JP2010066114A - 核種変換装置及び核種変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】核種変換反応の反応量を増大することができる核種変換装置及び核種変換方法を提供する。
【解決手段】構造体２１と、重水素高圧部２５及び重水素低圧部２６と、高圧化手段３１と、低圧化手段２７と、構造体２１の重水素低圧部２６側近傍に配置された第１の温度調整手段２４と、構造体２１の一方の表面上に核種変換を施す物質を接触させる変換物質接触手段とを含むことを特徴とする核種変換装置３０。構造体２１の一方の表面側の重水素圧力を高くする高圧化処理と、構造体２１の他方の表面側の重水素圧力を低くする低圧化処理と、構造体２１の温度が重水素高圧側の重水素の温度よりも高くして、温度勾配を発生させる温度勾配発生処理と、構造体２１の重水素の圧力が高い側の表面側に核種変換を施す物質を接触させる変換物質接触処理とを含むこと核種変換方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、放射性廃棄物処理技術、自然界に豊富に存在する元素から希少な元素を生成する技術、凝集系核反応によるエネルギー発生技術などに係る核種変換装置及び核種変換方法に関する。

加速器や原子炉等の大規模な装置に比べて、相対的に小規模な装置で核種変換を行うことが可能な核種変換装置及び核種変換方法が、特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示される核種変換装置は、パラジウム（Ｐｄ）やパラジウム合金などの水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を含む構造体と、内部が気密保持可能とされた吸蔵室と、構造体を介して気密保持可能に設けられた放出室と、吸蔵室に重水素を供給する重水素供給手段と、放出室を真空状態にする排気手段とを備える。構造体の一方の表面に核種変換を施す物質を積層させるか、核種変換を施す物質を吸蔵室に供給して構造体の一方の表面に核種変換を施す物質を含む気体又は液体を接触させることによって、核種変換を施す物質が、構造体の一方の表面に接触される。構造体と核種変換を施す物質とが接触すると、吸蔵室から放出室に向かって重水素が構造体を透過する際、核種変換が発生する。
特開２００２−２０２３９２号公報

特許文献１の核種変換装置では、吸蔵室に重水素を供給し放出室を排気することによって、構造体を挟んで吸蔵室と放出室との間に重水素の濃度勾配を与えている。濃度勾配を与えると、構造体を透過する重水素量が増加して、構造体の吸蔵室側表面での重水素密度が増加し、反応量が増大する。しかし、多層構造体の吸蔵室側表面の重水素密度を高くして反応量を向上させるには、濃度勾配による重水素の拡散のみでは不十分であるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、構造体表面の重水素密度を向上させることにより、核種変換反応の反応量を増大することができる核種変換装置及び核種変換方法を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の核種変換装置は、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を含む構造体と、前記構造体を両側から挟み込むようにして配置され、前記構造体により密封可能な閉空間をなす重水素高圧部及び重水素低圧部と、前記重水素高圧部を、相対的に重水素の圧力が高い状態とする高圧化手段と、前記重水素低圧部を、相対的に重水素の圧力が低い状態とする低圧化手段と、前記構造体の前記重水素低圧部側近傍に配置され、前記構造体の温度を調整する第１の温度調整手段と、前記構造体の一方の表面上に核種変換を施す物質を接触させる変換物質接触手段とを含むことを特徴とする。

高圧化手段と低圧化手段とを設けることによって、構造体を挟んで重水素高圧部と重水素低圧部との間に重水素の濃度勾配を発生させることができる。更に、第１の温度調整手段を構造体の重水素低圧部側近傍に配置して、第１の温度調整手段により構造体の温度を調節する。これにより、構造体と、構造体の重水素高圧側表面近傍に存在する重水素との間に温度勾配を発生させることができる。本発明の核種変換装置によれば、重水素の濃度勾配と温度勾配とを発生させて、重水素の拡散を促進させることができるため、構造体を透過する重水素量を増大させることができる。さらに、構造体の重水素高圧部側表面での重水素濃度をより増加させることができる。その結果、核種変換反応量を増大させることが可能である。

上記発明において、前記重水素高圧部内の重水素の温度を調整する第２の温度調整手段を更に含むことが好ましい。

第２の温度調節器構を用いて重水素高圧側内部の重水素の温度を調整することにより、構造体の重水素高圧部側表面近傍の温度を調整することができる。そのため、構造体の重水素高圧部側表面近傍で発生する温度勾配を、容易に制御することができる。

上記発明において、前記第２の温度調整手段が、両端部が前記重水素高圧部に接続されたバイパス管と、該バイパス管の周囲に設けられた温度調節器とを備えていても良い。

上記構成によれば、重水素高圧部から排出された重水素がバイパス管を通過する間に、温度調節器により重水素の温度が調整される。温度調整された重水素は、重水素高圧部に供給される。温度調整された重水素により、構造体の重水素高圧部側の表面温度が精度良く調整される。これにより、構造体の重水素高圧部側表面近傍に、温度勾配を効果的に発生させることができる。また、重水素を清浄に保つことができるという利点も有する。

この場合、前記第２の温度調整手段が、前記重水素高圧部に設置された回転導入器と、該回転導入器の先端に取り付けられた羽根とを更に備えていても良い。

上記構成によれば、バイパス管を通して、重水素を効率良く循環させることができるので、構造体の重水素高圧部側表面近傍の温度の制御精度を向上させることができる。

上記発明において、前記バイパス管における前記重水素を前記重水素高圧部に供給する側の端部が、前記構造体の前記重水素高圧部側の表面近傍に配置されても良い。この場合、構造体の重水素高圧部側表面の温度の制御精度を更に向上させることができる。

本発明の核種変換方法は、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を含む構造体に対して、前記構造体の一方の表面側を相対的に重水素の圧力が高い状態とする高圧化処理と、前記構造体の他方の表面側を相対的に重水素の圧力が低い状態とする低圧化処理と、前記構造体の温度が、前記重水素の圧力が高い側の重水素の温度よりも高くして、構造体の重水素の圧力が高い側の表面近傍において温度勾配を発生させる温度勾配発生処理と、前記構造体の重水素の圧力が高い側の表面側に核種変換を施す物質を接触させる変換物質接触処理とを含むことを特徴とする。

高圧化処理と低圧化処理とによって、構造体を挟んで重水素高圧部と重水素低圧部との間に重水素の濃度勾配を発生させる。更に、構造体の温度が、重水素の圧力が高い側(重水素高圧部側)の重水素の温度よりも高くして、構造体の重水素高圧部側表面近傍において、構造体と重水素との温度勾配を発生させる。このように、重水素の濃度勾配と温度勾配とを発生させて、重水素の拡散を促進させることができるため、構造体を透過する重水素量を増大させるとともに、構造体の重水素高圧部側表面での重水素濃度をより増加させることができる。その結果、核種変換反応量を増大させることが可能である。

上記発明において、前記構造体の温度が、０℃以上１００℃以下に調整されることが好ましい。

このように、構造体の温度を０℃以上１００℃以下とすることにより、構造体の重水素の圧力が高い側の表面近傍における重水素濃度を高くすることができる。

上記発明において、前記構造体の温度が、前記重水素の圧力が高い側の重水素の温度よりも、１０℃から１００℃高いことが好ましい。

このように、構造体の温度を、重水素の圧力が高い側の重水素の温度よりも、１０℃から１００℃高くすることによって、構造体を透過する重水素量を増大させることができ、核種変換反応を促進させることができる。

上記発明において、前記変換物質接触処理が、前記構造体の一方の表面上に前記核種変換を施す物質を積層する変換物質積層処理、または、前記構造体の一方の表面上を前記核種変換を施す物質を含む気体または液体に曝す変換物質供給処理のいずれかの処理を含むことが好ましい。

これにより、重水素と核種変換を施す物質とで、再現性良く核種変換反応を発生させることができる。

上記発明によれば、構造体を挟んで重水素高圧部と重水素低圧部との間に重水素の濃度勾配を発生させるとともに、構造体の重水素高圧部側表面近傍において、構造体と重水素との温度勾配を発生させる。これにより、重水素の拡散を促進させることができ、更に、重水素高圧部側表面での重水素濃度を増加させることができる。その結果、構造体を透過する重水素量を増大させて、核種変換反応量を増大させることができる。

以下に、本発明に係る核種変換装置及び核種変換方法を説明する。
図１に、本発明に係る核種変換装置の核種変換部の一実施形態の概略図を示す。核種変換部１０において、構造体１１が、構造体固定部材１２及びＯリング１３によって固定される。構造体１１を挟んで、重水素高圧部１５及び重水素低圧部１６が形成される。重水素高圧部１５は、重水素低圧部１６よりも重水素の圧力が高い状態に維持される。これにより、構造体１１を挟んで重水素高圧部１５と重水素低圧部１６との間に、重水素の濃度勾配が発生する。重水素低圧部側の構造体固定部材１２に、第１の温度調整手段として、第１の温度調節器１４が設置される。第１の温度調節器１４は、加熱装置、冷却装置、または、加熱装置と冷却装置の両方を備える装置とされる。構造体１１の温度が重水素高圧部側の重水素の温度よりも高くなるように、第１の温度調節器１４により構造体１１の温度が調整される。

構造体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で構成される。例えば、構造体１１は、重水素低圧部１６側から重水素高圧部１５側に向かって、順に、Ｐｄ基板の表面上に、Ｐｄに対して相対的に仕事関数が低い物質（例えば、ＣａＯ）とＰｄとの混合層が形成され、この混合層の表面上にＰｄ表面層が積層された構成とされる。混合層は、Ｐｄ層とＣａＯ層とが交互に積層されても良い。

構造体１１の重水素高圧部側表面に、核種変換を施す物質が接触させられる。構造体の重水素高圧部側表面に核種変換を施す物質を接触させる方法として、構造体の重水素高圧部側表面に核種変換を施す物質を積層させる方法と、重水素高圧部に核種変換を施す物質を供給して、構造体の重水素高圧部側表面を核種変換を施す物質を含む重水素に曝す方法とが挙げられる。核種変換を施す物質として、セシウム（Ｃｓ）、炭素（Ｃ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ナトリウム（Ｎａ）などが挙げられる。

重水素の濃度勾配及び温度勾配によって構造体を透過する重水素量は、次式で表される。

Ｊ：構造体を透過する重水素量
Ｊ_{ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ}：濃度勾配に起因する拡散による重水素透過量
Ｊ_{ｄｒｉｆｔ}：温度勾配に起因する拡散による重水素透過量
Ｄ：重水素の拡散係数
ｎ：重水素の密度（単位体積あたりの重水素の個数）
∇ｎ：濃度勾配（重水素の密度差を構造体の厚さで除した値）
Ｍ：水素の移動度
Ｆ：温度勾配による駆動力

重水素の拡散係数Ｄと水素の移動度Ｍとの間には、一般に次式の関係がある。

ｋ_Ｂ：ボルツマン定数
Ｔ：温度

温度勾配による駆動力Ｆは、次式で表される。

Ｑ^＊：輸送熱
∇Ｔ：温度勾配（構造体と重水素高圧部の重水素との温度差を、構造体の厚さで除した値）

従って、構造体を透過する重水素量Ｊは、次式で表すことができる。

構造体にパラジウムを適用した場合、パラジウムがβ相であると、格子歪により材料が脆化する。このとき、パラジウムと核種変換を施す物質が接触すると、核種変換が発生する。一般に、温度及び圧力によりパラジウムが相変化することが知られており、低温領域でパラジウムがβ相となる。

本実施形態の重水素高圧部に適用できる重水素圧力範囲である０．５気圧（５．０６６×１０^４Ｐａ）以上２．０気圧（２．０２７×１０^５Ｐａ）以下での、温度とパラジウム中の重水素密度との関係を図２に示す。同図において、横軸はパラジウムの温度、縦軸はパラジウム中の重水素の密度ｎである。パラジウムがβ相となる低温領域では、パラジウム中の重水素密度ｎが高いが、パラジウムがβ相からα相に相変化することに伴い、パラジウム中の重水素密度ｎが急激に減少する。一方、重水素の拡散係数Ｄは、温度が高いほど大きくなる傾向がある。重水素密度ｎ及び重水素の拡散係数Ｄを考慮すると、構造体の温度は、０℃以上１００℃以下、好ましくは２５℃以上９０℃以下、より好ましくは６０℃以上８０℃以下とされる。

上述の式から分かるように、温度勾配に起因する拡散による重水素量は、温度勾配∇Ｔに比例する。構造体の温度を上述の範囲とした場合、温度勾配∇Ｔと重水素高圧部側での重水素の拡散を考慮すると、重水素高圧部内の重水素温度と構造体の温度との差は、１０℃以上１００℃以下、好ましくは２０℃以上１００℃以下、より好ましくは３０℃以上１００℃以下とされる。

本実施形態における構造体（パラジウム）温度、該構造体温度における重水素濃度、及び、温度勾配を式（４）に当てはめると、第１項（濃度勾配による項）に対する第２項（温度勾配による項）の割合は、０．１〜１となる。すなわち、温度勾配による項の寄与分を大きくすることができる。すなわち、構造体の温度、及び、構造体と重水素高圧部内の重水素との温度差を上記範囲に制御することにより、構造体を透過する重水素量を増大させることができる。その結果、核種変換反応が促進される。

図３に、第１の実施形態に係る核種変換装置の概略図を示す。
第１の実施形態に係る核種変換装置３０は、内部が気密保持可能とされた重水素高圧部２５と、重水素高圧部２５内に配置された核種変換部２０と、核種変換部２０の構造体２１を介して内部が気密保持可能とされた重水素低圧部２６とを備える。核種変換部２０は、図１と同様の構成とされる。なお、本実施形態では、構造体の重水素高圧部側表面に、核種変換を施す物質を含む層が形成されている。

重水素高圧部２５の高圧化手段として、ボンベなどの重水素供給部３１が接続される。
重水素供給部３１により、重水素高圧部２５内の圧力が、０．５気圧以上２．０気圧以下に維持される。重水素低圧部２６に、低圧化手段として真空ポンプなどの排気部２７が接続されており、重水素低圧部２６内部が真空とされる。これにより、構造体の重水素高圧部２５側と重水素低圧部２６側との間に、重水素の濃度勾配が生じる。

重水素低圧部側の構造体固定部材２２に、第１の温度調整手段として、第１の温度調節器２４が設置される。第１の温度調節器２４は、加熱装置、冷却装置、または、加熱装置と冷却装置の両方を備える装置とされる。第１の温度調節器２４により、構造体の温度が、０℃以上１００℃以下、好ましくは２５℃以上９０℃以下、より好ましくは６０℃以上８０℃以下に調整される。例えば、構造体の温度は約７０℃とされる。構造体を上記温度範囲とすることにより、構造体の重水素高圧部側表面近傍の重水素濃度が増加する。

重水素高圧部の外周に、第２の温度調整手段として、第２の温度調節器２８が設置される。本実施形態において、第２の温度調節器２８は、加熱装置、冷却装置、または、加熱装置と冷却装置の両方を備える装置とされる。冷却装置は、例えば、ペルチェ素子、水冷パイプ、冷却空気を重水素高圧部の外周に吹き付けるためのファンなどとされる。第２の温度調節器により、重水素高圧部内の重水素の温度が調整される。これにより、構造体と重水素高圧部内の重水素との温度差が、１０℃以上１００℃以下、好ましくは２０℃以上１００℃以下、より好ましくは３０℃以上１００℃以下になる。例えば、重水素の温度が２０℃に調整されると、温度差は５０℃となる。

濃度勾配及び温度勾配により、重水素高圧部２５から重水素低圧部２６に向かって、重水素が構造体２１を透過する。その結果、構造体２１の重水素高圧部側表面に形成された核種変換を施す物質からなる層において、核種変換反応が発生する。

また、本実施形態の核種変換装置では、第１の温度調節器２４により、核種変換部２０周囲の重水素が加熱され、核種変換部２０周囲の重水素が重水素高圧部２５の上部へと上昇する。上昇した重水素は、第２の温度調節器２８により冷却されて下降する。従って、重水素高圧部２５内で重水素の対流が発生する。そのため、構造体の重水素高圧部側表面近傍に冷却された重水素が常に供給されるので、温度調整された重水素によって構造体の重水素高圧部側の表面温度を精度良く制御することができる。そのため、温度勾配が維持され、構造体を透過する重水素の量を、多い状態で安定させることができる。

図４に、第２の実施形態に係る核種変換装置の概略図を示す。
第２の実施形態に係る核種変換装置５０は、図３と同様の重水素高圧部４５、重水素低圧部４６、核種変換部４０、重水素供給部５１及び排気部４７とを備える。本実施形態において、第２の温度調整手段は、両端部が重水素高圧部４５に接続されるバイパス管４９と、バイパス管４９の周囲に設けられた第２の温度調節器４８とを備える。

第１の実施形態と同様に、構造体４１の温度が重水素高圧部４５内の重水素の温度よりも高くなるように、構造体４１の温度が第１の温度調節器４４によって調節され、重水素高圧部４５内の重水素の温度が第２の温度調節気４８によって調整される。濃度勾配及び温度勾配により、重水素高圧部４５から重水素低圧部４６に向かって、重水素が構造体４１を透過する際、構造体４１表面に形成された核種変換を施す物質からなる層において核種変換反応が発生する。

本実施形態においても、第１の温度調節器４４によって核種変換部４０周囲の重水素が加熱されて、重水素高圧部４５の上部に上昇する。上昇した重水素は、バイパス管４９を通過する間に第２の温度調節器４８によって冷却される。冷却された重水素は、重水素高圧部４５の下方部から重水素高圧部４５内部に還流される。第２の実施形態では、重水素をバイパス管４９に通すことにより、重水素を効率良く循環させることができるので、温度勾配の制御が容易となる。また、重水素を清浄に保つことができる。

なお、図３及び図４の核種変換装置は、構造体が垂直に配置された構成であるが、自然対流が生じるのであれば、例えば構造体を重水素高圧部の上部に向けて斜めに配置されても良い。

図５に、第３の実施形態に係る核種変換装置の概略図を示す。
第３の実施形態に係る核種変換装置７０は、第２の実施形態の核種変換装置の下方部に、回転導入器７３、及び、回転導入器７３の先端に取り付けられた羽根７２を備える構造である。回転導入器７３を用いて羽根７２を回転させることによって、重水素高圧部６５内部の重水素を上昇させることができる。上昇した重水素は、バイパス管６９を通過する間に、第２の温度調節器６８によって冷却される。冷却された重水素は、バイパス管６９を通って重水素高圧部６５の下方部から重水素高圧部４５内部に還流される。本実施形態の核種変換装置では、重水素を強制的に重水素高圧部からバイパス管に排出させると同時に、重水素高圧部へと還流させることができる。そのため、温度調整された重水素により構造体の重水素高圧部側の表面温度の精度制御をより向上させることができる。

図６に、第４の実施形態に係る核種変換装置の概略図を示す。
第４の実施形態に係る核種変換装置９０は、第２の温度調整手段として、両端部が重水素高圧部８５に接続されるバイパス管９４と、バイパス管９４に設けられた温度調節器９３とを備える。バイパス管９４の一方の先端部９５は、構造体８１近傍に設置される。バイパス管９４には、ポンプ９２が設置される。重水素高圧部８５内部の重水素を、ポンプ９２によって、バイパス管９４を経由して重水素高圧部８５に還流させる。

本実施形態によると、バイパス管９４の先端部９５を構造体８１近傍に設置することによって、温度調整された重水素を構造体の重水素高圧部側表面に効率良く供給できる。このため、構造体の重水素高圧部側の表面温度の制御精度が向上するとともに、表面の重水素密度が増大するので、反応量を増大させることができる。

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。

本発明に係る核種変換装置の核種変換部の一実施形態の概略図である。 構造体温度とパラジウム中の重水素密度との関係を示すグラフである。 第１の実施形態に係る核種変換装置の概略図である。 第２の実施形態に係る核種変換装置の概略図である。 第３の実施形態に係る核種変換装置の概略図である。 第４の実施形態に係る核種変換装置の概略図である。

符号の説明

３０，５０，７０，９０ 核種変換装置
１０，２０，４０，６０，８０ 核種変換部
１１，２１，４１，６１，８１ 構造体
１２，２２ 構造体固定部材
１３ Ｏリング
１４，２４，４４，６４，８４ 第１の温度調節器
１５，２５，４５，６５，８５ 重水素高圧部
１６，２６，４６，６６，８６ 重水素低圧部
２７，４７，６７，８７ 排気部
２８，４８，６８，９３ 第２の温度調節器
３１，５１，７１，９１ 重水素供給部
４９，６９，９４ バイパス管
７２ 羽根
７３ 回転導入器
９２ ポンプ
９５ バイパス管先端部

Claims (9)

1. 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を含む構造体と、
   前記構造体を両側から挟み込むようにして配置され、前記構造体により密封可能な閉空間をなす重水素高圧部及び重水素低圧部と、
   前記重水素高圧部を、相対的に重水素の圧力が高い状態とする高圧化手段と、
   前記重水素低圧部を、相対的に重水素の圧力が低い状態とする低圧化手段と、
   前記構造体の前記重水素低圧部側近傍に配置され、前記構造体の温度を調整する第１の温度調整手段と、
   前記構造体の一方の表面上に核種変換を施す物質を接触させる変換物質接触手段とを含むことを特徴とする核種変換装置。
2. 前記重水素高圧部内の重水素の温度を調整する第２の温度調整手段を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の核種変換装置。
3. 前記第２の温度調整手段が、両端部が前記重水素高圧部に接続されたバイパス管と、該バイパス管の周囲に設けられた温度調節器とを備えることを特徴とする請求項２に記載の核種変換装置。
4. 前記第２の温度調整手段が、前記重水素高圧部に設置された回転導入器と、該回転導入器の先端に取り付けられた羽根とを更に備えることを特徴とする請求項３に記載の核種変換装置。
5. 前記バイパス管における前記重水素を前記重水素高圧部に供給する側の端部が、前記構造体の前記重水素高圧部側の表面近傍に配置されることを特徴とする請求項３に記載の核種変換装置。
6. 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を含む構造体に対して、
   前記構造体の一方の表面側を相対的に重水素の圧力が高い状態とする高圧化処理と、
   前記構造体の他方の表面側を相対的に重水素の圧力が低い状態とする低圧化処理と、
   前記構造体の温度が、前記重水素の圧力が高い側の重水素の温度よりも高くして、構造体の重水素の圧力が高い側の表面近傍において温度勾配を発生させる温度勾配発生処理と、
   前記構造体の重水素の圧力が高い側の表面側に核種変換を施す物質を接触させる変換物質接触処理とを含むことを特徴とする核種変換方法。
7. 前記構造体の温度が、０℃以上１００℃以下に調整されることを特徴とする請求項６に記載の核種変換方法。
8. 前記構造体の温度が、前記重水素の圧力が高い側の重水素の温度よりも、１０℃から１００℃高いことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の核種変換方法。
9. 前記変換物質接触処理が、前記構造体の一方の表面上に前記核種変換を施す物質を積層する変換物質積層処理、または、前記構造体の一方の表面上を前記核種変換を施す物質を含む気体または液体に曝す変換物質供給処理のいずれかの処理を含むことを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の核種変換方法。

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