CN104081467A

CN104081467A - 核素转换方法及核素转换装置

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Publication number: CN104081467A
Application number: CN201380007232.3A
Authority: CN
Inventors: 岩村康弘; 伊藤岳彦; 牟田研二; 鹤我薰典
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: WO2013115155A1; JP2013178225A; EP2816566A1; CN104081467B; EP2816566B1; US20150030115A1; EP2816566A4

Abstract

本发明提供一种核素转换装置及核素转换方法，与加速器或反应堆等大规模的装置相比，能够以规模相对较小的装置进行核素转换，使核素转换量增大。本发明的核素转换装置具备：结构体(1)、从两侧夹入结构体(1)而配置的氘高浓度部(2)及氘低浓度部(3)，向氘高浓度部(2)供给包含重水的电解液(16)，将电解液(16)电解而产生氘，在结构体(1)的氘高浓度部(2)侧的表面附近形成氘浓度高的状态，同时，使氘低浓度部(3)形成氘浓度低于氘高浓度部(2)的状态，使氘从氘高浓度部(2)向氘低浓度部3透过结构体(1)，在结构体(1)中，使实施核素转换的物质在氘的作用下发生核素转换。

Description

核素转换方法及核素转换装置

技术领域

本发明涉及一种核素转换方法及核素转换装置，其涉及到放射性废物处理技术、由自然界中大量存在的元素生成稀有元素的技术、由核聚变反应产生能量的技术等。

背景技术

专利文献1公开了一种核素转换装置及核素转换方法，与加速器或反应堆等大规模装置相比，其能够通过相对规模较小的装置进行核素转换。

专利文献1公开的核素转换装置具备：结构体，其叠层有钯(Pd)或钯合金等储氢金属或储氢合金、及相比这些物质功函数相对较低的物质(氧化钙：CaO)；内部可保持气密性的吸留室；经由结构体可保持气密性地设置的释放室；对吸留室供给氘气的氘供给装置；以及使释放室形成真空状态的排气装置。

在专利文献1公开的核素转换装置中，使用蒸镀等方法将要转换的核素(实施核素转换的物质)添加到结构体的一个表面，使氘(D₂)气从添加了实施核素转换的物质的面透过，引发核反应，将实施核素转换的物质转换成另一核素。

在上述结构的核素转换装置中，通过在使CaO等的纳米级薄膜与Pd等组合而成的结构体的表面添加实施核素转换的物质，可促进稳定的核反应的进行、转换量的增大。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4346838号说明书

发明内容

发明要解决的问题

专利文献1中记载的核素转换装置的核素转换量为几～几十ng/cm²级，为了促进实用化，希望核素转换量的进一步增大。

本发明鉴于上述情况而进行，其目的在于提供一种核素转换方法及核素转换装置，与加速器或反应堆等大规模的装置相比，其可通过相对规模较小的装置进行核素转换，在该核素转换装置及核素转换方法中，能够增大核素转换量。

解决问题的方法

为了解决上述课题，本发明的核素转换方法及核素转换装置采用如下方式。

本发明第一方面提供一种核素转换方法，其包括如下工序：电解液供给工序，向由结构体形成能够密封的密闭空间的氘高浓度部供给包含重水的电解液，所述结构体包含钯或钯合金、或钯以外的储氢金属或钯合金以外的储氢合金；高浓度化工序，将所述供给的电解液电解而产生氘，在所述结构体的所述氘高浓度部侧的表面附近形成氘浓度高的状态；低浓度化工序，通过所述结构体形成能够密封的密闭空间，使隔着所述结构体设于所述氘高浓度部的相反侧的氘低浓度部形成氘浓度低于所述氘高浓度部的状态；气体排出工序，从所述氘高浓度部排出气体；以及核素转换工序，在所述氘从所述氘高浓度部向所述氘低浓度部透过所述结构体时，在所述结构体中，实施核素转换的物质在所述氘的作用下被核素转换。

在高浓度化工序中，在氘高浓度部，将结构体作为电极之一使包含重水的电解液电解，产生氘，从而在结构体表面附近形成氘的浓度高的状态。

通过设置高浓度化工序和低浓度化工序，能够夹持结构体在氘高浓度部和氘低浓度部之间产生氘的浓度梯度。由于氘的浓度梯度，在结构体的内部形成从氘高浓度部侧向氘低浓度部侧的氘的流束。通过电解产生的氘被结构体吸留，并透过到氘低浓度部侧。在氘透过结构体的过程中，在氘和实施核素转换的物质之间发生核素转换反应，实施核素转换的物质被核素转换。

以往，使用气压对储氢金属(结构体)添加氢、氘。在使用气压的情况下，在范德华力(分子间作用力)作用下，氢物理吸附在结构体的表面，并进行原子解离(解离吸附、化学吸附)，通过侵入型固溶化、或生成氢化合物，使氢原子扩散至金属晶格内。另一方面，在使用电解对储氢金属(结构体)添加氘的情况下，由于电解引起的等效氢压(对电极内部的充氢压力。另外，对应于氢过电压、电解电压)与使用气压的情况相比大幅提高，因此，能够提高氘的填充密度。

根据上述发明，通过提高结构体中的氘的填充密度，可增大实施核素转换的物质的核素转换反应量。

通过在电解液供给工序中对氘高浓度部侧供给包含氘的电解液，可使氘高浓度部的氘浓度保持在希望的范围。因此，可使氘高浓度部侧长期保持氢分压高的状态。另外，由于未透过结构体的气体在气体排出工序中被排出到外部，因此，可使氘高浓度部内保持给定的压力范围。

上述发明的一方面中，在所述电解液供给工序之前，还具有将所述实施核素转换的物质添加到所述结构体的添加工序。

或者，上述发明的一方面中，在所述电解液中添加包含所述实施核素转换的物质的电解质，在所述电解质浓度供给工序中，包含所述实施核素转换的物质的离子的所述电解液供给到所述氘高浓度部，所述实施核素转换的物质的离子添加到所述结构体中。

通过设为上述结构，可使实施核素转换的物质以高浓度与结构体接触。在电解液中添加包含实施核素转换的物质的电解质的情况下，由于可将实施核素转换的物质连续地添加到结构体中，能够使核素转换工序长期持续。

特别是，不在结构体中添加实施核素转换的物质，而在电解液中添加包含实施核素转换的物质的电解质的情况下，可省略将实施核素转换的物质添加到结构体中的工序，由于不需要用于该工序的处理装置，因而有利。

上述发明的一方面中，优选具有浓度调整工序，调整向所述氘高浓度部供给之前的包含所述实施核素转换的物质的离子的所述电解液的温度、和向所述氘高浓度部供给的所述电解液的量，并调整所述氘高浓度部内的所述电解液中的所述实施核素转换的物质的离子的浓度。

氘高浓度部内(特别是结构体附近)的电解液中所含的实施核素转换的物质的离子浓度越高，结构体表面的双电层越薄，双电层中的电场强度越增大。由于电场强度越高，加速实施核素转换的物质的离子的能量越是增加，因此，添加到结构体的实施核素转换的物质的添加量增大。另外，电场强度越高，越促进结构体(电极)中的重水的电解。其结果，能够使核素转换反应量增大。

另一方面，重水的电解反应量比核素转换反应量多。因此，如反应继续，则包含实施核素转换的物质的电解质的浓度变高，析出电解质盐。如该电解质盐吸附在电极上，则阻碍上述反应，反应量会降低。

包含实施核素转换的物质的电解质在电解液中的溶解量取决于电解液的温度。即，通过提高电解液的温度，可增加电解质的溶解量，提高电解液中的离子浓度。如控制供给的电场溶液中的离子浓度和供给量，则可调整氘高浓度部内的电解液中的离子浓度，从而能够控制核素转换反应量。

另外，通过调整实施核素转换的物质的离子的浓度，能够防止电解质盐的析出。

上述发明的一方面中，所述低浓度化工序可以具有排气步骤，使所述结构体的另一表面侧成为真空状态。

上述发明的一方面中，所述低浓度化工序可以具有非活性环境形成步骤，对所述结构体的另一表面侧供给非活性气体，形成非活性环境。

根据上述发明的一方面，在低浓度化工序中，通过排气步骤或非活性环境形成步骤，使氘低浓度部成为氘的压力相对较低的状态。在进行排气步骤的情况下，氘低浓度部成为真空状态。在进行非活性环境形成步骤的情况下，由于氘低浓度部由非活性气体充满，实际上氢分压成为0。由此，使氘低浓度部成为氢浓度相对于氘高浓度部相对较低的状态，从而能够在结构体内形成氘的浓度差。

上述发明的一方面中，优选具有如下工序：冷却工序，对所供给的电解液进行冷却，使得供给到所述结构体的一个表面侧的电解液的温度为给定温度；加温工序，将所述结构体的另一表面侧加温至给定温度，从而在所述结构体的厚度方向上形成温度梯度。

通过具有冷却工序及加温工序，可以在结构体的厚度方向上形成温度梯度，使得氘高浓度部侧的温度最低，并且向氘低浓度部侧温度升高。构成结构体的储氢金属或储氢合金、特别是钯表现出温度低时更容易吸留氢的趋势。因此，通过形成温度梯度，氘变得容易存在于结构体的氘高浓度部侧表面。由此，可以在结构体的厚度方向上产生氘的浓度梯度，从而能够使核素转换反应量增大。

另外，本发明的第二方面提供一种核素转换装置，其具备：结构体，包含钯或钯合金、或钯以外的储氢金属或钯合金以外的储氢合金；氘高浓度部及氘低浓度部，其按照从两侧夹入所述结构体的方式配置，通过所述结构体形成能够密封的密闭空间；高浓度化装置，在所述结构体的所述氘高浓度部侧的表面附近形成氘的浓度高的状态；以及低浓度化装置，使所述氘低浓度部形成所述氘的浓度低于所述氘高浓度部的状态，其中，所述高浓度化装置具有：电压产生部、与所述结构体的氘高浓度部侧的面隔开间隔相对配置的正极、对所述氘高浓度部供给包含重水的电解液的电解液供给装置、以及从所述氘高浓度部排出气体的气体排出路径，所述核素转换装置以所述结构体为负极，通过所述电压产生部对所述结构体及所述正极之间赋予电压差，将所述电解液电解，产生所述氘，在所述氘从所述氘高浓度部向所述氘低浓度部透过所述结构体时，在所述结构体中，实施核素转换的物质在所述氘的作用下被核素转换。

高浓度化装置通过将结构体作为负极对包含重水的电解液进行电解而产生氘。氘高浓度部形成与氘低浓度部相比氘的浓度相对较高的状态。通过设置高浓度化装置及低浓度化装置，可以夹持结构体在氘高浓度部和氘低浓度部之间产生氘的浓度梯度。根据上述结构的核素转换装置，通过上述浓度梯度，在结构体的内部形成从氘高浓度部侧向氘低浓度部侧的氘的流束，通过电解而从电解液分离出的氘被结构体吸留，并透过到氘低浓度部侧。在氘透过结构体时，在结构体中，氘和实施核素转换的物质之间发生核素转换反应，从而能够使实施核素转换的物质进行核素转换。

根据上述结构的核素转换装置，与使用了气压的情况相比，能够使氘对结构体的填充密度增高。通过提高结构体中的氘的填充密度，可以使添加到结构体中的进行核素转换的物质的核素转换反应量增大。

根据上述结构的核素转换装置，可以通过电解液供给部使氘高浓度部中的氘浓度保持在希望的范围。由此，可使氘高浓度部侧长期保持在氢浓度高的状态下。另外，由于未透过结构体的气体经气体排出路径排出到外部，因此，能够使氘高浓度部内保持在给定的压力范围。

上述发明的一方面中，预先添加了所述实施核素转换的物质的所述结构体配置在所述氘高浓度部及所述氘低浓度部之间。

上述发明的一方面中，所述电解液供给部具备电解质供给装置，该电解质供给装置向所述电解液中添加所述包含实施核素转换的物质的电解质，所述电解质供给装置将包含所述实施核素转换的物质的离子的所述电解液供给到所述氘高浓度部，所述实施核素转换的物质的离子被添加至所述结构体中。

通过形成上述结构，能够使实施核素转换的物质以高浓度与结构体接触。

特别是，如设置成在电解液中添加包含实施核素转换的物质的电解质并供给到氘高浓度部的结构，则可将实施核素转换的物质连续地添加到结构体中，从而能够长期持续核素转换反应。

上述发明的一方面中，所述电解液供给部具备：调整所述电解液的温度的电解液温度调整部、以及调整从所述电解液供给部到所述氘高浓度部的所述电解液的供给量的电解液供给量调整部。

通过电解液温度调整部和电解液供给量调整部，能够调整氘高浓度部内的电解液中的离子浓度，控制核素转换反应量，同时，能够防止电解质盐析出到电极表面等。

上述发明的一方面中，所述低浓度化装置也可以具备使所述氘低浓度部成为真空状态的排气装置。

上述发明的一方面中，所述低浓度化装置还可以具备对所述氘低浓度部供给非活性气体的非活性气体供给装置。

根据上述发明的一方面，低浓度化装置具备排气装置或非活性气体供给装置。在使用排气装置的情况下，氘低浓度部成为真空状态。在使用非活性气体供给装置的情况下，氘低浓度部实际上的氢分压成为0。由此，使氘低浓度部相对氘高浓度部形成氢压力相对较低的状态，从而能够在结构体中形成氘的压力差。

上述发明的一方面中，优选具备：冷却装置，对所供给的电解液进行冷却，使得通过所述电解液供给装置供给到所述氘高浓度部的电解液的温度为给定温度；加温装置，使所述结构体的所述氘低浓度部侧加温至给定温度。

根据上述结构的核素转换装置，通过设置冷却装置及加温装置，能够在结构体的厚度方向上形成温度梯度，使得氘高浓度部侧的温度较低，向氘低浓度部侧温度升高。构成结构体的储氢金属或储氢合金、特别是钯显示温度低时更容易吸留氢的趋势。因此，通过形成温度梯度，氘容易存在于结构体的氘高浓度部侧表面。由此，能够在结构体的厚度方向上产生氘的浓度梯度，从而能够使核素转换反应量增大。

发明的效果

根据本发明，作为使氘高浓度部的氢浓度相对提高的方法，通过使用电解，能够大幅增大核素转换量。由此，能够实现例如核废料的无害化处理等目前无法实现的废物处理。

附图说明

图1是第一实施方式的核素转换装置的概略图。

图2是结构体的剖面图。

图3是现有的核素转换装置的概略图。

图4是示出实施例1及比较例1的ICP-MS分析结果的图表。

图5是第二实施方式的核素转换装置的概略图。

图6是第三实施方式的核素转换装置的概略图。

图7是第四实施方式的核素转换装置的概略图。

图8是示出电解质浓度和实施核素转换的物质的添加量之间的关系的图表。

图9是示出实施例2及比较例2的ICP-MS分析结果的图表。

图10是第二实施方式的核素转换装置的概略图。

符号说明

1、50 结构体(负极)

2、22、90 氘高浓度部

3、23 氘低浓度部

4、24 高浓度化装置

5、25 低浓度化装置

6 Pd基板

7 CaO层

8 Pd层

9 电压产生装置

10 正极

11、92 电解液供给装置

12 气体排出路径

13 电解液罐

14、55、56、72、91 电解液供给路径

15、57、58 除湿部

16、59、60、75 电解液

17、19、61、62、69、70、74 阀

18、67、68、76、77 气体供给路径

20、33 逆止阀

21 实施核素转换的物质

31 非活性气体供给装置

32 排气路径

41 冷却装置

42、45 控制装置

43、46 温度检测装置

44、65 加温装置

51 第一电解液供给装置

52 第二电解液供给装置

53 第一电解液罐

54 第二电解液罐

64 温度调节器

66 加热器

71 第三电解液罐

80 浓度测量部

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的核素转换方法及核素转换装置的一个实施方式进行说明。

〔第一实施方式〕

图1是本实施方式的核素转换装置的概略图。核素转换装置具备：结构体1、氘高浓度部2、氘低浓度部3、高浓度化装置4、及低浓度化装置5。

结构体1具有钯(Pd)或钯合金、或者钯以外的储氢金属或钯合金以外的储氢合金，还具有相对这些合金功函数相对较低的物质。功函数相对较低的物质是例如功函数低于3eV的物质，具体来说，为CaO等。在核素转换装置中，结构体还具有负极的作用。

图2示出结构体1的一例。图2所示的结构体1形成如下结构：在大块基板6(例如，25mm×25mm×0.1mm)上交替叠层了10层CaO层7(厚度：2nm)和Pd层8(厚度：20nm)。CaO层7及Pd层8通过氩离子束溅射法交替成膜在蚀刻处理后的Pd基板6上。

实施核素转换的物质21通过例如真空蒸镀或溅射法等制膜处理而被添加到结构体1的一个表面(Pd基板的相反侧的面)。作为实施核素转换的物质21，可以举出铯(Cs)、碳(C)、锶(Sr)、钠(Na)等。

需要说明的是，在本实施方式中，也可使用未在表面添加实施核素转换的物质的结构体。

夹持结构体1，在结构体1的一面侧形成氘高浓度部2，在另一面侧(Pd基板6侧)形成氘低浓度部3，其内部可保持气密性。

氘高浓度部2具备高浓度化装置4，并保持氘的浓度高于氘低浓度部3的状态。

高浓度化装置4由电压产生装置9、正极10、电解液供给装置11、及气体排出路径12构成。正极10为铂等。正极10在氘高浓度部2内与结构体1的氘高浓度部侧的面隔开间隔对向配置。电压产生装置9位于氘高浓度部2的外部，能够对正极10和负极1之间赋予电压差。

电解液供给装置11具备：电解液罐13、电解液供给路径14、除湿部15、及气体源(未图示)。电解液罐13是收纳包含氘的电解液16的容器。电解液罐13经由电解液供给路径14与氘高浓度部2连接。电解液供给路径14的一端按照浸渍在收纳于电解液罐13内的电解液16的方式配置。电解液供给路径14的另一端按照可供给电解液16的方式与氘高浓度部2连接。电解液供给路径14上设有阀17。

另外，在电解液罐13上经由气体供给路径18依次连接有除湿部15、气体源。气体供给路径18上设有阀19。气体供给路径18的一端在电解液罐13内配置于不与电解液16接触的位置。除湿部15是由硅胶等构成的带有除湿功能的过滤器等。设有填充了非活性气体的气瓶、例如氮(N₂)气瓶、氩(Ar)气瓶、及CE(Cold evaporator)等。

在电解液供给装置11中，来自气体源的CE(Cold evaporator)_N₂由除湿部15除湿后，可以流入电解液罐13。通过将气体供给到电解液罐13内，电解液16被挤出，能够经电解液供给路径14供给到氘高浓度部2。

气体排出路径12按照可将氘高浓度部2内的气体排出到外部的方式，经由逆止阀(＜1大气压)19与氘高浓度部2连接。

氘低浓度部3具备低浓度化装置5。低浓度化装置5设为涡轮分子泵及干泵等排气装置，通过抽真空使氘低浓度部3内保持氘压力低于氘高浓度部2的状态。

接着，对本实施方式的核素转换方法进行说明。

本实施方式的核素转换方法的特征在于，包括电解液供给工序、高浓度化工序、低浓度化工序、核素转换工序、及气体排出工序。

首先，将添加了实施核素转换的物质21的结构体1按照将氘高浓度部2及氘低浓度部3内分别密封成液密及气密状态的方式设置于核素转换装置。此时，结构体1的Pd基板6朝向氘低浓度部3侧。

(电解液供给工序)

接着，从电解液供给装置11向氘高浓度部2内供给电解液16。电解液16为含有电解质浓度从0.001mol/l至饱和浓度的电解质盐的重水基液的溶液。通过含有电解质盐，促进重水的电解。电解质盐的种类没有特别限定，只要是包含实施核素转换的物质的电解质盐，则不仅可促进电解，且可持续地从电解液供给装置11供给实施核素转换的物质，因此，可长期持续核素转换反应，因而优选。作为包含实施核素转换的物质的电解质盐，可以举出CsNO₃、CsOH、NaNO₃、Sr(NO₃)₂、Ba(NO₃)₂等。因此，电解液60中包含实施核素转换的物质的离子(例如，Cs⁺、Sr²⁺、Na⁺、Ba²⁺)。电解液16通常保持浸渍正极10的量。

另外，电解液16也可以在高浓度化工序中适当地供给到氘高浓度部2。电解液16的供给量和供给时间根据重水的液高(正极常时保持在液体中的液量)适当设定。

(低浓度化工序)

接着，通过低浓度化装置5使氘低浓度部3内形成氘压力低的状态。详细来说，使用真空泵使氘低浓度部3内形成真空状态，并保持该状态。氘低浓度部3内的压力设为＜0.1Pa即可。

(高浓度化工序)

接着，通过电压产生装置9对正极10施加电力，在正极10和负极(结构体)1之间产生电压差。电压差至少为2V以上。由此，在结构体1的表面(Pd基板的相反侧的面)上重水(D₂O)被电解，产生氘(D₂)。如电压差比2V小，则电解反应不能充分进行。

(核素转换工序)

通过低浓度化工序及高浓度化工序，在结构体1的一面侧(氘高浓度部侧)和另一面侧(氘低浓度部侧)之间产生氘的浓度梯度。由此，氘高浓度部2侧的氘向氘低浓度部侧移动，透过结构体1。如果使氘透过添加了实施核素转换的物质21的结构体1，则产生核素转换反应，实施核素转换的物质21被核素转换为另一种物质。例如，产生¹³³Cs→¹⁴¹Pr、¹²C→²⁴Mg→²⁸Si→³²S、⁸⁸Sr→⁹⁶Mo、²³Na→²⁷Na→²⁷Mg→²⁷Al、¹³⁸Ba→¹⁵⁰Sm等核素转换反应。

(气体排出工序)

如果在氘高浓度部2内进行电解，则随之产生氘气及氧气。另外，在供给电解液16时，氮气流入氘高浓度部2内。在本实施方式中，如果氘高浓度部2内的压力达到1大气压(1×10⁵Pa)以上，则开放逆止阀20，从氘高浓度部2内排出气体。

(实施例1)

使用在大块Pd基板(25mm×25mm×0.1mm)上交替叠层了10层CaO层(厚度：2nm)和Pd层(厚度：20nm)的结构的结构体，实施了核素转换反应。

结构体的与Pd基板相反侧的表面为Pd层。在Pd基板的相反侧的表面，通过离子注入法添加了¹³³Cs。通过XPS(X射线光电子光谱法)确认了结构体中的¹³³Cs初期表面浓度为15×10¹⁶/cm²后，将结构体按照第一实施方式设置于核素转换装置中。需要说明的是，结构体表面的¹⁴¹Pr在检测极限以下，为10¹²/cm²以下。

氘低浓度部使用真空泵形成10^-3Pa的真空状态，并保持该状态。

作为电解液，使用了0.1mol/l的重水基液的硝酸铯溶液。通过电压产生装置在正极和负极之间赋予3V～5V的电压差，对重水进行了电解。使电解持续120小时(5天)后，停止电解。

从核素转换装置中取出结构体，使表面的重水蒸发后，利用XPS和ICP-MS对结构体的表面组成进行了分析。

(比较例1)

使用图3所示的现有的核素转换装置，实施了核素转换试验。对于核素转换装置而言，作为高浓度化装置24，在氘高浓度部22上连接了氘气瓶。从氘气瓶以1.01325×10⁵Pa的压力将氘(D₂)气体导入氘高浓度部22。除此之外，与实施例1同样地进行核素转换试验，试验后，利用XPS及ICP-MS对结构体的表面组成进行了分析。

XPS分析的结果，实施例1的结构体的表面组成为¹³³Cs浓度9×10¹⁵/cm²、¹⁴¹Pr浓度7×10¹⁴/cm²左右。根据上述结果，确认到在实施例1中，结构体表面中的¹³³Cs浓度在试验后降低，另一方面，确认到存在在试验前不存在的¹⁴¹Pr。

图4示出ICP-MS分析的结果。在该图中，纵轴表示核素转换后的¹⁴¹Pr生成量。核素转换后的¹⁴¹Pr生成量在比较例1中为0.1ng/cm²至10ng/cm²，在实施例1中为0.16μg/cm²。

由上述结果可以确认，根据第一实施方式的核素转换装置及核素转换方法，核素转换后的物质的生成量与现有方法相比提高近一个数量级。这是因为，由于在结构体上通过电解生成氘能够容易地提高氘高浓度部的氘的浓度，因此，增加了向结构体填充的氘密度，核素转换量也得到增加。

在使用了电解的情况下，可使氘高浓度部的电极附近的氘压力为100大气压～1000大气压左右。如果想要使用氘气制作与其相同的环境，则必须以1000大气压左右的压力导入氘气。在以超过10大气压的压力导入的情况下，由于实验的安全基准改变，所以实验条件变得更加严格，而且实验装置也变大。另一方面，由于电解能够在常压下进行，因此，可不必增大实验装置而提高氘压力，且实验操作容易。

〔第二实施方式〕

图5是本实施方式的核素转换装置的概略图。核素转换装置除低浓度化装置不同以外，与第一实施方式的核素转换装置的结构相同。

低浓度化装置具备非活性气体供给装置31及排气路径32。在本实施方式中，非活性气体供给装置31由气体源(未图示)和除湿部15构成。图5的非活性气体供给装置31(气体源及除湿部15)与供给高浓度化装置4的电解液供给装置11使用的气体源及除湿部15共用。排气路径32经由逆止阀33，一端与氘低浓度部3连接。

本实施方式除在低浓度化工序中对氘低浓度部3供给非活性气体形成非活性环境以外，按照与第一实施方式相同的工序进行核素转换反应。

非活性气体可通过切换电解液供给装置11的阀19供给到氘低浓度部3。氘低浓度部3内为1大气压。由此，使氘低浓度部3内的氘压力实质上为0，使氘低浓度部3内保持在氘压力低于氘高浓度部2的状态。

如果通过高浓度化装置进行电解，则氘透过结构体而导入到氘低浓度部3，但如果氘低浓度部3内的压力超过给定值(1大气压)，则开放逆止阀33，氘高浓度部2内的气体(非活性气体及氘气)排出到外部。

根据本实施方式，可以不使用真空泵，使氘低浓度部3内形成实质上不存在氘的区域。由于能够形成与氘高浓度部2相比氘压力相对较低的环境，因此，可以在结构体中形成核素转换反应充分的氘梯度。在本实施方式中，能够将该氘梯度作为推动力，使氘透过到结构体内，从而可以进行核素转换反应。另外，非活性气体供给装置31可与电解液供给装置11共用，由于无需使用真空泵等，可以简化装置、降低初期成本。

〔第三实施方式〕

图6是本实施方式的核素转换装置的概略图。核素转换装置的特征在于，具备冷却装置及加温装置。特别是对于未说明的结构，与第一实施方式的核素转换装置相同。

冷却装置41与氘高浓度部2连接，使得能够将供给到氘高浓度部2的电解液16冷却至给定温度。冷却装置41设有制冷机或热电冷却器等，将这些冷却部投入溶液内，使电解液16冷却至给定温度。在冷却装置41上连接有控制装置42，该控制装置42对由该冷却装置41进行的电解液16的冷却进行控制。控制装置42具有可检测氘高浓度部2内的电解液16的温度的温度检测装置43，基于由该温度检测装置43检测到的温度对冷却装置41进行控制，使得电解液16达到给定温度。温度检测装置43设为热电偶等。

加温装置44设置在结构体1的氘低浓度部3侧(Pd基板侧)。加温装置44用镍铬合金加热器等使结构体1的氘低浓度部3侧(Pd基板侧)加温至给定温度。加温装置44上连接有控制装置45，该控制装置45对由该加温装置44进行的结构体1的加温进行控制。控制装置45具有能够检测结构体1的温度的温度检测装置46，基于由该温度检测装置46检测到的温度对加温装置44进行控制，使得结构体1的氘低浓度部3侧(Pd基板侧)达到给定温度。温度检测装置46设为热电偶等。

在本实施方式中，气体排出路径12的一端与低浓度化装置5的排气装置的后段连接。

本实施方式的核素转换方法包括冷却工序和加温工序。除此以外的工序与第一实施方式相同。

(冷却工序)

使供给到氘高浓度部2的电解液16冷却至给定温度。详细而言，通过温度检测装置43检测供给到氘高浓度部2的电解液16的温度，将获得的温度信息发送到控制装置42。在控制装置42中，基于该温度信息，控制冷却装置41进行的电解液16的冷却。电解液16的温度保持在0℃～30℃的范围内。

(加温工序)

在进行冷却工序的同时，通过加温装置44，使结构体1的氘低浓度部3侧(Pd基板侧)加温至给定温度。详细来说，通过温度检测装置46检测结构体1的氘低浓度部3侧(Pd基板侧)的温度，获得的温度信息发送到控制装置45。在控制装置45中，基于该温度信息，控制加温装置44进行的结构体1的加温。结构体1的氘低浓度部3侧(Pd基板侧)的温度保持在50℃～300℃的范围内。

作为结构体1的表面层的Pd层8具有在低温下容易吸留氘的特性。通过对电解液16进行冷却，填充到结构体1的氘高浓度部2侧(Pd层)的氘量增加。由于核素转换量取决于氘量，通过提高结构体1的氘密度，可增大核素转换量。

另一方面，结构体1的温度高时，可促进氘的扩散。通过对结构体1的氘低浓度部3侧进行加温，在结构体的厚度方向上形成温度梯度，可以增加氘的透过量。

〔第四实施方式〕

图7是本实施方式的核素转换装置的概略图。第四实施方式的核素转换装置具备：结构体50、氘高浓度部2、氘低浓度部3、高浓度化装置4、低浓度化装置5、第一电解液供给装置(电解液供给部)51、及第二电解液供给装置52。

第四实施方式的结构体50具有：钯(Pd)或钯合金、或者钯以外的储氢金属或钯合金以外的储氢合金、和相对于这些合金功函数相对较低的物质(CaO等)。结构体50也可形成与结构体1相同的叠层结构。

图7的结构体50未通过制膜处理在一个表面添加实施核素转换的物质。但是，图7中，也可与第一至第三实施方式同样地使用预先添加了实施核素转换的物质的结构体。在该情况下，实施核素转换的物质21通过真空蒸镀或溅射法等添加到结构体的与Pd基板相反一侧的表面。

在本实施方式的核素转换装置中，夹持结构体50，在结构体50的一面侧以内部可保持气密性地形成了氘高浓度部2，在另一面侧(Pd基板侧)以内部可保持气密性地形成了氘低浓度部3。

如图7所示，在本实施方式中，在氘高浓度部2的周围设置温度调节器64。另外，在氘低浓度部3侧的结构体50的周围设置加温装置65。

低浓度化装置5设为与第一实施方式相同的结构。需要说明的是，低浓度化装置制成与第二实施方式相同的结构，可以向氘低浓度部3内供给非活性气体。

高浓度化装置4由电压产生装置9、正极10、第一电解液供给装置51、及气体排出路径12构成。电压产生装置9、正极10、及气体排出路径12设为与第一实施方式相同的结构。

第一电解液供给装置51具备第一电解液罐53、第二电解液罐54、电解液供给路径55、56、除湿部57、58、及气体源(未图示)。

在第一电解液罐53中收纳有包含氘的溶液(重水)。第一电解液罐53经由电解液供给路径55与第二电解液罐54连接。电解液供给路径55的一端按照浸渍在收纳于第一电解液罐53内的电解液59的方式配置。电解液供给路径55上设有阀61。

第二电解液罐54中收纳有从第一电解液罐53送给的电解液60。在图7中，在第二电解液罐54中配置包含实施核素转换的物质的电解质盐(电解质盐供给装置)63。电解质盐63如第二电解液罐54的底部那样，配置在一部分或全部浸渍在电解液60中的位置。图7的核素转换装置也可形成包含实施核素转换的物质的电解质盐从第二电解液罐54的外部投入到电解液60中的装置结构(例如，收纳电解质盐的罐及阀等)。包含实施核素转换的物质的电解质盐为例如CsNO₃、CsOH、NaNO₃、Sr(NO₃)₂、Ba(NO₃)₂。包含实施核素转换的物质的电解质盐溶解在第二电解液罐54中的电解液60中。因此，电解液60中含有实施核素转换的物质的离子(例如，Cs⁺、Sr²⁺、Na⁺、Ba²⁺)。

在第二电解液罐54的周围设置加热器66。加热器66调整第二电解液罐54中的电解液60的温度。

第二电解液罐54经由电解液供给路径56与氘高浓度部2连接。电解液供给路径56的一端按照浸渍于收纳在第二电解液罐54内的电解液60的方式配置。在电解液供给路径56中设有阀62。

第一电解液罐53及第二电解液罐54中分别经由气体供给路径67、68连接有除湿部57、58、及气体源。在气体供给路径67、68中分别设置有阀69、70。气体供给路径67、68、除湿部57、58、及气体源形成与第一实施方式相同的结构。

第二电解液供给装置52具备：第三电解液罐71、电解液供给路径72、除湿部73、及气体源(未图示)。

在第三电解液罐71中收纳有包含氘的溶液(重水)。第三电解液罐71经由电解液供给路径72与氘高浓度部2连接。电解液供给路径72的一端按照浸渍在收纳于第三电解液罐71内的电解液75的方式配置。在电解液供给路径72中设有阀74。

第三电解液罐71经由气体供给路径76连接有除湿部73及气体源。在气体供给路径76中分别设置有阀77。气体供给路径76、除湿部73、及气体源形成与第一实施方式相同的结构。

气体排出路径12按照能够将氘高浓度部2内的气体排出到外部的方式经由逆止阀(＜1大气压)20与氘高浓度部2连接。

浓度测量部80与氘高浓度部2连接。浓度测量部80为离子浓度计或pH计，测量氘高浓度部2内的电解液中的离子浓度。

接着，对第四实施方式的核素转换方法进行说明。

与第一实施方式相同，按照使氘高浓度部2及氘低浓度部3内密封成液密及气密状态的方式设置结构体50。此时，结构体50的基板朝向氘低浓度部3侧。

(电解液供给工序)

从第一电解液供给装置51将电解液供给到氘高浓度部2内。

经由气体供给路径67及除湿部57从气体源向第一电解液罐53供给CE_N₂。第一电解液罐53内的重水与N₂一起从第一电解液罐53经电解液供给路径55输送至第二电解液罐54。

在第二电解液罐54内，包含实施核素转换的物质的电解质盐63溶解于电解液60中。第二电解液罐54中的实施核素转换的物质的离子的浓度根据对第二电解液罐54的重水供给量及电解液60的温度来调整。需要说明的是，从体系外投入电解质盐的情况下，也通过电解质盐的供给量来调整离子浓度。

包含实施核素转换的物质的离子的电解液60从第二电解液罐54经电解液供给路径56供给至氘高浓度部2。

(低浓度化工序)

与第一实施方式相同，通过低浓度化装置5使氘低浓度部3内形成氘压力低的状态。

(高浓度化工序)

与第一实施方式相同，通过电压产生装置9对正极10施加电力，在正极10和负极(结构体50)之间产生电压差。由此，重水在结构体50表面上被电解，产生氘气和氧气。夹持结构体50在氘高浓度部2和氘低浓度部3之间产生氘的浓度梯度，氘从氘高浓度部2透过结构体50移动至氘低浓度部3。

此时，与第三实施方式相同，也可实施冷却工序及加温工序。

(冷却工序)

温度检测装置(未图示)检测供给到氘高浓度部2的电解液16的温度。控制装置(未图示)使用温度调节器64来控制电解液16的温度。电解液16的温度保持在0℃～30℃的范围内。

(加温工序)

加温装置65将结构体50的氘低浓度部3侧加温至给定温度。结构体50的氘低浓度部3侧保持在50℃～300℃的范围内。

通过上述工序，填充至结构体50的氘高浓度部2侧的氘量增加。

(核素转换工序)

如果通过电压产生装置9对正极10施加电力，则电解液中的实施核素转换的物质的离子移动至结构体50(负极)侧，并侵入到结构体50的内部。

在氘透过结构体50时，结构体50中，电解液所含的实施核素转换的物质(离子)通过¹³³Cs→¹⁴¹Pr、¹³⁸Ba→¹⁵⁰Sm、⁸⁸Sr→⁹⁶Mo、²³Na→²⁷Na→²⁷Mg→²⁷Al的反应进行核素转换。在结构体表面添加了实施核素转换的物质的情况下，也在氘透过结构体时发生核素转换反应。此时的反应式与上述相同。在添加¹²C作为实施核素转换的物质的情况下，发生¹²C→²⁴Mg→²⁸Si→³²S的反应。

核素转换反应量取决于氘对结构体的透过量、以及附着于结构体的实施核素转换的物质的离子量。

正极10和结构体50之间的电压差恒定的情况下，氘高浓度部2的电解液中的离子浓度越高，正极10及结构体50(负极)表面的双电层的厚度越薄。由于双电层中的电场强度增高，因此，实施核素转换的物质的离子朝向结构体50加速的能量提高。

图8是示出电解液(重水基液)中的电解质盐(CsNO₃)浓度、和附着在结构体表面的Cs量之间的关系的图表。在该图中，横轴为CsNO₃浓度、纵轴为Cs附着量。结构体为图2所示的叠层体。使正极及负极间的电压差为1V持续10秒钟后，使用ICP-MS测定附着在结构体表面的Cs量。如图8所示，电解液中的离子浓度越高，附着于结构体50内的实施核素转换的物质的量越是增大。

双电层中的电场强度越高，越促进正极10及结构体50(负极)中的电解反应。因此，产生的氘量也增大。

因此，电解液中的离子浓度越高，核素转换反应量越增大。即，如果调整离子浓度，则可控制核素转换量。核素转换反应量最多是包含进行核素转换的物质的电解质盐的饱和浓度。例如，在CsNO₃的情况下，在20℃下的饱和浓度为1.2mol/l。

另外，在电解反应中消耗的重水量比核素转换反应中消耗的进行核素转换的离子量多。因此，由于反应的持续，氘高浓度部2内的电解液中的离子浓度增高，超过饱和浓度，在电极表面或壁面上析出电解质盐。如电解质盐在电极表面析出，则上述反应被抑制。

本实施方式包含调整氘高浓度部2内的电解液中的实施核素转换的物质的离子浓度的浓度调整工序。

(浓度调整工序)

氘高浓度部2内的电解液中的离子浓度通过浓度测量部80控制。基于由浓度测量部80取得的离子浓度，调整氘高浓度部2内的离子浓度。

在增加离子浓度的情况下，提高第二电解液罐54内的电解液60中的离子浓度，使来自第二电解液罐54的电解液60的供给量增大。为了提高电解液60中的离子浓度，通过加热器66提高电解液60的温度。或者，也可以从体系外将电解质盐投入到第二电解液罐54中。调整来自第一电解液罐53的电解液59的供给量，使得能够确保来自体系外的第二电解液罐中的电解液60的水位。

在降低离子浓度的情况下，在使第二电解液罐54内的电解液60中的离子浓度降低的同时，增大氘高浓度部2内的重水的比例。为了降低电解液60中的离子浓度，通过加热器66降低电解液60的温度。为了使氘高浓度部2内的重水的比例增大，降低来自第二电解液罐54的电解液60的供给量。或者，开放阀74，从第三电解液罐71将电解液供给到氘高浓度部2。

如上所述，在使供给到氘高浓度部2的电解液供给量变动的情况下，调整电解液的供给量，使得正极10及结构体50位于电解液液面之下。

(气体排出工序)

与第一实施方式相同，氘高浓度部2内的压力达到1大气压以上时，开放逆止阀20，从氘高浓度部2排出氘气、氧气、氮气。

(实施例2)

使用图7的核素转换装置，使用与实施例1相同的结构体实施了核素转换反应。在实施例2中，没有在结构体中预先添加实施核素转换的物质(¹³³Cs)。

氘低浓度部使用真空泵形成10-3Pa的真空状态，并保持该状态。

作为从第二电解液罐54供给的电解液，使用了包含1mol/l的CsNO₃的重水。通过电压产生装置9在正极和负极之间赋予3V～5V的电压差，将重水电解。使电解持续120小时(5天)后，停止电解。

从核素转换装置取出结构体，使表面的重水蒸发后，利用ICP-MS对结构体表面的Pr生成量进行了分析。

(比较例2)

使用图3所示的现有的核素转换装置，实施了核素转换试验。结构体是对于与实施例2相同的结构体通过离子注入法将¹³³Cs添加到表面的Pd层上而成的结构体。确认到结构体中的¹³³Cs的初期表面浓度为15×10¹⁶/cm²。

以1.01325×10⁵Pa的压力将氘(D₂)气体从氘气瓶导入到氘高浓度部，与比较例1同样地进行了核素转换试验。在试验后，利用ICP-MS对结构体表面的Pr生成量进行了分析。

图9示出ICP-MS分析的结果。在该图中，纵轴表示核素转换后的¹⁴¹Pr生成量。在图9中，实施例2的结果以进行多次实验后的结果的平均值表示。核素转换后的¹⁴¹Pr的生成量在比较例2中为0.009μg/cm²(9ng/cm²)，在实施例2中为1.1μg/cm²。

根据上述结果，依据第四实施方式的核素转换装置及核素转换方法，通过提高电解液中的离子浓度，在增大实施核素转换的物质的添加量的同时，重水的电解量增大，因此，与现有方法相比，能够大幅增大核素转换后的物质的生成量。另外，在第四实施方式中，由于无需预先在结构体中添加实施核素转换的物质，因此，能够简化工序，因此是有利的。

〔第五实施方式〕

图10是本实施方式的核素转换装置的概略图。本实施方式的核素转换装置具有多个氘高浓度部，各氘高浓度部90a～90c形成由电解液供给路径91a、91b连结的结构。特别是对于未说明的结构，与第四实施方式的核素转换装置相同。此外，图10中虽没有示出电压产生装置，也与图1同样地连接。

在第五实施方式中，电解液供给装置92仅与氘高浓度部90a连接。图10的电解液供给装置92虽仅图示了电解质盐添加到电解液中的第二电解液罐54，但如第四实施方式所示，也连接有对第二电解液罐54供给重水的第一电解液罐(未图示)。

氘高浓度部90a中的电解液经电解液供给路径91a供给到下游侧的氘高浓度部90b。氘高浓度部90b中的电解液经电解液供给路径91b供给到下游侧的氘高浓度部90c。

如上所述，在氘高浓度部90a中通过电解反应而消耗的重水量比核素转换反应中消耗的离子量多，因此，形成氘高浓度部90a内的电解液的离子浓度高的状态。同样，也形成氘高浓度部90b内的电解液的离子浓度高的状态。因此，氘高浓度部90a、90b成为下游侧的氘高浓度部90b、90c的离子供给源。

在本实施方式中，调整加热器66引起的电解液的加热温度及来自第三电解液罐71的重水追加量，使得各氘高浓度部90a～90c中的电解液的离子浓度不超过饱和浓度。

另外，与第四实施方式同样，各氘高浓度部90a～90c中的核素转换反应量能够基于电解液中的离子浓度进行控制。

Claims

1.一种核素转换方法，其包括如下工序：

电解液供给工序，向通过结构体形成能够密封的密闭空间的氘高浓度部供给包含重水的电解液，所述结构体包含钯或钯合金、或钯以外的储氢金属或钯合金以外的储氢合金；

高浓度化工序，将所述供给的电解液电解而产生氘，在所述结构体的所述氘高浓度部侧的表面附近形成氘浓度高的状态；

低浓度化工序，通过所述结构体形成能够密封的密闭空间，使隔着所述结构体设于所述氘高浓度部的相反侧的氘低浓度部形成氘浓度低于所述氘高浓度部的状态；

气体排出工序，从所述氘高浓度部排出气体；以及

核素转换工序，在所述氘从所述氘高浓度部向所述氘低浓度部透过所述结构体时，在所述结构体中，实施核素转换的物质在所述氘的作用下被核素转换。

2.根据权利要求1所述的核素转换方法，其中，

在所述电解液供给工序之前，还具有将所述实施核素转换的物质添加到所述结构体中的添加工序。

3.根据权利要求1所述的核素转换方法，其中，

在所述电解液中添加包含所述实施核素转换的物质的电解质，

在所述电解质浓度供给工序中，包含所述实施核素转换的物质的离子的所述电解液供给到所述氘高浓度部，所述实施核素转换的物质的离子添加到所述结构体中。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的核素转换方法，其具有浓度调整工序，调整向所述氘高浓度部供给之前的包含所述实施核素转换的物质的离子的所述电解液的温度、和向所述氘高浓度部供给的所述电解液的量，并调整所述氘高浓度部内的所述电解液中的所述实施核素转换的物质的离子的浓度。

5.根据权利要求1所述的核素转换方法，其中，

所述低浓度化工序具有使所述结构体的另一表面侧形成真空状态的排气步骤。

6.根据权利要求1所述的核素转换方法，其中，

所述低浓度化工序具有非活性环境形成步骤，对所述结构体的另一表面侧供给非活性气体，形成非活性环境。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的核素转换方法，其具有如下工序：

冷却工序，对所供给的电解液进行冷却，使得供给到所述结构体的一个表面侧的电解液的温度为给定温度；以及，

加温工序，将所述结构体的另一表面侧加温至给定温度，

在所述结构体的厚度方向上形成温度梯度。

8.一种核素转换装置，其具备：

结构体，包含钯或钯合金、或者钯以外的储氢金属或钯合金以外的储氢合金；

氘高浓度部及氘低浓度部，其按照从两侧夹入所述结构体的方式配置，通过所述结构体形成能够密封的密闭空间；

高浓度化装置，在所述结构体的所述氘高浓度部侧的表面附近形成氘浓度高的状态；以及

低浓度化装置，使所述氘低浓度部形成所述氘浓度低于所述氘高浓度部的状态，

其中，所述高浓度化装置具有：

电压产生部、

与所述结构体的氘高浓度部侧的面隔开间隔相对配置的正极、

对所述氘高浓度部供给包含重水的电解液的电解液供给部、以及

从所述氘高浓度部排出气体的气体排出路径，

所述核素转换装置以所述结构体为负极，通过所述电压产生部对所述结构体及所述正极之间赋予电压差，将所述电解液电解，产生所述氘，

在所述氘从所述氘高浓度部向所述氘低浓度部透过所述结构体时，在所述结构体中，实施核素转换的物质在所述氘的作用下被核素转换。

9.根据权利要求8所述的核素转换装置，其中，

预先添加了所述实施核素转换的物质的所述结构体配置在所述氘高浓度部及所述氘低浓度部之间。

10.根据权利要求8所述的核素转换装置，其中，

所述电解液供给部具有电解质供给装置，向所述电解液中添加包含所述实施核素转换的物质的电解质，

所述电解质供给装置将包含所述实施核素转换的物质的离子的所述电解液供给到所述氘高浓度部，所述实施核素转换的物质的离子被添加到所述结构体中。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的核素转换装置，其中，

所述电解液供给部具有：调整所述电解液温度的电解液温度调整部、以及调整从所述电解液供给部向所述氘高浓度部供给的所述电解液的供给量的电解液供给量调整部。

12.根据权利要求8所述的核素转换装置，其中，

所述低浓度化装置具有使所述氘低浓度部形成真空状态的排气装置。

13.根据权利要求8所述的核素转换装置，其中，

所述低浓度化装置具有向所述氘低浓度部供给非活性气体的非活性气体供给部。

14.根据权利要求8～13中任一项所述的核素转换装置，其具备：

冷却部，对所供给的电解液进行冷却，使得通过所述电解液供给装置供给到所述氘高浓度部的电解液的温度为给定温度；以及

加温部，使所述结构体的所述氘低浓度部侧加温至给定温度。