燃料デブリ取り出し時における炉内状況把握のための遠隔技術に関する研究人材育成(委託研究); 令和5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; 東京大学*

JAEA-Review 2025-001, 94 Pages, 2025/06

JAEA-Review-2025-001.pdf:6.21MB

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5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、令和元年度に採択された研究課題のうち、「燃料デブリ取り出し時における炉内状況把握のための遠隔技術に関する研究人材育成」の令和元年度から令和5年度分の研究成果について取りまとめたものである。本研究は、燃料デブリ取り出し時における炉内状況把握のためのモニタリングプラットフォームの構築及びプラットフォーム上を移動するセンサによる計測・可視化に関する研究開発を行う。また、このような研究課題に参画することによる研究教育、講義等の座学、施設見学の3つの柱で研究人材を育成することを目的とする。令和5年度は、各システムの検証とともに、模擬環境においてモニタリングプラットフォーム上の移動カメラから取得された画像を用いて立体復元モデルを生成し、可視化対象に対して最適視点からの映像提示が可能であることを、各研究項目協力のもと統合実験として実施した。

Scalar spin chirality Nernst effect

Go, G.*; Goli, D. P.*; 江崎 蘭世; Tserkovnyak, Y.*; Kim, S. K.*

Physical Review Research (Internet), 7(2), p.L022066_1 - L022066_7, 2025/06

https://doi.org/10.1103/y3m6-25rw

It remains an open question whether or not the scalar spin chirality itself can exhibit a Hall-type transport. In this work, we show that the answer is yes: The scalar spin chirality is Hall-transported in Kagome ferromagnets and antiferromagnets under an external bias, engendering a phenomenon which we dub the scalar spin chirality Nernst effect. Our findings call for the need to lift the conventional assumption that the scalar spin chirality is a static quantity in order to discover the active roles of the scalar spin chirality in transport properties.

Neutron spectroscopy study on crystalline electric field excitations in NdB

山内 宏樹; 目時 直人; 綿貫 竜太*; Hong, T.*; Fernandez-Baca, J. A.*; 萩原 雅人; 益田 隆嗣*; 吉沢 英樹*; 伊藤 晋一*

Journal of the Physical Society of Japan, 94(5), p.054705_1 - 054705_8, 2025/04

https://doi.org/10.7566/JPSJ.94.054705

The -electron states of NdB were determined by observing crystalline electric field (CEF) excitations with inelastic neutron scattering experiments. Our analysis yields CEF excitation energies of 2.8, 12.4, 17.2, and 25.4 meV. The -electron states are simply described by one of -multiplets with negligibly small mixing. The ground state is the pseudo-quartet consist of the ground doublet dominated by and the first excited doublet dominated by at 2.8 meV, which is consistent with magnetic specific heat and entropy reported in earlier study. The simple -electron states in NdB are the consequence of the strong uniaxial and in-plane isotropic CEF potential due to the local structure of Nd ions with point symmetry .

Pseudotunnel magnetoresistance in twisted van der Waals FeGeTe homojunctions

小幡 玲二*; 齊藤 英治; 吉川 貴史; 他13名*

Advanced Materials, 37(8), p.2411459_1 - 2411459_11, 2025/02

https://doi.org/10.1002/adma.202411459

Twistronics, a novel engineering approach involving the alignment of van der Waals (vdW) integrated two-dimensional materials at specific angles, has recently attracted significant attention. Novel nontrivial phenomena have been demonstrated in twisted vdW junctions (the so-called magic angle), such as unconventional superconductivity, topological phases, and magnetism. However, there have been only few reports on integrated vdW layers with large twist angles , such as twisted interfacial Josephson junctions using high-temperature superconductors. Herein, vdW homojunctions of the thin-magnetic flakes, FeGeTe (FGT), with large ranging from 0 to 90 deg, without inserting any tunnel barriers are assembled. Nevertheless, these vdW homojunctions exhibit tunnel-magnetoresistance (TMR) like behavior (pseudo-TMR (PTMR) effect) with the ratios highly sensitive to the values, revealing that the vdW gap at the junction interface between the twisted FGT layers behaves like a tunnel barrier and the serves a control parameter for PTMR by drastically varying magnitudes of the lattice-mismatch and the subsequent appearance of antiferromagnetic (AFM) spin alignment. First-principles calculations considering vacuum gaps indicate strong dependence of TMR on the driven by the sixfold screw rotational symmetry of bulk FGT. The present homojunctions hold promise as a platform for novel AFM spin-dependent phenomena and spintronic applications.

Single-layer spin-orbit-torque magnetization switching due to spin berry curvature generated by minute spontaneous atomic displacement in a Weyl oxide

堀内 皓斗*; 荒木 康史; 若林 勇希*; 家田 淳一; 山ノ内 路彦*; 他7名*

Advanced Materials, p.2416091_1 - 2416091_9, 2025/00

https://doi.org/10.1002/adma.202416091

Spin Berry curvature characterizes the band topology as the spin counterpart of Berry curvature and is crucial in generating novel spintronics functionalities. By breaking the crystalline inversion symmetry, the spin Berry curvature is expected to be significantly enhanced; this enhancement will increase the intrinsic spin Hall effect in ferromagnetic materials and, thus, the spin-orbit torques (SOTs). However, this intriguing approach is not applied to devices; generally, the spin Hall effect in ferromagnet/heavy-metal bilayer is used for SOT magnetization switching. Here, SOT-induced partial magnetization switching is demonstrated in a single layer of a single-crystalline Weyl oxide SrRuO (SRO) with a small current density of . Detailed analysis of the crystal structure in the seemingly perfect periodic lattice of the SRO film reveals barely discernible oxygen octahedral rotations with angles of near the interface with a substrate. Tight-binding calculations indicate that a large spin Hall conductivity is induced around small gaps generated at band crossings by the synergy of inherent spin-orbit coupling and band inversion due to the rotations, causing magnetization reversal. The results indicate that a minute atomic displacement in single-crystal films can induce strong intrinsic SOTs that are useful for spin-orbitronics devices.

Orbital moir and quadrupolar triple-q physics in a triangular lattice

服部 一匡*; 石飛 尊之; 常次 宏一*

Physical Review Research (Internet), 6(4), p.L042068_1 - L042068_7, 2024/12

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.L042068

We numerically study orders of planer type quadrupoles on a triangular lattice with nearest-neighbor isotropic and anisotropic interactions. This type of quadrupoles possesses unique single-ion anisotropy proportional to a third order of the quadrupole moments. This provides an unconventional mechanism of triple- orders which does not exist for the degrees of freedom with odd parity under time-reversal operation such as magnetic dipoles. In addition to several single- orders, we find various orders including incommensurate triple- quasi-long-range orders with orbital moire and a four-sublattice triple- partial order. Our Monte-Carlo simulations demonstrate that the phase transition to the latter triple- state belongs to the universality class of the critical line of the Ashkin-Teller model in two dimensions close to the four-state Potts class. These results indicate a possibility of realizing unique quadrupole textures in simple triangular systems.

Atom-vacancy-defect-derived electric hysteresis loops and stochastic low-frequency noises in few-atom layer MoS

小杉 美央子*; 吉川 貴史; 齊藤 英治; 他10名*

ACS Applied Materials & Interfaces, 16(46), p.64190 - 64196, 2024/11

https://doi.org/10.1021/acsami.4c13147

Atom-vacancy-defects present in various materials yield numerous interesting physical phenomena, even obstructing high performance in some cases. On the other hand, their valuable applications to novel devices, such as nitrogen vacancy centers in diamond for quantum bits, have gathered significant attention. In particular, these tendencies become more substantial in two-dimensional (2D) (atomically) thin van der Waals layers. However, correlations with various kinds of atom defects are still under exploration. Herein, we find the stochastic behaviors of large hysteresis loops with strong photoresponse in the static electrical properties in few-atom layer semiconductors, molybdenum disulfide (MoS). The temperature dependence and transmission electron microscopy reveal that they arise from pairs of two neighboring in-plane S-vacancy defects, which predominantly present only around the interface at the MoS flake/substrate, with activation energies similar to 0.35 eV. The low-frequency () (LF) noise measurements clarify a high f shift in the two 1/ 2-dependent regimes, implying stochastic behaviors of electric charges through the S-vacancy pairs with high-speed charge(spin) transitions across low kinetic energy barriers between narrow discrete states. The shallow energy sates are formed from the highly uniform S-vacancy pairs interacting with Mo atoms, which act like quantum dots. The observed stochastic operation holds promise for various application, particularly for probabilistic neuromorphic computation in artificial intelligence.

Biofilm formation on excavation damaged zone fractures in deep neogene sedimentary rock

廣田 明成*; 幸塚 麻里子*; 福田 朱里*; 宮川 和也; 佐久間 圭佑; 尾崎 裕介; 石井 英一; 鈴木 庸平*

Microbial Ecology, 87, p.132_1 - 132_15, 2024/10

https://doi.org/10.1007/s00248-024-02451-7

深部の地下坑道は、鉱山や放射性廃棄物の地層処分のような工学的利用に加え、地下生命圏へのアクセスにおいても有用である。掘削損傷領域(EDZ)に人工的に形成した割れ目のネットワークは、物質の移行経路となると共に、空間と栄養を微生物に提供する場となる可能性がある。本研究では、幌延深地層研究所の深度350m坑道において掘削されたボーリング孔と検層結果を用いて、EDZ割れ目上の微生物バイオフィルムを調査した。顕微鏡観察と赤外分光分析により、EDZの高透水性割れ目表面に微生物が密集してバイオフィルムを形成していることを確認した。16S rRNA遺伝子配列分析の結果、微生物はGammaproteobacteria綱の好気性メタン資化細菌が優占した。好気性メタン資化細菌と同一種のゲノム配列は、幌延深地層研究所での先行研究で取得されており、活性酸素種からOを生成するcatalaseやsuperoxide dismutase、およびNOからNとOを発生する可能性のあるnitric oxide reductaseの遺伝子を有することがゲノム解析により明らかとなった。これらの結果から、EDZ割れ目における微生物のO生成が示唆され、地下微生物の生息に有利な環境であると結論される。

Effectiveness evaluation of the measures for improving resilience at ultra-high temperatures

小野田 雄一; 西野 裕之; 栗坂 健一; 山野 秀将

Proceedings of Probabilistic Safety Assessment and Management & Asian Symposium on Risk Assessment and Management (PSAM17 & ASRAM2024) (Internet), 10 Pages, 2024/10

ナトリウム冷却高速炉を対象として、設計想定を超える超高温によって破損や損傷が生じた場合でも、その拡大を抑制する技術を用いて原子炉構造のレジリエンスを向上させる対策を構築するとともに、その対策の有効性を評価した。超高温状態に至る事故進展に対して炉心損傷を防止するには、原子炉容器の加圧防止対策と炉心冷却対策の両方が必要となる。炉心冷却対策として、原子炉容器からの輻射熱伝達を促進しCV外面を自然対流により冷却する炉心冷却概念(CVACS)を構築した。事故進展の不確かさとレジリエンス向上策の成否について検討し、当該対策の有効性を評価する方法としてPRAを活用し、イベントツリーにおける分岐確率を評価して、炉心損傷頻度の低減効果を有効性評価の指標とする方法を構築した。CVACSによる炉心の冷却性を評価するとともに、構造解析及び人間信頼性評価の結果を反映して炉心冷却の成功確率を評価し、超高温に対するレジリエンス向上策の有効性を定量的に評価した。既存の対策に加えてレジリエンス向上策を講じることにより、LOHRSを起因として炉心損傷に至る頻度を従来の1/100程度に低減した。

合理的な処分のための実機環境を考慮した汚染鉄筋コンクリート長期状態変化の定量評価(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; 東京大学*

JAEA-Review 2024-011, 121 Pages, 2024/09

JAEA-Review-2024-011.pdf:5.42MB

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2年度に採択された研究課題のうち、「合理的な処分のための実機環境を考慮した汚染鉄筋コンクリート長期状態変化の定量評価」の令和2年度から令和4年度分の研究成果について取りまとめたものである。福島第一原子力発電所のコンクリート構造物の廃止措置では、廃棄物量や濃度を推計することが重要となる。本研究は、コンクリート部材における汚染濃度分布の定量予測を目的としている。コンクリート中の放射性核種の移動には、使用材料(セメント種類、骨材)、状態変化(ひび割れ、乾燥・炭酸化)、放射性核種との接触状態(冷却水と海水の混合、汚染水の濃度変化)等が影響を及ぼす。本研究では、実環境を考慮した放射性核種の浸透状況の推定に向けて、以下を実施した。経年変化したコンクリートの状態を数値解析上で再現するため、乾燥、再吸水によって生じる変形および水分移動に関するデータを取得した。並行して、剛体バネモデルを用いて、コンクリートの材齢変化および温度・水・応力条件を考慮できる、ひび割れの分布を計算する数値解析手法を開発した。コンクリートマトリクスへの長期的な核種の浸透挙動を評価するため、C-A-S-H系におけるCsやSrの収着に関するデータを取得し、熱力学的相平衡を考慮する多元素移動モデルに基づく、イオン浸透予測手法を構築した。構造的および化学的に変化したコンクリートへの放射性核種の浸透挙動を評価するために、ひび割れを有するコンクリートを事故後の汚染水組成相当の溶液に浸漬し、Cs、Srの浸透状況をオートラジオグラフィにより評価した。