Rotation of complex ions with ninefold hydrogen coordination studied by quasielastic neutron scattering and first-principles molecular dynamics calculations

大政 義典*; 高木 茂幸*; 戸嶋 健人*; 横山 凱乙*; 遠藤 亘*; 折茂 慎一*; 齋藤 寛之*; 山田 武*; 川北 至信; 池田 一貴*; et al.

Physical Review Research (Internet), 4(3), p.033215_1 - 033215_9, 2022/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.033215

Quasielastic neutron scattering (QENS) and neutron powder diffraction of the complex transition metalhydrides LiMoH and LiNbH were measured in a temperature range of 10-300 K to study their structures and dynamics, especially the dynamics of the hydrogen atoms. These hydrides contain unusual ninefold H coordinated complex ions (MoH or NbH) and hydride ions (H). A QENS signal appeared 150 K due to the relaxation of H atoms. The intermediate scattering functions derived from the QENS spectra are well fitted by a stretched exponential function called the Kohlrausch-Williams-Watts functions with a small stretching exponent 0.3-0.4, suggesting a wide relaxation time distribution. The dependence of the elastic incoherent structure factor is reproduced by the rotational diffusion of MH (M = Mo or Nb) anions. The results are well supported by a van Hove analysis for the motion of H atoms obtained using first-principles molecular dynamics calculations. We conclude that the wide relaxation time distribution of the MH rotation is due to the positional disorder of the surrounding Li ions and a unique rotation with MH anion deformation (pseudorotation).

LiFeH; Iron-containing complex hydride with high gravimetric hydrogen density

齋藤 寛之; 高木 成幸*; 松尾 元彰*; 飯島 祐樹*; 遠藤 成輝*; 青木 勝敏*; 折茂 慎一*

APL Materials (Internet), 2(7), p.076103_1 - 076103_7, 2014/07

https://doi.org/10.1063/1.4886219

LiFeH, which has the highest gravimetric hydrogen density of iron-containing complex hydrides reported so far, is synthesized by hydrogenation of a powder mixture of iron and LiH above 6.1 GPa at 900 C. synchrotron radiation X-ray diffraction measurements reveal that while kinetics require high temperature and thus high pressure for the synthesis, LiFeH is expected to be thermodynamically stable slightly below room temperature at ambient pressure; further synthetic studies to suppress the kinetic effects may enable us to synthesize LiFeH at moderate pressures. LiFeH can be recovered at ambient conditions where LiFeH is metastable.

Synthesis and formation process of AlCuH; A New class of interstitial aluminum-based alloy hydride

齋藤 寛之; 高木 成幸*; 遠藤 成輝; 町田 晃彦; 青木 勝敏; 折茂 慎一*; 片山 芳則

APL Materials (Internet), 1(3), p.032113_1 - 032113_7, 2013/09

https://doi.org/10.1063/1.4821632

Aluminum-based alloy hydride AlCuH (x1) is synthesized by hydrogenating AlCu alloy using high-temperature and high-pressure hydrogen atmosphere. AlCu square antiprisms in AlCu twist around the c axis of a tetragonal unit cell by hydrogenation. The twist enlarges the interstitial spaces for accommodating hydrogen atoms which align linearly parallel to the c axis in AlCuH. Thermodynamic stability of AlCuH results from the balance of stabilization by H 1s and Al 3sp hybridization and destabilization owing to the Fermi-level lifting upon hydrogenation. The crystal and electronic structures of AlCuH illustrate the formation of an interstitial hydride of aluminum-based alloy.

Formation process of perovskite-type hydride LiNiH; synchrotron radiation X-ray diffraction study

佐藤 龍太郎*; 齋藤 寛之; 遠藤 成輝; 高木 成幸*; 松尾 元彰*; 青木 勝敏; 折茂 慎一*

Applied Physics Letters, 102(9), p.091901_1 - 091901_4, 2013/03

https://doi.org/10.1063/1.4794067

The formation process of perovskite-type hydride LiNiH was investigated using synchrotron X-ray diffraction measurements. A mixture of LiH and Ni was hydrogenated at 873 K and 3 GPa, and the structural changes associated with hydrogenation were observed. Time resolved diffraction profiles showed a three-step reaction: hydrogenation of Ni to NiH, formation of LiNiH solid solution, and conversion to perovskite-type hydride LiNiH. The solid solution, which has never been reported, plays the role of the precursor in the perovskite formation and its presence is apparently critical for synthesizing perovskite-type hydrides.

Formation of an Fe-H complex anion in YFe; Adjustment of imbalanced charge by additional Li as an electron donor

松尾 元彰*; 齋藤 寛之; 町田 晃彦; 佐藤 龍太郎*; 高木 成幸*; 三輪 和利*; 綿貫 徹; 片山 芳則; 青木 勝敏; 折茂 慎一*

RSC Advances (Internet), 3(4), p.1013 - 1016, 2013/01

https://doi.org/10.1039/c2ra22497f

The novel complex hydride YLiFeH with the Fe-H complex anion ([FeH]) was synthesized by hydrogenation of YFe together with additional Li. Li adjusts the original imbalanced charge between Y and [FeH] by donating an electron to convert into Li during the hydrogenation, resulting in the formation of the well charge-balanced state of YLi[FeH].

地質環境モデルの構築技術に関する研究(II)-成果報告書-

辻本 恵一*; 篠原 芳紀*; 齋藤 茂幸*; 上田 真三*; 大橋 東洋*; 佐々木 良一*; 富山 真吾*

JNC TJ8400 2003-039, 395 Pages, 2003/02

JNC-TJ8400-2003-039.pdf:7.74MB

従来の地層処分の研究分野では仮想的な地質環境を前提に性能・安全評価が実施されてきたが,今後は具体的な地質環境条件を考慮した設計・シナリオに基づいて安全評価を行うことが重要になると考えられる。そのため地層処分の研究を構成する3分野(地質環境条件の調査,処分技術,安全評価)の連携が世界的な研究課題である。そこで,各分野における試験データ取得から解析・評価に至るまでの情報の流れを整理し,これらを有機的かつ階層的に統合した知識ベースとして体系化してゆくことが重要となる。本研究では,平成13年度に実施した「地質環境モデルの構築技術に関する研究」の成果に基づいて,地質環境モデルの成果に基づいて,地質環境モデルの構築に関するワークフローの整理及び拡充を行った。地質構造及び水理分野におけるワークフローを見直し,地球化学及び岩盤物性分野のワークフローの検討を行った。さらに地質環境モデルの構築技術の体系化に基づいて,統合解析システムの地質環境分野のデータベース(知識ベース)機能を実現するための設計検討を作った。データベースの設計検討を行い,システムの設計検討に資するためにプロトタイプを作成した。

ウラン系廃棄物処分の成立性の検討(II)

齋藤 茂幸*; 生瀬 博之*

JNC TJ8400 2003-029, 288 Pages, 2003/02

JNC-TJ8400-2003-029.pdf:5.15MB

(1) ウラン系廃棄物処分における成立条件の検討解析の式から核種の挙動を推定し、パラメータの変動と線量の関係について、放出係数、溶解度、侵入水量、流速、分配係数、移行距離の観点から整理した。また、天然バリア中で分配係数が変動する場合の子孫核種への影響を検討したが、子孫核種の分配係数がウランの分配係数よりも小さい場合には、親核種と平衡にならずに移行する場合があることが分かった。さらに、評価期間を限定した場合の最大線量への影響を検討したが、移行時間が短い場合に最大線量が大きくなる傾向が分かった。(2) 天然放射性物質濃度,フラックスに関する検討 我が国の地質環境の濃度データを整理し、統計解析等により我が国地質環境における濃度データの分布特性を把握した。得られた濃度データの分布特性について、主として物質種、地質特性などの情報を併せ解析することで、地質環境条件毎の濃度データ分布特性とその分布特性に関わる要因を考察した。また、我が国の地質環境特性を反映した濃度評価・フラックス評価の方法論を提示し、評価の適用時間、データ取得方法・蓄積に関する情報、物質循環モデルの信頼性、評価対象地域の相違を併せ勘案することで、天然安全指標の信頼性と適用可能性も整理記述する。

地質環境モデルの構築技術に関する研究-成果報告書-

辻本 恵一*; 篠原 芳紀*; 齋藤 茂幸*; 上田 真三*; 河村 裕二*; 富山 真吾*; 大橋 東洋*

JNC TJ8400 2002-019, 480 Pages, 2002/03

JNC-TJ8400-2002-019.pdf:7.86MB

従来の地層処分の研究開発では仮想的な地質環境を前提に性能・安全評価が実施されてきたが、今後は具体的な地質環境条件を考慮した設計・シナリオに基づいて安全評価を行うことが重要になると考えられる。そのため地層処分の研究開発を構成する3分野(地質環境条件の調査、処分技術、安全評価)の連携が世界的な研究課題である。そこで、各分野における試験データ取得から解析・評価に至るまでの情報の流れを整理し、これらを有機的かつ階層的に統合した知識ベースとして体系化していくことが重要となる。本研究では統合解析システムの開発に資するため、第2次取りまとめに向けて構築されてきた地質環境の調査技術、及び地質環境モデルの構築技術を整理するとともに、今後建設が進められる深地層の研究施設への適用性も考慮した上で、これらを知識ベースとして体系化するための検討を実施した。検討に際しては、地質環境特性調査手法の体系化と、地質構造及び水理地質構造モデルの構築手法の体系化を行った。また地質環境モデルの構築に関する品質保証方法の検討を行った。次に、地質環境モデルの構築手法の体系化結果に基づいて統合解析システムで扱うデータを検討して、データベース構造の設計を行った。また、統合データベースに保存されたデータに対する画像処理機能の設計検討を行った。さらに将来的に統合解析システムに取り込むための情報として追加評価モデルについて整理した。

ウラン系廃棄物処分の成立性の検討

齋藤 茂幸*; 生瀬 博之*

JNC TJ8400 2002-026, 704 Pages, 2002/02

JNC-TJ8400-2002-026.pdf:33.96MB

(1)ウラン系廃棄物処分における成立条件の検討 ウラン系廃棄物の余裕深度処分の成立条件の明確化を目標として、関連するパラメータの変動範囲及び評価計算を実施して影響特性を検討した。濃縮度4.5%、ウラン濃度1000Bq/gの場合、0.01mSv/yを大きく上回るパラメータセットが存在するが、河川水量の値が1E9m3/yを確保できる場合にはその他のパラメータの変動によらず0.01mSv/yを下回る。しかし、あるパラメータの変動値のみで0.01mSv/yを下回るケースは見出せなかったが、生物圏パラメータ(ダスト吸入量及び河川水量)が平均的な値を取るケースでは0.01mSv/yを下回り、ダスト吸入量が平均的な値でかつ核種の収着性を見込めるケースでは0.01mSv/yを下回る可能性があることが分かった。(2)天然放射性物質濃度、フラックスに関する検討 既存研究の文献調査を行い、我が国の地質環境物質(岩石・土壌・地下水など)の濃度データを整理し、我が国における濃度データの収集状況を整理記述した。我が国の地質環境、地質学的プロセスの研究のもとに、天然安全指標(フラックス評価、濃度評価を含む)の方法論の構築を実施した。天然安全指標の方法論は6つのパート(1.評価領域の地質環境モデルの作成、2.濃度データの収集、3.地質学的プロセスの調査と選定、4.物質循環モデルの作成、5.地層処分システム、安全・性能評価の概要調査、6.天然安全指標の目的の設定と天然安全指標の提示)に区分し整理した。また天然安全指標に関する規制、法律の国際的調査、および最新の研究知見を紹介した。

ニアフィールド岩盤中の物質移行経路のモデリングに関する基礎研究(3)(成果報告書)

齋藤 茂幸*; 諸岡 幸一*; 池田 則生*; 杉山 知稔*; 大竹 正己*; 川上 和夫*

PNC TJ1211 96-001, 456 Pages, 1996/03

PNC-TJ1211-96-001.pdf:19.7MB

本研究は、ニアフィールド岩盤中の物質移行経路のモデル化の基礎となるデータを、実際の岩盤性状を把握することにより収集し、ニアフィールド性能の定量化に資することを目的として実施するものである。今年度は、昨年度に引き続き露頭観察を主体とした移行経路調査を実施した他、一部の調査箇所については岩石試料を用いたミクロな空隙構造調査や割れ目とマトリクス部の透水性の定性的調査を行った。移行経路調査では、石灰岩、片岩、新第三紀堆積岩および中新世凝灰岩を対象にして延長10m幅1mを基本とした露頭スケールでの割れ目を主体とした肉眼観察(通常スケッチ)、特定の移行経路(亀裂等)に対して行う肉眼による観察(詳細スケッチ)、数100m数kmスケールでの破砕帯の分布調査の全部あるいは一部を行った。岩石試料を用いたミクロな空隙構造調査では、ハンレイ岩および花崗閃緑岩を対象にして、割れ目面から連続する空隙に対して顕微鏡観察および画像解析を行い、それらの構造、分布特性および空隙率の変化等を調査した。割れ目とマトリクス部の透水性の定性的調査では、火山礫凝灰岩を対象にして、原位置で樹脂を浸漬させた後、室内において浸透深さや浸透経路を観察した他、マトリクス部の透水係数測定を行うことにより、割れ目とマトリクス部の透水性の違いを定性的に調査した。移行経路調査の結果はスケッチ図で表すとともに、岩石の種類を考慮して割れ目の種類、連結性、配列の規則性、特徴的な構造や規模等の観点で物質移行経路のパターン化に向けた整理を行った。