WO2006103793A1 - 放射線遮蔽材 - Google Patents

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WO2006103793A1
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neutron
shielding
radiation
shielding material
gamma rays
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Inventor
Hideki Murakami
Naoteru Odano
Hiroaki Okuta
Original Assignee
Chuo Silika Co., Ltd
National Maritime Research Institute
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/08—Metals; Alloys; Cermets, i.e. sintered mixtures of ceramics and metals

Definitions

  • the present invention is based on a lightweight porous siliceous material, shields neutron rays and gamma rays at the same time, has excellent low radiation properties, and is resistant to acids other than heat resistance and hydrofluoric acid.
  • the present invention relates to a radiation shielding material having a composition excellent in acid resistance.
  • Radiation source forces such as nuclear reactors and irradiated nuclear fuel
  • the emitted radiation is a mixture of gamma rays and neutrons (up to high energy power and thermal energy), and it is necessary to effectively shield all these radiations (See Patent Document 1).
  • the energy when absorbing neutrons such as thermal neutrons, the energy is usually very high and the transmission power is strong, and secondary gamma rays are generated.
  • Thermal neutron absorbers are necessary to suppress the generation of secondary gamma rays, and heavy metals such as zirconium and hum, which have a large specific gravity, are required to suppress their transmission.
  • concrete which is a conventional radiation shielding material
  • the elements of iron, cobalt, nickel, and papium contained in concrete change to radioactive isotopes.
  • concrete emits radiation (see Patent Document 3).
  • Such concrete that emits radiation may have adverse health effects due to radiation exposure on workers engaged in maintenance, operation, and demolition of radiation sources such as nuclear reactors.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-255081
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-315489
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-238226
  • the present invention is the best shielding material that can be produced with simple equipment and practically usable in a radiation field where neutrons and gamma rays are mixed, such as nuclear facilities.
  • An object of the present invention is to provide a radiation shielding material that has a shielding performance, practical heat resistance and acid resistance (excluding hydrofluoric acid), is lightweight, and has low radiation characteristics.
  • nuclear facilities, nuclear fuel cycle facilities, etc. irradiated materials, nuclear fuel reprocessing materials, radioactive isotopes, radioactive waste and other radioactive materials and radiation medical device power released neutrons
  • Lightweight, heat-resistant and acid-resistant (excluding hydrofluoric acid) radiation shielding that can reduce the generated radioactivity to a negligible level.
  • An object is to provide a covering material.
  • the radiation shielding material of the present invention comprises a porous siliceous material having a high hydrogen element content with a large neutron shielding effect, and a heavy metal having an atomic number of 40 or more that exhibits a high shielding effect on high-energy neutron rays and gamma rays.
  • the thermal neutron absorber is combined.
  • the porous siliceous material is made of diatomaceous earth, cristobalite, hard mudstone, or artificial porous siliceous material.
  • the heavy metal is zirconium or hafnium.
  • the thermal neutron absorber is an inclusion containing lithium or boron.
  • a heavy metal exhibiting a high shielding effect against high-energy neutron rays and gamma rays, a natural porous siliceous material having a high hydrogen element content with a large neutron shielding effect, and a thermal neutron absorber. Shielding effect against both neutron rays and gamma rays by combining the neutron shielding efficiency and gamma ray shielding efficiency arbitrarily by adjusting the inclusion ratio of heavy metal and thermal neutron absorber to the porous siliceous material It is possible to provide a radiation shielding material that can achieve the highest shielding effectiveness as a practical shielding material in a facility such as a nuclear reactor that handles fission sources.
  • the radiation shielding material of the present invention has the above-described configuration, it exhibits excellent shielding performance as a practical shielding material considering both neutrons and gamma rays, and has low radiation, heat resistance, and acid resistance (hydrogen fluoride). (Except acid) and very lightweight.
  • the radiation shielding material of the present invention does not contain conoleto, nickel, or papium, has a lower iron content than concrete, and has a key component as a main component, and during and after use. It is very unlikely that activation will be a problem during disposal.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the molded object corresponding to a complicated shape and large size can be provided with an easy installation.
  • the radiation shielding material of the present invention does not essentially contain lead, the production of the raw material containing lead does not cause environmental pollution by spilling or scattering.
  • Table 1 shows the advantages and problems of shielding materials for concrete, water, lead, graphite (graphite), iron, boron, polyethylene, lithium hydride, titanium hydride Z zirconium hydride.
  • the characteristics generally required for radiation shielding materials are as follows: 1. Avoid secondary gamma rays as much as possible; 2. Be made of elements that are difficult to activate; 3. Even if activated, have a half-life as much as possible It must be short or extremely long elements, 4. It must not generate radioactive biological constituent elements, 5. It must not use elements harmful to the human body (living body), 6. It must be able to withstand the high heat generated by radiation shielding, 7. It can be easily reused and recovered by-products, and it must be free of conoleto and plutonium that are problematic for neutron activation. .
  • Table 2 shows the major elements of the siliceous shale (diatomite, cristobalite) collected from the Onagawa Formation in the Oga Peninsula, Akita Prefecture, and Table 3 shows the trace elements.
  • the siliceous shale (diatomite, cristobalite) is used as a radiation shielding material.
  • the characteristics of the siliceous shale are as follows: 1. It is very abundant as a resource, 2. It is composed of elements that are difficult to activate, such as silicon, aluminum, etc. 3, Neutron shielding such as hydrogen, lithium, boron, carbon, etc. Contains effective elements, 4. heat resistant, 5. may be able to self-repair due to crystals (in the case of cristobalite), even if damaged by radiation 6. porous element Operation (function improvement) such as addition is easy. 7. There are few elements that can become radioactive biological constituent elements. 8. There are few elements harmful to the human body (living body). 9. There is a problem with neutron activation. Does not contain cobalt, papium, etc.
  • the vertical axis in Fig. 1 goes up, the number of protons increases, the atomic number increases, and the line goes downward. At the same time, the atomic number decreases, that is, in the case of the key element, the top is phosphorus and the bottom is aluminum.
  • the horizontal axis is the number of neutrons.
  • the number of neutrons increases in the right direction and decreases in the left direction.
  • ( ⁇ , ⁇ ) reaction it is a reaction that absorbs gamma rays and emits one proton, which changes to the atom below the original atom, that is, in the case of Kay, it changes to aluminum.
  • ( ⁇ , ⁇ ) reaction it is a reaction that absorbs gamma rays and emits one neutron, and changes to an isotope on the left side of the original atom.
  • the vector in Fig. 1 means the process of atom decay, and ⁇ decay emits two neutrons and two protons, so two at the left and two at the bottom of the original atom. It changes to a certain atom. Since ⁇ + decay and electron capture absorb one electron, one proton changes to a neutron, resulting in one atom down and one atom to the right.
  • ⁇ -decay on the contrary, emits one electron, so one neutron is decreased and one proton is increased, that is, the atom changes to the upper left atom of the original atom.
  • the cristobalite considers ( ⁇ ,)), ( ⁇ , ⁇ ), ( ⁇ , ⁇ ) reactions for neutrons and ( ⁇ , ⁇ ), ( ⁇ , ⁇ ) reactions for ⁇ rays.
  • a porous siliceous material having a high hydrogen content so that the neutron shielding ability can be designed to a high level and the attenuation rate of the gamma ray and neutron can be arbitrarily designed, Consider the use of heavy metals, thermal neutron absorbers, etc.
  • Porous siliceous materials with a high hydrogen content include siliceous shale, that is, diatomaceous earth and cristobalite.
  • siliceous shale that is, diatomaceous earth and cristobalite.
  • the four elements of hydrogen, lithium, boron, and carbon are originally contained in siliceous shale, but boron can be added in the required amount by physical adsorption of boric acid water and drying.
  • thermal neutron absorbers lithium, borate and funum are preferred from the viewpoint of low activation.
  • heavy metals having atomic numbers of 40 or more such as zirconium, rhodium, and fungum are used.
  • Zirconium and hafnium are adsorbed on siliceous shale using the chemical adsorption and physical adsorption characteristics of the zircon solution.
  • Both elements slow down fast neutrons and shield gamma rays, particularly hafnium has lanthanoid contraction, so it can effectively shield against high energy gamma rays due to its high electron density.
  • the shielding ability is proportional to the fourth power of the atomic number, so both these elements work effectively.
  • the shielding material When radioactive material is generated, the shielding material itself emits radiation, which may cause exposure, impede handling, or must be kept isolated as radioactive material during disposal, or cause environmental pollution. Adverse effects occur.
  • a siliceous shale (Cristobalite) collected from the Onagawa Formation of the Oga Peninsula is crushed with iron bees, and a pellet shaped in a uniform size with a sieve of 36 mm mesh, 5 cm deep with Japanese paper on one side, length and breadth Place it in a wooden frame of 30 cm, and then seal the remaining surface with Japanese paper, To do.
  • Experiment 1 A neutron shielding experiment was conducted using Califolum ( 252 cf) as a radiation source.
  • the weight is about one-fourth that of ordinary concrete.
  • Experiment 2 A secondary gamma ray shielding experiment was conducted using Califolum ( 252 Cf) as a radiation source.
  • Experiment 3 was performed the gamma ray shielding experiments when using cobalt (6 Co) as a radiation source.
  • each of the siliceous shale was measured six times.
  • the shielding effect depends on the density of the material, the shielding effect cannot be expected with siliceous shale alone.
  • the shielding performance can be improved sufficiently and easily.
  • the siliceous shale has a low specific gravity.
  • the cristobalite rock-shaped block is 1.24, and the pelleted shape is 0.67 or more, while ordinary concrete is 2.36.
  • Siliceous shale has a low content of nuclides, which are problematic due to activation by neutrons and gamma rays
  • Siliceous shale is resistant to heat.
  • Siliceous shale is strong against acidic solution.
  • siliceous shale is a better radiation shielding material than concrete and is an effective material as a lightweight 'heat-resistant' acid-resistant neutron shielding material.
  • the radiation shielding material of the present invention can be produced in a practical size by mixing it with a synthetic resin and placing it in a bowl.
  • molded products can be used alone or in combination with each other, filled with small pieces of radiation shielding material in containers, used by being fixed with various members such as frames, various types of rubber, various types of concrete. , Nuclear materials, reactor utilization facilities, nuclear fuel cycle facilities, spent fuel storage and transport containers, radioactive isotopes, etc. Various sources of radiation in elements, fusion reactors, accelerators, etc. Neutrons and gamma rays emitted can be practically shielded. Since the radiation shielding material of the present invention is a porous material, water is added and adsorbed as necessary, and radiation (neutrons) having high energy is effectively absorbed by hydrogen atoms of this water (H 2 O).
  • the radiation shielding material of the present invention can be used for shielding neutron rays and / or gamma rays.
  • the radiation shielding material of the present invention can be used as it is, and it can be used by filling a small piece into a container.
  • it In addition to being molded by applying pressure, it can be used as a block, or it can be mixed with synthetic resin and used in any shape.
  • a composite material obtained by fixing a small piece of the radiation shielding material of the present invention with a matrix for composite material is a neutral wire.
  • the radiation shielding material of the present invention shields secondary neutrons generated from medical linacs installed in medical facilities, and radiation shielding materials for storage containers (casks) for transferring radioactive waste.
  • Radiation shielding around fusion experimental facilities Radiation shielding around mobile propulsion reactors (mounted on ships and interplanetary manned rockets, etc.), radiation shielding materials for ordinary nuclear facilities and nuclear fuel cycle facilities, in the event of a reactor fire It can be used for radiation shielding materials, radiation shielding materials for helicopters themselves for fire work, and building wall materials for housing (for housing around nuclear facilities).
  • FIG. 1 A graph showing the activation of the cristobalite itself.
  • FIG. 2 is a graph showing the neutron shielding effect of siliceous shale.
  • FIG. 3 is a graph showing the neutron shielding effect of siliceous shale extrapolated by the approximate line in FIG.
  • FIG. 4 is a graph showing the gamma ray shielding effect of siliceous shale.
  • FIG. 5 is a graph showing the gamma ray shielding effect of siliceous shale extrapolated by the approximate line in FIG.

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Abstract

【課題】　本発明においては、原子力施設等の中性子及びガンマ線が混在する放射線場において、遮蔽材として耐熱性と耐酸性を有し、軽量で、また低放射化特性を有する放射線遮蔽材を提供することを目的とする。 【解決手段】　本発明においては、高エネルギー中性子線及びガンマ線に高い遮蔽効果を示す重金属、中性子遮蔽効果の大きい水素元素含有率の高い天然多孔質珪質素材、及び熱中性子吸収材を組み合わせることにより中性子線とガンマ線の両方に対し遮蔽効果を有し、多孔質珪質素材に対する重金属と熱中性子吸収材との配含比率を調整することにより任意に中性子遮蔽効率とガンマ線遮蔽効率とをコントロールすることが出来、原子炉のように核分裂線源を扱う施設等において実用的な遮蔽材としては最も高い遮蔽効果を実現出来る放射線遮蔽材を提供出来る。

Description

放射線遮蔽材
技術分野
[0001] 本発明は、軽量の多孔質珪質素材をベースとし、中性子線とガンマ線を同時に遮 蔽し、かつ優れた低放射化特性を有し、耐熱性及びフッ化水素酸以外の酸に対する 耐酸性に優れる組成物の放射線遮蔽材に関するものである。
背景技術
[0002] 従来、放射線遮蔽材としては、放射線遮蔽効果を持つ素材を配合した合成樹脂、 ゴム、コンクリート、セラミックス、ガラス、金属等が周知となっている。
原子炉や照射済み核燃料等の放射線源力 放出される放射線にはガンマ線と (高 エネルギー力ゝら熱エネルギーまでの）中性子が混在しており、これらの放射線を全て 効果的に遮蔽することが必要である (特許文献 1を参照)。
一般に、中性子遮蔽に対しては、従来水素が最も効果的な元素と考えられて使用 されてきたが、中性子エネルギーが高くなると水素の遮蔽効果が減少するという間題 がある。
原子炉等から出るエネルギーの高い中性子の遮蔽では、この水素の遮蔽効果が減 少するエネルギー領域の中性子を遮蔽することも重要である。
水素の遮蔽効果の減少を補うものとして非弾性散乱により高エネルギー中性子を 減速させる効果のある重金属があげられる。
一般的に放射線遮蔽材の重金属として鉛が使用されることが多いが、鉛は有害物 質であるため、鉛を多量に含む放射線遮蔽材は、その生産において、鉛を含む原料 力 ぼれたり、飛散することによって環境汚染を引き起こしやすいという問題を有して いた (特許文献 2を参照)。
また、熱中性子等の中性子を吸収した場合には、通常エネルギーが極めて高く透 過力の強 、二次ガンマ線が発生する。
二次ガンマ線の発生を抑えるには熱中性子吸収材が必要であり、また、その透過 を抑えるには比重の大きなジルコニウムゃノ、フニゥムのような重金属が必要である。 従来の放射線遮蔽材であるコンクリ一トに放射線が当たると、コンクリートに含まれ ている鉄、コバルト、ニッケル、ユウ口ピウムの元素が放射性同位元素に変化し、この 放射性同位元素の放射壊変によつて、コンクリートが放射線を発するようになる（特許 文献 3を参照)。
つまり、原子炉等の放射性発生源の稼動を停止しても、コンクリート製の遮蔽体中 に放射能が残留し、放射線を発生し続けることになる。
このように放射線を発するに至ったコンクリートは、原子炉等の放射線発生源の保 守、運転、解体等に携わる作業員に対して、放射線被ばくによる健康上の悪影響を 及ぼす可能性がある。
原子炉施設の廃止措置等に伴う遮蔽材の使用終了時においては、放射化した遮 蔽材はその保管や環境汚染の観点力 間題が多!、。
従って、それらが問題とならない程度の放射能しか発生しない低放射化遮蔽材の 開発が望まれている。
特許文献 1：特開 2003— 255081号公報
特許文献 2：特開 2003— 315489号公報
特許文献 3：特開 2003 - 238226号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
以上のことから、本発明にお 、ては、原子力施設等の中性子及びガンマ線が混在 する放射線場にお!ヽて、簡略な設備で作製できかつ実用的に使用出来る遮蔽材と しての最高の遮蔽性能、実用的な耐熱性と耐酸性 (フッ化水素酸を除く)を有し、軽量 で、また低放射化特性を有する放射線遮蔽材を提供することを目的とする。
さら〖こ詳しくは、原子炉施設及び核燃料サイクル施設等、並びに照射済み燃料、核 燃料の再処理物質、放射性同位元素、放射性廃棄物等放射能を有する物質や放射 線医療装置力 放出される中性子とガンマ線とが混在した放射線を中性子吸収の結 果発生する二次ガンマ線を含めて遮蔽でき、実用的な遮蔽物質の中では最も経済 的で尚且つ遮蔽効果が高ぐまた、使用期間中あるいは使用後における生成放射能 を無視できる程度に少なく出来る軽量耐熱耐酸性 (フッ化水素酸を除く)の放射線遮 蔽材を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0004] 本発明の放射線遮蔽材は、中性子遮蔽効果の大きい水素元素含有率の高い多孔 質珪質素材と、高エネルギー中性子線及びガンマ線に高 ヽ遮蔽効果を示す原子番 号 40以上の重金属と、熱中性子吸収材を組み合わせてなるものである。
本発明においては、前記多孔質珪質素材が珪藻土、クリストバル岩、硬質泥岩又 は人工多孔質珪質素材よりなるものである。
本発明にお 、ては、前記重金属がジルコニウム又はハフニウムである。 本発明においては、前記熱中性子吸収材がリチウム又はホウ素を含む化含物であ る。
発明の効果
[0005] 本発明にお 、ては、高エネルギー中性子線及びガンマ線に高 、遮蔽効果を示す 重金属、中性子遮蔽効果の大きい水素元素含有率の高い天然多孔質珪質素材、及 び熱中性子吸収材を組み合わせることにより中性子線とガンマ線の両方に対し遮蔽 効果を有し、多孔質珪質素材に対する重金属と熱中性子吸収材との配含比率を調 整することにより任意に中性子遮蔽効率とガンマ線遮蔽効率とをコントロールすること が出来、原子炉のように核分裂線源を扱う施設等において実用的な遮蔽材としては 最も高 ヽ遮蔽効果を実現出来る放射線遮蔽材を提供出来る。
本発明の放射線遮蔽材は、上述の構成よりなるので、中性子とガンマ線双方を考 慮した実際的な遮蔽材として優れた遮蔽性能を示し、低放射化性、耐熱性及び耐酸 性 (フッ化水素酸を除く)を有し、非常に軽量である。
し力も、本発明の放射線遮蔽材は、コノ レト、ニッケル、ユウ口ピウムを含んでおら ず、鉄含有量もコンクリートよりも少なぐさらに、ケィ素を主成分としているため使用 期間中及び使用後の廃棄の際に放射化が問題となる可能性は極めて少ない。 本発明によれば、容易な設備で複雑な形状や大型のサイズにも対応した成型体を 提供することが出来る。
本発明の放射線遮蔽材は、本質的に鉛を含有しないため、その生産において、鉛 を含む原料がこぼれたり、飛散することによって環境汚染を引き起こすことがない。 発明を実施するための最良の形態
[0006] 始めに、従来カゝら知られている放射線遮蔽材としての利点と問題点をそれぞれ検 討した結果を示す。
表 1に、コンクリート、水、鉛、グラフアイト（黒鉛）、鉄、ホウ素、ポリエチレン、水素化 リチウム、水素化チタン Z水素化ジルコニウムについて、遮蔽材の利点と問題点を示 す。
[0007] [表 1]
一般的な中性子遮蔽材とその問題点
Figure imgf000007_0001
この結果、一般に放射線遮蔽材として求められる特性は、 1.できるだけ二次ガンマ 線を発生させないこと、 2.放射化しにくい元素で出来ていること、 3.放射化した場合 でも、出来るだけ半減期が短いか、極端に長い元素であること、 4.放射性生体構成 元素を生成しないこと、 5.人体 (生物）に有害な元素を使用しないこと、 6.遮蔽材が 放射線遮蔽で発生する高熱に耐えられること、 7.再利用や副生成物の回収が容易 であること、 8.中性子による放射化で問題となるコノ レト、ユウ口ピウムを含まないこと 、である。
次に、秋田県の男鹿半島の女川層から採取した珪質頁岩 (珪藻土、クリストバル岩) を構成する主要元素を表 2及び微量元素を表 3に示す。
[0009] [表 2] 兀
単位 (wt. %)
Figure imgf000008_0001
[0010] [表 3]
Figure imgf000008_0002
[0011] そこで、前記珪質頁岩 (珪藻土、クリストバル岩)を放射線遮蔽材として利用する。
前記珪質頁岩の特性は、 1.資源として大変豊富である、 2.ケィ素、アルミニウム等 の放射化されにくい元素で構成されている、 3、水素、リチウム、ホウ素、炭素等の中 性子遮蔽効果のある元素を含んでいる、 4.熱に強い、 5.放射線損傷を受けても、 結晶（クリストバル岩の場合)のため自己修復できる可能性がある、 6.多孔体なので 必要な元素の添加などの操作 (機能改良）が容易である、 7.放射性生体構成元素 になりうる元素が少ない、 8.人体 (生物）に有害な元素が少ない、 9.中性子による放 射化で問題となるコバルト、ユウ口ピウムを含まない、等である。
[0012] 次に、放射線遮蔽材で問題となるのは、コンクリートと同様に放射化であり、クリスト バル岩自身の放射化の問題について、図 1で説明する。
まず、図 1の縦軸は、上に行くと陽子数が増えて原子番号が増し、また下方向に行 くと原子番号が減少する、すなわち、ケィ素を例にすると、一つ上はリンであり、下は アルミニウムになる。
横軸は、中性子の数であり、右に行くと同位体の中性子数が増え、左に行くと減少 する。
次に、 (η, α )反応の場合、中性子が一つ吸収され、 α線（中性子二個と陽子二個 )を出す反応で、中性子は一つ減り、陽子が二個減り、結果として元の原子から一つ 左で二個下の原子に変化する。
(η, γ )反応の場合は、中性子が一つ吸収され、ガンマ線を出す反応で、元の原 子から一つ右の同位体に変化する。
(η, ρ)反応の場合は、中性子を一つ吸収し、陽子を一つ出す反応で、右下の原子 に変化する。
( Ύ , Ρ)反応の場合は、ガンマ線を吸収して陽子を一つ出す反応で、元の原子の 一つ下の原子に変化する、すなわちケィ素の場合はアルミニウムに変化する。
( Ύ , η)反応の場合は、ガンマ線を吸収して中性子を一つ出す反応で、元の原子 の左側の同位体に変化する。
[0013] 図 1中のベクトルは、原子が崩壊する過程を意味し、 α崩壊は中性子二個と陽子二 個を放出するので、元の原子の左へ二個、下へ二個の位置にある原子に変化する。 β +崩壊及び電子捕獲は、電子を一つ吸収するので、陽子が一つ中性子に変化し 、その結果下へ一つ、右へ一つの場所にある原子に変化する。
β—崩壊は、逆に電子を一つ放出するので、中性子が一つ減り、陽子が一つ増え、 つまり元の原子の左上の原子に変化する。
前記クリストバル岩は、中性子に関しては (η, ひ）、（η, γ )、（η, ρ)反応を考え、 γ 線に関しては（γ , ρ)、（γ , η)反応を考える。
[0014] そして、本発明の放射線遮蔽材として、中性子遮蔽能を高いレベルに、また、ガン マ線及び中性子の減衰率を任意に設計出来るように、水素含有率の高い多孔質珪 質素材、重金属、熱中性子吸収材等の使用を考慮する。
水素含有率の高い多孔質珪質素材として、珪質頁岩、すなわち珪藻土やクリストバ ル岩がある。 水素、リチウム、ホウ素、炭素の 4元素は、元々珪質頁岩に含まれているが、ホウ素 はホウ酸水を物理吸着させ、乾燥させることにより、必要量添加できる。
リチウムにつ ヽても同様である。
熱中性子吸収材としては、低放射化の観点力もリチウム、ホウ酸ゃノ、フニゥムが好 ましい。
ガンマ線及び高速中性子遮蔽材としては、例えばジルコニウム、ノ、フニゥム等の原 子番号 40以上の重金属を使用する。
ジルコニウムとハフニウムは、ジルコン溶解液カゝら化学吸着と物理吸着特性を利用 して珪質頁岩に吸着させる。
両元素で高速中性子の減速とガンマ線遮蔽を行う、特にハフニウムはランタノイド 収縮を起こしているため、電子密度が大きぐ有効に高エネルギーガンマ線遮蔽が 行える。
さらに、低エネルギーガンマ線については遮蔽能力が原子番号の 4乗に比例する ので、これらの両元素は共に有効に作用する。
中性子、（二次ガンマ線を含めた)ガンマ線を同時に効果的に遮蔽するためには多 孔質珪質素材に対し重金属と熱中性子吸収素材を適切に配合する必要がある。 実際的には、多孔質珪質素材、重金属、熱中性子吸収素材の割合を変えながら放 射線輸送計算を実施し、配合比率に関するデータを求め、決定する必要がある。 放射線源から大量の中性子が放出される場合、本発明の放射線遮蔽材を用いた 場合でも不純物による放射化の可能性がある。
放射化物が生成されると、遮蔽材自体が放射線を出すので被ばくの原因となる、取 扱いに支障が出る、あるいは廃棄の際放射化物として隔離保管をせねばならない、 環境汚染の原因となる等の悪影響が生じる。
そこで、多孔質珪質素材は、出来るだけ純度が高いものを用いるようにする。 実施例 1
男鹿半島の女川層から採取した珪質頁岩 (クリストバル岩)を鉄蜂で砕き、 2. 36m mメッシュの篩で大きさを揃えたペレット状のものを、片面に和紙を貼った奥行き 5cm 、縦横 30cmの木枠内に入れ、その後、残った一面を和紙で封じて実験試料をカロェ する。
[0016] 前記実験試料を用いて、次の実験を行った。
実験 1：線源にカリフオル-ゥム (252cf)を用いた中性子遮蔽実験を行った。
図 2に示すように、珪質頁岩、コンクリートについて、それぞれ 3回測定を行った。 見掛上、珪質頁岩の中性子遮蔽効果は、普通コンクリートよりも劣るが、比重が約 4 分の 1のため、コンクリートの比重と同程度に遮蔽材を充填することができれば普通コ ンクリートの 2倍の遮蔽性能を持つ。
これは、珪質頁岩の表面に存在する水素によるものである。
[0017] 図 3に示すように、図 2データの近似曲線で外挿してみると、普通コンクリートの 2倍 の厚さでコンクリートと同程度の中性子に対する遮蔽効果を得ることができることがわ かる。
し力しながら、重量は普通コンクリートの約 4分の 1である。
[0018] 実験 2 :線源にカリフオル-ゥム (252Cf)を用いた二次ガンマ線遮蔽実験を行った。
[0019] 実験 3 :線源にコバルト (6 Co)を用いた場合のガンマ線遮蔽実験を行った。
[0020] 図 4に示すように、珪質頁岩について、それぞれ 6回測定を行った。
ガンマ線遮蔽効果は、物質の密度に依存するため、珪質頁岩だけではあまり遮蔽 効果は期待できない。
し力しながら、ジルコニウム等の重金属を添加すれば十分にかつ容易にその遮蔽 性能を改良できる。
[0021] 図 5に示すように、図 4のデータの近似曲線を外挿してみると、珪質頁岩だけでガン マ線を遮蔽する場合、 50cm以上の厚さが必要であることがわかる。
[0022] まとめとして、珪質頁岩と普通コンクリートとを対比すると、
(1)珪質頁岩は普通コンクリートに比べ約 2倍の中性子遮蔽性能がある。
(2)珪質頁岩は比重が小さい。クリストバル岩をブロック整形したものが 1. 24、ペレツ ト状にしたものが 0. 67以上であるのに対して、普通コンクリートは 2. 36である。
(3)珪質頁岩は中性子及び γ線による放射化のため問題となる核種の含有量が低い
(4)珪質頁岩は熱に強い。 (5)珪質頁岩は酸性溶液に強 ヽ。
(6)珪質頁岩は他の放射線遮蔽材を添加して機能改良することが容易である。
したがって、珪質頁岩はコンクリートよりも優れた放射線遮蔽材となり、軽量 '耐熱' 耐酸性中性子遮蔽材として有効な素材である。
また、多孔質な特性を生かすことで、必要な元素の添加をすれば、さらに優れた放射 線遮蔽材となる。
[0023] 本発明の放射線遮蔽材は、合成樹脂と混合し、铸型に入れることにより自在な形状 の成型体を実用的な大きさで作製できる。
それらの成型体を単独でもしくは成型体同士組み合わせて用いたり、放射線遮蔽 材の小片を容器に充填して用いたり、また、枠等の各種部材で固定して用いたり、各 種ゴム、各種コンクリート、各種金属、各種パテ等の複合材料用マトリックスで固定し た形態で用いたりすることで、原子炉や原子炉利用施設、核燃料サイクル施設、使 用済み燃料等放射性物質貯蔵，輸送容器、放射性同位元素、核融合炉、加速器等 における各種放射線源等力 放出される中性子やガンマ線を実用的に遮蔽できる。 本発明の放射線遮蔽材は多孔体であるため、必要に応じて水を添加吸着させ、こ の水 (H O)の水素原子によって、高工ネルギーを有する放射線（中性子）を効果的
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に減速させることができる。
本発明の放射線遮蔽材は、中性子線及び/又はガンマ線の遮蔽に用いることがで きる。 本発明の放射線遮蔽材は、そのまま用いることもでき、小片を容器に充填した ちのを用いることちでさる。
また、圧力を加えて成型し、ブロックとして使用できる他、合成樹脂等と混合し、任 意の形状で用いることもできる。
本発明の放射線遮蔽材の小片を複合材料用マトリックスで固定した複合材料を中 性子線
及び/又はガンマ線の遮蔽に用いてもょ 、。
産業上の利用可能性
[0024] 本発明の放射線遮蔽材は、医療関連施設に設置される医療用リニアックから発生 する二次中性子の遮蔽、放射性廃棄物移送用貯蔵容器 (キャスク)の放射線遮蔽材 、核融合実験施設周辺の放射線遮蔽、可動型推進用原子炉 (船舶及び惑星間有人 ロケット等に搭載)の放射線遮蔽材、通常の原子力施設及び核燃料サイクル施設の 放射線遮蔽材、原子炉火災時の放射線遮蔽材、火災作業用ヘリコプター自体の放 射線遮蔽材、住宅の壁面用建材 (原子力施設周辺の住宅向け)等に利用可能であ る。
図面の簡単な説明
[図 1]クリストバル岩自身の放射化を表わすグラフ図である。
[図 2]珪質頁岩の中性子線遮蔽効果を示すグラフ図である。
[図 3]図 2の近似線で外挿した珪質頁岩の中性子線遮蔽効果を示すグラフ図である。
[図 4]珪質頁岩のガンマ線遮蔽効果を示すグラフ図である。
[図 5]図 4の近似線で外挿した珪質頁岩のガンマ線遮蔽効果を示すグラフ図である。

Claims

請求の範囲
[1] 中性子遮蔽効果の大き!、水素元素含有率の高!、多孔質珪質素材と、高工ネルギ 一中性子線及びガンマ線に高い遮蔽効果を示す原子番号 40以上の重金属と、熱中 性子吸収材を組み合わせてなることを特徴とする放射線遮蔽材。
[2] 前記多孔質珪質素材が珪藻土、クリストバル岩、硬質泥岩又は人工多孔質珪質素 材よりなることを特徴とする請求項 1記載の放射線遮蔽材。
[3] 前記重金属がジルコニウム又はハフニウムであることを特徴とする請求項 1記載の 放射線遮蔽材。
[4] 前記熱中性子吸収材がリチウム又はホウ素を含む化含物であることを特徴とする請 求項 1記載の放射線遮蔽材。
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