日本國立研究開發法人原子能研究開發機構（JAEA）福島廢爐安全工學研究所廢爐環境國際共同研究中心的坪田陽一研究主幹、拉福雷·雨果（Hugo Laffolley）博士研究員、加藤友彰研究員，以及核燃料循環工學研究所的黑江彩萌團隊負責人，聯合開發了一款可按粒徑分離空氣中微粒並使用過濾器進行捕集的一次性分級測定器件「μSPLIT（MicroSplit）」。坪田研究主幹表示：「在福島第一核電站（F1）的廢爐作業中，拆除作業等可能會產生放射性顆粒飛散，但現有測量裝置價格昂貴，因此我們製作了這款一次性使用的便捷檢測器件。希望推動技術的實際應用，供更多人使用」。相關成果已發表在《ACS Omega》上。
圖1 坪田陽一研究主幹（圖片提供：科學新聞社）
圖2 MicroSplit樣品（圖片提供：科學新聞社）
圖3 α射線檢測器測得的計數分佈（圖片提供：日本原子能研究開發機構）
在1～10µm（B級）的過濾器位置計數最多，表明粒徑分級功能正常發揮作用。
在工廠、礦山、核設施等產生有害微粒的現場，為保障作業人員健康，掌握空氣中懸浮粒子的尺寸與數量極為重要。粒子的大小決定了其在呼吸道內能到達多深的位置，以及對健康造成多大的影響。粒徑超過10微米的粒子會沉積於鼻腔和咽部，1～10微米的粒子會到達氣管和支氣管，而小於0.1微米的粒子則會到達肺泡。尤其是放射性物質，由於會影響內部輻射劑量，因此必須按粒徑分別評估。然而，既往測量儀器因採用精密加工的金屬製成，每臺價格高達數百萬至數千萬日圓，每次測量後必須徹底清洗內部才能進行下一次測量。清洗作業本身也會增加作業人員的二次輻射暴露風險，並且難以實現多點佈設測量。
研究團隊以「一次性使用」為理念推進裝置設計，利用3D列印機將透明樹脂一體成型（約12×3×3厘米），大幅降低了製造成本。由於受檢測污染的裝置可直接廢棄，因此能夠大幅降低以往去污作業所伴隨的二次污染風險以及作業人員受輻射的風險。
研究團隊藉助數值模擬設計了內部流道，採用依靠氣流將微粒按粒徑分為三檔的方案，在單個模組內完成微粒的分離與捕集（HEPA過濾器），消除了樣品轉移等操作帶來的損耗與污染風險。利用慣性差異的流道設計，將微粒分離成三個粒徑範圍（10微米以上、1～10微米、1微米以下）。
在使用放射性氣溶膠微粒的實證試驗中，研究團隊在與輻射檢測器直連的過濾器上實現了符合設計預期的粒徑分離，並成功進行了α射線的直接測量。此外，還開發了可根據粒徑進行再設計的應用程式。
在F1廢爐作業中，除今後對作業空間內放射性氣溶膠的監測外，該器件還有望應用於大氣中懸浮的PM2.5、粉塵、微塑膠等環境與勞動衛生領域的測量管理。為實現早期社會實用化，研究團隊表示將推進國內外多樣現場的實證試驗、向民間企業授權許可、以及設立新創企業等工作。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：ACS Omega
論文：Development of a 3D-Printed Two-Stage Virtual Impactor for Radioactive Aerosol Size Classification and Direct Analysis
DOI：doi.org/10.1021/acsomega.6c04521
