JP6113973B2 - γ線放射性物質収容部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、γ線を遮蔽するための皮膜を備えるγ線放射性物質収容部材の製造方法に関し、特に放射線施設や、放射線廃棄物、核燃料、ラジオアイソトープ等の貯蔵容器、輸送容器、又は放射線関連機器を構成するのに適したγ線放射性物質収容部材の製造方法に関するものである。

原子力発電所の事故により、セシウムなどの放射性物質で汚染されたガレキ、汚染水、汚泥、草木など放射性廃棄物の処理が問題となっている。そのため、放射性廃棄物の収集、運搬、さらには長期貯蔵、中間貯蔵する放射性遮蔽特性に優れた容器（キャスク）などを構成する放射線遮蔽部材の開発が喫緊の課題となっている。

γ線、Ｘ線、電子線の遮蔽には一般的に、鉛、鉄、コンクリートなどが用いられている。例えばコンクリートを遮蔽部材として用いる場合、十分な遮蔽効果を得るために相当の壁厚を必要とし、容器の使用可能容積が小さくなるといった問題がある。またコンクリート構造体は、その吸水性により汚染水を吸水してしまう恐れもある。

鉛、鉄、コンクリートなどとポリエチレンやパラフィンなどを組み合わせた遮蔽部材も知られているが、ポリエチレンやパラフィンの接着性が悪く、製造及び施工が困難となる。さらに、両者の熱膨張係数が著しく異なるために、温度差によって歪や反り、脱離が生じ、製造及び施工後の温度管理にかなりの注意を要する。また昨今の環境問題により、鉛に代表される人体に有害な材料は、可能な限り使用を控える傾向にある。

例えば特許文献１には、中性子減速材と中性子吸収材とγ線遮蔽材からなる混合粉末を、鉄粉末に混合して成形した放射線遮蔽部材が記載されている。特許文献２には、放射線吸収率の高い材料と加硫ゴムとからなる放射線遮蔽材が記載されており、特許文献３には、樹脂中に、アンチモン、スズの金属単体粉末又は化合物粉末が配合された放射線遮蔽材が記載されている。

特公平８−２７３８８号公報 特開平１０−１５３６８７号公報 特開２００２−３６５３９３号公報

しかし特許文献１のようにγ線遮蔽材を鉄粉末に混合した放射線遮蔽部材を用いて、例えば放射性廃棄物の容器を構成する場合、放射性廃棄物に塩分を含む汚染水が含まれていると、その汚染水に腐食され易くなる。そのため、腐食による汚染水漏れが懸念される。特許文献２及び特許文献３のように、樹脂を多く配合した放射線遮蔽材の場合、高エネルギーのγ線の照射や水分環境によって、高分子の結合が次第に切れていき、比較的早期に樹脂劣化が生じてしまう。そのため、耐久性が低く、長期貯蔵、中間貯蔵には適さない。さらに、樹脂を多く配合した放射線遮蔽材では、容易に摩耗して減肉してしまうといった問題もある。

そこで本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、汚染水による影響が少なく、それと共に高エネルギーのγ線の照射や水分環境によって耐久性が低下せず、かつ摩耗し難いγ線放射性物質収容部材の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、次の技術的手段を講じた。
即ち本発明のγ線放射性物質収容部材の製造方法は、基材と、この基材の表面に被覆されたＷ材料からなる溶射皮膜とで構成されるγ線遮蔽コーティング部材を備えるγ線放射性物質収容部材の製造方法であって、前記溶射皮膜は、大気プラズマ溶射法および減圧プラズマ溶射法のいずれかによって形成されることを特徴とする。

上記本発明のγ線放射性物質収容部材の製造方法によれば、基材の表面にγ線遮蔽皮膜が被覆され、このγ線遮蔽皮膜が、Ｗ材料からなるので、放射性廃棄物に塩分を含む汚染水が含まれている場合であっても、その汚染水に腐食されることはない。そのため、腐食による汚染水漏れを生じないようにできる。樹脂のように、高エネルギーのγ線の照射や水分環境による劣化が起こらないので、高い耐久性を得ることができる。さらに基材の表面を覆うγ線遮蔽皮膜は、樹脂よりも硬質の材料からなるので耐摩耗性を向上させることができる。

前記γ線遮蔽皮膜を構成する皮膜層間の隙間が、封孔剤によって埋められていてもよく、このような封孔剤として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｎ、ＳｉＯ_２、硅酸塩、嫌気性メタクリル酸塩、リン酸塩、ゾルゲル剤、金属アルコキシドの群から選択される１種以上の材料を含むものが挙げられる。さらに、封孔剤として、高分子材料、パラフィン、防錆油、グリース、コールタールから選択される１種以上の有機系材料を含むものとしてもよい。

前記γ線遮蔽皮膜を構成する皮膜層間の隙間が封孔剤によって埋められていれば、汚染水の侵入を確実に防ぐことができ、水分環境による基材の劣化をも抑えることができる。これにより、耐久性を格段に向上させることができる。

前記基材と前記γ線遮蔽皮膜との間にボンドコートを設けてもよく、このボンドコートは、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｙから選択される金属、又はこれら組み合わせの合金よりなることが好ましい。基材とγ線遮蔽皮膜との間に上記材料のボンドコートを設ければ、γ線遮蔽皮膜が基材から脱離し難くなり、密着力を向上させることができる。

前記基材は限定されず、例えばＦｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎｉ、及びこれらの合金、コンクリート、金属を含むセラミックス、炭素繊維を含むセラミックス、高分子材料、金属を含む高分子材料、炭素繊維を含む高分子材料のいずれかであることが好ましい。

本発明の製造方法によれば、優れた施工性が得られ、そのため現地施工が可能となり、かつ高品質のγ線放射性物質収容部材を得ることができる。

上記の通り本発明によれば、基材の表面に被覆されたγ線遮蔽皮膜が、Ｗ材料で形成されているので、放射性廃棄物に塩分を含む汚染水が含まれている場合であっても、その汚染水に腐食されることはない。そのため、長期に渡って腐食による汚染水漏れを生じないようにできる。高エネルギーのγ線の照射や水分環境による劣化が起こらないので、耐久性を高めることができる。基材の表面を覆うγ線遮蔽皮膜は、樹脂よりも硬質の材料からなるので耐摩耗性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る放射線遮蔽コーティング部材の断面模式図である。 放射線遮蔽皮膜の断面ＳＥＭ写真である。 放射線遮蔽皮膜の断面ＳＥＭ写真である。 γ線透過率と遮蔽体厚みとの関係を表すグラフである。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る放射線遮蔽コーティング部材１を示す断面模式図である。本実施形態の放射線遮蔽コーティング部材１は、放射性廃棄物の収集、運搬、長期貯蔵、中間貯蔵用の容器を構成するためのものであり、基材２と、この基材２の表面２ａに被覆された放射線遮蔽皮膜３とを備えている。

放射線遮蔽皮膜３を被覆する基材２は限定されない。基材２の具体例として、例えば、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎｉの金属単体、及びこれらの合金、コンクリート、金属を含むセラミックス、炭素繊維を含むセラミックス、高分子材料、金属を含む高分子材料、ＣＦＲＰなどの炭素繊維を含む高分子材料が挙げられる。

本実施形態の基材２の厚みは約６mmであり、放射線遮蔽皮膜３の厚みは約１mmとなっているが、基材２及び放射線遮蔽皮膜３の厚みは、放射線遮蔽コーティング部材１によって構成する構造体や放射性廃棄物などに応じて適宜変更される。

放射線遮蔽皮膜３を形成する材料は限定されず、例えばＷ（タングステン）材料に代表される、比重が１０〜２０g/cm³の高密度の金属材料が好適に用いられる。放射線遮蔽皮膜３を形成する材料として、Ｗ、Ｍｏ（モリブデン）のうち１種以上の元素を主成分とする材料や、Ｗ、Ｍｏのうち１種以上の元素を含む合金が好適である。図２に、Ｗ材料からなる放射線遮蔽皮膜３の断面ＳＥＭ写真を示す。上記の合金としては、Ｗ−Ｍｏ合金、Ｗ−Ｎｉ（ニッケル）合金、Ｗ−Ｃｕ（銅）合金、Ｗ−Ｆｅ（鉄）合金、Ｍｏ−Ｗ合金、Ｍｏ−Ｎｉ合金、Ｍｏ−Ｃｕ合金、Ｍｏ−Ｆｅ合金、及びこれらを主体とする合金が好適に用いられる。

さらに放射線遮蔽皮膜３を形成する材料として、ＷＢ、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、ＭｏＢ、ＭｏＳｉ_２、及びこれらを主体とする化合物が好適である。これらの材料は、単体で用いてもよく、バインダー材に配合して用いてもよい。その中でも、ＷＣ（タングステンカーバイド）系材料（例えばＷＣ系サーメット）が特に好適である。図３に、ＷＣ−ＣｒＮｉ材料からなる放射線遮蔽皮膜３の断面ＳＥＭ写真を示す。このように、放射線遮蔽皮膜３は、Ｗ材料やＷＣ材料などの硬質材料が主成分となるので、放射線遮蔽コーティング部材１の表面硬度を高くすることができ、耐摩耗性を向上させることができる。

バインダー材の具体例としては、例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｙ、Ｔｉ、Ｐ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｂ、Ｂの群から選択される元素単体、又はこれら元素の１種以上を主成分とする合金が挙げられる。より具体的には、ＭＣｒＡｌＹ、Ｃｒ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｃｒ、ハステロイ合金、Ｎｉ−Ｐが挙げられる。放射線遮蔽皮膜３に上記のバインダー材を用いた場合、バインダー材とＷＣなどの硬質粒子の作用によって、耐摩耗性をさらに向上させることができる。

遮蔽効果に関し、Ｗ（比重：１８．５g/cm³）及びＷＣ系サーメット（比重：１１．３g/cm³）で、鉛以上のγ線遮蔽能力を示す。例えばＷ材料からなる放射線遮蔽皮膜３（膜厚：２mm）のγ線遮蔽効果は、同じ厚みの鉛板の１．４倍、鋼板の２．２倍、コンクリートの９倍を示す。

放射線遮蔽皮膜３は、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法、ガスフレーム溶射法、アーク溶射法、爆発溶射法、コールドスプレー法のいずれかの方法で形成されている。

これら溶射法又はコールドスプレー法を用いることによって、耐久性に優れ、かつ高品質の放射線遮蔽皮膜３を得ることができる。一般的なスプレー塗布などによって放射線遮蔽皮膜３を形成してもよい。なお、各溶射法及びコールドスプレー法による成膜条件は、基材、原料粉末、膜厚、製造環境などに応じて適宜設定すればよい。

Ｗ材料からなる放射線遮蔽皮膜３を、大気プラズマ溶射法で溶射する場合の条件と、ＷＣ−ＣｒＮｉ材料からなる放射線遮蔽皮膜３を、高速フレーム溶射法で溶射する場合の条件を以下に示す。なお、以下の条件は一例であって、上述のように溶射条件は適宜設定される。

Ｗ（大気プラズマ溶射法）
溶射装置：Sulzer Metco−F4
ノズル：φ６mm
アルゴンガス流量：５０NLPM
水素ガス流量：１０NLPM
トーチ入力：４０kW
溶射距離：１５０mm

ＷＣ−ＣｒＮｉ（高速フレーム溶射法）
溶射装置：TAFA−JP5000
バレル長さ：８inch
酸素流量：２０００scfh
灯油流量：６．０gph
溶射距離：４００mm

本実施形態の放射線遮蔽皮膜３は、封孔剤によって封孔処理されている。封孔処理の方法としては、はけ塗り、ディッピング、スプレー、ローラー塗布等、従来の方法が用いられる。放射線遮蔽皮膜３を封孔剤によって封孔処理すれば、放射線遮蔽皮膜３を構成する皮膜層間の僅かな気孔や割れによる隙間が封孔剤によって埋められ、汚染水の侵入を防ぐことができ、水分環境による基材の劣化をも抑えることができる。これにより、耐久性を格段に向上させることができる。

上記封孔剤の具体例として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｎ、ＳｉＯ_２、ナトリウム硅酸塩やエチル硅酸塩などの硅酸塩、嫌気性メタクリル酸塩、リン酸塩、ゾルゲル剤、金属アルコキシドから選択される１種以上の無機材料を含むものが挙げられる。さらに、封孔剤として、高分子材料、パラフィン、防錆油、グリース、コールタールから選択される１種以上の有機系材料が挙げられる。

高分子材料としては、例えばビニル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、エステル樹脂、シリコン樹脂、エポキシフェノール樹脂、アミド樹脂、エポキシメラミン樹脂、フッ素樹脂などが挙げられる。封孔剤としては、上記無機材料のみ、上記有機材料のみ、又は上記無機材料と上記有機材料を混合したものが好適である。なお、放射線遮蔽皮膜３が高分子材料などの有機系の封孔剤で処理されている場合であっても、当該放射線遮蔽皮膜３に含まれる封孔剤の含有量は僅かであるので、耐摩耗性には殆ど影響を及ぼさない。

本実施形態では、基材２と放射線遮蔽皮膜３との間にボンドコートが設けられている。ボンドコートとしては、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｙから選択される金属、又はこれら組み合わせの合金が好適である。基材２と放射線遮蔽皮膜３との間に上記材料からなるボンドコートを設ければ、放射線遮蔽皮膜３が基材２から脱離し難くなり、放射線遮蔽コーティング部材１の密着性を向上させることができる。

例えば、基材をＳＳ４００鋼とし、その表面にＷ材料からなる放射線遮蔽皮膜を形成した場合の密着力は、所定の試験条件下で５ＭＰａを示す。これに対し、基材をＳＳ４００鋼とし、その表面にボンドコートとしてＡｌボンドコートを塗布し、塗布した表面にＷ材料からなる放射線遮蔽皮膜を形成した場合の密着力は、同じ試験条件下で１０ＭＰａを示す。このようにボンドコートを介在させた場合、基材と放射線遮蔽皮膜との密着力が格段に向上する。

上記本実施形態の放射線遮蔽コーティング部材１によれば、基材２の表面２ａに放射線遮蔽皮膜３が被覆され、この放射線遮蔽皮膜３が、Ｗ、ＷＣ系材料など上記各種の材料で形成されているので、放射性廃棄物に塩分を含む汚染水が含まれている場合であっても、その汚染水に腐食されることはない。そのため、腐食による汚染水漏れを生じないようにできる。樹脂のように、高エネルギーのγ線の照射や水分環境による劣化が起こらないので、高い耐久性を得ることができる。さらに、放射線遮蔽皮膜３は、Ｗ材料やＷＣ材料などの硬質材料が主成分となるので、表面硬度が高くなり、耐摩耗性を向上させることができる。放射線遮蔽皮膜３にバインダー材を用いた場合、バインダー材とＷＣなどの硬質粒子の作用によって、耐摩耗性をさらに向上させることができる。

放射線遮蔽皮膜３は、上記の各種溶射法などで形成されるため、皮膜厚さ：０．０１mmから数１０mmの範囲で自由に選択可能であり、容易に施工可能である。このような優れた施工性から、工場のみならず現地施工によって、放射線遮蔽皮膜３を基材２の表面２ａへ形成することができる。円筒構造物の内面や、複雑な形状の構造物など、いかなる形状の構造物にも、放射線遮蔽皮膜３の形成が可能である。そのため、従来では被覆できなかった箇所への放射線遮蔽皮膜３の形成が可能となり、ひいてはセシウムなどの放射性物質で汚染されたガレキ、汚染水、汚泥、草木など放射性廃棄物の処理を効率良く進めることができる。さらに、図２及び図３に示すように柔軟性に優れたミクロな層構造の皮膜が得られ、高品質の放射線遮蔽コーティング部材１を得ることができる。

放射線遮蔽皮膜３が、Ｗ、ＷＣ系材料など上記各種の材料で形成されていることにより、鉛が含まれず人体に悪影響を及ぼすことが殆どなく、安全性が高い。また、十分な強度、高い耐熱性、疎水性、高い耐薬品性、高い耐摩耗性を有する放射線遮蔽コーティング部材１を得ることができる。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。本発明にかかる実施例、及び比較例の試料を製作してγ線透過率を測定した。実施例として、150×150×6mmのＳＳ４００鋼の片面に、大気プラズマ溶射法を用いて上記成膜条件でＷ皮膜（Ｗ材料からなる放射線遮蔽皮膜）を被覆した試料片を製作した。Ｗ皮膜の膜厚は１mmとした。比較例として、150×150×6mmのコンクリート、ＳＳ４００鋼、鉛の試料片を製作した。

試験方法は、各試験片の片側からγ線を照射し、反対側に透過したγ線量を線量計で測定した。各試験片を１枚の場合、２枚並べた場合、３枚並べた場合、４枚並べた場合で測定した。γ線透過率と遮蔽体厚み（mm）との関係を図４のグラフに示す。ここでいう遮蔽体厚みとは、実施例では放射線遮蔽皮膜の厚み、比較例では各試料の厚みをいう。この試験結果から、γ線遮蔽効果は、Ｗ皮膜（膜厚：２mm）で１５％を示し、ＳＳ４００鋼（板厚：６mm、２３％のγ線遮蔽）にＷ皮膜（膜厚：２mm）の被覆で、３４％程度のγ線遮蔽効果を得ることが解る。

次に、摩耗試験及び硬度測定を実施した。実施例として、試験規格で設定された所定寸法のＳＳ４００鋼の片面（試験面）に、高速フレーム溶射法を用いて上記成膜条件でＷＣ−ＮｉＣｒ皮膜を被覆した試験片を製作した。比較例として所定寸法のＳＳ４００鋼、ＳＵＳ３０４鋼の試験片を製作した。摩耗試験はスガ式摩耗試験（ＳｉＣ＃３２０−３．２５kgf−２０００回往復）で実施し、硬度測定はビッカース硬度測定で実施した。

摩耗試験及び硬度測定の結果を以下に示す。
（摩耗試験）
比較例 ＳＳ４００鋼 １９８
ＳＵＳ３０４鋼 １６８
実施例 ＷＣ−ＮｉＣｒ皮膜 ６

（硬度測定）
比較例 ＳＳ４００鋼 １７０
ＳＵＳ３０４鋼 １８０
実施例 ＷＣ−ＮｉＣｒ皮膜 １１００
上記のとおり、ＷＣ−ＮｉＣｒ皮膜では、ＳＳ４００鋼及びＳＵＳ３０４鋼に比べて、約３０倍の耐摩耗性を示し、約６倍の硬さを有している。

上記実施形態及び実施例は例示であり制限的なものではない。本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等となる範囲における全ての変更が含まれる。本発明の放射線遮蔽コーティング部材は、放射性廃棄物の収集、運搬などに用いられる容器だけでなく、あらゆる用途へ用いることができる。例えば、原子力関連施設の放射線遮蔽付き設備、各種の放射線装置（工業用検査、フィルム表面改質、医療診断・治療、殺菌処理）、各種の放射線照射作業（γ線、Ｘ線、電子線）における放射線遮蔽部材などへの幅広い適用が可能である。

１ 放射線遮蔽コーティング部材
２ 基材
２ａ 表面
３ 放射線遮蔽皮膜

Claims (6)

1. 基材と、この基材の表面に被覆されたＷ材料からなる溶射皮膜とで構成されるγ線遮蔽コーティング部材を備えるγ線放射性物質収容部材の製造方法であって、
   前記溶射皮膜は、大気プラズマ溶射法および減圧プラズマ溶射法のいずれかによって形成されることを特徴とするγ線放射性物質収容部材の製造方法。
2. 前記溶射皮膜は、封孔剤によって封孔処理されることを特徴とする請求項１に記載のγ線放射性物質収容部材の製造方法。
3. 前記封孔剤は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｎ、ＳｉＯ_２、硅酸塩、嫌気性メタクリル酸塩、リン酸塩、ゾルゲル剤、金属アルコキシドの群から選択される１種以上の材料を含むことを特徴とする請求項２に記載のγ線放射性物質収容部材の製造方法。
4. 前記封孔剤は、高分子材料、パラフィン、防錆油、グリース、コールタールから選択される１種以上の材料を含むことを特徴とする請求項２又は３に記載のγ線放射性物質収容部材の製造方法。
5. 前記基材と前記溶射皮膜との間にボンドコートが設けられており、このボンドコートは、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｙの群から選択される金属、又はこれら組み合わせの合金よりなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のγ線放射性物質収容部材の製造方法。
6. 前記基材は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎｉ、及びこれらの合金、コンクリート、金属を含むセラミックス、炭素繊維を含むセラミックス、高分子材料、金属を含む高分子材料、炭素繊維を含む高分子材料のいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のγ線放射性物質収容部材の製造方法。