JP2018031639A - デュドリドによる放射能除去方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加速器や原子炉等の大規模な装置に比べて、圧倒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方法及び核種変換装置を提供する。
【解決手段】励起光を照射した光触媒を用いた重水の電解で生じた重水素イオンをデュドリドへ変換するデュドリド触媒伝導体によりデュドリドを生成し、該デュドリドを廃棄物と接触させて核変換により放射性廃棄物を安定化物質へ変換して安定化させる核種変換装方法及び核種変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、デュドリドを活用して放射能汚染物質中の放射能を帯びた物質を核変換によって安定物質化する方法及びその方法を実現する装置に関する。

産業活動に伴う排水には有害物質が含まれることが多く環境保護の観点から排水をそのまま下水、河川、海などへ放水することは許されない。特に、原子力発電所から水中に漏れ出た放射性物質については、プランクトンに取り込まれた放射性物質が小魚に食べられさらに大型魚類が小魚を食べるという食物連鎖により凝縮されることもあって内部被曝による人体への影響が懸念されている。また除染作業により地面や建物から除去されて貯蔵されている放射能汚染物質については未だに有効な廃棄手段が見出されていない。

原子力発電の燃料中には、質量数（元素の原子核を構成する陽子と中性子の合計数）が２３５のウランと２３８のウランが入っており、ウラン２３５が核分裂することで発生する熱が発電に使われている。ウラン２３５が核分裂すると、質量数が約１４０と約９０に近い元素ができ、その中でもセシウムやストロンチウムは代表的な元素として知られている。核分裂でできるセシウムとストロンチウムは、その多くが放射性物質であり、使用済の燃料を再処理する際に発生する放射能廃棄物として処理される。

ウラン２３５の核分裂で発生するセシウムとストロンチウムのうち放射性物質であるものは、セシウム１３５、１３７とストロンチウム８９、９０、９１がある。セシウム１３７はベータ線を放出してほとんどがバリウ１３７ｍになり（半減期は約３０年）、更にガンマ線を放出して安定なバリウ１３７になる。（半減期約２．６分。）ストロンチウム９０の場合はベータ線を放出してイットリウム９０になり（半減期は約２９年）、更にベータ線を放出し安定なジルコニウム９０になる（半減期は約６４時間）。

セシウム、ストロンチウムとも２回の変化を経て安定な元素に変化するという特徴があり、セシウムとストロンチウムの性質は動植物などの生命活動に欠かせない元素であるカリウムとカルシウムにそれぞれ化学的な性質が似てる。人間の体内では、カリウムは体液として体全体に、カルシウムは骨に多くまれている。従って人間がセシウムやストロンチウムを摂取した場合、体内ではセシウムはカリウムと、ストロンチウムはカルシウムと同じように動き、分布することになる。

このような放射性物質を安定化させるには、従来、例えば、例えば高レベル放射能廃棄物等に含まれる多量の長寿命放射性核種を短時間のうちに効率的かつ効果的に核種変換する方法として、いわゆる消滅処理が知られている。消滅処理は、高レベル放射能廃棄物に含まれる長寿命核分裂生成物や、発熱性のＳｒ−９０、Ｃｓ−１３７やＲｈ、Ｐｄ等の有用な白金族元素を、各元素の特性に応じて分離（群分離）した後に、中性子等を照射して核反応を発生させて、短寿命又は非放射性の核種に変換する核種変換処理である。

消滅処理では、（１）高速増殖炉等の原子炉やアクチノイド専焼炉での中性子照射によるアクチノイド等の消滅処理、（２）加速器での陽子照射によるアクチノイド等の核破砕処理、（３）加速器でのガンマ線照射による例えばセシウム、ストロンチウム等の消滅処理との３種類の方法が知られている。原子炉等での中性子照射では、中性子反応断面積が大きいマイナーアクチナイドを合理的に処理することができ、特に、高速の中性子を照射することで核分裂が起こりにくい超ウラン元素を直接核分裂させることができる。ただし、原子炉等の中性子照射では消滅しにくい長寿命核分裂生成物、例えば中性子反応断面積が小さいＳｒ−９０、Ｃｓ−１３７等については、加速器を利用した消滅処理が適用される（先行技術文献１，２を参照）。

加速器による消滅処理では、原子炉と異なって未臨界で運転できるため、臨界に関わる安全性に優れていること、設計上の自由度が大きい等の利点があり、陽子加速器と電子線加速器が利用される。陽子加速器を用いる消滅処理では、例えば５００ＭｅＶ〜２ＧｅＶ程度の高エネルギー陽子を照射して標的核を破砕する核破砕反応を利用しており、核破砕反応を直接利用して核種変換を起こすと共に、標的核の破砕に伴って発生する多数の中性子を標的核周りの未臨界ブランケットに投入して核分裂反応を発生させたり、中性子の捕獲反応によって核種変換反応を発生させる。これにより、例えばネプツニウム、アメリシウム等の超ウラン元素及び長寿命核分裂生成物を消滅することができ、しかも、未臨界ブランケットで発生した熱を回収して発電を行い、陽子加速器の運転に必要な電力を自給することができる。

また、電子線加速器を用いる消滅処理では、例えば電子線の制動輻射で発生するガンマ線や、例えば電子蓄積リングと光キャビティーを組み合わせて逆コンプトン散乱により発生させたガンマ線等による光核反応、例えば（γ、Ｎ）反応や（γ、核分裂）反応等の巨大共鳴を利用することによって、例えばストロンチウム、セシウム等の長寿命核分裂生成物や超ウラン元素等を消滅処理する。

特開２００３−５７３９２号公報 特開２０１５−０６４２６１号公報

ところで、上記従来技術の一例による消滅処理のように、原子炉や加速器を利用して核種変換を行う場合、大規模かつ高価な装置を用いなければならず、核種変換に要する費用が嵩むという問題がある。しかも、例えば長寿命核分裂生成物であるＣｓ−１３７を処理する場合において、１００万ＫＷ程度の原子力発電所から放出されるＣｓ−１３７を加速器を利用して他の核種に変換する場合に、必要な電力は数１００万ＫＷに達してしまい、高強度かつ大電流の加速器が必要になって効率が悪いという問題がある。

また、例えば軽水炉等の原子炉では熱中性子束が１×１０¹⁴ ／ｃｍ^２ ／ｓｅｃ程度であるのに対して、中性子反応断面積が小さいＣｓ−１３７の核種変換に必要な中性子束は１×１０¹⁷ 〜１× １0¹⁸ ／ｃｍ^２ ／ｓｅｃ程度となり、必要な中性子束を得ることができないという問題がある。本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、例えば加速器や原子炉等の大規模な装置に比べて、圧倒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方法及び核種変換装置を提供する。

上記の課題を解決するために、本願発明の放射能除去法は重水の光触媒を用いた電解を介して生成する重水素の陰イオン（重水素化物イオン：Ｄ^-）デュドリドにより放射線物質を核変換して安定物質を生成することを特徴とする。

デュドリドは中性子と２電子を余分に持つ陰イオンなので、正電荷を持つ放射能物質へクーロン核力によりデュドリドが引きつけられデュドリド中の中性子が放射能物質の中性子と反応して所期の作用を果たす。

本願発明の放射能除去法は、励起光を照射した光触媒を用いた重水の電解で生じた重水素イオンをデュドリドへ変換するデュドリド触媒伝導体によりデュドリドを生成し、該デュドリドを放射能廃棄物と接触させて核変換により放射能廃棄物を安定化させることを特徴とする。

本願発明の放射能除去装置は、重水の電解槽の励起光が照射される光触媒を用いる陰極側にデュドリドを生成するデュドリド触媒伝導体を設け、生成される該デュドリドに放射能廃棄物が接触するように配置することを特徴とする。

デュドリドを効果的に生成するには、重水を光触媒と励起光により効率的に電解して、重水素イオンを生成する。生成される水素イオンをデュドリド触媒伝導体によりデュドリドへ変換して、生成されるデュドリドを放射能汚染物質へ接触させる。

本願発明の放射能除去装置は、前記デュドリド触媒伝導体がチタン酸バリウムを主体とする物質であることを特徴とする。

デュドリド触媒伝導体として、比較的入手が容易なチタン酸バリウムを主体とする物質を選択することで、装置の提供が簡便に行える。

本発明によれば、放射能汚染物質中の放射能の除去に役立つ。

本発明の実施の形態に係る電解層を用いた放射能除去装置の説明図である。 水素イオンとデュドリドの放射能汚染物質に対する挙動の説明図である。

安定物質は陽子と中性子のバランスが取れているが放射能を持つ物質は安定状態での陽子と中性子のバランスが崩れている。そこで、放射性物質へ中性子を接近させて中性子反応を起こし、放射性物質を安定物質へ核変換させることが本発明の放射能除去法及び放射能除去装置の骨子である。そこで、先ず中性子源として重水を用いる。重水は化学式 Ｄ₂Ｏ、すなわち重水素二つと質量数１６の酸素一つによりなる水のことを言い、核が陽子と中性子で構成されている。

図１を用いて本発明を実施する電解層を用いた放射能除去装置の説明をする。電解質膜２０が付着した陽極１０と対向して重水を入れた容器の反対側へ第1陰極７０が置かれる。ここで陽極はＮｉｏ，Ｐｔ−Ｎｉなどを用い、陰極はＮｉ−Ｓ，Ｐｔ−Ｎｉが好適である。電気分解を効率的に行うには光触媒を活用することが望ましいので光触媒層４０を用いる。

光触媒として用いられる主な材料は、半導体の性質を持った物質である。半導体は、価電子帯と伝導帯とが、禁制帯で隔てられたバンド構造を有する。ここにバンドギャップ以上のエネルギーを持つ励起光が照射されると、価電子帯および伝導帯にそれぞれ正孔と電子が生成する。この光生成した正孔と電子が、それぞれ水を酸化・還元できる場合にのみ、酸素と水素が生成されることになる。つまり、半導体の価電子帯と伝導帯がそれぞれ水の酸化および還元電位を挟むようなポテンシャルを有することが熱力学的に必要となる。

光触媒には、研究の発端となったＴｉＯ_２の他に様々な物質が報告されている。特に、ペロブスカイト構造であるＮａＴａＯにＬａをドープピングしＮｉＯ助触媒を担持したものが、２７０ｎｍの単色光照射下で５６％と世界最高活性を示す光触媒であることが報告されている（水素エネルギーシステムＶｏｌ３２．Ｎｏ．１三石）。この飛躍的な活性の向上は、ドーピングすることによる微粒子化に加え、表面付近に構築されたナノステップが水素および酸素生成の反応場を分離することで実現したと考えられている。

発明の実現には、多くの光触媒候補から適宜選択すればよく例えばＮａＴａＯ_３；Ｌａが好適である。そして、光触媒層４０には、選択された光触媒に応じた波長の光３５がＬＥＤ、ＵＶランプ、エキシマランプ、レーザなどの光源から照射される。

光触媒層４０で電解されて酸素と分離された重水素のイオンは正電荷を持つので負極へ引かれ陰極側の電解質膜５０へ入る。電解質膜５０として常温でよく用いられるのがイオン交換樹脂のナフィオンである。

電解質膜５０の後ろには、デュドリド生成用のデュドリド触媒伝導体６０が配置される。具体的にはＢａＴｉＯ_3-ｘＨｘ＆ＢａＴｉＯ_3-yＤｙのようないわゆるチタン酸バリウムを主体とするチタン酸バリウムの変性体からなる薄膜を用いる。

第１陰極７０の背面には、デュドリド分離伝導体８０が置かれ、デュドリドを選択的に通過させる。負電荷を持つデュドリドを効率的にデュドリド分離伝導体８０を通過させるためにさらに第２陽極９０を設ける。第２陽極９０には例えばＮｉ−Ｓをガラス不織布に担持させたものが好適である。

第２陽極９０を通り抜けたデュドリドは放射能廃棄物１００に移行する。放射能廃棄物の背面には、イオンバランスを取るために第２陰極１１０を設けることが好ましい。

図２を用いてデュドリドと放射能廃棄物の関係を説明する。放射能廃棄物の中の放射性物質は崩壊する過程で放射線を出して発熱する。デュドリドは正電荷を持つ陽子と中性子と負電荷を持つ電子２つからなる粒子で全体として負電荷を持つ。放射能廃棄物の中へ侵入したデュドリドは系を熱平衡させるために、発熱している物質、即ち放射能廃棄物中の放射性物質へ移動する傾向がある。

放射能廃棄物中の放射性物質、例えばストロンチウム９０やセシウム１３７は金属元素なので正電荷を持つイオンになりやすい。陽イオンになった放射性物質は負電荷を持つデュドリドを引き付けることになる。放射性物質の核へ接近したデュドリドは、陽子と中性子と電子に分かれ陽子は核の陽子の持つ正電荷によりはじかれて、中性子のみが放射性物質の核へ接近することができる。

核に侵入した中性子は、放射能の原因となる核内の余分な中性子と核力により反応して、陽子と電子と過剰なエネルギーに変換され核の外部へ出る。その結果、中性子が減った放射性物質の核は、放射能を持たない安定物質へ変換される。最終的にストロンチウム９０はモリブデン（Ｍ_O）へ変換され、セシウム１３７はプラセオジム（Ｐｒ）へ変換されて安定化物質となる。

本発明は工業化で放射能汚染された汚染土壌、特に原子力発電所から放出された放射性の有害金属を除去することができる浄化方法及び浄化装置を提供するものでありその社会的な効用は大きい。

１０ 第１陽極
２０ 電解質膜
３０ 重水
３５ 励起光
４０ 光触媒層
５０ 電解質膜
６０ デュドリド触媒伝導体
７０ 第１陰極
８０ デュドリド分離伝導体
９０ 第２陽極
１００ 放射能廃棄物
１１０ 第２陰極

Claims (4)

1. 光触媒を用いた重水の電解を介して生成される重水素の陰イオン（重水素化物イオン：Ｄ^-）デュドリドにより放射線物質を核変換して安定物質を生成することを特徴とする放射能除去法。
2. 前記デュドリドが、デュドリド触媒伝導体により生成され、該デュドリドを廃棄物と接触させて核変換により放射線物質を安定化させることを特徴とする請求項１に記載の放射能除去法。
3. 重水の電解槽の励起光が照射される光触媒を用いる陰極側にデュドリドを生成するデュドリド触媒伝導体を設け、生成される該デュドリドに廃棄物が接触するように配置することを特徴とする放射能除去装置。
4. 前記デュドリド触媒伝導体がチタン酸バリウムを主体とする物質であることを特徴とする請求項３に記載の放射能除去装置。

Images