JP5259515B2 - 中性子遮蔽材、その製造方法および使用済み燃料用キャスク - Google Patents

中性子遮蔽材、その製造方法および使用済み燃料用キャスク Download PDF

Info

Publication number
JP5259515B2
JP5259515B2 JP2009175778A JP2009175778A JP5259515B2 JP 5259515 B2 JP5259515 B2 JP 5259515B2 JP 2009175778 A JP2009175778 A JP 2009175778A JP 2009175778 A JP2009175778 A JP 2009175778A JP 5259515 B2 JP5259515 B2 JP 5259515B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
less
stainless steel
neutron shielding
boron
shielding material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009175778A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2011027638A (ja
Inventor
正法 木畑
雄二 齋藤
基司 坪田
禎貴 道券
真 佐藤
俊一 羽田野
政則 石賀
剛 小野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2009175778A priority Critical patent/JP5259515B2/ja
Priority to PCT/JP2010/004794 priority patent/WO2011013366A1/ja
Publication of JP2011027638A publication Critical patent/JP2011027638A/ja
Priority to US13/360,213 priority patent/US8481986B2/en
Priority to US13/915,639 priority patent/US8624211B2/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5259515B2 publication Critical patent/JP5259515B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/002Heat treatment of ferrous alloys containing Cr
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/08Metals; Alloys; Cermets, i.e. sintered mixtures of ceramics and metals
    • G21F1/085Heavy metals or alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21CPROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0221Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the working steps
    • C21D8/0226Hot rolling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0247Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the heat treatment
    • C21D8/0263Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the heat treatment following hot rolling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/46Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02Making non-ferrous alloys by melting
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/004Very low carbon steels, i.e. having a carbon content of less than 0,01%
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/54Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with boron
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/08Metals; Alloys; Cermets, i.e. sintered mixtures of ceramics and metals
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F5/00Transportable or portable shielded containers
    • G21F5/005Containers for solid radioactive wastes, e.g. for ultimate disposal
    • G21F5/008Containers for fuel elements
    • G21F5/012Fuel element racks in the containers
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28Treating solids
    • G21F9/34Disposal of solid waste
    • G21F9/36Disposal of solid waste by packaging; by baling

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Description

本発明は、ボロン(B)を含有する合金を用いた中性子遮蔽材、その製造方法および中性子遮蔽材を用いた高放射性物質の貯蔵・輸送に使用する専用容器であるキャスクに関するものである。
原子力発電プラントにおいて、原子炉を一定期間運転した後に炉心から取り出された使用済燃料は、一般に、再処理が行われるまでの間、発電所内の使用済燃料用貯蔵プールに設置された使用済燃料の貯蔵ラックに収容貯蔵され、それにより使用済み燃料が冷却されて崩壊熱の除去が行われる。
近年、貯蔵プールの収容能力が逼迫しているため、貯蔵プール内のスペースを有効活用して貯蔵容量を増加させている。また、発電所外に大型の使用済燃料用保管施設として、中間貯蔵施設を設置し、燃料を貯蔵する計画がある。発電所から出る使用済燃料を中間貯蔵施設まで輸送する容器として、キャスクが用いられる。このキャスクに燃料を収納する際に使用されるのが、格子状のバスケットである。このバスケットには、発電所内のプール水中で使用される使用済燃料ラックと同じオーステナイト系ステンレス鋼をベースにし、中性子遮蔽能力を有するボロンを添加した合金製の中性子遮蔽材が使用される。
ボロン含有オーステナイト系ステンレス鋼については、下記の技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。すなわち、B含有オーステナイト系ステンレス鋼は、B,C,Si,Cr,Ni,Mo、NおよびOを特定範囲内に含有した500μm以下の窒素ガスアトマイズ粉を特定の軟鋼製缶に充填し、真空密封した後、特定温度および圧力条件でHIP処理することにより得られる。
特開平6−207207号公報
ボロンを含有するオーステナイト系ステンレス鋼は、ボロンの持つ中性子吸収能力を利用し制御棒や遮蔽材として、核燃料輸送容器、使用済核燃料保管用ラックなどに用いられている。
従来、原子炉の制御用や中性子の遮蔽用に、ボロンを約1%以上含有するオーステナイト系ステンレス鋼をベースとする遮蔽板が使用されてきた。中性子吸収能力を付与するためにはボロンの添加量は多い程よいが、オーステナイト系ステンレス鋼中へのボロンの固溶量は非常に小さく、添加されたボロンのほとんどがクロムと結合し、ボライドとして析出する。このため、母材中のクロム量が減少して、遮蔽板の機械的強度、延性などが低下する。また、ボロンの添加量の増加と共に、この低下傾向は顕著になる。
ボロン添加合金は、元々発電所内に設けられた燃料貯蔵プールの燃料収納部材のラックとして用いられてきた。ラックは、それ自体が移動用ではないため、ある程度の材料特性があればよいが、水中で使用されるため、耐用年数や安全性を重視してオーステナイト系ステンレス鋼をベースとして作製されてきた。しかしながら、ラックが輸送用の使用済燃料格納用の容器(キャスク)などの対象とされると、輸送時の落下や衝撃を考慮する余地が有り、ラックの機械的特性をより高める必要がある。また、乾式貯蔵のキャスクは、従来材のオーステナイト系ステンレス鋼ベースでは、熱伝導特性が低いため、冷却効率をより改良すべきであるという課題がある。
本発明は、上述した従来の事情に対処してなされたもので、延性および熱伝導特性に優れ、中性子を吸収する量のボロンを含有するステンレス鋼を用いた中性子遮蔽材、その製造方法並びに使用済み燃料用キャスクを提供することにある。
本発明の中性子遮蔽材の一態様は、質量%で、B:0.5%〜2.0%が添加され、Ni:3.0〜10.0%、Cr:21.00〜32.00%を含有するオーステナイト・フェライト二相ステンレス鋼又はNi:4.0%以下、Cr:11.00〜32.00%を含有するフェライト系ステンレス鋼をベースとする、延性および熱伝導特性に優れたボロン添加ステンレス鋼からなることを特徴とする。
本発明の中性子遮蔽材の製造方法の一態様は、質量%で、B:0.5%〜2.0%のボロンを、Ni:3.0〜10.0%、Cr:21.00〜32.00%を含有するオーステナイト・フェライト二相ステンレス鋼又はNi:4.0%以下、Cr:11.00〜32.00%を含有するフェライト系ステンレス鋼を形成するための原料に添加して、延性および熱伝導特性に優れたボロン添加ステンレス鋼を作製することを特徴とする。
本発明の使用済み燃料用キャスクの一態様は、円筒状の容器と、前記容器内に収納され、格子状の使用済み燃料を収納するためのバスケットと、前記容器を密閉するための蓋と、前記容器全体を被覆する外筒と、前記容器と前記外筒との間に収納された中性子吸収用樹脂と、前記容器と前記外筒を接続するため前記樹脂中に設けられた冷却フィンを具備した使用済み燃料用キャスクにおいて、前記バスケットが、前記いずれか一つの中性子遮蔽材で作製されたことを特徴とする。
本発明によれば、延性および熱伝導特性に優れ、中性子を吸収する量のボロンを含有するステンレス鋼を用いた中性子遮蔽材、その製造方法並びに使用済み燃料用キャスクを提供することができる。
Ni当量とCr当量との関係を示すグラフ。 本発明の一実施形態におけるバスケット材の製造方法を示す工程図。 本発明に係るキャスクの斜視図。 本発明材の金属組織を示す顕微鏡写真。 引張試験の結果(引張強さ)を示すグラフ。 引張試験の結果(伸び)を示すグラフ。 熱伝導率の測定結果を示すグラフ。 熱伝導率の測定結果を示す別のグラフ。
以下、本発明に係る中性子遮蔽材、その製造方法および使用済み燃料の輸送又は貯蔵用キャスク(輸送貯蔵兼用キャスク)の実施形態について説明する。なお、以下の説明において化学成分を表す%は、特に明記しない限り質量%とする。
本発明者らは、従来材の機械的特性および熱伝導特性を改善するために、オーステナイト・フェライト二相(以下、「二相系」と略称することもある。)又はフェライト系ステンレス鋼をベース(母材)として、ボロン添加合金を発明した。なお、フェライト相とオーステナイト相の二相からなる二相系において、全相に対するフェライト相の比率を表すフェライト相比は、通常、7〜98%の範囲であって、好ましくは10〜85%の範囲にあることが望ましい。これにより、Ni含有率の低い本発明材では、熱伝導特性を向上させるとともに、材料コストの低減を図ることができる。
しかしながら、オーステナイト系をベースとする従来材に比べて、元々延性が低い二相系およびフェライト系ベースでは、これを改善するために、ベース合金中の不可避的不純物の含有率を規定すればよいことを見出した。具体的には、Pを0.010%以下、Sを0.002%以下、Alを0.05%以下、Oを0.008%以下、Nを0.005%以下とすることが好ましい。
次に、中性子遮蔽材に含まれる不可避的不純物である化学成分の含有範囲の限定理由について説明する。
(1)P(リン):0.010%以下
Pは、低融点化合物を生成する元素であり、極力減少させる必要がある。したがって、Pを0.010%以下とすることで延性に優れた中性子遮蔽材が得られるという効果がある。
(2)S(硫黄):0.002%以下
Sも、Pと同じく、低融点化合物を生成する元素であり、極力減少させる必要がある。したがって、Sを0.002%以下とすることで延性に優れた中性子遮蔽材が得られるという効果がある。
(3)Al(アルミニウム):0.05%以下
Alは、脱酸剤として微量添加することは望ましいものの、0.05%以下で低融点化合物の生成を抑制させることができ、延性の向上を図ることができる。
(4)O(酸素):0.008%以下
二相系およびフェライト系をベースとし、中性子を吸収する量のボロンを添加した中性子遮蔽材の延性を向上させることができるため、Oは0.008%以下が望ましい。
(5)N(窒素):0.005%以下
Nは、0.005%を超えると、中性子遮蔽材の延性が低下する傾向にあるため、0.005%以下が望ましい。
次に、ボロン添加ステンレス鋼のボロン含有率は、0.5〜2.0%の範囲にすることが好ましい。ボロンが0.5%未満の場合、延性は向上する傾向にあるが、中性子の遮蔽効果が減少するため、バスケット材としては不向きになる。一方、2.0%を超えると延性が著しく低下し、また落下衝撃に弱いバスケットとなるため、本実施形態においては、2.0%超は規定していない。本実施形態の二相系もしくはフェライト系ステンレス鋼をベースとするボロン添加ステンレス鋼では、0.5〜2.0%のボロン量が好適である。
二相系もしくはフェライト系ステンレス鋼のC、Si、MnおよびMoの量は、C:0.030%以下、Si:1.00%以下、Mn:1.50%以下、Mo:3.50%以下とすることが好ましい。本実施形態によれば、C、Si、MnおよびMoの含有率を所定量に調整することで、延性に優れたボロン添加ステンレス鋼が得られる。
二相系ステンレス鋼をベースとするボロン添加ステンレス鋼は、主要な化学成分のNiおよびCrの含有率が、Ni:3.0〜10.0%、Cr:21.00〜32.00%である。この二相系ステンレス鋼をベースとする本実施形態では、従来鋼よりもNiが少なく、熱伝導特性に優れている。
フェライト系ステンレス鋼をベースとするボロン添加ステンレス鋼は、主要な化学成分のNiおよびCrの含有率が、Ni:4.0%以下、好ましくは3.0%未満、Cr:11.00〜32.00%である。フェライト系をベースとするボロン添加ステンレス鋼は、従来のオーステナイト系ベースのものよりも熱特性に特に優れており、使用済み燃料を効率よく冷却でき、従来鋼よりも適している。また、不可避的不純物の含有率が規定された前記ボロン添加ステンレス鋼は、二相系と同様な方法で製造することができる。
また、図1は、シェフラー組織図に準じた図面上に示された本発明材の成分範囲を示す図である。図1において、横軸はCr当量(%)であって、%Cr+%Mo+1.5×%Siで表され、一方、縦軸はNi当量(%)であって、%Ni+30×%C+0.5×%Mnで表される。本発明に用いられる二相ステンレス鋼は、図1に示す点A(Ni当量:7.95%、Cr当量:25.88%)、点B(Ni当量:9.73%、Cr当量:25.98%)、点C(Ni当量:7.91%、Cr当量:28.72%)、点D(Ni当量:6.04%、Cr当量:28.10%)、点E(Ni当量:6.12%、Cr当量:26.32%)を通る直線によって囲まれる範囲内のCr・Mo・Si・Ni・CおよびMnとを含有し、残部がFeおよび不可避的不純物として、質量%で、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Al:0.05%以下、O:0.008%以下およびN:0.005%以下からなる。ここで、点Aは本発明材2、点Bは本発明材3、点Cは本発明材6、点Dは本発明材7、点Eは本発明材5から導かれたものである。二相ステンレス鋼は、上記特定の範囲に制御することにより、延性および熱伝導性に優れたボロン添加ステンレス鋼を作製することができる。
二相系もしくはフェライト系ステンレス鋼をベースとした、延性および熱伝導特性に優れたボロン添加ステンレス鋼からなる中性子遮蔽材(バスケット材)の製造工程を図2に示す。
まず、炭素、ケイ素、マンガン、ニッケル、クロム、ボロンは鉄との合金および鉄を溶解原料とし、脱酸剤としてアルミニウムを使用する場合にはボロンは鉄との合金形態で添加し溶解した(ステップS10)。出鋼温度約1500℃で溶解合金をインゴットケースに鋳込んだ(ステップS11b)。必要により、連続鋳造とすることも可能である(ステップS11a)。ここで、インゴットの均質化熱処理を1050〜1350℃の範囲において実施する(ステップS12)。この均質化熱処理を実施することで、前述した延性および熱伝導特性に優れたボロン添加ステンレス鋼からなる中性子遮蔽材が得られる。次に、熱間鍛造の直前にインゴットを約1100℃に加熱し、約900℃〜約1200℃の範囲において熱間(プレス)鍛造を行い、厚さ50〜30mmの範囲のスラブに仕上げた(ステップS13)。鍛造後、スラブを圧延に供するためにインゴットの押湯に当たる部位や端部に切断加工を施した(ステップS14)。次に、熱間圧延は、約900℃〜約1200℃の範囲で、パススケジュール5〜6回の条件にて行い、厚さ約30mmから厚さ約5mm程度まで圧延した(ステップS15)。圧延後、1000〜1200℃の範囲にて熱処理を実施し(ステップS16)、表面処理を施し、サイズ幅1500×長さ4000×所定の厚さ、例えば5mm、まで仕上げる(ステップS17)。その後、製品切断(ステップS18)、酸洗(ステップS19)、研磨(ステップS20)、検査(ステップS21)の工程を行う。
この製造方法によれば、本実施形態の中性子遮蔽材は、従来材と同様の条件で製造することができ、製造設備を追加するための投資などの必要もない。この製造方法により得られたボロン添加ステンレス鋼のビッカース硬さを測定して、材料の均一状態を確認した。
本実施形態の、二相系又はフェライト系ステンレス鋼をベースとするボロン添加合金からなる中性子遮蔽材を用い、格子骨組みおよび格子板を組み合わせてバスケット形状を形成し、使用済燃料を輸送又は貯蔵するためのキャスク用バスケット材として提供することができる。また、本実施形態の中性子遮蔽材は、キャニスタ用のバスケット材あるいはラック材などに用いることもできる。
次に、本発明に係る中性子遮蔽材を用いた使用済み燃料の輸送又は貯蔵用金属キャスクの実施形態を、図および図に付した符号を引用して説明する。
図3は、本実施形態の中性子遮蔽材を用いた、キャスク用緩衝体を装備し、一部が切り取られた金属キャスクを示す斜視図である。図3において、円筒状の容器104内に格子状の中性子遮蔽材を用いたバスケット107が収納されており、バスケット107の格子内に使用済み燃料106が収納されており、さらに容器104の上部(図3における左部)は蓋103で密閉されている。容器104の周囲には中性子吸収材であるレジン(樹脂)109が外筒108との間に収納されており、容器104と外筒108を接続する冷却フィン110が設けられている。なお、符号100は緩衝体を、101は緩衝体木材を、102は緩衝体缶体を、105はトラニオンを示している。
二相系ステンレス鋼もしくはフェライト系ステンレス鋼をベースとした、延性および熱伝導特性に優れたボロン添加ステンレス鋼からなる中性子遮蔽材でキャスク用バスケットを構成すれば、落下衝撃特性に耐え、かつ、積載している使用済み燃料の冷却性能を向上させる作用がある。
(実施例)
以下、本発明に係る中性子遮蔽材の実施形態について、実施例に基づいて説明する。
まず、炭素(C)、ケイ素(Si)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、ボロン(B)は鉄との合金および鉄を溶解原料とし、脱酸剤としてアルミニウム(Al)を使用する場合にはボロンは鉄との合金形態で添加して溶解した。出鋼温度約1500℃で溶解合金をインゴットケースに鋳込んだ。ここで、インゴットの均質熱処理(ソーキング)を実施する。熱処理温度は、1200℃とした。次に、熱間鍛造の直前にインゴットを約1100℃に加熱し、約900℃〜約1200℃の範囲において熱間鍛造を行って、厚さ50〜30mmの範囲のスラブに仕上げた。鍛造後のスラブに対し、圧延に供するためにインゴットの押湯に当たる部位や端部に切断加工を施した。次に、熱間圧延は、約900℃〜約1200℃の範囲とし、パススケジュール5〜6回の条件にて行い、厚さ約30mmから圧延後に厚さ約5mm程度まで仕上げた。圧延後、1000〜1200℃の範囲にて熱処理を実施し、表面処理を施し、製品サイズ幅1500×長さ4000×厚さ5mmまで仕上げることにより中性子遮蔽材が得られた。
得られた中性子遮蔽材である本発明材(二相系ステンレス鋼)および比較材の化学成分を表1に、その特性を表2に示す。なお、比較材は、従来材であって、ボロン添加オーステナイト系ステンレス鋼で作製されている。
Figure 0005259515
Figure 0005259515
フェライト相比は、JIS G 0555に準拠した測定による。
延性(伸び)は、JIS Z 2241(金属材料引張試験方法)およびJIS G 0567(鉄鋼材料及び耐熱合金の高温引張試験方法)に準拠した引張試験による。熱伝導率の測定は、レーザフラッシュ法を用いて行った。
表2から、本発明材1〜7のフェライト相比は8.0〜31であった。本発明材1〜7の延性(伸び)は、29.5〜33.3%(温度20℃)であるのに対し、比較材では、23.7%(温度20℃)であった。本発明材1〜7の熱伝導率は、14.0〜18.1W/mKであるのに対し、比較材では、13.6W/mKであった。延性および熱伝導率については、いずれも本発明材が比較材よりも優れていることが確認された。
前記製法と同様にして得られた、フェライト系ステンレス鋼をベースとする中性子遮蔽材である本発明材と比較材の化学成分を表3に、その特性を表4に示す。
Figure 0005259515
Figure 0005259515
(延性および熱伝導率の測定方法は、表2を参照)
表4から、本発明材8〜12の延性(伸び)は、24.4〜27.0%(温度20℃)であるのに対し、比較材では、23.7%(温度20℃)であった。本発明材8〜12の熱伝導率は、21.8〜24.0W/mKであるのに対し、比較材では、13.6W/mKであった。延性および熱伝導率については、いずれも本発明材が比較材よりも優れていることが確認された。
本発明材1について、さらに下記の項目について測定を行った。本発明材1の化学成分を分析したところ、C:0.014%、Si:0.55%、Mn:1.02%、P:0.003%、S:0.001%、Ni:7.32%、Cr:25.35%、B:1.03%、Al:0.008%、O:0.0047%、N:0.0014%であった。本発明材1について、圧延の長手方向の先端、中央、後端の金属組織と硬さを測定した結果、ばらつきは認められず均一にボライドが分散し、かつ、主要材料である母材特性の安定した中性子遮蔽材料が得られたことが確認された。この製法により、本発明材1は良好に製造された。
すなわち、図4は、本発明材1の金属組織を示す顕微鏡写真である。図4から、オーステナイト・フェライト組成を呈した母材上に均一に分散されたボライドが確認される。
表5は、本発明材1の断面の硬さを測定した結果を示している。試験は、ビッカース硬さ測定機を用い試験荷重10kgfにて5回測定したものである。本発明材1の硬さは、比較材のものよりもわずかに高いものの、繰り返し測定をしても約HV(ビッカース硬さ)210程度と、ばらつきの少ない安定した組織であることが確認された。
Figure 0005259515
また、図5は、本発明材1と比較材の常温から425℃までの引張強さを示すグラフである。引張強さは、JIS Z 2241(金属材料引張試験方法)およびJIS G 0567(鉄鋼材料及び耐熱合金の高温引張試験方法)に準拠した引張試験による。図5では、縦軸は引張強さ(N/mm)を、横軸は温度(℃)を示しており、本発明材1は、比較材よりも強度が高く、優れた強度を示す遮蔽材であることが確認された。
不可避的不純物が、規定の範囲内に抑えられることで、上述した実施形態の延性の高いボロン添加ステンレス鋼からなる中性子遮蔽材が得られる。これを証明するために、本発明材1と比較材の常温から425℃までの延性(伸び)を比較した。図6は、本発明材1と比較材の常温から425℃までの延性(伸び)を示すグラフである(図5の試験方法を参照)。図6では、縦軸は伸び(%)を、横軸は温度(℃)を示しており、本発明材1は、すべての温度域において比較材よりも延性が高く、優れた延性を示すことが確認された。
図7は、本発明材1と比較材の熱伝導率との測定結果の比較を示すグラフである。図7では、縦軸は熱伝導率(W/m・K)を示しており、本発明材1の熱伝導率は約15.1W/m・Kであり、比較材の13.6W/m・Kよりも向上することが分かった。
図8は、本発明材8と比較材の熱伝導率との測定結果の比較を示すグラフである。本発明材8の化学成分を分析したところ、C:0.003%、Si:0.38%、Mn:0.51%、P:0.003%、S:0.001%、Ni:0.45%、Cr:17%、B:0.98%、Al:0.006%、O:0.0037%、N:0.0020%であった。図8では、縦軸は熱伝導率(W/m・K)を示しており、本発明材8の熱伝導率は約23.2W/m・Kであり、比較材の13.6W/m・Kよりも向上することが分かった。
上述した実施形態および実施例によれば、下記のとおりの効果が得られる。
(1)本発明材を採用することにより、比較材よりも高い強度を示し、バスケット材として輸送などに耐えうる中性子遮蔽材が得られる。
(2)本発明材を採用することにより、比較材よりも高い延性を示し、燃料の衝撃などがあっても破壊しにくい中性子遮蔽材が得られる。
(3)本発明材を採用することにより、比較材よりも高い熱伝導特性を示すことができ、使用済核燃料の効率よい冷却が可能となり、燃料収納の高密度化や高容量化による金属キャスク容器の性能向上につながる。
(4)本発明材を採用することにより、比較材と同様に製造でき、しかも比較材よりもNi添加量が低く抑えられたボロン添加合金の開発が可能になり、材料費の大幅なコストダウンを図ることができる。
なお、本発明は、上記実施形態および実施例のみに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形してもよい。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより、種々の発明を構成できる。例えば実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
103…蓋、104…容器、106…使用済み燃料、107…バスケット、108…外筒。

Claims (7)

  1. 質量%で、B:0.5%〜2.0%が添加され、Ni:3.0〜10.0%、Cr:21.00〜32.00%を含有するオーステナイト・フェライト二相ステンレス鋼又はNi:4.0%以下、Cr:11.00〜32.00%を含有するフェライト系ステンレス鋼をベースとする、延性および熱伝導特性に優れたボロン添加ステンレス鋼からなり、
    前記オーステナイト・フェライト二相ステンレス鋼又はフェライト系ステンレス鋼が、不可避的不純物として、質量%で、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Al:0.05%以下、O:0.008%以下およびN:0.005%以下を含有することを特徴とする中性子遮蔽材。
  2. 前記オーステナイト・フェライト二相ステンレス鋼又はフェライト系ステンレス鋼が、質量%で、C:0.030%以下、Si:1.00%以下、Mn:1.50%以下、Mo:3.50%以下を含有することを特徴とする請求項1記載の中性子遮蔽材。
  3. 前記オーステナイト・フェライト二相ステンレス鋼のフェライト相比が、7〜98%の範囲にあることを特徴とする請求項1又は2に記載の中性子遮蔽材。
  4. 前記ボロン添加ステンレス鋼を形成するための原料を溶解後、均質熱処理を1050〜1350℃の範囲内で実施して材料特性を安定化させることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項記載の中性子遮蔽材。
  5. 質量%で、B:0.5%〜2.0%のボロンを、Ni:3.0〜10.0%、Cr:21.00〜32.00%を含有するオーステナイト・フェライト二相ステンレス鋼又はNi:4.0%以下、Cr:11.00〜32.00%を含有するフェライト系ステンレス鋼を形成するための原料に添加して、延性および熱伝導特性に優れたボロン添加ステンレス鋼を作製する中性子遮蔽材の製造方法であって、
    前記オーステナイト・フェライト二相ステンレス鋼又はフェライト系ステンレス鋼が、不可避的不純物として、質量%で、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Al:0.05%以下、O:0.008%以下およびN:0.005%以下を含有することを特徴とする中性子遮蔽材の製造方法。
  6. 前記ボロンと前記原料とを溶解後、均質熱処理を1050〜1350℃の範囲内で実施して材料性質を安定化させることを特徴とする請求項記載の中性子遮蔽材の製造方法。
  7. 円筒状の容器と、
    前記容器内に収納され、格子状の使用済み燃料を収納するためのバスケットと、
    前記容器を密閉するための蓋と、
    前記容器全体を被覆する外筒と、
    前記容器と前記外筒との間に収納された中性子吸収用樹脂と、
    前記容器と前記外筒を接続するため前記樹脂中に設けられた冷却フィンを具備した使用済み燃料用キャスクにおいて、
    前記バスケットが、請求項1〜のいずれか1項記載の中性子遮蔽材で作製されたことを特徴とする使用済み燃料用キャスク。
JP2009175778A 2009-07-28 2009-07-28 中性子遮蔽材、その製造方法および使用済み燃料用キャスク Expired - Fee Related JP5259515B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009175778A JP5259515B2 (ja) 2009-07-28 2009-07-28 中性子遮蔽材、その製造方法および使用済み燃料用キャスク
PCT/JP2010/004794 WO2011013366A1 (ja) 2009-07-28 2010-07-28 中性子遮蔽材、その製造方法および使用済み燃料用キャスク
US13/360,213 US8481986B2 (en) 2009-07-28 2012-01-27 Neutron shielding material, method of manufacturing the same, and cask for spent fuel
US13/915,639 US8624211B2 (en) 2009-07-28 2013-06-12 Neutron shielding material, method of manufacturing the same, and cask for spent fuel

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009175778A JP5259515B2 (ja) 2009-07-28 2009-07-28 中性子遮蔽材、その製造方法および使用済み燃料用キャスク

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011027638A JP2011027638A (ja) 2011-02-10
JP5259515B2 true JP5259515B2 (ja) 2013-08-07

Family

ID=43529036

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009175778A Expired - Fee Related JP5259515B2 (ja) 2009-07-28 2009-07-28 中性子遮蔽材、その製造方法および使用済み燃料用キャスク

Country Status (3)

Country Link
US (2) US8481986B2 (ja)
JP (1) JP5259515B2 (ja)
WO (1) WO2011013366A1 (ja)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5259515B2 (ja) * 2009-07-28 2013-08-07 株式会社東芝 中性子遮蔽材、その製造方法および使用済み燃料用キャスク
US20140120574A1 (en) * 2012-06-06 2014-05-01 Board Of Regents, The University Of Texas System Fluorescent nitric oxide probes and associated methods
KR102061839B1 (ko) * 2012-07-30 2020-01-02 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 중성자 흡수소재 및 그의 제조방법
US9406409B2 (en) 2013-03-06 2016-08-02 Nuscale Power, Llc Managing nuclear reactor spent fuel rods
US10468144B2 (en) 2014-08-19 2019-11-05 Nuscale Power, Llc Spent fuel storage rack
CN105463293B (zh) * 2015-12-02 2018-03-06 中国核动力研究设计院 高硼不锈钢构成的结构屏蔽一体化板材的制备方法
CN113798487B (zh) * 2021-08-27 2022-07-08 四川大学 一种Fe基球形屏蔽合金粉末及其制备方法
CN115341148A (zh) * 2022-08-19 2022-11-15 浙江德田船舶设备制造有限公司 一种铁素体奥氏体双相耐热钢及其制备方法

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3854938A (en) * 1971-04-27 1974-12-17 Allegheny Ludlum Ind Inc Austenitic stainless steel
JPS5589459A (en) * 1978-12-27 1980-07-07 Daido Steel Co Ltd Boron-containing stainless steel having good corrosion resistance and workability
DE7932570U1 (de) * 1979-11-17 1980-04-17 Transnuklear Gmbh, 6450 Hanau Abschirmbehaelter mit neutronenabschirmung fuer den transport und/oder die lagerung radioaktiver stoffe
US4341555A (en) * 1980-03-31 1982-07-27 Armco Inc. High strength austenitic stainless steel exhibiting freedom from embrittlement
JPS62222049A (ja) * 1986-03-24 1987-09-30 Sumitomo Metal Ind Ltd 耐食性に優れたb含有ステンレス鋼
JP2653258B2 (ja) * 1991-02-13 1997-09-17 日本鋼管株式会社 延性、靭性、耐食性に優れたボロン含有ステンレス鋼の製造方法
JPH057455A (ja) 1991-07-02 1993-01-19 Fujisawa Shoji 漬物の素
US5848111A (en) * 1995-08-07 1998-12-08 Advanced Container Int'l, Inc. Spent nuclear fuel container
EP0844312B1 (en) 1995-08-09 2000-05-31 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Stainless steels excellent in thermal neutron absorption
US5820818A (en) 1996-08-08 1998-10-13 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Stainless steel having excellent thermal neutron absorption ability
KR100278058B1 (ko) 1995-08-09 2001-01-15 고지마 마타오 열중성자 흡수능이 우수한 페라이트계 스테인레스강
JPH0949066A (ja) * 1995-08-09 1997-02-18 Sumitomo Metal Ind Ltd 熱中性子吸収用フェライト系ステンレス鋼
JP3297698B2 (ja) * 1997-02-12 2002-07-02 住友金属工業株式会社 B含有ステンレス鋼及びb含有ステンレス鋼材の製造方法
JP3687315B2 (ja) * 1997-11-21 2005-08-24 住友金属工業株式会社 B含有ステンレス鋼およびその熱延板の製造方法
CA2341206C (en) * 1998-08-21 2007-10-23 Siemens Aktiengesellschaft Antiradiation concrete and antiradiation shell
JP4155074B2 (ja) 2002-09-11 2008-09-24 住友金属工業株式会社 Bを含有するステンレス鋼材およびその製造方法
JP2006053014A (ja) * 2004-08-11 2006-02-23 Hitachi Ltd 燃料貯蔵ラックとその形成用溶加棒及びその接合用部材並びにその製造法
JP4613791B2 (ja) * 2005-10-26 2011-01-19 住友金属工業株式会社 Bを含有するステンレス鋼材およびその製造方法
JP2008281437A (ja) * 2007-05-10 2008-11-20 Toshiba Corp 使用済燃料キャスクの燃料収納構造
JP5259515B2 (ja) * 2009-07-28 2013-08-07 株式会社東芝 中性子遮蔽材、その製造方法および使用済み燃料用キャスク

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011027638A (ja) 2011-02-10
US8624211B2 (en) 2014-01-07
US8481986B2 (en) 2013-07-09
WO2011013366A1 (ja) 2011-02-03
US20130287619A1 (en) 2013-10-31
US20120187315A1 (en) 2012-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5259515B2 (ja) 中性子遮蔽材、その製造方法および使用済み燃料用キャスク
RU2724272C2 (ru) Титановый композиционный материал и титановый материал для горячей обработки давлением
Choi et al. Fabrication of Gd containing duplex stainless steel sheet for neutron absorbing structural materials
CN101195880A (zh) 用于核应用的耐腐蚀性优异的锆合金组合物及其制备方法
US20170167005A1 (en) Austenitic stainless steel and method for producing the same
JPH0225541A (ja) 加工可能なホウ素含有ステンレス鋼合金から製造される物品及びその製造方法
EP2608911B1 (en) Processable high thermal neutron absorbing fe-base alloys
JP6600363B2 (ja) 分散強化型オーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法
TWI842982B (zh) 鋼材及其製造方法以及槽
JP2827798B2 (ja) 高耐食ほう素含有ステンレス鋼
KR20160033076A (ko) 분말 야금으로 강 부품을 제조하는 방법, 및 결과적인 강 부품
CN115418530B (zh) 一种核屏蔽用富镝镍钨合金材料及其制备方法
US9267192B2 (en) Processable high thermal neutron absorbing Fe-base alloy powder
JP7340186B2 (ja) オーステナイト系ステンレス鋼
US6730180B1 (en) Neutron absorbing alloys
JP4989597B2 (ja) 使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法、その方法に用いられる溶加材及びその方法により製造された使用済核燃料貯蔵ラック
JPH08165545A (ja) 中性子照射下で使用される構造部材
JP2007024609A (ja) 使用済燃料貯蔵ラックの製造方法
JP3060873B2 (ja) 中性子遮蔽用オーステナイトステンレス鋼
RU2803159C1 (ru) НЕЙТРОННО-ПОГЛОЩАЮЩИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ Ni
WO2017018510A1 (ja) チタン複合材および熱間加工用チタン材
JP2019090070A (ja) 高圧水素用ニッケル鋼材
JP3237486B2 (ja) 熱中性子吸収能力にすぐれたステンレス鋼
JP7370830B2 (ja) ニッケル基合金溶接材料、原子炉用溶接材料、原子力用機器および構造物、ならびに原子力用機器および構造物の補修方法
RU2259419C1 (ru) Хладостойкая сталь для силовых элементов металлобетонных контейнеров атомной энергетики

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110812

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20120614

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120731

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120912

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130402

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130424

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160502

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees