(57)【要約】【課題】金属部材に含まれるまたは金属部材に付着した放射性のコバルト量を低減させることのできるコバルト低減装置及びコバルト低減方法を提供することを目的とする。【解決手段】コバルト低減装置１００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１と、構造体１の一方の面側に設けられた重水素高圧部２と、該重水素高圧部２を、構造体１の他方の面側よりも重水素の圧力が高い状態とする高圧化手段３とを備え、構造体１の表面上に、コバルトを含むまたは表面にコバルトが存在する、あるいはコバルトを含み且つ表面にコバルトが存在する少なくともいずれかの金属部材１０を接触配置させて、該金属部材１０に重水素を透過させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記構造体の一方の面側に設けられた重水素高圧部と、
該重水素高圧部を、前記構造体の他方の面側よりも重水素の圧力が高い状態とする高圧化手段と、
を備え、
前記構造体の表面上に、コバルトを含むまたは表面にコバルトが存在する、あるいはコバルトを含み且つ表面にコバルトが存在する少なくともいずれかの金属部材を接触配置させて、該金属部材に重水素を透過させるコバルト低減装置。
【請求項２】
前記高圧化手段が、重水素を含む電解溶液が供給された前記重水素高圧部で、前記構造体を陰極として前記電解溶液を電気分解する電気分解手段を備える請求項１に記載のコバルト低減装置。
【請求項３】
前記重水素高圧部が、前記構造体により密封可能な閉空間をなし、
該閉空間内に、酸素と重水素との反応を促進させる触媒が配置される請求項２に記載のコバルト低減装置。
【請求項４】
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表面に、コバルトを含むまたは表面にコバルトが存在する、あるいはコバルトを含み且つ表面にコバルトが存在する少なくともいずれかの金属部材を接触配置させる工程と、
前記構造体の一方の面側に重水素高圧部を設け、該重水素高圧部を前記構造体の他方の面側よりも重水素の圧力が高い状態にする工程と、
を備えるコバルト低減方法。
【請求項５】
前記重水素高圧部に重水素を含む電解溶液を供給し、前記構造体を陰極として前記電解溶液を電気分解して、該重水素高圧部を前記構造体の他方の面側よりも重水素の圧力が高い状態にする請求項４に記載のコバルト低減方法。
【請求項６】
前記重水素高圧部を、前記構造体により密封可能な閉空間とし、
該閉空間内に、酸素と重水素との反応を促進させる触媒を配置する請求項５に記載のコバルト低減方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コバルト（Ｃｏ）の低減装置及びコバルトの低減方法に関し、特に、５８Ｃｏや６０Ｃｏなどの放射性コバルトで放射化された原子力プラントの部材の放射能を低減させる手法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ウラン燃料の原子力プラントの一次冷却系に使用されている配管、ポンプ、弁等の構成部材は、ステンレス鋼及びステライトなどの金属から構成されている。これらの金属は、長時間使用されると腐食損傷を受け、Ｃｏなどの構成金属元素が原子炉冷却水中に溶出し、原子炉内に持ち込まれる。溶出した金属元素の大半は、酸化物となって燃料棒に付着して中性子照射を受ける。その結果、６０Ｃｏ、５８Ｃｏなどの放射性核種が生成される。
【０００３】
これらの放射性核種は、再溶出して一次冷却系を循環し、構成部材表面に付着する。これによって、構成部材表面における線量率が高くなり、保守及び点検を実施する際に作業員が放射線被爆するという問題が生じる。そのため、原子力プラントでは、高レベルの放射性廃棄物を消滅処理するとともに、構成部材の線量率を低減させる技術が求められている。
【０００４】
原子力プラントで生成された高レベル放射性廃棄物（ＣｓやＳｒ等）は、加速器や原子炉等の装置を用いて高レベル放射性廃棄物中に含まれる放射性核種を分離及び回収して短寿命あるいは安定な各種に変換する技術が開発されている。また、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乃至特許文献３に開示されている。
【０００５】
一方、構成部材の線量率を低減させる方法としては、構成部材を化学的に洗浄する方法や、放射性物質の源である金属元素の溶出を抑制する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３４７２６２号公報（段落［００２９］〜［００３３］）
【特許文献２】特許第４３４７２６１号公報（段落［００２９］〜［００３３］）
【特許文献３】特許第４３４６８３８号公報（段落［００２７］〜［００３１］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
構成部材を化学的に洗浄する方法は、放射能そのものが低減されるわけではなく、洗浄後の廃液の管理にコストがかかる。また、一時的に線量率を低減しても、構成部材を再び高い濃度で放射性物質が溶解された液に曝した場合には、急速に再汚染される。
金属元素の溶出を抑制する方法では、完全に６０Ｃｏ、５８Ｃｏなどの放射性物質の生成をゼロにすることはできない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、金属部材に含まれるまたは金属部材に付着した放射性のコバルト量を低減させることのできるコバルト低減装置及びコバルト低減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】
上記課題を解決するために、本発明は、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と、前記構造体の一方の面側に設けられた重水素高圧部と、該重水素高圧部を、前記構造体の他方の面側よりも重水素の圧力が高い状態とする高圧化手段と、を備え、前記構造体の表面上に、コバルトを含むまたは表面にコバルトが存在する、あるいはコバルトを含み且つ表面にコバルトが存在する少なくともいずれかの金属部材を接触配置させて、該金属部材に重水素を透過させるコバルト低減装置を提供する。
【００１０】
上記構成のコバルト低減装置によれば、高圧手段を備えることで、構造体を挟んで一方の面側と他方の面側との間に重水素の濃度勾配を発生させることができる。これにより、構造体の内部で一方の面側から他方の面側へと向かう重水素の流束が生成され、重水素が構造体の表面に接触配置された金属部材を透過する。上記発明によれば、金属部材に含まれるまたは金属部材の表面に存在するコバルトが核種変換され、結果としてコバルトが低減される。
【００１１】
上記発明の一態様によれば、前記高圧化手段が、重水素を含む電解溶液が供給された前記重水素高圧部で、前記構造体を陰極として前記電解溶液を電気分解する電気分解手段を備えていても良い。
【００１２】
構造体を陰極として、構造体の一方の面側で電解溶液を電気分解することによって、実効的に大きな圧力で構造体に重水素を吸蔵させることができる。それによって、構造体の一方の面側と他方の面側との間に重水素の濃度勾配を発生させることができる。
【００１３】
上記発明の一態様によれば、前記重水素高圧部が、前記構造体により密封可能な閉空間をなし、該閉空間内に、酸素と重水素との反応を促進させる触媒が配置されても良い。
【００１４】
構造体を閉空間とすることで、電気分解により発生した重水素が大気中に放出されないようにできる。閉空間内には触媒が配置されているため、閉空間内で発生した重水素は、陽極で発生した酸素と反応して重水となり、電解溶液へと戻る。上記構成を備えたコバルト低減装置は、高濃度の重水素が発生する場合などに有用であり、より安全にコバルトを低減させることができる。
【００１５】
また、本発明は、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表面に、コバルトを含むまたは表面にコバルトが存在する、あるいはコバルトを含み且つ表面にコバルトが存在する少なくともいずれかの金属部材を接触配置させる工程と、前記構造体の一方の面側に重水素高圧部を設け、該重水素高圧部を前記構造体の他方の面側よりも重水素の圧力が高い状態にする工程とを備えるコバルト低減方法を提供する。
【００１６】
上記構造体の一方の面側を重水素の圧力が高い状態とすることで、構造体を挟んで一方の面側と他方の面側との間に重水素の濃度勾配を発生させることができる。これにより、構造体の内部で一方の面側から他方の面側へと向かう重水素の流束が生成され、重水素が構造体の表面に接触配置された金属部材を透過する。上記発明によれば、金属部材に含まれるまたは金属部材の表面に存在するコバルトは、核種変換される。
【００１７】
上記発明の一態様によれば、前記重水素高圧部に重水素を含む電解溶液を供給し、前記構造体を陰極として前記電解溶液を電気分解して、該重水素高圧部を前記構造体の他方の面側よりも重水素の圧力が高い状態にしても良い。
【００１８】
構造体を陰極として、構造体の一方の面側で電解溶液を電気分解することによって、実効的に大きな圧力で構造体に重水素を吸蔵させることができる。それによって、構造体の一方の面側と他方の面側との間に重水素の濃度勾配を発生させることができる。
【００１９】
上記発明の一態様によれば、前記重水素高圧部を、前記構造体により密封可能な閉空間とし、該閉空間内に、酸素と重水素との反応を促進させる触媒を配置することが好ましい。
【００２０】
構造体を閉空間とすることで、電気分解により発生した重水素が大気中に放出されないようにできる。閉空間内には触媒が配置されているため、閉空間内で発生した重水素は、陽極で発生した酸素と反応して重水となり、電解溶液へと戻る。上記構成を備えたコバルト低減装置は、高濃度の重水素が発生する場合などに有用であり、より安全にコバルトを低減させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のコバルト低減装置によれば、金属部材に含まれるまたは金属部材に付着した放射性のコバルト量を、短寿命のあるいは安定な各種に変換させることで、コバルトを低減させることができる。それによって、定期検査時の作業員の被爆量を抑制することができる。また、核種変換により非放射化された金属部材は、再利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるコバルト低減装置の概略図である。
【図２】構造体の一例を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態にかかるコバルト低減装置の概略図である。
【図４】本発明の一実施例にかかるコバルト低減装置の概略図である。
【図５】本発明の一実施例にかかるコバルト低減装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜第１実施形態＞
以下に、本実施形態に係るコバルト低減装置を説明する。
図１に、本実施形態に係るコバルト低減装置の概略図を示す。コバルト低減装置１００は、構造体１、重水素高圧部２、及び高圧化手段３を備えている。
【００２４】
構造体１は、パラジウム（Ｐｄ）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。相対的に仕事関数が低い物質とは、例えば、仕事関数が３ｅＶ未満の物質であり、具体的には、ＣａＯなどとされる。
【００２５】
図２に、構造体の一例を示す。図２に示す構造体１は、バルクのＰｄ基板４（例えば、２５ｍｍ×２５ｍｍ×０．１ｍｍ）上に、ＣａＯ層５（厚さ：２ｎｍ）とＰｄ層６（厚さ：２０ｎｍ、ただし最上層のみ４０ｎｍ）とが交互に１０層積層された構成とされる。ＣａＯ層５及びＰｄ層６は、アルゴンイオンビームスパッタ法によって、エッチング処理後のＰｄ基板４上に、交互に製膜される。
【００２６】
構造体１の一方の面（Ｐｄ基板）側には、重水素高圧部２が設けられている。重水素高圧部２は、Ｏリングなどを介して構造体１と液密及び気密に接続され、上部は開放されている。重水素高圧部２は、高圧化手段３によって構造体１の他方の面側よりも重水素の圧力が高い状態とされている。
【００２７】
本実施形態において、高圧化手段３は、電気分解手段とされる。電気分解手段は、陰極、陽極７、電解溶液８、及び直流電源９を備えている。陰極は、構造体１とされる。陽極７は、陰極に対向する位置に配置されている。電解溶液８は重水を含み、陰極及び陽極７が浸漬されるよう重水素高圧部２内に供給されている。陰極及び陽極７はそれぞれ直流電源に接続されている。
重水素高圧部２内には、電解溶液８を冷却する冷却手段が備えられていても良い（不図示）。その場合は、冷却手段は絶縁性の材質から構成されるものとする。
【００２８】
構造体１の他方の面（重水素高圧部２が設けられた側と反対の面）には、コバルト（Ｃｏ）を含むまたは表面にＣｏが存在する、あるいはＣｏを含み且つ表面にＣｏが存在する少なくともいずれかの金属部材１０を接触配置させる。金属部材１０の材質としては、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００２９】
次に、コバルト低減装置１００を用いたコバルト低減方法を説明する。
本実施形態に係るコバルト低減方法では、金属部材１０の一面を、構造体１の他方の面（重水素高圧部２が設けられた側と反対の面）と接触させて配置する。その際、金属部材１０と構造体１とは密接に接触させると良い。そうすることによって、より多くのＣｏを核種変換反応させることができる。
【００３０】
重水素高圧部２では、直流電源９によって陰極及び陽極７に電流を供給し、電気分解により重水素を生成させる。これによって、重水素高圧部２における重水素の圧力が高い状態となる。電気分解の際、電解溶液を所定の一定温度に保持すると良い。供給する電流密度や供給時間などは適宜設定される。供給する電流密度は、高い方が望ましく、例えば、数１０ｍＡ／ｃｍ２以上とすると良い。本実施形態において、構造体１の他方の面側は大気開放されているため、重水素の圧力は実質的にゼロであり、構造体１の一方の面側と他方の面側との間で、重水素の濃度勾配が生じる。
【００３１】
濃度勾配により、構造体１の一方の面側から他方の面側に向かって流れる重水素の流束が生じる。これによって、重水素は、構造体１内を透過し、更に構造体１に接触配置された金属部材１０をも透過する。その結果、金属部材１０に含まれるまたは金属部材１０の表面に付着したＣｏの核種変換反応が発生する。金属部材１０を、構造体１に比べて水素が透過しにくい材質、例えばステンレス鋼などとすると、構造体１と金属部材１０との接触界面で重水素の透過速度が変化するため、上記接触界面近傍で重水素濃度が高くなる傾向を示す。その結果、核種変換反応量を増大させることが可能である。
【００３２】
本実施形態のコバルト低減方法によれば、金属部材１０に含まれるまたは金属部材１０上に付着したＣｏを核種変換させることで、Ｃｏを低減させることができる。
【００３３】
＜第２実施形態＞
本実施形態に係るコバルト低減装置は、重水素高圧部の構成が異なる以外は、第１実施形態と同様とされる。
図３に、本実施形態に係るコバルト低減装置の概略図を示す。
コバルト低減装置２００において、重水素高圧部１２は、構造体１の一方の面（Ｐｄ基板）側に設けられている。重水素高圧部１２は、構造体１によって密封可能な閉空間とされる。構造体１は、Ｏリングなどを介して液密及び気密に重水素高圧部１２に接続されている。重水素高圧部１２は、高圧化手段３によって構造体１の他方の面側よりも重水素の圧力が高い状態とされている。
【００３４】
重水素高圧部１２の内部には、酸素と重水素との反応を促進させる触媒１３が配置されている。触媒１３としては、白金上に白金黒を電着したものなどが用いられる。
【００３５】
コバルト低減装置２００によれば、重水素高圧部１２を閉空間としたことにより、電気分解により発生した重水素のうち、構造体１に取り込まれなかった重水素は、外部へ放出されず閉空間内にとどまる。閉空間内には、触媒１３が配置されているため、電気分解により発生した大部分の重水素及び酸素から水を生成して、再び電解溶液８に戻すことができる。これによって、重水素が放出されることを防止できるため、より安全性の高い装置となる。
【００３６】
次に、図４に示すコバルト低減装置３００を用いて、表面にＣｏが存在する構造体１に重水素を透過させる試験を実施した。
コバルト低減装置３００は、内部が気密保持可能とされた重水素高圧部３１と、重水素高圧部３１内に配置された構造体３２と、構造体３２を介して内部が気密保持可能とされた重水素低圧部３３とを備えている。構造体３２は、図２の構造体１と同様の構成とされ、Ｐｄ基板４を重水素低圧部３３側に向けて配置されている。
【００３７】
重水素高圧部３１の高圧化手段として、ボンベなどの重水素供給部３４が接続されている。重水素低圧部３３に、低圧化手段としてターボ分子ポンプ３５が接続されており、重水素低圧部３３内部を真空とすることができる。重水素高圧部３１には、Ｎ２ボンベも接続されている。ターボ分子ポンプ３５には、ドライポンプ３６が接続されている。
また、重水素高圧部３１の外側には構造体３２の温度を調整可能に熱源３７が設けられている。熱源３７は、ヒータ及びヒータターミナルとした。
【００３８】
ターボポンプ３５と、重水素高圧部３１及び重水素低圧部３３との間には、Ｂ−Ａゲージ３８が接続されている。構造体３２の重水素高圧部３１側には、高純度ゲルマニウム検出器３９が配置されている。
【００３９】
本試験では、Ｃｏとして５９Ｃｏを用い、構造体の重水素高圧部側表面に、Ｃｏを含む層を形成させた。Ｃｏを含む層は、構造体３２のＰｄ基板と反対側の表面のＰｄ層に、ＣｏイオンのピークがＰｄ層の表面から１０ｎｍ程度となるよう、Ｃｏイオンを３０ｋｅＶのエネルギーで２．５×１０１５個／ｃｍ２のフラックスで注入して形成した。
【００４０】
上記で作製した構造体３２をコバルト低減装置３００内の所定位置に配置したのち、重水素低圧部３３及び重水素高圧部３１を順次ターボ分子ポンプにより真空排気した。
【００４１】
次に、重水素高圧部３１に重水素を供給しながら、重水素低圧部３３内を真空排気した。それによって、構造体３２の重水素高圧部３１側と重水素低圧部３３側との間に、重水素の濃度勾配が生じ、重水素が重水素高圧部３１側から重水素低圧部３３側へ向けて流れる。
【００４２】
重水素が構造体３２を透過するときの構造体３２の温度は、５０℃−７０℃、４０℃−６０℃、７０℃−９０℃のいずれかとなるよう熱源３７によって制御した。
【００４３】
構造体３２を透過して重水素低圧部３３内に放出されたイオンと、Ｃｏイオンを注入して重水素を透過させていない構造体に存在するイオン（対照）を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって分析した。なお、上記試験では、式（１）の反応が起きることが予想される。
【化１】
2012093304.tif 000003
【００４４】
ＳＩＭＳ分析の結果を表１に示す。
【表１】
2012093304.tif 000004
【００４５】
天然のＣｕは、６３Ｃｕが６９．１５％、６５Ｃｕが３０．８５％の比率で存在する。コバルト低減装置３００において、上記式（１）の反応が生じていれば、６３Ｃｕ及び６５Ｃｕの質量比（６３Ｃｕ／６５Ｃｕ）が変化するはずである。天然のＣｕの質量比（６３Ｃｕ／６５Ｃｕ）は、２．２４程度となる。表１によれば、対照の質量比（６３Ｃｕ／６５Ｃｕ）は２．２となり、天然の質量比（６３Ｃｕ／６５Ｃｕ）と略同等であった。一方、重水素透過を行った後の試料では、質量比（６３Ｃｕ／６５Ｃｕ）が２．２よりも大きくなった。特に、温度５０℃−７０℃で重水素を透過させた時の試料の質量比（６３Ｃｕ／６５Ｃｕ）が大きかった。これは、コバルト低減装置３００において、上記式（１）の反応が生じたことを示している。すなわち、５９Ｃｏが６３Ｃｕに変換され、質量数６３のＣｕが増加したため、質量比（６３Ｃｕ／６５Ｃｕ）の値が大きく増加したことを意味する。
【００４６】
なお、構造体３２にＣｏイオンを３０ｋｅＶのエネルギーで２．５×１０１４個／ｃｍ２のフラックスを注入して上記と同様の試験を実施したが、すべての試料において６３Ｃｕの増加はみられなかった。これは、変換された６３Ｃｕが少なすぎて、検出限界以下であったためと考えられる。このことから、Ｃｏイオンを３０ｋｅＶで注入する場合、１．０×１０１５個／ｃｍ２以上１．０×１０１６個／ｃｍ２以下の範囲のフラックスを注入することが好ましいと言える。
【００４７】
次に、図５に示すコバルト低減装置４００を用いて、上記と同様の試験を実施した。
コバルト低減装置４００は、内部が気密保持可能とされた重水素高圧部４１と、重水素高圧部４１内に配置された構造体４２と、構造体４２を介して内部が気密保持可能とされた重水素低圧部４３とを備えている。構造体４２は、図２の構造体１と同様の構成とされる。
【００４８】
重水素高圧部４１の高圧化手段は、電気分解手段とされる。電気分解手段は、陰極、陽極４４、及び電解溶液４５を備えている。陰極は、構造体４２とされる。陽極４４は、陰極に対向する位置に配置されている。電解溶液４５は重水を含み、陰極及び陽極４４が浸漬されるよう重水素高圧部４１内に供給されている。陰極及び陽極４４はそれぞれ直流電源に接続されている。
【００４９】
重水素高圧部４１内には、電解溶液４５を冷却する冷却手段４６、及び酸素と重水素との反応を促進させる触媒４７が備えられている。
【００５０】
上記構成のコバルト低減装置４００を用いた場合でも、コバルト低減装置３００と同様の結果が得られた。
【符号の説明】
【００５１】
１，３２，４２  構造体
２，１２，３１，４１  重水素高圧部
３  高圧化手段
４  Ｐｄ基板
５  ＣａＯ層
６  Ｐｄ層
７，４４  陽極
８，４５  電解溶液
９  直流電源
１０  金属部材
１３，４７  触媒
３３  重水素低圧部
３４，４３  重水素供給部
３５  ターボ分子ポンプ
３６  ドライポンプ
３７  熱源
３８  Ｂ−Ａゲージ
３９  高純度ゲルマニウム検出器
４６  冷却手段
１００，２００，３００，４００  コバルト低減装置
【図１】
2012093304.tif 000005
【図２】
2012093304.tif 000006
【図３】
2012093304.tif 000007
【図４】
2012093304.tif 000008
【図５】
2012093304.tif 000009