JP3112675B1 - ガスの固定化処理装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 内側陰極の過度の消耗を防止することができ
るガスの固定化処理装置を提供する。 【解決手段】 被処理ガスが内部に導入される金属製の
外側陰極１と、この外側陰極１内に配置されたスパッタ
リングターゲットとなる金属製の内側陰極２と、を有す
る。外側陰極１の上部に金属製の陽極蓋３を設け、外側
陰極１の底部に金属製の陽極底１２を設ける。外側陰極
１及び内側陰極２に電圧を印加する高圧電源６を有す
る。スパッタリングによる内側陰極２の消耗度合がその
限界値に達する前にスパッタリングを停止させて内側陰
極２の過度の消耗を防止するための安全防護手段１００
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス、特に放射性
ガスをイオン化し、金属基体中に注入して固定化する、
ガスの固定化処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電所から発生する使用済燃料の
再処理工程においては、環境へ放出される放射性物質の
低減を図るための種々の技術開発が行われている。この
うち、気体廃棄物で半減期が約１０年と比較的長いクリ
プトン８５（Ｋｒ−８５）については、廃ガス中から除
去回収後、イオン注入法により固定化処理する装置が開
発されている。

【０００３】図３はイオン注入法を用いた従来のガス固
定化処理装置を示したもので、図３に示したようにこの
ガス固定化処理装置は、被処理ガスが導入される密閉型
のイオン注入電極としての金属製の外側陰極１と、この
外側陰極１の内部に配置されたスパッタ電極としての金
属製の円筒状内側陰極２と、外側陰極１の上端開口を閉
塞させる金属製の陽極蓋３と、この陽極蓋３に取り付け
られた被処理ガスの導入管４と、外側陰極１内を減圧す
るための吸引管５と、外側陰極１及び内側陰極２に高電
圧を印加するための直流高圧電源６と、外側陰極１の底
部に設けられた金属製の陽極底１２とを備えている。ま
た、図３中符号１０、１１、１３は絶縁部材である。

【０００４】外側陰極１の内部は図示しない真空ポンプ
等により一定の低圧力に保たれている。外側陰極１と内
側陰極２との間には直流高圧電源６により電圧が印加さ
れる。温度上昇を抑えるために、外側陰極１の外面及び
内側陰極２の内部は、それぞれ、内側陰極冷却水管１９
及び外側陰極冷却水管１６の内部を流れる冷却水によっ
て冷却されている。内側陰極冷却水管１９への冷却水の
循環供給は、内側陰極冷却水入口管１４及び内側陰極冷
却水出口管１５を介して行われる。また、直流高圧電源
６による内側陰極２への電圧の印加は、内側陰極冷却水
出口管１５及び内側陰極冷却水管１９を介して行われ
る。

【０００５】このようなガス固定化処理装置では、外側
陰極１内の圧力、及び外側陰極１と内側陰極２との間に
印加される電圧が適当な条件を満たす場合には、外側陰
極１の内部全体に放電が発生することが知られている。
この放電により、Ｋｒ−８５は電離してイオン状態とな
り、外側陰極１の内部に放電プラズマが形成される。

【０００６】そして、直流高圧電源６により外側陰極１
に１ｋＶ以下の負電圧を、内側陰極２に１ｋＶ以上の負
電圧をそれぞれ連続的に印加した場合には、放電により
電離したＫｒ−８５イオン７は電界に沿って加速され、
内側陰極２の外面に入射衝突し、内側陰極２をスパッタ
させる。スパッタされた金属原子は対向する外側陰極１
の内面に付着し積層して金属製の固化体８を形成してい
く。

【０００７】また、これと同時に一部のＫｒ−８５イオ
ン７は外側陰極１の電界の方に直接加速されて、固化体
８に打ち込まれて注入されていく。このようにして固化
体８は厚みを増しながら注入されたＫｒ−８５を連続的
に金属中に固定化処理していく。なお、内側陰極２はス
パッタリングの進行と共に消耗していく。

【０００８】上述したようにイオン注入法は、常温、負
圧という条件で連続して金属中に放射性のクリプトンを
固定化できる技術であり、安全性に優れている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】イオン注入法を利用し
た従来のガス固定化処理装置においては、固定化処理の
進行と共に内側陰極２がスパッタリングにより消耗して
いくので、消耗による内側陰極２の寿命に基づいて処理
可能ガス量が決定される。

【００１０】ところが、従来のガス固定化処理装置は内
側陰極２の消耗の度合を確認するための機能を備えてい
ない。このため、スパッタリングによる内側陰極２の消
耗が内側陰極２の全体にわたって均一でない場合には、
予定された処理可能ガス量に達する前に金属製の内側陰
極２が局所的に全肉厚にわたって消耗する恐れがあっ
た。このように内側陰極２の全肉厚が局所的に消耗する
と、内側陰極２の内部の内側陰極冷却水管１９がスパッ
タリングされて消耗し、内側陰極冷却水管１９の内部の
冷却水が外側陰極１の内部に漏洩してしまう恐れがあ
り、このような事態は、特に照射性のガスを固定化する
ときには安全上好ましくない。

【００１１】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たものであって、内側陰極の過度の消耗を防止すること
ができるガスの固定化処理装置を提供することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によるガスの固定化処理装置は、被処理ガス
が内部に導入される金属製の外側陰極と、この外側陰極
内に配置されたスパッタリングターゲットとなる金属製
の内側陰極と、前記外側陰極の上部に設けられた金属製
の陽極蓋と、前記外側陰極の底部に設けられた金属製の
陽極底と、前記外側陰極及び前記内側陰極に電圧を印加
する高圧電源と、スパッタリングによる前記内側陰極の
消耗度合がその限界値に達する前にスパッタリングを停
止させて前記内側陰極の過度の消耗を防止するための安
全防護手段と、を備えたことを特徴とする。

【００１３】また、好ましくは、前記安全防護手段は、
前記内側陰極を構成するターゲット材料の内部に埋設さ
れた絶縁材料よりなる絶縁体を有する。

【００１４】また、好ましくは、前記絶縁体は、前記内
側陰極の外面に対向するようにして前記ターゲット材料
の内部に埋設されている。

【００１５】また、好ましくは、前記安全防護手段は、
前記内側陰極を構成するターゲット材料の内部に形成さ
れた密閉空間と、前記密閉空間に連通する排気流路と、
前記排気流路を介して前記密閉空間の内部を排気する真
空ポンプと、前記排気流路内の真空度を測定する真空度
計と、を備えている。

【００１６】また、好ましくは、前記密閉空間の内部の
圧力は前記外側陰極の内部の圧力よりも低い。

【００１７】また、好ましくは、前記密閉空間は、前記
内側陰極の外面に対向するようにして前記ターゲット材
料の内部に形成されている。

【００１８】また、好ましくは、一対の前記密閉空間
が、前記内側陰極の中心寄りの位置及び前記内側陰極の
外面寄りの位置に互いに隔絶して形成されており、前記
各密閉空間毎に前記排気流路及び前記真空度計を設け
る。

【００１９】また、好ましくは、前記内側陰極の中心寄
りの位置に形成された前記密閉空間の内部に絶縁材料か
らなる絶縁体を設ける。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施形態によ
るガスの固定化処理装置について図１を参照して説明す
る。

【００２１】図１は、本実施形態によるガスの固定化処
理装置の概略構成を示した縦断面図であり、この装置
は、ステンレス製の外側陰極１と、この外側陰極１の内
部に配置されたＮｉ、Ｙ製の円筒状内側陰極２とを備え
ており、外側陰極１は被処理ガスが導入される密閉型の
イオン注入電極として機能し、内側陰極２はスパッタリ
ングターゲット材として機能する。

【００２２】内側陰極２の内部には、内側陰極２を冷却
するための冷却水が内部を流れるステンレス製の内側陰
極冷却水管１９が配置されている。内側陰極冷却水管１
９の内部には、内側陰極冷却水入口管１４及び内側陰極
冷却水出口管１５を介して冷却水が循環供給される。外
側陰極１の外周面にも、外側陰極１の温度上昇を抑える
ための外側陰極冷却水管１６が設けられている。

【００２３】外側陰極１の上端開口はステンレス製の陽
極蓋３により閉塞されており、外側陰極１の底部にはス
テンレス製の陽極底１２が設けられている。陽極蓋３に
は、被処理ガスを外側陰極１の内部に導入するためのガ
ス導入管４と、外側陰極１の内部を減圧するためのガス
吸引管５とが接続されている。

【００２４】また、外側陰極１及び内側陰極２には直流
高電圧源６が電気的に接続されており、この直流高圧電
源６によって外側陰極１及び内側陰極２に高電圧が印加
される。直流高圧電源６による内側陰極２への電圧の印
加は、内側陰極冷却水出口管１５及び内側陰極冷却水管
１９を介して行われる。なお、図１中符号１０、１１、
１３は絶縁部材である。

【００２５】さらに、本実施形態によるガスの固定化処
理装置は、スパッタリングによる内側陰極２の消耗度合
がその限界値に達する前に放電を自動的に停止させてス
パッタリングを停止させ、内側陰極２の過度の消耗を防
止するための安全防護手段を備えている。この安全防護
手段は、円筒型の内側陰極２を構成するターゲット材料
の内部に埋設された絶縁材料よりなる絶縁体１００で構
成されており、この絶縁体１００は、円筒状の内側陰極
２の外周面に対向する位置、及び内側陰極２の上面及び
下面に対向する位置に配置されている。

【００２６】次に、本実施形態によるガスの固定化処理
装置の作用について説明する。高圧直流電源６から外側
陰極１に１ｋＶ以下の負の電圧を、内側陰極２に内側陰
極冷却水出口管１５及び内側陰極冷却水管１９を介して
１ｋＶ以上の負の電圧をそれぞれ連続的に印加する。す
ると、外側電極１の内部で放電が発生し、放電により電
離したＫｒ−８５イオン７は電界に沿って加速され、内
側陰極２の表面に入射衝突し、内側陰極をスパッタさせ
る。

【００２７】スパッタされた金属原子は対向する外側陰
極１の内面に付着し積層して金属製の固化体８を形成し
ていく。また、これと同時に一部のＫｒ−８５イオン７
は外側陰極１の電界の方に直接加速されて、固化体８に
打ち込まれ、注入されていく。このようにして固化体８
は厚みを増しながら注入されたＫｒ−８５を連続的に金
属中に固定化処理していく。

【００２８】そして、内側陰極２はスパッタリングの進
行と共に徐々に消耗していくが、このとき、内側陰極２
の消耗が局所的に早く進んでしまい、絶縁体１００の一
部が外側陰極１の内部空間に露出した場合には、露出し
た絶縁体１００によって放電の一部が阻害される。

【００２９】さらに運転を続けて絶縁体１００の露出面
積が拡大すると、放電の阻害程度が大きくなり、ついに
は放電が継続できなくなる。放電が止まってしまうとイ
オンは生成されないので、内側陰極２のスパッタリング
も行われなくなる。

【００３０】以上述べたように本実施形態によるガスの
固定化処理装置によれば、絶縁体１００が露出すること
により放電が止まり、これにより内側陰極２のスパッタ
リングが停止するようにしたので、内側陰極２の過度の
消耗による内側陰極冷却水管１９の破損を防止して装置
の安全性を高めることが可能であり、放射性のガスであ
っても安全に固定化処理することができる。

【００３１】また、放電が止まることにより直流高圧電
源６からの電流が流れなくなるので、これにより、固定
化処理が行われていないことを確かめることができる。
したがって、直流高圧電源６からの電流が流れなくなっ
た時点で装置の運転を停止させて、内側陰極２の過度の
消耗を確実に防止することができる。

【００３２】また、内側陰極２の外周及び上下面に対向
させて絶縁体１００を配置したので、内側陰極２の局所
的な消耗がいかなる箇所で発生しようとも、内側陰極２
の過度の消耗による内側陰極冷却水管１９の破損を確実
に防止することができる。

【００３３】次に、本発明の第２実施形態によるガスの
固定化処理装置について図２を参照して説明する。な
お、本実施形態は、上述した第１実施形態において安全
防護手段の構成を変更したものであり、その他の部分の
構成は共通するので、以下では第１実施形態と異なる部
分について説明する。

【００３４】本実施形態によるガスの固定化処理装置に
おける安全防護手段は、内側陰極２を構成するターゲッ
ト材料の内部に、内側陰極２の中心軸心を中心とした同
心異径の複数の環状空間からなる密閉空間５０ａ、５０
ｂが形成されている。密閉空間５０ａ、５０ｂは、内側
陰極２の外周面に対向しており、密閉空間５０ａ、５０
ｂ同士は連通しておらず、互いに隔絶している。

【００３５】一対の密閉空間５０ａ、５０ｂのうち、内
側陰極２の中心寄りの位置に形成された密閉空間５０ｂ
の内部には、絶縁材料からなる絶縁体１０１が設けられ
ている。

【００３６】各密閉空間５０ａ、５０ｂには内側陰極冷
却水管１９及び内側陰極２の内部に形成された貫通路５
１ａ、５１ｂが連通し、各貫通路５１ａ、５１ｂには各
排気管５４ａ、５４ｂが接続されている。貫通路５１
ａ、５１ｂ及び排気管５４ａ、５４ｂによって排気流路
が構成されており、一対の排気管５４ａ、５４ｂはそれ
らの下流側で合流して真空ポンプ５３に接続されてい
る。密閉空間５０ａ、５０ｂの内部の圧力は、真空ポン
プ５３を用いた排気によって外側陰極１（図１参照）の
内部の圧力と異なる所定の真空度に維持さており、好ま
しくは、外側陰極１の内部の圧力よりも低い値に維持さ
れている。

【００３７】各排気管５４ａ、５４ｂの途中には各真空
度計５２ａ、５２ｂが設けられており、これらの真空度
計５２ａ、５２ｂからの信号は信号処理装置６０に送ら
れて制御信号に変換される。信号処理装置６０からの制
御信号は制御装置６１に送られ、制御装置６１は制御信
号に基づいて直流高圧電源６を制御する。

【００３８】次に、本実施形態によるガスの固定化処理
装置の作用について説明する。内側陰極２をスパッタし
て固化体８中にガスを固定化して処理する作用は上述し
た第１実施形態の場合と同様である。

【００３９】そして、スパッタリングの進行と共に内側
陰極２が消耗していくが、このとき、内側陰極２の消耗
が局所的に早く進んでしまい、消耗の深さが外側の密閉
空間５０ａに達した場合には、密閉空間５０ａの内部と
外側陰極１の内部とが連通する。密閉空間５０ａの内部
圧力は外側陰極１の内部圧力とは異なる所定の真空度に
維持されているので、両圧力間の差圧に起因して密閉空
間５０ａ、貫通路５１ａ及び排気管５４ａの内部で圧力
変動が発生する。

【００４０】密閉空間５０ａの開放に伴う圧力変動は真
空度計５２ａによって検出され、その検出信号は信号処
理装置６０に送られ、この信号処理装置６０からの制御
信号が制御装置６１に送られる。なお、開放前の密閉空
間５０ａの内部圧力を外側陰極１の内部圧力よりも低い
値に維持しておくことによって、密閉空間５０ａ開放時
の圧力変動の検出を確実に行うことができる。

【００４１】また、外側の環状の密閉空間５０ａの厚み
を小さく設定しておくことにより、外側の密閉空間５０
ａの開放後も引き続いて放電及びスパッタリングを継続
させることが可能である。この場合、外側の密閉空間５
０ａの開放に起因した最初の圧力変動による制御信号を
受けた制御装置６１は、１回目の圧力変動があったこと
を記憶するだけで、直流高圧電源６の遮断措置は実施し
ない。

【００４２】そして、スパッタリングによる内側陰極２
の消耗がさらに進行すると、消耗の深さが内側の密閉空
間５０ｂに到達してこの密閉空間５０ｂが開放される。
内側の密閉空間５０ｂが開放されると２度目の圧力変動
が発生し、この圧力変動は真空度計５２ｂで検出され、
その検出信号は信号処理装置６０に送られる。この信号
処理装置６０からの制御信号が制御装置６１に送られ、
制御装置６１はこの２度目の制御信号によって内側の密
閉空間５０ｂが開放されたと判断し、直流高圧電源６を
遮断する。

【００４３】また、内側の密閉空間５０ｂの内部には絶
縁体１０１が設けられているので、内側の密閉空間５０
ｂの開放時の圧力変動が微弱なために制御装置６１によ
る直流高圧電源６の遮断が行われなかった場合でも、内
側陰極２の消耗によって絶縁体１０１がある程度露出す
ると放電が停止して、内側陰極２のスパッタリングも行
われなくなる。

【００４４】以上述べたように本実施形態によるガスの
固定化処理装置によれば、内側陰極２の消耗のために内
側の密閉空間５０ｂが開放したことを検知して、制御装
置６１が直流高圧電源６を止めるようにしたので、内側
陰極２の過度の消耗による内側陰極冷却水配管１９の破
損を防止して装置の安全性を高めることが可能であり、
放射性のガスであっても安全に固定化処理することがで
きる。

【００４５】また、内側の密閉空間５０ｂの内部に絶縁
体１０１を設けたので、内側の密閉空間５０ｂが開放し
た際の圧力変動が微弱なために制御装置６１による直流
高圧電源６の遮断に失敗した場合でも、絶縁体１０１の
露出によって放電が停止し、これによりスパッタリング
も自動的に停止し、内側陰極２の過度の消耗を確実に防
止することができる。

【００４６】また、同心異径の一対の密閉空間５０ａ、
５０ｂを設けたので、外側の密閉空間５０ａが開放する
までの所要時間から、内側陰極２の消耗速度を知ること
が可能であり、これにより内側陰極２の残余寿命を予測
することができる。

【００４７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によるガスの固
定化処理装置によれば、スパッタリングによる内側陰極
の過度の消耗を防止するための安全防護手段を備えてい
るので、内側陰極の過度の消耗に起因した冷却水の漏洩
等の事態を防止して、放射性のガスであっても安全に固
定化処理することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態によるガスの固定化処理
装置の概略構成を示した縦断面図。

【図２】本発明の第２実施形態によるガスの固定化処理
装置の概略構成を示した縦断面図。

【図３】従来のガスの固定化処理装置の概略構成を示し
た縦断面図。

【符号の説明】

１ 外側陰極 ２ 内側陰極 ３ 陽極蓋 ４ ガス導入管 ５ ガス吸引管 ６ 直流高圧電源 ７ クリプトン８５ ８ 固化体 １２ 陽極底 １６ 外側陰極冷却水管 １９ 内側陰極冷却水管 ５０ａ、５０ｂ 密閉空間 ５１ａ、５１ｂ 貫通路 ５２ａ、５２ｂ 真空度計 ５３ 真空ポンプ ５４ａ、５４ｂ 排気管 ６０ 信号処理装置 ６１ 制御装置 １００、１０１ 絶縁体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小 見 康 広 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番 地 株式会社東芝 京浜事業所内 (56)参考文献 特開 平11−174195（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21F 9/02

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理ガスが内部に導入される金属製の外
   側陰極と、この外側陰極内に配置されたスパッタリング
   ターゲットとなる金属製の内側陰極と、前記外側陰極の
   上部に設けられた金属製の陽極蓋と、前記外側陰極の底
   部に設けられた金属製の陽極底と、前記外側陰極及び前
   記内側陰極に電圧を印加する高圧電源と、スパッタリン
   グによる前記内側陰極の消耗度合がその限界値に達する
   前にスパッタリングを停止させて前記内側陰極の過度の
   消耗を防止するための安全防護手段と、を備え、 前記安全防護手段は、前記内側陰極を構成するターゲッ
   ト材料の内部に埋設された絶縁材料よりなる絶縁体を有
   し、 前記絶縁体は、前記ターゲット材料の内部において前記
   内側陰極の外周面に対向するようにして前記内側陰極の
   中心軸心の周囲に埋設されており、スパッタリングによ
   り前記内側陰極が消耗して前記絶縁体が前記外側陰極の
   内部空間に露出し、その露出面積が拡大することにより
   放電が停止するようにしたことを特徴とするガスの固定
   化処理装置。
2. 【請求項２】被処理ガスが内部に導入される金属製の外
   側陰極と、この外側陰極内に配置されたスパッタリング
   ターゲットとなる金属製の内側陰極と、前記外側陰極の
   上部に設けられた金属製の陽極蓋と、前記外側陰極の底
   部に設けられた金属製の陽極底と、前記外側陰極及び前
   記内側陰極に電圧を印加する高圧電源と、スパッタリン
   グによる前記内側陰極の消耗度合がその限界値に達する
   前にスパッタリングを停止させて前記内側陰極の過度の
   消耗を防止するための安全防護手段と、を備え、 前記安全防護手段は、前記内側陰極を構成するターゲッ
   ト材料の内部に形成された密閉空間と、前記密閉空間に
   連通する排気流路と、前記排気流路を介して前記密閉空
   間の内部を排気する真空ポンプと、前記排気流路内の真
   空度を測定する真空度計と、を有し、 前記密閉空間は、前記ターゲット材料の内部において前
   記内側陰極の外周面に対向するようにして前記内側陰極
   の中心軸心の周囲に形成されていることを特徴とするガ
   スの固定化処理装置。
3. 【請求項３】前記密閉空間の内部の圧力は前記外側陰極
   の内部の圧力よりも低いことを特徴とする請求項２記載
   のガスの固定化処理装置。
4. 【請求項４】一対の前記密閉空間が、前記内側陰極の中
   心寄りの位置及び前記内側陰極の外面寄りの位置に互い
   に隔絶して形成されており、前記各密閉空間毎に前記排
   気流路及び前記真空度計を設けたことを特徴とする請求
   項２又は３に記載のガスの固定化処理装置。
5. 【請求項５】前記内側陰極の中心寄りの位置に形成され
   た前記密閉空間の内部に絶縁材料からなる絶縁体を設け
   たことを特徴とする請求項４記載のガスの固定化処理装
   置。