令和2年度

原⼦⼒システム研究開発事業 成果報告会（令和3年3⽉16⽇）

原⼦⼒システム研究開発事業（安全基盤技術研究開発）

⾼速炉の安全性向上のための⾼次構造制御セラミック制御材の開発
研究代表者
吉⽥ 克⼰
東京⼯業⼤学 科学技術創成研究院
先導原⼦⼒研究所 准教授

⾼速炉⽤制御材の課題（1）
⾼速炉
制御棒：原⼦炉の安全性を確保する上で⾼い性能と信頼性が要求される出⼒制御、炉停⽌に極めて重要な役割
中性⼦照射によるヘリウム⽣成、体積膨張、発熱に起因する熱応⼒によるB4Cペレットの割れ、⽋け、破損! B4Cペレットの破損! 機械的相互作⽤（ACMI）による制御棒（被覆管）の破損! 破損したB4Cペレットの炉内への混⼊
・制御棒寿命の短縮（10Bの核的寿命よりも短い）・⾼速炉の安全性、健全性、信頼性を損なう
⾼速炉の健全性及び安全性の維持の観点から、
B4C制御棒の⾼性能化を図ることで信頼性及び安全性の確保、⻑寿命化を図ることが重要
2⾼速炉⽤制御材の課題（2）

国内での⾼速炉⽤B4Cペレット型制御材の製造実績が10年以上なく、制御材製造メーカーでの製造ライン撤廃や技術継承が⾏われていないなどの現状が危惧されている。
今後の⾼速炉⽤制御材の安全基盤技術の維持・発展のためには、製造技術に加えて検査技術の継承も重要な問題

3

本研究のB4C基セラミック制御材（開発材）のコンセプト (1)
本申請で提案するB4C基
セラミック制御材

従来材
ヘリウム
気孔
ランダム配向・分布独⽴して存在（閉気孔）・結晶粒内・粒界、気孔内部にヘリウムが蓄積・熱応⼒の発⽣
割れの発⽣

気孔貫通型

⾼次構造制御（気孔、微構造）による貫通型気孔の導⼊及び熱的・機械的特性の向上
・ヘリウム放出・熱応⼒緩和制御材及び被覆管のき裂、割れの抑制
4本研究のB4C基セラミック制御材（開発材）のコンセプト (2)貫通型気孔

スリップキャスティングプロセス
強磁場配向プロセス
結晶配向（B4C特性向上）

回転磁場
B4C結晶の特性の軸異⽅性→ B4C結晶の配向

気孔配向（He放出機能）

焼結・加圧焼結（ホットプレス）
・放電プラズマ焼結

カーボンナノチューブ（CNT）添加CNTの優れた熱的・機械的特性→ CNTの添加・配向

造孔材
ナイロン繊維等熱的・機械的性質の向上
耐熱衝撃性の向上
残留応⼒の緩和など
⾼次構造制御B4C基セラミック制御材
5スリップキャスティング法による⾼次構造制御
B4C基セラミック制御材の創製
B4C懸濁液（CNT、造孔材）型（多孔質）へ懸濁液を流し込む
スリップキャスティング

成形体

気孔焼結
例：アルミナセラミックス(a)

B4C基セラミック制御材

(b)

(b)
(a)
100 µm気孔（⽮印）が配向
100 µm （カーボン繊維により形成）6強磁場配向プロセスを⽤いた⾼次構造制御
B4Cセラミック制御材の創製
強磁場配向前針状カーボン

Nd-Fe-B磁⽯（約0.3T）
強磁場配向後ナイロン繊維B4C粒⼦だけではなく造孔材（繊維状、針状）の配向も可能

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本研究の研究⽬標! スリップキャスティングまたは強磁場配向プロセスを利⽤した⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の製造技術を新規に開発し、⾼性能制御材の開発を⾏い、⾼速炉の安全基盤技術を発展させる。
! 開発した制御材について既存の検査技術の適⽤性の検討及び技術継承を⾏うとともに、最新の検査技術の適⽤性等を評価することで⾼度化を検討し、将来の⾼速炉制御材に関する安全基盤技術を維持・発展させる（⾼速炉⽤制御材メーカーと共同）。

8

本研究の構成研究項⽬（1）⾼次構造制御によるB4C基セラミック制御材の創製に向けた基礎的研究① スリップキャスティング法の基礎的研究（東⼯⼤）② 強磁場配向プロセスの基礎的研究（NIMS）③ 多孔化プロセスの基礎的研究（東⼯⼤、NIMS）④ B4C制御材の反応度評価（JAEA）
研究項⽬（2）⾼次構造制御によるB4C基セラミック制御材の創製に関する研究① スリップキャスティング法によるB4C基セラミック制御材の創製（東⼯⼤）② 強磁場配向プロセスによるB4C基セラミック制御材の創製（NIMS）
研究項⽬（3）⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の特性評価① 微構造評価（東⼯⼤、NIMS）② 熱的特性評価（東⼯⼤）③ 機械的特性評価（東⼯⼤、NIMS）④ B4C制御材へのヘリウム照射実験（東⼯⼤）⑤ 中性⼦照射B4C制御材の特性評価（東⼯⼤、JAEA）
研究項⽬（4）実機B4C制御材の特性評価① 実機B4C制御材の特性評価（東⼯⼤、JAEA）② 実機B4C制御材の中性⼦照射挙動評価（東⼯⼤、JAEA）
研究項⽬（5）B4Cペレット型制御材の製造・検査技術の継承及び⾼度化（東⼯⼤、JAEA）

9

⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の作製プロセス（スリップキャスティング）①

固形分濃度（B4C/CNT/N66）20 vol%懸濁液の調製(体積⽐ B4C/CNT:N66 = 60:40)

PEI (Mw: 10,000)＋DTAB
3 wt.% vs. 全固形分

B4C

N66繊維 (φ50.2µm, 300µm)
PEI (Mw : 600)で表⾯改質済

酸処理したCNTPDDAで表⾯改質済*

蒸留⽔＋PEI＋DTAB

蒸留⽔
pH4.3に調整

⾃転公転攪拌

⾃転公転攪拌

⾃転公転攪拌 + 超⾳波照射

10⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の作製プロセス（スリップキャスティング）②

B4C成形体の前処理

静⽔圧成形 (CIP)

脱脂処理

N66繊維

200 MPa, 10 min➂

B4C成形体のHP焼結

N66繊維

400˚C, 2 h（⼤気中）エタノール処理による
B4C表⾯酸化物の変換・除去

エタノール

75˚C, 3 h

成形体を乾燥した後、HP焼結
HP焼結条件温 度： 2080℃
圧 ⼒： 40 MPa
時 間： 60 min
雰囲気： Arガス (2 L/min)11

(1)⾼次構造制御によるB4C基セラミック制御材の創製に向けた基礎的研究①スリップキャスティング法の基礎的研究
1. スラリー調製条件の最適化
2. B4C, Al2O3, カーボンナノチューブ(CNT), ナイロン(N66)繊維から成る4成分系スラリーの作製において、焼結助剤となるAl2O3及び造孔材となるN66繊維の添加量の最適化、また、ホットプレス（HP）法による焼結条件の最適化を⾏うことでCNT及び柱状気孔の⾯内配向を達成した。

CNT 002

TopSide10

鋳込、HP⽅向TopSide

鋳込、HP⽅向

87.5%B4C/10%CNT/2.5%Al2O3
HP焼結体 (40 vol% N66)

CNT 002

Intensity (a.u.)

B 4C

スリップキャスト成形体のHP焼結後のCNT配向

2030

40502θ

6070

80

200 µm
柱状気孔が⾯内配向12

(2)⾼次構造制御によるB4C基セラミック制御材の創製に関する研究①スリップキャスティング法によるB4C基セラミック制御材の創製
1. 分散性、気孔形状（柱状）、気孔率の観点からΦ50.2mmのN66繊維を採⽤することで、ホットプレス焼結後も柱状気孔が圧潰されることなく維持されることを確認し、スリップキャスティング法により柱状気孔が⾯内配向したB4C基セラミック制御材の作製を達成した。
2. スリップキャスト成形体のエタノール洗浄処理を⾏い、ホットプレス条件を2080˚C、40MPaとすることで柱状気孔を有しつつ全気孔率が5〜10％の⾼次構造制御材の作製に成功し、従来材と同様の中性⼦吸収効率が期待される。

柱状気孔を有する90%B4C/10%CNT
N66繊維

500 µm

気孔率：6.0%（開気孔率：4.4%）13

⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の作製プロセス（強磁場配向プロセス）
30 vol.%B4C-N66スラリーの調製
PEI(Mw: 10,000)＋DTAB
3 wt.% vs. 全固形分

B4C

N66 (φ10×300µm，Mw : 600のPEIで改質済)

⾃転公転攪拌

pH調整(4.3)

⾃転公転攪拌

蒸留⽔＋PEI＋DTAB

蒸留⽔

造孔材

(体積⽐B4C：N66 = 85：15)

B4C

回転磁場
印加

超⾳波照射

鋳込み
成形

前処理

焼結

混合分散スラリー

⼀軸配向制御配向成形体

B4C配向焼結体(ガス排気孔付)
14

⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の作製プロセス（強磁場配向プロセス）
ポリエチレンイミン(Mw: 10,000)

N66 (φ10×300µm)

B4C

Al2O3

遊星攪拌

遊星攪拌

蒸留⽔
ポリビニルピロリドン(Mw: 10,000)

遊星攪拌
CNT
遊星攪拌

超⾳波照射

遊星攪拌

蒸留⽔混合スラリー
15⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の作製プロセス（強磁場配向プロセス）
強磁場配向プロセスによる成形体作製
磁場

回転磁場印加の概略図

12T 超電導マグネット※試料⾃体を回転させることで回転磁場を再現

造孔材

B4C

回転磁場印加

鋳込み
成形

前処理

焼結混合分散スラリー

⼀軸配向制御配向成形体

B4C配向焼結体(ガス排気孔付)
16

⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の作製プロセス（強磁場配向プロセス）
焼結前の試料前処理②熱処理 脱脂・造孔材除去①CIP 緻密化処理(392 MPa, 10 min) (400℃ for 2h)

造孔材

B4C

回転磁場印加鋳込み
成形③エタノール洗浄
表⾯不純物処理(60℃ for 2h)

前処理

焼結混合分散スラリー

⼀軸配向制御配向成形体

B4C配向焼結体(ガス排気孔付)
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⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の作製プロセス（強磁場配向プロセス）
放電プラズマ焼結（SPS) 法による焼結

パルス電流印加時に発⽣するジュール熱等で直接加熱・焼結造孔材

B4C

回転磁場印加鋳込み
成形前処理

焼結混合分散スラリー

⼀軸配向制御配向成形体

B4C配向焼結体(ガス排気孔付)
18

(1)⾼次構造制御によるB4C基セラミック制御材の創製に向けた基礎的研究②強磁場配向プロセスの基礎的研究
1. スラリー作製において、B4C、N66繊維（造孔材）の2成分系、さらに焼結助剤となるAl2O3、機械特性向上のためのCNTを添加した4成分系の分散条件の最適化、また、強磁場中での試料の回転数の最適化を⾏うことでB4Cのc軸配向とN66繊維の⼀軸配向の両⽴を達成した。
2. ポリエチレンイミンの最適化量の決定とCNTスラリーを別スラリーとして混合することにより、各成分
磁場中成形でのB4C・造孔材配向
⺟相B4C・CNT（試料上⾯RTのXRD) の分散を制御し、磁場中での試料の回転条件を1rpm、30minとすることで、N66繊維の偏析を防⽌し、配向と均⼀性の両⽴に成功した。
N66造孔材（成形体破断⾯RSの光学顕微鏡像)
回転磁場印加12T

0無磁場
T

500 µm500µm

500 µm

N66繊維⻑軸が磁場印加により鉛直配向19

(1)⾼次構造制御によるB4C基セラミック制御材の創製に向けた基礎的研究③多孔化プロセスの基礎的研究
1. 磁場応答性、繊維剛直性、⼨法のバリエーションの点からN66繊維を採⽤することで、焼結後のセラミックス材においても柱状気孔が維持されることを確認し、磁場中成形試料では焼結後に⼀⽅向に配列した柱状気孔の導⼊を達成した。
2. ⼤気中加熱(400˚C)により造孔材除去（柱状気孔導⼊）が容易に可能であり、造孔材を回転磁場で配列することで柱状気孔の向きを揃えることが可能であり、気孔率は焼結収縮（50%）を考慮した造孔材添加量の増減で制御可能であることを⾒出した。

造孔材の熱分解温度測定

焼結後の断⾯組織観察像

100 µm20

(2)⾼次構造制御によるB4C基セラミック制御材の創製に関する研究②強磁場配向プロセスによるB4C基セラミック制御材の創製
放電プラズマ焼結（SPS）時のプレス⽅向と平⾏にN66を並べることで、SPSでのプレスによる柱状気孔の圧潰が妨げられ、SPS直前でのエタノール処理によりB4C⺟相の緻密化に成功し、従来の制御材の全気孔率（5-10％以下）を維持しながら⼀⽅向に揃った柱状気孔の導⼊を達成した。

全気孔率
洗浄あり
6.9%
洗浄なし
15.0%

⺟相気孔率(画像解析)
1.4%
4.4%
エタノール洗浄なし

エタノール洗浄あり

10 µm

焼結体の断⾯組織観察21

(3)⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の特性評価①微構造評価（1）1. 電⼦線後⽅散乱回折（EBSD）を⽤いた微構造評価を⾏い、B4C⺟相は配向、無配向共に等軸晶の結晶粒となっており、磁場印加試料では磁場回転⾯と平⾏な⾯で0001⾯が集積しており、c軸⼀軸配向となっていることを明らかにした。
2. EBSD結果より、B4C⺟相のc軸配向⾓度分布を計算した。回転磁場を印加した配向体試料
では⺟材B4C結晶粒のc軸が鉛直⽅向に対して10°以内に47%、20°以内に72%の結晶粒が存在しており、⼤部分のB4C結晶粒がc軸配向していることを明らかにした。
磁場印加

EBSDマッピング

磁場無⺟相結晶軸の配向⾓分布
12Rotating magnetic fieldno magnetic field

10θ8c axis

6B4
Tilt angle; θ200204060
Tilt angle (degree)

8022(3)⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の特性評価①微構造評価（2）磁場無5010050

1005050
10050

10050

Pore

Pore100

導⼊した柱状気孔の分布の可視化・定量評価に成功

1.0

磁場印加

0.80.6

磁場無0.457.7°

100

磁場印加

柱状気孔配向⾓分布21.2°

セラミックス内の柱状気孔分布（X線CT法）
3Dマッピング像

Normalized number concentration

1. X線CTによる内部の柱状気孔の観察を⾏い、回転磁場中で成形した試料では柱状気孔が⼀⽅向に揃っており、配向柱状気孔の導⼊を達成した。
2. X線CT測定結果から柱状気孔の配向⾓度分布を計算し、磁場中配向試料では50％の柱状気孔が垂直⽅向に対して21°以内の傾き⾓であり、無磁場試料では半分以上の柱状気孔が58°以上に傾いていることを明らかにした。

50%50%

0.2
0.0015304560

Tilt angle θ / °759023(3)⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の特性評価②熱的特性評価（1）
1. ホットプレス焼結により作製したCNT含有B4C基セラミック制御材（B4C/0~15vol％CNT/5vol％Al2O3）の熱的特性評価から、CNTを添加することでB4C基セラミックスの熱伝導率が向上し、CNTの配向⽅向において熱伝導率が最⼤で36 W/m·Kを⽰すことを確認した。
2. 本試料の熱衝撃パラメーター（Rʼ）は10.6 kW/mであり、実機B4C制御材のRʼ（4.0 kW/m）と⽐較して2.7倍の値が得られたことから、当初の⽬標（従来材の2倍以上のRʼ）を達成した。

CNT含有B4C基セラミック制御材の熱的及び機械的特性
ポアソン比

熱伝導率
(W/m·K@RT)

熱膨張係数(×10−6)

熱衝撃パラメーター(kW/m)

476

0.35

32

5.1

6.3

621

432

0.31

365.1

7.1

10645

263

0.35345.0

10.6

15520

230

0.33

32

4.99.7

実機B4C制御材（常陽）

435

400

0.34

28.0

5.04.0

CNT添加量(vol%)

曲げ強度(MPa)

弾性率(GPa)

0736

224(3)⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の特性評価②熱的特性評価（2）
1. 熱衝撃試験による耐熱衝撃性評価において、スリップキャスティング法及び強磁場配向プロセスにより作製した⾼次構造制御B4C基セラミック制御材（柱状気孔を有する90%B4C/10%CNT）では、最⼤400˚Cまで強度が⼤きく低下することなく、実機B4C制御材（臨界温度が300˚C以下）と⽐較して優れた耐熱衝撃性を有することを確認した。
2. ⼀⽅向に配向した柱状気孔を有する強磁場配向B4C基セラミック制御材では、⽅位制御した細孔の導⼊とB4C⺟相の結晶配向により、ヘリウムガス放出⽤気孔の形成と優れた熱的特性の両⽴に成功した。

熱衝撃試験後の残存強度

強磁場配向試料の残存強度評価⽅向

強磁場配向-Tc-axis // load

強磁場配向-Sc-axis ⊥ load
25

(3)⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の特性評価③機械的特性評価
1. ⼀⽅向に配向した柱状気孔を有するc軸配向B4Cは、CNT無添加材のc軸平⾏⽅向でも459MPaの強度が得られ、従来の制御材B4Cの強度(435MPa)よりも⾼く、CNTを添加することでさらに⾼い強度を得ることに成功した。強磁場配向プロセスでは、N66繊維の配向による⽅位制御した細孔の導⼊とB4C⺟相の結晶配向、およびSPSでの⺟相緻密化により、ガス放出特性に寄与する配向柱状気孔の形成と強度を両⽴するという⽬標を達成した。
2. 3点曲げ試験をc軸配向⽅向と垂直、平⾏⽅向で⾏い、曲げ強度の絶対値の評価および機械特性の異⽅性についての評価を⾏った。

3点曲げ試験結果

試料配向⽅向と荷重⽅向

試料と荷重方向c-axis // load

c-axis ⊥ load

3点曲げ強度（MPa）

B 4C（c軸⊥）554±98.2

B 4C（c軸//）

459±39.1

B4C+CNT（c軸⊥）642±41.4

B4C+CNT（c軸//）630±84.3

焼結密度（%）
91.3±1.791.6±0.126

(3)⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の特性評価④ B4C制御材へのヘリウム照射実験
1. ⾼速イオンビーム照射装置を⽤いたヘリウムイオン照射B4C基セラミック制御材について、質量分析計付属の⽰差熱天秤装置(TG-MS)により、加熱に伴い試料内部に⽣成したヘリウムガスの放出挙動を評価した。
2. 柱状気孔を有するB4C基セラミック制御材では、400˚C付近で速やかにヘリウムが放出されており、柱状気孔の導⼊がヘリウム放出を促進することを確認した。
3. 中性⼦照射したB4C制御材と酷似したヘリウムバブルの成⻑形態を確認した。また、成⻑したヘリウムバブルが空隙に放出する痕跡を観察した。
強磁場配向B4C基セラミック制御材のマスクロ
マトグラムと粒内に⽣成したヘリウムバブル

ヘリウムイオンの照射条件
試料番号
ビーム
加速粒子

m/z=4照射量①気孔あり

試料の気孔率

①②

αビーム
4He
177.67×10 ion/ 6.20×1017 ion/cm2cm218.7 %
0.3 %

②気孔なし
ブランク
(He照射なし)27

(3)⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の特性評価⑤中性⼦照射B4C制御材の特性評価（1）1. 照射条件として、BAMI（軽⽔炉条件）で室温、1.5×1024n/m2(≥1MeV)及びCALLISTO（加圧⽔型条件）で290˚C、1×1024 n/m2 (≥ 1 MeV)でそれぞれ中性⼦照射した
B4C基セラミック制御材について照射による影響を評価した。さらに、加熱による回復挙動を評価した。
2. 中性⼦照射試料では、照射⽋陥、ヘリウム⽣成、熱応⼒に伴う⻲裂⽣成による⼤幅な熱伝導率の低下を確認した（未照射B4C/CNT複合体の熱拡散率：平均12.1 mm2/s）。
3. 加熱に伴う熱的特性の回復挙動評価では、400˚C付近からB4C結晶格⼦の回復による熱拡散率の向上を確認した。また、CNTの添加により800˚C以上での⻲裂の発⽣・成⻑が抑制され、⾼温域での使⽤が想定される制御材における⻑寿命化が期待される成果が得られた。
加熱に伴う熱拡散率の回復挙動

800˚C熱処理後の中性⼦照射
B4C基セラミック制御材の外観写真

CALLISTO

BAMI

28

(3)⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の特性評価⑤中性⼦照射B4C制御材の特性評価（2）
1. 「常陽」実機制御B4Cの⾮照射材及び照射材の熱衝撃特性の相関と、⾼次構造制御B4Cの⾮照射材の熱衝撃特性を⽐較した。その結果、JAEAにて過去に実施した複合材化B4C等（B4C/SiCW等）と同等の⾼い熱衝撃耐性を⾼次構造制御B4C が有しており、照射下でも有⽤と考えられることを⽰し、当初⽬標を達成した。
2. 供試材(a) 従来材（「常陽」実機制御B4C）：10B濃縮度90at%, 92%T.D.、ホットプレス法(b) 東⼯⼤製造：87.5vol%B4C/2.5vol%Al2O3/10vol%CNT、スリップキャスティング法(c) NIMS製造 ：87.5vol%B4C/2.5vol%Al2O3/10vol %CNT、強磁場配向プロセス法

熱衝撃試験⽅法の概略図

割れ発⽣までに要した試験試験
回数の温度依存性29

(4)実機B4C制御材の特性評価①実機B4C制御材の特性評価
1. 実機B4C制御材の⾮照射材を⽤いて、制御棒の寿命に⼤きく影響すると考えられる割れ特性に係る熱衝撃特性を評価し、熱衝撃の繰り返しによるクラックの進展状況や⽋損部の発⽣状況といった熱衝撃におけるB4C制御材における詳細な基礎データのを取得した。また、
JAEAにて過去に実施した熱衝撃試験結果と⽐較し、再現性を確認した。以上より、実機
B4C制御材の基礎特性を評価するという当初⽬標を達成した。
2. 供試材「常陽」実機制御B4C：10B濃縮度90at%, 92%T.D.

JAEA報告書（内部文書）より

熱衝撃試験結果（クラック及び⽋損発⽣までの試験回数）

600℃→20℃の熱衝撃試験後の表⾯観察結果（再現性確認）

30

(4)実機B4C制御材の特性評価②実機B4C制御材の中性⼦照射挙動評価
1. 実機B4C制御材の中性⼦照射挙動を評価するため微細組織観察を⾏い、B4C制御材の割れの⼀要因と考えられているHeバブルの形成状態について評価した。粒内には平板状及び球状のHeバブルが形成されており、低い照射温度域では、粗⼤化したHeバブルが少数形成する傾向を⽰した。また、粒界では、⽐較的⼩さなHeバブルが粒界に蓄積しており、⾼い照射温度域にて粗⼤化する傾向を⽰した。また、空隙の周辺では蓄積したHeバブルが減少している傾向が認められた。以上より、中性⼦照射下におけるHeバブルの挙動とともに⾼次構造制御による導⼊する貫通型気孔がHeバブルの拡散パスとして有効に機能し、脆性破壊の抑⽌可能性を⽰唆することを確認し、照射下における⾼次構造制御材の有効性確認という当初⽬標を達成した。
2. 供試材：「常陽」制御棒材料照射リグ（AMIR）にて照射された実機B4C制御材(D)

照材済B4C制御材の粒界におけるHeバブル形成

クラック及び粒界におけるHeバブル形成
31

(1)⾼次構造制御によるB4C基セラミック制御材の創製に向けた基礎的研究④B4C制御材の反応度評価
1. ⾼次構造制御によるB4C基セラミック制御材の創製に向けて、原⼦炉の運転管理に必要となる制御棒反応度価値への制御材組成が与える影響について、空孔率の有無（空孔率1%、10%）やAl等の添加影響などの事前検討及び創製条件でのAl及びCNT添加に伴う10B量が減少した条件にて評価した結果、制御棒反応度価値は10B量のみに依存し約5%減少するが、設計対応可能であることを確認し、創製に向けた組成決定フィードバックという当初⽬標を達成した。
2. 評価対象炉⼼及び制御棒仕様は、⾼速実験炉「常陽」MK-Ⅲ標準炉⼼（第3列平均スペクトル）とし、解析には燃焼度計算コードORIGEN2.2等を⽤いた。
表(1)④ B4C制御材の物性値
項目単位

1. 10B濃縮度[wt%]2. 密度[g/cm3]

1) B4C
気孔率10 %（現行仕様）
気孔率0 %2) Al3) カーボンナノチューブ（略称CNT）
3. 異種物質添加量
1) 基準
2) B4C減少無※Al添加
Al＋CNT添加
3) B4C減少有Al添加
Al＋CNT添加

[wt%]

90.0

2.140
2.378
2.700
1.800
（炭素100 %と仮定）（B4C/Al/CNT）
100/ 0.0/ 0.0100/ 5.3/ 0.0100/ 5.5/17.2
94.7/ 5.3/ 0.0
77.3/ 5.5/17.2

10B充填量と制御棒反応度価値の関係32

(5) B4Cペレット型制御材の製造・検査技術の継承及び⾼度化（1）1. B4Cペレット型制御材の製造・検査技術の継承を⾏うため、製造経験を有する（株）デン
カ殿にて検査技術等について調査を⾏い、ホットプレス法における製造条件及び外観検査時に⽤いる⽋陥有無の指標となる「限度⾒本」等の情報を⼊⼿し整理した。また、製造ロット内でのB4Cペレット外径測定値の分布状況など過去の製造実績やレーザー外径測定器による検査技術の精度等について情報を整理した。これらの結果は、検査技術の⾼度化検討に資することとした。以上より、当初⽬的を達成した。
2. 供試材：「常陽」第9次取替⽤製造B4Cペレット⽤製造分（819個）「傷」「常陽」第9次取替制御棒B4Cペレット外径測定分布状況「カケ（割れ）」「カケ（割れ）」

製造実績
・819個の約40%が16.262mm近傍で製造
・16.266mmと16.275mmの２つのピークが存在「傷」「もんじゅ」後備炉停⽌棒集合体⽤B4C
ペレットの外観検査限度⾒本「常陽」制御棒の構成及びB4Cペレット外径測定の概要

33

(5) B4Cペレット型制御材の製造・検査技術の継承及び⾼度化（2）1. B4Cペレット型制御材の製造・検査技術の⾼度化及び⾼次構造制御B4C基セラミック制御材の「常陽」照射を想定して、外径や貫通型気孔等の受⼊検査⽅法の⾼度化としてデジタルマイクロスコープの活⽤を検討した。その結果、従来と同じ精度でペレット全域にわたる詳細なデータ取得可能といった有⽤性を確認した。以上より当初⽬的を達成した。
2. 「常陽」実機制御棒B4Cペレット、⾼次構造制御B4C基セラミック制御材
⾼次構造制御B4Cセラミック制御材における検査項⽬検討結果

観察面

⾼次構造制御B4Cセラミック制御材（NIMS製造材）での外観/細孔観察

デジタルマイクロスコープによるB4Cペ
レットの外径評価34

⽬標に対する達成度
本研究終了時における達成⽬標
・気孔貫通型多孔体
・気孔率10%程度（従来材と同等）
・熱伝導率30W/m•K以上（制御材（従来材）の熱伝導率〜20W/m•K）・ヘリウムガス放出（透過）能・耐熱衝撃性に優れる（熱応⼒緩和）（熱衝撃パラメーターRʼ 2倍以上）開発した制御材について既存の検査技術の適⽤性の検討及び技術継承を⾏う
とともに、最新の検査技術の適⽤性等を評価することで⾼度化を検討【実施年度：H28~R1年度】
気孔貫通型多孔体
・気孔の⾯内配向を達成（スリップキャスト）
・気孔の⼀軸配向を達成（強磁場配向プロセス）
気孔率・従来材と同等の値（5〜10%）を達成
・B4C⺟相の緻密化と貫通型気孔の両⽴を達成
熱伝導率
・CNT添加により最⼤36W/m•Kを達成
ヘリウムガス放出（透過）能・柱状気孔の導⼊により、400℃における速やかなヘリウム放出能を達成
耐熱衝撃性
・CNT添加により、従来材の2.7倍のRʼを達成
・CNT添加及び貫通型気孔の導⼊により、残存強度において従来材より200℃⾼い臨界温度を達成
製造・検査技術の継承および⾼度化
・B4Cペレット型制御材の外径測定の⾼度化を達成
・貫通型気孔の検査技術の⾼度化を達成
35

研究業績
学会発表：51件（国内学会・⼝頭）：22件（国内学会・ポスター）：7件（国際学会・⼝頭）：15件（内1件（国際学会・ポスター）：7件

招待講演）

論⽂発表
4件
受賞

1件

36