3次元線量拡散予測法の確立と線透過率差を利用した構造体内調査法の開発(委託研究); 令和4年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 京都大学*

JAEA-Review 2023-028, 54 Pages, 2024/03

JAEA-Review-2023-028.pdf:3.81MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和4年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所(1F)の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、令和4年度に採択された研究課題のうち、「3次元線量拡散予測法の確立と線透過率差を利用した構造体内調査法の開発」の令和4年度分の研究成果について取りまとめたものである。我々は核ガンマ線の方向を完全に決定、光学カメラと同じ全単射によるガンマ線画像(線形画像)が測定できる電子飛跡検出型コンプトンカメラ(ETCC)を実現、今年、世界初の銀河拡散ガンマ線の直接観測に成功した。この特徴を生かし平成30年度英知事業に採択された「ガンマ線画像スペクトル分光法による高放射線場環境の画像化による定量的放射能分布解析法」(以下、前研究)では、1F免振棟から炉を含む1km四方を一度に撮像、約100か所のスペクトル測定を一度に実現、空からはスカイシャイン、炉からは662keVガンマ線が明瞭に測定でき、見晴台50Sv/hでも無遮蔽で撮像に成功した。令和3年度には京都大学複合原子力科学研究所の原子炉建屋内の3次元線量測定を実施し、動作中の原子炉からのガンマ線の3次元撮像に成功した。さらに炉壁から放出された微量なArのガンマ線(1290keV)を動画で捉え、放射性物質拡散のガンマ線画像モニタリングが可能であることを実証した。本研究は、前研究の成果を基にサブmSv/h環境での3次元汚染物質飛散検知・予測システムの1F内で使用可能な実用化を行う。またETCCのMeV以上のガンマ線撮像能力を生かし透過性の高いCsガンマ線を利用した炉建屋内の3次元透視Cs分布測定法を開発する。

Effect of dissolved oxygen concentration on dynamic strain aging and stress corrosion cracking of SUS304 stainless steel under high temperature pressurized water

広田 憲亮; 中野 寛子; 藤田 善貴; 武内 伴照; 土谷 邦彦; 出村 雅彦*; 小林 能直*

The IV International Scientific Forum "Nuclear Science and Technologies"; AIP Conference Proceedings 3020, p.030007_1 - 030007_6, 2024/01

https://doi.org/10.1063/5.0192888

沸騰水型原子炉を模擬した高温高圧水中環境下では、溶存酸素量(DO)の変化により動的ひずみ時効(DSA)と粒界型応力腐食割れ(粒界SCC)がそれぞれ発生する。これらの現象の違いを明確に理解するために、その発生メカニズムを整理した。その結果、SUS304ステンレス鋼では、DOが1ppb未満の低濃度では粒内割れによるDSAが発生し、DOが1008500ppbでは表面の酸化膜形成によりDSAは抑制されることがわかった。一方、DOが20000ppbまで上昇すると、皮膜が母材から剥離し、母材の結晶粒界に酸素元素が拡散し、粒界SCCが発生した。これらの結果から、DSAや粒界SCCによるクラック発生を抑制するためには、最適なDO濃度を調整する必要があることが示唆された。

Radiation imaging of a highly contaminated filter train inside Fukushima Daiichi Nuclear Power Station Unit 2 using an integrated Radiation Imaging System based on a Compton camera

佐藤 優樹; 寺阪 祐太

Journal of Nuclear Science and Technology, 60(8), p.1013 - 1026, 2023/08

https://doi.org/10.1080/00223131.2022.2159894

The Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (FDNPS) suffered a meltdown in the aftermath of the large tsunami caused by the Great East Japan Earthquake that occurred on 11 March 2011. A massive amount of radioactive substance was spread over a wide area both inside and outside the FDNPS site. In this study, we present an approach for visualizing a radioactive hotspot on a standby gas-treatment system filter train, a highly contaminated piece of equipment in the air-conditioning room of the Unit 2 reactor building of FDNPS, using radiation imaging based on a Compton camera. In addition to fixed-point measurements using only the Compton camera, data acquisition while moving using an integrated Radiation Imaging System (iRIS), which combines a Compton camera with a simultaneous localization and mapping device and a survey meter, enabled the three-dimensional visualization of the hotspot location on the filter train. In addition, we visualized the hotspot and quantitatively evaluated its radioactivity. Notably, the visualized hotspot location and estimated radioactivity value are consistent with the accident investigation report of the FDNPS. Finally, the extent to which the radioactivity increased the ambient dose equivalent rate in the surrounding environment was explored.

Aging of fuel-containing materials (fuel debris) in the Chornobyl (Chernobyl) Nuclear Power Plant and its implication for the decommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station

北垣 徹; Krasnov, V.*; 池田 篤史

Journal of Nuclear Materials, 576, p.154224_1 - 154224_14, 2023/04

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.154224

Nuclear fuel debris is a complex material containing a wide range of elements, compounds, and radiation. This complexity renders all the stages of the treatment of nuclear fuel debris extremely difficult and troublesome in the technical context. The whole treatment of nuclear fuel debris is also an extremely long-term process for tens of thousands of years, during which the aging of nuclear fuel debris is an unavoidable but critical issue. This applies to the decommissioning of the damaged reactors of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (1F). This review article aims at collecting and summarizing the knowledge and information about the aging of materials containing nuclear fuels (fuel-containing materials) formed as a result of the accident at ChNPP-4 in the light of the decommissioning of 1F and assessing the potential effects of aging on the nuclear fuel debris remaining in the damaged 1F reactors.

ガンマ線画像スペクトル分光法による高放射線場環境の画像化による定量的放射能分布解析法(委託研究); 令和2年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 京都大学*

JAEA-Review 2022-027, 85 Pages, 2022/11

JAEA-Review-2022-027.pdf:5.72MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和2年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所(1F)の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、研究課題のうち、平成30年度に採択された「ガンマ線画像スペクトル分光法による高放射線場環境の画像化による定量的放射能分布解析法」の平成30年度から令和3年度の研究成果について取りまとめたものである(令和3年度まで契約延長)。本課題は令和3年度が最終年度となるため4年度分の成果を取りまとめた。本研究では、ガンマ線イメージング装置であるETCCを1F廃炉事業での使用可能な可搬型装置でかつ高線量環境下で動作可能なように改良し、廃炉の現場に導入できるようにした。ETCCは世界初の光学カメラと同じ全単射撮像が可能なガンマ線カメラである。そのためETCCは一般的な定量的画像解析法を放射線にも適用可能とすることが可能で、1Fの廃炉に係る解決すべき6つの重点課題に革新的進展をもたらす。例えば廃炉工事で発生する汚染の飛散を3次元ガンマ線イメージングによりオンラインで検知、さらに拡散の動的な検知から精度の高い拡散予想を可能にする。それを実証するため令和元年に、1F敷地内1㎞四方を一度に画像モニタリングし、同時に100か所以上のスペクトル観測を実現し、今まで不明だったスカイシャインガンマ線スペクトル及び分布の計測に成功した。さらに京都大学複合原子力科学研究所原子炉建屋内の3次元線量計測を実施、微量なAr41の大気拡散を3次元の動画撮像に成功。廃炉を超え一般の原子炉での高精度な放射線3次元画像モニタリング及び放射能拡散予想システムが実現できることを示す画期的な成果が得られた。

Noninvasive imaging of hollow structures and gas movement revealed the gas partial-pressure-gradient-driven long-distance gas movement in the aerenchyma along the leaf blade to submerged organs in rice

尹 永根*; 森 欣順*; 鈴井 伸郎*; 栗田 圭輔; 山口 充孝*; 三好 悠太*; 長尾 悠人*; 芦苅 基行*; 永井 啓祐*; 河地 有木*

New Phytologist, 232(5), p.1974 - 1984, 2021/12

https://doi.org/10.1111/nph.17726

イネ植物()は中空の器官を持ち、これが水上の葉から水没した器官へ空気を供給する経路として機能すると推定される。しかし、イネにおけるガス移動はリアルタイムで可視化されていない。本研究では、部分的に水没したイネの葉に窒素13標識窒素([N]N)トレーサーガスを供給し、葉身、葉鞘、節間に沿って下方に移動するガスの動きを経時的に観察した。

Practical tests of neutron transmission imaging with a superconducting kinetic-inductance sensor

Vu, TheDang; 宍戸 寛明*; 相澤 一也; 小嶋 健児*; 小山 富男*; 及川 健一; 原田 正英; 奥 隆之; 曽山 和彦; 宮嶋 茂之*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1006, p.165411_1 - 165411_8, 2021/08

https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.165411

We found that the sizes of the Gd islands determined from the transmission image correlated strongly with those determined from the SEM image. We demonstrated the CB-KID could be used to identify (1) tiny voids in a thermally sprayed continuous GdO film in and (2) various mosaic morphologies and different eutectic microstructures in Wood's metal samples. The fact that the CB-KID system could be used to identify features of samples with a wide distribution of sizes and thicknesses is promising for real application of the device for imaging samples of interest to material scientists. Operating the CB-KID at higher temperatures appreciably improved the efficiency for simultaneously identifying the X and Y positions of hotspots. We also compared the detection efficiency with the PHITS simulations. We now plan to improve the detection efficiency by increasing the thickness of the B neutron conversion layer

Analysis and mapping of detailed inner information of crystalline grain by wavelength-resolved neutron transmission imaging with individual Bragg-dip profile-fitting analysis

櫻井 洋亮*; 佐藤 博隆*; 足立 望*; 諸岡 聡; 戸高 義一*; 加美山 隆*

Applied Sciences (Internet), 11(11), p.5219_1 - 5219_17, 2021/06

https://doi.org/10.3390/app11115219

As a new method for evaluating single crystal and oligocrystal, pulsed neutron Bragg-dip transmission analysis/imaging method is being developed. In this study, a single Bragg-dip profile fitting analysis method was newly developed, and applied for analyzing detailed inner information in a crystalline grain position-dependently. In the method, the spectrum profile of a single Bragg-dip is analyzed at each position over a grain. As a result, it is expected that changes of crystal orientation, mosaic spread angle and thickness of a perfect crystal can be evaluated from the wavelength, the width and the integrated intensity of the Bragg-dip, respectively. For confirming this effectiveness, the method was applied to experimental data of position-dependent Bragg-dip transmission spectra of a Si-steel plate consisting of oligocrystals. As a result, inner information of multiple crystalline grains could be visualized and evaluated. The small change of crystal orientation in a grain, about 0.4, could be observed by imaging the Bragg-dip wavelengths. By imaging the Bragg-dip widths, both another grain and mosaic block in a grain were detected. Furthermore, imaging results of the integrated intensities of Bragg-dips were consistent with the results of Bragg-dip width imaging. These small crystallographic changes have not been observed and visualized by previous Bragg-dip analysis methods.

Neutron Bragg-edge transmission imaging for microstructure and residual strain in induction hardened gears

Su, Y. H.; 及川 健一; 篠原 武尚; 甲斐 哲也; 堀野 孝*; 井戸原 修*; 三阪 佳孝*; 友田 陽*

Scientific Reports (Internet), 11, p.4155_1 - 4155_14, 2021/02

https://doi.org/10.1038/s41598-021-83555-9

A time-of-flight Bragg-edge neutron transmission imaging was used to investigate the microstructure and strain distributions in a gear hardened by a newly developed two-step induction-heating method: precursor (Sample 1) and final product (Sample 2). The edge- position and edge-broadening were determined and mapped with high spatial resolution, which enabled us to confirm the two-dimensional distributions of the microstructure and residual strain. A deep hardened layer was made for Sample 1 in which martensite was formed on the entire teeth and the outer peripheral portion of the gear body. Sample 2 was subjected to double induction-hardening, where a tempered martensite was formed as the thermal refined microstructure between a fine-grained martensite at the tooth surface and a ferrite-pearlite microstructure at the core. The relationship between edge-broadening and the Vickers hardness described by a linear equation was employed to derive the elastic residual strain. The residual strain map for Sample 2 revealed that a steep compressive strain was introduced into the fine-grained martensite at the tooth surface by the super rapid induction- heating and quenching process. The reversal of tension was speculated to occur below 2 mm from the tooth tip, and the strain was almost zero in the core region.

アルファダストの検出を目指した超高位置分解能イメージング装置の開発(委託研究); 令和元年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 東北大学*

JAEA-Review 2020-039, 59 Pages, 2021/01

JAEA-Review-2020-039.pdf:4.18MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和元年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、研究課題のうち、平成30年度に採択された「アルファダストの検出を目指した超高位置分解能イメージング装置の開発」の令和元年度の研究成果について取りまとめたものである。本研究は、福島第一原発の廃炉を進めるうえで、ある段階からは作業員が実際に炉内、ないしは、炉のがれき・破片を解体・撤去する際に、ダストとして舞う放射線核種、特に体内被曝の影響が高いアルファ線を放出する核種などの把握を目指した撮像カメラの開発を行うものである。ダストの把握に必要な10m程度以下の優れた位置分解能を達成するために、シンチレータの高性能化、カメラの最適化などに取り組んできた。また、ここで得られた技術をもとに、光ファイバーを用いた超高線量場でのリアルタイム線量モニタの開発も取り組んだ。