JP7286401B2 - 金属リチウムの化学特性改善方法およびリチウムターゲット装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、金属リチウムの化学特性改善方法およびリチウムターゲット装置に関する。

核融合炉においては、リチウムが増殖材として使われている。リチウムは、真空容器内に設置され中性子の照射によるリチウム６（^６Ｌｉ）の核反応によりトリチウムを生成する。生成されたトリチウムは回収され、核融合炉の燃料として利用される。

また、リチウムあるいはその化合物は、核融合炉開発における中性子照射用加速器のターゲットとして、利用される。たとえば、液体金属リチウムをノズルから流した状態で、これに荷電粒子を打ち込む例などがある。

特開２０１３－２４２２０７号公報

核融合炉においては、リチウムから効率よく核融合用燃料としてのトリチウムを生成し、生成されたトリチウムを効率よく回収することが重要である。また、中性子照射用加速器のターゲットとしてのリチウムに重水素イオンが打ち込まれた場合、目的とする中性子以外に核反応によってトリチウムが発生する。トリチウムはベータ線を放出する放射性核種であり、運転中に放射能量が上昇し続けるのを回避するために、トリチウムを除去する必要がある。

一方、生成されたトリチウムは、リチウム中に固溶しやすく、固溶したトリチウムの分離が問題であることから、トリチウムの除去技術の開発が進められている。

またリチウムは、アルカリ金属であり、強力な還元作用を有する。たとえばステンレス鋼は、その表面に安定なクロム酸化膜を作ることで耐食性を保持しているが、液体金属リチウムに接していることによってクロム酸化膜が還元されると、液体金属リチウムとステンレス鋼が直接接触するようになり、ニッケルのような特定元素が溶出することがある。

リチウムの持つ比重の軽さ、熱伝導性、流動性などの優位性をなるべく低下させることなく、トリチウムの固溶性を低減させる、あるいは還元性を低減させるように化学特性を改善することができれば、金属リチウムを用いる核融合炉、核破砕ターゲットなどにおける取り扱いの上で大きなメリットを生ずることになる。

本発明の実施形態は、このような課題を解決するためになされたものであり、金属リチウムの化学特性を改善し還元性およびトリチウムの固溶性を低下させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法は、金属リチウム中に添加するナノ金属粒子の候補材を選択する候補材選択ステップと、前記金属リチウム中に表面を酸化させた表面安定化処理を行った前記ナノ金属粒子を添加して前記ナノ金属粒子に前記金属リチウムの複数の原子が集積したリチウム原子集積体を得る添加ステップと、を有することを特徴とする。

また、本実施形態に係るリチウムターゲット装置は、表面を酸化させた表面安定化処理を行ったナノ金属粒子を含み、前記ナノ金属粒子に金属リチウムの複数の原子が集積したリチウム原子集積体が形成された液体金属リチウムと、前記液体金属リチウムの荷電粒子による照射の場を形成するリチウムターゲットと、前記液体金属リチウムを駆動するポンプと、を有することを特徴とする。

本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法の手順を示すフロー図である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の詳細な手順を示すフロー図である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の事前スクリーニングの結果の例を示す比較表である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の結合エネルギー解析のモデルの例を示す概念図であり、（ａ）はリチウム原子－リチウム原子の場合、（ｂ）はナノ金属原子－リチウム原子の場合を示す。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の結合エネルギー解析の結果の例を示す概念図であり、ナノ金属原子がチタンの場合を示す。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の結合エネルギー解析の結果の例を示す概念図であり、ナノ金属原子がタングステンの場合を示す。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の結合エネルギー解析で、各種のナノ金属原子の場合の結合エネルギーの解析結果の例を示す比較図である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の電荷解析で、各種のナノ金属原子の場合のリチウムの電荷の解析結果の例を示す比較図である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法における選択された金属のナノ金属粒子の準備の手順を示すフロー図である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法における選択された金属のナノ金属粒子の準備段階でのＰＷＤ法についての概念的な説明図であり、（ａ）は通電前の状態、（ｂ）は通電によるプラズマ化、（ｃ）は急冷による微粒子化の状態を示す。 実施例における選択ナノ粒子用金属の液体金属リチウムへの添加ステップを含む詳細な手順を示すフロー図である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法の第１の効果を説明する概念図である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法の第２の効果を説明する概念図である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法により製造された化学特性の改善された金属リチウムを用いたリチウムターゲット装置の構成図である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法により製造された化学特性の改善された金属リチウムを用いたリチウムターゲットの正面図である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法により製造された化学特性の改善された金属リチウムを用いたリチウムターゲットの縦断面図である。 本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法の効果を確認する腐食試験結果を示す比較図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法およびリチウムターゲット装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法の手順を示すフロー図である。以下、図２ないし図１１を引用しながら、金属リチウムの化学特性改善方法の手順を順次説明する。

まず、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法において使用するナノ金属粒子用の金属の候補材の検討を行う（ステップＳ１０）。ステップＳ１０の詳細を以下に説明する。

図２は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の詳細な手順を示すフロー図である。

ナノ金属粒子の候補材の検討として、まず、事前スクリーニングを行う（ステップＳ１１）。

事前スクリーニングでは、たとえば、電気陰性度が高い金属元素のうち、リチウム（Ｌｉ）化合物を作る可能性のある金属元素を除外することにより行う方法がある。電気陰性度が高い金属元素は、リチウムから電子を引き寄せてリチウムのプラス側の電荷を高くすると期待されるためである。また、リチウムの還元性以外のリチウムの持つ化学特性を維持する趣旨から、リチウム化合物を作る可能性のある金属元素を対象から除外する。

図３は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の事前スクリーニングの結果の例を示す比較表であり、電気陰性度が高い金属元素について、５００℃ないし６００℃程度以下の温度領域において、リチウムとの化合物を作るものは「×」で、当面の調査で明確でないものは「？」で、リチウムとの化合物を作らないあるいは容易に作らないものは「○」で、それぞれ表示されている。

この結果、ベリリウム（Ｂｅ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）の１３種の元素がナノ金属粒子用の金属として、摘出されている。

次は、図２のフロー図に示すように、結合エネルギーの算出のための結合エネルギー解析を行う（ステップＳ１２）。

図４は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の結合エネルギー解析のモデルの例を示す概念図であり、（ａ）はリチウム原子－リチウム原子の場合、（ｂ）はナノ金属原子－リチウム原子の場合を示す。ステップＳ１１の事前スクリーニングで摘出した元素について、（ａ）および（ｂ）のそれぞれについての結合エネルギーの解析を行う。

次に、ナノ金属原子が、チタン（Ｔｉ）の場合、およびタングステン（Ｗ）の場合の例について説明する。

図５は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の結合エネルギー解析の結果の例を示す概念図であり、ナノ金属原子がチタンの場合を示す。

Ｔｉ－Ｌｉ間の相互エネルギーは、実線の曲線で示すように原子間の距離約２．９オングストロームで最小となり、その絶対値である結合エネルギーは、約９６ｋＪ／ｍｏｌとなった。一方、Ｌｉ－Ｌｉ間の相互作用エネルギーは、破線の曲線で示すように原子間の距離約２．７オングストロームで最小となり、その絶対値である結合エネルギーは約８４ｋＪ／ｍｏｌとなる。また、Ｔｉ－Ｌｉ間の相互エネルギーが最小となる原子間の距離約２．９オングストロームにおけるチタンの電荷は約マイナス０．６８、リチウムの電荷は約プラス０．６８となった。ここで、電荷は、図８で後述するように、Ｎｂ－Ｌｉの場合の電荷を基準とした相対値である。なお、１オングストロームは、１０^－１０ｍである。

図６は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の結合エネルギー解析の結果の例を示す概念図であり、ナノ金属原子がタングステンの場合を示す。

Ｗ－Ｌｉ間の相互エネルギーは、実線の曲線で示すように原子間の距離約２．６オングストロームで最小となり、その絶対値である結合エネルギーは約１５９ｋＪ／ｍｏｌとなった。一方、Ｌｉ－Ｌｉ間の相互作用エネルギーは、破線の曲線で示すように原子間の距離約２．７オングストロームで最小となり、その絶対値である結合エネルギーは約８４ｋＪ／ｍｏｌである。また、Ｗ－Ｌｉ間の相互エネルギーが最小となる原子間の距離約２．６オングストロームにおけるタングステンの電荷は約マイナス０．８４、リチウムの電荷は約プラス０．８４となった。ここで、電荷は、同様に相対値である。

図７は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の結合エネルギー解析で、各種のナノ金属原子の場合の結合エネルギーの解析結果の例を示す比較図である。図５および図６のそれぞれに示したチタンおよびタングステンの場合を含めて、同様に解析した結果をまとめたものである。なお、結合エネルギーは、Ｌｉ－Ｌｉの場合の結合エネルギーに対する相対値で示している。

上述の結合エネルギー解析は、密度汎関数法を用いた量子化学計算により実施した例であるが、他の解析法を用いてもよい。

図７に示すように、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｖ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒの１０種類の金属元素については、リチウムとの結合エネルギーがＬｉ－Ｌｉの結合エネルギーより大きく、これらのナノ金属粒子の表面にリチウムが強く結合し、安定性が高くなると考えられる。したがって、結合エネルギーの観点からこれらの１０種類の金属元素を選定する。

次に、ステップＳ１２で選定された１０種類の金属元素について、それぞれリチウムとの間の電荷の移動量を算出するための電荷解析を実施する（ステップＳ１３）。

図８は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法におけるナノ金属粒子用の金属の候補材の検討の電荷解析で、各種のナノ金属原子の場合のリチウムの電荷の解析結果の例を示す比較図である。Ｌｉの電荷は、解析した対象の中で最も大きな値が得られたＮｂ－Ｌｉの場合のＬｉの電荷に対する相対値で示している。解析は、Ｍｕｌｌｉｋｅｎ密度解析を用いているが、他の方法によってもよい。

図８に示すように、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕの６種類の金属元素については、リチウムとの間で、リチウムの電荷が大きくなることが分かる。これらの６種類の金属元素においては、ナノ金属粒子の表面にリチウムが結合したクラスタ同士が反発し、ナノ金属粒子同士が凝集しにくくなると考えられる。

次に、図１に示すように、ナノ金属粒子用の金属の選択を行う（ステップＳ２０）。ステップＳ１０における特にステップＳ１２およびＳ１３の結果により、図７および図８に示した例に基づいて、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕの６種類の金属元素を選択する。

次に、選択された金属のナノ金属粒子の準備を行う（ステップＳ３０）。

図９は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法における選択された金属のナノ金属粒子の準備の手順を示すフロー図である。すなわち、ステップＳ３０の手順を示す。

まず、微粒子化によるナノ金属粒子の生成を実施する（ステップＳ３１）。微粒子化は、たとえば、パルス細線放電（ＰＷＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｗｉｒｅ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）法により可能である。

図１０は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法における選択された金属のナノ金属粒子の準備段階でのＰＷＤ法についての概念的な説明図であり、（a）は通電前の状態、（ｂ）は通電による細線のプラズマ蒸気化、（ｃ）は急冷によるプラズマ蒸気の微粒子化の状態を示す。

まず、（a）に示すように、正電極と負電極との間を、ナノ金属粒子化を目的とする金属で製造した細線で結ぶ。この細線にパルス電圧を印加し、細線にできるだけ長手方向に均一に通電加熱を行うと、（ｂ）に示すように、細線が蒸発、プラズマ化する。このプラズマを急冷、凝固させて、（ｃ）に示すように超微粒子、すなわちナノ金属粒子を得る。

ナノ金属粒子は、互いに引き合い凝集しやすい。このため、ステップＳ３１でナノ金属粒子を製造しても、多くは、すぐに凝集する。この凝集したものを以下、凝集体と呼ぶ。凝集体の生成により、個々のナノ金属粒子の表面積の合計値は大きいにもかかわらず、凝集体の表面積は、これより大幅に小さくなるという問題が生ずる。

このため、後述するように、凝集体を解砕、すなわち個々のナノ金属粒子に分離する必要がある。ただし、これらのナノ金属粒子は一般的には化学活性でない元素であっても乾燥状態では発火や粉じん爆発のおそれもある。また、解砕により急激に表面積が増加することにより、たとえば、酸化により大きな発熱が生ずる可能性がある。このため、ナノ金属粒子について表面安定化処理を行う（ステップＳ３２）。表面安定化処理としては、たとえば、ナノ金属粒子の凝集体の表面をわずかに酸化させることでもよい。

次に、凝集体の解砕処理を実施する（ステップＳ３３）。凝集体の解砕としては、凝集体単独で実施する解砕と、液体金属リチウムに添加した後に実施する解砕とがある。ナノ金属粒子を液体金属リチウムに添加した後に実施する解砕の場合は、後のステップで行う。本ステップにおいては、凝集体単独で実施する解砕を行う。具体的には、たとえば、凝集体を、ビーズミルとともに容器に封入し、自転公転と冷却を繰り返すことにより、解砕を行う方法がある。

解砕後のナノ金属粒子の粒径は、５０ｎｍ以下であり、かつ、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲を中心に分布している状況が好ましい。

次に、解砕後のナノ金属粒子の還元処理を行う（ステップＳ３４）。なお、ステップＳ３２の表面安定化処理、およびステップＳ３４の還元処理は、必要に応じて実施すればよく、必要がない場合は省略してもよい。

図１１は、実施例における選択ナノ粒子用金属の液体金属リチウムへの添加ステップを含む詳細な手順を示すフロー図であり、（a）および（ｂ）は、金属リチウムの準備ステップ、（ｃ）および（ｄ）は金属リチウムへのナノ金属粒子の添加ステップ、（ｄ）および（e）は撹拌ステップを示す。

まず、金属リチウムの準備を行う（ステップＳ４０）。金属リチウムの準備では、図１１の（a）および（ｂ）に示すように、容器１１１内に、金属リチウム１１２の切片を収納する。

次に、金属リチウム１１２へのナノ金属粒子１１４の添加を行う（ステップＳ５０）。すなわち、図１１の（ｃ）に示すように容器１１１の外側にマントルヒータ１１５を巻いて、図１１の（ｄ）に示すように金属リチウム１１２を溶融させ、これに、解砕されたナノ金属粒子１１４を順次添加する。また、図１１の（ｄ）に示すように溶融した金属リチウム１１２内に撹拌翼１１３を下ろし、撹拌を実施する（ステップＳ６０）。

選定された金属のナノ金属粒子は、液体金属リチウムと結合すると、ナノ金属同士よりリチウムとの結合エネルギーの方が大きいため、ナノ金属粒子同士が液体金属リチウム中で凝集することはない。

次に、ナノ金属粒子が所定量、添加されたか否かを判定する（ステップＳ７０）。ここで、ナノ金属粒子の添加量の所定量としては、質量％にして３％程度でよい。また、少なくとも質量％にして１％程度が添加されることが好ましい。

ナノ金属粒子が所定量にならない場合（ステップＳ７０ ＮＯ）には、ステップＳ５０以下を繰り返す。ナノ金属粒子の添加量が所定量に達した場合（ステップＳ７０ ＹＥＳ）には、終了し次のステップに移る。具体的には、図１１の（e）に示すように急冷する。

次に、効果の確認を行う（ステップＳ８０）。

図１２は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法の第１の効果を説明する概念図である。リチウム原子２２は、単独の状態では還元性が強く、構造材を構成する各種の原子、すなわち構造材原子３１の表面の金属酸化膜（不導体膜）を還元して不導体膜による保護がない状態とさせる。このようなアルカリ腐食の結果、構造材原子３１の一部が溶出し構造材の健全性が損なわれる可能性がある。

本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法により製造された化学特性改善後のリチウム原子は、ナノ金属原子２１の表面に集積した状態である（以下、この状態のものを、リチウム原子集積体２０（図１２）と呼ぶ）。この結果、図８に示すように、リチウム原子２２における電子の分布がナノ金属原子２１の側に偏っている。このため、逆に、リチウム原子２２のナノ金属原子２１との反対側では、電子の分布密度が低下しており、外部との反応性が低下している状態にある。この結果、液体金属リチウムを収納する、あるいは液体金属リチウムに接触する構造材のアルカリ腐食が低減し、これらの構造材の安定化を図ることができる。

図１３は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法の第２の効果を説明する概念図である。

リチウム原子２２は、トリチウムの固溶性が高い。このため、たとえば液体金属リチウムを核破砕のターゲットとして用いて、重水素を照射すると中性子以外にトリチウムが発生し、トリチウムの除去が問題となる。本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法により製造された科学特性改善後のリチウム原子は、ナノ金属原子２１の表面に集積しリチウム原子集積体２０を形成した状態である。この結果、集積したリチウム原子２２の中にトリチウム原子３５などの水素の同位体が侵入しにくくなる。この結果、液体金属リチウム中へのトリチウムなどの水素の同位体の溶解が抑制され、溶解度の低下を図ることができる。具体的には、金属リチウムへの水素の同位元素の放出温度が低下することになる。

また、リチウムが核融合炉のブランケット燃料として用いられる場合には、核融合炉の燃料であるトリチウムの生成源となる。この場合においても、金属リチウムへの水素の同位元素の放出温度が低下することによりトリチウムの分離が容易であることは核融合炉の燃料の回収効率の大いなる向上をもたらすことになる。

以上のように、本実施形態により、金属リチウムの化学特性を改善し還元性およびトリチウムの固溶性を低下させることができる。

図１に示す金属リチウムの化学特性改善方法の手順の最後は、得られたリチウム原子集積体２０の利用のステップ（ステップＳ９０）である。すなわち本実施形態により得られる、第１の効果である金属リチウムによりアルカリ腐食の低減および第２の効果である金属リチウムへの水素の同位元素の放出温度の低下の効果をもたらすリチウム原子集積体２０は、前述のようなターゲット装置あるいは核融合炉のブランケットを含め、同様の金属リチウムの利用あるいは取り扱いを行う場合に有効に利用することができる。

図１４は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法により製造された化学特性の改善された金属リチウムを用いたリチウムターゲット装置の構成図である。本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法により得られるリチウム原子集積体２０の利用の例である。

リチウムターゲット装置１０は、リチウムターゲット１１、容器１３、配管１５、および電磁ポンプ１４から形成されるループと、これに収納されるナノ金属粒子入り液体金属リチウム１８を有する。容器１３は、配管１５上に介設されている。また、電磁ポンプ１４は、配管１５上の容器１３の下流側に介設されている。リチウムターゲット１１は、電磁ポンプ１４の下流側であって、容器１５の上流側に設けられている。

ここで、ナノ金属粒子入り液体金属リチウム１８においては、リチウム原子集積体２０が形成されており、前述の図１２、１３を引用しながら説明した化学特性を有する。

容器１３内には、ナノ金属粒子入り液体金属リチウム１８が収納され、電磁ポンプ１４により、ナノ金属粒子入り液体金属リチウム１８は駆動され、リチウムターゲット１１を流れ、循環する。

図１５は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法により製造された化学特性の改善された金属リチウムを用いたリチウムターゲットの正面図であり、図１６は、リチウムターゲットの縦断面図である。

リチウムターゲット１１は、ナノ金属粒子入り液体金属リチウム１８が流れる流入ノズル１１ａ、ビームダクト１１ｂ、および出口管１１ｄを有する。ビームダクト１１ｂには、真空引き用の真空配管１１ｅ、および照明用の照明ポート１１ｆが接続されている。

また、流入ノズル１１ａから流出して出口管１１ｄに至る間の流路１１ｃが、ビームダクト１１ｂ中に形成されており、流路１１ｃを通過するナノ金属粒子入り液体金属リチウム１８が、荷電粒子の照射を受ける。

流入ノズル１１ａから射出されたナノ金属粒子入り液体金属リチウム１８は、加速器により加速されたたとえば重水素により照射され、中性子およびトリチウムに変換される。

図１に示す金属リチウムの化学特性改善方法により製造されたナノ金属粒子入り液体金属リチウムは、ナノ金属粒子の表面に多数の液体金属リチウムの原子が集合することにより、発生したトリチウムがリチウムと結合することを抑制するため、トリチウムの分離が容易となる。また、リチウムの還元性が低下していることから、配管、容器等の構造材の腐食等の抑制を図ることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。

さらに、これらの実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発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。

以下、本実施形態の具体的な実施例を図面および表を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態は、これらの実施例によって限定されるものではない。以下、実施例について、実施形態で示したステップに沿って説明する。

実施形態に記載しているように、ナノ金属粒子の候補材の検討（ステップＳ１０）およびナノ金属粒子用の金属の選択（ステップ２０）により、ナノ金属粒子用の金属として、銅（Ｃｕ）およびタングステン（Ｗ）を選択した。

ナノ金属粒子の準備（ステップＳ３０）においては、まず、微粒子化によるナノ金属粒子の生成段階（ステップＳ３１）で、直径０．０５ないし０．１ｍｍのＣｕおよびＷのそれぞれの細線を用い、数マイクロ秒のパルス通電によるＰＷＤ法により、ナノ金属粒子を作成した。この結果、個別の粒子は１０ｎｍないし２０ｎｍ径であるが、ほぼすべての粒子が凝集して１００ｎｍないし１μｍ径の凝集体となっていると推定された。

表面安定化処理（ステップＳ３２）の後、凝集体の解砕処理を行った（ステップＳ３３）。解砕処理は、Ａｒ雰囲気中で行った。

解砕処理はビーズミルを用いて行った。０．３ｍｍ径のジルコニアビーズと、対象となるナノ金属をジルコニア製ポットにいれて、自転公転させ、ビーズが対象物にあたる衝撃で解砕する。より微小な解砕をするためには湿式が望ましいため、溶媒としてキシレンを利用した。ジルコニア製ポットは、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ）製の真空容器内に装荷し密封した。これらの作業は、Ａｒ雰囲気のグローブボックス内で実施した。そのため、ＳＵＳ製容器内はＡｒ雰囲気が確保されている。ＳＵＳ製容器を自転公転させる際にビーズがポットや対象物に当たるエネルギーでＳＵＳ製容器全体が熱くなるので、ＳＵＳ製容器を冷却しながら行うことが望ましい。そこで、ＳＵＳ製容器を回転機から取出し、水で冷却し、自転公転と水冷を繰り返した。終了後に、０．１ｍｍメッシュの袋にジルコニア製ポットの内容物を入れて、脱泡機で振り分け、その後、溶媒であるキシレンを揮発させて、ナノ金属粒子を回収した。
解砕後には、ふわっとした微粉状となったため、これによって、解砕が進んだことを外観で概ね判断できることが明らかとなった。

一方、実施形態で説明したように、液体金属リチウム中での解砕も想定される。このため、超音波振動による解砕プロセスについて、並行してＷＯ_３を用いた試験を行った。溶媒は、引火点が高く、室温では蒸発しにくい沸点の高い有機溶媒であるプロピレンカーボネートと水（各５００ｍＬ）を容器（ＰＹＬＥＸ製ビーカ ５００ｍＬ）内に収納し、ナノ金属粒子（タングステン酸化物ナノ粒子、ＷＯ_３、１ｇ）を添加した。解砕には、超音波ホモジナイザ（三井電気精器製ＵＸ－６００、最高出力６００Ｗ）を使用し、パワー５０％、インターバル運転（ｏｎ：１０ｓｅｃ、ｏｆｆ：５ｓｅｃ）で３０分間運転を行った。超音波ホモジナイザ使用後、沈殿していたＷＯ_３が 超音波の印加とともに舞い上がり、撹拌され、数日後も、攪拌された状態が目視によって確認できたことから、最終的に均一になったと判断した。

解砕の後、還元処理を行った（ステップＳ３４）。まず、アルミナポートに、ＷＯ_３粒子を載せた。次に、石英ガラスニップル中に設置したコイル状シーズヒータ内にさらに石英管を入れたアルミナポートを装荷した。次に、フランジで密閉し、Ａｒ＋３％Ｈ_２ガスで置換した。続いて、シーズヒータでＷＯ_３ナノ粒子を５１０℃程度に加熱し、還元状態を外部より観測し、ＷＯ_３ナノ粒子が黒色になったことを確認後、試料を冷却した。試料を冷却後に、アルミナポートを取り出し、ＷＯ_３ナノ粒子（ナノタングステン粒子）を密閉容器に封止した。

解砕の効果の確認として、まず、ナノタングステン粒子（ナノＷ粒子）が投入された金属リチウムブロックを、ステンレス製ヘラで軽く削りとって、削り粉を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いた観察を行った。ナノタングステン粒子は、母相全体に均一に分散し、ほぼ完全に解砕されており、小さいものは１０ｎｍ以下であり、最も大きいもので２０ｎｍ程度であった。
金属リチウムの準備（ステップＳ４０）以降、所定量の添加（ステップＳ７０）までのステップにおいては、まず、金属リチウムのロッドを３ｃｍ程度に切断し、総量２０ｇを、ＳＵＳ製撹拌容器（Φ５５×７０ｍｍ）に装荷した。ここで、金属リチウムは、純度の高いものが好ましいが、通常の商用レベルの純度、たとえば９９％程度でもよい。

金属リチウム溶解後に、撹拌しながらナノ金属粒子を徐々に添加し、総量０．６ｇ（重量比３％）に到達した状態で添加を停止し、さらに一定時間（約３分）撹拌を継続した。その後、マントルヒータから撹拌容器を取り出し、撹拌翼を抜いて、撹拌容器をアルミブロック上で急冷し、金属リチウムを固化した。撹拌容器を切断し、固化した金属リチウムを取り出し、アルゴンを封入した容器に移し替えた。

図１７は、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法の効果を確認する腐食試験結果を示す比較図である。

試験は、次の２つのケースについて実施した。

第１のケースは、ＳＵＳ３１６Ｌ鋼板を、揺動させた５００℃の液体リチウム中に２５００時間浸漬させた後に取り出して、浸漬による減肉分、すなわちニッケル溶出部の厚さを測定した。溶出部の厚さは約８μｍであった。

第２のケースは、ＳＵＳ３１６Ｌ鋼板を、揺動させた５００℃のナノ金属入り液体リチウム中に２５００時間浸漬させた後に取り出して、浸漬による減肉分、すなわちニッケル溶出部の厚さを測定した。溶出部の厚さは約３．５μｍであった。

このように、ナノ金属入り液体リチウム中では、同じ条件での液体リチウム中の場合に比べて、腐食量に対応する溶出部の厚さが半分以下に減少し、本実施形態の効果が示された。

次に、放出試験については、水素ガスを用いて、液体リチウムの場合と、ナノ金属入り液体リチウムの場合の放出開始温度を比較した。この結果、ナノ金属入り液体リチウムの場合は液体リチウムの場合に比べて、水素ガスの放出開始温度が約１００℃低下する結果が得られ、同様に、本実施形態の効果が示された。

以上のように、本実施形態に係る金属リチウムの化学特性改善方法の効果が確認された。

１０…リチウムターゲット装置、１１…リチウムターゲット、１１ａ…流入ノズル、１１ｂ…ビームダクト、１１ｃ…流路、１１ｄ…出口管、１１ｅ…真空配管、１１ｆ…照明ポート、１３…容器、１４…電磁ポンプ、１５…配管、１８…ナノ金属粒子入り液体金属リチウム、２０…リチウム原子集積体、２１…ナノ金属粒子、２２…リチウム原子、３１…構造材原子、３５…トリチウム原子、１１１…容器、１１２…金属リチウム、１１３…攪拌翼、１１４…ナノ金属粒子、１１５…マントルヒータ

Claims (8)

1. 金属リチウム中に添加するナノ金属粒子の候補材を選択する候補材選択ステップと、
   前記金属リチウム中に表面を酸化させた表面安定化処理を行った前記ナノ金属粒子を添加して前記ナノ金属粒子に前記金属リチウムの複数の原子が集積したリチウム原子集積体を得る添加ステップと、
   を有することを特徴とする金属リチウムの化学特性改善方法。
2. 前記候補材選択ステップの前に、前記金属リチウム中に添加する前記ナノ金属粒子の候補材を選択するために、リチウム原子同士の結合エネルギーと、前記ナノ金属粒子の原子とリチウム原子との結合エネルギーとを算出するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の金属リチウムの化学特性改善方法。
3. 前記候補材選択ステップの前に、前記金属リチウム中に添加する前記ナノ金属粒子の候補材を選択するために、リチウム原子と前記ナノ金属粒子とのリチウム原子集積体における電荷移動量を算出するステップを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属リチウムの化学特性改善方法。
4. 前記各ステップの後に、前記リチウム原子集積体を、液体金属リチウムを収納するあるいは前記液体金属リチウムと接触する構造材に関し前記液体金属リチウムとして用いる、または核破砕のターゲットとして用いる、または核融合炉のブランケット燃料として用いるステップを有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の金属リチウムの化学特性改善方法。
5. 前記金属リチウム中に添加する前記ナノ金属粒子の粒径は、５０ｎｍ以下であり、かつ、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲を中心に分布していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の金属リチウムの化学特性改善方法。
6. 表面を酸化させた表面安定化処理を行ったナノ金属粒子を含み、前記ナノ金属粒子に金属リチウムの複数の原子が集積したリチウム原子集積体が形成された液体金属リチウムと、
   前記液体金属リチウムの荷電粒子による照射の場を形成するリチウムターゲットと、
   前記液体金属リチウムを駆動するポンプと、
   を有することを特徴とするリチウムターゲット装置。
7. 前記ナノ金属粒子の金属は、リチウムとの結合エネルギーがリチウム同士の結合エネルギーより大きな元素であることを特徴とする請求項６に記載のリチウムターゲット装置。
8. 前記ナノ金属粒子の金属は、ベリリウム、チタン、バナジウム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステンのいずれかであることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のリチウムターゲット装置。

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