Distinctive radiation durability of an ion exchange membrane in the SPE water electrolyzer for the ITER water detritiation system

ITER水処理システムの高分子電解槽に使用されるイオン交換膜の特段に高い放射線耐久性の考察

岩井 保則; 山西 敏彦; 磯部 兼嗣; 西 正孝; 八木 敏明; 玉田 正男

Iwai, Yasunori; Yamanishi, Toshihiko; Isobe, Kanetsugu; Nishi, Masataka; Yagi, Toshiaki; Tamada, Masao

アルカリの添加なしに直接電解が可能な固体高分子電解法(SPE)は核融合で発生するトリチウム水の処理システム向け電解プロセスとして魅力的であるが、使用においては特にイオン交換膜の放射線耐久性を考慮する必要がある。市販イオン交換膜であるナフィオン膜の放射線耐久性を、原研高崎研究所のCo-60照射施設及び電子線加速器を用い、引っ張り強度,イオン交換能,電気伝導率,透過係数,単位重量あたりの溶解フッ素量等の観点から検証した。ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を主鎖にスルホン酸基を側鎖に有するナフィオン膜は、浸水状態における線照射時の引っ張り強度の劣化挙動がPTFEの劣化挙動と大きく異なることを見いだした。イオン交換能の照射線量依存性はナフィオンの各グレードにおいてほぼ同様であった。いずれにせよ核融合実験炉ITERにおいてイオン交換膜に求められる積算照射量530kGyまでは問題となるまでの性能低下が起こらないことを見いだした。ナフィオンの放射線耐久性はその構造式から推定されるよりも高く、温度や照射線種などの影響を検証するとともに、ラジカル反応機構から雰囲気が与える影響を考察した。

Solid-polymer-electrolyte (SPE) water electrolysis is attractive in electrolytic process of water detritiation system (WDS) in fusion reactors because it can electrolyze liquid waste directly, but radioactive durability of its ion exchange membrane is a key point. Radioactive durability of Nafion, a typical commercial ion exchange membrane, was experimentally investigated using Co-60 irradiation facility and electron beam irradiation facility at Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment of JAERI. Nafion is composed of PTFE (Polytetrafluoroethylene) main chain. However the degradation of its mechanical strength by irradiation was significantly distinguished from that of PTFE and no serious damage was observed for its ion exchange capacity up to 530 kGy, the requirement of ITER. Atmospheric effects such as soaking and oxygen on degrading behaviors were discussed from the viewpoint of radical reaction mechanism. Dependencies of operating temperature and radioactive source are also demonstrated in detail.