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報告書

Status of study of long-term assessment of transport of radioactive contaminants in the environment of Fukushima (FY2018) (Translated document)

長尾 郁弥; 新里 忠史; 佐々木 祥人; 伊藤 聡美; 渡辺 貴善; 土肥 輝美; 中西 貴宏; 佐久間 一幸; 萩原 大樹; 舟木 泰智; et al.

JAEA-Research 2020-007, 249 Pages, 2020/10

JAEA-Research-2020-007.pdf:15.83MB

2011年3月11日に発生した太平洋三陸沖を震源とするマグニチュード9.0の東北地方太平洋沖地震とそれに伴って発生した津波により、東京電力(現東京電力ホールディングス)福島第一原子力発電所の事故が発生し、その結果、環境中へ大量の放射性物質が放出された。この事故により放出された放射性核種は、その大部分が森林に沈着している。これに対し、面積が広大であり大量の除去土壌などが生じる、多面的な森林の機能が損なわれる可能性があるなどの問題があり、生活圏近傍を除き、汚染された森林の具体的な除染計画はない。そのため、未除染の森林から放射性セシウムが流出し、既に除染された生活圏に流入することで空間線量率が上がってしまうのではないか(外部被ばくに関する懸念)、森林から河川に流出した放射性セシウムが農林水産物に取り込まれることで被ばくするのではないか、規制基準値を超えて出荷できないのではないか(内部被ばくに関する懸念)などの懸念があり、避難住民の帰還や産業再開の妨げとなる可能性があった。日本原子力研究開発機構では、環境中に放出された放射性物質、特に放射性セシウムの移動挙動に関する「長期環境動態研究」を2012年11月より実施している。この目的は、自治体の施策立案を科学的側面から補助する、住民の環境安全に関する不安を低減し、帰還や産業再開を促進するといった点にある。本報告書は、原子力機構が福島県で実施した環境動態研究におけるこれまでの研究成果について取りまとめたものである。

報告書

福島における放射性セシウムの環境動態研究の現状(平成30年度版)

長尾 郁弥; 新里 忠史; 佐々木 祥人; 伊藤 聡美; 渡辺 貴善; 土肥 輝美; 中西 貴宏; 佐久間 一幸; 萩原 大樹; 舟木 泰智; et al.

JAEA-Research 2019-002, 235 Pages, 2019/08

JAEA-Research-2019-002.pdf:21.04MB

2011年3月11日に発生した太平洋三陸沖を震源とするマグニチュード9.0の東北地方太平洋沖地震とそれに伴って発生した津波により、東京電力福島第一原子力発電所の事故が発生し、その結果、環境中へ大量の放射性物質が放出され、その大部分が森林に沈着している。これに対し、面積が広大であり大量の除去土壌等が生じる、多面的な森林の機能が損なわれる可能性があるなどの問題があり、生活圏近傍を除き、汚染された森林の具体的な除染計画はない。そのため、未除染の森林から放射性セシウムが流出し、既に除染された生活圏に流入することに対する懸念があり、避難住民の帰還や産業再開の妨げとなる可能性があった。原子力機構では、環境中に放出された放射性物質、特に放射性セシウムの移動挙動に関する「長期環境動態研究」を2012年11月より実施している。この目的は、自治体の施策立案を科学的側面から補助する、住民の環境安全に関する不安を低減し、帰還や産業再開を促進するといった点にある。本報告書は、原子力機構が福島県で実施した環境動態研究におけるこれまでの研究成果について取りまとめたものである。

報告書

磁気フィルター付水素負イオン源における負イオンビーム空間的一様性の研究; セシウム添加型負イオン源内での負イオン生成・輸送過程が負イオンビーム強度分布に与える影響(共同研究)

高戸 直之; 戸張 博之; 井上 多加志; 花田 磨砂也; 関 孝義*; 加藤 恭平*; 畑山 明聖*; 坂本 慶司

JAEA-Research 2008-031, 44 Pages, 2008/03

JAEA-Research-2008-031.pdf:4.05MB

セシウム添加型負イオン源から引き出された大電流密度負イオンビーム強度が空間的に非一様となるメカニズムを解明するため、JAEA10アンペア負イオン源内でのプローブ測定及び負イオンビーム強度測定を行った。実験結果を考察するため、レート方程式及び粒子(電子・原子・負イオン)軌道追跡を用いた数値解析を行った。その結果、(1)セシウムを導入して負イオンの表面生成反応を促進した状態では、体積生成時とは逆に高い電子温度の領域で高い負イオンビーム強度が得られることを明らかにした。レート方程式を用いた数値解析から、表面生成された負イオンは高速電子によって破壊される前に引き出されることが推定された。(2)1次電子はB$$times$$$$bigtriangledown$$Bドリフトによってイオン源内で局在化することを確認し、フィラメントの配置を改良して1次電子のドリフトを抑制することにより、負イオンビーム強度の空間的非一様性が改善されることを示した。

論文

核融合の研究開発

牛草 健吉; 関 昌弘; 二宮 博正; 乗松 孝好*; 鎌田 裕; 森 雅博; 奥野 清; 柴沼 清; 井上 多加志; 坂本 慶司; et al.

原子力ハンドブック, p.906 - 1029, 2007/11

原子力ハンドブックの第VIII章核融合の研究開発において、核融合炉の概念,炉心プラズマ物理と炉心制御技術,国際熱核融合実験炉(ITER)計画,核融合ブランケット技術,核融合燃料循環処理技術,核融合炉用材料技術,核融合動力炉概念とシステム工学課題について、研究の現状を解説する。

論文

Negative ion production in high electron temperature plasmas

戸張 博之; 関 孝義*; 高戸 直之*; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 畑山 明聖*; 坂本 慶司

Plasma and Fusion Research (Internet), 2, p.022_1 - 022_4, 2007/06

外部磁気フィルタ付き負イオン源では、フィルタ磁場中の高速電子のドリフトによりソースプラズマが局在化し、局所的に電子温度が高い(3-4eV)領域が形成される。従来、電子温度が1eV以上のプラズマ中では負イオンの消滅反応が著しく促進されるため不向きとされてきたが、セシウム添加型負イオン源では、電子温度の高い領域からより多くの負イオンビームが引き出されることが観測された。このことを検証するために、(1)カソードフィラメントをプラズマ電極近傍に配置,(2)外部磁気フィルタ強度を低減、させることでプラズマ電極近傍に電子温度の高い水素プラズマを生成し、負イオンビーム引き出しを行った。これらの結果より、セシウム添加時には、プラズマ中の高エネルギー電子が電子,解離に寄与し、より多くの水素原子/イオン束が生成され、消滅反応を上回る表面生成により多量の負イオンが生成されることが示唆された。

論文

The Origin of beam non-uniformity in a large Cs-seeded negative ion source

花田 磨砂也; 関 孝義*; 高戸 直之; 井上 多加志; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; 谷口 正樹; 渡邊 和弘

Nuclear Fusion, 46(6), p.S318 - S323, 2006/06

 被引用回数:28 パーセンタイル:69.15(Physics, Fluids & Plasmas)

セシウム添加方式体積生成型負イオン源のビーム非一様性の原因について実験的に調べた。ビーム強度分布とプラズマ密度分布の相関を調べた結果、負イオン強度はプラズマが集中している領域において高かった。プラズマが集中している領域においては、負イオンの素となるプロトンばかりでなく、水素原子の密度も局所的に高かったと考えられる。さらに、フィラメントから放出する1次電子の軌道を計算した結果、プラズマの集中は、フィラメントから放出した1次電子が、フィラメント近傍の磁場によって、Bx$$nabla$$Bドリフトするためであることがわかった。ビーム非一様性の原因である高速1次電子のBx$$nabla$$Bドリフトを抑制するために、フィラメントの形状を変更した。その結果、ビーム強度の平均値からの偏差は、変更前の半分に減少しており、ビーム一様性を大幅に改善した。

論文

Acceleration of MeV-class energy, high-current-density H$$^{-}$$-ion beams for ITER neutral beam system

谷口 正樹; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 渡邊 和弘; 花田 磨砂也; 関 孝義*; 大楽 正幸; 坂本 慶司

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A514_1 - 03A514_4, 2006/03

 被引用回数:13 パーセンタイル:56.19(Instruments & Instrumentation)

ITER用中性粒子入射装置では、放射線誘起伝導のため高電圧の絶縁にSF6等の絶縁ガスが使用できない。このため、原研では加速器全体を真空中に置く真空絶縁型加速器(VIBS)の開発を行っている。大型電界緩和リングの装着等の耐圧改善を行った結果、加速可能な負イオン電流密度は大きく増大し、900keVにおいて0.1Aレベルのビームを運転期間中175ショット安定に加速することに成功した。また、ITERで要求されるイオン源運転ガス圧条件($$<$$0.3Pa)を満たす領域で、電流密度146A/m$$^{2}$$(エネルギー836keV)の負イオンビーム加速に成功し、ITER NBIに向けて着実に性能が向上していることを示した。

論文

Improvement of beam uniformity by magnetic filter optimization in a Cs-seeded large negative-ion source

花田 磨砂也; 関 孝義*; 高戸 直之*; 井上 多加志; 戸張 博之; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 大楽 正幸; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; et al.

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A515_1 - 03A515_3, 2006/03

 被引用回数:24 パーセンタイル:73.01(Instruments & Instrumentation)

セシウム添加方式体積生成型負イオン源のビーム非一様性の原因究明を行うために、フィルター磁場と負イオンビームの長手方向の強度分布との相関関係について実験的に調べた。実験では、3種類のフィルター強度(49, 370, 800Gauss$$cdot$$cm)について調べた。それぞれのフィルター強度に対して、イオン源に少量のセシウム(約0.3g)を添加して、負イオン電流値を添加前よりも3$$sim$$4倍に増加させた後、ビーム強度分布を測定した。いずれのフィルター強度に対しても、ビーム強度を長手方向に積分したビーム電流値はほぼ一定であった。しかしながら、ビーム強度分布の偏差は、フィルター強度が800Gauss$$cdot$$cmの時、平均値に対して30%であったが、フィルター強度を49Gauss$$cdot$$cmに下げることにより、17%まで低減した。この結果、フィルター強度を低減することによって、ビーム電流値を下げることなく、大幅にビーム強度分布を改善できることが明らかになった。また、プローブ測定の結果、フィルター強度を下げると、プラズマ電極近傍のプラズマ密度及び電子温度は一様になっていることがわかった。これらの結果から、ビーム強度分布の非一様性の原因は、フィルター磁場によってプラズマ電極近傍のプラズマが偏在するためであることが明らかとなった。

論文

Numerical analysis of primary electrons in a tandem-type negative ion source

加藤 恭平*; 高戸 直之*; 畑山 明聖*; 花田 磨砂也; 関 孝義; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A535_1 - 03A535_3, 2006/03

 被引用回数:12 パーセンタイル:53.77(Instruments & Instrumentation)

タンデム型負イオン源におけるプラズマの非一様性発生の原因を明らかにするため、フィラメント陰極より放出された一次電子の軌道解析を行った。モンテカルロ法を用いた3次元輸送コードを、実形状の磁場分布を考慮したJAEA10アンペア負イオン源に適用した。また、中性粒子との主な非弾性衝突反応も合わせて考慮した。その結果、ドライバ領域の高速電子はドリフトにより引出し領域へと失われ得ること、及びそのドリフト方向は負イオン源上下端で逆方向となることが明らかになった。

論文

Numerical analysis of the spatial nonuniformity in a Cs-seeded H$$^{-}$$ ion source

高戸 直之*; 花谷 純次*; 水野 貴敏*; 加藤 恭平*; 畑山 明聖*; 花田 磨砂也; 関 孝義; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A533_1 - 03A533_3, 2006/03

 被引用回数:14 パーセンタイル:58.22(Instruments & Instrumentation)

負イオンビームの空間的非一様性発生の原因を明らかにするため、負イオン生成及び輸送過程の数値解析を行った。モンテカルロ法を用いた原子及び負イオンの3次元輸送コードを、セシウム添加型負イオン源に適用した。その結果、電子温度の高い領域で局所的に原子が生成され、プラズマ電極表面への原子フラックスが非一様となることが明らかとなり、負イオン生成分布に影響を与えることが明らかとなった。加えて、生成された負イオンの引出し確率は電子温度依存性が弱いことが明らかとなった。

論文

Experimental study on spatial uniformity of H$$^{-}$$ ion beam in a large negative ion source

花田 磨砂也; 関 孝義*; 高戸 直之*; 井上 多加志; 森下 卓俊; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 今井 剛*; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; et al.

Fusion Engineering and Design, 74(1-4), p.311 - 317, 2005/11

 被引用回数:7 パーセンタイル:46.25(Nuclear Science & Technology)

原研10A負イオン源を用いて、JT-60U負イオン源の問題点の1つである負イオン源内の負イオン密度の空間的不均一の原因について、実験的に調べた。測定の結果、ビームの空間分布はJT-60U負イオン源同様フィルター磁場に対して垂直な高さ方向(長手方向)に非対称であり、上半分領域の強度は下半分の約60%$$sim$$80%程度であった。また、この時のプラズマ電極近傍の電子温度は高さ方向に対して均一なフィルター磁場を形成しているにもかかわらず不均一であり、上半分領域では1$$sim$$3.5eVで、下半分領域ではほぼ1eV一定であった。高速電子の軌道を計算した結果、この高い電子温度の原因はカソードから放出した高速電子がイオン源の上部壁近傍に存在する10Gauss以下の領域を通って、フィルター磁場を飛び越えて、プラズマ電極に漏れ出すためであることが明らかになった。そこで、プラズマ電極への高速電子の漏れ出しを抑制するために、計算で予測された位置に、5cm$$times$$5cmの閉止板を取り付けた。その結果、イオン源上部の電子温度は1eV程度まで減少し、上半分領域における負イオンビームの一様性も大きく改善され、20%程度ビーム電流値が増加した。本研究により、負イオン密度の不均一性の原因の一つは高速電子のプラズマ電極への漏洩であることが明らかになった。

論文

R&D on a high energy accelerator and a large negative ion source for ITER

井上 多加志; 谷口 正樹; 森下 卓俊; 大楽 正幸; 花田 磨砂也; 今井 剛*; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; 関 孝義*; 渡邊 和弘

Nuclear Fusion, 45(8), p.790 - 795, 2005/08

原研では、1MeV加速器と大型負イオン源の開発を推進してきた。本論文はITER NBシステムの実現に向けた1ステップである、以下の開発の進展を報告する。(1)加速器開発:耐電圧性能の向上により、H$$^{-}$$イオンの1MeV級エネルギー加速試験が進展している。1MeV, 100mA級H$$^{-}$$イオンビームを実用規模である100A/m$$^{2}$$程度の電流密度で発生しており、イオン源の調整により、電流密度のさらなる増大が見込まれる。(2)大型負イオン源開発:既存負イオンNBシステムにおいては、負イオンの空間一様生成がNB入射性能を左右する要因となっている。本研究では、磁気フィルターから局所的に洩れ出た高速電子が負イオン源引き出し領域に生成した負イオンを破壊していることを明らかにした。本論文では、幾つかの対応策とその試験結果についても報告する。

論文

R&D on a high energy accelerator and a large negative ion source for ITER

井上 多加志; 谷口 正樹; 森下 卓俊; 大楽 正幸; 花田 磨砂也; 今井 剛*; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; 関 孝義*; 渡邊 和弘

Nuclear Fusion, 45(8), p.790 - 795, 2005/08

 被引用回数:22 パーセンタイル:59.75(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文では、ITER NBIシステムを実現するために原研が行ってきた、1MeV加速器と大型負イオン源の開発研究に関する以下の成果を報告する。(1)加速器開発:耐電圧性能の向上により、H$$^{-}$$イオンのMeV級加速試験が進展した。これまでに、1MeV, 100mA級H$$^{-}$$イオンビームを実用規模である100A/m$$^{2}$$程度の電流密度で発生しており、イオン源運転条件の調整により、さらなる電流密度の増大が見込まれる。(2)大型負イオン源開発:従来、大面積引き出し面上に生成する負イオンの一様性が問題となっていたが、本研究により、磁気フィルターから局所的に漏れ出た高速電子が負イオン引き出し部に生成した訃音を破壊していることが明らかになった。本論文では、高速電子漏洩の遮断による一様性改善の結果を報告する。

論文

Acceleration of 100 A/m$$^{2}$$ negative hydrogen ion beams in a 1 MeV vacuum insulated beam source

谷口 正樹; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 花田 磨砂也; 渡邊 和弘; 関 孝義*; 坂本 慶司

AIP Conference Proceedings 763, p.168 - 175, 2005/04

ITER-NBI用負イオン源には200A/m$$^{2}$$の高密度重水素負イオンビームを1MeVに加速し、40Aのビームを生成することが求められている。この加速器では、プラズマからの放射線による放射線誘起伝導(RIC)が問題となるため絶縁ガス(SF6等)を使用できない。このため、原研では真空中に加速器構造全体をおいて高電圧を絶縁する真空絶縁型加速器(VIBS; Vacuum Insulated Beam Source)の開発を行ってきた。これまでに約1.8mまでの真空長ギャップ放電特性を明らかにし、また、加速絶縁管の耐圧を3重点の電界緩和によって改善した。負イオンビーム加速では、負イオン源にセシウムを添加して大電流密度ビーム加速試験を行い、100A/m$$^{2}$$級の負イオン加速時にもVIBSの耐電圧に問題が無いことを実証した。現在までに、800keVで102A/m$$^{2}$$(141mA)までの加速に成功し、負イオン生成部のさらなる調整によってITERでの目標の200A/m$$^{2}$$の加速の見通しを得ている。

口頭

ITERに向けたセシウム添加型大面積負イオン源におけるビーム一様性のフィルタ強度依存

関 孝義; 花田 磨砂也; 戸張 博之; 井上 多加志; 高戸 直之*; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 渡邊 和弘; et al.

no journal, , 

セシウム添加型負イオン源において、負イオンビーム強度分布の非一様性の原因の一つと考えられるフィルタ強度とビーム強度分布との相関関係について調べた。その結果、フィルタ強度を下げることによって、ビーム強度を低減することなく、ビーム強度の長手方向分布の偏差を27%から13%まで低減できることがわかった。

口頭

ITERに向けたセシウム添加型大面積負イオン源における負イオンビーム一様性の改善

戸張 博之; 関 孝義; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 大楽 正幸; 渡邊 和弘; 坂本 慶司

no journal, , 

大型水素負イオン源における負イオンビームの一様性改善実験を行っている。今回、セシウム添加時の負イオンビーム強度分布を調べたところ、その強度はセシウム非添加時の約4倍に増大した。また、セシウム非添加時には高速電子の局在化により負イオンの消滅反応が促進され、ビームの一様性が低下していたのに対し、セシウム添加時には、高速電子はおもに中性粒子の電離,解離に寄与し、負イオンビームの非一様性の要因はソースプラズマ及び水素原子の局所的な密度上昇であることを示唆する結果を得た。

口頭

セシウム添加型大面積負イオン源におけるビーム一様性の改善

関 孝義; 花田 磨砂也; 戸張 博之; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 渡邊 和弘; 坂本 慶司; 高戸 直之*; 水野 貴敏*; et al.

no journal, , 

JT-60Uや大型ヘルカル装置(LHD)用の大型負イオン源では、イオン引出し面(JT-60U:0.45m$$times$$1.1m)長手方向の負イオンビーム分布が非一様となっており、加速電極やビームライン機器の熱負荷が過大となって、ビーム出力やパルス幅が制限されている。これまでにセシウムを添加しない体積生成型負イオン源について、負イオンビームの一様性改善研究を行い、高速電子のB$$times$$∇Bドリフトと弱磁場領域への漏洩による負イオンの消滅が原因であることを明らかにした。本発表ではセシウムを添加した負イオン表面生成時における不均一性改善を目的に、フィルタ強度依存性を測定した。その結果、表面生成型では体積生成型負イオン源とは逆に、引き出し面近傍で高電子温度でも高い負イオン電流密度を生成できることを明らかにした。また、フィルタ強度を弱くし、合成磁場による高速電子のドリフトを抑えるとともに、引き出し面近傍に一様な高電子温度・高密度プラズマを生成して負イオンの表面生成を促進することで、一様で高密度の負イオンが得られる可能性を見いだした。

口頭

ITER用表面生成型大面積負イオン源におけるビーム一様性の改善

戸張 博之; 関 孝義; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 大楽 正幸; 渡邊 和弘; 坂本 慶司

no journal, , 

ITER NBIで想定されているセシウム型大面積負イオン源のビーム一様性の改善を行った。一様性の低下の要因が従来用いられてきた磁気フィルターに起因する高速電子のドリフトであることを突き止め、新たにテント型フィルターと非対称性のないカスプ磁場配位を組合せて負イオンビーム引出しを行った結果、空間分布の偏差をこれまでの約1/2の13パーセントに抑え、ITER NBIで要求される偏差10パーセント以下の一様な負イオンビームに近づいた。

口頭

J-PARC/MLF工学材料回折装置「匠」におけるデータ収集システムとソフトウェアの現状

伊藤 崇芳; Harjo, S.; 阿部 淳; 中谷 健; 相澤 一也; 盛合 敦; 坂佐井 馨; 中村 龍也; 細谷 孝明*; 安 芳次*; et al.

no journal, , 

大強度陽子加速器施設J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)に設置された工学材料回折装置「匠」は2008年9月に中性子ビームを受け入れ、コミッショニングを開始した。本発表では匠用に開発されたデータ収集システム(DAQ)と匠の制御及び測定結果の解析に使用されるソフトウェア(Working Desktop)の現状について報告する。匠では現在2台のシンチレータ検出器が導入されており、コミッショニングの一環としてDAQによる中性子回折飛行時間測定を行った。Working Desktopについては、データ処理に関して、一部機能は実装されていないが、ピークプロファイル解析まで完備している。またDAQ,ゴニオメータなどのデバイス制御についても一部は既に実装されており、12月からの供用運転では、これらを使用しての測定を行う予定である。

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