JP2017125715A

JP2017125715A - 中性子遮蔽体

Info

Publication number: JP2017125715A
Application number: JP2016003812A
Authority: JP
Inventors: 康祐袖山; Kosuke Sodeyama; 雅章熊谷; Masaaki Kumagai; 孝昌江原; Takamasa Ebara; 大地山下; Daichi Yamashita; 坂本　幸夫; Yukio Sakamoto; 幸夫坂本; 和義桝本; Kazuyoshi Masumoto; 宏松村; Hiroshi Matsumura; 晃弘豊田; Akihiro Toyota
Original assignee: High Energy Accelerator Research Organization; Atox Co Ltd
Current assignee: High Energy Accelerator Research Organization; Atox Co Ltd
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-07-20

Abstract

【課題】既存の施設に容易に適用でき、放射性廃棄物の発生量を低減させることができる中性子遮蔽体を提供する。【解決手段】放射化低減構造体１は、コンクリート１０と、その加速器ターゲット２側の中性子遮蔽体１１とで構成される。中性子遮蔽体１１は、加速器ターゲット２側から順に、ポリエチレン層１１ａと、ボロンカーバイド層１１ｃと、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成された第２アルミ層１１ｄとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、加速器ターゲット等の中性子源から発生する中性子を遮蔽する構造体の放射化を抑制するための中性子遮蔽体に関する。

近年、様々な施設において中性子線等の放射線を用いた技術が扱われるようになっている。例えば、がん治療やＰＥＴ薬剤製造等のための医療用加速器施設等である。そのような施設では、加速器ターゲット等の中性子源から発生する中性子から、ホウ素等を含有させた低放射化コンクリート等を用いた構造体で周囲を覆うことにより、施設内の所定の空間内における漏洩線量を低減させている。

この種の構造体としては、コンクリート等の放射線遮蔽材料を、壁や床や天井等の構造体とするとともに、その構造体の中性子源側を、中性子吸収遮蔽体で覆うことによって構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−０５５８５４号公報

ところで、放射線を用いた技術の扱われる施設では、中性子源から発生する中性子によって、その施設の壁や床や天井等の構造体（例えば、コンクリート）自体が、放射化してしまうことが知られている。そのようにして放射化してしまった構造体は、一般廃棄物ではなく、放射性廃棄物として扱わねばならない。そして、放射性廃棄物は、一般廃棄物に比べ、処理が難しく、処理コストが大きい。

しかし、特許文献１に記載のような構造体は、所定の空間に対して中性子源から発生する中性子を遮蔽することのみに着目したものである。すなわち、構造体そのものの放射化を低減することについては、考慮されていない。

そのため、従来の構造体を用いた施設の廃止や再建造等を行う場合には、その構造体そのものが放射性廃棄物となってしまい、処理コストが増大してしまうという問題があった。

また、従来の構造体は、新規施設が対象として設計されたものであり、既存の施設に後発的に適用することは難しいという問題があった。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、既存の施設に容易に適用でき、放射性廃棄物の発生量を低減させることができる中性子遮蔽体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の中性子遮蔽体は、中性子源から発生する中性子を遮蔽する構造体の中性子源側に配置される中性子遮蔽体であって、前記中性子源側から順に、熱外中性子を熱中性子に変換する減速材層と、該熱中性子を遮蔽する遮蔽材層と、前記遮蔽材層の前記構造体側を被覆する構造体側被覆層とを備え、前記減速材層は、ポリオレフィン材料で形成され、前記構造体側被覆層は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されていることを特徴とする。

このように、本発明の中性子遮蔽体では、中性子源から発生する熱外中性子を、まず、ポリオフィン材料で形成された減速材層によって熱中性子に変換する。次に、その熱中性子を、熱中性子断面積の大きい中性子遮蔽材で形成された遮蔽材層によって遮蔽する。そのため、本発明の中性子遮蔽体を設置することによって、構造体そのものに到達する中性子の量が低減され、構造体の放射化が低減される。

また、本発明の中性子遮蔽体では、遮蔽材層の構造体側を、構造体側被覆層によって被覆し、遮蔽材層を外部環境から保護して、中性子遮蔽体の寿命の短縮化を防止している。そして、この構造体側被覆層は、放射化が生じにくいアルミニウム又はアルミニウム合金を用いて形成されている。そのため、この構造体側被覆層を設けたことによって、放射性廃棄物が大幅に増加することもない。

ここで、遮蔽材層の材料としては、例えば、ボロン（天然又は^１０Ｂを濃縮させたもの）、リチウム、カドミウム、ガリウム、ガドリニウム、ゲルマニウム、ウラン、金等を用いることができる。

また、本発明の中性子遮蔽体の構造体側被覆層を形成するアルミニウム又はアルミニウム合金は、一般的に中性子遮蔽材よりも低コストであり、建材としての適性も高い。また、減速材層を形成するポリオレフィン材料は、他の減速材（水や黒鉛、コンクリート等）に比べ、加工が容易であり、また、建材として優れた適性を持っている。さらに、減速材層を形成するポリオレフィン材料、及び、被覆層を形成するアルミニウム又はアルミニウム合金は、いずれも軽量であり、他の部材への接着や溶接等の接合が容易な材料である。そのため、既存の構造体に対して容易に適用することができる。

したがって、本発明の中性子遮蔽体によれば、既存の施設に容易に適用して構造体の放射化を抑制するとともに、放射性廃棄物の発生量を低減させることができる。

また、本発明の中性子遮蔽体においては、前記減速材層と前記遮蔽材層との間に、前記遮蔽材層の前記中性子源側を被覆する中性子源側被覆層を備え、前記中性子源側被覆層は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されていることが好ましい。

このように、遮蔽材層の中性子源側にも構造体側と同様の中性子源側被覆層を設ければ、遮蔽材層が被覆層に覆われるので、遮蔽材層がさらに確実に外部環境から保護されるようになる。その結果、中性子遮蔽材の劣化を防止できるようになるので、さらに、中性子遮蔽体の寿命の短縮化を防止しつつ、放射性廃棄物の発生量を低減させることができるようになる。

また、本発明の中性子遮蔽体においては、前記遮蔽材層、前記構造体側被覆層及び前記中性子源側被覆層の厚さの合計は、２．５ｍｍであり、前記減速材層の厚さは、３０ｍｍ〜１３０ｍｍであるように構成するとよい。また、好ましくは、前記遮蔽材層の厚さは、２．５ｍｍであり、前記減速材層の厚さは、４０ｍｍ〜８０ｍｍであるように構成するとよい。さらに好ましくは、前記遮蔽材層の厚さは、２．５ｍｍであり、前記減速材層の厚さは、８０ｍｍであるように構成するとよい。

実施形態に係る中性子遮蔽体を適用した放射化低減構造体の構成を示す断面図。図１の放射化低減構造体の中性子の遮蔽を示すイメージ図。遮蔽体モデルの構成を示す模式図。図３の遮蔽体モデルに対して行った中性子照射試験の結果を示すグラフ。図４の試験結果から算出した中性子カット率を示すグラフであり、図３Ａはボロンアルミ板を設置しなかった場合の比較用のグラフ、図３Ｂはポリエチレン板を４０ｍｍとした場合のグラフ、図３Ｃはポリエチレン板を８０ｍｍとした場合のグラフ。

以下、図面を参照して、実施形態に係る放射化低減構造体について説明する。

まず、図１を参照して、放射化低減構造体１の構成について説明する。

図１に示すように、放射化低減構造体１は、加速器ターゲット２（中性子源）から放出される中性子を遮蔽するコンクリート１０（構造体）と、コンクリート１０の加速器ターゲット２側に接合された中性子遮蔽体１１とで構成されている。

中性子遮蔽体１１は、加速器ターゲット２側から順に、熱外中性子を熱中性子に変換するポリエチレン層１１ａ（減速材層）と、第１アルミ層１１ｂ（加速器ターゲット側被覆層）と、熱中性子を遮蔽するボロンカーバイド層１１ｃ（遮蔽材層）と、第２アルミ層１１ｄ（構造体側被覆層）とを備えている。

減速材層であるポリエチレン層１１ａは、ポリオレフィン材料であるポリエチレンで構成されている。なお、減速材層としては、ポリエチレンの他、ポリプロピレン等のポリオレフィン材料を用いてもよい。ポリエチレン層１１ａの厚さは、８０ｍｍである。なお、その厚さは、少なくとも２０ｍｍ以上であればよく、加速器ターゲット２から発生する中性子量、又は、放射化低減構造体１の設置環境等に応じて適宜変更してもよい。

第１アルミ層１１ｂとボロンカーバイド層１１ｃと第２アルミ層１１ｄとは、ボロンアルミ板（Ｂ_４Ｃ３０ｗｔ％含有）として一体的に形成されている。そのボロンアルミ板の厚さは、２．５ｍｍである。なお、その厚さは、加速器ターゲット２から発生する中性子量、又は、放射化低減構造体１の設置環境等に応じて適宜変更してもよい。

第１アルミ層１１ｂ及び第２アルミ層１１ｄは、アルミニウムで形成されている。なお、アルミニウムに代わり、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金で形成してもよい。

遮蔽材層であるボロンカーバイド層１１ｃは、天然又は^１０Ｂを濃縮させたボロンを用いて形成されている。なお、遮蔽材層としては、ボロンカーバイドの他、リチウム、カドミウム、ガリウム、ガドリニウム、ゲルマニウム、ウラン、金等を用いてもよい。

ポリエチレン層１１ａとボロンアルミ板（すなわち、第１アルミ層１１ｂ）、及び、ボロンアルミ板（すなわち、第２アルミ層１１ｄ）とコンクリート１０は、アルキル−αシアノアクリレートを主成分とする化学反応型の瞬間接着剤で接合されている。なお、このような瞬間接着剤に代わり、接着シートを用いて接合してもよい。また、ポリエチレン層１１ａを構成しているポリエチレンや第１アルミ層１１ｂ及び第２アルミ層１１ｄを形成しているアルミニウムは、機械加工が容易な材料であるので、それぞれの接着面に加工を施して係合等させて接合してもよい。

なお、放射化低減構造体１では、ポリエチレン層１１ａとボロンアルミ板との接合性を向上させるとともに、ボロンカーバイド層１１ｃを外部環境から保護するために、第１アルミ層１１ｂを設けている。しかし、第１アルミ層１１ｂは省略してもよい。

次に、図２を参照して、放射化低減構造体１による中性子の遮蔽について説明する。

加速器ターゲット２等から発生した熱外中性子は、まず、ポリエチレンで形成されたポリエチレン層１１ａによって熱中性子に変換される。次に、その熱中性子は、第１アルミ層１１ｂを透過し、熱中性子断面積の大きいボロンカーバイド層１１ｃによって、その多くが遮蔽される。その後、遮蔽されきれなかった熱中性子は、第２アルミ層１１ｄを透過して、コンクリート１０によって遮蔽される。

次に、図３〜図５を参照して、放射化低減構造体１を用いて行った中性子照射試験の結果について説明する。

本試験では、サイクロトロンの運転を行う施設内に遮蔽体モデル３を設置して行った。サイクロトロンとしては、ビームエネルギー１８ＭｅＶ、ビームカレント４５μＡのものを用いており、照射時間は８０分とした。

遮蔽体モデル３は、図３に示すように、８枚のポリエチレン板３０と、ボロンアルミ板３１と、試験体３２とで構成されている。

減速材層に相当する各ポリエチレン板３０は、高さ３００ｍｍ、幅４００ｍｍ、厚さ２０ｍｍとなるように構成されている。

遮蔽材層及びそれを挟み込む被覆層に相当するボロンアルミ板３１は、隣接するポリエチレン板３０のいずれかの位置に挿入されるようにして配置される。ボロンアルミ板３１は、高さ３００ｍｍ、幅４００ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ、その組成は、Ｂ_４Ｃ３０ｗｔ％である。

試験体３２は、金箔を用いている。試験体３２は、各ポリエチレン板３０の中心位置に貼り付けられており、その大きさはφ６．０ｍｍである。

本試験では、上記のように構成した遮蔽体モデル３を用いて、ボロンアルミ板３１の挿入位置を変化させて複数回の試験を行い、その試験ごとに全試験体３２の相対放射能を算出した。

具体的には、以下の４つの条件で試験を行った。
条件１：ボロンアルミ板３１を挿入しなかった場合
条件２：ボロンアルミ板３１を加速器ターゲットとなるサイクロトロン側から２枚目と３枚目のポリエチレン板３０の間に挿入した場合（すなわち、減速材層を４０ｍｍとした場合）
条件３：ボロンアルミ板３１を加速器ターゲットとなるサイクロトロン側から４枚目と５枚目のポリエチレン板３０の間に挿入した場合（すなわち、減速材層を８０ｍｍとした場合）
条件４：ボロンアルミ板３１を加速器ターゲットとなるサイクロトロン側から６枚目と７枚目のポリエチレン板３０の間に挿入した場合（すなわち、減速材層を１２０ｍｍとした場合）
その試験結果のグラフを図４に示す。このグラフに基づいて、ボロンアルミ板３１を挿入しなかった場合（条件１）を基準として、各条件における相対放射能積分値を比較して、中性子カット率を算出した。

その算出結果のグラフを図５に示す。図５Ａに示すように、ボロンアルミ板３１を挿入しなかった場合（条件１）では、最大放射能（グラフ中○印で示した値）は１．４０となった。

これに対し、図５Ｂに示すように、減速材層が４０ｍｍとなる位置にボロンアルミ板３１を挿入した場合（条件２）には、最大相対放射能（グラフ中○印で示した値）は０．１９６となった。すなわち、ボロンアルミ板３１を挿入しなかった場合（条件１）と比較し、中性子カット率は８５％となった。

また、図５Ｃに示すように、減速材層が８０ｍｍとなる位置にボロンアルミ板３１挿入した場合（条件３）には、最大相対放射能（グラフ中○印で示した値）は０．０４９となった。すなわち、ボロンアルミ板３１を挿入しなかった場合（条件１）と比較し、中性子カット率は９６％となった。

以上の試験結果より、減速材としてポリエチレンを用いるとともに、遮蔽材としてボロンアルミを用いた場合には、構造体に到達する中性子を大幅にカットできることが判明した。

また、ボロンアルミの厚さが２．５ｍｍである場合、図４のグラフの傾斜に基づけば、ポリエチレン層の厚さは、３０ｍｍ〜１３０ｍｍ、好ましくは４０ｍｍ〜８０ｍｍ、さらに好ましくは８０ｍｍ程度とすると、厚さに対する中性子カット率が良好となることが判明した。また、８０ｍｍ程度であれば建材としても使用がしやすい。

以上説明したように、放射化低減構造体１では、ポリエチレン層１１ａ及びボロンカーバイド層１１ｃによって、施設の構造体として用いられるコンクリート１０に到達する中性子の量が低減されているので、コンクリート１０の放射化が低減されている。

また、放射化低減構造体１の中性子遮蔽体１１では、ポリエチレン層１１ａの構造体側を、第２アルミ層１１ｄによって被覆し、ポリエチレン層１１ａを外部環境から保護して、ボロンカーバイド層１１ｃの寿命の短縮化を防止している。そして、この第２アルミ層１１ｄは、放射化が生じにくいアルミニウムを用いて形成されている。そのため、この第２アルミ層１１ｄを設けたことによって、放射性廃棄物が大幅に増加することもない。

また、第２アルミ層１１ｄを形成するアルミニウム又はアルミニウム合金は、一般的に中性子遮蔽材よりも低コストであり、建材としての適性も高い。また、ポリエチレン層１１ａを形成するポリオレフィン材料は、他の減速材（水や黒鉛、コンクリート等）に比べ、加工が容易であり、また、建材として優れた適性を持っている。さらに、ポリエチレン層１１ａを形成するポリエチレン、及び、第２アルミ層１１ｄを形成するアルミニウムは、いずれも軽量であり、他の部材への接着や溶接等の接合が容易な材料である。そのため、既存の構造体に対して容易に適用することができる。

したがって、中性子遮蔽体１１によれば、既存の施設に容易に適用して構造体の放射化を抑制するとともに、放射性廃棄物の発生量を低減させることができる。

そのため、このように構成された中性子遮蔽体を用いて構成された放射化低減構造体は、例えば、ＰＥＴ薬剤製造用の加速器施設等の建設等に対し、特に好適に用いることができる。

１…放射化低減構造体、２…加速器ターゲット（中性子源）、３…遮蔽体モデル、４…ボロンアルミ板、１０…コンクリート（構造体）、１１…中性子遮蔽体、１１ａ…ポリエチレン層（減速材層）、１１ｂ…第１アルミ層（加速器ターゲット側被覆層）、１１ｃ…ボロンカーバイド層（遮蔽材層）、１１ｄ…第２アルミ層（構造体側被覆層）。

Claims

中性子源から発生する中性子を遮蔽する構造体の中性子源側に配置される中性子遮蔽体であって、
前記中性子源側から順に、熱外中性子を熱中性子に変換する減速材層と、該熱中性子を遮蔽する遮蔽材層と、前記遮蔽材層の前記構造体側を被覆する構造体側被覆層とを備え、
前記減速材層は、ポリオレフィン材料で形成され、
前記構造体側被覆層は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されていることを特徴とする中性子遮蔽体。
請求項１に記載の中性子遮蔽体であって、
前記減速材層と前記遮蔽材層との間に、前記遮蔽材層の前記中性子源側を被覆する中性子源側被覆層を備え、
前記中性子源側被覆層は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されていることを特徴とする中性子遮蔽体。
請求項２に記載の中性子遮蔽体であって、
前記遮蔽材層、前記構造体側被覆層及び前記中性子源側被覆層の厚さの合計は、２．５ｍｍであり、
前記減速材層の厚さは、３０ｍｍ〜１３０ｍｍであることを特徴とする中性子遮蔽体。
請求項２又は請求項３に記載の中性子遮蔽体であって、
前記遮蔽材層、前記構造体側被覆層及び前記中性子源側被覆層の厚さの合計は、２．５ｍｍであり、
前記減速材層の厚さは、４０ｍｍ〜８０ｍｍであることを特徴とする中性子遮蔽体。
請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の中性子遮蔽体であって、
前記遮蔽材層、前記構造体側被覆層及び前記中性子源側被覆層の厚さの合計は、２．５ｍｍであり、
前記減速材層の厚さは、８０ｍｍであることを特徴とする中性子遮蔽体。