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論文

Development of a laser chipping technique combined with water jet for retrieval of fuel debris at Fukushima Daiichi Nuclear Power Station

山田 知典; 武部 俊彦*; 石塚 一平*; 大道 博行*; 羽成 敏秀; 柴田 卓弥; 大森 信哉*; 黒澤 孝一*; 佐々木 豪*; 中田 正宏*; et al.

Journal of Nuclear Science and Technology, 56(12), p.1171 - 1179, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

福島第一原子力発電所の炉内構造物及び燃料デブリ取り出しに向けて、レーザーとウォータージェットを組み合わせたはつり除去技術の開発を行った。金属を対象とした除去能力を評価するため、5.5kWの連続発振のファイバーレーザーとパルス噴射のウォータージェットを組み合わせて加工中の様子を観察した。

論文

Evaluation of 2-D transverse beam profile monitor using gas sheet at J-PARC LINAC

神谷 潤一郎; 岡部 晃大; 金正 倫計; 守屋 克洋; 山田 逸平; 荻原 徳男*; 引地 裕輔*; Wada, K.*

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012149_1 - 012149_6, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

チタン製真空ダクト表面にゲッター作用を持たせるため、導入したガスをイオン化させスパッタリングによりチタン表面の酸化膜を除去する手法の開発を行っている。本手法では、スリットからガスを導入することで、少ないガス量で局所的に均一かつ高いガス密度のシート状の分布を生成ができ、周辺の圧力上昇を抑えたうえで効率の良いスパッタリングを行うことができる。今回、スリットによって生成されたガス密度分布をモンテカルロシミュレーションコードによって計算し、評価した。その結果、ガス密度分布の三次元的な分布の情報を得ることができ、両方向からのガス導入がガス密度分布の均一化に対して有効であることが定量的にわかった。さらに本手法をシート状ガスとビームとの相互作用により発生するイオンを検出する非破壊型ビームプロファイルモニターに適用した。本モニターにおいて、ビームプロファイルの注入ガス量に対する依存性を調査し、少量の注入ガス量での測定が不飽和かつS/N比が高い状況でビームプロファイル測定するために重要であることが分かった。

論文

二次元ビームプロファイルモニタのためのガス分布測定装置の開発

山田 逸平; 荻原 徳男*; 引地 裕輔*; 神谷 潤一郎; 金正 倫計

Vacuum and Surface Science, 62(7), p.400 - 405, 2019/07

J-PARCの陽子加速器は世界最大級である1MWの大強度ビームの出力を目指している。このような強度のビームはわずかな損失でも機器を放射化し、安定かつ安全な加速器運転に支障をきたす。これを防ぐためにはビームを適切に制御する必要があるため、ビームをモニタリングすることが必須である。特にビームプロファイル測定では、ビームの大強度化に向けて非破壊型モニタの実用化が求められている。一つの案としてシート状のガスを用いた非破壊プロファイルモニタが考案されている。しかし、ビーム検出の媒体であるシート状のガスは必ずしも一様に分布するわけではないため、測定されたデータを正確なプロファイルに換算しモニタを実用化するためにはガス分布の情報が必要である。そこで、電子ビームを用いてガスをイオン化し、そのイオンを検出することでガス分布を測定する手法を考案した。本会議では、実現可能性・測定範囲のシミュレーション検討したこと、およびその計算結果を検証する実験を行ったことを報告し、真空科学分野の専門家と議論することで新たなモニタの実用化を目指すことを目的とする。

論文

ガスシートを用いた二次元ビームプロファイルモニタのためのガス分布測定装置の開発

山田 逸平; 荻原 徳男*; 引地 裕輔*; 神谷 潤一郎; 金正 倫計

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.88 - 92, 2018/08

J-PARCの陽子加速器は世界最大級である1MWの大強度ビームの出力を目指している。このような強度のビームはわずかな損失でも機器を放射化し、安定かつ安全な加速器運転に支障をきたす。これを防ぐためにはビームを適切に制御する必要があるため、ビームをモニタリングすることが必須である。特にビームプロファイル測定において、現在主流の金属ワイヤを用いたモニタは大強度ビームの測定で破損の可能性が考えられる。この解決策の一つとして、シート状のガスを用いた非破壊プロファイルモニタが考案されている。しかし、ビーム検出の媒体であるシート状のガスは必ずしも一様に分布するわけではないため、測定されたデータを正確なプロファイルに換算しモニタを実用化するためにはガス分布の情報が必要である。そこで、電子ビームを用いてガスをイオン化し、そのイオンを検出することでガス分布を測定する手法を考案した。本会議では、シミュレーションにて本手法の実現可能性,測定有効範囲、および測定分解能について検討したことを報告し、様々な分野の専門家と議論することで新たなモニタの実用化、およびそれに伴う加速器の安定な運転に役立てることを目的とする。

論文

Demonstration of laser processing technique combined with water jet technique for retrieval of fuel debris at Fukushima Daiichi Nuclear Power Station

羽成 敏秀; 武部 俊彦*; 山田 知典; 大道 博行; 石塚 一平*; 大森 信哉*; 黒澤 孝一*; 佐々木 豪*; 中田 正宏*; 酒井 英明*

Proceedings of 2017 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2017) (CD-ROM), 3 Pages, 2017/04

福島第一原子力発電所の廃止措置の中で、遠隔操作による原子炉格納容器内の燃料デブリの取出しプロセスは重要な課題の1つである。このプロセスにおいて、放射性物質の拡散を抑制することは重要な考慮すべき点の1つである。さらに、このプロセスに適用する技術は、妥当な加工効率を維持することが要求される。そこで、我々は燃料デブリの取出し技術として、レーザー光と水噴流を組み合わせた技術を用いることを提案する。繰り返し断続噴射する水噴流を組み合わせたレーザー加工技術は、効率的な加工を行える可能性を示している。この実験結果をもとに、福島第一原子力発電所での適用に向けた技術開発を進めていく。

論文

Surface preparation and characterization of single crystalline $$beta$$-FeSi$$_{2}$$

山田 洋一; 若谷 一平*; 大内 真二*; 山本 博之; 朝岡 秀人; 社本 真一; 鵜殿 治彦*

Surface Science, 602(18), p.3006 - 3009, 2008/09

 被引用回数:6 パーセンタイル:67.17(Chemistry, Physical)

$$beta$$-FeSi$$_{2}$$薄膜は1.5$$mu$$m帯域で発光し、フォトニック結晶などへの応用が期待される。高品位の$$beta$$-FeSi$$_{2}$$エピタキシャル薄膜成膜用の基板として、よく定義されたバルク単結晶表面が必須であるが、その成長が困難であることからこれまで十分に研究がなされていなかった。本研究では、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$バルク単結晶表面の構造を走査型トンネル顕微鏡(STM),低エネルギー電子線回折(LEED)を用いて評価し、清浄表面の調整手法を確立することを目的とした。超高真空下において850$$^{circ}$$C程度の熱処理により得られた清浄表面から、明瞭なLEED像が観察された。得られた回折像から、清浄な(100), (101)及び(110)表面のユニットセルはバルクと同一の周期性をもち、長周期の表面再構成は生じないことが明らかとなった。しかしながら、STM像から清浄表面上には多数の欠陥が存在することも明らかとなった。今後材料応用のためにはこれらの欠陥の制御が必要となると考えられる。

口頭

$$beta$$-FeSi$$_{2}$$単結晶基板のRHEED観察

若谷 一平*; 室賀 政崇*; 大内 真二*; 鵜殿 治彦*; 山田 洋一; 山本 博之; 菊間 勲*

no journal, , 

$$beta$$-FeSi$$_{2}$$ホモエピタキシーのためには基板表面の状態を知る必要がある。しかし$$beta$$-FeSi$$_{2}$$バルク単結晶の表面構造に関する報告は少ない。本研究では、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$単結晶の幾つかの低指数面についてRHEEDによる表面観察を行った。作製した単結晶を成長ファセット面に平行に研磨し、X線回折によって方位を特定することで$$beta$$-FeSi$$_{2}$$(100),(101),(110),(111),(311)基板を準備した。これを10$$^{-9}$$Torr台の高真空中で950$$^{circ}$$Cの高温処理を行った。その後基板温度を100$$^{circ}$$C以下に下げ、RHEED像を観察した。(110)面に電子線を[001]方向から入射した時のRHEED像を観察した結果、明瞭なストリークパターンが得られ、その格子間隔は約6.14$AA $であった。また、複数の入射方位に対して対称性の良いストリークパターンが見られた。360$$^{circ}$$に渡る観察結果から、入射方位と格子間隔の関係はバルク$$beta$$-FeSi$$_{2}$$(110)面の格子配置と同じ周期性で説明できることがわかった。

口頭

$$beta$$-FeSi$$_{2}$$単結晶清浄表面の準備と評価

山田 洋一; 若谷 一平*; 大内 真二*; 山本 博之; 鵜殿 治彦*

no journal, , 

$$beta$$-FeSi$$_{2}$$薄膜は1.5$$mu$$m帯域で発光し、フォトニック結晶などへの応用が期待される。高品位の$$beta$$-FeSi$$_{2}$$エピタキシャル薄膜成膜用の基板として、よく定義されたバルク単結晶表面が必須であるが、その成長が困難であることからこれまで十分に研究がなされていない。本研究では、高純度$$beta$$-FeSi$$_{2}$$バルク単結晶の表面構造及び組成の評価を行い、清浄表面の準備手法を確立することを目的とした。育成した$$beta$$-FeSi$$_{2}$$(110)単結晶基板の加熱に伴う表面のSi2p XPSスペクトルの変化から、熱処理温度の上昇に伴いSiの酸化成分が減少し、最終的には元素成分のみが残ることが観察された。これと同時に、Feピークの増大,O及びCピークの減少がそれぞれ確認された。このことから850$$^{circ}$$C程度の比較的低温の熱処理により表面酸化物が除去され、清浄表面が得られることがわかった。熱処理後の清浄表面において、明瞭なLEED及びRHEED像が観察された。回折像から、清浄(110)表面のユニットセルはバルクと同一の周期性を持ち、長周期の表面再構成は生じないことが明らかとなった。

口頭

MBE法による各種面方位上への$$beta$$-FeSi$$_{2}$$ホモエピタキシャル成長

大内 真二*; 若谷 一平*; 鵜殿 治彦*; 山田 洋一; 山本 博之; 江坂 文孝

no journal, , 

$$beta$$-FeSi$$_{2}$$のPLの発光起源は未だ明確になっておらず、その要因の一つに$$beta$$-FeSi$$_{2}$$の発光がSi基板からの発光波長に近いため切り分けが困難な点がある。そこでわれわれはSi基板の代わりに$$beta$$-FeSi$$_{2}$$単結晶を基板として用い、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$のホモエピタキシャル成長を行っている。前回$$beta$$-FeSi$$_{2}$$基板表面の前処理方法を改善したことで、より清浄かつ平坦な表面を得ることに成功した。今回、この前処理を用いて、各種面方位の基板上にMBE法により、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$膜のホモエピタキシャル成長を行ったので報告する。清浄かつ平坦な各種基板表面に$$beta$$-FeSi$$_{2}$$膜を成長させたところ、各種面方位ともにRHEED像が成長後も変化せずストリーク状の明瞭なパターンが観測できた。$$beta$$(110)及び$$beta$$(111)基板上に100nmの$$beta$$-FeSi$$_{2}$$膜を成膜した後のRHEED像を観察した結果、いずれも成長前と成長後の格子間隔は変化せず、明瞭なストリークパターンが見られた。

口頭

$$beta$$-FeSi$$_{2}$$単結晶表面の分析

Mao, W.; 若谷 一平*; 山田 洋一; 江坂 文孝; 山本 博之; 社本 真一; 山口 憲司; 鵜殿 治彦*

no journal, , 

$$beta$$-FeSi$$_{2}$$単結晶表面上にホモエピタキシャル成長などを行うためには清浄でよく定義された単結晶表面を得る必要がある。本研究では850$$^{circ}$$Cまで加熱した$$beta$$-FeSi$$_{2}$$単結晶表面について低エネルギー電子線回折(LEED),走査型トンネル顕微鏡(STM)を用い、表面構造の変化について検討を行った。LEEDの結果からいずれの面においても加熱により表面再構成が生じていないことが明らかとなったが、STMの観測からは表面欠陥が多数存在することが確認された。さらに表面組成の変化についてX線光電子分光法や二次イオン質量分析法などの結果を併せて議論する。

口頭

$$beta$$-FeSi$$_{2}$$ホモエピタキシャル成長初期における成膜条件の検討

若谷 一平*; 落合 城仁*; 鵜殿 治彦*; 永野 隆敏*; 山田 洋一; 山本 博之; 江坂 文孝

no journal, , 

$$beta$$-FeSi$$_{2}$$単結晶基板上に良質なホモエピタキシャル膜を成長させることを目的とし、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$基板上の膜成長初期におけるFeとSiの組成ずれや基板表面処理の成膜への影響について検討した。Siのみ及びFeのみを蒸着した基板表面の原子間力顕微鏡(AFM)像の結果から、Siは粒状に凝集して成長しているのに対し、Feは穴が空いているがほぼ表面全体を覆っていることがわかる。さらに供給比Fe:Si=1:3.3及びFe:Si=1:1.2で同時蒸着成長させた場合は、組成がSiリッチ側にずれると粒状に成長し、Feリッチ側にずれると平坦にはなるが穴が目立ち、供給比が表面状態に大きく影響していることが明らかとなった。

口頭

$$beta$$-$${rm FeSi_2}$$単結晶表面の観察

山田 洋一*; 若谷 一平*; 大内 真二*; 鵜殿 治彦*; 都留 智仁; 江坂 文孝; 山本 博之

no journal, , 

$$beta$$-$${rm FeSi_2}$$は、鉄とシリコンからなるシリサイド半導体である。将来の熱電半導体や高効率な発光素子の可能性から、シリサイド系材料の高機能化に向け原子レベルでの構造制御の重要性が高まっている。このような背景のもと、ナノ構造シリサイドの形成及び物性評価に関する研究が広く行われるようになった。本報告は、走査トンネル顕微鏡による$$beta$$-$${rm FeSi_2}$$表面観察と、第一原理計算に基づくバルク及び表面の電子状態解析に関する一連の研究結果である。加熱後の清浄表面は原子レベル観察可能であり、(100), (110)などの表面観察から再構成のない構造が観察された。また、第一原理計算から、バルクのバンドギャップが0.8eVと過去の研究例と一致した結果を示すとともに、表面では鉄のd軌道成分によるスピン偏極の可能性が示唆された。

口頭

東京電力福島第一原子力発電所の廃炉に向けたレーザーと水噴流の複合加工技術の開発,1; 加工特性の評価

武部 俊彦*; 羽成 敏秀; 山田 知典; 大道 博行; 石塚 一平*; 大森 信哉*; 黒澤 孝一*; 佐々木 豪*; 中田 正宏*; 酒井 英明*

no journal, , 

原子力機構では、日立GEニュークリア・エナジー, スギノマシンと3者共同で福島第一原子力発電所の廃炉に向けたレーザー加工技術の開発を進めている。本発表では、現在開発している加工技術を用いた加工特性の評価結果を報告する。

口頭

東京電力福島第一原子力発電所の廃炉に向けたレーザーと水噴流の複合加工技術の開発,2; 高速度カメラによる観察

羽成 敏秀; 武部 俊彦*; 山田 知典; 大道 博行; 石塚 一平*; 大森 信哉*; 黒澤 孝一*; 佐々木 豪*; 中田 正宏*; 酒井 英明*

no journal, , 

原子力機構では、日立GEニュークリア・エナジー, スギノマシンと3者共同で福島第一原子力発電所の廃炉に向けたレーザー加工技術の開発を進めている。その一環として、レーザー加工時の物理現象解明のために高速度カメラを用いて、その観察を行った。本発表では、その観察結果について報告する。

口頭

東京電力HD(株)福島第一原子力発電所の廃炉に向けたレーザーと水噴流の複合加工技術の開発

石塚 一平*; 武部 俊彦*; 山田 知典

no journal, , 

東京電力ホールディングス福島第一原子力発電所の安全で確実な廃炉の実施は、国民の関心の高い課題になっている。この廃炉作業では、遠隔操作技術により、炉内構造物や燃料デブリ等を取り出すことができる大きさに加工する必要がある。本研究では、遠隔操作機器とのマッチングのよいレーザーと、ガスと比較して冷却性の高い水噴流を組み合わせたレーザーはつり除去技術を開発しており、金属試験体, セラミックス試験体及び金属セラミックス混合試験体を対象にした加工性について紹介する。

口頭

レーザー・ウォータージェットによるはつり除去技術の開発

石塚 一平*; 武部 俊彦*; 山田 知典; 大森 信哉*; 黒澤 孝一*; 佐々木 豪*; 中田 正宏*; 酒井 英明*; 柴田 卓弥

no journal, , 

東京電力ホールディングス福島第一原子力発電所(1F)の安全で確実な廃炉の実施は、国民の関心の高い課題である。1Fの廃炉作業では、遠隔操作技術により炉内構造物や燃料デブリ等を切断し、取り出しが可能な大きさに加工する必要がある。また、公衆被ばくの低減や汚染拡大防止等の観点から、放射性ダストの飛散防止が求められている。レーザー技術は加工に伴う反力が少ないことや加工ヘッドがコンパクトであり遠隔操作機器とのマッチングが良い等の優れた特長を有することから、廃炉作業における切断技術の一つとして期待されている。しかし、従来のレーザー切断技術はレーザー照射によって対象物を溶かし、その溶融物に大量のガスを吹きつけて除去するため、1Fの廃炉作業に適用する場合は、放射性物質を含有するダストがガスとともに気相中へ飛散することが大きな課題である。そこで、ガスの代わりに、ダストの飛散抑制に有効なウォータージェットをレーザーと組み合わせた切断技術を、日立GEニュークリア・エナジー, スギノマシン, 日本原子力研究開発機構の3機関による共同研究で開発している。本発表では、これまでに共同研究で取り組んできた開発内容と成果を報告する。

口頭

ガスシートプロファイルモニタのためのガス分布測定装置の開発

山田 逸平; 荻原 徳男*; 引地 裕輔*; 神谷 潤一郎; 金正 倫計

no journal, , 

J-PARCの陽子加速器は世界最大級である1MWの大強度ビームの出力を目指している。このような強度ではわずかなビームロスでも機器の放射化を引き起こし、安定な加速器の運転の妨げとなる。そこで非破壊型のビームプロファイルモニタの実用化を進めている。本モニタはシート状に形成したガスとビームの相互作用によりビームを検出するものである。そのためシートガスが一様な密度であれば得られる信号がビームのプロファイルとなるが、ガスは必ずしも一様に分布するわけではないため、ガス密度分布の実測データを用いて本モニタから得られる信号を校正する必要がある。そこで電子ビームを用いてガスをイオン化し、そのイオンを検出することでガス分布を測定する手法を考案し、その評価を行った。本会議では、本測定装置の原理検証実験を行った結果および本装置の実現可能性について報告し、様々な分野の専門家と議論することでガスシートモニタの実用化を目指すことを目的とする。

口頭

福島第一原子力発電所の廃炉に向けたレーザー技術の開発

山田 知典; 石塚 一平*; 武部 俊彦*; 羽成 敏秀; 大森 信哉*; 黒澤 孝一*; 佐々木 豪*; 中田 正宏*; 酒井 英明*; 柴田 卓弥; et al.

no journal, , 

福島第一原子力発電所(1F)の廃炉に向けた炉内構造物及び燃料デブリ等の取り出し作業では、遠隔操作技術により対象物にアクセスし、取り出すことができる大きさに加工する必要がある。これまでに機械加工をはじめ、様々な除去加工法が提案されており、レーザー加工技術もその1つとして期待される。日本原子力研究開発機構(原子力機構)の1F廃炉に向けた「基礎・基盤研究の全体マップ」に示されるように、燃料デブリ等の取り出しでは、廃炉工程で発生する放射性飛散微粒子挙動の解明($$alpha$$ダスト対策含む)が求められており、加工に伴う微粒子の評価や放出量の低減が重要となる。本研究では、レーザー加工に伴う微粒子の拡散抑制として、原子力機構, 日立GEニュークリア・エナジー, スギノマシンの3機関による共同研究で、ガス流の代わりに微粒子の飛散抑制に有効なウォータージェットをレーザーと組み合わせたはつり除去技術と、日本原子力研究開発機構「英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業」により実施した「レーザー加工により発生する微粒子の解析と核種同定手法の開発」について紹介を行う。

口頭

放射性物質によるコンクリート汚染の機構解明と汚染分布推定に関する研究,9; セメント硬化体への$$alpha$$核種の浸透に関する検討

粟飯原 はるか; 柴田 淳広; 駒 義和; 富田 さゆり*; 山田 一夫*; 丸山 一平*

no journal, , 

福島第一原子力発電所では建屋内に汚染水が滞留しており、プルトニウム等$$alpha$$核種が検出されている。汚染水の分析結果より、プルトニウム濃度は下流で低下していることから、原子炉建屋内に残留していることが懸念される。$$alpha$$核種の挙動は内部被ばくや臨界管理上非常に重要となる。ここでは$$alpha$$核種を含む模擬汚染水にセメント試験片を浸漬させ、表層から$$alpha$$核種が浸透する深さを評価した。セメント種類や変質状態によらず、一か月程度の浸漬では浸透は0$$sim$$1mmにとどまった。$$alpha$$核種であるプルトニウムやアメリシウムはpHが上がることにより加水分解を起こし沈殿が生じるため、セメント内部水のpHが高いことから表層に析出したと考えられる。

口頭

放射性物質によるコンクリート汚染の機構解明と汚染分布推定に関する研究,10; 建屋地下コンクリートへのCs, Srの浸透挙動のモデル化

富田 さゆり*; 小林 佑太朗*; 芳賀 和子*; 細川 佳史*; 山田 一夫*; 粟飯原 はるか; 五十嵐 豪*; 丸山 一平*

no journal, , 

福島第一原子力発電所の廃炉時に発生する大量のコンクリート廃棄物の処分計画において、事故後から廃炉時までの放射性核種の移行予測は有用である。重要核種であるCsとSrは、骨材やセメント系材料中のC-S-Hに収着されるため、Cs, Srの移行予測には骨材およびC-S-HへのCs, Srの収着モデルを実装した相平衡モデルが必要である。本研究では、福島第一原子力発電所コンクリートで使用されたものと同じ産地の骨材に対してCsおよびSrの収着試験を実施し、イオン交換反応を用いた骨材とCs, Srの相互作用をモデル化した。この結果を既報のC-S-Hへの収着モデルとともに相平衡-物質移動連成モデルに実装し、高濃度の汚染水が長く滞留していた1号機タービン建屋地下コンクリートを想定したコンクリートへのCs, Srの浸透計算を行った。

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