JP2003311129A

JP2003311129A - 同位体分離方法

Info

Publication number: JP2003311129A
Application number: JP2002117725A
Authority: JP
Inventors: Haruo Kuroda; 田晴雄黒; Konstantinovich Petrov Alexander; アレクサンダー、コンスタンチノビッチ、ペトロフ; Andrei Vitalievich Chernyshev; アンドレイ、ビタリエビッチ、チェルニシェフ; Keiji Nomaru; 丸圭司能
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2003-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】分離工程の簡略化と効率化とコストの低減化
を同時に図ることができ、しかも高い選択性で目的同位
体を効率的かつ工業的規模において分離／濃縮すること
を可能にする同位体分離方法ならびにこの方法において
使用する作業物質を提供すること。【解決手段】分離されるべき対象となる同位体元素を
含む第１の基と、この第１の基と結合して同位体分離用
の作業物質を形成する基であって、電磁波照射によって
解離して常温において非ポリマー性の固体生成物を形成
し得る第２の基とを含んでなる同位体分離用の作業物質
を用意し、前記作業物質に電磁波照射を行うことによっ
て、当該作業物質を分解して、（イ）分解ガス成分と未
分解の作業物質とからなる、標的同位体元素成分を含む
気相生成物と、（ロ）標的同位体元素以外の成分を含ん
でなる、非ポリマー性の固相生成物、に分離する工程、
を含む同位体分離方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同位体の分離方法
に関し、特にＳｉの同位体を分離するレーザー同位体分
離法ならびに当該同位体分離に用いられる作業物質に関
する。

【０００２】

【従来の技術】天然のＳｉには３つの同位体が存在し、
^２８Ｓｉ：^２９Ｓｉ：^３０Ｓｉ＝９２．２３％：４．６
７％：３．１０％の割合で含まれている。これらの同位
体の中から特定のものを分離する方法としては、遠心分
離法や熱ガス拡散法、蒸留法、化学交換法など、従来様
々な方法が考えられている。

【０００３】しかしながら、これら従来提案されている
同位体分離法は、いずれも分離工程が煩雑であるため、
目的同位体の分離および濃縮のためのコストが勢い増大
するという問題がある。よって、より安価にしかも工業
的規模で効率的に分離できる手法の開発が期待されてい
る。

【０００４】そのための有望な方法のひとつとして、赤
外レーザーによる同位体分離法がある。これは赤外レー
ザー光を分離対象となる同位体を含む元素とその他の元
素により構成される化合物（作業物質）に照射すること
により同位体分離を行う。分子の振動数は同位体の質量
数の違いによりわずかに異なる。これは同位体シフトと
呼ばれ、この同位体シフトを利用することによって特定
の同位体を含む化合物のみを分解し、分解前の化合物あ
るいは分解生成物に特定同位体を濃縮する方法が提案さ
れている。現在、このような濃縮方法に関連する方法と
しては、特開昭６１−１８１５２５号に示されるような
Ｓｉ_２Ｆ_６ガスを用いたレーザー同位体分離法が知られ
ている。

【０００５】しかしながら、本発明者の知見によれば、
この方法においては、作業物質としてのＳｉ_２Ｆ_６がＳ
ｉＦ_４とＳｉＦ_２に分解されるが、この場合の作業物質
は１分子に２個のＳｉ原子が含まれているために同位体
選択性が低くなってしまう。また、ＳｉＦ_２は、ポリマ
ー化して反応容器壁や光照射窓に強固に付着して装置を
汚したり窓にダメージを与えるという問題がある。

【０００６】また、１分子中にＳｉ原子を１個しか含ま
ない作業物質を使用する方法としては、特開６２−４５
３２７号に開示されている方法がある。しかしながら、
この方法においては、分解生成物の副反応による同位体
選択性の低下が考えられるため、このような副反応を抑
えるための適当なスカベンジャーガスが必要となる。ス
カベンジャーガスを用いればある程度の副反応は抑制で
きるものの完全にこれを抑制することは困難であり、ま
た追加的付加成分としてのスカベンジャーの使用は分離
・濃縮工程の煩雑化とコストの向上をもたらす。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来の問題点に鑑みてなされたものであり、同位体分離プ
ロセスにおいて大きな同位体シフトを維持して高い同位
体選択性を確保し、しかも副反応の起こる機構を持た
ず、回収が困難で工程の煩雑化につながるポリマー成分
が発生することのない同位体分離方法を提供することを
目的とするものであり、言い換えれば、分離工程の簡略
化と効率化とコストの低減化を同時に図ることができ、
しかも高い選択性で目的同位体を効率的かつ工業的規模
で分離・濃縮することを可能にする同位体分離方法なら
びにこの方法において使用する作業物質を提供すること
を目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る同位体分離
方法は、分離されるべき対象となる同位体元素を含む第
１の基と、この第１の基と結合して同位体分離用の作業
物質を形成する基であって、電磁波照射によって解離し
て常温において非ポリマー性の固体生成物を形成し得る
第２の基とを含んでなる同位体分離用の作業物質を用意
し、前記作業物質に電磁波照射を行うことによって、当
該作業物質を分解して、（イ）分解ガス成分と未分解の
作業物質とからなる、標的同位体元素成分を含む気相生
成物と、（ロ）標的同位体元素以外の成分を含んでな
る、非ポリマー性の固相生成物、に分離する工程、を含
むことを特徴とするものである。

【０００９】さらに、本発明は、分離されるべき対象と
なる同位体元素を含む第１の基と、この第１の基と結合
して同位体分離用の作業物質を形成する基であって、電
磁波照射によって解離して常温において非ポリマー性の
固体生成物を形成し得る第２の基とを含んでなる、同位
体分離用の作業物質を包含する。

【００１０】このように、本発明に係る同位体分離方法
においては、レーザー光等の電磁波照射によって作業物
質を構成する第１の基と第２の基とが、同位体シフトに
基づいて選択的に解離ないし分解し、この分解反応の結
果、（イ）分解ガス成分と未分解の作業物質とからなる
標的同位体元素成分を含む気相生成物と、（ロ）標的同
位体元素以外の成分を含んでなる固相生成物とに相分離
が生じる。しかも、ここで生成する固体の生成物は非ポ
リマー性の物質からなるので、反応容器内に強固に付着
する等の問題が生じることがない。よって、両相の分離
は容易かつ簡便な操作によって行われ得る点で工業的観
点ですこぶる有利である。

【００１１】さらに、得られた気相生成物中には、分解
ガス成分と未分解作業物質成分が含まれているが、これ
ら両ガス成分は沸点差／融点差等を利用して比較的容易
に分離することができるので、標的同位体元素成分の分
離・濃縮を効率的かつ速やかに行うことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明をさらに具体的に説
明する。

【００１３】上述したように、本発明に係る同位体分離
方法は、分離されるべき対象となる同位体元素を含む第
１の基と、この第１の基と結合して同位体分離用の作業
物質を形成する基であって、電磁波照射によって解離し
て常温において非ポリマー性の固体生成物を形成し得る
第２の基とを含んでなる同位体分離用の作業物質を用意
し、前記作業物質に電磁波照射を行うことによって、当
該作業物質を分解して、（イ）分解ガス成分と未分解の
作業物質とからなる、標的同位体元素成分を含む気相生
成物と、（ロ）標的同位体元素以外の成分を含んでな
る、非ポリマー性の固相生成物、に分離する工程、を含
むことを特徴とするものである。

【００１４】本発明の他の態様においては、前記気相生
成物中の前記分解ガス成分と前記未分解の作業物質と
を、さらに分離する工程を含むことができる。

【００１５】また、本発明の好ましい態様においては、
前記電磁波照射によって生成する分解ガス成分が、標的
同位体元素を含有する成分であるか、あるいは前記電磁
波照射による分解反応後に残存する未分解の前記作業物
質が、標的同位体元素を含有する成分であることができ
る。

【００１６】本発明において、「電磁波照射」とは、上
記作業物質の選択的分解ないし解離を引き起こし得る量
子の照射を意味し、主に赤外光、可視光、紫外光などの
光が含まれる。特に本発明の好ましい態様においては、
前記電磁波照射は、赤外光により行われ、さらに好まし
くは、赤外光の中でもコヒーレント光およびレーザー光
により行われる。レーザー光源としては、たとえば、自
由電子レーザー、炭酸ガスレーザー、その他のガスレー
ザー、半導体レーザー、固体レーザーなどがある。

【００１７】さらに、本発明の好ましい態様において
は、前記作業物質の前記第２の基が、フェニル基または
その誘導体であり、前記第１の基が、ケイ素の同位体を
含有する基からなり、特定の同位体ケイ素を選択的に分
離し濃縮することを含む。また、この場合において、前
記第１の基が、式ＳｉＸＹＺ（ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚは、
それぞれ、同一でも異なるものであってもよく、Ｈ、Ｏ
Ｈ、アルキル基、Ｆ、Ｃｌ、ＢｒおよびＩからなる群か
ら選ばれたものである）で表されるものであることが好
ましい。この態様において特に好ましい前記作業物質
は、Ｃ_６Ｈ_５ＳｉＦ _３である。

【００１８】さらに本発明の他の態様においては、前記
電磁波照射を、作業物質に複数波長のレーザー光を同時
に照射することによって行うことができる。また、前記
電磁波照射は、作業物質に複数波長のレーザー光をタイ
ミングをずらして照射することによっても行うことがで
きる。

【００１９】本発明の他の好ましい態様においては、前
記分離工程が、１回もしくは２回繰り返すことによって
標的同位体元素含有成分を分離／濃縮したのち、さらに
従来法に基づく高濃縮プロセスを併用する工程を含むこ
とができる。また、この場合において、従来法に基づく
高濃縮プロセスとして遠心分離法を適用することもでき
る。

【００２０】本発明の他の好ましい態様においては、前
記気相生成物と固相生成物との分離を常温条件下で行う
ことができる。

【００２１】また、本発明の方法においては、本質的
に、追加的成分としてのスカベンジャーを実質的に使用
する必要がない。

【００２２】本発明においては、標的同位体元素が、Ｓ
ｉ以外の他の同位体元素からなるものにおいても適用可
能である。

【００２３】本発明の他の好ましい態様においては、沸
点および／または融点の差を利用して前記分解ガス成分
と未分解作業物質の分離を行うことができる。

【００２４】さらに、本発明は、分離されるべき対象と
なる同位体元素を含む第１の基と、この第１の基と結合
して同位体分離用の作業物質を形成する基であって、電
磁波照射によって解離して常温において非ポリマー性の
固体生成物を形成し得る第２の基とを含んでなる、同位
体分離用の作業物質を包含する。

【００２５】上記の作業物質において、好ましくは、前
記第２の基が、フェニル基またはその誘導体であること
ができ、さらに、前記第１の基が、ケイ素の同位体を含
有する基からなることができる。

【００２６】また、上記の態様において、該作業物質
は、前記第１の基が、式ＳｉＸＹＺ（ここで、Ｘ、Ｙ、
Ｚは、それぞれ、同一でも異なるものであってもよく、
Ｈ、ＯＨ、アルキル基、Ｆ、Ｃｌ、ＢｒおよびＩからな
る群から選ばれたものである）で表されるものであるこ
とができ、具体的には、Ｃ_６Ｈ_５ＳｉＦ_３からなる作業
物質を包含する。

【００２７】以下、上記の作業物質の好ましい態様のＳ
ｉ含有化合物の内、第２の基がフェニル基である場合、
すなわちＰｈ−ＳｉＸＹＺを作業物質とし、電磁波照射
源として赤外レーザーを用いてＳｉの同位体分離を行う
場合について説明する。

【００２８】作業物質Ｐｈ−ＳｉＸＹＺに特定波長の赤
外レーザー光を照射すると、ｐｈ−Ｓｉ結合が切断さ
れ、ＰｈラジカルおよびＳｉＸＹＺラジカルが発生す
る。ＳｉＸＹＺラジカルは反応性が高くＰｈ‐ＳｉＸＹ
Ｚの中のいずれかの原子をとって安定分子ＳｉＸＹＺＡ
（ここで、Ａは奪い取った原子を表す）。一方、Ｐｈラ
ジカルおよびＰｈ‐ＸＹＺよりいずれかの原子をとられ
て生成されたラジカルは反応性が比較的低く、これら２
つのラジカル同士で反応が進み安定化される。これら分
子はＰｈ基を２個含んでおり通常常温において固体とな
る。これら固体は全て２つのラジカルにより１分子を生
成するため。従って、生成固体はポリマー化しないので
容器に強固に付着することはなく回収が容易である。ま
た、反応生成物としてのガスはＳｉＸＹＺＡであり、こ
のガス成分はＰｈ基を含んでいないので融点が元の作業
物質に比べて極めて高いことから、レーザー光照射後に
おいて、低温トラップ等を利用して容易に分離すること
が可能である。参考のために、図３に、上記の作業物質
を用いて同位体元素^２８Ｓｉを分離する場合の反応プロ
セスを例示する。

【００２９】本発明の分離方法においては、同位体シフ
トを利用して、標的同位体を含む成分を選択的に分解す
ることができる。また、本発明の他の好ましい態様にお
いては、上記の選択的な分解が赤外光で起こり、分解に
伴う副生成物がすべて固体である。

【００３０】このように、本発明の分離方法において
は、常温において、分解反応の結果生じる、（イ）分解
ガス成分（ＳｉＸＹＺＡ）と未分解の作業物質（Ｐｈ‐
ＳｉＸＹＺ）とからなる標的同位体元素成分を含む気相
生成物と、（ロ）標的同位体元素以外の成分を含んでな
る固相生成物（Ｐｈ−Ｐｈ等）とに相分離が生じる。し
かも、ここで生成する固体の生成物は非ポリマー性の物
質からなるので、反応容器内に強固に付着する等の問題
が生じることがない。よって、両相の分離は容易かつ簡
便な操作によって行われ得る点で工業的観点ですこぶる
有利である。

【００３１】さらに、得られた気相生成物中には、分解
ガス成分と未分解作業物質成分が含まれているが、これ
ら両ガス成分は沸点差／融点差等を利用して比較的容易
に分離することができるので、標的同位体元素成分の選
択的な分離・濃縮を効率的かつ速やかに行うことができ
る。

【００３２】また、上記のような分離反応系において
は、副反応が生じる機構を有さないので、従来必要であ
ったスカベンジャー等の追加的添加成分を使用する必要
がない点においても有利である。

【００３３】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明するが、
本発明はこれら実施例の記載によって制限されるもので
はない。

【００３４】実施例図１は本発明を実施するために用いられた実験装置の概
略図である。この実験装置は以下のように構成されてい
る。反応セル１にＺｎＳｅ製の窓２が取り付けられたも
のの中心に、自由電子レーザー３より発振した自由電子
レーザー光４をＺｎＳｅ製レンズ（焦点距離２５ｃｍ）
５を用いて集光し、反応セル１に充填された作業物質
（Ｃ_６Ｈ_５ＳｉＦ_３）６に照射する。反応セル１は、長
さが約１３ｃｍで直径１．６ｃｍの筒状容器である。

【００３５】次に、上記作業物質を用いてＳｉ同位体分
離を行った実験について説明する。

【００３６】図１に示された装置を用い、作業物質とし
て、室温に保たれた２ＴｏｒｒのＣ _６Ｈ_５ＳｉＦ_３を用
い、反応セル内の作業物質に、レーザー光として、波数
９７１ｃｍ^−１、エネルギー１７ｍＪ、繰り返し５Ｈｚ
の自由電子レーザー光を照射した。

【００３７】図２に、作業物質ならびにその分解性生成
物の赤外吸収スペクトルの時間変化を示す。図２におい
て点線は自由電子レーザー光照射前の吸収スペクトルで
あり、一方、実線は自由電子レーザー光を６０分照射後
の吸収スペクトルである。

【００３８】図２に示す結果から、照射後１０２８ｃｍ
^−１近傍に解離生成物のピークが認められる。これはＳ
ｉＦ_４のピークに相当する。他にはピークはみられな
い。すなわち、ガスとしての生成物はＳｉＦ_４のみであ
る。このことから、他の生成物は全て固体となっている
ことが分かる。また、この場合において、生成した固体
は粉末状であり、ポリマー状の生成物や液状の生成物は
認められなかった。

【００３９】また、生成ガス成分であるＣ_６Ｈ_５ＳｉＦ
_３およびびＳｉＦ_４の分離に関しては、Ｃ_６Ｈ_５ＳｉＦ
_３の融点は−１９℃、ＳｉＦ_４の沸点は−８６℃と非常
に差が大きく、Ｃ_６Ｈ_５ＳｉＦ_３を冷却・固化してもな
おＳｉＦ_４はガスであるため低温トラップで容易に分離
することができた。

【００４０】下記の表１は、いくつかの照射波数に関し
て実験を行い、照射後の残留Ｃ_６Ｈ _５ＳｉＦ_３中のＳｉ
同位体の濃度比を４重極質量分析器により測定した結果
である。

【００４１】

【表１】表１に示す結果から分かるように、９７１ｃｍ^−１では
^２８Ｓｉを含む作業物質が選択的に分解され、９３４ｃ
ｍ^−１では^２９Ｓｉ，^３０Ｓｉを含む作業物質が選択的
に分解されている。すなわち、照射レーザー光の波数を
変えることによって、異なる同位体を選択的に濃縮する
ことができる。

【００４２】

【発明の効果】上述のとおり、本発明の同位体分離方法
によれば、特定の作業物質に赤外線レーザー等のエネル
ギーを照射して当該作業物質を効率的かつ容易に分解し
濃縮することができるので、工業上すこぶる有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例において使用された実験装置の
概略図。

【図２】作業物質としてのＣ_６Ｈ_５ＳｉＦ_３に自由電子
レーザーを照射した際のＣ_６Ｈ _５ＳｉＦ_３及び解離生成
物ＳｉＦ_４の赤外吸収スペクトル。

【図３】同位体元素^２８Ｓｉを分離する場合の反応プロ
セスを示す図。

【符号の説明】

１反応セル２窓（ＺｎＳｅ）３自由電子レーザー４自由電子レーザー光５レンズ６作業物質

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アレクサンダー、コンスタンチノビッチ、ペトロフロシア国ノボシビルスク、630090、インスティツーツカヤ、３、インスティツート、オブ、ケミカル、キネティクス、アンド、コンバスチョン内 (72)発明者アンドレイ、ビタリエビッチ、チェルニシェフロシア国ノボシビルスク、630090、インスティツーツカヤ、３、インスティツート、オブ、ケミカル、キネティクス、アンド、コンバスチョン内 (72)発明者能丸圭司千葉県野田市二ツ塚118番地川崎重工業株式会社関東技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】分離されるべき対象となる同位体元素を含
む第１の基と、この第１の基と結合して同位体分離用の
作業物質を形成する基であって、電磁波照射によって解
離して常温において非ポリマー性の固体生成物を形成し
得る第２の基とを含んでなる同位体分離用の作業物質を
用意し、前記作業物質に電磁波照射を行うことによって、当該作
業物質を分解して、（イ）分解ガス成分と未分解の作業
物質とからなる、標的同位体元素成分を含む気相生成物
と、（ロ）標的同位体元素以外の成分を含んでなる、非
ポリマー性の固相生成物、に分離する工程を含む、同位
体分離方法。
【請求項２】前記気相生成物中の前記分解ガス成分と前
記未分解の作業物質とを、さらに分離する工程を含む、
請求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項３】前記電磁波照射によって生成する分解ガス
成分が、標的同位体元素を含有する成分である、請求項
１に記載の方法。
【請求項４】前記電磁波照射による分解反応後に残存す
る未分解の前記作業物質が、標的同位体元素を含有する
成分である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】前記電磁波照射がレーザー光によって行わ
れる、請求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項６】前記レーザー光の光源が、自由電子レーザ
ー、炭酸ガスレーザー、半導体レーザーおよび固体レー
ザーからなる群から選択されたものである、請求項５に
記載の同位体分離方法。
【請求項７】前記第２の基が、フェニル基またはその誘
導体である、請求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項８】前記第１の基が、ケイ素の同位体を含有す
る基からなり、特定の同位体ケイ素を選択的に分離し濃
縮する、請求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項９】前記第１の基が、式ＳｉＸＹＺ（ここで、
Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ、同一でも異なるものであって
もよく、Ｈ、ＯＨ、アルキル基、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒおよび
Ｉからなる群から選ばれたものである）で表される、請
求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項１０】前記作業物質が、１分子中に１個のＳｉ
を含んでなる化合物からなり、好ましくはＣ_６Ｈ_５Ｓｉ
Ｆ_３である、請求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項１１】前記電磁波照射が、作業物質に複数波長
のレーザー光を同時に照射することによって行われる、
請求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項１２】前記電磁波照射が、作業物質に複数波長
のレーザー光をタイミングをずらして照射することによ
って行われる、請求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項１３】前記分離工程を、１回もしくは２回繰り
返すことによって標的同位体元素含有成分を分離／濃縮
したのち、さらに従来法に基づく高濃縮プロセスを併用
する工程を含む、請求項２に記載の同位体分離方法。
【請求項１４】従来法に基づく高濃縮プロセスとして遠
心分離法を適用する、請求項１３に記載の同位体分離方
法。
【請求項１５】前記気相生成物と固相生成物との分離を
常温条件下で行う、請求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項１６】追加的成分としてのスカベンジャーを実
質的に使用しない、請求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項１７】標的同位体元素が、Ｓｉ以外の他の同位
体元素からなる、請求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項１８】沸点および／または融点の差を利用して
前記分解ガス成分と未分解作業物質の分離を行う、請求
項２に記載の同位体分離方法。
【請求項１９】同位体シフトを利用して、標的同位体を
含む成分を選択的に分解する、請求項１に記載の同位体
分離方法。
【請求項２０】選択的な分解が赤外光で起こる、請求項
１９に記載の同位体分離方法。
【請求項２１】分解に伴う副生成物がすべて固体であ
る、請求項１に記載の同位体分離方法。
【請求項２２】分離されるべき対象となる同位体元素を
含む第１の基と、この第１の基と結合して同位体分離用
の作業物質を形成する基であって、電磁波照射によって
解離して常温において非ポリマー性の固体生成物を形成
し得る第２の基とを含んでなる、同位体分離用の作業物
質。
【請求項２３】前記第２の基が、フェニル基またはその
誘導体である、請求項２２に記載の作業物質。
【請求項２４】前記第１の基が、ケイ素の同位体を含有
する基からなる、請求項２２に記載の作業物質。
【請求項２５】前記第１の基が、式ＳｉＸＹＺ（ここ
で、Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ、同一でも異なるものであ
ってもよく、Ｈ、ＯＨ、アルキル基、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒお
よびＩからなる群から選ばれたものである）で表され
る、請求項２２に記載の作業物質。
【請求項２６】１分子中に１個のＳｉを含む化合物から
なり、好ましくはＣ_６Ｈ_５ＳｉＦ_３からなる、請求項２
２に記載の作業物質。