JPH042659A

JPH042659A - 中性子遮蔽用炭素材料

Info

Publication number: JPH042659A
Application number: JP2100939A
Authority: JP
Inventors: Ichitaro Ogawa; 一太郎小川; Hisayoshi Yoshida; 吉田　久良; Susumu Nishikawa; 進西川; Masaaki Oshima; 大島　雅章
Original assignee: KOBE CHUTETSUSHO KK; Agency of Industrial Science and Technology; Kobe Cast Iron Works Ltd
Current assignee: KOBE CHUTETSUSHO KK; Kobe Cast Iron Works Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1990-04-16
Filing date: 1990-04-16
Publication date: 1992-01-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、使用済み核燃料−時貯蔵兼輸送用キャスクな
ど中性子を遮蔽する必要のある部分の部材として有用な
高ホウ素含有の中性子遮蔽用炭素材料に関するものであ
る。さらに詳しくいえば。

本発明は、特に高温において高い中性子遮蔽機能、高熱
伝導率、高強度か要求されるような条件下で使用される
のに好適な中性子遮蔽用炭素材料に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、原子力発電の実用化にともない特に使用済み核燃
料の一時貯蔵兼輸送用のキャスクの必要性は高まってき
た。このキャスクに入れられる使用済み核燃料はまたか
なりの量の中性子と熱をもっているのが普通である。こ
のため、キャスクの内外に多量の遮蔽材料か使われるが
、その材料として通常ホウ素入りステンレス、ホウ素入
り樹脂、ホウ素入り黒鉛などが挙げられる。ホウ素入り
ステンレスは高強度て加工性かよいのてよく用いられる
か、ホウ素含有量か敬重量％しがないので多量の中性子
が発生する場合には適さない。また、ホウ素入り樹脂は
ホウ素含有量を自由に制御てき、成形性、加工性も良好
であるが高温下では使用できない。一方、ホウ素入り黒
鉛はホウ素の中性子吸収機能と黒鉛の中性子減速機能を
合せもつ優れた中性子遮蔽材てあり、しかもホウ素含有
量は自由に制御てき加工性も良好である。さらに、高温
下においてもその機能を発揮する。従って、高温て多量
の中性子か発生する条件下てはこのホウ素入り黒鉛材か
もっとも期待され得る。実際、キャスク内では４００〜
５００℃の高温が予想されるのてこれを速く冷却させる
ために熱伝導率の高い、しかも、輸送中などの際に予想
される機械的な衝撃に耐えるために強度の高いホウ素入
り黒鉛材か望まれる。しかしなから、ホウ素入り黒鉛材
は、黒鉛中にホウ素を入れるとホウ素の（ｎ、α）反応
により黒鉛か損傷を受けるのてこれを最小限にとどめる
ためにホウ素を比較的粗大粒子の形て黒鉛母材に分散さ
せる必要かあること、また、ホウ素を炭化ホウ素の形て
いれるため母材の黒鉛化温度を炭化ホウ素の融点（２４
００°Ｃ）以下に押える必要かあることなど製法」二制
約を受けるのて、高強度、電熱伝導率をもったこのよう
な材料を得ることは必ずしも容易てはないのか現状であ
る。このようなホウ素入り黒鉛材を得る方法としては従
来より１例えば炭化ホウ素粉末、黒鉛粉末の混合粉末に
バインターとしてタールピッチや増機樹脂などを添加し
て成形し、これを約１０００〜２０００°Ｃの非酸化性
雰囲気て焼成する方法かある。

このような方法によって得られたホウ素入り黒鉛材は焼
成中多量に揮発するバインダーを用いているため、曲げ
強さか低くせいぜい１００〜１５０　Ｋｇｆ／Ｃ１１２
てあり、また添加したバインターを炭化した後、十分な
黒鉛化処理かてきないのて熱伝導率も低く５〜１Ｏｋｃ
ａｌ／腸・’ｃ−ｈてあり、物性上このようるためこれ
による不均一性は避けられないという八欠点も有している。従って従来のホウ素入り黒鉛材はそ
の用途において大きく制限されている。

（発明か解決しようとする課題）本発明者等は生コークス粉末に一定量のセラミックス粉
末を配合し、これを混合、摩砕処理して高密度、高強度
の焼結体を得る製法を既に発明した。この製法て得られ
る焼結体について、セラミックスとして炭化ホウ素を選
んてそのまま中性子遮蔽材に適用てきるかどうかを検討
すべく種々の研究を重ねた結果、元素周期律表の第１’
Ｖａ族、第Ｖａ族、第Ｖｌａ族、第１族の金属またはこ
れらの金属ホウ化物や金属炭化物の中から１種以上を添
加すれば比較的低い黒鉛化温度の熱処理でも十分黒鉛化
し、炭化ホウ素粒子の粗大化をも促進するという事実を
見出し、この知見に基づいて本発明を成すに至ったもの
である。すなわち、本発明は、生コークス粉末か５０〜
９０容量％と、炭化ホウ素粉末が１０〜４９容量％と、
金属粉末またはセラミックス粉末か０．５〜４容量％と
、の粉末混合物の焼結体からなる。その際の金属粉末と
して元素周期律表の第１Ｖａ族、第Ｖａ族、第ＶＩａ族
、第１族の金属を、セラミックス粉末としてそれらの金
属のホウ化物や炭化物を挙げ、この中から１種以上を添
加した中性子遮蔽用炭素材料を提供するものである。

本発明に用いる生コークスは石油系、石炭系のいずれで
もよいか、６００°Ｃ以下の比較的低温て製造された残
留揮発分か８〜１６重量％を有し、特に高密度を要求す
る場合には１０重量％以上か好ましい。その粒径は３０
ｕＬｍ以下、好ましくは１０ｕＬ１１以下のものが良好
である。炭化ホウ素粉末は配合する炭化ホウ素容量％の
うち１〜５容量％を粒径１０μｍ以下の微粉末に、残り
の容量％を２０〜１００ｇｍの粒径の粗粉末にするのが
好ましい。というのは、炭化ホウ素は黒鉛化を促進して
熱伝導率などを改善する効果とマトリックスの黒鉛に対
して分散強化の効果とか認められ、これらの効果は微粉
末はど期待できるか、しかしながら前述したようにホウ
素の（ｎ、α）反応により炭化ホウ素を微粒にするとマ
トリックスの黒鉛の損傷を早めることになる。このよう
な理由て炭化ホウ素粉末はそのうちの微粉末を黒鉛化の
ための必要量とすることか望ましいが、特に１〜３容量
％か良好である。また素粒粉の粒径は特に３０〜６０．
１か好適である。

本発明に用いる第三成分の金属粉末またはセラミックス
粉末は焼成温度が２４００°Ｃ以下の比較的低い温度て
も十分黒鉛化させ、しかも炭化ホウ素の粒成長を助長さ
せる効果をもつものである。この金属粉末とは元素周期
律表の第１Ｖａ族、第Ｖａ族、第ＶＩａ族、第■族の金
属てあり、例えば、Ｔｉ、　ｚｒ、　Ｃｒ、　Ｎｂ、　
Ｍｏ、　Ｎｉ、　Ｆｅ、　Ｇｏなどである。また、セラ
ミックス粉末とはそれらの金属のホウ化物や炭化物て、
例えばＴｉＢ　、　ＴｉＢ、、ＺｒＢ、、ＣｒＢ　。

Ｃｒｙ、、ＮｂＢ、、ＶＢ２　、　ＭｏＢ　、　ＭｏＢ
２、Ｎ１Ｂｔ、ＣｏＢなどてあり、Ｃｒ、Ｃ，、Ｍｏ２
Ｃ，Ｆｅ５Ｇなとである。これら金属粉末またはセラミ
ックス粉末のうち単独てもよいし２種以上組合せてもよ
い。いずれの粉末も５＃Ｌ■以下の細かい粒径のものが
好ましい、さらに、添加量も０．５容量％より少ないと
その効果はあまり顕著でなく、４容量％以上にすると焼
結体内に大きな空隙を生して物性を劣化させることが認
められたからである。これはこれらの添加材は焼成中、
融解または共融して液相を生成しこれを介して黒鉛化や
炭−化ホウ素の粒成長が促進されると推察され、添加量
が多過ぎると液相が成長して焼結体の系外に流失したり
系内で粗大な偏析を形成したりして大きな欠陥を生しさ
せるためである。

第１図は、炭化ホウ素と生コークスの混合粉末にＮｉの
金属粉末をＯ〜６容量％に添加量を変えて２０００℃熱
処理の焼結体の各々について黒鉛化度を測定した結果を
示す。黒鉛化度ＰはＸ線回折測定により黒鉛（００２）
の面間隔からフランクリンの式に代入して求めた。すな
わち、ｄ　（００２１＝　３．４４０．０８６（１−９
２）である。この図により、添加量は０．５％ぐらいか
ら黒鉛化の効果か認められ１〜３容量％添加てほば２８
００〜３０００６Ｃ並みの黒鉛化が得られていることか
わかる。

第２図は、同様に炭化ホウ素と生コークスとの混合粉末
に炭化クロム（Ｃｒ５Ｃｚ）粉末をＯ〜４容量％添加し
て熱処理した焼結体の曲げ強さと熱伝導率を室温て測定
した結果を示す。炭化クロムの添加量は１〜３容量％が
良好て４容量％ては劣化する傾向にあるのが認められる
。

（実施例）粒径１０μｓｕ下の生コークス粉末に、全混合粉末に対
して粒Ｂ３Ｄ〜３００．ＬＬ１１の炭化ホウ素粉末５〜
３５容量％と粒径１０ＪＬ１１以下の炭化ホウ素粉末５
容量％と５ｇｍ以下の１ｒＢ２微粉末１容量％とを配合
し、ボールミルて６時間混合摩砕処理を行ってこれらの
均一な粉末混合物を得た。この混合物を金型に充填して
１００１００Ｏ／ｃｍ２の荷重をかけて成形した。成形
体は１０００°Ｃまて窒素ガス気流中て仮焼成し次いで
２０００℃で１時間アルゴンガス気流中て熱処理した。

得られた焼結体は３点曲げ強さや熱伝導率などの物性測
定に供した。これを表１に実施例１〜４として物性と共
に示す。

実施例１〜４と同様の生コークス粉末と炭化ホウ素粉末
とを用い、粒径３０〜１００．■の炭化ホウ素粉末３５
容量％と粒径１０井１以下の炭化ホウ素粉末５容量％は
一定にした混合粉末に、５＃Ｌ１以下のＣｒ＋Ｃ２，Ｍ
ＯＢ２、Ｎｉ、　Ｆｅの微粉末を順次各別に添加して実
施例１〜４と同様にして焼結体を得た。

これを表１に実施例５〜８としてその物性と共に示す。

比較例１．２は黒鉛化および炭化ホウ素数の粗大化の促
進Ｉ’ｌである第三成分を全く添加していないものてあ
り、比較例３は従来のホウ素入り黒鉛材である。

表１において、促進材の種類は、実施例１〜４はＺｒＢ
２．実施例５はＣｒ３Ｃ２，実施例６はＭｏＢ２、実施
例７はＮｉ、実施例８はＦｅである。また、熱伝導率の
（）は５００°Ｃにおける数値であり、熱膨張係数は室
温から５００℃まての値である。

〔発明の効果〕

本発明の中性子遮蔽用炭素材料は、強度において著しく
増大したたけてなく熱伝導率においてもステンレス鋼に
匹敵するほどに改善された特性を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は生コークス粉末と炭化ホウ素粉末との混合粉末
に対してＮｉの添加量を変えた場合の黒鉛化度の変化を
示すグラフてあり、第２図は第１図と同様の混合粉末にＣｒ３Ｃ２の添加量
を変えて実施した場合の曲げ強さと熱伝導率の変化を示
すグラフである。ＮＩＡで０１　　（ｖｏｌ’１０）→

Claims

【特許請求の範囲】

（１）生コークス粉末が５０〜９０容量％と、炭化ホウ
素粉末が１０〜４９容量％と、金属粉末またはセラミッ
クス粉末が０．５〜４容量％と、の粉末混合物の焼結体
から成る中性子遮蔽用炭素材料。
（２）上記金属粉末は、元素周期律表の第IVａ族、第Ｖ
ａ族、第VIａ族、第VII族の金属であり、セラミックス
粉末は、上記金属のホウ化物または炭化物であり、金属
粉末またはセラミックス粉末が、これらの中から選ばれ
た１種または２種以上を組合せたものである請求項（１
）に記載の中性子遮蔽用炭素材料。