JP2015010885A

JP2015010885A - セシウムの放射能の減少方法

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Publication number: JP2015010885A
Application number: JP2013135234A
Authority: JP
Inventors: 幸生隅田; Yukio Sumida
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2015-01-19

Abstract

【課題】セシウム放射能を短期間で減衰させる方法を提供する。【解決手段】エネルギー５．３０５Ｍｅｖ以上のα線を放出するα線源１とB等のターゲット３を配置し、このα線により発生する中性子を水のような減速材５で減速させ、熱中性子を放射能のセシウム溶液または固体６に照射してセシウムの放射能を短期間で減衰させる。【選択図】図１

Description

本発明は、放射能としてのセシウムを短寿命核種或いは安定核種に変換して、放射性物質を低減する方法に関するものである。

例えば、原子力発電所の使用済燃料には放射性核種としてのセシウム等が存在する。このセシウムが環境中に放出された場合にはセシウム１３７（以下、Ｃｓ−１３７と書く。１３７は質量数を表すもので同位体の核種の区別をする場合に用いられる。以下同様とする。）では半減期約３０年でガンマ線やベータ線を出し続け、人体や環境に対する悪影響を与える。また、セシウム１３４（以下、Ｃｓ−１３４と書く。）は半減期約２年でベータ線やガンマ線の放射線を出し続け、やはり人体や環境に対する悪影響を与える。
これらの放射能を放置しておくと、人間に対する被ばく線量の増加をもたらし、被ばく線量の増加はガン等の発生率にも影響を与えるおそれがある。

この状況を改善するためには、環境の除染等を行って環境に対する負荷を軽減することが必要である。除染の方法については、例えば、日本原子力学会や日本原子力研究開発機構の福島における除染技術によれば、放水洗浄、拭き取り、吸引、洗浄や土壌の表面削り取り等がある。
（非特許文献１）（非特許文献２）

これらの除染作業で発生したＣｓ−１３７やＣｓ−１３４はそのままでは体積が大きく、一時保管、中間貯蔵、最終処分するにしてもその放射能の体積を減少させる必要がある。
そのためには、例えばプルシアンブルーを用いた吸着技術等を用いて、体積を減少させて、安全な保管場所で３０年以上の期間外部に漏れない状態で保管して放射能を減衰する必要がある。
（ａ）プルシアンブルー：（非特許文献３)（非特許文献４）
(b)保管例：（非特許文献２）

また、これらの放射能の半減期を強制的に短くする方法がさまざまに研究されてきた。原子力委員会の資料
にあるオメガ計画等がその代表例である。これらの計画には原子炉や加速器を利用することによる多大なエネルギーを必要とするために、エネルギー経済上放射能を発生させた発電エネルギー以上のエネルギーを必要とすることが想定され、実用的ではないと推定される。

特許公開平１０−４８３９０

環境修復技術のご説明資料（暫定版第２版）平成２３年９月５日日本原子力学会「原子力安全」調査専門委員会クリーンアップ分科会http://www.aesj.or.jp/information/fnpp201103/chousacom/cu/cucom_kankyoshufuku20110905.pdf 日本原子力研究開発機構福島第一原子力発電所事故に係る避難区域等における除染実証業務http://www.jaea.go.jp/fukushima/kankyoanzen/d- model_report/summary.pdf 川本徹ら、産業技術総合研究所http://www.aist.go.jp/aist_j/aistinfo/aist_today/vol12_09/vol12_09_p16.pdf 迫田章義ら、東大生産技術研究所http://www.iis.u- tokyo.ac.jp/publication/topics/2012/20120528press2.pdf 高度情報科学技術研究機構ＡＴＯＭＩＣＡのオメガ計画の引用http://www.rist.or.jp/atomica/data/dat_detail.php?Title_Key=07-02-01-07 FNの高校物理原子編「中性子の発見」http://fnorio.com/0045Discovery_of_a_neutron1/Discovery_of_a_neutron1.htm J.Chadwick, F.R.S.Proc. Roy. Soc., A, 136, p. 692-708(上記の文献は次のURLで入手できる。) http://www.chemteam.info/Chem-History/Chadwick- 1932/Chadwick-neutron.html) Table ofIsotopes 第８版平成２３年度「除染技術実証試験事業」の結果概要平成２４年３月内閣府原子力被災者生活支援チームＰ２８の東芝の汚染土壌からのセシウム回収技術等http://josen.env.go.jp/material/link/pdf/20120501_02.pdf 日本保健物理学会専門家が答える暮らしの放射線Q&A Cs-137とCs-134が約半々http://radi-info.com/q-1327/

このように、放射能としてのセシウムを十分減衰するまで長期間保管しておくのは、保管施設の安全性、耐久性の面から困難な面がある。また、原子炉や加速器等を使い、半減期の短い核種に変換するには多大なエネルギーを必要とするので実用的ではない。

これらの問題を解決するために、簡易な核変換システムを適用して放射能としてのセシウムの放射能自体を減少させ、放射能としてのセシウムの長期間保管の負担を軽減するものである。

ここで、本発明に係る核変換の背景について述べる。
核変換においては、電荷がなくて原子核の中に障壁がなく侵入する上で、中性子の利用が不可欠である。中性子の発見は１９３２年のチャドウィックによるものである。このチャドウィックの中性子(以下、記号ｎで示す。)の発見においては、放射性壊変系列のウラン系列にあるポロニウム(Ｐｏ−２１０)から出るアルファ線（以下、α線またはＨｅ−４と書く。）のエネルギー５．３０５ミリオン電子ボルト（以下Ｍｅｖと書く。）の粒子をベリリウム(Ｂｅ)やホウ素(Ｂ)のようなターゲットとなる原子に当てて、そこから出てくる放射線である中性子（ｎ）をパラフィンや窒素化合物の物質に当てた時に出てくる陽子を測定して、エネルギー保存の法則等から中性子（ｎ）の存在を証明した。
このＰｏ−２１０のように、α線を放出する物質で５．３Ｍｅｖ以上のエネルギーを持っていれば、クーロン障壁を越えてターゲットのＢｅやＢと原子核内で反応し、中性子（ｎ）を放出する。概要は日本の文献(非特許文献６)で示されており、その元の文献としては英国での文献(非特許文献７)に示されている。

これらの結果から、α線５．３０５Ｍｅｖ以上のエネルギーを持った粒子を放出する核種とターゲットとしてのＢｅまたはＢが存在すれば、中性子が発生する条件が揃う。Ｂの例を核反応式で示すと下記のようになる。

Ｂ−１１＋Ｈｅ−４- - -
> Ｎ−１４＋ｎ（１）

核反応式（１）においてＢ−１１はＢの同位体であり、自然界の存在比８０％を占めており、残る２０％はＢの同位体でＢ−１０である。また、Ｎ−１４は窒素の同位体であり、ほぼ空気中の窒素（９９％以上がＮ−１４）と同じもので無害である。
こうして、上記の（１）の核反応式を利用して、中性子（ｎ）の発生が行われる。

この中性子（ｎ）をセシウムに吸収させて核変換を行わせる。ただし、上記反応で発生した中性子は数Ｍｅｖの高いエネルギー（以下、高速中性子と書く。）を持っている。このエネルギーでは核反応を起こすのは難しいので、水（Ｈ２Ｏ）やパラフィン等の軽い元素の減速材による弾性衝突で減速させて、０．０２５ｅＶ程度のエネルギーを持つ中性子（以下、熱中性子と書く。）にする必要がある。この熱中性子を放射能を持つセシウムに吸収させる。
例えばＣｓ−１３７の熱中性子の吸収断面積は（非特許文献８）によれば、約０．１バーン（ｂａｒｎ：１Ｅ−２４ｃｍ２、以下、ｂと書く。）と小さいので、原子炉の制御棒等に使われるＢ等は１０００ｂ前後であることを考えると、ある程度の時間をかけた照射が必要となる。

また、Ｃｓ−１３４はこの熱中性子吸収断面積は約１４０ｂであり、このＣｓ−１３４は熱中性子を吸収するとＣｓ−１３５となり、これは約２３０万年の半減期を持つベータ線（以下β線と書く。）を放出する核種となるため、予め、Ｃｓ−１３４はβ線放出によるＸｅ−１３４（希ガスとして安定）として、Ｃｓ−１３４を時間による減衰を行い、溶液中からできるだけ除去していることが望ましい。なお、これらの核種の半減期、熱中性子吸収断面積は（非特許文献８）による。

この吸収反応によりＣｓ−１３７は熱中性子を吸収して、Ｃｓ−１３８というセシウムの同位体となり、この核種は短半減期（約３０分）でＢａ−１３８にベータ崩壊し、安定化する。
これらの核反応式を利用してセシウム放射能の減少を図るものである。

本発明による装置を用いて、放射性物質であるＣｓ−１３７の放射能を通常の半減期約３０年よりはるかに短い期間において減衰させることが可能となり、環境中におけるセシウムの放射能による影響を減少することが可能となる。
また、これらの過程において、余分なエネルギーを外部から与えていないので、エネルギー経済上でも合理性のあるものと考えられる。

図１は放射能のセシウムを減少させる装置の一例である。

発明を実施するための一例を図1に示す。

図１において、α線源１とターゲット３を真空装置の中に入れて、排気ポンプ２で真空に引く。α線源はエネルギー５．３０５Ｍｅｖ以上のα線を放出するものであれば何でもよく、簡単な例では崩壊チェーンのウラン系列の基元素のウラン２３８（以下、Ｕ−２３８と書く。）を適用できる。
このＵ−２３８は崩壊途中にＰｏ−２１０を生成し、このＰｏ−２１０のα線は５．３０５Ｍｅｖのエネルギーを持っている。また、トリウム系列のトリウム２３２（以下、Ｔｈ−２３２と書く。）は崩壊途中にＰｏ−２１２を生成し、このＰｏ−２１２のα線は８．７８５Ｍｅｖのエネルギーを持っている。
これらの崩壊系列の中のα線５．３０５Ｍｅｖ以上の放出核種を化学分離等で予め抽出したものを適用してもよい。

また、崩壊系列以外ではアメリシウム２４１（以下、Ａｍ−２４１と書く。）がやはりエネルギー５．３０５Ｍｅｖ以上のα線を放出するものである。この真空装置に接近した位置に水やパラフィン等の中性子の減速を行う減速材５を配置する。この減速材の横に、放射能のセシウム溶液または固体６を配置する。放射能を含むセシウム水溶液はその中に減速材である水を含んでいるから、水溶液の場合は減速材５を省略することもできる。
なお、この水溶液は例えばシュウ酸＜化学式で（COOH）２＞溶液等でセシウムを溶解したものとすることが適当であり（非特許文献９）、できるだけ不純物を除去したものが好ましい。
不純物があると、この不純物が熱中性子を吸収して放射化するおそれがあり、逆に放射能が高くなる可能性があるためである。

また、環境に存在するＣｓ−１３７とＣｓ−１３４の比率は日本保健物理学会（非特許文献１０）によると約１：１であり、Ｃｓ−１３４の熱中性子吸収断面積は約１４０ｂと大きいので、Ｃｓ−１３４をできるだけ減衰させておくことが望ましい。

このシステムを利用する上では、５．３Ｍｅｖ以上のα線を放出する崩壊系列を持つ物質またはその崩壊系列から抽出したα線放出核種であれば、ターゲットへのα線照射を行うことができる。このα線照射により放出される中性子を減速させて目的とする核種に照射することにより、短半減期の核種に変換させて、セシウム放射能を短期に減少させることが可能となる。

また、半減期１５７０万年でβ線０．１５４MeVの放射線を放出するヨウ素１２９（Ｉ−１２９）は中性子吸収断面積は９ｂで熱中性子を吸収し、ヨウ素１３０（Ｉ−１３０）となり、このＩ−１３０は半減期１２．３６時間でキセノン１３０（Ｘｅ−１３０）となり、安定化する。このＩ−１２９の固体または液体試料にこのシステムを適用すれば、ヨウ素の放射能の低減にも役に立つ結果が得られる。

この他、ストロンチウム９０（Ｓｒ−９０）は半減期２８．７年で０．５４６Ｍｅｖのベータ線を放出するが、この核種の中性子吸収断面積は０．９ｂであり、この核種が熱中性子を吸収すると、９．６３時間の半減期でイットリウム９１（Ｙ−９１）を経由して５８．５日の半減期でジルコニウム９１（Ｚｒ−９１）で安定核種となる。

これらの長期の半減期を持つ核種に対して、このシステムを適用してやれば、いずれも短期の半減期核種または安定核種となることも可能である。

１：α線源
２：排気ポンプ
３：ターゲット（ＢまたはＢｅ）
４：真空装置
５：減速材
６：放射能のセシウム溶液またはセシウムを包含した固体

Claims

エネルギー５．３０５Ｍｅｖ以上のα線を放出するα線源１とB等のターゲット３を配置し、このα線により発生する中性子を水のような減速材５で減速させ、熱中性子を放射能のセシウム溶液または固体６に照射することにより、セシウム放射能を短期間で減衰させる装置に関するものである。