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Xu, R.*; Sharma, A. K.*; Ahmed, Z.*; Kumar, R.*; Laffolley, H.; 横山 諒*; 三輪 修一郎*; 鈴木 俊一*; 小菅 淳
Nuclear Science and Techniques, 37(1), p.12_1 - 12_19, 2026/01
Laser-induced aerosols, predominantly submicron in size, pose significant environmental and health risks during the decommissioning of nuclear reactors. This study experimentally investigated the removal of laser-generated aerosol particles using a water spray system integrated with an innovative system for pre-injecting electrically charged mist in our facility. To simulate aerosol generation in reactor decommissioning, a high-power laser was used to irradiate various materials (including stainless steel, carbon steel, and concrete), generating aerosol particles that were agglomerated with injected water mist and subsequently scavenged by water spray. Experimental results demonstrate enhanced aerosol removal via aerosol-mist agglomeration, with charged mist significantly improving particle capture by increasing wettability and size. The average improvements for stainless steel, carbon steel, and concrete were 40%, 44%, and 21%, respectively. The results of experiments using charged mist with different polarities (both positive and negative) and different surface coatings reveal that the dominant polarity of aerosols varies with the irradiated materials, influenced by their crystal structure and electron emission properties. Notably, surface coatings such as ZrO
and CeO were found to possibly alter aerosol charging characteristics, thereby affecting aerosol removal efficiency with charged mist configurations. The innovative aerosol-mist agglomeration approach shows promise in mitigating radiation exposure, ensuring environmental safety, and reducing contaminated water during reactor dismantling. This study contributes critical knowledge for the development of advanced aerosol management strategies for nuclear reactor decommissioning. The understanding obtained in this work is also expected to be useful for various environmental and chemical engineering applications such as gas decontamination, air purification, and pollution control.
C-stainless steel composites using the improved MPS methodAhmed, Z.*; Wu, S.*; Sharma, A.*; Kumar, R.*; 山野 秀将; Pellegrini, M.*; 横山 諒*; 岡本 孝司*
International Journal of Heat and Mass Transfer, 250, p.127343_1 - 127343_17, 2025/11
被引用回数：5 パーセンタイル：80.21(Thermodynamics)The study aims to measure boron concentration through the unidirectional diffusion of boron within the stainless steel (SS) layers while evaluating the updated model ability to replicate melt relocation behavior and geometry. In the current MPS simulations, one scenario employed dummy walls as heat sources, while another scenario used SS surface particles as heat sources to avoid interference with the melt flow as it reached the bottom of the specimen.
C-SS eutectic melting and its relocation behaviourAhmed, Z.*; Sharma, A. K.*; Pellegrini, M.*; 山野 秀将; 岡本 孝司*
Arabian Journal for Science and Engineering, 50(5), p.3361 - 3371, 2025/03
被引用回数：4 パーセンタイル：64.33(Multidisciplinary Sciences)This study pioneers the use of radiative heating for high-resolution visualisation and quantification of the eutectic melt composition, providing a novel approach to observing the melting and candling phenomena. Key findings include two distinct failure processes: SS cladding detachment forming molten droplets and fragmentation of B pellets, with sintering observed in B powder.
(MgSi)-phase in Al-Mg-Si-Ag alloyAhmed, A.*; Uttarasak, K.*; 土屋 大樹*; Lee, S.*; 西村 克彦*; 布村 紀男*; 池野 進*; Malik, A.*; 清水 一行*; 平山 恭介*; et al.
Materials Today Communications (Internet), 43, p.111835_1 - 111835_10, 2025/02
被引用回数：4 パーセンタイル：56.50(Materials Science, Multidisciplinary)This study investigates the interface characteristics of the hexagonal (MgSi)-phase in Al-Mg-Si-Ag alloys, providing novel insights into its orientation relationship, interfacial conditions, misfit, and Ag segregation with the Al matrix. Using optical microscopy (OM), focused ion beam (FIB), and scanning transmission electron microscopy (STEM), we clarified the role of three distinct facets {111}
//{111}
, {122}//{110}, and {112}//{111} in determining the stability and properties of the hexagonal (MgSi)-phase. Unlike the conventional (MgSi)-phase with a {100} habit plane, the hexagonal -phase was found on the {111} habit plane, exhibiting a new orientation relationship [{111}//{111}, 
110
//110]. Ag segregation was notably observed at the interfaces of these facets, with varying concentrations influencing interfacial coherency and strain. These findings not only advance our understanding of microstructural evolution in Al-Mg-Si alloys but also provide a foundation for tailoring material properties through interface engineering. The results offer critical insights for optimizing alloy compositions and heat treatments to enhance mechanical properties and performance in practical applications.
C-stainless steel using the Moving Particle Semi-Implicit (MPS) MethodAhmed, Z.*; Wu, S.*; Pellegrini, M.*; 岡本 孝司*; Sharma, A.*; 山野 秀将
Proceedings of 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Operation, and Safety (NUTHOS-14) (Internet), 14 Pages, 2024/08
本解析では、いったん共晶反応が起こると、ステンレス鋼(SS)へボロンが拡散していくことを示す。単価ホウ素(BC)とSSの界面で溶融が開始し、融体はSS被覆管を伝って流下する。また、昇温するにつれて、融体内のボロン濃度が上昇することがわかった。炉心内のBC侵入の効果を理解するため、更新されたMPS法によって、共晶反応モデルの計算能力がシビアアクシデントを模擬した制御棒の共晶反応及びその後の再配置を効果的に解析できることを示した。
-phase in Al-Mg-Si alloys during aging treatmentAhmed, A.*; Uttarasak, K.*; 土屋 大樹*; Lee, S.*; 西村 克彦*; 布村 紀男*; 清水 一行*; 平山 恭介*; 戸田 裕之*; 山口 正剛; et al.
Journal of Alloys and Compounds, 988, p.174234_1 - 174234_9, 2024/06
被引用回数：20 パーセンタイル：89.23(Chemistry, Physical)本研究は、Al-Mg-Si合金における相の成長過程を形態進化の観点から明らかにすることを目的とする。本研究では、高分解能透過電子顕微鏡(HR-TEM)、集束イオンビーム(FIB)及び光学顕微鏡(OM)を用いて、相の配向関係、形状、成長過程、ミスフィット値、及び相とAlマトリックスとの界面状態を調べた。その結果、相の端にファセットが確認され、相の新しい3次元形状が2つ提案された。我々は、MgSi結晶の成長過程における形態変化を説明するためにミスフィットを計算し、不安定な{111}ファセットが(001)ファセットや(011)ファセットと比較して高いミスフィット値を持つことを解明した。これは、Al-Mg-Si合金の微細構造変化を予測し、所望の特性を持つ材料を設計するために重要な知見である。
C powder and BC pellet regarding the eutectic reaction with stainless steelHong, Z.*; Ahmed, Z.*; Pellegrini, M.*; 山野 秀将; Erkan, N.*; Sharma, A. K.*; 岡本 孝司*
Progress in Nuclear Energy, 171, p.105160_1 - 105160_13, 2024/06
被引用回数：8 パーセンタイル：87.12(Nuclear Science & Technology)本研究では、BC粉末とステンレス鋼(SS)間との共晶反応はBC粉ペレットとSS間とのそれより相当に速いことが分かった。粉末及びペレットに対して導出された反応速度定数は参考文献値によく一致している。また、粉末とペレットの場合の詳細微細構造をSEM/EDSを用いて組成分析を行った。粉末の場合、(Fe,Cr)Bからなる反応層として厚肉層が見られた。一方、ペレットの場合、2つの反応層が見られた。
C pellet-stainless steel under radiative heatingAhmed, Z.*; Sharma, A. K.*; Pellegrini, M.*; 山野 秀将; 叶野 翔*; 岡本 孝司*
Ceramics International, 50(10), p.17665 - 17680, 2024/05
被引用回数：10 パーセンタイル：65.88(Materials Science, Ceramics)本研究では、2つの独特な破損メカニズムを同定した。一つはBCペレットからステンレス鋼が分離した後に溶融液滴が形成する。もう一つはおそらく熱応力によってBCペレットが複数個に破壊される。可視化技術と界面抵抗解析によって共晶温度を正確に捉えた。
Sharma, A. K.*; Xu, R.*; Ahmed, Z.*; 三輪 修一郎*; 鈴木 俊一*; 小菅 淳
Journal of Aerosol Science, 177, p.106329_1 - 106329_21, 2024/03
被引用回数：24 パーセンタイル：95.16(Engineering, Chemical)To ensure the safe and effective decommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (NPP), it is crucial to investigate the behavior of radioactive aerosols generated during the laser decontamination of radiation hot spots and laser cutting of fuel debris. Understanding the generation and dispersion patterns of these aerosols is of utmost importance for the proper planning and execution of decommissioning activities. This study focuses on the performance evaluation of high-power continuous wave (CW) fiber lasers for cleaning surfaces composed of carbon steel, stainless steel, and concrete. The effective confinement and scavenging of radioactive aerosols are critical in minimizing the risk of radiation exposure during decommissioning processes. Test samples, made of carbon steel (CS), stainless steel (SS), and concrete, coated with ZrO
, CeO, and CsI, were subjected to laser decontamination using a class-4 fiber laser within the UTARTS (University of Tokyo Aerosol Removal Test with Sprays) facility. The aerosol particles generated during the laser decontamination process were confined and captured utilizing a spray and mist system. The study proposes the utilization of a combined spray and mist technique, which has demonstrated high efficiency in scavenging aerosols generated through laser irradiation. This research contributes to the broader goal of promoting best practices and innovative solutions in the field of nuclear decommissioning, thereby safeguarding the environment and human health.
C-SS and its relocation behaviorAhmed, Z.*; Sharma, A. K.*; Pellegrini, M.*; 山野 秀将; 岡本 孝司*
Proceedings of Saudi International Conference On Nuclear Power Engineering (SCOPE2023) (Internet), 8 Pages, 2023/11
本研究では、共晶反応とそれに続くボロン移動の融体構造について、輻射加熱を使って定量的な高解像度可視化手法によって観察した。実験は、1150
Cから1372Cの温度範囲で実機の制御棒設計を模擬したステンレス鋼(SS)管と炭化ホウ素(BC)ペレットを用いて実施した。正確な可視化技術によって、共晶溶融開始タイミングとその温度を同定し、ペレットとパウダーのケースで差異を指摘した。
Chrysalidis, K.*; Barzakh, A. E.*; Ahmed, R.*; Andreyev, A. N.; Ballof, J.*; Cubiss, J. G.*; Fedorov, D. V.*; Fedosseev, V. N.*; Fraile, L. M.*; Harding, R. D.*; et al.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 463, p.472 - 475, 2020/01
被引用回数：3 パーセンタイル：25.49(Instruments & Instrumentation)放射壊変によって生成された多数のジスプロシウム同位体について、ISOLDEのレーザー共鳴イオン源(RILIS)を用いてイオン源内レーザー分光法によって研究した。
Dyに対する相対的な同位体シフトを
(gs) 
共鳴遷移を用いて測定した。電子的因子Fとマスシフト因子Mを導出し、それらを使って
Dyと
Dyの平均自乗荷電半径の変化を初めて決定した。
-spectroscopy at an intense cold neutron beam facilityJentschel, M.*; Blanc, A.*; de France, G.*; K
ster, U.*; Leoni, S.*; Mutti, P.*; Simpson, G.*; Soldner, T.*; Ur, C.*; Urban, W.*; et al.
Journal of Instrumentation (Internet), 12(11), p.P11003_1 - P11003_33, 2017/11
被引用回数：47 パーセンタイル：84.95(Instruments & Instrumentation)A highly efficient array of high-purity germanium (HPGe) detectors was developed and operated at the cold neutron beam facility PF1B of the Institut Laue-Langevin (ILL) to carry out nuclear structure studies, via measurements of -rays following neutron-induced capture and fission reactions. The setup consisted of a collimation system producing a pencil beam with a thermal capture equivalent flux of about 10
ns
cm
at the target position and negligible neutron halo. The target was surrounded by an array of eight to ten anti-Compton shielded EXOGAM Clover detectors, four to six anti-Compton shielded large coaxial GASP detectors and two standard Clover detectors. For a part of the campaign the array was combined with 16 LaBr
:(Ce) detectors from the FATIMA collaboration.
Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Faenov, A. Y.*; Pikuz, T. A.*; 河内 哲哉; 匂坂 明人; Koga, J. K.; 森 道昭; 川瀬 啓悟*; et al.
RAL-TR-2015-025, P. 22, 2015/00
We provide a description of experiments performed with the J-KAREN and Astra Gemini lasers where we discovered a new regime of relativistic high-order harmonic generation by multi-terawatt femtosecond lasers in gas targets. The results were explained using particle-in-cell simulations and catastrophe theory. Our work paves the way towards a bright coherent X-ray source based on compact lasers and accessible, repetitive, and debris-free gas jet targets. Such a source will be crucial for fundamental research and numerous applications requiring pumping, probing, imaging of microscopic objects and for attosecond science.
Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T. A.*; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.
New Journal of Physics (Internet), 16(9), p.093003_1 - 093003_30, 2014/09
被引用回数：31 パーセンタイル：78.97(Physics, Multidisciplinary)We present a detailed description of our discovery of a new regime of high-order harmonic generation, including experimental data, simulations, and description of new harmonic generation mechanism. The harmonics are generated by multi-terawatt relativistic-irradiance (
10
W/cm
) femtosecond (
30-50 fs) lasers focused to gas jet targets. According to our model, the harmonics are produced by sharp, structurally stable, oscillating electron spikes at the joint of boundaries of wake and bow waves excited by the laser pulse.
Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Zh.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T. A.; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.
AIP Conference Proceedings 1465, p.167 - 171, 2012/07
被引用回数：1 パーセンタイル：44.34(Physics, Applied)We experimentally demonstrate new regime of high-order harmonic generation by relativistic-irradiance lasers in gas jet targets. Bright harmonics with both the odd and even orders are emitted in the forward direction, while the base harmonic frequency is downshifted. The harmonics are generated by linearly as well as circularly polarized pulses. With the 9 TW laser, the harmonics reach 360 eV, within the "water window" spectral region. Using 120 TW laser producing 40 uJ/sr per harmonic at 120 eV, we demonstrate the photon number scalability. The experimentally demonstrated harmonics cannot be explained by previously known mechanisms. We introduce a novel high-order harmonics generation mechanism, which explains our experimental findings.
Esirkepov, T. Zh.; Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A.*; Pikuz, T. A.; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.
AIP Conference Proceedings 1465, p.172 - 180, 2012/07
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Applied)最近の実験で観測されたテラワットレーザーによるXUV領域の高次高調波の発生のメカニズムに関し、カタストロフィー理論を利用した船首波によるメカニズムを考案し、2DPIC計算と3DPIC計算によりその妥当性を確認した。これにより、この高次高調波生成メカニズムに基づいた、新しいXUV光及びX線源を提案した。
Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Zh.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T. A.; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.
Physical Review Letters, 108(13), p.135004_1 - 135004_5, 2012/03
被引用回数：74 パーセンタイル：90.07(Physics, Multidisciplinary)マルチテラワットレーザーをガスジェットターゲットに集光照射することにより「水の窓」に達する高次高調波発生を実験で示すことに成功した。数百次に達する高次高調波の強さは
J/srパルスと評価できる。このような高調波は、高強度レーザーパルスが低密度プラズマ中を相対論的な自己収束を伴って伝搬する際に、パルスによって励起される尖塔波とキャビテーションの境界の交差点で発生する電子スパイクのコヒーレント振動により生じる。このときのスパイクの先鋭さと安定度はカタスロトフ理論により説明される。発生機構はPICシミュレーションによっても確認された。
Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Zh.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T. A.; Koga, J. K.; 桐山 博光; et al.
Proceedings of SPIE, Vol.8140, p.81400A_1 - 81400A_16, 2011/10
We present experimental results, theory, and simulations demonstrating two novel sources of coherent X-ray radiation generated in the relativistic laser ( 10 W/cm
) interaction with easily accessible, repetitive, and debris-free gas jet targets. The first source, demonstrated with the 9 TW J-KAREN laser (JAEA), is based on a relativistic mirror reflecting a counter-propagating laser pulse. The second source, demonstrated with the laser power ranging from 9 to 170 TW in experiments with the J-KAREN (JAEA) and Astra Gemini (CLF, RAL) lasers, is based on high order harmonics generation by relativistic-irradiance lasers interacting with underdense plasmas.
Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Zh.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T. A.; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.
no journal, ,
本研究では、ガスジェットターゲットを用いて相対論的なレーザープラズマ相互作用による高次高調波発生の実験的研究を行った。レーザー進行方向へ、奇数次だけでなく偶数次の強い高調波が発生することを、直線偏光だけではなく円偏光パルスを用いても観測することができた。また、その際の観測された高次高調波の基本波波長はダウンシフトしていることがわかった。9TWのレーザー光を用いた場合、高調波のスペクトルは「水の窓」に届き、120TWを用いた場合は120eVの高調波の発生エネルギーが高調波1成分あたり40uJ/srに達することがわかった。さらに、本観測結果を説明するために、相対論的プラズマ現象とカタストロフィー理論を考慮した新しい高次高調波発生メカニズムについて言及する。
10 W/cmPirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Zh.; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T. A.; 林 由紀雄; 小瀧 秀行; Ragozin, E. N.*; Koga, J. K.; 桐山 博光; et al.
no journal, ,
フェムト秒のマルチテラワットレーザーによる、相対論的照射強度下でのガスジェットターゲットからの新たな高次高調波発生現象を発見した。奇数次に加えて偶数次の高調波からなるスペクトルが直線偏光だけではなく円偏光パルスを用いても観測された。またこのような高調波は、カタストロフ理論で説明できる尖鋭で安定した電子スパイクの協調した振動により発生するという新しい理論を示した。
