JP2019072669A - 同位体分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、放射性同位体元素の励起イオン化効率が高い同位体分離装置を提供することにある。【解決手段】本発明の同位体分離装置は、被測定金属が載置される載置部と、前記被測定金属の蒸気から所定の同位体を電離させるレーザビームを照射するレーザ光源と、を備え、前記レーザ光源が前記被測定金属の蒸気に前記レーザビームを照射する際に、前記レーザビームのスペクトル線幅を調整可能である。【選択図】図１

Description

同位体分離装置に関する。

原子力発電所から排出される核燃料物質や分裂生成物は、ウラン（Ｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、パラジウム（Ｐｄ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の放射性同位体元素を含むため、地中への埋め立て処分がなされてきた。しかしながら、質量数１０７のＰｄ等は半減期が長く、また自然には存在しないため、環境負荷や資源再利用の観点から回収されることが望ましい。

質量数１０７のＰｄ等の奇数質量数の同位体元素を回収するために、同位体元素をイオン化して分離するレーザ偶奇分離法がある。しかしながら、レーザ偶奇分離法で用いるレーザ光源はランニングコストが高く、また少数のレーザ光源で多量の同位体元素を処理する必要があるが、同位体元素の励起イオン化効率は低くイオン収量が少ない。また、レーザ光源の劣化や環境温度の上昇等の要因により、レーザ特性である励起強度やスペクトル線幅が経時変化するため、同位体元素の励起イオン化効率が低下してしまう。

特開２００８‐１７０２５２号公報

Ｃ．Ｒ．Ｌｏｃｈｅ，ｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ Ｖｏｌ．１２２，ｐ．２４６（２０１６）．

本発明が解決しようとする課題は、放射性同位体元素の励起イオン化効率が高い同位体分離装置を提供することにある。

本発明の同位体分離装置は、被測定金属が載置される載置部と、前記被測定金属の蒸気から所定の同位体を電離させるレーザビームを照射するレーザ光源と、を備え、前記レーザ光源が前記被測定金属の蒸気に前記レーザビームを照射する際に、前記レーザビームのスペクトル線幅を調整可能である。

実施形態の同位体分離装置の模式概略図。 角度θとレーザビームの速度分布の関係図。 レーザビームの励起強度Ω（ＧＨｚ）とスペクトル線幅σ（ＧＨｚ）の関係図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。図１に同位体分離装置１００の模式概略図を示す。

実施形態の同位体分離装置１００において、載置部９にある試料の被測定金属の蒸気から所定の放射性同位体元素をイオン化して分離するために、まず、電子銃１６が被測定金属に電子ビームを照射する。電子ビームを照射された被測定金属は溶融し、金属蒸気が発生する。次に、金属蒸気に向かって、レーザ光源７がレーザビームを照射する。このとき、制御部８がレーザビームの経時劣化に由来するレーザビームのスペクトル線幅の変化に基づいて、金属蒸気に入射する前のレーザビームが入射するミラー４の傾きを変える。これにより、ミラー４に入射するレーザビームの進行方向と、ミラー４に反射されるレーザビームの進行方向の間の角度θが変わる。この角度θを制御し、特に、レーザビームのスペクトル線幅を所定の範囲の値にすることで、放射性同位体元素の励起イオン化効率を向上させることができる。

図１を参照して、レーザ偶奇分離法を用いて、パラジウムを被測定金属として、質量数１０７のパラジウム同位体を分離する同位体分離装置１００の全体構造について説明する。

同位体分離装置１００は、真空容器１、コリメータ２、第１の回収部３、ミラー４、電極対５、第２の回収部６、レーザ光源７、制御部８、載置部９、排気部１０、第１の供給器１１、供給管１５、電子銃１６、第１の容器１７、第２の容器１８、配管１９、配管２０、および検出部３０を備える。

真空容器１は、例えば、内部が１０^−４Ｐａ程度の真空度に保たれている。

排気部１０は、真空容器１の内部の空気を排気する。排気部１０は、例えば、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ、油回転ポンプ等である。

真空容器１の内側には、質量数１０７のパラジウム同位体を分離するための構成が設けられている。

第１の供給器１１には、例えば、原子力発電所から排出されるパラジウムが搬入される。第１の供給器１１に固体のパラジウムが搬入されると、第１の供給器１１は、供給管１５を通じて、対象金属である固体のパラジウムが載置部９に供給される。

載置部９は、第１の供給器１１から供給された固体のパラジウムを保持する。載置部９は、例えば、銅製のるつぼである。

電子銃１６は、載置部１６に装荷された、固体のパラジウムに対して、高速の電子ビームを照射する。電子ビームの進行方向は図１の破線の矢印で示す。

電子ビームが照射された、載置部９の固体のパラジウムは、加熱され蒸気となる。以下、パラジウムの蒸気を、単に金属蒸気と称する。

コリメータ２は、載置部９の上方に設けられている。コリメータ２は開口部を有する。コリメータ２は蒸気整流器である。コリメータ２は、開口部に金属蒸気を通し、金属蒸気の進行方向を整える。

レーザ光源７は、真空容器１の外部にある。レーザ光源７は、例えば、銅蒸気レーザ、エキシマレーザ、色素レーザ、波長可変固体レーザ等の高強度レーザである。

レーザ光源７は、金属蒸気に向かってレーザビームを照射する。レーザ光源７のレーザビームは、金属蒸気から質量数１０７のパラジウムイオンを電離させるのに必要な、波長、強度、波長幅等を有する。レーザ光源７のレーザビームは複数の波長を有することが望ましい。質量数１０７のパラジウムをイオン化するために、レーザ光源７のレーザビームは、少なくとも２４７．７ｎｍ、８３５、６ｎｍ、６５２ｎｍの３つの波長を含むものが好適である。
なお、レーザ光源７は真空容器１の内部に設置されていてもよい。

ミラー４は、レーザ光源７から照射されるレーザビームの光路上にある。金属蒸気に入射する前のレーザビームがミラー４に入射する。ミラー４は真空容器１の内部に配置される。ミラー４は反射面を有する。ミラー４の反射面はレーザ光源７のレーザビームを反射して、レーザビームの進行方向を特定の方向に変えることが可能である。ミラー４は特定の傾きに可動であるため、反射面も特定の傾きとすることが可能である。

ここで、レーザ光源７からミラー４に入射するレーザビームの進行方向と、ミラーに反射されたレーザビームの進行方向との間の角度をθ（°）として、図１に示す。ミラー４の傾きを変えると、角度θも変えることができる。ただし、（９）式では角度θは０°より大きく９０°よりも小さい値である。

検出部３０は、所定の時間毎に、レーザ光源７が照射するレーザビームのスペクトル線幅を検出する。検出部３０は、例えば、分光法により所定の範囲の波長を分光する分光器を含む。検出部３０は、レーザビームのスペクトル線幅を検出するために、レーザ光源７に接続されている場合もあれば、レーザ光源７には接続されずにレーザビーム内に検知部を設けてレーザビームを取り出す場合もある。また、検出部３０は制御部８と接続される。

制御部８は真空容器１の外部に設けられている。制御部８は、検出部３０が検出したレーザビームのスペクトル線幅に基づいて、ミラー４の傾きを制御する。制御部８は、ミラー４の傾きを制御することで、角度θを特定の角度に制御する。例えば、レーザビームのスペクトル線幅が経時劣化し、検出部３０が検出したレーザビームのスペクトル線幅が所定の範囲の値ではない場合、制御部８が角度θを制御することで、レーザ光源７のレーザビームのスペクトル線幅を調整することができる。

電極対５は、コリメータ２を間に挟んで、載置部９の上方に設けられている。電極対５は、レーザ光源７のレーザビームが金属蒸気に入射する位置に設けられる。

電極対５の材料は、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ステンレス（ＳＵＳ）である。電極対５の形状は、板状であっても良いし、メッシュ状であっても良い。電極対５は、負極と正極を有する。レーザビームが金属蒸気に照射されると、金属蒸気から質量数１０７のパラジウムイオンが生成する。高電場に印加された電極対５は、その電界により、質量数１０７のパラジウムイオンを負極に引き寄せる。電極対５に引き寄せられた質量数１０７のパラジウムイオンは、進行方向を変えて蒸発する。

第１の回収部３は、質量数１０７のパラジウムイオンを回収する。第１の回収部３は金属板を有する。第１の回収部３に回収された質量数１０７のパラジウムイオンは、第１の回収部３の金属板に付着し固体金属となる。第１の回収部３に付着した固体金属は加熱されることで液化する。液化した金属は、加熱された配管１９を経由して、第１の容器１７に流下し、第１の容器１７に収集される。

第１の回収部３と配管１９の加熱は、パラジウムに照射する電子ビームの輻射熱により行うことができる。また、第１の回収部３と配管の加熱は、抵抗通電加熱装置を用いて加熱することもできる。

第１の容器１７に収集された液化した金属は、冷却水によって冷却されて固体金属となる。その後、固体金属は同位体分離装置１００の外部に取り出される。

第２の回収部６は、電極板５の上方に設けられる。第２の回収部６は金属板を有する。第２の回収部６は、レーザビームで電離されなかったパラジウム同位体原子の金属蒸気を回収する。回収された金属蒸気は、第２の回収部６の金属板に付着し固体金属となる。第２の回収部６の金属板に付着した固体金属は加熱されることで液化する。液化した金属は、加熱された配管２０を経由して、第２の容器１８に流下し、第２の容器１８に収集される。

第２の回収部６と配管２０の加熱は、パラジウムに照射する電子ビームの輻射熱により行われる。また、第２の回収部６と配管２０の加熱は、抵抗通電加熱装置を用いて加熱することもできる。

第２の容器１８に収集された液化した金属は、冷却水によって冷却されて固体金属となる。その後、固体金属は同位体分離装置１００の外部に取り出される。

図２に分子動力学シミュレーションで算出した、角度θ（°）とレーザ光源７のレーザビームの速度分布ｖ（ｍ／ｓ）の関係を示す。

横軸に、レーザ光源７からミラー４に入射するレーザビームの進行方向と、ミラーに反射されたレーザビームの進行方向との間の角度をθ（°）、縦軸にミラーに反射されたレーザビームの速度分布ｖ（ｍ／ｓ）を示す。ここで、レーザビームの速度分布ｖ（ｍ／ｓ）とは、レーザビームに含まれるフォトンの速度の分布のことである。

図２から、角度θを制御して増加させると、速度分布ｖが上昇していくことがわかる。図２の縦軸の速度分布ｖは（１）式で表すことができる。このとき、（１）式において、σ_１は角度θを制御した場合のレーザビームのスペクトル線幅増大係数であり、λはレーザビームの波長である。ここで、スペクトル線幅増大係数とは、レーザビームのスペクトル線の波長または周波数の広がり幅であるスペクトル線幅の値に影響を与える係数のことである。

また、図２の曲線は（２）式で表すことができる。（１）式、（２）式の関係から、レーザ光源７のレーザビームの波長λ（ｎｍ）、角度θ（°）、レーザビームのスペクトル線幅増大係数σ_１（ＧＨｚ）には、（３）式の関係があることが分かった。（３）式から、角度θを調整することにより、レーザビームのスペクトル線幅増大係数σ_１（ＧＨｚ）を制御することが可能となることが分かった。
ｖ＝λσ_１・・・（１）
ｖ＝２６４．８ｓｉｎθ・・・（２）
σ_１＝２６４．８ｓｉｎθ／λ ・・・（３）

また、図３に２準位光励起モデル計算で算出した、レーザビームの励起強度Ω（ＧＨｚ）とレーザビームのスペクトル線幅増大係数σ_２（ＧＨｚ）の関係を示す。

横軸にレーザビームの励起強度Ω（ＧＨｚ）、縦軸にレーザビームのスペクトル線幅増大係数σ_２（ＧＨｚ）を示す。ここで、スペクトル線幅増大係数σ_２（ＧＨｚ）は、角度θを制御しない場合、つまり、角度θが０度の場合のスペクトル線幅増大係数である。また、励起強度Ω（ＧＨｚ）とは、原子ガスが単位時間あたりに吸収するフォトン数、つまり、パラジウムの蒸気が単位時間あたりに吸収するレーザビームのフォトンの数であり、レーザ光源７により設定される値である。

図３に示すように、点線で囲まれた領域が、放射性同位体元素の励起イオン化効率が高い領域であり、点線の外側の領域が、放射性同位体元素の励起イオン化効率が低い領域である。

図３の放射性同位体元素の励起イオン化効率が高い領域とスペクトル線幅の関係を示すと、（４）式のように示される。ここで、角度θを制御した場合のスペクトル線幅増大係数σ_１を考慮した場合、（４）式は（５）式のように示される。さらに、この（５）式に（３）式を代入すると、（６）式が算出される。
（０．２５）^２＜（σ_２／Ω）^２ ＜（０．７５）^２・・・（４）
（０．２５）^２＜（σ_１／Ω）^２ ＋（σ_２／Ω）^２＜（０．７５）^２・・・（５）
０．２５＜（（２６４．８ｓｉｎθ／λ）^２＋σ_２ ^２）^１／２／Ω＜０．７５ ・・・（６）
０．３０＜（（２６４．８ｓｉｎθ／λ）^２＋σ_２ ^２）^１／２／Ω＜０．５５ ・・・（７）
０．４０＜（（２６４．８ｓｉｎθ／λ）^２＋σ_２ ^２）^１／２／Ω＜０．５０ ・・・（８）

σ_２は係数であるため、（６）式にσ_２を代入すると、最終的に放射線同位体元素の励起イオン化効率が高くなる角度θの値の範囲を算出することができる。

よって、角度θが（６）式を満たす場合に、放射性同位体元素の励起イオン化効率が高くなり望ましい。特に、放射性同位体元素の励起イオン化効率がより向上するため、角度θが（７）式を満たす場合に望ましく、さらに、角度θが（８）式を満たす場合に望ましい。

例えば、レーザ光源７のレーザビームの、波長λが２５０ｎｍ、スペクトル線幅増大係数σ_２が０．２５ＧＨｚ、励起強度Ωが１ＧＨｚの場合、角度θは（９）式の範囲の値となる。ただし、（９）式では角度θは０°より大きく９０°よりも小さい値である。
０°＜θ＜２８．２°・・・（９）

したがって、角度θを制御してレーザビームのスペクトル線幅を調整することで、放射性同位体元素の励起イオン化効率を向上させることができる。

なお、本実施形態では、対象金属をパラジウムとして説明をしたが、対象金属がウラン（Ｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、パラジウム（Ｐｄ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の同位体を含む元素を含む物質の場合でもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 真空容器
２ コリメータ
３ 第１の回収部
４ ミラー
５ 電極対
６ 第２の回収部
７ レーザ光源
８ 制御部
９ 載置部
１０ 排気部
１１ 第１の供給器
１５ 供給管
１６ 電子銃
１７ 第１の容器
１８ 第２の容器
１９、２０ 配管
３０ 検出部
１００ 同位体分離装置

Claims (7)

1. 被測定金属が載置される載置部と、
   前記被測定金属の蒸気から所定の同位体を電離させるレーザビームを照射するレーザ光源と、を備え、
   前記レーザ光源が前記被測定金属の蒸気に前記レーザビームを照射する際に、前記レーザビームのスペクトル線幅を調整可能である同位体分離装置。
2. 前記レーザビームを反射して前記レーザビームの進行方向を変えるミラーと、
   前記ミラーの傾きを変えて、前記ミラーに入射する前記レーザビームの進行方向と前記ミラーで反射された前記レーザビームの進行方向の間の角度を制御する制御部と、
   を備える請求項１に記載の同位体分離装置。
3. 前記制御部は前記ミラーの傾きを変えて、前記レーザビームのスペクトル線幅を調整する請求項２に記載の同位体分離装置。
4. 前記レーザ光源は、前記載置部上の鉛直方向に対して垂直な方向に前記レーザビームを前記被測定金属の蒸気に照射し、
   前記ミラーに入射する前記レーザビームの進行方向と前記ミラーで反射された前記レーザビームの進行方向の間の角度を角度θ、前記レーザビームの波長をλ（ｎｍ）、前記角度θが０度の場合のレーザビームのスペクトル線幅増大係数をσ_２、とした場合、
   前記角度θは（（２６４．８ｓｉｎθ／λ）^２＋σ_２ ^２）^１／２／Ωの値が０．２５より大きく０．７５より小さくなる角度を満たす請求項２または請求項３に記載の同位体分離装置。
5. 前記被測定金属は、Ｐｄ、Ｚｒ、Ｇｄ、Ｕのいずれかである請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の同位体分離装置。
6. 前記レーザ光源は銅蒸気レーザ、エキシマレーザ、色素レーザのいずれかである請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の同位体分離装置。
7. 前記載置部に載置された前記被測定金属に対して電子ビームを照射する電子銃をさらに備える請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の同位体分離装置。