(57)【要約】【課題】相対的に小規模な装置で核種変換を行うための構造体とそれを製作するための手段を提供する。【解決手段】Ｐｄ又はＰｄの合金、或いはその他の水素を吸蔵する金属又はこれらの合金等からなる基板上に、Ｐｄ層とＰｄよりも仕事関数の小さな物質層との積層体からなる混合層を設け、さらにその上にＰｄ層を設けた略板状の構造体とし、この構造体のＰｄ層に核種変換を施す物質を付与する。Ｐｄ層に付与される核種変換を施す物質は、金属質になっていれば良く、表面に塩が付着していても良い。核種変換を施す物質を付与する手段は電着やイオン打ち込みが利用できる。【選択図】　　　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、前記基材の表面に形成された、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金とそれらの金属又は合金よりも仕事関数が低い物質とからなる混合層と、前記混合層の表面に形成され、パラジウム又はパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属又はパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成されている構造体であって、前記表面層に核種変換を施す物質を付加してなることを特徴とする核種変換用構造体。
【請求項２】
前記混合層がパラジウムと仕事関数が３ｅＶ未満の物質との積層構造からなることを特徴とする請求項１に記載の核種変換用構造体。
【請求項３】
前記仕事関数が３ｅＶ未満の物質が酸化カルシウムであることを特徴とする請求項２に記載の核種変換用構造体。
【請求項４】
前記表面層に付加した核種変換を施す物質が、金属状態の物質を含んでいることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核種変換用構造体。
【請求項５】
前記表面層に付加した核種変換を施す物質が、電着金属であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の核種変換用構造体。
【請求項６】
前記表面層に付加した核種変換を施す物質が、電着金属及び核種変換を施す物質の塩からなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の核種変換用構造体。
【請求項７】
パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、前記基材の表面に形成された、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、それらの金属又は合金よりも仕事関数が低い物質とからなる混合層と、前記混合層の表面に形成され、パラジウム又はパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属又はパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成されている構造体の表面層に、核種変換を施す物質を含む電解浴を使用して核種変換を施す物質を電解析出させることを特徴とする核種変換用構造体の形成方法。
【請求項８】
パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、前記基材の表面に形成された、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、それらの金属又は合金よりも仕事関数が低い物質とからなる混合層と、前記混合層の表面に形成され、パラジウム又はパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属又はパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成されている構造体の表面層に、イオン打ち込みにより核種変換を施す物質を付加することを特徴とする核種変換用構造体の形成方法。
【請求項９】
パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、前記基材の表面に形成された、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、それらの金属又は合金よりも仕事関数が低い物質とからなる混合層と、前記混合層の表面に形成され、パラジウム又はパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属又はパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成されている構造体の表面層に、真空蒸着により核種変換を施す物質を付加することを特徴とする核種変換用構造体の形成方法。
【請求項１０】
パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、前記基材の表面に形成された、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、それらの金属又は合金よりも仕事関数が低い物質とからなる混合層と、前記混合層の表面に形成され、パラジウム又はパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属又はパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成されている構造体の表面層に、スパッタ法により核種変換を施す物質を付加することを特徴とする核種変換用構造体の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば長寿命の放射性廃棄物を短寿命核種或いは安定核種に変換する消滅処理や自然界に豊富な元素から希少な元素を生成する技術等に係る核種変換用構造体及びその形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば重イオン加速器を用いた核融合反応による重元素合成等のように、微量の核種を核種変換する方法に対して、例えば高レベル放射性廃棄物等に含まれる多量の長寿命放射性核種を短時間のうちに効率的かつ効果的に核種変換する方法として、いわゆる消滅処理が知られている。
消滅処理は、高レベル放射性廃棄物に含まれるＮＰ、Ａｍ、Ｃｍ等のマイナーアクチナイドや、Ｔｃ−９９及びＩ−１２９等の長寿命核分裂生成物や、発熱性のＳｒ−９０、Ｃｓ−１３７やＲｈ、Ｐｄ等の有用な白金族元素を、各元素の特性に応じて分離（群分離）した後に、半減期の長いマイナーアクチナイド及び核分裂生成物に対して中性子等を照射して核反応を発生させて、短寿命又は非放射性の核種に変換する核種変換処理であり、高レベル放射性廃棄物中に含まれる有用元素や長寿命放射性核種を分離及び回収して有用元素の有効利用を図ると共に、長寿命放射性核種を短寿命或いは安定な核種に変換する処理である。
【０００３】
消滅処理では、高速増殖炉等の原子炉やアクチノイド専焼炉での中性子照射によるアクチノイド等の消滅処理と、加速器での陽子照射によるアクチノイド等の核破砕処理と、加速器でのガンマ線照射による例えばセシウム、ストロンチウム等の消滅処理との３種類の方法が知られている。
原子炉等での中性子照射では、中性子反応断面積が大きいマイナーアクチナイドを合理的に処理することができ、特に、高速の中性子を照射することで核分裂が起こりにくい超ウラン元素を直接核分裂させることができる。
ただし、原子炉等の中性子照射では消滅しにくい長寿命核分裂生成物、例えば中性子反応断面積が小さいＳｒ−９０、Ｃｓ−１３７等については、加速器を利用した消滅処理が適用される。
【０００４】
加速器による消滅処理では、原子炉と異なって未臨界で運転できるため、臨界に関わる安全性に優れていること、設計上の自由度が大きい等の利点があり、陽子加速器と電子線加速器が利用される。
陽子加速器を用いる消滅処理では、例えば５００ＭｅＶ〜２ＧｅＶ程度の高エネルギー陽子を照射して標的核を破砕する核破砕反応を利用しており、核破砕反応を直接利用して核種変換を起こすと共に、標的核の破砕に伴って発生する多数の中性子を標的核周りの未臨界ブランケットに投入して核分裂反応を発生させたり、中性子の捕獲反応によって核種変換反応を発生させる。これにより、例えばネプツニウム、アメリシウム等の超ウラン元素及び長寿命核分裂生成物を消滅させることができ、しかも、未臨界ブランケットで発生した熱を回収して発電を行い、陽子加速器の運転に必要な電力を自給することができる。
【０００５】
また、電子線加速器を用いる消滅処理では、例えば電子線の制動輻射で発生するガンマ線や、例えば電子蓄積リングと光キャビティーを組み合わせて逆コンプトン散乱により発生させたガンマ線等による光核反応、例えば（γ、Ｎ）反応や（γ、核分裂）反応等の巨大共鳴を利用することによって、ストロンチウム、セシウム等の長寿命核分裂生成物や超ウラン元素等を消滅処理する。
【０００６】
ところで、上記従来技術の例による消滅処理のように、原子炉や加速器を利用して核種変換を行う場合、大規模かつ高価な装置を用いなければならず、核種変換に要する費用が嵩むという問題がある。
しかも、例えば長寿命核分裂生成物であるＣｓ−１３７を処理する場合において、１００万ＫＷ程度の原子力発電所から放出されるＣｓ−１３７を加速器を利用して他の核種に変換する場合に、必要な電力は数１００万ＫＷに達してしまい、高強度かつ大電流の加速器が必要になって効率が悪いという問題がある。
【０００７】
また、例えば軽水炉等の原子炉では熱中性子束が１×１０１４／ｃｍ２　／ｓｅｃ程度であるのに対して、中性子反応断面積が小さいＣｓ−１３７の核種変換に必要な中性子束は１×１０１７〜１×１０１８／ｃｍ２／ｓｅｃ　程度となり、必要な中性子束を得ることができないという問題がある。
【０００８】
本出願人は先に上記の問題を解決して加速器や原子炉等の大規模な装置を使用することなしに、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方法として、パラジウム又はパラジウム合金或いはその他の水素を吸蔵する金属又はそれらの合金等からなる略板状の構造体の両面のうち、一方の表面に核種変換を施す物質を付着させ、該核種変換を施す物質を付着させた構造体の表面側を重水素の圧力が高い領域とし、前記構造体の他方の表面側を重水素の圧力が低い領域として、前記構造体内に重水素の流れを生成させて重水素と核種変換を施す物質とを反応させることを特徴とする核種変換方法を提案した（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特願２００１−２０１８７５号明細書、第１〜３頁
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の方法においては、板状の構造体の表面に核種変換を施す物質を添加するが、この添加方法によっては重水素と核種変換を施す物質との反応が円滑かつ効率的に生起しないという問題点がある。
本発明は略板状の構造体の両面のうち、一方の表面に核種変換を施す物質を付加し、該核種変換を施す物質を付加した構造体の表面側を重水素の圧力が高い領域とし、前記構造体の他方の表面側を重水素の圧力が低い領域として、前記構造体内に重水素の流れを生成させて重水素と核種変換を施す物質とを反応させる核種変換方法において、確実かつ効率的に変換反応を生起させるための核種変換を施す物質を付加した核種変換用構造体及び適正な付加方法を明らかにする必要があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、例えば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用構造体及びその形成方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の核種変換用構造体ではパラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、前記基材の表面に形成された、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金とそれらの金属又は合金よりも仕事関数が低い物質とからなる混合層と、該混合層の表面に形成され、パラジウム又はパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属又はパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成されている構造体であって、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる前記表面層に核種変換を施す物質を付加させてなる核種変換用構造体を採用することとした。
【００１２】
上記構成の核種変換用構造体によれば、多層構造をなす構造体の一方の表面に核種変換を施す物質が内部に侵入可能な状態で接触しており、構造体の一方の表面側と他方の表面側との間に重水素の圧力差を設けて、構造体の内部で一方の表面側から他方の表面側へと向かう重水素の流束を生成することで、重水素と核種変換を施す物質との間で、再現性良く核種変換反応を発生させることができる。
【００１３】
さらに、請求項２に記載の本発明の核種変換用構造体では、前記混合層がパラジウムと仕事関数が３ｅＶ未満の物質との積層構造からなる核種変換用構造体を採用することとした。仕事関数が３ｅＶ未満の物質としては、酸化カルシウム（ＣａＯ、仕事関数＝１．６〜１．８６ｅＶ）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３、仕事関数＝２．０ｅＶ）、硼化ランタン（ＬａＢ６、　仕事関数＝２．６６〜２．７６ｅＶ　）などが利用できる。
さらに、請求項３に記載の本発明の核種変換用構造体では、前記仕事関数が３ｅＶ未満の物質のうち、酸化カルシウムを採用したものである。酸化カルシウムは安定した物質で、手軽に調達でき安価である。
上記構成の核種変換用構造体によれば、多層構造をなす構造体に仕事関数が低い物質を含む混合層を設けることで電子密度に濃度差を設け、構造体内に生ずる重水素の圧力差を利用した核種変換反応の発生の再現性を向上させることができる。
また、上記物質のうち酸化カルシウムは仕事関数が１．６〜１．８６ｅＶと低く、Ｐｄの電子密度との濃度差が大きくなり、反応を一層促進させる利点を有する。
【００１４】
さらに、請求項４に記載の本発明の核種変換用構造体では、前記表面層に付加した核種変換を施す物質として金属状態の物質を含んでいる核種を使用することができる。
また、請求項５に記載の本発明の核種変換用構造体では、金属状態の物質として電着金属を採用することとした。
金属状態をなしていれば、構造体表面のＰｄ又はＰｄ合金中に容易に拡散侵入するので、重水素との反応が容易となり核種変換が効率良く行われるからである。また、電着金属を採用すれば核種変換をすべき物質を含んだ再処理廃液から、金属状態の核種変換をすべき物質を、構造体表面層に容易かつ確実に付加させることができる利点を有する。
【００１５】
また、請求項６に記載の本発明の核種変換用構造体では、前記表面層に付着した核種変換を施す物質が、電着金属及び核種変換を施す物質の塩からなるものを利用することができることとした。
電解方法を利用して核種変換を施す物質を構造体表面に沈着させるに際して、電着金属と電解浴の結晶が晶出するが、電着金属が存在していれば、その表面に核種変換を施す物質の塩があっても核種変換処理には支障は起こらない。
【００１６】
次に、請求項７に記載の本発明の核種変換用構造体の形成方法は、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、前記基材の表面に形成された、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、それらの金属又は合金よりも仕事関数が低い物質とからなる混合層と、前記混合層の表面に形成され、パラジウム又はパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属又はパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成されている構造体の表面層に、核種変換を施す物質を含む電解浴を使用して核種変換を施す物質を電解析出させる核種変換用構造体の形成方法を採用した。
【００１７】
上記方法を採用すれば、核種変換をすべき物質を含んだ再処理廃液から、金属状態の核種変換をすべき物質を構造体表面層に容易かつ強固に析出させて、核種変換用構造体を得ることができる利点を有する。
【００１８】
また、請求項８に記載の本発明の核種変換用構造体の形成方法は、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、前記基材の表面に形成された、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、それらの金属又は合金よりも仕事関数が低い物質とからなる混合層と、前記混合層の表面に形成され、パラジウム又はパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属又はパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成されている構造体の表面層に、イオン打ち込みにより核種変換を施す物質を沈着させる方法を採用した。
【００１９】
上記構成の核種変換用構造体によれば、多層構造をなす構造体に仕事関数が低い物質を含む混合層を設けることで、核種変換反応の発生の再現性を向上させることができる。
この方法によれば、核種変換をすべき物質を含んだ再処理廃液から、金属状態の核種変換をすべき物質を構造体表面層に容易かつ確実に付着させて、核種変換用構造体を得ることができる利点を有する。
【００２０】
請求項９に記載の本発明の核種変換用構造体の形成方法は、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、前記基材の表面に形成された、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、それらの金属又は合金よりも仕事関数が低い物質とからなる混合層と、前記混合層の表面に形成され、パラジウム又はパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属又はパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成されている構造体の表面層に、真空蒸着により核種変換を施す物質を付加する方法を採用した。
【００２１】
また、請求項１０に記載の本発明の核種変換用構造体の形成方法は、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる基材と、前記基材の表面に形成された、パラジウムもしくはパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属もしくはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、それらの金属又は合金よりも仕事関数が低い物質とからなる混合層と、前記混合層の表面に形成され、パラジウム又はパラジウム合金或いはパラジウム以外の水素吸蔵金属又はパラジウム合金以外の水素吸蔵合金からなる表面層とを備えて構成されている構造体の表面層に、スパッタ法により核種変換を施す物質を付加する方法を採用した。
【００２２】
これらの薄膜製造方法によっても核種変換元素を核種変換用構造体の内部に拡散浸透させて、核種変換を起こさせることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る核種変換用構造体及びその形成方法ついて添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る核種変換方法の原理を説明する図であり、図２は、図１で示した構造体１１を示す断面構成図であり、図３は、本発明で使用する核種変換装置３０の構成図であり、図４は、本発明で使用する核種変換用の構造体１を示す断面構成図であり、図５は、図４に示した核種変換用の構造体１における混合層３の断面構成図であり、図６は、核種変換装置３０で使用する核種変換用構造体２０の断面構成図であり、図７は、構造体１に核種変換を施す物質を付加する装置の構成図である。
【００２４】
先ず、本発明における核種変換方法の原理について説明する。
本発明における核種変換方法を実現する核種変換装置１０は、例えば図１に示すように、パラジウム（Ｐｄ）またはＰｄの合金、あるいはその他の水素を吸蔵する金属（例えば、Ｔｉ等）またはこれらの合金等からなる、略板状の構造体１１と、この構造体１１の両面のうち、一方の表面１１Ａ上に付着された核種変換を施す物質１４とを備え、構造体１１の一方の表面１１Ａ側が加圧あるいは電気分解等により重水素の圧力が高い領域１２とされ、他方の表面１１Ｂ側が例えば真空排気等により重水素の圧力が低い領域１３とされることで構造体１１内に重水素の流れ１５が生成され、重水素と核種変換を施す物質１４とが反応することによって核種変換が行われる装置である。
構造体１１は、たとえば図２に示すように好ましくはＰｄ基板４の表面に、相対的に仕事関数が低い物質つまり電子を放出し易い物質（例えば、仕事関数が３ｅＶ未満の物質）とＰｄとの混合層３が形成され、この混合層３の表面にＰｄ層２が積層されて形成されている。
さらに、Ｐｄ層２に核種変換を施すべき物質を付与して、核種変換反応を起こさせる。
ここで、仕事関数とは、金属の結晶表面から１個の電子を表面のすぐ外側に取り出すのに必要な最小のエネルギーである。金属では光電子放出のエネルギー閾値や電子親和力は仕事関数と一致する。仕事関数が低い物質は電子を放出し易く、化学反応を起こしやすい物質といえる。ちなみに、仕事関数の例を列挙すれば、Ｃｓは２．１４ｅＶ、Ｐｄは５．５５ｅＶ、ＣａＯは１．６〜１．８６ｅＶ、であり、３ｅＶ未満の物質としてはＣａＯの他に、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３；仕事関数＝２．０ｅＶ）、硼化ランタン（ＬａＢ６　；仕事関数＝２．６６〜２．７６ｅＶ）などが利用できる。
【００２５】
次に、本発明で使用する核種変換装置について説明する。
本発明で使用する核種変換装置は、図３に示すように、内部が気密保持可能とされた吸蔵室３１と、この吸蔵室３１の内部にて核種変換を施すべき物質を付与した多層構造体２０を介して気密保持可能に設けられた放出室３４と、バリアブルリークバルブ３３を介して吸蔵室３１内に重水素を供給する重水素ボンベ３５と、放出室３４内の真空度を検出する放出室真空計３６と、例えば多層構造体２０から生成されるガス状の反応生成物を検出すると共に放出室３４内の重水素量を計測することにより多層構造体２０を透過する重水素の透過量を評価する質量分析器３７と、放出室３４内を常に真空状態に保つターボ分子ポンプ３８と、放出室３４及びターボ分子ポンプ３８内を荒引きするためのロータリーポンプ３９とを備えて構成されている。
【００２６】
さらに、核種変換装置３０は、例えばＸ線や電子線、粒子線等の照射により励起された多層構造体２０の表面の原子から放出される光電子やイオン等を検出する静電アナライザー４０と、多層構造体２０の両面のうち吸蔵室３１内の重水素に曝される表面にＸ線を照射するＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：　Ｘ線照射光電子スペクトル分析）用のＸ線銃４１と、内部に重水素が導入された吸蔵室３１内の圧力を検出する圧力計４２と、例えばベリリウム窓４３を有する高純度ゲルマニウム検出器４４からなるＸ線検出器と、吸蔵室３１内の真空度を検出する吸蔵室真空計４５と、例えば重水素の導入以前等に吸蔵室３１内を真空状態に保持する真空バルブ４６と、吸蔵室３１を真空状態にするターボ分子ポンプ４７と、吸蔵室３１及びターボ分子ポンプ４７内を荒引きするためのロータリーポンプ４８とを備えて構成されている。
【００２７】
このような核種変換装置３０を使用して核種変換処理を行うには、多層構造体２０の吸蔵室３１側を相対的に重水素の圧力が高い状態とし、多層構造体２０の放出室３４側を相対的に重水素の圧力が低い状態として、多層構造体２０の両面において重水素の圧力差を形成することで、吸蔵室３１側から放出室３４側へ重水素の流れを作り出す。
【００２８】
すなわち、多層構造体２０の核種変換を施す物質を付加した面を吸蔵室３１側に向けて、多層構造体２０を介在させて吸蔵室３１と放出室３４とをそれぞれ気密状態に閉塞して、先ず、放出室３４をロータリーポンプ３９およびターボ分子ポンプ３８により真空排気する。そして、バリアブルリークバルブ３３を閉じ、真空バルブ４６を開いて吸蔵室３１をロータリーポンプ４８およびターボ分子ポンプ４７により真空排気する。
次に、吸蔵室３１の真空度が充分安定した後（例えば、１×１０−５Ｐａ以下の状態）に、ＸＰＳにより吸蔵室３１側の多層構造体２０の表面に存在する元素を分析する。すなわち、Ｘ線銃４１からのＸ線を多層構造体２０の表面に照射して、このＸ線の照射により励起された多層構造体２０の表面の原子から放出される光電子のエネルギーを静電アナライザー４０により検出する。これにより、多層構造体２０の吸蔵室３１側の表面に存在する元素を同定する。
【００２９】
次に、多層構造体２０を、加熱装置（図示略）により例えば７０℃の温度で加熱した後、真空バルブ４６を閉じて吸蔵室３１の真空排気を停止して、バリアブルリークバルブ３３を開いて吸蔵室３１内に所定のガス圧力で重水素ガスを導入して、核種変換を開始する。ここで、重水素ガスを導入する際の所定のガス圧力は例えば１．０１３２５×１０５　Ｐａ（いわゆる１気圧）とする。
そして、放出室３４の質量分析器３７でガス状の反応生成物（例えば、質量数Ａ＝１〜１４０）の測定を行い、多層構造体２０を透過して放出室３４内に放出された重水素の拡散挙動の評価を行う。また、多層構造体２０の吸蔵室３１側の高純度ゲルマニウム検出器４４によりＸ線の測定を行う。
なお、多層構造体２０を透過して放出室３４内に放出された重水素量は、例えば放出室真空計３６により検出される放出室３４内の真空度と、ターボ分子ポンプ３８の排気速度とに基づいて算出する。
【００３０】
吸蔵室３１内に重水素ガスの導入を開始してから所定時間、例えば数十時間後に、多層構造体２０の温度を常温に戻す。そして、バリアブルリークバルブ３３を閉じて吸蔵室３１内への重水素ガスの導入を停止して、さらに、真空バルブ４６を開いて吸蔵室３１を真空排気して核種変換を終了する。
そして、吸蔵室３１内の真空度が充分安定した後（例えば、１×１０−５Ｐａ以下の状態）に、ＸＰＳにより吸蔵室３１側の多層構造体２０の表面に存在する元素を分析して生成物の測定を行って、多層構造体２０を核種変換装置３０から取り出し、核種変換を終了する。
【００３１】
上記の核種変換方法で使用する構造体１は、図４に示すようにＰｄ基板４の表面に相対的に仕事関数が低い物質（例えば、仕事関数が３ｅＶ未満の物質）とＰｄとの混合層３が形成され、この混合層３の表面にＰｄ層２が積層された構造体１を使用する。ここで混合層３は、例えば図５に示すようなＰｄ層５と酸化カルシウム（ＣａＯ）層６との積層構造を使用することができる。
さらに、Ｐｄ層２の表面に核種変換を施す物質としてセシウム（Ｃｓ）を付加した核種変換を施す元素が添加されたＰｄ層８を形成して、図６に示すような核種変換用の多層構造体２０が構成される。核種変換を施す物質を添加するには、たとえば図７に示すような装置を使用する。すなわち、図７は核種変換を施す物質を付加する装置の構成図であって、陰極には前述のようにして得られた構造体１を、陽極には白金陽極１８を使用し、電解液１７として濃度１ｍｍｏｌのＣｓＮＯ３　のＤ２Ｏ　希薄溶液（ＣｓＮＯ３／Ｄ２Ｏ溶液）を使用して、構造体１のＰｄ層２の表面にＣｓを電解析出させて付加し、図８に示す核種変換用構造体２１を形成する。
【００３２】
ここで核種変換を施す元素が付加されたＰｄ層８を形成する方法によっては、核種変換の反応が効率よく行われない場合がある。
本発明者等は構造体表面に核種変換を施す物質を付加する方法について、以下のような実験を行った。すなわち、核種変換を施す物質としてはＣｓを選択した。また、核種変換を施す物質を付加する構造体としては図４に示す構造体１を採用した。
【００３３】
先ず、図４に示すようなＰｄ基板４（縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ、純度９９．５％以上）をアセトン中で所定時間に亘って超音波洗浄することにより脱脂した。そして、真空中（１．３３×１０−５Ｐａ以下）において、９００℃の温度で所定時間（例えば、１０時間）に亘ってアニールを行った。
次に、室温でアニール後のＰｄ基板４を重王水により所定時間（１００秒間）に亘ってエッチング処理を施して表面の不純物を除去した。
【００３４】
次に、アルゴンイオンビームによるスパッター法を用いて、エッチング処理後のＰｄ基板４上に成膜処理を施して構造体１を作成する。ここで、仕事関数の低い物質とＰｄとの混合層３は、図５に示すように、厚さ１００・１０−１０　ｍのＣａＯ層６と、厚さ１００・１０−１０　ｍのＰｄ層５とを交互に積層して形成し、この混合層３の厚さを１０００・１０−１０　ｍとした。そして、混合層３の表面に図４示すＰｄ層２を厚さ４００・１０−１０　ｍに成膜することにより、構造体１を形成した。
【００３５】
次いで、陰極にはこのようにして得られた構造体１を、陽極には白金陽極１８を使用して、図９に示す核種変換を施す物質の付与装置５１により、構造体１のＰｄ層２に核種変換を施す物質（Ｃｓ）を付加して、図８に示す核種変換用構造体２１を形成した。
図９に示すとおり、核種変換を施す物質の付加装置５１は、フッ素系樹脂製の電解セル５３と構造体１をＯリング５７を介して締め付けてある。構造体１の背面はステンレス製電解セル５２が接触しており、フッ素系樹脂製電解セル５３とステンレス製電解セル５２を締め込むことで、構造体１を固定している。
フッ素系樹脂製電解セル５３と構造体１及びＯリング５７によって構成された容器内に、電解液５４として濃度１ｍｍｏｌ、容量１ｍｌのＣｓＮＯ３　のＤ２Ｏ　希薄溶液（ＣｓＮＯ３／Ｄ２Ｏ溶液）を注入し、白金陽極５５を設置した。
【００３６】
次に、このようにして組み立てた核種変換を施す物質の付加装置５１のステンレス製電解セル５２と白金陽極５５の間に、１Ｖの電圧を印加して１０秒間通電した。これにより構造体１と白金陽極の間に電界がかかるようになる。本実験例では、電極間隔は約１ｍｍ、電解のかかる面積は約１．３ｃｍ２　であった。
その後電解液を抜き取り、電解液に湿潤している構造体１を真空乾燥させて、構造体１を電解槽から取り出して、図８に示す核種変換用構造体２１を得た。
図８に示す核種変換用構造体２１では、Ｐｄ層２の表面に核種変換を施す元素であるＣｓが付加されたＰｄ層２３と、電解液の結晶であるところの表面に残ったＣｓＮＯ３　塩２４とが存在していた。
上記のような図８に示す核種変換用構造体２１を得る方法を、Ｃｓ付加方法Ａと呼ぶことにする。
【００３７】
次に、構造体１をＣｓ付加方法Ａにおいて使用した電解液（すなわち、濃度１ｍｍｏｌ、容量１ｍｌのＣｓＮＯ３　のＤ２Ｏ　希薄溶液）中に１０秒間浸漬した後、乾燥させて図１０に示す核種変換用構造体２５を作成した。核種変換用構造体２５では、Ｐｄ層２の表面には蒸発残渣であるＣｓＮＯ３　塩２４のみが付着していた。上記のような図１０に示す核種変換用構造体２５を得る方法を、Ｃｓ付加方法Ｂと呼ぶことにする。
【００３８】
次に、Ｃｓ付加方法Ａで得られた核種変換用構造体２１を、さらに重水の中に１０秒間浸漬し乾燥させた後、表面に残ったＣｓＮＯ３　塩２４を水洗除去した。その後再び真空乾燥させて、図１１に示す核種変換用構造体２６を得た。核種変換用構造体２６は構造体中のＰｄ層２の内部に核種変換を施すＣｓが付加されたＰｄ層２が生じていた。上記のような図１１に示す核種変換用構造体２６を得る方法を、Ｃｓ付加方法Ｃと呼ぶことにする。
【００３９】
さらに、これらのＣｓ付加方法Ａ，Ｂ及びＣによって得られた核種変換用構造体２１，２５及び２６を使用して、図３に示す核種変換装置３０を使用して、重水素透過を行い、核種変換実験を行った。核種変換の条件は、重水素圧力；１気圧、試験温度７０℃、核種変換時間は４８〜１００時間で実施した。
【００４０】
核種変換処理終了後、各核種変換用構造体２１，２５及び２６をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析）で分析を行った。すなわち、Ｘ線銃からのＸ線を核種変換用構造体の表面に照射して、このＸ線照射により励起された、核種変換用構造体の表面の原子から放出された光電子のエネルギーを静電アナライザーにより検出した。これにより、核種変換用構造体の吸蔵室側の表面に存在する元素を同定した。
【００４１】
図１２は、核種変換処理後のＣｓ付加方法Ａによる核種変換用構造体２１のＸＰＳで測定した結果を示すチャートである。このようにＣｓ付加方法Ａによる核種変換用構造体２１では、プラセオジム（Ｐｒ）が生成していることが確認された。しかし、同様にして測定したＣｓ付加方法Ｂによる核種変換用構造体２５では、プラセオジム（Ｐｒ）が生成していることが確認されなかった。また、Ｃｓ付加方法Ｃによる核種変換用構造体２６では、プラセオジム（Ｐｒ）が生成していることが確認された。
【００４２】
なお、以下において、検出されたＰｒが不純物に由来するものであるか否かについて考察する。
上述した分析では核種変換用構造体を吸蔵室３１及び放出室３４からなる真空容器から取り出すことなく元素分析を行っているので、不純物が混入する原因として考えられるのは重水素ガス（Ｄ２　ガス）に含まれる不純物と核種変換用構造体内部の不純物である。
Ｄ２　ガスは例えば純度９９．６％であり、不純物としては、Ｎ２　及びＤ２０が１０ｐｐｍ以下で、Ｏ２　、ＣＯ２　及びＣＯが５ｐｐｍ以下とされており、核種変換装置３０内でＤ２　ガスを分析した場合にも、これらの不純物及び炭化水素以外のガスは検出されなかった。
【００４３】
一方、核種変換用構造体においては、Ｐｄの純度は９９．５％、ＣａＯ及びＣｓＮＯ３　の純度は９９．９％である。また、グロー放電質量分析法（ＧＤ−ＭＳ）によって実験開始以前の多層構造体３２に対してランタノイド（Ｌａ−５７〜Ｌｕ−７１）の定量分析を行った結果、Ｎｄが０．０２ｐｐｍ検出され、Ｎｄ以外の他のランタノイドは検出限界以下、つまり０．０１ｐｐｍ以下であった。ここで、核種変換用構造体内に、検出限界である０．０１ｐｐｍのＰｒが存在していると仮定すると、多層構造体３２中にＰｒの原子が４．２×１０１３個存在することになる。
【００４４】
この場合に検出されたＰｒ原子は、上記仮定に基づく検出限界以下のＰｒ原子に起因すると仮定すると、これらの検出限界以下の全てのＰｒ原子が核種変換用構造体の表面から数１０・１０−１０ｍ　の深さの領域に濃縮するようにして配置されていると仮定する必要があり、核種変換用構造体中に不純物として分散配置されているＰｒ原子が、核種変換用構造体の表面近傍にのみ集中するような物理現象は熱力学的に不可能であり、検出されたＰｒ原子が、予め核種変換用構造体中に含まれていた不純物であると結論することはできない。しかも、予め核種変換用構造体中に含まれていた不純物であれば、原子数の時間変化は観測されずに一定値を保持すると判断できる。
以上より、検出されたＰｒは、核種変換反応の結果として生成されたと結論できる。
【００４５】
次に、ＸＰＳ分析後の各核種変換用構造体２１，２５及び２６を、１０Ｎの濃硝酸に浸漬し１０分間超音波をかけながら表面から１μｍ程度エッチングして、付加したＣｓと生成したＰｒを濃硝酸中に溶解させた。この溶液についてＩＣＰ−ＭＳ（誘導結合プラズマ質量分析）により分析を行い、溶液中のＣｓ及びＰｒの濃度を測定した。
その結果、Ｃｓ付加方法Ａで得られた核種変換用構造体２１及びＣｓ付加方法Ｃで得られた核種変換用構造体２６を溶解した試料では、Ｃｓから元素変換したＰｒが確認されたが、Ｃｓ付加方法Ｂで得られた核種変換用構造体２５ではＰｒは認められなかった。
この結果、核種変換用構造体の内部に埋め込まれたＣｓは核種変換するが、表面に付着しているＣｓ塩では、Ｃｓは核種変換しないことが判る。
核種変換を起こさせるには、金属状体にしてＰｄ層と密着させ、原子の拡散浸透が起こりうる状態にしておく必要がある。
【００４６】
上記のように、核種変換用構造体のＰｄ層内部に侵入したＣｓが核種変換することが判明したので、イオン打ち込みにより核種変換用構造体の内部にＣｓを打ち込むことを試みた。イオン打ち込みはイオンを加速して固体内に不純物原子等を導入する手段である。熱拡散による添加や溶融状体での添加等の熱的手段に比べ、低温度で不純物を非平衡状態として導入する特徴がある。イオン打ち込み法は、広範囲な各種不純物を設計した濃度で導入できるほか、不純物の空間的分布を制御できる等の利点がある。
【００４７】
Ｃｓイオンの打ち込み条件は、加速電圧：１８ｋｅＶ、ドーズ量：１．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２　、イオン電流：３５μＡとした。イオン打ち込みによれば、Ｃｓ原子は核種変換用構造体の表面より内部に存在する。図１３はＴＯＦ−ＳＩＭＳにより分析した打ち込みＣｓの深さ方向の分布を示した図である。図に示すようにＣｓはＰｄ層の表面から深さ４００オングストロームに渡って単調減少しながら分布しているのが判る。
【００４８】
さらに、被核種変換元素をＰｄ層の内部に侵入させる手段としては、真空蒸着法やスパッタ法が利用できる。
真空蒸着法は真空中で被変換元素を加熱蒸発させてＰｄ層表面に蒸着させた後、加熱して拡散させる。また、スパッタ法はたとえばアルゴンなどの希ガスをプラズマ化してイオンとし、被変換元素で構成されるターゲットの衝突させて、飛散した被変換元素をＰｄ層表面に沈着させる方法である。
【００４９】
【実施例】
前述の実験で使用したのと同様にして核種変換用構造体を作成し、前述の実験と同一条件の下で核種変換処理に付した。すなわち、Ｃｓ付加方法Ａの電着方法による核種変換用構造体を９個（表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．９）、Ｃｓ付加方法Ｃの電着方法と表面の酸洗を併用した方法による核種変換用構造体を４個（表１のＮｏ．１１〜Ｎｏ．１４）、及びイオン打ち込み法による核種変換用構造体を１個（表１のＮｏ．１５）作成して、核種変換処理に付した。
核種変換処理終了後、各核種変換用構造体についてＩＣＰ−ＭＳで全量分析を行い、単位面積当たりのＰｒ生成量とＣｓ量を測定した。測定結果を表１に示した。
【００５０】
【表１】
2004117106.tif 000003
【００５１】
表１の結果から、Ｃｓ付加方法Ａ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９）及びＣｓ付加方法Ｃ（Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１４）並びにイオン打ち込み（Ｎｏ．１５）による核種変換用構造体を使用した場合には、Ｃｓから元素変換したＰｒの存在が確認された。これに対してＣｓ付加方法Ｂ（Ｎｏ．１０）による核種変換用構造体を使用した場合には、Ｃｓから元素変換したＰｒの存在は確認されなかった。
【００５２】
さらに、イオン打ち込みによる核種変換用構造体を使用した（Ｎｏ．１５）の試料について、ＴＯＦ−ＳＩＭＳで深さ方向の元素分布を分析した結果を図１４に示す。その結果、核種変換用構造体の表面では打ち込まれたＣｓ原子が少なくなってＰｒ原子が生成してしているのが判る。また、核種変換用構造体の表面から１００オングストロームまではＣｓが漸増してＰｒが漸減しているが、２００オングストロームより深い部分ではＰｒはほとんど存在せず、Ｃｓ原子が漸減している。このことから核種変換は核種変換用構造体の表面近傍で行われていることが判る。
【００５３】
さらに、同一試料につきＴＯＦ−ＳＩＭＳで核種変換処理前後のＣｓ原子とＰｒ原子の平面分布を観察した結果を図１５に示す。図１５に示すように核種変換処理前は、Ｃｓ原子は試料全面に高濃度で存在しているため画面全体が明るくなっており（図１５（ａ）参照）、Ｐｒ原子は存在しないため画面全体が暗くなっている（図１５（ｃ）参照）。一方、核種変換処理後には、Ｃｓ原子が減少しているので画面上に一部暗黒部分が現れている（図１５（ｂ）参照）。また、核種変換により生成したＰｒ原子が画面全体に分散しているので画面全体が明るくなっている（図１５（ｄ）参照）。
図に示すように、核種変換の結果生成したＰｒは、構造体の表面で一様に分布しており、結晶粒界等の特殊な領域で反応が起こっているのではない。この結果、多層構造体の接合面積を増大させることにより、反応容量も増大させることが容易であることが判る。
【００５４】
なお、上述した本実施の形態においては、Ｐｄ層の表面に核種変換を施す物質としてセシウム（Ｃｓ）を添加して多層構造体３２を構成したが、これに限定されず、核種変換を施す物質としてＣｓの代わりに、例えば炭素（Ｃ）等のその他の物質を添加しても良い。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の核種変換用構造体を使用すれば、構造体の内部に金属質の核種変換を施す物質を付与してあるので、構造体の一方の表面側と他方の表面側との間に重水素の圧力差を設けて、構造体の内部で一方の表面側から他方の表面側へと向かう重水素の流束を生成することで、原子炉や加速器等に比べて相対的に小規模な構成で確実かつ再現性良く核種変換反応を発生させることができる。
また本発明の核種変換用構造体の形成方法によれば、構造体の内部に金属質の核種変換を施す物質を付与するので、確実に核種変換反応を発生させることができる構造体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る核種変換方法の原理を説明する図である。
【図２】図１に示した構造体１の断面構成を示す図である。
【図３】本発明で使用する核種変換装置の構成図である。
【図４】本発明で使用する構造体の断面構成図である。
【図５】図４に示す構造体１における混合層３の断面構成図である。
【図６】核種変換装置で使用する核種変換用構造体の断面構成図である。
【図７】構造体に核種変換を施す物質を付加する装置の構成図である。
【図８】実験で使用した核種変換用構造体の断面構成を示す図である。
【図９】核種変換を施す物質の付加装置の構成図である。
【図１０】実験で使用した核種変換用構造体の断面構成の他の例を示す図である。
【図１１】実験で使用した核種変換用構造体の断面構成の別の例を示す図である。
【図１２】核種変換用構造体表面のＸＰＳによるＰｒのスペクトルを示す図である。
【図１３】イオン打ち込みによる深さとＣｓ量の関係を示す図である。
【図１４】深さ方向の元素分布を示す図である。
【図１５】核種変換前後のＣｓ原子とＰｒ原子の平面分布を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・・・構造体、２・・・・・・Ｐｄ層、３・・・・・・混合層、４・・・・・・Ｐｄ基板、５・・・・・・Ｐｄ層、６・・・・・・ＣａＯ層、８・・・・・・核種変換を施す元素が添加されたＰｄ層、１０・・・・・・核種変換方法を実現する装置、１１・・・・・・構造体、１５・・・・・・重水素の流れ、１６・・・・・・核種変換を施す元素の付加装置、１７・・・・・・電解液、１８・・・・・・白金電極、２０，２１，２５，２６・・・・・・核種変換用多層構造体、３０・・・・・・核種変換装置、３１・・・・・・吸蔵室、３４・・・・・・放出室、３５・・・・・・重水素ボンベ、４１・・・・・・Ｘ線銃、５１・・・・・・核種変換を施す物質の付与装置
【図１】
2004117106.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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