(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】金属ガスケット２０は、環状のコイルスプリング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。環状のコイルスプリング３０はインコネル（登録商標）よりも弾性係数の大きいステンレス材で構成されている。このため、金属ガスケット２０の断面直径が同じであれば、コイルスプリング３０をインコネル材で構成した場合よりもコイルスプリング３０の素線径を小さくしても同等の曲げ剛性を得ることができる。その結果、同じ締め付け荷重を支える場合には、インコネル材を使用した場合よりもコイルスプリング３０に作用する応力を小さくできる。【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バスケットを格納するキャビティが形成された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、
環状のコイルスプリングと、当該コイルスプリングを被覆する金属の外被とを有し、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保持する金属ガスケットとを備え、
前記コイルスプリングは、インコネルからなるコイルスプリングＡと同じスプリング外径且つ前記コイルスプリングＡよりも細いスプリング素線径で、前記コイルスプリングＡと同等の曲げ剛性となる材料からなることを特徴とするキャスク。
【請求項２】
上記環状のコイルスプリングの材料はステンレス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】
リサイクル燃料集合体を収納するバスケットを格納するキャビティが形成された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、
ステンレスからなる環状のコイルスプリングと、当該コイルスプリングを被覆する金属の外被とを有し、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保持する金属ガスケットとを備え、
前記コイルスプリングの素線径ｄと前記金属ガスケットの断面直径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．０２以上０．０８以下であることを特徴とするキャスク。
【請求項４】
さらに、上記金属ガスケットの外被は、上記胴本体及び上記蓋と接するシール領域が平面を有する形状に予め形成された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】
さらに、上記金属ガスケットは、フープ径の異なる二個の上記環状のコイルスプリングを同心状に配置して二重リングを構成し、それぞれの上記環状のコイルスプリングを上記外被によって被覆して一体化した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】
さらに、フープ径の異なる二個の上記環状のコイルスプリングを同心状に配置して二重リングを構成し、それぞれの上記環状のコイルスプリングを上記外被によって被覆し、且つ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１〜４のいずれか１項に記載のキャスク。
【請求項７】
上記二個の環状のコイルスプリングのうち、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５又は６に記載のキャスク。
【請求項８】
さらに、上記外被は、上記胴本体及び上記蓋よりも軟らかい金属であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のキャスク。
【請求項９】
さらに、上記外被は上記胴本体及び上記蓋よりも腐食電位が高い金属であることを特徴とする請求項８に記載のキャスク。
【請求項１０】
さらに、上記環状コイルスプリングと上記外被との間に、上記環状のコイルスプリングを被覆する内被を備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のキャスク。
【請求項１１】
インコネルからなるコイルスプリングＡと同じスプリング外径且つ前記コイルスプリングＡよりも細いスプリング素線径で、前記コイルスプリングＡと同等の曲げ剛性となる環状のコイルスプリングと、
当該環状のコイルスプリングを被覆して密封対象物と接する環状の外被と、
を備えたことを特徴とする金属ガスケット。
【請求項１２】
上記環状のコイルスプリングの材料はステンレスである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】
ステンレスからなる環状のコイルスプリングと、
当該環状のコイルスプリングを被覆して密封対象物と接する環状の外被とを備え、
前記コイルスプリングの素線径ｄと前記環状のコイルスプリングを被覆した前記外被の断面直径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．０２以上０．０８以下であることを特徴とする金属ガスケット。
【請求項１４】
さらに、上記コイルスプリングの素線径ｄは０．３５ｍｍ以上０．８０ｍｍ以下であり、上記環状のコイルスプリングの断面直径Ｄは５．０ｍｍ以上１２．０以下であることを特徴とする請求項１３に記載の金属ガスケット。
【請求項１５】
さらに、上記環状のコイルスプリングは、素線の断面形状が矩形であることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項１６】
さらに、上記外被は、上記密封対象物と接するシール領域が予め平面を有する形状に形成されたことを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項１７】
さらに、上記環状の外被における上記シール領域を形成する平面と、上記シール領域以外の部分とが交わる部分には、上記環状の外被の周方向に向かう段部が形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の金属ガスケット。
【請求項１８】
さらに、上記環状の外被の上記シール領域は、上記環状の外被の周方向に向かう少なくとも１の溝部を有することを特徴とする請求項１６又は１７に記載の金属ガスケット。
【請求項１９】
さらに、上記外被で被覆された上記環状のコイルスプリングの部分における断面が楕円形状であって、シール領域の曲率半径はシール領域以外の部分における曲率半径よりも大きいコイルスプリングを備えたことを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項２０】
さらに、フープ径の異なる二個の上記環状のコイルスプリングを同心状に配置して二重リングを構成し、それぞれの上記環状のコイルスプリングを上記外被によって被覆して一体化したことを特徴とする請求項１１〜２１９のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項２１】
さらに、フープ径の異なる二個の上記環状のコイルスプリングを同心状に配置して二重リングを構成し、それぞれの上記環状のコイルスプリングを上記外被によって被覆し、且つ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１１〜１９のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項２２】
さらに、上記外被と上記二個の環状のコイルスプリングとで囲まれた空間に、上記金属ガスケットの締め付け方向に対する上記外被の動きを制限するスペーサを備えた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】
上記二個の環状のコイルスプリングのうち、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２０〜２２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、上記外被は、上記胴本体及び上記蓋よりも軟らかい金属であることを特徴とする請求項１１〜２３のいずれか１項に記載の金属ガスケット。
【請求項２５】
さらに、上記外被は上記胴本体及び上記蓋よりも腐食電位が高い金属であることを特徴とする請求項２４に記載の金属ガスケット。
【請求項２６】
さらに、上記環状コイルスプリングと上記外被との間に、上記環状のコイルスプリングを被覆する内被を備えたことを特徴とする請求項１１〜２５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１７は、キャスクのシールに使用する従来の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（登録商標：クロム１６％、鉄７％を含むニッケル系合金）によって製作したコイルスプリング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１７（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１７（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１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２に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
実公平５−７５１５４号公報　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
【０００７】
【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。
【０００８】
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。
【０００９】
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にいて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。
【００１０】
【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、この発明の請求項１に係るキャスクは、リサイクル燃料集合体を収納するバスケットを格納するキャビティが形成された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、環状のコイルスプリングと、当該コイルスプリングを被覆する金属の外被とを有し、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保持する金属ガスケットとを備え、前記コイルスプリングは、インコネルからなるコイルスプリングＡと同じスプリング外径且つ前記コイルスプリングＡよりも細いスプリング素線径で、前記コイルスプリングＡと同等の曲げ剛性となる材料からなることを特徴とする。
【００１１】
このキャスクは、インコネル（登録商標：クロム１６％、鉄７％を含むニッケル系合金、以下同様）からなるコイルスプリングＡと同じスプリング外径で、且つこのコイルスプリングＡよりも細いスプリング素線径で、コイルスプリングＡと同等の曲げ剛性を発生できる材料からなるコイルスプリングを備えた金属ガスケットによって密封する。このような構成により素線径を細くできるので、金属ガスケットを構成するコイルスプリングの表面における応力を小さくできる。これによって、コイルスプリングのへたりを極小にできるので、数十年にわたる長期貯蔵においても、金属ガスケットの劣化を抑制して高い密封性能を維持できる。ここで、コイルスプリング３０の曲げ剛性とは、コイルスプリング３０の径方向に力Ｐを加えた場合における、コイルスプリング３０の径方向に対する変形のし難さをいう（以下同様）。
【００１２】
本発明に係るコイルスプリングの材料には、請求項２に係るキャスクのように、ステンレスを使用することが好ましい。ステンレスの弾性係数はインコネルよりも高いので、同じスプリング外径であってもより素線径の細い線材を使用できる。また、ステンレスは耐食性も高いので、安全性を確保する観点から水中でリサイクル燃料集合体が胴本体に挿入されるキャスクの密封に好適である。また、ステンレスの他にはピアノ線を使用することもできる。ピアノ線はステンレスよりも弾性係数が大きいので、コイルスプリングの素線径をさらに小さくして、表面の応力をさらに小さくできる。なお、ピアノ線はステンレスと比較して耐食性が低いので、めっきやイオンプレーティング等によって、ピアノ線表面にクロムや金等の耐食性皮膜を予め形成することが好ましい。
【００１３】
また、この発明の請求項３に係るキャスクは、リサイクル燃料集合体を収納するバスケットを格納するキャビティが形成された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、ステンレスからなる環状のコイルスプリングと、当該コイルスプリングを被覆する金属の外被とを有し、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保持する金属ガスケットとを備え、前記コイルスプリングの素線径ｄと前記金属ガスケットの断面直径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．０２以上０．０８以下であることを特徴とする。
【００１４】
このキャスクは、ステンレスからなるコイルスプリングの素線径ｄと金属ガスケットの断面直径Ｄとの比が、０．０２以上０．０８以下となるようにしてある。この範囲であれば、コイルスプリングの素線径を細くして曲げ剛性を低くすることで、コイルスプリングの表面における応力を小さくするとともに十分なスプリングバック量を確保できる。これによって、長期間の貯蔵によって外被がクリープダウンした場合でも、十分なスプリングバック量を確保できる。また、コイルスプリングのへたりを極小にできる。これらの相互作用によって数十年にわたる長期貯蔵においても安定した密封性能を発揮できるので、キャスク輸送時の安全性を確保できる。
【００１５】
また、この発明の請求項４に係るキャスクは、上記キャスクにおいて、さらに、上記金属ガスケットの外被は、上記胴本体及び上記蓋と接するシール領域が平面を有する形状に予め形成されたことを特徴とする。
【００１６】
このキャスクは、上記キャスクにおいて、外被のシール領域を予め平面に形成した金属ガスケットを用いて、蓋と胴本体との密封を保持する。このため、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量も多くとることができる。さらに、コイルスプリングの素線径を細くして曲げ剛性を低くすることで、コイルスプリングの表面における応力を小さくするとともに十分なスプリングバック量を確保できる。これによって、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、長期貯蔵においてもより高い安全性を担保できる。
【００１７】
また、この発明の請求項５に係るキャスクは、上記キャスクにおいて、さらに、上記金属ガスケットは、フープ径の異なる二個の上記環状のコイルスプリングを同心状に配置して二重リングを構成し、それぞれの上記環状のコイルスプリングを上記外被によって被覆して一体化したことを特徴とする。
【００１８】
このキャスクは、フープ径の異なる環状のコイルスプリングを同心状に配置し、これらを外被で一体とした金属ガスケットによって、胴本体と蓋とを密封する。そして、個々のコイルスプリングについては、上記キャスクの構成を適用するので、上記キャスクの奏する作用効果が得られる。さらに、外被同士で個々のコイル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、二個のコイル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、より高い安全性を担保できる。
【００１９】
また、この発明の請求項６に係るキャスクは、上記キャスクにおいて、さらに、フープ径の異なる二個の上記環状のコイルスプリングを同心状に配置して二重リングを構成し、それぞれの上記環状のコイルスプリングを上記外被によって被覆し、且つ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。
【００２０】
このキャスクは、フープ径の異なる環状のコイル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金属ガスケットによって、胴本体と蓋とを密封する。このため、蓋側と胴本体側との両方のシール領域において、二個のコイル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。キャスクは、安全上の配慮から、水を満たしたプール内で使用済み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１４（ａ）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）。なお、個々のコイルスプリングについては、上記キャスクの構成を適用するので、上記キャスクの奏する作用効果が得られることはいうまでもない。
【００２１】
また、この発明の請求項７に係るキャスクは、上記キャスクにおいて、上記二個の環状のコイルスプリングのうち、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。
【００２２】
このキャスクは、異なるフープ径を持つ二個の環状のコイル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た金属ガスケットを用いる。このため、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が、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。なお、個々のコイルスプリングについては、上記キャスクの構成を適用するので、上記キャスクの奏する作用効果が得られることはいうまでもない。
【００２３】
また、この発明の請求項８に係るキャスクは、上記キャスクにおいて、さらに、上記外被は、上記胴本体及び上記蓋よりも軟らかい金属であることを特徴とする。このため、金属ガスケットによってキャスクの胴本体や蓋を傷つけることはないので、胴本体等を容易に再利用することができる。
【００２４】
また、この発明の請求項９に係るキャスクは、上記キャスクにおいて、さらに、上記外被は上記胴本体及び上記蓋よりも腐食電位が高い金属であることを特徴とする。このため、まず外被から腐食するため、高価なキャスクの胴本体及び蓋を腐食から守ることができる。
【００２５】
また、この発明の請求項１０に係るキャスクは、上記キャスクにおいて、さらに、上記環状コイルスプリングと上記外被との間に、上記環状のコイルスプリングを被覆する内被を備えたことを特徴とする。
【００２６】
このキャスクは、コイルスプリングと外被との間に、コイル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。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、この内被によってコイル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えて、長期貯蔵における信頼性を高めることができる。
【００２７】
また、この発明の請求項１１に係る金属ガスケットは、インコネルからなるコイルスプリングＡと同じスプリング外径且つ前記コイルスプリングＡよりも細いスプリング素線径で、前記コイルスプリングＡと同等の曲げ剛性となる環状のコイルスプリングと、当該環状のコイルスプリングを被覆して密封対象物と接する環状の外被とを備えたことを特徴とする。
【００２８】
この金属ガスケットは、インコネルからなるコイルスプリングＡと同じスプリング外径で、且つこのコイルスプリングＡよりも細いスプリング素線径で、コイルスプリングＡと同等の曲げ剛性を発生できる材料からなるコイルスプリングを外被の内側に備える。このような構成により素線径を細くできるので、金属ガスケットを構成するコイルスプリングの表面における応力を小さくできる。これによって、コイルスプリングのへたりを極小にできるので、例えばキャスクによる数十年にわたってリサイクル燃料集合体を長期貯蔵する場合においても、金属ガスケットの劣化を抑制して高い密封性能を維持できる。
【００２９】
本発明に係るコイルスプリングの材料には、請求項１２に係る金属ガスケットのように、ステンレス材を使用することが好ましい。ステンレスの弾性係数はインコネルよりも高いので、同じスプリング外径であってもより素線径の細い線材を使用できる。また、ステンレスは耐食性も高いので、安全性を確保する観点から水中でリサイクル燃料集合体が胴本体に挿入されるキャスクの密封に好適である。また、ステンレスの他にはピアノ線を使用することもできる。ピアノ線はステンレスよりも弾性係数が大きいので、コイルスプリングの素線径をさらに小さくして、表面の応力をさらに小さくできる。なお、ピアノ線はステンレスと比較して耐食性が低いので、めっきやイオンプレーティング等によって、ピアノ線表面にクロムや金等の耐食性皮膜を予め形成することが好ましい。
【００３０】
また、この発明の請求項１３に係る金属ガスケットは、ステンレスからなる環状のコイルスプリングと、当該環状のコイルスプリングを被覆して密封対象物と接する環状の外被とを備え、前記コイルスプリングの素線径ｄと前記環状のコイルスプリングを被覆した前記外被の断面直径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．０２以上０．０８以下であることを特徴とする。
【００３１】
この金属ガスケットは、外被の内側に備えられるステンレスからなるコイルスプリングの素線径ｄと金属ガスケットの断面直径Ｄとの比が、０．０２以上０．０８以下となるようにしてある。この範囲であれば、コイルスプリングの素線径を細くして曲げ剛性を低くすることで、コイルスプリングの表面における応力を小さくするとともに十分なスプリングバック量を確保できる。これによって、例えばキャスクによるリサイクル燃料集合体の長期間の貯蔵によって外被がクリープダウンした場合でも、十分なスプリングバック量を確保できる。また、コイルスプリングのへたりを極小にできる。これらの相互作用によって数十年にわたるリサイクル燃料集合体の長期貯蔵においても安定した密封性能を発揮できるので、安全性を確保できる。
【００３２】
さらに具体的には、環状のコイルスプリングの素線径ｄは約０．３５ｍｍ以上約０．８０ｍｍ以下であり、金属ガスケットの断面直径Ｄは約５．０ｍｍ以上約１２．０以下である（請求項１４）。このような範囲であれば、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ので、長期使用においても高い密封性能を維持でき、また、胴本体と蓋とのずれに対する裕度も維持できる。
【００３３】
また、この発明の請求項１５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、上記環状のコイルスプリングは、素線の断面形状が矩形であることを特徴とする。
【００３４】
この金属ガスケットは、断面形状が矩形の素線を使用している。このため、断面円形のコイルスプリングと比較して内被や外被との接触面積を大きくできるので、より均等にコイルスプリングの反発力を外被に伝えることができる。これによって、外被の応力分布をより均等にできるので、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。その結果、長期使用においても密封性能を維持できる。なお、本発明にいう矩形には、正方形と長方形とを含むものとする（以下同様）。
【００３５】
また、この発明の請求項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、さらに、上記外被は、上記密封対象物と接するシール領域が予め平面を有する形状に形成されたことを特徴とする。
【００３６】
この金属ガスケットは、外被のシール領域を予め平面に形成してある。このため、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、例えばキャスクによるリサイクル燃料集合体の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量も多くとることができる。さらに、コイルスプリングの素線径を細くして曲げ剛性を低くすることで、コイルスプリングの表面における応力を小さくするとともに十分なスプリングバック量を確保できる。これによって、蓋と胴本体とのずれに対する裕度を大きくできるので、長期貯蔵においてもより高い安全性を担保できる。
【００３７】
また、この発明の請求項１７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、上記環状の外被における上記シール領域を形成する平面と、上記シール領域以外の部分とが交わる部分には、上記環状の外被の周方向に向かう段部が形成されていることを特徴とする。
【００３８】
単に金属ガスケットのシール領域を平面に形成したのでは、シール領域とシール領域以外の部分とが交わる部分に応力集中が生じてしまう。このため、当該部分に環状の外被の周方向に向かう段部を形成して、この部分における応力集中を低減させる。これによって、外被のシール領域における応力分布をさらに均一にできるので、外被のクリープ変形の進行をさらに抑制できる。したがって、長期使用においても金属ガスケットの応力緩和現象をさらに抑えることができるので、さらに高い安全性を担保できる。
【００３９】
また、この発明の請求項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、さらに、上記環状の外被の上記シール領域は、上記環状の外被の周方向に向かう少なくとも１の溝部を有することを特徴とする。
【００４０】
金属ガスケットのシール領域を平面に形成した場合であっても、仕上げ具合によって応力が高くなる部分が存在する。この金属ガスケットでは、このような応力が高くなる部分に金属ガスケットの周方向に向かう溝を設けた金属ガスケットによって密封対象物を密封する。これによって、金属ガスケットのシール領域の応力集中を低減させて、応力分布を均一にできるので、クリープ変形の進行を抑制して、長期使用においても密封性能を維持できる。なお、溝部の寸法及び個数は、シール領域の応力分布に応じて適宜選択できる。
【００４１】
また、この発明の請求項１９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、上記外被で被覆された上記環状のコイルスプリングの部分における断面が楕円形状であって、シール領域の曲率半径はシール領域以外の部分における曲率半径よりも大きいコイルスプリングを備えたことを特徴とする。
【００４２】
この金属ガスケットは、シール領域の曲率半径はシール領域以外の部分における曲率半径よりも大きい楕円状の断面である。すなわち、断面円形の金属ガスケットを締め付け方向に対して押しつぶしたような形状である。このため、断面形状が円形である場合と比較して、スプリングの曲げ剛性を低くできる。これによって、スプリングバック量を十分に確保できるので、従来の金属ガスケットよりも大きなずれが生じても、密封対象物の気密を維持できるので、より安全に輸送できる。また、従来の金属ガスケットと比較して、このコイルスプリングは外被のシール領域とより大きな面積で接触するので、外被に作用する応力を従来よりも小さくできる。これによって、外被のクリープ変形を抑えて、応力緩和現象を低減できる。さらに、コイルスプリングの曲げ剛性は従来の金属ガスケットよりも小さいので、コイルスプリングの側部における外被のへたりを従来よりも低減でき、長期使用における信頼性を高くできる。
【００４３】
また、この発明の請求項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、さらに、フープ径の異なる二個の上記環状のコイルスプリングを同心状に配置して二重リングを構成し、それぞれの上記環状のコイルスプリングを上記外被によって被覆して一体化したことを特徴とする。
【００４４】
この金属ガスケットは、フープ径の異なる環状のコイルスプリングを同心状に配置し、これらを外被で一体とした構成である。そして、個々のコイルスプリングについては、上記金属ガスケットの構成を適用するので、上記金属ガスケットの奏する作用効果が得られる。さらに、外被同士で個々のコイル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、二個のコイル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、より高い安全性を担保できる。
【００４５】
また、この発明の請求項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、さらに、フープ径の異なる二個の上記環状のコイルスプリングを同心状に配置して二重リングを構成し、それぞれの上記環状のコイルスプリングを上記外被によって被覆し、且つ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。
【００４６】
この金属ガスケットは、フープ径の異なる環状のコイル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てある。このため、蓋側と胴本体側との両方のシール領域において、二個のコイル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。このように、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、長期使用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、乾燥は従来よりも容易である。なお、個々のコイルスプリングについては、上記キャスクの構成を適用するので、上記金属ガスケットの奏する作用効果が得られることはいうまでもない。
【００４７】
また、この発明の請求項２２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、上記外被と上記二個の環状のコイルスプリングとで囲まれた空間に、上記金属ガスケットの締め付け方向に対する上記外被の動きを制限するスペーサを備えたことを特徴とする。
【００４８】
この金属ガスケットは、同心状に配置したフープ径の異なる二個のコイルスプリングの間に、予めスペーサを備えてから外被の端部同士を接合してある。このため、このスペーサによって外被の変形を抑えることができるので、外被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。また、外被の端部同士を接合する際には、外被がこのスペーサによって支えられるので、外被の変形を抑えて端部同士を容易に接合できる。これによって、施工効率を高くでき、より確実に外被を接合できる。これによって、金属ガスケットの気密性をより高くして、接合部からの水の浸入をより確実に防止できるので、さらに耐腐食性能を高くできる。
【００４９】
また、この発明の請求項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、上記二個の環状のコイルスプリングのうち、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。
【００５０】
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コイル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。このため、径の大きい方のガスケットリングが密封対象物と接するが、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、長期使用においても密封性能の信頼性を高くできる。なお、個々のコイルスプリングについては、上記金属ガスケットの構成を適用するので、上記金属ガスケットの奏する作用効果が得られることはいうまでもない。
【００５１】
また、この発明の請求項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、上記外被は、上記胴本体及び上記蓋よりも軟らかい金属であることを特徴とする。このため、金属ガスケットによって密封対象物を傷つけることはないので、密封対象物を容易に再利用することができる。
【００５２】
また、この発明の請求項２５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、上記外被は上記胴本体及び上記蓋よりも腐食電位が高い金属であることを特徴とする。このため、まず金属ガスケットの外被から腐食するため、密封対象物を腐食から守ることができる。
【００５３】
また、この発明の請求項２６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、上記環状コイルスプリングと上記外被との間に、上記環状のコイルスプリング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、コイルスプリングと外被との間に、コイル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、この内被によってコイル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えて、長期使用における密封性能の信頼性を高めることができる。
【００５４】
【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閉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。
【００５５】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係るキャスクにおけるシール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、素線径ｄと金属ガスケットの断面直径Ｄとの比ｄ／Ｄが所定範囲のステンレスのコイルスプリング３０を備えた金属ガスケット２０を使用してシール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の異なる二個のコイルスプリング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。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個のコイルスプリング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、コイルスプリング３０ａ、３０ｂは、便宜上コイルスプリング３０とも表記する。
【００５６】
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、コイルスプリング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、コイルスプリング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。
【００５７】
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３は、キャスクの構造を示す断面図である。図４は、図３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高分子材料のレジン５０３と、胴本体５０１の下部に溶接され、レジン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にはレジン５１２が封入されている。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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シール構造及び金属ガスケットは適用できることはいうまでもない（以下同様）。図２に示すように、金属ガスケット２０は、環状のコイルスプリング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。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の距離）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程度である。
【００６１】
外被５０の材料には、アルミニウム、銀、銅、ニッケルなどの軟質金属が用いられており、密封性能を確保する。また、内被４０には腐食や高温酸化に強いインコネル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。
【００６２】
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、金属ガスケット２０の外被５０にアルミニウム等の軟質金属を使用する場合には、内被４０を設けることが好ましい。このような構成とすれば、コイルスプリング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できるだけ小さくすることができるからである。これによって、後述するクリープ変形をより小さく抑えることができる。
【００６３】
ここで、金属ガスケット２０に使用される環状のコイルスプリング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コイルスプリングを示す説明図である。このコイルスプリング３０はステンレス材の線材を、図３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。コイルスプリング３０の線材にステンレス材を使用する点については後述する。
【００６４】
一般に、金属ガスケット２０（図２参照）において密封圧力を得るためには、コイルスプリング３０の素線径ｄが太いものを使用して、コイルスプリング３０の曲げ剛性を高くする必要がある。コイルスプリング３０の素線径ｄが太くなればそれだけ素線を巻き難くなるので、コイルスプリング３０の巻き線径Ｄ１も大きくなる。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大きくなる。
【００６５】
ここで、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、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。
【００６６】
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、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６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。これは、外被にはアルミニウムを、コイルスプリングにはインコネルを使用した、これまで一般に使用されている金属ガスケットである。
【００６７】
キャスクの二次蓋５０８等を締付ると、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、締め付け応力が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。
【００６８】
図６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。
【００６９】
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の締付直後においては、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の締付直後と比較して、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。
【００７０】
長期貯蔵におけるキャスクの密閉性を維持し、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、コイルスプリング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、コイルスプリング３０が塑性変形した後における曲げ剛性に支配される。
【００７１】
このコイルスプリング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はほとんど無視できる程度であり、外被５０の特性変化と比較すれば変化なしとし得る。すなわち、コイルスプリング３０にインコネル材を使用した場合の材質劣化は、金属ガスケット２０の応力緩和現象を考えるにあたって原則として考慮しなくともよい。
【００７２】
長期貯蔵におけるキャスクの密閉性を維持し、信頼性を向上させるためには、長時間経過後における金属ガスケット２０のスプリングバック量をできるだけ大きくすることが必要である。このスプリングバック量を大きくできれば、締め付け応力σが気密限界応力σｃに達するまでにおける二次蓋５０８等の変位を大きくとることができるので、それだけ落下等による二次蓋５０８等のずれに対して裕度を高くできるからである。
【００７３】
次に、スプリングバック量を大きくする手法について説明する。図７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９（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７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。
【００７４】
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５０％としてある。このようにするため、コイルスプリング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３０％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３０％以上６０％以下の範囲がより好ましい。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
具体的には、従来の金属ガスケット５２０におけるスプリングバック量δｃ５２０は０．０１〜０．０２ｍｍ程度であるのに対し、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。
【００７８】
ここで、上述したようにコイルスプリング３０にインコネル材を使用した場合の材質劣化は、金属ガスケット２０の応力緩和現象を考えるにあたって原則として考慮しなくともよい。しかしながら、金属ガスケット２０には、６０年程度の長期間にわたり保守・点検することなく密封性能を維持する機能を求める場合には、この僅かな材質劣化をも抑制する必要がある。このためには、コイルスプリング３０の素線径ｄをできるだけ小さくして、コイルスプリング３０に作用する応力（素線表面における応力）をできるだけ小さくし、コイルスプリング３０のへたりを極限まで抑える方策が有効である。
【００７９】
この方策には、従来の金属ガスケット５１８等のコイルスプリング５２１（図１７（ｂ）参照）の材料として使用されていたインコネルよりも弾性係数の大きいステンレス材を使用してより細い素線径ｄの線材を使用しつつ、従来と同じスプリング外径Ｄ１で同じ曲げ剛性を発揮させるものがある。このようにすれば、インコネルからなるコイルスプリングＡと同じスプリング径においてより細い素線径ｄの線材を使用しても、コイルスプリングＡと同等の曲げ剛性を発揮できる。これによって、ステンレス材を使用すれば、コイルスプリングＡよりも素線径ｄを細くできるので、コイルスプリング３０に作用する応力を小さくしてコイルスプリング３０のへたりを極限まで抑えることができる。また、ステンレス材は耐食性にすぐれ、且つ安価なので、長期貯蔵における信頼性を高くでき、また金属ガスケット２０のコストも抑えることができる。なお、ステンレス材の代わりにピアノ線を使用してもよい。この場合には、腐食を防止するため、めっきやイオンプレーティング等によって、ピアノ線表面にクロムや金等の耐食性皮膜を予め形成することが好ましい。
【００８０】
なお、コイルスプリング３０の曲げ剛性を小さくすればスプリングバック量を増やすことができるが、あまり曲げ剛性を小さくすると、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。コイルスプリング３０の曲げ剛性は、材料が決定すれば素線径ｄとスプリング外径Ｄ１との比ｄ／Ｄ１で決定される。ここで、好ましいｄ／Ｄ１及びコイルスプリングの寸法について説明する。
【００８１】
表１〜３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。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。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。また、コイルスプリング３０の線材にはステンレス材を用いている。なお、コイルスプリング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で代表させてある。
【００８２】
【表１】
2004125533.tif 000003
【００８３】
【表２】
2004125533.tif 000004
【００８４】
【表３】
2004125533.tif 000005
【００８５】
表１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、コイルスプリング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、コイルスプリング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、コイルスプリング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。ここで、コイルスプリング３０のスプリング径Ｄ１は、Ｄ１＝Ｄ−２×ｓで表される。Ｄは金属ガスケット２０の断面直径Ｄであり、ｓは外被５０の厚さである。
【００８６】
上記結果から、コイルスプリング３０の素線径ｄ（図３参照）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、コイルスプリング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。また、コイルスプリング３０にステンレスよりも弾性係数の大きいピアノ線を使用する場合には、上記値は２割程度小さい値でよい。このようなｄ／Ｄの範囲でステンレス材からなるコイルスプリング３０の寸法を選定すれば、金属ガスケット２０のスプリングバック量を確保しつつ、コイルスプリング３０のへたりを極限まで抑えることができる。これにより、長期貯蔵においても信頼性の高い金属ガスケット２０を得ることができる。
【００８７】
なお、従来の金属ガスケット５２０において、金属ガスケット５２０の断面直径Ｄが５．０ｍｍから６．０ｍｍの範囲のものは、素線径が０．５５ｍｍ以上のコイルスプリングが使用されている。そして、密封圧力は５０ＭＰａ以上である。断面直径Ｄが５．０ｍｍから１２．０ｍｍの範囲の金属ガスケットに、素線径が０．３５ｍｍ以上０．８０ｍｍ以下の範囲のものを使用すると、密封圧力は５０ＭＰａよりも低い値となる。ここで、キャスクにおける密封圧力は、最大１．０ＭＰａ程度である。したがって、断面直径Ｄが５．０ｍｍ以上１２．０ｍｍ以下の金属ガスケットにおいて、素線径ｄが０．３５ｍｍ以上０．８０ｍｍ以下のコイルスプリングを使用しても圧力漏れを生ずることはなく、外被に生ずる応力を低くできるので、長期使用に伴う外被のクリープを軽減できる。
【００８８】
以上、この発明の実施の形態１について説明したが、実施の形態１で説明した金属ガスケットの構成及びキャスクの密封構造は、実施の形態１以降においても適宜適用できる。
【００８９】
（実施の形態２）
図８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５１とが接触する外被５１のシール領域５１ｓ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。図９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、締付け力を受けて図９（ｂ）のように変形する。このため、図９（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。また、コイルスプリングの曲げ剛性も必要以上に大きいため、シール部の中心にはより大きな応力が生ずる。その結果、この応力分布を緩和する作用が働くため、クリープ変形を促進する。
【００９０】
この発明に係る金属ガスケット２１においては、図８（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５１ｓを予め平面に形成してある。これによって、図８（ｂ）に示すように、この金属ガスケット２１が締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５１ｓにおける応力分布が分散されて、従来よりも均一になる。別の言い方をすれば、密封対象物である二次蓋５０８等と接するシール領域５１ｓにおける応力分布は、このシール領域以外の領域５１ｙに締付け力が作用した場合におけるシール領域以外の領域５１ｙの応力分布よりも均一となる。
【００９１】
これによって、従来の金属ガスケット５２０と比較して、シール領域５１ｓ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５１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５１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５１のシール領域５１ｓ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。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。また、外被５０のシール領域５１ｓ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５１のシール領域５１ｓの厚みは従来の金属ガスケット５２０（図９参照）よりも薄くなるので、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。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５１ｓに垂直な方向に向かう締付け力に対して、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のコイルスプリング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、スプリングバック量をさらに大きくできるので、長期貯蔵においてもより高い安全性を担保できる。
【００９２】
図１０は、シール領域における応力を分散させる他の形状の例を示した説明図である。上述した通り、この発明に係る金属ガスケット２１は、外被５１のシール領域５１ｓを予め平面に形成して、密封のための締付け力を分散させる形状としている。この他にも、密封のための締付け力を分散させる形状としては、図１０（ａ）に示すように、外被５１におけるシール領域５１ｓを形成する平面と、シール領域以外の領域５１ｙとが交わる部分には、金属ガスケット２１の周方向に向かう段部５１ｄを形成してもよい。
【００９３】
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、単にシール領域を平面に形成したのでは、シール領域５１ｓとシール領域以外の領域５１ｙとが交わる部分に応力集中が生じてしまう。したがって、この部分に段部５１ｄを形成して予め切り欠いておくことで、この部分の応力集中を低減する。なお、段部５１ｄのコーナー部５１ｄｃは角状となっているが、この部分に曲率を設けてなだらかにしてもよい。このようにすると、前記コーナー部５１ｄｃの応力集中も低減できる。
【００９４】
また、シール領域５１ｓを平面に形成した場合であっても、仕上げ具合によって応力が高くなる部分が存在する。したがって、図１０（ｂ）に示すように、このような部分に金属ガスケット２１の周方向に向かう溝部５１ｘを設けて、前記応力集中を低減させてもよい。この溝部５１ｘの本数及び大きさは、応力集中の発生状況に応じて、適宜変更することができる。なお、応力集中の発生状況は、有限要素法等の手法によって解析することができる。このようにすることによって、金属ガスケット２１の外被５１に発生する応力集中をより均一にすることができるので、クリープ変形の進行を抑制して、長期間貯蔵における密封性能を維持できる。
【００９５】
図１１は、シール領域における応力を分散させる他の例を示した説明図である。同図（ａ）に示すように、シール領域５１ｓ側においては、コイルスプリング３０ｘを平面状に形成し、さらに外被５１のシール領域５１ｓ側を平面に形成する。このようにすると、平面状に形成したコイルスプリング３０ｘが均等に外被５１のシール領域５１ｓを押圧するので、シール領域５１ｓはより均等な応力分布となる。
【００９６】
なお、このようなコイルスプリング３０ｘは、例えば図１１（ｂ）に示すように製造する。まず、円柱に二つの平面を設けた断面楕円状の冶具３０ｚに線材３０ｙを巻きつける。そして、焼鈍して冶具３０ｚの形状を線材３０ｙに転写した後、熱処理してコイルスプリング３０ｘを製造する。また、断面円形のコイルスプリングと比較して、このコイルスプリング３０ｘは曲げ剛性が小さくなる。このため、実施の形態１で説明した断面円形のコイルスプリング３０（図５参照）と比較して、素線径はより太いものを使用する必要がある。
【００９７】
実施の形態２に係る金属ガスケット２１の構造は、外被５１の材料がアルミニウムやスズ等のように融点が比較的低く、キャスクにおける使用温度ではクリープ変形が問題となるような金属に対して特に適する。しかし、融点が比較的高く、キャスクにおける使用温度ではクリープ変形が問題とならない銀、あるいは金等の金属を外被５１に使用した場合に適用してもよい。この場合は、スプリングコイルを細くする工夫と併用すると、従来よりもスプリングバックの量を従来の１０〜２０倍程度まで大きくできるので、キャスク輸送における裕度を従来よりも大きく持たせることができる（以下同様）。
【００９８】
（変形例１）
図１２は、実施の形態２の第１変形例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２２は、上記実施の形態３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コイルスプリング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。
【００９９】
この金属ガスケット２２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コイルスプリング３１ａ及び３１ｂを使用する。図１２（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２２を配置すると、直径が大きい方のコイルスプリング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。
【０１００】
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２２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コイルスプリング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２２においては、ガスケット溝部９や金属ガスケット２２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。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。
【０１０１】
図１２（ｂ）においては、スプリング直径の小さい方のコイルスプリング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。また、図１２（ｃ）に示すように、スプリング直径の小さい方のコイルスプリング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。
【０１０２】
さらに、図１２（ｄ）に示す金属ガスケット２２ａは、外被５０をスプリング直径の異なる二個のコイルスプリング３１ａ及び３１ｂで全体に被覆し、スペーサ６０を前記コイルスプリング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２１ａでも、金属ガスケット２１の内外周でコイルスプリング３１ａ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。さらに、この金属ガスケット２２ａでは、内部への水の浸入を防止できるので、図８（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。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、コイルスプリングを使用したりすることができる。この変形例は、一次蓋及び以下の実施の形態においても適用できる。
【０１０３】
（変形例２）
図１３は、実施の形態２の第２変形例に係る金属ガスケットを示す説明図である。なお、説明の便宜上、従来のキャスクに使用されていた金属ガスケットも図示する。このキャスクに使用される金属ガスケット２３は、上記実施の形態１に係る金属ガスケット２０と略同一の構成であるが、シール領域５０ｓの曲率半径ｒ１は、シール領域以外の領域５０ｙにおける曲率半径ｒ２よりも大きいコイルスプリング３２を備える。そして、外被５０で被覆されている内被４２とコイルスプリング３２とで構成される内部エレメントの断面を、予め楕円状に形成してある点が異なる。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。
【０１０４】
図１３（ｂ）に示すように、従来の金属ガスケット５２０においては、内被５４０とこの内被５４０で被覆されたコイルスプリング５３０とで構成される内部エレメント５２０ｅの断面は円形であった。このため、スプリングの曲げ剛性が高く、数１０ＭＰａという高い密封性能を持っている。しかし、上述したように、コイルスプリング５３０の曲げ剛性が高い場合には、曲げ剛性が小さい場合と比較してスプリングバック量を大きくできない（図７参照）。また、数十年という長い期間においては、外被５５０が過剰な押し付け力によってへたり、復元力が弱くなる。これによって、密封性が弱くなったり、スプリングバック量が減少したりするおそれがあった。
【０１０５】
この変形例に係る金属ガスケット２４は、内被４２と、この内被４２で被覆されたコイルスプリング３２とで構成される内部エレメント２２ｅの断面形状を、予め楕円状としている。このため、断面形状が円形である場合と比較して、スプリングの曲げ剛性を低くできる。これによって、スプリングバック量を十分に確保できるので、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、より安全に輸送できる。また、従来の金属ガスケット５２０と比較して、このコイルスプリング３２は外被５０のシール領域５０ｓとより大きな面積で接触するので、外被５０に作用する応力を従来よりも小さくできる。これによって、外被５０のクリープ変形を抑えて、応力緩和現象を低減し、長期貯蔵における信頼性を高くできる。
【０１０６】
なお、この金属ガスケット２４においては、コイルスプリング３２の曲げ剛性は従来よりも小さいので密封圧力は従来よりも低くなる。しかし、この金属ガスケット２４はキャスクの密封に使用するものである。キャスクにおいて正圧は最大で１．０ＭＰａ程度の密封性能があればよいので、この金属ガスケット２４の密封圧力でも十分な密封性能を確保できる。
【０１０７】
以上、この発明の実施の形態２及びその変形例について説明したが、実施の形態２及びその変形例で説明した金属ガスケットの構成及びキャスクの構成は、実施の形態３以降においても適宜適用できる。
【０１０８】
（実施の形態３）
図１４は、この発明の実施の形態３に係るキャスクのシール構造を示す説明図である。このキャスクは、上記実施の形態３に係るキャスク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コイル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。
【０１０９】
実施の形態３に係る金属ガスケット２４は、いわゆるダブルリング式のものであり、フープ径Ｄｆの異なる二個のコイルスプリング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。
【０１１０】
端部５０ｔ同士は、図１４（ａ）及び（ｃ）に示すように、フープ径Ｄｆの異なる二個のコイルスプリング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１４（ｃ）は突合せ接合の例である。また、図１４（ｂ）に示すように、いずれか一方のコイルスプリングの側部３３ｙにおける接合部５０ｂで接合してもよい。さらに、図１４（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。
【０１１１】
また、図１４（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、コイルスプリング３３ａ等よりやや外径の小さいスプリングを用いてもよい。このようなコイル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２１ａを容易に製造できる。また、コイル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。
【０１１２】
図１５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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
しかし、図１５（ｂ）に示すように、この発明に係る金属ガスケット２４は、内被４３で被覆したフープ径Ｄｆの異なる二個のコイルスプリング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、コイルスプリング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。
【０１１５】
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内部の気密性も維持できる。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１５（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２４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、水分の残留によるような腐食のおそれはなく、長期間貯蔵においてはより高い信頼性を発揮できる。
【０１１６】
また、図１５（ｃ）に示すように、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コイルスプリング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。
【０１１７】
ここで、図１５（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２４の締め付け力に対しては容易に変形し、不必要に高い締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、コイルスプリング３３ａ等の外径よりもやや外径の小さいコイル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。
【０１１８】
なお、実施の形態１で説明したように、実施の形態３に係る金属ガスケット２４のシール領域５０ａｓ、５０ｂｓ、５０ａｓ２及び５０ｂｓ２を平面に形成したり、シール領域とそれ以外の領域との境界に、金属ガスケット２４の周方向に向かう段部を設けたりしてもよい。このようにすれば、シール領域５０ａｓ、５０ｂｓ等における応力集中をより均等にできるので、シール領域５０ａｓ、５０ｂｓ等のクリープ変形をさらに抑制できる。これによって、長期貯蔵においてはより高い信頼性を得ることができる。
【０１１９】
以上、この発明の実施の形態３について説明したが、実施の形態３で説明した金属ガスケットの構成及びキャスクの構成は、実施の形態４以降においても適用できる。
【０１２０】
（実施の形態４）
図１６は、この発明の実施の形態４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。このキャスクは、上記実施の形態１に係るガスケットと略同一の構成であるが、金属ガスケットに素線の断面形状が矩形のコイルスプリング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。
【０１２１】
図１６（ｂ）に示すように、この金属ガスケット２４に使用するコイルスプリング３４は、断面形状が矩形の素線を使用している。このため、断面円形のコイルスプリングと比較して、コイルスプリング３４と内被４４とはより多くの面積で接するので、より均等にコイルスプリング３４の反発力を内被４４及び外被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、コイルスプリング３４の反力を押さえ込む内被４４を省略するか、又は内被４４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２５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。
【０１２２】
また、断面円形のコイルスプリングと断面矩形のコイルスプリング３４とで、両者の断面係数が同じであれば、断面矩形のコイルスプリング３４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、コイルスプリング３４の巻き数を増やすことができるので、より均一にコイルスプリング３４の反発力を外被５０へ伝えることができる。このように、断面矩形のコイルスプリング３４を使用した場合には、断面円形のコイルスプリングを使用するよりもより金属ガスケット２５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、コイルスプリング３４の反力をより有効に利用できる。
【０１２３】
また、断面円形をしたコイルスプリングと断面矩形のコイルスプリング３４との断面係数が同じであれば、断面矩形のコイルスプリング３４の方が、金属ガスケット２５の締付け力によってコイルスプリング３４内に発生する応力を小さくできる。さらに、断面矩形のコイルスプリング３４は断面円形のコイルスプリングとは異なり、隣り合う素線と面３４ａで接触する。これによって、締付け力Ｐによってこの面３４ａに発生する応力は、断面円形のコイルスプリング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を断面円形のコイルスプリングよりも小さくできるので、断面矩形のコイルスプリング３４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コイルスプリング３４の長期信頼性をより高くできる。
【０１２４】
【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、インコネルからなるコイルスプリングＡと同じスプリング外径で、且つこのコイルスプリングＡよりも細いスプリング素線径で、コイルスプリングＡと同等の曲げ剛性を発生できる材料からなるコイルスプリングを備えた金属ガスケットによって密封するようにした。このような構成により素線径を細くして金属ガスケットを構成するコイルスプリングの表面における応力を小さくできるので、数十年にわたる長期貯蔵においても、金属ガスケットの劣化を抑制して高い密封性能を維持できる。
【０１２５】
また、この発明に係るキャスク（請求項２）では、金属ガスケットを構成する上記コイルスプリングの材料にステンレスを使用した。ステンレスの弾性係数はインコネルよりも高いので、同じスプリング外径であってもより素線径の細い線材を使用できる。これにより、コイルスプリングのへたりを極小にして長期貯蔵においても高い密封性能を維持できる。
【０１２６】
また、この発明に係るキャスク（請求項３）では、ステンレスからなるコイルスプリングの素線径ｄと金属ガスケットの断面直径Ｄとの比が、０．０２以上０．０８以下とした金属ガスケットにより密封する。これにより、コイルスプリングの表面における応力を小さくするとともに十分なスプリングバック量を確保できる。その結果、長期間の貯蔵によって外被がクリープダウンした場合でも、十分なスプリングバック量を確保でき、また、コイルスプリングのへたりを極小にできる。
【０１２７】
また、この発明に係るキャスク（請求項４）では、上記キャスクにおいて、外被のシール領域を予め平面に形成した金属ガスケットを用いて、蓋と胴本体との密封を保持するようにした。これにより、前記外被のシール領域における応力集中を分散させ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。
【０１２８】
また、この発明に係るキャスク（請求項５）では、フープ径の異なる環状のコイルスプリングを同心状に配置し、これらを外被で一体とした金属ガスケットによって、胴本体と蓋とを密封するようにした。これにより、長期間貯蔵において外被がクリープ変形しても、二個のコイルスプリングが互いにこのクリープ変形を規制するので、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、より高い安全性を担保できる。
【０１２９】
また、この発明に係るキャスク（請求項６）では、フープ径の異なる環状のコイル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金属ガスケットによって、胴本体と蓋とを密封した。これによって、二個のコイルスプリングが互いに外被のクリープ変形を規制するので、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。
【０１３０】
また、この発明に係るキャスク（請求項７）では、異なるフープ径を持つ二個の環状のコイル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た金属ガスケットを用いるようにした。このため、キャスクを乾燥させる際には、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して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。これによって、金属ガスケットが腐食するおそれを極小にして、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。
【０１３１】
また、この発明に係るキャスク（請求項８）では、金属ガスケットの外被を、上記胴本体及び上記蓋よりも軟らかい金属としたので、金属ガスケットによってキャスクの胴本体や蓋を傷つけることはないので、胴本体等を容易に再利用することができる。
【０１３２】
また、この発明に係るキャスク（請求項９）では、金属ガスケットの外被を胴本体及び蓋よりも腐食電位が高い金属としたので、まず外被から腐食して高価なキャスクの胴本体及び蓋を腐食から守ることができる。
【０１３３】
また、この発明に係るキャスク（請求項１０）では、コイルスプリングと外被との間に、コイル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、この内被によってコイル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１１）では、インコネルからなるコイルスプリングＡと同じスプリング外径で、且つこのコイルスプリングＡよりも細いスプリング素線径で、コイルスプリングＡと同等の曲げ剛性を発生できる材料からなるコイルスプリングを外被の内側に備えるようにした。このような構成により素線径を細くして金属ガスケットを構成するコイルスプリングの表面における応力を小さくできる。その結果、コイルスプリングのへたりを極小にできるので、数十年にわたるリサイクル燃料集合体を長期貯蔵するような場合でも、金属ガスケットの劣化を抑制して高い密封性能を維持できる。
【０１３５】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１２）では、コイルスプリングの材料にステンレス材を使用するようにした。ステンレスの弾性係数はインコネルよりも高いので、同じスプリング外径であってもより素線径の細い線材を使用して、コイルスプリング表面の応力を抑えて、長期使用におけるコイルスプリングのへたりを抑えることができる。
【０１３６】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１３）では、外被の内側に備えられるステンレスからなるコイルスプリングの素線径ｄと金属ガスケットの断面直径Ｄとの比が、０．０２以上０．０８以下となるようにした。これによって、コイルスプリングの表面における応力を小さくするとともに十分なスプリングバック量を確保できる。その結果、外被がクリープダウンした場合でも、十分なスプリングバック量を確保でき、また、コイルスプリングのへたりを極小にできる。
【０１３７】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１４）では、コイルスプリングの素線径ｄは０．３５ｍｍ以上０．８０ｍｍ以下であり、金属ガスケットの断面直径Ｄを５．０ｍｍ以上１２．０以下とした。このような範囲であれば、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ので、長期間貯蔵においても高い密封性能を維持でき、また、胴本体と蓋とのずれに対する裕度も維持できる。
【０１３８】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１５）では、断面形状が矩形の素線を使用するようにした。これにより、より均等にコイルスプリングの反発力を外被に伝えることができるので、外被の応力分布をより均等にし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。その結果、長期貯蔵においても密封性能を維持できる。
【０１３９】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１６）では、外被のシール領域を予め平面に形成した。このため、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、例えばキャスクによるリサイクル燃料集合体の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。
【０１４０】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１７）では、シール領域とシール領域以外の部分とが交わる部分に、環状の外被の周方向に向かう段部を形成した。これによって、外被のシール領域における応力分布をさらに均一にできるので、外被のクリープ変形の進行をさらに抑制して、長期貯蔵においても金属ガスケットの応力緩和現象をさらに抑えることができる。
【０１４１】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１８）では、平面に形成したシール領域の応力が高くなる部分に、金属ガスケットの周方向に向かう溝を設けた。これによって、金属ガスケットのシール領域の応力集中を低減させて、応力分布を均一にできるので、クリープ変形の進行を抑制して、長期間貯蔵においても密封性能を維持できる。
【０１４２】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項１９）では、断面円形の金属ガスケットを締め付け方向に対して予め押しつぶしたような形状とした。このため、断面形状が円形である場合と比較して、スプリングの曲げ剛性を低くできる。これによって、スプリングバック量を十分に確保できるので、従来の金属ガスケット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。また、コイルスプリングの曲げ剛性は従来の金属ガスケットよりも小さいので、コイルスプリングの側部における外被のへたりを従来よりも低減でき、長期貯蔵における信頼性を高くできる。
【０１４３】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２０）では、フープ径の異なる環状のコイルスプリングを同心状に配置し、これらを外被で一体とした。これによって、二個のコイルスプリングが互いに外被のクリープ変形を規制し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、より高い安全性を担保できる。
【０１４４】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２１）では、フープ径の異なる環状のコイル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て構成した。このため、蓋側と胴本体側との両方のシール領域において、二個のコイルスプリングが互いに外被のクリープ変形を規制する。その結果、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、長期貯蔵においてはさらに高い安全性を担保できる。
【０１４５】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２２）では、同心状に配置したフープ径の異なる二個のコイルスプリングの間に、予めスペーサを備えてから外被の端部同士を接合して構成した。このため、このスペーサによって外被の変形を抑えることができるので、外被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。また、外被がこのスペーサによって支えられるので、外被の変形を抑えて端部同士を容易に接合できる。これによって、施工効率を高くでき、より確実に外被を接合できる。
【０１４６】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２３）では、異なるフープ径を持つ二個の環状のコイル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ようにした。このため、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して、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。
【０１４７】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２４）では、外被を密封対象物よりも軟らかい金属としたので、金属ガスケットによって密封対象物を傷つけることはない。
【０１４８】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２５）では、外被は密封対象物よりも腐食電位が高い金属とした。これにより、まず金属ガスケットの外被から腐食するため、密封対象物を腐食から守ることができる。
【０１４９】
また、この発明に係る金属ガスケット（請求項２６）では、コイルスプリングと外被との間に、コイルスプリングを被覆する内被をさらに備えた。このため、この内被によってコイル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、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。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、長期使用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に係るキャスクにおけるシール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】キャスクの構造を示す断面図である。
【図４】図３に示したキャスクの一部拡大図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る金属ガスケットのコイル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７】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８】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９】従来の金属ガスケットを示す断面図である。
【図１０】シール領域における応力を分散させる他の形状の例を示した説明図である。
【図１１】シール領域における応力を分散させる他の例を示した説明図である。
【図１２】実施の形態２の第１変形例に係る金属ガスケットを示す説明図である。
【図１３】実施の形態２の第２変形例に係る金属ガスケットを示す説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態３に係るキャスクのシール構造を示す説明図である。
【図１５】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１６】この発明の実施の形態４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１７】キャスクのシールに使用する従来の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】
９　ガスケット溝部
１０　シール構造
２０、２０’、２０’’、２１、２２、２３，２４、２５　金属ガスケット
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｘ、３１ａ、３１ｂ、３２、３３ａ、３４、　コイルスプリング
４０、４１ａ、４２、４３、４４　内被
５０、５１　外被
５０ａｓ、５０ａｓ２、５１ｓ　シール領域
５１ｄ　段部
５１ｘ　溝部
５１ｔ　端部
６０　スペーサ
５００　キャスク
５０１　胴本体
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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