(57)【要約】【課題】トリチウム除去性能の低下を招くことなく、重酸素水からトリチウムを確実に除去するトリチウム除去装置を提供する。【解決手段】トリチウム化重酸素水と水素ガスとの間に同位体交換反応させる第１反応塔１と、トリチウム化重酸素水を含む重酸素水を貯留する第１貯留部２と、トリチウム化重酸素水の水蒸気を第１反応塔１に供給する第１加熱手段３と、水素ガスを第１反応塔１に供給する水素ガス供給経路４と、反応後の混合ガスを冷却して分離する第１気液分離手段５と、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスを第１気液分離手段５から導出する第１水素ガス導出経路６と、トリチウム化重酸素水の含有割合が微小な重酸素水を第１気液分離手段５から第１反応塔１を経由せずに第１貯留部２に直接返送するバイパス返液経路７と、を備えるトリチウム除去装置１０を採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トリチウムを含有する重酸素水からトリチウムを除去するための装置であって、
白金系触媒を用いてトリチウム化重酸素水と水素ガスとの間に同位体交換反応させる第１反応塔と、
前記第１反応塔の塔底側に設けられ、トリチウム化重酸素水を含む重酸素水を所要量貯留する第１貯留部と、
前記第１貯留部内のトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を加熱して、当該トリチウム化重酸素水の水蒸気を前記第１反応塔に供給する第１加熱手段と、
水素ガスを前記第１反応塔に供給する水素ガス供給経路と、
前記第１反応塔の塔頂側に設けられ、当該第１反応塔での反応後の混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスと、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水と、に分離する第１気液分離手段と、
前記第１気液分離手段で分離されたトリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスを、当該第１気液分離手段から導出する第１水素ガス導出経路と、
前記第１気液分離手段で分離された、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水を、当該第１気液分離手段から前記第１反応塔を経由せずに前記第１貯留部に直接返送するバイパス返液経路と、を備えることを特徴とするトリチウム除去装置。
【請求項２】
前記第１反応塔の二次側に設けられ、白金系触媒を用いてトリチウム化水素ガスと水との間に同位体交換反応させる第２反応塔と、
前記第２反応塔に、当該第２反応塔内の上方から下方に流下するように連続して水を供給する給水経路と、
前記第２反応塔の塔底側に設けられ、トリチウム水を含む水を一時的に貯留する第２貯留部と、
前記第２貯留部から、トリチウム水を含む水を排出する排水経路と、
前記第２貯留部内のトリチウム水を含む水を加熱して、水蒸気を前記第２反応塔に供給する第２加熱手段と、
前記第２反応塔の塔頂側に設けられ、当該第２反応塔での反応後の混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスと、トリチウム水の含有割合が微小な水と、に分離する第２気液分離手段と、
前記第２気液分離手段で分離された、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスを、当該第２気液分離手段から導出する第２水素ガス導出経路と、をさらに備え、
前記第１水素ガス導出経路から、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスを前記第２反応塔に供給するとともに、
前記第２水素ガス導出経路から、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスを前記水素ガス供給経路に供給することを特徴とする請求項１に記載のトリチウム除去装置。
【請求項３】
前記第２気液分離手段によって分離された、トリチウム水の含有割合が微小な水を、前記第２反応塔内の上方から下方に流下させることを特徴とする請求項２に記載のトリチウム除去装置。
【請求項４】
トリチウムを含有する重酸素水からトリチウムを除去する方法であって、
第１貯留部にトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を所要量供給する第１ステップと、
前記第１貯留部内のトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を加熱して発生する水蒸気と、水素ガスと、を混合して第１反応塔に導入する第２ステップと、
前記第１反応塔内の白金系触媒によって、トリチウム化重酸素水と水素ガスとの間に同位体交換反応させる第３ステップと、
前記第３ステップ後の混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスと、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水と、に分離する第４ステップと、
前記第４ステップで分離した、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水を、上記第１反応塔内を経由せずに前記第１貯留部に直接返送する第５ステップと、を備えることを特徴とするトリチウム除去方法。
【請求項５】
前記第２乃至５ステップを複数回繰り返すことを特徴とする請求項４に記載のトリチウム除去方法。
【請求項６】
前記第１反応塔の二次側に設けられた第２反応塔内の上方から下方に流下するように連続して水を供給するとともに、前記第２反応塔の塔底側に設けられた第２貯留部に前記水を一時的に貯留する第６ステップと、
前記第２貯留部を加熱して発生する水蒸気と、前記第４ステップで分離した、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスと、を混合して前記第２反応塔に導入する第７ステップと、
前記第２反応塔内の白金系触媒によって、トリチウム化水素ガスと水との間に同位体交換反応させる第８ステップと、
前記第８ステップ後の混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスと、トリチウム水の含有割合が微小な水と、に分離する第９ステップと、
前記第９ステップで分離した、トリチウム水の含有割合が微小な水を、前記第２反応塔内の上方から下方に流下させて前記第２貯留部に供給するとともに、当該第２貯留部からトリチウム水を含む水を排出する第１０ステップと、をさらに備え、
前記第９ステップで分離した、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスを、前記第２ステップで用いることを特徴とする請求項４又は５に記載のトリチウム除去方法。
【請求項７】
前記第６乃至１０ステップを複数回繰り返すことを特徴とする請求項６に記載のトリチウム除去方法。
【請求項８】
前記第１貯留部から、トリチウム化重酸素水の含有割合が微小な重酸素水を回収する第１１ステップをさらに備えることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか一項に記載のトリチウム除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トリチウム除去装置及びトリチウム除去方法に関し、より具体的には、重酸素水からのトリチウム除去装置及びトリチウム除去方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
がんの発見を目的として、陽電子放射断層撮影法（以下、Positron Emission Tomographyの頭文字を組み合わせてＰＥＴと呼ぶ）が用いられている。ＰＥＴ検査では、陽電子放射体としてフッ素の放射性同位体であるフッ素１８（１８Ｆ）を用いる。この１８Ｆは、重酸素水（Ｈ２１８Ｏ）に、サイクロトロンで加速した陽子を照射することで起こる１８Ｏ（ｐ、ｎ）１８Ｆ反応によって生成する。
【０００３】
この際、競合核反応である１８Ｏ（ｐ、ｔ）１６Ｏ反応によって、トリチウム（Ｔまたは３Ｈ）が発生し、重酸素水の一部がトリチウム化重酸素水（ＨＴ１８Ｏ）となる。なお、ＰＥＴ検査で使用した照射後の重酸素水中のトリチウム濃度としては、１０５Ｂｑ／ｃｍ３オーダーの値が報告されている（例えば、非特許文献１及び非特許文献２を参照）。この重酸素水中のトリチウム濃度は、規制値である排水濃度限度の６０Ｂｑ／ｃｍ３と比較してかなり高い濃度であるため、直接排水することはできない。一方、重酸素水は、１ｇあたり数万円と高価であることから、この重酸素水からトリチウムを十分に除去して再利用することが期待されている。
【０００４】
ところで、ＰＥＴ検査で使用する重酸素水からトリチウムを除去して再利用する技術としては、特許文献１が知られている。この特許文献１には、白金系触媒を用いて同位体交換反応を行う反応塔と、反応塔の下部に設けられた加熱装置と、反応塔の塔頂に設けられた冷却器と、トリチウムを含まない水素（１Ｈ２）を反応塔に供給するガスボンベと、反応塔の上部に設けられた煙突と、を備えたトリチウム除去装置が開示されている（特許文献１中の図１を参照）。
【０００５】
そして、特許文献１には、上記トリチウム除去装置を用いて、反応塔の下部で加熱装置によりトリチウムを含むターゲット水から加熱気化させた１Ｈ３Ｈ１８Ｏ（ｖａｐｏｒ）を反応塔の内部で上方に移動させ、塔頂で冷却器により冷却液化して全還流させるとともに、ガスボンベからトリチウムを含まない過剰量の１Ｈ２を反応塔の下部内へ導いて１Ｈ３Ｈ１８Ｏと共に上方へ移動させることにより、トリチウムをターゲット水から取り除き、反応塔の上部の煙突から生成された分子状水素ＨＴを放出する、トリチウム除去方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４６１３３０６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】S. Ito, T. Saze, H. Sakane, S. Ito, S. Ito, K. Nishizawa, Applied Radiation and Isotopes, 61 [6], pp. 1179-1183 (2004).
【非特許文献２】S. Mochizuki, Y. Ogata, K. Hatano, J. Abe, K. Ito, Y. Ito, M. Nishino, H. Miyahara, N. Ishigure, Journal of Nuclear Science and Technology, 43 [4], pp. 348-353 (2006).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されたトリチウム除去装置では、構造上、反応塔内を液体水が流下することとなり、反応に用いる白金系触媒が水に覆われて徐々に活性を失ってしまうため、重酸素水からトリチウムを十分に除去することができなくなってしまうという課題があった。
【０００９】
さらに、特許文献１に開示されたトリチウム除去装置及び除去方法では、爆発性の水素ガスを多量に消費するとともに、トリチウムで汚染した水素ガス（ＨＴ、トリチウム化水素ガス）を広く環境中に拡散させてしまうという課題があった。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、トリチウム除去性能の低下を招くことがなく、重酸素水からトリチウムを確実に除去することが可能なトリチウム除去装置及びトリチウム除去方法を提供することを課題とする。
【００１１】
さらに、本発明は、水素ガスの使用量及び排出量を低減するとともに、トリチウムを化学的に安定な形で排出することが可能なトリチウム除去装置及びトリチウム除去方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
すなわち、本願の請求項１に係る発明は、トリチウムを含有する重酸素水からトリチウムを除去するための装置であって、
白金系触媒を用いてトリチウム化重酸素水と水素ガスとの間に同位体交換反応させる第１反応塔と、
前記第１反応塔の塔底側に設けられ、トリチウム化重酸素水を含む重酸素水を所要量貯留する第１貯留部と、
前記第１貯留部内のトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を加熱して、当該トリチウム化重酸素水の水蒸気を前記第１反応塔に供給する第１加熱手段と、
水素ガスを前記第１反応塔に供給する水素ガス供給経路と、
前記第１反応塔の塔頂側に設けられ、当該第１反応塔での反応後の混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスと、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水と、に分離する第１気液分離手段と、
前記第１気液分離手段で分離されたトリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスを、当該第１気液分離手段から導出する第１水素ガス導出経路と、
前記第１気液分離手段で分離された、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水を、当該第１気液分離手段から前記第１反応塔を経由せずに前記第１貯留部に直接返送するバイパス返液経路と、を備えることを特徴とするトリチウム除去装置である。
【００１３】
また、本願の請求項２に係る発明は、前記第１反応塔の二次側に設けられ、白金系触媒を用いてトリチウム化水素ガスと水との間に同位体交換反応させる第２反応塔と、
前記第２反応塔に、当該第２反応塔内の上方から下方に流下するように連続して水を供給する給水経路と、
前記第２反応塔の塔底側に設けられ、トリチウム水を含む水を一時的に貯留する第２貯留部と、
前記第２貯留部から、トリチウム水を含む水を排出する排水経路と、
前記第２貯留部内のトリチウム水を含む水を加熱して、水蒸気を前記第２反応塔に供給する第２加熱手段と、
前記第２反応塔の塔頂側に設けられ、当該第２反応塔での反応後の混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスと、トリチウム水の含有割合が微小な水と、に分離する第２気液分離手段と、
前記第２気液分離手段で分離された、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスを、当該第２気液分離手段から導出する第２水素ガス導出経路と、をさらに備え、
前記第１水素ガス導出経路から、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスを前記第２反応塔に供給するとともに、
前記第２水素ガス導出経路から、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスを前記水素ガス供給経路に供給することを特徴とする請求項１に記載のトリチウム除去装置である。
【００１４】
また、本願の請求項３に係る発明は、前記第２気液分離手段によって分離された、トリチウム水の含有割合が微小な水を、前記第２反応塔内の上方から下方に流下させることを特徴とする請求項２に記載のトリチウム除去装置である。
【００１５】
また、本願の請求項４に係る発明は、トリチウムを含有する重酸素水からトリチウムを除去する方法であって、
第１貯留部にトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を所要量供給する第１ステップと、
前記第１貯留部内のトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を加熱して発生する水蒸気と、水素ガスと、を混合して第１反応塔に導入する第２ステップと、
前記第１反応塔内の白金系触媒によって、トリチウム化重酸素水と水素ガスとの間に同位体交換反応させる第３ステップと、
前記第３ステップ後の混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスと、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水と、に分離する第４ステップと、
前記第４ステップで分離した、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水を、上記第１反応塔内を経由せずに前記第１貯留部に直接返送する第５ステップと、を備えることを特徴とするトリチウム除去方法である。
【００１６】
また、本願の請求項５に係る発明は、前記第２乃至５ステップを複数回繰り返すことを特徴とする請求項４に記載のトリチウム除去方法である。
【００１７】
また、本願の請求項６に係る発明は、前記第１反応塔の二次側に設けられた第２反応塔内の上方から下方に流下するように連続して水を供給するとともに、前記第２反応塔の塔底側に設けられた第２貯留部に前記水を一時的に貯留する第６ステップと、
前記第２貯留部を加熱して発生する水蒸気と、前記第４ステップで分離した、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスと、を混合して前記第２反応塔に導入する第７ステップと、
前記第２反応塔内の白金系触媒によって、トリチウム化水素ガスと水との間に同位体交換反応させる第８ステップと、
前記第８ステップ後の混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスと、トリチウム水の含有割合が微小な水と、に分離する第９ステップと、
前記第９ステップで分離した、トリチウム水の含有割合が微小な水を、前記第２反応塔内の上方から下方に流下させて前記第２貯留部に供給するとともに、当該第２貯留部からトリチウム水を含む水を排出する第１０ステップと、をさらに備え、
前記第９ステップで分離した、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスを、前記第２ステップで用いることを特徴とする請求項４又は５に記載のトリチウム除去方法である。
【００１８】
また、本願の請求項７に係る発明は、前記第６乃至１０ステップを複数回繰り返すことを特徴とする請求項６に記載のトリチウム除去方法である。
【００１９】
また、本願の請求項８に係る発明は、前記第１貯留部から、トリチウム化重酸素水の含有割合が微小な重酸素水を回収する第１１ステップをさらに備えることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか一項に記載のトリチウム除去方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のトリチウム除去装置及びトリチウム除去方法は、第１反応塔での反応後の混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスと、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水とに分離し、分離したトリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水を、第１反応塔を経ずに第１貯留部へ直接戻すことにより、第１反応塔内を液体水が流下しなくなる。このため、第１反応塔内に充填された白金系触媒の劣化を避けることができる。したがって、トリチウム除去性能の低下を招くことがなく、重酸素水からトリチウムを確実に除去することにより、重酸素水の再生が可能なトリチウム除去装置及びトリチウム除去方法を提供することができる。
【００２１】
また、本発明のトリチウム除去装置及びトリチウム除去方法は、第２反応塔を含む液相化学交換塔を組み合わせて用いることにより、水素ガスを循環して使用することができるようになるため、水素ガスの使用量と環境放出量とを著しく低減して安全性を高めることができる。さらに、液相化学交換塔によってトリチウムを水素ガスから水に移行させて排出するため、トリチウムで汚染した水素ガスを広く環境中に拡散することを防止し、トリチウムを化学的に安定なトリチウム水（ＨＴＯ）の形で排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態であるトリチウム除去装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明を適用した第２の実施形態であるトリチウム除去装置の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例１の結果を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例２の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を適用した一実施形態であるトリチウム除去装置について、その使用方法（すなわち、トリチウム除去方法）とあわせて、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２４】
＜第１の実施形態＞
先ず、本発明を適用した一実施形態であるトリチウム除去装置の構成について説明する。図１は、本発明を適用した第１実施形態のトリチウム除去装置１０の一例を示す系統図である。
【００２５】
本実施形態のトリチウム除去装置１０は、図１に示すように、第１反応塔１と、第１貯留部２と、第１加熱器（第１加熱手段）３と、水素ガス供給管（水素ガス供給経路）４と、第１気液分離器（第１気液分離手段）５と、第１水素ガス導出管（第１水素ガス導出経路）６と、バイパス返液管（バイパス返液経路）７と、を備えて概略構成されている。このトリチウム除去装置１０は、トリチウムを含有する重酸素水からトリチウムを除去するための装置であって、特に、陽電子断層診断用医薬品の製造に用いる重酸素水中のトリチウムを除去するために用いる装置である。
【００２６】
なお、本明細書中では、トリチウムを分子内に含有する重酸素水（「１Ｈ３Ｈ１８Ｏ」又は「ＨＴ１８Ｏ」）を「トリチウム化重酸素水」、トリチウムを分子内に含有する水素ガス（「１Ｈ３Ｈ」又は「ＨＴ」）を「トリチウム化水素ガス」、トリチウムを分子内に含有する水（「１Ｈ３Ｈ１６Ｏ」又は「ＨＴ１６Ｏ」）を「トリチウム水」と、それぞれ呼称するものとする。
また、本明細書中では、トリチウムを含有する重酸素水からトリチウムを除去する、とは、重酸素水中のトリチウム化重酸素水の含有割合を１０−１２以下にする（換言すると、重酸素水に含まれる水素原子中のトリチウムの存在比を５×１０−１３以下にする）ことをいうものとする。
【００２７】
第１反応塔１は、気体同士を並流反応させるための反応塔である。具体的には、第１反応塔１は、トリチウム化重酸素水の水蒸気と水素ガス（Ｈ２）との間に同位体交換反応させるための反応塔である。この第１反応塔１内には、白金系触媒が充填されており、トリチウム化重酸素水の水蒸気と水素ガスとを混合して第１反応塔１の塔底１ａ側から導入することにより、白金系触媒上では下記式（１）に示す同位体交換反応が生じることとなる。
【００２８】
【化１】
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【００２９】
第１反応塔１の大きさは、特に限定されるものではなく、重酸素水の処理量や運転条件等によって、適宜選択することができる。具体的には、例えば、重酸素水の処理量が１日あたり５０〜１０００ｇの場合には、内径が２〜１０ｃｍ、有効充填長が１０〜２０ｃｍの反応塔を用いることが好ましい。また、第１反応塔１の材質は、耐熱性及び耐圧性を有しており、水素を容易に透過しなければ、ガラス製、樹脂性及び金属製のいずれであってもよく、特に限定されるものではない。
【００３０】
白金系触媒としては、トリチウム化重酸素水の水蒸気と水素ガスとの間に、上記式（１）に示す同位体交換反応させることが可能な触媒であれば、特に限定されるものではなく、一般的に使用可能な触媒（白金粒子そのものや、担体に白金粒子を担持させたもの）を用いることができる。本実施形態のトリチウム除去装置１０で用いる白金系触媒としては、疏水性の担体に白金粒子を担持させたものが好ましい。具体的には、例えば、Ｋｏｇｅｌ触媒（ＳＩサイエンス製、１．０ｗ％−Ｐｔ）等が挙げられる。また、第１反応塔１内には、疏水性の白金系触媒のみを充填することが好ましい。
【００３１】
第１貯留部２は、トリチウム化重酸素水を含む重酸素水（換言すると、トリチウム化重酸素水を所定の含有割合で含む重酸素水）を所要量貯留するために設けられた、気密な貯液槽である。第１貯留部２は、図１に示すように、第１反応塔１の下方に設けられているが、この態様に限定されるものではない。この第１貯留部２は、トリチウム化重酸素水の水蒸気を第１反応塔１に供給するために、第１反応塔１の塔底１ａ側（すなわち、第１反応塔１の一次側）に設けられていればよい。
【００３２】
第１貯留部２の材質、形状及び容量は、特に限定されるものではなく、重酸素水の処理量に応じて適宜選択することができる。特に、陽電子断層診断用医薬品の製造に用いる重酸素水中のトリチウムを除去する場合には、第１貯留部２の容量は、２０〜２５０００ｃｍ３とすることが好ましく、１００〜１５００ｃｍ３とすることがより好ましい。
【００３３】
なお、第１貯留部２の構成は一例であり、上記構成に限定されるものではない。例えば、図１では、第１貯留部２は、第１反応塔１と別々に設けられた構成となっているが、処理前の重酸素水の供給及び処理後の重酸素水の回収が可能であれば、第１反応塔１と第１貯留部２とが一体化された構成であっても良い。
【００３４】
第１加熱器３は、第１貯留部２内のトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を加熱して、トリチウム化重酸素水の水蒸気「ＨＴ１８Ｏ（ｖａｐｏｒ）」を第１反応塔１内に供給する加熱手段である。第１加熱器３としては、トリチウム化重酸素水を含む重酸素水を５０〜１５０℃に加熱することが可能なものであれば、形状及び構造は特に限定されるものではない。具体的には、図１に示すように、第１貯留部２の内側に設けられてトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を加熱する加熱器としては、例えば、電熱式又は蒸気式ヒータ等が挙げられる。一方、第１貯留部２の外側に設けられて、第１貯留部２内のトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を加熱する加熱器としては、例えば、電熱式、蒸気式ヒータ又は恒温槽等が挙げられる。さらに、少量の液体から効率良く水蒸気を発生させる機器として、流下液膜式蒸気発生器も使用できる。
【００３５】
水素ガス供給管４は、水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」を第１反応塔１内に供給する供給経路である。この水素ガス供給管４の一端は、図１に示すように、第１貯留部２内の液相に供給可能に設けられている。一方、水素ガス供給管４の他端は、水素ガス供給源である水素ガスボンベ９に接続されている。なお、水素ガス供給源は、第１反応塔１内に供給する水素ガスの流量が、１〜２００ｄｍ３／ｍｉｎとすることが可能なものであれば、特にガスボンベ９の形態に限定されるものではない。例えば、電解槽により水素ガスを供給することができる。
【００３６】
ところで、上記式（１）に示す反応は、平衡反応である。上記式（１）中に示す平衡定数Ｋ１の値は、１に比べて大きいため、平衡は右に偏っている。しかしながら、「Ｈ２（ｇａｓ）」が「ＨＴ１８Ｏ（ｖａｐｏｒ）」に比べて多量に存在する状況であれば、反応は左に進行し、トリチウムを「ＨＴ１８Ｏ（ｖａｐｏｒ）」から水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」に移すことができる。
【００３７】
したがって、本実施形態のトリチウム除去装置１０では、水素ガス供給管４を用いて第１反応塔１内に水素ガスを供給するため、第１反応塔１内の白金系触媒上で生じる上記式（１）の反応は左に進行することとなる。これにより、第１反応塔１を通過する際に、トリチウム化重酸素水の水蒸気からトリチウムを水素ガスへと移すことができる。
【００３８】
また、本実施形態のトリチウム除去装置１０では、水素ガス供給管４の一端が第１貯留部２内の液相に設けられているため、第１貯留部２内に水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」を通すことにより、トリチウム化重酸素水の水蒸気「ＨＴ１８Ｏ（ｖａｐｏｒ）」を同伴させて第１反応塔１の塔底１ａ側から内部へと導くことができる。
【００３９】
なお、水素ガス供給管４の構成は一例であり、上記構成に限定されるものではない。例えば、図１では、水素ガス供給管４は、一端が第１貯留部２内の液相に設けられた構成となっているが、トリチウム化重酸素水の水蒸気と水素ガスとを混合して第１反応塔１の塔底１ａ側から導入することが可能であれば、水素ガス供給管４の一端が第１貯留部２内の液相以外に設けられた構成であっても良い。
【００４０】
第１気液分離器５は、第１反応塔１での反応後の混合ガス（すなわち、トリチウム化重酸素水の水蒸気「ＨＴ１８Ｏ（ｖａｐｏｒ）」の含有割合が第１貯留部２内の含有割合よりも減損した重酸素水の水蒸気「Ｈ２１８Ｏ（ｖａｐｏｒ）」と、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」の含有割合が増加した水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」と、の混合ガス）を冷却して、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」の含有割合が増加した水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」と、トリチウム化重酸素水「ＨＴ１８Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」の含有割合が減損した重酸素水「Ｈ２１８Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」と、に分離する気液分離手段である。
【００４１】
また、第１気液分離器５は、第１反応塔１の二次側に設けられている。具体的には、図１に示すように、第１気液分離器５は、液成分が逆流しない構造を有する気体成分供給管８を介して、第１反応塔１の塔頂１ｂ側と接続されている。
【００４２】
第１気液分離器５としては、気液分離器出口の排気温度が、例えば、−２０℃以下、より好ましくは−６０℃以下とすることが可能な冷却器を設けて、第１反応塔１からの反応後の混合ガスを十分に気液分離できることが好ましい。気液分離器出口の排気温度を上述した温度以下とすることにより、貴重な重酸素水が大気中に放出されて失われることを防ぐことができる。なお、トリチウムを除去した重酸素水の回収率は、気液分離器出口の排気温度のみで決まり、例えば、−２０℃では８８％、−６０℃では９９．９％となる。すなわち、第１気液分離器５は、気液を十分に分離できるものであれば、形状、構造及び種類は特に限定されるものではない。このような気液分離器としては、具体的には、例えば、凝縮器、冷却器、膜分離器等が挙げられる。
【００４３】
本実施形態のトリチウム除去装置１０では、第１気液分離器５を備えているため、第１反応塔１での反応後の、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水の水蒸気「Ｈ２１８Ｏ（ｖａｐｏｒ）」と、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」の含有割合が増加した水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」と、の混合ガスを、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」の含有割合が増加した水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」とトリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水「Ｈ２１８Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」とに十分に気液分離することができる。また、第１気液分離器５と第１反応塔１とは、液成分が逆流しない構造を有する気体成分供給管８を介して接続されているため、第１反応塔１の内部を液体水が流下することがなくなり、第１反応塔１内に充填された白金系触媒の活性低下を防止することができる。
【００４４】
第１水素ガス導出管６は、第１気液分離器５によって分離された、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」の含有割合が増加した水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」を、上記第１気液分離器５から導出するために設けられた水素ガスの導出経路である。第１水素ガス導出管６は、第１気液分離器５の上部に接続されているが、接続場所は特に限定されるものではない。この第１水素ガス導出管６により、第１気液分離器５によって分離された、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」の含有割合が増加した水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」を当該第１気液分離器５の外部に導出することができる。換言すると、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」の含有割合が増加した水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」をトリチウム除去装置１０の系外へと排出することができる。
【００４５】
バイパス返液管７は、第１気液分離器５で分離されたトリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水「Ｈ２１８Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」を、第１反応塔１の内部を経由せずに、第１気液分離器５から第１貯留部２に直接返送するために設けられたバイパス経路である。具体的には、バイパス返液管７は、一端が第１気液分離器５と連通するように当該第１気液分離器５の下方側に接続されており、他端が第１貯留部２と連通するように当該第１貯留部２の下方側（液相側）に接続されている。これにより、第１気液分離器５で分離されたトリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水「Ｈ２１８Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」を、第１反応塔１の内部を経由せずに、第１貯留部２に直接返液されるため、第１反応塔１の内部を液体水が流下することがなくなり、第１反応塔１内に充填された白金系触媒の活性低下を防止することができる。
【００４６】
ところで、反応塔を用いる従来の濃縮装置では、気液分離した後の液成分を返液する場合、気液分離器から反応塔の上部側に戻すことが一般的であった。すなわち、反応塔の１次側と２次側に濃度差が生じるのであって、２次側で回収した液成分を、反応塔を通さずに１次側に直接戻すことは、せっかく分離したもの同士を混ぜてしまう行為であり、意味が無い。したがって、気液分離した後の液成分を返液する際に、反応塔での濃縮前（１次側）の液相部分に戻すという発想自体がなく、第１気液分離器５から第１貯留部２に直接返送するバイパス経路は存在しなかった。
【００４７】
これに対して、本実施形態のトリチウム除去装置１０は、トリチウムによって汚染された重酸素水からトリチウムを十分に除去することにより、重酸素水を再利用することを課題として、第１反応塔１内に充填された白金系触媒の活性低下を防止するバイパス返液管７を備えている。さらに、このバイパス返液管７によって、第１気液分離器５によって分離されたトリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水「Ｈ２１８Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」を第１貯留部２に直接返液する。したがって、本実施形態のトリチウム除去装置１０では、装置運転後の第１貯留部２から、トリチウムを十分に除去した重酸素水を回収することができる。
【００４８】
なお、本実施形態のトリチウム除去装置１０では、バイパス返液管７と気体成分供給管８とが、第１気液分離器５の下方側で一部共有する配管部分を有するとともに、分岐されている例について説明したが、この態様に限定されるものではない。例えば、バイパス返液管７と気体成分供給管８とが、完全に分離した態様であってもよい。
【００４９】
次に、本実施形態のトリチウム除去方法、すなわち、上述したトリチウム除去装置１０の運転方法について説明する。
本実施形態のトリチウム除去方法は、第１貯留部２内にトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を所要量供給する第１工程（第１ステップ）と、第１貯留部２内のトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を加熱して発生する水蒸気と水素ガスとを混合して第１反応塔１に導入する第２工程（第２ステップ）と、第１反応塔１内の白金系触媒によって、トリチウム化重酸素水と水素ガスとの間に同位体交換反応させる第３工程（第３ステップ）と、上記第３工程後の混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスと、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水と、に分離する第４工程（第４ステップ）と、上記第４工程で分離したトリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水を、上記第１反応塔１内を経由せずに第１貯留部２に直接返送する第５工程（第５ステップ）と、を備えて概略構成されている。
【００５０】
先ず、第１工程では、図１に示す第１貯留部２内に、トリチウム化重酸素水を含む重酸素水を、例えば、３０〜１００００ｇ供給する。特に、陽電子断層診断用医薬品の製造に用いる重酸素水中のトリチウムを除去する場合には、第１貯留部２内への供給量は、５０〜１０００ｇとすることが好ましく、５００〜８００ｇとすることがより好ましい。
なお、陽電子断層診断用医薬品の製造に使用した使用済み重酸素水に含まれる水素原子中のトリチウムの存在比は、一般的には１０−１１〜１０−９程度である。
【００５１】
次に、第２工程では、水素ボンベ９から水素ガス供給管４を介して第１貯留部２内の液相に水素ガスを供給する。この際、水素ガスの流量が、１〜２００ｄｍ３／ｍｉｎとなるように連続供給する。次いで、第１貯留部２内のトリチウム化重酸素水を含む重酸素水を、第１加熱器３によって、例えば、５０〜１５０℃に加熱する。この加熱によって発生するトリチウム化重酸素水を含む重酸素水の水蒸気と、水素ガスとを混合して第１反応塔１の塔底１ａ側に導入する。ここで、本実施形態のトリチウム除去装置１０では、水素ガス（Ｈ２）を第１貯留部２の液相部分を通すように供給するため、トリチウム化重酸素水を含む重酸素水の水蒸気を同伴させて第１反応塔１へと供給することができる。
【００５２】
次に、第３工程では、第１反応塔１内にトリチウム化重酸素水を含む重酸素水の水蒸気と水素ガスとを導入し、これらの気体同士を並流反応させる。具体的には、第１反応塔１内の白金系触媒によって、トリチウム化重酸素水と水素ガスとの間に同位体交換反応させて、トリチウム化重酸素水の含有割合が第１貯留部２内の含有割合よりも減損した重酸素水の蒸気「Ｈ２１８Ｏ（ｖａｐｏｒ）」と、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」の含有割合が増加した水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」と、の混合ガスを得る。
【００５３】
ここで、第１反応塔１の運転温度は、５０〜１５０℃の範囲とすることが好ましく、７０〜１００℃の範囲とすることがより好ましい。すなわち、上記式（１）中に示す平衡定数Ｋ１の値は、第１反応塔１の運転温度の上昇とともに小さくなるため、本実施形態のトリチウム除去装置１０では、第１反応塔１は可能な範囲で高い運転温度としたほうが好ましい。
【００５４】
また、第１反応塔１の運転圧力は、５０〜１０００ｋＰａの範囲とすることが好ましく、１００〜２００ｋＰａの範囲とすることがより好ましい。すなわち、より高い運転温度を選択するためには、その温度の飽和水蒸気圧を十分に上回る値の運転圧力（全圧）とする必要があり、本実施形態のトリチウム除去装置１０では、第１反応塔１は可能な範囲で高い運転圧力としたほうが好ましい。
【００５５】
次に、第４工程では、第１気液分離器５によって、第３工程によって得られた混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」の含有割合が増加した水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」と、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水「Ｈ２１８Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」と、に十分に気液分離する。
【００５６】
ここで、第１気液分離器５の運転温度は、出口側の排気温度を−２０℃以下とすることが好ましく、−６０℃以下とすることがより好ましい。また、第１気液分離器５の運転圧力は、５０〜１０００ｋＰａの範囲とすることが好ましく、１００〜２００ｋＰａの範囲とすることがより好ましい。
【００５７】
次に、第５工程では、第４工程で分離した、トリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水「Ｈ２１８Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」を、第１反応塔１内を経由せずに第１貯留部２内に直接返液する。同時に、第４工程で分離した、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」の含有割合が増加した水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」を、第１気液分離器５から第１水素ガス導出管６を介して当該第１気液分離器５の外側に導出する（トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスをトリチウム除去装置１０の系外へと排出する）。
【００５８】
本実施形態のトリチウム除去方法では、運転時間内において上述した第２〜第５工程を連続して繰り返し行う。これにより、第１貯留部２内の重酸素水中のトリチウム濃度を低減することができる。
【００５９】
なお、本実施形態において、運転時間とは、水素ガスを流し始めてからの経過時間をいうものとする。また、本実施形態のトリチウム除去方法では、運転時間は、特に限定されるものではなく、他の運転条件（未処理の重酸素水の供給量、水素ガスの供給量、第１反応塔１の運転温度等）に応じて適宜選択することができる。具体的には、他の運転条件がそれぞれ上述した好適な範囲である場合には、例えば、１２〜２４時間とすることができる。
【００６０】
最後に、トリチウム除去装置１０の運転終了後において、第１貯留部２からトリチウム化重酸素水の含有割合が微小な重酸素水を回収する。すなわち、本実施形態のトリチウム除去方法によれば、重酸素水中のトリチウム化重酸素水の含有割合を、理論的には天然存在比である１０−１７程度とすることが可能であり、第１貯留部２から最終的に得られる重酸素水からトリチウムをほぼ完全に除去することができる。これにより、トリチウムを十分に除去した重酸素水を得ることができる。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態のトリチウム除去装置１０及びこれを用いたトリチウム除去方法によれば、第１反応塔１での反応後の混合ガスを第１気液分離器５により冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスとトリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水とに分離し、分離後のトリチウム化重酸素水の含有割合が減損した重酸素水を、バイパス返液管７によって第１反応塔１を経ずに第１貯留部２へと直接戻す構成となっている。これにより、第１反応塔１内を液体水が流下しなくなるため、第１反応塔１内に充填された白金系触媒の劣化を避けることができる。したがって、トリチウム除去性能の低下を招くことがなく、重酸素水からトリチウムをほぼ完全に除去することができるため、重酸素水の再生が可能となる。
【００６２】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明を適用した第２の実施形態について説明する。図２は、本発明を適用した第２実施形態のトリチウム除去装置２０の一例を示す系統図である。
【００６３】
本実施形態のトリチウム除去装置２０は、第１実施形態のトリチウム除去装置１０の構成に加えて、さらに、第２反応塔２１、第２貯留部２２及び第２加熱器（第２加熱手段）２３からなる液相化学交換塔と、給水管（給水経路）２４Ａ及び排水管（排水経路）２４Ｂと、第２気液分離器（第２気液分離手段）２５と、第２水素ガス導出管（第２水素ガス導出経路）２６と、をさらに備える構成となっている。したがって、本実施形態のトリチウム除去装置２０については、第１の実施形態と同一の構成部分については同じ符号を付すると共に説明を省略する。
【００６４】
第２反応塔２１は、トリチウム化水素ガス（ＨＴ）と水（Ｈ２Ｏ）との間に同位体交換反応させるための反応塔である。より具体的には、第２反応塔２１は、気体同士を並流反応させるとともに気液を向流反応させるための反応塔である。この第２反応塔２１内には、白金系触媒が充填されており、トリチウム化水素ガス（ＨＴ）を含む水素ガス（Ｈ２）と水蒸気とを混合して第２反応塔２１の塔底２１ａ側から導入するとともに、第２反応塔２１内に水を流下させることにより、白金系触媒上では下記式（２）、一方、気液界面では下記式（３）に示す同位体交換反応が生じて、トリチウムが水素ガスから水蒸気を経て液体水へと移行する。
【００６５】
【化２】
2015051893.tif 000004
【化３】
2015051893.tif 000005
【００６６】
第２反応塔２１の大きさは、特に限定されるものではなく、重酸素水の処理量や運転条件等によって、適宜選択することができる。具体的には、例えば、重酸素水の処理量が１日あたり５０〜１０００ｇの場合には、内径が２〜１０ｃｍ、有効充填長が１００〜２００ｃｍの反応塔を用いることが好ましい。また、第２反応塔２１の材質は、耐熱性及び耐圧性を有しており、水素を容易に透過しなければ、ガラス製、樹脂性及び金属製のいずれであってもよく、特に限定されるものではない。
【００６７】
白金系触媒としては、トリチウム化水素ガスと水蒸気との間に、上記式（２）に示す同位体交換反応させることが可能な触媒であれば、特に限定されるものではない。具体的には、上記第１反応塔に用いた触媒と同じ触媒を用いることができる。なお、本実施形態のトリチウム除去装置２０で用いる白金系触媒は、親水性充填物として、例えば、「Ｄｉｘｏｎ  ｇａｕｚｅ  ｒｉｎｇ（東京特殊金網製、ＳＵＳ３１６、６ｍｍ大）」を用いて、これらを適当量混合して第２反応塔２１内に充填することが好ましい。また、第２反応塔２１内に、白金系触媒と親水性充填物とを交互に充填して層状としても良い。
【００６８】
第２貯留部２２は、トリチウム水（ＨＴ１６Ｏ）を含む水（Ｈ２１６Ｏ）を所要量貯留するために設けられた、気密な貯液槽である。第２貯留部２２は、図２に示すように、第２反応塔２１の下方に設けられているが、この態様に限定されるものではない。この第２貯留部２２は、トリチウム水の水蒸気を第２反応塔２１に供給するために、第２反応塔２１の塔底２１ａ側（すなわち、第２反応塔２１の一次側）に設けられていればよい。
【００６９】
第２貯留部２２の材質、形状及び容量は、特に限定されるものではなく、トリチウム処理装置２０における重酸素水の処理量、第２反応塔２１への水蒸気の供給量等に応じて適宜選択することができる。特に、陽電子断層診断用医薬品の製造に用いる重酸素水中のトリチウムを除去する場合には、第２貯留部２２の容量は、５００〜５０００ｃｍ３とすることが好ましく、１０００〜２０００ｃｍ３とすることがより好ましい。
【００７０】
なお、第２貯留部２２の構成は一例であり、上記構成に限定されるものではない。例えば、図２では、第２貯留部２２は、第２反応塔２１と別々に設けられた構成となっているが、第２反応塔２１と第２貯留部２２とが一体化された構成であっても良い。
【００７１】
第２加熱器２３は、第２貯留部２２内のトリチウム水を含む水を加熱して、トリチウム水の水蒸気「ＨＴ１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」を第２反応塔２１内に供給する加熱手段である。第２加熱器２３としては、トリチウム水を含む水を５０〜１５０℃に加熱することが可能なものであれば、形状及び構造は特に限定されるものではない。具体的には、第２加熱器２３としては、第１加熱器３と同じものを用いることが可能である。
【００７２】
本実施形態のトリチウム除去装置２０は、第１水素ガス導出管６が第２貯留部２２に接続されており、第１気液分離器５によって分離された、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」を含む水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」（トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガス）を、第２貯留部２２の液相に供給可能とされている。したがって、第２貯留部２２内にトリチウム化水素ガスを含む水素ガスを通すことにより、トリチウム水の水蒸気「ＨＴ１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」を同伴させて第２反応塔２１の塔底２１ａ側から内部へと導くことができる。また、第１水素ガス導出管６から供給されるトリチウム化水素ガスを含む水素ガスの流量は、水素ガス供給管４から第１反応塔１内に供給する水素ガスの流量とほぼ等しくなる。
【００７３】
なお、第１水素ガス導出管６と第２貯留部２２との接続の構成は一例であり、上記構成に限定されるものではない。例えば、図２では、第１水素ガス導出管６は、一端が第２貯留部２２内の液相に設けられた構成となっているが、トリチウム水の水蒸気とトリチウム化水素ガスとを混合して第２反応塔２１の塔底２１ａ側から導入することが可能であれば、第１水素ガス導出管６の一端が第２貯留部２２内の液相以外に設けられた構成であっても良い。
【００７４】
給水管２４Ａは、図示略の水供給源から第２反応塔２１内に連続して水（蒸留水、Ｈ２１６Ｏ）を供給するための給水経路である。この給水管２４Ａを設ける位置は、第２反応塔２１内の上方から下方に流下するように水を供給することが可能であれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、図２に示すように、第２反応塔２１の塔頂２１ｂ側の、第２反応塔２１と第２気液分離器２５との連結部に給水管２４Ａが接続されている。
【００７５】
また、給水管２４Ａから第２反応塔２１内への給水量は、処理量や運転条件によって適宜選択することができる。特に、陽電子断層診断用医薬品の製造に用いる重酸素水中のトリチウムを除去する場合であって、第１貯留部２に供給する重酸素水の処理量が５０〜１０００ｇの場合には、給水管２４Ａから第２反応塔への水の流量は、２〜４０ｇ／ｍｉｎとすることが好ましく、３〜６０ｇ／ｍｉｎとすることがより好ましい。
【００７６】
排水管２４Ｂは、第２貯留部２２の液相から、トリチウム水を含む水（トリチウム水を所定の含有割合で含む水）を排出するために設けられた排水経路である。排水管２４Ｂを設ける位置は、第２貯留部２２の液相部分からトリチウム水を含む水を排出することが可能であれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、図２に示すように、第２貯留部２２の底部側に排水管２４Ｂが接続されている。なお、排水管２４Ｂからの排水量は、適宜選択することが可能であるが、給水管２４Ａからの給水量と同じ流量とすることが好ましい。
【００７７】
また、排水管２４Ｂには、図示略の排水回収手段が接続されており、トリチウム水を確実に回収できるようになっている。
【００７８】
ところで、特許文献１等に示すように、従来のトリチウム除去技術では、トリチウムを排出基準の緩い水素ガスの形［ＨＴ（ｇａｓ）］で放出することを推奨している。しかしながら、一般的に、土壌や植物、湖水、海水の表面には酸化細菌が多量に存在しており、それらの酸化細菌によって、水素ガスは速やかに酸化されて液体水の形になることが知られている。したがって、トリチウムを排出基準の緩い水素ガスの形で放出することは、人体影響に関してトリチウムを水の形で放出することと大差無く、むしろ排出基準が緩いために水の形で放出するよりもトリチウムを多量に放出してしまう可能性が懸念される。
【００７９】
これに対して、本実施形態のトリチウム除去装置２０によれば、処理前の重酸素水中のトリチウムを、水素ガスを介して水に移すことができるため、自然界において安定な形態である液体水として確実に回収することができる。
【００８０】
第２気液分離器２５は、第２反応塔２１の二次側に設けられており、第２反応塔２１での反応後の混合ガス（すなわち、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」と、トリチウム水「ＨＴ１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」の含有割合が微小な水蒸気「Ｈ２１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」と、の混合ガス）を冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」と、トリチウム水「ＨＴ１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」の含有割合が微小な水「Ｈ２１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」と、に分離する気液分離手段である。
【００８１】
第２気液分離器２５としては、気液分離器出口の排気温度が、例えば、−６０℃以下、より好ましくは−１００℃以下に冷却することが可能な冷却器を設けて、第２反応塔２１からの反応後の混合ガスを十分に気液分離できることが好ましい。例えば、トリチウム除去装置２０のトリチウムの除染係数を１０６とした場合、第１貯留槽２への１６Ｏの混入は、第２気液分離器２５の出口の排気温度が−６０℃のとき１４００ｐｐｍ、−１００℃のとき１ｐｐｍ程度となる。さらに、第２気液分離器２５の出口の排気温度を液体窒素（−１９６℃）で冷却すれば、第１貯留槽２への１６Ｏの混入は無視できるほどに極微小となる。すなわち、第２気液分離器２５は、気液を十分に分離できるものであれば、形状、構造及び種類は特に限定されるものではない。また、第２気液分離器２５には、第１気液分離器５と同じものを用いることができる。
【００８２】
本実施形態のトリチウム除去装置２０では、第２気液分離器２５で分離した、トリチウム水「ＨＴ１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」の含有割合が微小な水「Ｈ２１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」を、給水管２４Ａからの供給水とともに第２反応塔２１の内部を上方（塔頂方向）から下方（塔底方向）へと流下させる。
【００８３】
第２水素ガス導出管２６は、第２気液分離器２５によって分離されたトリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」を上記第２気液分離器２５から導出するために設けられた水素ガスの導出経路である。
【００８４】
なお、本実施形態のトリチウム除去装置２０を構成する第２反応塔２１は、同位体の分離性能が高い。このため、２ｍ程度の長さの第２反応塔２１を用いれば、反応後の混合ガスである、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」について、水素ガス中のトリチウム化水素ガスの含有割合を１０−１６以下とすることができる。換言すると、水素原子中のトリチウムの存在比を５×１０−１７以下にできる。すなわち、第２水素ガス導出管２６内に導出されるガスは、ほぼ完全に水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」であるといえる。
【００８５】
同様に、上述した第２反応塔２１での反応後の「トリチウム水の含有割合が微小な水蒸気」および、第２気液分離器２５によって冷却された後の凝縮液である「トリチウム水の含有割合が微小な水」についても、水中のトリチウム水の含有割合を１０−１６以下（換言すると、水素原子中のトリチウムの存在比を５×１０−１７以下）とすることができる。すなわち、第２気液分離器２５から第２反応塔２１内へと還流する水は、ほぼ完全に水「Ｈ２１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」であるといえる。なお、第２反応塔２１の内部には、後述するようにトリチウム成分の濃度分布が存在するため、本実施形態において「トリチウム水の含有割合が微小な水（又は水蒸気）」とは、厳密には、第２反応塔２１の塔頂２１ｂから第２気液分離器２５内に存在するものを示すものとする。
【００８６】
第２水素ガス導出管２６は、第２気液分離器２５の上部に設けられているが、接続場所は特に限定されるものではない。また、第２水素ガス導出管２６は、循環ポンプ２７を介して水素ガス供給管４に接続されている。これにより、第２気液分離器２５によって分離された、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」を当該第２気液分離器２５の外部に導出するとともに、第１貯留部２を介して第１反応塔１に再度供給することができる。換言すると、トリチウム除去装置２０内において、水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」を循環させて使用することができる。したがって、本実施形態のトリチウム除去装置２０によれば、水素ガスの使用量と環境放出量を低減して安全性を高めることができる。
【００８７】
次に、本実施形態のトリチウム除去方法、すなわち、上述したトリチウム除去装置２０の運転方法について説明する。
本実施形態のトリチウム除去方法は、第１実施形態のトリチウム除去方法の第１〜第５工程に加えて、さらに、第１反応塔１の二次側に設けられた第２反応塔２１内の上方から下方に流下するように連続して水を供給するとともに、第２反応塔２１の塔底２１ａ側に設けられた第２貯留部２２に水を一時的に貯留する第６工程（第６ステップ）と、第２貯留部２２を加熱して発生する水蒸気と、第４工程で分離した、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガスと、を混合して第２反応塔２１に導入する第７工程（第７ステップ）と、第２反応塔２１内の白金系触媒によって、トリチウム化水素ガスと水との間に同位体交換反応させる第８工程（第８ステップ）と、第８工程後の混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスと、トリチウム水の含有割合が微小な水と、に分離する第９工程（第９ステップ）と、第９工程で分離した、トリチウム水の含有割合が微小な水を、第２反応塔２１内の上方から下方に流下させて第２貯留部２２に供給するとともに、この第２貯留部２２からトリチウム水を含む水を排出する第１０工程（第１０ステップ）と、第１貯留部２から、トリチウム化重酸素水の含有割合が微小な重酸素水を回収する第１１工程（第１１ステップ）と、をさらに備え、第９工程で分離したトリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガスを、第２工程で用いる構成となっている。したがって、本実施形態のトリチウム除去方法については、第１の実施形態と同一の工程については説明を省略する。
【００８８】
先ず、第６工程では、図２に示す給水管２４Ａから蒸留水（Ｈ２１６Ｏ）を、例えば、２〜４０ｇ／ｍｉｎの流量で、第２反応塔２１内の上方から下方に流下するように連続して供給する。そして、第２反応塔２１の塔底２１ａ側に設けられた第２貯留部２２に水を一時的に貯留する。ここで、水を一時的に貯留するとは、第２貯留部２２に液相部分を形成しつつ、給水管２４Ａからの給水と同じ流量で排水管２４Ｂから排水する間、第２貯留部２２内に水が滞留することをいう。なお、第６工程は、第２工程とほぼ同時か、第２工程よりも前に開始することが好ましい。
【００８９】
次に、第７工程では、第１気液分離器５から第１水素ガス導入管６を介して第２貯留部２２内の液相に、第４工程で分離した、トリチウム化水素ガスの含有割合が増加した水素ガス（すなわち、トリチウム化水素ガスを含む水素ガス）を供給する。次いで、第２貯留部２２内の水（後述する第６〜第１０工程を連続して複数回繰り返した後には、トリチウム水を含む水）を、第２加熱器２３によって、例えば、５０〜１５０℃に加熱する。この加熱によって発生する水蒸気「Ｈ２１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」（経過後は、トリチウム水を含む水の水蒸気）と、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」を含む水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」とを混合して、第２反応塔２１の塔底２１ａ側に導入する。ここで、本実施形態のトリチウム除去装置２０では、水素ガスを第２貯留部２２の液相部分を通すように供給するため、トリチウム水を含む水の水蒸気「Ｈ２１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」を同伴させて第２反応塔２１へと供給することができる。
【００９０】
次に、第８工程では、第２反応塔２１内の白金系触媒によって、トリチウム化水素ガスと水との間に同位体交換反応させる。具体的には、先ず、上記式（２）に示すように、トリチウム化水素ガス「ＨＴ（ｇａｓ）」と水蒸気「Ｈ２１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」との間に同位体交換反応させて、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」とトリチウム水「ＨＴ１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」の含有割合が増加した水蒸気「Ｈ２１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」とを得る。次いで、上記式（３）に示すように、トリチウム水の水蒸気「ＨＴ１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」と、第２反応塔２１内を流下する水「Ｈ２１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」との間に同位体交換反応させて、トリチウム水「ＨＴ１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」の含有割合が減損した水蒸気「Ｈ２１６Ｏ（ｖａｐｏｒ）」とトリチウム水「ＨＴ１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」の含有割合が増加した水「ＨＴ１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」とを得る。なお、第２反応塔２１内では、上記式（２）及び上記式（３）の反応が何度も繰り返されており、水素ガスと水蒸気とが上方（塔頂方向）に流れ、水が下方（塔底方向）に流れることとなる。したがって、トリチウム成分は第２反応塔２１の上部（塔頂部）ほど濃度が薄くなり、下部（塔底部）ほど濃度が濃くなる。
【００９１】
ここで、第２反応塔２１の運転温度は、５０〜１５０℃の範囲とすることが好ましく、６０〜７０℃の範囲とすることがより好ましい。
また、第２反応塔２１の運転圧力は、５０〜１０００ｋＰａの範囲とすることが好ましく、１００〜２００ｋＰａの範囲とすることがより好ましい。
【００９２】
次に、第９工程では、第２気液分離器２５によって、第８工程によって得られた混合ガスを冷却して、トリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」と、トリチウム水「ＨＴ１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」の含有割合が微小な水「Ｈ２１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」と、に十分に気液分離する。
【００９３】
ここで、第２気液分離器２５の運転温度は、出口側の排気温度を−６０℃以下とすることが好ましく、−１００℃以下とすることがより好ましい。また、第２気液分離器２５の運転圧力は、５０〜１０００ｋＰａの範囲とすることが好ましく、１００〜２００ｋＰａの範囲とすることがより好ましい。
【００９４】
次に、第１０工程では、第９工程で分離したトリチウム水「ＨＴ１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」を微小に含む水「Ｈ２１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」を、給水管２４Ａからの蒸留水とともに、第２反応塔２１内の上方から下方に流下させた後、第２貯留部２２に供給するとともに、第２貯留部２２から排水管２４Ｂを介して排出されたトリチウム水（実際には、トリチウム水を含む水）を確実に回収する。同時に、第９工程で分離したトリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」を、第２水素ガス導出管２６及び循環ポンプ２７を介して水素ガス供給管４に供給する。このトリチウム化水素ガスの含有割合が微小な水素ガス「Ｈ２（ｇａｓ）」は、上述した第２工程で再度用いる。
【００９５】
なお、第２反応塔２１の内部には、上述したようにトリチウム成分の濃度分布が存在するため、本実施形態において「トリチウム水の含有割合が微小な水（又は水蒸気）」とは、厳密には、第２反応塔２１での分離後から、第２気液分離器２５での気液分離を経た後に第２反応塔２１内に流下させるまでの間を示すものとする。
【００９６】
本実施形態のトリチウム除去方法では、運転時間内において上述した第２〜第５工程を連続して繰り返し行う。これにより、第１貯留部２内の重酸素水中のトリチウム濃度を低減することができる。同時に、上述した第６〜第１０工程も連続して繰り返し行う。これにより、第２〜第５工程で使用した水素ガスを十分に再生して循環利用することができるため、水素ガスの使用量及び排出量を低減することができる。
【００９７】
なお、本実施形態において、運転時間とは、水素ガスを流し始めてからの経過時間をいうものとする。また、本実施形態のトリチウム除去方法では、運転時間は、特に限定されるものではなく、他の運転条件（未処理の重酸素水の供給量、水素ガスの供給量、第１反応塔１の運転温度等）に応じて適宜選択することができる。具体的には、他の運転条件がそれぞれ上述した好適な範囲である場合には、例えば、１２〜２４時間とすることができる。
【００９８】
最後に、第１１工程では、トリチウム除去装置２０の運転終了後に第１貯留部２からトリチウム化重酸素水の含有割合が微小な重酸素水を回収する。これにより、トリチウムを十分に除去した重酸素水を得ることができる。
【００９９】
以上説明したように、本実施形態のトリチウム除去装置２０及びこれを用いたトリチウム除去方法によれば、第１実施形態と同様に、トリチウム除去性能の低下を招くことがなく、重酸素水からトリチウムをほぼ完全に除去することができるため、重酸素水の再生が可能となる効果が得られる。
【０１００】
また、本実施形態のトリチウム除去装置２０及びこれを用いたトリチウム除去方法によれば、第１実施形態のトリチウム除去装置１０の構成に、第２反応塔２１を含む液相化学交換塔を組み合わせて用いるため、水素ガスを循環して使用することができるようになり、水素ガスの使用量と環境放出量とを著しく低減して安全性を高めることができる。さらに、液相化学交換塔によってトリチウムを水素ガスから水に移行させて排出するため、トリチウムで汚染した水素ガスを広く環境中に拡散することを防止し、トリチウムを化学的に安定なトリチウム水「ＨＴ１６Ｏ（ｌｉｑｕｉｄ）」の形で排出することができる。
【０１０１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【０１０２】
以下、具体例を示す。
＜実施例１＞
図１に示す構成のトリチウム除去装置を用いて、下記に示す検証を行った。
具体的には、第１反応塔１として、内径２．５ｃｍ、有効充填長３０ｃｍの耐熱ガラス製の反応塔を用いた。また、第１反応塔１には、白金触媒としてＫｏｇｅｌ触媒（ガンツ化成製、１．０ｗ％−Ｐｔ、平均直径５．４±０．４ｍｍ）を充填して用いて、以下の操作を行った。
【０１０３】
先ず、約１０００Ｂｑ／ｃｍ３のトリチウム水（ＨＴ１６Ｏ）６００ｇを第１貯留部２に入れ、第１反応塔１および第１貯留部２の温度を７０℃に保った。次に、水素ガスボンベ９から水素ガス（Ｈ２）を８ｄｍ３／ｍｉｎで流し、第１貯留部２内の液相部分を通すことでトリチウム水の水蒸気（ＨＴ１６Ｏ）を同伴させて第１反応塔１へと導いた。第１反応塔１内の白金触媒上で生じる上記式（２）の反応により、トリチウムを水蒸気から水素ガスへと移した。
【０１０４】
次に、反応塔２を出た水素ガスと水蒸気との混合ガスを、第１気液分離器５を用いて０℃まで冷却し、水素ガスと凝縮液とに分離した。そして、トリチウムを含む水素ガス（トリチウム化水素ガスを含む水素ガス）を、第１水素ガス導出管６を通して第１気液分離器５から排気した。一方、第１気液分離器５で得られた凝縮液は、第１反応塔１に戻すのではなく、バイパス返液管７を通して第１貯留部２に戻した。そして、第１貯留部２内の水を適時サンプリングし、そのトリチウム濃度を液体シンチレーションカウンタ（Ａｌｏｋａ社製、ＬＳＣ−５１００）を用いて測定し、トリチウム濃度の経時変化を得た。
【０１０５】
上述の操作を、試料水量３００ｇ、水素ガス流量１２ｄｍ３／ｍｉｎの条件についても行った。
【０１０６】
第１貯留部２内のトリチウム濃度の経時変化を図３に示す。
図３に示すように、いずれの条件においても、時間経過とともに第１貯留部２内のトリチウム濃度が低下しており、トリチウムを除去できることが確認できた。
【０１０７】
また、物質収支式と平衡関係式とを解析的に解くことにより、第１貯留部２内のトリチウム濃度の経時変化を予測する、下記式（Ａ）を得た。
【０１０８】
【数１】
2015051893.tif 000006
【０１０９】
ここで、上記式（Ａ）中に示したｘは第１貯留部２内の水中のトリチウム濃度、ｘ０はその初期濃度である。また、ｔは水素ガスを流し始めてからの経過時間、ｔ０は時定数、Ｕは第１貯留部２内のトリチウム水の量、α０は気液交換反応の平衡分離係数、Ｋ１は上記式（２）の平衡定数、ＶとＧはそれぞれ水蒸気と水素ガスの流量である。
【０１１０】
図３に、上記式（Ａ）による計算結果を示す。図３に示すように、計算結果は実測により得られたトリチウム濃度の経時変化を良く再現しており、上記式（Ａ）により本発明の装置のトリチウム除去性能を予測できることが確認できた。また、図３に示すように、上記式（Ａ）の計算値通りにトリチウム濃度が減少していることから、使用した白金触媒が劣化していないことが示唆されており、本発明が有効に作用していることを確認できた。
【０１１１】
＜実施例２＞
図２に示す構成のトリチウム除去装置を用いて、下記に示す検証を行った。
具体的には、第１反応塔１には、内径２．５ｃｍ、有効充填長１０ｃｍの耐熱ガラス製の反応塔を用いた。また、第１反応塔１には、白金触媒としてＫｏｇｅｌ触媒（ガンツ化成製、１．０ｗ％−Ｐｔ、平均直径５．４±０．４ｍｍ）を充填した。
また、第２反応塔２１には、内径２．５ｃｍ、有効充填長１００ｃｍの耐熱ガラス製の反応塔を用いた。この第２反応塔２１には、白金触媒として同上のＫｏｇｅｌ触媒を、親水性充填物として「Ｄｉｘｏｎ  ｇａｕｚｅ  ｒｉｎｇ」（東京特殊金網製、ＳＵＳ３１６、６ｍｍ大）を用い、これらを適当量混合して充填した。
また、運転圧力は大気圧とし、第１反応塔１、第１貯留部２、第２反応塔２１及び第２貯留部２２の温度を全て７０℃に保った。
さらに、第１気液分離器５及び第２気液分離器２５は、出口側の排気温度が０℃となるように冷却して、以下の操作を行った。
【０１１２】
先ず、第１貯留部２に、約０．１８ＭＢｑ／ｃｍ３の重酸素水（ＨＴ１８Ｏ）を３０ｃｃ（３３ｇ）入れ、装置内を十分に窒素で置換した後に水素ガスを導入し、循環ポンプ２７を用いて２ｄｍ３／ｍｉｎの流量で循環させた。また、液相化学交換塔を構成する第２反応塔２１の上部に設けられた給水管２４Ａから３ｇ／ｍｉｎの流量で蒸留水（Ｈ２１６Ｏ）を供給し、第２貯留部２２の底部側に設けられた排水管２４Ｂから同じく３ｇ／ｍｉｎの流量で第２貯留部２２内の水を排出した。
【０１１３】
第１反応塔１の内部では、上記式（１）に示す反応により、トリチウムが水蒸気から水素ガスへと移行させた。次に、第１反応塔１を出た水素ガスと水蒸気との混合ガスを、第１気液分離器５を用いて０℃まで冷却し、水素ガスと凝縮液とに分離した。第１気液分離器５で得られた凝縮液を、バイパス返液管７を通して第１貯留部２に戻した。
【０１１４】
一方、第１水素ガス導出管６から排出されたトリチウムを含む水素ガス（トリチウム化水素ガスを含む水素ガス）を、液相化学交換塔の第２貯留部２２を通して第２反応塔２１へと流した。
第２反応塔２１の内部では、上記式（２）及び上記式（３）に示す反応により、トリチウムを水素ガスから水蒸気を経て液体水へと移行させた。
【０１１５】
計２１．３時間の運転を行った後、第１貯留部２内の重酸素水をサンプリングして、そのトリチウム濃度を液体シンチレーションカウンタで測定した。第１貯留部２内および排水管２４Ｂにおけるトリチウム濃度の経時変化の計算結果と測定値とを図４に示す。
【０１１６】
図４に示すように、水素ガスの通気開始から２１．３時間経過後の第１貯留部２内の重酸素水のトリチウム濃度は、管理区域からの排出基準である６０Ｂｑ／ｃｍ３を下回り、４６．５Ｂｑ／ｃｍ３まで低減されており、実施例１で示した式（Ａ）による計算結果とも良く一致することが確認できた。
【０１１７】
なお、本発明のトリチウム除去方法によれば、水素ガスの通気時間を長くすればするほど重酸素水中のトリチウム濃度を低減することができ、原理的には蒸留水のレベルまでトリチウム濃度を低減することが可能である。
【０１１８】
本実施例において発生したトリチウム含有排水（トリチウム水を含む水）は、総量が約４リットルで平均のトリチウム濃度が１．４ｋＢｑ／ｃｍ３となった。この排水は、容易に希釈して安全に排出することができる。
【０１１９】
また、本実施例では、水素ガスの使用量は１リットル程度となり、水素ガスを循環せずに使用した場合の使用量約２．６ｍ３に対して、使用量を１／２５００以上に削減することができた。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明のトリチウム除去装置及びトリチウム除去方法は、陽電子断層診断用医薬品の製造に用いる重酸素水中のトリチウムを除去するために利用することができる。
【符号の説明】
【０１２１】
１  第１反応塔
２  第１貯留部
３  第１加熱器（第１加熱手段）
４  水素ガス供給管（水素ガス供給経路）
５  第１気液分離器（第１気液分離手段）
６  第１水素ガス導出管（第１水素ガス導出経路）
７  バイパス返液管（バイパス返液経路）
８  気体成分供給管
９  水素ガスボンベ
１０、２０  トリチウム除去装置
２１  第２反応塔
２２  第２貯留部
２３  第２加熱器（第２加熱手段）
２４Ａ  給水管（給水経路）
２４Ｂ  排水管（排水経路）
２５  第２気液分離器（第２気液分離手段）
２６  第２水素ガス導出管（第２水素ガス導出経路）
２７  循環ポンプ
【図１】
2015051893.tif 000007
【図２】
2015051893.tif 000008
【図３】
2015051893.tif 000009
【図４】
2015051893.tif 000010