Development of a highly efficient isotope separation scheme for radioactive cesium utilizing light-induced drift

Research Project

Project/Area Number	21K04947
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
Research Institution	Hiroshima Institute of Technology
Principal Investigator	松岡雷士広島工業大学, 工学部, 准教授 (50455276)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords	原子・分子物理 / 反応・分離工学 / 半導体レーザー / 核変換 / 飽和吸収分光
Outline of Research at the Start	放射性セシウムを完全に同位体分離することが出来れば、核変換による完全な無害化が可能となる。しかしながら放射性セシウムと安定セシウムは性質が酷似しており、レーザーを利用した微少量の同位体分離でさえも困難とされてきた。本研究では常温熱平衡の状態にあるセシウム原子集団全体に並進速度を与えることが可能な光誘導ドリフトと呼ばれる現象を利用し、真に機能するセシウム同位体分離スキームの開発を行う。既にセシウム原子の光誘導ドリフトは独自開発の装置で確認出来ており、ここでは主にレーザー・周辺機器の改善によって処理速度の向上を目指す。
Outline of Annual Research Achievements	核変換の前処理として必須となる放射性セシウムの同位体分離技術を確立することにより、地層処分における漏洩リスクの回避を目指す。研究代表者のこれまでの研究において「光誘導ドリフト」を利用した分離スキームが機能する可能性が実験的に実証されている。本研究では将来的な放射能分離試験に向けたスキームの信頼性向上を目的とし、新規実験システム開発・物理的機構の解明・補助装置群の開発などを実施する。令和４年度は前年度から引き続き、セシウム原子D1線（894 nm）を励起するためのレーザーシステム開発中心とし、サブシステムとしての安定な波長標準の開発、および、レーザー光によるセシウム吸収スペクトル計測の解析に関する問題点の検証などを行った。 894nmのレーザー光源としてSacher Lasertechnik社のマイクロンレーザー素子を用いたシステム開発を行った。レーザーとしての運用は可能になったものの、安定したセシウムの励起に使用するレベルには至っておらず、現在でも調整と検証を継続している。波長標準として開発した垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL）の波長のDichroic Atomic Vapor Spectroscopy(DAVS)を用いた安定化には成功し、光誘導ドリフト実装時の高安定波長標準として使用できるレベルとなった。また、セシウム原子のレーザー吸収分光において、レーザー強度に依存して解析で求められるスペクトルが変化してしまう問題について、ゼロ点決定の精度の観点から原因を解明することが出来た。昨年度に実施した飽和吸収分光の基礎的な検証と合わせ、光路長の長いターゲットに対するレーザー吸収分光を行う際に発生しうる誤りについて系統的な整理が進んだ。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason メインとなる半導体レーザーシステムの開発が遅れており、スペックシートには現れず事前に把握が不可能だった素子の不具合が出てしまっている。温度などのパラメータ最適化でカバーできる範囲なのかはまだ判断が難しいが、小型で比較的扱いやすい素子であることは確かであるため、実用的な運用方法が見つかれば、その後の研究へのメリットは大きい。レーザーシステムの開発に遅れが出ているため、分離容器の改善には手が回っておらず、これまでの容器をそのまま利用することとなる。一方で同位体比計測のための長いセル中での分光手法の開発については課題の発見と解決が多数あり、ノウハウの可視化が進んでいる。ここで得られた手法としての知見は、レーザー吸収分光計測に関連する広い範囲への応用が期待できる。
Strategy for Future Research Activity	(1)894 nm のレーザーを用いたセシウム原子の光誘導ドリフトの観測、および、 (2)同位体比計測のための変調伝搬分光の信号形成機構の解明について、現在までの成果を統合して装置開発・実験を進める。 (1)については開発中のレーザー光源の整備を進め、894 nm でも光誘導ドリフトが観測できることを実験的に実証する。 (2)については変調伝搬分光と飽和吸収分光シグナルを対比させながら計測できるシステムを構築し、変調伝搬分光のシグナル変化の原因を飽和吸収分光のスペクトルをヒントにして解明する。