JP2011521209A - ガンマ線放出量を低減するための電解槽および方法 - Google Patents

Abstract

放射性物質からのガンマ線放出量の低減を加速するための電解槽および方法。電解槽は、非伝導性ハウジングおよびハウジングのそれぞれの開口端内に封止するように配置され、ハウジングのそれぞれの開口端内から延在する伝導性端部材を備える。パラジウム・ブラック・パウダーもしくは粒子との混合物中の、パウダー、顆粒、またはガスなどのガンマ線放出体は、室内に密に充填される。長手方向のガス通路は、室と連通してそれぞれの端部材を貫通する。それぞれのガス通路は、封止式に閉鎖可能であり、一つのガス通路は触媒粒子を充填するために圧力下で室内に送達可能な圧縮された水素または重水素のガス源に接続可能である。それぞれの端部材の遠位端は、電源に接続されており、電流が室内を流れると、ガンマ線放出カウントが、異常に高い率で減少する。

Description

本発明は、一般的に、電解槽１０に関するものであり、より詳細には、中に電流を通すことによって充填パラジウム・ブラック・パウダーとガンマ線放出パウダーとの混合物を充填した密閉室内の気体電解質を利用した電解槽の使用方法に関するものである。

外部で使用するために電流を熱に変換することが有用であることは明らかであり、よく知られている。電流が液体電解質中を通り電解槽内を流れるか、または保持され、それにより水を水素と酸素とに分解する化学分解を発生させ、副産物として熱を発生する水性の電解質を利用する一般的な電解槽もよく知られている。

ガンマ線の測定された出力（封じ込められている放射性核種源からの）を（遮蔽なしで）低減できる方法があれば、この方法は有益であろう。ガンマ線（またはガンマ光子）は、ＥＭＦスペクトル全体のうち（宇宙線に次いで）最も貫通力があるスペクトルであるため、あらゆる生命体はガンマ線に暴露されると、核酸（ＤＮＡまたはＲＮＡ）、さらには他の細胞過程もダメージを受ける可能性がある。この現象は、医療および食品産業においてガンマ線滅菌（放射線源としてコバルト６０を使用する）を使って活用されている。

原子力産業では、全体として、特に原子力発電、および燃料循環過程における放射性物質の取り扱いにおける、ガンマ線への一般的な暴露を防止するよう高度の注意が払われている。この循環過程が終わっても、何年にもわたって生物圏から隔離し遮蔽しなければならない高いガンマ線出力を持つ放射性元素が残る。

バハマ国ナッソーにおいて過去６カ月間にわたって実施された実験結果は、明らかに、ラジウム２２６源からのガンマ線放出量が減少したことを示していた。
本発明では、水素または重水素ガスの形態の気体電解質およびパラジウム・ブラックとの乾燥混合物中に均一に混合された硝酸ラジウム溶液などのガンマ線放出放射性の粒子、パウダー、または液体と組み合わせたパラジウム・ブラック・パウダーを含む触媒粒子を入れた一形態の電解槽を利用する。混合物は、非伝導性ハウジング内に封入され、圧密化され、好ましくは円筒形状の非伝導性ハウジング内に封止係合されている伝導性端部材によってハウジング内に保持される。放射性混合物および水素もしくは重水素ガスを入れた室内に電流を通すことによって、ガンマ線放出量が低減される。

本発明は、放射性物質から出るガンマ線放出量の低減を加速するための電解槽および方法を対象とし、電解槽は非伝導性ハウジング、およびそのハウジングのそれぞれの開口端を封止するように配置されるとともに、その開口端から延在する伝導性端部材を備える。端部材は、前記ハウジングと協働して一つの室を画定するように離隔された近位端を有する。パラジウム・ブラック・パウダーもしくは粒子との混合物中の放射性のガンマ線放出パウダーまたは顆粒は、室内に、それぞれの近位端に接して密に充填される。長手方向のガス通路は、室と連通してそれぞれの端部材を貫通する。それぞれのガス通路は、封止式に閉鎖可能であり、一つのガス通路は、触媒粒子を充填するために、圧力下で室内に送達可能な圧縮された重水素のガス源に接続可能である。それぞれの端部材の遠位端は、電源に接続されており、電流が端部材中を流れ、混合物と水素もしくは重水素ガスとが充填されている室を通って流れたときに、ガンマ線放出カウントが、異常に高い率で減少する。

したがって、本発明の目的は、放射性物質の崩壊を加速するための気体電解質の電解槽を形成することにある。
本発明のさらに他の目的は、放射性物質のガンマ線放出量を低減するために水素もしくは重水素ガス電解質活性化電解槽を使用することにある。

これ以降明らかになるこれらおよび他の目的に従って、添付の図面を参照しつつ本発明について説明する。

本発明に従って使用するための電解槽１０の断面図。 ウラン２３８の崩壊の図。

図１を参照すると、本発明による電解槽１０は、一般的に番号１０で示されている。この電解槽１０は、一般的に番号１２で示されている、非伝導性円筒状ハウジングを備えており、それぞれの端部で開口している。このハウジング１２は、壁厚さが２ｍｍ、外径が１１ｍｍ、長さが３ｃｍのガラス体実験用品質のガラスで形成され、室容積は７．６３ｃｍ^３である。

伝導性（好ましくは真鍮製の）端部材１４および１６は、ハウジング１２のそれぞれの端部に嵌合され、弾性Ｏリング５４によってチューブ状ハウジング１２の内径に対し封止係合される。端板１８および２０は、それぞれ、端部材１４および１６のそれぞれの外側端部に接するように配置され、所望の三角形もしくは矩形のパターンで離隔された長尺状のねじ部品２２によって互いに実質的に平行に保持され、離隔される。

伝導性真鍮製アダプタ３６および３８を、それぞれの端部材１４および１６のそれぞれの端部の嵌め合い開口に嵌合させ、螺合させる。図１に示されているように、これらのアダプタ３６および３８は、それらを貫通する長手方向に伸びる開口を有しており、その開口の中に、伝導性のチューブ状延長部４４および４６が封止可能に係合するとともに、そこから長手方向に伸びている。端部材１４および１６はそれぞれ、長手方向に伸びる通路２６および２８をさらに含み、そのそれぞれは延長チューブ４４および４６と連通している。

ガンマ線放出パウダーまたは粒子３４の密に充填された混合物は、端部材１４および１６のそれぞれの近位端面の間に配置される。これらの触媒粒子３４の組成およびそれらを圧縮する方法の詳細について以下で説明する。

電解槽１０の動作中に、伝導性チューブ状延長部４４および４６のそれぞれの間に直流電源または交流電源が適用される。触媒粒子３４を収納する室は、電解槽１０の較正および動作中に弁４８および５０によって大気に対して完全に閉鎖されうるか、または電解槽１０の充填中に水素または重水素ガスを導入するために開いておくことができる。充填過程については、以下でさらに詳しく説明する。

熱電対５６が、非伝導性ハウジング１２の外面に直接接し、かつ触媒粒子３４の中心に極めて近い位置に配置される。ハウジング１２の表面温度を読み取る温度読出機構５８が提供される。

好ましくはないが、絶縁層６０が、図示されているようにハウジング１２および端板１８および２０のそれぞれまでの端部材１４および１６の露出外面の周りに巻き付けられている。この絶縁材６０は、ダクト・テープなどの非伝導性テープ６２を少なくとも１回巻き付けることにより定位置に保持されており、より正確な、一貫性のある温度読取りが行えるように設けられている。

この機構および触媒粒子３４を、ナノ・パラジウム・ブラックおよび酸化ジルコニウムの混合物として形成し、この混合物に硝酸ラジウムの溶液を加え、次いで乾燥する。この放射性となった粒子混合物３４を電解槽１０の室の中に入れ、ガンマ線計数率計Ｇプローブ６４を極めて近い位置に配置し、プローブ６４の窓の距離と電解槽１０に対するその幾何学的関係とがこの実験全体を通して電解槽１０の側面から約１ｃｍのところで変化しないようにする。

ラジウム２２６の崩壊
ラジウム２２６は、トリウム２３０の崩壊娘核種、ウラン２３８の５番目の崩壊娘核種である。アルファ粒子およびガンマ放射を用いることで、Ｒａ−２２６は、ラドン２２２に崩壊し、その半減期は１６００年であり（Ｒａ−２２６の約１％が２５年以内にラドン２２２に変わる）、さらに７つの崩壊段階を経た最終崩壊生成物は鉛２０６（安定）になる。

アルゴンヌ国立研究所によるＵ−２３８の崩壊系列の優れた図が図２として複製されている。図の下に向かって中程のところの、ラジウム２２６からはじまる崩壊系列を以下に示す。
ラジウム２２６→ラドン２２２→ポロニウム２１８→鉛２１４→ビスマス２１４→ポロニウム２１４→鉛２１０→ビスマス２１０→ポロニウム２１０→鉛２０６（安定）
崩壊形式および半減期は以下のとおりである。

この系列の主要ガンマ線放出体は、Ｐｂ−２１４とＢｉ−２１４である。
ガンマ線放出物質
蒸留水２００ｍｌ中に塩化パラジウム２０グラムを溶解することによって極端に細かいパラジウム・ブラックを調製した（ＨＣｌで約ｐＨ２に酸性化した）。亜鉛の金属の削りくず約５０グラムをビーカーに加えて、１週間放置した。還元Ｐｄブラック・パウダー（亜鉛の周りに形成される）を激しく撹拌しながら溶液中に入れ、次いで、他のビーカーに注ぎ込み、未反応の亜鉛を後に残した。次いで、Ｐｄブラック溶液を沈殿させ、上清を吸い上げて、２００ｍｌの蒸留水で置き換え、再び沈殿させた。

この方法を、１０回繰り返して、溶液から亜鉛イオンを取り除き、濾過を回避した。なぜ濾紙を使用して溶液からＰｄブラックを濾過しないのかというと、それは濾紙を通してより細かい粒子を失うのを避けるためである。最終の吸い上げの後、濡れているＰｄブラックを蒸発皿に移し、真空中で塩化カルシウムにより乾燥させた。この方法でその結果得られるＰｄブラックは、極端に細かく、ナノＰｄと称される。

乾燥させた後、ナノＰｄ ２．５グラムを酸化ジルコニウム・パウダー（ＺｎＯ）５．５グラムと完全に混合させた。次いで、一定分量の硝酸ラジウム溶液をパウダー混合物と組み合わせ、次いでこれを７０℃で乾燥させ、次いでモーターで再粉砕した。

上述のパウダーは、２００７年７月１９日に調製し、次いで、その容積の約１０倍のキャップ付きプラスチック・チューブに入れて保管した。
室の装填
上述の放射性パウダー３４のうちの一種の約２．６３ｇｍを、円筒状ハウジング１２内の伝導性端部材１４および１６のそれぞれの近接して対向する面３０および３２の間に形成された室の中に装填した。粒子３４をいくつかの段階に分けて、または合計すると一つより多い、好ましくは５から１０の層に分けて室の中に入れた。円筒状ハウジング１２が直立した向きにあり、かつ端部材１４または１６の一方のみを設置した状態で、少量（触媒粒子の合計数の約１／５）を室の中に入れた。伝導性粒子のそれぞれの層が室内に入れられた後、約２〜５分かけて１ｋｇの荷重で粒子３４を詰めた。室の全長は約１０ｍｍであった。

両方の端部材１４および１６が定位置に置かれ、端板１８および２０が図１に示されているように保持された後、２４にある長尺状のねじ部品２２を少し締めた。これにより、伝導性粒子３４をさらに圧縮し、端部材１４および１６をハウジング１２内で適切な配置となるように固定した。１０〜１５０オームの抵抗を目標とした。

封止された室を確実にするために、約６９０ｋＰａ（約１００ｐ．ｓ．ｉ）の水素（Ｈ_２）または重水素（Ｄ_２）のいずれかのガスを、矢印で示されているように弁５０を通してチューブ状延長部４６の一つの中に導入した。その間、他方の弁４８は閉じられていた。室の中の圧縮された水素もしくは重水素ガスは、約２４時間、圧縮状態に置かれた。

ガンマ線計数率計プローブを、電解槽１０の外側のガラス壁から１．０ｃｍのところに配置した。アルファおよびベータの放射線は、ガラスを貫通できないため、記録された放射線は、ガンマ線によるものであった。この実験の基本的な考えは、パウダーを電解層１０内に留まらせたまま、娘核種が平衡となるのに合わせて、ガンマ線、特に主要なガンマ線放出体であるＰｂ２１４およびＢｉ−２１４を毎日計数するというものであった。閉鎖された電解槽１０の密な領域にＲｎ−２２２（一部は気体）が閉じ込められ、その後のＰｏ−２１８（金属）への崩壊で、近くの粒子に吸着される［ＣＲＣ，Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｒａｄｏｎ，１９６８−１９６７，ｐｇ．Ｂ−１３２を参照］。すべてのガンマ線計数は、テクニカル・アソシエート社（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）（米国カリフォルニア州カノガ・パーク（Ｃａｎｏｇａ Ｐａｒｋ）所在）のＲａｔｅｍｅｔｅｒ／Ｓｅａｌｅｒ、モデル＃ＰＲＳ−５およびプローブモデル＃ＢＧＳ ２５１を使用して行った。計数を１日数回、３０、６０、および９０の期間で実行し、ＣＰＭを手計算した。観察された平均日別ガンマ線カウントは以下のとおりであった。

重水素ガス投入（Ｄ_２）、電圧（Ｖ）、および電流（Ｔ）
Ｄ_２を加える前の電解槽１０の抵抗（Ｒ）は１５０，０００オームであった。Ｄ_２を加えた後、Ｒは２０オームに低下した。このＲの低下は、Ｐｄ粒子がＤ_２ガスを吸収して膨張したためである。Ｄ_２を加えた後、Ｖ＝１０ボルト、Ｉ＝０．５アンペアの５ワットの電力（Ｐ）を数時間印加した。印加された電力はその後数日にわたって変化し、時間では毎日約３から９時間の間で変化し、１から１０ワットの間で変化した。

電解槽１０の温度は、２２０℃を超えることはなかった（平均３個の熱電対５６、５６ａ、および５６ｂをガラス体の外側に取り付けた）。電解槽１０内のＤ_２の圧力を６．８９ｋＰａ（１ｐｓｉ）から１３８ｋＰａ（２０ｐｓｉ）の間に維持した。ガスを電解槽１０内に静的システム（流れなし）として保持したが、フラッシングのために新鮮なガスを中に流すことも可能である。

Ｄ_２のフラッシングも加熱／冷却も、その後即座に再測定するときにガンマ線出力に対し何ら影響を及ぼさなかったことに留意されたい。

^＊第５９日以降に、電源をＮｏｒｂａｔｒｏｎ ＤＣＲ １５０−１０に切り替えて、電解槽１０の低抵抗で高いアンペア数を達成した。Ｌｏｄｅｓｔａｒは、３．０アンペアの能力しかなかった。

考察
文献検索を行い、さらに原子核物理学者および放射線科医と対話したが、電解槽１０のガンマ線出力の低下を説明できる妥当な説明は得られなかった。アルゴンは、Ｐｄ中に高い溶解性を有することが知られており［Ｍｅｌｌｏｒ，Ａ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｔｒｅａｔｉｓｅ ｏｎ Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ａｎｄ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９３２，ｐｇ．６１６を参照］、ラドンも少なくともある程度の溶解性を有すると無理なく期待できる。しかし、これは、必ずしも、ガンマ線放出を妨げるものではない。実際、ガンマ線放出量は、Ｄ_２の追加および電力印加の前に閉鎖されている電解槽１０内で増大することが観察されている。

娘同位体（永続）平衡に達した後、線源のガンマ線出力を減らす、または変更する周知の唯一の手段は、中性子を衝突させることである（通常は、これによりカウントが増える）。ＰＢ−２１４およびＢｉ−２１４は、系列内の最も強いガンマ線放出体であるため、カウントされるのはもっぱらその放射線である。これら２つの放射性同位体も、約３８日以内に永続平衡に達する（つまり、ラドン２２２の約１０倍の半減期）。Ｐｂ−２１４およびＢｉ−２１４のレベルが、Ｄ_２と電子束との組み合わせによっていくぶん下がる（ナノＰｄおよびＺｒＯ粒子の存在下で）のであれば、観察されたデータの説明がつく。しかし、実験の終わりに近づくにつれ（カウントが１３２０未満のとき）、Ｒａ−２２６それ自体が影響を受けている可能性があると考えられた。ガンマ線分光法を使用して、この重要な疑問に答えることが可能である。

４００℃の範囲内未満の温度（電解槽動作温度）でＨ_２またはＤ_２によって還元可能でない限り、ＴｉＯ_２、Ｚ_ｎＯ_２、Ｃ_ａＯ、Ｎ_ｉＯ、およびＢ_ａＯなどの他の金属酸化物も担体触媒として使用することができる。

電解槽１０のガラス管（パウダーを含む）は１．０ｃｍの内径を有しているため、パウダーの断面領域を通る電子束は、４．５アンペアで３．５７×１０＾１９電子数／秒である。電解槽１０を冷却しながら電流を増大させることは、確かに調査する価値がある（ガラスは４００℃未満で使用すべきである）。このことは、ガンマ線減少に影響を及ぼすと思われるパラメータである、パウダー中の「高濃度陰性（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｎｅｇａｔｉｖｉｔｙ）」を増大させるであろう。確かに、炉内の放射性物質を単純に加熱したのでは放射線出力に何ら影響を及ぼさないことが知られている。パウダーの放射能の増大は、他の放射性物質（特に放射性娘核種を有しないもの）を試みることとともに、非常に興味深い。

この実験は、より高感度なガンマ線計数率計で再び繰り返される。厚さ２．５４センチメートル（１インチ）のゲルマニウム酸ビスマスとともに、ＰＲＳ−５スケーラ−／計数率計／アナライザーおよびＰＧＳ−３ガンマ線シンチレーション・プローブを含む、新しいシンチレーション・カウンタを以下の実験で使用した。反復実験において、以下の表Ｉに報告されているように、これらの結果は一般的に上記実験を反映していた。

この上記実験を、交流（ＡＣ）電流を用いて再び繰り返した。再び、試験開始７時間以内にガンマ線放出の著しい減少（５．６％）が観察された。

本発明は、最も実用的で、好ましい実施形態であると考えられているものにおいてここで示され説明されているが、本発明の範囲内で逸脱することも可能であり、したがって、本明細書で開示されている詳細に限定されないが、あらゆる同等の装置および物品を包含するように請求項の全範囲を与えられることが理解される。

Claims (3)

1. 電解槽であって、
   それぞれの端部において開口する非伝導性のハウジングと、
   前記ハウジングのそれぞれの開口端内を封止するように配置されるとともに、その開口端から延在する伝導性の端部材であって、前記ハウジングと連携して、それらの間に室を画定するように離隔された近位端を有する、伝導性の端部材と、
   前記室の中に、それぞれの前記近位端に接するように密に充填された触媒粒子であって、ナノ・パラジウム・パウダー、酸化ジルコニウム・パウダー、およびガンマ線放出体の均一な混合物からなる触媒粒子と、
   それぞれの前記端部材の遠位端に接するように配置された端板であって、前記端板同士が調節可能かつ前記遠位端に接するように保持されることにより、前記室の長さと前記粒子の圧縮度とが調節可能に設定される、端板と、
   前記室と連通し、かつ前記端部材を貫通する長手方向のガス通路であって、前記ガス通路のそれぞれが封止式に閉鎖可能であり、前記ガス通路の一つが、圧力下で前記室内に送達可能な圧縮された水素または重水素のガス源に接続可能である、長手方向のガス通路とからなり、かつ、
   それぞれの前記端部材の遠位端は電源に接続可能であるとともに、電流が前記端部材および前記触媒粒子と前記ガスとを充填した前記室中を流れたとき、前記ガンマ線放出体からのガンマ線放出量が周知の減衰率より実質的に速く減衰する、電解槽。
2. 放射性物質の放射性崩壊を加速するためのガンマ線低減装置であって、
   室を画定する非伝導性の側壁および離隔されかつ電気的に分離されている伝導性の端面を備える室と、
   前記室内に、それぞれの前記伝導性の端面に接するように密に充填された触媒粒子であって、パラジウム・ブラック・パウダーおよび不活性な非伝導性二酸化ジルコニウム粒子およびガンマ線放出体の均一な混合物からなる触媒粒子と、
   前記室と連通する長手方向のガス通路であって、前記伝導性粒子を装填し、かつ前記装置の動作の前に前記室を充填するために、前記室内に送達可能な圧縮された水素（Ｈ_２）または重水素（Ｄ_２）のガス源に接続可能なガス通路とからなり、かつ、
   それぞれの前記端面は電源に接続可能であるとともに、電流が前記室、前記触媒粒子、および前記ガス中を流れたとき、外部で使用可能な熱が前記室内に発生し、かつ前記ガンマ線放出体からのガンマ線放出量が周知の減衰率よりも実質的に速く減衰する、ガンマ線低減装置。
3. ガンマ線放出物質の放射性崩壊を加速する方法であって、
   Ａ．室を画定する非伝導性の側壁および離隔されかつ電気的に分離されている伝導性の端面を備える室と、
   前記室内に、それぞれの前記伝導性の端面に接するように密に充填された触媒粒子であって、パラジウム・ブラック・パウダー、不活性な非伝導性粒子、およびガンマ線放出体の均一な混合物からなる触媒粒子と、
   前記室と連通する長手方向の閉鎖可能なガス通路とからなる装置を提供する工程と、
   Ｂ．前記伝導性粒子を装填し、かつ前記装置の動作の前に前記室を充填するために、前記ガス通路を圧縮された水素（Ｈ_２）または重水素（Ｄ_２）のガス源に接続し、前記ガスを前記室内に送達する工程と、
   Ｃ．電源の電力をそれぞれの前記端面に印加し、電流を前記室、前記触媒粒子、および前記ガスに流す工程と、
   Ｄ．ガンマ線放出量が実質的に低減されるまで前記装置を操作しながら前記触媒粒子からのガンマ線放出を監視する工程とからなる方法。

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