(57)【要約】【課題】容易に製造できてホウ素の濃度を高めることができる構造材の製造方法とその構造材を提供する。【解決手段】使用済み核燃料を保管するための保管具に利用されて、構造材本体２と、該構造材本体２の表面２ａに形成され中性子を吸収する中性子吸収層３とを備える構造材の製造方法であって、構造材本体２を準備する工程と、構造材本体２の表面２ａに、炭化ホウ素の粉体（第１粉体）と、アルミニウムの粉体（第２粉体）とを混合した溶射材を溶射して、または、中性子を吸収する炭化ホウ素の粉体（第１粉体）とアルミニウムの粉体（第２粉体）とを相互に溶射し積層して中性子吸収層３を形成する工程とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用済み核燃料を保管するための保管具に利用されて、構造材本体と、該構造材本体の表面に形成され中性子を吸収する中性子吸収層とを備える構造材の製造方法であって、
前記構造材本体を準備する工程と、
前記構造材本体の表面に、中性子を吸収する材料からなる第１粉体と、該第１粉体を前記構造材本体の表面に接合するための材料からなる第２粉体とを前記構造材本体の表面に溶射して前記中性子吸収層を形成する工程とを備えることを特徴とする構造材の製造方法。
【請求項２】
使用済み核燃料を保管するための保管具に利用されて、構造材本体と、該構造材本体の表面に板部材を介して形成され中性子を吸収する中性子吸収層とを備える構造材の製造方法であって、
前記構造材本体を準備する工程と、
中性子を吸収する材料からなる第１粉体と、該第１粉体を前記板部材の表面に接合するための材料からなる第２粉体とを前記板部材に溶射して前記中性子吸収層を形成する工程と、
前記構造材本体の表面に前記板部材を接合して前記構造材本体と前記中性子吸収層とを一体化させる工程とを備えることを特徴とする構造材の製造方法。
【請求項３】
前記中性子吸収層を形成する工程では、前記構造材本体の表面または前記板部材の表面に、前記第１粉体と前記第２粉体とを混合した溶射材を溶射して前記中性子吸収層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の構造材の製造方法。
【請求項４】
前記中性子吸収層を形成する工程では、前記構造材本体の表面または前記板部材の表面に、前記第１粉体と前記第２粉体とを相互に溶射して積層し前記中性子吸収層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の構造材の製造方法。
【請求項５】
使用済み核燃料を保管するための保管具に利用されて、構造材本体と、該構造材本体の表面に設けられて溶射により形成された中性子を吸収する中性子吸収層とを備えることを特徴とする構造材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用済み核燃料を保管するための保管具に利用される構造材の製造方法およびその構造材に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所では、使用済み核燃料をプールの水中にて湿式保管したり、不活性ガスが充填されたキャスク内にて乾式保管したりしている。
湿式保管では、使用済み核燃料をラックセルといわれる保管具に保管し、このラックセルをプール内に貯蔵している（例えば、特許文献１および２参照）。
また、乾式保管では、使用済み核燃料をバスケットといわれる保管具に保管し、このバスケットをキャスク内に貯蔵している。
【０００３】
これらの保管具を構成する材料の中には、使用済み核燃料の臨界反応を制御するために中性子を吸収する材料が含まれている。
このような材料としては、例えば、ボロンステンレス鋼やボロン添加アルミニウム合金などのホウ素又はホウ素化合物が添加された構造材が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２３６６９０号公報
【特許文献２】特開昭６１−１１４１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ホウ素又はホウ素化合物が添加された構造材は、ホウ素の濃度が高くなると、中性子吸収能は向上するが、ホウ素の硬度が高いため、構造材の加工性が低下するという問題がある。特に、ホウ素の濃度が高くなると、構造材の曲げ強度が低下するため、曲げ加工、押出成形による加工など加工性及び成形性が低下する。これにより、ホウ素の濃度が高い構造材の製造は困難である。
また、ホウ素が添加された構造材の製造においては、構造材にホウ素を均一に分散させることが難しいため、構造材中のホウ素が偏析しやすいという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、容易に製造できてホウ素の濃度を高めることができる構造材の製造方法とその構造材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る構造材の製造方法は、使用済み核燃料を保管するための保管具に利用されて、構造材本体と、該構造材本体の表面に形成され中性子を吸収する中性子吸収層とを備える構造材の製造方法であって、前記構造材本体を準備する工程と、前記構造材本体の表面に、中性子を吸収する材料からなる第１粉体と、該第１粉体を前記構造材本体の表面に接合するための材料からなる第２粉体とを溶射して前記中性子吸収層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、構造材本体の表面に、中性子を吸収する材料からなる第１粉体と、該第１粉体を構造材本体の表面に接合するための材料からなる第２粉体とを溶射することにより、第１粉体の濃度が高い場合でも、第１粉体が第２粉体とともに構造材本体の表面に接合されるため、第１粉体の濃度が高い中性子吸収層を備える構造材を製造することができる。
また、溶射により中性子吸収層が形成されるため、中性子吸収層において第１粉体を均一に分散させることができる。
さらに、第１粉体の濃度が高いことにより、構造材の小型化を図ることができる。
【０００９】
また、本発明に係る構造材の製造方法は、使用済み核燃料を保管するための保管具に利用されて、構造材本体と、該構造材本体の表面に板部材を介して形成され中性子を吸収する中性子吸収層とを備える構造材の製造方法であって、前記構造材本体を準備する工程と、中性子を吸収する材料からなる第１粉体と、該第１粉体を前記構造材本体の表面に接合するための材料からなる第２粉体とを前記板部材に溶射して該板部材の表面に前記中性子吸収層を形成する工程と、前記構造材本体の表面に前記板部材を接合して前記構造材本体と前記中性子吸収層とを一体化させる工程とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明では、板部材の表面に、中性子を吸収する材料からなる第１粉体と、該第１粉体を構造材本体の表面に接合するための材料からなる第２粉体とを溶射することにより、第１粉体の濃度が高い場合でも、第１粉体が第２粉体とともに板部材の表面に接合されるため、第１粉体の濃度が高い中性子吸収層を備える構造材を製造することができる。
また、溶射により中性子吸収層が形成されるため、中性子吸収層において第１粉体を均一に分散させることができる。  
さらに、第１粉体の濃度が高いことにより、構造材の小型化を図ることができる。
また、中性子吸収層を板部材に形成し、構造材本体の表面にこの板部材を接合して構造材本体と中性子吸収層とを一体化させるため、構造材本体に溶射による熱の影響がない。
【００１１】
また、本発明に係る構造材の製造方法は、前記中性子吸収層を形成する工程では、前記構造材本体の表面または前記板部材の表面に、前記第１粉体と前記第２粉体とを混合した溶射材を溶射して前記中性子吸収層を形成してもよい。
また、本発明に係る構造材の製造方法は、前記中性子吸収層を形成する工程では、前記構造材本体の表面または前記板部材の表面に、前記第１粉体と前記第２粉体とを相互に溶射して積層し前記中性子吸収層を形成してもよい。
このようにすることにより、第１粉体の濃度が高い場合でも、第１粉体を第２粉体とともに構造材本体の表面または板部材の表面に確実に接合させることができるとともに、中性子吸収層において第１粉体をより均一に分散させることができる。  
【００１２】
また、本発明に係る構造材は、使用済み核燃料を保管するための保管具に利用されて、構造材本体と、該構造材本体の表面に設けられた溶射により形成された中性子を吸収する中性子吸収層とを備えることを特徴とする。
本発明では、溶射により中性子吸収層が形成されていることにより、中性子吸収層が均一に形成されるため、構造材の品質を安定させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、中性子吸収層において第１粉体を均一に分散させることができるとともに、中性子吸収層における第１粉体の濃度を高くすることができため、構造材による使用済み核燃料の臨界反応を効率的に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態による構造材の一例を示す図で（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ方向矢視図である。
【図２】（ａ）は、本発明の第２実施形態による構造材の一例を示す図で（ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｂ）は、（ａ）のＤ方向矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による構造材および構造材の製造方法について、図１に基づいて説明する。
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、第１実施形態による構造材１Ａは、使用済み核燃料が収納されるラックセルやバスケットを構成するもので、角筒状の構造材本体２と、構造材本体２の表面２ａに形成され使用済み核燃料の中性子を吸収する中性子吸収層３とを備えている。
【００１６】
構造材本体２は、ステンレス鋼やアルミニウム又はアルミニウム合金などを加工して形成されていて、所定の強度を備えている。
中性子吸収層３は、ホウ素が含まれていて、中性子を吸収する炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）の粉体（第１粉体）と、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）の粉体を構造材本体２の表面２ａに接合するためアルミニウムの粉体（第２粉体）とを混合した溶射材が構造材本体２の表面２ａに溶射されて形成されている。
【００１７】
ここで、炭化ホウ素は硬度が高く延性が低いため、延性が高く粘着性のあるアルミニウムと混合することで、炭化ホウ素含む中性子吸収層３を形成している。そして、この中性子吸収層３は、強度が低いため、構造材本体２が構造材１Ａの必要強度を負担するように構成されている。
また、中性子吸収層３における炭化ホウ素の粉体の濃度は、約３０重量％以上とすることが好ましい。そして、必要な炭化ホウ素の添加量にあわせて中性子吸収層３の厚さｔが決定されている。  
【００１８】
次に、上述した第１実施形態による構造材１Ａの製造方法について説明する。
まず、ステンレス鋼やアルミニウム又はアルミニウム合金などを角筒状に加工して構造材本体２を形成する工程を行う。
続いて、構造材本体２の表面２ａに中性子吸収層３を形成する工程を行う。
この工程では、炭化ホウ素の粉体とアルミニウムの粉体とを混合した溶射材を構造材本体２の表面２ａに溶射する。このとき、溶射温度は、約１００℃〜１０００℃とし、望ましくは、約１００℃〜６６０℃とする。
【００１９】
この溶射作業の手順としては、まず、構造材本体２の表面２ａにブラスト処理などの前処理を行う。
続いて、溶射装置を点火して溶射材を所定の温度に昇温させて溶射を行う。このとき、アルミニウムの粉体を溶融させずに、不活性ガスとともに超音速流で固相状態のまま構造材本体２に衝突させて中性子吸収層３を形成することが好ましい。
このように、アルミニウムの粉体を溶融させずに溶射を行うことで、アルミニウムの粉体を溶融させて溶射を行う場合と比べて溶射温度を低くすることができるため、熱による材料の特性変化や、形成された中性子吸収層３の酸化を最小限に抑えることができる。
なお、熱による材料の特性変化や、形成された中性子吸収層３の酸化に問題がない場合は、アルミニウムの粉体を溶融させて溶射を行ってもよい。
【００２０】
続いて、溶射によって形成された中性子吸収層３の粗度や膜厚などを確認する被膜検査を行い、最後に、封孔処理、加熱処理、研磨などの後処理を行う。
なお、中性子吸収層３の形成は、１度の溶射で行ってもよいし、中性子吸収層３を数層に分けて層ごとに複数の溶射で行ってもよい。
そして、溶射により構造材本体２の表面２ａに中性子吸収層３が形成され、構造材１Ａが製造される。
【００２１】
次に、上述した構造材１Ａの製造方法および構造材１Ａの効果について図面を用いて説明する。
本実施形態による構造材１Ａの製造方法によれば、構造材本体２の表面２ａに、炭化ホウ素の粉体と、アルミニウムの粉体とを混合した溶射材を溶射することにより、炭化ホウ素の濃度が高い場合でも、溶射材が構造材本体２の表面２ａに接合されるため、炭化ホウ素の添加量が高い中性子吸収層３を備える構造材１Ａを製造することができる。
また、溶射により中性子吸収層３が形成されるため、中性子吸収層３において炭化ホウ素の粉体を均一に分散させることができて、中性子吸収層３の偏析を防ぐことができる。
そして、第１実施形態による構造材１Ａによれば、所定の強度を有するとともに、ホウ素添加量が多い中性子吸収層３を備えるため、中性子の吸収量を増大させることができるとともに、構造材１Ａの小型化を図ることができる。
【００２２】
（第２実施形態）
次に、第２の実施形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１実施形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１実施形態と異なる構成について説明する。
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、第２実施形態による構造材１Ｂは、中性子吸収層３が板部材４の一方の表面４ａに形成されていて、板部材４が、他方の表面４ｂが構造材本体２の表面２ａと対向するように構造材本体２に接合されている。
【００２３】
板部材４は、例えば、ステンレス鋼の薄板などで構成され、本実施形態では、構造材本体２の表面２ａに４つ接合されている。
板部材４と構造材本体２との接合は、例えば、溶接やボルト接合などによって行われている。
【００２４】
次に、第２実施形態による構造材１Ｂの製造方法について説明する。
まず、ステンレス鋼やアルミニウム又はアルミニウム合金などを角筒状に加工して構造材本体２を形成する工程を行う。
続いて、板部材４の一方の表面４ａに中性子吸収層３を形成する工程を行う。
中性子吸収層３を形成する工程では、第１実施形態と同様に、炭化ホウ素の粉体とアルミニウムの粉体とを混合した溶射材の溶射を行う。
続いて、一方の表面４ａに中性子吸収層３が形成された板部材４を溶接やボルト接合によって構造材本体２に接合され、構造材１Ｂが製造される。
【００２５】
第２実施形態による構造材１Ｂの製造方法および構造材１は第１実施形態と同等の効果を奏する。
また、第２実施形態による構造材１Ｂの製造方法では、構造材本体２に直接溶射材を溶射しないため、溶射時の熱による構造材本体２の強度の低下や劣化などを防ぐことができる。
これにより、第１実施形態による構造材１Ａの製造方法と比べて高温で溶射することができる。
【００２６】
以上、本発明による構造材１Ａ，１Ｂの製造方法および構造材１Ａ，１Ｂの実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施形態では、中性子吸収層３は、中性子を吸収する炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）の粉体（第１粉体）と、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）の粉体を構造材本体２の表面２ａまたは板部材４の表面４ａに接合するためアルミニウムの粉体（第２粉体）とを混合した溶射材が構造材本体２の表面２ａまたは板部材４の表面４ａに溶射されることで形成されているが、これに代わって、炭化ホウ素の粉体とアルミニウムの粉体とが構造材本体２の表面２ａまたは板部材４の表面４ａに相互に溶射され積層されることで形成されていてもよい。
中性子吸収層３が炭化ホウ素の粉体とアルミニウムの粉体とが相互に溶射され積層されて形成されている場合においても、中性子吸収層３が炭化ホウ素の粉体とアルミニウムの粉体とを混合した溶射材が溶射されて形成されているときと同様の効果を奏する。
なお、炭化ホウ素の粉体とアルミニウムの粉体とを交互に溶射する場合においても、炭化ホウ素の粉体とアルミニウムの粉体とを混合した溶射材を溶射する場合と同様の方法や温度条件で溶射をすることが好ましい。
【００２７】
また、上述した実施形態では、溶射材は、第１粉体と第２粉体とを混合し、第１粉体として炭化ホウ素の粉体を使用し、第２粉体としてアルミニウムの粉体を使用しているが、第１粉体としてホウ素単体の粉体やホウ素化合物を使用してもよく、また、第２粉体としてアルミニウム以外の金属の粉体やセラミックスの粉体を使用してもよい。また、第１粉体と第２粉体とを交互に溶射して中性子吸収層３を形成する場合においても、第１粉体としてホウ素単体の粉体やホウ素化合物を使用しても良く、また、第２粉体としてアルミニウム以外の金属の粉体やセラミックスの粉体を使用してもよい。
また、本実施形態では、構造材本体２が角筒状に形成されているが、角筒状に限られることはなく、円筒状や箱状や板状など他の形状に形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１Ａ，１Ｂ  構造材
２  構造材本体
２ａ  表面
３  中性子吸収層
４  板部材
【図１】
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【図２】
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