Development of a 3D-printed two-stage virtual impactor for radioactive aerosol size classification and direct analysis

放射性エアロゾルの粒径分級および直接分析のための3Dプリント製2段式バーチャルインパクターの開発

Laffolley, H.; 坪田 陽一   ; 黒江 彩萌; 加藤 友彰 

Laffolley, H.; Tsubota, Yoichi; Kuroe, Ayame; Kato, Tomoaki

放射性エアロゾルの粒径分級は、被ばく評価や廃炉作業において極めて重要である。本研究では、エアロゾルを3つの空気動力学径クラス(10m超、110m、1m未満)に分離し、内蔵フィルター上での直接分析を可能にする3Dプリント製2段式バーチャルインパクター「SPLIT」の開発を報告する。本装置は低コストで製造でき、使用後は焼却廃棄が可能なため、洗浄時の被ばくリスクや金属廃棄物の発生を回避できる。流路は数値流体力学により最適化し、光造形法で作製した。シミュレーションではカットオフ径を9.0mおよび1.3mと予測し、シャープな分離が示されたが、フロー間のわずかな粒子混入の課題も確認された。プロトタイプの寸法測定では流路の収縮や角の丸みがみられ、製造時の補正の必要性が示された。線香の煙を用いた実験では、サブミクロン粒子が主に1m未満のクラスに捕集された。また、平均径1.70mのRn娘核種含有NaCl粒子を用いた試験では、中間フィルター(110mクラス)で最大の放射能が検出され、予想通りの分級結果が得られた。本成果は、粒径分級と放射性粒子の直接分析を同時に実現する、軽量かつ低コストなインパクターの概念を実証するものである。

Radioactive aerosol size classification is crucial for exposure assessment during nuclear decommissioning. This study presents SPLIT, a two-stage 3D-printed virtual impactor separating aerosols into three aerodynamic classes (10 m, 110 m, and 1 m) while enabling direct analysis on integrated filters. This low-cost, disposable device eliminates hazardous cleaning and metallic waste by allowing incineration after use. Flow paths were optimized via computational fluid dynamics, and prototypes were fabricated by stereolithography. Simulations predicted sharp separation with cutoff diameters of 9.0 m and 1.3 m, despite minor cross-flow particle contamination. Prototype measurements revealed shrinkage and corner rounding, necessitating fabrication compensation. Experiments with incense smoke confirmed submicrometric particles collected mostly in the 1 m class. Tests using Rn-progeny-bearing NaCl particles (1.70 m mean diameter) showed the highest activity on the 110 m filter, confirming the expected classification. These results validate this lightweight, low-cost impactor for simultaneous size classification and direct radioactive particle analysis.