Thundercloud project; Exploring high-energy phenomena in thundercloud and lightning

湯浅 孝行*; 和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 古田 禄大; 土屋 晴文; 久富 章平*; 辻 結菜*; 奥田 和史*; 松元 崇弘*; 中澤 知洋*; et al.

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2020(10), p.103H01_1 - 103H01_27, 2020/10

https://doi.org/10.1093/ptep/ptaa115

We designed, developed, and deployed a distributed sensor network aiming at observing high-energy ionizing radiation, primarily gamma rays, from winter thunderclouds and lightning in coastal areas of Japan. Starting in 2015, we have installed, in total, more than 15 units of ground-based detector system in Ishikawa Prefecture and Niigata Prefecture, and accumulated 551 days of observation time in four winter seasons from late 2015 to early 2019. In this period, our system recorded 51 gamma-ray radiation events from thundercloud and lightning. Highlights of science results obtained from this unprecedented amount of data include the discovery of photonuclear reaction in lightning which produces neutrons and positrons along with gamma rays, and deeper insights into the life cycle of a particle-acceleration and gamma-ray-emitting region in a thunder-cloud. The present paper reviews objective, methodology, and results of our experiment, with a stress on its instrumentation.

Gamma-ray glow preceding downward terrestrial gamma-ray flash

和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 中村 佳敬*; 古田 禄大; 湯浅 孝行*; 中澤 知洋*; 森本 健志*; 佐藤 光輝*; 松元 崇弘*; 米徳 大輔*; et al.

Communications Physics (Internet), 2(1), p.67_1 - 67_9, 2019/06

https://doi.org/10.1038/s42005-019-0168-y

Two types of high-energy events have been detected from thunderstorms. One is "terrestrial gamma-ray flashes" (TGFs), sub-millisecond emissions coinciding with lightning discharges. The other is minute-lasting "gamma-ray glows". Although both phenomena are thought to originate from relativistic runaway electron avalanches in strong electric fields, the connection between them is not well understood. Here we report unequivocal simultaneous detection of a gamma-ray glow termination and a downward TGF, observed from the ground. During a winter thunderstorm in Japan on 9 January 2018, our detectors caught a gamma-ray glow, which moved for 100 s with ambient wind, and then abruptly ceased with a lightning discharge. Simultaneously, the detectors observed photonuclear reactions triggered by a downward TGF, whose radio pulse was located within 1 km from where the glow ceased. It is suggested that the highly-electrified region producing the glow was related to the initiation of the downward TGF.

Survivability of silicon-doped diamond-like carbon films in energetic atomic/molecular oxygen beam environments

田川 雅人*; 岸田 和博*; 横田 久美子*; 松本 康司*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; Zhang, J.*; Minton, T. K.*

Protection of Materials and Structures from the Space Environment; Astrophysics and Space Science Proceedings, Vol.32, p.547 - 555, 2012/08

https://doi.org/10.1007/978-3-642-30229-9_51

Volatile products were measured from two types of diamond-like carbon films under the hyperthermal atomic oxygen (AO) beam bombardment. It was clearly observed that CO and CO were formed at the conventional hydrogenated DLC surface by hyperthermal AO beam exposure. Desorption rates of CO and CO are constant with AO fluence which reflects the constant erosion rate of the hydrogenated DLC. In contrast, Si-doped DLC shows decrease in amount of CO and CO with increasing AO fluence. Oxidation of Si atoms at the DLC surface was detected by X-ray photoelectron spectroscopy. This is the evidence that SiO film formed at the DLC surface could prevent AO reaction with C atoms in DLC which leads to loss of DLC. Since a self-healing capability can be expected on Si-doped DLC, metal doping is a promising technology for space application of DLC.

緩衝材の侵入現象モデルの適用性に関する検討,2

松本 一浩; 藤田 朝雄

JAEA-Research 2010-058, 56 Pages, 2011/03

JAEA-Research-2010-058.pdf:1.73MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、緩衝材の物理的安定性に影響を及ぼす事象として、岩盤亀裂内への緩衝材の流出/侵入現象が考えられている。本報告では、既往の固相拡散理論に基づく侵入現象モデルの適用性を評価するために、飽和条件の自由膨潤挙動(一次元拡散挙動)の実験を行い、実験と侵入現象モデルの前提となる固相拡散理論との整合性について検証を行った。また、それらの結果に基づいて模擬亀裂内の侵入挙動についても評価を行った。さらに、本検討結果に関して専門家のレビューを踏まえ、今後の課題を明確にした。

緩衝材の侵入現象モデルの適用性に関する検討

松本 一浩; 棚井 憲治

JAEA-Research 2009-070, 47 Pages, 2010/03

JAEA-Research-2009-070.pdf:21.27MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、緩衝材の物理的安定性に影響を及ぼす事象として、緩衝材の流出/侵入現象が考えられている。本報では、侵入現象のモデル化において用いられている緩衝材の粘度についてデータの取得を行い、それらに基づいた粘度評価値の見直しにより、実験結果のシミュレーション解析を実施して侵入現象モデルの適用性の確認を行った。

X線CTスキャナによる亀裂内侵入ベントナイトの密度測定に関する適用性

松本 一浩*; 棚井 憲治

原子力バックエンド研究, 15(1), p.27 - 35, 2008/09

https://doi.org/10.3327/jnuce.15.27

高レベル放射性廃棄物の地層処分では、廃棄体埋設後における人工バリアの長期健全性を評価するための評価手法の構築と、その評価手法の信頼性を高めることにより、安全評価における不確実性を低減させることが重要な課題である。本研究では、地層処分研究において懸念される事象の一つである緩衝材の岩盤亀裂中への侵入現象について、現象理解とより現実的な評価手法の構築に反映するために、X線CTスキャナを適用した模擬亀裂中におけるベントナイトの侵入密度測定を試み、その適用性を考察した。

A Study of extrusion behaviour of buffer material into fractures

棚井 憲治; 松本 一浩*

Proceedings of 3rd International Meeting on Clays in Natural and Engineered Barriers for Radioactive Waste Confinement, p.57 - 64, 2008/00

高レベル放射性廃棄物の地層処分における緩衝材の候補材料であるベントナイトは、吸水により膨潤する性質を有し、この膨潤性によって緩衝材と周辺岩盤との隙間や周辺岩盤の割れ目などを充填する自己シール性が期待されている。一方で、この膨潤性によってベントナイトの割れ目への侵入が止まらずに緩衝材の密度が低下し、緩衝材自体の諸機能並びに人工バリアの構造力学的安定性に影響を及ぼすことが懸念される。また、割れ目へ侵入したベントナイトゲルが地下水の流れによって浸食される。このように岩盤の割れ目への侵入と割れ目へ侵入したベントナイトゲルの侵食を定量的に把握し、緩衝材の長期的な性能を評価する必要がある。本研究では、非破壊測定手法の一つであるX線CTを用いて亀裂内に侵入したベントナイトの密度分布の測定を行い、本手法の適用性について検討を行った。

幌延深地層研究計画第2段階(平成1721年度)を対象とした工学技術の適用性検討に関する計画案

青柳 茂男; 油井 三和; 棚井 憲治; 川上 進; 藤田 朝雄; 谷口 直樹; 柴田 雅博; 小西 一寛; 西村 繭果; 菊池 広人*; et al.

JAEA-Review 2006-014, 61 Pages, 2006/03

JAEA-Review-2006-014.pdf:5.03MB

日本原子力研究開発機構(以下、「原子力機構」という)では、北海道の天塩郡幌延町にて、堆積岩を対象とした幌延深地層研究計画を進めている。幌延深地層研究計画は、平成17年度より、地下研究施設の建設に伴い、地上からの調査段階(第1段階)から坑道掘削時の調査研究段階(第2段階)へと移行していく。一方、原子力機構では、これまで工学技術の基盤技術開発として、「わが国における高レベル放射性廃棄物地層処分の技術的信頼性; 地層処分研究開発第2次取りまとめ」で示した一連の工学技術をベースとしつつ、幌延地区の地上からの調査段階で得られた地質環境条件を対象として工学技術の具体的な地質環境への適用性検討を行ってきた。今後は、工学技術の基盤技術開発として、幌延深地層研究計画の進捗に併せて、第2段階を通じた工学技術の具体的な地質環境への適用性検討を進め、それらの成果を体系的に整理し提示していく必要があると考える。よって、本報告書では、現時点の幌延の地下施設の建設工程及び「幌延深地層研究計画; 地下施設を利用した第2,第3段階における調査試験計画案」に基づき、幌延深地層研究計画の第2段階のうち、平成17年度から平成21年度までの5年間に焦点をあてた工学技術の適用性検討に関する研究計画を、個別研究課題ごとに整理し立案した。なお、本計画は、今後、幌延の地下施設の施工状況や最新の動向を踏まえ随時変更する可能性があるとともに、今後より詳細化していく必要がある。

高イオン強度における圧縮ベントナイトに対する有機物の透過試験

飛塚 早智子; 菊池 広人*; 松本 一浩*; 飯島 和毅; 佐藤 治夫

JNC TN8400 2005-019, 65 Pages, 2005/08

JNC-TN8400-2005-019.pdf:3.23MB

天然有機物の模擬物質として、ポリアクリル酸(平均分子量450,000)またはポリアクリル酸ナトリウム(平均分子量15,000)を用い、高イオン強度における圧縮ベントナイトに対する有機物の透過挙動を評価した。また、圧縮ベントナイトから溶出する有機物について調査した。乾燥密度1.2g/cmの圧縮ベントナイト(クニゲルV1、100%)に最長140日透過させたところ、高イオン強度では低イオン強度よりも一日あたりの透水量が多く、かつポリアクリル酸の濃度も高かった。分子量15,000の場合、高イオン強度では試験開始後52日目、低イオン強度では70日目にポリアクリル酸の破過が認められた。分子量450、000の場合はどちらの溶媒でも破過しなかった。イオン強度にかかわらず、圧縮ベントナイトによりフィルトレーションされる分子量の下限値は450,000より小さく、分子量15,000程度であっても分子構造を直線的に変化できるような有機物は、フィルトレーションされにくいと考えられる。また圧縮ベントナイトから溶出する有機炭素濃度は、低イオン強度において7.4-12.5mg・l、高イオン強度において4.2-6.5mg・lであると考えられる。

緩衝材の流出/侵入特性(II)-幌延地下水(HDB-6号孔)を用いた緩衝材の侵入特性評価-

松本 一浩*; 棚井 憲治

JNC TN8400 2004-026, 41 Pages, 2005/02

JNC-TN8400-2004-026.pdf:0.81MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分における人工バリア埋設後においては、緩衝材の物理的安定性に影響を及ぼす事象の一つとして、緩衝材の流出挙動が考えられる。緩衝材の流出挙動は、岩盤亀裂中への侵入現象と、亀裂へ侵入したベントナイトゲルの地下水による浸食現象の二つの現象によるものと考えられており、この現象を実験により定量的に把握する必要がある。本報では、これまでに得られた侵入現象の降水・海水系地下水条件における挙動の把握を踏まえ、より現実的な地質環境条件下での挙動を把握するために、幌延深地層研究計画の一環として実施されている試錐調査で採取された実際の地下水(幌延地下水HDB-6号孔)を用いた挙動の把握を行った。また、侵入現象モデルの妥当性の検討および構築に資するため、非破壊検査技術を適用した侵入密度分布の把握を行った。浸食現象に関しては、緩衝材を起源とするベントナイトコロイドの生成量に関して、海水系地下水を模擬し、人工海水ならびに幌延地下水相当のイオン強度に調整したNaCl溶液を用い、挙動の把握を試みた。