JP2018031758A - 原子力施設の放射能汚染水無害化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原子力施設の放射能汚染水を無害化すること。【解決手段】超臨界状態を利用して汚染水の水素結合を切断し、重水素、トリチウムを発生させて、パラジウムの表面で核融合反応を実現する。【選択図】図２

Description

本発明は、原子力発電所・使用済み核燃料再処理工場等で発生する放射能汚染水を無害化する装置に関するものである。トリチウム水を核変換して無害化する装置に関する。

近年、常温核融合の事例が散見される（［非特許文献１，２］）。いずれも共通することは、重水素Ｄと金属のパラジウムＰｄの組合せである。パラジウムは水素を吸蔵し、その体積比率は９３５倍と大きい。田中貴金属工業株式会社のパラジウム水素透過薄膜は、水素だけを通す選択透過性を利用して水素ガスの精製を実現している。水素分子はパラジウム薄膜の中で水素原子に分離し、薄膜を通過して外に出ると水素分子に戻ると想定されている。三菱重工からの報告では、重水素をパラジウム多層膜に透過させると、その内部で、Ｃｓ原子が原子番号の大きい原子に核変換している（図１）。

第１２回凝集系核科学国際会議見聞、水素エネルギーシステム３１巻、Ｎｏ．１（２００６） 凝集系核科学の現状と将来、東京工業大学蔵前会館セミナー、２０１５年４月

図２のように、水分子は水素結合によって繋がり、巨大分子を構成している。水素結合Ｈ−Ｏの乖離熱は〜３０ＫＪ／ｍｏｌで、水素分子Ｈ−Ｈの乖離熱４３６ＫＪ／ｍｏｌよりずっと小さい。この関係は、水素ガスからよりも水からの方が水素原子Ｈが容易に分離されることを示している。そして、最強の活性酸素であるヒドロキシルラジカル・ＯＨができる。ヒドロキシルラジカル・ＯＨは、酸素原子の外側電子軌道に孤立電子があり、反応相手から電子を奪い、電子対をつくる（反応相手を酸化する）。この関係は、図２のように、重水素、トリチウムが結合している場合も同じである。

超音波キャビテーションの気泡が圧壊する時、気液界面で水分子がＯＨラジカルと水素原子Ｈに分解される。気泡圧壊点は高温高圧状態になって居る。このことは、ベンゼン環に塩素原子３個が結合したトリクロロフェノールが分解されて、次第に透明な液が着色して来ることから実証される。トリクロロフェノールの分解着色は、ＯＨラジカルと塩素原子Ｃｌが発生する次亜塩素酸ＨＯＣｌ溶液の反応で既に確認されている。

図２のような水分子の水素結合から、水素原子（さらに、重水素、トリチウム）とＯＨラジカルを取り出す超音波キャビテーション気泡圧壊方法とは別の方法は、水全体を高温高圧の超臨界状態にすることである。超臨界状態の利用は炭酸ガスでも行われているが、水の場合は、２２１気圧以上の高圧と３７４℃以上の高温にする。耐蝕性のインコネル６２５、インコネル６９０等の金属反応容器を用いて、ダイオキシン、ＰＣＢ等の猛毒物質を分解することができる。

水の超臨界状態で核融合を実現するには、化学反応と同様に触媒が必要である。それが金属パラジウムである。最も容易な核融合は、図３の重水素とトリチウムからヘリウムができるＤ−Ｔ反応である。中性子を含まない水素原子核よりも、中性子を余分に１個含む重水素原子核の方が、さらに、中性子を余分に２個含むトリチウム原子核の方が不安定であるからである。同様なことは、ウランやプルトニウムの核分裂から発生するより重いセシウムやストロンチウムの放射性元素と重水素・トリチウムの組合せの場合にも想定される。

水の超臨界状態をつくる装置は既に造られ、稼働している。課題は高圧高温容器の内部で、パラジウムの広い表面積を実現することである。

福島第１原発の放射能汚染水は１００万トンに近い大量である。重い核分裂放射性元素を除いた７０万トンのトリチウム水の放射能強度は４２０万ベクレル／リットルである。これはその時々の崩壊元素の数のみを示し、全トリチウム元素の数を示してない。トリチウムの崩壊半減期１２．３年から概算すると、
崩壊前トリチウム原子の個数は３×１０^１４／リットルとなり、
自然水の軽水分子の個数３×１０^２５／リットル、
自然水に含まれる重水分子の個数４×１０^２１／リットルと比較すると、
極端に薄い濃度である。密度は、１０^１１個／ｃｃ（１ｃｃ^３当り千億個）濃度で ある。

Ｄ−Ｔ反応による発熱量と水温上昇の検討：
・Ｄ−Ｔ反応による放出エネルギー：３．５＋１４．１＝１７．６Ｍｅｖ
・１ｅＶ＝１．６×１０^−１９Ｊ １ＭｅＶ＝１．６×１０^−１３Ｊ
・１７．６Ｍｅｖ＝１７．６×１．６×１０^−１３Ｊ＝２．８×１０^−１２Ｊ
・１ｃｍ^３＝１ｃｃ当りの発熱量は、２．８×１０^−１２Ｊ×（３×１０^１１個／ｃ ｃ）、〜１Ｊ／ｃｃである。４．２Ｊ＝１ｃａｌなので、水温昇温は１℃以下であ る。

図３のＤ−Ｔ核反応の結果、中性子が放出される。この中性子が反応容器の金属原子と核融合反応して放射化される懸念があるが、前節同様に無視できる程度と見なす。

高温高圧の超臨界状態の汚染水の中に、触媒の金属パラジウムが存在する。加圧水流が存在する場合でも、できるだけ大きい表面積を維持しなければならない。

触媒の金属パラジウムの要件は、▲１▼大きい面積のために板状、▲２▼圧力流を逃す開放構造、▲３▼損傷回避のための角落し、▲４▼板の重なりを避ける構造、▲５▼破断回避の折筋無し、▲６▼強度維持の厚み、等の条件を満たすことによって、反応槽内部にヒータ等の構造物が在っても、▲７▼自在充填自在積載ができる構造である。

以上の要件を満たす構造として触媒の金属パラジウムは図４の薄板円筒構造を採用する。

原子力施設で発生する重水、トリチウム水が混合されている放射能汚染水から、トリチウムがヘリウムに変換されて無害化される。トリチウム水、さらに原子番号の大きい核分裂放射性元素が含まれる放射能汚染水の場合も核変換されて無害化が期待される。

三菱重工発表の重水素−Ｐｄ多層膜による元素変換 水の水素結合 Ｄ−Ｔ核反応 パラジウム薄板の円筒

▲１▼超臨界反応槽：内部容量は５００Ｌ。内面は高耐蝕性金属のインコネル６９０。
▲２▼トリチウム水の超臨界条件は、４００℃、２３０気圧（２３ＭＰａ）。
▲３▼パラジウム円筒：板厚ｔ＝０．２ｍｍ、外径６ｍｍ、長さ１２ｍｍ
▲４▼トリチウム水、多数のパラジウム円筒を入れた反応槽を、３０分間、横方向左右 に２秒／回程度揺らす。

福島第一原発に溜められている放射能汚染水の処理、加圧水型の原子力発電所から放出されているトリチウム水の処理、六ケ所村再処理工場の放射能汚染水の無害化処理が可能になる。また、試験使用・少量使用されるアイソトープの廃棄無害化処理に応用できる。

Claims (2)

1. 原子力施設の放射能汚染水を、超臨界状態にしてパラジウムまたはパラジウム合金表面で核融合核変換を実現することを特徴とする放射能汚染水無害化装置。
2. 請求項１における触媒の働きをするパラジウムまたはパラジウム合金は、薄板の円筒構造であることを特徴とする放射能汚染水無害化装置。

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