JP2006177697A

JP2006177697A - 中性子吸収材及びその製造方法

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Publication number: JP2006177697A
Application number: JP2004369012A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sasaki; 伸一佐々木; Heishiro Takahashi; 平四郎高橋
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】十分な中性子吸収能を持ち、しかも、大型品や複雑形状であっても容易にかつ低コストで製造可能な中性子吸収材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】金属製の基材の表面に、アルミニウムやニッケルなどの金属粉末と炭化ホウ素などのホウ素化合物粉末とを溶射またはコールドスプレー法によりコーティングし、該基材の表面に対し実質的に全面にわたって密着した金属−ホウ素複合層を設けたことを特徴とする中性子吸収材。金属粉末とホウ素化合物粉末とを同時に溶射またはコールドスプレーしてもよく、それらの混合粉末または複合粉末を用いてもよい。
【選択図】なし

Description

本発明は、再臨界防止作用や中性子吸収作用を有し、中性子を放射する使用済み核燃料の輸送容器や貯蔵容器等の素材として有用な中性子吸収材とその製造方法に関するものである。

使用済み核燃料を再臨界状態とすることなく、且つ放射線を過度に漏洩させることなく安全に輸送及び貯蔵するための手段として、その容器自体（例えば、燃料集合体を収納するためのバスケットなど）の設計や、用いる材料に関して種々の検討が行われている。これらの用途に用いられる材料には、材料自体に中性子などの吸収能力があること、及び使用済み核燃料を効率よく冷却できること、等の特性が要求される。中性子吸収用材料としては、従来からホウ素を含有させたAl基合金や複合材料、ホウ素含有物質をAl板でサンドイッチしたボラールと呼ばれている材料が多用されており、使用済み核燃料の輸送容器や貯蔵容器等の構成材料として用いられている。

例えば、特許文献１には、溶解したアルミニウム合金にAlB₁₂を添加してホウ素含有Al合金を製造する方法が開示されている。また、特許文献２には、AlまたはAl合金にホウ素またはホウ素化合物と、ZrやTiとを加圧焼結し、中性子吸収能力を有する複合材を製造する方法が開示されている。
特開平１−３１２０４４号特開２００１−８３２８７号

ホウ素含有Al基合金や複合材料を用いて中性子吸収能力を有する構造材を製造する場合、ひとつの方法としては、ホウ素を含有した合金や複合材料による厚さ1mm程度の薄板を用意し、これを基材にリベットなどで固定するか、またはスポット溶接することが一般的に行われている。この方法では、構造材のサイズが大きくなると、多数の薄板を基材に貼り付けなければならず、作業に大きな手間がかかるためにコスト高になっていた。
また、リベットによる固定や溶接では、基材の表面の全面に対して強固に貼り付けることは事実上不可能であり、リベットや溶接部の劣化により中性子吸収能力のある薄板が剥離することもあった。さらに、薄板を基材に貼り付けると、リベットや溶接部分が突出することがあり、例えば使用済み燃料棒の出し入れに邪魔になることもあった。

また、Al合金や複合材料自体を構造材として用いることも不可能ではないが、Al合金にホウ素化合物を添加すると、Al-B中間生成物のために強度や成形性が著しく低下することがあり、加工コストの上昇につながっていた。そのため、大型の構造材や複雑な形状の構造材への適用は困難であった。ホウ素源として¹⁰B濃縮ホウ素を用いると、合金に対するホウ素添加量が少なくて済むので成形性はさほど損なわれない場合もあるが、濃縮ホウ素自体がきわめて効果であるため、やはりコスト高の原因となっていた。

一方、従来一般的に用いられているボラールという材料は、Al板材の間にホウ素化合物の粉末を挟んで圧延するものであり、ホウ素含有量を大きくすることができる。しかし、Al板材とホウ素化合物粉末との接着が不十分で、強度が不足するため構造材には向かず、また伸びが小さいため、成型や加工は困難であった。

本発明は、上記のような現状に鑑み、必要な中性子遮蔽能と強度特性をバランスよく満たし、大型のものや複雑形状のものでも安価に製造することが可能な中性子吸収材及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため以下の手段を採用した。
すなわち、本発明は、金属製の基材の表面に金属−ホウ素複合層が構成された中性子吸収材であって、金属−ホウ素複合層と基材とが実質的に全面にわたって密着されていることを特徴とする、中性子吸収材である。

本発明における中性子吸収材の金属−ホウ素複合層は、基材の表面の1面のみに構成されていてもよく、基材の相対する2表面に、基材を挟むように構成されていてもよい。すなわち、外側の2層が金属−ホウ素複合層で、その間に基材を有する、3層構造の中性子吸収材である。

本発明における中性子吸収材の金属−ホウ素複合層は、金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれか1種以上の金属粉末もしくはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末とを同時に溶射するか、またはコールドスプレー法によりコーティングすることにより構成されたものとすることができる。

また、本発明における中性子吸収材の金属−ホウ素複合層は、金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれかの1種以上の金属粉末もしくはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末との混合粉末または複合粉末を溶射するか、またはコールドスプレー法によりコーティングすることにより構成されたものとすることができる。

本発明における中性子吸収材の基材は、アルミニウム、鋼材、ステンレス鋼材、銅のいずれかとすることができる。目的とする中性子吸収材に求められる機械的強度等を考慮して選択すればよい。

本発明における中性子吸収材の金属−ホウ素複合層は、金属としてアルミニウム、ニッケル、銅またはステンレスからなるものとすることができる。これらの金属を単独で用いてもよく、またはその合金でもよい。一方、ホウ素としては、単体ホウ素、炭化ホウ素、ホウ素酸化物、ホウ素フッ化物のいずれかとすることができる。これらを1種類だけ用いてもよく、複数の種類のホウ素源を併用してもよい。

また、本発明における中性子吸収材の金属−ホウ素複合層におけるホウ素の含有量は、5体積％以上70体積％以下とすることができる。

さらに、本発明は、上記の中性子吸収材の製造方法であり、金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれか1種以上の金属粉末またはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末を同時に溶射することを特徴とする、中性子吸収材の製造方法である。

また、本発明の方法は、金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれか1種以上の金属粉末もしくはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末との混合粉末または複合粉末を溶射する方法としてもよい。

また、本発明の方法は、金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれか1種以上の金属粉末またはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末とを同時にコールドスプレー法によりコーティングする方法としてもよい。

また、本発明の方法は、金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれか1種以上の金属粉末もしくはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末との混合粉末または複合粉末をコールドスプレー法によりコーティングする方法としてもよい。

本発明による中性子吸収材は、基材の表面に実質的に全面にわたって密着した金属−ホウ素複合層を構成したことで、基材の特性（強度、熱伝導性など）を劣化させることなく、十分な中性子吸収能力を有する材料とすることができる。基材の１表面だけでなく、反対側の表面にも金属−ホウ素複合層を構成すればさらに中性子吸収効果を高めることができる。金属−ホウ素複合層は、アルミニウムやニッケルなどの金属粉末とホウ素化合物粉末を、基材の表面に溶射するか、コールドスプレー法によりコーティングすることにより構成することができる。そのため、金属−ホウ素複合層におけるホウ素濃度を容易に高め、または該複合層の厚さを変えることで中性子吸収能力を容易に制御することができ、しかも該複合層におけるホウ素濃度の分布を均一なものとすることができる。そのため、高価な¹⁰B濃縮ホウ素を用いることなく、必要な中性子吸収能力を付加することが可能である。しかも、大型品または複雑形状品であっても、溶射またはコールドスプレー法により基材表面に金属−ホウ素複合層をコーティングすることで容易にかつ低コストで製造することができる。さらに、コーティング面はほぼ平滑にすることができるので、本発明の中性子吸収材を使用済み核燃料の収納容器に用いた場合でも、燃料棒の出し入れに邪魔になることがない。

以下、本発明の内容をさらに詳細に説明する。
本発明の中性子吸収材は、金属製の基材と、金属−ホウ素複合層とからなり、該基材と該複合層が実質的に全面にわたって密着していることを特徴とする。ここで、「実質的に全面にわたって」とは、該基材と該複合層との両表面が不可避的な欠陥部分を除いてすべて密着しているということを意味する。

金属−ホウ素複合層は、基材の片面のみに設けてもよく、基材を挟むように相対する2表面に設けてもよい。後者の場合は、複合層−基材−複合層という3層構造となる。

基材の表面に実質的に全面にわたって密着した金属−ホウ素複合層を構成するには、金属粉末とホウ素化合物粉末を基材の表面に溶射するという方法がある。ここで、溶射の原料となる金属粉末としては、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスから選ぶことができ、これらのうちの１種類のみでもよく、複数の金属粉末を組み合わせて用いてもよい。さらに、これらの金属の1種以上を含む合金の金属粉末を用いてもよい。例えばアルミニウム粉末では、ミルで粉砕した粉末、切削粉、アトマイズ粉末、急冷凝固粉末、メカニカルアロイング粉末、スプレーフォーミング粉末などを利用することができる。一方、ホウ素化合物としては、単体ホウ素、炭化ホウ素、ホウ素酸化物、ホウ素フッ化物などを用いることができる。このうち、入手のしやすさや安価でホウ素含有量の多いなどの点で、炭化ホウ素が好ましい。なお、金属粉末及びホウ素化合物の粉末の粒径は、5〜200μmが溶射のためには適当である。入手できる粉末が5μmより細かい場合は、造粒法などであらかじめ5〜200μmに二次凝集させて用いるのが好ましい。

金属粉末とホウ素化合物粉末は、別々の供給ラインから同時に溶射装置に供給する方法とすることができる。この場合、金属粉末とホウ素化合物の供給比率を複合層の組成に見合うように調整することが必要となる。または、あらかじめ金属粉末とホウ素化合物粉末を単純に混合したり、両粉末をあらかじめ混合してスプレードライ法などにより造粒した顆粒状の混合粉末にしたりして溶射に供給してもよい。さらに、メカニカルアロイングにより両粉末の複合粉末を用意するか、あるいは溶融した金属にホウ素化合物を混合してアトマイズして複合粉末を用意してそれを溶射に供給してもよい。

金属−ホウ素複合層を構成する他の方法としては、コールドスプレー法がある。これは、原料粉末を溶かすことなく、高速で基材に衝突させてコーティングを形成する方法である。原料粉末としては、前記の溶射に用いる粉末と同じものを用いることができる。例えば具体的には、ステンレス製ノズルより、例えば音速以上の高速で窒素ガスをキャリアとして原料粉末を基材に衝突させ、複合材の層を基材表面に形成するといった方法が挙げられる。

金属−ホウ素複合層におけるホウ素化合物の含有量は、5〜70体積％（複合層全体の体積を100％としたときの値）である。ホウ素化合物の含有量が70体積％を超えると、コーティング層の機械的強度が低下し、衝撃を受けたときに金属−ホウ素複合層が割れるおそれがある。一方、ホウ素化合物の含有量が5体積％より低くなると、必要な中性子吸収能力を保つためにコーティング層の厚さを厚くする必要があり、コーティング層が剥離するおそれがある。なお、コーティング層の厚さには特に制限はなく、基材も含めた構造体全体として、中性子吸収のために十分な量のホウ素化合物を保有していればよい。

本発明の中性子吸収材の基材としては、アルミニウム、鋼材、ステンレス鋼材、銅などが挙げられる。基材のサイズは特に限定するものではない。目的とする中性子吸収材の使用方法に応じて、それに必要な強度を有する厚さや形状であればよい。本発明の方法によれば、基材が大型になった場合や、基材の形状が複雑になった場合でも、溶射またはコールドスプレー法によりその表面に金属−ホウ素複合層を容易に構成することができる。

以下に本発明の実施例を挙げて説明する。
以下の材料を用いて、機材の表面に溶射により金属−ホウ素複合層を構成した。
（１）基材：金属アルミニウム板 A1050及びA6061-T651
サイズはいずれも100mm×100mm×10^tmm
（２）溶射材料：金属アルミニウム粉末75体積％とB₄C粉末25体積％の混合粉末
金属アルミニウムの粒度：D₅₀ 51μm
B₄C粉末の粒度：D₅₀ 30μm
ただし、粒度はいずれもレーザー回折／散乱式により測定したもの。
（３）溶射条件
溶射方法：フレーム溶射
酸素流量：1900scfh
灯油流量：5.1gph
粉末供給量：40g/sec
溶射距離：200mm
トラバース速度：750mm/sec
ピッチ：6mm

上記の条件により、2種類の基材を2枚ずつ用意し、それぞれ片面に対する溶射、両面に対する溶射を行った。その結果、47回の繰り返し溶射により、厚さ約1mmの金属−ホウ素複合層を形成することができた。溶射後の目視観察では、基材の反りは見られず、複合層の脱落、剥離も観察されなかった。基材と金属―ホウ素複合層との密着は溶射面のほぼ全面にわたって良好であった。また、複合層の断面を光学顕微鏡で観察し、B₄Cと思われる部分を画像処理ソフトによりB₄C含有量を推定したところ、32体積％であった。

次に、基材と複合層の密着強度を次に示す条件により測定した。
接着剤：アラルダイトAT-1
試験数：2点（平均値を破壊強度とする）
引張速度：1mm/min
接着領域の断面積：24.58mm²
なお、本試験法での接着剤の破壊強度は7.1kgf/mm²であった。複合層の密着強度がそれ以上の場合、接着剤以上の密着強度と判断することとした。

密着強度試験の結果、基材がA1050、A6061-T651のいずれの場合も、破断箇所は接着剤の部分であり、複合層の損傷は見られず、基材と複合層の界面からの剥離も見られなかった。したがって、本実施例における複合層の接着強度は接着剤の破壊強度である7.1kgf/mm²以上であることが明らかとなった。

Claims

金属製の基材と、該基材の表面に構成された金属−ホウ素複合層とからなる中性子吸収材であって、金属−ホウ素複合層と基材とが実質的に全面にわたって密着されていることを特徴とする、中性子吸収材。
金属製の基材と、該基材の相対する2表面に構成された金属−ホウ素複合層からなる中性子吸収材であって、金属−ホウ素複合層と基材とが実質的に全面にわたって密着されていることを特徴とする、中性子吸収材。
金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれかの1種以上の金属粉末もしくはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末とを同時に溶射するか、またはコールドスプレー法によりコーティングすることにより、該基材の表面に金属−ホウ素複合層を構成してなる、請求項１または２に記載の中性子吸収材。
金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれかの1種以上の金属粉末もしくはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末との混合粉末または複合粉末を溶射するか、またはコールドスプレー法によりコーティングすることにより、該基材の表面に金属−ホウ素複合層を構成してなる、請求項１または２に記載の中性子吸収材。
基材が、アルミニウム、鋼材、ステンレス鋼材、銅のいずれかであることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の中性子吸収材。
金属−ホウ素複合層が、金属としてアルミニウム、ニッケル、銅及びステンレスから選ばれる1種以上を含み、かつホウ素として単体ホウ素、炭化ホウ素、ホウ素酸化物及びホウ素フッ化物から選ばれる1種以上を含むことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の中性子吸収材。
金属−ホウ素複合層におけるホウ素の含有量が、5体積％以上70体積％以下であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の中性子吸収材。
金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれか１種以上の金属粉末またはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末とを同時に溶射することを特徴とする、中性子吸収材の製造方法。
金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれか1種以上の金属粉末もしくはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末との混合粉末または複合粉末を溶射することを特徴とする、中性子吸収材の製造方法。
金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれか1種以上の金属粉末またはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末とを同時にコールドスプレー法によりコーティングすることを特徴とする、中性子吸収材の製造方法。
金属製の基材の表面に、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスのいずれか1種以上の金属粉末もしくはこれらの1種以上の金属を含む合金の金属粉末とホウ素化合物粉末との混合粉末または複合粉末をコールドスプレー法によりコーティングすることを特徴とする、中性子吸収材の製造方法。