(57)【要約】【課題】簡易な構造で試料水中のトリチウム濃度を効率的に所望の濃縮率にまで高めること。【解決手段】この多段式トリチウム濃縮装置１は、陽極室１４及び陰極室１５と、陽極室１４及び陰極室１５に近接して設けられたイオン交換膜７と、陽極室１４及び陰極室１５内のそれぞれに設けられた陽極８及び陰極９とを有する電解セル３ａ〜３ｄを含んで構成され、電解によって試料水中のトリチウム濃度を高めるためのトリチウム濃縮装置であって、複数の電解セル３ａ〜３ｄが直列的に連結されており、前段側の電解セルの陰極室１５と後段側の電解セルの陽極室１４とがチューブ５ｂ，５ｃ，５ｄによって接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極室及び陰極室と、前記陽極室及び前記陰極室に近接して設けられたイオン交換膜と、前記陽極室及び前記陰極室内のそれぞれに設けられた陽極及び陰極とを有する電解セルを含んで構成され、電解によって試料水中のトリチウム濃度を高めるためのトリチウム濃縮装置であって、
複数の前記電解セルが直列的に連結されており、前段側の前記電解セルの陰極室と後段側の前記電解セルの陽極室とが連結管によって接続されている、
ことを特徴とする多段式トリチウム濃縮装置
【請求項２】
前記イオン交換膜は固体高分子電解質膜である、
ことを特徴とする請求項１に記載の多段式トリチウム濃縮装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の多段式トリチウム濃縮装置を用いて、電解によって試料水中のトリチウム濃度を濃縮するトリチウム濃縮方法であって、
第１段目の前記電解セルの前記陽極室に試料水を入れた後に前記第１段目の電解セルを給電することによって電解させ、
前記電解の進行によって前記第１段目の電解セルの前記陰極室に浸出してくるトリチウムが濃縮された貯留水を、前記連結管を通じて第２段目の前記電解セルの前記陽極室に導入し、
前記２段目の電解セルからＮ段目（Ｎは２以上の整数）の前記電解セルまで前記給電及び前記貯留水の導入を繰り返すことによって、前記貯留水中のトリチウムを濃縮する、
ことを特徴とするトリチウム濃縮方法。
【請求項４】
陽極室及び陰極室と、前記陽極室及び前記陰極室に近接して設けられたイオン交換膜と、前記陽極室及び前記陰極室内のそれぞれに設けられた陽極及び陰極とを有する電解セルを含んで構成されたトリチウム濃縮装置を用いて、電解によって試料水中のトリチウム濃度を濃縮するトリチウム濃縮方法であって、
前記電解セルの前記陽極室に試料水を入れた後に前記電解セルを給電することによって電解させ、
前記電解の進行によって前記電解セルの前記陰極室に浸出してくるトリチウムが濃縮された貯留水を貯留し、
前記陽極室に残留する前記試料水の量又は前記陰極室に浸出した前記貯留水の量に応じて前記給電を停止させた後に、前記貯留水を前記陽極室に還流させ、
前記電解セルを再度給電することにより、前記陰極室にさらにトリチウムが濃縮された貯留水を貯留し、
前記給電、及び前記貯留水の貯留と還流を繰り返すことによって、前記貯留水中のトリチウムを濃縮する、
ことを特徴とするトリチウム濃縮方法。
【請求項５】
前記イオン交換膜として固体高分子電解質膜を用いる、
ことを特徴とする請求項３又は４記載の重水素濃縮方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トリチウムを含む試料水を濃縮する多段式トリチウム濃縮装置、及びトリチウム濃縮方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水資源利用、環境調査、土木建設や、原子力発電設備の安全性調査等の分野において、試料水中の重水素、特にトリチウムの分析が盛んに実施されている。このような分析に際しては、重水素を含む試料水を濃縮してから重水素の濃度を測定することにより、測定精度を向上させている。重水素を濃縮するための装置としては下記特許文献１〜３に開示されている。
【０００３】
下記特許文献１，２に記載の装置では、陰極室と陽極室との間で試料水が循環できる構造となっており、試料水を水素と酸素とに電気分解させて重水素の濃度を上昇させている。また、下記特許文献３に記載の装置では、試料水を電気分解した結果生じた水素同位体を拡散分離し、酸素と再結合することにより水素同位体の濃縮を行う。
【特許文献１】特許第３４０６３９０号公報
【特許文献２】特許第３７４８３０４号公報
【特許文献３】特開２００１−２８６７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
所望のトリチウム濃度範囲に入るように濃縮した溶液（濃縮水）を作成してその濃度を計測する場合に必要な量は、一般的に大きくはなく、国際標準では１０ｍｌとされている。しかし、上述した特許文献１，２に記載された装置では、種々の空間的制約から最終的な濃縮水として約５０ｍｌを製造しないと運転を停止できなかった。計測にはそこから必要な１０ｍｌを分取することになり、残りの４／５の濃縮水は無駄にしなければならず、効率的ではなかった。また、特許文献３に記載された装置は、電解槽や多段交換塔による気体水素の同位体分離作用及び再結合電池等が必要であり構造が複雑化する傾向にあった。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、簡易な構造で試料水中のトリチウム濃度を効率的に所望の濃縮率にまで高めることが可能な多段式トリチウム濃縮装置及びトリチウム濃縮方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の多段式トリチウム濃縮装置は、陽極室及び陰極室と、陽極室及び陰極室に近接して設けられたイオン交換膜と、陽極室及び陰極室内のそれぞれに設けられた陽極及び陰極とを有する電解セルを含んで構成され、電解によって試料水中のトリチウム濃度を高めるためのトリチウム濃縮装置であって、複数の電解セルが直列的に連結されており、前段側の電解セルの陰極室と後段側の電解セルの陽極室とが連結管によって接続されている。
【０００７】
或いは、本発明のトリチウム濃縮方法は、上記多段式トリチウム濃縮装置を用いて、電解によって試料水中のトリチウム濃度を濃縮するトリチウム濃縮方法であって、第１段目の電解セルの陽極室に試料水を入れた後に第１段目の電解セルを給電することによって電解させ、電解の進行によって第１段目の電解セルの陰極室に浸出してくるトリチウムが濃縮された貯留水を、連結管を通じて第２段目の電解セルの陽極室に導入し、２段目の電解セルからＮ段目（Ｎは２以上の整数）の電解セルまで給電及び貯留水の導入を繰り返すことによって、貯留水中のトリチウムを濃縮する。
【０００８】
或いは、本発明のトリチウム濃縮方法は、陽極室及び陰極室と、陽極室及び陰極室に近接して設けられたイオン交換膜と、陽極室及び陰極室内のそれぞれに設けられた陽極及び陰極とを有する電解セルを含んで構成されたトリチウム濃縮装置を用いて、電解によって試料水中のトリチウム濃度を濃縮するトリチウム濃縮方法であって、電解セルの陽極室に試料水を入れた後に電解セルを給電することによって電解させ、電解の進行によって電解セルの陰極室に浸出してくるトリチウムが濃縮された貯留水を貯留し、陽極室に残留する試料水の量又は陰極室に浸出した貯留水の量に応じて給電を停止させた後に、貯留水を陽極室に還流させ、電解セルを再度給電することにより、陰極室にさらにトリチウムが濃縮された貯留水を貯留し、給電、及び貯留水の貯留と還流を繰り返すことによって、貯留水中のトリチウムを濃縮する。
【０００９】
このような多段式トリチウム濃縮装置及びトリチウム濃縮方法によれば、陽極室に供給された試料水は電解セルが給電されることにより電解され、その電解により陽極で発生した水素イオンが、随伴水を伴ってイオン交換膜を通過して陽極室から陰極室に向けて浸出する。その際、試料水中に含まれるＨ２Ｏの分解がＨＯＤやＨＯＴ（Ｄ：ジュウテリウム、Ｔ：トリチウム）の分解に対して優先的に発生するので、陰極室に溜まる貯留水中のトリチウムの濃度が上昇する。そして、この貯留水をさらに同一又は別の電解セルの陽極室に導入し、貯留水の電解、陰極室における貯留水の貯留、及び陽極室への貯留水の導入を繰り返すことにより、所望の濃縮率で効率的に試料水中のトリチウムを濃縮させることができる。また、このような試料水の濃縮を、電解セルの多段構成又は電解セルと貯留水の循環機構との組み合わせという簡易な構成によって実現することができる。
【００１０】
さらに、イオン交換膜として固体高分子電解質膜を用いることも好ましい。このような固体高分子電解質膜は安定性に優れた材料であるため、陽極で発生した水素イオンを安定して移動させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の多段式トリチウム濃縮装置及びトリチウム濃縮方法によれば、簡易な構造で試料水中のトリチウム濃度を効率的に所望の濃縮率にまで高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明の多段式トリチウム濃縮装置及びトリチウム濃縮方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる多段式トリチウム濃縮装置１を示す正面図、図２は、図１の電解セル３ａの分解斜視図である。多段式トリチウム濃縮装置１は、トリチウムを含む検査対象の試料水のトリチウム濃度を濃縮するための装置であり、試料水容器２ａと貯留水容器２ｂとの間に複数の電解セル３ａ〜３ｄが直列に接続された構成を有している。
【００１４】
電解セル３ａは、図２を参照して、中心部に円形膜状のイオン交換膜７を有し、このイオン交換膜７の両面にイオン交換膜７よりも小径の円板状の陽極８及び陰極９が対向配置されている。このイオン交換膜７は、高いプロトン伝導性を有する固体高分子電解質（ＳＰＥ：Solid Polymer Electrolyte）膜によって構成されている。陽極８はＤＳＡ（Dimensionary Stable Anode）から成り、陰極９はステンレス等の各種金属から成り、それぞれは繊維状に加工された後に円板状に圧縮されたものである。これらの陽極８及び陰極９が、陽極８及び陰極９とほぼ同一の内径を有するリング状のゴムパッキン１０，１１に嵌め込まれた状態で、２つの円板状の導電性の金属ブロック１２，１３によって挟まれることにより、イオン交換膜７に対して圧着されて固定されている。
【００１５】
上記のような構造により、電解セル３ａには、コムパッキン１０の内周面、金属ブロック１２、及びイオン交換膜７によって仕切られた陽極室１４と、コムパッキン１１の内周面、金属ブロック１３、及びイオン交換膜７によって仕切られた陰極室１５とが形成される（図１）。従って、イオン交換膜７が陽極室１４及び陰極室１５に近接して設けられることで、陽極室１４及び陰極室１５は、イオン交換膜７によって相互に隔離された構造になっている。さらに、陽極８及び陰極９は、それぞれ、陽極室１４及び陰極室１５内においてイオン交換膜７に密着した状態にされている。
【００１６】
金属ブロック１２には、陽極８側の内面１２ａと外面１２ｂとの間を貫くように２つの貫通孔１６ａ，１７ａが形成され、金属ブロック１３には、陰極９側の内面１３ａと外面１３ｂとの間を貫くように２つの貫通孔１６ｂ，１７ｂが形成されている。この貫通孔１６ａ，１７ａのそれぞれが外面１２ｂにおいてチューブ６ａ，５ａの端部に接続されることにより、試料水容器２ａと陽極室１４との間での試料水の流通、及び陽極８で発生した気体の排出が可能にされる。また、貫通孔１６ｂ，１７ｂのそれぞれが外面１３ｂにおいてチューブ６ｂ，５ｂの端部に接続されることにより、後段の電解セル３ｂと陰極室１５との間での試料水の流通、及び陰極９で発生した気体の排出が可能にされる。
【００１７】
さらに、これらの金属ブロック１２，１３には、陽極８及び陰極９に対して給電するためのリード線１８，１９が、それぞれ接続されている。このリード線１８及び金属ブロック１２を介して電源から陽極８に電荷が供給され、リード線１９及び金属ブロック１３を介して電源から陰極９に電荷が供給される。ここでは、金属ブロック１２と陽極８との間、又は金属ブロック１３と陰極９との間においては、電解セル３ａを組立てた際に接触して電気的接続が達成されるが、電気的なコンタクトを確実にするには金属ブロック１２と陽極８、又は金属ブロック１３と陰極９の間をリード線で接続しておくことが好ましい。また、金属ブロック１２，１３は、必ずしも金属である必要はなく、十分な機械的強度を有する絶縁体で構成されてもよい。その場合には、電源から延びるリード線１８，１９は、陽極８及び陰極９に直接接続されていればよい。さらにまた、電解セル３ａは、円形状のイオン交換膜７、陽極８、陰極９、ゴムパッキン１０，１１、金属ブロック１２，１３によって構成されていたが、これらの部材の形状は円形には限定されず、正方形を含む矩形などの任意の形状を選択することができる。
【００１８】
図１に戻って、電解セル３ｂ〜３ｄは、電解セル３ａと同一の構造を有している。そして、電解セル３ａ〜３ｄは、前段の電解セルの陰極室１５の貫通孔１７ｂが後段の電解セルの陽極室１４の貫通孔１７ａに接続されるように、チューブ（連結管）５ｂ，５ｃ，５ｄによって順に連結されている。なお、このチューブ５ｂ，５ｃ，５ｄは、電解セル３ａ〜３ｄ間の絶縁を取るために樹脂等の絶縁性材料によって構成されている。そして、最終段の電解セル３ｄの陰極室１５は、チューブ５ｅを介して貯留水容器２ｂに接続されている。
【００１９】
各電解セル３ａ〜３ｄの陽極８及び陰極９には、それぞれ個別に直流電源２０ａ〜２０ｄが接続されている。この直流電源２０ａ〜２０ｄは、それぞれ、電解セル３ａ〜３ｄのチューブ６ａ内の水位を検出する水位センサ２１が電気的に接続されており、各電解セル３ａ〜３ｄの陽極室１４における試料水の水位の変化に応じて電解セル３ａ〜３ｄへの給電をオン／オフするように動作する。
【００２０】
以下、上述した多段式トリチウム濃縮装置１を用いたトリチウム濃縮方法について説明する。
【００２１】
まず、試料水容器２ａにトリチウムを含む試料水を入れることにより、電解セル３ａの陽極室１４に試料水を入れる。その後、試料水容器２ａの試料水の水位が水位センサ２１の位置を超えている間は、直流電源２０ａから電解セル３ａの陽極８及び陰極９に電荷が供給され、電解セル３ａ内の試料水において電解が発生する。具体的には、陽極８近傍で酸素ガスが発生すると同時に水素イオンが生成され、随伴水を伴った水素イオンが、イオン交換膜７を通過して陽極室１４から陰極室１５に向けて浸出するとともに、陰極９近傍で水素ガスが発生する。このような電解の進行によって、トリチウムが濃縮された随伴水が貯留水として陰極室１５に徐々に貯留される。
【００２２】
このようにして電解セル３ａの陰極室１５に貯留された貯留水は、チューブ５ｂを通って電解セル３ｂの陽極室１４に導入される。さらに、随伴水の移動に伴って試料水容器２ａ内の水位が下降して水位センサ２１の位置より下にくると、直流電源２０ａからの給電は自動的にオフされ、電解セル３ａにおける試料水の電解が停止する。その一方、電解セル３ｂの陽極室１４に導入された貯留水の水位が水位センサ２１の位置まで上昇すると、直流電源２０ｂから電解セル３ｂの陽極８及び陰極９に電荷が供給され、電解セル３ｂ内の貯留水において電解が発生する。これにより、電解セル３ｂの陰極室１５に随伴水が徐々に浸出する。
【００２３】
その後、第２段目の電解セル３ｂから第４段目の電解セル３ｄまで、直流電源２０ｂ〜２０ｄによる給電、及び前段の陰極室１５から後段の陽極室１４への貯留水の導入を順に繰り返すことによって、最終段の電解セル３ｄの陰極室１５に接続された貯留水容器２ｂに、所望の濃縮倍率までトリチウム濃度が濃縮された貯留水が生成される。
【００２４】
次に、多段式トリチウム濃縮装置１による濃縮倍率を評価するために、一段の電解セル３ａを用いた場合の試料水の濃縮倍率を測定した結果を示す。
【００２５】
まず、試料水容器２ａにトリチウムを含む試料水を３８０ｇ入れて約８０分間攪拌のための電解を行い、陽極室１４で発生する酸素ガス気泡の攪拌作用により陽極室１４のトリチウム濃度を均一化した。そして、陽極室１４から６０ｇの試料水を採取し、これを電解前陽極試料水Ａとした。その際、陰極室１５側に生じた随伴水は取り除いた。この段階で、装置全体を秤量したところ、装置内の試料水は３００ｇであった。
【００２６】
その後、直流電源２０ａの電流値を２７Ａに設定して電解を開始すると、随伴水が徐々に陰極室１５側に貯留される。電解処理開始後１８０分経過したタイミングで、陰極室１５側に貯留した随伴水７３ｇを採取し、これを陰極試料水Ｂとした。さらに電解を再開し、電解処理開始後３００分後に陰極室１５側に貯留した随伴水４９ｇを採取し、これを陰極試料水Ｃとし、電解処理開始後４５０分後に陰極室１５側に貯留した随伴水６１ｇを採取し、これを陰極試料水Ｄとして電解を停止させた。電解停止後に陽極室１４側に残留した試料水を４３ｇ採取し、電解後陽極試料水Ｅとした。
【００２７】
この電解の際に分解ガスによって失われる水蒸気は、０〜１°Ｃに冷却された冷却管によって凝縮還流させた。この場合の水蒸気圧を５ｍｍＨｇとみなしたとき、水１ｇの分解量に対して水蒸気損失量は０．０１ｇと推定された。
【００２８】
最後に、各試料水を蒸留精製して４０．００ｇを採取し、それらのトリチウム濃度［Bq/kg±2σ］を文部科学省が基準化したトリチウム分析法によって測定したところ、次のとおりとなった。すなわち、試料水Ａは７３±１、試料水Ｅは７４±１、試料水Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ、９５±２，９６±２，９６±２と得られた。
【００２９】
この電解セル３ａによる試料水の濃縮倍率の測定結果から、電解処理前後の陽極室１４内の試料水Ａ，Ｅにおいてはトリチウムの濃縮が起こらなかったことがわかる。また、電解処理時間の異なる試料水Ｂ，Ｃ，Ｄの結果から、電解時間に関わらず濃縮倍率はほぼ一定に保たれることがわかった。つまり、トリチウムの濃縮は電解セル３ａの陰極室１５のみで起こること、陰極室１５のトリチウム濃度は電解時間に依存しないことが判明した。
【００３０】
この際、装置を含めた秤量値から、４５０分電解処理後の総分解水量は６８．４ｇであり、陰極室１５側に貯留した総水量が１８８．４ｇであった。従って、分解水量を時間で除して得られる電解電流値は２６．９５Ａであり、水１ｇの分解に伴って１８８．４／６８．４＝２．７５ｇの随伴水が水素イオンとともに陰極９側に輸送されたことがわかった。
【００３１】
以上をまとめると、１段の電解セル３ａを用いた電解処理によって、試料水の水量は２．７５／３．７５＝１／１．３６倍に減少し、トリチウムの濃度は１．３０倍に濃縮され、得られる濃縮処理後の試料水は電解時間の経過に従って増加するだけで濃縮倍率は変化しないことが明らかになった。従って、４段の電解セル３ａ〜３ｄを有する多段式トリチウム濃縮装置１によれば、最終的な貯留水の水量は１／１．３６の４乗倍になり、トリチウム濃度は１．３０の４乗倍になることが容易に予想できる。
【００３２】
以上説明した多段式トリチウム濃縮装置１及びそれを用いたトリチウム濃縮方法によれば、電解セル３ａの陽極室１４に供給された試料水は電解セル３ａが給電されることにより電解され、その電解により陽極８で発生した水素イオンが、随伴水を伴ってイオン交換膜７を通過して陽極室１４から陰極室１５に向けて浸出する。その際、試料水中に含まれるＨ２Ｏの分解がＨＯＤやＨＯＴ（Ｄ：ジュウテリウム、Ｔ：トリチウム）の分解に対して優先的に発生するので、陰極室１５に溜まる貯留水中のトリチウムの濃度が上昇する。そして、この貯留水をさらに後段の電解セル３ｂ〜３ｄの陽極室１４に順に導入し、貯留水の電解、陰極室１５における貯留水の貯留、及び後段の陽極室１４への貯留水の導入を繰り返すことにより、所望の濃縮率で効率的に試料水中のトリチウムを濃縮させることができる。また、このような試料水の濃縮を、電解セルの多段構成という簡易な構成によって実現することができる。
【００３３】
また、イオン交換膜７として固体高分子電解質膜を用いているので、陽極８で発生した水素イオンを安定して移動させることができる。これによって、陰極室１５側において濃縮された試料水をより効率的に生成することができる。また、このイオン交換膜７に陽極８及び陰極９が密着しているので、電解により生じた水素イオンの大部分を随伴水とともに陰極室１５に浸出させることができるので、陰極室１５側のトリチウム濃度のみを効果的に濃縮することができる。
【００３４】
また、電解セル３ａ〜３ｄ内における随伴水の陽極室１４から陰極室１５への１回の浸出によって一定の濃縮倍率の試料水が生成されるので、電解セル３ａ〜３ｄの段数を変更することで最終的な濃縮倍率を自由に設定することができる。例えば、１段の濃縮処理の濃縮倍率がＺである場合は、この濃縮処理を繰り返せば最終的な濃縮倍率はＺのＮ乗となり、Ｚ＝１．３で１０段の場合の濃縮倍率は１４倍、１５段では５１倍、２０段では１９０倍となる。
【００３５】
また、電解セル３ａ〜３ｄの陽極室１４内に残留する試料水の水位が水位センサ２１の位置を下回った場合に電解を停止させることにより、イオン交換膜７の保水状態を維持することができる。
【００３６】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図３は、本発明の第２実施形態にかかるトリチウム濃縮装置１０１を示す正面図である。
【００３７】
トリチウム濃縮装置１０１は、試料水容器１０２ａと、貯留水容器１０２ｂと、電解セル３と、ポンプ（循環機構）１０４とによって構成されている。電解セル３の構成は第１実施形態における電解セル３ａと同一である。試料水容器１０２ａは、２つのチューブ５ａ，６ａによって電解セル３の陽極室１４に繋がっており、貯留水容器１０２ｂは、２つのチューブ５ｂ，６ｂによって電解セル３の陰極室１５に繋がっている。
【００３８】
さらに、電解セル３のリード線１８，１９には直流電源２０が接続されており、直流電源２０から陽極８及び陰極９に電荷が供給される。また、直流電源２０にはチューブ５ａの途中に設けられた水位センサ１２１が電気的に接続され、陽極室１４及び試料水容器１０２ａにおける試料水の水位の変化に応じて直流電源２０からの給電がオン／オフされるように設定されている。
【００３９】
ポンプ１０４には吸水管１０４ａ及び排水管１０４ｂが取り付けられ、吸水管１０４ａはチューブ５ｂに分岐して接続されており、排水管１０４ｂはチューブ５ａに分岐して接続されている。このポンプ１０４は、陰極室１５に繋がる貯留水容器１０２ｂに溜まった随伴水を陽極室１４に繋がるチューブ５ａに送ることにより、電解セル３の陰極室１５に生成された濃縮処理後の随伴水を、電解セル３の陽極室１４に還流させる働きを有する。さらに、ポンプ１０４にはチューブ５ｂの途中に設けられた水位センサ１２２が電気的に接続され、陰極室１５及び貯留水容器１０２ｂに溜まった随伴水の水位の変化に応じてポンプ１０４が起動又は停止するように設定されている。
【００４０】
以下、上述したトリチウム濃縮装置１０１を用いたトリチウム濃縮方法について説明する。
【００４１】
まず、試料水容器１０２ａにトリチウムを含む試料水を入れることにより、電解セル３の陽極室１４に試料水を導入する。この際、試料水容器１０２ａの試料水の水位が水位センサ１２１の位置を超えている間は、直流電源２０から陽極８及び陰極９に電荷が供給され、試料水において電解が発生する。電解の進行に伴って、トリチウムが濃縮された随伴水が陰極室１５に浸出して、貯留水容器１０２ｂに貯留される。
【００４２】
随伴水の移動に伴って試料水容器１０２ａ内に残留する試料水の水位が下降して水位センサ１２１の位置より下にくると、直流電源２０からの給電が自動的にオフされ、電解セル３における試料水の電解が停止する。その後、直流電源２０の給電のオフが検出されることによりポンプ１０４が自動的に起動され、貯留水容器１０２ｂ内に貯留された随伴水が陽極室１４内に導入される。その後、貯留水容器１０２ｂに貯留された随伴水の水位が水位センサ１２２の位置まで下降すると、ポンプ１０４が自動的に停止され、随伴水の循環が止められる。
【００４３】
ポンプ１０４が起動から停止に切り替わるタイミングで直流電源２０からの給電が再度オンされ、電解セル３における試料水の電解が再度開始される。これにより、随伴水が陰極室１５に浸出して貯留水容器１０２ｂ内に貯留する。以降、水位センサ１２１，１２２によって検知される水位が、いずれも両センサの位置より低いレベルになるまで電解セル３に対する給電、随伴水の貯留及び循環が繰り返される。
【００４４】
以上説明したトリチウム濃縮装置１０１を用いたトリチウム濃縮方法によっても、試料水量と濃縮水量とを一定値に設定することで所望の濃縮率で効率的に試料水中のトリチウムを濃縮させることができる。また、このような試料水の濃縮を、単一の電解セルと循環機構との組み合わせという簡易な構成によって実現することができる。
【００４５】
ここで、トリチウム濃縮装置１０１を用いたトリチウム濃縮方法によって試料水を濃縮させた場合の測定結果を、従来型の装置と比較して示す。この場合、試料水容器１０２ａにトリチウムを含む試料水を６００ｇ入れて、直流電源２０及びポンプ１０４の自動運転によって繰り返し濃縮処理を行った。その際に、トリチウム濃縮装置１０１によって陰極室１５側に生成される試料水の水量は２７±１ｇであり、濃縮倍率は１０．３±０．２倍という結果が得られた。これに対して、特許第３７４８３０４号公報に記載された装置を用いた場合、装置全体で生成される試料水の水量は５４±１ｇであり、濃縮倍率は７．０±０．２倍という結果であった。この結果により、陽極室と陰極室とを隔離した多段階の電解方式によってトリチウムの濃縮が効率的に起きることが実証された。また、同一の試料水を供給したときの濃縮水量も従来に比較して約１／２まで減らせることがわかった。
【００４６】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、多段式トリチウム濃縮装置１においては、直流電源を電解セルの個数より少なくし、少なくとも１つの直流電源を複数の電極セルに並列接続するようにしてもよい。こうすれば、各電解セルに対する給電のための電源の個数を削減することができる。
【００４７】
また、トリチウム濃縮装置１０１においては、ポンプ１０４が陰極室１５及び貯留水容器１０２ｂに溜まった試料水の水位が一定レベルを超えている場合に起動するように設定されているが、陽極室１４及び試料水容器１０２ａに溜まった試料水の水位が一定レベルを下回った場合に起動するように設定されていてもよい。同様に、直流電源２０は陽極室１４及び試料水容器１０２ａにおける試料水の水位に応じてオン／オフされるように設定されているが、陰極室１５及び貯留水容器１０２ｂに溜まった試料水の水位に応じてオン／オフするように制御されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の好適な一実施形態にかかる多段式トリチウム濃縮装置を示す正面図である。
【図２】図１の電解セル分解斜視図である。
【図３】本発明の変形例にかかるトリチウム濃縮装置を示す正面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…多段式トリチウム濃縮装置、３，３ａ〜３ｄ…電解セル、５ｂ，５ｃ，５ｄ…チューブ（連結管）、７…イオン交換膜、８…陽極、９…陰極、１４…陽極室、１５…陰極室、２０，２０ａ〜２０ｄ…直流電源。
【図１】
2010006637.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010006637.tif 000005