JP2013170982A - 核種変換装置及び核種変換方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】核種変換装置は、核種変換を施される物質28が添加された構造体1と、重水素高圧部2及び重水素低圧部3と、重水素高圧部2に重水19を供給する重水供給部16を備え、供給した重水19を電気分解して、重水素高圧部2を相対的に重水素の圧力が高い状態とする高圧化手段4と、重水素低圧部3を相対的に重水素の圧力が低い状態とする低圧化手段5と、電気分解した際に生じた気体から、酸化触媒を用いて重水を製造する水製部6と、水製部6で製造された重水を酸素ガスと分離する酸素分離部7と、酸素分離部7にて酸素ガスが分離された重水を重水供給部16に導く重水導入路8と、を備えている。
【選択図】図1
Description
本発明は、パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金を含み、核種変換を施される物質が添加された構造体と、前記構造体を両側から挟み込むようにして配置され、前記構造体により密封可能な閉空間をなす重水素高圧部及び重水素低圧部と、前記重水素高圧部に重水を供給する重水供給部を備え、前記重水供給部から前記構造体に供給した重水を電気分解して、前記重水素高圧部を相対的に重水素の圧力が高い状態とする高圧化手段と、前記重水素低圧部を、相対的に重水素の圧力が低い状態とする低圧化手段と、前記重水素高圧部に供給した重水を電気分解した際に生じた気体から、酸化触媒を用いて重水を製造する水製部と、前記水製部で製造された重水を酸素ガスと分離する酸素分離部と、前記酸素分離部にて酸素ガスが分離された前記重水を前記重水供給部に導く重水導入路と、を備えた核種変換装置を提供する。
水製部は、酸化触媒を用いて、重水を電気分解した際に生じる気体から重水を合成することができる。酸素分離部では、重水の合成に寄与しなかった酸素ガスを重水から分離することができる。酸素分離部から排出された重水は、重水供給部へと戻され、高圧化手段として再利用することができる。
これにより、従来排気していた重水素の大部分をリサイクルできるようになるため、核種変換試験に要するコストを低減できる。
また、低圧化手段が不活性ガス供給装置を備える場合には、真空ポンプなどの高性能な排気装置が不要となるため、核種変換装置の大型化や初期コストの低減が容易となる。
また、真空ポンプなどの高性能な排気装置が不要となるため、核種変換装置の大型化や初期コストの低減が容易となる。
〔第1実施形態〕
図1は、本実施形態に係る核種変換装置の概略図である。核種変換装置100は、構造体1、重水素高圧部2、重水素低圧部3、高圧化手段4、低圧化手段5、水製部6、酸素分離部7、及び重水導入路8を備えている。
重水素高圧部2は、高圧化手段4を備え、重水素低圧部3よりも重水素の圧力が高い状態に維持される。
除湿部18は、シリカゲル等による除湿機能付フィルターなどとされる。ガス源は、不活性ガスが充填されたボンベ、例えば、窒素(N2)ボンベ、アルゴン(Ar)ボンベ、及びCE(Cold Evaporator)などとされる。
水製部6は、逆止弁24を介してガス排出経路15と接続されており、重水素高圧部2内で重水19の電気分解により生じた重水素ガス及び酸素ガス、および、微量の無反応物質としての窒素ガスが導入されうる。水製部6は、酸化触媒25を備えており、重水素ガスを酸素ガスと反応させて重水を製造することができる。酸化触媒としては、セオライト等のセラミック基材に担持された白金(Pt)、ルテニュウム(Ru)又はパラジウム(Pd)などを使用することができる。また、水製部6の出口にはフィルター26が設けられており、酸化触媒(特に基材)からのコンタミを防止することができる。フィルター26は、例えば、テフロン製フィルター、ポリエステル系ウレタンフォームフィルターなどとされる。
本実施形態に係る核種変換方法は、重水供給工程、高圧化工程、低圧化工程、重水リサイクル工程、を備えている。
次に、重水供給装置14から重水素高圧部2内に重水19を供給する。重水19としては、0.1Mol/lの重水ベースの硝酸セシウム溶液であることが好ましい。重水は、常に正極13が浸漬される量を維持する。
また、重水19は、高圧化工程中でも適宜重水素高圧部2へと供給され得る。重水の供給量や供給タイミングは、重水の液高(正極13が常に液中に保持される液量)に応じて適宜設定される。
次に、低圧化手段5により重水素低圧部3内を重水素圧力の低い状態とする。詳細には、真空ポンプを用いて、重水素低圧部3内を真空状態とし、これを維持する。重水素低圧部3内の圧力は<0.1Pa以下とされると良い。
次に、電圧発生装置12にて正極13に電力を印加し、正極13と負極(構造体)1との間に電圧差を発生させる。電圧差は、少なくとも2V以上とされる。これにより、構造体1の表面(Pd基板9と反対側の面)上で重水(D2O)が電気分解されて、重水素(D2)を発生させることができる。電圧差が2Vより小さいと、電気分解反応が十分に進まない。
重水リサイクル工程は、水製工程、酸素分離工程、及び重水導入工程を含む。
重水素高圧部2内で電気分解が進むと、それに伴い重水素ガス及び酸素ガスが発生する。また、重水19を供給する際には重水素高圧部2内に不活性ガス(例えばN2ガス)が流入する。本実施形態では、重水素高圧部2内の圧力が1気圧(1×105Pa)以上となると逆止弁23が開放され、重水素高圧部2内からガスが排出される。排出されたガスを、ガス排出経路15を介して水製部6へと導き、重水を製造する。次に、水製部6で製造した重水、及び、重水の合成に寄与しなかった酸素ガスなどを、フィルター26を介して酸素分離部7へと導き、重水から酸素ガスを分離する。重水は重水導入路8を介して重水供給タンク16内へと導かれ、高圧化手段4でリサイクルする。また、分離した酸素ガスは、フィルター27を介して系外へと排出する。
バルクのPd基板(25mm×25mm×0.1mm)上に、CaO層(厚さ:2nm)とPd層(厚さ:20nm)とが交互に10層積層された構成の構造体を用い核種変換反応を実施した。
構造体のPd基板と反対側の表面はPd層とした。Pd基板の反対側の表面に、イオン注入法にて133Csを添加した。XPS(X線光電子分光法)にて、構造体における133Csの初期表面濃度が15×1016/cm2であることを確認した後、構造体を第1実施形態に従って核種変換装置に設置した。なお、構造体の表面に141Prは検出限界以下で1012/cm2以下である。
図3に示す従来の核種変換装置を用いて、核種変換試験を実施した。核種変換装置は、高圧化手段24として、重水素高圧部22に重水素ボンベが接続されている。重水素ボンベから1.01325×105Paの圧力で重水素高圧部22に重水素(D2)ガスを導入した。それ以外は、実施例1と同様に核種変換試験を行い、試験後にXPS及びICP−MSにて構造体の表面組成を分析した。
上記結果から、第1実施形態に係る核種変換装置及び核種変換方法によれば、核種変換後の物質の生成量が従来法と比較して1桁近く向上することが確認された。これは、構造体上で電気分解により重水素を発生させた方が、重水素高圧部における重水素の圧力を容易に高めることができるため、構造体へ充填される重水素密度を増加して、核種変換量も増加したためである。
図5は、本実施形態に係る核種変換装置200の概略図である。核種変換装置200は、重水素回収部30、検出部31、酸素添加部33、及び制御部34を備える。特に説明がない構成については、第1実施形態の核種変換装置と同様とされる。
バッファ部36には、真空ポンプなどの排気装置38が設けられている。
核種変換反応の初期段階において、重水素低圧部3,バッファ部36は、真空ポンプ5,38により真空引きした状態とする。次に、バルブ40を閉め、真空ポンプ38を停止し、核種変換反応を開始する。構造体1を透過した重水素を重水素低圧部3から真空ポンプ5を用いて排出し、圧縮機35で圧縮し、バッファ部36へと押し込む。バッファ部36内の圧力が1気圧を超えると、逆止弁37が開放され、バッファ部36内に溜められた気体(重水素)が水製部6へと送られる。
検出部31により、バッファ部36から水製部6へと送られる気体の重水素濃度を検出する。検出した重水素濃度の情報は、制御部34に送信される。制御部34では、送られてきた重水素濃度の情報に基づき、これを重水へと変換するのに必要な酸素量を決定し、該酸素量を添加するよう酸素添加部33の添加量を制御する。酸素添加部33は、適量の酸素を水製部6へと送られる気体へと添加する。
図6は、本実施形態に係る核種変換装置300の概略図である。核種変換装置300は、低圧化手段が異なる以外は、第1実施形態の核種変換装置と同様の構成とされる。
図7は、本実施形態に係る核種変換装置400の概略図である。核種変換装置400は、重水素回収部50、検出部51、酸素添加部52、及び制御部53を備えることを特徴とする。特に説明がない構成については、第3実施形態の核種変換装置と同様とされる。
また、重水素分離装置と水製部6とを繋ぐ経路の、検出部51よりも下流側には、酸素添加部52が接続されている。酸素添加部52は、流量計54を介して接続される酸素ボンベなどとされる。
重水素低圧部3から排出される気体は、構造体1を透過した重水素、及び、低圧化手段により添加された窒素ガスを含む。重水素回収工程では、重水素低圧部3から排出された気体を重水素分離装置へと導き、窒素ガスを分離した重水素ガスを水製部6へと送る。ここで重水素ガスと分離された窒素ガスは系外へと排出する。
検出部51により、重水素分離装置から水製部6へと送られる気体の重水素濃度を検出する。検出した重水素濃度は、制御部53に送信される。制御部で53は、送られてきた重水素濃度に基づき、これを重水へと変換するのに必要な酸素量を決定し、該酸素量を添加するよう酸素添加部52からの酸素添加量を制御する。酸素添加部52は、適量の酸素を水製部6へと送られる重水素に添加する。
2 重水素高圧部
3 重水素低圧部
4 高圧化手段
5 低圧化手段
6 水製部
7 酸素分離部
8 重水導入路
9 Pd基板
10 CaO層
11 Pd層
12 電圧発生装置
13 正極
14 重水供給装置(電解溶液供給装置)
15 ガス排出経路
16 重水タンク(重水供給部)
17 重水供給経路
18 除湿部
19 重水
20,22,24,40,43 バルブ
21 ガス供給経路
23,37 逆止弁
25 酸化触媒
26 (水製部の)フィルター
27 (酸素分離部の)フィルター
28 核種変換を施される物質
30,50 重水素回収部
31,51 検出部
32,54 流量計
33,52 酸素添加部(酸素ボンベ)
34,53 制御部
35 圧縮部
36 バッファ部
38 排気装置
41 不活性ガス供給装置
42 排気経路
Claims (12)
- パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金を含み、核種変換を施される物質が添加された構造体と、
前記構造体を両側から挟み込むようにして配置され、前記構造体により密封可能な閉空間をなす重水素高圧部及び重水素低圧部と、
前記重水素高圧部に重水を供給する重水供給部を備え、前記重水供給部から前記構造体に供給した重水を電気分解して、前記重水素高圧部を相対的に重水素の圧力が高い状態とする高圧化手段と、
前記重水素低圧部を、相対的に重水素の圧力が低い状態とする低圧化手段と、
前記重水素高圧部に供給した重水を電気分解した際に生じた気体から、酸化触媒を用いて重水を製造する水製部と、
前記水製部で製造された重水を酸素ガスと分離する酸素分離部と、
前記酸素分離部にて酸素ガスが分離された前記重水を前記重水供給部に導く重水導入路と、
を備えた核種変換装置。 - 前記構造体を透過して重水素低圧部から排出された重水素を回収し、該回収した重水素を前記水製部に送る重水素回収部と、
前記水製部に送る重水素の濃度を検出する検出部と、
前記水製部に送る重水素に酸素を添加する酸素添加部と、
前記検出部にて検出した重水素の濃度に基づき、前記酸素添加部から添加する酸素量を制御する制御部と、
を備える請求項1に記載の核種変換装置。 - 前記低圧化手段が、前記重水素低圧部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置を備える請求項1または請求項2に記載の核種変換装置。
- 前記重水素回収部が、前記構造体を透過した気体から重水素を分離する重水素分離部を備える請求項3に記載の核種変換装置。
- 前記低圧化手段が、前記重水素低圧部を真空状態にする排気装置を備える請求項1または請求項2に記載の核種変換装置。
- 前記重水素回収部が、
重水素を溜めるバッファ部と、
重水素低圧部から排出された重水素を圧縮し、前記バッファ部に導く圧縮部と、
を備える請求項5に記載の核種変換装置。 - パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金を含み、核種変換を施される物質が添加された構造体と、前記構造体を両側から挟み込むようにして配置され、前記構造体により密封可能な閉空間をなす重水素高圧部及び重水素低圧部と、を備えた核種変換装置における核種変換方法であって、
重水供給部から前記重水素高圧部に重水を供給する重水供給し、該供給した重水を電気分解して、前記重水素高圧部を相対的に重水素の圧力が高い状態とする高圧化工程と、
前記重水素低圧部を、相対的に重水素の圧力が低い状態とする低圧化工程と、
水製部にて、前記重水素高圧部に供給した重水を電気分解した際に生じた気体から、酸化触媒を用いて重水を製造する水製工程と、
前記水製工程で製造された重水を酸素ガスと分離する酸素分離工程と、
前記酸素分離工程にて酸素ガスが分離された前記重水を前記重水供給部に導く重水導入工程と、
を備えた核種変換方法。 - 前記構造体を透過して重水素低圧部から排出された重水素を回収し、該回収した重水素を前記水製部に送る重水素回収工程と、
前記水製部に送る重水素の濃度を検出する検出工程と、
前記水製部に送る重水素に酸素を添加する酸素添加工程と、
を備え、
前記酸素添加工程にて添加する酸素量を、前記検出工程にて検出した重水素の濃度に基づき制御部で制御する請求項7に記載の核種変換方法。 - 前記低圧化工程が、前記重水素低圧部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給ステップを備える請求項7または請求項8に記載の核種変換方法。
- 前記重水素回収工程が、前記構造体を透過した気体から重水素を分離する重水素分離工程を備える請求項9に記載の核種変換方法。
- 前記低圧化工程が、前記重水素低圧部を真空状態にする排気ステップを備える請求項7または請求項8に記載の核種変換方法。
- 前記重水素回収工程が、
重水素を溜めるバッファステップと、
重水素低圧部から排出された重水素を圧縮し、前記バッファ部に導く圧縮ステップと、
を備える請求項11に記載の核種変換方法。
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