チタン-炭素鋼 複合オーバーパックの試作

Trial manufacturing of titanium-carbon steel composite overpack

本間 信之*; 千葉 恭彦*; 棚井 憲治 

not registered; not registered; Tanai, Kenji

本報は、高レベル放射性廃棄物の地層処分における、人工バリアを構成する要素の一つであるオーバーパックについて、構造強度層に炭素鋼を、耐食層にチタンを用いたチタン-炭素鋼複合オーバーパックの、現有技術での製作可能性を確認するために、その設計および実規模大での試作を行った結果を報告するものである。設計に当たっては、一般の原子力施設に適用される基準により必要な耐圧厚さを計算した。また有限要素法による解析を実施して、結果の妥当性を確認した。また、オーバーパック内部に収納するガラス固化体から発せられる放射線の遮へいについて計算し、オーバーパック遮へい機能の必要性を検討した。結果、オーバーパックには輸送基準を満足するために必要な遮へい機能は与えず、別途搬送用機器等で遮へいする方式が合理的であることを示した。以上の検討をもとに実規模大での複合オーバーパックの試作を行った。耐食層の材質については、超長期の耐腐食性が期待できるチタン材のうちASTMGrade-2材を選択した。チタン耐食層の施工は、オーバーパック円筒部と平面部に分けて実施した。円筒部については内層である炭素鋼容器に円筒形に成形したチタンの外層を焼きばめ挿入する方式を採用した。また蓋部、底部などの平面部については、チタン板材の爆発圧着法による被覆方法を採用した。本体と蓋の封入溶接については、電子ビーム溶接とMAG溶接とを組み合わせて実施した。いずれの工程においても不具合等は確認されず、チタン-炭素鋼複合オーバーパックの現有技術での製作可能性が確認できた。最後に今回の試作結果をふまえ今後検討されるべき課題をまとめた。

This paper reports the results of design analysis and trial manufacturing of full-scale titanium-carbon steel composite overpacks. The overpack is one of the key components of the engineered barrier system, hence, it is necessary to confirm the applicability of current technique in their manufacture. The required thickness was calculated according to mechanical resistance analysis, based on models used in current nuclear facilities. The Adequacy of the calculated dimensions was confirmed by finite-element methods. To investigate the necessity of a radiation shielding function of the overpack, the irradiation from vitrified waste has been calculated. As a result, it was shown that shielding on handling and transport equipment is a more reasonable and practical approach than to increase thickness of overpack to attain a self-shielding capability. After the above investigation, trial manufacturing of full-scale model of titanium-carbon steel composite overpack has been carried out. For corrosion-resistant material, ASTM Grade-2 titanium was selected. The titanium layer was bonded individually to a cylindrical shell and flat cover plates (top and bottom) made of carbon steel. For the cylindrical shell portion, a cylindrically formed titanium layer was fitted to the inner carbon steel vessel by shrinkage. For the flat cover plates (top and bottom), titanium plate material was coated by explosive bonding. Electron beam welding and gas metal arc welding were combined to weld of the cover plates to the body. No significant failure was evident from inspections of the fabrication process, and the applicability of current technology for manufacturing titanium-carbon steel composite overpack was confirmed. Future research and development items regarding titanium-carbon steel composite overpacks are also discussed.