(57)【要約】【課題】構造体の重水素透過部分における重水素密度を増加させることにより、核種変換反応の反応量を増大することができる核種変換装置を提供する。【解決手段】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む構造体２１と、前記構造体２１を両側から挟み込むようにして配置される重水素高圧部１２及び重水素低圧部１１と、高圧化手段と、低圧化手段と、前記構造体２１を挟み込んで固定するための試料固定冶具２３及び試料ステージ２２とを備え、該試料ステージ２２に、前記構造体２１によって被覆されて、重水素通過可能な複数の貫通孔２４が設けられ、前記試料固定冶具２３及び前記試料ステージ２２の少なくとも一方に前記構造体２１の平面方向への膨張を抑制するための構造体膨張抑制手段が設けられることを特徴とする核種変換装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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む構造体と、
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、
前記構造体を挟み込んで固定するための試料固定冶具及び試料ステージとを備え、
該試料ステージに、前記構造体によって被覆されて、重水素が通過可能な複数の貫通孔が設けられ、
前記試料固定冶具及び前記試料ステージの少なくとも一方に、前記構造体の平面方向への膨張を抑制するための構造体膨張抑制手段が設けられることを特徴とする核種変換装置。
【請求項２】
前記構造体膨張抑制手段が、前記試料固定冶具の前記構造体に接する面に設けられた粗面部であることを特徴とする請求項１に記載の核種変換装置。
【請求項３】
前記粗面部の算術平均粗さが０．４μｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の核種変換装置。
【請求項４】
前記構造体膨張抑制手段が、前記試料ステージに設けられた突起であることを特徴とする請求項１に記載の核種変換装置。
【請求項５】
前記構造体膨張抑制手段が、前記試料固定冶具と前記構造体と前記試料ステージとを一体に固定する溶接部であることを特徴とする請求項１に記載の核種変換装置。
【請求項６】
前記構造体膨張抑制手段が、前記試料固定冶具において前記複数の貫通孔の各々に対応する位置に設けられた複数の重水素透過孔であることを特徴とする請求項１に記載の核種変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射性廃棄物処理技術、自然界に豊富に存在する元素から希少な元素を生成する技術、凝集系核反応によるエネルギー発生技術などに係る核種変換装置及び核種変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速器や原子炉等の大規模な装置に比べて、相対的に小規模な装置で核種変換を行うことが可能な核種変換装置及び核種変換方法が、特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示される核種変換装置は、パラジウム（Ｐｄ）やパラジウム合金などの水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を含む構造体と、内部が気密保持可能とされた吸蔵室と、構造体を介して気密保持可能に設けられた放出室と、吸蔵室に重水素を供給する重水素供給手段と、放出室を真空状態にする排気手段とを備える。構造体の一方の表面に核種変換を施す物質を積層させるか、核種変換を施す物質を吸蔵室に供給して構造体の一方の表面に核種変換を施す物質を含む気体又は液体を接触させることによって、核種変換を施す物質が、構造体の一方の表面に接触される。構造体と核種変換を施す物質とが接触すると、吸蔵室から放出室に向かって重水素が構造体を透過する際、核種変換が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２０２３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の核種変換装置では、吸蔵室に重水素を供給し放出室を排気することによって、構造体を挟んで吸蔵室と放出室との間に重水素の濃度勾配を与えている。濃度勾配を与えると、構造体を透過する重水素量が増加して、構造体の吸蔵室側表面での重水素密度が増加し、反応量が増大する。しかし、多層構造体の吸蔵室側表面の重水素密度を高くして反応量を向上させるには、濃度勾配による重水素の拡散のみでは不十分であり、より重水素の透過を促進する手段を講じる必要があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、構造体の重水素透過部分における重水素密度を増加させることにより、核種変換反応の反応量を増大することができる核種変換装置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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の核種変換装置は、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む構造体と、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、前記構造体を挟み込んで固定するための試料固定冶具及び試料ステージとを備え、該試料ステージに、前記構造体によって被覆されて、重水素が通過可能な複数の貫通孔が設けられ、前記試料固定冶具及び前記試料ステージの少なくとも一方に、前記構造体の平面方向への膨張を抑制するための構造体膨張抑制手段が設けられることを特徴とする。
【０００８】
高圧化手段と低圧化手段とを設けることによって、構造体を挟んで重水素高圧部と重水素低圧部との間に重水素の濃度勾配を発生させることができる。
試料ステージに、構造体で完全に被覆される複数の貫通孔が設けられる。また、試料固定冶具及び試料ステージの少なくとも一方に、試料固定冶具及び試料ステージで挟み込んだ構造体を固定する構造体膨張抑制手段が設けられる。構造体は、重水素透過の際に重水素を吸蔵して膨張するが、構造体膨張抑制手段によって構造体平面方向への膨張が抑制される。そのため、構造体は、貫通孔が位置する部分において、重水素低圧部側へ膨張し、変形する。このとき、貫通孔の縁部で構造体が押さえられるために、貫通孔縁部に当たる部分で構造体に応力が加わり、貫通孔中心部に相当する部分では構造体に応力が発生しない。すなわち、構造体には、貫通孔縁部で応力が高くなる応力勾配が発生する。構造体に応力勾配があると、重水素は応力が小さい部分に集中するために、構造体の貫通孔中心付近に対応する部分に重水素が集中して透過する。
このように、重水素高圧部と重水素低圧部との間の重水素濃度勾配に加えて、構造体内で応力勾配を発生させることによって、核種変換反応量を増大させることが可能となる。
【０００９】
上記発明において、前記構造体膨張抑制手段が、前記試料固定冶具の前記構造体に接する面に設けられた粗面部であっても良い。
【００１０】
このように、試料固定冶具の構造体に接する面に表面加工を施して、摩擦力の高い粗面とすることにより、構造体が重水素を吸蔵した際に構造体の平面方向への膨張を抑制できる。この場合、前記粗面部の算術平均粗さが０．４μｍ以上であると、構造体平面方向への膨張を確実に抑制できるので、好ましい。
【００１１】
上記発明において、前記構造体膨張抑制手段が、前記試料ステージに設けられた突起であっても良い。試料ステージの突起に構造体を食い込ませ、更に試料固定冶具で構造体を試料ステージに押し付けることにより、構造体の平面方向への膨張を抑制できる。
【００１２】
上記発明において、前記構造体膨張抑制手段が、前記試料固定冶具と前記構造体と前記試料ステージとを一体に固定する溶接部であっても良い。このように、構造体を試料固定冶具及び試料ステージに溶接することによっても、重水素吸蔵時における構造体の平面方向への膨張を抑制することができる。
【００１３】
上記発明において、前記構造体膨張抑制手段が、前記試料固定冶具において前記複数の貫通孔の各々に対応する位置に設けられた複数の重水素透過孔であっても良い。
このように、各貫通孔に対応する位置に重水素透過孔が設けられた試料固定冶具と試料ステージとで構造体を挟み込むようにして固定することにより、重水素吸蔵時での構造体の膨張を、貫通孔部分で重水素低圧側に向かうように制限することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、構造体を挟んで重水素高圧部と重水素低圧部との間に重水素の濃度勾配を発生させるとともに、構造体膨張抑制手段により構造体を固定して、試料ステージの貫通孔に対応する部分で構造体に応力勾配を発生させる。これにより、重水素の拡散を促進させて構造体を透過する重水素量を増大させることができるため、核種変換反応量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る核種変換装置の概略図である。
【図２】第１実施形態に係る核種変換装置における核種変換部の概略図である。
【図３】重水素透過時の第１実施形態に係る核種変換装置の核種変換部の概略図である。
【図４】第２実施形態に係る核種変換装置における核種変換部の概略図である。
【図５】第３実施形態に係る核種変換装置の核種変換部の分解斜視図である。
【図６】第４実施形態に係る核種変換装置の核種変換部の分解斜視図である。
【図７】第４実施形態に係る核種変換装置の核種変換部の断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に、本発明に係る核種変換装置の概略図を示す。核種変換装置１０は、内部が気密保持可能とされた重水素低圧部１１と、重水素低圧部１１内に配置された核種変換部２０と、核種変換部２０を介して内部が気密保持可能とされた重水素高圧部１２とを備える。
重水素低圧部１１に、重水素低圧部内部を真空状態に保持する低圧化手段１３が接続される。図１において、低圧化手段は、ターボ分子ポンプ１３ａ及びロータリーポンプ１３ｂとされる。
重水素高圧部１２に、バルブ１５を介して重水素高圧部内に重水素を供給する高圧化手段１４として、重水素ボンベ１４ａ及びレギュレータバルブ１４ｂが接続される。バルブ１５とレギュレータバルブ１４ｂとの間に圧力計１６が設置される。
【００１７】
＜第１実施形態＞
図２に、第１実施形態に係る核種変換装置の核種変換部の概略図を示す。核種変換部２０において、試料固定冶具２３の構造体と接する面に粗面部２５が設けられる。構造体２１は、試料ステージ２２及び試料固定冶具２３に挟持され、粗面部２５によって固定される。試料ステージ２２に取り付けられたＯリング２６により、重水素高圧部１２と重水素低圧部１１とがそれぞれ気密保持される。
試料ステージ２２には、複数の貫通孔２４が形成される。重水素低圧部側から見た場合、貫通孔２４は構造体２１により完全に被覆される。試料ステージ２２は、加工性を考慮してアルミ製であることが好ましい。
固定した際の試料固定冶具２３の変形を小さくするために、試料固定冶具２３はモリブデンやステンレスなどの硬質材料を使用すると良い。
【００１８】
粗面部２５は、例えば、試料固定冶具２３の構造体と接する面をサンドブラスト加工して設けられる。粗面部２５の算術平均粗さが０．４μｍ以上であれば、構造体２１が重水素を吸蔵した際に平面方向（紙面横方向）へ膨張することを抑制できる。核種変換反応時に重水素低圧部１１が真空保持できるように、粗面部２５の算術平均粗さは６．３μｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
構造体２１は、パラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金、あるいは、Ｐｄ以外の水素吸蔵金属（例えばＴｉなど）またはこれらの合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とで構成される。例えば、構造体２１は、重水素低圧部１１側から重水素高圧部１２側に向かって、順に、Ｐｄ基板の表面上に、Ｐｄに対して相対的に仕事関数が低い物質（例えば、ＣａＯ）とＰｄとの混合層が形成され、この混合層の表面上にＰｄ表面層が積層された構成とされる。混合層は、Ｐｄ層とＣａＯ層とが交互に積層されても良い。
【００２０】
構造体２１の重水素高圧部側表面に、核種変換を施す物質が接触させられる。構造体の重水素高圧部側表面に核種変換を施す物質を接触させる方法として、構造体の重水素高圧部側表面に核種変換を施す物質を積層させる方法と、重水素高圧部に核種変換を施す物質を供給して、構造体の重水素高圧部側表面を核種変換を施す物質を含む重水素に曝す方法とが挙げられる。核種変換を施す物質として、セシウム（Ｃｓ）、炭素（Ｃ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ナトリウム（Ｎａ）などが挙げられる。
【００２１】
重水素の濃度勾配及び構造体内部に発生する応力勾配によって構造体を透過する重水素量は、次式で表される。
【数１】
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Ｊ：構造体を透過する重水素量
Ｊｄｉｆｆｕｓｉｏｎ：濃度勾配に起因する拡散による重水素透過量
Ｊｄｒｉｆｔ：応力勾配に起因する拡散による重水素透過量
Ｄ：重水素の拡散係数
ｎ：重水素の密度（単位体積あたりの重水素の個数）
∇ｎ：濃度勾配（重水素の密度差を構造体の厚さで除した値）
Ｍ：水素の移動度
Ｆ：応力勾配による駆動力
すなわち、構造体内部に発生する応力勾配を大きくすることにより、重水素透過量を増大させることができ、核種変換反応が促進される。
【００２２】
第１実施形態の核種変換装置を用いて核種変換を行う方法を、以下で説明する。
構造体２１は、核種変換を施す物質が形成された面を重水素高圧部１２側に向けて、試料ステージ２２と試料固定冶具２３との間に挟持され、ボルトによって固定される。これにより、重水素低圧部１１及び重水素高圧部１２が構造体２１を介して気密状態に閉塞される。次に、重水素低圧部１１と重水素高圧部１２とを連結する配管のバルブが開放される。低圧化手段１３のターボ分子ポンプ１３ａ及びロータリーポンプ１３ｂを用いて、重水素低圧部１１及び重水素高圧部１２が真空排気される。
【００２３】
構造体２１が、加熱装置（図示されず）により、例えば７０℃に加熱される。構造体の加熱後、重水素低圧部１１と重水素高圧部１２とを連結する配管のバルブが閉鎖される。バルブ１５が開放され、高圧化手段１４の重水素ボンベ１４ａから重水素高圧部１２に重水素ガスが導入される。ここで、導入される重水素ガスは、レギュレータバルブ１４ｂによって調整される。例えば、圧力計１６で計測される圧力が、１．０１３×１０５Ｐａ（１気圧）となるように調整される。
【００２４】
重水素高圧部１２に重水素ガスが導入されると、重水素低圧部１１内部が真空排気されているため、構造体２１を介して重水素高圧部１２側と重水素低圧部１１側との間に、重水素の濃度勾配が生じる。濃度勾配により、重水素ガスが重水素高圧部１２から構造体２１を透過する。その結果、構造体２１の重水素高圧部側表面に形成された核種変換を施す物質からなる層において、核種変換反応が発生する。
【００２５】
このとき、構造体２１は重水素を吸蔵して膨張する。第１実施形態の核種変換部２０において構造体２１は試料固定冶具２３の粗面部２５により固定されているために、構造体平面方向（図２の紙面横方向）への膨張が制限される。そのため、図３に示すように、構造体２１は、試料ステージ２２の貫通孔２４が位置する部分において、重水素低圧部１１側へ膨張し、変形する。構造体２１は貫通孔２４の縁部で押さえられるため、貫通孔２４縁部で押さえられる部分で構造体に応力が加えられる。一方、貫通孔２４の中心部分に対応する位置の構造体には応力が発生しない。すなわち、構造体内部で、貫通孔縁部で応力が高いという応力勾配が生じる。重水素は応力が小さい部分に集中する性質がある。従って、重水素ガスは、構造体の中でも、応力が小さい貫通孔中心に対応する部分に集中して透過する。このように重水素の濃度勾配と構造体内部の応力勾配とにより重水素ガスの透過が促進されるため、核種変換反応量が増大する。
【００２６】
第１実施形態のように、試料固定冶具に粗面部を設けず、構造体と接触する部分が平滑であると、構造体が重水素を吸蔵したときに、平面方向へ構造体が膨張し、貫通孔部分で重水素低圧部側への構造体の膨張が発生しない。応力勾配の寄与が無いために、粗面部を設けない試料固定冶具を用いた場合は、第１実施形態よりも核種変換反応量は少なくなる。
【００２７】
表１に、第１実施形態の試料ステージ（直径３ｍｍの複数の貫通孔が形成されたアルミ製ステージ）、及び、比較例として焼結金属（ステンレス）製の試料ステージを用いて核種変換実験を実施した条件及び結果を示す。試料（構造体）は、Ｐｄ層とＣａＯ層とが交互に積層された（最表層はＰｄ層）構成であり、直径６０ｍｍとした。試料には、核種変換を施す物質として、Ｃｓ層を形成した。実験後の試料について、ＩＣＰ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）を用いてＣｓ量及びＰｒ量を測定した。なお、重水素ガスが透過し核種変換反応が発生すると、構造体表面のＣｓがＰｒに核種変換される。表１には、実験開始直後と終了時の重水素透過量が示されており、実験開始時から重水素透過量が減少することを示している。
【表１】
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【００２８】
実施例１及び２ではＣｓからＰｒへの核種変換が確認されたが、比較例では核種変換がほとんど発生しなかった。焼結金属製の試料ステージは、実施例のアルミ製ステージに比べて貫通孔が極めて小さい（数ミクロン）と考えることができる。試料（構造体）が重水素を吸蔵して膨張しても、貫通孔が小さいため応力が分散され、図３のような貫通孔における膨張が発生しなかったと考えられる。すなわち、比較例では、試料内部の応力勾配が無く、重水素の透過が促進されなかったため、核種変換反応がほとんど発生しなかったと考えられる。
本実験の結果から、重水素吸蔵に起因する構造体の膨張によって構造体内部に応力勾配を発生させるには、貫通孔の直径が２ｍｍから３ｍｍ程度が適切であると考えられた。
【００２９】
＜第２実施形態＞
図４に、第２実施形態に係る核種変換装置の核種変換部の概略図を示す。第２実施形態の核種変換部２０では、構造体膨張抑制手段が、試料ステージ２２の貫通孔２４が形成される部分を囲むように設けられた突起２７とされる。構造体２１は、試料ステージ２２の突起２７に食い込ませられ、更に、試料固定冶具２３によって試料ステージ２２に押し付けられて固定される。
【００３０】
重水素ガス透過の際に構造体２１が重水素ガスを吸蔵すると、構造体２１は突起２７に食い込んでいるために、構造体平面方向への膨張が制限される。従って、第１実施形態と同様に、試料ステージの貫通孔に対応する位置において、構造体が重水素低圧部１１側に膨張し変形する。このように、第２実施形態においても、重水素の濃度勾配と構造体内部の応力勾配とが発生するために、重水素の透過が促進されて核種変換反応量が増大する。
【００３１】
＜第３実施形態＞
図５に、第３実施形態に係る核種変換装置の核種変換部の分解斜視図を示す。試料ステージ２２に複数の貫通孔２４が形成される。複数の貫通孔２４を囲むように、Ｏリング２６が配置される。試料ステージ２２上に、構造体２１が、複数の貫通孔２４を被覆するように配置される。
試料固定冶具２３には、試料ステージ２２の貫通孔が形成された領域よりも大きく、Ｏリングよりも小さい開口部が形成される。貫通孔２４が試料固定冶具２３で覆われないように、試料固定冶具２３が構造体２１上に配置される。
【００３２】
試料ステージ２２、構造体２１、試料固定冶具２３の順で積層した後、スポット溶接で試料ステージ２２と構造体２１と試料固定冶具２３とを固定する。すなわち、第３実施形態は、構造体膨張抑制手段が、溶接部３０とされる。図５では、溶接部３０を４点形成したが、構造体の膨張による平面方向への伸びを抑えることができる数を形成すれば良い。図５では、四角の構造体としたため、溶接部を４点設けたが、円形の構造体では３点で充足する。また、隣接する溶接部同士の間隔は、構造体の伸びを抑えられる間隔であれば、特に制限されない。構造体の形状や構造体の伸びを抑える強度を考慮して、溶接部の数や間隔を適宜設定する。
【００３３】
第３実施形態において、重水素ガス吸蔵による構造体の平面方向への膨張は、溶接部３０により制限される。このため、第１実施形態と同様に、試料ステージの貫通孔に対応する位置において、構造体が重水素低圧部１１側に膨張し変形する。従って、第３実施形態においても、重水素の濃度勾配と構造体内部の応力勾配とが発生するために、重水素の透過が促進されて核種変換反応量が増大する。
【００３４】
＜第４実施形態＞
第４実施形態に係る核種変換装置の核種変換部の分解斜視図を図６に、断面図を図７に示す。第４実施形態は、試料固定冶具２３に、試料ステージ２２の貫通孔２４の各々に対応する位置で複数の重水素透過孔３１が形成される以外は、第３実施形態と同じである。重水素透過孔３１の形状及び大きさは、貫通孔２４と同一であることが好ましい。第４実施形態では、試料固定冶具２３及び試料ステージ２２は、例えばボルト（不図示）によって固定される。
【００３５】
第４実施形態では、貫通孔２４の縁部及び重水素透過孔３１の縁部で挟み込むように構造体２１が押さえられるために、貫通孔（重水素透過孔）縁部に当たる部分で構造体にかかる応力がより大きくなる。その結果、重水素ガスの透過が更に促進され、核種変換反応量をより増大させることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  核種変換装置
１１  重水素低圧部
１２  重水素高圧部
１３  低圧化手段
１３ａ  ターボ分子ポンプ
１３ｂ  ロータリーポンプ
１４  高圧化手段
１４ａ  重水素ボンベ
１４ｂ  レギュレータバルブ
１５  バルブ
１６  圧力計
２０  核種変換部
２１  構造体
２２  試料ステージ
２３  試料固定冶具
２４  貫通孔
２５  粗面部
２６  Ｏリング
２７  突起
３０  溶接部
３１  重水素透過孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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