JPS6391598A - 放射線遮蔽用材 - Google Patents

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、α線、β線、γ線、Ｘ線及び中性子線の同時
遮蔽に好適な放射線遮蔽用材に関するものである。

従来の技術 放射線の遮蔽方法としては、一般に物質中の透過力の大
きいγ線、Ｘ線および中性子線を主として考えればよく
、α線やβ線がγ線やＸ線に伴われる場合は、γ線、Ｘ
線および中性子線に対する遮蔽を行なえばα線やβ線は
充分に遮蔽できるからである。従って、γ線およびＸ線
遮蔽用には構築材料としてコンクリート又は遮蔽用鉛板
、鉛ブロック等、質量の大きい物質が使用される。

中性子は、そのエネルギー幅が極めて大きいため複雑で
あり、弾性散乱、非弾性散乱および中性子捕獲の反応を
示す故、弾性散乱による中性子の速度を遅くするものと
して水素含量の多い水やパラフィン等が用いられ、非弾
性散乱でγ線を放出するため、質量の大きいコンクリー
トや鉛が用いられる。又、中性子捕獲により別の粒子ま
たは光子を放出し透過力の高いγ線が発生するため、質
量の大きい物質で遮蔽する必要がある。即ち、中性子は
単独の線源になることは殆ど無く、多くの場合γ線を伴
うので中性子遮蔽では、γ線に対する遮蔽を同時に考慮
しなければならない。一般に速い中性子を減速させるた
め、鉛や鉄のように質量の大きい物質で非弾性衝突によ
り放出される高エネルギーのγ線および軽い元素に吸収
されるとき放出される捕獲γ線の遮蔽を併せて行なう。

かくして０　、５　ＭｅＶ程度のエネルギーになった中
性子は水、パラフィンまたはポリエチレン等に含まれる
水素原子により減速され遅い中性子となり吸収遮蔽され
ることになる。従って、構造上、質量の大きいコンクリ
ート、鉄又は鉛等で構築すると同時に全く別の遮蔽材と
して水、パラフィン又はポリエチレン等により遮蔽体を
構成している。

さらに、放射線関係施設においてコンクリート構造体は
、その吸水性のために放射能汚染水を吸水し、洗浄は非
常に困難である。従って、コンクリート面に防水塗装を
施したり、又はポリマーコンクリートを上塗りして疎水
性を向上させているが、非常に高価になる欠点がある。

発明が解決しようとする問題点 上記コンクリートや鉄の構造体は、構造体としての必要
強度以外に放射線量に応じて相当の壁厚を必要とし非常
な重構造となる。また、鉛は俊れた放射線遮蔽材である
が、非常に重量が大で、又軟質のためそのもの丈では構
造物としては不適当であり、必ずコンクリート構造体と
併用することとなり構築費も非常に高くなる。父上記の
如く、コンクリートや鉛等の重質量の構造体と同時に中
性子線に対しては水素原子を含むものとして、水。

パラフィン等が使用され、これらのため特別な水槽やパ
ラフィン容器が必要であり、特に水槽は絶対に漏洩の無
いように細心の注意が必要であると共に水質そのものも
重金属イオンを含まない純水に近いものが望ましいとさ
れている。又パラフィンは比較的低温で溶融し、発火し
易いため、耐熱。

耐火に特に細心の注意が必要とされγ線、Ｘ線および中
性子線を共に遮蔽することは非常に高価な施設となって
いる。また、コンクリートは吸水性が大で、特別な処理
を必要とする。

本発明は、上記欠点を除いた充分な強度、優れた成形性
、加工性を有し、γ線、Ｘ線および中性子線を同時に遮
蔽するとともに、疎水性で、耐薬品性に優れ、非常に応
用性に富み、低コストの新規なタイプの広範囲の放射線
遮蔽用材を提供するものである。

問題点を解決するための手段 本発明者は、無機系溶融母材と重金属化合物からなる材
料が優れた遮蔽効果を有することを見出し、種々検討を
重ね、γ線、Ｘ線および中性子線を同時に遮蔽すること
が可能な本発明を完成するに至ったものである。

本発明に係る放射線遮蔽用材は、硫黄と酸化鉄粉末の混
合物を加熱溶融し充分に加熱反応せしめた後、該溶融物
に少なくとも酸化鉛粉粒体及び酸化ガドリニウム粉末を
添加し混合分散せしめた溶融混合物を所定形状に成形し
てなることを特徴とするものである。

酸化鉄は溶融母材として物性的に最も安定、かつ安価に
入手でき、また溶解する無機系ベヒクルとして、硫黄が
溶融時、共有結合性が強く本反応温度中では単斜硫黄と
平衡になり、王冠状のＳ８環の分子を含み４００±ｌＯ
℃で溶融反応を終了したものは冷却鋳型で鋳造するとゴ
ム状硫黄の反応を生じ若干の弾性を与えるマトリックス
として非常に有益であり、工業的にもまた人手が容易で
ある。γ線およびＸ線に対する遮蔽効果を朋待するだめ
の重金属化合物として実用金属中量も高比重の鉛を選び
、その酸化物を採用した。また、中性子に対しては非弾
性散乱で放出されるγ線および中性子捕獲により光子を
放出する際生ずるγ線は上記の鉄−鉛系の酸化物により
斜蔽され、０．５ＭｅＶ程度のエネルギーになフた中性
子に対しては最も大きな断面係数を持ったガドリニウム
の酸化物（Ｇｄ２Ｏ３）を上記の酸化鉛と同時に適量混
合溶融反応せしめ、所定形状に成形してなることを特徴
とするものである。

本発明に係る放射線遮蔽用材は、硫黄を１１５℃〜４４
０℃の間に溶融し、この中に粉状酸化鉄を混合溶解し充
分混合反応せしめて無機系マトリックスとし、酸化鉛粉
体および酸化ガドリニウム粉体を所望割合に添加し、混
合撹拌し、充分溶融分散せしめた後、１００，０００〜
１　、０００　、０００センチボイスの粘性の間で鋳造
し、冷却固化せしめ所定形状例えば板状、ブロック状ま
たは円筒状等使用目的に応じ各種形状に成形しγ線、Ｘ
線および中性子線を同時に処理する遮蔽用材とするもの
である。

本発明に使用する硫黄は塊状、粉状、フレーク状の何れ
でも良く、石油精製副産物が好適に使用される。酸化鉄
は工業用の純度のものを用い粉体の粒度は溶融硫黄との
反応を充分に行わせるため細かいものが用いられ１５０
〜３００メツシユの範囲のものが好ましく用いられる。

酸化鉄と溶融硫黄との加熱反応時間は酸化鉄の粒度にも
よるが、約２０分開程度が適当である。

次に上記のように得られた溶融マトリックスに添加する
酸化鉛は工業用のもので粒径は３００メツシュ〜５開径
程度の間に分布したものを用いることが好ましく、３０
０メツシユ以下ではマトリックスの粘度が高くなり鋳造
が困難となり、また５１程度の粒体が主体となると、鋳
造成形物中を放射線が充分遮蔽されずに通過する確率が
有るからである。

酸化鉛と同時に添加する酸化ガドリニウムは工業用の純
度のものを用い、粉体の粒径はマトリックスと反応を充
分行わせるため、１６０〜２７０メツシユの範囲のもの
が好ましく用いられる。

上記遮蔽用材において、望ましい混合比率は、硫黄を１
００重量部として、それぞれの重量割合は、硫黄二酸化
鉄二酸化鉛：酸化ガドリニウム＝１００　：　６０〜１
１０：１２０〜３６０：１５〜９０である。

なお、硫黄との反応中に発生が予想されるＳＯ２は、そ
の量は極く微量であるが、公害防止上その発生を抑える
ことが望ましい。このため酸化鉛の一部を金属鉛粉体に
置換し、発生する５０２を下記の反応で固溶体中に固定
し公害防止に役立つことが可能である。

３Ｐｂ＋ＳＯ２→２　ＰｂＯ＋　ＰｂＳなお、生成した
ＰｂＯおよびＰｂＳは共にγ線の遮蔽に役立ち、また未
反応の鉛が存在したとしても鉛は特有の大きな遮蔽効果
を有している。

酸化鉛に対する金属鉛の置換割合は、重量比てｐｂｏ：
ｐｂが９３〜９５ニア〜５　（ＰｂＯ＋Ｐｂ＝　１００
）位が適当である。

本発明においては、硫黄、酸化鉄、酸化鉛および酸化ガ
ドリニウムを必須成分とするものであるが、中性子遮蔽
に効果的であると考えられるボロンカーバイド、酸化ボ
ロンまたは水素吸蔵合金を添加することも有効である。

その量は線源の容量にもよるが、マトリックスに添加し
得る限界内で、各々数％が適当である。

作用 放射線の遮蔽効果は、一般に質量法則、即ち１：ＢＩｓ
ｅ−”ｘ （Ｉは遮蔽体透過後のγ線の強さ、ＩＩ＋は入射したγ
線の強さ、μは遮蔽体の材質に関する線吸収係数、Ｘは
遮蔽体の厚さ） が適用され、同一の厚さでは、遮蔽物質の密度の大きさ
にほぼ比例するものとされている。

本発明においては、後述する実施例、比較例に示すよう
に、硫黄−酸化鉄溶融体冷却物自体、密度から予想され
るより大きな遮蔽能力を示すが、さらにこのマトリック
スに酸化鉛および酸化ガドリニウムを混合したものは、
第１図に示すように、その機構は明らかでないが、その
密度から予想されるよりも、その含有物質の相乗作用と
して非常に大きな遮蔽能力を有している。

本発明に係る物質は、充分等方的である故、イオンは微
視的にはラザフォード散乱でジグザグな軌道になってい
るが、巨視的にはほぼ直線的に進むと考えられ、直線上
を進むイオン線はエネルギーを急激に失って行くと考え
られる。本発明物質はこのときの阻止能ｄＥ／ｄＺ、即
ち摩擦力Ｆが大きいと考えられる。また、γ線はコンプ
トン散乱でもとのエネルギーＥが別のエネルギーＥ′に
変わる場合があり、これは本発明物質にγ線ビームが当
たったり、又、中性子により放出されるγ線が当たり、
光電効果によりビーム強度を減じγ線が失われて行くと
考えられる。又、中性子は本発明物質中に含まれる酸化
ガドリニウムの有する大きな断面係数（４６，０００ｂ
ａｒｎｓ／　ａｔｏｍ）により容易に弾性散乱により減
速され遅い中性子となり、本発明物質中の各元素に吸収
捕獲されて全体的に遮蔽されるようになる。

実施例 次に本発明を実施例、比較例によりさらに具体的に説明
する。

次の第１表に示す処方により、実施例として本発明遮蔽
用材Ｘ−１，Ｘ−２，Ｘ−３，Ｘ−４を作製した。Ｘ−
Ｂ　（比較例）は、硫黄と酸化鉄の溶融マトリックスで
、参考のため掲げる。

第　　１　　表 酸化鉄は若干のソーダライトを含有するヘマタイト系Ｆ
ｅ２ｅ３で、純度９２％２粒度１５０〜３００メツシュ
のものを用い、硫黄は純度９８％、フレーク状のものを
用い、酸化鉛としては純度９９．５％８粒度３００メツ
シユ〜５■φに分布したものを用い、酸化ガドリニウム
は純度９９．５％１粒度１５０〜２７０メツシユのもの
を用いた。

硫黄を加熱溶融し、これに酸化鉄を添加し、温度４００
℃に保持し、３０分間加熱反応せしめてマトリックスと
した。上記の溶融マトリックスに酸化鉛および酸化ガド
リニウムを添加し充分撹拌混合し４１０℃の加熱下に１
０分間保持した後、鋳型に注入冷却固化せしめ、それぞ
れ縦２００ｍｍ横２００ｍｍ厚さ２０ｍｍおよび４０開
のパネルを形成せしめた。

次に、これらの試料について、現在使用されている遮蔽
材としてコンクリートおよび水と比較して遮蔽効果を測
定した。

放飼線源として２Ｓ２Ｃｆ、　３０μＣｉを使用した場
合および２’ｌＡｍ−Ｂｅ、　８Ｃｉ密封線源を使用し
た場合の結果をそれぞれ第２表および第３表に示す。

以下余白 第２表 使用線源：　２ｓ２ｃｒ、　３０μＣｉ測定器 Ｎ　：　５ｔｕｄｓｖｉｃ　Ｎｅｕｔｒｏｎ　Ｄｏｓｅ
　Ｒａｄｅ　Ｍｅｔｅｒ　２２０２　Ｄγ　：　富士型
ｌｉｔ　　ＧＦ１９−へ−４Ｊ−９１５２０２線源と測
定器との距離：５０ｃｍ 第３表 使用線源：　２’ｌＡｎ＋−Ｂｅ、　８Ｃｉ　　密封線
源泗定器 Ｎ　：　５ｔｕｄｓｖｉｃ　Ｎｅｕｔｒｏｎ　Ｄｏｓｅ
　Ｒａｔｅ　Ｍｅｔｅｒ　２２０２　Ｄγ　：　富士電
機　ＧＭｆ−ヘーイメータ　　１５２０２線源と測定器
との距離：４５ｃｍ Ｂ　、　Ｇ　　：　　　ｎ　＜　０　、１　ｍｒｅｍ／
ｈｒγ＜　０　、０２　ｍｒｅｍ／ｈｒ 第２表および第３表に示されるように、本発明遮蔽用材
は中性子に対しては水とほぼ同等の遮蔽効果を持ち、同
時にγ線に対しては、コンクリートに比較して対密度当
り相当大きな遮蔽効果を示している。

次に、これらの試料について、密度、圧縮強さ。

耐水性および耐薬品性について下記の実験方法により測
定した。

実験方法 Ｘ−１，Ｘ−２，Ｘ−３，Ｘ−４およびコンクリートの
試料（５０Ｘ５０Ｘ２０ｎｖ）を各々３個ずつ作り、ビ
ーカーに３００　ｃ、ｃの自然水（井戸水、ｐＨ＝６．
８）を入れ、その中に各々試料を１個ずつ入れた。

同様に５００ｃ、ｃビーカーに各々３００　ｃ、ｃの５
％Ｈ２ＳＯ４水溶液および５％ＭＣＩ水溶液を入れ、各
ビーカーに１個ずつの試料を入れ室内に常温放置した。

測定法 耐水試験は、水中浸漬し２４ケ月後に試料を取り出し濾
紙で表面付着水を除去した後、秤量しその後６０℃の恒
温槽で３０分間乾燥せしめ自然冷却後秤量し、その重量
差を測定し、吸水量とした。

耐薬品性試験は１２ケ月後、各試料を取り出し、１０分
間純水中に浸漬後、取り出し、６０℃の恒温槽中で３０
分間乾燥せしめ、自然冷却して秤量し、浸漬前との重量
差を測定した。これらの結果を次の第４表に示す。

第４表 第４表の物性値が示すように、圧縮強さはコンクリート
の２．３倍の強度があり、同時に耐水性および耐薬品性
も非常に優れている。

次に、試料Ｘ−３を厚さ２０ｃｍのブロックに成形し、
γ線線源＋３’Ｃｓ、　１．５ｃｉから空気中２５ｃｍ
１ｌｉでて対置し、壁面前面から２　ｃｍｆｊｉに１１
箇所、線量（ｍｒｅｎ＋／ｈｒ）を測定した。結果を第
２図に示す。なお、γ線に対するＡＮＩＳＮ　Ｃ０ＤＥ
を適用し、コンピューターにより予測した結果を併載す
る。

実測値は、予測値と良く一致し、かつ、やや安全側にあ
り、工学的設計に際し、高い信頼性が保証されることを
示している。

発明の効果 本発明に係る放射線遮蔽用材は、γ線および中性子線を
同時に遮蔽する能力を有するので、従来の遮蔽構造体の
如くγ線に対して密度の大きな物質による構造体と、中
性子線に刻しては水、パラフィン等全く別途に遮蔽体を
構成することなく、原則的に構造強度を中心とした一般
建築物を設計し、余分な超重量構造物にすることなく、
これに本発明の遮蔽用材を付加施工するだけでよい。ま
た高価な鉛板や鉛ブロックの構築作業や大型の水槽およ
び可燃性のパラフィン使用の必要もなく、非常に合理的
な建築物が提供され、特に重構造を軽減することにより
、ＩＩ４Ｉ４全安全性すと共に、大幅なコスト低減が達
成される。

さらに、本発明遮蔽用材は、耐薬品性に優れ、全く水と
反応せず疎水性を有するため、放射能汚染の心配は無く
、万一付着しても水により簡単に水洗除去することがで
きるなど工業的価値の大きな発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明遮蔽用材、比較例および参考例（コンク
リート）の密度と線量の関係を示す図面で、第２図は本
遮蔽材の線源からの距離と線量の関係を示す図面である
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）硫黄と酸化鉄粉末の混合物を加熱溶融し充分に加
   熱反応せしめた後、該溶融物に少なくとも酸化鉛粉粒体
   及び酸化ガドリニウム粉末を添加し混合分散せしめた溶
   融混合物を所定形状に成形してなる放射線遮蔽用材。