JPH0295440A - 放射線触媒及びそれを用いた酸化還元方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば使用済燃料から回収したルテニウム−
１０６等の高放射性白金族元素を微粒子半導体に担持さ
せ、それ自身が酸化還元反応のエネルギー源になると共
に触媒作用を兼ね備えている放射線触媒及びそれを用い
た酸化還元技術に関するものである。

［従来の技術］ 白金族元素を微粒子半導体に担持させた触媒を用い、そ
れに外部から光を照射して酸化還元反応を行わせる技術
は従来公知である。この種の触媒は光触媒と呼ばれてい
る。光触媒を用いた酸化還元反応は、太陽エネルギー開
発の一方法として注目されており、活発な研究開発が行
われている。このような技術によって例えば水を分解し
て水素と酸素を製造し、それらを電気や熱等のエネルギ
ー源として利用することが考えられている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが従来技術では光による水の分解効率は非常に低
く、未だ実用化の目処は立っていない、これは半導体中
に電子−正孔対を発生させて酸化還元反応を起こさせる
には光エネルギーとして約３ｅＶ以上の光子が必要であ
り、そのため光のほんの一部の紫外線領域しか利用でき
ないからである。

また実際問題として太陽エネルギーを利用する場合には
、透明な材料で装置を製作しなければならないこと、一
方向からのみの照射であるから微粒子半導体の濃度が高
（なると光を全ての微粒子半導体に照射できず、そのた
め装置は平面的且つ大型化することと、天候や昼夜に左
右されること、など装置を製造し又設置するのに多（の
障害が残されている。

他方、水の分解による水素と酸素の製造は、現状では電
気分解により行われており、多くの電気エネルギーを必
要とする点で問題は非常に大きい。

本発明の目的は、上記のような従来技術の欠点を解消し
、効率良く酸化還元反応を行わせることができ、しかも
制約の大きい太陽エネルギー等によらずに常時、殆どメ
ンテナンスフリーで反応を起こさせることができるよう
な放射線触媒及びそれを用いた酸化還元技術を提供する
ことにある。

本発明の他の目的は、高放射性廃棄物の有効利用を図り
、それによってクリーンエネルギーを得ることができる
技術を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成できる本発明は、微粒子半導体に高放
射性白金族元素を担持させ、エネルギー源となる放射線
の発生源と触媒作用とを兼ねるＪうにした放射線触媒で
ある。

このような放射線触媒を用い、それに被処理流体を接触
させ、担持されている高放射性白金族元素から生じる高
放射線により微粒子半導体に電子−正孔対を生成させて
酸化還元反応を行わせる。このような酸化還元反応は、
例えば水を分解して酸素と水素を製造するのに利用でき
る。

なお本明細書において「放射線触媒」という用語を用い
ているが、この用語は従来の「光触媒」七いう用語を踏
まえて創作したものであって、現時点において学術的に
認められているものではない。何故ならばこのような放
射線源と触媒作用とを兼ねているものは未だ提案されて
いなかったからであり、適切な用語が無いため便宜的に
用いている。

ところで使用済核燃料からはルテニウム１０６等の高放
射性白金族元素を回収できる。

本発明では高放射性廃棄物として従来廃棄されるのみで
あったこれら有用金属を新たなエネルギー源として有効
利用を図ることができる。

［作用］ 微粒子半導体に担持させられている高放射性白金族元素
は、それ自身がエネルギー源であり放射線を発生する。

この放射線によって微粒子半導体に電子−正孔対が生成
する。放射線によるエネルギーは光のエネルギーよりも
１０５〜１０’倍程度も大きいため、酸化還元反応は高
い効率で行われる。従って被処理流体として例えば水を
用い、それを前記放射線触媒に接触させるど、効率良く
水の分解を行わせることができる。

ここで使用するエネルギー源は、従来技術のような外部
から照射する光ではなく、内部でのしかも放射線である
ため、どのような容器や管等を用いても全ての放射線触
媒で反応が進行する。その点においても極めて効率は高
くなる。

前記のように本発明では放射線が内部から発生し全周に
わたって照射されるから、微粒子半導体の濃度が高くな
っても十分照射が行き渡り、またかえって１度が高い方
が効率が良くなるため装置全体を小型化できる。従って
太陽光エネルギーを利用する場合のような様々な制約が
なくなる。

高放射性白金族元素として、使用済核燃料から生じる各
種の有用金属を使用すると、高放射性廃棄物の有効利用
が図られ、それによって水素や酸素等のクリーンなエネ
ルギーが生成することになる。

［実施例］ 第１図は本発明に係る放射線触媒及びそれを用いた酸化
還元反応の説明図である。放射線触媒１０は、酸化チタ
ン等のｎ型機粒子半導体１２にルテニウム−１０６等の
高放射性白金族元素１４を担持させた構造である。ここ
で白金族元素としては、使用済核燃料から回収される白
金族元素を利用でき、ルテニウムの他、ロジウムやパ、
ラジウム等もあるが、高放射性という観点からはルテニ
ウム−１０６が好ましい。

このような放射線触媒ｌＯに被処理流体を接触させる。

被処理流体としては例えば水がある。

水を用いると酸化還元反応により水素と酸素を生成でき
る。第１図において図面の下半分はエネルギーダイアダ
ラムを表しである。放射性白金族元素１４から生じる高
放射線エネルギーにより微粒子半導体１２を励起すると
伝導帯ＣＢに電子が、また価電子帯ＶＢに正孔が生じる
。

高放射性白金族元素１４から生じる放射線エネルギーは
１０’　”Ｉ　Ｏ’　　ｅＶ程度であるから、微粒子半
導体１２のバンドギャップよりも蟲かに大きく、多数の
電子−正孔対を生成することができる。この多数の電子
−正孔対を利用することによって水の分解のような酸化
還元反応を行わせることができる。つまり伝導帯におけ
る電子によって水素イオンは還元されて水素ガスとなり
、また価電子帯における正孔によって水酸化イオンが酸
化されて酸素ガスが生成する。

このように本発明では放射線触媒自体が反応エネルギー
の発生源としての作用と触媒としての作用を兼ねている
ため、単に被処理流体を接触させるだけで常時酸化還元
反応を継続させることができる。

このような放射線触媒を用いて水を分解し水素と酸素を
製造する場合について行った試算結果について述べる。

前提条件として使用済核燃料から回収したルテニウム−
１０６を高放射性白金族元素として使用するとする。ル
テニウム１０６の放射能は３３００Ｃｉ／ｇ　　”’Ｒ
ｕである。目＆Ｒｕの娘核種＋０６Ｒｈ（ｌ０ｋＲｕと
放射平衡にある）の約５ＱＱｋｅＶが１００％とし、他
のβ線の効果は無視する。これが１００％電子−正孔対
生成に寄与すると仮定し、また生成した電子−正孔対が
１００％水分解に寄与すると仮定する。

■崩壊数は３．７Ｘ１０”であるから、生成する電子−
正孔対は１時間当たり、 ３３００Ｃｉ／ｇ　　”’Ｒｕｘ３．７Ｘ１０”ｘ５Ｘ
１０’　ｅＶ／３ｅＶＸ６０ｍｉｎ　Ｘ６０ｓｅｃ−７
，３３Ｘ１０” となる。

■１１時間当り生成する水素ガスは、 ７．３３ＸＩＯ”／２Ｘ６．０２Ｘ１０ｆｆｉ３＝　６
．　０７　Ｘ　１０−２ｎｏｌ　Ｈｚ　／時間＝１．３
４ＭＨ，／時間 である。

■従ってパイロットプラント規模（１ｍ３Ｈｚ／時間）
に必要な回収Ｒｕ量は、 １０００１／１．３５／−０，７４ｋｇ　’°ｈＲｕ”
Ｒｕ／Ｒｕ＝０．０５だから、 ０．７４１０．０５　＝　１４．８ｋｇＲｕ　（回収ル
テニウム量） となる。これは軽水炉燃料１０ｔｏｎからの回収量に相
当し、十分に実用化の目処が立つ量である。

このようなことから考えられる水分解プラントの一例を
第２図に示す。これは単独反応塔方式の例であり、管状
の反応塔２０内に放射線触媒ｌＯを充填し、被処理流体
である水２２を該反応塔２０内に導くように構成されて
いる。放射線触媒１０は前記のように微粒子半導体に高
放射性白金族元素を担持させたものである。反応塔２０
の上部は弁２４が設けられ、フランジ２６を介して集合
管２８に接続される。放射線触媒１０を充填した反応塔
２０は多数並設される、集合管２日は水素吸蔵合金が充
填されている水素吸蔵基３０に導かれる。また各反応塔
２０には水の補給管３２が接続される。

放射線触媒１０によって水２２は分解し、酸素と水素が
発生する。それらは集合管２８を通って水素吸蔵基３０
に導かれ、水素だけが吸着されて酸素は通過する。また
水素吸蔵合金に吸着した水素は、別のサイクルで分離し
て水素ガスとして取り出される。水素吸藏塔３０は複数
台並設され、一部が水素吸蔵サイクルで運転していると
き、残りは水素放出サイクルとして運転することで、連
続運転が行われる。

これら取り出される水素ガスや酸素ガスは放射能に汚染
される虞れはなく、クリーンエネルギーとして利用でき
る。管内における水分解によって不足した水は水の補給
管３２から適宜補給される。

このような装置にすると、−度設置したならば水を補給
するだけで少なくとも２年間程度は全く保守や交換を必
要とせず、昼夜連続運転が可能である。ルテニウム−１
０６の半減期は３６８日であり、期間が経過した後も引
き続いて触媒として利用したい場合には、放射線廃液タ
ンク内に各単独反応塔を設置することが考えられる。タ
ンク内に高放射性廃液（１０ｓ〜１０’Ｃｉ／タンク）
を導き、その放射線を利用すると引き続いて水の分解を
行わせることができる。

［発明の効果］ 本発明は上記のように微粒子半導体に高放射性白金族元
素を担持させた構造であるから、それ自体がエネルギー
源である放射線の発生源として作用すると共に触媒作用
を兼ね、エネルギーが高いことと内部から発生する放射
線をエネルギー源とすること等のため、極めて効率良く
酸化還元反応を行わせることができる。従って太陽光利
用の場合のように光のエネルギーが小さいこと、天候や
昼夜に左右されること４．微粒子濃度が高くなると光が
全体に照射できないこと、等の欠点は生しない。このた
め設備設計の自由度が大きく、装置を設置する場所等の
制限も少なく、コンパクトに組み上げることができる。

また使用済核燃料から回収されるルテニウム−１０６等
の物質を利用できるため、高放射性廃棄物の有効利用が
図られる。

更に光を使用しないため金属製の密封塔槽等の中で反応
が進み、分解生成のためのユーティリティーは必要とせ
ず、装置を低コストで組み立てることができるし、−度
設置したならば数年間全く保守や交換を必要としないた
めメンテナンスが容易となり、運転コストは極めて少な
くて済む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る放射線触媒及びそのエネルギーダ
イアダラムを示す説明図、第２図は放射線触媒を使用し
た水分解装置の一例を示す説明図である。 １０・・・放射線触媒、１２・・・微粒子半導体、１４
・・・高放射性白金族元素、２０・・・反応塔、３０・
・・水素吸蔵基。 代　　理 人 茂　　見 穣 第 図 第 図 ２　　Ｈ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、微粒子半導体に高放射性白金族元素を担持させ、放
   射線の発生源と触媒とを兼ね備えていることを特徴とす
   る放射線触媒。 ２、高放射性白金族元素が主として使用済燃料から回収
   したルテニウム−１０６である請求項１記載の触媒。 ３、請求項１記載の放射線触媒を用い、それに被処理流
   体を接触させ、担持されている高放射性白金族元素から
   生じる高放射線により微粒子半導体に電子−正孔対を生
   成させて酸化還元反応を行わせることを特徴とする放射
   線触媒を用いた酸化還元方法。 ４、被処理流体に水を用いて水素と酸素に分解する請求
   項３記載の方法。 ５、請求項１記載の放射線触媒を容器及び／又は管内に
   充填し、被処理流体を前記容器又は管内に導くようにし
   たことを特徴とする放射線触媒の酸化還元装置。