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論文

Machine learning potentials for tobermorite minerals

小林 恵太; 中村 博樹; 山口 瑛子; 板倉 充洋; 町田 昌彦; 奥村 雅彦

Computational Materials Science, 188, p.110173_1 - 110173_14, 2021/02

セメント水和物(セメントペースト)は建築材はもとより、放射性セシウムの閉じ込め材料として利用される。本論文はセメント水和物の代表的なモデル物質であるトバモライトの機械学習力場の構築を行ったものである。トバモライトに対し第一原理計算を実施し、様々な原子配置とそのポテンシャルデータを大量に生成し、ニューラルネットを用いた機械学習力場の学習を行った。構築した機械学習力場はトバモライトの弾性係数,振動状態密度をほぼ第一原理と同等の精度で計算可能であることを確かめた。また、機械学習分子動力学法を実行し、トバモライト細孔における水,イオンの輸送特性の解析を行った。

論文

Local structure of rare earth elements (REE) in marine ferromanganese oxides by extended X-ray absorption fine structure and its comparison with REE in ion-adsorption type deposits

長澤 真*; Qin, H.-B.*; 山口 瑛子; 高橋 嘉夫*

Chemistry Letters, 49(8), p.909 - 911, 2020/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Chemistry, Multidisciplinary)

Speciation of rare earth elements (REE) in marine ferromanganese oxides (MFMO) was conducted by extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) and sequential extraction to compare the enrichment mechanisms and extraction rates between MFMO and ion-adsorption type deposits, which can be reasonably explained by the formation of inner- and outer-sphere complexes in the two materials for yttrium and other REE.

論文

Discovery of ion-adsorption type deposits of rare earth elements (REE) in Southwest Japan with speciation of REE by extended X-ray absorption fine structure spectroscopy

山口 瑛子*; 本多 翼*; 田中 雅人*; 田中 万也; 高橋 嘉夫*

Geochemical Journal, 52(5), p.415 - 425, 2018/00

 被引用回数:3 パーセンタイル:59.14(Geochemistry & Geophysics)

風化花崗岩中にみられるイオン吸着型鉱床は重要な希土類元素資源として知られている。しかし、日本においてはこうしたイオン吸着型鉱床の存在の有無はほとんど調査されてこなかった。そこで本研究では広島県と島根県において風化花崗岩試料を採取し、希土類元素の分析を行った。その結果、中国でみられるイオン吸着型鉱床と同程度の希土類元素を含むことが分かった。EXAFSスペクトルを測定した結果、塩化アンモニウム水溶液により抽出される交換性の希土類元素は外圏型錯体として吸着していることが明らかとなった。一方、抽出されなかった画分は内圏型錯体を形成していた。

口頭

Fixation of radium by weathered granite from the view point of dependence of ionic size on adsorption reaction

山口 瑛子*; 栗原 雄一*; 田中 万也; 小原 義之; 香西 直文; 高橋 嘉夫*

no journal, , 

Clay minerals can adsorb many ions and are abundant at earth surface, which controls dissolved concentrations of various trace ions in natural soil/sediment-water systems. Thus, clay minerals affect various phenomena observed at earth surfaces. In my previous study, it was revealed that ions adsorbed on clay minerals mainly form two types of surface complex, either outer-sphere (OS) or inner-sphere (IS) complex. Furthermore, it was shown that ions smaller than Ba form OS complexes, while ions lager form IS complexes, which suggested that Ba has specific interaction with clay mineral surface. In general, ions forming IS and OS complexes have low and high ion exchangeability, respectively. Therefore, behavior of ion can be predicted by the ionic size. In this study, we focused on the migration of Ra in Ningyo-toge Uranium Mine (Okayama, Japan), where the interaction of Ra with clay minerals can be examined.

口頭

風化花崗岩におけるラジウムの固定

栗原 雄一; 山口 瑛子*; 桧垣 正吾*; 小原 義之; 高橋 嘉夫*

no journal, , 

人形峠研究センター内のラジウムの挙動を調べるために、人形峠内のボーリングコア試料中のラジウムをゲルマニウム半導体検出器による分析を行った。その結果、ボーリングコア試料内下部の風化花崗岩においてラジウムの濃集が見られた。

口頭

Fixation of radium by adsorption on clay minerals based on analyses of core samples around Ningyo-toge uranium mine

山口 瑛子; 栗原 雄一; 奥村 雅彦; 高橋 嘉夫*

no journal, , 

ウランやトリウム等から放射壊変により生成するラジウムは、一定量あたりの放射能が高く、天然環境でも基準値を超えることがあるため危険な元素であるが、環境中での挙動は未解明である。特に地球表層に広く存在する粘土鉱物はイオン吸着容量が大きく多くの陽イオンの挙動に影響を与えるため、粘土鉱物存在下でのラジウムの挙動解明が望まれている。本発表では、上記課題に対し、粘土鉱物を多く含むウラン鉱床のコア試料の分析を行うことで、環境中のラジウムが粘土鉱物に固定されるという有用な知見を得たことを報告する。尚、課題解決に当たっては従来から用いられている逐次抽出法等を利用したが、それに加えてラジウムと挙動が似ているバリウムをアナログとした放射光実験を新たに行ったことが解決の糸口となった。得られた知見により、ラジウムの環境中挙動解明や除去方法の開発に関する研究が大きく進展することが考えられる。

口頭

Molecular geochemistry of interactions of various hard cations and phyllosilicates related to their environmental behaviors and isotope fractionation

高橋 嘉夫*; 坪井 寛行*; 山口 瑛子

no journal, , 

地層処分等で着目されている、粘土鉱物に対する陽イオンの吸着反応については、吸着構造が吸着イオンによって異なることが知られているが、その要因は未だ解決されていない。本発表は、上記課題に対し、X線吸収微細構造(XAFS)法を用いた系統的な計測を行うことで、吸着イオンのイオン半径が吸着構造を決定するという、有用な知見を得たことを報告する。尚、上記課題解決に当たっては、従来から用いられているX線回折法に加え、異なるイオン半径を持つ多くの陽イオンについて、同条件で系統的な放射光実験を行い、吸着イオンによる違いを分子レベルで比較したことが解決の糸口となった。これらの結果は、粘土鉱物への吸着機構の解明に資するだけでなく、環境中での元素の挙動予測や有害元素の除去法の開発等にも広く資する結果である。

口頭

人形峠環境技術センターにおけるラジウムの挙動

栗原 雄一; 山口 瑛子*; 桧垣 正吾*; 小原 義之; 高橋 嘉夫*

no journal, , 

人形峠環境技術センター内のラジウム(Ra)の挙動を調べるために、センター内の2地点のボーリングコア試料中の$$^{226}$$Ra/$$^{238}$$U放射能比についてゲルマニウム半導体検出器による分析を行った。$$^{226}$$Ra/$$^{238}$$U放射能比は、ウラン(U)濃集層及び粘土鉱物を含む層において、それぞれ1以下及び1以上であった。放射平衡の関係やマスバランスの計算結果により、U濃集層から地下水へと溶出したRa及びUは、粘土鉱物を含む層へと移行し、そこでRaが粘土鉱物層に選択的に固定されたことが示唆された。Raのアナログとして利用したバリウム(Ba)のEXAFSやマイクロ-XRF-XANES-XRDにより、二価のBaは内圏(IS)錯体で粘土鉱物に吸着していることが確認されたため、Raも同様の挙動を示すと考えられる。以上より、人形峠環境技術センターの環境において、U濃集層から移行したRaが粘土鉱物に吸着していることが示された。

口頭

粘土鉱物の機械学習力場の開発

奥村 雅彦; 小林 恵太*; 山口 瑛子

no journal, , 

粘土鉱物は最も身近な環境物質の一つであり、福島第一原子力発電所事故では、セシウムを強く吸着することで注目を集めたが、その物性はまだ未知の部分が多い。粘土鉱物の物性解明には数値シミュレーションが有効であるが、現在良く用いられている古典分子動力学法は微細な構造を再現できないなどの問題がある。本講演では、第一原理計算を基にした機械学習力場について、古典分子動力学では際限が難しかった微細構造について、計算の詳細及び計算結果の実験値との比較を示す。

口頭

Effect of ionic radius on the adsorption structure of various

山口 瑛子; 奥村 雅彦; 高橋 嘉夫*

no journal, , 

地球表層に広く存在し多くのイオンを吸着する粘土鉱物は、環境中の元素挙動について大きな影響を及ぼす。実際、陽イオンの天然環境中挙動は、粘土鉱物への吸着構造に応じて、大きく変わることが報告されているが、吸着構造を決定する要因は解明されていない。本講演では、広域X線吸収微細構造(EXAFS)法等の実験手法を用い、多くの陽イオンを比較することで、イオン半径が粘土鉱物への吸着構造を決定し、さらに環境中での挙動に影響を与えていることを報告する。

口頭

Machine learning molecular dynamics studies of clay minerals

奥村 雅彦; 小林 恵太*; 山口 瑛子; 中村 博樹; 板倉 充洋; 町田 昌彦

no journal, , 

粘土鉱物は一部の放射性核種を吸着するため、環境中の放射性元素の挙動に大きな影響を及ぼすが、まだ不明な点も多い。これまで、粘土鉱物の原子分子レベル研究には主に古典分子動力学法が使われてきた。しかし、現在よく使われている古典分子動力学力場は粘土鉱物のミクロな構造を再現できないなど、満足のいくものではなかった。本発表では、第一原理計算の結果を学習して、古典分子動力学並みの低計算コストで第一原理計算並みの高精度計算が可能な「機械学習分子動力学法」を粘土鉱物に適用した結果を報告する。

口頭

人形峠環境技術センターの露天採掘場跡地におけるラジウム同位体の移行

栗原 雄一; 山口 瑛子; 桧垣 正吾*; 小原 義之; 高橋 嘉夫*

no journal, , 

人形峠環境技術センターの露天採掘場跡地内におけるラジウム同位体の移行を調べるために、跡地内外のボーリングコア試料中のラジウム同位体をはじめとするウラン及びトリウム系列核種の分析を行った。また、固相中のRa-226の分配を明らかにするために、人形峠層及び風化花崗岩層に対して逐次抽出実験を行った。その結果、ラジウム同位体は、人形峠層からその下層の風化花崗岩層へと移行していることが推察された。

口頭

セメント水和物に対する機械学習分子動力学法による解析

小林 恵太; 中村 博樹; 山口 瑛子; 板倉 充洋; 町田 昌彦; 奥村 雅彦

no journal, , 

セメント水和物はセメントと水を混ぜることにより生成され、コンクリート中では骨材間を繋ぎ合わせる糊(セメントペースト)としての役割を果たしている。セメント水和物は、建築材としての利用はもとより、セシウム等を強く吸着することから、放射性核種の閉じ込め材料としての役割を果たしている。セメント水和物の結晶構造等には未知な部分が多いが、近年では分子動力学法等により原子レベルでの理解が進んできている。本発表では、第一原理計算と同等の精度で分子動力学の実行が可能となる、機械学習分子動力学法を用いセメント水和物の解析を行った。構築した機械学習力場はセメント水和物のモデル物質であるトバモライトの弾性係数,振動状態密度を再現できることを確認した。また、セメント水和物の表面状態などの解析を行った。

口頭

環境中ラジウムの粘土鉱物への吸着と固定

山口 瑛子; 栗原 雄一; 桧垣 正吾*; 奥村 雅彦; 高橋 嘉夫*

no journal, , 

放射性元素であるラジウムは、アルカリ土類金属であるため水に移行しやすく、また放射壊変により希ガスのラドンを生成し内部被ばくの危険性を高めるなど、危険かつ重要な元素であるが、安定同位体が存在しないために分光法などの適用が難しく、不明な点が多い。特に環境中挙動においては、粘土鉱物に分配しやすいことが示唆される報告例がいくつかあるが、子孫核種からの推定や室内実験に留まるなど、十分に研究されていない。本発表では、上記課題に対し、人形峠旧ウラン鉱山のコア試料を多面的に分析することで、ラジウムの粘土鉱物への吸着反応が環境中挙動を支配するという有用な知見を得たことを報告する。なお、問題解決にあたっては、バルク試料分析にとどまらず、鉱物分離や薄片を用いた局所分析などを行ったことが解決の糸口となった。得られた知見により、環境中ラジウムの動態解明やラジウム除去手法の開発に関する研究の発展に資する。

口頭

Effects of ionic radius on adsorption structures of hard cations on clay minerals

山口 瑛子; 奥村 雅彦; 高橋 嘉夫*

no journal, , 

粘土鉱物は多くの陽イオンの環境中挙動を支配する重要な鉱物であるが、多様な化学組成や複数の吸着サイトを持つなどその吸着反応は複雑であり、不明な点が多い。特に吸着イオンの水和状態はそれぞれのイオンの水への移行性を支配するが、水和状態を決定する要因は未解明である。本発表では、上記課題に対し、イオン半径が吸着時の水和状態を決定するという有用な知見を得たことを報告する。なお、問題解決に当たっては、放射光を用いたX線吸収微細構造法をはじめとした複数の手法を組み合わせたことが解決の糸口となった。得られた知見は、粘土鉱物の吸着反応機構の解明だけでなく、放射性元素などの取り扱いが難しい元素の環境挙動の予測・解明に資する。

口頭

陽イオンの粘土鉱物への吸着構造の解明; 水の効果を含めた第一原理計算とXAFS法の相補的利用

山口 瑛子; 高橋 嘉夫*; 奥村 雅彦

no journal, , 

粘土鉱物は地球表層に広く存在し、多くの陽イオンの環境動態を支配している。特に、イオンが粘土鉱物に吸着する際に水和したまま吸着する(内圏錯体)か脱水して吸着する(外圏錯体)かは、環境中での易動性に大きな影響を与えるため、粘土鉱物・イオン・水の相互作用の理解が重要である。イオンの水和状態を調べる実験手法としてX線吸収微細構造(XAFS)法が有効であるが、三次元的な情報は得られないため、第一原理計算の併用が重要である。しかし、第一原理計算で水分子も計算すると莫大な計算コストが必要になる。本発表では、これまで粘土鉱物に適用されてこなかった新しい計算手法を用いることで、粘土鉱物に吸着したイオンの水和状態をより低コストで正確に計算可能であるという有用な知見を得たことを報告する。なお、問題解決に当たっては、粘土鉱物と吸着イオンのみ第一原理計算で計算し、水は古典溶液論を用いるEffective screening medium reference site interaction model self consistent filed (ESM-RISM-ESM)法を適用したことと、放射光を用いたEXAFS法の利用により計算の妥当性を確かめられたことが解決の糸口となった。得られた知見は、粘土鉱物の吸着反応機構について水の状態も含めた詳細な解明に資する。

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