JP2013024566A - Radiation shield material and radiation-shielded structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放射線遮蔽材および放射線遮蔽構造物に係り、特に耐食性を向上させた放射線遮蔽材および放射線遮蔽構造物に関する。 The present invention relates to a radiation shielding material and a radiation shielding structure, and more particularly to a radiation shielding material and a radiation shielding structure with improved corrosion resistance.
原子力の放射性物質を保管する施設にて使用される放射線遮蔽材は、遮蔽対象の放射線によって、アルファ線、ベータ線、ガンマ線あるいは中性子線遮蔽向けの材料が使われている。 Radiation shielding materials used in facilities that store nuclear radioactive materials use materials for shielding alpha rays, beta rays, gamma rays, or neutron rays, depending on the radiation to be shielded.
アルファ線、ベータ線は透過力が高くないため、紙や薄い金属などで遮蔽することが可能である。中性子線遮蔽を目的とする場合は、水素やボロン、ハフニウムなどを含む材料が効果的であり、ガンマ線遮蔽を目的とする場合は、鉛やタングステンなどを含む材料が効果的となる。また、放射性廃棄物等の保管施設、原子力設備は十分な冷却水確保の観点から海沿いに建設されることが多く、この放射性廃棄物等の保管施設、原子力設備となる放射線遮蔽構造物を構成する放射線遮蔽材は腐食環境に曝されるため、遮蔽材料は耐食性を備えることが要望されている。 Since alpha rays and beta rays do not have high transmission power, they can be shielded with paper or thin metal. A material containing hydrogen, boron, hafnium or the like is effective for the purpose of shielding neutron radiation, and a material containing lead or tungsten is effective for the purpose of shielding gamma radiation. In addition, radioactive waste storage facilities and nuclear facilities are often constructed along the sea from the viewpoint of ensuring sufficient cooling water, and this radioactive waste storage facility and radiation shielding structure that constitutes nuclear facilities are constructed. Since the radiation shielding material is exposed to a corrosive environment, the shielding material is required to have corrosion resistance.
中性子線およびガンマ線の遮蔽性に優れ、耐食性を有する材料としてはボロンコンクリートが挙げられるが、成型後には加工することが難しく重量物であることから運搬性が損なわれるために、移動や拡張が予定される放射性廃棄物等の保管施設や、原子力設備等の施設内部の狭隘部にて遮蔽材料を使用する際にはその適用性は低下することとなる。 Boron concrete is an example of a material that has excellent shielding properties against neutrons and gamma rays, and has corrosion resistance. When shielding materials are used in storage facilities for radioactive wastes, etc., or in narrow spaces inside facilities such as nuclear power facilities, the applicability will be reduced.
そこで、上記課題を解決するため、放射線遮蔽性および耐食性を有し、加工性および運搬性が損なわれない遮蔽材料として、放射線を遮蔽する機能を有した材料を内包し、外皮が金属もしくは合成樹脂などの耐食性材料である構造を有するものが挙げられる。この際、加工性および運搬性が損なわれないために、材料成分は金属または合成樹脂などを主成分とし、そのサイズを任意に変更可能である構造が望ましい。従来、このような構造を有する放射性遮蔽材料としては、特許文献1から特許文献3が提案されている。
Therefore, in order to solve the above problems, as a shielding material that has radiation shielding properties and corrosion resistance, and does not impair workability and transportability, a material having a function of shielding radiation is included, and the outer skin is made of metal or synthetic resin. And the like having a structure which is a corrosion-resistant material. At this time, in order not to impair the workability and the transportability, it is desirable that the material component has a metal or a synthetic resin as a main component and the size can be arbitrarily changed. Conventionally,
特許文献1では、原子力発電プラントの構成製品を使用用途とした放射線遮蔽材料において、内包材料は鉛板又は鉛加工品であり、外皮は酸化を防止するゴム又は合成樹脂又は難燃性布を被覆してあることを特徴とするため、海水への耐食性という観点からは課題があった。
In
また、特許文献2では、外皮に金属を使用した場合でも、内包している材料がホウ素含有物の流動物とその中に混入した金属酸化物とを充填して固化状態とした放射線遮蔽材料であり、内包材料が限定されている点に課題があった。
Further, in
さらに、特許文献3では、使用済核燃料貯蔵ラックの材料を想定しているため当該部材の現場における加工が難しく、また運搬が煩雑なことから、移動や拡張が予定される保管施設や、施設内部の狭隘部にて遮蔽材料を使用する際にはその適用性に課題があった。 Furthermore, in Patent Document 3, since the material of the spent nuclear fuel storage rack is assumed, it is difficult to process the member in the field, and the transportation is complicated. When the shielding material is used in the narrow part of this, there was a problem in its applicability.
本発明に係る放射線遮蔽材は、内部が中性子及びガンマ線などの放射線を遮蔽する機能を有した遮蔽材で構成され、この遮蔽材の外面の全ての面を耐食性を有する材料で構成された外皮で覆ったことを特徴とする。 The radiation shielding material according to the present invention is composed of a shielding material having a function of shielding radiation such as neutrons and gamma rays inside, and all the outer surfaces of the shielding material are made of a corrosion-resistant material. Characterized by covering.
また、本発明に係る放射線遮蔽構造物は、上記放射線遮蔽材を、構造物もしくは建築物の外壁または内壁として使用することを特徴とする。 The radiation shielding structure according to the present invention is characterized in that the radiation shielding material is used as an outer wall or an inner wall of a structure or a building.
本発明は、放射線遮蔽材は耐食性を有する外皮で覆っているため、海周辺環境においても遮蔽性能を維持することが可能となる。 In the present invention, since the radiation shielding material is covered with a corrosion-resistant outer skin, the shielding performance can be maintained even in an environment around the sea.
また、放射線遮蔽材は用途に応じて、板厚および材料を変更できるので、保管施設への輸送方法が限られ一度に大型の構造物が運搬できない場合は、小さいサイズの放射線遮蔽材を運搬した後、現地組立によって目標の形状へと組立することができる。 In addition, since the radiation shielding material can be changed in thickness and material according to the application, if the transportation method to the storage facility is limited and a large structure cannot be transported at one time, a radiation shielding material of a small size was transported. Later, it can be assembled to the target shape by on-site assembly.
以下、本発明に係る放射線遮蔽材および放射線遮蔽構造物の実施例について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the radiation shielding material and radiation shielding structure according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(a)および(b)に、本発明に係わる放射線遮蔽材の斜視図および(a)のA−A矢視断面図を示す。 1A and 1B are a perspective view of a radiation shielding material according to the present invention and a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
放射線遮蔽材1は、耐食性を有する外皮2、中性子及びガンマ線などの放射線を遮蔽する機能を有した遮蔽材3より構成されている。
The
耐食性を有する外皮2は、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、ニッケル、ニッケル合金、合成樹脂から成る群より選ばれた少なくとも一種であり、中性子及びガンマ線などの放射線を遮蔽する機能を有した遮蔽材3は、水、ハフニウム、ハフニウム合金、ボロン、ボロン炭化物、ボロンもしくはボロン炭化物を含有するアルミニウムもしくはアルミニウム合金、ボロンもしくはボロン炭化物を含有する合成樹脂、鉛、鉛合金、タングステン、タングステン合金、タングステンもしくはタングステン合金を含有する合成樹脂からなる群より選ばれた少なくとも一種である。
The
本発明における耐食性を有する外皮2の選択理由を以下に示す。大気中にて耐食性を有する材料は様々あるが、材料の汎用性や加工性が良好である特徴を有する、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、鉄もしくは鉄合金、ニッケルもしくはニッケル合金、合成樹脂を選定した。各材料の特徴および代表組成を以下に示す。
The reason for selecting the
アルミニウムもしくはアルミニウム合金:アルミニウムもしくはアルミニウム合金は大気中にて表面に不働態皮膜を形成するため、大気中での耐食性に優れる特徴を有する。例えば、アルミニウム合金の組成としては、アルミニウムが99wt%以上の非熱処理型合金に属する1000系の純アルミニウム、銅を1.5〜6.8wt%添加された熱処理型合金に属するアルミニウム−銅−マンガン系合金となる2000系、マンガンを0.3〜1.5wt%添加された非熱処理型合金に属するアルミニウム−マンガン系合金の3000系、ケイ素を11〜13.5wt%添加された非熱処理型合金に属するアルミニウム−ケイ素系合金の4000系、マグネシウムを0.2〜5.6wt%添加された非熱処理型合金に属するアルミニウム−マグネシウム系合金の5000系、マグネシウムを0.35〜1.8wt%およびケイ素を0.2〜1.2wt%添加された熱処理型合金に属する6000系および亜鉛を0.8〜6.5wt%添加された熱処理型合金に属する7000系などが候補として挙げられる。また、上記アルミニウム合金系にボロンもしくはボロン化合物はB10濃度で0.5〜2wt%添加、また、タングステンは1〜30wt%添加したアルミニウム合金などが候補として挙げられる。この場合、アルミニウム合金は耐食性だけでなく、ガンマ線の遮蔽性能を有することとなる。 Aluminum or aluminum alloy: Aluminum or aluminum alloy forms a passive film on the surface in the air, and therefore has a feature of excellent corrosion resistance in the air. For example, the composition of the aluminum alloy includes 1000 pure aluminum belonging to a non-heat-treatable alloy with 99 wt% or more of aluminum, and aluminum-copper-manganese belonging to a heat-treated alloy to which copper is added in an amount of 1.5 to 6.8 wt%. 2000-series alloy, non-heat-treatable alloy to which 3000-1.5% by weight of aluminum-manganese alloy belonging to non-heat-treatable alloy to which 0.3 to 1.5 wt% of manganese is added, and 11 to 13.5 wt% of silicon is added. 4000 series of aluminum-silicon based alloys belonging to the above, 5000 series of aluminum-magnesium based alloys belonging to non-heat-treatable alloys to which 0.2 to 5.6 wt% magnesium has been added, 0.35 to 1.8 wt% magnesium, and 6000 series belonging to heat-treatable alloy to which 0.2 to 1.2 wt% of silicon is added and zinc of 0. Etc. 7000 system belonging to ~6.5Wt% the added heat-treatable alloys as candidates. Further, boron or boron compound to the aluminum alloy system 0.5 to 2 wt% added at a B 10 concentration, also, tungsten, aluminum alloy containing 1-30 wt% can be mentioned as candidates. In this case, the aluminum alloy has not only corrosion resistance but also gamma ray shielding performance.
鉄もしくは鉄合金:鉄はクロムの添加によって耐食性が変化し、代表的な鉄合金であるステンレス鋼は大気中での耐食性に優れる特徴を有する。例えば、ステンレス鋼の組成としては、ニッケルを3〜10wt%、クロムを21〜32wt%が添加されたオーステナイト・フェライト系の二相ステンレス鋼、ニッケルを4wt%以下、クロムを11〜32wt%添加されたフェライト系ステンレス鋼およびニッケルを3.5〜28wt%、クロムを15〜25wt%添加されたオーステナイト系ステンレス鋼などが候補として挙げられる。 Iron or an iron alloy: Corrosion resistance of iron is changed by adding chromium, and stainless steel, which is a typical iron alloy, is characterized by excellent corrosion resistance in the atmosphere. For example, the composition of stainless steel is austenite / ferrite duplex stainless steel to which 3 to 10 wt% of nickel and 21 to 32 wt% of chromium are added, 4 wt% or less of nickel, and 11 to 32 wt% of chromium are added. Candidates include ferritic stainless steel and austenitic stainless steel to which 3.5 to 28 wt% nickel and 15 to 25 wt% chromium are added.
ニッケルもしくはニッケル合金:ニッケルは銅との合金により海水中での孔食発生が抑制される。また、モリブデンとの合金により還元性環境での耐食性が、クロムとの合金により酸化性環境における耐食性が増加する。例えば、ニッケル合金の組成としては、ニッケルが99wt%以上の純ニッケル、銅を27.0〜34.0wt%添加されたニッケル−銅系合金、モリブデンを15.0〜30.0wt%添加されたニッケル−モリブデン系合金、クロムを14.0〜23.5wt%添加されたニッケル−クロム系合金などが候補として挙げられる。 Nickel or nickel alloy: Nickel suppresses the occurrence of pitting corrosion in seawater by an alloy with copper. Further, the alloy with molybdenum increases the corrosion resistance in a reducing environment, and the alloy with chromium increases the corrosion resistance in an oxidizing environment. For example, the composition of the nickel alloy is as follows: pure nickel with 99 wt% or more of nickel, nickel-copper alloy with 27.0 to 34.0 wt% added to copper, and 15.0 to 30.0 wt% with molybdenum added Candidates include nickel-molybdenum alloys and nickel-chromium alloys to which 14.0 to 23.5 wt% chromium is added.
合成樹脂:合成樹脂は腐食を起こさないため、耐食性に優れる特徴を有する。例えば、パラフィン類、ポリエチレン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などが候補として挙げられる。 Synthetic resin: Since a synthetic resin does not cause corrosion, it has a feature of excellent corrosion resistance. For example, paraffins, polyethylene resins, epoxy resins, acrylic resins and the like are listed as candidates.
本発明における放射線を遮蔽する機能を有した遮蔽材3を限定した理由を以下に示す。中性子遮蔽に対して効果がある材料は水素やボロン、ハフニウムなどを含む材料である。水素を含む代表的な材料は水である。ボロンは酸素や窒素、炭素などと化合物を形成しやすく、その際には加工性が悪くなるため、中性子材料として使用される際にはボロン酸化物やボロン窒化物、ボロン炭化物を加工性が良好であるアルミニウムもしくは合成樹脂と混合されてよく使用される。ハフニウムは加工性が良好であるため、単体として使用可能である。 The reason why the shielding material 3 having the function of shielding radiation in the present invention is limited will be described below. Materials effective for neutron shielding include materials containing hydrogen, boron, hafnium, and the like. A typical material containing hydrogen is water. Boron is easy to form a compound with oxygen, nitrogen, carbon, etc., and the workability deteriorates at that time. Therefore, when used as a neutron material, boron oxide, boron nitride, boron carbide has good workability. It is often used by mixing with aluminum or synthetic resin. Hafnium has good workability and can be used as a simple substance.
ガンマ線遮蔽に対して効果がある材料は鉛やタングステンなどを含む材料である。タングステンは加工性が悪いため、ガンマ線遮蔽材料として使用される際には加工性が良好である合成樹脂と混合されてよく使用される。鉛は加工性が良好であるため、単体として使用可能であるが、強度が必要とされる場所では合金化によって強度を高めるなどの対策がされている。 Materials effective for gamma ray shielding are materials containing lead, tungsten, and the like. Since tungsten has poor processability, it is often used by being mixed with a synthetic resin having good processability when used as a gamma ray shielding material. Since lead has good workability, it can be used as a single substance, but measures such as increasing the strength by alloying are taken in places where strength is required.
耐食性を有する外皮2の板厚は、傷などが生じる可能性を考慮して1mm程度以上が望ましく、また、外皮2の種類や板厚は外環境に依存する腐食速度と、放射線遮蔽材1の使用期間を考慮して決定される。
The plate thickness of the
中性子及びガンマ線などの放射線を遮蔽する機能を有した遮蔽材3の種類や板厚は遮蔽対象となる放射線および目標減衰率により決定される。その際には下記(1)式の計算により算出される。 The type and thickness of the shielding material 3 having a function of shielding radiation such as neutrons and gamma rays are determined by the radiation to be shielded and the target attenuation rate. In that case, it is calculated by the following equation (1).
I2 / I1= B x exp(-μt) (1)
(ここで、I2 は材料を通過した後の放射線強度、 I1は材料を通過する前の放射線強度、I2 / I1は放射線減衰率、Bはビルドアップファクタ、μは線減衰係数、tは板厚を示す。)
放射線遮蔽材1は遮蔽材3を外皮2で覆われているため、海周辺環境においても遮蔽性能を維持することが可能となる。
I 2 / I 1 = B x exp (-μt) (1)
(Where I 2 is the radiation intensity after passing through the material, I 1 is the radiation intensity before passing through the material, I 2 / I 1 is the radiation attenuation factor, B is the build-up factor, μ is the linear attenuation coefficient, t indicates the plate thickness.)
Since the
放射線遮蔽材1は用途に応じて、板厚および材料を変更できる。例えば、保管施設への輸送方法が限られ一度に大型の構造物が運搬できない場合は、小さいサイズの放射線遮蔽材1を運搬した後、現地組立によって目標の形状へと組立することが可能となる。また、保管施設の移動や拡張に対しても、放射線遮蔽材1の解体移動が容易という点で本発明の構造は効果を発揮する。
The thickness and material of the
放射線遮蔽材1はコンクリートと比較して延性等の加工性が良好であるため、構造物狭隘部への適用に対して、狭隘部の形状に合わせた形状変更が現地にて可能となる。
Since the
放射線遮蔽材1の表面に付着した放射性物質の除染作業に対して、遮蔽材料の解体移動が容易であるため、効率的な除染を実施することもできる。
The decontamination work of the radioactive material attached to the surface of the
放射線遮蔽材1を構造物もしくは建築物の内壁もしくは外壁に使用することで、放射線の遮蔽性を有し、かつ耐食性を備えていることから保管設備の信頼性・安定性を高めることができる。
By using the
以下この実施例に記載の放射線遮蔽材1の製造方法について説明する。
Hereinafter, the manufacturing method of the
耐食性を有する外皮2を溶接や摩擦撹拌接合によって筒形状にした後、中性子及びガンマ線などの放射線を遮蔽する機能を有した遮蔽材3を内部に挿入し、組み合わせて、放射線遮蔽材1とする。
After the corrosion-resistant
耐食性を有する外皮2として使用される、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、鉄もしくは鉄合金、ニッケルもしくはニッケル合金はアーク溶接、レーザ溶接、摩擦撹拌接合などを用いて板材の接合から製造できる。また、材料が加工性に優れる場合は、押し出し成型などによる熱間または冷間加工による製造が可能となる。
Aluminum or an aluminum alloy, iron or an iron alloy, nickel or a nickel alloy used as the
中性子及びガンマ線などの放射線を遮蔽する機能を有した遮蔽材3として使用される、ハフニウムもしくはハフニウム合金、タングステンもしくはタングステン合金、鉛もしくは鉛合金は、比較的加工性に優れるため、熱間および冷間加工と焼鈍熱処理などによって目的の形状にすることができる。ボロン、ボロン炭化物は比較的加工性が悪いため、冷開静水圧成形(CIP)処理もしくは熱間等方圧加圧成形(HIP)処理などを用いて粉末成型することが可能となる。成型後は加熱焼結や本焼結の過程を経て冷間圧延にて仕上げられる。ボロンもしくはボロン炭化物を含有するアルミニウムもしくはアルミニウム合金も同様にCIP処理もしくはHIP処理などを用いて粉末成型できる。ボロンもしくはボロン炭化物を含有する合成樹脂、タングステンもしくはタングステン合金を含有する合成樹脂はボロンもしくはボロン炭化物、タングステンもしくはタングステン合金の粉末などを合成樹脂と混合し、固化成型させることができる。 Hafnium or hafnium alloy, tungsten or tungsten alloy, lead or lead alloy used as the shielding material 3 having a function of shielding radiation such as neutrons and gamma rays is relatively excellent in workability. The desired shape can be obtained by processing and annealing heat treatment. Since boron and boron carbide have relatively poor processability, it is possible to perform powder molding using a cold open isostatic pressing (CIP) process or a hot isostatic pressing (HIP) process. After molding, it is finished by cold rolling through the process of heat sintering and main sintering. Similarly, aluminum or aluminum alloy containing boron or boron carbide can be powder-molded using CIP treatment or HIP treatment. The synthetic resin containing boron or boron carbide, or the synthetic resin containing tungsten or tungsten alloy can be solidified by mixing boron or boron carbide, tungsten or tungsten alloy powder with the synthetic resin.
耐食性を有する外皮2と中性子及びガンマ線などの放射線を遮蔽する機能を有した遮蔽材3を組み合わせる際に接合強度や密着性を高める方法として、組み合わせ後に冷間もしくは熱間の圧延や押出し加工を行う方法が挙げられる。
As a method for increasing the bonding strength and adhesion when combining the corrosion-resistant
溶射によって放射線遮蔽材1を製造する場合、中性子及びガンマ線などの放射線を遮蔽する機能を有した遮蔽材3の表面に耐食性を有する外皮2を直接溶射することができ、この外皮2の厚さは0.1〜0.2mm程度の薄肉制御をすることができる。
When the
1・・・放射線遮蔽材、2・・・外皮、3・・・遮蔽材。
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