2022 Fiscal Year Annual Research Report
A hydrogen isotope separation method based on the Ludwig-Soret effect
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20K21867
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
木村 啓志 東海大学, マイクロ・ナノ研究開発センター, 教授 (40533625)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
喜多 理王 東海大学, マイクロ・ナノ研究開発センター, 教授 (90322700)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | トリチウム / マイクロ流体デバイス / ソレー効果 / 水素同位体 / 熱拡散現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、放射能汚染水に含まれるトリチウム水処理への応用を目指して、マイクロ流体工学と非平衡熱力学を融合させた革新的な水素同位体分離法の技術基盤構築を目的とした。具体論として、微小空間における熱拡散現象（ルードヴィッヒ・ソレー効果：以下、ソレー効果）によって場の溶液濃度を不均一化し、形成された濃淡溶液層を層流により分離回収可能なマイクロ流体デバイスを核とする水素同位体分離システムを構築した。これを用いて主に重水と軽水の分離効率最適化検討を実施し、本手法の有用性を検証した。
マイクロ流体デバイスは、微細加工技術によって形成した微小流路構造の中で流体を取り扱うことができる小型装置である。微小流路内では、流体の慣性力よりも粘性力が支配的となるため、溶液が混ざり合わない層流が形成される。他方、ソレー効果は、混合流体において濃度勾配により誘起される物質の拡散と、温度勾配により誘起される物質の拡散が競合して成分分布が不均一となる現象である。この現象による物質の移動度は、分子の質量やサイズなどの物理的・化学的特性から複合的に決定される。
2022年度は、マイクロ流路上下にペルチェ素子を設置して高精度に温度制御することによって、微小流路内に安定的な熱勾配場を形成する水素同位体分離システムを用いた分離原理の検証を実施した。具体的には、重水と軽水や、トリチウム水と軽水を用いた分離実験を実施した。重水と軽水の分離実験については、ソレー効果を活用したデバイスによって水素同位体の分離が可能であることが示唆された。一方、トリチウム水と軽水の分離実験については、実験に使用したシンチレーションカウンタの感度が足りず、明確な分離現象の解明には至らなかった。今後は、分離性能を上げるためのデバイスおよび条件の改良検討を進めると共に、より感度の高いシンチレーションカウンタを導入した実験系の構築が必要である。
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