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論文

Dynamics of radiocaesium within forests in Fukushima; Results and analysis of a model inter-comparison

橋本 昌司*; 田中 拓*; 小松 雅史*; Gonze, M.-A.*; 坂下 渉*; 操上 広志; 仁科 一哉*; 太田 雅和; 大橋 伸太*; Calmon, P.*; et al.

Journal of Environmental Radioactivity, 238-239, p.106721_1 - 106721_10, 2021/11

 被引用回数:0

本研究は、福島の主に常緑針葉樹林内における放射性セシウムの移行について、複数の研究チームによるモデルを用いた解析を行い、比較を行うことで、モデルのパフォーマンスを分析したものである。また、落葉層の除去と樹木更新の2つの管理シナリオ、および落葉広葉樹林を対象とした補助シナリオについても比較、分析した。いずれのモデルも実測の放射性セシウム濃度の変化傾向などを再現できたが、事故から50年後の予測についてはばらつきが大きく、継続した調査、解析による評価が必要である。

論文

5.4.3 大気拡散シミュレーションによるソースターム評価

永井 晴康

シビアアクシデント時の核分裂生成物挙動, p.112 - 116, 2021/05

福島第一原子力発電所事故による環境影響や公衆の被ばく線量を評価することを目的に、大気拡散シミュレーションを活用して放射性物質の大気中への放出量(ソースターム)の推定と拡散状況の解明が行われている。ここでは、日本原子力研究開発機構により、事故後早期から今日に至るまで実施されてきた研究を中心に、ソースターム推定の概要、事故進展と大気拡散過程、解析の課題と今後の展開について解説する。ソースタームの推定は、大気拡散シミュレーションを用いて、環境モニタリングデータから逆推定することでI-131とCs-137の放出率の時間推移を求めた。この推定値を用いた大気拡散シミュレーションは、測定された大気中濃度の時間変化と地表沈着量分布を良好に再現し、住民の避難行動パターンと組み合わせた線量推計に活用された。また、大気中に放出された放射性物質の大気拡散により、どのように大気拡散し陸域の汚染が生じたかを明らかにした。しかし、環境データからの逆解析には核種組成と化学形の情報が不足することに起因する不確かさがあるという課題があり、今後過酷事故解析と融合することで、ソースターム推定のさらなる精緻化が期待される。

論文

PCV内の線量率分布評価

奥村 啓介

シビアアクシデント時の核分裂生成物挙動, p.116 - 121, 2021/05

事故進展解析,内部調査結果(カメラ映像や断片的な線量率実測値),サンプリング分析値などの情報と、燃焼・放射化計算及び放射線輸送計算等の理論計算を組み合わせ、破損および汚染された仮想的な福島第一原子力発電所の3次元プラントモデルを計算機上に構築し、格納容器内の最も確からしい線源・線量率分布を推定するための手法開発を行った。また、格納容器内モデルに配置した放射線検出器の応答計算に基づき、セシウムに汚染された格納容器内で、燃料デブリを探査するために有効な手法を提言した。

論文

Calculations for ambient dose equivalent rates in nine forests in eastern Japan from $$^{134}$$Cs and $$^{137}$$Cs radioactivity measurements

Malins, A.; 今村 直広*; 新里 忠史; 高橋 純子*; Kim, M.; 佐久間 一幸; 篠宮 佳樹*; 三浦 覚*; 町田 昌彦

Journal of Environmental Radioactivity, 226, p.106456_1 - 106456_12, 2021/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Environmental Sciences)

Understanding the relationship between the distribution of radioactive $textsuperscript{134}$Cs and $textsuperscript{137}$Cs in forests and ambient dose equivalent rates ($textit{.{H}}$*(10)) in the air is important for researching forests in eastern Japan affected by the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant (FDNPP) accident. This study used a large number of measurements from forest samples, including $$^{134}$$Cs and $textsuperscript{137}$Cs radioactivity concentrations, densities and moisture contents, to perform Monte Carlo radiation transport simulations for $textit{.{H}}$*(10) between 2011 and 2017. Calculated $textit{.{H}}$*(10) at 0.1 and 1 m above the ground had mean residual errors of 19% and 16%, respectively, from measurements taken with handheld NaI(Tl) scintillator survey meters. Setting aside the contributions from natural background radiation, $textsuperscript{134}$Cs and $textsuperscript{137}$Cs in the organic layer and the top 5 cm of forest soil generally made the largest contributions to calculated $textit{.{H}}$*(10). The contributions from $textsuperscript{134}$Cs and $textsuperscript{137}$Cs in the forest canopy were calculated to be largest in the first two years following the accident. Uncertainties were evaluated in the simulation results due to the measurement uncertainties in the model inputs by assuming Gaussian measurement errors. The mean uncertainty (relative standard deviation) of the simulated $textit{.{H}}$*(10) at 1 m height was 11%. The main contributors to the total uncertainty in the simulation results were the accuracies to which the $textsuperscript{134}$Cs and $textsuperscript{137}$Cs radioactivities of the organic layer and top 5 cm of soil, and the vertical distribution of $textsuperscript{134}$Cs and $textsuperscript{137}$Cs within the 5 cm soil layers, were known. Radioactive cesium located in the top 5 cm of soil was the main contributor to $textit{.{H}}$*(10) at 1 m by 2016 or 2017 in the calculation results for all sites.

論文

Numerical interpretation of hydrogen thermal desorption spectra for iron with hydrogen-enhanced strain-induced vacancies

海老原 健一; 杉山 優理*; 松本 龍介*; 高井 健一*; 鈴土 知明

Metallurgical and Materials Transactions A, 52(1), p.257 - 269, 2021/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:48.93(Materials Science, Multidisciplinary)

応力腐食割れの原因の1つと考えられている水素脆化に関し、近年、材料の変形時に水素により過剰生成した空孔が直接の原因と考える水素助長ひずみ誘起空孔モデルが提案されている。しかし、その定量的考察はあまりなされておらず、誘起空孔の挙動の定量的評価が必要である。このことから、本研究では、水素添加と同時にひずみを与えた純鉄の薄膜試料の水素熱脱離スペクトルを、空孔及び空孔クラスターの挙動を考慮したモデルでシミュレーションした。モデルでは、9個の空孔からなる空孔クラスター($$V_9$$)までを考慮し、空孔及び空孔クラスターの水素トラップエネルギーとして、分子静力学で見積もった値を用いた。また、拡散に関するパラメータも原子レベル計算で評価した値を用いた。結果として、モデルは、全体としてスペクトルを再現し、時効処理の温度に対するスペクトルの変化も再現した。一方、実験との2つの特徴的な違いも現れ、その考察から、$$V_2$$及び$$V_3$$の拡散はモデルより遅いこと、また、水素と共にひずみを与える際に、空孔クラスターも生成されることの可能性が見出された。本モデルは、照射で生成した空孔の挙動の考察にも応用可能と考える。

論文

富岳およびSummitにおける核融合プラズマ流体解析の高速化

井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; Ali, Y.*; 今村 俊幸*

第34回数値流体力学シンポジウム講演論文集(インターネット), 6 Pages, 2020/12

ジャイロ運動論的トロイダル5次元full-fオイラーコードGT5Dにおける半陰解法差分計算用に新しいFP16(半精度)前処理付き省通信クリロフソルバを開発した。このソルバでは、大域的集団通信のボトルネックを省通信クリロフ部分空間法によって解決し、さらに収束特性を向上するFP16前処理によって袖通信を削減した。FP16前処理は演算子の物理特性に基づいて設計し、A64FXで新たにサポートされたFP16SIMD処理を用いた実装した。このソルバをGPUにも移植し、約1,000億格子のITER規模計算の性能を富岳(A64FX)とSummit(V100)で測定した。従来の非省通信型ソルバに比べて、新しいソルバはGT5Dを$$2 sim3$$倍加速し、富岳とSummitの両方で5,760CPU/GPUまで良好な強スケーリングが得られた。

論文

Brittle-fracture simulations of curved cleavage cracks in $$alpha$$-iron; A Molecular dynamics study

鈴土 知明; 海老原 健一; 都留 智仁

AIP Advances (Internet), 10(11), p.115209_1 - 115209_8, 2020/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:0(Nanoscience & Nanotechnology)

BCC金属の脆性破壊のメカニズムはまだ明確には理解されているとは言えない。本研究では、$$alpha$$鉄のへき開破壊の解析のため一連の3次元分子動力学シミュレーションを行った。特に、湾曲したき裂フロントから始まるモードI変形に焦点を当てた。シミュレーション結果、{100}面でへき開による脆性破壊が観察されたが、他の面では転位の放出によりき裂が鈍化した。この結果は{100}がbcc遷移金属で優先的に観測されるへ開面あるという一般的な実験的観察を再現した。

論文

Atomistic modeling of hardening in spinodally-decomposed Fe-Cr binary alloys

鈴土 知明; 高見澤 悠; 西山 裕孝; Caro, A.*; 外山 健*; 永井 康介*

Journal of Nuclear Materials, 540, p.152306_1 - 152306_10, 2020/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:42.23(Materials Science, Multidisciplinary)

熱時効したFe-Cr合金はスピノーダル分解によって硬化を引き起こし、これはいわゆる475C脆性の直接的な原因である。スピノーダル分解が原子的相互作用によってどのように硬化を引き起こすのかを示すため、数値シミュレーションと実験を実施した。数値的な結果では、硬さが短距離秩序(SRO)パラメーターと比例することを示され、実験でもこの関係を統計誤差内で再現した。どちらの結果も、隣接するCr-Cr原子ペアが本質的に硬化を引き起こすことを示唆した。なぜなら、SROがそのようなペアの出現確率に一意的に依存しているからである。硬化の主な原因がそのようなCr-Crペア付近を通過する転位のピン止め効果であることが示唆されたが、このアイデアはさらなるモデリング研究により裏付けられた。

論文

Molecular dynamics study of phosphorus migration in $$Sigma$$5 grain boundary of $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

Proceedings of Joint International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications + Monte Carlo 2020 (SNA + MC 2020), p.65 - 69, 2020/10

リンは鉄鋼材料において粒界脆化を引き起こす元素として知られている。さらに、照射による空孔や格子間原子の増加によってリン原子の粒界偏析が促進される。このことから、照射量や温度に対する粒界リン偏析量を評価するため、原子レベルの素過程に基づく拡散レート理論モデルを開発している。しかし、このモデルでは、粒界でのリンのトラップ及びデトラップモデルが適切に取り込まれていないため、実験結果と直接比較できる量を計算できない。粒界からのデトラップを考察するため、これまで、これまで鉄中の$$Sigma$$3対称傾角粒界内におけるリンの移動を分子動力学シミュレーションにより考察してきたが、本研究では、$$Sigma$$5でのリン移動をシミュレーションし、$$Sigma$$3との結果と比較した。その結果、800Kにおいて、$$Sigma$$3ではリン原子は比較的容易に鉄原子の間を移動するが、$$Sigma$$5では空孔がないと移動できないことが分かった。また、リン原子を置かない粒界領域中の鉄原子についても同様の傾向が見られた。これは、デトラップ過程をモデル化するための1つの知見を与えると考えられる。

論文

金属硝酸塩水溶液のマイクロ波加熱特性ならびに金属酸化物の粉末性状評価

瀬川 智臣; 川口 浩一; 石井 克典; 鈴木 政浩; 深澤 智典*; 福井 国博*

粉体工学会誌, 57(9), p.485 - 494, 2020/09

使用済燃料の再処理工程において、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液をマイクロ波加熱脱硝法により混合酸化物粉末に転換している。ラボスケールの基礎実験において研究開発された知見に基づき、工学規模への適用性の評価や金属硝酸塩水溶液の様々なマイクロ波加熱脱硝特性データを取得するため、硝酸セリウム,硝酸コバルト,硝酸銅水溶液を用いてマイクロ波加熱特性及び金属酸化物粉末特性の研究を行った。脱硝反応の進行速度は位置により差がみられ、周縁部の方が中心部に比べて脱硝反応が速く進行した。硝酸セリウム水溶液ではポーラスな硬い乾固体、硝酸コバルト水溶液では発泡乾固体、硝酸銅水溶液では粉末状生成物が得られることが分かった。生成物の脱硝率及び平均粒子径は、硝酸セリウム水溶液,硝酸コバルト水溶液,硝酸銅水溶液の順に大きくなることを確認した。数値シミュレーションにより、金属硝酸塩水溶液の底面周縁部はマイクロ波により加熱されやすく、脱硝反応が周縁部から開始する実験結果と一致することを明らかにした。

論文

原子力分野におけるシミュレーションの信頼性確保

田中 正暁; 中田 耕太郎*; 工藤 義朗*

日本機械学会誌, 123(1222), p.26 - 29, 2020/09

原子力分野では、原子炉物理,熱流動,構造解析などの多岐の技術分野にわたり、原子力関連施設の設計,建設,運転の各段階でシミュレーションが活用されている。本解説記事では、日本原子力学会において制定された、モデルの検証及び妥当性確認(V&V: Verification & Validation)に関わる基本的な考え方をまとめた「シミュレーションの信頼性に関するガイドライン:2015」の策定経緯と記載内容について概説するとともに、その原子力学会ガイドラインで示される不確かさ評価の具体化の試みの一例について紹介する。

論文

${it In situ}$ WB-STEM observation of dislocation loop behavior in reactor pressure vessel steel during post-irradiation annealing

Du, Y.*; 吉田 健太*; 嶋田 雄介*; 外山 健*; 井上 耕治*; 荒河 一渡*; 鈴土 知明; Milan, K. J.*; Gerard, R.*; 大貫 惣明*; et al.

Materialia, 12, p.100778_1 - 100778_10, 2020/08

長期に原子炉圧力容器の健全性を確保するためには、照射が材料に及ぼす影響を理解する必要がある。本研究では我々が新規開発したWB-STEMを用いて、中性子照射された原子炉圧力容器試験片を焼鈍中、照射誘起転位ループの観察を行った。焼鈍温度を上げると$$<100>$$ループの割合が増加していることが確認された。また、2つの$$frac{1}{2}$$$$<111>$$ループが衝突して$$<100>$$ループになる現象の観察に初めて成功した。転位に転位ループがデコレートする現象も観察され、分子動力学シミュレーションによってそのメカニズムが説明することができた。

論文

Numerical validation of AQUA-SF in SNL T3 sodium spray fire experiment

曽根原 正晃; 青柳 光裕; 内堀 昭寛; 高田 孝; 大島 宏之; Clark, A. J.*; Louie, D. L. Y.*

Proceedings of 2020 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 2020) (Internet), 4 Pages, 2020/08

ナトリウム燃焼における多次元効果の検証のために、原子力機構においてSNL T3ナトリウム燃焼試験をAQUA-SFおよびSPHINCSコードを用いて検証を行った。解析において、試験中の燃焼停止期間を模擬し、ナトリウム液滴径の最適化を行うことで、試験結果の再現を行った。その際、AQUA-SFにおけるBest estimateの液滴径は2.5mmとなり、ハイスピードカメラによる測定と矛盾しない結果を得ることができた。

論文

Monte Carlo radiation transport modelling of the current-biased kinetic inductance detector

Malins, A.; 町田 昌彦; Vu, TheDang; 相澤 一也; 石田 武和*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 953, p.163130_1 - 163130_7, 2020/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:91.19(Instruments & Instrumentation)

Radiation transport simulations were used to analyse neutron imaging with the current-biased kinetic inductance detector (CB-KID). The PHITS Monte Carlo code was applied for simulating neutron, $$^{4}$$He, $$^{7}$$Li, photon and electron transport, $$^{10}$$B(n,$$alpha$$)$$^{7}$$Li reactions, and energy deposition by particles within CB-KID. Slight blurring in simulated CB-KID images originated $$^{4}$$He and $$^{7}$$Li ions spreading out in random directions from the $$^{10}$$B conversion layer in the detector prior to causing signals in the $$X$$ and $$Y$$ superconducting Nb nanowire meander lines. 478 keV prompt gamma rays emitted by $$^{7}$$Li nuclei from neutron-$$^{10}$$B reactions had negligible contribution to the simulated CB-KID images. Simulated neutron images of $$^{10}$$B dot arrays indicate that sub 10 $$mu$$m resolution imaging should be feasible with the current CB-KID design. The effect of the geometrical structure of CB-KID on the intrinsic detection efficiency was calculated from the simulations. An analytical equation was then developed to approximate this contribution to the detection efficiency. Detection efficiencies calculated in this study are upper bounds for the reality as the effects of detector temperature, the bias current, signal processing and dead-time losses were not taken into account. The modelling strategies employed in this study could be used to evaluate modifications to the CB-KID design prior to actual fabrication and testing, conveying a time and cost saving.

論文

Molecular dynamics simulations of phosphorus migration in a grain boundary of $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

TMS 2020; 149th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings, p.995 - 1002, 2020/02

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.11

リンは鉄鋼材料において粒界脆化を引き起こす元素として知られている。さらに、照射による空孔や格子間原子の増加によってリン原子の粒界偏析が促進される。このことから、照射量や温度に対する粒界リン偏析量を評価するため、原子レベルの素過程に基づく拡散レート理論モデルを開発している。しかし、このモデルでは、粒界でのリンのトラップ及びデトラップモデルが適切に取り込まれていないため、実験結果と直接比較できる量を計算できない。本研究では、粒界からのデトラップを考察するため、鉄中の$$Sigma$$3対称傾角粒界内におけるリンの移動を分子動力学でシミュレーションした。また、移動するリン原子を追跡し、その拡散障壁エネルギーを評価した。その結果、拡散障壁エネルギーは粒界の鉄原子の隙間の偏析サイトの偏析エネルギーと同程度であり、粒界中の鉄原子の間を移動することが分かった。これは、デトラップ過程をモデル化するための1つの知見を与えると考えられる。

論文

粗視化分子動力学法による水和モンモリロナイトの組織構造シミュレーション

木本 和志*; 河村 雄行*; 牧野 仁史

Journal of Computer Chemistry, Japan, 19(2), p.46 - 49, 2020/00

本研究は、モンモリロナイトの締固めをシミュレートするための、2次元粗視化分子動力学法を提案するものである。この方法では、モンモリロナイト分子の単位構造と水和水を一つの粒子に粗視化して、変形するモンモリロナイト分子を1次元的に連結された粗視化粒子で表現する。粗視化粒子間に働く力には、分子内の結合力と分子間ファンデルワールス力を考慮し、前者は調和振動子として、後者はレナードジョーンズポテンシャルでモデル化する。このようなモデルを用いて締固めの数値シミュレーションを行った結果、大きく変形したモンモリロナイト分子が、締固めの結果4から6分子程度積層することが明らかとなった。また、シミュレーション結果からX線回折パターンを合成したところ、実験でも観測される回折ピークが得られることが明らかとなった。

報告書

レーザー加工プロセス計算科学シミュレーションコードSPLICEの整備; 令和元年度研究成果

村松 壽晴

JAEA-Research 2019-008, 111 Pages, 2019/11

JAEA-Research-2019-008.pdf:8.64MB

レーザー光を熱源とした材料加工などに対する数値解析的な評価手法の確立を図ることを目的として、レーザー溶融・凝固計算科学シミュレーションコードSPLICEを開発した。本コードは、レーザー加工分野における多品種少量生産を行う上で、レーザー照射条件などの設定に費やすオーバーヘッドを適切に低減させるため、レーザー-物質相互作用、半溶融帯を介した溶融金属-固体材料間の熱的機械的相互作用、溶融・凝固相変化過程などの複合物理過程を取扱うために必要となる物理モデル, 数学モデルなどを導入した気-液-固統一非圧縮性粘性流汎用多次元コードである。本コードの主要な特徴は以下の通りである。(1)ミクロ挙動とマクロ挙動とを多階層スケールモデルにより接続し、固体材料へのレーザー光照射から、固体材料の溶融・凝固過程までの一連の複合物理過程を、汎用ワークステーション上で評価することが可能、(2)レーザー光を熱源とする材料加工として、溶接, 溶断, 穿孔, コーティング, 金属光造形などを対象に、数値解析評価が可能、(3)SPLICEコードユーザーへの負荷を低減させるため、グラフィックユーザーインターフェースを整備し、対話形式でのコード運用が可能なことである。

論文

環境中空間線量率3次元分布計算システム(3D-ADRES)の研究開発; PHITSとリモートセンシングの融合による環境放射線量の推定

Kim, M.; Malins, A.; 佐久間 一幸; 北村 哲浩; 町田 昌彦; 長谷川 幸弘*; 柳 秀明*

Isotope News, (765), p.30 - 33, 2019/10

福島県内の市街地や森林等の複雑な実環境空間に対して、詳細な空間線量率の3次元分布を計算可能とする3D-ADRESを開発した。本システムでは、地形・建物・樹木等の環境中の複雑な構造物をリモートセンシング情報(地理情報)に基づきモデル化し、モデル上の様々な環境面に異なるCs線源分布が付与可能である。本稿では3D-ADRESを福島第一原子力発電所付近の帰還困難区域の住宅地に適用し、空間線量率分布の計算が有効に機能すること(空間線量率の計算値と測定値の比較から凡そ良い一致)を検証した。

論文

Performance evaluation of differential die-away system in an integrated active neutron NDA system for nuclear non-proliferation and nuclear security

大図 章; 前田 亮; 米田 政夫; 藤 暢輔

Proceedings of 2018 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (IEEE NSS/MIC 2018) (Internet), 4 Pages, 2019/10

A Differential Die-away Analysis (DDA) system using a compact pulsed neutron (DT: 14 MeV) generator has been successfully developed for nuclear non-proliferation and nuclear security in the Japan Atomic Energy Agency. The DDA system employing the fast neutron direct interrogation method is designed to quantify fissile materials in samples which have different volume from a vial bottle (4 cc) to pail container (20 liter). It has been demonstrated experimentally that the DDA system is capable of quantifying a nuclear fissile material (Pu-239) less than 10 mg in a vial bottle. The performance of the DDA system with a large measurement sample such as a MOX can container (2 liter) was evaluated through the Monte Carlo simulation studies. The simulation results show that the Pu-239 mass of around 10 mg even in the MOX can container can be detected. The results of the simulation study are discussed and compared to those of the experimental test.

論文

核融合プラズマのエクサスケールシミュレーション

井戸村 泰宏; 渡邉 智彦*; 藤堂 泰*

シミュレーション, 38(2), p.79 - 86, 2019/06

次世代核融合実験炉ITERにおける炉心プラズマ性能の評価・予測、および、より高性能な炉心運転シナリオの探索に向けて、ポスト「京」をターゲットとするエクサスケール核融合プラズマシミュレーションの研究開発を推進している。本稿では、これまでに開発してきたエクサスケール計算技術や既存実験装置を対象とする実証研究の成果を紹介し、ポスト「京」における核融合プラズマシミュレーションの展望を議論する。

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