JP2018100866A

JP2018100866A - ガンマー線発電方法

Info

Publication number: JP2018100866A
Application number: JP2016246205A
Authority: JP
Inventors: 光廣佐想; Mitsuhiro Saso
Original assignee: Cross Technology Labo Co Ltd
Current assignee: Cross Technology Labo Co Ltd
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-06-28

Abstract

【課題】ガンマー線を利用して発電する方法を提供する。【解決手段】水又は導電性を有する水溶液中に少なくとも一対の電極を浸漬する一方、電極の浸漬する水溶液に２ｍSV/年以上１００ｍSV/年以下のガンマー線を照射し、水又は水溶液にHラジカルとOHラジカルを発生させ、陰極でHラジカルを捕捉するとともに正極でOHラジカルを捕捉し、起電力を取り出す発電方法。ここで、導電性を有する水溶液はアルカリ金属またはアルカリ土類金属水酸化物,アルカリ金属またはアルカリ土類金属塩、酸類からなる群から選ばれる1種又は２種以上を含む。陰極でHラジカルを補足してH2を得るとともに、正極でOHラジカルを補足してH2O2を得るガンマー線電池。【選択図】図１

Description

本発明は水の放射線分解機構を利用して生成するOHラジカル（HO・）と水素ラジカル（Ｈ・）を正極と陰極で捕捉して発電する方法に関する。

例えば、温度等の環境情報を通信機能付きセンサを用いて収集するセンサネットワークシステムにおいては、広大な領域を対象とするため、恒常的な電力供給が困難な場合が多い。そこで、太陽光や風力などの自然エネルギーの利用が提案されている。他方、恒常的な電力供給が困難な場所における電源として原子力電池の提供が望まれる。そこで、惑星探査機用にプルトニウム２３８（半減期８７．７年）やポロニウム２１０（半減期１３８日）が放射性崩壊により生じる熱を電力に変換する原子力電池が使用されている。

また、米国では心臓ペースメーカー用にプルトニウム２３８の原子力電池の使用が提案されたこともあるが、放射性物質としての規制が厳しいため現在ではリチウムイオン電池が広く使用されている。さらに、研究段階ではあるが、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の分野においては、ニッケル６３（半減期１００．２年）が使用されている例がある。

このような原子力電池は、太陽光発電や風力発電のように、設置場所、天候による出力変動などの問題はないが、使用されるプルトニウム２３８等の放射性物質は、法規制や管理が厳しく民生用に入手が困難であったり、また装置が破損した場合に放射性物質が流出して環境汚染を引き起こしたり、たとえ放射性物質の量が健康に全く影響のないレベルでも一般人の感情的な反発を招いたりするおそれがあり、一般用途には不向きである。

そのため、このような課題を解決するため、環境負荷が低く安価で使用規制もない放射性物質を用いて、メンテナンス不要で半永久的に電力を得るため、原子力電池の改良が望まれ、カリウム含有物質からなる放射性物質と、放射性物質から放射線として放射されたエネルギーを電気に変換する電気変換部と、電気変換部で得られた電気を蓄電する蓄電部とを備え、放射性物質は、濃縮していない自然な状態のままの放射能濃度を持つ放射性カリウムからなる原子力電池が提案されている（特許文献１）。

特開２０１２−２２９９６６号公報

しかしながら、放射エネルギーを電気に変換する電気変換部に、放射性物質の表面と接触して配置され、当該放射性物質から放射された放射線により発光する蛍光体層を設け、該蛍光体層から発生した光を受光して電気に変換する受光部とを含むように提案されているが、実際には実行能力がなく、実用性がないのが現実である。

そこで、本発明者は放射線中、ガンマー線はα線、β線と異なり、長期に放射線残土に残留するが、１００ｍSV/年以下では安全であり、２ｍSV/年以上、好ましくは１０ｍSVから２０ｍSVで水に対して有効に作用し、水分子をイオン化したり励起したりすることに着目した。すなわち、水分子のイオン（Ｈ₂Ｏ^＋）は非常に不安定で、10⁻¹⁵秒以内に分解してHO・とＨ₃Ｏ^＋とを生ずるものの、励起された水分子（Ｈ₂Ｏ＊）は開裂してHO・とＨ・を生じ、水分子から飛び出した電子は他の水分子の間に捕らえられて水和電子ｅaq⁻を生じるとされる。他方、ラジカル同士は反応して、
Ｈ・＋ HO・ → Ｈ₂Ｏ
の中和反応のほかに、
Ｈ・＋Ｈ・ → Ｈ₂
HO・＋ HO・ → Ｈ₂Ｏ₂
のように分子状生成物Ｈ₂ 、Ｈ₂Ｏ₂を生ずる。従って、水の放射線分解によって、Ｈ・、HO・の２種のラジカルとＨ₂、Ｈ₂Ｏ₂の２種の分子状生成物及びｅaq⁻を生ずると考えられる。そして、HO・及びＨ₂Ｏ₂は酸化力が強く、一方、ｅaq⁻は前述したように強い還元力を有する。そのため、水溶液中では
ｅaq⁻ ＋Ｈ^＋ ←→ Ｈ・
の平衡があるので、pH4〜9ではｅaq⁻とＨ・の両者が共存し、pH2以下ではＨ・が重要な支配的となる一方、ｐH９以上では・OHが支配的になるとされる。他方、電池は負極における酸化反応で発生する電子の取得とともに、正極における還元反応での電子の付与から構成され、両極の電子交換反応により起電力を発生させるものである。その結果、本発明者は、水溶液中で一対の電極を対設させ、水溶液にガンマー線を照射すると、水が分解し、HO・とH・とが生成し、正極でHO・のラジカルが捕捉される一方、陰極でH・のラジカルが捕捉され、両極での電子交換反応により、起電力が生ずることを見出した。それだけでなく、両極で燃料電池として使用可能な過酸化物と水素ガスが生成することを見出した。

すなわち、本発明は導電性を有する水溶液中に少なくとも一対の電極を浸漬する一方、電極の浸漬する水溶液に２ｍSV/年以上１００ｍSV/年以下のガンマー線を照射し、水溶液中にHラジカルとOHラジカルを発生させ、陰極でHラジカルを捕捉するとともに、正極でOHラジカルを捕捉し、一対の電極から起電力を取り出すことを特徴とするガンマー線発電方法にある。

本発明によれば、人体に安全な領域の２ｍSV/年以上、１００ｍSV/年以下、好ましくは１０ｍSV/年以上、５０ｍSV/年以下のガンマー線照射により水が励起されて分解してHO・とH・ラジカルが発生し、正極で電子の付与を受け、陰極で電子を放出する酸化還元反応のため、両極間に起電力を発生させる。この起電力と同時に正極では過酸化水素水、陰極では水素ガスが生成する。この生成物は燃料電池の燃料として利用することができる。

２ｍSV/年以上、１００ｍSV/年以下のガンマー線はラジウム鉱石等の粉末から得ることができ、市販され、入手可能である。ガンマー線の照射はかかるラジウム鉱石等の粉末を金属性の容器に収納して照射可能であり、焼結して板状固体として用いてもよい。日本産御影石は容易に５ｍSV/年以上のガンマー線を照射することができる。放射線残土をその他の金属酸化物と混合して１００ｍSV/年以下、５０ｍSV/年以下、好ましくは２０ｍSV/年以下に調整して用いることができる。

電極としては同素体、例えば備長炭等の多孔質炭素を使用することができる。表面積によって正極、負極に分かれる現象が見られる。水の侵入により劣化する傾向が見られるので、例えば、H・又はHO・の侵入が可能で、水分子の侵入を制限するようにナノカーボン、ナノカーボンチューブを用いて焼結温度等の制御により孔径の調整設計が重要となる。また、電極表面の導電性が水分解効率を向上させるので、電極表面に導電性カーボン材を一部または全部に塗布するのが好ましい。

また、一方の電極に他方の電極より卑なる又は貴なる電極電位を与え、電極電位差を与える場合もある。炭素極に対し金属極、電極電位の異なる金属（例えば、銅に対し亜鉛、アルミニウム）を対設して電極電位差を与え、卑なる電極電位（イオン化傾向の大きい）電極を陰極（炭素極と亜鉛との場合は亜鉛極、炭素とアルミニウムの場合もアルミニウムがマイナス極）とすると、貴なる電極電位の電極を正極（炭素極と亜鉛との場合は炭素極、炭素極とアルミニウムの場合も炭素極がプラス極）となり、正極で電子の付与を受け、OHラジカルが捕捉されて還元されやすく、陰極でHラジカルが捕捉され、電子を放出して水素ガスを発生する電極反応を促進しやすく、両極間に起電力が発生しやすい。

両極間の導電性を有する水溶液にはアルカリ金属またはアルカリ土類金属水酸化物, アルカリ金属またはアルカリ土類金属炭酸塩、アルカリ金属またはアルカリ土類金属炭酸水素塩、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のハロゲン化塩、酸類からなる群から選ばれる1種又は２種以上を含むのが好ましい。pH4〜9ではｅaq⁻とＨ・の両者が共存し、pH2以下ではＨ・が重要な支配的となる一方、ｐH９以上では・OHが支配的になるためである。

本発明の発電方法を示す原理図である。１はビーカで、水道水又は導電性水溶液２を収容し、２０ｍSV/年のガンマー線を照射可能なラジウム鉱石粉末を計量し、収納した容器３上に載せ、一対の電極４、５を浸漬する（ここでは電極４として多孔性黒鉛、電極５として亜鉛板を用いる）。電極の種類、寸法、電解液の種類により両電極から電圧１．２V前後、電流は５から３００ｍAの起電力を観測した。なお、６は電流電圧計、７は水素捕集器である。

図１に示すガンマー線水分解層を以下の条件で構成し、発電方法を実証した。
１）備長炭の一対の破片（４×３×０．５ｃｍと０．５×３×０．５ｃｍ）を一対の電極としてビーカ内の一般水道水１００ｍｌ中に浸漬し、２０ｍSV/年の放射線、ガンマー線をビーカ外から照射すると、容量の大きい炭素極がプラス極、容量の小さい炭素極がマイナス極となり、両極間に５〜６ｍAの電流が流れる。これに対し、ガンマー線の照射をやめると、両極間の電流は２〜３ｍAに減少した。
２）備長炭の破片（４×３×０．５ｃｍ）と亜鉛メッキ鉄板（１．５×３×０．１ｃｍ）を一対の電極としてビーカ内の水道水１００ｍｌ中に浸漬し、２０ｍSV/年の放射線、ガンマー線をビーカ外から照射すると、炭素極がプラス極、亜鉛メッキ板がマイナス極となり、両極間に２０ｍAの電流が流れる。これに対し、ガンマー線の照射をやめると、両極間の電流は５ｍA以下に減少した。
３）銅板（１．５×３×０．１ｃｍ）と亜鉛メッキ鉄板（１．５×３×０．１ｃｍ）を一対の電極としてビーカ内の水道水１００ｍｌ中に浸漬し、２０ｍSV/年の放射線、ガンマー線をビーカ外から照射すると、銅板極がプラス極、亜鉛メッキ板がマイナス極となり、両極間に１０ｍAの電流が流れる。これに対し、ガンマー線の照射をやめると、両極間の電流は５ｍA以下に減少した。
４）１）、２）および３）の場合にマイナス極から水素ガスの発生を確認した。
５）１）、２）および３）の場合に水道水に水酸化ナトリウムを重量濃度３〜５％となるように添加すると、加えない場合に比して電流は増加した。
６）１）、２）および３）の場合に炭素極の活性は時間とともに劣化した。この水道水へ浸漬した炭素極を乾燥させると、炭素極は復活した。
７）１）、２）および３）の場合に炭素極に導電性カーボンを１平方センチ程度塗布すると電流量が増加した。
８）１）、２）および３）の場合に炭素極および金属極に導電性カーボンを１平方センチ程度塗布すると電流量は更に増加した。
９）１）、２）および３）の場合に電極間の距離を短縮すると、電流量が増加する傾向が見られた。

以上の結果から、水又は導電性を有する水溶液中に少なくとも一対の電極を浸漬する一方、電極の浸漬する水溶液に２ｍSV/年以上１００ｍSV/年以下のガンマー線を照射すると、水又は水道水中にHラジカルとOHラジカルが発生し、陰極でHラジカルを捕捉されるとともに正極でOHラジカルを捕捉される結果、起電力が生じたものと認められる。

陰極（マイナス極）ではHラジカルを補足して２H・＋２e^-→H₂に変換され、H₂の発生が認められる。他方、正極（プラス極）でOHラジカルを補足してH₂O₂が生成する。

また、一対の電極の一方に他方の電極より卑なる又は貴なる電極電位を与えるのが望ましい。

水溶液がアルカリ金属またはアルカリ土類金属水酸化物, アルカリ金属またはアルカリ土類金属塩、酸類からなる群から選ばれる1種又は２種以上を含むのが導電性が向上するので好ましいのがわかる。

本発明では、起電力だけでなく、燃料となる水素ガス、酸素ガスが供給されるので、この燃料を利用して燃料電池を形成できる。

Claims

水又は導電性を有する水溶液中に少なくとも一対の電極を浸漬する一方、電極の浸漬する水溶液に２ｍSV/年以上１００ｍSV/年以下のガンマー線を照射し、水又は水溶液にHラジカルとOHラジカルを発生させ、陰極でHラジカルを捕捉するとともに正極でOHラジカルを捕捉し、起電力を取り出すことを特徴とするガンマー線発電方法。
陰極でHラジカルを補足してH₂を得るとともに、正極でOHラジカルを補足してH₂O₂を得る請求項１記載のガンマー線発電方法。
一対の電極の一方に他方の電極より卑なる電極電位を与える請求項１または２記載のガンマー線発電方法。
導電性を有する水溶液がアルカリ金属またはアルカリ土類金属水酸化物, アルカリ金属またはアルカリ土類金属塩、酸類からなる群から選ばれる1種又は２種以上を含む請求項１記載のガンマー線電池。