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論文

Structural and compositional characteristics of Fukushima release particulate material from Units 1 and 3 elucidates release mechanisms, accident chronology and future decommissioning strategy

Martin, P. G.*; Jones, C. P.*; Bartlett, S.*; Ignatyev, K.*; Megson-Smith, D.*; 佐藤 志彦; Cipiccia, S.*; Batey, D. J.*; Rau, C.*; 末木 啓介*; et al.

Scientific Reports (Internet), 10, p.22056_1 - 22056_17, 2020/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Multidisciplinary Sciences)

The structural form and elemental distribution of material originating from different Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant reactors (Units 1 and 3) is hereby examined to elucidate their contrasting release dynamics and the current in-reactor conditions to influence future decommissioning challenges. Complimentary computed X-ray absorption tomography and X-ray fluorescence data show that the two suites of Si-based material sourced from the different reactor Units have contrasting internal structure and compositional distribution. The known event and condition chronology correlate with the observed internal and external structures of the particulates examined, which suggest that Unit 1 ejecta material sustained a greater degree of melting than that likely derived from reactor Unit 3. In particular, we attribute the near-spherical shape of Unit 1 ejecta and their internal voids to there being sufficient time for surface tension to round these objects before the hot (and so relatively low viscosity) silicate melt cooled to form glass. In contrast, a more complex internal form associated with the sub-mm particulates invoked to originate from Unit 3 suggest a lower peak temperature, over a longer duration. Using volcanic analogues, we consider the structural form of this material and how it relates to its environmental particulate stability and the bulk removal of residual materials from the damaged reactors. We conclude that the brittle and angular Unit 3 particulate are more susceptible to further fragmentation and particulate generation hazard than the round, higher-strength, more homogenous Unit 1 material.

論文

Compositional and structural analysis of Fukushima-derived particulates using high-resolution X-ray imaging and synchrotron characterisation techniques

Martin, P. G.*; Jones, C. P.*; Cipiccia, S.*; Batey, D. J.*; Hallam, K. R.*; 佐藤 志彦; Griffiths, I.*; Rau, C.*; Richards, D. A.*; 末木 啓介*; et al.

Scientific Reports (Internet), 10(1), p.1636_1 - 1636_11, 2020/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:62.5(Multidisciplinary Sciences)

Both the three-dimensional internal structure and elemental distribution of near-field radioactive fallout particulate material released during the March 2011 accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant is analysed using combined high-resolution laboratory and synchrotron radiation X-ray techniques. Results from this study allow for the proposition of the likely formation mechanism of the particles, as well as the potential risks associated with their existence in the environment, and the likely implications for future planned reactor decommissioning. A suite of particles is analyzed from a locality 2 km from the north-western perimeter of the site north of the primary contaminant plume in an area formerly attributed to being contaminated by fallout from reactor Unit 1. The particles are shown to exhibit significant structural similarities; being amorphous with a textured exterior, and containing inclusions of contrasting compositions, as well as an extensive internal void volume bimodal in its size distribution. A heterogeneous distribution of the various elemental constituents is observed inside a representative particle, which also exhibited a Fukushima-derived radiocesium ($$^{134}$$Cs, $$^{135}$$Cs and $$^{137}$$Cs) signature with negligible natural Cs. We consider the structure and composition of the particle to suggest it formed from materials associated with the reactor Unit 1 building explosion, with debris fragments embedded into the particles surface. Such a high void ratio, comparable to geological pumice, suggests such material formed during a rapid depressurisation and is potentially susceptible to fragmentation through attrition.

論文

Provenance of uranium particulate contained within Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant Unit 1 ejecta material

Martin, P. G.*; Louvel, M.*; Cipiccia, S.*; Jones, C. P.*; Batey, D. J.*; Hallam, K. R.*; Yang, I. A. X.*; 佐藤 志彦; Rau, C.*; Mosselmans, J. F. W.*; et al.

Nature Communications (Internet), 10(1), p.2801_1 - 2801_7, 2019/06

 被引用回数:15 パーセンタイル:84.77(Multidisciplinary Sciences)

二次イオン質量分析(SIMS)測定とシンクロトロン放射(SR)分析技術を福島第一原子力発電所(FDNPP)の1号機原子炉由来のサブミリメートル粒状物質に対して分析を行った。これらの方法によりより大きなSiベースの放出物に含まれるミクロンスケールのU微粒子の分布、状態および同位体組成を調査することが可能であった。SRマイクロフォーカスX線蛍光(SR-micro-XRF)と吸収コントラストSRマイクロフォーカスX線トモグラフィー(SR-micro-XRT)を組み合わせることにより、U微粒子は粒子の外周の周りに位置することがわかった。高多孔質粒子これらの捕捉された粒子のいくつかのシンクロトロン放射マイクロフォーカスX線吸収端近傍構造(SR-micro-XANES)分析により、U(IV)酸化状態で存在することを明らかにした。このUが原発由来であることの確認は、FDNPPの1号機からの出所に特徴的な同位体濃縮比を有する二次イオン質量分析(SIMS)分析によって検証された。これらの結果は、使用済み燃料放出物が存在するという事象シナリオ(炉心1号機からある程度の炉心細分化および放出が起こったこと)の明確な証拠である。このUが環境や健康への危害を表す可能性は低いと予想されるが、将来的に母材であるSi含有バルク粒子の分解が生じると推定される。

論文

On push-forward representations in the standard gyrokinetic model

宮戸 直亮; 矢木 雅敏; Scott, B. D.*

Physics of Plasmas, 22(1), p.012103_1 - 012103_9, 2015/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:23.73(Physics, Fluids & Plasmas)

標準ジャイロ運動論モデルでは2つの形式的に異なる流体モーメントの押し出し表現を考えることができる。従来から用いられている表現ではジャイロ中心変換に関係する部分がジャイロ中心分布関数の引き戻し表現として現れる。これはジャイロ中心変換を生成するスカラー関数を含むが、通常、その最低次の解しか用いない。これは分極項を含むスカラー流体モーメントの押し出し表現を具体的に求めるときも同様である。しかしながら、分極ドリフトによる粒子フラックスなど有限ラーマ-半径効果による項を含む粒子フラックスの押し出し表現を導くためには、通常よりも高次の解が必要になる。一方、ジャイロ中心部分と案内中心部分が統合され、分布関数の押し出し表現が出てこないもう一つの表現を用いると、最低次の解で十分である。

論文

Instrumentation for diagnostics and control of laser-accelerated proton (ion) beams

Bolton, P.; Borghesi, M.*; Brenner, C.*; Carroll, D. C.*; De Martinis, C.*; Fiorini, F.*; Flacco, A.*; Floquet, V.*; Fuchs, J.*; Gallegos, P.*; et al.

Physica Medica; European Journal of Medical Physics, 30(3), p.255 - 270, 2014/05

 被引用回数:55 パーセンタイル:87.38(Radiology, Nuclear Medicine & Medical Imaging)

Suitable instrumentation for laser-accelerated proton (ion) beams is critical to the development of integrated, laser-driven ion accelerator systems. Instrumentation aimed at beam diagnostics and control must be applied to the driving laser pulse, the laser-plasma that it forms at the target and the emergent proton (ion) bunch in a correlated way to develop these novel accelerators. This report is a brief overview of established diagnostic techniques and new developments based on material presented at the first workshop on "Instrumentation for Diagnostics and Control of Laser-accelerated Proton (ion) Beams" in Abingdon, UK. It includes radiochromic film (RCF), image plate (IP), the micro-channel plate (MCP), the Thomson spectrometer, prompt inline scintillation, time and space-resolved interferometry (TASRI) and nuclear activation schemes. Repetition-rated instrumentation requirements for target metrology are also addressed.

論文

On the Gyrokinetic model in long wavelength regime

宮戸 直亮; Scott, B. D.*; 矢木 雅敏

Plasma Physics and Controlled Fusion, 55(7), p.074011_1 - 074011_6, 2013/07

 被引用回数:6 パーセンタイル:30.65(Physics, Fluids & Plasmas)

The standard gyrokinetic model is formulated for perturbations with short wavelength and small amplitude. In the long wavelength regime, the polarisation density term with electrostatic potential $$varphi$$ in the gyrokinetic quasi-neutrality equation goes to higher order than usual. Therefore, we should consider the other higher order terms to obtain $$varphi$$ from the equation. This issue is investigated from the point of view of the push-forward representation of particle density. The polarisation density term stems from the ${it gyro-centre}$ displacement vector. There is another piece associated with the ${it guiding-centre}$ transformation which is not considered in the standard model. The gyrokinetic Hamiltonian is modified by taking into account this piece. The quasi-neutrality equation is derived rigorously from the modified Hamiltonian through a variational method and we find several additional terms resulting from non-uniformity of magnetic field.

論文

Fluid moments in the reduced model for plasmas with large flow velocity

宮戸 直亮; Scott, B. D.*

Plasma and Fusion Research (Internet), 6, p.1403147_1 - 1403147_11, 2011/12

Representation of particle fluid moments in terms of fluid moments in the modified guiding-centre model for flowing plasmas with large $${bf E}times{bf B}$$ velocity is derived from the formal exact representation by a perturbative expansion in the subsonic flow case. It is similar to that in the standard gyrokinetic model in the long wavelength limit, except it has an additional flow term. The flow term has no effect on the representation for particle density, leading to the same representation as the standard one formally. Although the exact representation usually used in the standard gyrokinetic model has a different form from that in the modified guiding-centre case, correspondence between the two models is shown by considering the alternative exact representation in the standard gyrokinetic case. The representation for particle density is also obtained by a variational method which is used to derive the representation in the transonic case.

論文

Higher order terms of the guiding-center transformation and the gyrokinetic quasi-neutrality condition

宮戸 直亮; Scott, B. D.*; 矢木 雅敏

Proceedings of Plasma Conference 2011 (PLASMA 2011) (CD-ROM), 2 Pages, 2011/11

The standard gyrokinetic model, which is originally formulated for perturbations with short wavelength and small amplitude, is not always valid in the long wavelength regime. The reduced (gyrokinetic) Poisson equation or the gyrokinetic quasi-neutrality condition in the standard model is no longer sufficient to obtain electrostatic potential in the long wavelength regime. Since the polarization term including the electrostatic potential goes to higher order, the other higher order terms which are not considered in the standard model are needed to obtain the electrostatic potential. Taking into account a higher order displacement vector associated with the guiding-center transformation, we find additional higher order terms coming from nonuniformity of magnetic field in the gyrokinetic Poisson equation and the quasi-neutrality condition.

論文

Effects of strong E$$times$$B flow on gyrokinetics

宮戸 直亮; Scott, B. D.*; 徳田 伸二*; 矢木 雅敏

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 8 Pages, 2011/03

相空間ラグランジアンに対するリー変換を用いた摂動法と場の理論に基づき、粒子相空間から案内中心相空間への変換を修正することで、標準的なオーダリングを越えた強いE$$times$$B流を伴う簡約化運動論モデルを構築した。その案内中心ラグランジアンのシンプレクティック部分は標準的なものと形式的に同じであり、強い流れのない標準モデルの自然な拡張と見なすことができる。標準モデルとの比較により、このモデルの様相を明らかにし、流れの影響を議論する。流速が亜音速の場合の一般的な粒子流体モーメントの押し出し表現を導いた。また、変分的な方法により、流速が音速である場合の粒子密度についての表現を導き、簡約化準中性条件に流れによる補正が現れることを発見した。

論文

Gyrokinetic studies of turbulence, equilibrium, and flows in the tokamak edge

Scott, B. D.*; Da Silva, F.*; Kendl, A.*; 宮戸 直亮; Ribeiro, T.*

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 8 Pages, 2011/03

ジャイロ運動論に基づくトカマク端乱流の理論及びシミュレーションの進展について報告する。強いE$$times$$B流の存在する場合のジャイロ運動論的ラグランジアンの新しい定式化を構築した。それは従来から用いられてきた形式及び簡約化MHDモデルと対応づけが可能である。粒子,運動量,エネルギー及びエントロピーの保存が理論的に示され、シミュレーションにおいても確認された。新古典輸送及びMHD平衡が分布関数全体(total-f)を電磁的に解くシミュレーションモデルFEFIを用いて再現された。摂動分布関数(delta-f)によるジャイロ運動論的周辺乱流シミュレーションを局所的な磁束チューブモデルdelta-FEFIを用いて各磁気面で行い、プラズマ端-炉心の境界領域における結果を示す。また、現在進行中のELM崩壊シナリオのジャイロ流体における研究も報告する。ペデスタル部におけるブートストラップ電流が不安定モード・乱流にどのような影響を与えるかを考察する。

論文

Global nonlinear electromagnetic simulations of tokamak turbulence

Bottino, A.*; Scott, B. D.*; Brunner, S.*; McMillan, B. F.*; Tran, T. M.*; Vernay, T.*; Villard, L.*; Jolliet, S.; Hatzky, R.*; Peeters, A. G.*

IEEE Transactions on Plasma Science, 38(9), p.2129 - 2135, 2010/09

 被引用回数:24 パーセンタイル:71.36(Physics, Fluids & Plasmas)

The particle-in-cell code ORB5 is a global gyrokinetic turbulence simulation code in tokamak geometry. It solves the gyrokinetic equation in the whole plasma core, including the magnetic axis. A field-aligned filtering procedure and sophisticated noise/control and heating operators allow for accurate simulations. Recently, the code ORB5 has been extended to include self-consistent perpendicular magnetic field perturbations. The inclusion of magnetic perturbations allows for a comprehensive study of finite $$beta$$ effects on microinstability. In this paper, we present the first linear and nonlinear code results concerning electromagnetic effects on tokamak microinstabilities.

論文

Fluid moments in modified guiding-centre coordinates

宮戸 直亮; Scott, B. D.*; 徳田 伸二*

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.9, p.546 - 551, 2010/08

一般に有限ラーマー半径効果により案内中心流体モーメントは対応する粒子流体モーメントとは異なる。最近、われわれは強いE$$times$$B流を含む案内中心基本1-形式を導き、それから場の理論を通して案内中心Vlasov-Poisson系を構築した。従来の強いE$$times$$B流を含む案内中心1-形式とは対照的に、導出した案内中心1-形式のシンプレクティック部分は標準的なジャイロ運動論的1-形式のそれと形式的に同じであり、案内中心ハミルトニアンも標準的ジャイロ運動論的ハミルトニアンの長波長極限に形式的に一致する。それゆえ、修正案内中心流体モーメントと粒子流体モーメントの間の関係は、長波長極限の標準ジャイロ運動論から得られるものと似ていることが予想される。そこで粒子流体モーメントを案内中心流体モーメントで表し、長波長極限の標準ジャイロ運動論から得られるものと比較する。

論文

Modification on the gyrokinetic quasi-neutrality condition due to large flow

宮戸 直亮; Scott, B. D.*

Proceedings of 37th European Physical Society Conference on Plasma Physics (EPS 2010) (CD-ROM), 4 Pages, 2010/06

ジャイロ運動論モデルのような簡約化運動論モデルは粒子相空間から案内中心相空間への変換により構築される。そのモデルでの準中性条件もしくはポアソン方程式で、粒子密度は案内中心におけるもので表される必要がある。これは粒子密度の押し出し表現と呼ばれる。最近、われわれは標準的な案内中心変換を修正して強いプラズマ流を含む簡約化運動論モデルを導いた。このモデルは相空間ラグランジアンのシンプレクティック部分が強い流れのない標準的なモデルと形式的に同じであるので、標準モデルの自然な拡張になっている。プラズマ流が亜音速の場合、粒子密度の押し出し表現に対するプラズマ流の効果は小さく、粒子密度の押し出し表現の修正は必要なかった。本研究では変分原理を用いてプラズマ流が遷音速の場合の粒子密度の押し出し表現を導き、分極密度に流れによる補正が表れることを発見した。

論文

A Modification of the guiding-centre fundamental 1-form with strong E$$times$$B flow

宮戸 直亮; Scott, B. D.*; Strintzi, D.*; 徳田 伸二

Journal of the Physical Society of Japan, 78(10), p.104501_1 - 104501_13, 2009/10

 被引用回数:24 パーセンタイル:75.42(Physics, Multidisciplinary)

相空間ラグランジアンに対するリー摂動解析により従来とは異なる強いE$$times$$B流を考慮した案内中心基本1-形式を導出した。この修正された1-形式のシンプレクティック部分はE$$times$$B流のない標準的な1-形式と同じであり、それは標準的なラグランジュ括弧及びポアソン括弧を与える。そのため、案内中心ハミルトン方程式は、E$$times$$B流の時間変化が許されるときも、その一般形を保つ。標準的なシンプレクティック構造を保つ代償として案内中心ハミルトニアンは複雑になるが、トカマクのHモードの周辺部や反転磁気シアトカマクの内部輸送障壁などのよく局所化した輸送障壁領域ではハミルトニアンを簡単化することができる。この1-形式をもとに電磁場を含む系全体のラグランジアンを構築し、案内中心ブラソフ方程式と案内中心ポアソン方程式を変分原理により導いた。この系で保存されるエネルギーがネーターの定理により得られる。

論文

Spectroscopy of $$^{257}$$Rf

Qian, J.*; Heinz, A.*; Khoo, T. L.*; Janssens, R. V. F.*; Peterson, D.*; Seweryniak, D.*; Ahmad, I.*; 浅井 雅人; Back, B. B.*; Carpenter, M. P.*; et al.

Physical Review C, 79(6), p.064319_1 - 064319_13, 2009/06

 被引用回数:28 パーセンタイル:83.93(Physics, Nuclear)

アルゴンヌ国立研究所の反跳核分離装置を用いて、$$^{257}$$Rfの$$alpha$$線,$$gamma$$線,内部転換電子測定実験を行った。$$^{257}$$Rfの励起状態に、高いK量子数を持った3準粒子状態と解釈される半減期160$$mu$$秒の新核異性体を発見した。また、$$alpha$$崩壊の抑止係数より、$$^{257}$$Rfの娘核である$$^{253}$$Noの1準粒子状態の中性子軌道配位を同定した。中性子数151核の1/2$$^{+}$$[620]準位の励起エネルギーの系統性より、中性子数152の変形閉殻の大きさが、原子番号が増えるにつれて大きくなることを明らかにした。

口頭

強いE$$times$$B流を含む案内中心基本1-形式

宮戸 直亮; Scott, B. D.*; Strintzi, D.*; 徳田 伸二

no journal, , 

シンプレクティック部分がE$$times$$B流の項を持たない案内中心基本1-形式をリー変換を用いた摂動解析により導出した。その1-形式のシンプレクティック部分は形式的に強いE$$times$$B流を含まない標準的な場合と同じであるので、そのシンプレクティック部分からは標準的なラグランジュ括弧・ポアソン括弧が導かれる。そのため、案内中心座標のハミルトン方程式も標準的な形を保つ。以前の強いE$$times$$B流を含む1-形式ではE$$times$$B流の項がシンプレクティック部分に含まれ、ハミルトン方程式にE$$times$$B流の時間微分項が現れる。シンプレクティック部分は標準的な形だが、案内中心ハミルトニアンはかなり複雑になる。しかし、Hモード周辺領域のような局在化した輸送障壁領域ではハミルトニアンを簡単にすることができる。

口頭

A Kinetic model with strong E$$times$$B flow

宮戸 直亮; Scott, B. D.*; Strintzi, D.*; 徳田 伸二

no journal, , 

強いE$$times$$B流を含む修正された案内中心基本1-形式を導出した。そのシンプレクティック部分は流れの項あるいは時間依存性を含まない。したがって、その1-形式のシンプレクティック部分は強い流れのない標準的な場合と形式的に同じであり、それは形式的に標準的なラグランジュ括弧及びポアソン括弧を与える。この結果、案内中心ハミルトン方程式はE$$times$$B流が時間変化する場合でも一般的な形を保つ。一方で、案内中心ハミルトニアンは従来のものよりも複雑になるが、トカマクのHモード周辺部や反転磁気シアトカマク中の内部輸送障壁領域など、局所化した輸送障壁領域ではハミルトニアンを簡単にすることができる。変分原理を用いて、案内中心座標でのブラソフ方程式及びポアソン方程式を導いた。このブラソフ-ポアソン系でのエネルギー保存則はネーターの定理により得られる。

口頭

A Drift-kinetic formulation with strong E$$times$$B flow

宮戸 直亮; Scott, B. D.*; Strintzi, D.*; 徳田 伸二

no journal, , 

電磁場中の単一荷電粒子運動についての基本1-形式あるいは相空間ラグランジアンに対するリー変換を用いた摂動解析により、強いE$$times$$B流を含む案内中心1-形式を導出した。この1-形式はこれまでに導出されているものと違い、シンプレクティック部分にE$$times$$Bドリフト速度の項を含まない。このため、シンプレクティック部分は強いE$$times$$B流を含まない標準的な場合と形式的に同じであり、E$$times$$B流が時間的に変化する場合も標準的なハミルトン方程式を与える。その一方、ハミルトニアンは複雑になるが、強いE$$times$$B流が観測される高閉じ込めモードのトカマク周辺領域などの局在化した輸送障壁領域ではハミルトニアンを簡単化できる。導出した案内中心1-形式と簡単化したハミルトニアンをもとに粒子集団の運動と電磁場の寄与を含むラグランジアンを構築し、案内中心座標でのヴラソフ方程式及び静電ポテンシャルについてのポアソン方程式を変分原理より導いた。このヴラソフ-ポアソン系で保存されるエネルギーをネーターの定理より導いた。

口頭

強いプラズマ流を含む簡約化モデルと流体モーメント

宮戸 直亮; Scott, B. D.*

no journal, , 

ジャイロ運動論モデルなどの簡約化モデルは、粒子相空間から案内中心相空間へ移り、速いジャイロ運動を他の運動から分離することで構築される。最近、強いプラズマ流を含む簡約化モデルが構築されたが、その案内中心相空間の積分で定義される流体モーメントと、通常の粒子流体モーメントとの関係を明らかにし、標準的なジャイロ運動論の場合と比較する。特に、粒子密度の案内中心流体モーメントによる表現、あるいは簡約化モデルにおける準中性条件について議論する。

口頭

簡約化運動論モデルに関連した流体モーメントの押し出し表現

宮戸 直亮; Scott, B. D.*

no journal, , 

ジャイロ運動論モデルなどの簡約化運動論モデルは、粒子位置と粒子速度からなる粒子相空間から、いわゆる案内中心相空間への相空間変換により構築される。粒子相空間での速度積分で定義される通常の流体モーメントは、案内中心相空間の積分で定義された流体モーメントで表すことができ、押し出し表現と呼ばれる。最近、導かれた強いプラズマ流を含む簡約化運動論モデルに関連した押し出し表現を、従来の強いプラズマ流を含む簡約化モデルと関連した押し出し表現、及び強いプラズマ流を含まない標準的な場合の押し出し表現と比較し、その違いや共通点を議論する。

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