JP4743532B2 - 中性子吸収材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステンレス合金にホウ素を均質な状態で添加して所定形状に成形した中性子吸収材及びその製造方法に関し、ホウ素をより多く且つ均質に添加できるように工夫したものである。

従来より、質量数１０のホウ素Ｂ^１０を添加したステンレスからなる中性子吸収材が知られている。このような材料ではホウ素Ｂ^１０が中性子を吸収するからできるだけ多くのホウ素Ｂ^１０を添加するのが好ましいが、ステンレス中に均質にホウ素を添加する限界は２．２重量％程度である。よって、従来においては、質量数１１のホウ素Ｂ^１１を８０％程度含有する天然のホウ素からホウ素Ｂ^１０を濃縮した後、ステンレスに添加してホウ素Ｂ^１０が２．２重量％以下の中性子吸収材が用いられており、これが限界とされている。

ここで、中性子吸収材を、例えば、使用済み核燃料のプールのラックに用いる場合、耐震などの強度特性を有することは勿論、中性子吸収性能が高ければ高いほど安全性が向上し、また、同じ安全性を確保することを条件とすると、中性子吸収性能が高い材料を用いれば小型化、薄肉化が可能となるので、中性子吸収性能が向上した中性子吸収材が望まれている。なお、従来技術においてホウ素を限界以上に添加しても、偏析してしまうので、脆くなり圧延などの加工が困難で、且つホウ素Ｂ^１０が偏在するため部材中で均一な中性子吸収性能が得られず、安全性が低下する。

上述した事情に鑑み、さらに中性子吸収性能が向上した中性子吸収材及びその製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために検討を重ねた結果、本出願人が先に出願した微粒子の製造方法を所定の条件下で用いれば、母材に機能性添加剤を所望の添加量で含有させることができることを知見し、本発明を完成させた。

かかる本発明の第１の態様は、ステンレス合金に質量数１０のホウ素Ｂ^１０を含むホウ素を添加してなる中性子吸収材であって、前記ホウ素及び前記ステンレス合金を含む原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に供給して蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化することにより得た均質な微粒子を原料とし、固化してなるものであり、前記ホウ素が非晶質状態で含有されていることを特徴とする中性子吸収材にある。

かかる第１の態様では、ホウ素とステンレス合金とを含む原料の溶融材料を液体冷媒中に供給して蒸気爆発により微粒化することにより、ステンレス合金中にホウ素が非晶質状態で含有されているので、均質に存在し、中性子吸収能力の均質性が確保される。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の中性子吸収材において、前記均質な微粒子と共に、前記ステンレス合金の微粒子を原料として用いて圧縮成形や焼結などで固化してなるものであることを特徴とする中性子吸収材にある。

かかる第２の態様は、非晶質状態で均質にホウ素を含有する微粒子を圧縮成形や焼結などで固化することにより、ホウ素を非晶質状態で均質に含有する中性子吸収材を得ることができる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様に記載の中性子吸収材において、前記ホウ素Ｂ^１０が２．２重量％を越えて含有されていることを特徴とする中性子吸収材にある。

かかる第３の態様では、通常の溶解法ではステンレス鋼の２．２重量％を越えると圧延などの加工が困難であるが、非晶質のホウ素Ｂ^１０であるので２．２重量％を越えて含有させることができる。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様に記載の中性子吸収材において、前記ホウ素として天然ホウ素又はホウ素Ｂ ^１０ を濃縮してホウ素Ｂ ^１０ の濃度を高めた濃縮ホウ素が含有されていることを特徴とする中性子吸収材にある。

かかる第４の態様では、例えば、天然に存在するホウ素を原料とすると、ホウ素Ｂ^１０が１８〜１９重量％含有されているので、これを１０〜１１重量％含有させると、ホウ素Ｂ^１０は２．２重量％を越えて含有させることができる。

本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様に記載の中性子吸収材において、前記ホウ素が４重量％以上含有されていることを特徴とする中性子吸収材にある。

かかる第５の態様では、従来には均質には含有させることができなかった４重量％以上のホウ素が含有された中性子吸収材となる。

本発明の第６の態様は、ホウ素及びステンレス合金を含む原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に供給し、蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化することにより均質な微粒子とし、これを原料として用いて圧縮成形や焼結などで固化して中性子吸収材とすることを特徴とする中性子吸収材の製造方法にある。

かかる第６の態様では、ホウ素とステンレス合金とを含む原料の溶融材料を液体冷媒中に供給して蒸気爆発により微粒化することにより、ステンレス合金中にホウ素が非晶質状態で存在し、ホウ素は各微粒子中に均質に存在する中性子吸収材とすることができる。

本発明の第７の態様は、第６の態様に記載の中性子吸収材の製造方法において、前記均質な微粒子中に、ホウ素が非晶質状態で含有されていることを特徴とする中性子吸収材の製造方法にある。

かかる第７の態様では、微粒子はステンレス合金中にホウ素が非晶質状態で存在するものとなる。

本発明の第８の態様は、第６又は７の態様に記載の中性子吸収材の製造方法において、前記均質な微粒子にステンレス合金の微粒子を混合して原料として用いて圧縮成形や焼結などで固化して中性子吸収材とすることを特徴とする中性子吸収材の製造方法にある。

かかる第８の態様では、ステンレス合金中に均質にホウ素が含有された微粒子をステンレス合金の微粒子と混合するので、均一に混合され、圧縮成形や焼結などで固化した中性子吸収材はホウ素が均質に存在するものとなる。

本発明の第９の態様は、第６〜８の何れかの態様に記載の中性子吸収材の製造方法において、前記均質な微粒子を得る際に冷却速度を所定の範囲に制御することを特徴とする中性子吸収材の製造方法にある。

かかる第９の態様では、蒸気爆発により微粒子を得る際には冷却速度を適宜制御することにより、ステンレス合金中にホウ素が均質に存在する均質な微粒子を得ることができる。

本発明の中性子吸収材は、ステンレス合金からなり、ホウ素が非晶質状態で含有されたものである。

ここで、母材としてのステンレス合金は、従来の中性子吸収材として用いられているステンレス合金を用いればよく、例えば、ＳＵＳ３０４（Ｌ）、ＳＵＳ３１６（Ｌ）などを挙げることができる。

一方、ホウ素は、質量数１０のホウ素Ｂ^１０及び質量数１１のホウ素Ｂ^１１を含む天然に存在するホウ素でもよいし、天然に存在するホウ素からホウ素Ｂ^１０を濃縮してホウ素Ｂ^１０の濃度を高めたものでもよく、ほとんどがホウ素Ｂ^１０であってもよい。

本発明の中性子吸収材は、ホウ素及びステンレス合金を含む原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に供給して蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化することにより得た均質な微粒子を原料とし、圧縮成形や焼結などで固化してなるものであるから、従来よりも高濃度で、例えば、従来において上限の２．２重量％を越えて、好ましくは４重量％以上、さらに好ましくは５重量％以上のホウ素を含有させることができ、ホウ素として１１重量％まで含有させることが可能である。

天然由来のホウ素をそのまま使用したとしても、５重量％含有させると、ホウ素Ｂ^１０を１重量％程度、１０重量％含有させると、ホウ素Ｂ^１０を２重量％程度含有させることになり、従来と同程度の中性子吸収性能を有するものとすることができる。この場合、従来と比較すると、ホウ素Ｂ^１０を濃縮する必要がないので、低コスト化を図ることができるという利点がある。

一方、従来と同様にホウ素Ｂ^１０を濃縮したものを使用すると、ホウ素Ｂ^１０を偏析がない状態で高濃度、例えば、２．２重量％〜１１重量％程度含有させることができるので、従来にはない中性子吸収性能を有する中性子吸収材とすることができる。この場合、例えば、使用済み核燃料のプールのラックに用いる場合、安全性を著しく向上させることができ、また、同じ安全性を確保することを条件とすると、ラックの小型化、薄肉化が可能となるので著しい省スペース化を図ることができるという利点がある。

本発明の中性子吸収材を製造するためには、まず、ホウ素及びステンレス合金を含む原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に供給して蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化することにより、均質な微粒子を得る。

かかる工程では、ＷＯ０１／８１０３３公報、ＷＯ０１／８１０３２公報及びＷＯ／２００４／０７６０５０公報に開示された微粒子の製造方法を応用すればよいが、本発明でポイントとなるのは、ステンレス合金とホウ素とを混合した原料を溶融した溶融材料を用い、これらの組み合わせに最適な冷却速度を設定して微粒化することにより、均質な微粒子を得ることである。ここで、均質とは、ホウ素が偏析せず、均一に母材に含有されている状態をいう。なお、このように製造された微粒子において、ホウ素は均質に存在するだけでなく、均質に固溶し、粒子全体が非晶質状態として存在することとなる。

また、本発明においてこのような偏析のない均質な微粒子を得るためには、ステンレス合金とホウ素との共融点近傍の組成で両者を混合し、所定の冷却速度により微粒化することで、比較的容易に均質な微粒子を得ることができる。

また、このような微粒子は、均質な中性子吸収材を得るためには所定の粒径とするのが好ましく、例えば、平均粒径が、１〜１００μｍであるのが好ましい。これより大きいと、その後、ステンレス合金微粒子との混合において均一に混合されない虞があり、一方、これより小さいと、取り扱いが困難となるからである。また、ステンレス合金と混合して圧縮成形などにより固化する場合には、両者の粒径が近いのが好ましい。これは両粉末の混合を均一に行うためである。

このように得たステンレス合金とホウ素とからなる均質な微粒子とステンレス合金の微粒子とを原料として両者を均一に混合し、圧縮成形や焼結などで固化して中性子吸収材とする。ここで、ステンレス合金中にホウ素が均質に存在する微粒子をステンレス合金の微粒子と混合するので、結果的にホウ素が均質に存在することとなり、偏析状態とはならず、例えば、従来において上限の２．２重量％を越えて、好ましくは４重量％以上、さらに好ましくは５重量％以上のホウ素を含有させることができ、ホウ素として１１重量％まで含有させることが可能である。また、粉末状態で圧縮成形、焼結などにより固化するだけなので、ホウ素は非晶質状態のまま中性子吸収材中に存在することとなる。

なお、本発明において固化とは、粉末状体を維持したまま、すなわち、溶解させないで粉末同士を直接密着させ、もしくはバインダーを介して密着させてバルク材を形成することをいい、例えば、圧縮成形、焼結、あるいは圧縮成形して焼結することであり、さらには、メカニカルアロイング、バインダーを用いた固定も含むものである。

このように本発明によると、天然由来のホウ素をそのまま、又は低濃縮で使用したとしても、１０重量％含有させると、ホウ素Ｂ^１０が２．２重量％を越えて含有させることになり、従来と同程度の中性子吸収性能を有するものとすることができる。この場合、従来と比較すると、ホウ素Ｂ^１０を濃縮する必要がないので、低コスト化を図ることができるという利点がある。

一方、従来と同様にホウ素Ｂ^１０を濃縮したものを使用すると、ホウ素Ｂ^１０を偏析がない状態で高濃度、例えば、２．２重量％〜１１重量％程度含有させることができるので、従来にはない中性子吸収性能を有する中性子吸収材とすることができる。この場合、例えば、使用済み核燃料のプールのラックに用いる場合、安全性を著しく向上させることができ、また、同じ安全性を確保することを条件とすると、ラックの小型化、薄肉化が可能となるので著しい省スペース化を図ることができるという利点がある。

勿論、ステンレス合金とホウ素とからなる均質な微粒子のみを圧縮成形や焼結などで固化して中性子吸収材としてもよく、この場合には、さらにホウ素Ｂ^１０を偏析がない状態で高濃度に含有させることができる。

（実施例）
母材としてのＳＵＳ３０４（Ｆｅ_７４Ｃｒ_１８Ｎｉ_８）とＦｅ−Ｂとをホウ素が４重量％となるように溶融混合し（Ｆｅ_７７Ｃｒ_１３Ｎｉ_６Ｂ_４）、この溶融原料をノズルから、流量０．８ｋｇ／ｍｉｎで、水流（水温４℃、流量１１０Ｌ／ｍｉｎ）中に滴下し、急冷・微粒化した。

得られた機能性微粒子は異形であるが、日機装社マイクロトラックにて計測した粒径Ｄ_５０は約３０μｍであった。なお、出湯後の坩堝を確認し、全量出湯していることから、機能性微粒子の組成はＦｅ_７７Ｃｒ_１３Ｎｉ_６Ｂ_４となる。

また、同様に、ＳＵＳ３０４とＦｅ−Ｂとを、ホウ素がそれぞれ１重量％、２．５重量％、５．５重量％、７重量％となるように混合し、同様に機能性微粒子を得た。

これらの機能性微粒子のＸ線回折結果を図１に示す。また、図１には、ホウ素を７重量％含有する機能性微粒子を１０００℃で２時間アニールした後のＸ線回折結果を併せて示した。

この結果、各機能性微粒子中のホウ素は非晶質状態であることがわかった。なお、１重量％と７重量％の機能性微粒子ではα−Ｆｅのピークが多少検出されるが、４重量％では全く検出されないことから、４重量％にて最も非晶質化し易い傾向にあり、１重量％及び７重量％では多少の結晶性が見られるとも判断できる。しなしながら、７重量％の機能性微粒子をアニールした後にはα−Ｆｅが大きくなったというＸ線回折結果と併せて判断すると、１重量％及び７重量％の機能性微粒子でもホウ素は非晶質であることがわかる。また、これらのＸ線回折結果から粒径が小さいために結晶が非晶質と観測されたものではないことが明らかとなった。

なお、示唆熱分析とＸ線回折の結果、α相のＦｅが初晶として析出し、さらに高温でアニールすると、Ｆｅ_２Ｂなどのピークが現れることがわかっており、上述したＸ線回折結果にはＦｅ−Ｂのピークが出ていないので、ホウ素は非晶質状態で存在していると判断できる。

各実施例で得た機能性微粒子はＳＵＳ微粒子と類似の性質を有していることから、ＳＵＳ微粒子と均質に混合することができるので、粉末状態で混合し、圧縮成形や焼結などで固化することにより、非晶質状態のホウ素を均質に含有するＳＵＳ合金の中性子吸収材を得ることができる。この際、ホウ素を従来以上高濃度に均質に含有させることができるので、従来と同様に濃縮したホウ素Ｂ^１０を用いると、従来より高濃度にホウ素Ｂ^１０を均質に含有する中性子吸収材を得ることができ、また、天然由来のホウ素をそのまま使用しても、本手法により高濃度に偏析無く固溶させることができる。例えばホウ素Ｂ^１０は天然存在比１８〜１９重量％として得られるが、１０重量％を偏析無く溶解させることにより、Ｂ^１０を２．２重量％存在する材料を製造できるため、濃縮するコストを削減できる利点がある。

本発明の実施例のＸ線回折結果を示す図である。

Claims (9)

1. ステンレス合金に質量数１０のホウ素Ｂ^１０を含むホウ素を添加してなる中性子吸収材であって、
   前記ホウ素及び前記ステンレス合金を含む原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に供給して蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化することにより得た均質な微粒子を原料とし、固化してなるものであり、前記ホウ素が非晶質状態で含有されていることを特徴とする中性子吸収材。
2. 請求項１に記載の中性子吸収材において、前記均質な微粒子と共に、前記ステンレス合金の微粒子を原料として用いて固化してなるものであることを特徴とする中性子吸収材。
3. 請求項１又は２に記載の中性子吸収材において、前記ホウ素Ｂ^１０が２．２重量％を越えて含有されていることを特徴とする中性子吸収材。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の中性子吸収材において、前記ホウ素として天然ホウ素又はホウ素Ｂ ^１０ を濃縮してホウ素Ｂ ^１０ の濃度を高めた濃縮ホウ素が含有されていることを特徴とする中性子吸収材。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の中性子吸収材において、前記ホウ素が４重量％以上含有されていることを特徴とする中性子吸収材。
6. ホウ素及びステンレス合金を含む原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に供給し、蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化することにより均質な微粒子とし、これを原料として用いて固化して中性子吸収材とすることを特徴とする中性子吸収材の製造方法。
7. 請求項６に記載の中性子吸収材の製造方法において、前記均質な微粒子中に、ホウ素が非晶質状態で含有されていることを特徴とする中性子吸収材の製造方法。
8. 請求項６又は７に記載の中性子吸収材の製造方法において、前記均質な微粒子にステンレス合金の微粒子を混合して原料として用いて固化して中性子吸収材とすることを特徴とする中性子吸収材の製造方法。
9. 請求項６〜８の何れかに記載の中性子吸収材の製造方法において、前記均質な微粒子を得る際に冷却速度を所定の範囲に制御することを特徴とする中性子吸収材の製造方法。
   

Images