JP3485539B2

JP3485539B2 - 同位体分離装置

Info

Publication number: JP3485539B2
Application number: JP2000369137A
Authority: JP
Inventors: 圭司能丸; アレクサンダーペトロフ; アンドレイチェルニシェフ; 晴雄黒田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2004-01-13
Anticipated expiration: 2020-12-04
Also published as: JP2002166132A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、光化学反応を利用
して、少量の物質から短時間に、かつ、効率よく同位体
を分離して高濃度の同位体物質を得る同位体分離装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光、特に自由電子レーザ光を用い
て選択的に光化学反応させることにより同位体を分離・
濃縮する同位体分離装置では、図５に示すように、同位
体を含む原料と反応に応じて選定される添加剤とからな
る作業物質を反応容器にあらかじめ充填し、所定の標的
同位体に選択的に化学反応を生起させるような特定の波
長の光を作業物質に照射して、作業物質に含まれる標的
同位体との選択光反応を促進させ、その結果得られた標
的同位体が濃縮された反応生成物を分離して目的物とし
て取り出したり、反応生成物を除去することにより残留
分を目的物として濃縮したりするバッチ方式が用いられ
てきた。

【０００３】従来のバッチ方式は、小容量を処理する場
合に適するが、作業物質と光反応による生成物質が反応
容器内に共存する状態で光の連続照射を受けるため、目
的とする分離プロセスに必要な主反応と同時に、しばし
ば副反応や再反応を起こすという欠点がある。また、作
業物質が停滞した状態で反応が行われるので反応容器等
の機器の壁面にも物質が付着しやすく、その付着物質が
壁面の素材あるいは壁面に付着していた不純物との間で
副反応を起こし、それが原因で機器の腐食や劣化が生じ
ることがあった。さらに、光が出入りする入射窓や出射
窓に物質が付着して窓の透過率を低下させたり、窓その
ものの劣化を招くこともあった。

【０００４】入射窓への物質の付着を防ぐ方法として
は、図６に示すように、ＡｒやＮｅなどの不活性物質を
入射窓内面に吹き付ける方法が採られている。しかし、
この方法では完全に窓面の付着を防ぐまでには至らず、
また、作業物質にこれら不活性物質が混入されることか
ら反応容器内の作業圧力が上昇する結果となり、光化学
反応にとって好ましくない。

【０００５】入射窓や出射窓及び反応容器壁面への物質
の付着を防ぐ他の方法としては、図７に示すように、作
業物質が停滞しないように反応容器内を流しながら光化
学反応を行う例もある。この例では作業物質が反応容器
を通過していき滞留時間が限られるため反応率が低くな
る。反応率を高くしようとして作業物質の流速を遅くす
ると、前述の副反応や再反応が進み、その反応生成物が
入射窓や反応容器内面に付着してしまう弊害が生ずる。

【０００６】なお、特開平１０−１２８０７４に、断熱
冷却した作業物質に分子線を照射する同位体分離装置が
開示されている。開示された装置は、図８に示すよう
に、高圧配管である原料容器に貯留された作業物質を減
圧バルブで圧力や速度を調整しながら反応容器に送り込
み任意の波長の自由電子レーザ光を照射して選択的に光
化学反応を起こさせ、反応済みの作業物質は分離セルで
反応生成物を分離した後、吸引ポンプで昇圧して原料容
器に戻す方式、すなわち、作業物質を循環使用する方式
である。開示装置に用いられる吸引ポンプは、作業物質
を原料タンクに押し込むためだけではなく、反応容器内
を吸引して超音速ノズルが作動するための真空圧力に保
つことにも使われている。

【０００７】しかし、開示された同位体分離装置では超
音速ノズルからガスを噴出させているため、高圧配管内
のガス圧力が高くなる。同位体分離においては、反応性
の高いガスを使用する場合が多いことから、このような
高圧環境下ではレーザ光を伴わない分解反応や化学反応
の反応速度も大きいため、ガス自体がレーザ光との反応
を待たずに分解結合反応を起こす。このため、同位体分
離における分離性能は大きく低下する可能性がある。さ
らに、分離プロセスに必要のない副反応の反応生成物が
作業物質と共に原料タンクに戻されるので、再び減圧バ
ルブを通って反応容器に送られ光反応生成物が再び光反
応により違う物質になる再反応を生ずることもあり、分
離性能に悪影響を与えることがあった。

【０００８】なお、光化学反応を終えた作業物質は、反
応容器から反応生成物分離装置に送られて反応生成物が
分離される。反応生成物分離装置としては沸点の差によ
り目的の反応生成物を分離する低温トラップが一般に使
用され、冷却源としては窒素、ヘリウム等の低沸点の液
体やペルチェ素子等の電子冷却素子が使用されている。
この場合に、低温トラップに隣接する配管や機器もトラ
ップの温度の影響を受けて低温になり、温度によっては
その隣接する配管や機器のところで分離が生じて、分離
された物質により配管や機器に問題が生じたり、低温ト
ラップにおける回収効率が低下するという問題もあっ
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、光化学反応を利用する同位体分離
装置であって、副反応や再反応を低く抑え、光の入射窓
や出射窓に物質が付着して透過率低下や劣化を来すこと
を防ぎ、反応容器等機器内面への物質の付着やそれに起
因する機器内面の腐食や劣化を防止した、反応生成物分
離装置の回収効率の高い同位体分離装置、特に自由電子
レーザを利用した同位体分離装置を提供することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の同位体分離装置は、光を用いて光化学反応
により同位体を分離・濃縮する同位体分離装置であっ
て、光化学反応の反応容器、反応生成物分離装置、及
び、同位体分離に使用する作業物質の循環装置を含む循
環系を構成し、その循環系内に所望の圧力で封入した作
業物質を循環装置を用いて循環させながら同位体の分離
・濃縮を行うことを特徴とする。本発明の同位体分離装
置は、分離工程に入る前に所要量の作業物質を循環系内
に封入するものであるから、装置全体として考えればバ
ッチ方式であるが、循環装置により作業物質の流れを一
定速度以上に保ち反応容器中の作業物質を適切な速度で
入れ替えることにより、副反応や再反応を低く押えるこ
とができる。

【００１１】ここで、一定速度とは、光がパルスである
場合は、２つの隣接するパルスの間に反応容器内の物質
が流れる程度の速度をいう。この速度以上に保つことに
より、一つの光パルスの照射を受けた作業物質が次の光
パルスに照射される前に反応容器内から排出されるた
め、ひとたび光化学反応を起こした作業物質は再度光パ
ルスの照射を受ける前に反応容器外に運び出される。排
出された物質は反応生成物を分離した後再び反応容器に
戻るため、反応生成物の再反応を防ぎ、副反応を押える
ことができる。また、光が長パルス又は連続波である場
合は、一定速度とは主反応に必要な時間だけ反応容器内
に作業物質が滞在する程度の速度である。この速度以上
に保つことにより反応生成物の再反応や副反応をミニマ
ムに押えることができる。

【００１２】また、本発明の同位体分離装置では、特開
平１０−１２８０７４に開示された循環方式と異なり、
循環系内に高圧力領域が発生しないため、高圧下で発生
しがちなレーザを伴わない副反応を抑制することができ
る。なお、循環系内に封入する作業物質は開示方式のも
のと比較すると著しく少量であって、光化学反応の生成
物は反応生成物分離装置により循環物質から逐次除去さ
れるため、系内の循環する作業物質における光反応の標
的同位体の濃度は反応時間と共に急速に低くなってい
く。

【００１３】また、反応に適した圧力で封入した作業物
質を循環させるので、分離工程において反応容器の圧力
を所望の値に維持するのは容易である。なお、循環装置
は、作業物質の流速を一定速度以上に保つだけであるか
ら、低揚程のベンチレータとインバータ等の風速調整機
構の組み合わせで十分である。さらに、反応容器を始め
作業物質に接する機器内面では、常に作業物質が流れて
いて滞留しないので物質の付着が少なく、それに起因す
る入射窓の透過率の低下や劣化、また、機器内面の腐食
・劣化が防止できる。

【００１４】また、本発明の同位体分離装置は、反応
生成物分離装置を循環系内に複数個設置して、主反応の
反応生成物のみならず副反応の反応生成物も分離除去す
ることを特徴とする。複数の反応生成物分離装置を設け
る場合には、対応する分離目的の生成物の融点や沸点に
応じた温度の低温トラップをそれぞれ選定し、温度の高
いトラップから順に循環系の中に直列に配置する。この
ようにして主反応ばかりでなく副反応まで含めて反応生
成物を徹底して分離回収することにより、循環して再び
反応容器に戻される作業物質には光反応による反応生成
物が含まれず、反応容器における副反応や再反応を極力
抑えられ、主反応が効率よく促進される。

【００１５】さらに、本発明の同位体分離装置は、作業
物質を反応容器に導入する導入口をレーザ又は光の入射
窓および射出窓を有する反応容器の長手方向の両側壁付
近に設け、作業物質を排出する排出口を反応容器の中央
部に設けてもよい。導入口と排出口をこのように配置す
ることにより、作業物質は常に反応容器の両端、レーザ
又は光の透過する窓の近傍から流入し、未反応の新鮮な
状態で窓の表面を洗浄しながら、窓の付近に滞留するこ
となく反応器中央部の方に流れて、反応生成物を生成し
て反応器中央部から流出する。これにより物質が入射窓
に付着するのを防ぐことができる。

【００１６】また、反応容器は循環系内に並列に複数設
けて、容器の光透過窓を直列に連ねて光を透過させるよ
うにして反応効率を向上させるようにしてもよい。な
お、光反応に用いる光は、自由電子レーザ光であること
が好ましい。自由電子レーザは波長の選択性がよく、同
位体同士の僅かな光反応波長の差に対応して鋭いピーク
の強力な光エネルギーを供給することができる。また、
本発明の同位体分離装置は、反応生成物分離装置の前後
に加熱器を設けてもよい。これら加熱器により低温トラ
ップに隣接する配管や機器の温度を低温にならないよう
に調節し、トラップ以外の部分で反応生成物の分離が生
ずる弊害を除くことができ、その結果として、分離回収
効率を高めることができる。

【００１７】さらに、本発明の装置は、物質を高純度化
するために、あるいは、特定の同位体を含む物質を合成
するために、上記同位体分離装置を用いたことを特徴と
する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明について実施例に基
づき図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の同
位体分離装置の実施例の構成を示す説明図、図２、図
３、図４は図１実施例の別の態様を示す説明図である。

【００１９】

【実施例】本実施例の同位体分離装置は、図１に示すご
とく、光化学反応の反応容器１、反応生成物分離装置
２、及び、作業物質の循環装置３を適当な内半径のパイ
プ４で繋いだ循環系を基本構成とする。この循環系に
は、上記主要機器のほかに、循環系内の作業物質の圧力
を測定する圧力計５、循環系内の物質の成分を測定する
測定装置６、反応生成物分離装置前後に配置された加熱
器７，８、これら加熱器の温度コントローラ７ａ、８
ａ、循環する作業物質の流量センサー９、その流量セン
サーからの信号を用いて循環系内の流速を適切に保つよ
うに循環装置を制御する調整装置１０が含まれる。

【００２０】さらに、循環系に封入する原料の原料タン
ク１１、同じく循環系に原料とともに封入され作業物質
に一部となる添加剤の添加剤タンク１２、それらを循環
系に繋ぎ込む供給ライン１３、循環系をあらかじめ真空
に引く真空ポンプ１４とその排気ライン１５、及び、そ
れらに係わるバルブ１１ａ、１２ａ、１３ａ、１５ａ、
さらに、同位体分離装置全体を制御し管理する制御記録
装置１６が設けられている。

【００２１】反応容器１の長手方向の一端には、レンズ
１ａで集光された自由電子レーザ光１ｂの入射窓１ｃが
設けられ、さらに長手方向の他端には、作業物質を透過
した自由電子レーザが透過してくる出射窓１ｄと反応後
の自由電子レーザ光のエネルギーを計測するメータ１ｅ
が設けられている。また、作業物質の導入口４ａ、４ｂ
が入射窓１ｃ、出射窓１ｄそれぞれの近傍、すなわち、
反応容器１の長手方向の両側壁付近に設けられ、作業物
質の排出口４ｃが反応容器１の長手方向の中央部に設け
られている。

【００２２】光学系の機構については、光源からのレー
ザ光をそのまま照射してもよいが、集光強度照射容積を
所望の値にするためには図１に示すようにレンズ１ａを
用いるか、レンズの代わりにミラーを用いて集光するの
が望ましい。また、反応断面積を大きくするために、一
定の高い集光強度で大きな照射容積を得たい場合には、
長尺の光路長を取ることができる光学系を反応容器内部
又は外部に設置するのがよい。例えば、図２のように複
数の反応容器２１ａ、２１ｂ、２１ｃを循環路中に並列
に配設し、レンズ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ，２２ｄを用
いて、あるいは、場合によってはレンズに代えてミラー
を用いて、レーザ光が各反応容器を直列に貫いて最適な
照射が行えるようにする方法がある。また、図３に示す
ように反応容器２３に平面鏡、球面鏡、非球面鏡等のミ
ラー２４ａ、２４ｂを対向して設置して多重パスを構成
する光学系を用いて、レーザ光と作業物質との作用距離
を長くする方法を採用してもよい。

【００２３】循環系内の物質の成分は、フーリエ変換
（赤外）分光光度計、分散型の分光器、質量分析器、ガ
スクロマトグラフ等の測定装置６を循環系内に設置し
て、逐次測定する。分光光度計や分光器を用いる場合は
循環系内の物質に光を照射する必要がある。この場合は
循環系のパイプ４に照射用の窓を設けるか、循環系内に
窓を有する照射セルを設置する。また、質量分析器を用
いる場合は、作動排気装置を循環系に接続して微量の作
業物質を逐次採取して測定を行うようにする。作動排気
装置の変わりにバルブを設け、随時これを開くことによ
り試料を採取して測定を行ってもよい。質量分析器によ
れば、分光器では測定できないような微量の成分分析が
可能である。

【００２４】本実施例の同位体分離装置では、反応に適
合する圧力状態は作業物質の封入圧力により基本的に確
保される。したがって、作業物質の循環装置３は、作業
物質の流れを作ればよいので、図１に示す回転するプロ
ペラにより構成されるベンチレータ等で十分であり、図
７に示した従来装置で使用される真空ポンプなどは必要
としない。なお、ベンチレータは、ロータリーポンプや
他のドライポンプなどで問題となるガスの混入を排除す
ることができるので、封止状態の作業ガスを循環させる
目的に対してより適合する循環装置となる。インバータ
等の調整装置１０が、循環系に設置された流量センサー
９の信号を用いてベンチレータ３を調整することによ
り、循環系内の作業物質の流速を前述の一定速度以上に
正確に制御することができる。

【００２５】反応生成物分離装置２の上流及び下流に
は、反応生成物分離装置２に隣接して加熱器７，８が設
置される。加熱器７，８には温度コントローラ７ａ，８
ａがそれぞれ設けられ、加熱器７，８の出力を制御し
て、反応生成物分離装置２に隣接するパイプあるいは機
器の温度を保持して、反応生成物が分離装置２の外で分
離して付着することを防いでいる。

【００２６】図１では、循環系内に一つの反応生成物分
離装置２が設置されているが、図４に示すように複数の
反応生成物分離装置２５ａ、２５ｂ、２５ｃを設けても
よい。図４は、主反応および副反応の３種類の反応生成
物を目的とした場合を示している。分離対象の生成物の
分離に用いる融点あるいは沸点の高い方から順番に、第
１分離装置２５ａ、第２分離装置２５ｂ、そして第３分
離装置２５ｃと直列に配置することにより、反応生成物
が混ざることなく別々に回収される。この場合は、それ
ぞれの反応生成物分離装置の温度レベルが異なるから、
それぞれの温度レベル及び隣接する配管や機器の状況に
従い必要に応じてそれぞれ独立に温度設定ができる入口
加熱器２６ａ，２６ｂ，２６ｃ、及び、出口加熱器２７
ａ，２７ｂ，２７ｃが設置される。

【００２７】分離作業を開始するには、まず、原料タン
ク１１及び添加剤タンク１２の出口バルブ１１ａ，１２
ａを閉じ、作業物質の供給ライン１３及び排気ライン１
５のそれぞれのバルブ１３ａ，１５ａを開き、真空ポン
プ１４を起動して循環系内を真空にする。次にバルブ１
５ａを閉じ、原料タンクの出口バルブ１１ａを開けて原
料を循環系内に導入する。導入にあたっては、循環系に
設置された圧力計５により充填圧を測定する。所望の圧
力まで原料を充填できたら出口バルブ１１ａを閉じる。
次いで、他の物質を添加する必要があるときは、添加剤
タンク１２の出口バルブ１２ａを開けて添加剤を循環系
内に導入する。この場合も圧力計５で充填圧が計測さ
れ、所望の圧力に達したときに出口バルブ１２ａ及びバ
ルブ１３ａを閉じて作業物質の循環系内への充填が完了
する。

【００２８】充填完了後、循環装置３を起動し循環系内
に一定速度以上の速度で作業物質の循環を確立させ、反
応容器１内に入射窓１ｃを通してレーザ光１ｂを照射し
光化学反応を促進させる。同じ原子でも同位体により反
応エネルギーが異なる場合がある。そこで、照射するレ
ーザ光１ｂとして、標的同位体が別の同位体より所定の
化学反応を生じやすいような波長のものを選択すること
により、標的同位体に化学反応の収率が高くなり、濃度
が相対的に高い標的同位体化合物を得ることができる。
標的同位体化合物である反応生成物は分離装置２で分離
回収される。目的とする同位体は、反応生成物、あるい
は、反応しなかった作業物質に濃縮されているので、そ
のいずれかを回収することにより目的同位体をより濃厚
に含む物質の製造が完了する。

【００２９】本実施例の同位体分離装置では、循環系内
を作業物質が循環して繰り返し光反応を行うので、より
濃厚な反応性生物を得ることができる。また、循環系内
の作業物質の量が少なくてもよいため、特に非目的同位
体を標的同位体として光反応させて除去し残留分を目的
同位体として収穫するような場合に、より短い時間で高
濃度の目的同位体を得ることができる。さらに、作業物
質が適切な速度で反応容器１内を通過するため、副反応
や再反応を低く押えることができる。

【００３０】また、作業物質は入射窓１ｃと出射窓１ｄ
の近傍に設けられた導入口４ａ、４ｂから反応容器１の
中央部に設けられた排出口４ｃに向かって流れるので、
入射窓や出射窓は反応生成物を含まない作業物質の流れ
で洗われる状態となる上、窓付近のデッドスペースが小
さくなって物質が滞留しないため、物質の付着及びそれ
に起因する透過率の低下や入射窓や出射窓の腐食や劣化
を防止することができる。さらに、循環系全体として作
業物質が停滞することなく常に流れているので系内の壁
や機器の表面に物質が付着しにくく、装置の腐食や劣化
が防止できる。なお、上記実施例では光反応用に波長選
択性がよく高エネルギーな自由電子レーザ光を用いた
が、要求される性能によっては他の光やレーザ光であっ
てもよいことはいうまでもない。

【００３１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の同位体分離
装置は、循環系内に作業物質を循環させ反応容器内の作
業物質を適切な速度で入れ替えることにより副反応や再
反応を抑えることができ、副反応により生じた物質も含
め反応生成物を高い回収効率で分離回収できるため主反
応を効率よく促進することができる。また、反応容器内
を所望の圧力に容易に維持できる等分離工程の運転操作
も容易である。さらに、作業物質が循環系内を常に流れ
ており、特に入射窓は反応生成物を含まない作業物質の
流れに接しているので、入射窓の透過率の低下や入射窓
の劣化、及び、機器内面の腐食・劣化を防止できるので
装置の保守が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の同位体分離装置の実施例の構成を示す
説明図である。

【図２】本実施例の反応容器の他の態様を示す説明図で
ある。

【図３】本実施例の反応容器のさらに他の態様を示す説
明図である。

【図４】本実施例の反応生成物分離装置の他の態様を示
す説明図である。

【図５】従来のバッチ方式の同位体分離装置の例を示す
断面図である。

【図６】従来のバッチ方式の同位体分離装置の他の例を
示す断面図である。

【図７】従来のバッチ方式の同位体分離装置のさらに他
の例を示す断面図である。

【図８】従来の作業物質を循環使用する方式の同位体分
離装置の例を示す説明図である。

【符号の説明】

１反応容器１ａ集光レンズ１ｂレーザ又は光１ｃ入射窓１ｄ出射窓１ｅエネルギーメータ２反応生成物分離装置３循環装置４パイプ４ａ，４ｂ導入口４ｃ排出口５圧力計６測定装置７，８加熱器７ａ，７ｂ温度コントローラ９流量センサー１０調整装置１１原料タンク１１ａ原料タンク出口バルブ１２添加剤タンク１２ａ添加剤タンク出口バルブ１３供給ライン１３ａ供給ライン開閉バルブ１４真空ポンプ１５排気ライン１５ａ排気ライン開閉バルブ１６制御記録装置２１ａ，２１ｂ，２１ｃ反応容器２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄレンズ２３反応容器２４ａ，２４ｂミラー２５ａ，２５ｂ，２５ｃ反応生成物分離装置２６ａ，２６ｂ，２６ｃ入口加熱器２７ａ，２７ｂ，２７ｃ出口加熱器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者チェルニシェフアンドレイロシア国ノボシビルスク市インスチツツカヤ３インスティチュート・オブ・ケミカルカイネティックス・アンド・コンバスチョン内 (72)発明者黒田晴雄千葉県野田市山崎2641 東京理科大学総合研究所内 (56)参考文献特開昭58−76130（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−129437（ＪＰ，Ａ) 特開平６−319957（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 59/00 - 59/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光を用いて作業物質に光化学反応を生じ
させることにより同位体を分離する同位体分離装置にお
いて、光化学反応の反応容器、反応生成物分離装置及び
ベンチレータからなる循環装置を配管で直列に接続した
循環系を構成し、前記反応生成物分離装置を主反応の反
応生成物のみならず副反応の反応生成物にも対応するよ
うに循環系内に複数個設置して、該ベンチレータにより
該循環系内の圧力勾配を抑えつつ系内に封入した作業物
質を循環させながら光化学反応と反応生成物分離をする
ことにより同位体の分離を行うことを特徴とする同位体
分離装置。
【請求項２】前記反応容器は、前記光の入射窓を備え
ると共に、該入射窓に対向する位置に該光の出射窓を備
え、前記作業物質を導入する導入口を前記入射窓と前記
出射窓の直近内側にそれぞれ設け、該作業物質を排出す
る排出口を該反応容器の中央部に設けたことを特徴とす
る請求項１記載の同位体分離装置。
【請求項３】前記反応容器は、前記光の入射窓を備え
ると共に、該入射窓に対向する位置に該光の出射窓を備
え、前記作業物質を導入する導入口を前記入射窓と前記
出射窓の直近内側にそれぞれ設け、該作業物質を排出す
る排出口を中央部に設けた容器を、前記入射窓と前記出
射窓を突き合わせて前記光の光路に沿って直列に２個以
上接続することにより循環系中に並列に配設して形成し
たことを特徴とする請求項１記載の同位体分離装置。
【請求項４】前記反応生成物分離装置の上流および下
流に加熱器を設けたことを特徴とする請求項１から３の
いずれかに記載の同位体分離装置。
【請求項５】前記光化学反応に用いられる光が、自由
電子レーザ光であることを特徴とする請求項１から４の
いずれかに記載の同位体分離装置。
【請求項６】物質を高純度化するために用いられるこ
とを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の同位
体分離装置。
【請求項７】物質を合成するために用いられることを
特徴とする請求項１から５いずれかに記載の同位体分離
装置。