JP2016138807A - 核種変換反応膜の再生方法及び核種変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】核種変換反応後の核種変換反応膜の再生が可能な核種変換反応膜の再生方法及び核種変換システムを提供すること。【解決手段】核種変換反応膜の再生方法は、水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金の少なくとも１種の金属を含む基材と、基材上に設けられ、金属に対して相対的に仕事関数が低い低仕事関数物質を含む第１層と金属を含む第２層とが交互に積層された中間層と、中間層上に設けられ、金属を含む表面層と、を備えた核種変換反応膜の再生方法であって、核種変換反応膜を酸溶液で処理して基材上に設けられた中間層及び表面層の全てを溶解除去して核種変換反応後の被変換物質を回収する酸洗浄工程ＳＴ１１と、中間層及び表面層が溶解除去された基材を純水によって洗浄する純水洗浄工程ＳＴ１２と、純水によって洗浄された基材上に、中間層及び表面層を積層して核種変換反応膜を再生する積層工程ＳＴ１３とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、核種変換反応膜の再生方法及び核種変換システムに関し、例えば、放射性廃棄物元素の分離装置などから放射性廃棄物元素を抽出した核種変換反応膜を再生する核種変換反応膜の再生方法及び核種変換システムに関する。

従来、パラジウムからなる基材上に、酸化カルシウム層とパラジウム層とが交互に積層された多層構造体の核種変換反応膜を備えた核種変換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この核種変換装置においては、核種変換反応膜の最表層に設けられたパラジウム層に核種変換が施される核種変換物質が添加されて結晶格子中に取り込まれる。そして、核種変換物質を添加した核種変換反応膜に重水素を透過させることにより、核種変換物質であるセシウム（^１３３Ｃｓ）が、別核種であるプラセオジム（^１４１Ｐｒ）に核種変換される核種変換反応がパラジウム層の結晶格子中で生じる。

特許第４３４６８３８号公報

ところで、特許文献１に記載された核種変換装置においては、核種変換反応後の核種変換反応膜の最表層のパラジウム層を酸で溶解して別核種に変換された核種変換物質を取り出す必要があり、最表層に設けられた高価なパラジウム層を溶解除去した核種変換反応膜を再利用できていない実情がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、核種変換反応後の核種変換反応膜の再生が可能な核種変換反応膜の再生方法及び核種変換システムを提供することを目的とする。

本発明の核種変換反応膜の再生方法は、水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む基材と、前記基材上に設けられ、前記金属に対して相対的に仕事関数が低い低仕事関数物質を含む第１層と前記金属を含む第２層とが交互に積層された中間層と、前記中間層上に設けられ、前記金属を含む表面層と、を備えた核種変換反応膜の再生方法であって、前記核種変換反応膜を酸溶液で処理して前記中間層及び前記表面層の全てを溶解除去して核種変換反応後の被変換物質を回収する酸洗浄工程と、前記中間層及び前記表面層が溶解除去された前記基材を純水によって洗浄する純水洗浄工程と、純水によって洗浄された前記基材上に、前記中間層及び前記表面層を積層して核種変換反応膜を再生する積層工程と、を含むことを特徴とする。

この方法によれば、核種変換反応によって核種変換された被変換物質を含有する最表層の表面層だけでなく、中間層も酸洗浄によって全て溶解除去するので、洗浄後に基材上に中間層が残存することがない。これにより、核種変換反応膜の再生方法は、洗浄後に残存した一部の中間層上に最表層の表面層を積層して核種変換反応膜を再生する場合と比較して、平滑な基材の表面上に順次中間層及び表面層を積層できるので、核種変換反応後の核種変換反応膜の再生が可能となる。

本発明の核種変換反応膜の再生方法は、水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む基材と、前記基材上に設けられ、前記金属に対して相対的に仕事関数が低い低仕事関数物質を含む第１層と前記金属を含む第２層とが交互に積層された中間層と、前記中間層上に設けられ、前記金属を含む表面層と、を備えた核種変換反応膜の再生方法であって、前記核種変換反応膜を酸溶液で処理して前記表面層のみを溶解除去して核種変換反応後の被変換物質を回収する酸洗浄工程と、前記表面層が溶解除去された前記核種変換反応膜を純水によって洗浄する純水洗浄工程と、純水によって洗浄された前記核種変換反応膜上に、前記表面層を積層して核種変換反応膜を再生する積層工程と、を含むことを特徴とする。

この方法によれば、核種変換反応によって核種変換された被変換物質を含有する最表層の表面層のみを選択的に除去するので、洗浄後に残存した一部の中間層上に最表層の表面層を積層して核種変換反応膜を再生する場合と比較して、平滑な中間層の表面上に表面層を積層でき、核種変換反応後の核種変換反応膜の再生が可能となる。しかも、最表層の表面層以外の中間層を再利用することが可能となるので、核種変換反応膜の再生に要する時間の短縮及びコストの低減が可能となる。

本発明の核種変換反応膜の再生方法においては、前記積層工程において、核種変換物質と共に前記表面層を電着により積層することが好ましい。この方法により、核種変換物質を含有する表面層を最表層に設けることができるので、表面層に対する核種変換物質の添加工程を省略することが可能となると共に、スパッタリング法と比較して真空装置などが不要となるので、核種変換反応膜を安価に再生することが可能となる。

本発明の核種変換反応膜の再生方法においては、前記酸溶液が、硝酸、王水、及びフッ化水素酸からなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。この方法により、表面層を効率良く溶解除去することが可能となる。

本発明の核種変換反応膜の再生方法においては、前記低仕事関数物質が、酸化カルシウム、酸化イットリウム及びチタン酸ストロンチウムからなる群から選択された少なくとも１種を含むことが好ましい。この方法により、核種変換反応の反応効率が向上する。

本発明の核種変換システムは、水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む基材と、前記基材上に設けられ、前記金属及び前記金属に対して相対的に仕事関数が低い低仕事関数物質を含む中間層と、前記金属を含む表面層と、を備えた核種変換反応膜が配置され、前記核種変換反応膜による核種変換反応及び前記表面層が除去された前記核種変換反応膜への電着を行う反応装置と、前記反応装置に核種変換物質を含有する電着液を供給する電着液供給部と、前記反応装置に洗浄水を供給する洗浄水供給部と、前記反応装置に酸溶液を供給する酸溶液供給部とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、反応装置内に配置した核種変換反応膜の表面に、電着によって核種変換物質を含む電着層を設けて核種変換反応を行うので、核種変換反応後の被変換物質を含む核種変換反応膜の最表層の表面層を、酸溶液供給部から反応装置内に供給した酸溶液によって溶解除去できる。そして、最表層の表面層の溶解除去後の核種変換反応膜の表面を洗浄水供給部から反応装置内に供給した洗浄水によって洗浄した後、再び電着液供給部から反応装置内に電着液を供給して核種変換反応膜の表面上に核種変換物質を含む表面層を設けることが可能となる。これらにより、核種変換システムは、反応装置から核種変換反応膜を取り外すことなく容易に再生することが可能となると共に、連続的に核種変換物質を被変換物質に変換して回収することが可能となる。

本発明によれば、核種変換反応後の核種変換反応膜の再生が可能な核種変換反応膜の再生方法及び核種変換システムを実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法を示すフロー図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法に用いられる核種変換反応膜の断面模式図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法の説明図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法のフロー図である。 図５は、本発明の第２の実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法の説明図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法の他の例の説明図である。 図７は、本発明の第３の実施の形態に係る核種変換システムの概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。また、以下の各実施の形態は適宜組み合わせて実施可能である。また、各実施の形態において共通する構成要素には同一の符号を付し、説明の重複を避ける。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法を示すフロー図である。図１に示すように、本実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法は、水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む基材と、基材上に設けられ、金属に対して相対的に仕事関数が低い低仕事関数物質を含む第１層と前記金属を含む第２層とが交互に積層された中間層と、中間層上に設けられ、金属を含む表面層と、を備えた核種変換反応膜の再生方法である。この核種変換反応膜の再生方法は、核種変換反応膜を酸溶液で処理して基材上に設けられた中間層及び表面層の全てを溶解除去して核種変換反応後の被変換物質を回収する酸洗浄工程ＳＴ１１と、中間層及び表面層が溶解除去された基材を純水によって洗浄する純水洗浄工程ＳＴ１２と、純水によって洗浄された基材上に、中間層及び表面層を積層して核種変換反応膜を再生する積層工程ＳＴ１３と、を含む。

図２は、本実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法に用いられる核種変換反応膜１の断面模式図である。図２に示すように、本実施の形態に係る核種変換反応膜１は、パラジウムを含む基材１０と、この基材１０上に設けられた酸化カルシウム層（第１層：中間層）１１と、この酸化カルシウム（ＣａＯ）層１１上に設けられたパラジウム（Ｐｄ）層（第２層：中間層）１２とを備える。酸化カルシウム層１１とパラジウム層１２とは交互に複数層（本実施の形態では、酸化カルシウム層１１が５層、パラジウム層１２が４層）が積層されている。核種変換反応膜１の最表層には、別核種に核種変換された被変換物質１３を含有したパラジウム層（表面層）１２Ａが設けられている。

基材１０としては、水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金からなる群から選択された少なくとも１種の金属ものを用いる。基材１０としては、例えば、パラジウム、パラジウム合金、パラジウム以外の水素吸蔵金属、及びパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる群から選択された少なくとも１種を用いることができる。基材１０の厚さは、例えば、０．１ｍｍである。

酸化カルシウム層１１は、パラジウム、パラジウム合金、パラジウム以外の水素吸蔵金属、及びパラジウム合金以外の水素吸蔵合金に対して相対的に仕事関数が低い低仕事関数物質である酸化カルシウムを含有する。なお、酸化カルシウム層１１に代えて、低仕事関数物質を含有する低仕事関数物質層を設けてもよい。このような低仕事関数物質としては、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）及びチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）などが挙げられる。低仕事関数物質層としては、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）及びチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）からなる群から選択された少なくとも１種を含有するものを用いることができる。これらの中でも、低仕事関数物質層としては、被変換物質１３の変換効率の観点から、酸化カルシウムを含有する酸化カルシウム層１１が好ましい。酸化カルシウム層１１の厚さは、例えば、２ｎｍである。

パラジウム層１２は、水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含有するものを用いる。なお、パラジウム層１２に代えて、パラジウム、パラジウム合金、パラジウム以外の水素吸蔵金属、及びパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含有する金属層を設けてもよい。パラジウム層１２の厚さは、核種変換反応膜１の内部のパラジウム層１２の厚さが例えば、２０ｎｍであり、核種変換反応膜１の最表層のパラジウム層１２Ａの厚さが例えば、４０ｎｍである。

被変換物質１３は、例えば、セシウム（Ｃｓ）が、核種変換反応によってプラセオジム（Ｐｒ）に核種変換されたものである。

図３は、本実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法の説明図である。図３に示すように、まず、酸洗浄工程では、核種変換反応膜１を酸溶液で処理して基材１０上に設けられた酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２を全て溶解除去して最表層のパラジウム層１２Ａから被変換物質１３を回収する。この酸洗浄工程では、核種変換反応膜１の側面及び裏面をマスクした状態で酸溶液を滴下して酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２，１２Ａを溶解除去する。

酸溶液としては、硝酸、王水及びフッ化水素酸からなる群から選択された少なくとも１種を用いる。硝酸としては、酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２を溶解除去できるものであれば特に制限はなく、例えば、市販の８％硝酸、３５％硝酸、６０％硝酸（比重１．３８）、９０％硝酸、０．１ｍｏｌ／Ｌ硝酸、１ｍｏｌ／Ｌ硝酸などを用いることができる。

酸洗浄工程における洗浄条件としては、酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２を溶解除去できる範囲であれば、特に制限はなく、例えば、２０℃以上３０℃以下の温度範囲で、１分以上５分以内で実施することができる。酸洗浄工程では、例えば、エッチングレートを測定することにより、酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２を精度良く除去することが可能となる。エッチングレートの測定方法としては、核種変換反応膜１の表面を所定時間酸溶液で処理したエッチング後の膜厚の変化を測定して算出する。膜厚は、例えば、断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真から求めてもよく、核種変換反応膜１のエッチング前後の質量変化に基づいて、核種変換反応膜１の密度（ｇ／ｍ^３）及び面積（ｍ^２）に基づいて下記式（１）に基づいて求めてもよい。
膜厚（ｍ）＝質量変化（ｇ）／反応膜の密度（ｇ／ｍ^３）／面積（ｍ^２） ・・・式（１）

次に、純水洗浄工程では、純水を用いて酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２が除去された基材１０の表面の硝酸などの酸成分を洗浄する。純水としては、基材１０の表面から酸成分を除去できるものであれば特に制限はなく、例えば、蒸留水、イオン交換水、及び超純水などを用いることができる。純水としては、基材１０の酸成分の除去効率の観点から、超純水が好ましい。純水洗浄工程では、例えば、２５ｍｍ四方の核種変換反応膜１を洗浄する場合には、２０℃以上３０℃以下の条件で、２０ｍｌ以上の純水を用いた３回以上の洗浄又は流水での基材１０の表面の洗浄により、酸成分を除去することができる。

積層工程ＳＴ１３では、純水によって酸成分が除去された基材１０上にスパッタリング法により酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２を交互に積層した後、最表層のパラジウム層１２Ａを積層する。スパッタリング法は、例えば、アルゴンイオンビームによるスパッタリング法を用いることができる。積層工程では、例えば、酸化カルシウム層１１を２ｎｍ、パラジウム層１２を２０ｎｍ、最表層のパラジウム層１２Ａを４０ｎｍ積層する。これにより、最表層のパラジウム層１２Ａに核種変換物質を抽出可能な核種変換反応膜２が得られる。得られた核種変換反応膜２に電着又はイオン注入によって最表層のパラジウム層１２Ａにセシウム（Ｃｓ）などの所望の核種変換物質を添加することにより、核種変換反応膜を再生することが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、被変換物質１３を含有する最表層のパラジウム層１２Ａだけでなく、中間層の酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２も酸洗浄によって全て溶解除去するので、洗浄後に基材１０上に中間層の酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２が残存することがない。これにより、核種変換反応膜の再生方法は、洗浄後に残存した中間層の酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２上に最表層のパラジウム層１２Ａなどを積層して核種変換反応膜１を再生する場合と比較して、平滑な基材１０の表面上に順次酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２を積層できるので、核種変換反応後の核種変換反応膜１の再生が可能となる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る複合材料の製造方法について説明する。なお、以下において、上述した実施の形態との相違点について重点的に説明し、説明の重複を避ける。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法のフロー図である。図４に示すように、本実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法は、核種変換反応膜を酸溶液で処理して基材上に設けられた表面層のみを溶解除去して核種変換反応後の被変換物質を回収する酸洗浄工程ＳＴ２１と、表面層が溶解除去された核種変換反応膜を純水によって洗浄する純水洗浄工程ＳＴ２２と、純水によって洗浄された核種変換反応膜上に、表面層を積層して核種変換反応膜を再生する積層工程ＳＴ２３と、を含む。

図５は、本実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法の説明図である。図５に示すように、本実施の形態においては、酸洗浄工程ＳＴ２１では、酸溶液により最表層のパラジウム層１２Ａのみを選択的に溶解除去する。この酸洗浄工程ＳＴ２１では、最表層のパラジウム層１２Ａの全てを溶解除去してもよく、最表層のパラジウム層１２Ａの表面から所定厚さの被変換物質１３を吸着した範囲のパラジウム層１２Ａのみを溶解除去してもよい。酸洗浄工程ＳＴ２１では、上述した第１の実施の形態で説明したエッチングレートの測定方法によって予め求めたエッチング速度に基づいて、酸洗浄の条件を制御して最表層のパラジウム層１２Ａのみを選択的に溶解除去して最表層のパラジウム層１２Ａが選択的に除去された核種変換反応膜３を得る。例えば、最表層のパラジウム層１２Ａの厚さが４０ｎｍである場合において、２５℃における６０％硝酸（比重１．３８）を用いたエッチングレートが１．５ｎｍ／ｓである場合には、酸洗浄を２０秒間実施することにより、最表層のパラジウム層１２Ａの表面から３０ｎｍの領域を溶解除去することが可能となる。

純水洗浄工程ＳＴ２２では、一部が除去された最表層のパラジウム層１２Ａ又は最表層のパラジウム層１２Ａの下層の酸化カルシウム層１１の表面を純水によって洗浄して硝酸などの酸成分を洗浄する。純水洗浄の条件としては、上述した第１の実施の形態と同様の条件を用いることが可能である。

積層工程ＳＴ２３では、純水洗浄によって酸成分が除去された最表層のパラジウム層１２Ａの表面上又は最表層のパラジウム層１２Ａの下層の酸化カルシウム層１１の表面上に、スパッタリング法によって最表層のパラジウム層１２Ａを積層して核種変換物質を抽出可能な核種変換反応膜２を得る。得られた核種変換反応膜２に電着又はイオン注入によって最表層のパラジウム層１２Ａにセシウム（Ｃｓ）などの所望の核種変換物質を添加することにより、核種変換反応膜を再生することが可能となる。

また、積層工程ＳＴ２３では、図６に示すように、最表層のパラジウム層１２Ａとセシウム（Ｃｓ）などの所望の核種変換物質１４とを電着によって積層してもよい。電着の条件としては、例えば、市販のパラジウム電着液（ＰＡＬＬＡＤＥＸ ＡＰＤ−７００、田中金属工業社製）に硝酸セシウム（ＣｓＮＯ_３（^１３３Ｃｓ））を添加して電着液を用いて、電流密度０．１１〜１０ｍＡ／ｃｍ^２、電着液温度４５℃以上５５℃以下で電着することにより、核種変換物質１４を含有する最表層のパラジウム層１２Ａが設けられた核種変換反応膜４を得ることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、予め測定したエッチングレートに基づいて、被変換物質１３を含有する最表層のパラジウム層１２Ａのみを選択的に除去するので、最表層のパラジウム層１２Ａのみを容易に除去することが可能となる。そして、最表層のパラジウム層１２Ａのみを除去するので、洗浄後に残存した一部の酸化カルシウム層１１上に最表層のパラジウム層１２Ａを積層して核種変換反応膜１を再生する場合と比較して、平滑な酸化カルシウム層１１の表面上に最表層のパラジウム層１２を積層できるので、核種変換反応後の核種変換反応膜１の再生が可能となる。しかも、最表層のパラジウム層１２Ａのみを除去するので、核種変換反応膜１の再生に要する時間の短縮及びコストの低減が可能となると共に、最表層のパラジウム層１２Ａ以外の酸化カルシウム層１１及びパラジウム層１２を再利用することが可能となる。そして、最表層のパラジウム層１２Ａと共に核種反応物質１４を電着によって設けることにより、核種変換物質１４の添加工程を省略することが可能となると共に、スパッタリング法と比較して真空装置などが不要となるので、核種変換反応膜を安価に再生することが可能となる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図７は、本実施の形態に係る核種変換システムの概略図である。図７に示すように、本実施の形態に係る核種変換システム５は、核種変換反応を行う反応装置１００と、反応装置１００に電着液を供給する電着液供給部５０と、反応装置１００に電解質溶液を供給する電解質溶液供給部６０とを備える。

反応装置１００は、電解質溶液などを貯留する貯留部１０１と、重水素低濃度部１０２と、貯留部１０１と重水素低濃度部１０２とを隔てる核種変換反応膜１０３と、貯留部１０１内に核種変換反応膜１０３と離間して対向配置された電極１０４とを備える。この核種変換反応膜１０３としては、上述した第１の実施の形態及び第２の実施の形態に係る核種変換反応膜１，２が用いられる。電極１０４は、白金（Ｐｔ）などからなるスパイラル状または網目状の電極である。核種変換反応膜１０３及び電極１０４は、反応装置１００の外部に設けられた電源１０５に接続される。

反応装置１００の貯留部１０１と外部との接続する流路には、逆止弁１０６が設けられている。この逆止弁１０６は、外部の気圧が貯留部１０１に貯留される気体の気圧より大きいときに閉止する。また、逆止弁１０６は、外部の気圧が貯留部１０１に貯留される気体の気圧より小さいときに開放して貯留部１０１内の気体を外部に排出する。

重水素低濃度部１０２には、減圧装置１０７が接続される。減圧装置１０７は、ターボ分子ポンプ及びドライポンプなどの真空ポンプ１０８と、重水素低濃度部１０２内の気体を排気する排気配管１０９とを備える。減圧装置１０７は、重水素低濃度部１０２内部の気体を排出して重水素低濃度部１０２内の圧力を低下させる。また、重水素低濃度部１０２内の核種変換反応膜１０３の近傍には、核種変換反応膜１０３を加熱するヒータ２０が配置される。

また、核種変換システム５は、反応装置１００の貯留部１０１内の液体を循環させる循環部３０を備える。この循環部３０は、抜出配管３１と、熱交換器３２と、フィルタ３３と、ポンプ３４と、再供給配管３５と、再供給配管３５に設けられたバルブＶ１とを備える。熱交換器３２は、抜出配管３１から供給された液体を冷却する。フィルタ３３は、抜出配管３１から供給された液体をろ過して不純物を除去する。ポンプ３４は、フィルタ３３によりろ過された液体を、再供給配管３５を介して貯留部１０１に供給する。再供給配管３５のバルブＶ１の上流側には、貯留部１０１から抜き出された液体を外部に排出する排出部４０が設けられている。この排出部４０は、貯留部１０１から抜き出された液体を排出する排出配管４１と、この排出配管４１に設けられたバルブＶ２とを備える。

さらに、核種変換システム５は、循環部３０の再供給配管３５に接続された電着液供給部５０を備える。この電着液供給部５０は、内部に電着液が貯留された電着液タンク５１と、電着液タンク５１と再供給配管３５との間に設けられる電着液供給用配管５２と、不活性ガス供給用配管５３と、除湿装置５４と、乾燥不活性ガス供給配管５５と、電着液タンク５１の外周に配置され電着液タンク５１内の電解液所定温度に加熱するヒータ５６とを備える。

電着液タンク５１内に貯留される電着液としては、パラジウムなどの水素吸蔵金属の塩と、核種変換が施される核種変換物質、核種変換物質の塩及び^１３７Ｃｓなどの放射性物質などとを含有する。核種変換物質としては、例えば、Ｃｓ、Ｓｒ、Ｎａ、Ｂａなどが挙げられる。電着液供給用配管５２には、電着液の流量を制御するバルブＶ３が設けられている。

不活性ガス供給用配管５３は、ガス源（不図示）と除湿装置５４との間に設けられている。不活性ガス供給用配管５３は、ガス源から供給されるＣＥ（Ｃｏｌｄ Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）＿Ｎ_２及びアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスを供給する。

除湿装置５４は、シリカゲルなどの除湿機能付フィルタを備える。除湿装置５４は、不活性ガス供給用配管５３から供給された不活性ガスから不純物を除去して乾燥させる。乾燥不活性ガス供給配管５５は、除湿装置５４と電着液タンク５１との間に設けられている。乾燥不活性ガス供給配管５５は、除湿装置５４によって乾燥された不活性ガスを電着液タンク５１に供給する。これにより、電着液が電着液供給用配管５２を介して反応装置１００の貯留部１０１に送液される。

電解質溶液供給部６０は、電解質溶液タンク６１と、電解質溶液供給用配管６２と、重水供給部６５と、不活性ガス供給部７１とを備える。重水供給部６５は、不活性ガス供給用配管６６と、除湿装置６７と、乾燥不活性ガス供給配管６８と、内部に重水を貯留する重水タンク６９と、重水供給用配管７０とを備える。不活性ガス供給用配管６６は、ガス源（不図示）と除湿装置６７との間に設けられている。乾燥不活性ガス供給配管６８は、除湿装置６７と重水タンク６９との間に設けられている。重水供給用配管７０は、重水タンク６９と電解質溶液タンク６１との間に設けられている。

電解質溶液供給部６０では、ガス源（不図示）から供給された不活性ガスが、不活性ガス供給用配管６６、除湿装置６７、及び乾燥不活性ガス供給配管６８を介して重水タンク６９に供給される。これにより、重水タンク６９が加圧され、重水が重水供給用配管７０を介して電解質溶液タンク６１に供給される。重水の供給量は、重水供給用配管７０に設けられたバルブＶ５によって制御される。

不活性ガス供給部７１は、不活性ガス供給用配管７２と、除湿装置７３と、乾燥不活性ガス供給配管７４とを備える。不活性ガス供給用配管７２は、ガス源（不図示）と除湿装置７３との間に設けられている。乾燥不活性ガス供給配管７４は、除湿装置７３と電解質溶液タンク６１との間に設けられている。

不活性ガス供給部７１では、ガス源（不図示）から供給された不活性ガスを、乾燥不活性ガス供給配管７４を介して電解質溶液タンク６１に供給する。これにより、電解質溶液タンク６１内が加圧される。

電解質溶液タンク６１の底部には、電解質塩６３が配置される。電解質塩６３としては、特に制限はなく、例えば、硝酸セシウム（ＣｓＮＯ_３）、水酸化セシウム（ＣｓＯＨ）、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ_３）、及び硝酸ストロンチウム（ＳｒＮＯ_３）などの上述した核種変換物質と同一の元素を含む電解質塩を用いることができる。これらの電解質塩６３は、重水に浸漬されることにより溶解して電解質溶液となる。

電解質溶液タンク６１の外周部には、電解質溶液タンク６１内の電解質溶液を所定温度に加熱するヒータ６４が配置される。電解質溶液中の電解質濃度は、電解質溶液の温度と重水供給部６５からの重水供給量とを制御することにより調整される。電解質溶液の濃度としては、例えば、０．００１ｍｏｌ／ｌから飽和濃度の間の濃度である。

電解質溶液供給用配管６２は、電解質溶液タンク６１と反応装置１００の貯留部１０１との間に設けられている。電解質溶液タンク６１内が加圧されることにより、電解質溶液が電解質溶液供給用配管６２を介して貯留部１０１に共有される。電解質溶液の供給量は、電解質溶液供給用配管６２に設けられたバルブＶ４によって制御される。

貯留部１０１には、重水補充部８０が接続されている。この重水補充部８０は、不活性ガス供給用配管８１と、除湿装置８２と、乾燥不活性ガス供給配管８３と、内部に重水を貯留する重水タンク８４と、重水補充用配管８５とを備える。不活性ガス供給用配管８１は、ガス源（不図示）と除湿装置８２との間に設けられている。乾燥不活性ガス供給配管８３は、除湿装置８２と重水タンク８４との間に設けられている。重水補充用配管８５は、重水タンク８４と貯留部１０１との間に設けられている。

重水補充部８０では、ガス源（不図示）から供給された不活性ガスが、不活性ガス供給用配管８１、除湿装置８２、及び乾燥不活性ガス供給配管８３を介して重水タンク８４に供給される。これにより、重水タンク８４内が加圧され、重水が重水補充用配管８５を介して貯留部１０１に供給される。重水の供給量は、重水補充用配管８５に設けられたバルブＶ６によって制御される。

再供給配管３５には、洗浄水供給部９０が接続されている。この酸溶液供給部９０は、不活性ガス供給用配管９１と、除湿装置９２と、乾燥不活性ガス供給配管９３と、内部に洗浄水を貯留する洗浄水タンク９４と、洗浄水供給用配管９５とを備える。不活性ガス供給用配管９１は、ガス源（不図示）と除湿装置９２との間に設けられている。乾燥不活性ガス供給配管９３は、除湿装置９２と洗浄水タンク９４との間に設けられている。洗浄水供給用配管９５は、洗浄水タンク９４と再供給配管３５との間に設けられている。洗浄水供給用配管９５には、洗浄水の流量を調整するバルブＶ７が設けられている。洗浄水としては、重水及び上述した第１の実施の形態と同様の純水を用いることができる。

洗浄水供給部９０では、ガス源（不図示）から供給された不活性ガスが、不活性ガス供給用配管９１、除湿装置９２、及び乾燥不活性ガス供給用配管９３を介して洗浄水タンク９４に供給される。これにより、洗浄水タンク９４内が加圧され、洗浄水が洗浄水供給用配管９５を介して貯留部１０１に供給される。

また、再供給配管３５には、酸溶液供給部２００が接続されている。この洗浄液供給部２００は、不活性ガス供給用配管２０１と、除湿装置２０２と、乾燥不活性ガス供給配管２０３と、内部に酸溶液を貯留する酸溶液タンク２０４と、酸溶液供給用配管２０５とを備える。不活性ガス供給用配管２０１は、ガス源（不図示）と除湿装置２０２との間に設けられている。乾燥不活性ガス供給配管２０３は、除湿装置２０２と酸溶液タンク２０４との間に設けられている。酸溶液供給用配管２０５は、酸溶液タンク２０４と再供給配管３５との間に設けられている。酸溶液供給用配管２０５には、酸溶液の流量を調整するバルブＶ２０２が設けられている。酸溶液としては、重水及び上述した第１の実施の形態と同様の酸溶液を用いることができる。

酸溶液供給部２００では、ガス源（不図示）から供給された不活性ガスが、不活性ガス供給用配管２０１、除湿装置２０２、及び乾燥不活性ガス供給用配管２０３を介して酸溶液タンク２０４に供給される。これにより、酸溶液タンク２０４内が加圧され、酸溶液が酸溶液供給用配管２０５を介して貯留部１０１に供給される。

次に、本実施の形態に係る核種変換反応膜の再生方法について説明する。まず反応装置１００に核種変換反応膜１０３を設置した後、電着液供給部５０の不活性ガス供給用配管５３のバルブＶ１３、乾燥不活性ガス供給配管５５のバルブＶ２３、及び電着液供給用配管５２のバルブＶ３が開放される。これにより、電着液タンク５１内の電着液が電着液供給用配管５２及び再供給配管３５を介して貯留部１０１に供給され、所定量の電着液が貯留部１０１に貯留されるとバルブＶ１、Ｖ３、Ｖ１３及びＶ２３が閉止されてポンプ３４が停止される。そして、電源１０５が電極１０４に電圧を印加することにより、電着液中のパラジウムなどの水素吸蔵金属が核種変換物質と共に核種変換反応膜１０３の表面に電着された電着層が形成される。

次に、バルブＶ２を開放すると共にポンプ３４を起動して貯留部１０１内の電着液を抜出配管３１及び排出部４０を介して外部に排出した後、貯留部１０１などの残留する電着液を必要に応じて洗浄する。次に、電解質溶液供給部６０の不活性ガス供給用配管７２のバルブＶ１４、乾燥不活性ガス供給配管７４のバルブＶ２４、及び電解質溶液供給用配管６２のバルブＶ４が開放される。これにより、電解質溶液タンク６１内の電解質溶液が電解質溶液供給用配管６２を介して貯留部１０１に供給され、貯留部１０１に供給された電解質溶液は循環部３０で循環されながら熱交換器３２によって所定温度（例えば、２０℃以上４０℃以下）に調整される。次に、減圧装置１０７によって重水素低濃度部１０２内が減圧されると共に、核種変換反応膜１０３がヒータ２０によって所定温度（例えば、７０℃）に加熱される。

次に、電源１０５が電極１０４に電圧を印加することにより、核種変換反応膜１０３の表面で重水（Ｄ_２Ｏ）が電気分解されて重水素（Ｄ_２）が発生する。これにより、発生した重水素が核種変換反応膜１０３を透過して重水素低濃度部１０２側に流れるので、核種変換反応膜１０３の電着層内で各種変換反応が進行して核種変換物質（例えば、Ｃｓ）が他の元素の被変換物質（例えば、Ｐｒ）に変換される。ここでは、必要に応じて電解質溶液供給部６０及び重水補充部８０から貯留部１０１に電解質溶液及び重水が供給されると共に、重水供給部６５から電解質溶液タンク６１に重水が供給される。

次に、電源１０５が、電極１０４への電圧の印加を停止した後、排出部４０を介して電解質溶液を排出する。次に、酸溶液供給部２００の不活性ガス供給用配管２０１のバルブＶ２００、乾燥不活性ガス供給配管２０３のバルブＶ２０１、及び酸溶液供給用配管２０５のバルブＶ２０２が開放される。これにより、酸溶液タンク２０４内の酸溶液が酸溶液供給用配管２０５及び再供給配管３５を介して貯留部１０１に供給され、所定量の酸溶液が貯留部１０１に貯留されるとバルブＶ２００、Ｖ２０１、及びＶ２０２が閉止される。そして、ポンプ３４を駆動して貯留部１０１内の酸溶液を再供給配管３５を介して循環することにより、核種変換反応膜１０３の最表層のパラジウム層１２Ａが当該パラジウム層１２内の被変換物質１３と共に溶解する。これにより、核種変換反応膜１０３によって核種変換された核種変換物質を回収することが可能となる。

次に、排出部４０を介して貯留部１０１内の溶出成分を含む電解質溶液を排出した後、洗浄水供給部９０の不活性ガス供給用配管９１のバルブＶ１７、乾燥不活性ガス供給配管９３のバルブＶ２７、及び洗浄水供給用配管９５のバルブＶ７が開放される。これにより、洗浄水タンク９４内の洗浄水が洗浄水供給用配管９５及び再供給配管３５を介して貯留部１０１に供給され、所定量の洗浄水が貯留部１０１に貯留されるとバルブＶ１７、Ｖ２７、及びＶ７が閉止される。そして、ポンプ３４を駆動して貯留部１０１内の洗浄水を再供給配管３５を介して循環することにより、最表層のパラジウム層１２Ａが除去された核種変換反応膜１０３の表面を洗浄することが可能となる。次に、排出部４０を介して貯留部１０１内の洗浄水を排出した後、再び電着液供給部５０から電着液を供給して最表層のパラジウム層１２Ａが除去された核種変換反応膜１０３の表面に核種変換物質を含むパラジウム層１２を設けることにより、核種変換反応膜１０３を再生することが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、貯留部１０１内に設けた核種変換反応膜１０３の表面に、電着によって核種変換物質を含む電着層を設けて核種変換を行うと共に、核種変換反応後の被変換物質を含む核種変換反応膜１０３の最表層のパラジウム層１２を酸溶液供給部２００から貯留部１０１内に供給した酸溶液によって溶解除去する。そして、最表層のパラジウム層１２Ａの溶解除去後の核種変換反応膜１０３の表面を、洗浄水供給部９０から貯留部１０１内に供給した洗浄水によって洗浄した後、再び電着液供給部５０から電着液を供給して核種変換反応膜１０３の表面上に核種変換物質を含むパラジウム層１２を設ける。これらにより、核種変換システム５は、反応装置１００から核種変換反応膜１０３を取り外すことなく連続的に核種変換物質を被変換物質１３に変換して回収することが可能となる。

１，２，３，４，５ 核種変換反応膜
１０ 基材
１１ 酸化カルシウム層（中間層）
１２ パラジウム層（中間層）
１２Ａ パラジウム層（表面層）
１３ 被変換物質

Claims (6)

1. 水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む基材と、前記基材上に設けられ、前記金属に対して相対的に仕事関数が低い低仕事関数物質を含む第１層と前記金属を含む第２層とが交互に積層された中間層と、前記中間層上に設けられ、前記金属を含む表面層と、を備えた核種変換反応膜の再生方法であって、
   前記核種変換反応膜を酸溶液で処理して前記中間層及び前記表面層の全てを溶解除去して核種変換反応後の被変換物質を回収する酸洗浄工程と、
   前記中間層及び前記表面層が溶解除去された前記基材を純水によって洗浄する純水洗浄工程と、
   純水によって洗浄された前記基材上に、前記中間層及び前記表面層を積層して核種変換反応膜を再生する積層工程と、を含むことを特徴とする、核種変換反応膜の再生方法。
2. 水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む基材と、前記基材上に設けられ、前記金属に対して相対的に仕事関数が低い低仕事関数物質を含む第１層と前記金属を含む第２層とが交互に積層された中間層と、前記中間層上に設けられ、前記金属を含む表面層と、を備えた核種変換反応膜の再生方法であって、
   前記核種変換反応膜を酸溶液で処理して前記表面層のみを溶解除去して核種変換反応後の被変換物質を回収する酸洗浄工程と、
   前記表面層が溶解除去された前記核種変換反応膜を純水によって洗浄する純水洗浄工程と、
   純水によって洗浄された前記核種変換反応膜上に、前記表面層を積層して核種変換反応膜を再生する積層工程と、を含むことを特徴とする、核種変換反応膜の再生方法。
3. 前記積層工程において、核種変換物質と共に前記表面層を電着により積層する、請求項２に記載の核種変換反応膜の再生方法。
4. 前記酸溶液が、硝酸、王水、及びフッ化水素酸からなる群から選択された少なくとも１種である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核種変換反応膜の再生方法。
5. 前記低仕事関数物質が、酸化カルシウム、酸化イットリウム及びチタン酸ストロンチウムからなる群から選択された少なくとも１種を含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の核種変換反応膜の再生方法。
6. 水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む基材と、前記基材上に設けられ、前記金属に対して相対的に仕事関数が低い低仕事関数物質を含む第１層と前記金属を含む第２層とが交互に積層された中間層と、前記中間層上に設けられ、前記金属を含む表面層と、を備えた核種変換反応膜が配置され、前記核種変換反応膜を用いた核種変換反応及び前記表面層が除去された前記核種変換反応膜への電着を行う反応装置と、
   前記反応装置に核種変換物質を含有する電着液を供給する電着液供給部と、
   前記反応装置に洗浄水を供給する洗浄水供給部と、
   前記反応装置に酸溶液を供給する酸溶液供給部とを備えたことを特徴とする、核種変換システム。

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