(57)【要約】      （修正有）【課題】十分な中性子吸収能力を持ち、かつ、溶融燃料取り出し時のみならずその後の保管および貯蔵時にも失われることなく有効な中性子吸収能力を長期にわたり維持できる中性子吸収材を提供する。【解決手段】ボロンまたはボロン化合物の粉末２１をバインダーとともに混合して球状にし、その表面に金属粉またはセラミックの粉末２２をバインダーとともに混合して付着させる。次いで、焼結することにより、粉末２２が焼結されて形成された外殻の内部にボロン等の粉末２１が密閉された中性子吸収材２０が作製される。【選択図】図２
2013167586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボロンおよびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類を他の金属粉末および／またはセラミックの粉末と混合して１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさの塊状に成形し、次いで焼結してボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とすることを特徴とする中性子吸収材の製造方法。
【請求項２】
ボロン粉末およびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類をバインダーと混合して塊状に成形し、その表面に、金属粉末および／またはセラミック粉末を付着させて１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさとし、次いで焼結してボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とすることを特徴とする中性子吸収材の製造方法。
【請求項３】
ボロン粉末およびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類をバインダーと混合して塊状に成形し、その表面に、ボロン化合物の粉末を付着させて１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさとし、次いで焼結してボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とすることを特徴とする中性子吸収材の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の中性子吸収材の製造方法で製造された中性子吸収材。
【請求項５】
水中において軽水炉の溶融燃料を粉砕し、請求項４に記載の中性子吸収材よりも小さな網目を有する網状体に、水中において前記中性子吸収材と粉砕した前記溶融燃料とを投入することを特徴とする溶融燃料の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉心溶融を起こした軽水炉から溶融燃料を取り出す際、およびその後の輸送や貯蔵の際に、粉砕した溶融燃料に混合させて臨界安全性を確保するための中性子吸収材に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽水炉においては、被覆管や燃料が溶けて崩れ落ちる炉心溶融となった場合、溶融燃料の回収は、事故後１０年程度経過して溶融燃料の崩壊熱が低下していると思われる頃に行われる。溶融燃料を取り出すには、放射線の遮蔽と除熱の観点から水につけた状態で行う。もし溶融燃料が原子炉圧力容器を貫通して格納容器の底部に溜まり、格納容器にまで損傷を与えている場合には、格納容器を修復したうえで冠水して溶融燃料を水没させ、溶融燃料を粉砕して取り出す必要がある。
【０００３】
溶融燃料の取り出し作業において、軽水炉燃料はもともと低濃縮度燃料であることから、臨界になることは殆どないと考えられる。さらに、臨界の危険性を下げる要因として以下が考えられる。
【０００４】
１．燃料の燃焼に伴い、実質的な濃縮度はさらに下がっている。
２．中性子吸収物質である核分裂生成物（ＦＰ）が存在する。
３．溶融燃料は構造材やコンクリートとの混合物で存在している。
【０００５】
逆に臨界の危険性を高める要因としては、以下が考えられる。
４．燃料の燃焼に伴いプルトニウム（Ｐｕ）が蓄積している。
５．水中で溶融燃料を粉砕すると燃料と水の体積比が変わり、溶融燃料の状態によっては局所的に最適減速状態（臨界安全上最も厳しい比率で水と混じり合った状態）を引き起こす可能性がある。
６．中性子効率を高めるに十分な水の反射体が存在する。
【０００６】
炉物理的には４〜６を考慮しても臨界にはならないと考えられる。しかしながら、２０１１年の福島第１原発の事故のように、燃料が格納容器にまで漏れ出すような大規模な炉心溶融は前例が無く、１９７９年の米国スリーマイル島原発事故に比べても大規模で、その溶融燃料の取り出しは世界的にも経験のない困難な取り組みのため、安全管理上は臨界安全にも十分に配慮して万全の防止策をとることは必須である。
【０００７】
再臨界予防のための方策としては、中性子を吸収するホウ酸水を原子炉圧力容器および格納容器内の水に注入する方策が考えられる（例えば特許文献１参照）。ホウ酸水はボロン（ホウ素）の化合物の水溶液である。ボロンの同位体のうち１０Ｂは非常に大きな中性子吸収断面積を持つため、原子炉内において中性子吸収のための制御棒に使用されている。しかしながら、水に溶解できるホウ酸の濃度（溶解度）には限度があり、温度が低いほど溶解度は低下する。そのため崩壊熱が低下している溶融燃料取り出しの時点では、ホウ酸水に高い濃度は期待できない。また、仮にホウ酸水が臨界安全の確保に十分な濃度だとしても、溶融燃料取り出し後の保管の段階でも同様なホウ酸水濃度を維持する必要がある。
【０００８】
再臨界予防のための他の方策としては、ボロンまたは炭化ボロン (Ｂ４Ｃ)、酸化ボロン (Ｂ２Ｏ３) 、窒化ボロン(ＢＮ) などの粉末を、原子炉圧力容器および格納容器内の水に混入させる方策が考えられる。これらは粒径が数ミクロン程度の粉末として入手が可能で、水中に投入して攪拌すれば均等に混じり合う。したがって、上述のホウ酸水よりも高い中性子吸収能力が期待できる。しかしながら、これらの粉末を水に混入させると、長時間水中に滞留し、水が黒く濁って水中の視界が失われるため、水中のカメラでモニターしながら遠隔操作で行う溶融燃料の取り出しには不適当である。また、仮に溶融燃料の取り出しができたとしても、その後の保管の段階で水が失われると、上記粉末も水と共に失われる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１０１３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明は、十分な中性子吸収能力を持ち、かつ、溶融燃料取り出し時のみならず、その後の保管および貯蔵時にも失われることなく有効な中性子吸収能力を長期にわたり維持できる中性子吸収材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の中性子吸収材の製造方法は、ボロンおよびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類を他の金属粉末および／またはセラミックの粉末と混合して１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさの塊状に成形し、次いで焼結してボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とすることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、軽水炉の溶融燃料を粉砕して捕集する際に、捕集手段に本発明で製造した中性子吸収材を適量混入することにより、臨界安全性を確保することができる。たとえば、水中において溶融燃料を粉砕し、上記中性子吸収材よりも小さな網目を有する網状体に、水中において中性子吸収材と粉砕した溶融燃料とを投入することができる。そして、取り出した溶融燃料を網状体に収容して輸送および貯蔵することにより、中性子吸収材は失われることがなく、十分な臨界安全性を長期にわたり維持することができる。
【００１３】
ここで、「見かけの原子数密度」とは、中性子吸収材を構成する物質全体の原子の数を分母としたときのボロンの原子数の割合をいう。中性子吸収材としての機能を確保するために、ボロンの見かけの原子数密度は５０％以上必要である。
【００１４】
中性子吸収材の大きさは、原子炉圧力容器および格納容器内の水中で粉砕し捕集した溶融燃料に混入させることから、水中に中性子吸収材が滞留しても視界を妨げない程度の大きさであり、かつ、保管の段階で仮に水が失われても、水とともに流出しない程度の大きさが必要であることから１ｍｍ以上は必要である。一方、中性子吸収材の大きさが２００ｍｍを超えると、中性子吸収材の中心部分のボロンに対してはその外側のボロンによる遮蔽のために中性子が到達しにくくなる現象（自己遮蔽効果）が生じるため、中性子吸収材の重量当たりの中性子吸収性能は低下する。粉砕した溶融燃料は大きさが数ｍｍから数ｃｍ程度の破片と予想されるため、これらの破片を捕集する際に、同程度の大きさの中性子吸収材を適量混入することが望ましいことから、中性子吸収材の大きさは５〜２０ｍｍが望ましい。
【００１５】
中性子吸収材の形状については特に制約はなく、中性子吸収性能については、上述の自己遮蔽効果が問題とならないような大きさである限り、ボロンの含有量（原子数密度）にほぼ依存し、その形状とは無関係である。しかしながら、鋭角的な形状ではその一部が微少な破片となって原子炉圧力容器および格納容器内の水に混入して視界を妨げる恐れがある。以上の観点から、中性子吸収材の形状は、球、円柱、立方体またはこれらに近い形状が望ましい。また中性子吸収材は、原子炉圧力容器および格納容器内の水中にて、粉砕し捕集した溶融燃料に混入させるため、当然ながら遠隔操作機器により供給と混入を行う必要がある。この観点からは球またはそれに近い形状が最適である。
【００１６】
本発明では焼結を行うため、円柱、立方体またはこれらに近い形状とすることは容易である。球に近い形状とする場合は、仮焼結した円柱、立方体またはこれらに近い形状の素材を融点以上に加熱して溶融させることで、表面張力の作用により球形に近い形状が得られる。一方、ボロンまたは炭化ボロン（Ｂ４Ｃ）、酸化ボロン（Ｂ２Ｏ３）または窒化ボロン（ＢＮ）などのボロン化合物粉末を樹脂製のバインダーと混合して成形する方法であれば、球、円柱、立方体またはこれらに近い形状とすることは容易であり、その製造方法は公知である。
【００１７】
すなわち、本発明の他の中性子吸収材の製造方法は、ボロン粉末およびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類をバインダーと混合して塊状に成形し、その表面に、金属粉末および／またはセラミック粉末を付着させて１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさとし、次いで焼結してボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とすることを特徴とする。なお、上記塊状のものの表面に、金属粉末および／またはセラミック粉末をバインダーとともに混合したものを付着させることもできる。
【００１８】
上記製造方法で製造された中性子吸収材は、焼結によりバインダーが蒸発し、金属および／またはセラミックの外殻の中にボロン粉末やボロン化合物の粉末が収容された構成である。この中性子吸収材では、金属やセラミックの材質を適宜選定することにより、耐食性や強度に優れ長期に亘って使用可能である。また、上記中性子吸収材では、ボロン粉末やボロン化合物の粉末をバインダーとともに混合するから成形が容易である。
【００１９】
本発明のさらに他の中性子吸収材の製造方法は、ボロン粉末およびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類をバインダーと混合して塊状に成形し、その表面に、ボロン化合物の粉末を付着させて１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさとし、次いで焼結してボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とすることを特徴とする。なお、上記塊状のものの表面に、ボロン化合物の粉末をバインダーとともに混合したものを付着させることもできる。
【００２０】
上記製造方法で製造された中性子吸収材は、焼結によりバインダーが蒸発し、ボロンおよび／またはボロン化合物の外殻の中にボロン粉末やボロン化合物の粉末が収容された構成である。この中性子吸収材においても、耐食性や強度に優れ長期に亘って使用可能である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、十分な中性子吸収能力を持ち、かつ、溶融燃料取り出し時のみならずその後の保管および貯蔵時にも失われることなく有効な中性子吸収能力を長期にわたり維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態の中性子吸収材を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態の中性子吸収材の作製途中の状態を示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態の中性子吸収材を示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態の中性子吸収材の作製途中の状態を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態の中性子吸収材を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（１）第１実施形態
図１は本発明の第１実施形態を示す図である。この図に示す中性子吸収材１０は、ボロンの粉末と、ステンレス、アルミニウムなどの金属粉またはアルミナなどのセラミックの粉末とを混合し、球状または円柱状に成形して焼結したものである。この中性子吸収材１０の大きさは、１ｍｍ以上２００ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。また、ボロンの見かけの原子数密度は５０％以上である。
【００２４】
ボロンに対して混合する金属やセラミックの比率については以下の観点から決定する。すなわち、中性子吸収性能の観点からは前者の比率が高いことが望ましいが、ボロン単独での焼結には、その融点（約２３００℃）直下に保持する必要がある。一方、ボロン粉末に他の金属またはセラミックの粉末と適量混合させれば、より低い温度での焼結が可能である。たとえば、ボロンとステンレス鋼（融点：約１４００℃）の粉末とを混合して焼結する際の温度は約１０００℃である。また、ボロン粉末と黒鉛の粉末から炭化ボロン（Ｂ４Ｃ）の焼結体を作ることもでき、この際の焼結温度は約１６７０℃である。炭化ボロン（Ｂ４Ｃ）は原子炉の制御棒として使われている実績がある。ボロンとアルミナ（融点：２０５４℃）の粉末で焼結する際の温度は約１６００℃である。
【００２５】
焼結可能なボロンの最大混合比率は、混合する粉末の組み合わせのみならず両者の粒子の寸法にも依存する。たとえば、大きい粒子直径のボロン粉末と小さい粒子直径のステンレス粉末を焼結する場合、ボロン粉末の比率を高めることができる。
【００２６】
（２）第２実施形態
図２および図３は本発明の第２実施形態を示すものである。この実施形態では、ボロンまたは炭化ボロン（Ｂ４Ｃ）、酸化ボロン（Ｂ２Ｏ３）または窒化ボロン（ＢＮ）などのボロン化合物の粉末２１をバインダーとともに混合して球状にし、図２に示すように、その表面にステンレス鋼、アルミニウムなどの金属粉またはアルミナなどのセラミックの粉末２２をバインダーとともに混合して付着させる。次いで、図２に示すものを焼結することにより、図３に示すように、粉末２２が焼結されて形成された外殻２３の内部にボロン等の粉末２１が密閉された中性子吸収材２０が作製される。この中性子吸収材１０の大きさは、１ｍｍ以上２００ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。また、ボロンの見かけの原子数密度は５０％以上である。
【００２７】
（３）第３実施形態
図４および図５は本発明の第３実施形態を示すものである。この実施形態では、ボロンの粉末３１をバインダーとともに混合して球状にし、図４に示すように、その表面に炭化ボロン（Ｂ４Ｃ）の粉末３２をバインダーとともに混合して付着させる。次いで、図４に示すものを焼結することにより、図５に示すように、粉末３２が焼結されて形成された外殻３３の内部にボロンの粉末３１が密閉された中性子吸収材３０が作製される。この中性子吸収材３０の大きさは、１ｍｍ以上２００ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。また、ボロンの見かけの原子数密度は５０％以上である。
【００２８】
炭化ボロン  （Ｂ４Ｃ）は原子炉の制御棒としても使用されており、焼結が容易である。なお、ボロンの粉末をバインダーとともに混合して球状にし、その表面にボロンおよび黒鉛の粉末を付着させて焼結することにより、炭化ボロン（Ｂ４Ｃ）の外殻にボロンの粉末が密封された中性子吸収材を製造することもできる。
【実施例】
【００２９】
（１）第１実施例
平均粒径が２０μｍのボロンの粉末と平均粒径が１０μｍのステンレス鋼の粉末を用意し、体積比率が８０：２０、重量比率が６６：３４、原子数比率が８３：１７となるように配合した。その混合粉末を１０ｍｍの大きさの塊に圧粉成形し、５Ｐａの真空中にて１２５０℃で１時間焼結し塊状の中性子吸収材を作製した。
【００３０】
（２）第２実施例
平均粒径が２０μｍのボロンの粉末とバインダー（メチルセルロース）とを混合し、直径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱体に形成した。この円柱体の表面にステンレス鋼粉末を厚さ１ｍｍとなるように付着させた。このときのボロン粉末とステンレス鋼粉末の比率は以下のとおりである。
円柱体の体積：０．７８ｃｃ
ボロン粉末の有効体積：０．７０ｃｃ
ステンレス鋼粉末層の体積：０．４７ｃｃ
ステンレス鋼粉末の有効体積：０．４２ｃｃ
【００３１】
以上より、ボロン粉末とステンレス鋼粉末の混合比率は以下のとおりである。
体積比率：０．７０：０．４２＝６２：３８
原子数比率：６４：３６
【００３２】
以上の混合比率で成形した直径１２ｍｍ、高さ１２ｍｍの円柱体を５Ｐａの真空中にて１２５０℃で１時間焼結し塊状の中性子吸収材を作製した。
（３）第３実施例
平均粒径が２０μｍのボロンの粉末とバインダー（メチルセルロース）とを混合し、直径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱体に形成した。この円柱体の表面に炭化ボロン（Ｂ４Ｃ）粉末を厚さ１ｍｍとなるように付着させた。このときボロン粉末とＢ４Ｃ粉末の比率は以下のとおりである。
円柱体の体積：０．７８ｃｃ
Ｂ４Ｃ粉末の有効体積：０．７０ｃｃ
【００３３】
以上より、ボロン粉末と炭化ボロン（Ｂ４Ｃ）粉末の混合比率は以下のとおりである。 
体積比率：０．７０：０．４２＝６２：３８
【００３４】
また、ボロンと炭素の原子数比率は以下のとおりである。
原子数比率：９８：２
【００３５】
以上の混合比率で成形した直径１２ｍｍ、高さ１２ｍｍの円柱体を５Ｐａの真空中にて１６７０℃で１時間焼結し塊状の中性子吸収材を作製した。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、炉心溶融を起こした軽水炉から溶融燃料を取り出す際、およびその後の輸送や貯蔵の際に、中性子を吸収する材料として利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０  中性子吸収材
２０  中性子吸収材
２１  粉末
２２  粉末
２３  外殻
３０  中性子吸収材
３１  粉末
３２  粉末
３３  外殻
【図１】
2013167586.tif 000003
【図２】
2013167586.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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