水銀標的の気泡注入性能向上のための機械学習を用いた最適化

粉川 広行; 二川 正敏; 羽賀 勝洋; 都築 峰幸*; 村井 哲郎*

JAEA-Technology 2022-023, 128 Pages, 2022/11

JAEA-Technology-2022-023.pdf:9.0MB

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の物質・生命科学実験施設では、ステンレス製の水銀標的容器内で流動する水銀にパルス陽子ビームを繰り返し入射し、核破砕反応により生成する中性子を最先端科学実験に供する。パルス陽子ビーム入射に伴い、水銀中には圧力波が発生し、圧力波の伝播と容器変形の相互干渉に起因するキャビテーション損傷、特に陽子ビーム入射部の損傷が標的容器の寿命を支配する。圧力波及び損傷の低減対策として、ヘリウムの微小気泡を水銀中に注入する方法を開発し、圧力波及び損傷の低減を実証した。所期の1MWの大強度陽子ビーム下における水銀標的容器の耐久性を向上させるには損傷をさらに低減する必要がある。微小気泡による圧力波低減効果の向上には、水銀中での直径が150m以下である気泡の体積含有率を高めることが求められる。気泡生成器から注入した気泡は浮力による上昇や流動過程での合泡などを起こし、水銀内を流動中に気泡の体積含有率は低下する。気泡生成器の設置位置を損傷が激しいビーム入射部に近づければ、ビーム入射部近傍の気泡体積含有率の低下を防ぐことが可能である。しかし、ビーム入射部に近づくほど、気泡生成器の設置空間が狭く流動抵抗が大きくなるため、冷却に十分な水銀流量の確保が困難になることや、水銀流速の低下により生成気泡径が大きくなる等の弊害が生じる。そこで、標的容器のビーム入射部近傍でより小さな気泡を高い密度で分布できるように、標的容器内部における気泡生成器の形状や設置位置、さらに水銀流動案内羽根の形状に関して機械学習による設計の最適化を試みた。気泡分布を考慮した水銀標的構造の設計では、多数の設計変数を考慮する必要があることから、ラテン超方格法に基づき約1000ケースの設計変数について数値解析を実施し、その結果を学習データとしてビーム入射部近傍での気泡分布(サイズや数密度)が最適になる設計を決定した。水銀の流量は標的容器の温度に、気泡生成器の形状は製作性や生成気泡径に影響を及ぼすことから、これらを制約条件とした。その結果、ビーム入射部近傍で半径が150m以下の気泡の密度を約20%増大できる解を見出した。

Experimental investigation of the suppressed superconducting gap and double-resonance mode in BaKFeAs

出田 真一郎*; 村井 直樹; 中島 正道*; 梶本 亮一; 田中 清尚*

Physical Review B, 100(23), p.235135_1 - 235135_7, 2019/12

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.235135

BaKFeAs has an exotic physical property where that the C-SDW phase suddenly changes to the C-magnetic phase and superconductivity is suppressed within a narrow composition range around x = 0.25. We have investigated the doping dependence of the electronic structure of BaKFeAs using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and found an anomaly in the superconducting (SC) gap structure only for x = 0.25 in both the hole and electron Fermi surfaces (FSs). We also propose that the mechanism of a newly observed double-resonance peak by inelastic neutron scattering is understandable by the SC gap obtained by ARPES. Our discovery reveals the important relationship between the C- magnetic phase and superconductivity, and provides an opportunity to survey the underlying relationship between the SC gap and resonance mode in the hole-doped iron-based superconductor.

Elastic and dynamical structural properties of La and Mn-doped SrTiO studied by neutron scattering and their relation with thermal conductivities

梶本 亮一; 中村 充孝; 村井 直樹; 社本 真一; 本田 孝志*; 池田 一貴*; 大友 季哉*; 畑 博人*; 江藤 貴弘*; 野田 正亮*; et al.

Scientific Reports (Internet), 8(1), p.9651_1 - 9651_8, 2018/06

https://doi.org/10.1038/s41598-018-27984-z

The electron-doped SrTiO exhibits good thermoelectric properties, which makes this material a promising candidate of an n-type oxide thermoelectric device. Recent studies indicated that only a few percent co-doping of La and Mn in SrTiO substantially reduces the thermal conductivity, thereby greatly improving the thermoelectric figure of merit at room temperature. Our time-of-flight neutron scattering studies revealed that by doping both La and Mn into SrTiO, the inelastic scattering spectrum shows a momentum-independent increase in the low-energy spectral weight approximately below 10 meV. The increase in the low-energy spectral weight exhibits a clear correlation with thermal conductivity. The correlation is attributed to dynamical and local structural fluctuations caused by the Jahn-Teller instability in Mn ions coupled with the incipient ferroelectric nature of SrTiO, as the origin of the low thermal conductivity.

Structure of air-water two-phase flow in helically coiled tubes

村井 祐一*; 吉川 信治; 戸田 信一*; 石川 正明*; 山本 富士夫*

Nuclear Engineering and Design, 236(1), p.94 - 106, 2006/01

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2005.04.011

ヘリカルコイル伝熱管内の気液二相流挙動を従来より機構的に把握するための取り組みとして、透明なガラス製のヘリカルコイル内の空気と水の混相流を高速度カメラで撮影し、遠心力や管の曲率による二次流れによって直管内の二相流とどのような違いが生じるかを観察した。その結果、液相に作用する遠心力の影響によって直管に比してバブル流の領域が減少すること、曲率の大きな管では圧力変動周波数スペクトルが複数のピークを有すること、重力に対して遠心力が大きな場合には液相が管内のコイル中心から見た外側を主に流れるため、気相の流速が気液合成流速よりも遅くなる場合があることなどが確認された。

湿式法による処理技術調査

梅津 浩; 天本 一平; 金子 昌章*; 川田 千はる*; 村井 正人*

JNC TJ6400 2001-012, 51 Pages, 2002/03

JNC-TJ6400-2001-012.pdf:1.68MB

製錬転換施設では種々の研究開発に伴い発生する各種固体及び液体放射性廃棄物を現在施設内で保管している。これら廃棄物の中でフッ素を含有する固体廃棄物(殿物)については、発生量が多いことから処理技術を開発し、処理を進めていく予定である。本検討では、伝物の処理に用いられている湿式処理プログラム(塩酸系処理プロセス、硝酸系処理プロセス)の他の廃棄物への適用性を調査する。対象廃棄物としては、ケミカルとラップ材(NaF)とフッ化炉の流動媒体(Al2o3)とした。調査は、湿式処理プロセスの各処理工程(溶解、ウラン分離、廃液回収等)における適用性検討とマスバランス検討について行った。NaFの処理が可能であると評価できた。硝酸系処理はNaF処理後の硝酸の回収方法が課題であることが分かった。Al2O3への湿式処理プロセスの適用性を検討した結果、塩酸系処理、硝酸系処理ともにAl2O3の溶解方法が課題であることが分かった。

Radiation-grafting of acrylic acid onto ultrahigh molecular,high-strength polyethylene fibers

梶 加名子; 阿部 義則*; 村井 正樹*; 西岡 昇*; 小佐井 興一*

Journal of Applied Polymer Science, 47, p.1427 - 1438, 1993/00

https://doi.org/10.1002/app.1993.070470814

最近になって市場に出始め、単材あるいは複合材料として産業資材分野への利用が期待されている高性能繊維材料である超高分子量、高強力ポリエチレン繊維への電子線を用いるアクリル酸の前照射グラフト重合を行い、グラフト重合挙動を検討すると共に熱安定性の付与をはかった。グラフト重合挙動は従来の高密度ポリエチレン繊維やフィルムと本質的に異ならないが、原繊維のもつ高強力を保持するためには前照射線量は1Mrad程度の小線量が望ましいことを明らかにした。又原繊維は最大収縮率約90%150C附近で溶融切断してしまうがアクリル酸をグラフト後Ca塩に転換することにより収縮率10%程度300Cになっても溶融切断しない高強力繊維が得られた。

Magneto-elastic coupling in detwinned Sr(FeCo)As by inelastic X-ray scattering

村井 直樹*; 福田 竜生; 中島 正道*; 小林 達也*; 内山 裕士*; 筒井 智嗣*; 石川 大介*; 中村 博樹; 町田 昌彦; 宮坂 茂樹*; et al.

no journal, , 

We present phonon dispersion measurements from detwinned single crystals of Sr(FeCo)As with different doping levels(=0 and 0.08) using inelastic X-ray scattering with 1.5 meV resolution at SPring-8. The crystals were detwinned by application of in-plane uniaxial stress. This allowed us to measure single domain phonon structure in the magnetically ordered state. We clearly identified the change in the phonon dispersion induced by the onset of magnetic order, with phonon energies depending on orientation of the phonon wave vector relative to the Fe moment. We compare our results to pseudo potential calculations: Magnetic calculations give better agreement than non-magnetic calculations, but in most parts of the Brillouin zone investigated, they overestimate the magnitude of the mode splitting and in fact often fail to predict even the correct sign of the splitting.

アンダードープBa_K_Fe_As_ (x = 0.25)の非弾性中性子散乱

村井 直樹; 梶本 亮一; 池内 和彦*; 田中 清尚*; 中島 正道*; 出田 真一郎*; 鈴木 雄大*

no journal, , 

超伝導と反強磁性との共存相に位置するホールドープ型122系K-Ba122(x=0.25)のスピン・レゾナンスの測定をJ-PARCチョッパー分光器「四季」にて行った。ホール面・電子面のネスティングに対応する波数に磁気シグナルが観測され、超伝導転移に伴い、強度の増大としてレゾナンスが出現する。過去に報告された最適ドープ付近の結果と大きく異なる特徴として、4meVと8meV付近に2本のレゾナンスピークが形成される事を明らかにした。このように複雑なダブルピーク構造を理解するには、対応する電子構造・超伝導ギャップとの直接比較が不可欠である。共通の試料に対して行われた角度分解光電子分光測定の結果との定量比較を行い、観測された2種類のスピン・レゾナンスの起源について議論する。

電子相関効果によるBaKFeAsの磁気励起バンドの繰り込み

村井 直樹; 梶本 亮一; 鈴木 雄大*; 出田 真一郎*; 中島 正道*; 池田 浩章*; 田中 清尚*

no journal, , 

鉄系超伝導体の発見以来、その磁性・超伝導を対象とした中性子散乱研究が盛んに行われてきた。今回我々はホールドープ型鉄系超伝導体BaKFeAsの磁気励起の測定をJ-PARCチョッパー分光器「四季」にて行い、ブリルアンゾーン中心から境界までをカバーする磁気励起データを得た。得られた磁気励起の運動量・エネルギー方向の構造は、同一試料のARPES測定から決定されたバンド繰り込み因子を考慮することで、5軌道模型に対する乱雑位相近似(RPA)により再現される。これら結は、電子相関効果としてしばしば現れる電子バンドの繰り込み効果が磁気励起においても現れることを意味する。講演では鉄系超伝導体の電子構造の情報がどのように磁気励起スペクトルに反映されるのかについて議論する。

電子相関効果によるBaKFeAsの磁気励起バンドの繰り込み

村井 直樹; 梶本 亮一; 鈴木 雄大*; 中島 正道*; 池田 浩章*; 出田 真一郎*; 田中 清尚*

no journal, , 

鉄系超伝導体の発見以来、その磁性・超伝導を対象とした中性子散乱研究が盛んに行われてきた。今回我々はホールドープ型鉄系超伝導体BaKFeAsの磁気励起の測定をJ-PARCチョッパー分光器「四季」にて行い、ブリルアンゾーン中心から境界までをカバーする磁気励起データを得た。得られた磁気励起の運動量・エネルギー方向の構造は、同一試料のARPES測定から決定されたバンド繰り込み因子を考慮することで、5軌道模型に 対する乱雑位相近似(RPA)により再現される。これらの結果は、電子相関効果としてしばしば現れる電子バンドの繰り込み効果が磁気励起においても現れることを意味する。講演では鉄系超伝導体の電子構造の情報がどのように磁気励起スペクトルに反映されるのかについて議論する。