(57)【要約】【課題】電解法でのトリチウム除去率の向上を図れる新たなトリチウム回収用三室型電解槽およびこれを用いたトリチウム回収用システムを提供する。【解決手段】陽極電極の置かれる陽極室と、該陽極室と陽極側電解質膜で隔てられトリチウムを含んだ水が注入される中間室と、該中間室と陰極側電解質膜で隔てられ陰極電極の置かれる陰極室と、を備えるトリチウム回収用三室型電解槽であって、前記中間室に光触媒が置かれると共に前記光触媒がトリチウムと酸素の結合を解離する波長を含む光線を照射される三室型電解槽およびこれを多段接続したトリチウム回収システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極の置かれる陽極室と、該陽極室と陽極側電解質膜で隔てられトリチウムを含んだ水が注入される中間室と、該中間室と陰極側電解質膜で隔てられ陰極の置かれる陰極室と、を備えるトリチウム回収用三室型電解槽であって、
前記中間室に光触媒が置かれると共に前記光触媒がトリチウムと酸素の結合を解離する波長を含む光線を照射されるトリチウム回収用三室型電解槽。
【請求項２】
前記光触媒が、少なくともＰｄ−Ｐｔ、ＳｒＴｉＯ３、ＫｎｂＯ及びＶ−Ｎｉ−Ｐｔの何れかを含む請求項１に記載のトリチウム回収用三室型電解槽。
【請求項３】
前記光触媒に照射される光線の波長が１０８ｎｍ乃至３５２ｎｍの波長を含む請求項１又は２に記載のトリチウム回収用三室型電解槽。
【請求項４】
前記波長が少なくとも１７２ｎｍ、１８５ｎｍ、２５４ｎｍ波長のうち何れか一つを含む請求項１乃至３の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽。
【請求項５】
前記陰極側電解質膜が、Ｐｄ又は前記光触媒を担持される請求項２乃至４の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽。
【請求項６】
前記陰極に前記光触媒を坦持させると共に前記光触媒がトリチウムと酸素の結合を解離する波長を含む光線を照射される請求項２乃至５の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽。
【請求項７】
前記陰極室に水素吸蔵金属が置かれてトリチウムを吸蔵する請求項１乃至６の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽。
【請求項８】
前記水素吸蔵金属が、Ｖ−Ｎｉ−Ｐｔ，Ｚｒ−Ｃｏ又はＵ２３８を含む請求項７に記載のトリチウム回収用三室型電解槽。
【請求項９】
前記水素吸蔵金属に波長２５４ｎｍ又は波長１８４．９ｎｍの光が照射される請求項８に記載のトリチウム回収用三室型電解槽。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽からの処理水が次段の請求項１乃至９の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽へ流入する多段階構造を有するトリチウム回収用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トリチウム回収用三室型電解槽及びトリチウム回収システム関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トリチウムは、水素の放射性同位体（記号Ｔで表わす）で半減期１２．３年で非常に低いエネルギーのベータ線を放出して、ヘリウム３（3Ｈｅ）となる。電気出力１００万ｋＷの軽水炉を１年間運転すると、原子炉ごとに異なるが、加圧水型軽水炉内には約２００兆ベクレル（２×１０14Ｂｑ）、沸騰水型軽水炉では約２０兆ベクレル（２×１０13Ｂｑ）が蓄積する。
【０００３】
トリチウム単体で肺に入った時は、０．００５％しか吸収されないが、酸素と結合した水蒸気の形では１００％が体内に取り込まれる。体内に取り込まれたものは約２ヶ月の間に排出される。体内に入っているトリチウムは全身に分布し、特定の器官には濃縮されない。
【０００４】
生体に対する影響として、体内取り込みによる内部被曝が問題になる。１０，０００ベクレルを含む水を経口摂取した時の実効線量は０．０００１８ミリシーベルトになる。
【０００５】
福島の原発事故による海洋汚染について、１９８５年から１９９５年に掛けては、海水サンプルから検出されるトリチウムの濃度が約１０ベクレル／リットルだったが、２０１３年の夏の時点で１リットル当たり２３００ベクレルと発表されており汚染水の対策は急務である。
【０００６】
水素の同位体であるトリチウムの除去には幾つかの方法が提案されている。例えば、特許文献１には、酸化反応及び／あるいはフッ素化反応を利用する気相ガス化除染方法が開示されている。
【０００７】
また、ガス状態の水素同位体を分離する材料として無機物質からなる基材にＰｄとＰｔからなる合金を担持させたものが特許文献２に開示されている。重水素やトリチウムを含むガスを軽水素分子と重水素分子と３重水素分子に形態変換して分離回収する。重水素や３重水素を含むガスの方が水素を含むガスよりも同位体分離の時間応答が有意に早いことを用いるものである。
【０００８】
Ｈ2Ｏ，ＨＴＯ，Ｔ2Ｏの物理的性質の違いを利用する除去技術として水蒸留法と呼ばれる蒸気圧の差を利用してこれらを分離する方法がある。ただし十分な分離をするには、比揮発度がほぼ１に近く分離性能が高くないため多段にする必要がある。そのため設備規模が大きくなりエネルギー消費が大きいという問題点がある。
【０００９】
液体状態の水素，重水素，トリチウムの各純成分の沸点はそれぞれ２０．４  Ｋ，２３．６  Ｋ，２４．９  Ｋ  であるのでこの沸点の違いにより分離する深冷蒸留法では、それぞれの分子の沸点の違いを利用して各分子を分離することができる。ただし、極低音にする必要がありエネルギー消費量が大きいという問題点がある。
【００１０】
上記の水蒸留法や深冷蒸留法は温度を上昇又は下降させるためにエネルギー消費量が大きいので常温での処理が可能な方法として特許文献３に開示されている電解法がある。トリチウムを含む汚染水を電気分解して、汚染水中のトリチウム濃度を上げる方法である。転換炉原子炉「ふげん」に設置された重水精製装置はトリチウム濃縮に使えるが、ランニングコストが約２０００万円／リットル掛かるので、数１００万トン存在する福島の汚染水対策に使うには費用負担が重過ぎるという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−１６２４９８号公報
【特許文献２】特開２００３−７１２５１号公報
【特許文献３】特開２０１０−６６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のように、トリチウムの除去は複数の方法が提案されているが、エネルギー消費量、ランニングコストの点で問題がある。
【００１３】
そこで、発明者らは常温で動作可能な電解法でのトリチウム除去率の向上を目指して様々な観点から検討して、新たなトリチウム回収用三室型電解槽およびこれを用いたトリチウム回収用システムの発明の完成に至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、陽極電極の置かれる陽極室と、該陽極室と陽極側電解質膜で隔てられトリチウムを含んだ水が注入される中間室と、該中間室と陰極側電解質膜で隔てられ陰極電極の置かれる陰極室と、を備えるトリチウム回収用三室型電解槽であって、前記中間室に光触媒が置かれると共に前記光触媒がトリチウムと酸素の結合を解離する波長を含む光線を照射されるトリチウム回収用三室型電解槽である。
【００１５】
トリチウムを含む中間質へ流入する水はイオン状態でＯＨ―、Ｈ+、ＯＴ―、Ｔ+などになり、プラスイオンは陰極へ引かれ、マイナスイオンは陽極へ引かれる。このイオン化を促進するために中間室には光触媒が置かれると共に前記光触媒がトリチウムと酸素の結合を解離する波長を含む光線を照射される。前記光触媒がトリチウムと酸素の結合を解離する波長を含む光線が照射されると強い酸化作用をもつＯＨラジカルなどの活性酸素が生じイオン化を促進する。例えば、ＨＴＯはＯＨ―、Ｔ+になる。イオン化したＯＨ―は陽極電極へ移動して酸化され、Ｔ+は陰極電極へ移動して還元されてＴ2となる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、前記光触媒が、少なくともＰｄ−Ｐｔ、ＳｒＴｉＯ３、ＫｎｂＯ及びＶ−Ｎｉ−Ｐｔの何れかを含む請求項１に記載のトリチウム回収用三室型電解槽である。
【００１７】
光触媒が、少なくともＰｄ−Ｐｔ、ＳｒＴｉＯ３、ＫｎｂＯ及びＶ−Ｎｉ−Ｐｔの何れかを含むので、効率的にトリチウムを含む水のイオン化が促進される。
【００１８】
請求項３に記載された発明は、前記光触媒に照射される光線の波長が１０８ｎｍ乃至３５２ｎｍの波長を含む請求項１又は２に記載のトリチウム回収用三室型電解槽である。
【００１９】
波長が１０８ｎｍ乃至３５２ｎｍの波長を含む光は光触媒を励起してトリチウムを含む水のイオン化を促進する。
【００２０】
請求項４に記載された発明は、前記波長が少なくとも１７２ｎｍ、１８５ｎｍ、２５４ｎｍ波長のうち何れか一つを含む請求項１乃至３の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽である。
【００２１】
波長１７２ｎｍ、１８５ｎｍ、２５４ｎｍは、エキシマランプにより容易に発生させることが出来る。波長１７２ｎｍは、Ｘｅガス，波長１８５ｎｍ、２５４ｎｍは低圧水銀ガスによる。エキシマランプは形状の加工が容易であり電解槽に併せた形状を作り適用する。
【００２２】
請求項５に記載された発明は、前記陰極側電解質膜が、Ｐｄ又は前記光触媒を担持される請求項２乃至４の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽である。
【００２３】
Ｐｄは水素分子を水素原子に分解する。また光を照射された光触媒はトリチウムを含む分子のイオン化を促進する。
【００２４】
請求項６に記載された発明は、前記陰極に前記光触媒を坦持させると共に前記光触媒がトリチウムと酸素の結合を解離する波長を含む光線を照射される請求項２乃至５の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽である。
【００２５】
陰極に前記光触媒を坦持させると共に前記光触媒がトリチウムと酸素の結合を解離する波長を含む光線を照射されるので、陰極電解質膜で解離されなかったトリチウムを含む分子がトリチウムイオンに変化する。
【００２６】
請求項７に記載された発明は、前記陰極室に水素吸蔵金属が置かれてトリチウムを吸蔵する請求項１乃至６の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽である。
【００２７】
陰極室へ移動したトリチウムイオンＴ+は陰極電極から電子をもらいトリチウムＴ2となる。生成されたトリチウムは陰極室へ置かれた水素吸蔵金属と接触して水素吸蔵金属内へ取り込まれる。また、イオン状態のトリチウムも水素吸蔵金属に取り込まれる。
【００２８】
請求項８に記載された発明は、前記水素吸蔵金属がＶ−Ｎｉ−Ｐｔ，Ｚｒ−Ｃｏ又はＵ２３８を含む請求項７に記載のトリチウム回収用三室型電解槽である。
【００２９】
Ｖ−Ｎｉ−Ｐｔ，Ｚｒ−Ｃｏ又はＵ２３８は何れも水素を吸蔵する能力が高いので同位体のトリチウムも吸蔵される。
【００３０】
請求項９に記載された発明は、前記水素吸蔵金属に波長２５４ｎｍ又は波長１８４．９ｎｍの光が照射される請求項８に記載のトリチウム回収用三室型電解槽である。
【００３１】
Ｖ−Ｎｉ−Ｐｔ，Ｚｒ−Ｃｏ又はＵ２３８に、波長２５４ｎｍ又は波長１８４．９ｎｍの光が照射されると吸蔵特性が向上する。
【００３２】
請求項１０に記載された発明は、請求項１乃至９の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽からの処理水が次段の請求項１乃至９の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽へ流入する多段階構造を有するトリチウム回収用システムである。
【００３３】
トリチウムの回収効率を上昇させるために、請求項１乃至９の何れかに記載されたトリチウム回収用三室型電解槽からの処理水を次段の請求項１乃至９に記載された何れかのトリチウム回収用三室型電解槽で更に処理を行う。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように請求項１に記載されたトリチウム回収用三室型電解槽は、陽極電極の置かれる陽極室と、該陽極室と陽極側電解質膜で隔てられトリチウムを含んだ水が注入される中間室と、該中間室と陰極側電解質膜で隔てられ陰極電極の置かれる陰極室と、を備えるトリチウム回収用三室型電解槽であって、前記中間室に光触媒が置かれると共に前記光触媒がトリチウムと酸素の結合を解離する波長を含む光線を照射される三室型電解槽であることから、電気分解だけでなく、光のエネルギーを活用した効率的なトリチウム回収を期待できる。
【００３５】
請求項２に記載されたトリチウム回収用三室型電解槽は、前記光触媒が、少なくともＰｄ−Ｐｔ、ＳｒＴｉＯ３、ＫｎｂＯ及びＶ−Ｎｉ−Ｐｔの何れかを含む請求項１に記載のトリチウム回収用三室型電解槽であることから、より効率的に光のエネルギーを活用した効率的なトリチウム回収を期待できる。
【００３６】
請求項３に記載されたトリチウム回収用三室型電解槽は、前記光触媒に照射される光線の波長が１０８ｎｍ乃至３５２ｎｍの波長を含む請求項１又は２に記載のトリチウム回収用三室型電解槽であることから、紫外線の大きなエネルギを活用して効率的なトリチウム回収を期待できる。
【００３７】
請求項４に記載されたトリチウム回収用三室型電解槽は、前記波長が少なくとも１７２ｎｍ、１８５ｎｍ、２５４ｎｍ波長のうち何れか一つを含む請求項１乃至３の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽であることから、エキシマランプの発生する波長を有効に利用することができ、効率的なトリチウム回収を期待できる。
【００３８】
請求項５に記載されたトリチウム回収用三室型電解槽は、前記陰極側電解質膜が、Ｐｄ又は前記光触媒を担持される請求項２乃至４の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽であることから、電解質膜においてもトリチウムのイオン化が行われてトリチウムの回収効率の向上が図れる。
【００３９】
請求項６に記載されたトリチウム回収用三室型電解槽は、前記陰極に前記光触媒を坦持させると共に前記光触媒がトリチウムと酸素の結合を解離する波長を含む光線を照射されることから、中間室や陰極側電解室の光触媒でイオン化されないトリチウム化合物からトリチウムが効率的にイオン化される。
【００４０】
請求項７に記載されたトリチウム回収用三室型電解槽は、前記陰極室に水素吸蔵金属が置かれてトリチウムを吸蔵する請求項１乃至６の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽であることから、陰極室で生成されるトリチウムが水素吸蔵金属で固定化の効率化が図れる。
【００４１】
請求項８に記載されたトリチウム回収用三室型電解槽は、前記水素吸蔵金属が、Ｖ−Ｎｉ−Ｐｔ，Ｚｒ−Ｃｏ又はＵ２３８を含む請求項７に記載のトリチウム回収用三室型電解槽であることから、トリチウム回収の一層の効率化が図れる。
【００４２】
請求項９に記載されたトリチウム回収用三室型電解槽は、前記水素吸蔵金属に波長２５４ｎｍ又は波長１８４．９ｎｍの光が照射されることから、水素や同位体であるトリチウムなどの吸蔵性能の向上が図れる。
【００４３】
請求項１０に記載されたトリチウム回収用システムは、請求項１乃至９の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽からの処理水が次段の請求項１乃至９の何れかに記載のトリチウム回収用三室型電解槽へ流入する多段階構造を有するトリチウム回収用システムであることから、効率の高いトリチウムの回収を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるトリチウム回収用三室型電解槽の説明図である。
【図２】図１に示されたトリチウム回収用三室型電解槽を組み合わせたトリチウム回収用システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１は本発明に掛かるトリチウム回収用三室型電解槽である。図１の左側から陰極室１、中間室２、陽極室３である。陰極室１と中間室の間に、陰極電極５とこれに接して陰極側電解質６が配置されている。又、陰極室の上部には発生した水素ガス、重水素ガス、トリチウムガスを吸蔵する水素吸蔵金属９が配置される。さらにイオン状態のトリチウムを吸蔵するために陰極の直ぐ後ろに水素吸蔵金属９を配置することが好ましい。陰極及び陽極はＰｔ又はＰｔ−Ｔｉで覆われているので溶けだして溶液に影響を与えることが少ない。
【００４６】
陰極室と陰極電極５と陰極側電解質６を境にして中間室２が有る。中間室には外部からトリチウムを含む汚染水が注入される。中間室には光触媒が置かれる。光触媒の形状はコイル状、網目状などが好ましい。中間室の中央部に光触媒に光線を照射する光源４が置かれる。また陰極室にも光源１４を配置することが好ましい。光源は外部光源を導光したものでも良い。光源からの光線は光触媒を照射して、光線を照射された光触媒は光線の光エネルギーを使い、酸素と水素及びトリチウムの間の結合が解離されて汚染水のイオン化を促進する。
【００４７】
光源はエキシマランプを使うことが好ましい。エキシマランプはランプの中のガスにより発生する光線の波長を選ぶことができる。例えば、Ｘｅガスは１７２ｎｍ、低圧水銀ガスは１８５ｎｍ、２５４ｎｍを発生する。エキシマランプの形状は自由度が大きいので、ランプ形状をＵ字型にすると電極を一方向に揃えることができる。
【００４８】
光源からの光はコイル状や網目状の光触媒を刺激すると共に光触媒を通過して陰極側電解質に担持される光触媒へも照射される。電解質に担持される光触媒でもイオン化の促進が行われる。
【００４９】
光触媒は、Ｐｄ−Ｐｔ、ＳｒＴｉＯ３、ＫｎｂＯ及びＶ−Ｎｉ−Ｐｔの何れかを含むので、トリチウムを含む被処理水である汚染水を効率的にイオン化することができる。
【００５０】
陰極室の上部に置かれる吸蔵金属は水素及び水素の同位体を液体水素と同程度の体積密度まで貯蔵し保管できる。吸蔵金属は，常温ではきわめて低い平衡圧力で水素及び水素の同位体を保管でき、逆にトリチウムを取り出すために大きな圧力や高い温度を必要としない。
【００５１】
古くから劣化ウランがその高い水素吸蔵性能からトリチウム貯蔵材料として米国などで使われていた。但しウランは水素吸蔵脱離の繰返しとともに微粉化する可能性があり，自然発火温度も低い。又ウランは核燃料物質なので、それに代わる材料の一つとしてＺｒＣｏを用いても良い。ＺｒＣｏはウランと同様な水素吸蔵性能を持ち，常温で水素同位体を吸蔵し，真空で４００℃まで加熱するとほぼすべての水素同位体を脱離する。トリチウムの崩壊とともに３Ｈｅが金属内に蓄積するが，合金の劣化はそれほど進まない。水素吸蔵金属として、Ｖ−Ｎｉ−Pt，Ｚｒ−Ｃｏ又はＵ２３８を用いることが好ましい。
【００５２】
水素吸蔵金属９は、電極５のすぐ後ろに置いても良い。イオン状態のトリチウムを吸蔵する。水素吸蔵金属９へは陰極室に置かれた光源１４からも光が照射される。光源１４からの光は波長２５４ｎｍ及び１８４．９ｎｍを含むことが好ましい。波長２５４ｎｍや波長１８４．９ｎｍの光を照射されることで水素吸蔵金属９の吸蔵機能の向上を図れる。
【００５３】
陰極側電解質膜にはＰｄを担持させる。具体的には、パラジウム合金膜として使用する。パラジウム合金膜とはＰｄが水素化物に相変化し割れないようにＡｇ，Ｐｔ，Ａｕ  等の貴金属を少量混ぜた合金としたものである。Ｐｄは数ある金属のうちで，事実上，最も水素透過係数が大きい金属で，３００〜４００℃の温度でガス混合物から水素のみを選択的に透過する性質を持っている。このため水素同位体を選択的に分離するのにパラジウムが最も合理的である。
【００５４】
陽極側電解質膜と陽極電極で中間室と隔てられて陽極室３がある。陽極室にはＯＨ―、ＯＴ―などのマイナスイオンが移動して陽極電極に接触して電子を奪われて酸化される。
【００５５】
図２はトリチウムの回収の効率を高めるために、上述の三室型電解槽を多段にしたトリチウム回収システムの構成図である。上段の第１三室型電解槽１０、中段の第２三室型電解槽２０、下段の第３三室型電解槽３０が接続管１１，１２などで互いに接続されている。
【００５６】
多段にすることで、一段の三室型電解槽で回収しきれないトリチウムが次段の三室型電解槽で回収される。これを繰り返すことで被処理水中のトリチウムの濃度が大きく減少する。
【００５７】
上述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施の形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  陰極室
２  中間室
３  陽極室
４  光源
５  陰極電極
６  陰極側電解質
７  陽極側電解質
８  陽極電極
９  光触媒
１４  光源
１０  第１三室型電解槽
２０  第２三室型電解槽
３０  第３三室型電解槽
【図１】
2015063728.tif 000003
【図２】
2015063728.tif 000004