JP2004198281A

JP2004198281A - 中性子遮へい材および使用済燃料収納容器

Info

Publication number: JP2004198281A
Application number: JP2002367870A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Kamoshita; 守鴨志田; Masashi Oda; 将史小田; Naoki Kumagai; 直己熊谷; Takashi Nishi; 高志西
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】金属キャスクに用いられる耐熱性と遮へい性能に優れ、中性子遮へい材の添加量を最小限にした中性子遮へい材の提供。
【解決手段】単位体積当りに含まれる水素の原子数が４.５×１０²²〜５.６×１０²²個／ｃｍ³、単位体積当りに含まれるホウ素同位体である¹⁰Ｂの原子数が２×１０¹⁹〜１.７×１０²⁰個／ｃｍ³である中性子遮へい材。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性子遮へい材に係り、特に、使用済燃料の輸送用および貯蔵用の容器として使用する金属キャスクの遮へい部として好適な中性子遮へい材、および、それを用いた使用済燃料収納容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉から取出された使用済燃料集合体は、原子力発電所内の冷却プールで一定期間水冷却して、放射線量や発熱量を減衰させた後、燃料再処理工場等の処理施設に輸送される。
【０００３】
また、近年、海外では使用済燃料集合体を集中貯蔵施設（乾式貯蔵施設）に輸送して、貯蔵することが行われている。使用済燃料集合体を原子力発電所からこれらの施設まで輸送し、さらに、貯蔵するために用いられる使用済燃料収納容器として金属キャスクがある。
【０００４】
金属キャスクは、容器を構成する外筒内に内筒を設け、内筒の外面に熱伝導性が高い銅やアルミニウム等の金属板で構成された伝熱フィンが周方向に間隔を置いて取り付けられ、内筒の内側に金属製バスケットが設けられる。外筒と内筒との間には、中性子遮へい体である硬化されたレジンが存在する。
【０００５】
内筒は、上方が開口した炭素鋼製の筒であり、γ線遮へい体である。金属製バスケットは、複数のセルを備え、それぞれのセル内に使用済燃料集合体が充填されている。
【０００６】
金属製バスケットは、合計約３０〜７０体の使用済燃料集合体を収納する。内筒の開口部には、放射性物質の漏洩を防止する一次蓋が取り付けられ、さらにその外側に二次蓋が取り付けられる。
【０００７】
中性子遮へい体であるレジンは、水素原子を多数含む、即ち、水素数密度が高い物質であり、一般に高分子化合物が使用される。種々の高分子化合物のうち、金属キャスクでは、耐熱性と水素数密度のバランスがよいと云う特徴を生かして、エポキシ樹脂が多用される。
【０００８】
この場合には、液状のエポキシ樹脂主剤とアミン系硬化剤、これに難燃性を付与する水酸化アルミニウム、および、中性子吸収体である炭化ホウ素を均一になるように混合して得られる硬化物を、上記の内筒、外筒および伝熱フィンに囲まれる空間に設置して使用する。
【０００９】
金属キャスクへの適用を目的としたエポキシ系中性子遮へい材としては、特許文献１では「中性子遮へい体およびこれを用いたキャスク」に記載がある。この中性子遮へい材では、主剤の水素含有量が７.６重量％と高く、中性子を減速させる性能に優れており、耐久性を向上させるために、ナトリウム等の不純物濃度が低い特殊な難燃剤を使用している。
【００１０】
耐久性を保証するためには、難燃剤中のナトリウム不純物濃度を厳しく管理する必要がある。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１０８７８７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
冷却プール内での使用済燃料集合体の保管に余裕を持たせるために、原子力発電所内または原子力発電所外における乾式貯蔵が検討されている。将来的には、冷却プールでの冷却期間が短い使用済燃料集合体の乾式貯蔵、更には高燃焼度（４５ＧＷｄ／トン）の使用済燃料集合体の乾式貯蔵が行われる可能性もある。
【００１３】
冷却プールでの冷却期間が短い使用済燃料集合体、および、その高燃焼度燃料集合体の使用済燃料集合体は、核分裂生成核種および超ウラン元素の崩壊に伴う発熱量が大きい。
【００１４】
このような使用済燃料集合体を金属キャスクで貯蔵する場合、金属キャスク１基当りに収納する体数を増加すると、金属に比べて熱伝導度が低い中性子遮へい材にかかる熱負荷が大きくなる。
【００１５】
一般に、高分子材料は水素含有率が高くなるに伴い耐熱性が低下する。そのため、中性子遮へい材への熱負荷が大きくなる場合には、遮へい性能と耐熱性のバランスのとれた遮へい材組成を見出す必要がある。
【００１６】
本発明の目的は、遮へい性能を維持しつつ、高温度での使用に耐えられる中性子遮へい材を提供し、併せて中性子吸収剤の添加量を最小化した中性子遮へい材を提供することにある。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、上記中性子遮へい材を用いた使用済燃料収納容器を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明の特徴は、金属キャスクの遮へい性能と耐熱性の観点から、遮へい材料の水素密度とホウ素（¹⁰Ｂ）密度の範囲を特定したことにある。
【００１９】
炭素と水素を含む高分子材料では、水素密度の高い材料は水素と炭素の比率が高い材料である。そのため、必然的に分子構造内の炭素同士の二重結合が少なくなり、熱によってその結合が相対的に切れ易いσ結合の割合が多くなる。そのため、水素密度と耐熱性とは、一般にトレードオフの関係になる。
【００２０】
本発明では、この点を考慮して遮へい材組成範囲を決定し、１５０〜２００℃の高温度で使用可能な中性子遮へい材を提供する。これは、熱劣化による水素数密度の減少度合いが著しく小さいので、初期の遮へい性能を長期に渡り維持することができる。
【００２１】
金属キャスクでは、使用済燃料に含まれる放射性核種から放出される一次γ線と中性子、および中性子と遮へい材成分の核反応で発生する二次γ線を遮へいする。このうち、一次γ線は、炭素鋼製の内筒により遮へいされる。
【００２２】
中性子遮へい材は、中性子と二次γ線の遮へいに寄与している。中性子は水素等の質量の小さな原子で散乱されて減速し、ホウ素等の中性子吸収断面積が大きな原子で吸収される。この反応の際に二次γ線が放出される。従って、中性子と二次γ線の遮へい性能は、原理的に材料の水素密度とホウ素密度に依存する。
【００２３】
本発明者らは、金属キャスク体系において、中性子遮へい材の組成を種々変更したときの遮へい計算を行い、水素密度とホウ素（¹⁰Ｂ）密度の適切な範囲の設定を試みた。
【００２４】
図１は、金属キャスク表面から１ｍの位置における中性子線量当量率（相対値）の水素密度（比重とＣＨＮ分析とから求められる）依存性を示す。この結果から、水素密度を５.６×１０²²個／ｃｍ³以上に高めても利得は小さくなることが分かる。
【００２５】
その一方で、水素密度が高くなるに伴い耐熱性は低下することから、水素密度の上限は５.６×１０²²個／ｃｍ³となる。
【００２６】
水素密度が４.５×１０²²個／ｃｍ³を下回ると中性子の線量当量率が高くなるために、遮へいを厚くする必要が生じる。キャスク設計には重量や寸法の制約があるので、水素密度を４.５×１０²²個／ｃｍ³よりも低くすることは好ましくない。また、¹⁰Ｂ密度を６×１０¹⁹個／ｃｍ³以上にしておけば、中性子の遮へい性能は変わらない。
【００２７】
図２は、金属キャスク表面から１ｍの位置における二次γ線線量当量率（相対値）の¹⁰Ｂ密度の依存性を示す。この結果から、水素密度が５×１０²²個／ｃｍ³以上であれば、¹⁰Ｂ密度を１.７×１０²⁰個／ｃｍ³以上に高めても利得は小さくなる。その一方で、¹⁰Ｂ密度が高くなるに従って、遮へい体内でホウ素化合物の偏在が生じる潜在的可能性が高くなる。
【００２８】
以上より、本発明者らは、遮へい材の水素密度を４.５×１０²²〜５.６×１０²²個／ｃｍ³、ホウ素（¹⁰Ｂ）密度を６×１０¹⁹〜１.７×１０²⁰個／ｃｍ³に設定した。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の中性子遮へい材の具体的な配合例を次に示す。
【００３０】
〔実施例１〕
本実施例では、汎用的なビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用いて、本発明に係る組成の中性子遮へい材を得る方法について述べる。
【００３１】
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と脂環式アミン系硬化剤を加えたベースレジンに、難燃剤としての水酸化アルミニウムを５０重量％になるように加え、さらに炭化ホウ素を１.３重量％になるように加える。これらを良く攪拌して水酸化アルミニウムや炭化ホウ素を樹脂中に均一に分散させる。次いで、減圧脱泡して注型後、常温あるいは加熱しながら硬化させて遮へい材を得る。
【００３２】
上記組成の遮へい材の加熱減量特性を調べた結果、２００℃に１０００時間保持したときの加熱減量は３重量％と非常に小さい値であった。また、比重とＣＨＮ分析とから求められる水素密度は５.５×１０²²個／ｃｍ³、比重とＩＣＰ発光分光分析、および、天然ホウ素同位体組成から求められる¹⁰Ｂ密度は１.７×１０²⁰個／ｃｍ³である。
【００３３】
なお、主剤としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂単独以外に、芳香族モノグリシジルエーテル型のエポキシ化合物を混合したものを用いてもよい。
【００３４】
本実施例では、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂に対し、脂環式アミン系硬化剤を用いた例を示した。硬化剤としては、これ以外に脂肪族アミンやポリアミドアミン系の硬化剤も適用できる。
【００３５】
主剤と硬化剤の割合は、主剤であるエポキシ樹脂のエポキシ当量と、硬化剤の活性水素当量とから決まる値にする。本実施例では、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と脂環式アミン系硬化剤の配合比（重量）は１００：約３０である。また、難燃剤として添加する水酸化アルミニウムについては、４０〜６０重量％の範囲であればよい。
【００３６】
ホウ素化合物の形態は炭化ホウ素に限らず、安定化合物であればよい。その場合、樹脂硬化物の密度および化合物の¹⁰Ｂ含有割合から¹⁰Ｂ密度が６×１０¹⁹〜１.７×１０²⁰個／ｃｍ³になるよう化合物添加割合を逆算すればよい。
【００３７】
各種の主剤と、芳香族アミン，脂環式アミン，ポリアミドアミンまたは酸無水物から選ばれる硬化剤を用いた場合の水素数密度を表１，２に示す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【表２】

【００４０】
また、本実施例の中性子遮へい材である金属キャスクへの設置方法としては、内筒，外筒および伝熱フィンに囲まれる空間に、液状の樹脂を注型して硬化させる方式、あるいは、硬化物成型体を前記空間に取り付ける方式のいずれを採用してもよい。
【００４１】
本実施例によれば、耐熱性と遮へい性能が優れ、中性子吸収剤の添加量を最小限にした遮へい材を得ることができる。
【００４２】
〔実施例２〕
実施例１に示したビスフェノールＡ型エポキシ樹脂以外にも芳香族系の各種ノボラック型エポキシ樹脂，グリシジルエステル型エポキシ樹脂，グリシジルアミン型エポキシ樹脂等が、本発明の中性子遮へい材の樹脂主剤として使用できる。
【００４３】
これらは、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と同等の水素含有率である。従って、実施例１と同様の配合により、所望の元素組成の遮へい材を得ることができる。
【００４４】
上記の各種エポキシ樹脂から選んだ主剤に、硬化剤として脂肪族アミン，脂環式アミンあるいはポリアミドアミンを添加し、難燃材としての水酸化アルミニウムまたは水酸化マグネシウムを４０〜６０重量％添加する。さらに炭化ホウ素を１.３重量％になるように添加する。
【００４５】
主剤と硬化剤との割合は、主剤のエポキシ当量と硬化剤の活性水素当量とから決まる値にする。一例としては、ノボラック型エポキシ樹脂と脂環式アミン系硬化剤の配合比は重量で１００：約３０である。また、難燃材として添加する水酸化アルミニウムについては、４０〜６０重量％の範囲であればよい。
【００４６】
また、炭化ホウ素以外の安定なホウ素化合物も適用可能であり、添加割合を決定する考え方は実施例１と同じである。
【００４７】
上記混合物をよく混練して、難燃材やホウ素化合物をよく分散させる。これを真空脱泡後注型して硬化することで、所望の水素および¹⁰Ｂの原子数密度を有する中性子遮へい材が得られる。本実施例の遮へい材は、実施例１と同様の設置方法が適用できる。
【００４８】
本実施例によれば、耐熱性と遮へい性能が優れ、中性子吸収剤の添加量を最小限にした遮へい材を得ることができる。
【００４９】
〔実施例３〕
本実施例では、脂環式のエポキシ樹脂を使用した例を記載する。主剤の水素含有率が高いので、水素含有率が低い硬化剤、即ち、芳香族アミンや酸無水物を適用する。
【００５０】
これに、水酸化アルミニウムまたは水酸化マグネシウムを難燃材成分として４０〜５０重量％になるように添加し、さらに炭化ホウ素を１.３重量％になるよう添加する。
【００５１】
これらを良く混練して均一に分散させ脱泡後、注型して硬化することで所望の元素組成の遮へい材が得られる。
【００５２】
なお、硬化剤として酸無水物を使用する際には、硬化促進剤としてイミダゾールを添加してもよい。また、炭化ホウ素以外の安定なホウ素化合物が適用できることは、実施例１，２と同じである。
【００５３】
本実施例の遮へい体の設置方法は、実施例１と同じ方法が適用できる。本実施例によれば、耐熱性と遮へい性能が優れ、中性子吸収剤の添加量を最小限にした遮へい材を得ることができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、耐熱性と遮へい性能に優れ、中性子吸収剤の添加量を最小限にした中性子遮へい材を得ることができる。金属キャスクに本発明の遮へい材を使用することにより、高発熱燃料を効率よく収納することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属キャスク表面から１ｍの位置における中性子線量当量率を示すグラフである。
【図２】金属キャスク表面から１ｍの位置における二次γ線線量当量率を示すグラフである。

Claims

高分子材料とホウ素化合物を含む中性子遮へい材において、単位体積当りに含まれる水素の原子数が４.５×１０²²〜５.６×１０²²個／ｃｍ³、単位体積当りに含まれるホウ素同位体である¹⁰Ｂの原子数が６×１０¹⁹〜１.７×１０²⁰個／ｃｍ³であることを特徴とする中性子遮へい材。
前項高分子材料が、分子内にエポキシ基を二つ以上含む化合物を少なくとも一つの成分として含む主剤を、前記エポキシ基を開環重合させる硬化剤を添加して硬化して得られるエポキシ系樹脂である請求項１に記載の中性子遮へい材。
前記主剤に添加された難燃剤が樹脂硬化物に含まれている請求項２に記載の中性子遮へい材。
エポキシ系樹脂の主剤がビスフェノールＡ型エポキシ化合物，ノボラック型エポキシ樹脂，各種のグリシジルエステル型エポキシ化合物，グリシジルアミン型エポキシ化合物およびビフェニル型エポキシ化合物から選ばれ、前記硬化剤が芳香族アミン，環式アミンまたはポリアミドアミンのアミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤およびイミダゾール系硬化促進剤を単独または混合したもので、ホウ素化合物が炭化ホウ素または窒化ホウ素であり、難燃剤が水酸化アルミニウムまたは水酸化マグネシウムである請求項２に記載の中性子遮へい材。
エポキシ系樹脂の主剤が脂環式グリシジルエーテル型エポキシ化合物であり、硬化剤が酸無水物系硬化剤およびイミダゾール系硬化促進剤を単独あるいは混合したもので、ホウ素化合物が炭化ホウ素や窒化ホウ素であり、難燃剤が水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウムである請求項２に記載の中性子遮へい材。
前記主剤に添加された分子内にエポキシ基を少なくとも一つ含むエポキシ化合物が、樹脂硬化物に含まれている請求項１〜５のいずれかに記載の中性子遮へい材。
外側容器と、該外側容器内に設置された内側容器と、前記内側容器内に設置され、使用済燃料集合体を収納するバスケットと、前記外側容器と前記内側容器との間に配置された請求項１〜６のいずれかに記載の中性子遮へい材を備えて成ることを特徴とする使用済燃料収納容器。