放射線に強い熱電発電をめざして－スピン熱電素子を用いた廃熱利用と原子力電池－

日本原子力研究開発機構
原子力科学研究部門 先端基礎研究センター
スピン-エネルギー変換材料科学研究Gr
主席研究員 岡安 悟
2021年9月2日
1自己紹介
理学博士（筑波大学） ：低温屋
日本原子力研究所 高温超伝導体の照射効果の研究に従事
量子ビーム（重イオン・中性子・電子線・ガンマ線）を利用した物性改質〇「超伝導磁束状態の物理」(門脇和男編、裳華房)「照射欠陥をもつ超伝導体」の項目を執筆

磁束量子のピン止め、磁束量子系の物理〇超伝導体MgB2を用いた中性子検出器の開発

特開2008-134153 発明の名称「中性子検出装置及びその使用方法」（共願：科学技術振興機構、大阪府立大学）
超伝導体の転移端を利用した固体検出器
高電圧不要、高速応答
既存の3He検出器はガスで扱いが面倒、高圧必要、応答遅い
デメリット：低温が必要～40K〇粒子線照射によるゼオライトのナノ加工

高エネルギー重イオン

特許第5505609号 発明の名称「ゼオライト及びその製造方法」

現在：
スピントロニクス材料の原子力応用

金属クラスター

100nm

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Summary
本発明は放射線環境下でも利用可能な熱電技術である。
そもそもの発端は福島第1原発事故。
モニタリングすらできない。熱源はあるのに利用できない。
従来の熱電技術は放射線に弱い→本発明は放射線下の「スピン熱電素子」の可能性を拡大想定される用途
・原子力電池 ⇒ 線源の制限をなくせる
・使用済み核燃料キャスクに取り付け発電⇒非常用電源

現在の問題点
従来技術に比べ発生電圧が小さい 0.1μV/℃ cf. BiTl 0.4mV/℃
長尺化で対応 ⇒ 長尺化をしてくれる人を募集中
物質開発⇒ 低コスト化・シート化（可撓性）してくれる人も当方の提供可能な技術
照射および特性評価
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熱電発電とは？
・熱を電気に変換する仕組み

電位差

半導体

Ｎ型

Ｐ型

温度差

＝２種類の半導体(金属)の接合→熱電対接合に温度差を与える→電圧が発生（Seebeck効果)
回路にする→電流が流れる

電 極

熱電素子
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熱電素子の使い道
・自動車や工場の廃熱利用発電
citizen・ＩoTセンサー、時計などの微少電源

エコドライブサーモ
2268対の「熱電対」（1999年11月）

・放射性同位元素と組み合わせた原子力電池⇒ 宇宙探査機用電源

5（例） NASA火星探査機を駆動する原子力電池

出典：https://inl.gov/mars-2020/

RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator)
放射性同位体熱電転換器（原子力電池の一種）（重量45 kg、電気出力110 W（打ち上げ時）、燃料Pu‐238（PuO2) 4.8kg）
6原子力電池の熱源核種（放射性同位体）

本発明では238Pu以外の他核種を使用可能（例えばCs等）
それにより炉規法規制外で原子力電池を作製可能
高エネルギー宇宙線にも耐性あり

ほぼ 238Pu

利点：遮蔽が容易(α線のみ放出)
欠点：燃料確保・取扱に障壁
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新技術の特徴・従来技術との比較• スピン熱電素子
金属/磁性体の二層膜界面で発電

耐放射線特性が高い
構造が簡単で製造コスト低• 従来のゼーベック素子
直列に回路を組む必要

耐放射線特性が低い
構造が複雑で製造コスト高
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スピン熱電発電
VEISHE

金属(Pt)
磁性体(YIG)
基板(GGG)

Js

磁化Ｍ

温度差
ΔＴ

磁場Ｈ
スピンゼーベック効果
Spin Seebeck Effect(SSE)

sample-2 before γ-irrad.

10 ] 10SSE voltage (V)-7

SSE信号の例
0-10-400-200
0200
Magnetic Field (Oe)400

9SSE素子の耐放射線特性を実証
ガンマ線照射前
sample-2 before γ-irrad.

10 ] 100-7-400

10-6] 2-200
0200
Magnetic Field (Oe)400sample2 before γ-irrad

10-6] 210y=Σan xn
a0=2.58135840e-07
a1=7.23845700e-08
1.07996921e-08|r|=9.99777471e-01-1-2-20

sample2 after γ-irrad(150℃&Dry)0.86MGy

1-1001020

VSSE / ΔT(µV/K)-10重イオンでミクロな穴を
sample-2 after γ-irrad.((150℃&Dry)0.86MGy
10 ] 10
あけて無理矢理試料
150℃で0.86MGｙ
を壊しても、温度依存（約1ヶ月）性の直線性は保たれ
0
ガンマ線照射ることから、試料の耐放射線特性は担保さしても劣化なし-10-400-200
0200400れる。
Magnetic Field (Oe)SSE voltage (V)-7

SSE voltage (V)ガンマ線照射後

0y=Σan xn-1

VSSE / ΔT-2-20-100

SSE信号の温度依存性に
仮にキャスクに変化が無いことから素子の貼り付けたとしても健全性が担保される重イオンによる性能低下は数100年は問題なし

a0=3.45876944e-07
a1=8.24844864e-08
4.85416434e-08|r|=9.98272858e-01

102010熱電変換技術の特徴と課題
従来のゼーベッ ク 熱電変換技術【 特徴】
・ 数度の温度差でも 発電【 発電用途の市場】
・ 深宇宙探査機用発電機
・ 軍用機器向け発電機【 課題】
・ 低コ スト 化によ る 市場拡大

スピ ン を 使っ た熱電変換技術【 特徴】
・ 数度の温度差で も 発電・ シ ン プ ルな 構造
・ コ スト 、 耐久性
実装の自由度に利点【 発電用途の市場】
・ 未開拓 →原子力分野への応用【 課題】
・ 変換効率の大幅向上

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想定される用途〇原子力電池への応用
太陽電池の使えない場所での利用
熱電素子と熱源の組み合わせで発電(半導体熱電対→γ遮蔽が必要、Pu）
本素子→ガンマ線遮蔽が不要
Pu以外の核種が熱源の候補に！

〇その他崩壊熱の利用による電源確保
使用済み燃料棒キャスクへの貼り付け
12実用化に向けた課題と企業への期待• スピン熱電素子の課題○従来素子に比べ発生電圧が小さい→長尺化で補える（スケールアップ）
シート上への磁性体成膜○金属薄膜の選定
プラチナは高効率であるが高価⇒Niで代替（SSEはPtの半分だがANEで補完)（SSE：スピンゼーベック効果、ANE：異常ネルンスト効果）○高温＋蒸気に弱い？
何らかの保護膜を工夫する必要

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本技術に関する知的財産権
発明の名称：熱電変換システム、熱電変換方法
公 開 番 号：特開 2021-086942
出 願 人 ：日本原子力研究開発機構
発 明 者 ：岡安悟、針井一哉、家田淳一
発明の名称：原子力電池、原子力電池システム
公 開 番 号：特開 2021-085774
出 願 人 ：日本原子力研究開発機構
発 明 者 ：岡安悟、針井一哉、家田淳一
14お問い合わせ先国立研究開発法人
日本原子力研究開発機構
研究連携成果展開部
ＴＥＬ 029－284－3420
e-mail seika.riyou＠jaea.go.jp

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