以下、図面を参照しつつ本発明の多段式� ��リチウム濃縮装置及びトリチウム濃縮方法� ��好適な実施形態について詳細に説明する。� ��お、図面の説明においては同一又は相当部� ��には同一符号を付し、重複する説明を省略� ��る。

 [第1実施形態]
 図1は、本発明の第1実施形態にかかる多段� �トリチウム濃縮装置1を示す正面図、図2は、 図1の電解セル3aの分解斜視図である。多段式 トリチウム濃縮装置1は、トリチウムを含む� �査対象の試料水のトリチウム濃度を濃縮す� �ための装置であり、試料水容器2aと貯留水容 器2bとの間に複数の電解セル3a~3dが直列に接� �された構成を有している。

 電解セル3aは、図2を参照して、中心部に� ��形膜状のイオン交換膜7を有し、このイオン 交換膜7の両面にイオン交換膜7よりも小径の� ��板状の陽極8及び陰極9が対向配置されてい� �。このイオン交換膜7は、高いプロトン伝導� ��を有する固体高分子電解質(SPE:Solid Polymer E lectrolyte)膜によって構成されている。陽極8は DSA(Dimensionary Stable Anode)から成り、陰極9はス テンレス等の各種金属から成り、それぞれは 繊維状に加工された後に円板状に圧縮された ものである。これらの陽極8及び陰極9が、陽� ��8及び陰極9とほぼ同一の内径を有するリン� �状のゴムパッキン10,11に嵌め込まれた状態で 、2つの円板状の導電性の金属ブロック12,13に よって挟まれることにより、イオン交換膜7� �対して圧着されて固定されている。

 上記のような構造により、電解セル3aに� �、コムパッキン10の内周面、金属ブロック12� ��及びイオン交換膜7によって仕切られた陽極 室14と、コムパッキン11の内周面、金属ブロ� �ク13、及びイオン交換膜7によって仕切られ� �陰極室15とが形成される(図1)。従って、イオ ン交換膜7が陽極室14及び陰極室15に近接して� ��けられることで、陽極室14及び陰極室15は、 イオン交換膜7によって相互に隔離された構� �になっている。さらに、陽極8及び陰極9は、 それぞれ、陽極室14及び陰極室15内において� �オン交換膜7に密着した状態にされている。

 金属ブロック12には、陽極8側の内面12aと� ��面12bとの間を貫くように2つの貫通孔16a,17a� �形成され、金属ブロック13には、陰極9側の� �面13aと外面13bとの間を貫くように2つの貫通� ��16b,17bが形成されている。この貫通孔16a,17a� �それぞれが外面12bにおいてチューブ6a,5aの端 部に接続されることにより、試料水容器2aと� ��極室14との間での試料水の流通、及び陽極8� ��発生した気体の排出が可能にされる。また� ��貫通孔16b,17bのそれぞれが外面13bにおいてチ ューブ6b,5bの端部に接続されることにより、� ��段の電解セル3bと陰極室15との間での試料水 の流通、及び陰極9で発生した気体の排出が� �能にされる。

 さらに、これらの金属ブロック12,13には� �陽極8及び陰極9に対して給電するためのリー ド線18,19が、それぞれ接続されている。この� ��ード線18及び金属ブロック12を介して電源か ら陽極8に電荷が供給され、リード線19及び金 属ブロック13を介して電源から陰極9に電荷が 供給される。ここでは、金属ブロック12と陽� ��8との間、又は金属ブロック13と陰極9との間 においては、電解セル3aを組立てた際に接触� ��て電気的接続が達成されるが、電気的なコ� ��タクトを確実にするには金属ブロック12と� �極8、又は金属ブロック13と陰極9の間をリー� ��線で接続しておくことが好ましい。また、� ��属ブロック12,13は、必ずしも金属である必� �はなく、十分な機械的強度を有する絶縁体� �構成されてもよい。その場合には、電源か� �延びるリード線18,19は、陽極8及び陰極9に直� ��接続されていればよい。さらにまた、電解� ��ル3aは、円形状のイオン交換膜7、陽極8、陰 極9、ゴムパッキン10,11、金属ブロック12,13に� ��って構成されていたが、これらの部材の形� ��は円形には限定されず、正方形を含む矩形� ��どの任意の形状を選択することができる。

 図1に戻って、電解セル3b~3dは、電解セル3 aと同一の構造を有している。そして、電解� �ル3a~3dは、前段の電解セルの陰極室15の貫通� ��17bが後段の電解セルの陽極室14の貫通孔17a� �接続されるように、チューブ(連結管)5b,5c,5d� ��よって順に連結されている。なお、このチ� ��ーブ5b,5c,5dは、電解セル3a~3d間の絶縁を取る ために樹脂等の絶縁性材料によって構成され ている。そして、最終段の電解セル3dの陰極� ��15は、チューブ5eを介して貯留水容器2bに接� ��されている。

 各電解セル3a~3dの陽極8及び陰極9には、そ れぞれ個別に直流電源20a~20dが接続されてい� �。この直流電源20a~20dは、それぞれ、電解セ� ��3a~3dのチューブ6a内の水位を検出する水位セ ンサ21が電気的に接続されており、各電解セ� ��3a~3dの陽極室14における試料水の水位の変化 に応じて電解セル3a~3dへの給電をオン/オフす るように動作する。

 以下、上述した多段式トリチウム濃縮装� ��1を用いたトリチウム濃縮方法について説明 する。

 まず、試料水容器2aにトリチウムを含む� �料水を入れることにより、電解セル3aの陽極 室14に試料水を入れる。その後、試料水容器2 aの試料水の水位が水位センサ21の位置を超え ている間は、直流電源20aから電解セル3aの陽� ��8及び陰極9に電荷が供給され、電解セル3a内 の試料水において電解が行われる。具体的に は、陽極8近傍で酸素ガスが発生すると同時� �水素イオンが生成され、随伴水を伴った水� �イオンが、イオン交換膜7を通過して陽極室1 4から陰極室15に向けて浸出するとともに、陰 極9近傍で水素ガスが発生する。このような� �解の進行によって、トリチウムが濃縮され� �随伴水が貯留水として陰極室15に徐々に貯留 される。

 このようにして電解セル3aの陰極室15に貯 留された貯留水は、チューブ5bを通って電解� ��ル3bの陽極室14に導入される。さらに、随伴 水の移動に伴って試料水容器2a内の水位が下� ��して水位センサ21の位置より下にくると、� �流電源20aからの給電は自動的にオフされ、� �解セル3aにおける試料水の電解が停止する。 その一方、電解セル3bの陽極室14に導入され� �貯留水の水位が水位センサ21の位置まで上昇 すると、直流電源20bから電解セル3bの陽極8及 び陰極9に電荷が供給され、電解セル3b内の貯 留水において電解が行われる。これにより、 電解セル3bの陰極室15に随伴水が徐々に浸出� �る。

 その後、第2段目の電解セル3bから第4段目 の電解セル3dまで、直流電源20b~20dによる給電 、及び前段の陰極室15から後段の陽極室14へ� �貯留水の導入を順に繰り返すことによって� �最終段の電解セル3dの陰極室15に接続された� ��留水容器2bに、所望の濃縮倍率までトリチ� �ム濃度が濃縮された貯留水が生成される。

 次に、多段式トリチウム濃縮装置1による 濃縮倍率を評価するために、一段の電解セル 3aを用いた場合の試料水の濃縮倍率を測定し� ��結果を示す。

 まず、試料水容器2aにトリチウムを含む� �料水を380g入れて約80分間攪拌のための電解� �行い、陽極室14で発生する酸素ガス気泡の攪 拌作用により陽極室14のトリチウム濃度を均� ��化した。そして、陽極室14から60gの試料水� �採取し、これを電解前陽極試料水Aとした。� ��の際、陰極室15側に生じた随伴水は取り除� �た。この段階で、装置全体を秤量したとこ� �、装置内の試料水は300gであった。

 その後、直流電源20aの電流値を27Aに設定� ��て電解を開始すると、随伴水が徐々に陰極� ��15側に貯留される。電解処理開始後180分経� �したタイミングで、陰極室15側に貯留した随 伴水73gを採取し、これを陰極試料水Bとした� �さらに電解を再開し、電解処理開始後300分� �に陰極室15側に貯留した随伴水49gを採取し、 これを陰極試料水Cとし、電解処理開始後450� �後に陰極室15側に貯留した随伴水61gを採取し 、これを陰極試料水Dとして電解を停止させ� �。電解停止後に陽極室14側に残留した試料水 を43g採取し、電解後陽極試料水Eとした。

 この電解の際に分解ガスによって失われ� ��水蒸気は、0~1°Cに冷却された冷却管によっ� ��凝縮還流させた。この場合の水蒸気圧を5mmH gとみなしたとき、水1gの分解量に対して水蒸 気損失量は0.01gと推定された。

 最後に、各試料水を蒸留精製して40.00gを� ��取し、それらのトリチウム濃度[Bq/kg±2σ]を� ��部科学省が基準化したトリチウム分析法に� ��って測定したところ、次のとおりとなった� ��すなわち、試料水Aは73±1、試料水Eは74±1、� ��料水B,C,Dはそれぞれ、95±2,96±2,96±2と得られ た。

 この電解セル3aによる試料水の濃縮倍率� �測定結果から、電解処理前後の陽極室14内の 試料水A,Eにおいてはトリチウムの濃縮が起こ らなかったことがわかる。また、電解処理時 間の異なる試料水B,C,Dの結果から、電解時間� ��関わらず濃縮倍率はほぼ一定(1.30倍)に保た� ��ることがわかった。つまり、トリチウムの� ��縮は電解セル3aの陰極室15のみで起こること 、陰極室15のトリチウム濃度は電解時間に依� ��しないことが判明した。

 この際、装置を含めた秤量値から、450分� ��解処理後の総分解水量は68.4gであり、陰極� �15側に貯留した総水量が188.4gであった。従っ て、分解水量を時間で除して得られる電解電 流値は26.95Aであり、水1gの分解に伴って188.4/6 8.4=2.75gの随伴水が水素イオンとともに陰極9� �に輸送されたことがわかった。

 以上をまとめると、1段の電解セル3aを用� ��た電解処理によって、試料水の水量は2.75/3. 75=1/1.36倍に減少し、トリチウムの濃度は1.30� �に濃縮され、得られる濃縮処理後の試料水� �電解時間の経過に従って増加するだけで濃� �倍率は変化しないことが明らかになった。� �って、4段の電解セル3a~3dを有する多段式ト� �チウム濃縮装置1によれば、最終的な貯留水� ��水量は1/1.36の4乗倍になり、トリチウム濃度 は1.30の4乗倍になることが容易に予想できる� ��

 以上説明した多段式トリチウム濃縮装置1及 びそれを用いたトリチウム濃縮方法によれば 、電解セル3aの陽極室14に供給された試料水� �電解セル3aが給電されることにより電解され 、その電解により陽極8で発生した水素イオ� �が、随伴水を伴ってイオン交換膜7を通過し� ��陽極室14から陰極室15に向けて浸出する。そ の際、試料水中に含まれるH ₂ Oの分解がHODやHOT(D:ジュウテリウム、T:トリチ ウム)の分解に対して優先的に発生するので� �陰極室15に溜まる貯留水中のトリチウムの濃 度が上昇する。そして、この貯留水をさらに 後段の電解セル3b~3dの陽極室14に順に導入し� �貯留水の電解、陰極室15における貯留水の貯 留、及び後段の陽極室14への貯留水の導入を� ��り返すことにより、所望の濃縮率で効率的� ��試料水中のトリチウムを濃縮させることが� ��きる。また、このような試料水の濃縮を、� ��解セルの多段構成という簡易な構成によっ� ��実現することができる。

 また、イオン交換膜7として固体高分子電 解質膜を用いているので、陽極8で発生した� �素イオンを安定して移動させることができ� �。これによって、陰極室15側において濃縮さ れた試料水をより効率的に生成することがで きる。また、このイオン交換膜7に陽極8及び� ��極9が密着しているので、電解により生じた 水素イオンの大部分を随伴水とともに陰極室 15に浸出させることができるので、陰極室15� �のトリチウム濃度のみを効果的に濃縮する� �とができる。

 また、電解セル3a~3d内における随伴水の� �極室14から陰極室15への1回の浸出によって一 定の濃縮倍率の試料水が生成されるので、電 解セル3a~3dの段数を変更することで最終的な� ��縮倍率を自由に設定することができる。例� ��ば、1段の濃縮処理の濃縮倍率がZである場� �は、この濃縮処理を繰り返せば最終的な濃� �倍率はZのN乗となり、Z=1.3で10段の場合の濃� �倍率は14倍、15段では51倍、20段では190倍とな る。

 また、電解セル3a~3dの陽極室14内に残留す る試料水の水位が水位センサ21の位置を下回� ��た場合に電解を停止させることにより、イ� ��ン交換膜7の保水状態を維持することができ る。

 [第2実施形態]
 次に、本発明の第2実施形態について説明す る。図3は、本発明の第2実施形態にかかるト� ��チウム濃縮装置101を示す正面図である。

 トリチウム濃縮装置101は、試料水容器102a と、貯留水容器102bと、電解セル3と、ポンプ( 循環機構)104とによって構成されている。電� �セル3の構成は第1実施形態における電解セル 3aと同一である。試料水容器102aは、2つのチ� �ーブ5a,6aによって電解セル3の陽極室14に繋が っており、貯留水容器102bは、2つのチューブ5 b,6bによって電解セル3の陰極室15に繋がって� �る。

 さらに、電解セル3のリード線18,19には直� ��電源20が接続されており、直流電源20から陽 極8及び陰極9に電荷が供給される。また、直� ��電源20にはチューブ5aの途中に設けられた水 位センサ121が電気的に接続され、陽極室14及� ��試料水容器102aにおける試料水の水位の変化 に応じて直流電源20からの給電がオン/オフさ れるように設定されている。

 ポンプ104には吸水管104a及び排水管104bが� �り付けられ、吸水管104aはチューブ5bに分岐� �て接続されており、排水管104bはチューブ5a� �分岐して接続されている。このポンプ104は� �陰極室15に繋がる貯留水容器102bに溜まった� �伴水を陽極室14に繋がるチューブ5aに送るこ� ��により、電解セル3の陰極室15に生成された� ��縮処理後の随伴水を、電解セル3の陽極室14� ��還流させる働きを有する。さらに、ポンプ1 04にはチューブ5bの途中に設けられた水位セ� �サ122が電気的に接続され、陰極室15及び貯留 水容器102bに溜まった随伴水の水位の変化に� �じてポンプ104が起動又は停止するように設� �されている。

 以下、上述したトリチウム濃縮装置101を� ��いたトリチウム濃縮方法について説明する� ��

 まず、試料水容器102aにトリチウムを含む 試料水を入れることにより、電解セル3の陽� �室14に試料水を導入する。この際、試料水容 器102aの試料水の水位が水位センサ121の位置� �超えている間は、直流電源20から陽極8及び� �極9に電荷が供給され、試料水において電解� ��発生する。電解の進行に伴って、トリチウ� ��が濃縮された随伴水が陰極室15に浸出して� �貯留水容器102bに貯留される。

 随伴水の移動に伴って試料水容器102a内に 残留する試料水の水位が下降して水位センサ 121の位置より下にくると、直流電源20からの� ��電が自動的にオフされ、電解セル3における 試料水の電解が停止する。その後、直流電源 20の給電のオフが検出されることによりポン� ��104が自動的に起動され、貯留水容器102b内に 貯留された随伴水が陽極室14内に導入される� ��その後、貯留水容器102bに貯留された随伴水 の水位が水位センサ122の位置まで下降すると 、ポンプ104が自動的に停止され、随伴水の循 環が止められる。

 ポンプ104が起動から停止に切り替わるタ� ��ミングで直流電源20からの給電が再度オン� �れ、電解セル3における試料水の電解が再度� ��始される。これにより、随伴水が陰極室15� �浸出して貯留水容器102b内に貯留する。以降� ��水位センサ121,122によって検知される水位が 、いずれも両センサの位置より低いレベルに なるまで電解セル3に対する給電、随伴水の� �留及び循環が繰り返される。

 以上説明したトリチウム濃縮装置101を用� ��たトリチウム濃縮方法によっても、試料水� ��と濃縮水量とを一定値に設定することで所� ��の濃縮率で効率的に試料水中のトリチウム� ��濃縮させることができる。また、このよう� ��試料水の濃縮を、単一の電解セルと循環機� ��との組み合わせという簡易な構成によって� ��現することができる。

 ここで、トリチウム濃縮装置101を用いた� ��リチウム濃縮方法によって試料水を濃縮さ� ��た場合の測定結果を、従来型の装置と比較� ��て示す。この場合、試料水容器102aにトリチ ウムを含む試料水を600g入れて、直流電源20及 びポンプ104の自動運転によって繰り返し濃縮 処理を行った。その際に、トリチウム濃縮装 置101によって陰極室15側に生成される試料水� ��水量は27±1gであり、濃縮倍率は10.3±0.2倍と� ��う結果が得られた。これに対して、特許第3 748304号公報に記載された装置を用いた場合、 装置全体で生成される試料水の水量は54±1gで あり、濃縮倍率は7.0±0.2倍という結果であっ� ��。この結果により、陽極室と陰極室とを隔� ��した多段階の電解方式によってトリチウム� ��濃縮が効率的に起きることが実証された。� ��た、同一の試料水を供給したときの濃縮水� ��も従来に比較して約1/2まで減らせることが� ��かった。

 なお、本発明は、前述した実施形態に限� ��されるものではない。例えば、多段式トリ� ��ウム濃縮装置1においては、直流電源を電解 セルの個数より少なくし、少なくとも1つの� �流電源を複数の電極セルに並列接続するよ� �にしてもよい。こうすれば、各電解セルに� �する給電のための電源の個数を削減するこ� �ができる。

 また、トリチウム濃縮装置101においては� ��ポンプ104が陰極室15及び貯留水容器102bに溜� ��った試料水の水位が一定レベルを超えてい� ��場合に起動するように設定されているが、� ��極室14及び試料水容器102aに溜まった試料水� ��水位が一定レベルを下回った場合に起動す� ��ように設定されていてもよい。同様に、直� ��電源20は陽極室14及び試料水容器102aにおけ� �試料水の水位に応じてオン/オフされるよう� ��設定されているが、陰極室15及び貯留水容� �102bに溜まった試料水の水位に応じてオン/オ フするように制御されてもよい。

 ここで、イオン交換膜として固体高分子� ��解質膜を用いることも好ましい。このよう� ��固体高分子電解質膜は安定性に優れた材料� ��あるため、陽極で発生した水素イオンを安� ��して移動させることができる。