WO2004102586A1

WO2004102586A1 - アルミニウム系中性子吸収材及びその製造方法

Info

Publication number: WO2004102586A1
Application number: PCT/JP2004/006438
Authority: WO
Inventors: Jun Kusui; Hideki Ishii; Shigeru Okaniwa; Atsushi Inoue; Takutoshi Kondou; Masakazu Iwase
Original assignee: Toyo Aluminum KK; Hitachi Zosen Corp; Nippon Light Metal Co Ltd; Hitachi Shipbuilding and Engineering Co Ltd
Current assignee: Toyo Aluminum KK; Nippon Light Metal Co Ltd; Kanadevia Corp
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2005-11-13
Also published as: EP1632955A1; JPWO2004102586A1; US20070064860A1; EP1632955A4

Abstract

　ホウ素又はホウ素化合物をホウ素量で２０～４０質量％含むアルミニウム合金からなる本体部と、ホウ素含有量が１質量％以下のアルミニウム合金からなる表層部とからなるアミニウム系押出材製中性子吸収材及びその製造方法が提供される。アルミニウム合金素材を押出用成形体又は缶として準備し、ホウ素又はホウ素化合物粉末をアルミニウム合金粉末に混合し、缶を使用する場合は缶に混合粉末を封入して予備成形体とし、押出用成形体を使用する場合は、混合粉末を加圧成形して予備成形体とし、これを押出加工することにより得られる。優れた中性子吸収能を示す上に、放熱性、加工性、溶接性等に優れた中性子吸収材が得られる。

Description

明細書

アルミニウム系中性子吸収材及びその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、例えば使用済み核燃料の貯蔵や輸送用の施設等に用いて好適なアルミニゥム系中性子吸収材及びその製造方法に係り、より詳細には中性子吸収能を有するホウ素又はホウ素化合物を含有するアルミニウム合金を用いた中性子吸収材の改良に関する。

背景技術

[0002] 核燃料棒は、使用済みのものでも高速又は熱中性子を発生させている。この中性子は核反応を促進させるので、多くの核燃料をまとめて置いておくと、核反応が中性子により進んでしまう。そのため、核燃料を輸送したり貯蔵する場合には、一般にノスケットと呼ばれる中性子吸収材を周りに溶接したステンレスの角ノイブの集合体のな力に、小分けして収納している。ノスケットは、キャスクと呼ばれる容器の中に納められ、その状態で、輸送や貯蔵が行われている (例えば、特許文献 1)。

[0003] 一般に、中性子吸収能を備えた物質としては、ガドリニウム (Gd)、サマリウム（Sm) 等が挙げられる力前述の中性子吸収材にはホウ素（B)が最も良く用いられている。ホウ素を用いた中性子吸収材としては、「ボラール (Boral)」と称する、アルミニウム板二枚の間にサンドイッチ状に炭化ホウ素 (B C)粉末とアルミニウム粉末を質量比で 3

4

： 2となるように混合した混合粉末を挟み込み圧延した板状の成形体が従来から使用されており、この中性子吸収材をステンレスなどの角パイプに溶接し、バスケットを製造していた。

[0004] また、別の中性子吸収用成形体として、メカ-カルァロイングを用いて、アルミ-ゥム粉末とホウ素又はホウ素化合物粉末を混合して予備成形体を形成し、予備成形体を押出加工によって成形した中性子吸収用アルミニウム成形体が知られている（例えば、特許文献 2参照)。

他の中性子吸収用成形体として、ホウ素をアルミニウム合金中に溶解させ製造した中性子吸収体がある（例えば、特許文献 3参照)。 [0005] し力しながら、前者のボラールは、ホウ素化合物の分散が均一でない場合もあることが古くから指摘されてきた (非特許文献 1参照)。

また、核燃料棒は熱を発するため、放熱性も要求されるが、ボラールは炭化ホウ素の割合が高ぐまた圧延しただけなので、炭化ホウ素同士や、炭化ホウ素とアルミニゥム板の密着性が悪いために、熱伝導性が悪ぐ放熱性が低力つた。更に核燃料を貯蔵する際、角パイプの間に冷却水を通す場合があるが、その際にホウ素化合物同士の密着性が悪いために、ボラールの内部に水が浸透してしまう虞があった。

[0006] また、後者のアルミニウム合金粉末成形体においては、上記ボラールに比べてアルミニゥムとホウ素やホウ素化合物との分散を均一にできる力ホウ素化合物は、ダイヤモンド、 CBN (立方晶窒化ホウ素）に次ぐ硬さを有するため、この材料を成形しようとすると押出ダイス等の工具の摩耗が著しい。また、メカ-カルァロイングを用いると、粉末内部に多くの塑性加工歪を含むことになるため、冷間静水圧成形法 (CIP)等の予備成形又は熱間静水圧成形法 (HIP)等の固化成形で真密度の成形体を得ることが難しい。仮に真密度の成形体が得られたとしても、表面割れ (テアリング)が生じたりする問題があった。特に、押出の際にホウ素化合物が起点となり、押出材表面にむしれが発生しやすい。そのため、ホウ素の濃度を高めることができない。また、硬度が高いが脆ぐボラールと同様に放熱性に劣る上、溶接性が悪いという問題もあった。またホウ素をアルミニウム合金中に溶解させた溶製材である中性子吸収材は、ホウ素を溶解するのが難しぐホウ素の濃度を高めることができない。またホウ素を溶解させるためにはアルミニウム合金を 800°C以上まで加熱する必要があり、生産性が悪く、溶解炉も傷みやすいという問題があった。

特許文献 1：特開平 8- 136695号公報

特許文献 2：特開 2002-22880号公報

特許文献 3：特開 2003—268471号公報

非特許文献 l :W.R.Burrus, Nucleonics, 16 (1958)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、従来のアルミニウム系中性子吸収材が有する前述の不具合を部分的に又は完全に改善するアルミニウム系押出材製中性子吸収材及びその製造方法を提供することを主たる課題とする。

本発明の他の課題は、中性子吸収能力を有するホウ素又はホウ素化合物が均一に分散し、よって優れた中性子吸収能を示す中性子吸収材及びその製造方法を提供することにある。

本発明の更に他の課題は、放熱性及び/又は加工性及び/又は溶接性に優れ、及び Z又は水が浸透してしまう虡のないアルミニウム系押出材製中性子吸収材及びその製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明に係るアルミニウム系押出材製中性子吸収材は、中性子吸収能を有する同位体を含むホウ素又はホウ素化合物をホウ素量で 20— 40質量％含むアルミニウム合金からなる本体部と、上記ホウ素の含有量が 1質量％以下であるアルミニウム合金力もなり、上記本体部を被覆する表層部とを含むことを特徴とする。

ここで、本発明のアルミニウム系押出材製中性子吸収材は、上記表層部の厚さが、 0. 1mm以上であることが好ましぐまた、平板状であり、板の両側のホウ素含有量の少ない層の厚さが、上下側のホウ素含有量の少ない層の厚さより、厚くなつているのが好ましぐ更に内部の Bが B Cとして含有されていることが好ましい。

4

[0009] また、上記本体部のアルミニウム合金は、上記ホウ素又はホウ素化合物以外に、ケィ素（Si)、マグネシウム（Mg)、鉄（Fe)、銅（Cu)、マンガン（Mn)、クロム（Cr)、チタン（Ti)、ニッケル (Ni)、バナジウム（V)、コバルト（Co)、モリブデン（Mo)、ニオブ（N b)、ジルコニウム（Zr)、ストロンチウム（Sr)、亜鉛 (Zn)からなる群から選択される少なくとも一種の更なる元素を含むものとすることができるし、これら更なる元素を実質的に含まない A1— B合金とすることもできる。ここで、更なる元素を含有させる場合、その量は、何れも単体で 2質量％以下で、かつ合計量が 15質量％以下であることが好ましい。

[0010] また、上記表層部のアルミニウム合金についても、ケィ素（Si)、マグネシウム（Mg) 、鉄（Fe)、銅（Cu)、マンガン（Mn)、クロム（Cr)、チタン (Ti)、ニッケル（Ni)、バナジゥム（V)、コノルト（Co)、モリブデン（Mo)、ニオブ（Nb)、ジルコニウム（Zr)、ストロンチウム（Sr)、亜鉛 (Zn)からなる群力選択される少なくとも一種の更なる元素を含むものとすることができるし、あるいはこれら更なる元素を実質的に含まない純アルミニゥムとすることもできる。ここで、更なる元素を含有させる場合、その量は、何れも単体で 2質量％以下で、かつ合計量が 15質量％以下であることが好ましい。

更に、上記表層部のホウ素含有量は lOOppm以下とすることが望ま、。

[0011] また更に、ホウ素又はホウ素化合物以外の、中性子吸収能を有する元素、特にハフニゥム（Hf)、サマリウム（Sm)、ガドリゥム（Gd)を、好ましくは 1一 50質量⁰ /₀の量で、上記本体部のアルミニウム合金及び Z又は上記表層部のアルミニウム合金中に含有せしめることちでさる。

[0012] 本発明に係る製造方法は、上記アルミニウム系押出材製中性子吸収材を製造するのに好適なもので、

(a)上記ホウ素の含有量が 1質量％以下のアルミニウム合金素材を準備する工程と、

(b)上記ホウ素又はホウ素化合物の粉末をアルミニウム合金粉末にホウ素量で 20— 40質量％になるように混合してホウ素アルミニウム混合粉末を生成する工程と、

(c)上記アルミニウム合金素材と上記ホウ素アルミニウム混合粉末に、押出加工を施して、ホウ素アルミニウム力なる本体部と、該本体部を被覆するアルミニウム合金の表層部を含んでなるアルミニウム系中性子吸収材を形成する工程と、

(d)場合によっては、押出加工されたアルミニウム系中性子吸収材に圧延加工を施す工程と、

を具備してなる。

[0013] 好適な実施態様では、アルミニウム合金素材がアルミニウム合金製容器であり、上記 (c)工程が、上記ホウ素アルミニウム混合粉末をこのアルミニウム合金製容器に封入して予備成形体とし、好ましくは脱ガス処理を施した後、該予備成形体を押出加ェしてアルミニウム系中性子吸収材を形成する工程である。

また他の好適な実施態様では、上記 (c)工程は、上記ホウ素一アルミニウム混合粉末に冷間静水圧成形又は冷間プレス成形のような加圧成形を施す行程と、押出方向に向力つて順にアルミニウム合金又は純アルミニウム素材と上記ホウ素アルミ-ゥム粉末加圧成形体を配置して、押出加工を行なう工程とを具備する。上記ホウ素-ァルミニゥム粉末加圧成形体を押出加工の前に、脱ガス処理や焼結処理を施しても良い。

[0014] また一実施態様では、上記 (b)工程において、平均粒径が 3— 30 μ mの範囲のホゥ素化合物粉末を、平均粒径が 20— 50 mの範囲のアルミニウム合金粉末に混合して、ホウ素アルミニウム混合粉末を生成するのが好ま、。

本発明に係る中性子吸収材が使用される核関連設備、装置等については特に制限はないが、好適には使用済み核燃料の貯蔵や輸送用の施設に使用される。よって、本発明では、使用済核燃料を収容するバスケットにおいて、上記核燃料を収容するスペースを構成する壁部に上記アルミニウム系中性子吸収材が貼り付けられて!/ヽることによって形成されてなるバスケットが特に提供される。

発明の効果

[0015] 本発明に係るアルミニウム系中性子吸収材及びその製造方法は、従来のアルミ- ゥム系中性子吸収材及びその製造方法が有する前述の不具合を部分的に又は完全に解消するものである。

特に、本発明に係るアルミニウム系中性子吸収材は、ホウ素又はホウ素化合物の粉末をアルミニウム合金粉末に混合成形し、押出加工により、加圧焼結して本体部としたので、多量のホウ素を均一に含有させることができ、中性子吸収能に優れ、ホウ素又はホウ素化合物粉末とアルミニウム粉末の密着性が高ぐ水が浸透してしまう虞もない。

また、ホウ素又はホウ素化合物を実質的に含まないアルミニウム合金力もなる表層部を設けたので、放熱性及び/又は加工性及び/又は溶接性に優れ、及び/又は水が浸透してしまう虞もない。特に、好適な実施態様では、予備成形又は固化成形時に、加工治具が摩耗したり表面割れ (テアリング）が生じたりすることがない。

発明の実施の形態

[0016] 以下、本発明のアルミニウム系中性子吸収材及びその製造方法について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する力本発明はこれらの説明によって限定されるものではない。

[0017] 本発明に係るアルミニウム系中性子吸収材は、核燃料を多数本収納するキャスクの、核燃料を支えるステンレス等の角パイプで形成されたノスケットの周囲に貼り付けられる成形体を製作する場合に好適に使用することができる。

上記中性子吸収材は、図 1に示すように、全体が矩形板状に形成され、中性子吸収能を有する本体部 1と、該本体部 1を被覆する表層部 2とを含む二層構造をなしており、本体部 1は中性子吸収能を有する同位体を含むホウ素又はホウ素化合物をホゥ素量で 20— 40質量％含むアルミニウム合金力なり、表層部は、上記ホウ素の含有量が 1質量％以下に抑えられたアルミニウム合金力もなる。

[0018] 本体部 1のアルミニウム合金は、一形態では、ホウ素又はホウ素化合物を除いた組成を見ると、純アルミニウムで、他の形態では、ホウ素又はホウ素化合物を除いた組成においても、更なる元素を含むアルミニウム合金であり、これらの形成には粉末原料が用いられる。一方、表層部 2のアルミニウム合金又は純アルミニウムは特に粉末原料を準備する必要はない。また、本体部 1のアルミニウム合金のホウ素又はホウ素化合物を除、た組成と、表層部 2のアルミニウム合金の組成は同一でも異なって、てちょい。

[0019] 以下、本発明に係る中性子吸収材の製造にっ、て、原料、製造工程の順に説明する。

(1)本体部のアルミニウム合金粉末

ホウ素又はホウ素化合物粉末と混合されるアルミニウム合金粉末の組成は特に限定されるものではなぐ純アルミニウム (JIS1070等）、 Al-Cu系合金 (JIS2017等）、 A1— Mg系合金 (JIS5052等）、 A1— Mg— Si系合金 (JIS6061等）、 A1— Zn—Mg系合金 (JIS7075等）、 A1— Mn系合金等、種々のタイプの合金の粉末を、単独で、又は 2 種以上を混合して使用することができる。

[0020] 如何なる組成のアルミニウム合金粉末を選択するかは、所望される特性、後の成形加工時の変形抵抗、混合されるホウ素又はホウ素化合物の量、原料コスト等々を考慮して、決定される。例えば、中性子吸収材の加工性や放熱性を高めたい場合には、純アルミニウム粉末が好ましい。純アルミニウム粉末は、アルミニウム合金粉末の場合に比べて原料コストの面で有利でもある。なお、純アルミニウム粉末は、純度が 99 . 5質量％以上のもの（通常市販の純アルミニウム粉末は 99. 7質量％以上）を使用するのが好ましい。

また、混合されるアルミニウムホウ素又はホウ素化合物粉末量が多い場合は、強度の小さ、アルミニウム合金粉末を用いると力卩ェが容易になる。

[0021] 更に、中性子吸収能を更に高めたい場合には、 Hf、 Sm、 Gd等の中性子吸収能を備えた少なくとも 1種の元素を、好ましくは 1一 50質量％添加することができる。また、高温強度が要求される場合には Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Mo、 Nb、 Zr、 Sr等の少なくとも 1種を、室温強度が要求される場合には Si、 Cu、 Mg、 Zn等の少なくとも 1種を、何れも各元素 2%以下、合計量で 15質量％以下の割合で、添加することができる。

上記アルミニウム合金粉末では、特定した成分以外の残部は、基本的にアルミ-ゥム及び不可避不純物である。

[0022] アルミニウム合金粉末の平均粒径は特に限定されるものではなヽが、上限値は一般には 500 μ m以下、好ましくは 150 μ m以下、より好ましくは 50 μ m以下の粉末を用いることができる。平均粒径下限値は製造可能であれば特に限定されるものではないが、通常は 1 μ m以上、好ましくは 20 μ m以上である。アルミニウム合金粉末の平均粒径は、後述するホウ素又はホウ素化合物粉末の平均粒径の差が大き!、と押出加工や圧延加工等の塑性加工の際に割れが生じやすいので、平均粒径の差を小さくすることが好ましいところ、平均粒径が大きくなりすぎると、平均粒径を大きくできないホウ素又はホウ素化合物粉末との均一混合が困難となる一方、平均粒径が小さすぎると、微細アルミニウム合金粉末同士で凝集が起こり易くなり、ホウ素又はホウ素化合物粉末との均一混合が非常に困難になる力もである。また、かかる範囲内の平均粒径とすることにより、一層優れた加工性、成形性、機械的特性を得ることもできるなお、上記において、平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定法による値を示す。粉末形状も限定されるものではなぐ例えば涙滴状、真球状、回転楕円体状、フレーク状又は不定形状等、ずれであっても差し支えな、。

[0023] 上記アルミニウム合金粉末の製造方法は限定されず、公知の金属粉末の製造方法に従って製造することができる。その製造方法は例えば、アトマイズ法、メルトスピニング法、回転円盤法、回転電極法、その他の急冷凝固法等が挙げられるが、工業的生産にはアトマイズ法、特に溶湯をアトマイズすることにより粉末を製造するガスアトマイズ法が好ましい。

なお、アトマイズ法においては、上記溶湯を通常 700— 1200°Cに加熱してアトマイズすることが好ましい。この温度範囲に設定することにより、より効果的なアトマイズを実施することができるからである。またアトマイズ時の噴霧媒'雰囲気は、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、水等あるいはそれらの混合であってもよいが、噴霧媒は、経済的観点から、空気、窒素ガスまたはアルゴンガスによるのが好ましい。

[0024] (2)本体部のホウ素又はホウ素化合物粉末

本体部の形成に用いられるホウ素又はホウ素化合物としては、例えば B、 B C、 TiB

4

、 B O、 FeB、 FeB等を挙げることができ、これらを単独で又は混合物として使用す

2 2 3 2

ることができる。特に、中性子を良く吸収する Bの同位体である B10を多く含む炭化ホゥ素 B Cを使用するのが好ましい。

4

このホウ素又はホウ素化合物は、前述のアルミニウム合金粉末に、ホウ素量で 20質量％以上 40質量％以下の量で含有せしめられる。 20質量％以上とした理由は、 20 質量％より少ないと、十分な中性子吸収能力が得られないためであり、十分な中性子吸収能力を得るために中性子吸収材の板厚を厚くしなければならなくなり、限られたスペース内に中性子吸収成形体を収納することができなくなるばかりか、材料が嵩むという問題がある。また、 40質量％以下とした理由は、 40質量％より多いと、押出時の変形抵抗が高ぐ押出し難い上、成形体が脆くなつて、折れやすくなるという問題があるからである。またアルミニウムとホウ素化合物の密着性も悪くなり、空隙ができやすぐ放熱性も低下する。

[0025] ホウ素又はホウ素化合物粉末の平均粒径は任意である力アルミニウム合金又は純アルミニウム粉末の平均粒径に対して説明したように、これらの二種の粉末間の粒径差が少ない方が好ましい。よって、アルミニウム合金又は純アルミニウム粉末の平均粒径によって変わる力一般には、ホウ素又はホウ素化合物の平均粒径は、以上 30 μ m以下、好ましくは 5 μ m以上 10 μ m以下とすることができる。平均粒径が 30 m (好ましくは 10 m)より大きいと、切断時に鋸歯が直ぐに摩耗してしまう問題があり、また、平均粒径が 3 m (好ましくは 5 m)より小さいと、これら微細粉末同士で凝集が起こり易くなり、アルミニウム粉末との均一混合が非常に困難になるからである。

なお、上記において、平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定法による値を示す。粉末形状も限定されず、例えば、涙滴状、真級状、回転楕円体状、フレーク状、不定形状等の、ずれであってもよ、。

[0026] (3)表層部のアルミニウム合金素材：

表層部のアルミニウム合金素材の組成は特に限定されるものではなぐ純アルミ- ゥム (JIS1070等）、 A1— Cu系合金 (JIS2017等）、 A1— Mg系合金 (JIS5052等）、 A1 — Mg— Si系合金 (JIS6061等）、 A1— Zn— Mg系合金 (JIS7075等）、 A1— Mn系合金等、種々のタイプの合金素材を使用することができる。

如何なる組成のアルミニウム合金を選択するかは、所望される特性、コスト等々を考慮して決定される。例えば、中性子吸収材の加工性や放熱性を高めたい場合には、純アルミニウムが好ましい。純アルミニウムは、アルミニウム合金の場合に比べて原料コストの面で有利でもある。更に、中性子吸収能を更に高めたい場合には、 Hf、 Sm 、 Gd等の中性子吸収能を備えた少なくとも 1種の元素を、好ましくは 1一 50質量％添加することができる。また、高温強度が要求される場合には Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co 、 Ni、 Mo、 Nb、 Zr、 Sr等の少なくとも 1種を、室温強度が要求される場合には Si、 C u、 Mg、 Zn等の少なくとも 1種を、何れも各元素 2%以下、合計量で 15質量％以下の割合で、添加することができる。

上記アルミニウム合金では、特定した成分以外の残部は、基本的にアルミニウム及び不可避不純物である。

[0027] また、表層部は、加工性や溶接性に直接影響を及ぼすので、加工性や溶接性の観点から好ましい組成とするのがよい。特に、ホウ素含有量が少ないほど力卩ェ性や溶接性が良くなるので、表層部のホウ素含有量は少ないほど良い。従って、 lOOppm 以下が好ましい。

更に、後述するように、表層部のアルミニウム合金素材は缶及び蓋の形態で提供される場合があるが、その場合は、変形抵抗が低ぐ熱伝導性の高いアルミニウム合金が好ましぐ特に純アルミニウムが好ましい。

[0028] (4)中性子吸収材の製造工程

本発明に係る製造方法は、（a)表層部のアルミニウム合金素材の準備工程、（b)本体部のホウ素アルミニウム混合粉末の製造工程、（c)押出加工工程、（d)任意工程である圧延カ卩ェ工程を具備してなる力上記 (a)工程において、アルミニウム合金の缶の形態の素材を準備し、（c)工程において、該缶にホウ素アルミニウム混合粉末を封入して押出加工を施す第一の実施形態と、上記 (a)工程において、押出加工に適した形態でアルミニウム合金素材を準備し、（c)工程において、ホウ素-アルミ-ゥム混合粉末を加圧焼結体にして、アルミニウム合金又は純アルミニウム素材とホウ素アルミニウム混合焼結体を押出加工する第二の実施形態とに分かれる。以下、各実施形態毎に説明する。

[0029] [第一の実施形態]

この実施形態に係る中性子吸収材の製造方法は、図 2に示されるフローチャートに従って実施される。

アルミニウム合金缶の準備 (ステップ S 1—1)：

表層部となるアルミニウム合金素材は、缶と蓋の形態に予め成形されたものを準備するか、常法により適宜製作する。缶の肉厚は 1一 10mm程度、好ましくは 4一 6mm 程度で、搬送に耐える強度を持たせることが望ましい。蓋は、缶と同材質でも異材質でもよぐ押出成形時のガス抜き小孔を少なくとも一以上備えたものとする。蓋は主として中性子吸収材の表層部になるので、缶の肉厚より厚くすることが好ましぐ例えば 5— 70mm程度、好ましくは 10— 40mm程度とすることができる。蓋の肉厚が 5mm 未満であれば、本体部を十分に覆うことができない。逆に 70mmより厚いと押出初期に選択的に消費され、内部に本体部があまり含まれない押出材が成形され、実質的に表層部の成型に使われず、歩留が悪くなる。

なお、蓋側ではなぐあるいは蓋のものに加えて、缶側に混合粉末が漏出しない程度の小孔を設けてもよい。

[0030] ホウ素-アルミニウム混合粉末の製造 (ステップ S 1—2)：

アルミニウム合金粉末と、ホウ素量で 20質量％以上 40質量％以下のホウ素又はホゥ素化合物、例えば B C粉末を用意し、これら粉末を均一に混合する。混合の方法

4

は、公知の方法でよぐ例えば Vブレンダー、クロスロータリーミキサー等の各種ミキサ一、振動ミル、遊星ミル等を使用し、所定の時間 (例えば 10分一 6時間程度)混合すればよい。また、混合は、乾式又は湿式の何れでであってもよい。また、混合の際に解砕の目的で、アルミナボール等のメディアを適宜カ卩えてもよい。

[0031] 押出工程 (ステップ S 1-3) :

先ず、前の工程で得られた混合粉末を前述のアルミニウム合金製の缶、例えば純アルミニウム缶内に充填する。ついで、振動をカ卩えるなどして粉末周囲のガス抜きを行った後、蓋を溶接し、搬送時に粉末が漏れ出ないようにして予備成形材を製造する。

ここで、アルミニウム合金製の缶に注入される混合粉末の相対密度は、通常 50— 8 0%程度とするのが、押出加工を容易にする上で好ましい。この混合粉末の相対密度は、混合粉末をアルミニウム合金製の缶に充填する際に缶に振動を加える等で充填率を変更することにより、適宜調整できる。アルミニウム合金製の缶の肉厚は、 1一 10mm程度、好ましくは 4一 6mm程度で、搬送に耐える強度を持たせることが望まし V、。厚の缶状のものを用いると搬送がより容易になり好ま、。

[0032] 必要に応じて、真空吸引等により脱ガス処理を行っても良い。真空吸引の場合、真空度は、例えば 0. ltorrで行う。脱ガス処理は、常温で行ってもよいが、 200— 400 °Cに加熱して行うと十分に脱ガスが行える。

次に、押出工程の直前に、この押出予備成形材を好ましくは 350— 600°Cに加熱する。この加熱によって、混合粉末の内部まで十分に温度が上がっていることが、押出工程をスムーズに行うために必要であるからである。この加熱雰囲気は、特に限定されず、大気中、非酸化性雰囲気中（窒素ガス、アルゴンガス、真空等)を設定できる。加熱時間は押出予備成形材のサイズに応じて適宜設定できるが、通常 0. 5— 30 時間程度とすればよい。

次に、押出予形材を押出機まで素早く搬送し、図 3に示すように、アルミニウム合金製の缶の蓋側を押出方向にして缶を押出機に配置し、押出加工して押出成形体を成形する。ここで、押出条件は、例えば押出機として直接押出機を用いた場合、押出速度を 0. 3— 5mZ分、加熱温度を 530— 560°Cとするのが好ましい。

[0033] このように、ホウ素アルミニウム混合粉末が封入されたアルミニウム合金製缶を押出加工することによって、ダイスにはこのアルミニウム合金製の缶材が直接接触し、この缶材がー種の潤滑剤になって、本発明のような高濃度にホウ素又はホウ素化合物粉末を含む材料でも押出が可能になる。この押出加工によって、混合粉末は加圧焼結されて固化成形心材となり、その外表面に、アルミニウム合金製の表層部が形成される。この場合、押し出された成形体の厚さは例えば約 6mmであり、表層部の厚さは、例えば 0. 1mm— 0. 5mm程度に形成される。

[0034] ここで、押出成形体における表層部の平均厚みの下限値は、特に限定されないが、通常は 20 m以上とすることができ、好ましくは、特に 0. 1mm以上となるようにする。これより薄くなると、十分な溶接性や加工性が得られないからであり、また放熱性の低下や加工時の表面割れ (テアリング)の問題が生じるおそれもある。一方、表層部の平均厚みの上限値は、中性子吸収材全体の厚みにより適宜設計すればよいが、中性子吸収材の厚みの 30%以下とするのが好ましい。表層部の平均厚みが中性子吸収材の厚みの 30%を越えると、十分な中性子吸収能を得るために中性子吸収材を大型化する必要がでてくる。また、表層部が薄い場合には、アルミニウム合金粉末に対するホウ素量を少なくすると加工が容易になり好ましぐ表層部が厚い場合には、アルミニウム合金粉末に対するホウ素量を多くすると中性子吸収能が高くなり好ましい。

また、押出加工にあっては、板の両側の表層部の厚さが、上下側の表層部の厚さより、厚くするのが好ましぐこのようにすると、後の圧延加工の際に端部の割れ等の欠陥が発生しにくい。

[0035] 圧延加工工程：

上記のようにして押出成形された (押出)成形体を、熱間又は冷間圧延加工し、所定の長さ、幅に切断して成形体を成形する。圧延条件は特に限定されるものではないが、例えば、厚さ 6mmの板を 300— 400°Cで圧下率 20%程度で粗圧延後、 150 一 300°Cで狙いの厚さに仕上げ圧延できる。これにより、更に好ましい形状に加工することができ、例えば、幅 130mm— 140mm程度で、厚み 2mm程度の板状の中性子吸収材を得ることができる。なお、表層部が、薄くなると前述したように溶接性や放熱性等が低くなるので、表層部は 20 m未満にならないように圧延することが好ましい。

[0036] [第二の実施形態]

この実施形態に係る中性子吸収材の製造方法は、図 4に示されるフローチャートに従って実施される。

アルミニウム合金素材の準備 (ステップ S2-1)：

表層部となるアルミニウム合金素材を、押出加工に適した成形体の形態で準備する。この成形体の寸法は、好ましくは、円盤状で、厚さ 10— 40mm、径は後述の混合粉末加圧成形体と同程度とする。

[0037] ホウ素アルミニウム混合粉末の製造 (ステップ S 2— 2)：

アルミニウム合金粉末と、ホウ素量で 20質量％以上 40質量％以下のホウ素又はホゥ素化合物、例えば B C粉末を用意し、これら粉末を均一に混合する。混合の方法は、公知の方法でよぐ例えば Vブレンダー、クロスロータリーミキサー等の各種ミキサ一、振動ミル、遊星ミル等を使用し、所定の時間 (例えば 10分一 6時間程度)混合すればよい。また、混合は、乾式又は湿式の何れでであってもよい。また、混合の際に解砕の目的で、アルミナボール等のメディアを適宜カ卩えてもよい。

[0038] 押出工程 (ステップ S2-3) :

得られたホウ素アルミニウム混合粉末を、冷間プレスや CIP等の加圧成形によつて押出用のビレットに成形する。 CIPを採用すると、特に均一かつ高い成形密度の成形品を得ることができるので、好ましい。 CIPの成形条件は、例えば 1000— 4000kg られる成形密度は、例えばハ / . ^J ,

Zcmとでき、得 2. 0-2. 6gZcmの加圧成形体が得られる。

次に、上記のようにして得た加圧成形体を押出用のビレットとする。必要に応じて脱ガス処理した後、焼結炉内に投入して焼結させても良い。焼結を行うことにより、押出加工前の加熱を誘電加熱で行うことが可能となる。アルミニウム合金粉末として Mg- S係の合金を選択した場合例えば真空度 0. lTorrの真空雰囲気中、あるいはアルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気中で焼結を行う。焼結温度は、 520— 580°C、焼結時間は 2— 8時間とできる。

[0039] ついで、ステップ S2— 1で用意したアルミニウム合金素材成形体と、上記のようにして得られた粉末ビレットを、図 5に示されるように、押出方向側 (ダイス側）にアルミ-ゥム合金素材の成形体を配置し、ついで上記焼結粉末ビレットを入れ、熱間押出しする。押出の際には、先に押し出されるアルミニウム合金が一種の潤滑剤になって、本発明のような高濃度にホウ素又はホウ素化合物粉末を含む材料でも押出が可能になる。ここで、押出機 (方法)としては、例えば直接押出機を用いることができ、押出速度は 0. 3— 5mZ分、加熱温度は 530— 560°Cとすることができる。

この押出加工によって、ダイス側に配置したアルミニウム合金素材が先にダイスから押し出され、ついで上記粉末ビレットが押し出されていくので、アルミニウム合金素材が外面側に位置し、ビレットが芯材として層構造の成形体が押し出され、前述のような中性子吸収材カ例えば約 6mmの全体厚さ、 0. 1mm— 0. 5mm程度の表層部厚さで、成形される。

なお、厚さを 0. 1mm以上になるようにすることが好ましいこと、板の両側の表層部の厚さが、上下側の表層部の厚さより、厚くするのが好ましいことは、前述の通りである。

[0040] 圧延加工工程：

上記のようにして押出成形された (押出)成形体を、熱間又は冷間圧延加工し、所定の長さ、幅に切断して成形体を成形する。圧延条件は特に限定されるものではないが、例えば、厚さ 6mmの板を 300— 400°Cで圧下率 20%程度で粗圧延後、 150 一 300°Cで狙いの厚さに仕上げ圧延できる。これにより、更に好ましい形状に加工することができ、例えば、幅 130mm— 140mm程度で、厚み 2mm程度の板状の中性子吸収材を得ることができる。

[0041] 上記の何れの実施形態で製造された中性子吸収材にあっても、ホウ素やホウ素化合物の粒子がアルミニウム合金の母相に包み込まれているので、放熱性が高ぐまた密着性が高くなり、水が内部に浸透する虞がない。さらに表層部はホウ素含有量の少な、層になって!/、るので、押出加工や圧延加工の際にホウ素やホウ素化合物が基点となる表面欠陥が少なくなる。また表層部には、ホウ素又はホウ素化合物が少なぐし力も表層部は粉末合金でないので、ガス含有量が少なぐ溶接性に優れる。これは、従来のボラールでは、内部がホウ素化合物なので溶接性が悪くなつていることを考えると、特に有利な特徴である。

実施例

[0042] 以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明する。

なお、実施例に記載した各物性値の測定方法は次の通りである。

(1)組成

ICP発光分光分析法により分析した。

(2)平均粒径

商品名「マイクロトラック」（日機装製)を使用し、レーザー回折式粒度分布測定法により実施した。平均粒径は、体積基準メジアン径である。

(3)熱伝導率

レーザーフラッシュ法により測定した。

(4)加工性

試料を押出加工又は圧延加工したときの表面割れ (テアリング)の有無で評価した。板面上に表面割れの発生があったものを「X」、エッジ部に表面割れの発生があつたものを「△」、表面割れの発生がな力つたものを「〇」とした。

(5)組織観察

成形体を切断した小片を榭脂に埋め込み、エメリー研磨、パフ研磨を行なった後、光学顕微鏡、及び走査型電子顕微鏡により、ホウ素の分布状態を観察した。

[0043] <従来例>

0. 4mm厚の純アルミニウム板の間に B C粉末とアルミニウム粉末を質量比 3 : 2で

4

混合した混合粉を挟み込んだ、厚さ 2mmのボラール板の熱伝導率を測定したところ 40WZmKであった。またホウ素の分布状態を観察したところ、空隙が多ぐ B C粉

4 末が均一に分散していないことが分力つた（図 6参照)。図 6の写真において、塊状の灰色の部分が B C、白い部分がアルミニウム、黒い部分が空隙である。

4

[0044] く実施例 1 >

次の様にして、成形体 1一 12を作成し評価した。また、比較例として成形体 13を作成し、同様にして評価を行った。

表 1に示す組成のアルミニウムを溶解し、溶湯を 850°Cに保持し、ガスアトマイズ法により、アトマイズ時の吹上量およびガス圧により平均粒径を調製したアルミニウム粉末を作成した。

[表 1]

ついで、アルミニウム粉末とホウ素又はホウ素化合物粉末とをクロスロータリーミキサ一によつて 1時間混合し、表 2に示す混合粉末を作成した。

[表 2]

アルミニウム粉末ホウ素、ホウ素化合物粉末種類平均粒径平均粒径ホウ素量種類

(質量％) (μ ηι) (μ m) (質量％) 混合粉末 (1) A 2 8. 4 B ₄C 5. 5 2 2. 5 混合粉末 (2) B 5 2. 6 B₄C 7. 1 30. 0 混合粉末 (3) C 4 5 - 3 B₄ C 5. 5 2 2. 5 混合粉末 (4) D 4 1. 5 B₄ C 5. 5 3 0. 0

E (2 0) 38. 7

混合粉末 (5) B₄C 5. 5 2 7. 0

B (残） 5 2. 6

F ( 1 0) 4 9. 1

混合粉末 (6) B ₄C 5. 5 2 7. 0

B (残） 5 2. 6

G ( 1 0) 3 8. 1

混合粉末 (7) B₄C 5. 5 2 7. 0

B (残） 5 2. 6

混合粉末 (8) B 3 1 5 B₄C 2 5. 0 3 0. 0 混合粉末 (9) B 1 2 8 B₄C 1 8. 3 3 0. 0 混合粉末 (10) B 7 6. 4 B ₄ C 1 8. 3 3 0. 0 混合粉末 (11) B 2 1. 2 B₄C 2. 2 3 0. 0 混合粉末 (12) B 1 2. 7 B₄C 2. 2 3 0. 0 混合粉末 (13) B 5 2. 6 B₄C 7. 1 5 4. 0 表 2に示した混合粉末を直径 (外径） 30mm、長さ 100mmの缶に充填し、 500°Cに加熱した後、押出比 10で熱間押出を行い、 4m厚 X 20mm幅 X 300mm長さの中性子吸収材を作成した。得られた中性子吸収材を 300°Cに加熱した後、圧延加工を行い、厚み lmmの中性子吸収材の圧延材を得た。アルミニウム中性子吸収材 1一 13 の加工条件、加工性及び熱伝導率を表 3に示す。

[表 3]

混合粉末缶熱伝導率

加工性種類組成伍厚 (mm) (W/mK)

吸収材 1 (1) 1070合金 1 151 〇吸収材 2 (2) 1070合金 1 142 〇吸収材 3 (3) 1070合金 1 91 △ 吸収材 4 (4) 1070合金 1 121 〇吸収材 5 (5) 1070合金 3 132 〇吸収材 6 (6) 1070合金 3 123 〇吸収材 7 (7) 1070合金 3 121 o 吸収材 8 (8) 1070合金 1 1 12 △ 吸収材 9 (9) 1070合金 1 102 △ 吸収材 10 (10) 1070合金 1 107 〇吸収材 1 1 (11) 1070合金 1 99 〇吸収材 12 (12) 3004合金 1 92 o 吸収材 13 (13) 1070合金 1 56 X 上記中性子吸収材 1のホウ素の分布状態を図 7及び図 8に、中性子吸収材 2のホウ素の分布状態を図 9及び図 10に示す。この結果から、本発明の中性子吸収材の圧延材においては B C粉末が非常に均一に分散していることが分かる。

4

また、従来例であるボラールや比較例である吸収材 13よりも、本発明例である吸収材 1一 12の熱伝導性やカ卩ェ性が優れていることがわかる。さらに本発明例の中でもアルミニウム粉末の平均粒径が大き、比較例 8, 9やアルミニウム粉末が A卜 Mg系合金である比較例 3の加工性が少し悪いことがわかる。

ぐ実施例 2 >

押出性改善を図るために、アルミニウム粉末と B Cの粉末の平均粒径を変えて、押

4

出性の差異を調べた。押出加工に使用した吸収材は、 CIP体をアルミニウム缶に入れたものを使用した。また、ビレット加熱温度は 500°C、ダイス、コンテナは 400°Cであつ 7こ。

吸収材の本体部の成形に用いたアルミニウム -ホウ素化合物混合粉末の組成は A1 -35%B Cであり、アルミニウム粉末と B Cの粉末の平均粒径は次表の通りである。

4 4

關試料アルミニウム粉末 B ₄ C粉末

押出材 (1) 2 9 ju m 5 /i m

押出材 (2) 2 9 Αί m 1 0 x m

押出材 (3) 8 4 μ ν 5 μ τη 押出材 (4) 8 4 μ τ 丄 0 /x m 試験の結果を図 1 1に示す。細かいアルミニウム粉末を使用した押出材 (1)一 (2)は良好な押出結果が得られたが、粗いアルミニウム粉末を使用した押出材 (3)、（4)ではテアリングが発生した。これは、アルミニウム粉末間の隙間が減少し、 B Cが凝集し易

4

くなること〖こよると推測される。

以上のことから、細カ、アルミニウム粉末で粗い B C粉末を使用する方が、良好な

4

押出性が得られることが分力た。

<実施例 3 >

実施例 2と同様の組成で押出加工した 215w X 6mmtのアルミニウム系中性子吸収材を更に圧延加工して、 222w X 2. 4mmtの圧延材を得た。得られた圧延材について種々の分析を行った。結果を以下に示す。

( 1)元素分析

圧延材におけるホウ素の均一分散性を確認するために、圧延材の横断方向に沿つて左端、中央、右端におけるホウ素量を測定した。結果は次表の通りであり、これからホウ素が均一に分散していることが推定される。

[表 5]

単位：％ (m/m)

(2)ミクロ組織観察

上記圧延材の左端、中央、右端の断面を切り取り、 B C粒子の分布状態を顕微鏡にて観察した。結果を図 12— 14に示す。この結果より、 B C粒子が実際に非常に均

4 一に分散して、ることが分かる。

[0049] (3)中性子透過試験

本発明の中性子吸収材圧延材の他に、比較例としてボラールを用意し、各試料の中性子透過率及びホウ素面積密度を測定した。

分析結果を表 6に示す。また、表 7に測定に用いた各試料の板厚を示す。図 15に測定位置を示す。

表 6より、本発明例である中性子吸収圧延材カボラールとほぼ同等の中性子透過率を示して、ることがわかる。

[¾6]

[表 7]

[0050] (4)中性子ラジオグラフィ撮影試験

本発明例である中性子吸収圧延材を、次の撮影条件で中性子ラジオグラフィ撮影を行った。

撮影条件；加速粒子： Protonl 8Mev；照射方向：垂直方向；コンバータ： Gdコンバータ；使用フィルム： Kodak SR45

また、比較例としてボラールを用意し、同じ条件で中性子ラジオグラフィ撮影を行つた。

結果を図 16に示す。結果より、コントラスト、フィルム濃度では特に差異は認められなかった。以上の結果より、本発明の中性子吸収材が優れた中性子遮蔽効果及び加工性を有することが確認された。

産業上の利用可能性

[0051] 本発明に係るアルミニウム系中性子吸収材は、使用済み核燃料の貯蔵容器 (使用済み核燃料収納用キャスク）に適用することができる。また、例えば原子炉周辺部材、放射線医療機器、その他の放射線源を有する装置、核シェルター、あるいは船舶等にも利用することができる。

図面の簡単な説明

[0052] [図 1]本発明に係る中性子吸収材の一例を示す断面斜視図である。

[図 2]本発明の中性子吸収材の製造工程の一形態を示すフローチャートである。

[図 3]図 1の製造工程における押出工程を示す概略図である。

[図 4]本発明の中性子吸収材の製造工程の他の形態を示すフローチャートである。

[図 5]図 4の製造工程における押出工程を示す概略図である。

[図 6]従来例の光学顕微鏡組織の写真を示す図である。

[図 7]実施例 1の中性子吸収材 1の断面の光学顕微鏡組織の写真を示す図である。

[図 8]図 7と同様のもので、光学顕微鏡組織の倍率を変えた写真を示す図である。

[図 9]実施例 1の中性子吸収材 2の断面の走査電子顕微鏡組織の写真を示す図である。

[図 10]図 9と同様のもので、走査電子顕微鏡組織の倍率を変えた写真を示す図である。

[図 11]実施例 2の押出材 (1)一 (4)の押出性を示す写真である。

[図 12]実施例 3の中性子吸収材圧延材の左端部位の光学顕微鏡組織の写真を示す図である。尚、図中、 Lは圧延方向に平行に切断したその断面、 LTは圧延方向に直角に切断した断面、 Rは厚さ方向に 1Z2するように切断した断面を意味する（以下の図 13— 14にお!/ヽても同様)。

[図 13]実施例 3の中性子吸収材圧延材の中央部位の光学顕微鏡組織の写真を示す図である。

[図 14]実施例 3の中性子吸収材圧延材の右端部位の光学顕微鏡組織の写真を示す図である。

[図 15]実施例 3の中性子吸収材の板厚測定の部位を示す図である。

[図 16]実施例 3の中性子吸収材の中性子ラジオグラフィ撮影試験を示す写真の図である。

Claims

請求の範囲

[1] 中性子吸収能を有する同位体を含むホウ素又はホウ素化合物をホウ素量で 20— 4 0質量％含むアルミニウム合金力なる本体部と、上記ホウ素の含有量が 1質量％以下であるアルミニウム合金力もなり、上記本体部を被覆する表層部とを含んでなる、ァルミ二ゥム系押出材製中性子吸収材。

[2] 上記表層部の厚さが 0. 1mm以上である、請求項 1記載の中性子吸収材。

[3] 平板状であり、板の両側の表層部の厚さ力板の上下側の表層部の厚さより厚い、請求項 1又は 2記載の中性子吸収材。

[4] 上記本体部のアルミニウム合金力上記ホウ素又はホウ素化合物以外に、ケィ素、マグネシウム、鉄、銅、マンガン、クロム、チタン、ニッケル、バナジウム、コバルト、モリブデン、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、亜鉛からなる群力選択される少なくとも一種の元素を更に含む、請求項 1ないし 3の何れか 1項に記載の中性子吸収材。

[5] 上記表層部のアルミニウム合金力ケィ素、マグネシウム、鉄、銅、マンガン、クロム、チタン、ニッケル、バナジウム、コバルト、モリブデン、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、亜鉛力もなる群力選択される少なくとも一種の元素を更に含む、請求項 1な V、し 4の何れ力 1項に記載の中性子吸収材。

[6] 上記表層部のホウ素含有量が lOOppm以下である、請求項 1ないし 5の何れ力 1項に記載の中性子吸収材。

[7] 上記ホウ素化合物が B Cである、請求項 1ないし 6の何れ力 1項に記載の中性子吸

4

収材。

[8] 請求項 1ないし 7の何れか 1項に記載の中性子吸収材を圧延加工することにより製造されたことを特徴とする中性子吸収材。

[9] 使用済核燃料を収容するバスケットにおいて、上記核燃料を収容するスペースを構成する壁部力請求項 1ないし 8の何れか 1項に記載のアルミニウム系中性子吸収材によって形成されてなるバスケット。

[10] 中性子吸収能を有する同位体を含むホウ素又はホウ素化合物を含有するアルミ二ゥム系中性子吸収材の製造方法にぉ、て、

(a)上記ホウ素の含有量が 1質量％以下であるアルミニウム合金素材を準備するェ程と、

(b)上記ホウ素又はホウ素化合物の粉末をアルミニウム合金粉末にホウ素量で 20 一 40質量％になるように混合してホウ素アルミニウム混合粉末を生成する工程と、

(c)上記アルミニウム合金素材と上記ホウ素アルミニウム混合粉末に、押出加工を施して、ホウ素アルミニウム力なる本体部と、該本体部を被覆するアルミニウム合金の表層部とを含んでなるアルミニウム系中性子吸収材を形成する工程と、を具備してなる方法。

[11] 上記アルミニウム合金素材がアルミニウム合金製容器であり、上記 (c)工程が、上記ホウ素アルミニウム混合粉末を上記アルミニウム合金製容器に封入して予備成形体とした後、該予備成形体を押出加工してアルミニウム系中性子吸収材を形成する工程である、請求項 10に記載の製造方法。

[12] 上記 (c)工程が、

上記ホウ素アルミニウム混合粉末に冷間静水圧成形又は冷間プレス成形を施して加圧成形体とする工程と、

押出方向に向力つて順に上記アルミニウム合金素材と上記ホウ素アルミニウム粉末成形体を配置して、押出加工を行なう工程と、

を具備してなる、請求項 10に記載の製造方法。

[13] (d)押出加工されたアルミニウム系中性子吸収材に圧延加工を施す工程を更に具備する、請求項 10ないし 12の何れか 1項に記載の製造方法。

[14] 上記 (b)工程において、平均粒径が 3— 30 mの範囲のホウ素又はホウ素化合物の粉末を、平均粒径が 20— 50 μ mの範囲のアルミニウム合金粉末に混合して上記ホウ素-アルミニウム混合粉末を生成する、請求項 10ないし 13の何れか 1項に記載の製造方法。