JP2024065378A

JP2024065378A - Helium Production Methods

Info

Publication number: JP2024065378A
Application number: JP2022174215A
Authority: JP
Inventors: 勝堀; 修小田; 尚博清水
Original assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2024-05-15

Abstract

【課題】重水又はトリチウム水を基にヘリウムを製造する、ヘリウム製造方法を提供すること。【解決手段】第１電極２１と、第２電極２２と、第１電極２１と第２電極２２との間にパルス電圧を印加するパルス供給部３と、を備えた電気分解装置１を用いて、ヘリウムを製造する方法。トリチウム水と重水との少なくとも一方を含む原料水Ｍ中に、第１電極２１と第２電極２２とを浸漬する。第１電極２１に正方向の電圧パルスを印加した直後に、第１電極２１に負方向のパルス電流を伴う負方向の電圧パルスを印加することにより、原料水Ｍ中にヘリウムを生成させる。【選択図】図１[Problem] To provide a helium production method for producing helium from heavy water or tritium water. [Solution] A method for producing helium using an electrolysis device 1 equipped with a first electrode 21, a second electrode 22, and a pulse supply unit 3 that applies a pulse voltage between the first electrode 21 and the second electrode 22. The first electrode 21 and the second electrode 22 are immersed in raw water M containing at least one of tritium water and heavy water. Helium is generated in the raw water M by applying a negative voltage pulse accompanied by a negative pulse current to the first electrode 21 immediately after applying a positive voltage pulse to the first electrode 21. [Selected Figure] Figure 1

Description

本発明は、ヘリウム製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing helium.

ヘリウムは、例えば、半導体の製造、超電導磁石の冷却、光ファイバーの製造等、各種産業における多様な用途に用いられている。一方、ヘリウムは、一般に、天然ガスから分離、精製することにより、生産されている。例えば、特許文献１には、高純度のヘリウムを製造する方法が記載されているが、この製造方法も、天然ガスからヘリウムを分離、精製することで、ヘリウムを製造するものである。 Helium is used for a variety of applications in various industries, such as the manufacture of semiconductors, the cooling of superconducting magnets, and the manufacture of optical fibers. On the other hand, helium is generally produced by separating and refining it from natural gas. For example, Patent Document 1 describes a method for producing high-purity helium, but this method also produces helium by separating and refining helium from natural gas.

特開２００３－３４２００９号公報JP 2003-342009 A

しかしながら、地球上の天然ガスには限りがあるため、他の手法にて、ヘリウムを製造する技術が望まれている。一方、重水は海水中に一定量含まれることから、地球上の資源としては大量に存在する。また、トリチウム水は、原子力発電の副産物として生成されており、特に近年は、福島原子力発電所の事故に伴い流出したトリチウム水の処理方法が模索されている。 However, since natural gas on Earth is limited, there is a need for other methods of producing helium. On the other hand, heavy water is found in large quantities in seawater, making it a resource on Earth. Tritiated water is also produced as a by-product of nuclear power generation, and in recent years in particular, methods for treating the tritiated water that was leaked following the Fukushima nuclear power plant accident have been explored.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、重水又はトリチウム水を基にヘリウムを製造する、ヘリウム製造方法を提供しようとするものである。 The present invention was made in consideration of these problems, and aims to provide a method for producing helium from heavy water or tritium water.

本発明の一態様は、第１電極と、第２電極と、上記第１電極と上記第２電極との間にパルス電圧を印加するパルス供給部と、を備えた電気分解装置を用いて、ヘリウムを製造する方法であって、
トリチウム水と重水との少なくとも一方を含む原料水中に、上記第１電極と上記第２電極とを浸漬し、
上記第１電極に正方向の電圧パルスを印加した直後に、上記第１電極に負方向のパルス電流を伴う負方向の電圧パルスを印加することにより、上記原料水中にヘリウムを生成させる、ヘリウム製造方法にある。 One aspect of the present invention is a method for producing helium using an electrolysis device including a first electrode, a second electrode, and a pulse supply unit that applies a pulse voltage between the first electrode and the second electrode, the method comprising:
The first electrode and the second electrode are immersed in raw water containing at least one of tritiated water and heavy water;
The method for producing helium comprises applying a positive voltage pulse to the first electrode, followed immediately by applying a negative voltage pulse accompanied by a negative pulse current to the first electrode, thereby generating helium in the raw water.

上記ヘリウム製造方法によると、原料水中における第１電極の近傍において、ヘリウムを生成することができる。このように、重水又はトリチウム水を基にヘリウムを製造することができる。 According to the above helium production method, helium can be produced in the raw water near the first electrode. In this way, helium can be produced based on heavy water or tritium water.

以上のごとく、上記態様によれば、重水又はトリチウム水を基にヘリウムを製造する、ヘリウム製造方法を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 As described above, according to the above aspect, it is possible to provide a method for producing helium based on heavy water or tritium water.
In addition, the symbols in parentheses described in the claims and the means for solving the problems indicate a correspondence with the specific means described in the embodiments described below, and do not limit the technical scope of the present invention.

実施形態１における、電気分解装置の概略説明図。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an electrolysis device according to a first embodiment. 実施形態１における、第１電極に印加されるパルス電圧の説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram of a pulse voltage applied to a first electrode in the first embodiment. 実施形態１における、多孔質セラミック層を設けた第１電極の断面説明図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a first electrode provided with a porous ceramic layer in the first embodiment. 実施形態１における、電気分解装置の説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram of an electrolyzer according to the first embodiment. 実施形態１における、第１電極の表面近傍の電気二重層でのヘリウム３の生成過程の説明図。4 is an explanatory diagram of a process of generating helium 3 in the electric double layer near the surface of the first electrode in the first embodiment. FIG. 重水素の原子核とプロトンとの間の距離と作用する力との関係を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the distance and the force acting between a deuterium nucleus and a proton. 実施形態２における、第１電極の表面近傍の電気二重層でのヘリウム４の生成過程の説明図。8A to 8C are explanatory diagrams of a process of generating helium 4 in the electric double layer near the surface of the first electrode in the second embodiment.

（実施形態１）
ヘリウム製造方法に係る実施形態について、図１～図６を参照して説明する。
本形態のヘリウム製造方法は、第１電極２１と、第２電極２２と、パルス供給部３と、を備えた電気分解装置１を用いて、ヘリウムを製造する方法である。パルス供給部３は、第１電極２１と第２電極２２との間にパルス電圧を印加する。 (Embodiment 1)
An embodiment of a method for producing helium will be described with reference to FIGS.
The helium production method of this embodiment is a method of producing helium using an electrolyzer 1 including a first electrode 21, a second electrode 22, and a pulse supply unit 3. The pulse supply unit 3 applies a pulse voltage between the first electrode 21 and the second electrode 22.

本形態のヘリウム製造方法においては、トリチウム水と重水との少なくとも一方を含む原料水Ｍ中に、第１電極２１と第２電極２２とを浸漬する。そして、第１電極２１に正方向の電圧パルスを印加した直後に、第１電極２１に負方向のパルス電流を伴う負方向の電圧パルスを印加する。これにより、原料水Ｍ中にヘリウムを生成させる。 In this embodiment of the helium production method, the first electrode 21 and the second electrode 22 are immersed in raw water M containing at least one of tritium water and heavy water. Then, immediately after applying a positive voltage pulse to the first electrode 21, a negative voltage pulse accompanied by a negative pulse current is applied to the first electrode 21. This produces helium in the raw water M.

特に本形態においては、重水素を基にして、ヘリウム３を製造する方法につき、説明する。すなわち、本形態のヘリウム製造方法において、原料水Ｍは、重水を含む。そして、図２に示すごとく、第１電極２１に正方向の電圧パルスを印加した直後に、第１電極２１に負方向のパルス電流を伴う負方向の電圧パルスを印加する。これにより、ヘリウム３を生成する。なお、ヘリウム３は、原子核が陽子２個と中性子１個とからなる、ヘリウムの同位体である。 In particular, in this embodiment, a method for producing helium-3 based on deuterium will be described. That is, in this embodiment of the helium production method, the raw water M contains heavy water. Then, as shown in FIG. 2, immediately after a positive voltage pulse is applied to the first electrode 21, a negative voltage pulse accompanied by a negative pulse current is applied to the first electrode 21. This produces helium-3. Note that helium-3 is an isotope of helium whose atomic nucleus consists of two protons and one neutron.

電気分解装置１は、図１に示すごとく、に、第１電極２１、第２電極２２、パルス供給部３と共に、原料水Ｍを貯留する処理槽１１を有する。処理槽１１中に貯留された原料水Ｍに、第１電極２１及び第２電極２２を浸漬する。
第１電極２１及び第２電極２２は、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、炭素（Ｃ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等、或いは、チタンシリコンカーバイド（ＴｉＳｉＣ）等の導電性セラミック等からなる。 1 , the electrolyzer 1 has a first electrode 21, a second electrode 22, a pulse supply unit 3, and a treatment tank 11 for storing raw water M. The first electrode 21 and the second electrode 22 are immersed in the raw water M stored in the treatment tank 11.
The first electrode 21 and the second electrode 22 are made of, for example, platinum (Pt), gold (Au), copper (Cu), aluminum (Al), tungsten (W), tantalum (Ta), carbon (C), stainless steel (SUS), or a conductive ceramic such as titanium silicon carbide (TiSiC).

図１、図３に示すごとく、第１電極２１の表面には、多孔質セラミック層２３が形成されている。該多孔質セラミック層２３の気孔２３１に原料水Ｍの一部が浸入して第１電極２１の表面に接触するよう構成されている。気孔２３１の平均細孔径は１～１０μｍである。多孔質セラミック層２３の表面気孔率は２０～９９％であり、より好ましくは２０～８０％である。ここで、表面気孔率は、層表面に開口する気孔の開口面積の割合である。 As shown in Figures 1 and 3, a porous ceramic layer 23 is formed on the surface of the first electrode 21. A portion of the raw water M penetrates into the pores 231 of the porous ceramic layer 23 and contacts the surface of the first electrode 21. The average pore diameter of the pores 231 is 1 to 10 μm. The surface porosity of the porous ceramic layer 23 is 20 to 99%, and more preferably 20 to 80%. Here, the surface porosity is the ratio of the opening area of the pores that open to the layer surface.

図３に示すごとく、多孔質セラミック層２３は、複数の気孔２３１が互いに連なって、第１電極２１の表面と多孔質セラミック層２３の外表面とが連通するよう構成されている。これにより、多孔質セラミック層２３の気孔２３１に原料水Ｍが浸入して、第１電極２１に接触するよう構成されている。 As shown in FIG. 3, the porous ceramic layer 23 is configured such that a plurality of pores 231 are interconnected, and the surface of the first electrode 21 is in communication with the outer surface of the porous ceramic layer 23. This allows the raw water M to penetrate the pores 231 of the porous ceramic layer 23 and come into contact with the first electrode 21.

図４に示すごとく、パルス供給部３は、パルス電源３１とダイオード３２とを有する。
ダイオード３２は、アノード側が第２電極に接続されている。ダイオード３２に順方向バイアス電圧を印加した直後に逆方向バイアス電圧を印加した際にダイオード３２に流れる逆回復電流によって、第１電極２１に負方向のパルス電流を伴う負方向の電圧パルスが印加されるよう構成されている。 As shown in FIG. 4, the pulse supply unit 3 includes a pulse power supply 31 and a diode 32 .
The anode side of the diode 32 is connected to the second electrode. When a forward bias voltage is applied to the diode 32 and then a reverse bias voltage is applied immediately thereto, a reverse recovery current flows through the diode 32, and a negative voltage pulse accompanied by a negative pulse current is applied to the first electrode 21.

ダイオード３２は、パルス電源３１と第２電極２２との間に、直列接続されている。そして、ダイオード３２のカソードがパルス電源３１側となるように、接続されている。なお、ダイオード３２をパルス電源３１と第１電極２１との間に直列接続することもできる（図示略）。この場合には、ダイオード３２のカソード側が第１電極２１側となるように接続する。 The diode 32 is connected in series between the pulse power supply 31 and the second electrode 22. The diode 32 is connected so that its cathode is on the pulse power supply 31 side. The diode 32 can also be connected in series between the pulse power supply 31 and the first electrode 21 (not shown). In this case, the diode 32 is connected so that its cathode is on the first electrode 21 side.

パルス電源３１、第１電極２１、原料水Ｍ、第２電極２２、ダイオード３２は、閉回路を構成している。パルス電源３１は、まず、第１電極２１が正方向となるような正方向の電圧パルスを生じる。すなわち、第１電極２１と第２電極２２との間の原料水Ｍと、ダイオード３２との直列体に、ダイオード３２の順方向の電圧を印加する。これにより、第１電極２１に正方向のパルス電圧（図２におけるＶ_FP参照）が印加され、正方向のパルス電流（図２におけるＩ_FP参照）が流れる。 The pulse power supply 31, the first electrode 21, the raw water M, the second electrode 22, and the diode 32 form a closed circuit. The pulse power supply 31 first generates a forward voltage pulse such that the first electrode 21 is in the forward direction. That is, a forward voltage of the diode 32 is applied to a series circuit of the raw water M between the first electrode 21 and the second electrode 22 and the diode 32. As a result, a forward pulse voltage (see _VFP in FIG. 2) is applied to the first electrode 21, and a forward pulse current (see _IFP in FIG. 2) flows.

パルス電源３１は、正方向の電圧パルスの直後に、負方向の電圧パルスを生じる。すなわち、第１電極２１と第２電極２２との間の原料水Ｍと、ダイオード３２との直列体に、ダイオード３２の逆方向の電圧を印加する。このとき、ダイオード３２の降伏電圧よりも高い逆電圧が、ダイオード３２に印加されるようにする。これにより、ダイオード３２の逆回復特性となだれ降伏特性によって、ダイオード３２に逆電流が流れる。この逆電流による負方向のパルス電流（図２におけるＩ_RP参照）を伴う負方向のパルス電圧（図２におけるＶ_RP参照）が、第１電極２１に印加される。 The pulse power supply 31 generates a negative voltage pulse immediately after a positive voltage pulse. That is, a reverse voltage of the diode 32 is applied to the series combination of the raw water M between the first electrode 21 and the second electrode 22 and the diode 32. At this time, a reverse voltage higher than the breakdown voltage of the diode 32 is applied to the diode 32. As a result, a reverse current flows through the diode 32 due to the reverse recovery characteristic and avalanche breakdown characteristic of the diode 32. A negative pulse voltage (see V _RP in FIG. 2 ) accompanied by a negative pulse current (see I _RP in FIG. 2 ) due to this reverse current is applied to the first electrode 21.

ここで、正方向の電圧パルス及び負方向の電圧パルスは、それぞれ超短パルスである。
すなわち、第１電極２１に印加する正方向の電圧パルス及び負方向の電圧パルスは、それぞれのパルス半値幅Ｗｐ、Ｗｎが５０～１０００ｎｓである。より好ましくは、これらのパルス半値幅Ｗｐ、Ｗｎは５０～２００ｎｓである。 Here, the positive and negative voltage pulses are each an ultrashort pulse.
That is, the positive voltage pulse and the negative voltage pulse applied to the first electrode 21 have pulse half-widths Wp and Wn of 50 to 1000 ns, respectively. More preferably, these pulse half-widths Wp and Wn are 50 to 200 ns.

また、第１電極２１に印加する正方向の電圧パルスは、立上り速度が５０～１０００ｋＶ／ｓ、立下り速度が－５０～－１０００ｋＶ／ｓであり、第１電極２１に印加する負方向の電圧パルスは、立下り速度が－５０～－１０００ｋＶ／ｓ、立上り速度が５０～１０００ｋＶ／ｓである。 The positive voltage pulse applied to the first electrode 21 has a rise rate of 50 to 1000 kV/s and a fall rate of -50 to -1000 kV/s, and the negative voltage pulse applied to the first electrode 21 has a fall rate of -50 to -1000 kV/s and a rise rate of 50 to 1000 kV/s.

より好ましくは、第１電極２１に印加する正方向の電圧パルスは、立上り速度が１００～１０００ｋＶ／ｓ、立下り速度が－１００～－１０００ｋＶ／ｓであり、第１電極２１に印加する負方向の電圧パルスは、立下り速度が－１００～－１０００ｋＶ／ｓ、立上り速度が１００～１０００ｋＶ／ｓである。 More preferably, the positive voltage pulse applied to the first electrode 21 has a rise rate of 100 to 1000 kV/s and a fall rate of -100 to -1000 kV/s, and the negative voltage pulse applied to the first electrode 21 has a fall rate of -100 to -1000 kV/s and a rise rate of 100 to 1000 kV/s.

第１電極２１に印加する正方向の電圧パルスは、ピーク電圧が５～５０ｋＶであり、第１電極２１に印加する負方向の電圧パルスは、ピーク電圧が－５～－５０ｋＶである。より好ましくは、第１電極２１に印加する正方向の電圧パルスは、ピーク電圧が１０～３０ｋＶであり、第１電極２１に印加する負方向の電圧パルスは、ピーク電圧が－５～－２０ｋＶである。 The positive voltage pulse applied to the first electrode 21 has a peak voltage of 5 to 50 kV, and the negative voltage pulse applied to the first electrode 21 has a peak voltage of -5 to -50 kV. More preferably, the positive voltage pulse applied to the first electrode 21 has a peak voltage of 10 to 30 kV, and the negative voltage pulse applied to the first electrode 21 has a peak voltage of -5 to -20 kV.

ダイオード３２は、第１電極２１に印加するパルス電圧（５０～１０００ｋＶ）よりも高い耐圧を有する。すなわち、ダイオード３２は、順方向についても、逆方向についても、第１電極２１に印加するパルス電圧（５０～１０００ｋＶ）よりも高い耐電圧を有する。また、ダイオード３２は、上記の電圧パルスに伴って流れるパルス電流に対して、充分な順方向電流耐量及び逆方向電流耐量を備える。また、ダイオード３２は、順回復時間及び逆回復時間がともに、印加される電圧パルスのパルス半値幅（Ｗｐ、Ｗｎ；５０～１０００ｎｓ）以下である。 The diode 32 has a higher withstand voltage than the pulse voltage (50 to 1000 kV) applied to the first electrode 21. That is, the diode 32 has a higher withstand voltage in both the forward and reverse directions than the pulse voltage (50 to 1000 kV) applied to the first electrode 21. The diode 32 also has sufficient forward and reverse current withstand capability for the pulse current that flows with the above-mentioned voltage pulse. The diode 32 also has a forward recovery time and a reverse recovery time that are both equal to or less than the half-width (Wp, Wn; 50 to 1000 ns) of the applied voltage pulse.

上述のように、第１電極２１に正方向の電圧パルス及び負方向の電圧パルスを印加することで、第１電極２１の表面付近において、以下のような反応が生じる。
すなわち、第１電極２１に正方向の電圧パルスが印加されると、図５に示すごとく、第１電極２１の表面付近において、原料水Ｍ中の水分子（Ｈ₂Ｏ）が分解されて、水素イオンすなわちプロトン（ｐ）とＯＨラジカル（・ＯＨ）が生成される。また、第１電極２１の表面付近において、原料水Ｍ中の重水分子（Ｄ₂Ｏ）が分解されて、重水素（Ｄ）が生成される。 As described above, by applying a positive voltage pulse and a negative voltage pulse to the first electrode 21, the following reaction occurs near the surface of the first electrode 21.
That is, when a positive voltage pulse is applied to the first electrode 21, the water molecules ( _H2O ) in the raw water M are decomposed near the surface of the first electrode 21 to generate hydrogen ions, i.e., protons (p) and OH radicals (.OH), as shown in Fig. 5. Also, the heavy water molecules ( _D2O ) in the raw water M are decomposed near the surface of the first electrode 21 to generate deuterium (D).

次いで、第１電極２１に負方向のパルス電流を伴う電圧パルスが印加されると、第１電極２１が陰極となる。そうすると、第１電極２１近傍において生じたプロトン（ｐ）及び重水素（Ｄ）は、第１電極２１に引き付けられる。また、原料水Ｍ中における第１電極２１の表面付近においては、電気二重層ＥＤＬが形成される。電気二重層ＥＤＬは、第１電極２１の表面から０．０１～０．１μｍ程度の間の狭い領域に形成される。 Next, when a voltage pulse accompanied by a negative pulse current is applied to the first electrode 21, the first electrode 21 becomes the cathode. Then, the protons (p) and deuterium (D) generated near the first electrode 21 are attracted to the first electrode 21. In addition, an electric double layer EDL is formed near the surface of the first electrode 21 in the raw water M. The electric double layer EDL is formed in a narrow region about 0.01 to 0.1 μm from the surface of the first electrode 21.

特に、第１電極２１は、多孔質セラミック層２３にて被覆されているため、多孔質セラミック層２３の気孔２３１の中に、電気二重層が形成されることとなる。この狭い空間に、多量のプロトンと重水素とが存在した状態となる。そして、第１電極２１に印加される、負方向の電圧パルスによって、電気二重層には大きな電圧が瞬時に作用する。すなわち極めて狭い領域である気孔２３１中の電気二重層中に、極めて大きな電界が形成される。そうすると、気孔２３１中に存在するプロトンに大きな力、すなわち加速度が加わる。この大きな加速度によって加速されたプロトンが、重水素に衝突する。あるいは、重水分子中の重水素にプロトンが衝突する。これにより、プロトンと重水素とが核融合反応を生じて、ヘリウム３が生成される。なお、ヘリウム３（³Ｈｅ）は、陽子（プロトン）２個と中性子１個とからなる原子核を備えたヘリウムの同位体である。 In particular, since the first electrode 21 is covered with the porous ceramic layer 23, an electric double layer is formed in the pores 231 of the porous ceramic layer 23. A large amount of protons and deuterium are present in this narrow space. Then, a large voltage acts on the electric double layer instantly by a negative voltage pulse applied to the first electrode 21. That is, an extremely large electric field is formed in the electric double layer in the pores 231, which is an extremely narrow region. Then, a large force, that is, acceleration, is applied to the protons present in the pores 231. The protons accelerated by this large acceleration collide with deuterium. Alternatively, the protons collide with deuterium in a heavy water molecule. This causes a nuclear fusion reaction between the protons and deuterium to produce helium-3. Note that helium-3 ( ^3He ) is an isotope of helium with an atomic nucleus consisting of two protons and one neutron.

このように、極めて狭い領域において、多数のプロトンと多数の重水素とが生じるとともに、プロトンが大きく加速されることにより、核融合反応が生じて、ヘリウム３が生成される。 In this way, in an extremely small region, a large number of protons and a large number of deuterium atoms are produced, and the protons are greatly accelerated, causing a nuclear fusion reaction and producing helium-3.

このような核融合が生じるには、クーロン斥力に抗する衝突エネルギーが充分に大きいことなどが、必要となる。
すなわち、重水素の原子核にプロトンを衝突させるためには、両者間に斥力として作用するクーロン力を超えるエネルギーが、本来は必要となる。重水素の原子核（陽子１個と中性子１個）とプロトン（陽子）とがある程度の距離に近づくと、クーロン力が斥力として作用する。その一方で、重水素の原子核にプロトンがさらに近づくと、核子引力が作用する。それゆえ、重水素の原子核とプロトンとの距離を横軸にし、両者間の斥力のエネルギーを縦軸にとると、概ね、図６に示すような関係となる。つまり、クーロン力から核子引力を減じた斥力のエネルギーが、図６のように作用するため、重水素の原子核にプロトンを衝突させるためには、この斥力のエネルギーのピークを越える力が、本来は必要となる。 For such nuclear fusion to occur, the collision energy must be large enough to overcome the Coulomb repulsive force.
That is, in order to collide a proton with a deuterium nucleus, energy that exceeds the Coulomb force acting as a repulsive force between the two is essentially required. When a deuterium nucleus (one proton and one neutron) and a proton (proton) approach each other to a certain distance, the Coulomb force acts as a repulsive force. On the other hand, when a proton approaches the deuterium nucleus even closer, nucleon attraction acts. Therefore, if the distance between the deuterium nucleus and the proton is taken on the horizontal axis and the repulsive energy between them is taken on the vertical axis, the relationship is roughly as shown in FIG. 6. In other words, the repulsive energy obtained by subtracting the nucleon attraction from the Coulomb force acts as shown in FIG. 6, so in order to collide a proton with a deuterium nucleus, a force that exceeds the peak of this repulsive energy is essentially required.

ただし、ハイゼンベルクの不確定性原理と、物質における粒子と波動の二重性とに基づく、トンネル効果を考慮すると、必ずしも衝突エネルギーが上記の斥力（クーロン力－核子引力）のエネルギーのピークを超えなくても、衝突を生じさせることが可能となると考えられる。すなわち、ある程度の大きさのエネルギーがあれば、充分な確率にて、衝突を生じさせることができる。 However, when considering the tunneling effect based on Heisenberg's uncertainty principle and the duality of particles and waves in matter, it is believed that collisions can occur even if the collision energy does not necessarily exceed the peak energy of the repulsive force mentioned above (Coulomb force - nucleon attraction). In other words, if there is a certain amount of energy, collisions can be caused with a sufficient probability.

そこで、検討するに、発明者らは、上述の条件を満たす電気分解装置１を用いて、上述の条件の超短パルス電圧印加にて原料水Ｍを電気分解することで、核融合を生じさせることが充分に可能となることを見出した。 The inventors have therefore found that it is fully possible to cause nuclear fusion by using an electrolysis device 1 that satisfies the above-mentioned conditions and electrolyzing raw water M by applying an ultra-short pulse voltage under the above-mentioned conditions.

すなわち、近年確立されつつある高温核融合反応の技術において、核融合反応を生じさせるための条件として、ローソン条件が知られている。
ローソン条件は、以下の３つの条件を言う。
〔条件１〕炉内のプラズマ温度が１億℃以上であること。
〔条件２〕プラズマ密度１００兆個／ｃｍ³以上であること。
〔条件３〕上記条件１，２の状態を１秒以上持続すること。 That is, in the technology of high-temperature nuclear fusion reactions, which has been established in recent years, the Lawson condition is known as a condition for causing a nuclear fusion reaction.
The Lawson conditions include the following three conditions:
[Condition 1] The plasma temperature inside the furnace is 100 million degrees Celsius or higher.
[Condition 2] The plasma density is 100 trillion particles/cm ³ or more.
[Condition 3] The above conditions 1 and 2 must be maintained for one second or more.

上記のローソン条件は、あくまでも高温核融合反応に関しての条件であるため、そのまま本形態に適用して検討することはできない。しかしながら、ローソン条件を適宜アレンジしつつも、ローソン条件に沿って、本形態のヘリウム製造方法を検討する。 The above Lawson conditions are conditions related to high-temperature nuclear fusion reactions, so they cannot be directly applied to the present embodiment. However, we will consider the helium production method of this embodiment in accordance with the Lawson conditions, while making appropriate adjustments to the Lawson conditions.

まず、〔条件１〕に関して、本形態のヘリウム製造方法において、原料水の温度自体を１億℃以上とすることは当然できない。しかしながら、ローソン条件における「プラズマ温度１億℃以上」は、高温核融合における重水素イオン及びトリチウムイオンの速度を、充分に高めるための条件と考えられる。この「プラズマ温度１億℃以上」をプロトンの速度に換算すると、ローソン条件における「プラズマ温度１億℃以上」は、本形態における「プロトンの速度１０００ｋｍ／ｓ以上」と同等であるといえる。つまり、プロトンの速度が１０００ｋｍ／ｓ以上であれば、ローソン条件の条件１をクリアすると考えることができる。そこで、上述の条件にて電気分解を行う際に生じるプロトンの速度を計算すると、充分に１０００ｋｍ／ｓ以上をクリアすることができることがわかる。 First, regarding [Condition 1], in the helium production method of this embodiment, it is of course impossible to make the temperature of the raw water itself 100 million degrees Celsius or more. However, the "plasma temperature of 100 million degrees Celsius or more" in the Lawson condition is considered to be a condition for sufficiently increasing the speed of deuterium ions and tritium ions in high-temperature nuclear fusion. If this "plasma temperature of 100 million degrees Celsius or more" is converted into the speed of protons, it can be said that the "plasma temperature of 100 million degrees Celsius or more" in the Lawson condition is equivalent to the "proton speed of 1000 km/s or more" in this embodiment. In other words, if the proton speed is 1000 km/s or more, it can be considered that condition 1 of the Lawson condition is met. Therefore, if the speed of protons generated during electrolysis is calculated under the above conditions, it is found that it is possible to fully meet 1000 km/s or more.

例えば、図２に示すパルス半値幅Ｗｐ、Ｗｎがいずれも２００ｎｓ、正方向の電圧パルスの立上り速度が１００ｋＶ／ｓ、立下り速度が－１００ｋＶ／ｓ、負方向の電圧パルスの立下り速度が－１００ｋＶ／ｓ、立上り速度が１００ｋＶ／ｓ、正方向の電圧パルスのピーク電圧が１５ｋＶ、負方向の電圧パルスのピーク電圧が－１５ｋＶ、とすれば、プロトンの速度が約１４００ｋｍ／ｓとなる。
上記のようにプロトンの速度を超高速に加速させることができるのは、上述したように、気孔２３１内における電気二重層という極めて狭い空間において高いパルス電圧によってプロトンが加速されるためである。 For example, if the pulse half-widths Wp and Wn shown in FIG. 2 are both 200 ns, the positive voltage pulse has a rise rate of 100 kV/s and a fall rate of −100 kV/s, the negative voltage pulse has a fall rate of −100 kV/s and a rise rate of 100 kV/s, the positive voltage pulse has a peak voltage of 15 kV, and the negative voltage pulse has a peak voltage of −15 kV, then the speed of the protons will be approximately 1400 km/s.
The reason why the velocity of the protons can be accelerated to an ultra-high speed as described above is that the protons are accelerated by the high pulse voltage in the extremely narrow space of the electric double layer within the pores 231, as described above.

次に、ローソン条件の第２条件につき、検討する。
ローソン条件の第２条件は、「プラズマ密度１００兆個／ｃｍ³以上であること。」であるが、本形態のヘリウム製造方法において、例えば、原料水Ｍとして５０％の重水を用いた場合は、重水素の密度は、１．６６×１０²²個／ｃｍ³（重水素原子の密度は、３．３１×１０²²個／ｃｍ³）となり、１００兆個／ｃｍ³（１×１０¹⁴個／ｃｍ³）を遥かに超える。これは、本形態のヘリウム製造方法においては、原料水Ｍが液体（凝集体）であるため、プラズマ状態に比べて遥かに密度が高くなるのは当然ともいえる。 Next, the second condition of the Lawson condition will be considered.
The second condition of the Lawson condition is that "the plasma density must be 100 trillion atoms/ ^cm3 or more," but in the helium production method of this embodiment, if 50% heavy water is used as the raw material water M, the deuterium density will be 1.66× ¹⁰²² atoms/ ^cm3 (the density of deuterium atoms is 3.31× ¹⁰²² atoms/ ^cm3 ), which is far greater than 100 trillion atoms/ ^cm3 (1× ¹⁰¹⁴ atoms/ ^cm3 ). This is because in the helium production method of this embodiment, the raw material water M is a liquid (aggregate), so it is only natural that the density will be far greater than in a plasma state.

次に、ローソン条件の第３条件につき検討する。
条件３は、「上記条件１，２の状態を１秒以上持続すること。」であるが、第１電極２１への電圧パルス印加を続ける限り、上記条件１，２の状態を維持可能であり、例えば数時間の連続維持も可能である。それゆえ、ローソン条件の第３条件を満たすことも充分可能と考えることができる。 Next, the third condition of the Lawson condition will be considered.
Condition 3 is "the states of conditions 1 and 2 must be maintained for at least one second," but as long as the voltage pulse application to the first electrode 21 is continued, the states of conditions 1 and 2 can be maintained, for example, for several hours. Therefore, it is considered that it is quite possible to satisfy the third condition of the Lawson condition.

以上のように、本形態のヘリウム製造方法は、高温核融合におけるローソン条件に相当する条件を充分に満たすことができると考えることができる。それゆえ、上述のように、重水素とプロトンとの核融合反応が生じ、ヘリウム３が生成される。 As described above, the helium production method of this embodiment can be considered to fully satisfy the conditions equivalent to the Lawson conditions in high-temperature nuclear fusion. Therefore, as described above, a nuclear fusion reaction occurs between deuterium and protons, producing helium-3.

次に、本形態の作用効果につき説明する。
上記ヘリウム製造方法によると、原料水Ｍ中における第１電極２１の近傍において、ヘリウム３を生成することができる。このように、原料水Ｍ中の重水を基にヘリウム３を製造することができる。 Next, the effects of this embodiment will be described.
According to the above-described helium production method, 3 helium can be produced in the vicinity of the first electrode 21 in the raw water M. In this manner, 3 helium can be produced based on the heavy water in the raw water M.

また、第１電極２１に印加する正方向の電圧パルス及び負方向の電圧パルスのパルス半値幅、第１電極２１に印加する正方向の電圧パルスの立上り速度及び立下り速度、第１電極２１に印加する負方向の電圧パルスの立下り速度及び立上り速度、第１電極２１に印加する正方向の電圧パルスのピーク電圧、第１電極２１に印加する負方向の電圧パルスのピーク電圧を、それぞれ上記の範囲に設定することで、ヘリウム３を高い確率にて製造することができる。 In addition, by setting the half-width of the positive and negative voltage pulses applied to the first electrode 21, the rise and fall rates of the positive voltage pulse applied to the first electrode 21, the fall and rise rates of the negative voltage pulse applied to the first electrode 21, the peak voltage of the positive voltage pulse applied to the first electrode 21, and the peak voltage of the negative voltage pulse applied to the first electrode 21, each within the above ranges, helium 3 can be produced with a high probability.

また、第１電極２１の表面には、多孔質セラミック層２３が形成されている。これにより、上述したように、多孔質セラミック層２３の気孔２３１の中において効果的にヘリウム３を生成することができる。 In addition, a porous ceramic layer 23 is formed on the surface of the first electrode 21. This allows helium 3 to be effectively generated in the pores 231 of the porous ceramic layer 23, as described above.

また、パルス供給部３は、ダイオード３２を有する。これにより、上述したように、第１電極２１に負方向のパルス電流を伴う負方向の電圧パルスを充分に印加することができる。これにより、ヘリウム３の生成を高い確率にて実現することができる。 The pulse supply unit 3 also has a diode 32. This allows a sufficient negative voltage pulse accompanied by a negative pulse current to be applied to the first electrode 21, as described above. This allows for a high probability of generating helium 3.

また、本形態のヘリウム製造方法においては、上述のように、重水素の原子核とプロトンとの核融合反応により、ヘリウム３を生成する。それゆえ、この反応に伴う質量欠損に応じたエネルギーが放出されることが期待できる。このエネルギーの取り出しが実現できれば、本開示の技術は、エネルギーの産出手段として、期待することもできる。 In addition, in the helium production method of this embodiment, as described above, helium 3 is produced by a nuclear fusion reaction between deuterium nuclei and protons. Therefore, it can be expected that energy corresponding to the mass defect associated with this reaction will be released. If it is possible to extract this energy, the technology disclosed herein can also be expected to be used as a means of producing energy.

以上のごとく、本形態によれば、重水を基にヘリウム３を製造する、ヘリウム製造方法を提供することができる。 As described above, this embodiment provides a method for producing helium 3 based on heavy water.

（実施形態２）
本形態は、トリチウム水を基にヘリウム４を製造する、ヘリウム製造方法である。
本形態においては、原料水Ｍは、トリチウム水を含む。そして、第１電極２１に正方向の電圧パルスを印加した直後に、第１電極２１に負方向のパルス電流を伴う負方向の電圧パルスを印加する。これにより、ヘリウム４を生成する。ヘリウム４は、原子核が陽子２個と中性子２個とからなる。 (Embodiment 2)
This embodiment is a method for producing helium by producing 4He based on tritium water.
In this embodiment, the raw water M contains tritium water. Immediately after a positive voltage pulse is applied to the first electrode 21, a negative voltage pulse accompanied by a negative pulse current is applied to the first electrode 21. This produces helium 4. Helium 4 has an atomic nucleus consisting of two protons and two neutrons.

本形態のヘリウム製造方法においても、実施形態１と同様の構成の電気分解装置１を用いることができる。実施形態１に対して実質的に異なるのは、トリチウム水を含む原料水Ｍを用いる点である。 In the helium production method of this embodiment, an electrolysis device 1 having a configuration similar to that of embodiment 1 can be used. The substantial difference from embodiment 1 is that raw water M containing tritiated water is used.

トリチウム水は、分子中にトリチウム原子を含む水である。すなわち、トリチウム水の分子は、通常の水分子（Ｈ₂Ｏ）を構成する２つの水素原子のうちの一方又は双方がトリチウム原子からなる。トリチウム原子は、原子核が陽子１個と中性子２個とからなる。 Tritiated water is water that contains tritium atoms in its molecules. That is, in a tritiated water molecule, one or both of the two hydrogen atoms that make up a normal water molecule ( _H2O ) are made up of a tritium atom. The nucleus of a tritium atom consists of one proton and two neutrons.

本形態のヘリウム製造方法の場合には、第１電極の表面近傍において、以下のような反応が生じると考えられる。
すなわち、第１電極２１に正方向の電圧パルスが印加されると、図７に示すごとく、第１電極２１の表面付近において、水素イオンすなわちプロトン（ｐ）とＯＨラジカル（・ＯＨ）が生成される。また、原料水Ｍ中のトリチウム水分子（ＨＴＯ）が分解されて、トリチウム（Ｔ）が生成される。なお、ここでは、トリチウム水分子として、トリチウム１個と水素１個と酸素１個とからなるものを例として示したが、トリチウム水分子が、トリチウム２個と酸素１個とからなるもの（すなわちＴ₂Ｏ）であっても、上記と同様の電気分解にて、トリチウム（Ｔ）が生成される。 In the case of the helium production method of this embodiment, the following reaction is considered to occur in the vicinity of the surface of the first electrode.
That is, when a positive voltage pulse is applied to the first electrode 21, hydrogen ions, i.e., protons (p) and OH radicals (.OH) are generated near the surface of the first electrode 21, as shown in Fig. 7. Also, tritiated water molecules (HTO) in the raw water M are decomposed to generate tritium (T). Note that, although a tritiated water molecule consisting of one tritium atom, one hydrogen atom, and one oxygen atom has been shown here as an example, even if the tritiated water molecule consists of two tritium atoms and one oxygen atom (i.e., _T2O ), tritium (T) is generated by electrolysis similar to that described above.

次いで、第１電極２１に負方向のパルス電流を伴う電圧パルスが印加されると、第１電極２１が陽極となる。そうすると、第１電極２１近傍において生じたプロトン（ｐ）及びトリチウム（Ｔ）は、第１電極２１に引き付けられる。また、原料水Ｍ中における第１電極２１の表面付近においては、電気二重層ＥＤＬが形成される。 Next, when a voltage pulse accompanied by a negative pulse current is applied to the first electrode 21, the first electrode 21 becomes the anode. Then, the protons (p) and tritium (T) generated near the first electrode 21 are attracted to the first electrode 21. In addition, an electric double layer EDL is formed near the surface of the first electrode 21 in the raw water M.

この電気二重層中において、極めて大きな電界が形成される。そうすると、プロトンに大きな加速度が加わる。この大きな加速度によって加速されたプロトンが、トリチウムに衝突する。或いは、トリチウム水分子中のトリチウム原子核にプロトンが衝突する。これにより、プロトンとトリチウムとが核融合反応を生じて、ヘリウム４が生成される。なお、ヘリウム４（⁴Ｈｅ）は、陽子（プロトン）２個と中性子２個とからなる原子核を備えたヘリウムの同位体である。 In this electric double layer, an extremely large electric field is formed. This causes a large acceleration to be applied to the protons. The protons accelerated by this large acceleration collide with the tritium. Alternatively, the protons collide with the tritium nuclei in the tritium water molecules. This causes a nuclear fusion reaction between the protons and tritium, producing helium-4. Note that helium-4 ( ^4He ) is an isotope of helium with an atomic nucleus consisting of two protons and two neutrons.

このように、極めて狭い領域において、多数のプロトンと多数のトリチウムとが生じるとともに、プロトンが大きく加速されることにより、核融合反応が生じて、ヘリウム４が生成される。 In this way, in an extremely small area, a large number of protons and a large number of tritium atoms are produced, and the protons are greatly accelerated, causing a nuclear fusion reaction to produce helium-4.

その他は、実施形態１と同様であり、同様の作用効果を有する。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。 Otherwise, it is the same as in embodiment 1 and has the same effects. Note that, among the symbols used in embodiment 2 and onwards, those that are the same as those used in the previous embodiments represent the same components, etc. as in the previous embodiments, unless otherwise specified.

以上のごとく、本形態によれば、トリチウム水を基にヘリウム４を製造する、ヘリウム製造方法を提供することができる。 As described above, this embodiment provides a helium production method for producing helium 4 from tritiated water.

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the spirit of the present invention.

１電気分解装置
２１第１電極
２２第２電極
３パルス供給部
３１パルス電源
３２ダイオード
Ｍ原料水 Reference Signs List 1 Electrolyzer 21 First electrode 22 Second electrode 3 Pulse supply unit 31 Pulse power supply 32 Diode M Raw water

Claims

A method for producing helium using an electrolysis apparatus including a first electrode, a second electrode, and a pulse supply unit that applies a pulse voltage between the first electrode and the second electrode, comprising:
The first electrode and the second electrode are immersed in raw water containing at least one of tritiated water and heavy water;
A method for producing helium, comprising applying a negative voltage pulse accompanied by a negative pulse current to the first electrode immediately after applying a positive voltage pulse to the first electrode, thereby generating helium in the raw water.

The helium production method according to claim 1, wherein the positive voltage pulse and the negative voltage pulse applied to the first electrode each have a half-width of 50 to 1000 ns.

The helium production method according to claim 1 or 2, wherein the positive voltage pulse applied to the first electrode has a rise rate of 50 to 1000 kV/s and a fall rate of -50 to -1000 kV/s, and the negative voltage pulse applied to the first electrode has a fall rate of -50 to -1000 kV/s and a rise rate of 50 to 1000 kV/s.

The helium production method according to claim 1 or 2, wherein the positive voltage pulse applied to the first electrode has a peak voltage of 5 to 50 kV, and the negative voltage pulse applied to the first electrode has a peak voltage of -5 to -50 kV.

The helium production method according to claim 1 or 2, wherein a porous ceramic layer is formed on the surface of the first electrode, and a portion of the raw water penetrates into the pores of the porous ceramic layer and contacts the surface of the first electrode, and the average pore diameter of the pores is 1 to 10 μm.

The helium production method according to claim 1 or 2, wherein the pulse supply unit has a diode whose cathode side is connected to the first electrode or whose anode side is connected to the second electrode, and is configured such that a negative voltage pulse accompanied by a negative pulse current is applied to the first electrode by a reverse recovery current that flows through the diode when a reverse bias voltage is applied to the diode immediately after a forward bias voltage is applied to the diode.

The helium production method according to claim 1 or 2, in which the raw water contains heavy water, and helium 3 is produced by applying a negative voltage pulse accompanied by a negative pulse current to the first electrode immediately after applying a positive voltage pulse to the first electrode.

The helium production method according to claim 1 or 2, in which the raw water contains tritium water, and helium 4 is produced by applying a negative voltage pulse accompanied by a negative pulse current to the first electrode immediately after applying a positive voltage pulse to the first electrode.