JP4918727B2 - 中性子線遮蔽体 - Google Patents

Description

本発明は、中性子線の遮蔽が要求される原子力施設等の構造体として用いられるコンクリート造の中性子線遮蔽体に関するものである。

従来より、原子炉等を格納した原子力施設や放射線発生装置を収納した施設等の躯体は、内部で発生した放射性物質の外部への放出を防止するために、鉄筋コンクリート等の構造体によって遮蔽されている。
このような構造体を、鉄筋コンクリート造によって構成する場合には、要求される中性子線の遮蔽効果を得るために、その厚さ寸法が極めて大きなものになっている。

一方、ホウ素（ボロン）は、中性子を効果的に吸収し得る元素として知られている。
ところが、ホウ素の中性子吸収性を利用すべく、セメント系材料中に直にホウ素やその化合物を添加すると、ホウ素がセメント系材料の水和反応を阻害し、この結果セメントの硬化不良を生じて所定の強度発現も妨げてしまうという問題点があった。

そこで、例えば、セメントの硬化阻害作用の少ないホウ素化合物や粒状ボロン鉱物の表面を、プラスチック等の水に難溶性の物資でコーディングしたものを使用することも考えられたが、下記特許文献１にもセメントモルタルへの適用例として記載されているように、原料が入手困難であるとともに、細骨材となる粒状ボロン鉱物等の表面を、個々にコーティングすること自体が困難であり、かつ所望の含有量を得ることが難しい等の理由から、実現には至っていない。
特公昭５８−６７０４号公報

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、ホウ素の中性子吸収性を有効に活用することにより中性子線の遮蔽効果に優れ、よって従来よりもコンクリートの厚さ寸法を薄くすることができるとともに、所望の機械的強度も確保することができる中性子線遮蔽体を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、コンクリート造の中性子線遮蔽体であって、上記コンクリートに必要とされる粗骨材の総量の一部として、上記粗骨材に代えて表面がホウ素の溶出を抑制するコーティング材によって覆われたコレマナイトからなるホウ素含有粗骨材を用い、かつ上記粗骨材の総量に対する上記ホウ素含有粗骨材の重量比を、１５〜２０ｗｔ％の範囲にするとともに、上記コーティング材として、セメントの水和反応にコーティングが破壊されないアルカリに耐性を有するアクリル系エマルジョンまたは油脂系エマルジョンの浸透性防水剤を主体とするものを用いたことを特徴とするものである。

ここで、上記粗骨材とは、一般的なコンクリートの製造に用いられている砂利、砕石である。

請求項１に記載の発明によれば、コンクリート内に、表面がホウ素の溶出を抑制するコーティング材によって覆われたコレマナイトからなるホウ素含有粗骨材を、粗骨材に混入させているために、当該コレマナイトが有する中性子吸収性によって中性子線の遮蔽効果を向上させることができる。この結果、遮蔽体を構成するコンクリートの厚さ寸法を、従来よりも薄くすることが可能になり、経済性に優れる。

しかも、コレマナイトの表面を、ホウ素の溶出を抑制するコーティング材によって覆っているために、上記コンクリート打設時に、上記ホウ素がセメントの水和反応を阻害して硬化不良に起因する強度発現の低下が生じることを防ぐことができる。

ところで、上記コンクリートに必要とされる粗骨材の総量の全てを、粗骨材に代えてホウ素含有粗骨材を用いると、一般に上記ホウ素含有粗骨材は、砕石や砂利等からなる上記粗骨材よりも強度に劣るために、上記コンクリートの圧縮強度の低下を招いてしまう。
この点、本発明においては、上記コンクリートに必要とされる粗骨材の総量の一部として上記ホウ素含有粗骨材を用いているために、所望の圧縮強度を得ることができる。

ここで、上記粗骨材の総量に対するホウ素含有粗骨材の混合割合（重量比）は、ホウ素含有粗骨材を構成するコレマナイトの強度や中性子線の遮蔽効果、上記遮蔽体を構築する際に敷地面積等に基づいて要求されるコンクリートの厚さ寸法、上記遮蔽体を構成する上記コンクリートとして必要とされる圧縮強度等により、適宜選択することができる。

ちなみに、上記粗骨材の総量に対する上記ホウ素含有粗骨材の重量比を、１５〜２０ｗｔ％の範囲に設定することにより、後述するように、上記ホウ素含有粗骨材が有するホウ素の中性子線遮蔽効果により、従来よりもコンクリートの厚さ寸法を薄くすることができるとともに、所望の機械的強度も確保することができ、さらに上記コンクリートによって構築される中性子線遮蔽体の全体としてのコストも合理的に低減させることが可能になる。

図１〜図４に基づいて、本発明に係る中性子線遮蔽体を、コレマナイトの表面をホウ素の溶出を抑制するコーティング材によって覆ったコレマナイト粗骨材（ホウ素含有粗骨材）を用いたコンクリートによって中性子線遮蔽体を構成する場合に適用した実施形態について説明する。
ここで、上記コーティング材としては、大別してアクリル系エマルジョンや油脂系エマルジョン等の浸透性防水剤を主体とするものを用いることができ、より具体的には、アクリル樹脂系エマルジョン、アクリルスチレン系エマルジョン、シラン系、油脂系エマルジョン等を用いることができる。ただし、セメントの水和反応にコーティングが破壊されないように、アルカリに耐性を有していないものは除外する必要がある。

そして先ず、上記中性子線遮蔽体を構成するに好適なコンクリートを得るために、水セメント比（５５％）、セメント（３２４ｋｇ／ｍ³）、水（１７８ｋｇ／ｍ³）、細骨材（８２８ｋｇ／ｍ³）、粗骨材（総量：１０００ｋｇ／ｍ³）、混和剤（２．６ｋｇ／ｍ³）による比重約２．２のコンクリートであって、上記粗骨材の総量の一部として用いるコレマナイト粗骨材（ホウ素含有粗骨材）の混合率（粗骨材の総量に対するコレマナイト粗骨材の重量比）を変化させたものについて、各々のコンクリートにおける圧縮強度や遮蔽効果等の変化をみた。

先ず、図１に示すように、コレマナイトは、砂利や砕石等の一般的な粗骨材と比較して強度が低いために、当該コレマナイト粗骨材の含有率を増加させると、得られたコンクリートの圧縮強度が次第に低下し、最終的に全ての粗骨材としてコレマナイト粗骨材を用いると、上記中性子線遮蔽体を構成するコンクリートとしての使用には耐え得なくなってしまうことが判明した。

そこで、普通コンクリートの最低圧縮強度を、３０Ｎ／ｍｍ²と設定した場合に、当該条件を満足できるコレマナイト粗骨材の重量比は、２０ｗｔ％以下であるとの知見を得た。

他方、上記コレマナイト粗骨材の含有率を低下させると、上記圧縮強度は増加するものの、逆に中性子線の遮蔽効果は低減する。
すなわち、図２に示すように、コレマナイト粗骨材の含有率を低下させると、これに応じて１０分の１価層（中性子線の強度（線量率）を１０分の１にするための厚さ寸法）も小さくなる。しかしながら、少なくともコレマナイト粗骨材の重量比を１ｗｔ％以上とすることにより、当該重量比が０ｗｔ％の場合よりも上記１０分の１価層を小さくする効果は得られるために、従来よりもコンクリートの厚さ寸法を薄くすることが可能になる。

これに対して、コレマナイト粗骨材の含有率を増加させた場合に付いてみると、重量比が２０ｗｔ％を超えると、遮蔽効果の増加程度が緩慢になり、よって後述するコレマナイト粗骨材を混入させることによるコストの増加との対比から、経済的ではない。
このため、中性子線の遮蔽効果の観点からは、コレマナイト粗骨材の重量比を１ｗｔ％〜２０ｗｔ％とすることにより、要請される中性子線の遮蔽効果およびこれによる遮蔽体のコンパクト化に合理的に対応することができることが判った。

さらに、コレマナイトは、一般的な粗骨材として用いられている砕石や砂利よりも高価であるために、図３に示すように、コレマナイト粗骨材の含有率を高めると、これにほぼ比例してコスト比も増加してしまう。

しかしながら、図２に見られるように、コレマナイト粗骨材の含有率を高めて、中性子線の遮蔽効果が高まれば、上記コンクリートの厚さ寸法を従来よりも薄くすることができ、よって遮蔽体の一層のコンパクト化を図ることができる。そしてこの結果、いずれもコンクリートに比べて高価な機器、配管等の寸法を低減させることができために、当該関連機器類におけるコストダウンを図ることが可能になる。

そこで、コレマナイト粗骨材の含有率を高めることによるコストアップと、これによる上記コンクリートの厚さ寸法の低減によるコストダウンとを総合的に試算したところ、図４に示すように、上記コストは、上記重量比が０〜２０ｗｔ％の範囲において徐々に低下し、約２０ｗｔ％において最小になるとともに、２０ｗｔ％を超えても、変動が少ないことが判明した。そしてさらに、上記コスト効果に限れば、粗骨材の総量に対するコレマナイト粗骨材の重量比が１５〜４０ｗｔ％の範囲が好ましいことも判った。

以上のことから、本実施形態においては、中性子線遮蔽体を構成するコンクリートとして、当該コンクリートに必要とされる粗骨材の総量の１〜２０ｗｔ％を、砕石や砂利等からなる一般的な粗骨材に代えて、表面がホウ素の溶出を抑制するコーティング材によって覆われたコレマナイトからなるコレマナイト粗骨材を用いた。

この結果、中性子線遮蔽体によれば、コンクリート内に、表面がホウ素の溶出を抑制するコーティング材によって覆われたコレマナイト粗骨材を、粗骨材に混入させているために、当該ホウ素の中性子吸収性によって中性子線の遮蔽効果を向上させることができ、よって遮蔽体を構成するコンクリートの厚さ寸法を、従来よりも薄くすることが可能になり、経済性に優れる。

しかも、コレマナイトの表面を、ホウ素の溶出を抑制するコーティング材によって覆っているために、上記コンクリート打設時に、上記ホウ素がセメントの水和反応を阻害して硬化不良に起因する強度発現の低下が生じることを防ぐことができる。

さらに、コンクリートの強度上必要とされる粗骨材の総量に対して、一般的な粗骨材に代えて混入させた上記コレマナイト粗骨材の重量比を１〜２０％にしているために、上記コレマナイトが有するホウ素の中性子線遮蔽効果により、従来よりもコンクリートの厚さ寸法を薄くすることができるとともに、所望の機械的強度も確保することができ、さらに全体としてのコストも合理的に低減させることが可能になる。

本発明の一実施形態においてコレマナイト粗骨材の含有率とコンクリートの圧縮強度との関係を示すグラフである。 同、コレマナイト粗骨材の含有率とコンクリートの遮蔽効果との関係を示すグラフである。 同、コレマナイト粗骨材の含有率とコンクリートのコストとの関係を示すグラフである。 同、コレマナイト粗骨材の含有率と遮蔽体全体のコストとの関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. コンクリート造の中性子線遮蔽体であって、
   上記コンクリートに必要とされる粗骨材の総量の一部として、上記粗骨材に代えて表面がホウ素の溶出を抑制するコーティング材によって覆われたコレマナイトからなるホウ素含有粗骨材を用い、
   かつ上記粗骨材の総量に対する上記ホウ素含有粗骨材の重量比を、１５〜２０ｗｔ％の範囲にするとともに、
   上記コーティング材として、セメントの水和反応にコーティングが破壊されないアルカリに耐性を有するアクリル系エマルジョンまたは油脂系エマルジョンの浸透性防水剤を主体とするものを用いたことを特徴とする中性子線遮蔽体。

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