2021 Fiscal Year Research-status Report
Energy production from radioactive waste
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20K21870
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| Research Institution | Chubu University |
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Principal Investigator |
堤内 要 中部大学, 応用生物学部, 教授 (50329851)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
室屋 裕佐 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (40334320)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | 使用済み核燃料 / 放射線分解 / 酸化鉄ナノ粒子 / エネルギー生産 / 放射性廃棄物 / 浄化 / 選択的捕捉 / 磁気分離 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
使用済み核燃料の処理には莫大な時間やコストがかかる。また水の放射線分解による水素生産は近年注目されているが、燃料電池で発電した際のエネルギー生産効率に課題が残る。既報ではアルミナ(Al2O3)粉末を水に添加し、放射線照射を行ったところ水素ガスの生成効率が上がり、その傾向は粒子径が小さくなるほど向上していた。ただし、この粒子径は3μmまでしか検討されていない。我々は粒子径5 nmまでの酸化鉄ナノ粒子（IONP）を自ら調製できるため、これらの材料と60Coからの放射線を用いて水の放射線分解について調査を行った。その結果、予想に反してIONPを添加することで水素ガスの生成はむしろ抑制されていた。原因を明らかにすべくIONP中の二価鉄（FeII）と三価鉄（FeIII）の定量分析を行ったところ、FeIIが増大していた。つまり、放射線による電離作用で生成した電子をIONPのFeIIIが受け取り、FeIIに変換したのである。
IONPによる電子の吸収は水素ガスの発生に対して負の影響を示したことから、この後、燃料電池によるエネルギー生産を計画していた我々のプランは実現が困難となった。しかし、水分子から電離した電子はIONPに効率よく取り込まれることと、IONPは磁気分離可能であることを考えると、電子を受取ったIONPを速やかに磁気分離して電極に繋げば電気を生み出せるのではないかと考えた。種々の検討を行ったところ、γ線照射した酸化鉄粒子（IOP）分散液に2つの電極を導入し、一方の電極にIOPを引き寄せることで、1V程度の起電力を確認した。また、放電試験ではμWオーダーの出力を確認するに至っている。なお、この結果をもとに「発電方法及び発電システム」に関する特許申請を行った。
また本研究では、IONPの表面にキレート能を有する化学修飾を施し、水中のセシウムなどの選択的除去も検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
前述した通り、本研究は当初水を放射線分解して発生させた水素ガスから電気エネルギーを生産する予定であった。ところが、実際には放射線照射により水分子から飛び出した電子を鉄が吸収していたことから、鉄から直接電気を取り出すという極めて単純なエネルギー生産方法の着想に繋がった。
この方法は酸化鉄粒子（IOP）100㎎、水50 mLという極めて小規模な実験系でも実現できる。この点は、放射性物質を臨界状態に維持して水を沸騰させ、その蒸気でタービンを回転させて発電する大掛かりな現在の原子力発電とは比べ物にならないほどシンプルで制御しやすいシステムである。
また、当初計画していた水素ガスを発生させる方法では水素の発生に伴い系中に過酸化水素が蓄積し、やがて水素ガスの生成を抑制することが予想される。水素ガスを速やかに分離しつつ、過酸化水素から酸素ガスを取り出せば燃料電池で水を再生できるが、強い放射線に暴露される環境下で安定に稼働するシステムを構築するのは容易ではない。
一方、我々が発明した発電方法はIOPの酸化と還元が繰り返され、電子を失った水分子が多様なラジカル種として存在するものの、最終的に電極を通じて電子を受け取り、水分子に戻るため、ガス分離などのプロセスを必要とすることなく電気を得ることができる。また、これらの反応は室温で進行し大きな熱の発生もないことから、発電を継続的に安定して行うために必要な設備は単純なもので達成できるであろう。
当初計画していたような水素ガスの生成を伴う発電では、電気エネルギーを得るまでにガス分離や燃料電池といったユニットを複合させる必要があり、実際に電気を取り出す段階に至るのは本研究期間後になるものと考えられていた。しかし、現在既に放射線を照射したIOP散液から１V程度の起電力を確認し、μWオーダーの出力を確認するに至っている。これは想定を大きく上回る状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は開始から2年で放射線照射した酸化鉄粒子(IOP)分散液から実際に電気を取り出し、その起電力の源が何であるかを提案できるまでになった。3年目はこの成果を実用化に繋げるため、さらなる努力をしたい。
課題は４つあると考えている。1つ目は放射線照射の条件と発電量との相関解析である。研究開始当初はIOP分散液に4時間放射線を照射していたが、その後、照射時間を短くしていったところ、10分間の照射でも発電できることが確認されている。また、IOP分散液におけるIOPの濃度についても最適な値を見出すには至っていない。さらに、線源からの距離についても十分な検討が行われていないのが実情である。これらのパラメーターが発電量にどう関連するかを詳細に調査したい。
2つ目はIOP分散液の遮蔽材としての機能評価である。IOP分散液が遮蔽剤として機能する可能性は十分にあると考えられるため、フリッケ線量計を用いて評価する予定である。これらの機能が明らかになれば、使用済み核燃料を発電に用いることで、保管設備の仕様を簡略化できるか可能性があり、より実用化の可能性を高めることができると期待される。
3つ目は連続発電システムの試作である。現在は50 mLのガラス製試料瓶を60Coの線源の周りに並べて所定時間照射後に回収し、その後、各試料瓶に電極を挿入、起電力測定や放電試験を行っている。しかし、実際にはこれらのプロセスを連続的に行い、安定した電力供給を可能とするシステムを構築しなければならない。そのための予備検討を開始したい。
4つ目は使用済み核燃料の実態調査である。本研究でエネルギー生産に利用したいと考えている使用済み核燃料がどんな状況にあるのかを把握する必要がある。これには電力会社の協力を得なければならないが、上記研究で得られた成果を説明させて頂くべく各社へ赴き、協力して頂ける会社を見つけ出したい。
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| Causes of Carryover |
2021年度はCOVID-19の影響により、大阪大学への出張を自粛した。またウクライナへの出張ができなかったため、当初計画より旅費の執行が大幅に減少した。
2022年度もCOVID-19や戦争の影響により、ウクライナへの出張ができない可能性は高い。そのため、旅費を物品費や謝金に流用し、2021年度の繰越金も含めて、今よりもさらに積極的に実験を進める計画である。幸い、国内のCOVID-19感染対策の規制が緩和されつつあるため、大阪大学量子ビーム科学研究施設でのγ線照射実験については積極的に進めることができると考えている。実用化に向けた研究をさらに大きく展開させてゆきたい。
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Research Products
(6 results)
