JPH03282299A - 放射性同位体の製造方法及びその装置 - 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、放射性同位体の製造方法及びその装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来の放射性同位体の製造は、例えば化学便覧応用編（
日本化学会編、丸善１９６５）に記載されているように
、原子炉内の中性子照射や、サイクロトロンなどの粒子
加速器による陽子照射等の方法によっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように、従来の放射性同位体の製造方法では、サ
イクロトロンや原子炉のようなきわめて大規模な設備を
必要とするという問題があった。

また、半減期の短い放射性同位体を従来の方法で製造し
た場合、製造設備が使用場所までの間の移動時間が長い
と同位体の量が減少してしまうため、使用場所の地理的
な制約があった。

本発明の目的は、大規模な設備を必要としない放射性同
位体の製造方法及びその装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は同位体交換反応の
触媒作用のある電極材料を利用し、入射粒子源を電極表
面上に形成させ、周囲物質との核反応により放射性同位
体を製造することを特徴とする。また、上記入射粒子源
として、電極触媒反応により生成した吸着化学種を用い
ることを特徴とする。

上記の電極としては水素吸蔵性のある金属を、加熱処理
した後、表面を研摩したものを用いることが望ましい。

研摩は電解研摩等の化学的研摩よりも物理的研摩や機械
的研摩の方が好ましい。本発明者の確認によれば一定方
向に研摩したもの（従って一方向に研摩痕を有する）が
好ましい。

尚、研摩は全面一方向でもかまわないが、部分的に方向
性を持つ研摩痕の束の集合体も有効である。

本発明者はこの方法を利用して水酸化ナトリウムの常水
又は重水溶液を反応液として用い、重水素イオンと２３
Ｎａの核反応によって２４Ｎａを得ることに成功した。

更に、本発明者は重水酸化リチウム重水素溶液を反応液
として用い、重水素イオンと６Ｌｉの核反応を利用して
フＢｅを得ることに成功した。

以上の生成物質は半減期から同定できた。

尚、本願明細書中で励起なる文書を用いることがあるが
、物理的な意味ではなく、化学的活性の意味である。

〔作用〕

本発明によれば同位体交換反応はラングミュア−ヒンジ
エルウッド反応機構（以下、Ｌ−Ｈ反応という）に基づ
き、陰極表面の電極触媒作用により進行する。

Ｌ−Ｈ反応を促進させる触媒作用は、電極表面の化学的
活性点によるものと推定され、陰極に用いる電極を加熱
処理した後、表面を研摩することで効果が増大すること
を本発明者は確認済みである。

〔実施例〕

以下、本発明の原理と実施例を図面を用いて説明する。

水酸化ナトリウムの常水溶液のようなアルカリ性水溶液
の電気分解を行うと、陽極上では式（１）に示すような
酸素発生反応が起こる。

２０Ｈ−−＋　　−０２＋　Ｈ２Ｏ＋　２　ｅ　　　　
　　　−＝（１）一方、陰極上では式（２）〜（４）に
示すような水素の陰極表面への吸着及び水素発生反応が
起きる。

Ｈｚ○＋ｅ−→Ｈａ＋＋−Ｍ＋ＯＨ−−＝（２）Ｈ２０
＋ｅ”　＋Ｈａ＋ｉ　　Ｍ−＋Ｈ２＋（Ｍ）＋○Ｈ−・
・・（３） Ｈａｄ　Ｍ＋ＨａｌＩ　Ｍ−＋Ｈ２＋（Ｍ　　Ｍ）　　
”・（４）ここで、Ｈａｄ　Ｍは陰極材料金属Ｍに化学
吸着した水素原子、（Ｍ）は吸着した水素原子が離脱し
、元の金属原子に戻った陰極金属Ｍの状態を示す。

陰極表面に吸着された水素原子Ｈａｄは、陰極金属原子
Ｍとの強い相互作用により、ある存在確率で一時的に励
起状態の陽イオンを発生させる。この吸着化学種である
水素原子Ｈａ　ｄは、常水の中に平均して０．０３２％
含まれている重水中の重水素りとの間で、（５）式すな
わち（６）式の同位体交換反応 Ｈ＋Ｄヨ台ＨＤ　　　　　　　　　　　・・・（５）Ｈ
Ｄ　　　　Ｈ−Ｄ を含む放射線化学反応を発生させると推定される。

この同位体交換反応は、陰極表面の電極触媒作用により
進行する。このプロセスは、Ｌ−Ｈ反応によるものであ
る。

この電極触媒作用を示す金属としては、Ｔｉなどの水素
吸蔵性のある金属が知られている。

吸着化学種としての水素原子Ｈと重水素りの同位体交換
反応を含む放射線化学反応は、主に以下の式（７）〜（
１１）で示されるプロセスで進行すると推定される。こ
こで傘は原子・分子のエネルギー準位の高い励起状態（
ラジカルな状態）を表わしている。またＨＤ”はＨ，Ｄ
夫々につき励起している状態を示す。

Ｈ”　＋　ＨＤ”　；台（Ｈ−ＨＤ”）’　→　２Ｈ＋
Ｄ”・・・（９） ＨＤ−へｌ−→ＨＤ” ＼ （ＨＤ）Ｉ　　　　・・・（１１） こうしたプロセスは短時間に重複して起きると推定され
るが、各プロセスを明確に区別することは回置である。

また、上式以外にも他種の複合反応が起きる可能性はあ
る。このような放射線化学反応過程で生成される重水素
核Ｄ＋は、化学活性的に高いエネルギー状態にあり、反
応液中の”Ｎａとの核反応（オツペンハイマー・フィリ
ップス反応）を起こして、放射性同位体である２４Ｎａ
を生成することができる。

”Ｎ　ａ　＋　Ｄ　”　−＋　”Ｎ　ａ　＋　ｐ　　　
　　＝（１２）ただし、ｐは陽子を表す。

また、反応液に重水を添加するなど、重水濃度を高める
ことで、式（７）〜（１１）で示される放射線化学反応
の発生確率を高め　２４Ｎａの生成量を増大させること
ができる。

ところで重水酸化リチウムの重水（９９，８％Ｄ　２０
　）溶液のようなアルカリ性重水の電気分解を行うと、
陽極上では式（Ｉ３）に示す酸素発生反応が起こる。

２０　Ｄ−→　　０２＋　Ｄ２０　＋　２　ｅ−−（１
３）一方陰極上では、式（１４）〜（１６）に示すよう
な重水素の陰極表面への吸着及び重水素発生反応が起こ
る。

Ｄ２０十ｅ−→Ｄａｄ　Ｍ＋○Ｄ−−（１４）Ｄ２０　
十ｅ−＋Ｄａａ　−Ｍ　−）　Ｄ２＋　（Ｍ）十〇　Ｄ
−・・・（１５） Ｄａｄ　Ｍ＋Ｄａｄ　Ｍ　　−＋　Ｄｚ＋（Ｍ　　Ｍ）
　　・・・（１６）ここで、Ｄｈａ　　Ｍは陰極材料金
属Ｍに化学吸着した重水素原子、（Ｍ）は重水素が離脱
し元の金属原子にもどった陰極材料金属Ｍの状態を示す
。

このように陰極表面に吸着されている重水素原子り。は
、陰極金属原子Ｍとの強い相互作用により、ある存在確
率で一時的に化学的励起状態の陽イオンＤ。十を電極表
面において発生させる。この吸着活性化学種となったＤ
ｈａ＋が入射粒子源となり、放射線化学反応を発生させ
る。この場合のＤａｄ＋の役割はあくまで化学的活性点
にあるものと推定される。このとき、通常製造される高
純度（９９，８％）重水の中にも０．２％の軽水（８２
０）が含まれており、このＨが介在することにより、式
（７）〜（１１）に示されるような同位体交換反応を含
む放射線化学反応が起きると考えられる。これらの放射
線化学反応過程で生成される重水素核Ｄ　と、反応液中
の６Ｌｉとの核反応を起こして、放射線同位体７Ｂｅを
生成することができる。

６Ｌｉ＋Ｄ”　→７Ｂｅ＋ｎ＋３．４ＭｅＶ−（１７）
ここでｎは中性子、Ｍ　ｅ　Ｖは１０６電子ボルトを表
す。

以上の説明のように、陰極表面の吸着励起化学種を入射
粒子源として利用することで、電気化学的に放射性同位
体を製造することができる。

第１図に本発明の製造装置を例示する。

本例では反応液３を満たした容器４に陰極１と陽極２を
設けており、電源５．スイッチ６を介して陰極１と陽極
２を電気的に接続した。

陽極２は直径０　、５　ｍｎ　、長さ４５ａｎの白金線
（Ｐｔ）をらせん状に加工したものである。しかし特に
この材質、形状でなくても良く、ｐｔ同様耐食性に優れ
る他の貴金属９例えばＲｕ、Ｉｒ。

Ｒｈ、あるいはこれらの合金（ｐｔ金合金Ｒｕ合金等）
を用いることもでき、これらの金属を例えば板形状で陰
極に用いることもできる。

陰極１には、厚さ２　ａｎ　、幅３〜７ＩＩＩ１１．長
さ８５〜１１００ｎのＴｌ板を用いた。しかし、特にこ
の材質、形状でなくても良く、陰極は、本発明が利用す
る同位体交換反応（５）を陰極表面上で活性化する触媒
効果を持つものであれば良い。陰極に利用可能な材質と
しては、水素吸蔵性のある金属としてＴｉ、Ｐｄ、Ｚｒ
、Ｔａ、Ｎｂ、Ｌａ。

Ｃｅ、或いはこれらの合金として、ＬａＮｉ５＋ＦｅＴ
ｉ等が挙げられる。

この陰極１の表面の触媒効果を向上させるために、熱処
理を行い、その後表面を清浄にするために研摩すること
にした。ここでは、陰極１のＴｉ板を５２０〜５９０℃
で２時間加熱し、自然冷却したのち、表面に成長した酸
化物を取り除くために機械的に研摩した。ここで、化学
的な研摩又は表面処理は、処理薬剤が陰極表面に吸着し
たり、新たな化合物を生成させ、陰極表面の触媒効果を
損うため好ましくない。本例では第２図に示すように電
極各面に夫々一定方向の微細研摩痕７を残すよう各面の
露出面金てを一定方向に機械研摩した。この研摩は活性
点がつぶれないような慎重に行う必要がある。

反応液として、ＩＩＩＩｏＱ／Ｑの水酸化ナトリウムの
常水溶液１５ｍＱを用いた。ここで、常水とは特に重水
を添加しない状態の純水を指す。これを全体積２５ｍＡ
の容器４に入れ、３．４■の定電圧電源５を用いて陰極
１．陽極２により１１日間連続で電解を行った。

第３図は、第１図に示した実施例の装置の上面図である
。陰極１の表面から発生するγ（Ｘ）線を、回内矢印方
向１０よりＧＭ計数管（理研計器（株）製のγ（Ｘ）線
計ＲＤ−２Ａ−ＰＳに内蔵されている小型ハロゲン０Ｍ
管。以下同じ。）を使用して計測した。電解中にもγ（
Ｘ）線計測を行い、反応の進行度をモニタした。その後
、γ（Ｘ）線発生物質を確認するために、電解を中断し
て反応生成物の抽出を行った。

まず、陰極１を容器４より取り出し、その表面を濃塩酸
で洗浄した。この洗浄液と反応液３を混合し、中和した
後蒸発乾固した。このとき得られた試料を鉛ブロックで
囲み、ＧＭ計数管によるγ線計測を行った。第４図は、
この試料の作成終了から２０時間後のγ（Ｘ）線計測結
果である。横軸は経過時間、縦軸はγ（Ｘ）線のカウン
ト数であり、カウント数は６０分間の積算値を用いた。

このときの実験装置周辺のγ（Ｘ）線のバンクグラウン
ドレベルは、６０分計数値で平均３５カウントであった
。尚、反応容器全体は断熱箱に納め、反応容器周囲は室
温状態にて標準水温により水冷した。

第４図のデータより最小二乗法で求めたγ線崩壊の半減
期は１５．３　時間であり、例えばアイソトープ便覧改
訂３版（日本アイソトープ協会編、丸善１９８９）にあ
る放射性同位体の半減期データより、２４Ｎａ　（半減
期１５時間）が生成したことが判った。このように本実
施例によれば、大規模な設備を必要とせず、簡易な電気
化学的方法により２４Ｎａを製造することができる。

次に、反応液３として、重水酸化リチウム重水溶液を用
いた場合の実施例を説明する。

装置の構成は第１の実施例と同一であり、陰極。

陽極、容器とも新たなものを用いた。反応液としては、
１ｍｏＲ／（ｌの濃度の重水酸化リチウム重水溶液（Ｌ
ｉＯＤ／Ｄ２０）を１５ｍＱ用いた。ここで重水は純度
９９．８％であり、０．２％の軽水（Ｈ２Ｏ）が含まれ
ている。これを第１の実施例と同様に３．２■の定電圧
電源を用い、２０日間連続電解を行った。電解中に行っ
たγ（Ｘ）線計数でも、バンクグラウンドレベルの倍程
度のγ（Ｘ）線を検出した。生成した核種を決定するた
めに、放射性核種を含む電解生成物が安定になるまで待
つこととし、電解は中止し、陰極１．陽極２はそのまま
反応液に浸漬した状態にして放置した。その後１２５日
間のγ（Ｘ）線計数結果を第４図に示す。

反応容器全体は断熱箱に納め、反応容器周囲は室温状態
にて標準水温により水冷した。横軸は経過日数、縦軸は
γ（Ｘ）線のカウント数である。γ（Ｘ）線の計数は５
分間の積算値を用い、１５回計数を行いその平均値を採
用した。また、計数間隔は２４時間とした。この場合の
装置周辺のγ（Ｘ）線のバックグラウンドレベルは、５
分間計数値で平均３．０　であった。

この実施例の場合は、電流を流していないにもかかわら
ず、γ（Ｘ）線のカウント数が単調減少をせず、核反応
が断続的に起きていることが予想される。

第５図に示した実験結果の中で、比較的安定な崩壊過程
を示していると考えられる後半のデータより最小二乗法
で半減期を求めた。半減期の決定に用いた２つの直線を
第５図中線■、■に示す。

この２つの直線から求めた半減期は５６日で、既知の放
射性同位体の半減期データより、７Ｂｅ（半減期５３．
５日）が生成していることがわかった。以上のように、
本実施例によれば、原子炉やサイクロトロンのような大
規模な設備を必要とせず、容易な電気化学的方法で７Ｂ
ｅを製造することができる。また、本実施例によれば一
旦反応が起きれば、電流を流さなくても反応が継続する
ため、エネルギー効率の高い放射性同位体製造ができる
。

〔発明の効果〕

本発明により、原子炉やサイクロトロンのような大規模
な設備を必要とせず、安価に放射性同位体を製造するこ
とができる。また、本発明の製造装置は小形であるため
、放射性同位体の使用場所の近くで製造でき、使用場所
の地理的な制約がない。従って、半減期の短い同位体を
使用する場合、従来に比べて同位体の損失が少ないなど
の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の装置構成を示す斜視図、第
２図は第１図の装置に用いる陰極の斜視図、第３図は第
１図に示した装置の上面図、第４図は第１の実施例によ
り得られたγ線計測結果を示す特性図、第５図は第２の
実施例より得られたγ線計測結果を示す特性図である。 １・・・陰極、２・・・陽極、３・・反応液、４・・・
容器、５・・・電源、６・スイッチ、７・・・研磨度、
１ｏ・・γ図 第　２　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同位体交換反応を含む放射線化学反応の生成物を入
   射粒子源とする放射線同位体の製造方法において、前記
   入射粒子源を電極表面乃至表面近傍で形成させることを
   特徴とする放射性同位体の製造方法。 ２、請求項１において、前記入射粒子源は電極触媒反応
   により生成した吸着化学種であることを特徴とする放射
   性同位体の製造方法。 ３、水酸化ナトリウム水溶液を反応液として＾２＾３Ｎ
   ａと重水素イオンとの核反応により＾２＾４Ｎａを生成
   することを特徴とする放射性同位体の電気化学的製造方
   法。 ４、請求項３において、前記水溶液の溶媒が常水、重水
   から選ばれることを特徴とする放射性同位体の電気化学
   的製造方法。 ５、重水酸化リチウム重水溶液を反応液として＾６Ｌｉ
   と重水素イオンとの核反応により＾７Ｂｅを生成するこ
   とを特徴とする放射性同位体の電気化学的製造方法。 ６、容器内の水溶液に陽極及び陰極を浸し、両極間を結
   ぶ配線上に電源及びスイッチを備え、放射線計数手段を
   付設して成る放射性同位体の製造装置において、前記陰
   極は水素吸蔵性の金属材料であり、かつ少なくともその
   主たる表面が細線状の研摩痕の束で覆われていることを
   特徴とする放射性同位体の製造装置。 ７、水素吸蔵性のある金属を加熱処理した後表面を研摩
   することを特徴とする放射性同位体製造用電極の製法。 ８、請求項７において、前記研摩は機械的研摩又は物理
   的研摩によることを特徴とする放射性同位体製造用電極
   の製法。