JP4766471B2 - 核廃棄物の放射線を利用した光電池 - Google Patents

Description

この発明は核廃棄物の放射線を利用して出力の高い発電を効率よく行うことができる核廃棄物の放射線を利用した光電池に関するものである。

放射線を利用した発電に関しては、特開２００７−３０３８２３号公報（特許文献１参照）に提案されている。
この特開２００７−３０３８２３号公報（特許文献１参照）には、太陽電池の上に蛍光体を敷き詰め、その上にプルトニウムを位置せしめることにより、プルトニウムから発生するα線が蛍光体を通過する際に蛍光を発生し、この蛍光によって太陽電池による発電が行われるようにしたものであって、透明伝導膜をはさんで両側にプルトニウム、さらにその両側に順に蛍光体板太陽電池を配置するようにしたものである。
特開２００７−３０３８２３号公報

ところで、一般に高レベル放射性廃棄物は使用済み燃料であり、日本ではガラス固化体のことを指し、核分裂生成物と超ウラン核種が主なもので、前者は強い放射線を放ち、後者は長期間放射線を放出する。
これらの核廃棄物は、半減期の長い長寿命核種（特に、ウラン２３５は７億年、ウラン２３８は４５億年）が含まれており、時間経過による減衰は考慮できないため、短寿命で放射線量の多い放射性物質の減衰を目的として、一定期間の管理を行ったうえで、人間界から隔絶するために地下深くに埋設して処分する地層処分が、主に関係する諸国で検討されている。そして、既に地下の岩塩層や廃鉱跡地に埋設処理することで具体的な対策を検討中である。
また、核分裂生成物の３０年減衰保管管理はコストがかかり、半減期の長い長寿命核種を数億年も管理はできないので、高速増殖炉で中性子を当てて核分裂させ半減期の短い物質に 変えて燃やしてしまう処理方法も研究されている。

とはいえ、核廃棄物を地下の岩塩層や廃鉱跡地に埋設処理するとしても、プルトニウムから発生するα線が蛍光体を通過する際に蛍光を発生し、この蛍光によって太陽電池による発電を行おうとする特開２００７−３０３８２３号公報（特許文献１参照）のような核廃棄物の二次的な利用については何ら考えられていないのが実情であった。

そこでこの発明は、核廃棄物が放射線を出すことを利用し、その放射線を蛍光層に当てて発光させ、得た光を用いて太陽電池で発電させるようにしたものであり、しかもその構造が非常に発電効率に優れた核廃棄物の放射線を利用した光電池を提供しようとするものである。

すなわちこの発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池は、柱状の核廃棄物の周囲に、ガラス管を介して太陽電池シートを重層的に巻きつけ、かつ前記太陽電池の表面に蛍光層を形成したことを特徴とするものである。

この発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池は、前記太陽電池シートが、可撓性のある基材上に多数の太陽電池を搭載したものからなることをも特徴とするものである。

この発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池は、前記太陽電池シートが、可撓性のある基材上に可撓性を備えた太陽電池を積層したものからなることをも特徴とするものである。

この発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池は、前記蛍光層が、可撓性のある基材に蛍光素材を含有させて可撓性のある基材と一体化し、可撓性のある基材の表裏両面から発光するようにしたことをも特徴とするものである。

この発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池は、前記柱状の核廃棄物の周囲に、ガラス管を介して太陽電池シートを重層的に巻きつけ、かつ前記太陽電池の表面に蛍光層を形成した上、放射線遮蔽物質からなるハウジング内に収納したものを１ユニットとし、該１ユニットごとに設置位置に搬入・搬出可能としたことをも特徴とするものである。

この発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池の発電の原理は次のようなものと考えられる。
ａ）核廃棄物が放射線を照射する
ｂ）蛍光層が発光する
ｃ）蛍光が太陽電池に照射されて太陽電池に大きな起電力を与える
このａ）〜ｃ）のプロセスにより核廃棄物の放射線を利用した光電池は、太陽電池か蛍光層のどちらかが劣化するまで電流を流し続けるものと考えられ、非常に長寿命の核廃棄物の放射線を利用した光電池を提供することができる。

また、この発明は柱状の核廃棄物の周囲に、可撓性のある太陽電池シートを重層的に巻きつけ、かつ前記太陽電池の表面に蛍光層を形成した構造である。
したがって、柱状の核廃棄物の周囲に太陽電池シートが多層に積層されており、しかも放射線はこの太陽電池シートの層を透過するので、非常に高密度に太陽電池を配置することができ、発電効率を大幅に向上させることができる。
もちろん、各太陽電池間の接続方法は、発生する所要の電圧と電流にしたがって適宜決定することができる。

以下この発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池の実施の形態を、図面に基いて詳細に説明する。
図１は、この発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池の１実施例を示す基本構造の斜視図、図２は太陽電池シートの展開図、図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ蛍光層を設けた太陽電池シートの例を示す断面図、図４は光電池ユニットを所定位置に搬入・搬出する状ための機構を示す概略図である。

図１および図３に示すように、この発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池は、剛性のあるガラス管１２の周囲に、可撓性のある太陽電池シート２１を巻き付け、その上で柱状の核廃棄物１１をガラス管１２内にはめ込んだ構成となっている。
この発明の適用可能な核廃棄物１１としては、核分裂生成物と超ウラン核種を主とする使用済み燃料等の高レベル放射性廃棄物が使用できる。そしてこれらの核廃棄物を直径が数１０ｃｍ〜数ｍくらいの柱状に成形した柱状の核廃棄物１１として使用する。
また前記剛性のあるガラス管１２としては、放射線に対する耐性に優れた耐放射線ガラスを使用することが望ましい。そのような耐放射線ガラスとしては、ショット社製の耐放射線ガラスが使用でき、放射線があたっても変色したり透過率が減少することの非常に少ないガラスでセリウムを含有していると言われている。もちろん、これらの素材からなるガラス繊維の織布、不織布等を使用することも可能である。
また透明石英ガラスの中にも耐放射線性に優れたものが存在する。
いずれにしても、放射線透過を妨げない素材であることが必要であり、耐放射線性に優れていることが望ましい。

前記可撓性のある太陽電池シート２１は、図２に示すように、可撓性のある基材２２上に多数の太陽電池２３を所定の間隔で搭載したものである。
可撓性のある基材２２としては、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）等の放射線透過を妨げず、耐放射線性に優れた可撓性のある樹脂素材を使用することができる。
可撓性のある基材２２としては、耐放射線性に優れた耐放射線ガラスをも使用することが可能である。そのような耐放射線ガラスとしては、ショット社製の耐放射線ガラスが使用でき、放射線があたっても変色したり透過率が減少することの非常に少ないガラスでセリウムを含有していると言われている。もちろん、これらの素材からなるガラス繊維の織布、不織布等を使用することも可能である。
また透明石英ガラスの中にも耐放射線性に優れたものが存在する。
いずれにしても、放射線透過を妨げない素材であることが必要であり、耐放射線性に優れていることが望ましい。

次に、太陽電池２３としてはpn接合型や色素増感太陽電池が使用可能である。
現在一般的な太陽電池は、p型とn型の半導体を接合した構造を持つ。即ち、大きなpn接合型ダイオード（フォトダイオード）である。シリコン系、化合物系の太陽電池がこれに該当する。 すなわち、発光ダイオードと逆の過程を通じて電子に光のエネルギーを吸収させ（光励起）、半導体の性質を利用して、エネルギーを持った電子を直接的に電力として取り出すものである。

色素増感太陽電池では、入射光によって二酸化チタンに吸着された色素中の電子が励起される。この励起された電子を二酸化チタンを介して電極（陰極）へと導き、直流として取り出す。送り出された電子は外部回路を経由して対向電極（陽極）に戻り、電極間に挟まれた電解質中のイオンを介して再び色素吸着部へと戻るようになっている。
いずれにしても前記太陽電池２３は、放射線透過を妨げない素材であることが必要であり、耐放射線性に優れていることが望ましい。

前記可撓性のある太陽電池シート２１は、図３（ａ）に示すように可撓性のある基材２２上に前記太陽電池２３のユニットを搭載したものとすることができる。この場合の太陽電池２３はガラス管１２への巻き付け方向に対して細幅のものを配置するようにすれば、何も可撓性を備えている必要はなく、硬質の板状素材からなるものとすることができる。
また前記可撓性のある太陽電池シート２１は、図３（ｂ）に示すように可撓性のある基材２２と可撓性のある太陽電池２３とを積層したものを用いることができる。
例えば、アモルファスシリコン太陽電池は、任意の基板に薄膜で素子を形成することができる。すなわち、高分子フィルムを基板に用いた可撓性を持つ超軽量のフィルム太陽電池となるのであって、このようなフィルム太陽電池を用いて可撓性のある太陽電池シート２１とすることができるのである。

前記太陽電池２３上には蛍光層２４が形成される。この蛍光素材としては下記のもの等が好適に使用できる。
Ｘ線用蛍光体（Ｂｌｕｅ）ＣａＷＯ₄
Ｘ線用蛍光体（Ｇｒｅｅｎ）Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ：Ｔｂ
Ｘ線用蛍光体（ＵＶ）（Ｙ，Ｓｒ）ＴａＯ₄：Ｎｂ
例えば、有機蛍光顔料や無機蛍光顔料を塗料素材に配合したものを前記太陽電池２３上に塗布したり、前記耐放射性フィルム素材やガラス繊維布、ガラス繊維不織布等に前記顔料を配合したシート状成形品を貼付すること等によって前記蛍光層２４とすることができる。後者のようなシート状の蛍光層２４とした場合には、前記太陽電池シート２１間のクッション材として使用することができる。
ちなみに、前記太陽電池シート２１の可撓性のある基材２２として蛍光顔料を含んだガラス繊維製の織布や不織布を使用することにより、太陽電池シート２１の可撓性のある基材２２であり、かつ蛍光層２４を兼ねたものとすることができる。
このような蛍光層２４を兼ねた可撓性のある基材２２からなる太陽電池シート２１においては、基材２２の表裏両面から発光させることができるので、より効率よく大きな光量を得ることができるので、より一層発電効率を高めることができる。
図３（ａ），（ｂ）は、このような蛍光層２４を兼ねた太陽電池シート２１の可撓性のある基材２２を示している。

前記可撓性のある太陽電池シート２１は、次のようにして柱状の核廃棄物１１に取り付けられる。
すなわち、図１に示すように、予めガラス管１２の外周に前記可撓性のある太陽電池シート２１を重畳的に巻き付けた構造体を準備し、前記ガラス管１２の内部に柱状の核廃棄物１１をはめ込むのである。
前記ガラス管１２に巻き付ける太陽電池シート２１層の数は、柱状の核廃棄物１１から放射される放射線の強さが蛍光層２４に対して充分な可視光線を発生させ得るまでの厚さとすることができる。そして、以上のように構成した上、鉛ガラス等の放射線遮蔽物質からなるハウジング３１に全体を収納すればよい。

前記前記可撓性のある太陽電池シート２１を重畳的に巻き付けた前記ガラス管１２の内部に柱状の核廃棄物１１をはめ込み、それを放射線遮蔽物質からなるハウジング３１に収納したものを１ユニットとし、該１ユニットごとに設置位置に搬入・搬出可能とすることができる。そのような機構の１例を図４に示す。
すなわち図４において、ハウジング３１の上端に設けた少なくとも一対の吊環３２にワイヤ３３を通し、架設したレール３４上に移動可能に搭載したウインチ３５を用いて巻き上げることにより、前記１ユニットごとに床から持ち上げて所定位置に搬入したり、あるいは搬出することができるようになっている。
したがって、光電池に発電停止や放射線の漏洩等の問題が発生した場合等においても、発電ロスを極めて短時間に押えることができ、また光電池の前記問題の解消を安全かつ迅速に行うことができる。

以上のように構成したこの発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池においては、各太陽電池２３間を電気接続して所望の電力を得ることができる。
しかもこの発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池はメンテンスフリーであって非常に長期間にわたって安定した電力を得ることができ、また長期間にわたって動力不要な装置として運用することができる。

この発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池は、各太陽電池２３間を必要な電圧を得られるように電気接続し、インバータ回路を通して交流にして配電することができる。
また、直流のままで水の電気分解等に用いれば、各種用途のクリーンエネルギーとして注目されている水素を大量に発生させることができる。
なお、前記柱状の核廃棄物が地下の岩塩層や廃鉱跡地に埋設処理されている場合、その施設内でこの発明を適用すれば、核廃棄物の処理と発電とを同時並行に行うことができて非常に有効である。
もちろん、この発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池を電力を使用する場所の近くに設置することにより、送電に伴う電力ロスを最低限に抑えることができる。

この発明の核廃棄物の放射線を利用した光電池の１実施例を示す基本構造の斜視図である。 太陽電池シートの展開図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ蛍光層を設けた太陽電池シートの例を示す断面図である。 光電池ユニットを所定位置に搬入・搬出する状ための機構を示す概略図である。

符号の説明

１１ 柱状の核廃棄物
１２ 透明ガラス管
２１ 太陽電池シート
２２ 可撓性のある基材
２３ 太陽電池
２４ 蛍光層
３１ ハウジング
３２ 吊環
３３ ワイヤ
３４ レール
３５ ウインチ

Claims (5)

1. 柱状の核廃棄物の周囲に、ガラス管を介して太陽電池シートを重層的に巻きつけ、かつ前記太陽電池の表面に蛍光層を形成したことを特徴とする核廃棄物の放射線を利用した光電池。
2. 前記太陽電池シートが、可撓性のある基材上に多数の太陽電池を搭載したものからなることを特徴とする請求項１に記載の核廃棄物の放射線を利用した光電池。
3. 前記太陽電池シートが、可撓性のある基材上に可撓性を備えた太陽電池を積層したものからなることを特徴とする請求項１に記載の核廃棄物の放射線を利用した光電池。
4. 前記蛍光層が、可撓性のある基材に蛍光素材を含有させて可撓性のある基材と一体化し、可撓性のある基材の表裏両面から発光するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の核廃棄物の放射線を利用した光電池。
5. 前記柱状の核廃棄物の周囲に、ガラス管を介して太陽電池シートを重層的に巻きつけ、かつ前記太陽電池の表面に蛍光層を形成した上、放射線遮蔽物質からなるハウジング内に収納したものを１ユニットとし、該１ユニットごとに設置位置に搬入・搬出可能としたことを特徴とする請求項１に記載の核廃棄物の放射線を利用した光電池。

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