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報告書

平成29年度大型計算機システム利用による研究成果報告集

情報システム管理室

JAEA-Review 2018-018, 167 Pages, 2019/02

JAEA-Review-2018-018.pdf:34.23MB

日本原子力研究開発機構では、原子力の総合的研究開発機関として原子力に係わるさまざまな分野の研究開発を行っており、これらの研究開発の多くにおいて計算科学技術が活用されている。計算科学技術活用の高まりは著しく、日本原子力研究開発機構における計算科学技術を活用した研究開発の成果は、全体の約2割を占めている。大型計算機システムはこの計算科学技術を支える重要なインフラとなっている。大型計算機システムは、優先課題として位置付けられた福島復興(環境の回復・原子炉施設の廃止措置)に向けた研究開発や、高速炉サイクル技術に関する研究開発、原子力の安全性向上のための研究、原子力基礎基盤研究等といった主要事業に利用された。本報告は、平成29年度における大型計算機システムを利用した研究開発の成果を中心に、それを支える利用支援、利用実績、システムの概要等をまとめたものである。

論文

Implementation of a gyrokinetic collision operator with an implicit time integration scheme and its computational performance

前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季*; 沼波 政倫*

Computer Physics Communications, 235, p.9 - 15, 2019/02

陰的時間積分スキームを用いてSugama衝突演算子をジャイロ運動論的ブラゾフコードGKVに実装した。新手法はオペレータスプリッティング、陰的時間積分、クリロフ部分空間反復法ソルバを用いており、線形化衝突演算子の詳細に依存しない汎用的な手法となっている。数値計算テストでは衝突項が制限する時間ステップ幅を超えて安定な計算が実証できた。データ転置を用いることで、反復計算中に通信が発生しない分散メモリシステムにおける効率的実装を実現した。これにより、本手法は計算効率向上と計算コスト削減を同時に達成し、アプリケーションの全体性能を大きく加速する。

論文

First-principles calculation of multiple hydrogen segregation along aluminum grain boundaries

山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋; 都留 智仁; 松田 健二*; 戸田 裕之*

Computational Materials Science, 156, p.368 - 375, 2019/01

金属の応力腐食割れメカニズム解明を目的として、アルミニウム結晶粒界に対する水素偏析の影響を第一原理計算により調べた。水素の溶解度が高い場合には、高エネルギー粒界には水素の偏析が可能であることが分かった。またアルミニウム粒界には水素が大量に偏析可能であり、それとともに粒界が膨張することで電子密度が低下していき、その結果粒界の凝集エネルギーが大きく低下することが分かった。

論文

Modelling the effect of mechanical remediation on dose rates above radiocesium contaminated land

Malins, A.; 操上 広志; 北村 哲浩; 町田 昌彦

Remediation Measures for Radioactively Contaminated Areas, p.259 - 272, 2019/00

Mechanical strategies for remediating radiocesium contaminated soils, e.g. at farms, schoolyards, gardens or parks, lower air dose rates in one of two characteristic ways. The first is to physically remove radiocesium from the environment, for example by stripping topsoil and sending it for disposal. The second is to redistribute the radiocesium deeper within the ground, e.g. by mixing the topsoil or switching the positions of different soil layers, in order that soil attenuates radiocesium gamma rays before they reach the surface. The amount that air dose rates reduce because of remediation can be calculated using radiation transport methods. This chapter summarizes modelling results for the effect of topsoil removal (with and without recovering with a clean soil layer), topsoil mixing, and soil layer interchange on dose rates. Using measurements of the depth profile of $$^{134}$$Cs and $$^{137}$$Cs activity in soil at un-remediated sites across North East Japan, the potential effectiveness of remediation work was estimated considering remediation to different soil depths and different time lags after the accident. The results show that remediation performance would have been essentially constant irrespective of the time at which it was undertaken in the initial five year period following the fallout.

論文

Primary radiation damage; A Review of current understanding and models

Nordlund, K.*; Zinkle, S. J.*; Sand, A. E.*; Granberg, F.*; Averback, R. S.*; Stoller, R. E.*; 鈴土 知明; Malerba, L.*; Banhart, F.*; Weber, W. J.*; et al.

Journal of Nuclear Materials, 512, p.450 - 479, 2018/12

あらゆる種類の放射線影響の科学的理解は、一次損傷、すなわち、高エネルギー粒子によって開始された原子弾き出し事象の直後に生成される欠陥から始まる。このレビューでは、過去数十年にわたり一次損傷の性質について繰り返し行われてきた広範な実験およびコンピュータシミュレーションの研究を検討する。我々は、材料における結晶学的または位相的欠陥の生成、ならびに原子混合、すなわち結晶学的位置の原子が他のものと位置を交換することも検討する。我々はまた、このエネルギー粒子の損傷を定量化するための現在の国際標準であるNorgett-Robinson-Torrens(NRT)-dpaの代替案を提供するための最近の取り組みについて考察する。我々は、NRT-dpaを拡張する新しい補完的な変位量推定(athermal recombination corrected dpa: arc-dpa)と原子混合(replacements per atom: rpa)関数を詳細に提示し、それらの利点と限界について議論する。

論文

アルミニウムのポア内表面における水素解離吸着と表面エネルギー低下

山口 正剛; 都留 智仁; 海老原 健一; 板倉 充洋

軽金属, 68(11), p.588 - 595, 2018/11

アルミニウム合金中の水素が力学特性に与える影響を把握するには、水素の存在状態を理解することが必要である。そのため、アルミニウム中のポア内表面における水素解離吸着とそれによる表面エネルギー低下について、統計熱力学的取り扱いとともに、第一原理計算や実験データを参考にした具体的な数値データを示した。理想気体からのずれも取り入れた。実験的には不明な解離吸着エネルギーが0.0-0.1eV/atomHの範囲とすると、室温で圧力100MPaの高圧水素ガスに対して、表面吸着占有率は0.08-0.8程度、表面エネルギー低下は1-13%程度になるという見積り結果となった。

論文

数値シミュレーションによるアルミニウムの水素昇温脱離曲線の解釈

海老原 健一; 山口 正剛; 都留 智仁; 板倉 充洋

軽金属, 68(11), p.596 - 602, 2018/11

水素脆化は応力腐食割れの原因の1つとして考えられている。鉄鋼材料と同様に高強度アルミニウム合金の開発では水素脆化は重大な問題となっている。アルミニウム合金における水素脆化の研究は鉄鋼材料における水素脆化機構の解明に示唆を与えると考えられる。水素脆性を理解するためには、合金中の水素トラップ状態を知ることは避けられず、それは水素の熱脱離分析法を用いて同定することができる。本研究では、円筒状試料および板状試料について報告されたアルミニウム中の水素の熱脱離スペクトルを数値シミュレーションし、それらに含まれる脱離ピークをトラップサイト濃度およびトラップエネルギーに基づいて解釈した。その結果、最低温度側の脱離ピークは粒界から生じることが明らかとなり、他の脱離ピークは報告された解釈が合理的であることが確認された。さらに、試料を加熱する過程で転位や空孔のトラップサイト濃度が変化する可能性を示す結果を得た。この結果は、鉄鋼材料において昇温脱離曲線から水素トラップ状態を解釈する上で有意な示唆を与えるものである。

報告書

Error estimation in observed acceleration data toward V&V of a seismic simulation

鈴木 喜雄; 飯垣 和彦

JAEA-Data/Code 2018-009, 41 Pages, 2018/09

JAEA-Data-Code-2018-009.pdf:3.14MB

原子力施設全体を対象とした耐震シミュレーションの検証・妥当性確認(V&V)に向け、観測により得られた加速度データに含まれる誤差を推定するためのアプローチを提案する。V&Vのプロセスにおいて、シミュレーション結果と実験/観測結果を比較するには、実験/観測データに含まれる誤差を推定する必要がある。観測された加速度データには、観測システム自身が有する計測精度に関わる誤差と、観測システムが計測したデータに含まれ得る外乱から生じる誤差の二つがあると考えた。これらの誤差を推定するため、加速度計測システムの仕様に基づく手法と、時系列解析手法をそれぞれ用いることとした。また、実際の手順を明確にするため、これらの手法を日本原子力研究開発機構大洗研究開発センターの高温工学試験研究炉(HTTR)で観測された加速度データに適用している。

論文

Radiocesium interaction with clay minerals; Theory and simulation advances Post-Fukushima

奥村 雅彦; Kerisit, S.*; Bourg, I. C.*; Lammers, L. N.*; 池田 隆司*; Sassi, M.*; Rosso, K. M.*; 町田 昌彦

Journal of Environmental Radioactivity, 189, p.135 - 145, 2018/09

 被引用回数:1

東京電力福島第一原子力発電所事故により、環境中に放出された放射性セシウムは土壌中の粘土鉱物に強く吸着されていることがわかっているが、その吸着メカニズムは今も解明されていない。本論文は、これまで蓄積された粘土鉱物による放射性セシウム吸着現象に関する実験結果と、最新のシミュレーション研究の進展をまとめたものである。論文では、実験結果についてまとめられ、それらの結果を基にした最新のシミュレーション研究によって明らかにされた、次のような研究結果について説明されている:(1)粘土鉱物表面におけるセシウム吸着のエネルギースケール、(2)実験では観測が難しい粘土鉱物エッジの原子レベル構造についての理解の進展、(3)粘土鉱物の水和した層間におけるセシウム吸着現象の詳細、(4)ほつれたエッジにおけるイオン半径と層間距離の関係と吸着の選択性、(5)層間におけるセシウムの深部への移動、(6)放射性セシウムの核崩壊の影響。さらに、これらの知見に基づいた除染による廃棄土壌の減容技術開発の可能性についても述べられている。

論文

Characterizing regional-scale temporal evolution of air dose rates after the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident

Wainwright, H. M.*; 関 暁之; 三上 智; 斎藤 公明

Journal of Environmental Radioactivity, 189, p.213 - 220, 2018/09

本研究では、福島第一原子力発電所周辺の特定の区域における空間線量率の時間的な変化を定量化し、将来の空間的な線量の分布を予測した。我々は、まず、異なる規模・解像度・範囲・精度を持つ線量測定のデータセット(歩行サーベイ, 車両サーベイ, 航空機サーベイ)の統合のため、Wainwright等によって開発された地理統計的なベイズ手法を使った。そして、この手法を3年間(2014年から2016年)のデータに適用した。これによって作成した3つの統合マップからわかる時間的変化から、放射性物質による線量の空間的・時間的なダイナミクスが特徴付けられた。

論文

Atomistic simulation of phosphorus segregation to $$Sigma$$3(111) symmetrical tilt grain boundary in $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 26(6), p.065005_1 - 065005_10, 2018/09

照射誘起粒界リン偏析の見積もりは原子炉圧力容器鋼の脆化を評価する上で重要な要素であるが、粒界へのリン移動の物理的過程は依然として不明である。このことから、分子動力学を用いて$$Sigma$$3(111)対称傾角粒界へのリン移動を分子動力学シミュレーションによって評価した。結果として、粒界近傍$$sim$$1nmの範囲で、自己格子間原子が粒界に押し出されることで、鉄-リン混合ダンベルのリン原子と八面体格子間リン原子が置換型原子になることを見出した。空孔-リン複合体も解離し、空孔はリン原子を引きずることなく粒界に吸収された。この結果は、従来考えられている偏析プロセスとは異なることから、それについて新しい視点が必要であると示唆している。

論文

Effects of stacking fault energies on formation of irradiation-induced defects at various temperatures in face-centred cubic metals

中西 大貴*; 川畑 友弥*; 土井原 康平*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 鈴木 克幸*

Philosophical Magazine, 98(33), p.3034 - 3047, 2018/09

原子炉内部で使用されるオーステナイト鋼は積層欠陥エネルギーが低いことで知られ、そのため積層欠陥を伴う照射欠陥クラスタが大きくなることが予想される。この傾向を定量評価するため、FCC金属のモデルポテンシャルにおいて積層欠陥エネルギーだけを変化させたものを用い照射欠陥生成の分子動力学シミュレーションを様々な温度において実行し、生成した照射欠陥クラスタの種類と数を調べた。その結果移動可能な格子間原子クラスタの生成数が積層欠陥エネルギーとともに大きく変化することが見出された。

論文

New antiferromagnetic order with pressure-induced superconductivity in EuFe$$_2$$As$$_2$$

池田 修悟*; 土屋 優*; Zhang, X.-W.*; 岸本 俊二*; 亀卦川 卓美*; 依田 芳卓*; 中村 博樹; 町田 昌彦; Glasbrenner, J.*; 小林 寿夫*

Physical Review B, 98(10), p.100502_1 - 100502_6, 2018/09

新規超伝導物質の発現機構を解明するためには磁性と超伝導性の関係を理解することが重要である。我々は鉄ヒ素超伝導体の一つであるEuFe$$_2$$As$$_2$$に対して$$^{57}$$Fe核共鳴前方散乱(NFS)を用い、2.4から3.0GPaの圧力範囲で、Fe副格子での反強磁性と超伝導の共存を発見した。Fe副格子の磁性状態は2.7GPaでストライプ型反強磁性から超伝導を伴う新しい反強磁性秩序へと変化した。超伝導転移温度以下で、超伝導とともに新しい反強磁性が発展しているのが、NFSの温度依存性から明らかになった。この2種類の秩序の非自明な相関は鉄系超伝導体における磁性と超伝導の新しく興味深い関係性を証明するものである。

論文

福島県内を想定した複雑な実環境中での空間線量率分布解析システム(3D-ADRES)の研究開発; リモートセンシング情報の活用と各環境因子(地形・土壌・建物・樹木等)の影響評価

Kim, M.; Malins, A.; 佐久間 一幸; 北村 哲浩; 町田 昌彦; 長谷川 幸弘*; 柳 秀明*

RIST News, (64), p.3 - 16, 2018/09

環境中に放出された放射線源による空間線量率の正確な分布は、住民の被ばく量を評価し、それを可能な限り低減するための必須な情報となる。しかし、市街地・森林等は複雑な構造物や樹木が存立する他、地形も平坦ではなく放射線の散乱や遮蔽が頻繁に起こるため、空間線量率の分布は非一様となる。加えて放射線源の不均質な分布は更にそれを複雑なものとするため、正確な空間線量率の分布を知ることは容易ではない。そこで、日本原子力研究開発機構・システム計算科学センターは、福島環境安全センターと連携し、福島県内の市街地や森林等の複雑な環境中の地形・樹木・建物等の3次元のリアルな構造物モデルを構築し、更に不均質な放射性セシウムの線源分布を取り込むことを可能とすることで、空間線量率の3次元分布が計算可能なシステム(3D - Air Dose Rate Evaluation System:略称3D-ADRES)を開発した。3D-ADRESでは、人工衛星画像等のリモートセンシング情報や種々の地理情報等を最大限に活用し、構造物を認識(一部自動化済み)した後、その構造をリアルにモデル化し、モンテカルロ計算コードPHITS用フォーマットに変換することで、シミュレーションによる詳細な空間線量率分布を取得可能とする。本稿では、そのシステムの概要について記し、実際の計算例を示す他、今後の課題についても記す。

論文

Quantum simulation verifies the stability of an 18-coordinated actinium-helium complex

小座間 瑛記*; 安達 サディア*; 高柳 敏幸*; 志賀 基之

Chemistry; A European Journal, 24(48), p.12716 - 12721, 2018/08

量子論的な経路積分分子動力学シミュレーションによって、ヘリウムクラスター中の三価アクチニウムカチオン(Ac$$^{3+}$$He$$_n^{}$$)の分子構造を計算した。安定なAc$$^{3+}$$-He複合体が作られる低温(1-3K)において、ヘリウム原子の原子核量子効果は重要な役割を果たす。計算の結果、第一溶媒和圏を構成するヘリウム原子はD$$_{4d}^{}$$対称をもって配置され、その配位数は18個にも及ぶことがわかった。このAc$$^{3+}$$-He$$_{18}^{}$$複合体は、クラスターサイズ($$n$$)が大きくなるにつれて強固になり、安定化する。なお、本研究は相対論的第一原理計算によりAc$$^{3+}$$-He相互作用の正確な記述に基づくものである。

論文

First-principles study of solvent-solute mixed dumbbells in body-centered-cubic tungsten crystals

鈴土 知明; 都留 智仁; 長谷川 晃*

Journal of Nuclear Materials, 505, p.15 - 21, 2018/07

 被引用回数:1

タングステン(W)は、将来の核融合炉のプラズマ対向材料として有望視されており、W合金の耐放射線性を向上させその機械的特性を改善するための最適な合金成分を選択することが重要な課題である。本研究では、W結晶中の溶媒と溶質の混合ダンベルを第一原理計算によって調査した。その結果、チタン, バナジウム, クロムはW材の延性を低下させる原因となる照射誘起析出を起こさずに、空孔と格子間原子の再結合を促進させるため、照射効果という観点からではW材の合金元素として望ましいことがわかった。

論文

鉄鋼材料における水素昇温脱離解析のモデリングの現状と課題

海老原 健一

まてりあ, 57(7), p.338 - 344, 2018/07

鉄鋼材料における水素脆化の機構を理解するためには、材料中の水素の欠陥による捕獲状態やその変化を知る必要があり、その水素捕獲状態を推測するための有効な実験方法の1つとして昇温脱離解析がある。この解析では水素を含む試料の温度と脱離する水素量との関係である昇温脱離曲線が得られるが、その曲線から水素を捕獲する欠陥を同定するために数値シミュレーションが必要となる。本解説では、日本金属学会の依頼に基づき、数値シミュレーションモデルの種類や特徴、適用例を説明し、昇温脱離曲線のシミュレーションに関する最近の進展について記述した。

論文

Acceleration of plume dispersion simulation using locally mesh-refined lattice Boltzmann method

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏

Proceedings of 26th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-26) (Internet), 7 Pages, 2018/07

放射性物質の拡散計算は、核セキュリティの観点から非常に重要である。近年、低消費電力および演算性能の高さよりGPUによる科学技術計算が注目されている。本研究では、GPUを用いた格子ボルツマン法による計算コード手法を構築することで、高精度かつ高速な風況解析手法を構築した。東京工業大学のスーパーコンピュータTSUBAMEによる弱スケーリングの性能測定を行った結果、4から144台のGPUに対して良いスケーリングが得られるとともに、CPUとの比較ではノードあたり30倍程度の性能を達成した。産業技術総合研究所の風洞実験に対する検証計算では、AMR法を適用することで全てを細かい格子で計算するのと比較して10%程度の格子点数で解析が可能となるとともに、実験による観測と良く一致している結果が得られた。

報告書

情報セキュリティ教育教材集; 2013年度$$sim$$2017年度

植野 あすか; 矢城 重夫; 宇野 騎一郎*; 青木 和久

JAEA-Review 2018-006, 115 Pages, 2018/06

JAEA-Review-2018-006.pdf:30.8MB

2015年に発生した日本年金機構における不正アクセスによる情報流出事案、2017年に世界各地で猛威を振るったランサムウェアなど、深刻な被害をもたらすサイバー攻撃が継続している。最近では、実在する企業名を騙り、注文書や発送通知を装い、未知の不正プログラムを添付したファイルの開封、悪意あるリンク先の閲覧を巧妙な日本語で促す不審メールが増加するなど、サイバー空間における脅威が増大している。このような中、日本原子力研究開発機構においても情報セキュリティ対策は重要課題であり、システム計算科学センターでは、(1)情報セキュリティ関連規程類の整備、(2)新たな防御技術を実装した情報セキュリティ製品等による対策、(3)職員等の対応能力の維持・向上を図る情報セキュリティ教育・訓練の実施、を三位一体として、プロアクティブな情報セキュリティ対策の推進に取り組んでいる。本報告書は、情報セキュリティ対策の取り組みの一つである情報セキュリティ教育について、eラーニングにより実施している内容を教材集としてまとめたものである。

論文

Interactions between clusters of self-interstitial atoms via a conservative climb in BCC-Fe

早川 頌*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 愛知 正温*; 鈴木 克幸*

Philosophical Magazine, 98(25), p.2311 - 2325, 2018/06

BCC鉄における格子間原子クラスタは容易方向へのすべり運動とは別に垂直方向への保存的上昇運動を行い、これにより三次元的な運動を行う。この拡散の三次元性は転位への吸収確率に大きく影響し、材料のスエリングなどの照射劣化挙動を左右する。この保存的上昇運動を分子動力学計算とモンテカルロ計算を組み合わせた手法で解析し、移動障壁エネルギーを評価したところ、従来の弾性理論により予想されていた値よりはるかに大きい値が得られた。

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