マグネシウム含有ケイ酸塩を用いたイナートマトリックス用窒化ケイ素セラミックスの焼結と特性

Sintering and characterization of silicon nitride ceramics as inert matrix with magnesium silicates

臼杵 俊之 ; 吉田 克己*; 矢野 豊彦*; 三輪 周平  ; 逢坂 正彦  

Usuki, Toshiyuki; Yoshida, Katsumi*; Yano, Toyohiko*; Miwa, Shuhei; Osaka, Masahiko

長寿命核種であるマイナーアクチニド(以下MA)を安定核種に変換する技術の一つに、MAを不活性母材(イナートマトリックス)で固定化し、原子炉内で核変換するという方法がある。窒化ケイ素セラミックスは、高い熱伝導率、及び中性子照射に対する耐性を持つため、イナートマトリックスの候補材料に挙げられている。本研究ではMAの模擬材としてCeOを使用し、窒化ケイ素セラミックスを作製した。資源の有効利用の観点から、焼結助剤にはアスベスト廃材の主成分であるマグネシウム含有ケイ酸塩(フォルステライト,エンスタタイト,ステアタイト)を用いた。フォルステライトを焼結助剤とした試料では、1450Cの焼結で相対密度96%以上の焼結体が得られた。また、どの試料においても、1650Cの焼結体では、34W/mK以上の高い熱伝導率を示し、良好な熱特性を示した。

Minor actinides (MA) have lasting radio-toxicity. One of the possible ways to reduce radio-toxicity is transmutation of MA using nuclear reactors. Inert matrix (IM) is applied to host material for MA in transmutation. Silicon nitride (SiN) ceramics considered to be a candidate material of IM since it has a high thermal conductivity and shows good resistance to neutron irradiation. In this study, We proposed fabrication of silicon nitride ceramics based IMFs with Ce as simulating element and with magnesium silicates, i.e. enstatite (MgSiO), steatite (MgSiO) and forsterite (MgSiO), as additives. The sintered densities of SiN-based IMFs with forsterite was above 96 % theoretical 1723 K. Furthermore, The thermal conductivities of IMFs sintered at 1923 K were above 34 W/mK.