Magnetoferroelectric phase transition induced by latent spin-lattice coupling in the geometrically frustrated magnet

玉造 博夢; 内原 猛*; 満田 節生*; 石井 祐太*; 中尾 裕則*; 竹端 寛治*; 今中 康貴*

Physical Review B, 111(13), p.134403_1 - 134403_9, 2025/04

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.134403

In multiferroic CuFeAlO, applying uniaxial pressure generates a magnetoferroelectric phase distinct from the well-studied spin-driven ferroelectric phase associated with helical magnetic ordering in this system. Using a four-circle neutron diffractometer, the magnetic structure of the -induced magnetoferroelectric phase is determined as the collinear sinusoidal type, which itself does not break the inversion symmetry in this system. Additionally, synchrotron radiation X-ray diffraction experiments are conducted to investigate how the triangular lattice in CuFeAlO is distorted by applied . Although lattice distortion during the magnetic phase transition in CuFeAlO is mitigated by the substitution of nonmagnetic Al, the application of along the conjugate direction revives the "latent" spin-lattice coupling, causing the triangular lattice to distort during magnetic phase transition. The application of a magnetic filed considerably reduces -induced ferroelectric polarization, but does not affect lattice distortion. These results indicate that -induced ferroelectric polarization is not a consequence of the piezoelectric effect. Instead, the sinusoidal magnetic structure would contribute to the emergence of -induced ferroelectric polarization through spin-lattice coupling.

Modeling of coupled processes in full-scale engineered barrier system performance experiment at Horonobe Underground Research Laboratory, Japan

大野 宏和; 高山 裕介*

Geomechanics for Energy and the Environment, 41, p.100636_1 - 100636_14, 2025/03

https://doi.org/10.1016/j.gete.2025.100636

In the geological disposal of high-level radioactive waste, the overpack lifetime and initial conditions of radionuclide migration are essential considerations along with the assessments of the environmental conditions, including study of the evolution of near-field thermal, hydrological, mechanical, and chemical processes following the emplacement of an engineered barrier system. In this study, experimental data from an in situ full-scale engineered barrier experiment at Horonobe Underground Research Laboratory were used to assess the applicability of a simulation model to evaluate near-field coupled processes.

令和5年度大型計算機システム利用による研究成果報告集

システム計算科学センター 高性能計算技術利用推進室

JAEA-Review 2024-044, 121 Pages, 2025/01

JAEA-Review-2024-044.pdf:7.42MB

日本原子力研究開発機構では、原子力の総合的研究開発機関として原子力に係わるさまざまな分野の研究開発を行っており、これらの研究開発の多くにおいて計算科学技術が活用されている。日本原子力研究開発機構における計算科学技術を活用した研究開発の論文発表は、過去十数年にわたり、毎年度、全体の約2割を占めている。大型計算機システムはこの計算科学技術を支える重要なインフラとなっている。大型計算機システムは、第4期中長期計画にて重点化して取り組むとされた「安全性向上等の革新的技術開発によるカーボンニュートラルへの貢献」、「原子力科学技術に係る多様な研究開発の推進によるイノベーションの創出」、「東京電力福島第一原子力発電所事故の対処に係わる研究開発の推進」、「高レベル放射性廃棄物の処理処分に関する技術開発の着実な実施」、「原子力安全規制行政及び原子力防災に対する支援とそのための安全研究の推進」等といった研究開発活動に利用された。本報告は、令和5年度における大型計算機システムを利用した研究開発の成果を中心に、それを支える利用支援、利用実績、システムの概要等をまとめたものである。

Quantitative evaluation of irradiated ductility degradation using the indentation technique combined with numerical experiments

涌井 隆; 斎藤 滋; 二川 正敏

Materials, 17(23), p.5925_1 - 5925_14, 2024/12

https://doi.org/10.3390/ma17235925

照射された材料の延性特性は、その構造的完全性に関連する重要な指標の1つである。これらの特性は、通常、照射環境下で照射された材料に引張試験を実施することによって決定される。押込み試験は、延性特性を簡単かつ迅速に評価するために使用され、Swift型の材料構成方程式の定数は、カルマンフィルターを使用した逆解析によって同定された。胴体された定数を用いて数値引張実験を実施し、公称応力およびひずみ曲線を取得した。さらに、全伸びを評価するための2つの方法を提案した。2つの方法で評価された最小全伸びはともに10%となった。イオン照射された材料の評価結果は、照射された材料の引張試験結果と同様の結果が得られた。

France-Japan collaboration on severe accident studies in sodium-cooled fast reactors, 1; Severe accident scenarios assessment

小野田 雄一; 石田 真也; 深野 義隆; 神山 健司; 山野 秀将; 久保 重信; 柴田 明裕*; Bertrand, F.*; Seiler, N.*

Proceedings of International Conference on Nuclear Fuel Cycle (GLOBAL2024) (Internet), 4 Pages, 2024/10

PIRTs have been developed and are reported for the 3 sequence event families of SFR severe accidents. For ULOF, there are 13 phenomena ranked with high importance and large uncertainty. Two PIRTs for primary phase of UTOP have been developed based on those of ULOF. Two phenomena with high importance and large uncertainty both in FRN and JPN ranking are highlighted. For USAF PIRT, they are eight phenomena ranked important and uncertain by both sides related to heat transfer coefficient, chunk relocation in the molten pool of the initiating SA and to thermomechanical loading on the hexcan of the initiating SA. These phenomena are recognized to deserve priority study. The event progression regarding FP transport focusing on phenomena of ULOF is investigated. Seven phenomenological phases were identified along with the accident sequences and of their events progression. The summary of the elementary phenomena on this PIRT, and the vote for the table are foreseen in the future study.

Retention of hydrogen bubbles generated from water radiolysis in carbonate slurry

伊藤 辰也; 永石 隆二; 桑野 涼*

Nuclear Technology, 210(8), p.1427 - 1443, 2024/08

https://doi.org/10.1080/00295450.2023.2299893

福島第一原子力発電所の多核種除去設備における凝集沈殿(共沈)プロセスから排出される放射性廃棄物のような強アルカリ条件下で、水の放射線分解によって発生した水素(H)気泡の保持を、マグネシウムとカルシウムの混合沈殿物である懸濁物固体(SS)からなる炭酸塩スラリーの高粘度懸濁液中で定量的に研究した。親水性の異なる2種類の炭酸塩スラリー、親水性の「現行型」と疎水性の「返送型」についてH保持特性を評価し、それらの特性を別の懸濁液であるベントナイトの粘土懸濁液の特性と比較した。SS粒子表面の化学吸着量とスラリー中のHOの量の比較から、SS粒子間でHO分子が共有されている必要があり、この共有により粘土懸濁液中で微細な粘土鉱物間の静電的な結合が形成する粘性とは異なる構造粘性が形成されることが確認された。スラリー中のH気泡の保持は、Co線照射後のスラリーの撹拌前後で観測されたH発生量の差から評価した。親水性スラリー、疎水性スラリー、粘土懸濁液、処理水の保持特性の比較から、親水性スラリー中のH気泡は構造粘性だけでなく立体障害によっても保持されると示唆された。

非接触測定法を用いた燃料デブリ臨界解析技術の高度化(委託研究); 令和4年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 東京工業大学*

JAEA-Review 2024-013, 48 Pages, 2024/07

JAEA-Review-2024-013.pdf:1.99MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和4年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という。)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、令和3年度に採択された研究課題のうち、「非接触測定法を用いた燃料デブリ臨界解析技術の高度化」の令和4年度分の研究成果について取りまとめたものである。本研究は、非接触のアクティブ中性子法により燃料デブリの臨界安全上の特性を評価する測定システムの開発と、燃料デブリ取出し作業員の安全確保方策の確立に資する基盤技術として多領域積分型動特性解析コードの開発により燃料デブリ臨界解析技術を高度化することを目的としており、令和3年度から令和5年度の3年計画の2年目として東京工業大学、産業技術総合研究所、長岡技術科学大学が連携して実施した。検出器設計最適化のために新たに基礎実験を行って取得したデータを用いて、中性子輸送計算コードの妥当性及び不確かさを評価することで解析精度の向上を図った。この基礎データを基にした輸送計算コードを用いたパラメトリックサーベイにより、検出器の配置やHeガス圧、減速材、遮蔽材、中性子源配置の最適化を実施することにより検出器を設計した。遅発中性子による核分裂も考慮可能な多領域積分型動特性解析コードMIK2.0-MVPを開発し、予備検証としてGODIVA炉超臨界実験の再現解析を実施した。この結果より、MIK2.0-MVPコードでは、MIK1.0コードが有する計算機能に加えて、遅発中性子による核分裂の効果を考慮することができるようになり、MIK2.0-MVPコードと粒子法コードの弱連成解析の土台となる新たな機能を確立することができた。以上の活動により本研究の令和4年度の目的を達成することができた。

Giant barocaloric effects in sodium hexafluorophosphate and hexafluoroarsenate

Zhang, Z.*; 服部 高典; Song, R.*; Yu, D.*; Mole, R.*; Chen, J.*; He, L.*; Zhang, Z.*; Li, B.*

Journal of Applied Physics, 136(3), p.035105_1 - 035105_8, 2024/07

https://doi.org/10.1063/5.0211085

バロカロリック材料を用いた固体冷凍は、環境に優しく高効率であるため、過去10年間にわたり世界的に注目されてきた。ここでは、室温付近で立方晶から菱面体晶への相転移を起こすヘキサフルオロ燐酸ナトリウム(NaPF)とヘキサフルオロ砒酸ナトリウム(NaAsF)における巨大バロカロリック効果を報告する。われわれは中性子粉末回折により、NaPFの低温相の構造が空間群Rの菱面体構造であることを明らかにした。NaPFとNaAsFには3つのラマン振動モード(F, E, A)が存在する。相転移温度はNaPF及びNaAsFにおいてそれぞれdT/dP=250K/GPa及び310K/GPaの割合で圧力とともに変化する。NaPFとNaAsFの圧力誘起エントロピー変化は、それぞれ約45.2JkgKと35.6JkgKと決定された。飽和駆動圧力は約40MPaであった。高圧下の中性子粉末回折から、バロカロリック効果は立方晶から菱面体晶への圧力誘起相転移に関係していることが示唆された。

Consideration of the dielectric response for radiation chemistry simulations

樋川 智洋; 甲斐 健師; 熊谷 友多; 横谷 明徳*

Journal of Chemical Physics, 160(21), p.214119_1 - 214119_9, 2024/06

https://doi.org/10.1063/5.0211089

イオン化によって引き起こされる不均質反応であるスパー反応は、溶液中の放射線分解あるいは光分解反応を左右する重要な反応だが、そのスパーの形成プロセスはまだ解明されていない。その理由の1つとして、イオン化によって生成した荷電種を取り囲む溶媒和分子の誘電応答の影響がまだ明らかになっていないことが挙げられる。誘電応答は誘電率の時間変化に対応しており、スパー形成プロセスにおける反応拡散系に影響を与える可能性がある。そこで本研究では、誘電応答を考慮しながらDebye-Smoluchowski方程式を解くことにより、反応拡散系に対する誘電応答の影響を調べた。荷電種間に働くクーロン力は、誘電応答とともに徐々に減少する。本計算から、誘電応答が完了する前に荷電種間で反応が起こる条件を見積もることが出来た。これまで低LET放射線誘起によるイオン化で生成する自由電子の初期G値が静的な誘電率に依存することは報告されているが、荷電種間が密になる高LET放射線や光誘起の化学反応を扱う場合は誘電応答を考慮することが重要であることが示唆された。

Spin caloritronics in metallic superlattices

関 剛斎*; 内田 健一*; 高梨 弘毅

Journal of Physics; Condensed Matter, 36(33), p.333001_1 - 333001_11, 2024/05

https://doi.org/10.1088/1361-648X/ad4761

Spin caloritronics, a research field studying on the interconversion between a charge current (J) and a heat current (J) mediated by a spin current (J) and/or magnetization (M), has attracted much attention not only for academic interest but also for practical applications. Newly discovered spin-caloritronic phenomena such as the spin Seebeck effect (SSE) have stimulated the renewed interest in the thermoelectric phenomena of a magnet, which have been known for a long time, e.g. the anomalous Nernst effect (ANE). These spin-caloritronic phenomena involving the SSE and the ANE have provided with a new direction for thermoelectric conversion exploiting J and/or M. Importantly, the symmetry of ANE allows the thermoelectric conversion in the transverse configuration between J and J. Although the transverse configuration is totally different from the conventional longitudinal configuration based on the Seebeck effect and has many advantages, we are still facing several issues that need to be solved before developing practical applications. The primal issue is the improvement of conversion efficiency. In the case of ANE-based applications, a material with a large anomalous Nernst coefficient (S) is the key for solving the issue. This review article introduces the increase of S can be achieved by forming superlattice structures, which has been demonstrated for several kinds of materials combinations. The overall picture of studies on spin caloritronics is first surveyed. Then, we mention the pioneering work on the transverse thermoelectric conversion in superlattice structures, which was performed using Fe-based metallic superlattices, and show the recent studies for the Ni-based metallic superlattices and the ordered alloy-based metallic superlattices.