JP2018017647A - Neutron absorber and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、中性子線を吸収、遮蔽する中性子吸収材、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a neutron absorber that absorbs and shields neutron rays, and a method for manufacturing the same.
放射性物質から発せられる放射線のうち、電子線、Ｘ線、γ線等は、鉛等の重金属を用いて吸収、遮蔽することができるのに対し、中性子線の吸収、遮蔽を重金属で行うことは困難である。一方、中性子線は、使用済み核燃料や原子炉廃棄物等から発せられるため、中性子線を効率的に吸収、遮蔽することのできる中性子吸収材は、こうした材料を扱う上では非常に重要である。 Among radiation emitted from radioactive materials, electron beams, X-rays, γ rays, etc. can be absorbed and shielded using heavy metals such as lead, whereas neutron radiation is absorbed and shielded with heavy metals. Have difficulty. On the other hand, since neutron beams are emitted from spent nuclear fuel, nuclear reactor waste, etc., neutron absorbers that can efficiently absorb and shield neutron beams are very important in handling such materials.
一般的に、電気的に中性である中性子線を阻止、吸収することは、電子等と比べて困難であるため、中性子線を吸収する材料としては、原子核による中性子の捕獲反応断面積が比較的大きな材料（元素）が用いられている。こうした材料としては、エネルギーの低い熱中性子に対する捕獲反応断面積の大きなホウ素（Ｂ）、カドミウム（Ｃｄ）、キセノン（Ｘｅ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）等が知られている。特に、ホウ素は、その同位体のうちの一つである１０Ｂの中性子の捕獲反応断面積が大きく、かつ比較的安価であるため、広く用いられている。天然のホウ素中の１０Ｂの存在比は２０％程度であり、残りの大部分は中性子吸収能が高くない１１Ｂであるが、１０Ｂを濃縮したホウ素材料を製造するコストは非常に高くなる。このため、実際にはホウ素材料としては上記の天然の組成のものが用いられる場合が多い。 Generally, it is difficult to block and absorb neutron beams that are electrically neutral compared to electrons, etc., so the neutron capture reaction cross-section by nuclei is a comparison as a material that absorbs neutron beams. Large materials (elements) are used. As such materials, boron (B), cadmium (Cd), xenon (Xe), gadolinium (Gd), hafnium (Hf), etc., which have a large capture reaction cross section for thermal neutrons with low energy, are known. In particular, boron is widely used because it has a large capture reaction cross section of 10 B neutron, one of its isotopes, and is relatively inexpensive. The existence ratio of 10 B in natural boron is about 20%, and most of the remainder is 11 B which is not high in neutron absorption ability, but the cost of producing boron material enriched with 10 B is very high. . For this reason, in practice, the boron material having the above-mentioned natural composition is often used.
ただし、これらの材料は、単体としての成形性や機械的性質が構造材料としては必ずしも好適ではなく、かつ構造材料として通常用いられる鋼材やセメント材等と比べて高価である。このため、これらの材料は、化合物として用いられ、かつ、母材となる他の材料に混合されて使用される場合が多い。例えば、使用済み燃料集合体を輸送するための容器において、ホウ素は、ホウ素の無機化合物である炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）やホウ酸（Ｂ（ＯＨ）３）の粉末として、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属材料に混合されて用いられる。このような金属材料は各種の構造材料として好適に用いられているため、これにホウ素が添加された中性子吸収材も、同様にして構造材料として好ましく用いることができる。 However, these materials are not necessarily suitable as a structural material in terms of formability and mechanical properties as a single body, and are more expensive than steel materials, cement materials, and the like that are usually used as structural materials. For this reason, these materials are often used as a compound and mixed with other materials as a base material. For example, in a container for transporting a spent fuel assembly, boron is a powder of boron carbide (B 4 C) or boric acid (B (OH) 3 ), which is an inorganic compound of boron, as a stainless steel or aluminum alloy. It is used by being mixed with a metal material such as Since such a metal material is suitably used as various structural materials, a neutron absorber in which boron is added thereto can be preferably used as the structural material in the same manner.
また、ホウ素と共に、弾性散乱によって中性子を減速させる効果の大きな水素原子を多く含む材料を同時に用いることも有効である。特許文献１に記載の中性子吸収材においては、水素原子を多く含むビニルエステル樹脂を主成分とする高分子材料が母材として用いられ、これにやはり水素原子を多く含むアルミナ水和物粉末が混合され、中性子吸収能の高いホウ素を含む炭化ホウ素、ホウ酸、ホウ酸亜鉛等の粉末が混合されている。高分子材料は成形や塗布が容易であるため、この中性子吸収材を様々な態様で使用することができる。特許文献２には、この際の高分子材料として、エポキシアクリレート樹脂等を用い、アルミナ水和物又はホウ化亜鉛等を添加することによって、特に耐熱性、自己消火性の向上がなされることが記載されている。同様に、建築材料として広く用いられているコンクリート材も、水素原子を多く含むため、中性子吸収材として広く用いられている。
It is also effective to use a material containing a large amount of hydrogen atoms together with boron, which has a large effect of decelerating neutrons by elastic scattering. In the neutron absorber described in
また、中性子線の線量が高い環境下では、一般的にγ線等、他の放射線の線量も高い。更に、中性子が前記のように水素原子等によって減速、散乱された場合には、γ線、陽子線等が発生する。また、１０Ｂが中性子を吸収する際にもγ線が発せられる。このようなγ線や陽子線を遮蔽するためには、鉛等の重金属が有効であるため、特許文献３に記載の放射線遮蔽材においては、上記のような高分子材料中にホウ素化合物粉末と共に、鉛等の重金属粉末も混入し、高分子材料中の水素原子密度を６×１０２２個／ｃｍ３以上と高くすることによって、特に高い中性子（放射線）吸収、遮蔽能を得ている。
In an environment where the dose of neutron radiation is high, the dose of other radiation such as γ rays is generally high. Further, when neutrons are decelerated and scattered by hydrogen atoms or the like as described above, γ rays, proton rays, etc. are generated. Further, γ rays are emitted when 10 B absorbs neutrons. In order to shield such gamma rays and proton rays, heavy metals such as lead are effective. Therefore, in the radiation shielding material described in
上記のような中性子吸収材において、十分な中性子吸収能を得るためには、中性子捕獲反応断面積の大きな１０Ｂあるいはホウ素をより高濃度で含むことが望まれる。しかしながら、例えば母材となる金属材料にホウ素を混入する際に、ホウ素を高濃度で含有する場合にはその機械的特性、機械加工性等が大きく劣化するために、ホウ素の含有量はステンレス鋼において最大で１％程度、アルミニウム合金において最大で５％程度とすることしかできなかった。この際、ホウ素中における１０Ｂの濃度を特に高めることによって、より中性子吸収能を高めることも可能であるが、前記の通り、この場合には中性吸収材が非常に高価となるため、実際には適用が困難である。また、この場合においても中性子吸収材全体における１０Ｂの添加濃度は最大でも上記のような低濃度であるため、中性子吸収能は不十分であった。コンクリートについても同様であり、十分な中性子吸収能を得ることが困難であった。すなわち、このような金属材料やコンクリート材中に高濃度で１０Ｂを添加して高い中性子吸収能を得ることは実際には困難であった。 In order to obtain a sufficient neutron absorption capacity in the neutron absorbing material as described above, it is desired to contain 10 B or boron having a large neutron capture reaction cross section at a higher concentration. However, for example, when boron is mixed in a metal material as a base material, if boron is contained at a high concentration, its mechanical properties, machinability, etc. are greatly deteriorated. In the case of aluminum alloy, the maximum was only about 1%, and in the case of aluminum alloy, the maximum was only about 5%. At this time, it is possible to increase the neutron absorption capacity by particularly increasing the concentration of 10 B in boron. However, as described above, in this case, the neutral absorbing material becomes very expensive. It is difficult to apply. Also in this case, the neutron absorption capacity was insufficient because the addition concentration of 10 B in the entire neutron absorber was as low as described above. The same applies to concrete, and it was difficult to obtain sufficient neutron absorption ability. That is, it was actually difficult to obtain high neutron absorption ability by adding 10 B at a high concentration in such a metal material or concrete material.
一方、特許文献１〜３に記載のような、母材を高分子材料とした場合においては、ホウ素含有量を高めることができる。しかしながら、例えば、中性子吸収材を使用済み核燃料の輸送の際に用いる場合、使用済み核燃料からは崩壊熱が発生するために、中性子吸収材は高温に曝される。高分子材料は、上記のような金属材料やコンクリート材と比べて耐火性が低いために、こうした用途で構造材料として使用することが困難であり、比較的耐火性の高いエポキシアメタクリレートを用いた特許文献２に記載の中性子吸収材においても、その耐火性は不十分であった。
On the other hand, when the base material is a polymer material as described in
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、高い中性子吸収能をもち、かつ耐火性の高い中性子吸収材を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to obtain a neutron absorber having high neutron absorption capability and high fire resistance.
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の請求項１に係る中性子吸収材は、ポリオール化合物で構成された第１成分と、イソシアネート化合物で構成され前記第１成分との反応によって硬化反応を発生させる第２成分との反応によって形成される熱硬化型ポリウレタン樹脂と、ホウ素を含有するホウ素含有粉末とが、前記ホウ素含有粉末の全体に対する濃度が４０重量％〜８０重量％となるように混合され、かつ前記熱硬化型ポリウレタン樹脂の発泡倍率が１．０以上２．０以下であることを特徴とする。
この発明においては、ポリオール化合物で構成された第１成分と、イソシアネート化合物で構成された第２成分との反応によって形成されるウレタン樹脂中に、ホウ素含有粉末が、全体に対する濃度が４０重量％〜８０重量％となるように混合される。ウレタン樹脂は、この中性子吸収材の母材となり中性子線の減速に寄与し、ホウ素含有粉末は中性子を捕獲する。この際、この母材の発泡倍率は１．０以上２．０以下である、すなわち、この母材は低発泡材料とされる。
本発明の請求項２に係る中性子吸収材において、前記ホウ素含有粉末は、無機ホウ素化合物を含有することを特徴とする。
この発明においては、添加されるホウ素含有粉末において、ホウ素が無機ホウ素化合物の形態で含まれる。
本発明の請求項３に係る中性子吸収材は、鉛を含む重金属粉末又は鉛を含む重金属繊維状体を更に含有することを特徴とする。
この発明においては、重金属である鉛が、重金属粉末又は重金属繊維状体として、ホウ素含有粉末と共に母材中に添加される。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The neutron absorber according to
In this invention, in the urethane resin formed by the reaction of the first component composed of the polyol compound and the second component composed of the isocyanate compound, the boron-containing powder has a concentration of 40% by weight to the whole. Mix to 80% by weight. Urethane resin serves as a base material for this neutron absorber and contributes to slowing down the neutron beam, and boron-containing powder captures neutrons. At this time, the expansion ratio of the base material is 1.0 or more and 2.0 or less, that is, the base material is a low foam material.
The neutron absorber according to
In the present invention, boron is contained in the form of an inorganic boron compound in the added boron-containing powder.
The neutron absorber according to
In the present invention, lead, which is a heavy metal, is added to the base material together with the boron-containing powder as a heavy metal powder or a heavy metal fibrous body.
本発明の請求項４に係る中性子吸収材は、ＪＩＳＫ６２５３に準拠してタイプＡのデュロメータを用いて測定された硬さが７０以上であることを特徴とする。
この発明においては、この中性吸収材のデュロメータ硬さが７０以上とされる、すなわち、この中性子吸収材は硬い材料である。
本発明の請求項５に係る中性子吸収材は、板状の形状を具備することを特徴とする。
この発明においては、この中性吸収材が板状（例えば略矩形体形状）とされる。
本発明の請求項６に係る中性子吸収材は、厚さが２０ｍｍ以上とされたことを特徴とする。
この発明においては、中性子吸収材は、厚さが２０ｍｍ以上、すなわち、厚く設定される。
The neutron absorber according to
In the present invention, the neutral absorber has a durometer hardness of 70 or more, that is, the neutron absorber is a hard material.
The neutron absorber according to
In the present invention, the neutral absorbent material has a plate shape (for example, a substantially rectangular shape).
The neutron absorber according to claim 6 of the present invention is characterized by having a thickness of 20 mm or more.
In this invention, the thickness of the neutron absorber is set to 20 mm or more, that is, thick.
本発明の請求項７に係る中性子吸収材の製造方法は、前記中性子吸収材の製造方法であって、液状の前記第１成分に前記ホウ素含有粉末を混合するホウ素含有粉末混合工程と、前記ホウ素含有粉末が混合された前記第１成分と、前記第２成分とを混合及び攪拌する混合撹拌工程と、前記混合撹拌工程で得られた混合撹拌物を成形型に注入し発泡倍率を１．０以上２．０以下とするように固化させる成形工程と、を具備することを特徴とする。
この発明においては、まず、ホウ素含有粉末混合工程において、第１成分（ポリオール化合物）にホウ素含有粉末を混合し、その後の混合攪拌工程において、これと第２成分（イソシアネート化合物）とを混合、攪拌する。その後、この混合攪拌物を成形工程で低発泡倍率で成形することによって、前記の中性子吸収材が得られる。
本発明の請求項８に係る中性子吸収材の製造方法は、キレート剤又は界面活性剤が混合された水溶液中にホウ砂及び／又はホウ酸を混合、攪拌した水溶液を６０℃以上とすることによって水熱反応を発生させた後に、水分を蒸発させることによって前記ホウ素含有粉末を得るホウ素含有粉末製造工程を前記ホウ素含有粉末混合工程の前に具備することを特徴とする。
この発明においては、ホウ素含有粉末製造工程で、キレート剤、界面活性剤と共にホウ砂、ホウ酸を水中に溶解し、水熱反応を発生させた後に水分を蒸発させることによって、高濃度に無機ホウ素化合物を含有するホウ素含有粉末を得る。
本発明の請求項９に係る中性子吸収材の製造方法は、前記混合撹拌工程において、前記ホウ素含有粉末が混合された前記第１成分と前記第２成分の反応が始まる時点まで混合攪拌を行うことを特徴とする。
この発明においては、混合攪拌工程において、前記第１成分と前記第２成分の反応が始まる時点まで攪拌が行われ、低発泡倍率の中性子吸収材を得ることが可能となる。
本発明の請求項１０に係る中性子吸収材の製造方法は、前記混合撹拌工程において、前記ホウ素含有粉末が混合された前記第１成分と前記第２成分を、共に体積又は重量が制御された状態で混合した後に、予め定められた時間だけ攪拌を行うことを特徴とする。
この発明においては、混合攪拌工程において、ホウ素含有粉末が混合された第１成分と、第２成分とが、適正な比率で混合された後に、低発泡倍率の中性子吸収材を得ることが可能な一定時間の間、攪拌が行われる。
本発明の請求項１１に係る中性子吸収材の製造方法は、前記成形型への前記混合撹拌物の投入前に、前記成形型の温度を４０℃〜６０℃の範囲に設定することを特徴とする。
この発明においては、成形工程の前に予め成形型が予熱され、成形性や成形時間の短縮が図られる。
本発明の請求項１２に係る中性子吸収材の製造方法において、前記成形型は、板材を成形する外形型であることを特徴とする。
この発明においては、成形工程で、板状の外形に対応した成形枠が用いられる。
The method for producing a neutron absorber according to claim 7 of the present invention is a method for producing the neutron absorber, wherein the boron-containing powder mixing step of mixing the boron-containing powder with the liquid first component, and the boron A mixing and stirring step of mixing and stirring the first component and the second component in which the contained powder is mixed, and the mixed stirring product obtained in the mixing and stirring step is poured into a mold and the expansion ratio is 1.0. And a molding step for solidifying so as to be 2.0 or less.
In the present invention, first, in the boron-containing powder mixing step, the boron-containing powder is mixed with the first component (polyol compound), and in the subsequent mixing and stirring step, this and the second component (isocyanate compound) are mixed and stirred. To do. Then, the said neutron absorber is obtained by shape | molding this mixed stirring thing with a low foaming ratio by a formation process.
In the method for producing a neutron absorber according to claim 8 of the present invention, an aqueous solution obtained by mixing and stirring borax and / or boric acid in an aqueous solution in which a chelating agent or a surfactant is mixed is set to 60 ° C. or higher. A boron-containing powder manufacturing step for obtaining the boron-containing powder by evaporating water after generating a hydrothermal reaction is provided before the boron-containing powder mixing step.
In the present invention, in the boron-containing powder production process, borax and boric acid are dissolved in water together with a chelating agent and a surfactant, and after generating a hydrothermal reaction, the water is evaporated, thereby causing high concentration of inorganic boron. A boron-containing powder containing the compound is obtained.
In the method for producing a neutron absorber according to claim 9 of the present invention, in the mixing and stirring step, mixing and stirring is performed until the reaction between the first component and the second component in which the boron-containing powder is mixed starts. It is characterized by.
In the present invention, in the mixing and stirring step, stirring is performed until the reaction between the first component and the second component starts, and a neutron absorbing material having a low expansion ratio can be obtained.
In the method for producing a neutron absorber according to claim 10 of the present invention, in the mixing and stirring step, the volume and weight of the first component and the second component mixed with the boron-containing powder are both controlled. After mixing, the mixture is stirred for a predetermined time.
In the present invention, in the mixing and stirring step, it is possible to obtain a neutron absorbing material having a low expansion ratio after the first component and the second component mixed with the boron-containing powder are mixed in an appropriate ratio. Stirring is performed for a certain time.
The method for producing a neutron absorber according to claim 11 of the present invention is characterized in that the temperature of the mold is set in a range of 40 ° C. to 60 ° C. before the mixed stirred material is charged into the mold. To do.
In the present invention, the mold is preheated before the molding step, so that the moldability and molding time can be shortened.
In the method for manufacturing a neutron absorber according to claim 12 of the present invention, the mold is an outer mold for molding a plate material.
In the present invention, a forming frame corresponding to a plate-like outer shape is used in the forming step.
本発明の中性子吸収材は以上のように構成されているので、高い中性子吸収能と高い耐火性を兼ね備える。ここで、使用する原材料に含まれるホウ素において、１０Ｂが濃縮されていない場合でも、ホウ素自体の濃度が高いためにその中に含まれる１０Ｂの濃度を高くして中性子吸収能を高めることができる。このため、この中性子吸収材を安価とすることができる。この際、目的や使用の態様によってこの中性子吸収材の発泡倍率を制御することもでき、これによって中性子吸収材の重量密度も制御することもできるが、この発泡倍率を小さく、２以下にすることによって、重量当たりの中性子吸収能や硬度を高めることができる。このため、中性子の吸収、遮蔽能をもつ構造材料（ブロック材等）として特に好ましく用いることができる。
この際、ホウ素含有粉末において、ホウ素が無機ホウ素化合物の形態で含まれる場合には、特に高い耐火性を得ることができる。
また、ホウ素含有粉末とともに重金属粉末や重金属繊維状体も含む場合には、中性子線以外の放射線、例えばγ線等の遮蔽も可能となる。また、中性子を吸収する際に副次的に発生するγ線等が放射されることが抑制されるため、放射線遮蔽能力をより高くすることができる。この場合においても、この中性子吸収材を上記と同様に構造材料として好ましく用いることができる。
また、この中性子吸収材のデュロメータ硬さを７０以上とすることができ、この場合には、変形を避けたい各種の構造材料としてこの中性子吸収材を特に好ましく用いることができる。
この際、この中性子吸収材を板状とすることによって、これを連結して大型化する等、様々な態様で用いることができる。逆に、切削加工して、より小さくして用いることも容易である。この際、その厚さを２０ｍｍ以上とすることによって、表面に入射した中性子線の約半分以上を吸収することができる。
Since the neutron absorber of the present invention is configured as described above, it has high neutron absorption capability and high fire resistance. Here, even in the case where 10 B is not concentrated in the boron contained in the raw material to be used, since the concentration of boron itself is high, the concentration of 10 B contained therein is increased to increase the neutron absorption ability. it can. For this reason, this neutron absorber can be made inexpensive. At this time, the expansion ratio of the neutron absorbing material can be controlled depending on the purpose and the mode of use, and the weight density of the neutron absorbing material can also be controlled by this, but the expansion ratio is reduced to 2 or less. Can increase the neutron absorption capacity and hardness per weight. For this reason, it can be particularly preferably used as a structural material (block material or the like) having neutron absorption and shielding ability.
At this time, when boron is contained in the form of an inorganic boron compound in the boron-containing powder, particularly high fire resistance can be obtained.
When heavy metal powder or heavy metal fibrous material is included together with boron-containing powder, radiation other than neutrons, for example, γ rays can be shielded. In addition, since radiation of γ-rays and the like that are secondary generated when absorbing neutrons is suppressed, radiation shielding ability can be further increased. Also in this case, this neutron absorber can be preferably used as a structural material in the same manner as described above.
Further, the durometer hardness of the neutron absorber can be set to 70 or more. In this case, the neutron absorber can be particularly preferably used as various structural materials that are desired to avoid deformation.
At this time, the neutron absorbing material can be used in various forms, for example, by forming the neutron absorber into a plate shape and connecting it to increase the size. On the contrary, it is easy to cut and use it smaller. At this time, by setting the thickness to 20 mm or more, approximately half or more of the neutron beam incident on the surface can be absorbed.
また、本発明の中性子吸収材の製造方法は以上のように構成されているので、母材中に均一にホウ素含有粉末を分散させることができ、これによって均一で高い中性子吸収能を得ることができる。また、安価、容易にこの中性子吸収材を製造することができる。
また、ホウ素含有粉末製造工程で、ホウ砂、ホウ酸を水中に溶解してから水熱反応を発生させ、ホウ素を高濃度で含有する水溶液からホウ素含有粉末を抽出することにより、無機ホウ素化合物を含むホウ素含有粉末を特に安価、容易に得ることができ、この中性子吸収材を特に安価とすることができる。
また、通常知られる２液混合型の樹脂材料と同様の製造方法でこの中性子吸収材を製造することができる。このため、こうした樹脂材料の製造の際に用いられるような機器を用いて、自動的かつ正確な混合比、混合条件で混合攪拌工程を行うことができ、再現性よく効率的にこの中性子吸収材を製造することができる。
また、成形型を用いて成形を行うことにより、特に汎用性の高い板状等の中性子吸収材を容易に得ることができる。この際、成形型を予熱することによって、硬化前の材料がより成形型に流れやすくなるため、この中性子吸収材を成形型に忠実な形状で、成形時間を短縮して得ることができる。
In addition, since the method for producing a neutron absorbing material of the present invention is configured as described above, it is possible to uniformly disperse boron-containing powder in the base material, thereby obtaining a uniform and high neutron absorbing ability. it can. Moreover, this neutron absorber can be manufactured easily and inexpensively.
In addition, in the boron-containing powder production process, borax and boric acid are dissolved in water, a hydrothermal reaction is generated, and the boron-containing powder is extracted from an aqueous solution containing boron at a high concentration. The boron-containing powder contained can be obtained particularly cheaply and easily, and this neutron absorber can be particularly inexpensive.
Moreover, this neutron absorber can be manufactured by the same manufacturing method as that of a normally known two-component mixed resin material. For this reason, it is possible to perform the mixing and stirring step automatically and accurately at a mixing ratio and mixing conditions using equipment such as that used in the production of such resin materials, and this neutron absorber can be efficiently performed with good reproducibility. Can be manufactured.
Further, by performing molding using a molding die, it is possible to easily obtain a particularly versatile neutron absorber such as a plate. At this time, preheating the mold makes it easier for the material before curing to flow into the mold, so that this neutron absorber can be obtained in a shape faithful to the mold and shorten the molding time.
以下、本発明を実施するための形態となる中性子吸収材について説明する。この中性子吸収材においても、特許文献１〜３に記載の中性子吸収材と同様に高分子材料で構成された母材が用いられ、この母材に対してホウ素を含有する粉末（ホウ素含有粉末）が混入される。ただし、この中性子吸収材においては、より多くのホウ素成分あるいは１０Ｂを含有することができ、かつ高い耐火性も得ることができる。
Hereinafter, a neutron absorber serving as a mode for carrying out the present invention will be described. Also in this neutron absorber, a base material composed of a polymer material is used as in the neutron absorbers described in
この母材として用いられる高分子材料は、熱硬化型ポリウレタン樹脂である。この熱硬化型ポリウレタン樹脂は、ポリオール化合物における水酸基（−ＯＨ）と、イソシアネート化合物におけるイソシアネート基（−ＮＣＯ）とが反応することによって、ウレタン結合（−ＮＨ・ＣＯ・Ｏ−）が複数含まれるように形成された硬質の高分子材料である。ここで、ポリオール化合物は、水酸基ＯＨを２個以上含む液状の化合物であり、例えばポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール等である。イソシアネート化合物は、−Ｎ＝Ｃ＝Ｏの部分構造を含む液状の化合物であり、例えばトリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）やジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）等である。ポリオール化合物（第１成分）とイソシアネート化合物（第２成分）を体積比約１：１で混合、撹拌することによって、常温で硬化して上記の熱硬化型ポリウレタン樹脂となる。この熱硬化型ポリウレタン樹脂は水素原子を多く含むため、中性子を減速させる材料として好適に用いることができる。 The polymer material used as the base material is a thermosetting polyurethane resin. This thermosetting polyurethane resin contains a plurality of urethane bonds (—NH.CO.O—) by the reaction of the hydroxyl group (—OH) in the polyol compound and the isocyanate group (—NCO) in the isocyanate compound. It is a hard polymer material formed in Here, the polyol compound is a liquid compound containing two or more hydroxyl groups OH, and examples thereof include polyether polyols and polyester polyols. The isocyanate compound is a liquid compound containing a partial structure of —N═C═O, such as tolylene diisocyanate (TDI) or diphenylmethane diisocyanate (MDI). By mixing and stirring the polyol compound (first component) and the isocyanate compound (second component) at a volume ratio of about 1: 1, the composition is cured at room temperature to form the thermosetting polyurethane resin. Since this thermosetting polyurethane resin contains many hydrogen atoms, it can be suitably used as a material for decelerating neutrons.
ここで、一般的には、発泡剤を混合することによって、この硬化反応時に発泡を生じさせることにより、熱硬化型ポリウレタン樹脂中に空孔を多く生じさせてその重量密度を低下させることもできる。この中性子吸収材においては、中性子吸収能を高めるためには、単位体積当たりの水素密度、あるいは添加されるホウ素密度を高めることが好ましいため、空孔を少なくすることが好ましい。また、例えばこの中性子吸収材を自立した、変形しにくいブロック材として用いるためには、重量密度や硬度が高いことが好ましく、このためにも発泡倍率が低いことが好ましい。このため、この中性子吸収材、あるいはその製造方法においては、発泡倍率を１．０以上２．０以下とすることが好ましく、中性子吸収性能、切削加工性、硬度、自立性をより重視する場合は、１．０以上１．２以下とすることがさらに好ましい。ここで、発泡倍率は一般に発泡体の密度を発泡前の素材の密度で割った値で定義される。第１成分と第２成分を用いる場合は、発泡前の素材の密度として、第１成分と第２成分の各々の密度に混合比（重量比）を乗算して求めた平均密度を素材の密度として用いる。ただし、逆に、使用態様に応じて、重量密度や加工性の調整のために、適度に発泡性をもたせてもよい。 Here, generally, by mixing with a foaming agent, foaming is generated during the curing reaction, so that a large number of pores are generated in the thermosetting polyurethane resin, and the weight density can be lowered. . In this neutron absorber, in order to increase the neutron absorption capacity, it is preferable to increase the density of hydrogen per unit volume or the density of added boron. For example, in order to use this neutron absorber as a self-supporting block material that is not easily deformed, it is preferable that the weight density and hardness are high, and for this reason, it is preferable that the expansion ratio is low. For this reason, in this neutron absorber, or the manufacturing method thereof, the foaming ratio is preferably 1.0 or more and 2.0 or less, and when neutron absorption performance, cutting workability, hardness, and self-supporting property are more important. 1.0 or more and 1.2 or less is more preferable. Here, the expansion ratio is generally defined by a value obtained by dividing the density of the foam by the density of the material before foaming. When using the first component and the second component, the density of the material is obtained by multiplying the density of each of the first component and the second component by the mixing ratio (weight ratio) as the density of the material before foaming. Used as However, conversely, in order to adjust the weight density and workability, it may be appropriately foamed depending on the mode of use.
上記の母材に添加されるのは、ホウ素を高濃度で含有するホウ素含有粉末であり、ホウ素含有粉末の濃度は、全体に対して４０〜８０重量％の範囲である。ここで、ホウ素としては、中性子捕獲断面積の大きな１０Ｂが濃縮されたものではなく、１０Ｂの含有量が２０％程度である天然のホウ素を用いることができる。このホウ素含有粉末としては、特開平８−７３２１２号公報に記載された、ホウ砂等を溶解した水溶液をスプレードライ（噴霧乾燥）することによって得られた粉末を、特に好ましく用いることができる。特開平８−７３２１２号公報においては、この水溶液を例えば木材等に塗布することによって、木材を難燃化できることが記載されている。本実施の形態においては、この水溶液からホウ素を高濃度で含有する固体状のホウ素含有粉末を抽出し、上記の母材と混合して用いている。このホウ素含有粉末は、耐熱性の高い無機ホウ素化合物を含むため、ホウ素による中性子の吸収に寄与すると共に、この中性子吸収材の耐熱性（耐火性）の向上にも寄与する。この際、一般的にポリオール化合物の粘度はイソシアネート化合物の粘度よりも低いため、ホウ素含有粉末を予めポリオール化合物中に混合した後で、これにイソシアネート化合物を混合、撹拌することが、ホウ素含有粉末を均一に分散させる上では好ましい。 What is added to the base material is a boron-containing powder containing boron at a high concentration, and the concentration of the boron-containing powder is in the range of 40 to 80% by weight with respect to the whole. Here, as boron, 10 B having a large neutron capture cross section is not concentrated, and natural boron having a content of 10 B of about 20% can be used. As the boron-containing powder, a powder obtained by spray drying (spray drying) an aqueous solution in which borax or the like is dissolved, described in JP-A-8-73212, can be used particularly preferably. JP-A-8-73212 describes that wood can be made flame retardant by applying this aqueous solution to, for example, wood. In the present embodiment, a solid boron-containing powder containing boron at a high concentration is extracted from this aqueous solution and used by mixing with the above base material. Since this boron-containing powder contains an inorganic boron compound having high heat resistance, it contributes to the absorption of neutrons by boron and also contributes to the improvement of the heat resistance (fire resistance) of this neutron absorber. At this time, since the viscosity of the polyol compound is generally lower than the viscosity of the isocyanate compound, after mixing the boron-containing powder in the polyol compound in advance and then mixing and stirring the isocyanate compound, This is preferable for uniform dispersion.
特開平８−７３２１２号公報には、ホウ素を高濃度で含む水溶液を作成するために、ＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）等のキレート剤や界面活性剤が混合された水溶液中に粉体であるホウ砂やホウ酸を混合、攪拌することによって、ホウ砂またはホウ酸の溶解度（２０℃において水１００ｇに対して４．７ｇ）を超える濃度で溶解させ、かつこの水溶液を６０℃以上とすることによって水熱反応を発生させ、高濃度にホウ素を含有する水溶液を得ることができることが記載されている。この際、ホウ砂やホウ酸が溶解した水溶液はアルカリ性となるため、ＰＨ調整のために、更にリン酸等を混合することができる。このようにして得られた水溶液を噴霧乾燥することによって得られた粉末を、高濃度でホウ素を含むホウ素含有粉末として用いることができる。ここで、中性子吸収に寄与するのは１０Ｂであり、天然のホウ素により多く含まれる１１Ｂは中性子吸収には寄与しないが、この中性子吸収材はホウ素含有粉末を４０〜８０重量％と高濃度で含むため、天然のホウ素の一部（２０％程度）を占める１０Ｂ濃度も８〜１６重量％程度となるため、ホウ素添加金属材料等と比べて、高くなる。 JP-A-8-73212 discloses borax which is a powder in an aqueous solution in which a chelating agent such as EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) or a surfactant is mixed in order to prepare an aqueous solution containing boron at a high concentration. Or boric acid is mixed and stirred to dissolve at a concentration exceeding the solubility of borax or boric acid (4.7 g with respect to 100 g of water at 20 ° C.), and the aqueous solution is adjusted to 60 ° C. or higher. It is described that a thermal reaction can be generated to obtain an aqueous solution containing boron at a high concentration. At this time, since the aqueous solution in which borax or boric acid is dissolved becomes alkaline, phosphoric acid or the like can be further mixed for pH adjustment. The powder obtained by spray-drying the aqueous solution thus obtained can be used as a boron-containing powder containing boron at a high concentration. Here, 10 B contributes to neutron absorption, and 11 B, which is abundant in natural boron, does not contribute to neutron absorption, but this neutron absorber has a high concentration of boron-containing powder of 40 to 80% by weight. Therefore, the concentration of 10 B occupying a part of natural boron (about 20%) is also about 8 to 16% by weight, which is higher than that of a boron-added metal material or the like.
また、母材は水素原子を多量に含む高分子材料である熱硬化型ポリウレタン樹脂であるため、また中性子吸収材として低い発泡倍率とすることにより、この中性子吸収材における単位体積当たりの水素原子濃度も高くなる。このため、この中性子吸収材の中性子吸収能は高くなる。また、例えば金属材料に対して高濃度にホウ素を添加すると、機械的特性等が劣化したのに対し、上記の母材に高濃度にホウ素含有粉末を添加した場合には、これとは逆に、機械的特性や耐火性が向上する。特に、ホウ素が無機ホウ素化合物の形で含まれる場合には、熱硬化型ポリウレタン樹脂の耐火性、耐熱性が向上する。また、ホウ素含有粉末の添加によって、母材となる熱硬化型ポリウレタン樹脂自身よりも硬度を向上させることができ、例えばＪＩＳＫ６２５３に準拠したデュロメータ硬さを野球の軟球レベルの７０以上とすることができる。このため、この中性子吸収材を例えば使用済み核燃料の保管容器中において使用済み核燃料間を仕切るブロック材として使用することもできる。この際、あらかじめ定められた形状、大きさでこの中性吸収材を量産した後で、切削、切断加工を行うことも容易である。また、中性吸収材を大きく成形して切断し、例えば板材を得ることもでき、さらに板材を切削加工することも可能である。この際、この中性子吸収材の母材は熱硬化型ポリウレタン樹脂であるため、特にウレタン系接着剤を用いて中性子吸収材同士の接合を容易に行うこともできる。このため、こうした板状の中性子吸収材を組み合わせてより大きな形状を形成することも容易であり、様々な態様でこの中性子吸収材を用いることができる。 In addition, since the base material is a thermosetting polyurethane resin that is a polymer material containing a large amount of hydrogen atoms, and by setting a low expansion ratio as a neutron absorber, the concentration of hydrogen atoms per unit volume in this neutron absorber Also gets higher. For this reason, the neutron absorption capability of this neutron absorber becomes high. In addition, for example, when boron is added to a metal material at a high concentration, mechanical properties and the like deteriorate, whereas when boron-containing powder is added to the above-described base material at a high concentration, the opposite is true. , Mechanical properties and fire resistance are improved. In particular, when boron is contained in the form of an inorganic boron compound, the fire resistance and heat resistance of the thermosetting polyurethane resin are improved. Further, by adding boron-containing powder, the hardness can be improved as compared with the thermosetting polyurethane resin itself as a base material. For example, the durometer hardness based on JISK6253 can be set to 70 or more of the softball level of baseball. . For this reason, this neutron absorber can also be used as a block material for partitioning spent nuclear fuel in, for example, a spent nuclear fuel storage container. At this time, it is also easy to perform cutting and cutting after mass-producing this neutral absorbent material in a predetermined shape and size. Further, the neutral absorbent material can be largely formed and cut to obtain a plate material, for example, and the plate material can be further cut. At this time, since the base material of the neutron absorbing material is a thermosetting polyurethane resin, the neutron absorbing materials can be easily joined to each other using a urethane adhesive. For this reason, it is easy to form a larger shape by combining such plate-like neutron absorbers, and this neutron absorber can be used in various modes.
上記の中性子吸収材の中性子吸収能力を、平均エネルギーが２ＭｅＶ程度の高速中性子を発する中性子線源２５２Ｃｆを用いて調べた。ここでは、ホウ素含有粉末の添加量を全体に対して４０重量％とした上記の中性子吸収材（実施例１）と、従来より中性子遮蔽材として使用されているコンクリート材（比較例１）の、それぞれの厚さを変え、上記の中性子線の透過率の厚さ依存性をそれぞれ測定した。図１は、その測定結果であり、ここでは、透過後の中性子線強度を元の中性子線強度（遮蔽材の関与がない場合の中性子線強度）で規格化された値が規格化中性子数として縦軸で示されている。この結果より、同一の厚さで比べた場合、実施例１は、中性子線を比較例１よりもより吸収（遮蔽）することができる。特に、実施例１においては、中性子吸収材が２０ｍｍ以上の厚さであれば、中性子数を約半減させることができる。比較例１となるコンクリート材において、これと同等の中性子吸収能をもつ厚さは３０ｍｍとなる。なお、中性子吸収材の厚みは使用目的や用途によって、適宜選択し得る。 The neutron absorption capability of the neutron absorber was examined using a neutron source 252 Cf that emits fast neutrons having an average energy of about 2 MeV. Here, the neutron absorbing material (Example 1) in which the amount of boron-containing powder added is 40% by weight of the whole, and the concrete material (Comparative Example 1) conventionally used as a neutron shielding material, Each thickness was changed, and the thickness dependence of the transmittance of the neutron beam was measured. Fig. 1 shows the measurement results. Here, the value obtained by normalizing the neutron beam intensity after transmission with the original neutron beam intensity (neutron beam intensity when no shielding material is involved) is the normalized number of neutrons. It is shown on the vertical axis. From this result, when compared with the same thickness, Example 1 can absorb (shield) the neutron beam more than Comparative Example 1. In particular, in Example 1, if the thickness of the neutron absorber is 20 mm or more, the number of neutrons can be reduced by about half. In the concrete material used as the comparative example 1, the thickness having the same neutron absorption ability is 30 mm. In addition, the thickness of a neutron absorber can be suitably selected according to a use purpose and a use.
また、上記の中性子吸収材（実施例１）の重量密度は、１．１ｇ／ｃｍ３程度であり、これはコンクリート材（比較例１）の２／３程度である。図２は、図１の横軸である厚さを特定の面積当たりの重量に変換・換算した結果である。実施例１の密度は比較例１よりも低いため、図２においては、両者の中性子吸収能力の差はより顕著となっている。すなわち、実施例１は、比較例１よりも高い中性子吸収能をもち、かつ、より軽いため、単位重量あたりの中性子遮蔽能力は特に高くなっている。 The weight density of the neutron absorber (Example 1) is about 1.1 g / cm 3 , which is about 2/3 of the concrete material (Comparative Example 1). FIG. 2 shows the result of converting and converting the thickness on the horizontal axis of FIG. 1 into the weight per specific area. Since the density of Example 1 is lower than that of Comparative Example 1, in FIG. 2, the difference between the two neutron absorption capabilities is more remarkable. That is, Example 1 has a higher neutron absorption capability than Comparative Example 1 and is lighter, and thus has a particularly high neutron shielding capability per unit weight.
更に、ホウ素あるいは無機ホウ素化合物は難燃性の材料を構成することでも知られており、上記のホウ素含有粉末を上記の母材中に高濃度で混合することにより、この中性子吸収材の耐火性を、母材となる熱硬化型ポリ樹脂単体よりも向上させることができる。この際、中性子吸収材の硬度も、ホウ素含有粉末の添加によって向上する。以下に、この点について説明する。 Furthermore, boron or inorganic boron compounds are also known to constitute flame retardant materials. By mixing the above boron-containing powder in the above-mentioned base material at a high concentration, the fire resistance of this neutron absorbing material. Can be improved as compared with the thermosetting polyresin alone as a base material. At this time, the hardness of the neutron absorber is also improved by adding the boron-containing powder. This point will be described below.
ＩＳＯ５６６０発熱性試験法（コーンカロリーメータ法）に準拠して、上記の中性子吸収材の耐火性を調べた。ここでは、試料として、後述するような、２５ｍｍ厚とされた板状の上記の中性子吸収材（ホウ素含有粉末添加量：中性子吸収材全体に対して７０重量％：実施例２）と、ホウ素含有粉末を全く添加せず上記の母材組成を１００％とした比較例２を用いた。コーンカロリーメータ法の適用に際しては、被検体を水平に載置し、これを上側からヒーターで５０ｋＷ／ｍ２（ヒーター温度７３６．５℃）で加熱し、着火させた際の平均発熱速度をコーンカロリーメータによって計測した。その結果、平均発熱速度は、比較例２で１９９ｋＷ／ｍ２であったのに対して、実施例２では１１６ｋＷ／ｍ２となり、約１／２に減少した。このため、ホウ素含有粉末を高濃度に添加することによって、この中性子吸収材においては耐火性が高まることが確認できた。 Based on the ISO 5660 exothermic test method (cone calorimeter method), the fire resistance of the neutron absorber was examined. Here, as described later, the plate-like neutron absorber (25% thick added amount: 70% by weight with respect to the whole neutron absorber: Example 2), which will be described later, and a boron content as described later Comparative Example 2 was used in which no powder was added and the base material composition was 100%. When applying the cone calorimeter method, the subject is placed horizontally, heated from above with a heater at 50 kW / m 2 (heater temperature 736.5 ° C.), and the average heat generation rate when ignited is determined to be the cone. It was measured with a calorimeter. As a result, the average heat generation rate, whereas was 199kW / m 2 in Comparative Example 2, 116kW / m 2 becomes in Example 2, was reduced to about 1/2. For this reason, it was confirmed that by adding a boron-containing powder at a high concentration, the fire resistance of the neutron absorber is increased.
ここで、例えば、機械的性質が上記の母材である熱硬化型ポリウレタン樹脂に近い硬質アクリル樹脂に対して同様の測定を行ったところ、平均発熱速度は３３０Ｗ／ｍ２であり、高分子材料の中でも、上記の母材となる熱硬化型ポリウレタン樹脂の平均発熱速度は低く、耐火性が高い材料である。この母材に対してホウ素含有粉末を多量に添加することによって、この耐火性が更に高まる。すなわち、母材として上記の熱硬化型ポリウレタン樹脂を用い、これにホウ素含有粉末を高濃度で添加することによって、特に耐火性が高まる。 Here, for example, when the same measurement was performed on a hard acrylic resin having a mechanical property close to the thermosetting polyurethane resin as the base material, the average heat generation rate was 330 W / m 2 , and the polymer material Among these, the thermosetting polyurethane resin as the base material is a material having a low average heat generation rate and high fire resistance. This fire resistance is further enhanced by adding a large amount of boron-containing powder to the base material. That is, by using the above thermosetting polyurethane resin as a base material and adding boron-containing powder at a high concentration to this, fire resistance is particularly enhanced.
また、上記と同様の試料に対して、ＪＩＳＫ６２５３に準拠して硬さ（デュロメータ硬さ）が、タイプＡのデュロメータを用いて測定された。その結果、硬さは比較例２で７０だったのに対し、実施例２では９５であり、耐火性と同様に、デュロメータ硬さも、実施例２で向上していることが確認できた。中性子吸収能が高くない比較例２の硬さも、ブロック材等の構造材料とするには十分であるが、実施例２においては、中性子吸収能が高まる上に、これよりも硬さも更に向上している。なお、デュロメータ硬さが増すことは、ブロック材等の構造材料としての外力による変形が少なくなり、また切削加工する際の加工性も増すため好ましい。 Further, the hardness (durometer hardness) of a sample similar to the above was measured using a type A durometer in accordance with JISK6253. As a result, while the hardness was 70 in Comparative Example 2, it was 95 in Example 2, and it was confirmed that the durometer hardness was improved in Example 2 as well as the fire resistance. The hardness of Comparative Example 2 that does not have high neutron absorption capacity is also sufficient for a structural material such as a block material, but in Example 2, the neutron absorption capacity is increased and the hardness is further improved. ing. An increase in durometer hardness is preferable because deformation due to an external force as a structural material such as a block material is reduced and workability at the time of cutting is also increased.
すなわち、上記の中性子吸収材においては、高濃度でホウ素含有粉末を添加することによって、これに用いられた母材単体と比べて耐火性、硬さが共に向上している。上記の中性子吸収材における上記のデュロメータ硬さは、７０以上となる。このため、この中性子吸収材を構造材料として好ましく用いることができる。なお、一般的な切削用工具での加工を想定すると、デュロメータ硬さを８０以上とすることが更に好ましい。 That is, in the neutron absorbing material described above, by adding boron-containing powder at a high concentration, both fire resistance and hardness are improved as compared with the base material used alone. The durometer hardness of the neutron absorber is 70 or more. For this reason, this neutron absorber can be preferably used as a structural material. In addition, it is more preferable to set the durometer hardness to 80 or more when processing with a general cutting tool is assumed.
次に、上記の中性子吸収材の製造方法について説明する。ここでは、板状の中性子吸収材を得る場合について説明する。図３は、この製造工程の概要を示す図である。まず、前記のようなポリオール化合物でありイソシアネート化合物と反応することによって硬化する第１成分を準備する（Ｓ１）。一方、これとは別に、特開平８−７３２１２号公報に記載された方法によって、前記の通り、ホウ砂等から水溶液を作成し、この水溶液で水熱反応を発生させることによって、ホウ素を高濃度に含有する水溶液を得る。この水溶液から、例えばスプレードライ法によって、ホウ素を高濃度で含有するホウ素含有粉末を得ることができる（Ｓ２：ホウ素含有粉末製造工程）。なお、このホウ素含有粉末製造工程(Ｓ２)は、この中性子吸収材の製造工程の一つとして実施すること以外に、ホウ素含有粉末製造のみの製造工程としての実施することや別のホウ素含有粉末製造メーカーの工程で量産品として実施することも含む。 Next, the manufacturing method of said neutron absorber is demonstrated. Here, a case where a plate-like neutron absorber is obtained will be described. FIG. 3 is a diagram showing an outline of this manufacturing process. First, a first component that is a polyol compound as described above and is cured by reacting with an isocyanate compound is prepared (S1). On the other hand, by the method described in JP-A-8-73212, as described above, an aqueous solution is prepared from borax and the like, and a hydrothermal reaction is generated in this aqueous solution, thereby generating a high concentration of boron. To obtain an aqueous solution. From this aqueous solution, a boron-containing powder containing boron at a high concentration can be obtained by, for example, a spray drying method (S2: boron-containing powder production process). This boron-containing powder manufacturing step (S2) is performed as a manufacturing process only for the production of boron-containing powder, or other boron-containing powder production, in addition to being carried out as one of the production steps of this neutron absorber. Including mass production in the manufacturer's process.
次に、第１成分とホウ素含有粉末とを混合する（Ｓ３：ホウ素含有粉末混合工程）。一方、これらとは別に、前記のようなイソシアネート化合物でありポリオール化合物（第１成分）と反応することによって硬化する第２成分を準備する（Ｓ４）。 Next, the first component and the boron-containing powder are mixed (S3: boron-containing powder mixing step). On the other hand, separately from these, the 2nd component which is the above isocyanate compounds and hardens | cures by reacting with a polyol compound (1st component) is prepared (S4).
一方、最終的な中性子吸収材の形状（外形）に対応した金型（外形型：例えば１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×２５ｍｍ）を準備し、その内面に離型剤を塗布する。その後、前記のホウ素含有粉末混合後の第１成分と、第２成分とを、体積比が約１：１となるようにそれぞれ秤量し、これらを混合、攪拌し、ホウ素含有粉末が混合された第１成分と第２成分の反応が始まる時点まで混合攪拌を行った（Ｓ５：混合攪拌工程）後、この混合攪拌物を前記の金型中に流し込む。この際、混合される各成分の量は、混合・硬化時の発泡も考慮し、硬化後に金型が中性子吸収材で充満されるように設定される。この際、金型は、予め４０〜６０℃に予熱しておくことが好ましい。これによって、混合攪拌物が金型の隅々まで流れやすくなり、固化後の中性子吸収材の形状を金型に忠実な形状とすることができ、成形時間の短縮も図れる。 On the other hand, a mold (outer shape: for example, 150 mm × 150 mm × 25 mm) corresponding to the final shape (outer shape) of the neutron absorber is prepared, and a release agent is applied to the inner surface thereof. Thereafter, the first component and the second component after mixing the boron-containing powder were weighed so that the volume ratio was about 1: 1, and these were mixed and stirred to mix the boron-containing powder. After mixing and stirring until the reaction between the first component and the second component starts (S5: mixing and stirring step), the mixed and stirred product is poured into the mold. At this time, the amount of each component to be mixed is set so that the mold is filled with the neutron absorber after curing in consideration of foaming during mixing and curing. At this time, the mold is preferably preheated to 40 to 60 ° C. in advance. As a result, the mixed agitated material easily flows to every corner of the mold, and the shape of the solidified neutron absorber can be made faithful to the mold, and the molding time can be shortened.
その後、金型の上側を蓋で封止すれば、硬化反応が始まるまでの時間（可使時間：ポットライフ）経過後に、常温で１０〜２０ｍｉｎの時間で熱硬化して固化する（Ｓ６：成形工程）。この際、発泡剤を用いて発泡倍率を調整してもよいが、発泡倍率は１．０以上２．０以下とすることが好ましい。 Thereafter, if the upper side of the mold is sealed with a lid, after the time until the curing reaction starts (potential time: pot life) has elapsed, it is thermoset and solidified at room temperature for 10 to 20 minutes (S6: molding) Process). At this time, the expansion ratio may be adjusted using a foaming agent, but the expansion ratio is preferably 1.0 or more and 2.0 or less.
離型剤が金型に塗布されていたため、その後、硬化後の中性子吸収材を金型から容易に取り出すことができる（Ｓ７）。この場合に得られる中性子吸収材は板状であるため、これを組み合わせて各種の構造材料として用いることができる。なお、金型の構成は、要求される形状に応じて任意であり、その材質も、上記のような成形が行われる限りにおいて任意である。すなわち、成形型として、形状や態様に応じたものを用いることができる。 Since the release agent has been applied to the mold, the cured neutron absorber can be easily taken out of the mold (S7). Since the neutron absorber obtained in this case is plate-shaped, it can be used as various structural materials in combination. In addition, the structure of a metal mold | die is arbitrary according to the shape requested | required, The material is arbitrary as long as the above shaping | molding is performed. That is, as the mold, one according to the shape and aspect can be used.
共に液状（ゲル状）の第１成分と第２成分を混合して硬化させるという点において、上記の製造方法は、通常の２液混合型のポリウレタン樹脂の製造方法と同様である。このため、上記の製造方法、特に混合撹拌工程は、治具を用いて作業者が手動で行うことも可能であるが、２液混合型のポリウレタン樹脂の製造方法に用いられる反応射出成形（ＲＩＭ）用の機器を用いて自動的かつ効率的に行うことができる。この場合には、第１成分、第２成分を共に精密に秤量した状態で均一に混合してから成形工程を行うことができる。低圧式のＲＩＭ注入器（混合機）においては、第１成分、第２成分共に減圧雰囲気下で取り扱われるために混合の際に気泡が混入しにくくなる。高圧式のＲＩＭ注入機においては、高圧化で第１成分と第２成分とを衝突・混合させるために、両者を素早く均一に、再現性良く混合することができる。低圧式、高圧式のどちらを用いるかは、ホウ素含有粉末混合後の第１成分、第２成分の粘度等の特性を考慮して定めることができる。いずれの場合にも、このように適正な混合が自動的に行われる機器を用いることが好ましい。 The above production method is the same as the production method of a normal two-component mixed polyurethane resin in that both the liquid (gel) first component and the second component are mixed and cured. For this reason, the above manufacturing method, particularly the mixing and stirring step, can be manually performed by an operator using a jig. However, the reaction injection molding (RIM) used in the method for manufacturing a two-component mixed polyurethane resin is used. ) Can be carried out automatically and efficiently using the equipment. In this case, it is possible to perform the molding step after uniformly mixing both the first component and the second component in a precisely weighed state. In the low pressure type RIM injector (mixer), since the first component and the second component are both handled in a reduced pressure atmosphere, bubbles are less likely to be mixed during mixing. In the high-pressure RIM injector, the first component and the second component are collided and mixed at a high pressure, so that both can be mixed quickly and uniformly with good reproducibility. Whether to use the low pressure type or the high pressure type can be determined in consideration of characteristics such as the viscosity of the first component and the second component after mixing the boron-containing powder. In any case, it is preferable to use a device that automatically performs proper mixing as described above.
また、自動的に行う混合撹拌工程においては、ホウ素含有粉末が混合された第１成分と第２成分を、共に体積又は重量が制御された状態で混合した後に、予め定められた時間だけ攪拌を行うことが好ましい。 In the mixing and stirring step that is automatically performed, the first component and the second component mixed with the boron-containing powder are mixed together in a state in which the volume or weight is controlled, and then stirred for a predetermined time. Preferably it is done.
また、上記のような２液を混合して硬化させて樹脂材料を得る場合には、一定の時間（可使時間）の経過後に硬化が開始する。このため、混合はこの可使時間内に十分に行うことが好ましく、この時間は、例えば２５℃の温度においては６０〜８０ｓ程度である。上記のような自動式の混合機を用いる場合においても、同様である。 Further, when the resin material is obtained by mixing and curing the two liquids as described above, curing starts after a certain period of time (potential time). For this reason, it is preferable to perform mixing sufficiently within this pot life, and this time is, for example, about 60 to 80 s at a temperature of 25 ° C. The same applies to the case of using the automatic mixer as described above.
上記の例では、上記の中性子吸収材を板状に成形する場合について説明したが、他の形状とすることができることも明らかである。この際、上記のように、接着剤を用いてこの中性子吸収材を結合してより大きな形状とする、あるいは逆にこの中性子吸収材を切削、切断加工してより小さな形状とすることも容易である。こうした場合には、上記のように、この中性子吸収材をこうした作業がしやすく汎用性の高い板状の形状として大量に生産することが好ましい。また、ホウ素含有粉末が混合された第１成分と第２成分とを混合した後に、これを塗布して用いることもできる。この場合においても、同様の硬化時間を経た後に、上記の中性子吸収材が塗布膜として得られる。この場合には、特にこの中性吸収材を放射線環境下の機器の補修用に好ましく用いることができる。 In the above example, the case where the neutron absorbing material is formed into a plate shape has been described. However, it is apparent that other shapes can be used. At this time, as described above, this neutron absorber can be combined with an adhesive to obtain a larger shape, or conversely, the neutron absorber can be cut and cut into a smaller shape. is there. In such a case, as described above, it is preferable to mass-produce the neutron absorber as a plate-like shape that facilitates such work and has high versatility. Moreover, after mixing the 1st component and 2nd component with which boron containing powder was mixed, this can also be apply | coated and used. Also in this case, after passing through the same curing time, the neutron absorbing material is obtained as a coating film. In this case, in particular, this neutral absorbent can be preferably used for repair of equipment in a radiation environment.
前記の通り、一般的にポリオール化合物（第１成分）の粘度はイソシアネート化合物（第２成分）の粘度よりも低い。また、第１成分と第２成分とが混合された後で硬化反応が開始した後でホウ素含有粉末を混合するのは困難である。このため、上記のように、ホウ素含有粉末を予め第１成分中に攪拌、混合した後で、これに第２成分を混合することが、ホウ素含有粉末の濃度を高める上では特に好ましい。ただし、状況に応じ、第２成分中にホウ素含有粉末を混合してもよい。 As described above, generally, the viscosity of the polyol compound (first component) is lower than the viscosity of the isocyanate compound (second component). Moreover, it is difficult to mix the boron-containing powder after the curing reaction starts after the first component and the second component are mixed. For this reason, as described above, it is particularly preferable to increase the concentration of the boron-containing powder after the boron-containing powder is previously stirred and mixed in the first component and then mixed with the second component. However, boron-containing powder may be mixed in the second component depending on the situation.
また、上記の製造方法によれば、機械的強度の高い母材中にホウ素含有粉末を高濃度で添加、分散させることができるため、この中性子吸収材の使用時にホウ素含有粉末が中性子吸収材から外部に出ることも抑制される。このため、例えば海水中にホウ素含有粉末が流れ出ることによって海水が汚染される、あるいはホウ素含有粉末が流れ出ることによって使用時に中性子吸収材の中性子の吸収、遮蔽能力が劣化する、等の問題も抑制される。 Further, according to the above manufacturing method, since the boron-containing powder can be added and dispersed at a high concentration in the base material having high mechanical strength, the boron-containing powder is removed from the neutron absorber when the neutron absorber is used. Going outside is also suppressed. For this reason, for example, seawater is contaminated by the boron-containing powder flowing into the seawater, or problems such as deterioration of neutron absorption and shielding ability of the neutron absorber during use due to the boron-containing powder flowing out are suppressed. The
上記の例では、ホウ素含有粉末として、特開平８−７３２１２号公報に記載の水溶液から抽出したものを用いたが、同様にホウ素あるいは無機ホウ素化合物を高濃度で含有する他の粉末を用いても、同様のホウ素濃度、水素濃度を得ることができるため、同様の水素吸収能を得ることができる。この際、母材となる熱硬化型ポリウレタン樹脂が同様であれば、同様にホウ素によって難燃性の特性も得ることができるため、耐火性も向上する。前記の通り、この際にはホウ素は無機化合物の形態で含まれることが特に好ましい。 In the above example, as the boron-containing powder, the one extracted from the aqueous solution described in JP-A-8-73212 was used, but other powders containing high concentrations of boron or inorganic boron compounds may also be used. Since the same boron concentration and hydrogen concentration can be obtained, the same hydrogen absorption ability can be obtained. At this time, if the thermosetting polyurethane resin as the base material is the same, flame retardancy can be obtained by boron as well, so that the fire resistance is also improved. As described above, in this case, boron is particularly preferably included in the form of an inorganic compound.
また、上記の例では、母材中にホウ素含有粉末が混合されたものとしたが、ホウ素含有粉末以外の粉末成分を含有させてもよい。例えば、γ線等を吸収するために有効である鉛等の重金属を含む粒子で構成された粉末（重金属粉末）や、重金属を含む繊維状の構造（重金属繊維状体）を混合させてもよい。この場合には、中性子線と同時に存在するγ線や、中性子が前記のように水素原子で減速、散乱された際に発生するγ線や陽子線を、この重金属粉末に吸収させることによって、これらが外部に放射されることを抑制することができる。すなわち、重金属粉末も添加することによって、一般的な放射線遮蔽能力を高めることができる。ただし、重金属粉末の重量密度は高く、かつ重金属粉末自身による中性子吸収能は低いため、重金属粉末を高濃度で添加することによって、この中性子吸収材の単位重量当たりの中性子吸収能は低下する。このため、重金属粉末の添加量は、中性子の吸収、遮蔽能力の高いホウ素含有粉末や母材（熱硬化型ポリウレタン樹脂）組成や要求される中性子吸収能に応じて、設定される。 In the above example, the boron-containing powder is mixed in the base material. However, powder components other than the boron-containing powder may be included. For example, powder (heavy metal powder) composed of particles containing heavy metal such as lead which is effective for absorbing γ rays or the like, or a fibrous structure containing heavy metal (heavy metal fibrous body) may be mixed. . In this case, these heavy metal powders absorb the γ-rays that exist at the same time as the neutron rays and the γ-rays and protons that are generated when the neutrons are decelerated and scattered by hydrogen atoms as described above. Can be prevented from being radiated to the outside. That is, general radiation shielding ability can be enhanced by adding heavy metal powder. However, since the heavy metal powder has a high weight density and the heavy metal powder itself has a low neutron absorption capacity, the neutron absorption capacity per unit weight of the neutron absorber is reduced by adding the heavy metal powder at a high concentration. For this reason, the addition amount of heavy metal powder is set according to the boron-containing powder with high neutron absorption and shielding ability, the base material (thermosetting polyurethane resin) composition and the required neutron absorption ability.
上記の中性子吸収材は原子力分野、特に使用済み核燃料等の取扱いの際の中性子線の吸収、遮蔽等において特に有効である。また、上記の中性子吸収材は、様々な環境下での構造材料としても使用できるため、原子力事故に対する環境保護等においても、有効である。 The above-mentioned neutron absorber is particularly effective in the field of nuclear power, particularly in the absorption and shielding of neutron beams when handling spent nuclear fuel and the like. Moreover, since the above neutron absorbing material can be used as a structural material under various environments, it is also effective in protecting the environment against a nuclear accident.
Claims (12)
ホウ素を含有するホウ素含有粉末とが、
前記ホウ素含有粉末の全体に対する濃度が４０重量％〜８０重量％となるように混合され、かつ前記熱硬化型ポリウレタン樹脂の発泡倍率が１．０以上２．０以下であることを特徴とする中性子吸収材。 A thermosetting polyurethane resin formed by a reaction between a first component composed of a polyol compound and a second component composed of an isocyanate compound and generating a curing reaction by reaction with the first component;
Boron-containing powder containing boron,
Neutrons characterized by being mixed so that the concentration of the boron-containing powder is 40% by weight to 80% by weight and the expansion ratio of the thermosetting polyurethane resin is 1.0 or more and 2.0 or less. Absorber.
無機ホウ素化合物を含有することを特徴とする請求項１に記載の中性子吸収材。 The boron-containing powder is
The neutron absorber according to claim 1, comprising an inorganic boron compound.
液状の前記第１成分に前記ホウ素含有粉末を混合するホウ素含有粉末混合工程と、
前記ホウ素含有粉末が混合された前記第１成分と、前記第２成分とを混合及び攪拌する混合撹拌工程と、
前記混合撹拌工程で得られた混合撹拌物を成形型に注入し発泡倍率を１．０以上２．０以下とするように固化させる成形工程と、
を具備することを特徴とする中性子吸収材の製造方法。 A method for producing a neutron absorber according to any one of claims 1 to 6,
A boron-containing powder mixing step of mixing the boron-containing powder with the liquid first component;
A mixing and stirring step of mixing and stirring the first component mixed with the boron-containing powder and the second component;
A molding step of injecting the mixed stirring product obtained in the mixing stirring step into a mold and solidifying the foaming ratio to be 1.0 or more and 2.0 or less;
The manufacturing method of the neutron absorber characterized by comprising.
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