(57)【要約】【課題】同位体水をより簡便に分離することのできる同位体分離装置及び同位体分離方法を提供する。【解決手段】 １６Ｏ以外の酸素同位体及び１Ｈ以外の水素同位体のうち少なくともいずれか一方を有する水分子で構成された同位体水と、１６Ｏ及び１Ｈで構成された水分子で構成された軽水とを含有する液体を収容する収容容器１０と、収容容器１０内の液体の温度を調節する水温調節機構１１と、温度の調節された液体から液滴Ｗ１を生成させるミスト生成機構と、液滴Ｗ１を所定の粒子径以下の第１の液滴Ｗ１ａと当該粒子径より大きい第２の液滴Ｗ１ｂに分級する分級機構１３と、第１の液滴Ｗ１ａと第２の液滴Ｗ１ｂをそれぞれ別に回収する回収機構とを備える【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１６Ｏ以外の酸素同位体及び１Ｈ以外の水素同位体のうち少なくともいずれか一方を有する水分子で構成された同位体水と、１６Ｏ及び１Ｈで構成された水分子で構成された軽水とを含有する液体を収容する収容容器と、
前記収容容器内の液体の温度を調節する水温調節機構と、
温度の調節された前記液体から液滴を生成させるミスト生成機構と、
前記液滴を所定の粒子径以下の第１の液滴と当該粒子径より大きい第２の液滴に分級する分級機構と、
前記第１の液滴と前記第２の液滴をそれぞれ別に回収する回収機構と
を備える同位体分離装置。
【請求項２】
前記分級機構で分離された前記第１の液滴を凝集させる凝集機構を備える請求項１に記載の同位体分離装置。
【請求項３】
前記収容容器内に気体を供給する気体供給装置を備える請求項１又は２に記載の同位体分離装置。
【請求項４】
前記気体は、空気、窒素、酸素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素及びネオンから選ばれる少なくとも１種以上を含む請求項３に記載の同位体分離装置。
【請求項５】
前記気体の温度は、３５℃以下である請求項３又は４に記載の同位体分離装置。
【請求項６】
前記分級機構における前記気体の温度は、前記収容容器内の前記液体の温度と同じか又は、これより低い温度である請求項３乃至５のいずれか１項に記載の同位体分離装置。
【請求項７】
前記分級機構又は前記凝集機構に送られる前記気体を冷却する気体温度調節機構を有する請求項３乃至６のいずれか１項記載の同位体分離装置。
【請求項８】
さらに、前記収容容器、前記分級機構及び前記凝集機構の少なくとも一部を、保温する保温機構、又は所定の温度に調節する温度調節機構を備える請求項２乃至７のいずれか１項記載の同位体分離装置。
【請求項９】
前記凝集機構において、前記第１の液滴と接触する内面の少なくとも一部の温度が、前記凝集機構の内部の雰囲気中の露点よりも低温に制御される請求項２乃至８のいずれか１項記載の同位体分離装置。
【請求項１０】
前記分級機構から前記第１の液滴を外部に送る配管を有し、当該配管の前記第１の液滴と接触する内面の少なくとも一部の温度が、当該配管の内部の雰囲気中の露点よりも低温に制御される請求項１乃至９のいずれか１項記載の同位体分離装置。
【請求項１１】
前記ミスト発生機構は、ノズルから前記気体と前記液体を噴射して液滴を生成する噴霧器からなる請求項３乃至１０のいずれか１項記載の同位体分離装置。
【請求項１２】
１６Ｏ以外の酸素同位体及び１Ｈ以外の水素同位体のうち少なくともいずれか一方を有する水分子で構成された同位体水と、１６Ｏ及び１Ｈで構成された水分子で構成された軽水とを含有する液体を、収容容器に収容し、前記収容容器内の液体を所定の温度に冷却する冷却ステップと、
冷却された前記液体の液滴を生成させるミスト生成ステップと、
前記液滴を所定の粒子径以下の第１の液滴と当該粒子径より大きい第２の液滴に分級するミスト分級ステップと、
前記第１の液滴と前記第２の液滴をそれぞれ別に回収するミスト回収ステップと
を備える同位体分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、同位体分離装置及び同位体分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１Ｈ２１６Ｏの水素又は酸素の同位体には放射性を有するものがある。例えば、自然界に存在する水素の同位体であって、３個の中性子を有する三重水素（トリチウム：Ｔ）は、半減期が約１２．３年の放射性物質であることが知られている。
【０００３】
水分子を構成する水素原子がトリチウムに置き換えられたものはトリチウム水と呼ばれる。存在形態としては、ＨＴＯ、ＤＴＯ、及びＴ２Ｏがあるが、主にＨＴＯの形態として存在する。また、水分子を構成する酸素原子が同位体の１７Ｏや１８Ｏに置き換えられた水分子も存在する。
【０００４】
トリチウム水を含有する水からトリチウム水を分離、濃縮、回収及び処理することは、これまでも試みられてきており、原子力産業において、核反応の制御、核燃料サイクルの信頼性の向上を実現するために重要な技術である。また、トリチウム水の分離等の技術は、例えば、生物、化学、医療等の分野において、放射性同位体によるラベル技術においても重要である
【０００５】
一般に、重水やトリチウム水を分離する方法として、精密蒸留法、同位体交換法、電気分解法等が挙げられる（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。これらの方法では、設備が大型化することや消費電力が多くなることがあり、重水やトリチウム水等の同位体水をより簡便に分離する方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−８０７４８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Jones, “ Vapor pressures of Tritium Oxide and Deuterium Oxide” The Journal of Chemical Physics. Vol.48 No.1, p207-214, 1968
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、同位体水をより簡便で効率よく分離することのできる同位体分離装置及び同位体分離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】
【０００９】
本発明の同位体分離装置の一態様は１６Ｏ以外の酸素同位体及び１Ｈ以外の水素同位体のうち少なくともいずれか一方を有する水分子で構成された同位体水と、１６Ｏ及び１Ｈで構成された水分子で構成された軽水とを含有する液体を収容する収容容器と、前記収容容器内の液体の温度を調節する水温調節機構と、温度の調節された前記液体から液滴を生成させるミスト生成機構と、前記液滴を所定の粒子径以下の第１の液滴と当該粒子径より大きい第２の液滴に分級する分級機構と、前記第１の液滴と前記第２の液滴をそれぞれ別に回収する回収機構とを備える。
【００１０】
本発明の同位体分離方法の一態様は、１６Ｏ以外の酸素同位体及び１Ｈ以外の水素同位体のうち少なくともいずれか一方を有する水分子で構成された同位体水と、１６Ｏ及び１Ｈで構成された水分子で構成された軽水とを含有する液体を、収容容器に収容し、前記収容容器内の液体を所定の温度に冷却する冷却ステップと、冷却された前記液体の液滴を生成させるミスト生成ステップと、前記液滴を所定の粒子径以下の第１の液滴と当該粒子径より大きい第２の液滴に分級するミスト分級ステップと、前記第１の液滴と前記第２の液滴をそれぞれ別に回収するミスト回収ステップとを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、同位体水をより簡便に効率よく分離することのできる同位体分離装置及び同位体分離方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の同位体分離装置を表わす概略図である。
【図２】実施形態の同位体分離方法を概略的に表わすフロー図である。
【図３】第１の変形例の同位体分離装置を表わす概略図である。
【図４】第２の変形例の同位体分離装置を表わす概略図である。
【図５】実施形態の同位体分離方法による５℃におけるＴ２Ｏ、Ｄ２Ｏの分離係数と、１００℃の蒸留における分離係数を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態の同位体分離装置について説明する。本実施形態に係る同位体分離装置は、１６Ｏ以外の酸素同位体及び１Ｈ以外の水素同位体のうち少なくともいずれか一方を有する水分子で構成された同位体水と、１６Ｏ及び１Ｈで構成された水分子で構成された軽水とを含有する液体（以下「水」という。）中の同位体水と軽水を分離する装置である。
【００１４】
水には、同位体を含まない水分子（１Ｈ２１６Ｏ、以下「軽水」という。）と、１６Ｏ以外の酸素同位体及び１Ｈ以外の水素同位体のうち少なくともいずれか一方を有する水分子（１Ｈ２１６Ｏよりも質量が大きい水分子）で構成された同位体水が含まれる。ここで、同位体水のうち、１Ｈ以外の水素同位体を含む水分子を「重水」と称し、重水のうち、トリチウムを含む水分子（ＨＴＯ、ＤＴＯ及びＴ２Ｏ）を、「トリチウム水」と称する。水にはナトリウムイオン（Ｎａ＋）や塩化物イオン（Ｃｌ−）等の水素及び酸素とは異なる原子に由来するイオン成分が含まれることがある。
【００１５】
本実施形態では、液体状態の水をミスト化し、水から微小な液滴を生成させる。ここで、液滴は水蒸気とは異なる形態である。水蒸気は水分子が数個程度集まって形成されるものである。一方、液滴は水分子が少なくとも１００以上集まって形成され、水蒸気とは大きさが異なる。また、液滴は例えば、超音波や圧力を加えた状態で、水を噴霧することにより形成することができる。一方、水蒸気は主として水を加熱して蒸発させて形成される。
【００１６】
同位体水と軽水を含有する水からなる液滴の気液界面では、軽水も同位体水も蒸発する。このとき、軽水の方が蒸発しやすいため、液滴中に同位体水が濃縮される傾向になる。そのため、生成された液滴を粒子径で分級すると同位体水と軽水の濃度差が異なる液滴が得られる。すなわち同位体水の濃縮や分離操作に適用することができる。
【００１７】
また、例えば、Ｔ２Ｏと軽水を含有する水の液と蒸気が互いに接触している場合、水蒸留におけるＴ２Ｏの平衡分離係数α１は、下記式（１）に示すように、蒸気相のＴ２Ｏの分圧ｐＴ２Ｏに対する蒸気相の軽水（Ｈ２Ｏ）の分圧ｐＨ２Ｏの比の平方根で近似される。
【００１８】
α１≒（ｐＨ２Ｏ／ｐＴ２Ｏ）１／２        （１）
【００１９】
同様に、Ｄ２Ｏと軽水を含有する水の液と蒸気が互いに接触している場合、水蒸留におけるＤ２Ｏの平衡分離係数α２は、下記式（２）に示すように、蒸気相のＤ２Ｏの分圧ｐＤ２Ｏに対する蒸気相の軽水（Ｈ２Ｏ）の分圧ｐＨ２Ｏの比の平方根で近似される。
【００２０】
α２≒（ｐＨ２Ｏ／ｐＤ２Ｏ）１／２          （２）
【００２１】
ここで、ｐＴ２Ｏ、ｐＤ２Ｏを近似的に求める方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。α１及びα２は、これらで算出されたｐＴ２Ｏ、ｐＤ２Ｏの値から上記式（１）又は上記式（２）を用いて算出することができる。
【００２２】
このため、液滴Ｗ１を生成する際の水Ｗの温度を低くすることで、Ｔ２Ｏ、Ｄ２Ｏの分離係数を大きくすることができる。また、ＨＴＯ、ＤＴＯについても同様の傾向である。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る同位体分離装置１を表わす概略図である。本実施形態に係る同位体分離装置１は、上記原理に基づいて、水Ｗを低温に保持して、液滴Ｗ１（第１の液滴Ｗ１ａ及び第２の液滴Ｗ１ｂ）を生成させ、生成した液滴Ｗ１を、所定の粒子径以下の第１の液滴Ｗ１ａと、当該粒子径より大きい第２の液滴Ｗ１ｂとに分離する。これにより、同位体分離装置１は、水Ｗを、同位体水をより多い割合で含む水と軽水をより多い割合で含む水とに分離する。
【００２４】
同位体分離装置１は、分離対象の水Ｗを収容する収容容器１０と、収容容器１０の水Ｗの温度を調節する水温調節機構１１と、水温調節機構１１によって温度の調節された水Ｗから液滴Ｗ１を生成させるミスト生成機構と、生成した液滴Ｗ１を所定の粒子径以下の第１の液滴Ｗ１ａと当該粒子径よりも大きい第２の液滴Ｗ１ｂに分級する分級機構１３と、分級機構１３で分級された第１の液滴Ｗ１ａと第２の液滴Ｗ１ｂとをそれぞれ別に回収する回収機構を備えている。
【００２５】
収容容器１０は、例えば円筒形の気密な容器である。同位体分離装置１は、収容容器１０内に気体Ｇを供給する気体供給装置１２を有している。ミスト生成機構は、収容容器１０内の、水Ｗの液中に気体Ｇを噴射してバブリングする気体供給管１２１と、収容容器１０内の水Ｗの液面に気体Ｇを噴射する気体供給管１２２を有している。また、ミスト生成機構は、収容容器１０内の底部に配置され、収容容器内１０の水Ｗに超音波を印加して、液滴Ｗ１を生成させる超音波ミスト生成装置１２３を有している。超音波ミスト生成装置１２３における超音波の周波数は、例えば１．０〜３．０ＭＨｚ、好ましくは２．４ＭＨｚである。気体供給管１２１、気体供給管１２２、超音波ミスト生成装置１２３はすべてが備えられなくてもよく、いずれか１つが備えられていればよい。
【００２６】
収容容器１０と、分級機構１３は移送配管１４によって接続されている。移送配管１４は、収容容器１０内部から分級機構１３に液滴Ｗ１を移送する。
【００２７】
分級機構１３は、液滴Ｗ１を所定の粒子径以下の第１の液滴Ｗ１ａと、当該粒子径より大きい第２の液滴Ｗ１ｂに分級する。分級機構１３は、例えば、サイクロン又はミストセパレータ、あるいはこれらと同様の機能を有する装置である。
【００２８】
回収機構は、第１の液滴Ｗ１ａを回収する凝集容器１５、第２の液滴Ｗ１ｂを回収する回収容器１６、分級機構１３と凝集容器１５を接続する第１の配管２２ａ及び分級機構１３と回収容器１６を接続する第２の配管２２ｂを備えている。また、凝集容器１５には、凝集容器１５を冷却する凝集容器冷却機構２１が備えられている。
【００２９】
同位体分離装置１は、凝集容器１５、回収容器１６を経た気体Ｇを、気体供給装置１２を介して、再度、収容容器１０に供給するための循環配管１７（気体循環手段）を備えている。循環配管１７には、気体Ｇを気体供給装置１２に送る掃気ポンプ等のポンプ２３が設けられている。循環配管１７の一方の端部は分岐して、それぞれ、凝集容器１５、回収容器１６に接続され、他方の端部は気体供給装置１２に接続されている。
【００３０】
循環配管１７には、気体冷却機構１８が設けられている。気体冷却機構１８は、例えば、循環配管１７内の気体を冷却する気体冷却装置１８ａと、循環配管１７内の気体の温度を測定する気体温度モニター１８ｂと、気体温度モニター１８ｂの測定値に基いて、気体冷却装置１８ａを制御する気体冷却用制御装置１８ｃとを備えている。
【００３１】
同位体分離装置１は、さらに、収容容器１０内の液相部の温度を測定する液相温度モニター１９Ａと、収容容器１０内の気相部の温度を測定する気相温度モニター１９Ｂと、移送配管１４内の雰囲気の温度を測定するミスト雰囲気温度モニター１９Ｃを備えている。気相温度モニター１９Ｂには、収容容器１０内の気相部の湿度や露点を測定するモニターが設けられていてもよい。また、ミスト雰囲気温度モニター１９Ｃには、移送配管１４内の雰囲気の湿度や露点を測定するモニターが設けられていてもよい。
【００３２】
同位体分離装置１は、同位体分離装置１内の各構成の動作を統括的に制御する制御部２０を備えている。さらに、同位体分離装置１は、収容容器１０内の水Ｗの温度を所定の温度に保つために、分級機構１３を保温する保温機構２５を有している。保温機構２５は、分級機構１３以外にも、同位体分離装置１内の各装置や容器、配管を保温する構成であってもよい。
【００３３】
次に、本実施形態の同位体分離装置１を用いた同位体分離方法について説明する。図２は、本実施形態の同位体分離方法を概略的に表わすフロー図である。本実施形態の同位体分離方法は、収容容器１０内に収容された水Ｗを冷却する冷却ステップＳ１と、冷却された水Ｗから液滴Ｗ１を生成させるミスト生成ステップＳ２と、生成した液滴Ｗ１を分級するミスト分級ステップＳ３と、分級された液滴Ｗ１を回収するミスト回収ステップＳ４とを備えている。
【００３４】
本実施形態の同位体分離方法において、収容容器１０内に水Ｗが収容された状態で、水温調節機構１１によって、水Ｗを、例えば室温以下、好ましくは５〜１０℃程度に冷却する。ミスト生成機構によって、水Ｗをミスト化させて、水Ｗの温度とほぼ等しい温度の液滴Ｗ１が連続的に生成させる。
【００３５】
この際、気体Ｇの流れによって、液滴Ｗ１を、収容容器１０外に移送する。気体Ｇは、例えば、空気である。また、空気以外にも、例えば、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）のうち少なくとも１種類以上を含む気体であってもよい。気体Ｇは、上記Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ等を含む場合、その含有割合は例えば、５体積％以上である。
【００３６】
また、気体Ｇの温度は、収容容器１０内の水Ｗの温度を上昇させにくくするために、３５℃以下であることが好ましく、収容容器１０内の水Ｗとほぼ同じかこれ以下の温度であることがより好ましい。本実施形態の同位体分離方法において、気体Ｇの温度は、気体冷却機構１８によって調節することができる。
【００３７】
このとき、水Ｗの温度を所定の温度に維持するために、液相温度モニター１９Ａ、気相温度モニター１９Ｂ、ミスト雰囲気温度モニター１９Ｃが、各箇所の液相又は気相の温度を測定する。そして、これら液相温度モニター１９Ａ、気相温度モニター１９Ｂ、ミスト雰囲気温度モニター１９Ｃの測定値に基づいて、制御部２０が水温調節機構１１を制御する。これにより、水Ｗの温度が上記低温に維持されるとともに、移送配管１４及び分級機構１３における気体Ｇの温度を、水Ｗの温度と同じか、水Ｗの温度以下に維持することができる。
【００３８】
収容容器１０内で生成した液滴Ｗ１は、気体Ｇの流れによって、収容容器１０の、移送配管１４の接続口に到達し、収容容器１０内に供給された気体Ｇとともに、移送配管１４を介して分級機構１３に送られる。
【００３９】
分級機構１３は、移送配管１４から移送されてきた液滴Ｗ１を含む流体中の、液滴Ｗ１を、所定の粒子径以下の第１の液滴Ｗ１ａと、当該粒子径よりも大きい第２の液滴Ｗ１ｂに分離する。分級機構１３は、同位体水を効率的に水から分離回収するために、収容容器１０で生成された液滴Ｗ１のうち、好ましくは粒子径が５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは２〜３μｍ以下の第１の液滴Ｗ１ａと、当該液滴Ｗ１よりも大きい第２の液滴Ｗ１ｂを分離する。ここで、液滴Ｗ１の粒子径は、液滴Ｗ１の直径であり、例えば、分級機構１３としてサイクロンを用いる場合には、分級の際の処理条件や装置の大きさ（内容積等）によって算出することができる。
【００４０】
分級機構１３によって分級された液滴Ｗ１のうち、所定の粒子径以下の第１の液滴Ｗ１ａは第１の配管２２ａを介して凝集容器１５に回収される。当該粒子径よりも大きい第２の液滴Ｗ１ｂは、第２の配管２２ｂを介して回収容器１６に回収される。これらのうち、第１の液滴Ｗ１ａは、第２の液滴Ｗ１ｂよりも軽水の含有割合が多く、第２の液滴Ｗ１ｂは第１の液滴Ｗ１ａよりも同位体水の含有割合が多い。このように、液滴Ｗ１を粒子径により分離することで、軽水と同位体水を分離することができる。
【００４１】
凝集容器１５の液滴Ｗ１が接触する内面は、凝集容器冷却機構２１によって、凝集容器１５の内部の雰囲気中の露点よりも低温に調節されることが好ましい。これにより、凝集容器１５内の第１の液滴Ｗ１ａを迅速に凝集させることができる。また、第１の配管２２ａの液滴Ｗ１が接触する内面についても同様に、冷却器等によって、その内部の雰囲気中の露点よりも低温に調節されることが好ましい。凝集容器１５及び第１の配管２２ａの内面を低温に調節する場合、凝集容器１５及び第１の配管２２ａの内面の全領域を、低温に調節してもよいし、一部の領域を低温に調節してもよい。
【００４２】
低温に調節された凝集容器１５及び第１の配管２２ａの上記内面の温度は、例えば、収容容器１０内の水Ｗの温度に比べて１０℃低い温度、好ましくは−１℃程度である。なお、第１の配管２２ａの内面を低温に調節すれば、凝集容器１５を設けずに、第１の配管２２ａ内で第１の液滴Ｗ１ａを凝集させることもできる。
【００４３】
分級機構１３を通過し、凝集容器１５又は回収容器１６を経た気体Ｇは、ポンプ２３によって、循環配管１７（気体循環手段）を介して、再度、収容容器１０内に供給される。気体Ｇは、循環配管１７から上記同様に気体供給装置１２を介して収容容器１０内に供給される。液滴Ｗ１の温度を収容容器１０内の水Ｗとほぼ等温に保つために、この過程で、分級機構１３及び凝集容器１５に送られる気体Ｇが、気体温度調節機構１８によって冷却されてもよい。気体循環手段を備えることで、気体Ｇを再度収容容器１０内に移送し、再利用することができるため、同位体水の回収を閉鎖系内で行うことができる。
【００４４】
また、保温機構２５を用いて、収容容器１０、分級機構１３及び凝集機構１５の少なくとも一部を所定の温度に保持することで、水Ｗ及び液滴Ｗ１を低温で保つことができるため、同位体水を効率よく回収することができる。
【００４５】
また、回収容器１６内の同位体水成分を多く含む水Ｗを繰り返し同位体分離装置１内で処理することで、同位体水成分をより高度に濃縮することができる。また、複数の同位体分離装置１を直列に接続して、多段処理することで、同位体水成分をより高度に濃縮することができる。
【００４６】
上記した本実施形態の同位体分離装置及び同位体分離方法によれば、水を低温でミスト化することで、液滴中の同位体水の分離度が向上するため、水に含まれる同位体水を簡易かつ効率的に濃縮し、回収することができる。
【００４７】
（変形例１）
次に、本実施形態の同位体分離装置の第１の変形例について、図３を参照して説明する。図３は、第１の変形例の同位体分離装置２を概略的に示す図である。同位体分離装置２は、ミスト発生機構が水Ｗを噴霧して液滴Ｗ１を生成し、移送配管１４に送る噴霧器３２からなる点で同位体分離装置１と異なっている以外は、同位体分離装置１と同様の構成である。図３において、同位体分離装置１と共通する構成の一部は記載を省略している。また、同位体分離装置１と対応する構成には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００４８】
噴霧器３２は、収容容器１０内の水Ｗを噴霧して液滴Ｗ１を生成するノズル３２ｃと、ノズル３２ｃに収容容器１０内の水Ｗを供給する水供給管３２ｄと、ノズル３２ｃに気体Ｇを供給する気体供給管３２ｂを備えている。また、噴霧器３２は、気体供給装置３２ａを備えている。気体供給装置３２ａは圧縮した気体Ｇを気体供給管３２ｂからノズル３２ｃに送る。ノズル３２ｃから圧縮された気体Ｇに伴って噴射された水Ｗが液滴Ｗ１を生成する。
【００４９】
ノズル３２ｃは、例えば、二流体ノズルであり、これ以外にも、一流体ノズルが用いられてもよい。二流体ノズルによれば、より微細な液滴Ｗ１が生成される傾向があるため、同位体水を効率よく分離することができる。
【００５０】
本変形例では、噴霧器３２において、コンプレッサなどによる圧送空気を用いて液滴Ｗ１を生成させる。このコンプレッサの動力は、例えば分級機構１３としてサイクロンを用いる場合、その分離駆動力にも使用することができる。そのため、本変形例の同位体分離装置２によれば、水Ｗに含まれる同位体水を、より効率的に、簡易に濃縮し、回収することができる。
【００５１】
（変形例２）
次に、本実施形態の同位体分離装置の第２の変形例について、図４を参照して説明する。図４は、第２の変形例の同位体分離装置３を概略的に示す図である。同位体分離装置３は、移送配管１４、分級機構１３及び第１の配管２２ａの内面を冷却する冷却機構２４を備える点で、上記実施形態の同位体分離装置１と異なっている以外は、同位体分離装置１と同様の構成である。図４において、同位体分離装置１と共通する構成の一部は記載を省略している。また、同位体分離装置１と対応する構成には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００５２】
本変形例では、制御部２０が冷却機構２４を制御して、移送配管１４、分級機構１３及び第１の配管２２ａの、液滴Ｗ１が接触する内面を冷却する。移送配管１４、分級機構１３及び第１の配管２２ａの上記内面は、すべてが冷却されてもよく、一部が冷却されてもよい。
【００５３】
例えば、移送配管１４から分級機構１３を経て第１の配管２２ａに至る上記内面を、第１の配管２２ａの内面の温度が、第１の配管２２ａの内部の雰囲気中の露点よりも低温になるように段階的に冷却する。これにより、第１の配管２２ａ内で効率よく液滴Ｗ１を凝集させることができるため、第１の配管２２ａに凝集容器１５と同様の機能を持たせることができる。そのため、図１の凝集容器１５を省略することもができ、装置構成をより簡略化することができる。このように。本変形例の同位体分離装置３によれば、水Ｗに含まれる同位体水を、より効率的に、簡易に濃縮し、回収することができる。
【００５４】
図５に、Ｔ２Ｏと軽水を分離する場合、Ｄ２Ｏと軽水を分離する場合のそれぞれについて、蒸発時の分離係数に対する本発明の方法による分離係数を比較したグラフを示す。図５では、上記本発明の方法により５℃で分離した場合の分離係数を、１００℃で蒸留した場合の分離係数を１として示している。図５に示すグラフにおいて、各温度におけるＴ２Ｏ、Ｄ２Ｏの分離係数は、各温度における公知の蒸気圧の値から上記式（１）、（２）を用いて算出した。なお、分級後の希薄側（凝集容器内）の液中のトリチウム水濃度に対する分級後の濃縮側（回収容器内）の液中のトリチウム水濃度は、分離係数が大きいほど、大きくなる。
【００５５】
図５に示されるように、本実施形態の５℃における分離係数は、蒸留法での１００℃における分離係数に対して、Ｔ２Ｏで１．０９倍、Ｄ２Ｏで１．０７倍に向上することがわかった。
【００５６】
このように、本実施形態の同位体分離装置及び同位体分離方法装置によれば、水を低温でミスト化することで、液滴中の同位体水の分離度が向上するため、水に含まれる同位体水を簡易かつ効率的に濃縮し、回収することができる。
【００５７】
なお、上述した分離試験の結果は、Ｔ２Ｏと軽水、Ｄ２Ｏと軽水を分離する一例であるが、実施形態の同位体分離方法及び同位体分離装置は、これらの同位体を分離する場合に限定されない。例えば、同位体水成分として、ＨＤＯ、ＨＴＯ、Ｔ２Ｏなどの他の水素同位体を含む水の分離、酸素同位体を含む水の分離に適用した場合にも同様の効果が得られる。さらに、水素や酸素以外の同位体を分離する場合にも同様の効果を得ることができる。
【００５８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１，２，３…同位体分離装置、１０…収容容器、１１…水温調節機構、１２…気体供給装置、１２１，１２２…気体供給管、１２３…超音波ミスト発生装置、１３…分級機構、１４…移送配管、１５…凝集容器、１６…回収容器、１７…循環配管、１８…気体冷却機構、１９Ａ…液相温度モニター、１９Ｂ…気相温度モニター、１９Ｃ…ミスト雰囲気温度モニター、２０…制御部、２１…凝集容器冷却機構、２２ａ…第１の配管、２２ｂ…第２の配管、２３…ポンプ、２４…冷却機構、２５…保温機構、３２…噴霧器、３２ａ…気体供給装置、３２ｂ…気体供給管、３２ｃ…ノズル、３２ｄ…水供給管、Ｗ…水、Ｗ１…液滴。
【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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