JP2009128052A - 原子力電池 - Google Patents

Abstract

【課題】凝集系核反応によって発生した荷電粒子を利用した原子力電池を提供する。
【解決手段】容器と、パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、前記構造体の表面上に接触させられた、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とからなる反応膜と、該反応膜により前記容器を分割して形成され、前記容器及び前記反応膜により密封可能な閉空間をなす重水素高濃度部及び重水素低濃度部と、前記重水素高濃度部内に前記反応膜に対向して配置される電極板と、前記重水素高濃度部に重水素ガスを供給する重水素供給手段と、前記重水素低濃度部を排気するための排気手段とを備える原子力電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力電池に関するものである。

従来の原子力電池は、放射性核種の崩壊エネルギを熱電変換素子で電気エネルギに変換する一次電池である。実用化されている原子力電池では、放射性核種として^２３８Ｐｕや^２１０Ｐｏが用いられ、これらの核種がアルファ崩壊を起こす際に発生するアルファ線が物質に吸収されて生じた熱を利用し発電している。原子力電池は、例えば人工衛星に搭載され、太陽放射が利用できず太陽電池が使用できない深宇宙におけるエネルギ供給源となる。

しかし、上記の原子力電池は放射性核種を使用しているために、厳重な管理下で使用する必要があり、特殊用途に限定される。また、使用後の放射性廃棄物の処理にも問題がある。人工衛星に搭載される場合は、墜落などにより放射性物質を大気中に撒き散らすリスクがある。

一方、凝集系核反応では核種崩壊（ベータ崩壊）の際に荷電粒子が放出される。代表的な凝集系核反応は、特許文献１に記載されている。凝集系核反応は、重水素ガスや温度などの制御パラメータにより反応を停止させることが出来るため、放射能汚染の心配が無い。また、γ線などの、透過力が強く人体に影響を与えるレベルの放射線が発生しないため、厳重な放射線遮蔽の必要が無いという利点を有する。
特開２００２−２０２３９２号公報

上述のように、従来の放射性核種を利用した原子力電池は、保守管理や放射性廃棄物の処理が非常に困難であるという欠点があった。
本発明は、制御及び管理がより容易である凝集系核反応を利用し、凝集系核反応で発生した荷電粒子により発電させる原子力電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の原子力電池は、容器と、パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、前記構造体の表面上に接触させられた、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とからなる反応膜と、該反応膜により前記容器を分割して形成され、前記容器及び前記反応膜により密封可能な閉空間をなす重水素高濃度部及び重水素低濃度部と、前記重水素高濃度部内に前記反応膜に対向して配置される電極板と、前記重水素高濃度部に重水素ガスを供給する重水素供給手段と、前記重水素低濃度部を排気するための排気手段とを備える。
上記構成において、前記核種変換物質層が、前記構造体の前記重水素高濃度部の側の表面上に接触させられる。

上記構成の原子力電池によれば、重水素高濃度部と重水素低濃度部との間に重水素の濃度差または圧力差を発生させることにより、重水素高濃度部内の重水素が反応膜を透過して重水素低濃度部へと向かう流れを生成させる。この際に構造体の重水素高濃度部側の表面上に接触させられた核種変換物質層において、核種変換を施す物質と重水素とによって凝集系核反応が発生し、荷電粒子が放出される。放出された荷電粒子は電極板に捕捉され、電流が発生する。凝集系核反応においては、γ線等の有害な放射線が発生しないため、本発明の原子力電池には放射線遮蔽材を設置する必要が無く保守管理が容易となる。また、重水素供給量や反応温度などのパラメータにより反応制御が容易であるという利点を有する。

本発明の原子力電池は、前記構造体が、前記重水素低濃度部の側から前記重水素高濃度部の側に向かって順に、パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、該基材の表面上に形成され、パラジウムまたはパラジウム合金あるいはパラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とからなる混合層と、該混合層の表面上に形成され、パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成される。

上記構成の原子力電池によれば、パラジウムまたはパラジウム合金あるいはパラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とからなる混合層を設けることで、凝集系核反応の発生の再現性を向上させることができる。

本発明の原子力電池は、前記重水素高濃度部が重水素雰囲気とされ、前記重水素低濃度部が真空または前記重水素高濃度部よりも低い圧力の重水素雰囲気とされることが好ましい。

このように、重水素高濃度部が重水素雰囲気であり、重水素低濃度部内が真空または重水素高濃度部よりも低い圧力の重水素雰囲気であれば、重水素低濃度部と重水素高濃度部との間で圧力差及び重水素濃度差が生成し、重水素が重水素高濃度部から反応膜を透過して重水素低濃度部へ流入する。これにより、反応膜に形成された核種変換を施す物質と重水素とを接触させ、凝集系核反応を発生させることが可能となる。

また、本発明の原子力電池は、前記重水素高濃度部が重水素雰囲気とされ、前記重水素低濃度部が重水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気とされ、前記重水素高濃度部及び前記重水素低濃度部の圧力が同程度とされても良い。これにより、重水素高濃度部と重水素低濃度部との間の重水素濃度差により、重水素が重水素高濃度部から反応膜を透過して重水素低濃度部へと流入する。この場合、反応膜が圧力差に起因する応力を受けて損傷するのを防止することが出来る。

上記の原子力電池において、前記重水素供給手段が、前記排気手段により前記重水素低濃度部から排気された重水素を、前記重水素高濃度部に循環させて供給することが好ましい。上記構成によれば、反応膜を透過した未反応の重水素を、排気手段により排気して重水素高濃度部に循環させて供給するので、重水素を効率良く使用することが出来る。

上記の原子力電池は、前記重水素高濃度部の圧力が一定になるように重水素の供給量を制御する制御手段を備えることができる。

上記の原子力電池において、前記電極板が、複数の導電板が絶縁板により互いに隔離され、前記複数の導電板が配線により直列に接続される構成とされても良い。これにより、高電圧にて電流を得ることが出来る。

以上のように、本発明の原子力電池は、凝集系核反応で発生した荷電粒子により発電させることができる。凝集系核反応では、γ線等の有害な放射線が発生せず、放射線遮蔽材を設置する必要が無い。従って、保守管理が容易であり、反応制御が容易な原子力電池となる。本発明の原子力電池は特殊用途のみに限定されず、汎用用途にも適する。

以下に、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る原子力電池の概略図である。原子力電池１０は、容器１２内に重水素高濃度部１３と重水素低濃度部１４とを備える。重水素高濃度部１３と重水素低濃度部１４は、反応膜１１によって分割されている。反応膜１１は、パラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金、あるいは、Ｐｄ以外の水素吸蔵金属（例えばＴｉなど）またはこれらの合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換を施す物質からなる核種変換物質層とで形成されている。反応膜１１は、重水素高濃度部１３と重水素低濃度部１４とを両側から挟みこむようにして配置され、重水素高濃度部１３及び重水素低濃度部１４は、容器１２及び反応膜１１により気密保持可能とされる。重水素高濃度部１３には重水素供給手段としてボンベ１５が接続されており、外部から重水素（Ｄ_２Ｏ）ガスが供給されるようになっている。重水素低濃度部１４には排気手段としてポンプ１６が接続され、内部が真空または低圧の重水素ガス雰囲気に保持される。

反応膜１１は、図２（ａ）に示すように、構造体２１と核種変換物質層２７とから構成される。構造体２１は、重水素低濃度部側から重水素高濃度部側に向かって、順に、Ｐｄ基板２２の表面上に、Ｐｄに対して相対的に仕事関数が低い物質（例えば、ＣａＯ）とＰｄとの混合層２３が形成され、この混合層２３の表面上にＰｄ表面層２４が積層されている。混合層２３は、例えば図２（ｂ）に示すように、Ｐｄ層２５とＣａＯ層２６とが交互に積層されても良い。核種変換物質層２７は、Ｐｄ表面層２４上に形成される。

上記の構造体２１は、次の工程により形成される。まず、Ｐｄ基板２２（純度９９．５％以上）をアセトン中で所定時間超音波洗浄して脱脂する。そして、真空中（例えば１．３３×１０^−５Ｐａ以下）において、例えば９０℃で所定時間（例えば１０時間）アニール処理を行う。次いで、アニール処理後のＰｄ基板２２を室温にて重王水に所定時間（例えば１００秒間）浸漬してエッチング処理を施し、表面の不純物を除去する。

次に、アルゴンイオンビームによるスパッタリング法を用いて、エッチング処理後のＰｄ基板２２上に、例えば厚さ１００・１００^−１０ｍのＰｄ層２５と厚さ１００・１０^−１０ｍのＣａＯ層２６とを交互に積層して、厚さ１０００・１０^−１０ｍの混合層２３を成膜する。そして、混合層２３の表面上にＰｄ表面層２４を厚さ４００・１０^−１０ｍで成膜して、構造体２１を形成する。

図２（ａ）に示すように、構造体２１のＰｄ表面層２４上に、核種変換を施す物質であるセシウム（Ｃｓ）を含む核種変換物質層２７が形成される。核種変換物質層２７は、ＣｓＮＯ_３のＤ_２Ｏ希薄溶液（ＣｓＮＯ_３／Ｄ_２Ｏ溶液）の電気分解により形成される。具体的には、１ｍＭのＣｓＮＯ_３／Ｄ_２Ｏ溶液を電解液として、陽極に白金電極を接続し、陰極に構造体を接続して、例えば１Ｖの電圧で１０秒間電気分解を行い、構造体のＰｄ表面層の表面上でＣｓイオンを還元してＰｄ表面層にＣｓを添加して形成される。

図１に示すように、反応膜１１は、重水素高濃度部１３と重水素低濃度部１４との間に、核種変換物質層２７を重水素高濃度部１３側に向けるようにして、設置ホルダ（不図示）によって固定される。反応膜１１の周囲にセラミックスからなる絶縁体１７が配置され、反応膜１１は設置ホルダごと周囲と電気的に絶縁されている。また、反応膜１１の周囲にはヒータ１８が設置されており、反応膜の温度を適宜変更できる。

重水素高濃度部１３の内部に、電極板１９が反応膜に対向して配置される。電極板１９は金属などの導電体の一枚板であっても良い。あるいは、高電圧の電流を得るために、図３に示すような複数の導電板３０が絶縁板３１により互いに隔離され、導電板３０が配線３２により直列に接続される構造の電極板２９であっても良い。
絶縁体１７内側の容器部分と電極板１９とにそれぞれ端子２０を接続し、電極板１９と反応膜１１との間に電位差を発生させる。

第１の実施形態において、反応膜１１をヒータ１８により例えば７０℃に加熱した後に、重水素高濃度部１３に圧力が１．０１３２５×１０^５Ｐａ以上３．０３９７５×１０^５Ｐａ以下（１気圧以上３気圧以下）となるように、ボンベ１５から重水素ガスを供給する。重水素低濃度部１４はポンプ１６により真空または低圧の重水素雰囲気に保持されているため、重水素高濃度部１３と重水素低濃度部１４との間で圧力差及び重水素ガス濃度差が生じ、重水素ガスが重水素高濃度部１３から反応膜１１を透過して重水素低濃度部１４に向かう流れが生じる。この時、核種変換物質層２７において下記化学式に示す凝集系核反応が発生する。なお、化学式（１）及び（２）において、ｄは重水素、ｅは電子、^２ｎはダイニュートロン、νはニュートリノをそれぞれ示している。

化学式（１）に示すように、重水素が電子を捕獲してダイニュートロンが生成し、同時に化学式（２）のようにＣｓがダイニュートロンと反応し、β⁻崩壊してプラセオジム（Ｐｒ）が生成する。この反応過程で、エネルギ保存則を満たすエネルギを担った荷電粒子が放出される。放出された荷電粒子は、電極板１９と反応膜１１との間の電位差により電極板１９に捕捉され、これにより電流が発生する。

第１の実施形態では、核種変換を施す物質としてＣｓを用いたが、これに限定されない。例えば、炭素（Ｃ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ナトリウム（Ｎａ）を核種変換を施す物質として用いることが出来る。この場合、それぞれ以下の凝集系核反応が起こり、この過程でエネルギ保存則を満たすエネルギを担った荷電粒子が放出される。なお、Ｃ、Ｓｒ，Ｎａからなる核種変換物質層を形成する工程は、特許文献１に詳細に記載されている。

上記化学式（２）から（５）に示す反応では、γ線などの有害な放射線は検出されないので、上述の原子力電池では、有害な放射線を遮蔽するための遮蔽材を設置する必要が無く、保守管理も容易となる。また、上記反応式は重水素ガスによって反応が進行し、反応は温度に依存する。従って、重水素ガス供給量や反応膜の温度をパラメータとして反応を制御することが可能である。

図４に、本発明の第２の実施形態に係る原子力電池の概略図を示す。第２の実施形態の原子力電池４０は、第１の実施形態と同様に、重水素高濃度部４３に重水素ガスが供給され、重水素低濃度部４４はポンプ４６により真空または低圧の重水素ガス雰囲気に保持される。これにより、重水素高濃度部４３と重水素低濃度部４４との間で圧力差及び重水素ガス濃度差が発生し、重水素ガスが重水素高濃度部４３から反応膜４１を透過して重水素低濃度部４４へと流入する。このとき、反応膜４１上の核種変換物質（例えばＣｓ）が重水素と凝集系核反応を起こし、荷電粒子が放出され、電極板４９に捕獲されて発電する。
第２の実施形態では、ポンプ４６により重水素低濃度部４４から排出し未反応の重水素ガスを、不純物フィルタ５１を透過させて重水素ガス中の水蒸気またはハイドロカーボンを吸着させて精製した後、重水素高濃度部４３に循環させ供給する構造となっている。従って、第２の実施形態では重水素ガスを効率良く利用することが出来る。

本発明の第３の実施形態に係る原子力電池の概略図を図５に示す。第３の実施形態の原子力電池６０は、図２の構成の原子力電池に、更に、重水素高濃度部６３に圧力計７２及びリザーバ６５を接続させた構成となっている。リザーバ６５は、例えば水素吸蔵合金やボンベなどとされる。重水素低濃度部６４からポンプ６６により排出された未反応の重水素ガスを、不純物フィルタ７１を透過させて精製した後、重水素高濃度部６３に循環させて供給するとともに、重水素高濃度部６３内の重水素ガス圧を圧力計７２により計測して、重水素ガス圧が一定になるようにリザーバ６５からの重水素ガス供給量を制御する。

第１の実施形態乃至第３の実施形態に係る原子力電池では、重水素低濃度部が真空または低圧の重水素雰囲気であり、重水素高濃度部が３．０３９７５×１０^５Ｐａ以下であるため、容器１２，４２，６２は、ＳＵＳ製などの安価な容器とすることが出来るので有利である。

本発明の第４の実施形態に係る原子力電池の概略図を図６に示す。第４の実施形態の原子力電池８０では、重水素高濃度部８３に重水素ガスを供給し、重水素低濃度部８４にアルゴン（Ａｒ）ガスや窒素（Ｎ_２）ガスなどの不活性ガスを充填し、重水素高濃度部８３及び重水素低濃度部８４の圧力を、３．０３９７５×１０^５Ｐａ以上のほぼ同程度の圧力に維持する。こうすることで、重水素高濃度部８３と重水素低濃度部８４との圧力差により反応膜８１が損傷するのを防止することが出来る。この場合、容器８２は高圧対応の容器とすることが好ましい。

第４の実施形態の原子力電池８０において、重水素ガスは、濃度差により重水素高濃度部８３から反応膜８１を透過して重水素低濃度部８４へと流入する。ポンプ８６により重水素低濃度部８４から排出された重水素ガス及び不活性ガスは、ＰｄまたはＰｄ合金からなる水素透過膜フィルタ９１によって重水素ガスと不活性ガスとに分離される。重水素ガスは重水素高濃度部８３に循環されて供給され、不活性ガスはバイパスライン９２を通じて重水素低濃度部８３へと回収される。バイパスライン９２に、細管などで圧損をつける、あるいは、逆止弁を設ける、あるいは、定期的に開放するバルブを設けることにより、ポンプの昇圧を維持する。
第４の実施形態において、第３の実施形態と同様に、圧力計及びリザーバを重水素高濃度部に接続させ、重水素高濃度部内の重水素ガス圧が一定となるようにリザーバからの重水素ガス供給量を制御しても良い。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明の第１の実施形態に係る原子力電池の概略図である。 （ａ）は図１に示す原子力電池で使用される反応膜の断面図、（ｂ）は混合層の断面図である。 図１に示す原子力電池で使用される電極板の変形例の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る原子力電池の概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る原子力電池の概略図である。 本発明の第４の実施形態に係る原子力電池の概略図である。

符号の説明

１０，４０，６０，８０ 原子力電池
１１，４１，６１，８１ 反応膜
１２，４２，６２，８２ 容器
１３，４３，６３，８３ 重水素高濃度部
１４，４４，６４，８４ 重水素低濃度部
１５ ボンベ
１６，４６，６６，８６ ポンプ
１７，４７，６７，８７ 絶縁体
１８，４８，６８，８８ ヒータ
１９，４９，６９，８９ 電極板
２０，５０，７０，９０ 端子
２１ 構造体
２２ Ｐｄ基板
２３ 混合層
２４ Ｐｄ表面層
２５ Ｐｄ層
２６ ＣａＯ層
２７ 核種変換物質層
５１，７１ 不純物フィルタ
６５ リザーバ
７２ 圧力計
９１ 水素透過膜フィルタ
９２ バイパスライン

Claims (8)

1. 容器と、
   パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、前記構造体の表面上に接触させられた、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とからなる反応膜と、
   該反応膜により前記容器を分割して形成され、前記容器及び前記反応膜により密封可能な閉空間をなす重水素高濃度部及び重水素低濃度部と、
   前記重水素高濃度部内に前記反応膜に対向して配置される電極板と、
   前記重水素高濃度部に重水素ガスを供給する重水素供給手段と、
   前記重水素低濃度部を排気するための排気手段とを備える原子力電池。
2. 前記核種変換物質層が、前記構造体の前記重水素高濃度部の側の表面上に接触させられる請求項１に記載の原子力電池。
3. 前記構造体が、前記重水素低濃度部の側から前記重水素高濃度部の側に向かって順に、
   パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、
   該基材の表面上に形成され、パラジウムまたはパラジウム合金あるいはパラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とからなる混合層と、
   該混合層の表面上に形成され、パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成されている請求項１または請求項２に記載の原子力電池。
4. 前記重水素高濃度部が重水素雰囲気とされ、前記重水素低濃度部が真空または前記重水素高濃度部よりも低い圧力の重水素雰囲気とされる請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の原子力電池。
5. 前記重水素高濃度部が重水素雰囲気とされ、前記重水素低濃度部が重水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気とされ、前記重水素高濃度部及び前記重水素低濃度部の圧力が同程度とされる請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の原子力電池。
6. 前記重水素供給手段が、前記排気手段により前記重水素低濃度部から排気された重水素を、前記重水素高濃度部に循環させて供給する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の原子力電池。
7. 前記重水素高濃度部の圧力が一定になるように重水素の供給量を制御する制御手段を備える請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の原子力電池。
8. 前記電極板が、複数の導電板が絶縁板により互いに隔離され、前記複数の導電板が配線により直列に接続される構成とされる請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の原子力電池。

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