(57)【要約】【課題】原子力発電所の使用済み燃料を保管運搬する容器であるコンクリート製のキャスクを提供する。【解決手段】円周方向及び母線方向に分割された多数のプレキャストプレストレストコンクリートセグメント１１から成る円筒形の外殻と、鋼管からなる内周ライナ１４と、セグメント１１と内周ライナ１４間に介装したコンクリート１５とからなり、底板及び上面蓋を備え、セグメント１１は円筒面に千鳥に配置され、円周方向及び縦横Ｘ字網目状に配設されたＰＣ緊張材１２、１３を緊張して一体化されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレキャストプレストレストコンクリートから成る円筒形の外殻と、鋼管からなる内周ライナと、前記外殻と内周ライナ間に介装したコンクリートとからなり、底板及び上面蓋を備えたことを特徴とするコンクリートキャスク。
【請求項２】
前記円筒形の外殻は、円周方向及び母線方向に分割された多数のセグメントからなり、該セグメントが円筒面に千鳥に配置され、円周方向及び縦横Ｘ字網目状に配設されたＰＣ緊張材を緊張して一体化した外殻であることを特徴とする請求項１記載のコンクリートキャスク。
【請求項３】
前記円筒形の外殻は円周輪切り状に分割された複数のリングからなり、フープ方向及び母線方向に配設したＰＣ緊張材を緊張して一体化した外殻であることを特徴とする請求項１記載のコンクリートキャスク。
【請求項４】
前記円筒形の外殻は円筒を母線に沿って分割した円弧状板からなり、該円弧状板が円周方向に配列され、円周方向に配設したＰＣ緊張材を緊張して一体化した外殻であることを特徴とする請求項１記載のコンクリートキャスク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリートキャスクに関する。
【背景技術】
【０００２】
キャスク（ｃａｓｋ）は、原子力発電所の使用済み燃料を保管、運搬する容器であって、従来中性子遮蔽材を内蔵した金属製外壁内に、鋼製の胴部を備え、その中にリサイクル燃料を収納したバスケットを収納し、一次蓋、２次蓋の二重の蓋を備えたものが用いられている。収納容量は、通常、約１０トンで、容器の外径寸法は直径２〜３ｍ、高さ５〜６ｍである。
【０００３】
キャスクは、原子力発電所の使用済みリサイクル燃料を安全に貯蔵するために様々な機能を備えることを要する。例えば中性子遮蔽材等によってリサイクル燃料から発生する放射線を遮蔽し、胴部の外に設けられた伝熱フィン等によってキャスクの外部に熱を逃がし、外気の自然対流によって冷却する。また、中性子吸収剤を加えたバスケットで、核分裂の連鎖反応が起こるのを防止する。さらに、蓋を二重構造とすることによって放射性物質を確実に閉じこめるようになっている。
【０００４】
鋼板製の内外筒の間にコンクリートを打設して形成した鋼板コンクリートキャスクのひび割れ性能評価試験が報告されている（非特許文献１。）。
【非特許文献１】（社）日本原子力学会「２００２年春の年会」（２００３年３月２７〜２９日、        神戸商船大学）ｐ２９６〜２９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
原子力発電所の使用済み燃料は、再処理工場で再処理されるが、再処理までの中間貯蔵が必要で、キャスクが用いられている。コンクリート製キャスクは既に海外において実用化されていると言われている。
【０００６】
本発明者らは、実用的なコンクリート製のキャスクの製造について研究を重ね、コンクリートキャスク製造時のコンクリートの水和熱及びリサイクル燃料貯蔵時の燃料の崩壊熱による温度応力がコンクリート容器に与える影響の解明を行い、品質の点で優れているプレキャストコンクリート型枠（外殻）を用いて、耐久性に富み経済的なコンクリート容器の開発を行った。
【０００７】
本発明はこれらの研究結果に基いて実用的なコンクリートキャスクを開発し、これを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑み開発されたもので、その技術手段は、プレキャストコンクリートからなる円筒形のプレストレストコンクリート外殻と、鋼管からなる内周ライナと、前記外殻と内周ライナ間に介装したコンクリートとからなり、底板及び上面蓋を備えたことを特徴とするコンクリートキャスクである。以下プレストレストコンクリート外殻をＰＣ外殻と記す。
【０００９】
上記コンクリートキャスクにおいて、前記円筒形の外殻は、円周方向及び母線方向に分割された多数のセグメントからなり、該セグメントが円筒面に千鳥に配置され、円周方向及び縦横Ｘ字網目状に配設されたＰＣ緊張材を緊張して一体化した外殻とすると、製造が容易であり、好適である。
【００１０】
また前記円筒形の外殻は円周輪切り状に分割された複数のリングからなり、フープ方向及び母線方向に配設したＰＣ緊張材を緊張して一体化した外殻としてもよい。
【００１１】
さらに、前記円筒形の外殻は円筒を母線に沿って分割した円弧状板からなり、該円弧状板が円周方向に配列され、円周方向に配設したＰＣ緊張材を緊張して一体化した外殻としてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、内部コンクリート打設による温度上昇を解析値で推定することができ、また温度降下による内部コンクリートのひび割れ抑制を図ることができる。また、使用済み燃料の温度上昇に伴う熱応力による内部コンクリートのひび割れも抑制できる。さらにプレキャストプレストレストコンクリート外殻はプレストレスによりひび割れ発生を制御することができ、コンクリートキャスクに全く欠陥が発生しない。これらの対応は、コンクリートキャスクの使用条件、使用地の立地条件、その他の条件を加味したプレストレスの導入量を設計することにより、種々の条件に対応することができる。
【００１３】
なお、転倒とか、縦方向の温度分布による熱応力に対応して母線方向のプレストレス導入量を適切に定めることができる。
【００１４】
このように、本発明のコンクリートキャスクはプレストレスが導入されたＰＣ部材の曲げ剛性、引張剛性により内部コンクリートの熱応力によるＰＣ外殻及び内部コンクリートのひび割れを完全に防止することができる。
【００１５】
従って、信頼性の高い高品質のコンクリートキャスクを得ることができ、寄与するところが大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
まず本発明を完成するに至った研究経過について説明する。
【００１７】
従来のコンクリートキャスクは、原子炉の使用済み燃料を装入したバスケットを円筒状の金属キャニスタ内に内蔵させ、この金属キャニスタの外周にコンクリートの円筒壁を備えている。そして、底部に設けた冷却空気入口から冷却空気を取り入れ、この冷却空気を金属キャニスタとコンクリート円筒壁との問の隙間を通過させ、上端近傍の冷却空気排出口から排出するようになっている。
【００１８】
前記報道では、耐熱性を向上し、１５０℃の高温で長期使用可能なコンクリート材を開発したとしている。
【００１９】
本発明者らは、これとは異なるアプローチで研究した。すなわち、実際のコンクリートキャスクに生ずる熱応力を解析し、冷却空気を通過させることを省略することの可能性を追求すると共に、コンクリート円筒壁（シェル）に十分な強度を付与する技術について検討した。
【００２０】
以下図面を参照して本発明に係る実験と本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
予備試験として、図５に示すように、鋼管から成る内周ライナ３２の外周に鉄筋コンクリート円筒３１を形成した合成筒体３０を製造し、内周ライナ３２の中に使用ずみ原子燃料を装入し、密閉して放置した。その結果、鉄筋コンクリート円筒３１に多数のクラック３３が発生した。これは使用済み原子燃料の発熱によるコンクリートの温度上昇に伴う膨張に由来するクラックと認められた。
【００２２】
次に、コンクリートキャスク製造時を想定したコンクリートキャスクモデル実験を行い、さらに原子炉使用済み燃料貯蔵時の温度解析、応力解析を行い、コンクリートキャスクの伝熱試験を行い、その結果に基づいて本発明を完成した。
【００２３】
図６（ａ）に、コンクリートキャスク製造時の温度及びひずみ解析のための実験用の容器４０の平面図、図６（ｂ）にその縦断面図を示した。図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、内径２０００ｍｍ、外径２３５０ｍｍ、高さ２４３０ｍｍのコンクリート容器４０を円周４分割したピース４１で製作し、接合端面４２に５ｍｍ厚のクロロプレンゴムを貼着して一体に組立て、外周にＰＣ鋼より線４３として１Ｔ１５．２を８本巻きつけて締付けた。この容器４０中に早強ポルトランドセメントを使用したコンクリートを打設した。
【００２４】
図７（ａ）は熱電対４５の配列を示すもので平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ矢視縦断面図である。図８（ａ）は容器４０のひずみ測定位置を示すもので図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視縦断面図である。図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように各所にひずみ計４６及びモールドゲージ４７を配設した。
【００２５】
コンクリートを打設し、温度及びひずみを測定した。経過時間（日）と温度（℃）との推移を図９に示した。図９中、太線の実線５１及び破線５２は中心部の実測値及び解析値、細線の実線５４及び破線５５は側面の実測値及び解析値、２点鎖線５７は外気温度の推移を示すものである。中心部は最高温度５３がほぼ９０℃、側面は最高温度５６がほぼ４２〜４５℃であった。図９に示すように実測値と解析値とはよく一致している。
【００２６】
解析に用いた物性値は次の通りである。
【００２７】
断熱温度上昇式（℃）：
Ｔ＝６４．２（１−ｅ-2.29t）
表面熱伝達率（Ｗ／ｍ2℃）：
上面＝３、側面＝１０、下面＝６
熱伝導率（Ｗ／ｍ2℃）：２．４
密度（ｋｇ／ｍ3）：２４００
比熱（ｋＪ／ｋｇ℃）：１．３
次に経過時間（日）とひずみ（μｍ）との関係を図１０に示した。太線の実線６１及び破線６２はそれぞれＰＣ型枠の実測値及び解析値、細線の実線６３及び破線６４は比較型枠の実測値及び解析値である。実測値６１、６３は解析値６２、６４とほぼ良好な一致を示している。
【００２８】
次に、使用済み燃料貯蔵時を想定した温度及び応力解析を行った。
【００２９】
解析条件は次の通りである。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
外気温（℃）を２５℃とし内部空気温度上昇速度を２（℃／ｈ）とした。
【００３２】
図１１は試験用容器７０の壁の断面図である。鋼管７１の外側に、ＰＣ外殻７４を配設して型枠とし、その間にコンクリート壁７５を打設したもので、コンクリート壁の上下面に断熱材７６を備えている。図１２は図１１の断面の温度解析結果を示す図である。図１３はＰＣ外殻と内部コンクリートとの縁を切った場合について、図１４は一体構造の場合について、応力解析を行った結果を示したものである。
【００３３】
図１３では内部コンクリートに応力の高い部分が生じ、ＰＣ外殻には大きな応力が生じないが、図１４では内部コンクリートは応力が小さく、ＰＣ外殻に応力の高い部分が生ずる。応力の高い部分にプレストレストコンクリートを用いれば耐力が十分となり、また、コンクリートにひび割れ等が生じない。
【００３４】
次に、貯蔵時の実験を図１５に示す容器８０について行った。図１５は、内径１６４０ｍｍ、厚さ９ｍｍの鋼管ライナ８１の外側に外径３４００ｍｍ、高さ１８００ｍｍ、厚さ２００ｍｍのＰＣ型枠８２を配設し、その中間に厚さ６７１ｍｍのコンクリート壁８３を形成したものである。コンクリート壁８３の上下面には断熱材８５を配置し、ＰＣ型枠の外周面にはＰＣ鋼より線８４が巻きつけられている。
【００３５】
図１６及び図１７にそれぞれ容器８０に設けた温度測定位置８６及びひずみ測定位置を示した。図１６（ａ）は容器８０の平面図、図１６（ｂ）はそのＣ−Ｃ矢視図、図１７（ａ）は容器８０の平面図、図１７（ｂ）はそのＤ−Ｄ矢視図である。ひずみ計は埋込みひずみゲージ８７及びモールドゲージ８８である。
【００３６】
容器内にヒータ及び水を入れ、ヒータによって水温を上昇させた。水温は図５に示す容器で行った予備試験データから、７０℃まで上昇させ、鋼管ライナの内側で６５℃になるようにした。
【００３７】
図１８に温度と経過時間との関係を示した。横軸は経過日数、縦軸は温度を示し、図中曲線９１は型枠側面、曲線９２は型枠と内部コンクリート面、曲線９３は内部コンクリート中央、曲線９４はライナと内部コンクリート面、曲線９５はライナ側面の温度をそれぞれ示し、曲線９６は外気温を示している。
【００３８】
図１９に中段部半径方向の温度分布を示した。横軸は半径方向の中心、ライナ側、型枠側を示し、縦軸は温度（℃）曲線１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８はそれぞれ経過日数０．５日、１日、２日、３日、７日、１０日、１４日、１６日のデータを示している。
【００３９】
図２０は経過時間とひずみとの関係を示すもので、曲線１１１は上段内部コンクリート型枠側、曲線１１２は中段内部コンクリート中心から２７０ｍｍの型枠側、曲線１１３は中段内部コンクリート中心、曲線１１４は中段内部コンクリート中心から２７０ｍｍの型枠側ライナ側、曲線１１５は下段内部コンクリート型枠側のひずみをそれぞれ示すものである。
【００４０】
図２１に伝熱試験における温度と経過時間との関係を示した。横軸は経過日数、縦軸は温度（℃）を示すもので、曲線１２１は型枠側面、曲線１２２は型枠と内部コンクリート面、曲線１２３は内面コンクリート中央、曲線１２４はライナと内部コンクリート面、曲線１２５はライナ側面の温度を示し、曲線１２６は外気温の推移、曲線１２７はヒーター温度である。
【００４１】
図２２に中段部半径方向の温度分布を示した。曲線１３１は昇温開始時の温度分布、曲線１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７、１３８、１３９はそれぞれ経過日数１日、２日、３日、４日、５日、６日、７日、８日の温度分布データを示している。
【００４２】
図２３にひずみと経過時間の関係を示した。曲線１４１は上段内部コンクリート型枠側、曲線１４２は中段内部コンクリート中心から２７０ｍｍの型枠側、曲線１４３は中段内部コンクリート中心、曲線１４４は中段内部コンクリート中心から２７０ｍｍの型枠側ライナ側、曲線１４５は下段内部コンクリート型枠側のひずみをそれぞれ示している。
【００４３】
図２４に緊張力ΔＰと経過時間との関係を示した。横軸は経過日数、縦軸は緊張力ΔＰ（Ｎ）を示した。１６日経過したとき、ヒータの昇温を開始した。曲線１５１は上から２本目のＰＣ鋼ワイヤ、曲線１５２は上から５本目のＰＣ鋼より線を示している。
【００４４】
次に型枠の昇温開始からの表面ひずみの変化を図２６に示した。図２５は型枠７４の側面図で図中Ｋ１〜Ｋ８はひずみを測定した測定位置及び測定方向を示している。図２６はその経時変化を示すチャートで、Ｋ１〜Ｋ８は図１５に示したものと一致させて示した。
【００４５】
図２６に示す型枠表面ひずみゲージの経時変化から、ひび割れが発生しないことが示されている。またＰＣ鋼材によるフープ方向又は鉛直方向プレストレスによる拘束力により内部コンクリートにひび割れを発生させない。
【００４６】
以上の実験の結果、
（１）製造時を想定したコンクリートキャスク実験では、断熱温度上昇式、表面熱伝達率、線膨張係数を適切に設定することにより、温度、ひずみの実測値と解析値はほぼ一致した。
（２）貯蔵時を想定した温度応力解析により、ＰＣ外殻と内部コンクリートを一体構造にすることによって内部コンクリートの中間部の引張応力を小さくできることが明確になった。
（３）コンクリートキャスク伝熱試験により、コンクリート製造時におけるセメントの水和熱によるコンクリートキャスクの温度及びひずみ履歴を得た。
（４）使用済み燃料貯蔵時の模式的試験により、温度分布、ひずみ分布及びそれらの経時変化が明らかになった。従って、これらのデータに基いてコンクリートキャスクの外周にＰＣ外殻を適切に設計することが可能であることが明確になった。
【００４７】
以上の知見に基づき、ＰＣ外殻を型枠として、適切な設計により、使用済み燃料貯蔵容器を得ることができるとの知見を得た。
【００４８】
本発明は以上の結果に基いて、ＰＣ外殻を用いた使用済み燃料貯蔵容器を開発したものである。その具体例を図を参照して説明する。図１〜図４は本発明の実施例のコンクリートキャスクを示す斜視図である。
【００４９】
本発明のコンクリートキャスクは、プレキャストプレストレストコンクリートから成る円筒形の外殻と、鋼管からなる内周ライナと、前記外殻と内周ライナ間に介装したコンクリートとからなり、底板及び上面蓋を備えている。
【００５０】
図１に示すコンクリートキャスク１０は、輪切り状の円周を複数分割した多角形状のセグメント１１を、円筒形に組合せ円周ＰＣ鋼材１２と、Ｘ字状に円周及び長手方向に傾斜したＰＣ鋼材１３とで構成したＰＣ殻を形成し、内部の鋼製ライナ１４との間にコンクリート１５を打設して形成されたものである。コンクリート１５は放射線遮蔽性能を有するコンクリートとすることは当然である。
【００５１】
図２は、図１の多角形のセグメント１１の代りに矩形円弧状のセグメント１１を用いた例である。
【００５２】
図３は、円筒リング状のセグメント１６を長手方向につなぎ合わせ、母線に平行なＰＣ鋼材１７で長手方向を締めつけて形成した例である。
【００５３】
以上の図１〜図３の実施例ではＰＣ外殻にプレストレスを導入した後、鋼製ライナと型枠間に場所打ちコンクリート１５を打設するとよい。
【００５４】
図４は、円周を複数分割した円弧板状のセグメント２１を組み合わせて、円周方向ＰＣ鋼材２２で周方向を結合した例で、各セグメント２１の外面にピラスタ２３を形成しておき、ＰＣ鋼材をここで交差させて締付ける。長手方向はプレテンション方式で予めプレストレスを導入しておけばよい。この実施例ではプレキャスト型枠を組立てて場所打ちコンクリートを打設し、その後円周方向プレストレスを導入するとよい。
【００５５】
以上のコンクリートキャスクの大きさは外径２〜３ｍ、高さ５〜６ｍである。円周ＰＣ鋼材は上記実験から得られたひずみを抑制する緊張力を有するものとすればよく、また、格別の空気取入口や空気排出口等を設けて冷却する必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施例のコンクリートキャスクを示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例のコンクリートキャスクを示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例のコンクリートキャスクを示す斜視図である。
【図４】本発明の実施例のコンクリートキャスクを示す斜視図である。
【図５】予備試験の合成筒体の斜視図である。
【図６（ａ）】コンクリートキャスク製造時の温度及びひずみ解析のための実験用の容器の平面図である。
【図６（ｂ）】図６（ａ）の縦断面図である。
【図７（ａ）】熱電対４５の配列を示す平面図である。
【図７（ｂ）】図７（ａ）のＡ−Ａ矢視縦断面図である。
【図８（ａ）】容器４０のひずみ測定位置を示す平面図である。
【図８（ｂ）】図８（ａ）のＢ−Ｂ矢視縦断面図である。
【図９】経過時間と温度の推移を示すチャートである。
【図１０】経過時間とひずみの推移を示すチャートである。
【図１１】試験用容器の壁の断面図である。
【図１２】図１１の断面の温度解析結果を示す図である。
【図１３】図１１の断面の応力解析結果を示す図である。
【図１４】図１１の断面の応力解析結果を示す図である。
【図１５（ａ）】貯蔵実験用容器の平面図である。
【図１５（ｂ）】図１５（ａ）の縦断面図である。
【図１６（ａ）】温度測定位置を示す平面図である。
【図１６（ｂ）】図１６（ａ）の縦断面図である。
【図１７（ａ）】ひずみ測定位置を示す平面図である。
【図１７（ｂ）】図１７（ａ）の縦断面図である。
【図１８】経過時間と温度の推移を示すチャートである。
【図１９】中段部半径方向の温度分布を示すグラフである。
【図２０】経過時間とひずみの変化を示すチャートである。
【図２１】経過時間と温度の変化を示すチャートである。
【図２２】中段部半径方向の温度分布を示すグラフである。
【図２３】経過時間とひずみの変化を示すチャートである。
【図２４】経過時間と緊張力の変化を示すチャートである。
【図２５】ひずみ測定位置と方向を示す型枠の側面図である。
【図２６】型枠のひずみの経時変化を示すチャートである。
【符号の説明】
【００５７】
１０    コンクリートキャスク
１１    セグメント
１２    ＰＣ鋼材
１３    ＰＣ鋼材
１４    鋼製ライナ
１５    コンクリート
１６    セグメント
１７    ＰＣ鋼材
２１    セグメント
２２    ＰＣ鋼材
２３    ピラスタ
３０    合成筒体
３１    鉄筋コンクリート円筒
３２    内周ライナ
３３    クラック
４０    容器
４１    ピース
４３    ＰＣ鋼より線
４５    熱電対
４６    ひずみ計
４７    モールドゲージ
５１    太線の実線
５２    破線
５３    最高温度
５４    細線の実線
５５    破線
５６    最高温度
５７    ２点鎖線
６１    太線の実線
６２    破線
６３    細線の実線
６４    破線
６１、６３    実測値
６２、６４    解析値
７０    試験用容器
７１    鋼管ライナ
７２    コンクリート
７３    蓋
７４    ＰＣ外殻
７５    コンクリート壁
７６    断熱材
８０    容器
８１    鋼管ライナ
８２    ＰＣ型枠
８３    コンクリート壁
８４    ＰＣ鋼材より線
８５    断熱材
８６    温度測定位置
８７    埋込みひずみゲージ
８８    モールドゲージ
９１〜９６    曲線
１０１〜１０８    曲線
１１１〜１１５    曲線
１２１〜１２７    曲線
１３１〜１３９    曲線
１４１〜１４５  曲線
１５１、１５２    曲線
【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（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図８（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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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（ａ）】
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【図１５（ｂ）】
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【図１６（ａ）】
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【図１６（ｂ）】
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【図１７（ａ）】
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【図１７（ｂ）】
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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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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