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論文

Hydrogen production using thermochemical water-splitting iodine-sulfur process test facility made of industrial structural materials; Engineering solutions to prevent iodine precipitation

野口 弘喜; 上地 優; 田中 伸幸; 竹上 弘彰; 岩月 仁; 笠原 清司; Myagmarjav, O.; 今井 良行; 久保 真治

International Journal of Hydrogen Energy, 46(43), p.22328 - 22343, 2021/06

熱化学水素製造法ISプロセスは、高温ガス炉,太陽熱,産業廃熱などの様々な熱源を利用して、高効率に大規模水素製造が可能な方法のひとつである。ISプロセスの研究開発課題は、硫酸やヨウ化水素酸などの厳しい腐食環境における工業材料製機器の健全性とそれらの機器による安定した水素製造の実証である。原子力機構では、工業材料製の耐食機器を開発し、それらの機器を組み込んだ水素製造試験設備を製作し、上記研究開発課題の解決に向け、本試験設備の試験運転を進めている。安定した水素製造を行うために、HI-I$$_{2}$$-H$$_{2}$$O溶液の安定送液技術の開発、大量漏えいを防止するためのグラスライニング材の品質保証の改善、ブンゼン反応器における硫酸脱水法によるヨウ素析出防止技術の開発を行った。これらの改良により、水素製造量約30L/h、150時間の連続水素製造に成功し、厳しい腐食環境における工業材料製機器の健全性及び安定した水素製造を実証した。

論文

Effect of interlayer cations on montmorillonite swelling; Comparison between molecular dynamic simulations and experiments

四辻 健治*; 舘 幸男; 佐久間 博*; 河村 雄行*

Applied Clay Science, 204, p.106034_1 - 106034_13, 2021/04

 被引用回数:4 パーセンタイル:97.52(Chemistry, Physical)

This study investigated swelling behaviors of montmorillonite with interlayer cations including monovalent Na, K and Cs, and divalent Ca and Sr by molecular dynamics simulations and experimental measurements coupling X-ray diffraction and water vapor adsorption. The comparative analysis provides a consistent picture of the swelling mechanisms of montmorillonite and their dependence on the interlayer cations. From comparative analysis of the effects of the interlayer cations, the main factor affecting the swelling behaviors of montmorillonite with monovalent and divalent interlayer cations seems to be the hydration free energy of the interlayer cations. The crystalline swelling ability and the saturated water contents in the interlayer of montmorillonite can be correlated to the hydration free energy of each interlayer cations. The additional key factor is the preference of outer- or inner-sphere complex of interlayer cations and resulting cations distributions in the interlayer space. This effect has a significant impact in the case of monovalent cations, resulting different swelling behaviors between outer-sphere Na and inner-sphere K and Cs.

論文

Non-volcanic seismic swarm and fluid transportation driven by subduction of the Philippine Sea slab beneath the Kii Peninsula, Japan

加藤 愛太郎*; 雑賀 敦; 武田 哲也*; 岩崎 貴哉*; 松澤 暢*

Earth, Planets and Space (Internet), 66, p.86_1 - 86_8, 2014/08

 被引用回数:17 パーセンタイル:54.31(Geosciences, Multidisciplinary)

紀伊半島下で発生する非火山性群発地震の発生メカニズムを明らかにするため、稠密地震計アレイ観測データに基づく詳細な地震波速度トモグラフィ解析とレシーバ関数解析を行った。その結果、群発地震発生域下に低速度域が存在することを明らかにした。この低速度域は高電気伝導度・高減衰域と空間的に対応しており流体の存在を示唆する。また、陸のモホ面の深さは、群発地震発生域下では約32kmであるのに対し、南に行くにしたがって約20kmまで浅くなる傾向がみられた。この構造は、マントルウェッジの蛇紋岩化に影響を受けていると解釈できる。さらに、南側から沈み込むフィリピン海プレートの海洋性地殻は、浅部では低速度で特徴づけられるが深部では高速度へと変化しており、海洋性地殻内の含水鉱物の脱水反応が沈み込みに伴い進行していると考えられる。沈み込むフィリピン海プレートの脱水がマントルウェッジの蛇紋岩化、地殻下部への流体移送を生じさせ、非火山性群発地震の発生に影響を及ぼしていると考えられる。

論文

Recent results on hydrogen and hydration in biology studied by neutron macromolecular crystallography

新村 信雄; 新井 栄揮; 栗原 和男; 茶竹 俊行*; 田中 伊知朗*; Bau, R.*

Cellular and Molecular Life Sciences, 63(3), p.285 - 300, 2006/02

 被引用回数:40 パーセンタイル:39.2(Biochemistry & Molecular Biology)

中性子回折は蛋白質やDNAの水素位置を直接的に決定する実験手法である。三つの異なったタイプの生体物質用高分解能中性子回折計が日本,フランス,アメリカに建設され、それらは近年、多くの蛋白質の結晶構造を決定するために頻繁に用いられてきた。本論文では、詳細な水素結合のジオメトリー,蛋白質及び核酸のH/D交換に関する情報,プロトンの正確な位置決定,酵素活性及び熱安定性における水素原子の役割,水和構造の動力学的挙動など、中性子構造解析から引出された成果を取り上げる。その他の重要な技術として開発された、結晶化相図による大型単結晶育成の最適化,完全重水素化蛋白質の調製,中性子蛋白質結晶学におけるクライオ技術の導入,生体水素水和水データベースの設立なども本論文中にて議論する。

論文

Selective separation of Am(III) from lanthanides(III) by solvent extraction with hydrophobic field of "superweak" anion

長縄 弘親; 鈴木 英哉*; 野呂 純二*; 木村 貴海

Chemical Communications, (23), p.2963 - 2965, 2005/06

スーパーウイーク陰イオンであるTFPB-の「場」の効果によって、「ソフトドナー」抽出剤を用いずともLn$$^{3+}$$からAm$$^{3+}$$を分離することが可能となる。たとえば、この「場」の効果を利用すれば、代表的な「ハードドナー」抽出剤で従来の溶媒抽出系ではAm$$^{3+}$$-Ln$$^{3+}$$間の分離能をまったく示さなかったCMPO(カルバモイルメチレンホスフィンオキキシド)を用いてさえ、硝酸水溶液からAm$$^{3+}$$のみを選択的に抽出・分離することができる。「場」の効果は、TFPB-の脱水和促進作用によってもたらされる。このような「場」の効果によって、ありふれた配位子の潜在的な選択的分離能を引き出すことが可能になる。分子認識化学は狙った化学種に特異的に結合する配位子の開発にたよって発展してきたが、このような「場」の効果の利用は、それとは異なる新しい分子認識の方法論である。

論文

Hydration structure of Y$$^{3+}$$ and La$$^{3+}$$ compared; An Application of metadynamics

池田 隆司; 平田 勝; 木村 貴海

Journal of Chemical Physics, 122(24), p.244507_1 - 244507_5, 2005/06

 被引用回数:42 パーセンタイル:81.37(Chemistry, Physical)

水溶液中でのY$$^{3+}$$とLa$$^{3+}$$の水和構造をカー$$cdot$$パリネロ分子動力学に基づくメタダイナミクス法を用いて調べた。メタダイナミクスの集団変数として金属イオンに関する酸素の配位数を用いることにより、10ps程度のシミュレーションで構造の異なる水和錯体を生成することができた。メタダイナミクスの処方箋に従い自由エネルギ-面を求めたところ、3価希土類イオンの水和の特徴が再現されていることがわかった。このことより、カー$$cdot$$パリネロ分子動力学に基づくメタダイナミクスは溶液のような複雑な系の自由エネルギー探査に有効な手法であることが確認できた。

論文

Hydrogen and hydration in proteins and nucleic acids; Neutron diffraction from bio-macromolecules at JAERI

新村 信雄; 新井 栄揮; 栗原 和男; 茶竹 俊行*; 田中 伊知朗*; Bau, R.*

Hydrogen- and Hydration-Sensitive Structural Biology, p.17 - 35, 2005/00

原研において、われわれは生体高分子のための幾つかの高分解能中性子回折計(BIX-type回折計)を建設した。この論文では、BIX-type回折計で得られた、蛋白質中の水素位置及び水和に関する幾つかの興味深い結果について再考する。中性子蛋白質結晶学の一般的な話題が著者らによって再考され、選ばれた幾つかのトピックスが議論される。

論文

A Neutron crystallographic analysis of a rubredoxin mutant at 1.6 ${AA}$ resolution

茶竹 俊行*; 栗原 和男; 田中 伊知朗*; Tsyba, I.*; Bau, R.*; Jenney, F. E. Jr.*; Adams, M. W. W.*; 新村 信雄

Acta Crystallographica Section D, 60(8), p.1364 - 1373, 2004/08

 被引用回数:31 パーセンタイル:88.46(Biochemical Research Methods)

${it Pyrococcus furiosus}$由来ルブレドキシンの高い熱安定性の起源を明らかにするため、その変異型に対する1.6${AA}$分解能中性子結晶構造解析(重水中で結晶育成)を生体高分子用中性子回折装置BIX-3(原研原子炉JRR-3内設置)を用いて行った。${it P. furiosus}$由来ルブレドキシンは、通常の熱安定性を持つ常温菌由来のルブレドキシンと異なるアミノ酸残基部分を持つ。そこで、その中で重要と考えられる3つの残基を常温菌のものに変えた変異型を発現させ、その水素結合パターンを変異の無い野生型と比較した。その結果、変異を行った残基の一つで水素結合パターンの違いが明らかになった。これをもとに熱安定性の議論を行った。一方で、このタンパク質の水素/重水素置換率の詳細も調べた。その結果、ルブレドキシンの鉄-硫黄中心(酸化還元機能を司る)にかかわる4つのシステイン残基周辺は、最も水素/重水素置換が進んでいないということがわかった。これはこの周囲の構造が安定であることを示唆している。加えて、この高分解能な中性子構造解析により、水和水の秩序性も含めた詳細な水和構造が明らかになった。

論文

Neutron crystallographic study on rubredoxin from ${it Pyrococcus furiosus}$ by BIX-3, a single-crystal diffractometer for biomacromolecules

栗原 和男; 田中 伊知朗*; 茶竹 俊行*; Adams, M. W. W.*; Jenney, F. E. Jr.*; Moiseeva, N.*; Bau, R.*; 新村 信雄

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 101(31), p.11215 - 11220, 2004/08

 被引用回数:46 パーセンタイル:62.17(Multidisciplinary Sciences)

原研原子炉JRR-3設置の生体高分子用中性子回折装置BIX-3を用いて、高い熱安定性を持つ${it Pyrococcus furiosus}$由来ルブレドキシンの中性子結晶構造解析を行った。結晶化はH原子からのバックグラウンドを抑えるため重水中で行った。回折実験は常温で行い、1.5${AA}$分解能でデータ収率81.9%を得た。立体構造モデルの精密化では、306個のH原子と50個のD原子及び37個の水和水を同定した。その結果、モデルの信頼性を示す${it R}$因子及び${it R}$$$_{free}$$因子は最終的に各々18.6%, 21.7%となった。この中性子解析により、X線解析では明確でなかったアミノ酸側鎖のO-D結合の方位を明らかにできた。また、主鎖のN-H結合のH原子は多くがD原子に置換されている一方で、その中で5つのH原子は置換されずに保たれていることがわかった。これはその周囲の高い構造安定性を示す。さらに中性子散乱密度図では、このタンパク質の高い熱安定性に寄与していると考えられているND$$_{3}$$$$^{+}$$末端のその周囲に広がる水素結合ネットワークを詳細に明らかにすることができた。

論文

Fluorescence and IR studies on the hydration state of lanthanides(III) and curium(III) in the complexes extracted with purified Cyanex301, Cyanex302 and Cyanex272

Tian, G.*; 木村 貴海; 吉田 善行; Zhu, Y.*; Rao, L.*

Radiochimica Acta, 92(8), p.495 - 499, 2004/08

 被引用回数:15 パーセンタイル:70.63(Chemistry, Inorganic & Nuclear)

精製したCyanex301, Cyanex302及びCyanex272により抽出されたランタノイド、Ln(III)(Ln=Sm, Eu, Tb, Dy)とCm(III)の水和数を時間分解レーザー誘起蛍光分光(TRLFS)と赤外吸収分光(FT-IR)を用いて調べた。Cyanex302またはCyanex272で抽出されたLn(III)とCm(III)の水和数と錯体組成に違いはみられなかった。Cyanex302で抽出されたLn(III)とCm(III)の錯体はML(HL$$_{2}$$)$$_{2}$$$$cdot$$nH$$_{2}$$O(n=3-5)であった。Cyanex272で抽出されたLn(III)とCm(III)の錯体の第1配位圏に水はなく、M(HL$$_{2}$$)$$_{3}$$であった。これらに反して、Cyanex301で抽出されたLn(III)とCm(III)の錯体組成は異なった。Ln(III)のCyanex301錯体は1-2個の水分子を含み、LnL$$_{3}$$$$cdot$$2H$$_{2}$$OまたはHLnL$$_{4}$$$$cdot$$H$$_{2}$$Oであった。Cm(III)のCyanex301錯体は水分子を含まずHCmL$$_{4}$$であった。

論文

世界最高性能を誇る中性子回折装置

新村 信雄; 栗原 和男; 田中 伊知朗

化学, 59(2), p.46 - 47, 2004/02

タンパク質は3次元立体構造を構築してはじめて機能(酵素反応,情報伝達等)を発揮し、それには、水素原子,水分子及び分子内,分子間水素結合が直接的,間接的に関与している。しかし、水素原子からのX線の散乱は極めて弱いので、X線結晶解析法で決定された立体構造には水素原子の位置情報が含まれない。そのため、常に水素原子が絡んだ機能解明には何らかの類推が入り、議論をあやふやにしていた嫌いがあった。これを可能にする唯一の実験手法が中性子回折法である。われわれは中性子イメージングプレート(NIP)や高性能中性子モノクロメータを開発実用化し、これらを備えた世界最高性能の中性子回折装置を原研JRR-3に設置した。原子炉からの熱中性子(波長約0.1nm)をタンパク質単結晶(1mm角が必要)に照射し、単結晶でブラグ反射した中性子をNIPで検出し、解析することで、原則的にタンパク質や水和水のすべての水素原子を決定できる。熱中性子はタンパク質結晶に放射線障害を与えないので、実験は常温下で行える。これらデータを解析することで、タンパク質や水和構造の水素原子を決定する。なお、現在世界でタンパク質の中性子回折実験ができるのは、日本の原研,フランスのラウエランジュバン研究所,アメリカのロスアラモス研究所の3か所である。

報告書

Association of thymine glycol lesioned DNA with repair enzyme endonuclease III; Molecular dynamics study

Pinak, M.

JAERI-Research 2001-038, 30 Pages, 2001/07

JAERI-Research-2001-038.pdf:5.8MB

チミングリコール(TG)を持つDNAと修復酵素エンドヌクレアーゼIIIの複合体形成過程について、分子動力学計算を用いて調べた。修復酵素とTGを持つ30塩基対長のDNAが水溶液中に存在する系をモデル化し、2ナノ秒間のシミュレーションを行った。シミュレーション開始から約1ナノ秒後にDNAと修復酵素は複合体を形成し、シミュレーションが終了するまで安定な構造を保持した。酵素とDNAの結合領域において、グルタミン酸がリン酸結合のC3'分子から1.6オングストロームの位置まで近接していることがわかった。また、TGのある部分でDNAは折れ曲がったが、この変形により修復酵素が損傷部分に近づきやすくなると考えられる。さらに、静電エネルギーの変化も損傷認識過程において重要な寄与をしていることが確認された。TG損傷の近傍では水分子の密度が他の部分よりも高く、このために修復酵素が損傷のグリコシル結合に近づきやすくなること、また認識過程において水和水のはたらきが重要であることが示唆された。

論文

Neutron diffraction study on the structure of rubredoxin from it Pyrococcus furiosus

栗原 和男; 田中 伊知朗; Adams, M. W. W.*; Jenney, F. E. Jr.*; Moiseeva, N.*; Bau, R.*; 新村 信雄

Journal of the Physical Society of Japan, Vol.70, Supplement A, p.400 - 402, 2001/05

生体物質中性子回折装置BIX-3(日本原子力研究所JRR-3M 1Gサイト)を用いてルブレドキシン(超好熱菌由来、分子量約6,000、鉄-硫黄タンパク質)の中性子構造解析を現在行っている。このタンパク質は熱安定性が高く、その安定性と立体構造の関係が注目されている。今回用いた結晶の大きさは2.0$$times$$2.0$$times$$1.0 mmであった。データはステップスキャン法で測定し、ステップ間隔は$$phi$$軸の周り0.3°とした。露出時間は1フレームにつき約60-77分であり、全体では正味約35日間測定を行った。この回折測定では、d=1.5Å付近まで(コンプリートネスは76.8%)回折点を検出することができた。構造の精密化では301個の水素原子を含めた。現在のところ、分解能=1.5ÅでR因子=24.0%, R-free因子=26.3%である。また40個の重水素原子と29個の水和水を決定している。

報告書

Computational study of hydration at the TD damaged site of DNA in complex with repair enzyme T4 Endonuclease V

Pinak, M.

JAERI-Research 99-077, p.31 - 0, 2000/02

JAERI-Research-99-077.pdf:4.42MB

チミンダイマー(TD)損傷部分を修復酵素T4 Endonuclease Vが適切に認識する過程で、DNA周辺の水分子の分布が果たす役割に関する解析を行った。損傷のない12塩基対DNA、TDを持つ12塩基対DNA、並びにDNAとT4 Endonuclease Vの一部との複合体を対象として、500psの間の分子動力学計算を実施した。DNA原子に隣接した水の数及び滞留時間を調べた。TD損傷がある場合、損傷のないDNAに比べ、TD付近の水分子の数の増加が観察された。TDの周囲の水分子が密集した領域は、修復酵素によるTD認識要因の一つになると考えられる。複合体付近では水の滞留時間が長いことがわかった。また、TDと活性中心との間の安定位置を6つの水分子が占めていることを発見した。修復過程の開始に必要な複合体の安定性維持に、これらの水分子が介在した水素結合ネットワークが貢献していると考えられる。

論文

Generation of Cd$$^{+}$$$$^{1}$$ in X-irradiated frozed aqueous solutions; Similar hydration shells for Cd$$^{+}$$$$^{2}$$ and Cd$$^{+}$$$$^{1}$$ species

藤村 卓; L.Kevan*

Radiation Physics and Chemistry, 19(6), p.435 - 437, 1982/00

Cd$$^{+}$$$$^{2}$$イオンを含む水溶液を4.2°Kで凍結し、X線照射による放射線還元反応における、イオンと周囲の水分子の相対的な配置関係につき検討した。これまでに共同研究者らによりAg$$^{+}$$イオンの放射線還元反応の研究がなされてきた。Ag$$^{+}$$イオンは還元によりAg$$^{0}$$原子となるが、Ag$$^{+}$$イオンの囲りにあった水の分子が照射後回転してAg$$^{0}$$原子との間に最終的に安定な構造をとる(再配列がある)ことが明らかとなっている。これに対し本研究において、Cd$$^{+}$$$$^{2}$$が還元されてCd$$^{+}$$となるが、再配列は起こらないことが電子スピン共鳴法による実験から明らかとなった。この二つの系の違いの原因について次のように結論した。放射線還元反応後にできる生成物が銀-水系の場合は、Ag$$^{0}$$原子であり還元前のAg$$^{+}$$イオンと異なり電荷を持たないため、Ag$$^{+}$$イオンと水の双極子によって安定していた構造がAg$$^{0}$$と水との間の配列に変化した。これに対し、カドミウム-水系では還元反応はCd$$^{+}$$$$^{2}$$$$rightarrow$$Cd$$^{+}$$であり電荷を持つことにおいては放射線還元反応の前後で変化がないため再配列が起こらない。

論文

Removal mechanism of tritium by variously pretreated silica gel

中島 幹雄; 立川 圓造; 佐伯 正克; 荒殿 保幸

Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 43(2), p.369 - 373, 1981/00

 被引用回数:8 パーセンタイル:38.46(Chemistry, Inorganic & Nuclear)

100$$^{circ}$$Cから600$$^{circ}$$Cまでの各温度で前処理したシリカゲルと未処理シリカゲルのカラムを用い、HTOをpulse-loadingした時のトリチウムの捕集機構を調べた。未処理および300$$^{circ}$$C以下で処理したシリカゲルでは、HTO捕集後の加熱により、大部分のトリチウムが化学吸着水として放出される。これはH/T同位体交換反応が重要な役割を果している事を示す。400$$^{circ}$$C以上の前処理シリカゲルに於いては、同位体交換反応とともに、OH基脱離表面(siloxyl group)のrehydrationが重要である。600$$^{circ}$$C以下で脱離した表面のOH基は、再び水を吸着することによって、最終的には完全にrehydrationされる。

口頭

Deceleration process of Auger electrons in liquid water calculated by a dynamic Monte Carlo method for prediction of DNA damage induction

甲斐 健師; 横谷 明徳; 鵜飼 正敏*; 藤井 健太郎; 渡辺 立子

no journal, , 

We simulated the electron deceleration for initial electron energies ranging from 0.1 eV to 100 keV using a dynamic Monte Carlo code. The thermalization period calculated is longer than that previously predicted. Thus the thermalization process significantly contributes the series of processes, from ionization to hydration. Particularly for the electron with incident energy of 1 eV, the temporal evolution of total track length, mean traveling distance and energy distributions of the decelerating electron were investigated. Pre-hydration and thermalization period were estimated to be 50 and 220 fs, respectively, indicating that the initial pre-hydration begins before or competitively with thermal equilibrium. These results suggest that the pre-hydrated electrons play an important role in the very early process of multiple DNA damage induction.

口頭

What can we understand from hydration structure of f-elements in aqueous solution?

矢板 毅; 山上 浩志

no journal, , 

Hydration is a well-known fact that it is the most basic solvation reaction in solution, and is the basis for understanding various chemical reactions such as many chemical reactions and biological reactions. Therefore, the hydration has been studied by the various methods, that is, solution and structural chemical approaches. In this study, we report the results of analysis of the behavior of f-series elements from the change in hydration bond distance obtained by EXAFS and theoretical calculation along atomic number.

口頭

Dynamics of Water in Catalyst Layer of Fuel Cell by Quasi-elastic Neutron Scattering

伊藤 華苗; 山田 武*; 篠原 朗大*; 高田 慎一; 川北 至信

no journal, , 

The catalyst layer (CL) in polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) plays a critical role in the performance of a PEFC. In this study, we investigate the water dynamics in the CL using quasielastic neutron scattering (QENS) and small-angle neutron scattering. The temperature dependence of the mean square displacement $$<$$u$$^{2}$$$$>$$ shows that the freezing of water does not occur at a melting temperature in the Nafion thin film of the CL, suggesting that the water is confined in a smaller region than $$sim$$15 ${AA}$. The QENS measurements established three kinds of water in the CL: immobile water tightly connected to a sulfonic group, water in a fast mode assigned to free diffusion restricted in a sphere, and water in a slow mode described by a jump diffusion model. Assuming that these three modes were independent, the number of water molecules in each mode was estimated. On discussing the structure and dynamics elucidated in the study, we finally conclude that the coupled model of the fast and slow modes is plausible for describing the diffusion of water confined in the thin Nafion film of the CL.

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