JP2004212063A - 放射性物質貯蔵用構造強度材及び放射線遮蔽材、並びにこれらの熱間成形用ビレット - Google Patents

Abstract

【課題】高温環境下においても強度を維持できる放射性物質貯蔵用構造強度材を提供すること。
【解決手段】Ｓｉの含有量を所定量以下に制限し且つＭｇ量を所定量含有したＡｌ粉末を用意し（ステップＳ１０１）、同時にＢ又はＢ化合物の粉末を用意する（ステップＳ１０２）。これらをメカニカルアロイングによって処理し（ステップＳ１０３）、Ａｌ混合粉末を製造する。乾燥（ステップＳ１０４）により当該Ａｌ混合粉末に含まれる余剰の助剤が除去された後、ＣＩＰ（冷間静水圧成形法）により前記Ａｌ混合粉末の予備成形体が成形される（ステップＳ１０５）。この予備成形体を無加圧状態で真空焼結（ステップＳ１０６）してビレットを製造する。このビレットを誘導加熱手段により加熱しながらダイスによって熱間成形（例えば熱間押出し成形）して（ステップＳ１０７）、最終製品を得る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼を終えたリサイクル燃料集合体を収容、貯蔵するものであってキャスクやラックを構成する中性子吸収能を備えたＡｌ（アルミニウム）材及びその製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、高温強度に優れ、且つ熱間成形が容易な放射性物質貯蔵用構造強度材及び放射線遮蔽材、並びにこれらの熱間成形用ビレットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼を終え、核燃料サイクルの終期に至った核燃料集合体を、リサイクル燃料という。現在、このリサイクル燃料は、再処理するまで貯蔵施設において貯蔵管理されている。このようなリサイクル燃料は、例えば、燃料プールによる貯蔵方式においては、プール内にステンレス製の角パイプを束ねたラックを設置して、この角パイプ内にリサイクル燃料集合体を収容することにより、冷却効果、遮蔽効果、未臨界性などの要求を満たすようにしている。
【０００３】
また、近年では、ラックを構成する角パイプとして、ステンレス材に中性子吸収材であるボロンを添加したものが使用され始めている。このような角パイプを使用すれば、角パイプの間に配置していた中性子吸収材を省略できるので、角パイプ間の間隔を密にすることができる。このため、プールのピット内に挿入できる角パイプの本数を増加させることができるので、その分、リサイクル燃料集合体の収容数を増加させることができる。
【０００４】
このような角パイプは、キャスク、横型サイロ、プール、ボールド等の各種貯蔵方式に適用することができるが、ラックを構成するにしてもその生産すべき本数が多いので、角パイプを効率的に生産できる技術が要求されている。また、リサイクル燃料集合体から発生する中性子を確実に吸収する必要があるため、角パイプは中性子吸収材が良好に分布するとともに、構造強度材に求められる強度及び靭性をバランスよく有することが求められる。
【０００５】
また、上記角パイプは、リサイクル燃料集合体を貯蔵する際に使用するものであるが、当該角パイプ式のラックの他に板状部材を組み合わせた平板式のラックが知られており、このような平板式のラックにおいても効率的な生産性及び構造の健全性が要求されている。さらに、加圧水型炉（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）用のリサイクル燃料集合体は、その質量が大きいため、これを収容する角パイプやラックにはより大きな強度が求められる。また、高燃焼度且つ短冷却期間のリサイクル燃料集合体は発熱量が大きいので、角パイプや板状部材には高温環境下においても強度を維持できることが求められる。
【０００６】
これらの角パイプや板状部材のような、放射性物質の貯蔵に用いられる構造材としては、上記ステンレス材に中性子吸収材を添加したものの他に、中性子吸収材としてＢ（ボロン）又はＢ化合物をＡｌ（アルミニウム）に含有させたＢ−Ａｌ（ボロン−アルミニウム）材が知られている。このようなＢ−Ａｌ材として、特許文献１には、Ａｌの粉末とＢ又はＢ化合物の粉末とを混合させ、所定の形状に成形した後焼結して製造するＡｌ複合材が開示されている。また、特許文献２や特許文献３には、メカニカルアロイングによってＡｌ粉末とＢ又はＢ化合物の粉末とを混合させることによってＢをＡｌ母相中へ均一に分散させ、且つ強度を向上させたＢ−Ａｌ材が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−４２０８９号公報
【特許文献２】
特許３２０７８４０号公報
【特許文献３】
特許３２０７８４１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メカニカルアロイングによれば、材料の強度を向上させることはできるが、その反面靭性が低下して熱間成形性、特に押出成形がし難くなってしまう。また、単にＡｌの粉末とＢ又はＢ化合物の粉末とを混合させて成形・焼結したのでは、構造強度材に求められる強度及び靭性をバランスよく備えるＢ−Ａｌ合金を得ることができない。さらに、高燃焼度且つ短冷却期間のリサイクル燃料集合体は発熱量が大きいので、角パイプや板状部材には高温環境下においても、構造強度材に求められる強度及び靭性をバランスよく備えていることが求められる。しかしながら、従来のＢ−Ａｌ材では、このような要求に対応することは困難であった。
【０００９】
この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、高温環境下においても構造強度材に求められる強度及び靭性をバランスよく備えること、熱間成形、特に熱間押出成形が容易で生産性に優れることのうち少なくとも１つを達成できる放射性物質貯蔵用構造強度材及び放射線遮蔽材、並びにこれらの熱間成形用ビレットを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は、中性子吸収材を含むＡｌの母相中に少なくともＡｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄とが存在し、且つ前記Ａｌ₄Ｃ₃と前記Ａｌ₂Ｏ₃と前記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を５５質量％以下としたことを特徴とする。
【００１１】
この放射性物質貯蔵用構造強度材は、Ａｌ₄Ｃ₃の微細粒子をＡｌ母相中に所定割合析出させてある。このため、靭性及び熱間成形性能を維持しつつ、高温環境下（２５０℃程度）においては高い強度を発揮できる。また、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合が上記範囲であれば、Ａｌ母相中へ適度にＡｌ₄Ｃ₃の微細粒子することになるので、熱間成形性が悪化せず、熱間成形によって所望の形状に成形できる。特に角パイプ形状とする場合には、押出成形により生産すると角パイプを容易に製造することができる。さらに、請求項２に係る放射性物質貯蔵用構造強度材のように、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合は３０質量％以上とすることが好ましい。この範囲であれば、より高温強度を向上させることができる。
【００１２】
ここで、以下必要に応じて、Ｘ＝Ａｌ₄Ｃ₃／（Ａｌ₄Ｃ₃＋Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）を存在比というものとする。また、熱間成形には、熱間押出し、熱間圧延、熱間鍛造その他の熱間成形加工が含まれる（以下同様）。なお、本発明にいう放射性物質貯蔵用構造強度材とは、リサイクル燃料集合体を格納するバスケットやリサイクル燃料の貯蔵プールで用いるラック等を構成するための部材に用いる構造材料をいう（以下同様）。なお、本発明にいう放射性物質貯蔵用構造強度材は、放射線である中性子を吸収するための中性子吸収材を含んでおり、放射線、特に中性子遮蔽材としての機能も有する（以下同様）。
【００１３】
また、請求項３に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は、上記放射性物質貯蔵用構造強度材において、Ｍｇを含有するＡｌ粉末と中性子吸収材の粉末とをメカニカルアロイングによって処理したＡｌ処理粉末を真空焼結した後に熱間成形したことを特長とする。
【００１４】
この放射性物質貯蔵用構造強度材は、中性子吸収材の粉末とＭｇを含有するＡｌの粉末とをメカニカルアロイングによって処理し、必要に応じて脱ガス処理した後、焼結する。このときの焼結は、真空焼結が好ましい。これにより、Ａｌ母相中に含まれるＭｇを核として、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄が析出する。そして、メカニカルアロイングや真空焼結の条件を制御することによって、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の析出量を制御できるので、存在比Ｘを上記範囲に収めやすくなる。さらに、多数の高エネルギーボールによって常にＡｌ粉末がすりつぶされるので、Ａｌ母相中には均一にＡｌ₄Ｃ₃やＡｌ₂Ｏ₃やＭｇＡｌ₂Ｏ₄といった微細粒子が分散する。その結果、より靭性及び高温強度に優れた放射性物質貯蔵用構造強度材を得ることができる。
【００１５】
また、請求項４に係る放射性物質貯蔵用構造強度材のように、上記Ｍｇは上記Ａｌ処理粉末の全質量に対して０．３質量％以上０．７質量％以下とすることが好ましい。この範囲であれば、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の析出割合を制御できるので、高温強度と靭性と押し出し性能とのバランスがとれる範囲に上記存在比Ｘを設定しやすくなる。また、Ｍｇの添加量が多すぎると、放射性物質貯蔵用構造強度材の靭性や熱間成形性を低下させるので、高温強度や押し出し性の要求値を下回らない程度にＭｇの添加量を抑える必要がある。上記範囲であれば、放射性物質貯蔵用構造強度材に求められる高温強度や押し出し性の要求値を満たすことができる。
【００１６】
また、請求項５に係る放射性物質貯蔵用構造強度材のように、メカニカルアロイングの処理時間は、１０時間以下とすることが好ましい。一般的なメカニカルアロイングでは、材料自体を変える必要があるので数１０〜１００時間程度の処理時間を要するが、この放射性物質貯蔵用構造強度材等ではＡｌ₄Ｃ₃やＭｇＡｌ₂Ｏ₄等の微細粒子がＡｌ母相中に析出すればよい。したがって、メカニカルアロイングに要する時間は上記時間でよく、通常のメカニカルアロイングと比較して、処理時間を１／１０程度に短縮でき、生産性を向上させることができる。
【００１７】
また、請求項６に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は、上記放射性物質貯蔵用構造強度材において、さらに、Ｓｉの含有量を０．４質量％以下に制限したことを特徴とする。
【００１８】
この放射性物質貯蔵用構造強度材は、Ａｌ₄Ｃ₃がＡｌ母相中に所定割合析出している点で、上記放射性物質貯蔵用構造強度材等と同様である。したがって、上記放射性物質貯蔵用構造強度材等と同様の作用・効果を奏するが、これらの放射性物質貯蔵用構造強度材及び熱間成形用ビレットは、さらに、Ｓｉの含有量を０．４質量％以下に制限してある。Ｓｉは第２相粒子として構造材の靭性を低下させるが、Ｓｉの含有量がこの範囲であれば、放射性物質貯蔵用構造強度材に必要十分な靭性を確保できる。
【００１９】
また、請求項７に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は、上記中性子吸収材はＢ又はＢ化合物であり、Ｂの含有量は１．５質量％以上７質量％以下であることを特徴とする。Ｂの含有量は、１．５質量％以上７質量％以下であれば、熱間成形性能、特に押出成形性能と強度とのバランスが良好な放射性物質貯蔵用構造強度材を得ることができる。また、Ｂ又はＢ化合物は、入手及び取り扱いが比較的容易なので、放射性物質貯蔵用構造強度材の中性子吸収材として使用するには好適である。特に、炭化ボロン（Ｂ₄Ｃ）は安価なので、これを使用した場合にはバスケットやラック等の製造コストを低減できる。なお、ＢにはＢ¹⁰を濃縮したいわゆる濃縮ボロンも含む。なお、前述のＢの含有量として示した１．５質量％以上７質量％以下は、濃縮ボロンを使用せずＢ₄Ｃを用いた場合の値である。Ｂ¹⁰を濃縮した濃縮ボロンを使用しても同量を添加できるので、天然ボロンを用いた場合と比較して中性子遮蔽性能を最大５倍程度まで向上させることができる（以下同様）。
【００２０】
また、請求項８に係る放射線遮蔽材は、中性子吸収材を含むＡｌの母相中に少なくともＡｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄とが存在し、且つ前記Ａｌ₄Ｃ₃と前記Ａｌ₂Ｏ₃と前記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を５５質量％以下としたことを特徴とする。
【００２１】
この放射線遮蔽材は、Ａｌ₄Ｃ₃の微細粒子をＡｌ母相中に所定割合析出させてある。このため、靭性及び熱間成形性能を維持しつつ、高温環境下（２５０℃程度）においては高い強度を発揮できる。また、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合が上記範囲であれば、Ａｌ母相中へ適度にＡｌ₄Ｃ₃の微細粒子することになるので、熱間成形性が悪化せず、熱間成形によって所望の形状に成形できる。さらに、請求項９に係る放射線遮蔽材のように、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合は３０質量％以上とすることが好ましい。この範囲であれば、より高温強度を向上させることができる。ここで、放射線遮蔽材は、少なくとも放射線、特に中性子を遮蔽する機能を有していればよく、必ずしも構造用材料として使用できるものである必要はない（以下同様）。
【００２２】
また、請求項１０に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレットは、Ｍｇを含有するＡｌ粉末と中性子吸収材の粉末とをメカニカルアロイングによって処理したＡｌ処理粉末を所定の形状に成形して真空焼結することにより、Ａｌの母相中に少なくともＡｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄とが存在し、且つ前記Ａｌ₄Ｃ₃と前記Ａｌ₂Ｏ₃と前記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を５５質量％以下としたことを特徴とする。
【００２３】
この放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレットは、Ａｌ₄Ｃ₃の微細粒子をＡｌ母相中に所定割合析出させてある。このため、このビレットを熱間成形して製造した構造材は、靭性及び熱間成形性能を維持しつつ、高温環境下（２５０℃程度）においては高い強度を発揮できる。また、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合が上記範囲であれば、Ａｌ母相中へ適度にＡｌ₄Ｃ₃の微細粒子することになるので、ビレットの熱間成形性が悪化せず、熱間成形によって所望の形状に成形できる。
【００２４】
さらに、メカニカルアロイングと真空焼結とによって、Ａｌ母相中に含まれるＭｇを核として、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄が析出する。そして、メカニカルアロイングや真空焼結の条件を制御することによって、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の析出量を制御できるので、存在比Ｘを上記範囲に収めやすくなる。また、多数の高エネルギーボールによって常にＡｌ粉末がすりつぶされるので、Ａｌ母相中には均一にＡｌ₄Ｃ₃やＡｌ₂Ｏ₃やＭｇＡｌ₂Ｏ₄といった微細粒子が分散する。その結果、より靭性及び高温強度に優れた放射性物質貯蔵用構造強度材を得ることができる。
【００２５】
さらに、請求項１１に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレットのように、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合は３０質量％以上とすることが好ましい。この範囲であれば、より高温強度を向上させることができる。
【００２６】
また、請求項１２に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用の熱間成形用ビレットのように、上記Ｍｇは上記Ａｌ処理粉末の全質量に対して０．３質量％以上０．７質量％以下が好ましい。この範囲であれば、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の析出割合を制御できるので、高温強度と靭性と押し出し性能とのバランスがとれる範囲に上記存在比Ｘを設定しやすくなる。また、Ｍｇの添加量が多すぎると、放射性物質貯蔵用構造強度材の高温強度や押し出し性を低下させるが、上記範囲であれば、放射性物質貯蔵用構造強度材に求められる高温強度や靭性の要求値を満たす熱間成形用ビレットを得ることができる。
【００２７】
また、請求項１３に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレットは、上記放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレットにおいて、さらに、Ｓｉの含有量を０．４質量％以下に制限したことを特徴とする。このように、第２相粒子として構造材の靭性を低下させるＳｉの含有量を上記範囲に制限すれば、熱間成形後の構造材の靭性を十分に確保できる。
【００２８】
また、請求項１４に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレットは、上記放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレットにおいて、上記中性子吸収材はＢ又はＢ化合物であり、Ｂの含有量は１．５質量％以上７質量％以下であることを特徴とする。このように、Ｂの含有量を、１．５質量％以上７質量％以下としたビレットを熱間成形すれば、熱間成形性能、特に熱間押し出し成形性能と強度とのバランスが良好な熱間成形用ビレットを得ることができる。また、Ｂ又はＢ化合物は、入手及び取り扱いが比較的容易なので、放射性物質貯蔵用構造強度材の中性子吸収材として使用するには好適である。特に、炭化ボロン（Ｂ₄Ｃ）は安価なので、これを使用した場合には、放射性物質貯蔵用構造強度材の製造コストを低減できる。
【００２９】
Ｍｇを含有するＡｌ粉末と中性子吸収材の粉末とをメカニカルアロイングによって処理したＡｌ処理粉末を所定の形状に成形して真空焼結することにより、Ａｌの母相中に少なくともＡｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄とが存在し、且つ前記Ａｌ₄Ｃ₃と前記Ａｌ₂Ｏ₃と前記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を５５質量％以下としたことを特徴とする。
【００３０】
この放射線遮蔽材の熱間成形用ビレットは、Ａｌ₄Ｃ₃の微細粒子をＡｌ母相中に所定割合析出させてある。このため、このビレットを熱間成形して製造した放射線遮蔽材は、靭性及び熱間成形性能を維持しつつ、高温環境下（２５０℃程度）においては高い強度を発揮できる。また、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合が上記範囲であれば、Ａｌ母相中へ適度にＡｌ₄Ｃ₃の微細粒子することになるので、ビレットの熱間成形性が悪化せず、熱間成形によって所望の形状に成形できる。
【００３１】
さらに、メカニカルアロイングと真空焼結とによって、Ａｌ母相中に含まれるＭｇを核として、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄が析出する。そして、メカニカルアロイングや真空焼結の条件を制御することによって、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の析出量を制御できるので、存在比Ｘを上記範囲に収めやすくなる。また、多数の高エネルギーボールによって常にＡｌ粉末がすりつぶされるので、Ａｌ母相中には均一にＡｌ₄Ｃ₃やＡｌ₂Ｏ₃やＭｇＡｌ₂Ｏ₄といった微細粒子が分散する。その結果、より靭性及び高温強度に優れた放射性物質貯蔵用構造強度材を得ることができる。
【００３２】
さらに、請求項１６に係る放射線遮蔽材の熱間成形用ビレットのように、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合は３０質量％以上とすることが好ましい。この範囲であれば、より高温強度を向上させることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００３４】
（実施の形態１）
本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は、Ａｌ粉末と中性子吸収材の粉末とをメカニカルアロイングによって処理したＡｌ処理粉末を真空焼結した後に熱間成形したものであり、Ａｌの母相中に析出するＡｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対してＡｌ₄Ｃ₃を所定の割合だけＡｌの母相中に析出させた点に特徴がある。
【００３５】
実施の形態１においては、リサイクル燃料集合体を格納するバスケット等を構成する角パイプや板状部材等のリサイクル燃料収納部材に対して、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材を適用する場合について説明する。リサイクル燃料収納部材は、中性子吸収能が必要なので、Ａｌに中性子吸収性能を持つボロンＢ又はＢ化合物の粉末を中性子吸収材として添加したＡｌ複合材により構成されている。このように、ＡｌにＢ又はＢ化合物を必要量添加することによって、リサイクル燃料集合体格納用バスケット等に格納したリサイクル燃料集合体が臨界に達することを防止することができる。なお、本発明にいうＡｌは純Ａｌ及びＡｌ合金の両方を含む概念であり、特に純Ａｌ又はＡｌ合金と記載しない限り、両者を含むものとする。
【００３６】
ここで、天然Ｂには中性子の吸収に寄与するＢ¹⁰と中性子の吸収には寄与しないＢ¹¹がある。したがって、中性子吸収能を有するＢ¹⁰を濃縮した濃縮Ｂを使用すると、同じＢの添加量であれば天然ボロンをそのまま使用した場合と比較してＢ¹⁰が多くなる分だけ中性子吸収能を高くできる。したがって濃縮Ｂを使用すると、同じ中性子吸収能であれば、天然Ｂをそのまま使用した場合よりも薄い肉厚の板状部材で済む。このため、濃縮Ｂを使用するとより薄い板厚で同じ中性子吸収能を持たせることができるので、リサイクル燃料集合体格納用バスケットを軽量化したい場合は濃縮Ｂを使用することが好ましい。一方、天然ＢやＢ₄Ｃをそのまま使用した場合と同じ量の濃縮Ｂを添加すればそれだけ中性子吸収能を高くできるので、燃焼度の高いリサイクル燃料集合体を格納する場合でも臨界に対する安全性を十分に確保できる。
【００３７】
Ｂ化合物には、Ｂ₄Ｃ、Ｂ₂Ｏ₃などを用いることができる。ここで、Ｂ₄Ｃを用いる場合には、Ａｌに対するＢの添加量は、１．５質量％以上、９質量％以下とするのが好ましい。１．５質量％以下では十分な中性子吸収能が得られず、９質量％より多くなると引っ張りに対する延びが低下するためである。そして、より好ましい機械的性質を得るためには、Ａｌに対するＢの添加量は、１．５質量％以上、７質量％以下とするのが望ましい。なお、濃縮Ｂを使用すれば、加工性を損なわずにより多くのＢ¹⁰を添加できることは言うまでもない。
【００３８】
中性子吸収材には、Ｂの他にカドミウムＣｄ、ハフニウムＨｆ、あるいは希土類元素等の中性子吸収断面積が大きなものを用いることができる。Ｂ₄Ｃを用いて、Ｂが均一に分散した熱間成形による構造材として用いる場合は、加工しやすくするため７質量％以下にするのが好ましい。また、Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金の組成は、Ｉｎを１５質量％、Ｃｄを５質量％にするのが一般的である。希土類元素には、ユーロピウム、ディスプロシウム、サマリウム、ガドリニウムなどの酸化物を用いることができる。
【００３９】
図１は、この発明の実施の形態１に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の製造方法を示すフローチャートである。本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の製造方法は、（１）Ａｌ粉末と中性子吸収材粉末とをメカニカルアロイングによって処理する工程、（２）処理されたＡｌ処理粉末を加圧して予備成形体を成形する工程、（３）この予備成形体を無加圧状態で真空焼結する工程とを含む。まず、エアアトマイズ法、ガスアトマイズ法等のアトマイズ法、単ロール法、双ロール法等の急冷凝固法によりＡｌ粉末を作製し（ステップＳ１０１）、同時にＢ又はＢ化合物の粉末を用意する（ステップＳ１０２）。なお、ステップＳ１０１とステップＳ１０２との順序は先後を問わない。
【００４０】
前記Ａｌ粉末を作製するために使用するＡｌは、Ｓｉの含有量を所定量以下に抑え、且つＡｌよりも酸素結合力の高い元素の一つであるＭｇを固溶したＡｌである。このようなＡｌを使用することにより、後述するメカニカルアロイングによって、Ａｌ母相中に含まれるＭｇを核として、スピネル構造を持つＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子をＡｌ母相中へ均一に析出させることができる。
【００４１】
ここで、本発明に係るＡｌ母相の放射性物質貯蔵用構造強度材は、Ｓｉ量を所定量以下とし、さらに、Ａｌよりも酸素結合力の高いＭｇを所定量以上固溶していればよい。したがって、さらに強度や靭性を付与する目的で他の元素を添加することもできる。この目的のために、例えば、工業規格等に規定された所定のＡｌ合金（例えばＪＩＳ−５０００系、６０００系あるいは７０００系のＡｌ合金）の組成を調整し、所定以下のＳｉ量で、且つＡｌよりも酸素結合力の高い元素を所定量以上固溶させたものを使用してもよい。なお、Ｓｉを所定量以下（好ましくは０．４質量％以下）に制限するのは、靭性及び熱間成形性能、特に押し出し成形性能の低下を抑制するためである。
【００４２】
次の工程では、上記Ａｌ粉末とＢ又は化合物の粉末とをＭＡ処理し、Ａｌ母相中にＢをすり込むとともに、Ａｌ母相中にＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子を析出させる（ステップＳ１０３）。ここで、この微細粒子の粒径は１ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。スピネル構造を持つＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子をＡｌ母相中に析出させるためには、高いエネルギーをＡｌ粉末に与えて上記Ａｌ粉末を処理することによりＡｌの新成面を作り出し、この新成面でＡｌ母相中に固溶しているＡｌよりも酸素結合力の強い元素であるＭｇを反応させる。そして、このＭｇを核としてＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子をＡｌ母相中に析出させる必要がある。
【００４３】
ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子をＡｌ母相中に析出させる手段として、この発明においては、高エネルギーボールミリングによるメカニカルアロイング（MechanicalAlloying：ＭＡ）を使用する。実施の形態１においては、高エネルギーボールミリングとしてアトライターミルを使用するが、他にも一般的な転動ミル、揺動ミルあるいはジェットミルを使用することができる。また、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子を析出させるためには、Ａｌ粉末に高エネルギーを与えて新成面を作り出すことができればよい。したがって、このような機能を持つ手段であれば、本発明においてＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子を析出させる手段として使用することができる。
【００４４】
図２は、この発明の実施の形態１に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の製造方法に用いるアトライターミルの構成図である。アトライターミル３０は、Ａｌ粉末とＢ粉末等を混合するための容器３１を備えている。また、容器３１の壁内にはウォータージャケット３２が形成されている。メカニカルアロイング中にはＡｌ粉末等の材料が高温となるので、ウォータージャケット３２内にはポンプなどの給水器３３から適量の冷却水を供給して、Ａｌ粉末等の材料温度を所定の値以下になるように冷却して、焼付きを防止する。
【００４５】
アトライター３４は、上方に配置した駆動モータ３５と減速機３６を介して結合している。なお、アトライター３４の動力源として使用する駆動モータ３５は一例であり、アトライター３４の動力源はこれに限定されるものではない。容器３１の上面には、容器３１中を不活性ガス（例えばアルゴン：Ａｒ）雰囲気にするため、流入口３７及び流出口３８が設けられている。流入口３７には不活性ガスのガスボンベ３９が接続され、流出口３８にはホース４０を接続して水中に入れるか、又は流出口３８に逆流防止弁を設けて大気の逆流を防止する。また、このボールミリングに使用するボール４１には、アルミナボールやジルコニアボールのようなセラミックボール、あるいは炭素鋼ベースの軸受鋼（ＳＵＪ−２）を使用することができる。ここで、上記Ａｒの代わりにＮ₂ガスを使用することもできる。このようにすれば、ボールミリングによって硬度の高いＡｌＮがＡｌ母相中に生成するので、最終的に製造される放射性物質貯蔵用構造強度材の強度が向上する。
【００４６】
ボールミリングの過程において、投入したＡｌはボール４１の衝撃を受けることによってつぶされ、且つ折りたたまれ、扁平形状になる。このため、Ａｌの外径は一面方向に広がって８０μｍ程度になる。この時、Ａｌがボール４１によってつぶされる際には、Ａｌの新成面が出現する。そして、Ａｌ母相中に固溶するＡｌよりも酸素との結合力が強いＭｇがこの新成面に現れて、当該元素を核としてＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子が生成され、この微細粒子がＡｌ母相中に析出する。また、ボールミリングにおいては、Ａｌ粉末は常に高エネルギーボールによっておしつぶされるので、常に新しい新成面が生まれる。これによって、Ａｌ母相中には均一にＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子が析出して、焼結・押出成形後の機械的性質を向上させる。なお、メカニカルアロイングの過程においてもＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子は析出するが、後述する脱気、真空焼結あるいは熱間押し出し成形時の高温（３００〜４５０℃）環境下で、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子の生成が加速される。
【００４７】
一方、Ｂ₄Ｃ粉末は、ボールミリングによって破砕され、Ａｌ母相中にすり込まれる度に微細化され、その粒径が０．５μｍ〜１．０μｍ程度まで微細化される。そして、Ｂ₄ＣはＡｌ母相中にすり込まれていくので、Ｂの凝集を防ぎながら、Ｂ₄ＣはＡｌ母相中に均一にすり込まれてゆく。このように、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子を析出させる手段としてメカニカルアロイングを使用すれば、本来ならば凝集して均一分散が難しいＢ₄Ｃの微細粒子とＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子とを、Ａｌ母相中へ均一に析出させることができる。また、高い硬度を有するＢ₄Ｃ粉末の凝集を抑制して、当該Ｂ₄Ｃの粉末を微細且つ均一にＡｌ母相中に分散させることもできる。この作用によってＢ₄Ｃ粉末の凝集を防止できるので、安定した中性子吸収能を得た上で、熱間成形性能、特に押出性能を向上することができる。このため、押出用のダイスの磨耗低減にも効果がある。さらに、Ｂ₄Ｃ粉末を微細化してＡｌ母相中に分散させるので、亀裂の発生源となる粒径以下にできるとともに、微細化したＢ₄Ｃ粒子のスパイク効果によって強度も高くなる。このような材料は、質量が大きいＰＷＲ用リサイクル燃料集合体を格納するバスケットの構成部材として特に有用である。
【００４８】
なお、ボールミリングの過程で、ボール４１同士の衝突により当該ボール４１が磨耗してその成分が混入し、この成分に含まれるある種の元素が強化因子として作用することがある。そこで、ボール４１の成分に予め混入する前記元素を含めておき、ボールミリングの過程で当該元素を添加するようにしてもよい。この元素としては、例えば、ＴｉやＺｒ等を挙げることができる。
【００４９】
次に、実際に本発明に係るリサイクル燃料収納部材用のＡｌ複合粉末を製造する場合の条件を説明する。前記容器３１内に入れるボール４１にはＡｌ₂Ｏ₃ボール又はＡｌ₂Ｏ₃ボールと円柱Ｆｅボールとを組み合わせて使用し、その量は９．３ｋｇ、当該ボール４１の径は０．４インチとした。アトライター３４の回転数は８０ｒｐｍ〜３００ｒｐｍとし、さらに、０．５リットル／ｍｉｎのアルゴンを連続的に流して容器３１内を不活性ガス雰囲気とした。また、ボールミリングの前に、その助剤として粉末１ｋｇに対して１０〜５０ｃｃのエタノールあるいはメタノールその他の有機溶剤を投入した。
【００５０】
有機溶剤の投入量をＡｌ粉末１ｋｇに対して１０〜５０ｃｃ程度加えることにより、前記Ａｌの母相に析出するＡｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との和に対してＡｌ₄Ｃ₃を３０質量％以上５５質量％以下の範囲でＡｌの母相に析出させることができる。このようにすれば、靭性と押し出し性能と高温強度とのバランスがとれたＢ−Ａｌ合金を得ることができる。
【００５１】
前記容器３１内には所定量のＡｌ粉末とＢ₄Ｃの粉末とを投入する。このとき、Ｂ₄Ｃの投入量は５質量％とした。ボールミリングの時間は１０時間以下の範囲で適宜選択するようにした。ここで、ボールミリングの時間は、エネルギーの高いボールを使用する場合は短く、また、比較的エネルギーの低いボールを使用する場合は相対的に長くなる。本発明においては、Ａｌ₄Ｃ₃を５５質量％以下の範囲でＡｌの母相中に析出させるためにも、ボールミリングを長時間継続する必要はない。また、Ａｌ粉末中におけるＡｌよりも酸素と結合力の高いＭｇとＡｌとを反応させて、Ａｌ母相中にＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子を析出させるだけの時間ボールミリングを継続すればよく、通常のメカニカルアロイングのように材料自体を変化させる必要はない。これらの理由から、使用するボールやミルの種類にもよるが、本発明におけるボールミリングの時間は０．５〜１０時間であり、１時間〜４時間の範囲が特に好ましい。また、ボールミリングの時間を調整することによって、Ａｌ母相に析出するＡｌ₄Ｃ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の割合を変化させることができる。
【００５２】
本発明においては、数１０〜数１００時間を要する通常のメカニカルアロイングと比較して１／１０以下の時間でメカニカルアロイング工程が終了するので、製造工程を短縮でき経済的である。メカニカルアロイング工程が終了したら、混合粉末を容器３１から取り出し、所定の温度で所定の時間、混合粉末を乾燥させる（ステップＳ１０４）。これは、余分な助剤を揮発させるためである。
【００５３】
次に、メカニカルアロイング終了後の混合粉末をラバーケース内に入れて封入し、ＣＩＰによって常温で全方向から均一に高圧をかけ、粉末を熱間成形用ビレットの形状に成形する（ステップＳ１０５）。ＣＩＰの成形条件は、成形圧力を１０００ｋｇ／ｃｍ²〜２０００ｋｇ／ｃｍ²とする。ＣＩＰ処理により、粉状体の体積は約２割程度減少し、また、ＣＩＰによって全方向から均一に圧力が加えられるので、成形密度のばらつきが少ない高密度な成形品を得ることができる。また、ＣＩＰ工程において、予備成形体の質量密度が７０％〜９５％となるように成形する。
【００５４】
また、ＣＩＰに代えて、一軸方向の高圧ホットプレスによって予備成形体を成形することもできる。具体的には、上記混合粉末をプレス機にセットした型内に入れ、５０００ｔｏｎから１００００ｔｏｎの高い成形推力をもって予備成形体を成形する。このように極めて高い推力によって真空中で、且つ高温でプレスすることにより、予備成形体が焼結されて、その成形密度が均一となる。このようにして得られた予備成形体は、ほぼ１００％の焼結密度であり、そのままビレットとして押し出し等の熱間加工に供することができる。
【００５５】
次に、予備成形体を焼結炉内に入れて真空に引き、無加圧状態で焼結する（ステップＳ１０６）。真空焼結時の真空度は１０^-1Ｔｏｒｒ程度とし、温度は５５０℃〜６００℃とする。焼結温度の保持時間は１時間〜１０時間の間で適宜設定する。この保持時間はビレットの寸法に応じて異なり、寸法の小さいビレットでは１〜２時間程度で、寸法の大きいビレットでは５時間程度である。
【００５６】
このように真空焼結すると、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子がＡｌ母相中へ十分に析出する。また、メカニカルアロイング処理したＡｌ処理粉末の組成や予備成形体の大きさ等に応じて、焼結温度の保持時間を上記範囲で適宜選択することにより、Ａｌ母相中に析出するＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子量を制御することができる。そして、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の微細粒子量が多くなると、相対的に存在比Ｘ＝Ａｌ₄Ｃ₃／（Ａｌ₄Ｃ₃＋Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）は小さくなるので、存在比Ｘを５５質量％以下の範囲に収めやすくなる。また、脱気して、窒素雰囲気中で真空焼結すれば、ビレットの表面に硬度の高いＡｌＮが生ずるので、得られる放射性物質貯蔵用構造強度材の強度が向上する。
【００５７】
ここで、脱気しつつ焼結温度を、例えば１００℃ピッチでステップ昇温させる。このようにステップ昇温させるのは、ビレットの温度が所定の温度を超えないようにするためである。また、３００℃〜４００℃の温度範囲では、ガスの発生量が多くなるので、昇温時間を長くすることが好ましい。加熱には、焼結炉に設けた一般に使用される電気ヒーター等を用いる。この真空焼結によって仮に固めた粉末同士が融合して、押出用のビレットとなる。また、真空焼結の際には、ＨＩＰやホットプレスのようには加圧しないので、焼結体の質量密度は予備成形時とほとんど変わらず、７０％〜９５％の状態を維持している。さらに、真空焼結によってビレットの酸化が防止され、且つキャニングを省略できるため、缶代が節約できる。また、缶除去のための外削、端面削等の切削工程が不要になるとともに、それに付随する缶封入等の製造工程を省略することができる。
【００５８】
予備成形体の焼結が終了したら、押出機を用いて当該ビレットを熱間押出し成形する（ステップＳ１０７）。図３は、この押出機の構造を示す説明図である。押出機３０１は、ダイス３０５及びコンテナ３０２と、コンテナ３０２の周囲に設置した誘導加熱用の高周波コイル３０３とを備えている。図３（ｂ）に示すように、ダイス３０５は押出成形される部材の断面形状を有した開口部３０５ｈを備えており、押し出されるビレットＶの断面が開口部３０５ｈの形状に成形される。このダイス３０５は、試験片を作るためのダイスであるので、開口部３０５ｈはａ＝ｂの正方形となっている。高周波コイル３０３にＲＦ（Radio Frequency：高周波）電流を流すことで、ダイス３０５内のビレットＶを誘導加熱することができる。本発明において押出条件は、加熱温度を５００℃〜５２０℃、押出速度を５ｍ／ｍｉｎとする。なお、この条件は、Ｂの含有量あるいはＡｌ合金の種類に合わせて適宜変更する。押出機の押出力は、３９００ｔｏｎ〜１００００ｔｏｎとする。
【００５９】
前記誘導加熱は、ビレットＶに誘導電流を発生させることで加熱するものであるが、加熱対象であるビレットＶは上記真空焼結工程において混合粉末を一部融合させた状態としているため、誘導電流がビレットＶ全体として発生し効率的な加熱が可能となる。ここで、真空焼結と通常の焼結との比較のため、供試材として、質量２５１０ｇ、寸法φ８９ｍｍ×１７５ｍｍ、体積１１００ｍｍ³、相対密度８５％となる２つの予備成形体をＣＩＰにより作成し、その一方にのみ真空焼結を施し、両者を比較した。その結果、真空焼結を施した供試材は３０〜５０％の範囲となり数倍以上の電気伝導度を示した。
【００６０】
さらに、この供試材を誘導加熱したところ、真空焼結を施した供試材の場合、誘導加熱の昇温プログラム（２００℃／ｍｉｎで５２０℃まで昇温後、一定時間保持）通りに温度上昇し、供試材のエッジ部、中間部の表面及び内部中心における温度のばらつきが少なく、どの位置でも略均一に温度が上昇していることがわかった。一方、ＣＩＰのみで固めた供試材の場合、昇温プログラム通りに昇温できず昇温速度が５０℃／ｍｉｎ程度に留まった。これにより、加熱対象である供試材の電気伝導度の向上は、押出時の誘導加熱時間に関係することがわかった。そして、本発明のように、加熱対象である供試材に真空焼結を施せば、昇温プログラムに追従してその温度を上昇させることができることがわかった。したがって、本発明のように、真空焼結することでビレットを誘導加熱する効率が飛躍的に高まり、製造工程全体でみるとビレットの押出速度を向上できるという利点が得られる。また、誘導加熱は、通常の加熱炉のように長時間の加熱を要しない。これにより、短時間で所望の温度に加熱できるので、ビレット中の結晶粒が粗大化することも防止でき、品質の高い放射性物質貯蔵用構造強度材を製造できる。
【００６１】
コンテナ内で誘導加熱されたビレットＶは、後方からポンチ（図示せず）により押され、ダイス３０５を通過して所定の製品形状に成形される。このとき、ビレットＶの質量密度は７０％〜９５％であるが、押出成形することで押出時に粉末粒子間の空隙がつぶされるため、製品の質量密度が略１００％となる。
【００６２】
熱間押出し成形後の製品は、熱処理をしないで、すなわち、自然時効（ＪＩＳのＴ１処理、Ｈ１１１又はＨ１１２処理）で使用する。このようにすれば、もともと熱処理しないので、高温（２００〜２５０℃）に長期間さらしても、熱処理したときと比較して製品の強度低下を小さく抑えることができる。これによって、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材を、例えばＰＷＲ用リサイクル燃料集合体のように高燃焼度・短冷却期間のリサイクル燃料を格納するバスケットに使用した場合でも、高温強度を維持して当該バスケットの信頼性を高くできる。
【００６３】
次に、上記製造方法によって、Ａｌ母相中のＡｌ₄Ｃ₃の割合を変化させて製造した試験片の評価結果について説明する。ここで、試験片が含有するＢ化合物（Ｂ₄Ｃ）の割合は５質量％であり、いずれの試験片も押出後、人工時効等の熱処理は施していない（Ｔ１、Ｈ１１１、Ｈ１１２処理相当）。なお、試験片の組成を表１に示す。ここで、表１に示すように、Ｍｇの含有量は０．４２質量％〜０．５８質量％の範囲で変化させた。なお、表１中に示すＭｇの含有量は、試験に供した複数の試験片の平均値であり、±０．１５質量％程度の幅がある。そして、この範囲において、横膨出量、衝撃値及び引張強さの測定値はおよそ±５％の範囲に収まっている。
【００６４】
【表１】

【００６５】
図４は、−４０℃におけるＡｌ₄Ｃ₃の比率と横膨出量との関係を示す説明図である。また、図５は、−４０℃におけるＡｌ₄Ｃ₃の比率と衝撃値との関係を示す説明図である。図６は、２５０℃におけるＡｌ₄Ｃ₃の比率と引張強さとの関係を示す説明図である。ここで、メカニカルアロイングによらない従来のＢ−Ａｌ合金においては、−４０℃における横膨出量は２ｍｍ程度であり、２５０℃における引張り強さは５０ＭＰａ程度である。なお、横膨出量、衝撃値、引張強さは、ＪＩＳの規定に準じて測定した（以下同様）。
【００６６】
Ａｌ₂Ｏ₃の含有量は、試験片を酸に溶解させて、母材のＡｌは酸にすべて溶解し、すべてのＡｌ₂Ｏ₃は酸に溶解しなかったとして、酸溶解後の残渣中におけるＡｌの分析量からＡｌ₂Ｏ₃量を換算して求めた。また、Ａｌ₄Ｃ₃はすべて酸に溶解し、すべてのＢ₄Ｃは酸に溶解しないとし、その他の炭化物は試験片中に存在しないものとして、試験片に含まれるのＣ量から酸残渣のＣ量を引いた値をＡｌ₄Ｃ₃の量に換算することにより、Ａｌ₄Ｃ₃の含有量を求めた。また、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄は、酸溶解せず、アルカリ溶解するＭｇ化合物はすべてＭｇＡｌ₂Ｏ₄として求めた。残渣中のＡｌ₂Ｏ₃やＡｌ₄Ｃ₃等は、ＩＣＰ発光分析により測定した。
【００６７】
図４、５から、存在比Ｘが増加するにしたがって、横膨出量及び衝撃値は小さくなることがわかる。そして、存在比Ｘが５５質量％以下であれば、熱間押出し成形に必要な横膨張量である約０．５ｍｍをほぼ確保し、また十分な衝撃値を示す。また、図６から、存在比Ｘが大きくなると引張り強さは大きくなることがわかる。そして、３０質量％以上で、従来のＢ−Ａｌ材に対して２倍程度の引張り強さを示す。
【００６８】
これらの結果から、存在比Ｘが３０質量％以上５５質量％以下であれば、靭性、熱間成形性能、特に押し出し性能、及び高温強度のバランスのとれた放射性物質貯蔵用構造強度材を得ることができる。そして、特に高温強度を要求される放射性物質貯蔵用構造強度材においては、存在比Ｘは３５質量％以上５０質量％以下の範囲がより好ましく、さらには４０質量％以上４５質量％以下の範囲が上記バランスをとるために好ましい。このような放射性物質貯蔵用構造強度材は、発熱量の大きいリサイクル燃料集合体を収納するバスケット材に好適である。なお、熱間押出し成形ではなく熱間圧延によって板材を成形する場合には、存在比Ｘを６０質量％程度まで大きくしてもよい。
【００６９】
また、Ｍｇの含有量はＭｇＡｌ₂Ｏ₄の析出量と相関がある。したがって、Ｍｇの含有量によって、上記存在比Ｘをある程度制御することができる。このような観点から、Ｍｇの含有量は、測定結果のばらつきを考慮すると、０．３質量％以上０．７質量％以下の範囲が好ましく、さらには、０．４２質量％以上０．５８質量％以下の範囲がより好ましい。このような範囲にＭｇの含有量を収めれば、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄を適度に析出させることにより、存在比Ｘを３０質量％以上５５質量％以下の範囲に収めやすくなる。その結果、靭性、熱間成形性能、特に押し出し性能、及び高温強度のバランスのとれた放射性物質貯蔵用構造強度材を得ることができる。
【００７０】
次に、Ｓｉの影響について説明する。図７は、−４０℃におけるＳｉ量と衝撃値との関係を示す説明図である。図８は、−４０℃におけるＳｉ量と横膨出量との関係を示す説明図である。また、図９は、２５０℃におけるＳｉ量と引張強さとの関係を示す説明図である。図８から、Ｓｉの含有量を少なくするほど、衝撃値が大きくなることがわかる。また、図９から、Ｓｉの含有量が少なくなると、横膨出量が大きくなる傾向にあり、Ｓｉの含有量が０．４質量パーセント以下では、熱間押出し成形に必要な横膨張量である約０．５ｍｍをほぼ確保できることがわかる。図９から、Ｓｉ量の低下とともに引張強さは大きくなることがわかる。
【００７１】
これらの結果から、Ｓｉ量は少なければ少ないほど好ましく、０．２質量％以下が好適であり、０．１質量％以下がより好ましい。また、Ｓｉ量の上限値は略０．４質量％である。この範囲を満たすＳｉ量であれば、靭性及び高温強度に優れ、且つ熱間押出し成形が可能なリサイクル燃料貯蔵材を得ることができる。このような放射性物質貯蔵用構造強度材は、発熱量の大きいリサイクル燃料集合体を収納するバスケット材に好適である。
【００７２】
（実施の形態２）
実施の形態２においては、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材によって、リサイクル燃料集合体を格納するバスケット用の角パイプを製造する例を説明する。図１０は、実施の形態２に係る角パイプを示す断面図である。なお、熱間押出し成形用のビレットを製造するまでの工程は、実施の形態１で説明した工程と同様であるから説明を省略する。
【００７３】
この角パイプ１は、内部にリサイクル燃料集合体を格納するものであり、角部内側の半径ｒ₁は、格納するリサイクル燃料集合体の角部外側と干渉しない程度の大きさとする。また、角部における応力集中低減の観点から、角部外側の半径ｒ₂は角部内側の半径ｒ₁よりも小さくし、その大きさは板厚ｔの１／２以下がより好ましい。このようにすれば、この角パイプ１を複数束ねてリサイクル燃料集合体を格納するバスケットを構成した場合、角パイプ１の角部における応力伝達をより均一にすることができる。その結果、角パイプ１の角部における応力集中を低減できるので、信頼性の高いバスケットを構成することができる。
【００７４】
図１１は、角パイプを押出成形するポートホール押出機の押出部における構造を示す説明図である。予備成形体の焼結が終了し、ビレットＶが完成したら、ポートホール押出機３０１を用いて当該ビレットＶを角パイプの形状に熱間押出しする。この場合の押出条件として、加熱温度を５００℃〜５２０℃、押出速度を５ｍ／ｍｉｎとする。なお、この条件は、Ｂの含有量により適宜変更する。ポートホール押出機の押出力は、５０００ｔｏｎ〜６０００ｔｏｎとする。図１１（ｂ）は、ポートホール押出機のダイス構成を示す断面図である。
【００７５】
ポートホール押出機は、ダイス３０１ａ及びコンテナ３０２と、コンテナ３０２の周囲に設置した誘導加熱用の高周波コイル３０３とを備えている。高周波コイル３０３にＲＦ電流を流すことで、コンテナ３０２内のビレットＶを誘導加熱することができる。ダイス３０１ａは雌型３０４と雄型３０５ａとから構成されており、雄型３０５ａのマンドレル３０６を雌型３０４に挿入することで押出形状が四角形のベアリング３０７が形成される。マンドレル３０６は、雄型３０５ａの周囲から延出した４本のブリッジ３０８により支持され、ブリッジ３０８間に４つのポート３０９を形成する。
【００７６】
そして、コンテナ３０２内で誘導加熱されたビレットＶは、後方からポンチ（図示せず）により押され、ブリッジ３０８により一旦４分割されてポート３０９を通過する。続いて、ポート３０９からベアリング３０７に至るまでに再び一体化し、ベアリング３０７によって所定の押出形状をした角パイプ１として押し出される。このとき、ビレットＶの質量密度は７０％〜９５％であるが、押出成形することにより、押出時には粉末粒子間の空隙がつぶされるため、角パイプ１の質量密度が略１００％となる。
【００７７】
次に、押出成形後、引張矯正を施すとともに、非定常部及び評価部を切断し、製品とする。完成した角パイプ１は、図１０に示すように、その断面内形状は内側長さｌ、板厚ｔの正方形である。ここで、角パイプ１の内側長さｌは、収納されるリサイクル燃料集合体の大きさによって決定されるが、リサイクル燃料を収納するためには製造公差や使用期間中の反りや曲がりを見込む必要があるので、概ね１５０〜２２０ｍｍである。また、板厚ｔは、収納されるリサイクル燃料集合体及び使用するＡｌ母相の放射性物質貯蔵用構造強度材によって適宜決定されるが、概ね６〜１２ｍｍである。なお、上記製造工程のように、ポートホール押出機において誘導加熱する製造方法は、ビレットＶの成形工程と押出工程とが別の場所で行われるか、又は時間をおいて行われる場合に有用である。
【００７８】
また、真空焼結ラインと押出ラインとが連続した製造ラインに配置される場合等のように、真空焼結工程と押出工程とが短時間に行われる場合には、真空焼結時に５５０℃〜６００℃までビレットＶの温度が上昇しているため、焼結終了後、少なくとも押出温度である５００℃以上となる熱領域でコンテナ内に挿入し、そのまま押し出すようにしてもよい。具体的には、真空炉内からビレットＶを取り出し、このビレットＶの温度が上記押出温度以下に下がらないうちに押出機まで搬送する。そして、押出機によって角パイプ１に押出成形する。なお、加熱したビレットＶを空気中にさらしても、短時間であれば酸化による影響をほとんど無視できるので、角パイプ１の性能に影響することはほとんどない。好ましくは、ビレットＶを真空炉から取り出し、１５分以内に押し出すようにすれば、酸化の影響はほとんど問題ない。このようにすれば、誘導加熱によってビレットＶを再加熱する必要がないため、さらに製造工程を簡略化することができる。
【００７９】
この場合も、真空焼結によってビレットＶの酸化が防止され、且つキャニングを省略できるため、缶代が節約でき、缶除去のための切削工程が不要になるとともに、それに付随する缶封入等の製造工程を省略することができる。また、真空焼結時の温度が下がらないような保温チャンバー内に一時的且つ短時間保管し、少なくとも５００℃以上の温度領域でビレットＶを押出機のコンテナ内に移すようにしてもよい。この場合は、真空焼結ラインと押出ラインとが連続している必要はなく、両者の距離が離れていても問題ない。さらに、真空焼結ラインと押出ラインとの距離が小さく、ビレットＶの搬送時間が短ければ、上記同様に真空加熱の熱によって押出成形ができることは言うまでもない。
【００８０】
また、上例では圧縮率が高く、複雑な形状をしたＡｌ等の軟質材の熱間押出し成形に適したポートホール押出機を用いたが、押出機の種類はこれに限定されない。例えば、固定又は移動マンドレル方式を採用してもよい。また、直接押出しの他、静水圧押出しを行うようにしてもよく、可能な範囲で適宜選択することができる。さらに、生産効率は低いが、上記誘導加熱に代えて、ビレットＶを加熱炉内でバッチ処理するようにしてもよい。
【００８１】
さらに、押出しダイスの形状を変更すれば、同様の製法によって板状部材も製造できる。ＰＷＲ用リサイクル燃料集合体を格納するためのバスケットにおいては、フラックストラップを設ける必要がある。したがって、板状部材を組み合わせてこのようなバスケットを構成する場合には、長手方向に向かう複数の貫通孔を持つ板状部材を押出成形によって製造する必要がある。しかし、ＢＷＲ（Boiling Water Reactor：沸騰水型原子炉）用リサイクル燃料集合体を格納するためのバスケットにおいては、必ずしもフラックストラップを設ける必要はなく、この場合には単なる中実の板状部材を組み合わせてバスケットを構成してもよい。この場合には、ビレットＶを圧延することにより、中実の板状部材を製造することもできる。
【００８２】
図１２は、他の構造強度材を示す説明図である。本発明に係るＡｌ材は、リサイクル燃料収納用部材以外にも適用できる。図１２には、本発明に係るＡｌ材を適用できる構造部材の一例として、デッキプレート２を示してある。デッキプレートは鉄道車両や原子力発電所における作業通路の床材としても使用することができる。本発明に係るＡｌ材は、熱間押出し性に優れているので、このように、複雑な形状且つ寸法の大きい部材であっても容易に熱間成形できる。また強度も高いので、構造部材としても適している。
【００８３】
また、高空を飛行する航空機の場合、中性子吸収能を有する本発明に係るＡｌ材で機体（主として胴部）を構成すれば、宇宙線に起因する中性子から乗員や乗客を守ることができる。この場合、構造材としての機能の他、放射線遮蔽材としての機能も発揮することになる。本発明に係る放射線遮蔽材では、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対するＡｌ₄Ｃ₃の存在割合を５５質量％以下となるようにしてあるので、強度と靭性と熱間成形性とのバランスのとれた放射線遮蔽材を得ることができる。
【００８４】
なお、９質量％を超えてＢを含有させると、材料は脆くなるので構造材としては十分な機能を発揮できないが、放射線である中性子を遮蔽する放射線遮蔽材として使用することはできる。この場合は、圧延により板材に成形したり、熱間押出し成形によって単純な形状の丸棒や角棒等に成形したりして、原子炉施設等において放射線遮蔽材として使用することができる。本発明に係る放射線遮蔽材では、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対するＡｌ₄Ｃ₃の存在割合を５５質量％以下となるようにしてあるので、強度と熱間成形性とのバランスのとれた放射線遮蔽材を得ることができる。また、Ｂの含有量を９質量％以上に増加させても、ある程度の熱間成形性能は確保できるので、加工が比較的容易となる。なお、Ｂの含有量は、最大５０質量％程度である。
【００８５】
さらに、本発明に係るＡｌ材は、Ａｌの不錆性能とクロムを含まない材質上の特性を生かして、二次放射線の発生を考慮する必要がある、高放射線領域で使用する構造材に使用することができる。また、産業機械分野においても、本発明に係るＡｌ材の用途は考えられ、例えば、軸流圧縮機では作動流体が圧縮されるので圧縮機のブレード温度が上昇する。本発明に係るＡｌ材は高温強度に優れるので、軸流圧縮機のブレード（図示せず）にも好適に使用できる。ここで、本発明に係るＡｌ材をリサイクル燃料収納用部材以外に使用する場合には、必ずしもＢ又はＢ化合物を添加する必要はないが、高強度を要する場合にはこれらを添加してもよい。また、用途に応じて他の元素を添加して、それぞれの用途に適した特性を発揮させるようにしてもよい。
【００８６】
（実施の形態３）
実施の形態３においては、本発明に係るＡｌ母相の放射性物質貯蔵用構造強度材によってリサイクル燃料集合体を格納するバスケットを構成した例、及びこのバスケット収納したキャスクについて説明する。図１３は、リサイクル燃料集合体を格納するバスケットの一例を示す断面図である。このバスケット１０６においては、角パイプ１内部に横断面形状が略Ｌ字上のエレメント１３７を配置して、リサイクル燃料集合体を格納するセル１１０を構成する。そして、内部にエレメント１３７を配置した角パイプ１を複数組み合わせて、リサイクル燃料集合体を格納するバスケット１０６が構成される。なお、角パイプ１及びエレメント１３７の長手方向は、紙面垂直方向である。
【００８７】
角パイプ１、及びエレメント１３７は、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材であるＡｌ材を熱間押出し成形することによって製造される。エレメント１３７の外側面には突起部１３７ｔが設けられており、エレメント１３７が角パイプ１の内部に配置されると、突起部１３７ｔが角パイプ１の内壁面に接する。そして、突起部１３７ｔで区切られる空間がフラックストラップとなる。セル１１０内に格納されるリサイクル燃料集合体から放出される中性子は、角パイプ１及びエレメント１３７に含まれるＢとフラックストラップとによって遮蔽される。このバスケット１０６は、各セル１１０にフラックストラップを備えていることから、ＰＷＲ用リサイクル燃料集合体のような高燃焼度の燃料を収納する用途に適している。
【００８８】
このバスケット１０６は、角パイプ１とエレメント１３７とを組み合わせることにより、フラックストラップを有するセルを構成する。このため、角パイプにフラックストラップを有する角パイプを熱間押出し成形する場合と比較して、押出しダイスの形状が単純化され、また押出し推力も小さくて済むので、容易に製造できる。また、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は、靭性が高く、また高温強度に優れるので、発熱量の多いＰＷＲ用リサイクル燃料集合体を格納するバスケット１０６に好適であり、バスケット１０６の健全性を向上させることができる。さらに、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は実用上十分な押出性能を備えているので、エレメント１３７のように複雑な形状を持つ部材であっても、容易に押出成形できる。ここでは、エレメント１３７を角パイプ１の内部に配置したが、エレメント１３７を角パイプ１の外側に配置して、角パイプ１をエレメント１３７で囲まれるような構成としても、同様の効果を得ることができる。
【００８９】
図１４は、リサイクル燃料集合体を格納するバスケットの他の例を示す一部断面図である。このバスケットにおいては、複数の板状部材３の長辺側端部同士を単に組み合わせるだけでリサイクル燃料集合体を格納するセル１１１を構成する。さらに、セルの外周にはスペーサ４ａ、４ｂを配置して板状部材を支持するとともに、スペーサと板状部材とを単に組み合わせてリサイクル燃料集合体を格納するセル１１１'を構成する。なお、板状部材３及びスペーサ４ａ、４ｂの長手方向は、紙面垂直方向である。
【００９０】
このバスケット１０７は板状部材３やスペーサ４ａ等を組み合わせるだけで構成でき、組み合わせ部分の接合等は不要なので、短時間で容易にバスケット１０７を組み立てることができる。また、バスケット１０７は板状部材３を組み合わせて構成するため、組み合わせ部における伝熱性能がやや低下するが、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は、高温強度に優れるので、バスケット１０７の健全性を維持できる。さらに、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は実用上十分な押出性能を備えているので、板状部材３のように比較的小さい形状だと、複雑な形状を持つ部材であっても、押出ダイスに大きな負荷を与えないで押出成形できる。
【００９１】
図１５は、リサイクル燃料集合体を格納するバスケットの他の例を示す説明図である。このバスケット１０８は、貫通孔３１１を有する帯状の板状部材３１０に切込部３１２を設け、板状部材３１０を直交させて交互に積み重ねることで構成されている。これによって、直交する板状部材３１０同士で囲まれる空間が、リサイクル燃料集合体を収納する格子状のセルとなる。
【００９２】
前記貫通孔３１１は、板状部材３１０の長手方向にその断面が日の字になるように形成され、その中央のリブ３１３には、複数の連通孔が形成されている（図示省略）。また、前記貫通孔３１１は、切込部３１２をもって他の板状部材３１０の貫通孔３１１と連通する。さらに、板状部材３１０の長手方向端面には、上下に位置する板状部材３１０の貫通孔３１１同士を連通するための連通孔３１４が設けられている。
【００９３】
また、板状部材３１０の上下端縁には、凹部３１５及び凸部３１６が形成されている。この凹部３１５と凸部３１６によって上下に位置する板状部材３１０同士が位置決される（図１５参照）。これによって、セル内に段差が発生するのが防止されるので、リサイクル燃料集合体をセル内へ滑らかに収納することができる。
【００９４】
このバスケット１０８を構成する板状部材３１０は、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材をその材料としているので、靭性が高く、また高温強度も高いので、高燃焼度・短冷却期間のリサイクル燃料集合体を格納するのに適している。また、質量の大きいＰＷＲ用のリサイクル燃料集合体を格納しても十分な高温強度を発揮できるので、バスケット１０８の信頼性を高くできる。さらに、板状部材３１０は横断面が目の字状であるが、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は実用上十分な押し出し性も有しているので、このような複雑な形状でも容易に熱間押出し成形できる。図１６は、リサイクル燃料集合体を格納するバスケットの他の例を示す説明図である。図１６に示すバスケット１０８'は、図１５に示す板状部材３１０に切込部３１２を設ける代わりに、長尺の板状部材３１０'と短尺の板状部材３１０''とを組み合わせて構成したものである。このようにバスケットを構成してもよい。
【００９５】
図１７は、キャスクの概要を示す説明図である。キャスク２００は、胴本体２０１と、胴本体２０１の外周に取り付けられた伝熱フィン２０７と、伝熱フィン２０７のもう一方の長辺側端部に取り付けられた外筒２０５とで構成される。胴本体２０１は例えば炭素鋼によって製造されており、γ線遮蔽機能を発揮するのに十分な胴厚さを有している。
【００９６】
胴本体２０１には底板（図示せず）が取り付けられるが、この底板は溶接によって筒状の胴本体２０１に取り付けることができる。また、胴本体２０１の外形に合わせた内部形状を持つコンテナ内に金属ビレットを装入し、胴本体２０１の内形に合わせた外形を持つ穿孔ポンチでこの金属ビレットを熱間拡張成形することによって胴本体２０１と底板とを一体に成形してもよいし、鋳造によって製造してもよい。
【００９７】
胴本体２０１の内部は、リサイクル燃料集合体を格納するバスケットが収納されるキャビティ２０１ｃとなる。このキャビティ２０１ｃには上記バスケットが格納される。このキャビティ２０１ｃの軸方向（図中Ｚで示す方向）に垂直な断面内形状は円形であるが、キャスク２００の仕様に応じ、この他にも八角形や略十字型・階段状等の断面内形状をもつキャビティも使用できる。キャビティ２０１ｃ内にリサイクル燃料集合体を収納した後は、胴本体放射性物質の漏洩を防止するため、一次蓋及び二次蓋（図示せず）によって二重に密封する。密封性能を確保するため、一次蓋及び二次蓋と胴本体２０１との間には金属ガスケットを設けておく（図示省略）。
【００９８】
胴本体２０１の外周には、板状部材で作られた複数の伝熱フィン２０７が放射状に取り付けられている。この伝熱フィン２０７は、Ａｌ板、銅板等の、熱の良導材料で作られており、胴本体２０１の外周に溶接その他の接合手段によって、接合されている。また、伝熱フィン２０７の外側には、厚さ数ｃｍの炭素鋼で作られた外筒２０５が溶接その他の接合手段によって取り付けられている。キャビティ２０１ｃ内に収納されたリサイクル燃料集合体は崩壊熱を発生するが、胴本体２０１を伝わってきた崩壊熱は、伝熱フィン２０７を介して外筒２０５に伝導された後、外筒２０５の表面から大気中に放出される。
【００９９】
胴本体２０１と外筒２０５と二枚の伝熱フィン２０７とで囲まれる空間２０９すべてには、中性子を吸収するため、中性子吸収材の熱膨張を吸収するボイド層以外は、中性子遮蔽機能を有する水素を多く含有する高分子材料であるレジン、ポリウレタン、又はシリコンその他の中性子吸収材料（以下同様）が充填してある。この中性子吸収材料によって、リサイクル燃料集合体から放出される中性子を遮蔽し、キャスク２００の外部へ漏洩する中性子を規制値よりも少なくする。
【０１００】
キャスク２００は、リサイクル燃料集合体を収納した後、輸送及び貯蔵するために使用される。キャスクを輸送する場合には、キャスクの両端に緩衝体（図示せず）を取り付けて、万一キャスク２００の落下事故等が発生した場合でも、十分な密封性能と収納物であるリサイクル燃料集合体の健全性を確保できるようにする。
【０１０１】
本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は靭性が高く、また高温強度に優れているので、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材で製造したバスケットは、高温環境下においても十分な強度を有する。したがって、高燃焼度・短冷却期間のリサイクル燃料集合体を格納して、これを輸送・貯蔵するキャスク２００のバスケット材として、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は好適である。また、本発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材は、質量の大きいＰＷＲ用のリサイクル燃料集合体を格納する場合でも、十分な強度を発揮できるので、ＰＷＲ用のリサイクル燃料集合体を格納するキャスク２００にも好適である。
【０１０２】
（実施の形態４）
実施の形態５においては、上記角パイプの他の使用例について説明する。図１８は、リサイクル燃料プールの一例を示す斜視図である。このリサイクル燃料プール４００は、上記実施の形態２の製造方法により製造した角パイプ１を複数立設させ、その上下部分をサポート板４０１により支持したラック４０２を備えている。ラック４０２は、鉄筋コンクリート製のピット４０３内に設置されており、当該ピット４０３内面は、ピット水の漏洩防止のためにステンレス鋼鈑のライニング４０４により内張りされている。
【０１０３】
また、このピット４０３内は、常時、ホウ酸水により満たされている。このリサイクル燃料プール４００は、本発明の放射性物質貯蔵用構造強度材を材料とした上記角パイプ１を用いて構成しているので、中性子吸収能が高く、且つその構造の健全性を確保できる。このため、リサイクル燃料集合体が臨界に達するのを有効に防止することができる。さらに、Ｂ−ＳＵＳ製の角パイプをＢ−Ａｌ製の角パイプに置き換えることでラックの質量を軽くできるので、異常時における燃料プール内の床と壁面とに作用する荷重を大幅に軽減できるので、貯蔵施設の安全性を向上できる。
【０１０４】
なお、現状用いられているＢ−ＳＵＳ製の角パイプのｐＨが約３．０であるのに対し、Ｂ−Ａｌ製の角パイプ１のｐＨが約４．５である。プール内のホウ酸水は酸性であるため、本発明のＡｌ材を使用したラック４０２に対して隙間腐食を生じさせる可能性がある。このため、燃料プール内のラック４０２として本発明のＡｌ材を用いる際には、腐食防止の観点から燃料プールの水環境を従来よりも中性に近づけると、本発明に係るＡｌ材の適用が可能になる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材（請求項１）では、存在比Ｘ＝Ａｌ₄Ｃ₃／（Ａｌ₄Ｃ₃＋Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）を５５質量％以下とした。これにより、靭性及び熱間成形性能を維持しつつ、高温環境下においては高い強度を発揮できる。また、熱間成形性が悪化せず、特に押出成形によって容易に所望の形状に成形できる。
【０１０６】
また、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材（請求項２）では、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を３０質量％以上としたので、さらに高温強度を向上させることができる。
【０１０７】
また、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材（請求項３）では、中性子吸収材の粉末とＭｇを含有するＡｌの粉末とをメカニカルアロイングによって処理して真空焼結するようにした。これにより、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の析出量の制御が容易になるので、存在比Ｘを上記範囲に収めやすくなる。さらに、多数の高エネルギーボールによって常にＡｌ粉末とＢ又はＢ化合物の粉末とがすりつぶされるので、より靭性及び高温強度に優れた放射性物質貯蔵用構造強度材を得ることができる。
【０１０８】
また、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材（請求項４）では、Ａｌに含有されるＭｇを、Ａｌ処理粉末の全質量に対して０．３質量％以上０．７質量％以下とした。これにより、放射性物質貯蔵用構造強度材に求められる高温強度、靭性あるいは熱間成形性の要求値を満たすことができる。
【０１０９】
また、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材（請求項５）では、メカニカルアロイングの処理時間を１０時間以下とした。これにより、通常のメカニカルアロイングと比較して、処理時間を１／１０程度に短縮でき、生産性を向上させることができる。
【０１１０】
また、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材（請求項６）では、Ｓｉの含有量を０．４質量％以下に制限した。これにより、放射性物質貯蔵用構造強度材に要求される靭性を確保できる。
【０１１１】
また、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材（請求項７）では、中性子吸収材はＢ又はＢ化合物とし、Ｂの含有量は１．５質量％以上７質量％以下とした。このようなＢの含有量であれば、熱間成形性能と構造強度材に求められる強度及び靭性とのバランスが良好な放射性物質貯蔵用構造強度材を得ることができる。また、Ｂ又はＢ化合物は、入手及び取り扱いが比較的容易なので、バスケットやラック等の製造コストを低減できる。
【０１１２】
また、この発明に係る放射線遮蔽材（請求項８）では、存在比Ｘ＝Ａｌ₄Ｃ₃／（Ａｌ₄Ｃ₃＋Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）を５５質量％以下とした。これにより、靭性及び熱間成形性能を維持しつつ、高温環境下においては高い強度を発揮できる。また、熱間成形性が悪化せず、容易に所望の形状に成形できる。
【０１１３】
また、この発明に係る放射線遮蔽材（請求項９）では、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を３０質量％以上としたので、さらに高温強度を向上させることができる。
【０１１４】
また、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレット（請求項１０）では、メカニカルアロイング及び真空焼結を用い、存在比Ｘ＝Ａｌ₄Ｃ₃／（Ａｌ₄Ｃ₃＋Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）を５５質量％以下とした。このため、このビレットを熱間成形して製造した構造材は、靭性及び熱間成形性能を維持しつつ、高温環境下においては高い強度を発揮できる。また、存在比Ｘが前記範囲なので、ビレットの押出成形性が悪化せず、熱間成形によって所望の形状に成形できる。
【０１１５】
また、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレット（請求項１１）では、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合は３０質量％以上としたので、高温強度をより向上させることができる。
【０１１６】
また、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレット（請求項１２）では、含有するＭｇを、Ａｌ処理粉末の全質量に対して０．３質量％以上０．７質量％以下とした。これにより、高温強度と靭性と熱間成形性能とのバランスがとれる範囲に上記存在比Ｘを設定しやすくなる。また、放射性物質貯蔵用構造強度材に求められる高温強度や熱間成形性能の要求値を満たす熱間成形用ビレットを得ることができる。
【０１１７】
また、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレット（請求項１３）では、Ｓｉの含有量を０．４質量％以下に制限したので、熱間成形後における構造材の靭性を十分に確保できる。
【０１１８】
また、この発明に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレット（請求項１４）では、中性子吸収材としてＢ又はＢ化合物を用い、Ｂの含有量を、１．５質量％以上７質量％以下とした。これにより、熱間成形性能、特に押し出し成形性能と強度とのバランスが良好な熱間成形用ビレットを得ることができる。また、Ｂ又はＢ化合物は、入手及び取り扱いが比較的容易なので、放射性物質貯蔵用構造強度材の製造コストを低減できる。
【０１１９】
また、この発明に係る放射線遮蔽材の熱間成形用ビレット（請求項１５）では、メカニカルアロイング及び真空焼結を用い、存在比Ｘ＝Ａｌ₄Ｃ₃／（Ａｌ₄Ｃ₃＋Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）を５５質量％以下とした。このため、このビレットを熱間成形して製造した構造材は、靭性及び熱間成形性能を維持しつつ、高温環境下においては高い強度を発揮できる。また、存在比Ｘが前記範囲なので、ビレットの押出成形性が悪化せず、熱間成形によって所望の形状に成形できる。
【０１２０】
また、この発明に係る放射線遮蔽材の熱間成形用ビレット（請求項１６）では、Ａｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合は３０質量％以上としたので、高温強度をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】この発明の実施の形態１に係る放射性物質貯蔵用構造強度材の製造方法に用いるアトライターミルの構成図である。
【図３】この押出機の構造を示す説明図である。
【図４】−４０℃におけるＡｌ₄Ｃ₃の比率と横膨出量との関係を示す説明図である。
【図５】−４０℃におけるＡｌ₄Ｃ₃の比率と衝撃値との関係を示す説明図である。
【図６】２５０℃におけるＡｌ₄Ｃ₃の比率と引張強さとの関係を示す説明図である。
【図７】−４０℃におけるＳｉ量と衝撃値との関係を示す説明図である。
【図８】−４０℃におけるＳｉ量と横膨出量との関係を示す説明図である。
【図９】２５０℃におけるＳｉ量と引張強さとの関係を示す説明図である。
【図１０】実施の形態２に係る角パイプを示す断面図である。
【図１１】角パイプを押出成形するポートホール押出機の押出部における構造を示す説明図である。
【図１２】他の構造強度材を示す説明図である。
【図１３】リサイクル燃料集合体を格納するバスケットの一例を示す断面図である。
【図１４】リサイクル燃料集合体を格納するバスケットの他の例を示す一部断面図である。
【図１５】リサイクル燃料集合体を格納するバスケットの他の例を示す説明図である。
【図１６】リサイクル燃料集合体を格納するバスケットの他の例を示す説明図である。
【図１７】キャスクの概要を示す説明図である。
【図１８】リサイクル燃料プールの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 角パイプ
２ デッキプレート
３、３１０ 板状部材
３０ アトライターミル
３４ アトライター
４１ ボール
２００ キャスク
３０１ａ、３０５ ダイス
３０１ 押出機
３０３ 高周波コイル
４００ リサイクル燃料プール

Claims (16)

1. 中性子吸収材を含むＡｌの母相中に少なくともＡｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄とが存在し、且つ前記Ａｌ₄Ｃ₃と前記Ａｌ₂Ｏ₃と前記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を５５質量％以下としたことを特徴とする放射性物質貯蔵用構造強度材。
2. さらに、上記Ａｌ₄Ｃ₃と上記Ａｌ₂Ｏ₃と上記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する上記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を３０質量％以上としたことを特徴とする放射性物質貯蔵用構造強度材。
3. Ｍｇを含有するＡｌ粉末と中性子吸収材の粉末とをメカニカルアロイングによって処理したＡｌ処理粉末を真空焼結した後に熱間成形したことを特長とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放射性物質貯蔵用構造強度材。
4. 上記Ｍｇは上記Ａｌ処理粉末の全質量に対して０．３質量％以上０．７質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載の放射性物質貯蔵用構造強度材。
5. 上記メカニカルアロイングの処理時間は、１０時間以下であることを特徴とする請求項３又は４に記載の放射性物質貯蔵用構造強度材。
6. さらに、Ｓｉの含有量を０．４質量％以下に制限したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の放射性物質貯蔵構造部材。
7. 上記中性子吸収材はＢ又はＢ化合物であり、Ｂの含有量は１．５質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の放射性物質貯蔵用構造強度材。
8. 中性子吸収材を含むＡｌの母相中に少なくともＡｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄とが存在し、且つ前記Ａｌ₄Ｃ₃と前記Ａｌ₂Ｏ₃と前記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を５５質量％以下としたことを特徴とする放射線遮蔽材。
9. さらに、上記Ａｌ₄Ｃ₃と上記Ａｌ₂Ｏ₃と上記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する上記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を３０質量％以上としたことを特徴とする請求項８に記載の放射線遮蔽材。
10. Ｍｇを含有するＡｌ粉末と中性子吸収材の粉末とをメカニカルアロイングによって処理したＡｌ処理粉末を所定の形状に成形して真空焼結することにより、Ａｌの母相中に少なくともＡｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄とが存在し、且つ前記Ａｌ₄Ｃ₃と前記Ａｌ₂Ｏ₃と前記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を５５質量％以下としたことを特徴とする放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレット。
11. さらに、上記Ａｌ₄Ｃ₃と上記Ａｌ₂Ｏ₃と上記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する上記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を３０質量％以上としたことを特徴とする請求項１０に記載の放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレット。
12. 上記Ｍｇは上記Ａｌ処理粉末の全質量に対して０．３質量％以上０．７質量％以下であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレット。
13. さらに、Ｓｉの含有量を０．４質量％以下に制限したことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレット。
14. 上記中性子吸収材はＢ又はＢ化合物であり、Ｂの含有量は１．５質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の放射性物質貯蔵用構造強度材の熱間成形用ビレット。
15. Ｍｇを含有するＡｌ粉末と中性子吸収材の粉末とをメカニカルアロイングによって処理したＡｌ処理粉末を所定の形状に成形して真空焼結することにより、Ａｌの母相中に少なくともＡｌ₄Ｃ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＡｌ₂Ｏ₄とが存在し、且つ前記Ａｌ₄Ｃ₃と前記Ａｌ₂Ｏ₃と前記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する前記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を５５質量％以下としたことを特徴とする放射線遮蔽材の熱間成形用ビレット。
16. さらに、上記Ａｌ₄Ｃ₃と上記Ａｌ₂Ｏ₃と上記ＭｇＡｌ₂Ｏ₄との総量に対する上記Ａｌ₄Ｃ₃の存在割合を３０質量％以上としたことを特徴とする請求項１５に記載の放射線遮蔽材の熱間成形用ビレット。

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