(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射性物質容器の耐蝕ケースを製作する方法であって、
少なくとも３０ミリメートルの厚みを有する銅または銅合金物質の少なくとも２つの区分を一体に摩擦攪拌溶接することよりなり、
前記耐蝕ケースは、使用時放射性物質を装入させる開口を定め、前記区分の１つは該開口を閉鎖する閉鎖部材を備えており、
前記閉鎖部材と、前記開口を包囲する前記耐蝕ケースの壁とはテーパーされ、該閉鎖部材が、該閉鎖部材を該壁に溶接する前に該耐蝕ケースによって支持されることができる
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記耐蝕ケースのすべての区分を一体に摩擦攪拌溶接することよりなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記閉鎖部材の少なくとも一部は、前記開口を包囲する耐蝕ケースの壁の対応する寸法より大きい横寸法を有して、該閉鎖部材が、該閉鎖部材を該壁に溶接する前にケースにより支持できるようにしてなる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
溶接工程は、前記耐蝕ケースの各区分を不動に維持し、かつ摩擦攪拌溶接具を区分間に定められる接合線に沿って移動することよりなる、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
放射性物質を受け入れる容器を製作する方法において、少なくとも請求項１により開放ケースを製作すること；および放射性物質を保持するための該開放ケース内の構造体を得ることよりなる、方法。
【請求項６】
前記構造体は燃料棒を支持するように適合される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
放射性物質容器の耐蝕ケースであって、
前記耐蝕ケースは、摩擦攪拌溶接されて一体となった、少なくとも３０ミリメートルの厚みを有する銅または銅合金物質の少なくとも２つの区分を有していて、使用時放射性物質を装入させる開口を定め、前記区分の１つは該開口を閉鎖する閉鎖部材を備えており、
前記閉鎖部材と、前記開口を包囲する前記耐蝕ケースの壁とはテーパーされていて、該閉鎖部材が、該閉鎖部材を該壁に溶接する前に該耐蝕ケースによって支持されることができ、該閉鎖部材が該壁に摩擦攪拌溶接される
ことを特徴とする耐蝕ケース。
【請求項８】
放射性物質を受け入れる放射性物質容器であって、該容器は請求項７による耐蝕ケースと、放射性物質を保持するためのケース内の構造体とからなり、該耐蝕ケースは開放して、放射性物質を該構造体内に装入させることよりなる、容器。
【請求項９】
放射性物質を貯蔵する方法であって、請求項８による容器、または請求項５若しくは６により製作された容器、または請求項７による耐蝕ケース若しくは請求項１から４のいずれか１項により製作された耐蝕ケースを有する容器を得ること；放射性物質を開口を介して該容器内に装入すること；および閉鎖部材を開口を横切って溶接して、該放射性物質が該容器内に完全に含有されるようにすること、よりなる方法。
【請求項１０】
前記開口は、装入および溶接工程中、上向きに面する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記閉鎖部材は、前記耐蝕ケースに摩擦攪拌溶接される、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記放射性物質は放射性廃棄物である、請求項９から１１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、放射性物質容器の耐蝕ケース（耐蝕囲い）、およびその製作方法に関する。
【０００２】
原子力発電所等の拡散の増加にともなって、放射性核廃棄物を処理する確実で安全な方法を提供する必要性が高まっている。再処理できない物質はしばしば、数千年以上のかなり長期期間貯蔵されねばならない。最近まで、このような放射性廃棄物を貯蔵する容器は鋼で構成された。鋼容器は、閉鎖部材が容器にアーク溶接される前に廃棄物質が容器内に装入できるように開口を残して一体に溶接される多数の部品で製造される。鋼容器にたいする問題は、時間とともに腐蝕し放射性物質が漏洩するおそれがあることである。
【０００３】
そのため、放射性物質容器にとって最も重要な要件は、深い貯蔵室等典型的な貯蔵施設に存在する環境できわめて長い時間そのままでいることである。このような貯蔵室のロックに存在する地水の腐蝕により浸透してはならない。そのため、少なくとも容器の外壁を定める耐蝕容器を提供することが提案されている。銅および銅合金は、このようなケースにとって適当な材料として認定されている（たとえば、Svensk Karnbranslehantering ABによる１９９６年報、セクション６．２参照）。強力な耐蝕性をうるため、これらケースの壁部はできるだけ厚くする必要があり、典型的な厚みは３０−６０ｍｍの範囲である。
【０００４】
これら厚みのこのような材料はきわめて長期の耐蝕性を有する。しかし、ケースは一体に接合される部分品で製造されねばならない。この接合方法は、接合自身が腐蝕を受けやすい場合に長期耐蝕が著しく減少するので決定的である。所要の厚みの銅および銅合金は、主としてその高融点（１０８３°Ｃ）のため溶接するのがきわめて難しい。これに対処するため、そのためケース材料自身と同様な耐蝕性を有するきわめて高い一体溶接を達成できる、電子ビーム溶接を使用することが提案されている。The Welding Instituteにより開発され、この出願に適する、電子ビーム・システムはＰＣＴ／ＧＢ９８／０２８８２に記載されている。
【０００５】
引張クリープ強さは材料の粒度により影響され、粒度が小さいほど良い。電子ビーム溶接はすでに上記のように良好な耐蝕性を達成しているが、およそミリメートルの寸法を有する比較的大きい粒子を発生できる。そのため、比較的厚い部分品間の強力な溶接をなお達成しつつ溶接材料の性能をさらに改良するようつとめるのが望ましい。
【０００６】
本発明の一局面によると、放射性物質容器の耐蝕ケースを製作する方法は、銅または銅合金材料の少なくとも２つの部分品を一体に摩擦攪拌溶接する。
【０００７】
摩擦攪拌溶接は、電子ビーム溶接に代えて高い一体性耐蝕溶接を達成するために使用できることが分かった。
【０００８】
摩擦攪拌溶接は、工作物材料より硬い材料のプローブを接合域のどちら側でも工作物の接合域と対向部分に進入させ、プローブと加工物間で相対的循環移動（たとえば、回転または往復）をさせることによって、摩擦熱が発生されて対向部分を可塑化状態にさせ；接合域方向に加工物とプローブ間の相対的並進を任意的にさせ；プローブを除去し；可塑化部分を強化し加工物を一体に接合させる、方法である。摩擦攪拌溶接の例は、ＥＰ−Ｂ−０６１５４８０およびＷＯ９５／２６２５４に記載されている。
【０００９】
摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）は、アルミニュウム等薄くて軽い合金を溶接する方法として開発されており、今まで、この技術を特に銅および銅合金等、かなり厚い材料を溶接するため使用できると考えられなかったのは、これら材料はその高い融点と高い熱伝導性のため溶接することが困難であることが公知であるからである。しかし、驚くことに、ＦＳＷは、厚い銅および銅合金材料を溶接するのに使用できることが分かった。温度は７００−９００°Ｃに達するにすぎないが、ＦＳＷは固相技術だから良好な溶接となる。さらにまた、結果としての溶接は、電子ビーム溶接を使用して達成できるよりも小さい粒度を有する。これは、ＦＳＷ方法が粒子を形成時に粉砕し、また粒子を早期に冷却させて有意に成長する機会を少なくする。その結果、およそミクロンの粒度が得られる。また試験では、結果としての溶接はその引張強さが母材と実質的に同じであることを示している。ＦＳＷはまた、一般に、嵩張りそのため重くて、電子ビーム溶接に適用が難しい、耐蝕ケースを製作させる。典型的核廃棄物容器は２５トンまでの重みがある。
【００１０】
摩擦攪拌溶接は、比較的容易に多様の溶接配向を受容する一方、電子ビーム溶接と比較して接合作成にかなりの許容差を有する。
【００１１】
摩擦攪拌溶接は、ケースのいくつか、またはすべての部分品を溶接するのに使用される。たとえば、典型的なケースは、円筒形であり、２つの半円筒形半部分から、ベースと各端部の閉鎖部材と一緒に製造される。２つの半円筒形半部分は、ベースと電子ビーム溶接により溶接される一方、閉鎖部材は摩擦攪拌溶接される。これにより両溶接方法の利益が得られる一方、開口を上向きに面してケースを配向させて、この場合、閉鎖部材は、摩擦攪拌溶接を使用して電子ビーム溶接よりも容易に溶接できる。
【００１２】
好ましくは、溶接工程は、ケースの部分品を不動に維持すること、および摩擦攪拌溶接具を部分品間で定める接続線の沿って移動することからなる。しかし、他の場合には、この工具は不動にし、部分品を移動してもよい。
【００１３】
ケースは通常、放射性物質を装入する目的で、上向きに面する開口とともに配向され、一例において、閉鎖部材および、開口を包囲するケースの壁はテーパーされて、閉鎖部材が、閉鎖部材を壁に溶接する前に、ケースにより支持できるようになっている。第二例において、閉鎖部材の少なくとも一部は、開口を包囲するケースの壁の対応寸法よりも大きい横寸法を有して、閉鎖部材は、壁に溶接する前にケースにより支持できるようになっている。
【００１４】
耐蝕材料は銅または銅合金で、好ましい材料は名目的に純銅である。
【００１５】
ケースは、放射性物質容器自身を定めるためある状況で使用されるが、典型的に、特に、容器が地中深く埋設される場合には、容器は、放射性物質を保持するためケース内に構造体を設けて製作される。これは、深みで作用する圧力に反応するように鋼構造体でよく、典型的に、最も一般的な形式の被貯蔵放射性物質である、燃料棒を支持するように適合される。
【００１６】
典型的な貯蔵方法において、発明によるケースに、放射性物質が装入され；閉鎖部材が開口を横切って溶接されて、放射性物質が容器内に完全に含有されるようになっている。典型的には、開口は、必須ではないが、装入および溶接工程中、上向きに面する。
【００１７】
ケースは、円筒形であるが、方形等他の管状横断面が可能である。
【００１８】
次に、本発明によるいくつかの方法例を添付図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、各長さが約５ｍで厚みが３０−６０ｍｍ範囲の、２つの半円筒形の銅又は銅合金構成要素を略示する。２つの構成要素は、１対の接合線３，４を定めるように重ねて水平に置かれる。ついで構成要素１，２は、回転摩擦攪拌溶接具５をそれぞれ接合線３，４内に挿入し、工具を矢印６により示すように接合線に沿って並進することにより一体に溶接される。工具５は、モーター７と工具５を方向６に横切る、（図示せざる）支持ガントリに取り付けられる、駆動モーター７に取り付けられる。
【００２０】
今述べた溶接作動後に、円筒形壁は、耐蝕ケースの主体を形成することになる。ついで、ケースの一端は、３０−６０ｍｍの厚みを有する銅又は銅合金端壁部材８（図２）により閉鎖される。端壁部材８は円筒形壁の一端内に水平に挿入され、円筒形壁との環状接合線９を定める。ついで、端壁部材８は、摩擦攪拌溶接具５を接合線９内に挿入し、接合線周りを並進させることにより容器に溶接される。
【００２１】
端壁部材８を固定後、開放端付ケースは図３に示すように垂直に配向された後、鋼支持構造体１０が壁１２により定められる上開口１１を介しケース内に装入される。鋼支持構造体１０は、使用済み燃料棒１４が開口１１を介し固定状態で装入される縦方向に延びる縦孔１３配列を含む。残余のスペースには不活性ガスが充満され、その後開口１１は３０−６０ｍｍの厚みを有する銅合金閉鎖部材１５により閉鎖される。閉鎖部材１５を所定位置に位置決めするために、壁１２が図３に示すように内方にテーパーされ、閉鎖部材１５の対応外面１６は対応テーパーを有する。図３は、閉鎖部材１５が壁１２に設置される直前の構成部品を示す。その設置後、回転摩擦攪拌溶接具５は、表面１２，１６により定まる接合線内に挿入され、その接合線周りに並進されて閉鎖部材１５を円筒形ケースの残部に摩擦攪拌溶接されるようになっている。
【００２２】
記載例において、摩擦攪拌溶接具５は、接合線周りに並進されるが、工具５が（その軸線を中心に回転しながら）不動に維持され、接合線自身が移動される、別の構成が可能である。なお、また、この例において、すべての接合部は摩擦攪拌溶接を用いて溶接されているが、それに代えて前述のように電子ビーム溶接を用いて溶接されるのもある。
【００２３】
図４は、第二例を示す。この例において、２つの半円筒形半部分１，２は再び図１に示すように一体に溶接されるが、この場合、ベース部材２０は、円筒形ケースの内寸をこえて延びて、摩擦攪拌または電子ビーム溶接される接合線２１を定める横寸法を有する。加えて、この例において、閉鎖部材２１は、再び接合線２２に沿って摩擦溶接されるベース部材２０と同様な形態を有する。なお、図３と図４における異なる形式のベースおよび閉鎖部材は、必要により互換および混合できる。
【００２４】
この発明の成果を示すため、種々の溶接が銅合金間で行われ、これらの溶接が試験され吟味されている。図５は、市販の純で高い導電性銅２片間の摩擦攪拌溶接による硬度値の変動を示す。溶接域は図５に示されており（約２５−７５ｍｍ）、溶接による硬度値（ＨＶ）は、いずれの側においても母材の硬度値と実質的に変わらない。
【００２５】
第二例において、溶接材料の引張強さを試験した。この例において、１０ｍｍ厚みの摩擦攪拌溶接銅板を試験し、２８０Ｎ／ｍｍ２の元の１０ｍｍ厚み板の引張強さと有利に比較する、約２２４Ｎ／ｍｍ２の引張強さを有することが分かった。さらにまた、この引張強さは、溶接の長さについてきわめて安定していることが分かった。
【００２６】
種々の試験例における摩擦攪拌試験もまた、粒度を見るため顕微鏡レベルで吟味されている。図６ａに示す例は、２５ｍｍ厚みの摩擦攪拌溶接銅板のマクロ写真を示す。マクロ写真は、スケッチ６ｄにおいて明確化のため認められる、異なる粒子構造の４つの主領域を明示する。領域Ｘは、溶接手順により影響されない、銅板の領域である。領域１は、溶接により発生される熱が粒子構造のわずかな変形を生ずる、熱影響帯域である。領域２，３および５は、構造がいくつかの再結晶化区域とともに可塑的に変形される、熱機械影響領域である。最後に、領域４は動的再結晶化材の領域である。
【００２７】
領域１および領域２の再結晶化部分の例が、それぞれ図６ｂおよび６ｃに大きい倍率で示されている。各図の比較すると、どのようにして領域２の粒子構造の再結晶化が増大粒度となるかを明示する。今までに得られた溶接は、およそ１８０−３６０μｍの好ましい粒度ときわめて有利に比較する、およそ８０−６００μｍの好ましい粒度を示した。これらの値は、元の板値１８０−３６０μｍから４ｍｍに変化する、電子ビーム溶接を用いて典型的に見いだされる値と比較すべきである。
【００２８】
溶接具５として多様な工具が使用でき、いくつかの例が図７ａ〜図７ｄおよび図８に示されている。
【００２９】
図７ａ〜図７ｄおよび図８に示す工具は、肩部３１と（標準時計方向工具回転の）左ネジを有する工具ピン３２とからなる。
【００３０】
図７ａに示す工具は、楕円横断面のピンを有し、一方図７ｂに示す工具は、パドル横断面をさだめるように対向平坦部３４を備える。図７ｃは図７ｂに示すものの変形であり、平坦部３４が再入口機構に代えられている。図７ｄに示す工具は、ネジが漸次変化するピッチと角度を有することを除き図７ａに示す工具と同様である。
【００３１】
図８に示す工具は、その側面に加工される１対の平坦部３３を有する。しかし、ピン３２の横断面は、円形、または楕円もしくは平坦にすることによってプローブ変位量はその回転量より少なくして、可塑化材料が容易に流れ得るようにする。
【００３２】
作動において、一体ピン３２と肩部３１との組立体は、肩部３１が加工物面に浸透するまで、回転して加工物間の接合部内に押し込まれる。ピン３２がまず押し込まれると、その周りの隣接金属は、ピン３２先端の下の小領域とともに摩擦加熱される。浸透深さは、工具により肩部３１の下のピン３２の長さにより制御される。
【００３３】
一度、支持体の上面と接触すると、肩部は付加的摩擦熱を溶接域に加える。加えて、多様のプロフィールに加工されて改善された結合を得る、接触肩部３１は、高度に可塑化された材料が溶接域から放出されないよう補助する。
【００３４】
回転工具３１，３２が完全に押し込まれると、熱機械的に軟化された材料は全工具形状寸法に相当する形状となる。熱影響帯域は、肩部３１に接触し、ピン３２の直径が大きくなるに伴いテーパー・ダウンする、上面で廣い。
【００３５】
ピン３２および肩部３１からの結合摩擦加熱により、浸せきプローブ周りおよび加工物面に高度に可塑化された“第三体”状態を創成する。可塑化材料は、可塑化材料の工具周りの流れを補助して、回転工具が接合部に沿って移動するに伴い静水硬化を付与する。ついで、可塑化溶接材料は、工具が移動して離れるに伴い工具の後で合体する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ケースの円筒形壁の製作を示す図である。
【図２】  円筒形壁に溶接される端壁部材を示す図である。
【図３】  閉鎖部材と、溶接直前であって、放射性廃棄物が容器に装入された後の、図２のケースとを示す図である。
【図４】  図３と同様であるが、放射性廃棄物容器の異なる例を示す図である。
【図５】  溶接にわたる硬さ値の変化をグラフ状に示す図である。
【図６ａ】  溶接の一例の横断面のマクロ写真である。
【図６ｂ】  図６ａのマクロ写真の部分を詳細に示す図である。
【図６ｃ】  図６ａのマクロ写真の部分を詳細に示す図である。
【図６ｄ】  溶接の種々領域を確認する図６ａのマクロ写真のスケッチである。
【図７ａ】  図１から図４に示す例に使用される、側面と端部からの摩擦攪拌溶接具の例を示す図である。
【図７ｂ】  図１から図４に示す例に使用される、側面と端部からの摩擦攪拌溶接具の例を示す図である。
【図７ｃ】  図１から図４に示す例に使用される、側面と端部からの摩擦攪拌溶接具の例を示す図である。
【図７ｄ】  図１から図４に示す例に使用される、側面と端部からの摩擦攪拌溶接具の例を示す図である。
【図８】  図６ａに示す溶接を得るのに使用される特別な工具の詳細を示し、線図は測定するものではなく、また寸法はｍｍで示している。
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８】
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