JP2011149863A - Nuclide transmutation device and nuclide transmutation method - Google Patents
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Abstract
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おいて、核種変換を施される物質が添加される構造体を透過する重水素ガスの透過量を増大させる装置及び方法に関する。 The present invention performs nuclide conversion in a radionuclide conversion apparatus and a nuclide conversion method related to radioactive waste processing technology, technology for generating rare elements from elements abundant in nature, energy generation technology by agglomeration nuclear reaction, and the like. The present invention relates to an apparatus and a method for increasing the permeation amount of deuterium gas that permeates through a structure to which a substance to be added is added.
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及び特許文献2に開示されている。
上記文献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と、これらより相対的に仕事関数が低い物質とを含む構造体と、内部が気密保持可能とされた吸蔵室と、構造体を挟んで気密保持可能に設けられた放出室と、吸蔵室に重水素ガス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される物質を添加される。 The nuclide conversion device disclosed in the above document includes a structure including a hydrogen storage metal or a hydrogen storage alloy such as palladium (Pd) or a palladium alloy, and a material having a relatively lower work function than these, and the inside is kept airtight. An occlusion chamber made possible, a discharge chamber provided so as to be kept airtight across the structure, deuterium supply means for supplying deuterium gas to the occlusion chamber, and exhaust means for evacuating the discharge chamber Prepare. A substance to be subjected to nuclide conversion is added to one surface of the structure.
まず、吸蔵室及び放出室を真空排気した後、構造体を例えば70℃に加熱する。その後、吸蔵室の真空排気を停止して、吸蔵室に重水素ガスを導入する。吸蔵室から放出室に向かって、圧力差により重水素ガスが構造体を透過するが、このとき、構造体の表面に核種変換を施される物質が添加されているために、核種変換が発生する。 First, after the storage chamber and the discharge chamber are evacuated, the structure is heated to 70 ° C., for example. Thereafter, evacuation of the storage chamber is stopped, and deuterium gas is introduced into the storage chamber. Deuterium gas permeates through the structure due to a pressure difference from the storage chamber to the discharge chamber, but at this time, the nuclide conversion occurs because the substance that is subjected to nuclide conversion is added to the surface of the structure. To do.
特許文献1及び特許文献2の核種変換装置では、吸蔵室に重水素ガス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ガス量が増加して、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、吸蔵室と放出室との間で十分な気密性を保つために構造体を挟む際にシールが必要である上、装置構成が煩雑となっている。さらに、吸蔵室と放出室との圧力差に耐えうるように、構造体を厚くする必要があった。
In the nuclide conversion devices of
However, in order to maintain sufficient airtightness between the storage chamber and the discharge chamber, a seal is required when sandwiching the structure, and the apparatus configuration is complicated. Furthermore, it is necessary to increase the thickness of the structure so as to withstand the pressure difference between the storage chamber and the discharge chamber.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、構成が簡素であり、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させることができる核種変換装置、及び、その装置を用いた核種変換方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, has a simple configuration, and can improve the deuterium density on the surface of the structure, thereby increasing the reaction amount of the nuclide conversion reaction, And it aims at providing the nuclide conversion method using the apparatus.
上記課題を解決するために、本発明の核種変換装置は、チャンバと、該チャンバ内部に重水素を供給する重水素供給部と、前記チャンバ内部に配置され、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金属と、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、前記チャンバ内に配置され、前記構造体の温度を変動させる温度調整部とを備え、前記構造体の前記温度調整部が配置される側の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層が設けられ、前記構造体の前記温度調整部が配置される側と反対側の表面に、核種変換を施される物質が添加させられる。 In order to solve the above problems, a nuclide conversion device according to the present invention includes a chamber, a deuterium supply unit for supplying deuterium into the chamber, and palladium, a palladium alloy, or other than palladium. A hydrogen storage metal other than the hydrogen storage metal or palladium alloy, a structure having a material having a relatively low work function with respect to these, and a temperature adjustment arranged in the chamber to vary the temperature of the structure A deuterium barrier layer containing a substance that does not allow permeation of deuterium is provided on a surface of the structure on the side where the temperature adjusting unit is arranged, and the temperature adjusting unit of the structure is arranged A substance subjected to nuclide conversion is added to the surface opposite to the side.
また、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金属と、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の一の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層を形成する重水素バリア層形成工程と、前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と反対側の表面に、核種変換を施される物質を添加させる核種変換部形成工程と、前記重水素バリア層形成工程及び前記核種変換部形成工程の後に、前記構造体をチャンバ内に設置し、前記チャンバ内に重水素を供給する重水素供給工程と、前記構造体の温度を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が高くなる温度以下に設定して、前記構造体内部へ前記重水素を透過させる重水素透過工程と、前記構造体の温度を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が低くなる温度以上に設定して、前記構造体内部から前記重水素を排出させる重水素排出工程とを含む。 In addition, the nuclide conversion method of the present invention includes a structure having palladium or a palladium alloy, or a hydrogen storage metal other than palladium or a hydrogen storage metal other than a palladium alloy, and a substance having a relatively low work function. A deuterium barrier layer forming step of forming a deuterium barrier layer containing a substance that does not allow deuterium permeation on one surface, and a surface of the structure opposite to the surface provided with the deuterium barrier layer, After the nuclide conversion part forming step of adding a substance to be subjected to nuclide conversion, the deuterium barrier layer forming step and the nuclide conversion part forming step, the structure is installed in a chamber, and deuterium is placed in the chamber. A deuterium supply step for supplying the temperature of the structure, the palladium, the palladium alloy, a hydrogen storage metal other than the palladium, or the palladium alloy. A deuterium permeation step of allowing the deuterium to permeate into the structure by setting the temperature below the temperature at which the deuterium density in the outer hydrogen storage metal is increased, and the temperature of the structure is the palladium, the palladium alloy And a deuterium discharging step of discharging the deuterium from the inside of the structure by setting the deuterium density in the hydrogen absorbing metal other than palladium or the hydrogen absorbing metal other than the palladium alloy to be lower than the temperature. .
パラジウムなどの水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金は、温度により重水素の吸蔵量、すなわち、水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金中の重水素密度が異なる。本発明の核種変換装置及び核種変換方法は、この水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金中の重水素密度の温度依存性を利用し、従来よりも簡素な構成の核種変換装置により、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を含む構造体へ重水素を透過させて、構造体表面に設けられる核種変換物質の近傍で重水素濃度を高めることができる。その結果、核種変換反応を増大させることができる。
また、本発明によれば、特許文献1及び特許文献2のように、構造体を高圧部と低圧部とで挟まないために、構造体は圧力差に耐え得る強度を要求されない。そのため、構造体を薄くすることが可能である。
A hydrogen storage metal such as palladium and a hydrogen storage alloy have different deuterium storage amounts, that is, deuterium densities in the hydrogen storage metal and the hydrogen storage alloy, depending on the temperature. The nuclide conversion apparatus and the nuclide conversion method of the present invention utilize the temperature dependence of the deuterium density in the hydrogen storage metal and the hydrogen storage alloy, and use a nuclide conversion apparatus having a simpler configuration than the conventional structure to make the hydrogen storage metal or hydrogen By allowing deuterium to pass through the structure including the storage alloy, the deuterium concentration can be increased in the vicinity of the nuclide conversion substance provided on the structure surface. As a result, the nuclide conversion reaction can be increased.
Further, according to the present invention, unlike in
本発明の核種変換装置は、チャンバと、該チャンバ内部に重水素を供給する重水素供給部と、前記チャンバ内部の圧力を変化させる圧力調整部と、前記チャンバ内に配置され、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金属と、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を備え、前記構造体の一の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層が設けられ、前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と別の表面に、核種変換を施される物質が添加させられる。 The nuclide conversion device of the present invention includes a chamber, a deuterium supply unit for supplying deuterium into the chamber, a pressure adjusting unit for changing the pressure inside the chamber, and a palladium or palladium alloy disposed in the chamber. Or a structure having a hydrogen storage metal other than palladium or a hydrogen storage metal other than a palladium alloy, and a substance having a relatively low work function with respect to these metals, A deuterium barrier layer containing a substance that does not allow permeation of hydrogen is provided, and a substance that is subjected to nuclide conversion is added to a surface different from the surface of the structure on which the deuterium barrier layer is provided.
上記発明において、前記圧力調整手段が、前記チャンバに接続され、前記チャンバ内の重水素を排気する重水素排気部であっても良い。 In the above invention, the pressure adjusting means may be a deuterium exhaust section connected to the chamber and exhausting deuterium in the chamber.
また、上記発明において、前記圧力調整手段が、前記チャンバの外側に接続されて前記チャンバとともに密閉状態とされ、内部の体積が変動可能とされる体積変動部と、前記体積変動部を収納するように設けられ、内部が気密とされる容器と、前記容器に接続され、容器内に気体を供給する気体供給手段と、前記容器に接続され、前記容器内の前記気体を排気する気体排気部とを備えても良い。 Further, in the above invention, the pressure adjusting means is connected to the outside of the chamber and is sealed together with the chamber, so that the volume changing portion capable of changing the internal volume and the volume changing portion are accommodated. A container that is airtight inside, a gas supply unit that is connected to the container and supplies gas into the container, and a gas exhaust unit that is connected to the container and exhausts the gas in the container. May be provided.
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金属と、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の一の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層を形成する重水素バリア層形成工程と、前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と別の表面に、核種変換を施される物質を添加させる核種変換部形成工程と、前記重水素バリア層形成工程及び前記核種変換部形成工程の後に、前記構造体をチャンバ内に設置し、前記チャンバ内に重水素を供給する重水素供給工程と、前記チャンバ内の重水素圧力を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が高くなる圧力以上に上昇させて、前記構造体内部へ前記重水素を透過させる重水素透過工程と、前記チャンバ内の重水素圧力を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が低くなる圧力以下に低下させて、前記構造体内部から前記重水素を排出させる重水素排出工程とを含む。 The nuclide conversion method of the present invention is a structure having palladium or a palladium alloy, or a hydrogen storage metal other than palladium or a hydrogen storage metal other than a palladium alloy, and a substance having a relatively low work function. A deuterium barrier layer forming step of forming a deuterium barrier layer containing a substance that does not allow permeation of deuterium on the surface of the structure, and nuclide conversion on a surface different from the surface on which the deuterium barrier layer of the structure is provided. After the nuclide conversion part forming step of adding a substance to be applied, the deuterium barrier layer forming step, and the nuclide conversion part forming step, the structure is installed in a chamber and deuterium is supplied into the chamber. A deuterium supply step and a deuterium pressure in the chamber, the palladium, the palladium alloy, a hydrogen storage metal other than the palladium, or the palladium alloy. A deuterium permeation step of increasing the deuterium density in the outer hydrogen storage metal to a pressure higher than that to allow the deuterium to permeate into the structure, and deuterium pressure in the chamber with the palladium, A deuterium discharging step of discharging the deuterium from the inside of the structure by reducing to a pressure lower than a pressure at which a deuterium density in the hydrogen storing metal other than the palladium alloy, the palladium or the hydrogen storing metal other than the palladium alloy is reduced; including.
上記水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金は、圧力により重水素の吸蔵量、すなわち、水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金中の重水素密度が異なる。本発明の核種変換装置及び核種変換方法は、この重水素密度の圧力依存性を利用し、構造体を挟んで圧力の異なる放出室と吸蔵室とを設けなくても、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を含む構造体へ重水素を透過させ、構造体表面に設けられる核種変換物質の近傍で重水素濃度を高めることができる。その結果、核種変換反応を増大させることができる。
また本発明では、構造体には圧力差に耐え得る強度が要求されない。そのため、構造体を薄くすることが可能である。
The hydrogen storage metal and the hydrogen storage alloy have different deuterium storage amounts, that is, the deuterium density in the hydrogen storage metal and the hydrogen storage alloy, depending on the pressure. The nuclide conversion apparatus and the nuclide conversion method of the present invention utilize the pressure dependence of the deuterium density, and without providing a release chamber and a storage chamber with different pressures across the structure, a hydrogen storage metal or a hydrogen storage Deuterium can be permeated into the structure including the alloy, and the deuterium concentration can be increased in the vicinity of the nuclide conversion substance provided on the surface of the structure. As a result, the nuclide conversion reaction can be increased.
In the present invention, the structure is not required to have enough strength to withstand the pressure difference. Therefore, the structure can be thinned.
上記核種変換装置において、前記構造体の前記重水素バリア層及び前記核種変換を施される物質が添加させられた表面以外の表面に、重水素を透過させない物質を含む被覆部材が設けられることが好ましい。 In the nuclide conversion device, a covering member containing a substance that does not allow permeation of deuterium may be provided on a surface other than the surface of the structure to which the deuterium barrier layer and the substance subjected to the nuclide conversion are added. preferable.
また、上記核種変換方法において、前記構造体の前記重水素バリア層及び前記核種変換を施される物質が添加させられた表面以外の表面に、前記重水素を透過させない物質を含む被覆部材を設ける被覆部材形成工程を更に含むことが好ましい。 In the nuclide conversion method, a covering member containing a substance that does not allow permeation of the deuterium is provided on a surface other than the surface of the structure to which the deuterium barrier layer and the substance subjected to the nuclide conversion are added. It is preferable to further include a covering member forming step.
このように、核種変換を施される物質が添加させられた表面以外の面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層や上述の被覆部材を設けると、核種変換を施される物質が添加させられた表面からのみ重水素が構造体内部に透過する。この結果、核種変換反応効率をより向上させることが可能である。 Thus, when a deuterium barrier layer containing a substance that does not allow deuterium permeation is provided on a surface other than the surface to which the substance subjected to nuclide conversion is added, the substance that is subjected to nuclide conversion Deuterium permeates into the structure only from the surface to which is added. As a result, it is possible to further improve the nuclide conversion reaction efficiency.
本発明は、簡素な構成の装置により、構造体内部へ重水素を透過させ、核種変換を施す物質が添加させられた構造体表面近傍での重水素濃度を高めることができる。その結果、核種変換反応を増大させることができる。 The present invention can increase the concentration of deuterium in the vicinity of the surface of a structure to which a substance that performs nuclide conversion is added by allowing deuterium to permeate into the structure by an apparatus having a simple configuration. As a result, the nuclide conversion reaction can be increased.
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態に係る核種変換装置の概略図である。核種変換装置10は、内部が気密とされたチャンバ11と、チャンバ11に接続される重水素供給部12とを備える。重水素供給部12は、重水素ボンベ13と、チャンバ11と重水素ボンベ13との間に配置されたバルブ14A,14Bとされる。
チャンバ11の内部には、構造体15と温度調整部16とが配置される。また、チャンバ11には、チャンバ11内部を排気するためのチャンバ排気部17が接続される。チャンバ排気部17は、例えばターボ分子ポンプ18及びロータリーポンプ19と、チャンバ11とターボ分子ポンプ18との間に設けられるバルブ20とされる。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic diagram of a nuclide conversion apparatus according to the first embodiment. The
Inside the
図2に、構造体の一例の断面概略図を示す。構造体は、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。具体的に、図2に示される平板状とされる構造体15Aは、Pd基板21の表面に、Pdに対して相対的に仕事関数が低い物質(例えばCaO)とPdとが交互に積層された混合層22が形成され、混合層22の表面にPd層23が形成される。混合層22は、例えばPd基板21側から順に、CaOとPdとが交互に計8層積層され、更に最上層にCaOが形成されたものとされる。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an example of the structure. The structure is composed of palladium (Pd) or a Pd alloy, or a hydrogen storage metal other than Pd (such as Ti) or an alloy thereof, and a substance having a relatively low work function. Specifically, in the plate-
Pd層23の表面に、核種変換を施される物質が添加させられ、核種変換部24が形成される。核種変換が施される物質の例として、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。Pd層23表面に核種変換を施される物質を添加させる方法として、Pd層23表面に核種変換を施される物質を積層させる方法と、Pd層23表面を核種変換が施される物質を含む重水素に曝す方法とが挙げられる。
A substance to be subjected to nuclide conversion is added to the surface of the Pd layer 23 to form a
Pd基板21の混合層22が設けられた表面と反対側の面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層25が設けられる。重水素を透過させない物質の例として、銅(Cu)、金(Au)、シリコン(Si)、ステンレス鋼(SUS304、SUS316Lなど)、酸化処理した鉄(Fe)、SiO2が挙げられる。重水素バリア層25は、Pd基板21の表面に公知の方法により成膜されたものでも良く、基板状のものをPd基板21と接着させたものでも良い。
A
図3に、構造体の別の例の断面概略図を示す。図3の構造体15Bは、平板状とされる重水素バリア層25の表面に、PdとCaOとが交互に積層された混合層22が形成され、混合層22の表面にPd層23が形成される。Pd層23の表面に、上述のようにして、核種変換部24が形成される。
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of another example of the structure. In the
構造体15A,15Bの核種変換部24及び重水素バリア層25が設けられない表面(側面)には、図2及び図3に示すように、被覆部材26を設けることができる。被覆部材26は冶具等とされ、上述した重水素を透過させない物質を含む。被覆部材26は、図2及び図3のように、核種変換部24及び重水素バリア層25の一部を覆っていても良い。
As shown in FIGS. 2 and 3, a covering
構造体15は、重水素バリア層が温度調整部16に対向するように、チャンバ11内に配置される。構造体15と温度調整部16とは接触されても良いし、温度調整部16から構造体15に伝熱可能な距離で離間されて配置されても良い。
The
温度調整部16は、例えばヒータ等の加熱装置とされる。あるいは、加熱装置と冷却装置とが組み合わされたものでも良い。
The
第1実施形態の核種変換装置を用いて核種変換を行う方法を、図1を用いて説明する。
構造体15がチャンバ11内の温度調整部16上に配置された後、ポンプ18,19とチャンバ11とを連結する配管のバルブ20が開放される。こうすることで、チャンバ排気手段17によりチャンバ11内部が真空排気される。
A method for performing nuclide conversion using the nuclide conversion apparatus of the first embodiment will be described with reference to FIG.
After the
チャンバ内部が十分に排気される(例えば、0.1Pa以下、好ましくは1×10−4Pa以下)と、ポンプ18.19とチャンバ11とを連結する配管のバルブ20が閉鎖される。次いで、温度調整部16は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が高くなる温度以下となるように構造体15の温度を制御し、保持する。
When the inside of the chamber is sufficiently evacuated (for example, 0.1 Pa or less, preferably 1 × 10 −4 Pa or less), the
構造体15の温度が制御された後、重水素ボンベ13とチャンバ11とを連結する配管のバルブ14A,14Bが開放され、ボンベ13からチャンバ11内に重水素が導入される。
図4に、各構造体圧力における、構造体の温度とPd中の水素密度との関係を表すグラフを示す。同図において、横軸は構造体の温度、縦軸はPd中の水素密度である。なお、図4の水素密度は、重水素密度と読み替えることが可能である。
図4によれば、同じ圧力では、温度が上昇するとPd中の重水素密度が上昇する傾向がある。また、各圧力において、Pd中の重水素密度が急激に変化する温度が存在する。
After the temperature of the
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature of the structure and the hydrogen density in Pd at each structure pressure. In the figure, the horizontal axis represents the temperature of the structure, and the vertical axis represents the hydrogen density in Pd. Note that the hydrogen density in FIG. 4 can be read as deuterium density.
According to FIG. 4, at the same pressure, the deuterium density in Pd tends to increase as the temperature increases. At each pressure, there is a temperature at which the deuterium density in Pd changes abruptly.
構造体を保持する温度は、図4に例示されるグラフに基づいて、チャンバ11内部の圧力及びPd中の重水素密度が急激に変化する温度を考慮して、適宜設定される。すなわち、重水素を安定して透過させるためには、構造体の温度は、Pd中の重水素密度が急激に変化する温度より小さい値に設定される。例えば、0.5気圧の場合は120℃以下、1気圧の場合は140℃以下とされる。
Based on the graph illustrated in FIG. 4, the temperature at which the structure is held is appropriately set in consideration of the pressure inside the
所定圧力において水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が高くなる温度以下に設定されていると、構造体15表面から内部に向かって重水素が透過する。重水素が核種変換部24を透過すると、核種変換反応が発生する。このとき、核種変換部24表面での重水素密度が構造体内部の重水素密度よりも高いため、核種変換反応が促進される。
なお、重水素バリア層25側からは、重水素は構造体15内部に侵入しない。また、図2及び図3のように被覆部材26を設けることにより、構造体15側面からの重水素侵入が防止される。このため、核種変換部24を介してのみ重水素を透過させることができるので、核種変換効率が向上する。
When the deuterium density in the hydrogen storage metal or hydrogen storage alloy is set to a temperature lower than that at a predetermined pressure, deuterium permeates from the surface of the
Note that deuterium does not enter the
構造体15内部の重水素量が飽和状態に達すると、構造体15内部への重水素の透過速度が低下するとともに、核種変換反応効率も低下する。
構造体15内部への重水素透過速度が所定値以下になると、温度調整部16は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が低い温度以上になるように、構造体15の温度を制御し、保持する。このときの温度は、図4に例示されるグラフに基づいて、チャンバ11内部の圧力により適宜設定される。例えば、0.5気圧の場合は130℃以上、1気圧の場合は155℃以上とされる。こうすると、構造体15中に吸蔵される重水素密度が低くなるために、構造体15から、重水素バリア層や被覆部材が設けられない部分を通過して重水素が放出される。
When the amount of deuterium in the
When the deuterium permeation rate into the
構造体15内部の重水素量が十分に放出され、重水素放出速度が所定値以下となると、温度調整部16は、構造体15の温度を水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が高くなる温度以下となるように制御し、保持する。こうすることで、核種変換部を通過する際に核種変換反応が発生する。
上述の構造体温度制御を繰り返すことで、核種変換反応を高効率で継続させることができる。
When the amount of deuterium in the
By repeating the above structure temperature control, the nuclide conversion reaction can be continued with high efficiency.
重水素透過速度及び重水素放出速度は、重水素の拡散速度、温度、及び構造体各層の膜厚に基づいて算出される。算出される重水素透過速度及び重水素放出速度に基づいて、構造体中の重水素密度が高い温度で保持される時間、及び、重水素密度が低い温度で保持される時間が設定される。 The deuterium permeation rate and deuterium release rate are calculated based on the deuterium diffusion rate, temperature, and film thickness of each layer of the structure. Based on the calculated deuterium permeation rate and deuterium release rate, a time for maintaining the deuterium density in the structure at a high temperature and a time for maintaining the deuterium density at a low temperature are set.
<第2実施形態>
第2実施形態として、図1と同様の構成の核種変換装置を用いて核種変換を実施する方法を説明する。本実施形態では、図2及び図3と同様の構造体を使用可能である。
Second Embodiment
As a second embodiment, a method for performing nuclide conversion using a nuclide conversion apparatus having the same configuration as that of FIG. 1 will be described. In the present embodiment, a structure similar to that shown in FIGS. 2 and 3 can be used.
構造体15がチャンバ11内の温度調整部16上に配置された後、ポンプ18,19とチャンバ11とを連結する配管のバルブ20が開放されて、チャンバ排気部17によりチャンバ11内部が真空排気される。
After the
チャンバ11内部が十分に排気される(例えば、0.1Pa以下、好ましくは1×10−4Pa以下)と、ポンプ18,19とチャンバ11とを連結する配管のバルブ20が閉鎖される。次いで、構造体15が温度調整部16により所定温度に制御され、保持される。
When the inside of the
構造体15の温度が所定温度に保持されると、ボンベ13とチャンバ11とを連結する配管のバルブ14A,14Bが開放され、ボンベ13からチャンバ11内に重水素が導入される。重水素供給部12は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が高くなる圧力以上になるように、チャンバ11内の重水素圧力を制御して、保持する。
When the temperature of the
図5に、各構造体温度における、チャンバ内部の圧力とPd中の水素密度との関係を表すグラフを示す。同図において、横軸はPd中の水素密度、縦軸は圧力である。なお、図5の水素密度は、重水素密度と読み替えることが可能である。
図5によれば、チャンバ内の圧力が低いとPd中の重水素密度は低く、チャンバ内の圧力が高いとPd中の重水素密度が高くなる傾向がある。また、各構造体温度において、Pd中の重水素密度が急激に変化する圧力が存在する。
FIG. 5 shows a graph showing the relationship between the pressure inside the chamber and the hydrogen density in Pd at each structure temperature. In the figure, the horizontal axis represents the hydrogen density in Pd, and the vertical axis represents the pressure. Note that the hydrogen density in FIG. 5 can be read as deuterium density.
According to FIG. 5, the deuterium density in Pd is low when the pressure in the chamber is low, and the deuterium density in Pd tends to be high when the pressure in the chamber is high. In addition, there is a pressure at which the deuterium density in Pd changes abruptly at each structure temperature.
チャンバ11内部の保持圧力は、図5に例示されるグラフに基づいて、構造体15の保持温度及びPd中の重水素密度が急激に変化する圧力を考慮して、適宜設定される。すなわち、重水素を安定して透過させるためには、チャンバ11内部の圧力が、Pd中の重水素密度が急激に変化する圧力より大きい値に設定される。具体的に、例えば、構造体の温度が70℃の場合は0.1気圧以上、120℃の場合は1気圧以上とされる。
The holding pressure inside the
チャンバ11内の重水素圧力がPd中の重水素が高くなる値に設定されると、構造体15表面から内部に向かって重水素が透過する。重水素が核種変換部24を透過すると、核種変換反応が発生する。このとき、核種変換部24表面での重水素密度が構造体内部の重水素密度よりも高いため、核種変換反応が促進される。
なお、重水素バリア層25側からは、重水素は構造体15内部に侵入しない。また、図2及び図3のように被覆部材26を設けることにより、構造体15側面からの重水素侵入が防止される。このため、核種変換部24を介してのみ重水素を透過させることができるので、核種変換効率が向上する。
When the deuterium pressure in the
Note that deuterium does not enter the
上述のように、構造体15内部の重水素量が飽和して、構造体15内部への重水素透過速度が所定値以下になると、重水素ボンベ13とチャンバ11とを連結する配管のバルブ14A,14Bが閉鎖される。次いで、ポンプ18,19とチャンバ11とを連結する配管のバルブ20が開放されて、チャンバ排気部17はチャンバ11内部の重水素を排出する。
チャンバ11内の圧力が、Pd中の重水素密度が低くなる圧力に到達すると、構造体15中に吸蔵された重水素が、重水素バリア層や被覆部材が設けられていない部分を通過して構造体の外部へと放出される。
As described above, when the amount of deuterium in the
When the pressure in the
構造体15内部の重水素が十分に放出され、重水素放出速度が所定値以下となると、ボンベ18,19とチャンバ11とを連結する配管のバルブ20が閉鎖される。次いで、重水素ボンベ13とチャンバ11とを連結する配管のバルブ14A,14Bが開放されて、チャンバ11内に重水素が再び供給される。
When the deuterium in the
重水素透過速度及び重水素放出速度は、重水素の拡散速度、温度、重水素圧力、及び構造体各層の膜厚に基づいて算出される。算出される重水素透過速度及び重水素放出速度に基づいて、重水素を供給する時間、及び、重水素を排出する時間が設定される。 The deuterium permeation rate and deuterium release rate are calculated based on the deuterium diffusion rate, temperature, deuterium pressure, and the thickness of each layer of the structure. Based on the calculated deuterium permeation rate and deuterium release rate, the time for supplying deuterium and the time for discharging deuterium are set.
<第3実施形態>
図6は、第3実施形態に係る核種変換装置の概略図である。核種変換装置30は、内部が気密とされたチャンバ31と、チャンバ31に接続される重水素供給部32と、チャンバ31の外側においてチャンバ31と一体となって接続される体積変動部41と、体積変動部41を収納するように設けられる容器42とを備える。重水素供給部32は、重水素ボンベ33と、チャンバ31とボンベ33との間に配置されたバルブ34A,34Bとされる。
<Third Embodiment>
FIG. 6 is a schematic diagram of a nuclide conversion apparatus according to the third embodiment. The
チャンバ31の内部には、構造体35及び温度調整部36が配置される。本実施形態では、図2及び図3と同様の構造体を使用可能である。また、チャンバ31には、チャンバ31内部を排気するために、チャンバ排気部37が接続される。チャンバ排気部37は、例えばターボ分子ポンプ38及びロータリーポンプ39と、チャンバ31とターボ分子ポンプ38との間に設けられるバルブ40とされる。
Inside the
容器42に、容器42内部に気体を供給する気体供給部43と、容器42内部の気体を排出する気体排気部46とが接続される。気体供給部43は、ボンベ44と、容器42とボンベ44との間に配置されたバルブ45A,45Bとされる。気体排気部46は、図6ではバルブとされているが、更にバルブの下流側にロータリーポンプやターボ分子ポンプなどのポンプが接続されていても良い。
A
体積変動部41は、チャンバ31とともに内部が気密状態とされる。体積変動部41は内部の体積が変動可能となっている。具体的に、体積変動部41は、蛇腹状となっている。
The
第3実施形態の核種変換装置を用いて核種変換を行う方法を、図6を用いて説明する。
構造体34がチャンバ31内の温度調整部36上に配置された後、ポンプ38,39とチャンバ31とを連結する配管のバルブ40が開放される。こうすることで、チャンバ排気部37によりチャンバ31内部が真空排気される。
A method for performing nuclide conversion using the nuclide conversion apparatus of the third embodiment will be described with reference to FIG.
After the structure 34 is disposed on the
チャンバ31内部が十分に排気される(例えば、0.1Pa以下、好ましくは1×10−4Pa以下)と、ポンプ38,39とチャンバ31とを連結する配管のバルブ40が閉鎖される。次いで、構造体35が温度調整部36により所定温度に制御され、保持される。
When the inside of the
容器42とボンベ44とを連結する配管のバルブ45A,45Bが開放され、体積変動部41の体積が最小になるように、気体供給部43は気体を容器42内部に供給する。本実施形態に適用される気体は特に限定されないが、安全性及びコストを考慮すると、空気または窒素が好ましい。このとき、気体排気部46(バルブ)は閉鎖されている。
体積変動部41の体積が最小になり、容器42内部の圧力が所定値に到達すると、気体供給部43は気体の供給を停止する。容器42内部の圧力は、後段で重水素がチャンバ31内に供給されたときに到達する圧力より高く設定すると良い。あるいは、容器42内部の圧力がチャンバ31及び体積変動部41内部の圧力よりも常に高くなるように、後段の重水素供給時においても気体供給部43は気体の供給を継続していても良い。
The
When the volume of the
次いで、重水素ボンベ33とチャンバ31とを連結する配管のバルブ34A,34Bが開放され、ボンベ33からチャンバ31内に重水素が導入される。重水素供給部32は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が高くなる圧力以上になるように、チャンバ31及び体積変動部41内部の圧力を制御して、保持する。上記圧力は、第2実施形態と同様にして設定される。こうすることで、構造体35表面から内部に向かって重水素が透過する。重水素が構造体表面に設けられた核種変換部を透過すると、核種変換反応が発生する。
Next, the
構造体35内部の重水素量が飽和して、構造体35内部への重水素透過速度が所定値以下になると、重水素ボンベ33とチャンバ31とを連結する配管のバルブ34A,34Bが閉鎖される。気体供給部43が容器42に気体を供給し続けている場合は、ボンベ44と容器42とを連結する配管のバルブ45A,45Bが閉鎖される。
When the amount of deuterium in the
次いで、気体排出部46(バルブ)が開放される。これにより、気体排出部46が容器42内部の気体を排出し、容器42内部の圧力が低下する。容器42内部の圧力がチャンバ31及び体積変動部41内部の圧力より低くなると、体積変動部41が膨張して、チャンバ31及び体積変動部41内の圧力が低下する。チャンバ31及び体積変動部41内の圧力が、Pd中の重水素密度が低くなる圧力に到達すると、構造体35中に吸蔵された重水素が、重水素バリア層や被覆部材が設けられていない部分を通過して、構造体35の外部へと放出される。
Next, the gas discharge part 46 (valve) is opened. Thereby, the
構造体35内部の重水素が十分に放出されて重水素放出速度が所定値以下となると、気体排出部46(バルブ)が閉鎖される。次いで、ボンベ44と容器42とを連結する配管のバルブ45A,45Bが開放され、気体が容器42に供給される。これにより、体積変動部41が収縮し、チャンバ31及び体積変動部41内部の圧力が上昇して、構造体35内部への重水素の透過が再開される。なお、前回の核種変換反応により消費された重水素を補うために、重水素ボンベ33とチャンバ31とを連結する配管のバルブ34A,34Bを開放して、チャンバ31内に重水素が供給されても良い。
上述の制御を繰り返すことで、核種変換反応を高効率で継続される。なお、重水素を供給する時間、及び、容器から気体を排出する時間は、第2実施形態と同様に、それぞれ重水素透過速度及び重水素放出速度に基づいて設定される。
When the deuterium in the
By repeating the above control, the nuclide conversion reaction is continued with high efficiency. The time for supplying deuterium and the time for discharging gas from the container are set based on the deuterium permeation rate and the deuterium release rate, respectively, as in the second embodiment.
10,30 核種変換装置
11,31 チャンバ
12,32 重水素供給部
15,35 構造体
16,36 温度調整部
17,37 チャンバ排気部
21 Pd基板
22 混合層
23 Pd層
24 核種変換部
25 重水素バリア層
41 体積変動部
42 容器
43 気体供給部
46 気体排出部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
該チャンバ内部に重水素を供給する重水素供給部と、
前記チャンバ内部に配置され、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金属と、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、
前記チャンバ内に配置され、前記構造体の温度を変動させる温度調整部と、
を備え、
前記構造体の前記温度調整部が配置される側の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層が設けられ、
前記構造体の前記温度調整部が配置される側と反対側の表面に、核種変換を施される物質が添加させられる、
核種変換装置。 A chamber;
A deuterium supply section for supplying deuterium into the chamber;
A structure that is disposed inside the chamber and includes palladium or a palladium alloy, or a hydrogen storage metal other than palladium or a hydrogen storage metal other than a palladium alloy, and a material having a relatively low work function with respect to these,
A temperature adjusting unit arranged in the chamber and changing the temperature of the structure;
With
A deuterium barrier layer containing a substance that does not allow permeation of deuterium is provided on the surface of the structure on the side where the temperature adjustment unit is disposed,
A substance to be subjected to nuclide conversion is added to the surface of the structure opposite to the side on which the temperature adjusting unit is disposed.
Nuclide conversion device.
該チャンバ内部に重水素を供給する重水素供給部と、
前記チャンバ内部の圧力を変化させる圧力調整部と、
前記チャンバ内に配置され、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金属と、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、
を備え、
前記構造体の一の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層が設けられ、
前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と別の表面に、核種変換を施される物質が添加させられる、
核種変換装置。 A chamber;
A deuterium supply section for supplying deuterium into the chamber;
A pressure adjusting unit for changing the pressure inside the chamber;
A structure that is disposed in the chamber and includes palladium or a palladium alloy, or a hydrogen storage metal other than palladium or a hydrogen storage metal other than a palladium alloy, and a material having a relatively low work function with respect to these,
With
A deuterium barrier layer containing a substance that does not allow permeation of deuterium is provided on one surface of the structure,
A substance subjected to nuclide conversion is added to a surface different from the surface on which the deuterium barrier layer of the structure is provided,
Nuclide conversion device.
前記チャンバの外側に接続されて前記チャンバとともに密閉状態とされ、内部の体積が変動可能とされる体積変動部と、
前記体積変動部を収納するように設けられ、内部が気密とされる容器と、
前記容器に接続され、容器内に気体を供給する気体供給手段と、
前記容器に接続され、前記容器内の前記気体を排気する気体排気部と、
を備える請求項2に記載の核種変換装置。 The pressure adjusting means is
A volume changing unit connected to the outside of the chamber and sealed together with the chamber, and the volume of the inside can be changed;
A container which is provided so as to accommodate the volume changing portion and is internally airtight;
A gas supply means connected to the container for supplying gas into the container;
A gas exhaust unit connected to the container and exhausting the gas in the container;
The nuclide conversion device according to claim 2 provided with.
前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と反対側の表面に、核種変換を施される物質を添加させる核種変換部形成工程と、
前記重水素バリア層形成工程及び前記核種変換部形成工程の後に、前記構造体をチャンバ内に設置し、前記チャンバ内に重水素を供給する重水素供給工程と、
前記構造体の温度を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が高くなる温度以下に設定して、前記構造体内部へ前記重水素を透過させる重水素透過工程と、
前記構造体の温度を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が低くなる温度以上に設定して、前記構造体内部から前記重水素を排出させる重水素排出工程と、
を含む核種変換方法。 Deuterium permeates through one surface of a structure having palladium or a palladium alloy, or a hydrogen storage metal other than palladium or a hydrogen storage metal other than palladium alloy, and a material having a relatively low work function. A deuterium barrier layer forming step of forming a deuterium barrier layer containing a substance that is not allowed to occur;
A nuclide conversion part forming step of adding a substance to be subjected to nuclide conversion to the surface opposite to the surface on which the deuterium barrier layer of the structure is provided;
After the deuterium barrier layer forming step and the nuclide conversion unit forming step, the structure is installed in a chamber, and a deuterium supplying step for supplying deuterium into the chamber;
The temperature of the structure is set to be equal to or lower than a temperature at which deuterium density in the palladium, the palladium alloy, the hydrogen storage metal other than palladium, or the hydrogen storage metal other than the palladium alloy is increased, and the structure is brought into the structure. A deuterium permeation step for permeating the deuterium;
The temperature of the structure is set to be equal to or higher than the temperature at which the deuterium density in the palladium, the palladium alloy, the hydrogen storage metal other than the palladium, or the hydrogen storage metal other than the palladium alloy is reduced, from the inside of the structure. A deuterium discharging step for discharging the deuterium;
Nuclide conversion method including
前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と別の表面に、核種変換を施される物質を添加させる核種変換部形成工程と、
前記重水素バリア層形成工程及び前記核種変換部形成工程の後に、前記構造体をチャンバ内に設置し、前記チャンバ内に重水素を供給する重水素供給工程と、
前記チャンバ内の重水素圧力を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が高くなる圧力以上に上昇させて、前記構造体内部へ前記重水素を透過させる重水素透過工程と、
前記チャンバ内の重水素圧力を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が低くなる圧力以下に低下させて、前記構造体内部から前記重水素を排出させる重水素排出工程と、
を含む核種変換方法。 Deuterium permeates through one surface of a structure having palladium or a palladium alloy, or a hydrogen storage metal other than palladium or a hydrogen storage metal other than palladium alloy, and a material having a relatively low work function. A deuterium barrier layer forming step of forming a deuterium barrier layer containing a substance that is not allowed to occur;
A nuclide conversion part forming step of adding a substance subjected to nuclide conversion to a surface different from the surface on which the deuterium barrier layer of the structure is provided;
After the deuterium barrier layer forming step and the nuclide conversion unit forming step, the structure is installed in a chamber, and a deuterium supplying step for supplying deuterium into the chamber;
The deuterium pressure in the chamber is increased to a pressure higher than the pressure at which deuterium density in the palladium, the palladium alloy, the hydrogen storage metal other than palladium, or the hydrogen storage metal other than the palladium alloy is increased, and the structure A deuterium permeation step for permeating the deuterium into the interior;
Reducing the deuterium pressure in the chamber below the pressure at which deuterium density in the palladium, palladium alloy, hydrogen storage metal other than palladium, or hydrogen storage metal other than palladium alloy is reduced, and the structure A deuterium discharging step for discharging the deuterium from the inside;
Nuclide conversion method including
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JP2002202392A (en) * | 2000-10-31 | 2002-07-19 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Nuclear transformation device and method |
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