(57)【要約】【課題】水中で使用してもガス発生や表面膨れの発生が抑制されかつ中性子吸収能力に優れる中性子遮蔽材を提供する。【解決手段】中性子遮蔽材１０は、Ｂ−Ａｌ合金の組成を有するベース部材１１と、Ｂ−Ａｌ合金以外のＡｌ合金又はＡｌ単体の組成を有しベース部材１１を被覆する被覆材１２と、この被覆材の表面に設けられる酸化被膜１３と、から構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂ−Ａｌ合金の組成を有するベース部材と、
Ｂ−Ａｌ合金以外のＡｌ合金又はＡｌ単体の組成を有し前記ベース部材を被覆する被覆材と、
前記被覆材の表面に設けられる酸化被膜と、を備えることを特徴とする中性子遮蔽材。
【請求項２】
前記被覆材の厚さは、０．１〜２ｍｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項１に記載の中性子遮蔽材。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の中性子遮蔽材を、冷間圧延法、摩擦撹拌接合法、溶射法、粉末焼結法及び粉末押出法のいずれかにより製造することを特徴とする中性子遮蔽材の製造方法。
【請求項４】
アルマイト法又はベーマイト法により前記被覆材の表面に酸化被膜を形成することを特徴とする請求項３に記載の中性子遮蔽材の製造方法。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の中性子遮蔽材を用いた使用済核燃料の貯蔵ラック。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載の中性子遮蔽材を用いた使用済核燃料の輸送キャスク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボロン（Ｂ）が添加されたアルミニウム合金を用いた中性子遮蔽材、その製造方法、及び使用済核燃料の貯蔵ラック並びに輸送キャスクに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉を一定期間運転した後に炉心から排出される使用済核燃料は、再処理が行われるまでの間、発電所内に設置された貯蔵プール内の貯蔵ラックに収容され、発生する崩壊熱がプール水により除去される。
【０００３】
近年、貯蔵プールの収容能力が逼迫しており、貯蔵プール内のスペースを有効活用して貯蔵容量を増加させて対応している。また、発電所の外に大型の中間貯蔵施設が設置され、そこに使用済核燃料は乾式で保管される。
これら使用済核燃料の貯蔵ラック、輸送キャスク及び収容キャニスタには、中性子の遮蔽能力を有するボロン（Ｂ）が添加されたステンレス鋼（Ｂ−ＳＵＳ）が、中性子遮蔽材として日本国内で一般に使用されている。
【０００４】
一方において、ボロンが添加されたアルミニウム合金（Ｂ−Ａｌ）は、熱伝導率が約２４０Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｂ−ＳＵＳ材（約１７Ｗ／ｍ・Ｋ）と比較して冷却性能が格段に優れる。更に、Ｂ−Ａｌは、Ｂ−ＳＵＳと比較して比重が１／３程度と軽量であるために、輸送コストを著しく低減できる。
このために欧米においては、Ｂ−Ａｌが、中性子遮蔽材に使用されており、日本国内においても適用を検討している（例えば、特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１００００号公報
【特許文献２】特開２００７−１５５６６４号公報
【特許文献３】特開２００７−３３２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、水中でＢ−Ａｌを使用した場合に、ガス発生や表面膨れが発生する現象が、アメリカ合衆国原子力規制委員会（ＮＲＣ：U.S.Nuclear Regulatory Commission）の報告（NRC INFORMATION NOTICE 2009-26）により確認されている。
【０００７】
また、中性子遮蔽材として水中でＢ−Ａｌを使用した場合、Ａｌ単体で使用する場合よりも、発生ガス総量が増えるだけでなく次式の水和反応に基づく水素発生量も増加してしまう（後述の実施例参照）。
２Ａｌ＋２ＯＨ-＋６Ｈ2Ｏ→２Ａｌ(ＯＨ)4-＋３Ｈ2
【０００８】
爆発性ガスである水素の発生を抑制するためには、表面に強固な酸化被膜を形成して上式で示されるＡｌの水和反応を抑制する対処法が考えられる。Ａｌの表面に酸化被膜を形成する一般的方法としては、アルマイト処理やベーマイト処理が挙げられる。
しかし、Ｂ−Ａｌにアルマイト処理やベーマイト処理を行なうと、表面のボロン化合物が抜け落ち、酸化被膜が形成されないといった課題がある。さらに中性子吸収能力を有するボロンが抜け落ちることで中性子吸収能力が低下するといった課題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、水中で使用してもガス発生や表面膨れの発生が抑制されかつ中性子吸収能力に優れる中性子遮蔽材、その製造方法、及び使用済核燃料の貯蔵ラック並びに輸送キャスク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】
【００１０】
中性子遮蔽材において、Ｂ−Ａｌ合金の組成を有するベース部材と、Ｂ−Ａｌ合金以外のＡｌ合金又はＡｌ単体の組成を有し前記ベース部材を被覆する被覆材と、前記被覆材の表面に設けられる酸化被膜と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水中で使用してもガス発生や表面膨れの発生が抑制されかつ中性子吸収能力に優れる中性子遮蔽材、その製造方法、及び使用済核燃料の貯蔵ラック並びに輸送キャスクが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（Ａ）本発明に係る中性子遮蔽材の実施形態を示す図、（Ｂ）その断面図。
【図２】本発明に係る中性子遮蔽材の製造方法の実施形態を示すフローチャート。
【図３】冷間圧延法による中性子遮蔽材の製造方法を示す工程図。
【図４】（Ａ）他の実施形態に係る中性子遮蔽材を示す図、（Ｂ）その断面図。
【図５】（Ａ）他の実施形態に係る中性子遮蔽材を示す図、（Ｂ）その断面図。
【図６】本発明に係る貯蔵ラックの実施形態を示す斜視図。
【図７】本発明に係る輸送キャスクの実施形態を示す斜視図。
【図８】水中に浸漬させたサンプルのガス発生量測定器の概要図。
【図９】（Ａ）および（Ｂ）はサンプルの水中浸漬時間とガス発生量の関係を示すグラフおよび表。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように中性子遮蔽材１０は、Ｂ−Ａｌ合金の組成を有するベース部材１１と、Ｂ−Ａｌ合金以外のＡｌ合金又はＡｌ単体の組成を有しベース部材１１を被覆する被覆材１２と、この被覆材１２の表面に設けられる酸化被膜１３と、から構成されている。
【００１４】
ベース部材１１は、軽量で高熱伝導率であるアルミニウムが主成分であり、中性子断面積の大きなホウ素の同位体（10Ｂ）が０．４〜２ｗｔ％の範囲で添加されている。ここで、ホウ素の添加率が０．４ｗｔ％よりも小さいと、ベース部材１１の中性子遮蔽効果が低減し、２ｗｔ％を超えるとベース部材１１の放熱効果が低下してしまう。
また、アルミニウムに添加されているホウ素は、ホウ素の金属微粒子がアルミニウムのマトリックス中に分散される場合の他に、炭化ホウ素（Ｂ4Ｃ）の粉末が分散される場合もある。
【００１５】
被覆材１２は、ベース部材１１を構成するＢ−Ａｌ合金の原料であるＡｌ単体やＪＩＳ規格の１０００系の純アルミニウムを用いる場合の他に、７０００系のジュラルミン等のＢ−Ａｌ合金以外のＡｌ合金を用いることができる。
つまり、被覆材１２は、後述するアルマイト処理やベーマイト処理により、安定して緻密な酸化被膜１３が表面に形成されるＡｌ系材料であれば好適に用いることができる。
【００１６】
また被覆材１２の厚さは、０．１〜２ｍｍの範囲に含まれることが望ましい。
被覆材１２の厚さが０．１ｍｍ未満であると傷や衝撃等による剥がれが生じ易くなり、また加工の際に損傷が生じ易くなる。そして、被覆材１２の厚さが２ｍｍを超えると、中性子遮蔽材１０の中性子遮蔽能力が低下してしまう。
【００１７】
図２に示すように中性子遮蔽材の製造方法は、まず、所定形状にベース部材１１を成形する工程（Ｓ１１）を経る。次に、ベース部材１１の外表面に、被覆材１２を、冷間圧延法、摩擦撹拌接合法、溶射法、粉末焼結法及び粉末押出法のいずれかにより被覆加工する工程（Ｓ１２）を経る。そして、被覆材１２の表面にアルマイト法又はベーマイト法により酸化被膜を形成することにより耐食性を付与する（Ｓ１３）。
【００１８】
図３は、冷間圧延法による被覆加工の実施例を示す工程図である。
板厚１１ｍｍのＢ−Ａｌの両面に、Ｂ−Ａｌの母材と同材のＡｌを３ｍｍ厚で被せ、圧延率３０％で１パス目の冷間圧延を行った。その結果、トータルの板厚１２ｍｍのうちＢ−Ａｌが板厚８ｍｍ、その両外側のＡｌが板厚２ｍｍとなった。
２パス目は圧延率２５％で冷間圧延を行い、トータルの板厚９ｍｍのうちＢ−Ａｌが板厚７ｍｍ、その両外側のＡｌが板厚１ｍｍとなった。
３パス目は圧延率１５％で冷間圧延を行い、トータルの板厚７．６ｍｍのうちＢ−Ａｌが板厚６ｍｍ、その両外側のＡｌが板厚０．８ｍｍとなった。
最後の４パス目は圧延率３４％で冷間圧延を行い、トータルの板厚を５ｍｍのうちＢ−Ａｌが板厚４ｍｍ、その両外側のＡｌが板厚０．５ｍｍとなった。
【００１９】
ここで、圧延率は次式で示されるものとする。
圧延率（％）＝（元厚−圧延後の板厚）／元厚×１００
【００２０】
次に酸化被膜１３（図１）の形成処理（Ｓ１３；図２）について説明する。
被覆材１２が被覆された状態のベース部材１１を、ベーマイト処理により、高温純水中に約２時間浸漬してその表面に酸化被膜１３を形成させる。
なお、ベーマイト法は、このように高温の純水に浸漬させる場合の他に、飽和水蒸気中で処理する場合もある。
【００２１】
酸化被膜の他の形成処理方法として、アルマイト処理が挙げられる。
アルマイト処理とは、アルミニウムの陽極酸化による被膜の形成方法である。陽極酸化とは、対象となる材料（被覆材１２が被覆された状態のベース部材１１）を陽極として、主に強酸を電解液として水の電気分解を実行することである。
アルマイト処理用の電解液としては硫酸を用いるのが主流であるが、蓚酸などの有機酸やクロム酸、リン酸などが使われることもある。
陽極酸化処理の際の、通電時間や電流密度を変えることにより酸化被膜１３の厚さを制御することができる。
【００２２】
次に、酸化被膜１３の効果について概説する。
仮に、Ｂ−Ａｌベース部材１１にＡｌ被覆材１２のみを被覆させた状態で水中において使用した場合は、Ａｌ表面に自然酸化被膜が形成されることになる。
この自然酸化被膜は、水分が存在すると水和反応によりポーラス状の水和酸化物層が比較的厚く成長する。
【００２３】
しかし、この水和酸化物層は、緻密性及び安定性に欠けるために、隙間からアルミニウムの腐食（孔食）が進行する。
このアルミニウムの孔食は、その近傍に存在する金属間化合物やその他の欠陥部にＣｌ−が吸着して水和酸化物層を可溶化し、アルミニウムの表面腐食をさらに進行させる。またこの際に、酸素ガスや窒素ガス以外に水素ガスも発生することが知られている。
【００２４】
そして、Ｂ−Ａｌベース部材１１のみを水中において使用した場合は、後述するようにＨ2及びその他のガスの発生量がさらに増大してしまう。また、Ｂ−Ａｌベース部材１１に直接的に酸化被膜１３を形成させようとしても、表面のボロン化合物が抜け落ち、酸化被膜を形成させることができない。
【００２５】
図４や図５に示すように、ベース部材１１の表面は、曲面や複雑形状を有する場合がある。この場合、被覆材１２は、冷間圧延法を採用することはできないが、摩擦撹拌接合法、溶射法、粉末焼結法及び粉末押出法のいずれかの方法によりベース部材１１の表面に設けることができる。
【００２６】
摩擦撹拌接合法（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）とは、分離している接合対象の境界部分に、工具を回転させながら強い力で押し付けて、摩擦熱により境界部分を軟化、塑性流動させて一体化させる接合法である。
本実施形態においては、被覆材１２の素材を厚さ０．１〜２ｍｍの箔状体とし、この箔状体でＢ−Ａｌベース部材１１を包み、箔状体の縁端を貼りあわせるように接合することでベース部材１１を被覆する。
【００２７】
溶射法（Thermal spraying）とは、被覆材１２の素材を加熱溶融してベース部材１１に直接吹き付けて、被覆材１２を形成する方法である。熱源には燃焼炎、プラズマ（アーク放電）などが用いられ、被覆材１２の素材は液滴化されて、高速ガス流などによってベース部材１１の表面に吹き付けられ、この液滴粒子が凝固し密着することにより被覆材１２が形成される。なお、固相粒子を高速で吹き付けることで被覆材１２を形成する場合もある。溶射法による中性子遮蔽材の製造方法は、容易でかつ低コストであるといった長所を有する。
【００２８】
粉末焼結法は、ベース部材１１の表面に被覆材１２の素材粉末の仮焼結体を乗せて、４００〜７００℃の連続炉にて本焼結を行い被覆材１２を形成する方法である。
もしくは、ベース部材１１と被覆材１２とを一体的に焼結成形する方法もある。この方法では、等方圧加圧法（ＨＩＰ）もしくは冷間等方圧加圧法（ＣＩＰ）により、Ａｌ粉末及びＢ4Ｃ粉末の混合体からベース部材１１のＢ−Ａｌビレットを製作する。
このＢ−Ａｌビレットの外側に被覆材１２の素材粉末を塗付し、更にＣＩＰもしくはＨＩＰ処理を行い複合化ビレットを製作する。この複合化ビレットを３００℃で加熱焼結させ仮焼結体を製作、その後４００〜７００℃にて本焼結を行い中性子遮蔽材を製造する。
【００２９】
粉末押出法は、原料粉末にバインダを加えて塑性流動体にしたものを、目的形状を有する金型に圧力を加えて注入する。得られた成形体は、加熱炉に入れてバインダを蒸発させて金属だけを残す仮焼結を行い、さらに焼結炉に移して、金属を本焼結する。
【００３０】
図６は、中性子遮蔽材を用いて作製された使用済核燃料の貯蔵ラック３０である。
貯蔵ラック３０には、板状の中性子遮蔽材１０ａ（図１）を成形加工してなる角筒３１が、千鳥格子状に配置されている。クレーン（図示略）により原子炉の炉心から取り出された複数の使用済の燃料集合体（図示略）は、これら角筒３１の各々に挿入される。
この貯蔵ラック３０は、発電所内に設けられている貯蔵プール（図示略）に配置され、角筒３１に収容された使用済の燃料集合体は、ここで一定期間貯蔵され、使用済核燃料の崩壊熱が除去される。
【００３１】
図７は、中性子遮蔽材を用いて作製された使用済核燃料の輸送キャスク４０の部分カットモデルを示している。
貯蔵ラック３０（図６）において崩壊熱を減衰させた燃料集合体は、再処理工場等に輸送するための輸送キャスク４０に詰め替えられる。この輸送キャスク４０には、板状の中性子遮蔽材１０ａを成形加工してなる燃料バスケット４１が設けられ、燃料集合体４２が収容される。
【実施例】
【００３２】
本発明の実施例及び比較例による実験データを示し、本発明の効果を確認する。
サンプル２６として、中性子遮蔽材１０（図１）のようにＢ−Ａｌベース部材１１、Ａｌ被覆材１２及び酸化被膜１３を備える実施例と、このうち酸化被膜１３を省略した比較例１（Ａｌ）と、さらにＡｌ被覆材１２を省略した比較例２（Ｂ−Ａｌ）とを準備する。
なお、Ｂ−Ａｌの表面に直接的に酸化被膜を形成する比較例については、前述した通り、表面のボロン化合物が抜け落ちて安定した酸化被膜が形成されないことから検証を行っていない。
【００３３】
図８は、水中に浸漬させたサンプル２６のガス発生量測定器２０を示している。
このガス発生量測定器２０は、内圧が大気圧となるように通気孔２５を有する容器２２と、この容器２２の外側に封止端２１ａを有し内側にテーパー状の開口端２１ｂを有する透明管２１と、容器２２の内部に収容された純水の温度計２３が３０℃になるように温度保持する温調部２４と、から構成される。
【００３４】
図９（Ａ）は、透明管２１の封止端２１ａまで純水を行きわたらせた状態でサンプル２６を投入した時点からスタートし、約２５０時間にわたり、サンプル２６（実施例、比較例１、比較例２）の各々のガス発生量を測定した結果である。
これによると、比較例１（Ａｌ）及び比較例２（Ｂ−Ａｌ）は浸漬直後にガスの発生はないが、約２５時間後にはガスが発生し、その後８０時間まで急激に発生、２００時間までガス発生は続いた。
これに対し、実施例（Ｂ−Ａｌ＋酸化被膜）は、浸漬時間を１０００時間まで延長してもガス発生は認められなかった。
【００３５】
図９（Ｂ）に示すように、サンプル２６の単位表面積当りのガス発生量を導いたところ、Ｂ−Ａｌ（比較例２）において９．５５×１０-4ｍｌ／ｃｍ2、Ａｌ（比較例１）において５．８２×１０-4ｍｌ／ｃｍ2、Ｂ−Ａｌ＋酸化被膜（実施例）は計測不能という結果となった。
この発生ガスを分析したところ、酸素、窒素以外に水素ガスが含まれており、水素ガス濃度はＢ−Ａｌ（比較例２）において１．１％、Ａｌ（比較例１）において０．５％という結果が得られた。
【００３６】
以上の実験結果より、水中使用による腐食によりＢ−Ａｌは、Ａｌよりも多くのガスを発生し、とりわけ水素の発生量が多くなることが判った。これは、Ｂ−Ａｌの表面に析出しているボロン化合物の影響によるものと考えられる。さらに、水中使用においてガス発生を伴うＢ−Ａｌ及びＡｌでは、その表面に水和反応に起因する白い点状の腐食跡が確認された。
これに対し、実施例のようにＢ−Ａｌのベース材にＡｌを被覆させてさらに表面に酸化被膜を形成させたものは、水中使用による腐食痕及びガス発生は観測されなかった。
【００３７】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の中性子遮蔽材によれば、水中で使用してもガス発生が抑制されかつ中性子吸収能力に優れるために、使用済核燃料の貯蔵ラック及び輸送キャスクにとって好適な構成材料が提供される。
【００３８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３９】
１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）…中性子遮蔽材、１１…ベース部材、１２…被覆材、１３…酸化被膜、２０…ガス発生量測定器、２１…透明管、２１ａ…封止端、２１ｂ…開口端、２２…容器、２３…温度計、２４…温調部、２５…通気孔、２６…サンプル、３０…貯蔵ラック、３１…角筒、４０…輸送キャスク、４１…燃料バスケット、４２…燃料集合体。
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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