Development of a temperature-dependent chemical simulation code based on PHITS for water radiolysis from 0 to 350C

松谷 悠佑; 吉井 勇治*; 楠本 多聞*; Wang, Y.*; 小川 達彦; 佐藤 達彦; 甲斐 健師

Scientific Reports (Internet), 24 Pages, 2026/00

https://doi.org/10.1038/s41598-026-52128-z

水の放射線分解は、人体におけるDNA損傷や原子炉における腐食など、材料に対する放射線影響に重要な役割を果たす。従来の化学コードは主に室温付近に限定されており、原子炉環境の温度条件とは大きく異なる。本研究では、汎用モンテカルロコードParticle and Heavy Ion Transport code System (PHITS)に基づき、0350Cの温度範囲に適用可能な化学コード(PHITS-Chem)を開発した。拡散係数および反応速度定数の温度依存性を考慮し、低LET(0.2keV/m)、中LET(11.9keV/m)、高LET(63.4keV/m)放射線に対する既報の実験および理論G値と比較することで検証した。本コードにより、広い温度範囲での放射線分解生成種の反応動力学を高精度に評価でき、炉内材料劣化やシビアアクシデント対策の検討への応用が期待される。

令和5年度核燃料サイクル工学研究所放出管理業務報告書(排水)

國分 祐司; 細見 健二; 瀬谷 夏美; 永岡 美佳; 井上 和美; 小池 優子; 長谷川 涼; 久保田 智大; 平尾 萌; 飯澤 将伍; et al.

JAEA-Review 2024-053, 116 Pages, 2025/03

JAEA-Review-2024-053.pdf:3.26MB

本報告書は、原子力規制関係法令を受けた「再処理施設保安規定」、「核燃料物質使用施設保安規定」、「放射線障害予防規程」、「放射線保安規則」及び茨城県等との「原子力施設周辺の安全確保及び環境保全に関する協定書」、「水質汚濁防止法」並びに「茨城県条例」に基づき、令和5年4月1日から令和6年3月31日までの期間に日本原子力研究開発機構核燃料サイクル工学研究所から環境へ放出した放射性排水の放出管理結果を取りまとめたものである。再処理施設、プルトニウム燃料開発施設をはじめとする各施設からの放射性液体廃棄物は、濃度及び放出量ともに保安規定及び協定書等に定められた基準値を十分に下回った。

A Step-by-step simulation code for estimating yields of water radiolysis species based on electron track-structure mode in the PHITS code

松谷 悠佑; 吉井 勇治*; 楠本 多聞*; 赤松 憲*; 平田 悠歩; 佐藤 達彦; 甲斐 健師

Physics in Medicine & Biology, 69(3), p.035005_1 - 035005_12, 2024/02

https://doi.org/10.1088/1361-6560/ad199b

水の放射線分解における化学生成物の時間依存性は、電離放射線へ被ばくした後のDNA損傷応答を評価する際に重要な役割を果たす。粒子および重イオン輸送コードシステム(PHITS)は、放射線輸送のための汎用モンテカルロシミュレーションコードであり、物理過程であるイオン化や電子励起などの原子相互作用を計算することができる。しかし、水の放射線分解生成物をシミュレートするための化学コードはPHITSパッケージには存在しない。本研究では、電子線による水の放射線分解生成物(OHラジカル、e、H、HOなど)のG値を計算できるPHITS専用の化学シミュレーションコード(PHITS-Chemコード)を開発した。その結果、開発したPHITS-Chemコードは1 sまでのG値の測定値や他のシミュレーション値と一致することが確認できた。また、このコードは、OHラジカルスカベンジャー存在下での様々な化学生成物のシミュレーションや、DNA損傷誘発に対する直接的および間接的な影響の寄与を分析にも役立つ。このコードは原子力機構が主となり開発を進めるPHITSパッケージに内包され、8000名以上のユーザーに提供される予定である。

An Analytical method for quantifying the yields of DNA double-strand breaks coupled with strand breaks by -H2AX focus formation assay based on track-structure simulation

谷内 淑恵*; 松谷 悠佑*; 吉井 勇治*; 福永 久典*; 伊達 広行*; 甲斐 健師

International Journal of Molecular Sciences (Internet), 24(2), p.1386_1 - 1386_14, 2023/01

https://doi.org/10.3390/ijms24021386

生きた細胞に放射線が照射され、DNAの数ナノメートル以内に複雑な損傷が形成されると、細胞死のような生物影響を誘発すると考えられている。一般的に、細胞に形成された複雑なDNA損傷は、蛍光体を利用すると、損傷部位の周辺が焦点のように発光するため、蛍光顕微鏡で実験的に検出することができる。しかしながらこの検出法で、DNA損傷の複雑さの度合いを解析するまでには至ってなかった。そこで本研究では、計測した焦点サイズに注目すると共に、飛跡構造解析コードを用いてDNA損傷の複雑さの度合いを評価した。その結果、DNA損傷がより複雑になると、焦点サイズも増大する ことがわかった。本研究成果は、放射線生物影響の初期要因を解明するための新たな解析手法になることが期待される。

Impact of the Lorentz force on electron track structure and early DNA damage yields in magnetic resonance-guided radiotherapy

谷内 淑恵*; 甲斐 健師; 松谷 悠佑; 平田 悠歩; 吉井 勇治*; 伊達 広行*

Scientific Reports (Internet), 12, p.16412_1 - 16412_8, 2022/09

https://doi.org/10.1038/s41598-022-18138-3

近年、腫瘍を見ながら治療する磁場共鳴誘導放射線治療法(MRgRT)が開発され、その装置が医療施設へ導入され始めている。MRgRTにおいて、ローレンツ力は荷電粒子によるマクロな線量分布を変調することが知られているが、生体内におけるミクロな放射線飛跡構造や初期DNA損傷に対するローレンツ力の影響は未解明のままである。本研究では、PHITSを利用し、静磁場が印加された生体内の電子線飛跡構造を模擬し、その結果から生物学的効果の特徴を推定した。本研究により、腫瘍サイズのマクロな線量分布はローレンツ力に強く依存する一方、分子サイズのミクロなDNA損傷は、ローレンツ力の影響を受けない数10eV未満の二次電子がDNAの二本鎖切断に起因することを明らかにした。本研究から得られた新たな知見はMRgRTの発展に大きく寄与することが期待される。

A Simplified Cluster Analysis of Electron Track Structure for Estimating Complex DNA Damage Yields

松谷 悠佑; 中野 敏彰*; 甲斐 健師; 鹿園 直哉*; 赤松 憲*; 吉井 勇治*; 佐藤 達彦

International Journal of Molecular Sciences (Internet), 21(5), p.1701_1 - 1701_13, 2020/03

https://doi.org/10.3390/ijms21051701

電離放射線被ばく後に誘発されるDNA損傷の中でも、10から20塩基内に2つ以上のDNA損傷が誘発されるクラスター損傷は人体にとって致命的な損傷として知られている。そのようなクラスター損傷の収率はシミュレーション技術によって評価されてきたが、その推定精度についての検証は未だ不十分である。クラスター損傷を検出する科学技術の進歩に伴い、実験と推定の両方によりクラスター損傷を評価することが近年ようやく可能となった。本研究では、PHITSコードで得られる非弾性散乱(電離・電子的励起)数の空間密度を解析することによりクラスター損傷を推定するシンプルなモデルを考案し、ゲル電気泳動や原子間力顕微鏡により測定されるクラスター損傷(例:塩基損傷を伴うDNA二本鎖切断や2つ以上の塩基損傷)の実験結果と比較した。塩基損傷と主鎖切断の収率比を1.3と仮定することで、シミュレーションによって、主鎖切断ならびに塩基損傷に対するクラスター損傷生成率の実測値の再現に成功した。また、塩基損傷を伴う複雑な二本鎖切断に対する推定値と対応する実測値との比較結果から、電離・電子的励起数の凝集度がDNA損傷の複雑さを反映することが示唆された。開発したモデルにより、X線(電子線)により誘発されるクラスター損傷の種類の定量化が可能となり、クラスター塩基損傷に対する実験的な検出効率の解釈に成功した。

Track structure study for energy dependency of electrons and X-rays on DNA double-strand break induction

谷内 淑恵*; 吉井 勇治*; 松谷 悠佑; 森 諒輔*; 及川 青亮*; 伊達 広行*

Scientific Reports (Internet), 9, p.17649_1 - 17649_8, 2019/11

https://doi.org/10.1038/s41598-019-54081-6

光子線および電子線に対する放射線加重係数はエネルギーに依存せず一意に1.0と定められている。しかしながら、200kVp X線と比較して、29kVpX線で生物学的効果が高くなることを指摘する実験データも公表されている。また、光子線による生体への影響は、相互作用で生成される電子線による影響の評価も重要となる。本研究では、染色体(マイクロメートル)スケールにおける放射線飛跡上のエネルギー付与の密度を表す線量平均線エネルギー(keV/m))をモンテカルロ計算により評価し、診断用X線と治療で使用される6MVのX線エネルギースペクトルに対するDNA二本鎖切断生成率の実測結果と比較した。実測値から、治療用X線(6MV)と比較して診断用X線(60-100kVp)において、多くのDNA二本鎖切断数を検出した。この実測値と線量平均線エネルギー(計算値)の関係から、X線エネルギーが小さいほど低エネルギー電子の作用により生物学的効果が高くなる可能性が示された。本研究の成果は、光子線および電子線に対する放射線加重係数をエネルギーに応じて定義すべきことを示唆するものである。

Intensity modulated radiation fields induce protective effects and reduce importance of dose-rate effects

松谷 悠佑; McMahon, S. J.*; Ghita, M.*; 吉井 勇治*; 佐藤 達彦; 伊達 広行*; Prise, K. M.*

Scientific Reports (Internet), 9, p.9483_1 - 9483_12, 2019/07

https://doi.org/10.1038/s41598-019-45960-z

放射線治療において、強度変調放射線場と複雑な線量伝達を使用して腫瘍へ高線量を処方する。しかしながら、それらを組み合わせた照射中の細胞応答は未だ明らかになっていない。そこで、強度変調放射線場が放射線感受性と照射中の回復に与える影響を解析した。先ず、培養細胞を含む培養フラスコの50%(半照射野)もしくは100%(全照射野)の面積に照射を行った。また、線量率と細胞間シグナルの両効果を考慮した細胞死を表現しうるモデルを構築した。その結果、(i)同吸収線量被ばく時の全照射野被ばくと比較し、半照射野被ばく時の照射野内細胞は高い生存率を示し、(ii)半照射野下におけるヒト正常皮膚線維芽細胞の亜致死損傷 回復の重要度が低減することが分かった。さらに、(iii)半照射野時の生存率の増加はレスキュー効果(修復の増加)ではなく防御効果(初期DNA損傷生成率の低減)に起因する知見を得た。これらの知見は、不均一被ばく後の照射細胞と非照射細胞に対する放射線感受性の新たな理解に貢献するものである。

平成28年度核燃料サイクル工学研究所放出管理業務報告書(排水)

中野 政尚; 藤田 博喜; 永岡 美佳; 井上 和美; 小池 優子; 吉井 秀樹*; 檜山 佳典*; 大谷 和義*; 菊地 政昭*; 坂内 信行*; et al.

JAEA-Review 2017-037, 119 Pages, 2018/03

JAEA-Review-2017-037.pdf:2.58MB

本報告書は、原子力規制関係法令を受けた「再処理施設保安規定」、「核燃料物質使用施設保安規定」、「放射線障害予防規程」、「放射線保安規則」及び「茨城県等との原子力施設周辺の安全確保及び環境保全に関する協定書」、「水質汚濁防止法」並びに「茨城県条例」に基づき、平成28年4月1日から平成29年3月31日までの期間に日本原子力研究開発機構核燃料サイクル工学研究所から環境へ放出した放射性排水の放出管理結果をとりまとめたものである。再処理施設, プルトニウム燃料開発施設をはじめとする各施設からの放射性液体廃棄物は、濃度及び放出量ともに保安規定及び協定書等に定められた基準値を十分に下回った。

日本原子力研究開発機構における研究開発の現状

藤田 雄二; 吉井 賢資

電気評論, 101(2), p.43 - 58, 2016/02

日本原子力研究開発機構は、平成27年度から国立研究開発法人の指定を受け、我が国唯一の総合的原子力研究開発機関として、原子力による新しい科学技術や産業の創出を目指して基礎研究、応用研究からプロジェクト開発的研究に至るまで幅広い研究開発を行っている。特に、科学的技術的専門性を最大限に活用して、東京電力福島第一原子力発電所事故からの復旧・復興に向けた取組み、原子力安全研究、核燃料サイクル技術の確立を目指した研究開発、放射性廃棄物処理に関わる研究等を重点的に実施すべき業務として進めてきた。平成27年度は、新たに策定した「第3期中長期計画」の初年度に当たる。本稿では原子力機構における平成27年度の研究開発の主な成果を中心に、現状と今後の動向を紹介する。