図１０に示すような形状に曲げ成形を行う。具体的には、内被３５及び外被５２の両側を略円形板巻状に曲げ、一部で重なる重ね部分Ｓを作る。内輪７１は、内被３５ａと外被５２ａとから構成され、外輪８１は、内被３５ｂと外被５２ｂとから構成される。内輪７１と外輪８１とは平面部３５ｃ、５２ｃで接続される。
【００９６】
この金属ガスケット２２ａを、二次蓋５０８および胴本体５０１の間に介在させ、内部の密封を行う。密封した状態で内輪７１と外輪８１とは、その外被５２でシール面９０ａ、９０ｂに所定圧力で接触する。この金属ガスケット２２ａは、密封した状態で上下方向に圧縮されるが、重ね部分Ｓが摺動して全体的に内輪７１、外輪８１の径が小さくなる。即ち、スプリングとして機能する内輪７１、外輪８１、８１の径が小さくなるだけであるから、外被５２とシール面９０との接触面が大きくならない。この結果、当該金属ガスケット２２ａによる接触圧力の低下を防止し、密封を確実に行える。また、二重リング構造になっているので、キャスクなどの高い機密性を要求される製品に好適なものとなる。
【００９７】
（変形例３）
図１１は、実施の形態１の第３変形例に係るキャスクにおけるシール構造を示す説明図である。図１２は、図１１に示したスプリングの製造方法を示す説明図である。図１３は、図１１の金属ガスケットによるシール状態を示す説明図である。このシール構造１３において、金属ガスケット２２ｂは、フープ径Ｄｆの異なる二個のスプリング３６ａ、３６ｂとを同心状に配置し、これらに内被４４ａ、４４ｂを被覆するとともに、両者を外被５３によって被覆しながら結合する、いわゆるダブルリングタイプのものである。即ち、この金属ガスケット２２ｂは、外被５３により内輪７２と外輪８２とをまとめて被覆した構成で、内輪７３と外輪８３とは外被５３の平面部５３ｃで一体化されている。内輪７３は、スプリング３６ａ、内被４４ａ及び外被５３ａから構成され、外輪８３は、スプリング３６ｂ、内被４４ｂ及び外被５３ｂから構成される。
【００９８】
このシール構造１３は、例えばキャスク５００の二次蓋５０８と胴本体５０１のフランジ部との間に設けられる。なお、キャスク５００の一次蓋と胴本体５０１との間にも、もちろんこの発明に係るシール構造及び金属ガスケットは適用できる。前記スプリング３６ａ、３６ｂは、板材から重ね部分Ｓが重なるように略円形板巻状に成形され、シール時の圧縮により重なり部分Ｓが摺動して全体的にスプリング３２の径が小さくなる。即ち、スプリング３６ａ、３６ｂの径が小さくなるだけであるから、スプリング３６ａ、３６ｂによる接触面が大きくなるのを抑制し、単位面積当たりの接触圧力の低下を防止できる。このため、確実な密封が可能になる。
【００９９】
前記スプリング３６ａ、３６ｂ（両者とも構造が同じなので、以下スプリング３６）は、図１２（ａ）に示すように、矩形短冊状の板の長手方向一端縁をベース３０１として、他端縁に多数のスリット３０３を入れ、多数の櫛歯３０２を形成する。この板を図中一点差線で示す方向を軸として略円形板巻状に折り曲げ、同図（ｂ）に示すような断面板巻状で全体がリング状のスプリング３２を形成する。こうして曲げ成形したスプリング３６には、ベース３０１部分が重ね部分Ｓとなり、櫛歯３０２上を摺動可能となる。
【０１００】
このスプリング３６はその表面が櫛歯のようにスリットが入ったものであるから、高純度鉄で構成した外被５３のみを介して密封すると、スリット３０３に外被５３が入り込み、シール面９０の接触圧力に変動が起きる。このため、図１３に示したように、薄い硬質金属である内被４４ａ、４４ｂを外被５３とスプリング３６との間に介在させ、スプリング３６の櫛歯３０２により一旦内被４４ａ等を押し、その内被４４ａ等により外被５３を押すようにすれば、外被５３に対して均一、且つ全面的に圧力を加えることができる。これにより、外被５３は、均一の接触圧力を持ってシール面９０に接触することになるから、確実な密封が可能になる。
【０１０１】
（実施の形態２）
図１４は、この発明の実施の形態２に係る金属ガスケットを示す断面図である。この金属ガスケット２１は、実施の形態１に係る金属ガスケット２０と略同様の構成であるが、密封対象物である一次蓋５０７や二次蓋５０８と外被５０とが接触する外被５０のシール領域５０ｓを予め平面状に形成した点が異なる。その他の構成は実施の形態１と略同様なのでその説明を省略する。
【０１０２】
図１５は、従来の金属ガスケットを示す断面図である。従来の金属ガスケット５２０においては、断面の外被覆形状は円形であり、円弧の部分がキャスクの胴本体と二次蓋５０８と接した後、締め付け力を受けて図１５（ｂ）のように変形する。このため、図１５（ｃ）に示すように、二次蓋５０８及びキャスクの胴本体５０１と接するシール領域５５０ｓには応力が不均一に作用するので、クリープ変形が促進される。
【０１０３】
この発明に係る金属ガスケット２１においては、図１４（ａ）に示すように、外被５１が二次蓋５０８等と接するシール領域５０ｓを予め平面状に形成してある。これによって、図１４（ｂ）に示すように、この金属ガスケット２１が締め付け力を受けて圧縮された場合には、密封対象物である二次蓋５０８等と接するシール領域５０ｓにおける応力分布が分散されて、従来よりも均一になる。これは、密封対象物である二次蓋５０８等と接するシール領域５０ｓにおける応力分布は、このシール領域以外の領域５０ｙに締め付け力が作用した場合におけるシール領域以外の領域５０ｙの応力分布よりも均一となることを意味する。
【０１０４】
ここで、上述したように、外被５０に使用する高純度鉄の硬度が比較的低いといってもアルミニウムや銅等に比較すれば硬度は高い。また、本実施の形態においては、外被５０のシール領域５０ｓを予め平面状に形成しているので、従来のように断面円形の金属ガスケットと比較してシール面の圧力が低くなる。したがって、シール面に外被５０を密着させるためには、スプリング３０にある程度の反発力を発生させて外被５０を二次蓋５０８等に押し付ける必要がある。これらの理由から、外被５０のシール領域５０ｓを平面状に形成した場合には、密封に十分な圧力をシール領域５０ｓに発生させるだけの曲げ剛性をもつスプリング３０を使用することが好ましい。
【０１０５】
また、密封に十分な圧力をシール領域５０ｓに発生させるためには、シール領域５０ｓがある程度変形する必要があるが、純鉄Ａｌ等と比較して硬度が高いので、シール領域５０ｓの面積によっては二次蓋５０８等を固定する固定用ボルト（図示せず）の締め付け力が大きくなる。このため、シール領域５０ｓの面積は、固定用ボルトの締め付け力が過大にならない範囲に抑えることが好ましい。また、太い固定用ボルトを使用して、より大きな締付け力を発生させることにより、密封に十分な圧力が発生できる程度までシール領域５０ｓを変形させてもよい。
【０１０６】
上記構成によって、従来の金属ガスケット５２０と比較して、シール領域５０ｓにおいては応力分布を均等にする作用が大きくなるので、外被５０のクリープ変形を従来よりも緩やかにすることができる。これによって、外被５０のクリープ変形を従来よりも小さくできるので、クリープ変形に起因する応力緩和現象を抑えることができる。また、外被５０のシール領域５０ｓを予め平面に形成しておくことによって、この金属ガスケット２１の断面形状は円形ではなくなる。
【０１０７】
このような形状とすることによって、断面が円形の場合よりも断面係数が大きくなる。さらに、外被５０のシール領域５０ｓを予め平面に形成しておくことで、クリープ変形しやすい外被５０のシール領域５０ｓの厚みは従来の金属ガスケット５２０（図７参照）よりも薄くなる。これによって、クリープによる変形の絶対量が小さくなり、この分だけ金属ガスケット２１の復元量の減少を抑制できる。また、外被５０には高純度鉄を使用するので、キャスク５００における使用環境下においてほとんどクリープ変形を起こさない。さらに高純度鉄は弾性率がアルミニウムや銅よりも大きいので、それだけ大きな締め付け力に耐えることができる。
【０１０８】
これらの作用によって、この金属ガスケット２１は、シール領域５０ｓに垂直な方向に向かう締め付け力に対して、断面が円形である従来の金属ガスケット５２０と比較して、より大きな締め付け力に耐えることができる。したがって、この金属ガスケット２１においては、より細い素線径ｄのスプリング３０を使用しても、外被５０が従来よりも大きな荷重を支えることができる。これによって、金属ガスケット２１のスプリングバック量を大きくできるので、長期貯蔵においてはさらに高い安全性を発揮できる。
【０１０９】
（実施の形態３）
図１６は、この発明の実施の形態３に係るキャスクにおける密封構造を示す説明図である。このキャスクが備える密封構造は、上記実施の形態１と略同一の構成であるが、同心状に配置したフープ径の異なる二つのスプリングを外被によって被覆しつつ、外被の端部同士を接合して両者を一体としたダブルリング式の金属ガスケットを使用する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成要素には同一の符号を付する。
【０１１０】
実施の形態３に係る金属ガスケット２３は、いわゆるダブルリング式のものであり、フープ径Ｄｆの異なる二個のスプリング３３ａ及び３３ｂを同心状に配置する。そして、これらを内被４３で被覆して、外被５０によって両者を被覆してから、外被５０の端部５０ｔ同士を接合部５０ｂで接合して構成する。端部５０ｔ同士の接合には、溶接や摩擦接合が用いられる。溶接にはレーザーや電子ビーム溶接を用いると、接合部に当て板が不要になるので好ましい。
【０１１１】
端部５０ｔ同士は、図１６（ａ）及び（ｃ）に示すように、フープ径Ｄｆの異なる二個のスプリング３３ａ及び３３ｂとの間における接合部５０ｂで接合してもよい。ここで、図１６（ｃ）は突合せ接合の例である。また、図１６（ｂ）に示すように、いずれか一方のスプリングの側部３３ｙにおける接合部５０ｂで接合してもよい。さらに、図１６（ｄ）に示すように、スペーサ６０を外被５０内部に配置して、スペーサ６０とともに接合部５０ｂで外被５０を接合してもよい。また、スペーサ６０を単に接合のバックアップとしてのみ使用して、外被５０のみを接合してもよい。このようにスペーサ６０を接合の際にバックアップとして使用すると、外被５０を容易に接合できる。なお、スペーサ６０には、例えば純アルミニウム等を使用することができる。
【０１１２】
また、図１６（ａ）及び（ｂ）に示す二個のスプリング３３ａと３３ｂとの間に、スペーサ６０と同様に外被５０の変形を拘束するものとして、スプリング３３ａ等よりもやや外径の小さいスプリングを用いてもよい。このようなスプリングを使用すれば、純アルミニウム等を使用する場合と比べて金属ガスケット２３を容易に製造できる。また、スプリングの反発力を適当な値に調整することによって外被５０に過度の応力を与えることもないので好ましい。
【０１１３】
図１７は、外被の端部同士を接合していない一部開放型のダブルリング式の金属ガスケット及びこの発明の実施の形態３に係る金属ガスケットを示す説明図である。同図（ａ）に示すように、一部開放型のダブルリング式の金属ガスケット２０では、二次蓋５０８側のシール領域５０ａｓと５０ｂｓとが、外被５０によって結合されている。このため、外被５０が金属ガスケット２０の径方向Ｘに対してクリープ変形しようとしてもこの変形が拘束される。これによって、シール領域５０ａｓ及び５０ｂｓ側においては外被のクリープ変形が抑制されるので、金属ガスケット２０の応力緩和もその分抑制される。
【０１１４】
一方、キャスクの胴本体５０１側においては、この部分におけるシール領域５０ａｓ2と５０ｂｓ2側とは、外被５０によって結合されていない。したがって、外被５０が金属ガスケット２０の径方向Ｘに対してクリープ変形した場合には、この変形を拘束するものはない。このため、二次蓋５０８側と比較して、キャスクの胴本体５０１側では外被５０のクリープ変形が大きくなるので、金属ガスケット２０の応力緩和もその分大きくなる。
【０１１５】
しかし、図１７（ｂ）に示すように、この発明の実施の形態３に係る金属ガスケット２３は、内被４３で被覆したフープ径Ｄｆの異なる二個のスプリング３３ａ及び３３ｂを同心状に配置し、これらを外被５０によって被覆してから、外被５０の端部５０ｔ同士を接合してある。このため、二次蓋５０８側及びキャスクの胴本体５０１側いずれのシール部分においても、スプリング３３ａ及び３３ｂの位置におけるシール領域は、外被５０によって結合される。したがって、二次蓋５０８側及びキャスクの胴本体５０１側いずれのシール領域５０ａｓや５０ｂｓ2等においても、外被５０のクリープ変形が拘束される。その結果、クリープ変形に伴う応力緩和現象が抑制されるので、長期貯蔵においても密封性能を維持して、安全に輸送できる。
【０１１６】
また、外被５０の端部５０ｔ同士を溶接、摩擦接合その他の接合手段によって接合しているため、金属ガスケット２３内部の気密性も確保できる。一般にキャスクは安全上の配慮から、水を満たした貯蔵プール内でリサイクル燃料集合体が格納される。したがって、キャスクをプールから引き上げた後で輸送したり長期貯蔵したりする前には、水抜き後に真空乾燥等の乾燥手段によって乾燥させる。
このとき、一部開放型のダブルリング式の金属ガスケット５２０（図７（ａ）参照）では、乾燥が十分でないと腐食を発生させるおそれがあったため、内部に侵入した水分を完全に除去するには真空乾燥に長時間要していた。しかし、この金属ガスケット２３では内部に水が浸入することはないので、真空乾燥時間を大幅に短縮できる上に、内部に残留した水分による腐食のおそれはない。また、この金属ガスケット２３の外被５０は高純度鉄なので、万一水分が外被５０に残留してもほとんど腐食しない。これらの作用によって、長期間貯蔵においてはより高い信頼性を発揮できる。
【０１１７】
また、図１７（ｃ）に示す金属ガスケット２３'のように、同心状に配置した内被４３で被覆したフープ径の異なる二個のスプリング３３ａ及び３３ｂの間に、予めスペーサ６０を備えてから、外被５０の端部５０ｔ同士を接合してもよい。このようにすれば、スペーサ６０によって外被５０が支えられるので、外被５０の変形を抑えることもでき、端部５０ｔ同士を容易に接合できる。
【０１１８】
ここで、図１７（ｃ）に示すように、締め付け荷重を受けた場合における外被５０の変形を抑えるために、スペーサ６０の高さｈを内被４３の径と同程度の高さにしてもよい。このようにすれば、締め付け後における外被５０の変形を抑えることができるので、外被５０のクリープ変形をより抑制して、長期保管における信頼性をさらに高くできる。ここで、スペーサ６０は、金属ガスケット２３の締め付け力に対しては容易に変形し、不必要に高い締め付け力を要さない形状を選択することができる。また、スペーサ６０の代わりに、スプリング３３ａ等の外径よりもやや外径の小さいスプリングを使用し得ることについては上述した通りである。
【０１１９】
（実施の形態４）
図１８は、この発明の実施の形態４に係る金属ガスケットを示す説明図である。この金属ガスケット２４は、上記実施の形態１に係るキャスクと略同一の構成であるが、二個の異なるフープ径を持つ環状のスプリング３１ａ、３１ｂを同心状に配置し、両者のスプリング直径を異ならせた点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成要素には同一の符号を付する。
【０１２０】
この金属ガスケット２１は、いわゆるダブルリングタイプであるが、内被４１ａ、４１ｂで被覆されたスプリング直径の異なる二つのスプリング３１ａ及び３１ｂを使用する。図１８（ｂ）に示すように、キャスクの胴本体５０１と二次蓋５０８との間にこの金属ガスケット２４を配置すると、直径が大きい方のスプリング３１ｂ側における外被５０がまず接する。この状態で二次蓋５０８を胴本体５０１に仮止めする。
【０１２１】
ここで、一般にキャスクは安全上の配慮から、水を満たした貯蔵プール内でリサイクル燃料集合体が格納される。したがって、輸送や長期貯蔵前には、真空乾燥等の乾燥手段によって水抜きをする。この金属ガスケット２４では、真空乾燥時に、シールされていない直径が小さいほうのスプリング３１ａ側からガスケット溝部９に残留した水分が蒸発する。真空乾燥が終了したら、キャスクの胴本体５０１と二次蓋５０８とを本締めする。このように、この金属ガスケット２１においては、ガスケット溝部９や金属ガスケット２４内の水分を十分に取り除き、腐食のおそれを極小にできる。また、外被５０は高純度鉄なので、腐食しにくい。これらの作用によって、長期間の貯蔵においても密封性能の信頼性を高くできる。
【０１２２】
ここで、図１８（ｂ）においては、スプリング直径の小さい方のスプリング３１ａをキャスクのキャビティ側に配置しているが、この場合にはキャビティ内側からの真空乾燥に有利である。ここで、スプリング３１ａの径は、蓋固定用のボルトを所定のトルクで締め付けたときには、気密保持に必要な接触圧力が得られる径に選定する。また、図１８（ｃ）に示すように、スプリング直径の小さい方のスプリング３１ａを外側に配置してもよい。この場合には、二次蓋５０８等を固定するボルト孔側から真空乾燥すると効果的に水分を除去できる。
【０１２３】
さらに、図１８（ｄ）に示す金属ガスケット２４ａは、スプリング直径の異なる二個のスプリング３１ａ及び３１ｂ全体を外被５０によって被覆し、スペーサ６０を前記スプリング３１ａと３１ｂとの間に配置して、端部５０ｔ同士を溶接等の接合手段で封止したものである。このような金属ガスケット２４ａでも、金属ガスケット２１の内外周でスプリング３０ａ等の径を異ならせたことによる、上記乾燥促進の効果を得ることができる。
【０１２４】
さらに、この金属ガスケット２４ａでは、内部への水の浸入を防止できるので、図１８（ａ）に示した金属ガスケット２１と比較して、より迅速に乾燥できる効果も得ることができる。また、この金属ガスケット２４ａの外被５０は高純度鉄なので、万一水分が外被５０に残留してもほとんど腐食せず、これによって、長期貯蔵における信頼性を向上させることができる。なお、スペーサ６０は外被５０の変形を拘束するものであり、純アルミニウム等のピースを使用したり、スプリングを使用したりすることができる。
【０１２５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係るキャスク（請求項１）では、外被に高純度鉄を用いた金属ガスケットを使用して密封するようにした。これによって、数十年の長期保存においても、金属ガスケットの劣化を抑えて高い密封性能を維持できる。また、金や銀とは異なり素材の価格も安いので、キャスク全体の製造コストを抑えることができる。
【０１２６】
また、この発明に係るキャスク（請求項２）では、外被を押圧する押圧部材にスプリングを使用するようにした。このようにすれば、設計を工夫することによって、外被を均一にキャスクの胴本体や蓋に押し付けて十分な密封性能を発揮させることができる。
【０１２７】
また、この発明に係るキャスク（請求項３）では、外被を押圧する押圧部材として板巻状のスプリングを使用するようにした。このため、全体的にスプリングの径が小さくなるので、スプリングの変形による蓋や胴本体等との接触面が大きくなることが抑制される。これにより、単位面積当たりの接触圧力の低下を防止して、確実に密封できる。
【０１２８】
また、この発明に係るキャスク（請求項４）では、高純度鉄からなる金属ガスケットの外被の硬度を、キャスクの胴本体及び蓋よりも低くした。このため、金属ガスケットの外被はキャスク胴本体や蓋よりも軟らかくなるので、これらを損傷することもなく、キャスク胴本体や蓋の再利用が容易となる。
【０１２９】
また、この発明に係るキャスク（請求項５）では、金属ガスケットの外被の硬度は８０Ｈｖ以下とした。これにより、キャスク胴本体や蓋のシール面とよくなじむので、キャスク胴本体や蓋を保護しつつ十分な密封性能を発揮できる。
【０１３０】
また、この発明に係るキャスク（請求項６）では、金属ガスケットの外被に使用する高純度鉄に、所定温度に保持した後放冷する熱処理を施した。このため、このような熱処理によって硬度を下げることができるので、例えば圧延によって外被の形状に延ばして加工硬化した材料であっても軟化によって優れた密封性能を発揮させることができる。
【０１３１】
また、この発明に係るキャスク（請求項７）では、所定温度に保持した後放冷する熱処理により、外被の表面に不動態皮膜を形成した。このように、外被の表面に不動態皮膜が形成されているので外被の耐腐食性が向上し、数十年の長期貯蔵においても金属ガスケットの劣化を最小限にして十分な密封性能を維持できる。
【０１３２】
また、この発明に係るキャスク（請求項８）では、所定温度に保持した後放冷する熱処理の保持温度を３００℃〜４５０℃とした。これによって、外被の硬度を十分に低下させるとともに耐腐食性の高い不動態皮膜を形成し得るので、効率的に作業を進めることができる。
【０１３３】
また、この発明に係るキャスク（請求項９）では、スプリングと外被との間に、スプリングを被覆する内被をさらに備えた金属ガスケットを使用するようにした。このため、この内被によってスプリングの押圧力が外被に均等に伝わるので、外被の局所的な応力集中を分散させることができる。その結果、外被のクリープ変形に起因する応力緩和現象を抑えて、長期貯蔵における信頼性を高めることができる。
【０１３４】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１０）では、押圧部材を被覆する外被を高純度鉄で構成した。このため、例えば１２０℃程度の温度で使用しても外被のクリープ変形はほとんど無視でき、数十年の長期保存においても、金属ガスケットの劣化を抑えて高い密封性能を維持できる。また、高純度鉄は金や銀とは異なり価格も比較的安いので、金属ガスケットを比較的安価に提供できる。
【０１３５】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１１）では、外被同士で個々のスプリングを一体化したので、長期間貯蔵において外被がクリープ変形しても、二個のスプリングが互いにこのクリープ変形を規制する。これによって、外被のクリープ変形に起因する金属ガスケットの応力緩和現象をさらに抑えて、より高い密封に対する信頼性を担保できる。
【０１３６】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１２）では、フープ径の異なる環状のスプリングを同心状に配置し、これらを外被で被覆した後、外被の端部同士を接合した。このため、例えばキャスクの密封にこの金属ガスケットを使用した場合には、蓋側と胴本体側との両方のシール領域において、二個のスプリングが互いに外被のクリープ変形を規制できる。これによって、外被のクリープ変形に起因する金属ガスケットの応力緩和現象をさらに抑えて、長期貯蔵においてさらに高い安全性を担保できる。また、外被の端部同士を接合することによって、完全な密封構造とすることができるので、金属ガスケット内部に水分が浸入しない。その結果、耐腐食性に優れ、長期貯蔵における信頼性を高くできる。
【０１３７】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１３）では、異なるフープ径を持つ二個の環状のスプリングを同心状に配置し、両者のスプリング直径を異ならせた。この金属ガスケットを例えばキャスクの密封に使用した場合には、径の大きい方のガスケットリングがキャスクの胴本体及び蓋と接して、金属ガスケットに付着した水分を容易に蒸発させ得る。その結果、金属ガスケット内の水分を十分に取り除くことができるので、金属ガスケットが腐食するおそれを極小にでき、長期間の貯蔵においても密封性能の信頼性を高くできる。
【０１３８】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１４）では、外被を押圧する押圧部材にスプリングを使用するようにした。このようにすれば、設計を工夫することによって、外被を均一に密封対象物に押し付けて十分な密封性能を発揮させることができる。
【０１３９】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１５）では、外被を押圧する押圧部材として板巻状のスプリングを使用するようにした。このため、全体的にスプリングの径が小さくなるので、スプリングの変形による密封対象物との接触面が大きくなることが抑制される。これにより、単位面積当たりの接触圧力の低下を防止して、確実に密封できる。
【０１４０】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１６）では、外被の硬度を密封対象物よりも低くした。このため、金属ガスケットの外被は密封対象物よりも軟らかいので、密封対象物を損傷することもなく、密封対象物の再利用が容易となる。
【０１４１】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１７）では、外被の硬度を８０Ｈｖ以下としたので、密封対象物のシール面とよくなじむので、密封対象物を保護しつつ十分な密封性能を発揮できる。
【０１４２】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１８）では、外被表面を腐食に対する耐性を向上させる皮膜で覆うようにした。このため、この金属ガスケットの外被は腐食しにくくなるので、長期にわたり腐食による密封性能の低下を抑えて信頼性を向上させることができる。特に、リサイクル燃料集合体を数十年の長期にわたって貯蔵するキャスクの密封用途に使用した場合には、キャスクの信頼性を向上させることができる。
【０１４３】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１９）では、外被を構成する高純度鉄を酸液処理することにより、腐食に対する耐性を向上させる皮膜を形成するようにした。このように、酸液処理によれば、比較的簡単な設備でこのような耐腐食性皮膜を形成することができるので、金属ガスケットの製造コストを抑えることができる。
【０１４４】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２０）では、外被を構成する高純度鉄に対し、これを所定温度に所定時間保持した後、放冷する熱処理が施した。このため、このような熱処理によって外被の硬度を下げることができるので、例えば圧延によって外被の形状に延ばして加工硬化した材料であっても軟化によって優れた密封性能を発揮させることができる。
【０１４５】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２１）では、外被の表面に不動態皮膜を形成したので外被の耐腐食性が向上し、数十年の使用においても金属ガスケットの劣化を最小限にして十分な密封性能を維持できる。
【０１４６】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２２）では、高純度鉄の熱処理温度を３００℃〜４５０℃としたので、外被の硬度を十分に低下させることができ、また、耐腐食性の高い不動態皮膜を形成することができる。
【０１４７】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２３）では、密封対象物である蓋及び胴本体と金属ガスケット外被のシール領域とが平面で接するようにしたので、前記外被のシール領域における応力分布をより均一して外被のクリープ変形の進行を抑制できる。その結果、長期貯蔵においても金属ガスケットの応力緩和現象を抑えることができる。また、応力緩和現象を抑えることによって、金属ガスケットのスプリングバックも多くとることができるので、キャスクに対してこの金属ガスケットを使用した場合には、蓋と胴本体とのずれに対する裕度を大きくできる。その結果、数十年の長期貯蔵においてもより高い安全性を担保できる。
【０１４８】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２４）では、押圧部材と外被との間に、押圧部材を被覆する内被をさらに備えた。このため、この内被によって押圧部材の押圧力が外被に均等に伝達されるので、外被の局所的な応力集中を分散させることができる。その結果、外被のクリープ変形に起因する応力緩和現象を抑えて、長期貯蔵における信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るキャスクの密封構造を示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る金属ガスケットを示す断面図である。
【図３】金属ガスケットに作用する応力と、金属ガスケットの歪との関係を示した説明図である。
【図４】高純度鉄の純度と硬度との関係を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る金属ガスケットのスプリングを示す説明図である。
【図６】金属ガスケットに作用させる荷重と金属ガスケットの変位との関係を示した説明図である。
【図７】この発明に係る金属ガスケットの取り付け構造を示す説明図である。
【図８】この発明に係る金属ガスケットの取り付け構造を示す説明図である。
【図９】実施の形態１の第１変形例に係る金属ガスケット及び密封構造を示す説明である。
【図１０】実施の形態１の第２変形例に係るキャスクにおけるシール構造を示す説明図である。
【図１１】実施の形態１の第３変形例に係るキャスクにおけるシール構造を示す説明図である。
【図１２】図１１に示したスプリングの製造方法を示す説明図である。
【図１３】図１１の金属ガスケットによるシール状態を示す説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態２に係る金属ガスケットを示す断面図である。
【図１５】従来の金属ガスケットを示す断面図である。
【図１６】この発明の実施の形態３に係るキャスクにおける密封構造を示す説明図である。
【図１７】外被の端部同士を接合していない一部開放型のダブルリング式の金属ガスケット及びこの発明の実施の形態３に係る金属ガスケットを示す説明図である。
【図１８】この発明の実施の形態４に係る金属ガスケットを示す説明図である。
【図１９】キャスクの構造を示す断面図である。
【図２０】図１９に示したキャスクの一部拡大図である。
【図２１】キャスクのシールに使用する金属ガスケット及びキャスクのシール部を示す拡大図である。
【符号の説明】
１０、１１、１２、１３  シール構造
２０、２０'、２０''、２０'''、２１、２２、２２ａ、２２ｂ、２３、２４、２４ａ  金属ガスケット
３０、３０ａ、３０ｂ、３１ａ、３１ｂ、３２、３３ａ、３６、３６ａ、３６ｂ、５２１  スプリング
３４ａ、３４ａ'、３４ｂ、  板巻状のスプリング
３５、３５ａ、３５ｂ、４０、４０ａ、４３、４４ａ、４４ｂ、５２２  内被
５０、５１、５２、５２ａ、５２ｂ、５３、５３ａ、５３ｂ  外被
７０、７１、７２、７３  内輪
８０、８１、８２、８３  外輪
５００  キャスク
５０１  胴本体
５０２  外筒
５０３、５０４、５１２  中性子遮蔽材
５０５  底板
５０６  フランジ部
５０７  一次蓋
５０８  二次蓋
５０９  キャビティ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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