In-situ X-ray imaging of the breakup dynamics of current-carrying molten metal jets during arc discharge

佐藤 祐理子*; 菖蒲 敬久; 冨永 亜希; 佐野 智一*; 荻野 陽輔*

Communications Materials (Internet), 5, p.147_1 - 147_9, 2024/08

https://doi.org/10.1038/s43246-024-00586-1

アーク放電中の通電溶摘金属ジェットの流動ダイナミクスは、ワイヤアークベースの金属堆積プロセスにおける質量および熱源として機能し、製品の品質に大きく関係する。しかし、溶摘金属ジェットと周囲のアークプラズマとの間の時空間的な流動相互作用は不明のままである。本研究では、シンクロトロンX線を利用したその場イメージング技術を活用し、アルゴンアーク放電中の溶融アルミニウムジェットの表面変形と内部流動を同時に計測した。実験はSPring-8、BL22XUにて30keVで実施しており、独自開発したアーク溶接設備と最速5kHzの高速イメージングシステムを組み合わせて幾度と行った。その結果、アーク放電電流の大きさと経路を調整することで、ジェット速度を初期注入速度から200300%加速し、それによって大幅なジェット伸長が促進できることを明らかにするとともに、ジェット流動ダイナミクスが主にアーク放電電流とその同軸自己誘導磁場との相互作用によって支配されているという結論を導き出すことが出来た。この研究は、流体力学と電磁気学の交差点にフレームワークを確立し、ワイヤアークベースのアプリケーションにおける制御と精度の最適化に貢献することが期待できる。

Cell-cycle dependence on the biological effects of boron neutron capture therapy and its modification by polyvinyl alcohol

松谷 悠佑; 佐藤 達彦; 楠本 多聞*; 谷内 淑恵*; 清野 良輔*; 三輪 美沙子*; 石川 正純*; 松山 成男*; 福永 久典*

Scientific Reports (Internet), 14, p.16696_1 - 16696_14, 2024/07

https://doi.org/10.1038/s41598-024-67041-6

ホウ素中性子捕捉療法(BNCT)は、細胞レベルで不均一に取り込まれるホウ素化合物(例: 4-ボロノ-L-フェニルアラニン[BPA])を使用して腫瘍細胞を選択的に治療するユニークな放射線療法である。一方で、ホウ素化合物の時間空間的不均一性が細胞殺傷効果に与える影響は依然として不明である。そこで本研究では、放射線追跡検出器、細胞周期解析、生物物理学的シミュレーションの技術を組合わせた研究手法により、Fucci細胞周期可視化システムを発現するHeLa細胞における細胞周期依存的BPA取り込み不均一性とB(n, )Li反応の生物学的影響、さらにはポリビニルアルコール(PVA)の修飾効果を定量的に評価した。その結果、S/G2/M期の細胞内BPA濃度がG1/S期よりも高く、PVAが細胞周期依存性を修飾することを明らかにした。また、BPA-PVA実測値を使用することでBNCT治療効果を予測する新たなモデルを開発に成功した。本成果は、BNCTとPVAおよび/または細胞周期特異的抗がん剤を組み合わせた治療が、治療効果の精度向上に寄与する可能性を示している。

Recent improvements of the Particle and Heavy Ion Transport code System; PHITS version 3.33

佐藤 達彦; 岩元 洋介; 橋本 慎太郎; 小川 達彦; 古田 琢哉; 安部 晋一郎; 甲斐 健師; 松谷 悠佑; 松田 規宏; 平田 悠歩; et al.

Journal of Nuclear Science and Technology, 61(1), p.127 - 135, 2024/01

https://doi.org/10.1080/00223131.2023.2275736

放射線挙動解析コードPHITSは、モンテカルロ法に基づいてほぼ全ての放射線の挙動を解析することができる。その最新版であるPHITS version 3.31を開発し公開した。最新版では、高エネルギー核データに対する親和性や飛跡構造解析アルゴリズムなどが改良されている。また、PHIG-3DやRT-PHITSなど、パッケージに組み込まれた外部ソフトウェアも充実している。本論文では、2017年にリリースされたPHITS3.02以降に導入された新しい機能について説明する。

Intruder configurations in Ne at the transition into the island of inversion; Detailed structure study of Ne

Wang, H.*; 安田 昌弘*; 近藤 洋介*; 中村 隆司*; Tostevin, J. A.*; 緒方 一介*; 大塚 孝治*; Poves, A.*; 清水 則孝*; 吉田 数貴; et al.

Physics Letters B, 843, p.138038_1 - 138038_9, 2023/08

https://doi.org/10.1016/j.physletb.2023.138038

Neからの1中性子除去反応を用いて、Neの詳細な線分光を行った。平行運動量分布の解析に基づき、Neの準位構造とスピンパリティを決定し、初めて負のパリティ状態を同定した。測定された断面積と運動量分布から、N=20とN=28のシェルギャップの消失の証拠となる有意なintruder p-wave強度が明らかになった。束縛状態については、弱いf-waveの可能性のある強度が観測された。いくつかの有効相互作用を用いた大規模殻模型計算では、実験的に観測された大きなp-wave強度と小さなf-wave強度は再現されず、Ne同位体に沿った反転の島への遷移の完全な理論的記述への挑戦が続いていることを示している。

Difference in expansion and dehydration behaviors between NH- and K-montmorillonite

川喜田 竜平; 齋藤 彬人*; 佐久間 博*; 安楽 総太郎; 菊池 亮佑*; 大竹 翼*; 佐藤 努*

Applied Clay Science, 231, p.106722_1 - 106722_7, 2023/01

https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106722

Montmorillonite (Mt) expansion and swelling are key factors for barrier performance of bentonite in trans-uranic (TRU) and high-level radioactive waste disposals. In the case of co-located geological disposal of TRU waste with high level waste, ammonium ion (NH) which is changed from nitrate ion leached from TRU waste has possibility to contact with bentonite, exchange interlayer cation of Mt to form NH-Mt, and deteriorate its performance. Because of similar hydration energy of NH to K, NH-Mt could have lower expandability or change to non-expandable mineral as reported on K-Mt. Therefore, expansion and alteration behaviors of NH-Mt, especially comparison to the behaviors of K-Mt, are necessary to understand for safety assessment of the waste disposal. In this study, the hydration behavior of NH-Mt was investigated by XRD and molecular dynamics (MD) simulation in comparison with K-Mt. XRD profiles under Relative Humidity (RH) control showed that expansion of NH-Mt was similar to that of K-Mt at more than RH40% with slightly different d-values. However, expansion of NH-Mt kept at lower than RH20%, while K-Mt easily dehydrate at the same RH. MD simulation revealed that hydrogen bonding (HB) in NH molecules causes the difference in hydration behavior between NH- and K-Mt, as HB cause larger basal spacing at dehydrated state and easier hydration. This gap on hydration may attribute the difference in alteration to non-expandable minerals after dehydration, indicating that NH have lower possibility for alternation and smaller effect on barrier performance of bentonite than K.

Non-Hookean large elastic deformation in bulk crystalline metals

Xu, S.*; 大平 拓実*; 佐藤 駿介*; Xu, X.*; 大森 俊洋*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; Seiner, H.*; Zoubkov, K.*; 村上 恭和*; et al.

Nature Communications (Internet), 13, p.5307_1 - 5307_8, 2022/09

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32930-9

Crystalline metals can have large theoretical elastic strain limits. However, a macroscopic block of conventional crystalline metals practically suffers a very limited elastic deformation of 0.5% with a linear stress-strain relationship obeying Hooke's law. Here, we report on the experimental observation of a large tensile elastic deformation with an elastic strain of 4.3% in a Cu-based single crystalline alloy at its bulk scale at room temperature. The large macroscopic elastic strain that originates from the reversible lattice strain of a single phase is demonstrated by in situ microstructure and neutron diffraction observations. Furthermore, the elastic reversible deformation, which is nonhysteretic and quasilinear, is associated with a pronounced elastic softening phenomenon. The increase in the stress gives rise to a reduced Young's modulus, unlike the traditional Hooke's law behaviour. The experimental discovery of a non-Hookean large elastic deformation offers the potential for the development of bulk crystalline metals as high-performance mechanical springs or for new applications via "elastic strain engineering."

原子力施設廃止措置費用簡易評価コード(DECOST)の改良

高橋 信雄; 窪田 晋太郎; 瀧谷 啓晃; 阪場 亮祐*; 佐藤 公一; 志知 亮

JAEA-Testing 2021-002, 106 Pages, 2022/01

JAEA-Testing-2021-002.pdf:2.08MB

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(原子力機構)は、原子炉施設、再処理施設など多様な原子力施設を有している。役割を終えて老朽化した施設は、いずれ廃止措置を行うことになるが、廃止措置実施方針や廃止措置計画を立案する上で廃止措置費用を事前に評価する必要があることから、これまでに、施設の特徴や類似性、解体工法などを基に廃止措置費用を短時間で効率的に計算できる評価方法(DECOST)を開発した。DECOSTの開発以降も原子力施設の廃止措置が実施されており、新たな実績や知見が報告されているため、これらの知見をDECOSTに反映した。また、DECOST利用者のニーズを加味し、施設の解体費用を管理区域解除までにかかる費用と管理区域解除後の施設建屋の解体にかかる費用とに分割して評価できるようにDECOSTを改良した。本報告書は、DECOSTの改良に関する内容を報告するものであり、費用評価式に用いる評価係数の再設定の考え方並びに再設定後の評価係数の妥当性に関する考えを示した。また、改良により評価項目、評価内容を一部変更したため、改良したDECOSTの評価手順を掲載した。

Variation in formation and migration of self-interstitial atom clusters in electron irradiated copper with material purity and specimen preparation method

佐藤 裕樹*; 阿部 陽介; 大久保 賢二*; 谷岡 隆志*

Philosophical Magazine, 102(12), p.1152 - 1172, 2022/00

https://doi.org/10.1080/14786435.2022.2042610

分子動力学計算によると、格子間原子集合体はカスケード損傷から直接形成され、一次元(1D)運動と呼ばれる高速拡散により損傷領域から離脱することにより、その後の損傷組織発達に強く影響すると考えられている。我々はこれまでに、超高圧電子顕微鏡を用いた電子照射その場観察により、実験で観察される1D運動は間欠的で、その理由として試料に残留する不純物の効果を考えてきた。本研究では、銅を対象として、純度及び試料の作製方法と1D運動挙動の関係について調査した。その結果、高純度試料では、熱処理なし試料(切断・機械研磨・打ち抜き)に比べて標準試料(切断・圧延・打ち抜き・熱処理)では1D運動距離が大きく抑制されるのに対して、バルク熱処理試料(切断・熱処理・機械研磨・打ち抜き)では大きな変化は見られなかった。低純度試料では、バルク熱処理試料と標準試料で顕著な差は見られなかった。また、標準試料で比較すると高純度と低純度には顕著な差は認められなかった。入手した試料に最初から含まれている不純物と試料作製の際の熱処理で導入される不純物が1D運動に影響していることが考えられる。

Probabilistic risk assessment of solar particle events considering the cost of countermeasures to reduce the aviation radiation dose

藤田 萌*; 佐藤 達彦; 斎藤 享*; 山敷 庸亮*

Scientific Reports (Internet), 11, p.17091_1 - 17091_9, 2021/09

https://doi.org/10.1038/s41598-021-95235-9

太陽高エネルギー粒子(SEP)による航空機乗務員被ばくは、放射線防護研究において重要なトピックである。そこで、我々は、5つの太陽フレアに対して太陽放射線被ばく警報システムWASAVIESで計算した4次元線量分布マップを元に8つの航路に対する被ばく線量及び線量率を計算した。そして、過去の太陽フレア発生頻度からその被ばく線量がしきい値を超える確率を計算し、その被ばく低減対策(高度低下及びフライトキャンセル)に掛かるコストを推定した。その結果、被ばく低減対策が必要となる太陽フレアの発生頻度は、線量及び線量率で規制した場合はそれぞれ47年及び17年に1回程度で、その発生確率とコストを乗じて推定した年間被ばく低減対策リスクは1航路1年間辺り最大で約1500米ドルであった。

Analysis and mapping of detailed inner information of crystalline grain by wavelength-resolved neutron transmission imaging with individual Bragg-dip profile-fitting analysis

櫻井 洋亮*; 佐藤 博隆*; 足立 望*; 諸岡 聡; 戸高 義一*; 加美山 隆*

Applied Sciences (Internet), 11(11), p.5219_1 - 5219_17, 2021/06

https://doi.org/10.3390/app11115219

As a new method for evaluating single crystal and oligocrystal, pulsed neutron Bragg-dip transmission analysis/imaging method is being developed. In this study, a single Bragg-dip profile fitting analysis method was newly developed, and applied for analyzing detailed inner information in a crystalline grain position-dependently. In the method, the spectrum profile of a single Bragg-dip is analyzed at each position over a grain. As a result, it is expected that changes of crystal orientation, mosaic spread angle and thickness of a perfect crystal can be evaluated from the wavelength, the width and the integrated intensity of the Bragg-dip, respectively. For confirming this effectiveness, the method was applied to experimental data of position-dependent Bragg-dip transmission spectra of a Si-steel plate consisting of oligocrystals. As a result, inner information of multiple crystalline grains could be visualized and evaluated. The small change of crystal orientation in a grain, about 0.4, could be observed by imaging the Bragg-dip wavelengths. By imaging the Bragg-dip widths, both another grain and mosaic block in a grain were detected. Furthermore, imaging results of the integrated intensities of Bragg-dips were consistent with the results of Bragg-dip width imaging. These small crystallographic changes have not been observed and visualized by previous Bragg-dip analysis methods.