(57)【要約】【課題】構成が簡素であり、構造体表面の重水素密度を向上させることにより、核種変換反応の反応量を増大させることができる核種変換装置、及び、その装置を用いた核種変換方法を提供する。【解決手段】チャンバ１１と、チャンバ１１内部に重水素を供給する重水素供給部１２と、チャンバ１１内部に配置され、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金属と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体１５と、チャンバ１１内に配置され、構造体１５の温度を変動させる温度調整部１６とを備え、構造体１５の温度調整部１６が配置される側の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層が設けられ、構造体１５の温度調整部１６が配置される側と反対側の表面に、核種変換を施される物質が添加させられる核種変換装置１０。【選択図】図１
2011149863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
該チャンバ内部に重水素を供給する重水素供給部と、
前記チャンバ内部に配置され、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金属と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、
前記チャンバ内に配置され、前記構造体の温度を変動させる温度調整部と、
を備え、
前記構造体の前記温度調整部が配置される側の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層が設けられ、
前記構造体の前記温度調整部が配置される側と反対側の表面に、核種変換を施される物質が添加させられる、
核種変換装置。
【請求項２】
チャンバと、
該チャンバ内部に重水素を供給する重水素供給部と、
前記チャンバ内部の圧力を変化させる圧力調整部と、
前記チャンバ内に配置され、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金属と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、
を備え、
前記構造体の一の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層が設けられ、
前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と別の表面に、核種変換を施される物質が添加させられる、
核種変換装置。
【請求項３】
前記圧力調整手段が、前記チャンバに接続され、前記チャンバ内の重水素を排気する重水素排気部である請求項２に記載の核種変換装置。
【請求項４】
前記圧力調整手段が、
前記チャンバの外側に接続されて前記チャンバとともに密閉状態とされ、内部の体積が変動可能とされる体積変動部と、
前記体積変動部を収納するように設けられ、内部が気密とされる容器と、
前記容器に接続され、容器内に気体を供給する気体供給手段と、
前記容器に接続され、前記容器内の前記気体を排気する気体排気部と、
を備える請求項２に記載の核種変換装置。
【請求項５】
前記構造体の前記重水素バリア層及び前記核種変換を施される物質が添加させられた表面以外の表面に、重水素を透過させない物質を含む被覆部材が設けられる請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の核種変換装置。
【請求項６】
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金属と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体の一の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層を形成する重水素バリア層形成工程と、
前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と反対側の表面に、核種変換を施される物質を添加させる核種変換部形成工程と、
前記重水素バリア層形成工程及び前記核種変換部形成工程の後に、前記構造体をチャンバ内に設置し、前記チャンバ内に重水素を供給する重水素供給工程と、
前記構造体の温度を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が高くなる温度以下に設定して、前記構造体内部へ前記重水素を透過させる重水素透過工程と、
前記構造体の温度を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が低くなる温度以上に設定して、前記構造体内部から前記重水素を排出させる重水素排出工程と、
を含む核種変換方法。
【請求項７】
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金属と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体の一の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層を形成する重水素バリア層形成工程と、
前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と別の表面に、核種変換を施される物質を添加させる核種変換部形成工程と、
前記重水素バリア層形成工程及び前記核種変換部形成工程の後に、前記構造体をチャンバ内に設置し、前記チャンバ内に重水素を供給する重水素供給工程と、
前記チャンバ内の重水素圧力を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が高くなる圧力以上に上昇させて、前記構造体内部へ前記重水素を透過させる重水素透過工程と、
前記チャンバ内の重水素圧力を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が低くなる圧力以下に低下させて、前記構造体内部から前記重水素を排出させる重水素排出工程と、
を含む核種変換方法。
【請求項８】
前記構造体の前記重水素バリア層及び前記核種変換を施される物質が添加させられた表面以外の表面に、前記重水素を透過させない物質を含む被覆部材を設ける被覆部材形成工程を更に含む請求項６または請求項７に記載の核種変換方法。
【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おいて、核種変換を施される物質が添加される構造体を透過する重水素ガスの透過量を増大させる装置及び方法に関する。
【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及び特許文献２に開示されている。
【０００３】
上記文献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と、これらより相対的に仕事関数が低い物質とを含む構造体と、内部が気密保持可能とされた吸蔵室と、構造体を挟んで気密保持可能に設けられた放出室と、吸蔵室に重水素ガス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される物質を添加される。
【０００４】
まず、吸蔵室及び放出室を真空排気した後、構造体を例えば７０℃に加熱する。その後、吸蔵室の真空排気を停止して、吸蔵室に重水素ガスを導入する。吸蔵室から放出室に向かって、圧力差により重水素ガスが構造体を透過するが、このとき、構造体の表面に核種変換を施される物質が添加されているために、核種変換が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３４７２６１号公報（段落［００２９］〜［００３３］、［００４０］〜［００４１］、図１〜３）
【特許文献２】特許第４３４７２６２号公報（段落［００２９］〜［００３３］、［００４０］〜［００４１］、図１〜３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び特許文献２の核種変換装置では、吸蔵室に重水素ガス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ガス量が増加して、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、吸蔵室と放出室との間で十分な気密性を保つために構造体を挟む際にシールが必要である上、装置構成が煩雑となっている。さらに、吸蔵室と放出室との圧力差に耐えうるように、構造体を厚くする必要があった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、構成が簡素であり、構造体表面の重水素密度を向上させることにより、核種変換反応の反応量を増大させることができる核種変換装置、及び、その装置を用いた核種変換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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の核種変換装置は、チャンバと、該チャンバ内部に重水素を供給する重水素供給部と、前記チャンバ内部に配置され、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金属と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、前記チャンバ内に配置され、前記構造体の温度を変動させる温度調整部とを備え、前記構造体の前記温度調整部が配置される側の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層が設けられ、前記構造体の前記温度調整部が配置される側と反対側の表面に、核種変換を施される物質が添加させられる。
【０００９】
また、本発明の核種変換方法は、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金属と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体の一の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層を形成する重水素バリア層形成工程と、前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と反対側の表面に、核種変換を施される物質を添加させる核種変換部形成工程と、前記重水素バリア層形成工程及び前記核種変換部形成工程の後に、前記構造体をチャンバ内に設置し、前記チャンバ内に重水素を供給する重水素供給工程と、前記構造体の温度を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が高くなる温度以下に設定して、前記構造体内部へ前記重水素を透過させる重水素透過工程と、前記構造体の温度を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が低くなる温度以上に設定して、前記構造体内部から前記重水素を排出させる重水素排出工程とを含む。
【００１０】
パラジウムなどの水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金は、温度により重水素の吸蔵量、すなわち、水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金中の重水素密度が異なる。本発明の核種変換装置及び核種変換方法は、この水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金中の重水素密度の温度依存性を利用し、従来よりも簡素な構成の核種変換装置により、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を含む構造体へ重水素を透過させて、構造体表面に設けられる核種変換物質の近傍で重水素濃度を高めることができる。その結果、核種変換反応を増大させることができる。
また、本発明によれば、特許文献１及び特許文献２のように、構造体を高圧部と低圧部とで挟まないために、構造体は圧力差に耐え得る強度を要求されない。そのため、構造体を薄くすることが可能である。
【００１１】
本発明の核種変換装置は、チャンバと、該チャンバ内部に重水素を供給する重水素供給部と、前記チャンバ内部の圧力を変化させる圧力調整部と、前記チャンバ内に配置され、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金属と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体とを備え、前記構造体の一の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層が設けられ、前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と別の表面に、核種変換を施される物質が添加させられる。
【００１２】
上記発明において、前記圧力調整手段が、前記チャンバに接続され、前記チャンバ内の重水素を排気する重水素排気部であっても良い。
【００１３】
また、上記発明において、前記圧力調整手段が、前記チャンバの外側に接続されて前記チャンバとともに密閉状態とされ、内部の体積が変動可能とされる体積変動部と、前記体積変動部を収納するように設けられ、内部が気密とされる容器と、前記容器に接続され、容器内に気体を供給する気体供給手段と、前記容器に接続され、前記容器内の前記気体を排気する気体排気部とを備えても良い。
【００１４】
本発明の核種変換方法は、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金属と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体の一の表面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層を形成する重水素バリア層形成工程と、前記構造体の前記重水素バリア層が設けられた表面と別の表面に、核種変換を施される物質を添加させる核種変換部形成工程と、前記重水素バリア層形成工程及び前記核種変換部形成工程の後に、前記構造体をチャンバ内に設置し、前記チャンバ内に重水素を供給する重水素供給工程と、前記チャンバ内の重水素圧力を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が高くなる圧力以上に上昇させて、前記構造体内部へ前記重水素を透過させる重水素透過工程と、前記チャンバ内の重水素圧力を、前記パラジウム、前記パラジウム合金、前記パラジウム以外の水素吸蔵金属または前記パラジウム合金以外の水素吸蔵金属中の重水素密度が低くなる圧力以下に低下させて、前記構造体内部から前記重水素を排出させる重水素排出工程とを含む。
【００１５】
上記水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金は、圧力により重水素の吸蔵量、すなわち、水素吸蔵金属及び水素吸蔵合金中の重水素密度が異なる。本発明の核種変換装置及び核種変換方法は、この重水素密度の圧力依存性を利用し、構造体を挟んで圧力の異なる放出室と吸蔵室とを設けなくても、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を含む構造体へ重水素を透過させ、構造体表面に設けられる核種変換物質の近傍で重水素濃度を高めることができる。その結果、核種変換反応を増大させることができる。
また本発明では、構造体には圧力差に耐え得る強度が要求されない。そのため、構造体を薄くすることが可能である。
【００１６】
上記核種変換装置において、前記構造体の前記重水素バリア層及び前記核種変換を施される物質が添加させられた表面以外の表面に、重水素を透過させない物質を含む被覆部材が設けられることが好ましい。
【００１７】
また、上記核種変換方法において、前記構造体の前記重水素バリア層及び前記核種変換を施される物質が添加させられた表面以外の表面に、前記重水素を透過させない物質を含む被覆部材を設ける被覆部材形成工程を更に含むことが好ましい。
【００１８】
このように、核種変換を施される物質が添加させられた表面以外の面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層や上述の被覆部材を設けると、核種変換を施される物質が添加させられた表面からのみ重水素が構造体内部に透過する。この結果、核種変換反応効率をより向上させることが可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、簡素な構成の装置により、構造体内部へ重水素を透過させ、核種変換を施す物質が添加させられた構造体表面近傍での重水素濃度を高めることができる。その結果、核種変換反応を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る核種変換装置の概略図である。
【図２】構造体の一例の断面概略図を示す。
【図３】構造体の別の例の断面概略図を示す。
【図４】各構造体圧力における、構造体の温度とＰｄ中の水素密度との関係を表すグラフである。
【図５】各構造体温度における、チャンバ内部の圧力とＰｄ中の水素密度との関係を表すグラフである。
【図６】第３実施形態に係る核種変換装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜第１実施形態＞
図１は、第１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１０は、内部が気密とされたチャンバ１１と、チャンバ１１に接続される重水素供給部１２とを備える。重水素供給部１２は、重水素ボンベ１３と、チャンバ１１と重水素ボンベ１３との間に配置されたバルブ１４Ａ，１４Ｂとされる。
チャンバ１１の内部には、構造体１５と温度調整部１６とが配置される。また、チャンバ１１には、チャンバ１１内部を排気するためのチャンバ排気部１７が接続される。チャンバ排気部１７は、例えばターボ分子ポンプ１８及びロータリーポンプ１９と、チャンバ１１とターボ分子ポンプ１８との間に設けられるバルブ２０とされる。
【００２２】
図２に、構造体の一例の断面概略図を示す。構造体は、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。具体的に、図２に示される平板状とされる構造体１５Ａは、Ｐｄ基板２１の表面に、Ｐｄに対して相対的に仕事関数が低い物質（例えばＣａＯ）とＰｄとが交互に積層された混合層２２が形成され、混合層２２の表面にＰｄ層２３が形成される。混合層２２は、例えばＰｄ基板２１側から順に、ＣａＯとＰｄとが交互に計８層積層され、更に最上層にＣａＯが形成されたものとされる。
【００２３】
Ｐｄ層２３の表面に、核種変換を施される物質が添加させられ、核種変換部２４が形成される。核種変換が施される物質の例として、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。Ｐｄ層２３表面に核種変換を施される物質を添加させる方法として、Ｐｄ層２３表面に核種変換を施される物質を積層させる方法と、Ｐｄ層２３表面を核種変換が施される物質を含む重水素に曝す方法とが挙げられる。
【００２４】
Ｐｄ基板２１の混合層２２が設けられた表面と反対側の面に、重水素を透過させない物質を含む重水素バリア層２５が設けられる。重水素を透過させない物質の例として、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、シリコン（Ｓｉ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌなど）、酸化処理した鉄（Ｆｅ）、ＳｉＯ２が挙げられる。重水素バリア層２５は、Ｐｄ基板２１の表面に公知の方法により成膜されたものでも良く、基板状のものをＰｄ基板２１と接着させたものでも良い。
【００２５】
図３に、構造体の別の例の断面概略図を示す。図３の構造体１５Ｂは、平板状とされる重水素バリア層２５の表面に、ＰｄとＣａＯとが交互に積層された混合層２２が形成され、混合層２２の表面にＰｄ層２３が形成される。Ｐｄ層２３の表面に、上述のようにして、核種変換部２４が形成される。
【００２６】
構造体１５Ａ，１５Ｂの核種変換部２４及び重水素バリア層２５が設けられない表面（側面）には、図２及び図３に示すように、被覆部材２６を設けることができる。被覆部材２６は冶具等とされ、上述した重水素を透過させない物質を含む。被覆部材２６は、図２及び図３のように、核種変換部２４及び重水素バリア層２５の一部を覆っていても良い。
【００２７】
構造体１５は、重水素バリア層が温度調整部１６に対向するように、チャンバ１１内に配置される。構造体１５と温度調整部１６とは接触されても良いし、温度調整部１６から構造体１５に伝熱可能な距離で離間されて配置されても良い。
【００２８】
温度調整部１６は、例えばヒータ等の加熱装置とされる。あるいは、加熱装置と冷却装置とが組み合わされたものでも良い。
【００２９】
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、図１を用いて説明する。
構造体１５がチャンバ１１内の温度調整部１６上に配置された後、ポンプ１８，１９とチャンバ１１とを連結する配管のバルブ２０が開放される。こうすることで、チャンバ排気手段１７によりチャンバ１１内部が真空排気される。
【００３０】
チャンバ内部が十分に排気される（例えば、０．１Ｐａ以下、好ましくは１×１０−４Ｐａ以下）と、ポンプ１８．１９とチャンバ１１とを連結する配管のバルブ２０が閉鎖される。次いで、温度調整部１６は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が高くなる温度以下となるように構造体１５の温度を制御し、保持する。
【００３１】
構造体１５の温度が制御された後、重水素ボンベ１３とチャンバ１１とを連結する配管のバルブ１４Ａ，１４Ｂが開放され、ボンベ１３からチャンバ１１内に重水素が導入される。
図４に、各構造体圧力における、構造体の温度とＰｄ中の水素密度との関係を表すグラフを示す。同図において、横軸は構造体の温度、縦軸はＰｄ中の水素密度である。なお、図４の水素密度は、重水素密度と読み替えることが可能である。
図４によれば、同じ圧力では、温度が上昇するとＰｄ中の重水素密度が上昇する傾向がある。また、各圧力において、Ｐｄ中の重水素密度が急激に変化する温度が存在する。
【００３２】
構造体を保持する温度は、図４に例示されるグラフに基づいて、チャンバ１１内部の圧力及びＰｄ中の重水素密度が急激に変化する温度を考慮して、適宜設定される。すなわち、重水素を安定して透過させるためには、構造体の温度は、Ｐｄ中の重水素密度が急激に変化する温度より小さい値に設定される。例えば、０．５気圧の場合は１２０℃以下、１気圧の場合は１４０℃以下とされる。
【００３３】
所定圧力において水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が高くなる温度以下に設定されていると、構造体１５表面から内部に向かって重水素が透過する。重水素が核種変換部２４を透過すると、核種変換反応が発生する。このとき、核種変換部２４表面での重水素密度が構造体内部の重水素密度よりも高いため、核種変換反応が促進される。
なお、重水素バリア層２５側からは、重水素は構造体１５内部に侵入しない。また、図２及び図３のように被覆部材２６を設けることにより、構造体１５側面からの重水素侵入が防止される。このため、核種変換部２４を介してのみ重水素を透過させることができるので、核種変換効率が向上する。
【００３４】
構造体１５内部の重水素量が飽和状態に達すると、構造体１５内部への重水素の透過速度が低下するとともに、核種変換反応効率も低下する。
構造体１５内部への重水素透過速度が所定値以下になると、温度調整部１６は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が低い温度以上になるように、構造体１５の温度を制御し、保持する。このときの温度は、図４に例示されるグラフに基づいて、チャンバ１１内部の圧力により適宜設定される。例えば、０．５気圧の場合は１３０℃以上、１気圧の場合は１５５℃以上とされる。こうすると、構造体１５中に吸蔵される重水素密度が低くなるために、構造体１５から、重水素バリア層や被覆部材が設けられない部分を通過して重水素が放出される。
【００３５】
構造体１５内部の重水素量が十分に放出され、重水素放出速度が所定値以下となると、温度調整部１６は、構造体１５の温度を水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が高くなる温度以下となるように制御し、保持する。こうすることで、核種変換部を通過する際に核種変換反応が発生する。
上述の構造体温度制御を繰り返すことで、核種変換反応を高効率で継続させることができる。
【００３６】
重水素透過速度及び重水素放出速度は、重水素の拡散速度、温度、及び構造体各層の膜厚に基づいて算出される。算出される重水素透過速度及び重水素放出速度に基づいて、構造体中の重水素密度が高い温度で保持される時間、及び、重水素密度が低い温度で保持される時間が設定される。
【００３７】
＜第２実施形態＞
第２実施形態として、図１と同様の構成の核種変換装置を用いて核種変換を実施する方法を説明する。本実施形態では、図２及び図３と同様の構造体を使用可能である。
【００３８】
構造体１５がチャンバ１１内の温度調整部１６上に配置された後、ポンプ１８，１９とチャンバ１１とを連結する配管のバルブ２０が開放されて、チャンバ排気部１７によりチャンバ１１内部が真空排気される。
【００３９】
チャンバ１１内部が十分に排気される（例えば、０．１Ｐａ以下、好ましくは１×１０−４Ｐａ以下）と、ポンプ１８，１９とチャンバ１１とを連結する配管のバルブ２０が閉鎖される。次いで、構造体１５が温度調整部１６により所定温度に制御され、保持される。
【００４０】
構造体１５の温度が所定温度に保持されると、ボンベ１３とチャンバ１１とを連結する配管のバルブ１４Ａ，１４Ｂが開放され、ボンベ１３からチャンバ１１内に重水素が導入される。重水素供給部１２は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が高くなる圧力以上になるように、チャンバ１１内の重水素圧力を制御して、保持する。
【００４１】
図５に、各構造体温度における、チャンバ内部の圧力とＰｄ中の水素密度との関係を表すグラフを示す。同図において、横軸はＰｄ中の水素密度、縦軸は圧力である。なお、図５の水素密度は、重水素密度と読み替えることが可能である。
図５によれば、チャンバ内の圧力が低いとＰｄ中の重水素密度は低く、チャンバ内の圧力が高いとＰｄ中の重水素密度が高くなる傾向がある。また、各構造体温度において、Ｐｄ中の重水素密度が急激に変化する圧力が存在する。
【００４２】
チャンバ１１内部の保持圧力は、図５に例示されるグラフに基づいて、構造体１５の保持温度及びＰｄ中の重水素密度が急激に変化する圧力を考慮して、適宜設定される。すなわち、重水素を安定して透過させるためには、チャンバ１１内部の圧力が、Ｐｄ中の重水素密度が急激に変化する圧力より大きい値に設定される。具体的に、例えば、構造体の温度が７０℃の場合は０．１気圧以上、１２０℃の場合は１気圧以上とされる。
【００４３】
チャンバ１１内の重水素圧力がＰｄ中の重水素が高くなる値に設定されると、構造体１５表面から内部に向かって重水素が透過する。重水素が核種変換部２４を透過すると、核種変換反応が発生する。このとき、核種変換部２４表面での重水素密度が構造体内部の重水素密度よりも高いため、核種変換反応が促進される。
なお、重水素バリア層２５側からは、重水素は構造体１５内部に侵入しない。また、図２及び図３のように被覆部材２６を設けることにより、構造体１５側面からの重水素侵入が防止される。このため、核種変換部２４を介してのみ重水素を透過させることができるので、核種変換効率が向上する。
【００４４】
上述のように、構造体１５内部の重水素量が飽和して、構造体１５内部への重水素透過速度が所定値以下になると、重水素ボンベ１３とチャンバ１１とを連結する配管のバルブ１４Ａ，１４Ｂが閉鎖される。次いで、ポンプ１８，１９とチャンバ１１とを連結する配管のバルブ２０が開放されて、チャンバ排気部１７はチャンバ１１内部の重水素を排出する。
チャンバ１１内の圧力が、Ｐｄ中の重水素密度が低くなる圧力に到達すると、構造体１５中に吸蔵された重水素が、重水素バリア層や被覆部材が設けられていない部分を通過して構造体の外部へと放出される。
【００４５】
構造体１５内部の重水素が十分に放出され、重水素放出速度が所定値以下となると、ボンベ１８，１９とチャンバ１１とを連結する配管のバルブ２０が閉鎖される。次いで、重水素ボンベ１３とチャンバ１１とを連結する配管のバルブ１４Ａ，１４Ｂが開放されて、チャンバ１１内に重水素が再び供給される。
【００４６】
重水素透過速度及び重水素放出速度は、重水素の拡散速度、温度、重水素圧力、及び構造体各層の膜厚に基づいて算出される。算出される重水素透過速度及び重水素放出速度に基づいて、重水素を供給する時間、及び、重水素を排出する時間が設定される。
【００４７】
＜第３実施形態＞
図６は、第３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３０は、内部が気密とされたチャンバ３１と、チャンバ３１に接続される重水素供給部３２と、チャンバ３１の外側においてチャンバ３１と一体となって接続される体積変動部４１と、体積変動部４１を収納するように設けられる容器４２とを備える。重水素供給部３２は、重水素ボンベ３３と、チャンバ３１とボンベ３３との間に配置されたバルブ３４Ａ，３４Ｂとされる。
【００４８】
チャンバ３１の内部には、構造体３５及び温度調整部３６が配置される。本実施形態では、図２及び図３と同様の構造体を使用可能である。また、チャンバ３１には、チャンバ３１内部を排気するために、チャンバ排気部３７が接続される。チャンバ排気部３７は、例えばターボ分子ポンプ３８及びロータリーポンプ３９と、チャンバ３１とターボ分子ポンプ３８との間に設けられるバルブ４０とされる。
【００４９】
容器４２に、容器４２内部に気体を供給する気体供給部４３と、容器４２内部の気体を排出する気体排気部４６とが接続される。気体供給部４３は、ボンベ４４と、容器４２とボンベ４４との間に配置されたバルブ４５Ａ，４５Ｂとされる。気体排気部４６は、図６ではバルブとされているが、更にバルブの下流側にロータリーポンプやターボ分子ポンプなどのポンプが接続されていても良い。
【００５０】
体積変動部４１は、チャンバ３１とともに内部が気密状態とされる。体積変動部４１は内部の体積が変動可能となっている。具体的に、体積変動部４１は、蛇腹状となっている。
【００５１】
第３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、図６を用いて説明する。
構造体３４がチャンバ３１内の温度調整部３６上に配置された後、ポンプ３８，３９とチャンバ３１とを連結する配管のバルブ４０が開放される。こうすることで、チャンバ排気部３７によりチャンバ３１内部が真空排気される。
【００５２】
チャンバ３１内部が十分に排気される（例えば、０．１Ｐａ以下、好ましくは１×１０−４Ｐａ以下）と、ポンプ３８，３９とチャンバ３１とを連結する配管のバルブ４０が閉鎖される。次いで、構造体３５が温度調整部３６により所定温度に制御され、保持される。
【００５３】
容器４２とボンベ４４とを連結する配管のバルブ４５Ａ，４５Ｂが開放され、体積変動部４１の体積が最小になるように、気体供給部４３は気体を容器４２内部に供給する。本実施形態に適用される気体は特に限定されないが、安全性及びコストを考慮すると、空気または窒素が好ましい。このとき、気体排気部４６（バルブ）は閉鎖されている。
体積変動部４１の体積が最小になり、容器４２内部の圧力が所定値に到達すると、気体供給部４３は気体の供給を停止する。容器４２内部の圧力は、後段で重水素がチャンバ３１内に供給されたときに到達する圧力より高く設定すると良い。あるいは、容器４２内部の圧力がチャンバ３１及び体積変動部４１内部の圧力よりも常に高くなるように、後段の重水素供給時においても気体供給部４３は気体の供給を継続していても良い。
【００５４】
次いで、重水素ボンベ３３とチャンバ３１とを連結する配管のバルブ３４Ａ，３４Ｂが開放され、ボンベ３３からチャンバ３１内に重水素が導入される。重水素供給部３２は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金中の重水素密度が高くなる圧力以上になるように、チャンバ３１及び体積変動部４１内部の圧力を制御して、保持する。上記圧力は、第２実施形態と同様にして設定される。こうすることで、構造体３５表面から内部に向かって重水素が透過する。重水素が構造体表面に設けられた核種変換部を透過すると、核種変換反応が発生する。
【００５５】
構造体３５内部の重水素量が飽和して、構造体３５内部への重水素透過速度が所定値以下になると、重水素ボンベ３３とチャンバ３１とを連結する配管のバルブ３４Ａ，３４Ｂが閉鎖される。気体供給部４３が容器４２に気体を供給し続けている場合は、ボンベ４４と容器４２とを連結する配管のバルブ４５Ａ，４５Ｂが閉鎖される。
【００５６】
次いで、気体排出部４６（バルブ）が開放される。これにより、気体排出部４６が容器４２内部の気体を排出し、容器４２内部の圧力が低下する。容器４２内部の圧力がチャンバ３１及び体積変動部４１内部の圧力より低くなると、体積変動部４１が膨張して、チャンバ３１及び体積変動部４１内の圧力が低下する。チャンバ３１及び体積変動部４１内の圧力が、Ｐｄ中の重水素密度が低くなる圧力に到達すると、構造体３５中に吸蔵された重水素が、重水素バリア層や被覆部材が設けられていない部分を通過して、構造体３５の外部へと放出される。
【００５７】
構造体３５内部の重水素が十分に放出されて重水素放出速度が所定値以下となると、気体排出部４６（バルブ）が閉鎖される。次いで、ボンベ４４と容器４２とを連結する配管のバルブ４５Ａ，４５Ｂが開放され、気体が容器４２に供給される。これにより、体積変動部４１が収縮し、チャンバ３１及び体積変動部４１内部の圧力が上昇して、構造体３５内部への重水素の透過が再開される。なお、前回の核種変換反応により消費された重水素を補うために、重水素ボンベ３３とチャンバ３１とを連結する配管のバルブ３４Ａ，３４Ｂを開放して、チャンバ３１内に重水素が供給されても良い。
上述の制御を繰り返すことで、核種変換反応を高効率で継続される。なお、重水素を供給する時間、及び、容器から気体を排出する時間は、第２実施形態と同様に、それぞれ重水素透過速度及び重水素放出速度に基づいて設定される。
【符号の説明】
【００５８】
１０，３０  核種変換装置
１１，３１  チャンバ
１２，３２  重水素供給部
１５，３５  構造体
１６，３６  温度調整部
１７，３７  チャンバ排気部
２１  Ｐｄ基板
２２  混合層
２３  Ｐｄ層
２４  核種変換部
２５  重水素バリア層
４１  体積変動部
４２  容器
４３  気体供給部
４６  気体排出部
【図１】
2011149863.tif 000003
【図２】
2011149863.tif 000004
【図３】
2011149863.tif 000005
【図４】
2011149863.tif 000006
【図５】
2011149863.tif 000007
【図６】
2011149863.tif 000008