JP4666310B2 - 放射線遮蔽材 - Google Patents

Description

本発明は、γ線、Ｘ線および中性子線を同時に遮蔽する放射線遮蔽材料に関するもので、放射線施設や、放射性廃棄物、核燃料、ラジオアイソトープ（ＲＩ）等の貯蔵、輪送容器及び関連機器等に使用される放射線遮蔽材料に関する。

γ線およびＸ線の遮蔽には、どのような物質も質量減弱係数に大差はなく、密度の大きい物質の方が線減弱係数が大きくなり、遮蔽体の厚みが小さくて済むので、一般には鉛、タングステン、鉄、コンクリートなどが使われている。

一方、物質中に照射された高速中性子は、物質中の原子との弾性散乱によりエネルギーを失い熱中性子となり、熱中性子は物質を構成する元素の原子核により捕獲される。そのため、中性子線の遮蔽には、一般的に水素を含有する水や高分子材料、Ｇｄ、Ｂ、Ｃ、Ｂｅ等を含有する材料が遮蔽材として使用されている。

熱中性子は熱中性子捕獲断面積の大きな原子核によるほど捕獲され易いが、この場合二次γ線が放出される場含があるので、中性子線遮蔽にはこの二次γ線の遮蔽も含めて考えなければならない。

そこで、中性子線とγ線、Ｘ線を同時に遮蔽する材料として、Ｇｄ、黒鉛などの中性子線遮蔽材と、鉛やタングステンなどのγ線遮蔽材を複合させた材料が特許文献１および特許文献２に提案されている。

すなわち、特許文献１には、黒鉛からなる中性子減速材と、酸化ガドリニウムからなる中性子吸収材と、タングステンおよび／または酸化タングステンからなるγ線遮蔽材との混合物からなる原料粉末を鉄粉末と均一に混合して溶融状態の鉄をバインダー材として成形・加工した放射線遮蔽材が開示されている。

また、特許文献２には、黒鉛、酸化ガドリニウム、タングステンおよび／または酸化タングステンからなる原料粉末と、鉄粉末および／または鉛粉末を、体積率で夫々９０〜９５％、１０〜５％に混合して加圧成形した半導体容器が開示されている。
特公平８−２７３８８号公報 特許２８７７２９２号公報

このＧｄ、黒鉛などの中性子線遮蔽材と鉛やタングステンなどのγ線遮蔽材を複合させた材料は、中性子線とγ線、Ｘ線を同時に遮蔽する能力において優れたものではあるが、配合材料相互、とくに、配合黒鉛と他の配合成分との比重差のために、配合成分、とくに、黒鉛が材料中に均一に分散されず、また、密度が低くなるので、所期の放射線遮蔽能が十分に発揮されないという問題がある。

本発明において解決すべき課題は、配合黒鉛の不均一分散による放射線遮蔽能の低下の問題を解消し、中性子線とγ線、Ｘ線の同時遮蔽能に加え、耐久性に優れた放射線遮蔽材を提供することにある。

本発明は、材質的に緻密化に悪影響をもたらす黒鉛を使用しなくとも、ＧｄまたはＧｄの酸化物その他の化合物によって、黒鉛が有する中性子線、とくに、高速中性子線の遮蔽能を代替できるという知見に基づいて上記課題を解決した。これによって、従来、放射線遮蔽、とくに、高速中性子線の遮蔽に必須とされてきた黒鉛を使用しないことによって、黒鉛の使用による密度の低下が防止され、緻密で、中性子線とγ線、Ｘ線の同時遮蔽能に優れた放射線遮蔽材を得ることができる。

上記ＧｄまたはＧｄの酸化物の他にも、各種の窒化物、ホウ化物、炭化物、酸窒化物、酸ホウ化物、炭酸化物、窒ホウ化物、炭窒化物、炭ホウ化物、炭酸窒化物、酸ホウ窒化物、炭ホウ酸化物、酸ホウ窒炭化物、またはこれらの複合物化合物もしくは混合物のうちの少なくとも一種（以下、総称して「Ｇｄ含有物」という。）が使用でき、これに、タングステンと結合材とからなる材料を得ることにより、中性子線とγ線、Ｘ線を同時に遮蔽する確実な性能と耐久性を有する放射線遮蔽材を得ることができる。

Ｇｄ含有物としては、Ｇｄをそのまま添加して良いが、化学的に安定な酸化物や材料中に均一に分散することを助ける働きをするＧｄの酸化物、窒化物、ホウ化物、炭化物、酸窒化物、酸ホウ化物、炭酸化物、窒ホウ化物、炭窒化物、炭ホウ化物、炭酸窒化物、酸ホウ窒化物、炭ホウ酸化物、酸ホウ窒炭化物、またはこれらの複合物化合物もしくは混合物の形で添加すれば、放射線遮蔽材中にＧｄ含有物が均一に分散し、中性子の遮蔽が確実にできる材料を得ることができる。とくに、Ｇｄのホウ化物、炭化物は、中性子の減速、遮蔽の効果がＧｄ単体より大きく、黒鉛やホウ素をＧｄに単体で添加した従来のものより、原料の混合分散が比重差により不均一とならず、中性子の遮蔽効果が向上する。放射線遮蔽材を薄い形状で用いる場合、とくにその性能が発揮される。Ｇｄの酸ホウ化物等ホウ素を有する固溶体や炭窒化物等炭素を有する固溶体も同様の効果がある。

本発明の放射線遮蔽材には、耐熱性や耐食性の結合材を用いるのが望ましく、具体的には、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうちの少なくとも１種または複数種を使用することが望ましい。その結合材の選択によっては４００℃以上での使用が可能となる。また、上記結合材の複数種の選択により例えばステンレス合金のような耐食性の合金を形成すれば、耐食性が要求される環境に適した放射線遮蔽材を得ることができる。

また、Ｇｄ含有物の含有量が０．２〜２０質量％、タングステンの含有量が７０〜９７．８質量％であり、結合材の含有量が２〜１０質量％であるような組成にして、密度を１０ｇ／ｃｍ ^３ 以上としたことにより、γ線、Ｘ線遮蔽効果が向上する。

Ｇｄ含有物の含有量が０．２質量％より少ないと、中性子線の遮蔽効果が低下する。Ｇｄ含有物の含有量が４０質量％より多いと、γ線、Ｘ線の遮蔽効果が低下する。また、タングステンの含有量は５０質量％より少ないと、γ線、Ｘ線の遮蔽効果が十分でなく、９７．８質量％より多いと、中性子線の遮蔽が十分でないばかりか焼結しにくくなる。また結合材の含有量については、２質量％未満であると、１５００℃以下での焼結が十分でなく、曲げや引っ張りに耐えられる材料が得られない。また、１０質量％より多いと、γ線、Ｘ線の遮蔽効率が悪いので材料を厚くして用いる必要がある。

また、焼結後の本発明の放射線遮蔽材の密度は１０ｇ／ｃｍ ^３ 以上である。この値未満では、γ線、Ｘ線遮蔽能が鉛より劣り、γ線、Ｘ線、中性子線の同時遮蔽能を得るには、材料自体を厚くして用いなければならず、実用的でないからである。

さらに、本発明の放射線遮蔽材の表面に、Ｔｉやステンレス鋼をめっき、溶射、イオンプレーティング、蒸着等により被覆すれぱ、耐食性が向上し各種環境で長期間、放射線遮蔽材として使用が可能になる。

本発明の放射線遮蔽材はγ線、Ｘ線および中性子線の同時遮蔽能が、従来の鉄や鉛をバインダー材として黒鉛、酸化ガドリニウム、タングステンおよび／または酸化タングステンを含有する焼結体からなる放射線遮蔽材よりも優れ、耐久性にも優れている。

また、原料の配合割合を本発明の割合に設定することにより、最適な放射線遮蔽材の設計が可能で、使用上充分な機械的強度および耐熱性を持たせた放射線遮蔽材の製造が可能である。

さらに、Ｔｉまたはステンレス鋼で、本発明の放射線遮蔽材の表面を被覆すれば、耐食性が向上し様々な環境で使用できる。

本発明の放射線遮蔽材は、次のような方法で製造することができる。

まず、タングステン粉末とＧｇ含有物の粉末とＦｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうちの少なくとも１種からなる粉末をボールミル混合機やアトライターやらいかい機などで均一に混合する。均一に混合できれば、その他の混合方法を用いてもよい。

次に混合した粉末を篩いにかけ、粗大粒子径の粉末は粉砕し、再度篩いにかけ、平均粒子径を１〜３０μｍに調整後、プレス機の金型に充填し２０〜２００ＭＰａの圧力でプレス成形し、非酸化性雰囲気中で１２００〜１７００℃にて焼結を行うと本発明の放射線遮蔽材を得ることができる。または、上記粒径を調整した原料粉末をホットプレス装置のカーボン製の型に充填し、１〜２０ＭＰａの圧力で８５０〜１３００℃の温度範囲にてホットプレスを行うと本発明の放射線遮蔽材を得ることができる。

焼結時には、結合材であるＦｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうちの少なくとも１種は、一度液化して、タングステン粒子とＧｄ含有物粒子をつなぐ結合材としての役割を果たす。

得られた焼結体を適宜機械加工、放電加工等を行えば所望の形状の本発明の放射線遮蔽材を得ることができる。

以下実施例により詳細に本発明を説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

遮蔽能の試験は、各放射線の線量当量率を１／１０にする各試験材の厚さ（１／１０価層）を求め、それによって評価を行なった。試験には中性子線源として^２５２Ｃｆを、γ線源として^６０Ｃｏを用いた。

結合材として平均粒子径１μｍの純鉄を用い、それに中性子吸収材として平均粒子径１μｍのＧｄ_２Ｏ_３粒子を用い、γ線遮蔽材として平均粒子径１４５μｍのタングステン粉末を用い、それぞれ表１に示す配合割合に従って配合し、ボールミル混合機で４時間均一になるまで混合した。

次に混合した粉末を＃５００、＃１０００の順にステンレス製網の篩いにかけ、粗大粒子径の粉末は粉砕し、再度篩いにかけ、平均粒子径を１〜３０μｍに調整後、プレス機の金型に充填し２０〜２００ＭＰａの圧力でプレス成形し１５×１５×（１．５〜２．５）ｃｍの形状のプレス成形体を得た、そしてこれを水素雰囲気中で１２００〜１７００℃の温度範囲で焼結を行い、平面研削盤で成形し１０×１０×（１〜２）ｃｍの形状の本発明の放射線遮蔽材を作製した。同様にして、上記粒径を調整した原料粉末をホットプレス装置のカーボン製の型に充填し、１〜２０ＭＰａの圧力で８５０〜１３００℃の温度範囲でホットプレスを行うことによっても本発明の放射線遮蔽材を得ることができた。

そして、得られた本発明の放射線遮蔽材について、その密度および遮蔽能を測定した。なお、比較例として、従来の黒鉛を含むＷ−Ｇｄ_２Ｏ_３−Ｆｅ−Ｃ系材料のうち５０質量％Ｗ−２０質量％Ｇｄ_２Ｏ_３−２０質量％Ｆｅ−１０質量％Ｃ、ニッケル、タングステン、鉛、エポキシ樹脂、ポリエチレン、コンクリート、炭素鋼（ＳＳ４１）についても同様の測定を行なった。結果を表１に示す。

表１より、本発明の放射線遮蔽材は、中性子線およびγ線（Ｘ線を含む）共に実用的な厚さで遮蔽することができることがわかる。

一方、参考例Ｎｏ．１からわかるように、Ｇｄ_２Ｏ_３の含有量が０．２質量％未満になると中性子遮蔽能が低下するので、Ｇｄ_２Ｏ_３の含有量は０．２質量％以上が望ましいことがわかる。また、参考例Ｎｏ．１４からわかるように、Ｇｄ_２Ｏ_３の含有量が４０質量％を超えると未焼結の状態となる場合がある。

また、参考例Ｎｏ．６からわかるように、Ｆｅの含有量が２．０質量％未満になると未焼結の状態になり放射線遮蔽材として使用することができない場合があるので、結合材の含有量は２．０質量％以上が望ましいことがわかる。ただし、結合材の量が１０質量％を超えると密度が低下して、γ線（Ｘ線を含む）を遮蔽する能力が低下するので、結合材の含有量は２．０質量％以上１０質量％以下とすることが望ましい。

さらに、参考例Ｎｏ．１からわかるように、Ｗの量が９７．８質量％を超えると中性子遮蔽能力が低下するので、Ｗの含有量は９７．８質量％以下とすることが望ましい。また、参考例Ｎｏ．１４からわかるように、Ｗの量が５０質量％未満になると未焼結となる場合がある。

本発明の放射線遮蔽材は、比較例Ｎｏ．１９のエポキシ樹脂より優れた中性子線遮蔽能を有しており、なお且つその密度の増加によりγ線遮蔽能も増しており、γ線、Ｘ線遮蔽能と中性子線遮蔽能を高性能に兼ね備えるものである。

比較例Ｎｏ．１５のＷ−Ｇｄ_２Ｏ_３−Ｆｅ−Ｃ系材料は、中性子遮蔽能は優れているが、黒鉛を含有するので密度が低下し、黒鉛の材料中の分散が比重差のため不均一となり、γ線遮蔽能は本発明の放射線遮蔽材のγ線遮蔽能の１／４より小さい結果となった。

他の比較例であるニッケル、タングステン、鉛、エポキシ樹脂、ボリエチレン、コンクリート、炭素鋼（ＳＳ４１）と比較してもγ線遮蔽能、中性子線遮蔽能を総合的に評価した場合、いずれの実施例もその優位性が明らかに認められる。

実施例１と同様にして、Ｇｄ_２Ｏ_３の代わりにＧｄもしくはＧｄの窒化物（ＧｄＮ）、ホウ化物（Ｇｄ_２Ｂ_４）、炭化物（Ｇｄ_４Ｃ_３）、酸窒化物（Ｇｄ（ＯＮ））、酸ホウ化物（Ｇｄ（ＢＯ））、炭酸化物（Ｇｄ_２（ＣＯ））、窒ホウ化物（Ｇｄ（ＢＮ））、炭窒化物（Ｇｄ（ＣＮ））、炭ホウ化物（Ｇｄ（ＣＢ））、炭酸窒化物（Ｇｄ（ＣＯＮ））、酸ホウ窒化物（Ｇｄ（ＯＢＮ））、炭ホウ酸化物（Ｇｄ（ＣＢＯ））、酸ホウ窒炭化物（Ｇｄ（ＯＢＮＣ））、またはこれらの複合化合物（Ｇｄの酸化物を含む）もしくは混合物（Ｇｄの酸化物を含む〉のうちの少なくとも一種以上の粉末を用いたが、実施例１と同様の結果となった。

ここで、Ｇｄ（ＯＮ）はＧｄ_２Ｏ_３とＧｄＮとの固溶体、Ｇｄ（ＢＯ）はＧｄ_２Ｂ_４とＧｄ_２Ｏ_３との固溶体、Ｇｄ_２（ＣＯ）はＧｄ_４Ｃ_３とＧｄ_２Ｏ_３との固溶体、Ｇｄ（ＢＮ）はＣｄ_２Ｂ_４とＧｄＮとの固溶体、Ｇｄ（ＣＮ）はＧｄ_４Ｃ_３とＧｄＮとの固溶体、Ｇｄ（ＢＮ）はＧｄ_２Ｂ_４とＧｄＮとの固溶体、Ｇｄ（ＣＢ）はＧｄ_４Ｃ_３とＧｄ_２Ｂ_４との固溶体、Ｇｄ（ＣＯＮ）はＧｄ_４Ｃ_３とＧｄ_２Ｏ_３とＧｄＮとの固溶体、Ｇｄ（ＯＢＮ）はＧｄ_２Ｏ_３とＧｄ_２Ｂ_４とＧｄＮとの固溶体、Ｇｄ（ＣＢＯ）はＧｄ_４ＣｓとＧｄ_２Ｂ_４とＧｄ_２Ｏ_３との固溶体、Ｇｄ（ＯＢＮＣ）はＧｄ_２Ｏ_３とＣｄ_２Ｂ_４とＧｄＮとＧｄ_４Ｃ_３との固溶体である。また複合化合物とは、上記したＣｄ化合物の複合化合物である。混合物とは、これらが単に混合されたものである。Ｇｄ単体の状態で添加するより、化合物の形で添加する方が、分散が均一になり、化学的にも安定であるので望ましい。

実施例１と同様にして、結合材をＦｅからＴｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうちの１種または複数種（Ｆｅを含む）、例えば、５質量％Ｆｅを３質量％Ｆｅ−２質量％Ｎｉ等に変更しても同様の結果となった。前記添加物のほか、Ｍｏ、Ｎ等を別途添加して合成したＦｅ−１２Ｎｉ−１７Ｃｒ−２．５Ｍｏ−０．１５Ｎ等のステンレス鋼となるような組成の結合材を用いると耐食性が向上する。

実施例１と同じ試料の最表面に、Ｔｉを５００μｍアークイオンプレーティングした試料について実施例１と間様の実験を海水が噴霧される条件で行ったが、腐食もなく長期間の使用に耐えることができることがわかった。被覆していない試料は、表面から腐食が進行して、被覆したものの耐用年数の１／２０以下の寿命となった。同様にステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ等）で被覆した試料についても同様の結果となった。

本発明の放射線遮蔽材は、放射線施設や原子力発電所防護壁、放射性廃棄物、核燃料、ラジオアイソトープ（ＲＩ）等の貯蔵、輸送容器および関運機器、医療用放射線防護衣、医療用アイソトープ注射器およびプランジャー、放射線遮蔽衝立、放射線遮蔽用パッキン等に使用することができる。

Claims (3)

1. ＧｄもしくはＧｄの酸化物、窒化物、ホウ化物、炭化物、酸窒化物、酸ホウ化物、炭酸化物、窒ホウ化物、炭窒化物、炭ホウ化物、炭酸窒化物、酸ホウ窒化物、炭ホウ酸化物、酸ホウ窒炭化物、またはこれらの複合化合物もしくは混合物のうちの少なくとも一種：０．２〜２０質量％と、タングステン：７０〜９７．８質量％と、結合材：２〜１０質量％とからなり、密度が１０ｇ／ｃｍ ^３ 以上である放射線遮蔽材。
2. 結合材がＦｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうちの少なくとも１種からなる請求項１に記載の放射線遮蔽材。
3. 最表面が、Ｔｉまたはステンレス鋼で被覆されている請求項１または請求項２に記載の放射線遮蔽材。