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論文

Consistent description of light composite particle emission in deuteron-induced reactions

中山 梓介; 岩本 修; 渡辺 幸信*

Physical Review C, 100(4), p.044603_1 - 044603_8, 2019/10

重陽子は弱束縛であるため、他の原子核との相互作用を通じて容易に分解する。この分解過程は重陽子入射反応における様々な観測量に影響を与えると考えられる。本研究では、重陽子入射からの軽複合粒子(LCP)放出における分解過程の影響を調べることを目的とした。この目的を達成するための準備として、前平衡クラスター放出モデルを、分解過程を明示的に取り扱った重陽子用計算コードDEURACSに導入した。また、直接ピックアップ成分は半経験的モデルによって見積もった。改良したDEURACSを質量数$$27 leqslant A leqslant 90$$の標的に対する$$(d,xt)$$, $$(d,xmathrm{^{3}He})$$, $$(d,xalpha)$$反応の解析に適用したところ、標的や反応に依らず一貫して計算値は実験値を良く再現した。この結果から、分解過程はLCP放出にも大きな影響を与えていることが分かった。また、分解過程が適切に考慮されている限りにおいて、重陽子入射からのLCP放出は核子入射からのLCP放出と同様の描像で記述できることを示した。

論文

Carbon dioxide balance in early-successional forests after forest fires in interior Alaska

植山 雅仁*; 岩田 拓記*; 永野 博彦; 田原 成美*; 岩間 千絵*; 原薗 芳信*

Agricultural and Forest Meteorology, 275, p.196 - 207, 2019/09

北米の北方林生態系において、森林火災は主要なかく乱要因であり、当該地域における炭素収支を決定する重要なプロセスである。本研究では内陸アラスカの2つの森林火災跡地において、合計13年間にわたり主要な温室効果ガスである二酸化炭素(CO$$_{2}$$)の交換量を渦相関法によって観測した。観測データから、火災後の生態系が植生の回復に伴ってCO$$_{2}$$の放出源から吸収源になるためには13年かかることが分かった。さらに、観測データを基に火災後の初期植生遷移段階におけるCO$$_{2}$$収支の広域評価を内陸アラスカ全土に対して行ったところ、1998年から2017年までの間に火災後の生態系から放出されたCO$$_{2}$$量(35-48 Tg C)は、火災に伴う燃焼によって大気へ直接放出されたCO$$_{2}$$量(156 Tg C)の1/3から1/4であると見積もられた。以上より、火災後に生態系から放出されるCO$$_{2}$$量は、州スケールでのCO$$_{2}$$収支に重要であることが示唆された。

論文

Screw dislocation-spherical void interactions in fcc metals and their dependence on stacking fault energy

早川 頌*; 土井原 康平*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 愛知 正温*; 鈴木 克幸*

Journal of Materials Science, 54(17), p.11509 - 11525, 2019/09

We performed molecular dynamics simulations to evaluate the effects of stacking fault energy (SFE) on interactions between a screw dislocation and spherical voids in face-centered cubic (fcc) metals. It was observed that the frequency of the cross-slips is a critical factor affecting the interaction, with primarily three different interaction morphologies being observed: (1) the two partial dislocations detach from the void independently with a time lag, (2) the two partial dislocations detach from the void almost simultaneously on a single slip plane, and (3) the two partial dislocations detach from the void almost simultaneously while involving more than one cross-slip and a jog formation. The magnitude of the critical resolved shear stress (CRSS) increases in the order mentioned above. The CRSS values for interaction morphology (2), which was observed most frequently in this study, were in good agreement with those predicted analytically by adjusting the parameters dependent on the SFE. Based on the obtained results, we discussed the applicability of the analytical model for void hardening in fcc metals. The results of this work contribute significantly to the modeling of mechanical property degradation in irradiated metals.

論文

First-principles calculation of mechanical properties of simulated debris Zr$$_x$$U$$_{1-x}$$O$$_2$$

板倉 充洋; 中村 博樹; 北垣 徹; 星野 貴紀; 町田 昌彦

Journal of Nuclear Science and Technology, 56(9-10), p.915 - 921, 2019/09

福島第一原子力発電所の炉内にある燃料デブリの機械的特性を明らかにするため、模擬デブリである二酸化ウラン・二酸化ジルコニウム溶融物についてその弾性定数と破壊靭性を第一原理計算で評価し、二酸化ジルコニウムの割合の影響を調べ、模擬デブリを用いた実験結果と比較を行った。その結果、実験で観測されている、二酸化ジルコニウム割合の増加に伴う急激な破壊靭性の増加は、二酸化ジルコニウムの複数の相の混在によるものと考えられるという結論を得た。

論文

Dosimetric dependence of ocular structures on eye size and shape for external radiation fields of electrons, photons, and neutrons

古田 琢哉; El Basha, D.*; Iyer, S. S. R.*; Correa Alfonso, C. M.*; Bolch, W. E.*

Journal of Radiological Protection, 39(3), p.825 - 837, 2019/09

人の眼球には多様性があるにもかかわらず、これまでの眼球に対する線量計算シミュレーションでは、ほぼ全ての研究で標準的な一つのモデルが採用されてきた。そこで、本研究では新たに開発した大きさ及び変形が可能な数値眼球モデルを利用し、モンテカルロ放射線輸送計算コードPHITSを用いて、標準的な照射場(AP, PA, RLAT, ROT等)での電子線,光子線および中性子線による眼球内組織の線量を計算した。ここでは、5種類(標準,大型,小型,近視形状型および遠視形状型)の極端な眼球モデルの計算結果の比較に基づき、組織の吸収線量への眼球の大きさや変形が与える影響を解析した。電子線では線量の集中性が高く、吸収線量は眼球表面からの組織の深さに大きく依存して変化する。このため、眼球の大きさや変形に伴い、組織全体の深さ位置が変化することによる吸収線量への顕著な影響が見られた。これに対し、光子線や中性子線では電子線に比べて線量の集中性が弱いため、眼球の大きさや変形による影響が小さいことがわかった。

論文

Impact of stellar superflares on planetary habitability

山敷 庸亮*; 前原 裕之*; Airapetian, V.*; 野津 湧太*; 佐藤 達彦; 野津 翔太*; 黒木 龍介*; 村嶋 慶哉*; 佐藤 啓明*; 行方 宏介*; et al.

Astrophysical Journal, 881(2), p.114_1 - 114_24, 2019/08

系外惑星における生命存在の可能性を検討する際、恒星が引き起こすスーパーフレアによる影響を評価することは重要となる。そこで本研究では、いくつか実在する恒星と仮想的な惑星を想定し、その大気・海洋内における被ばく線量を様々なタイプの太陽フレアに対して推定する方法を提案する。具体的には、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSと系外惑星データベースシステムExoKyotoを組み合わせ、実際に観測された太陽フレアと恒星フレアの比較から影響を推定する。その結果、ある程度の大気圧があれば、惑星地表面における被ばく線量は複雑系生物の致死量には至らない可能性が高いことが分かった。

論文

Dispersion modelling of radioactive materials

永井 晴康; 山澤 弘実*

Environmental Contamination from the Fukushima Nuclear Disaster; Dispersion, Monitoring, Mitigation and Lessons Learned, p.230 - 242, 2019/08

福島第一原子力発電所事故により大気に放出された放射性物質への対応として、国の緊急時対応システムであるSPEEDIの適用状況と課題について解説する。SPEEDI開発の経緯や機能、原子力防災体制における役割を概説するとともに、今回の原子力発電所事故対応においてどのように使われたか、また、使われるべきであったかを、開発者の視点で検証する。これにより得られる教訓と課題が、原子力防災体制の再構築も含めた予測システムの改善や活用方法の検証に役立てられるとともに、今後、万一同様な事故が起こってしまった際に公開される予測情報を適切に理解し、有効に活用するための一助となる。

論文

Atomistic simulations for the effects of stacking fault energy on defect formations by displacement cascades in FCC metals under Poisson's deformation

早川 頌*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 川畑 友弥*; 鈴木 克幸*

Journal of Materials Science, 54(16), p.11096 - 11110, 2019/08

We performed molecular dynamics simulations of displacement cascades in FCC metals under Poisson's deformation using interatomic potentials differing in stacking fault energy (SFE), in order to investigate the effect of tensile strain on the SFE dependence of defect formation processes. There was no clear SFE dependence of the number of residual defects and the size distribution of defect clusters under both no strain and the applied strain, while the strain enhanced the defect formation to a certain extent. We also observed that the strain affected the formations of self-interstitial atom (SIA) clusters depending on their size and the Burgers vector. These results were consistent with the analysis based on the defect formation energies. Meanwhile, the number of SIA perfect loops was higher at lower SFE under both no strain and the applied strain, leading to an increase in the ratio of glissile SIA clusters with a decrease in SFE. Further, the absolute number of SIA perfect loops was increased by the applied strain, while the SFE dependence of the number of SIA perfect loops was not affected. These findings were associated with the difference in formation energy between an SIA perfect loop and an SIA Frank loop. The insights extracted from this study significantly contribute to the modeling of microstructural evolution in nuclear materials under irradiation, especially for low SFE metals such as austenitic stainless steels.

論文

Development of regional downscaling capability in STEAMER ocean prediction system based on multi-nested ROMS model

上平 雄基; 川村 英之; 小林 卓也; 内山 雄介*

Journal of Nuclear Science and Technology, 56(8), p.752 - 763, 2019/08

STEAMERにROMSによるダウンスケーリングシステムを導入し、海況場及び原子力施設から放出された放射性物質の濃度分布の詳細な予報値が計算可能となるシステムを構築した。構築したシステムを用いて2016年1月寒冷期の福島県沖のサブメソスケール現象及び潮汐が流動構造、濃度分布に与える影響を評価した。その結果、解析領域での寒冷期の濃度分散、三次元的な物質混合にはサブメソスケール現象による寄与が大きいことが示唆された。潮汐は水平の混合を抑制する一方で鉛直混合を強化し、結果として潮汐非考慮では見られなかった放出口近傍沿岸に張り付いた濃度分布を形成していた。潮汐による寄与はサブメソスケール現象に比べて小さいが、濃度希釈過程に影響を及ぼすことが示唆された。

論文

Activation measurement for thermal-neutron capture cross-section of Cesium-135

中村 詔司; 木村 敦; 岩本 修; 芝原 雄司*; 上原 章寛*; 藤井 俊行*

KURNS Progress Report 2018, P. 106, 2019/08

核変換による高レベル放射性廃棄物の大幅な低減化、資源化を目指した革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)において、長寿命核分裂生成核種$$^{135}$$Csの中性子捕獲断面積測定研究を京都大学複合原子力科学研究所にて行った。本論文は、京大原子炉(KUR)を用いた$$^{135}$$Csの熱中性子捕獲断面積の測定について報告するものである。

論文

Radiochemical research for the advancement of $$^{99}$$Mo/$$^{99m}$$Tc generator by (n,$$gamma$$) method

藤田 善貴; 関 美沙紀; 滑川 要二*; 西方 香緒里; 木村 明博; 柴田 晃; 佐谷戸 夏紀; 土谷 邦彦; 佐野 忠史*; 藤原 靖幸*; et al.

KURNS Progress Report 2018, P. 155, 2019/08

高濃縮ウランの利用低減や核不拡散及び核セキュリティ、核分裂生成物の処理の観点から放射化法((n,$$gamma$$)法)によるMo-99($$^{99}$$Mo)製造の研究開発が進められている。この方法を$$^{99}$$Mo/$$^{99m}$$Tcジェネレータに適用するためには、Mo吸着剤として広く用いられているアルミナ(Al$$_{2}$$O$$_{3}$$)の特性改善が必要不可欠である。本研究では、4種類のAl$$_{2}$$O$$_{3}$$試料を準備し、照射済MoO$$_{3}$$ペレットを用いて$$^{99}$$Mo吸着および$$^{99m}$$Tc溶離特性を評価した。また、$$^{98}$$Mo濃縮率の異なる3種類のMoO$$_{3}$$ペレットを照射して、生成される$$^{99}$$Mo比放射能を比較した。その結果、$$^{99}$$Mo吸着量はV-B-300が最も優れているとともに、$$^{99m}$$Tc溶離率も約80%と比較的高く、得られる$$^{99m}$$Tc溶離量が最も多いことを明らかにした。$$^{98}$$Mo濃縮率比較では、58.82%の濃縮ペレットで予想放射能量に近かったのに対して、98.5%以上の濃縮ペレットでは予想よりも小さい比放射能が得られた。今後、より高精度な実験方法を検討する必要がある。

論文

Analyzing the cross slip motion of screw dislocations at finite temperatures in body-centered-cubic metals; Molecular statics and dynamics studies

鈴土 知明; 鬼塚 貴志*; 福元 謙一*

Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 27(6), p.064001_1 - 064001_15, 2019/08

低温でのBCC金属の塑性は、らせん転位の移動に支配される。これらの金属結晶におけるらせん転位芯は非平面構造を有するため、その運動は複雑であり、予測不能である。例えば、密度汎関数理論(DFT)は{$ 110 }$面上のすべりを予測するが、高温における実際のすべり面は予測から乖離してれており、そのメカニズムは何十年もの間の謎だった。本研究ではらせん転位運動を追跡する一連の分子動力学シミュレーションを実施し、実験で得られている滑り面の移行再現することに成功した。我々は、次に、Peierls障壁を超えて転位が移動する現象を精査するアルゴリズムを考案し、すべり面移行のメカニズムを発見した。すなわち、転位芯構造の変化がなくても、転位線の大きなゆらぎによって交差すべりのキンクペアが核形成されることを確認した。

論文

汎用炉心解析システムMARBLE2の燃焼計算機能(ライブ実行デモ)

横山 賢治

日本原子力学会第51回炉物理夏期セミナーテキスト「燃焼計算の基礎と実践」, p.95 - 135, 2019/08

汎用炉心解析システムMARBLE2に含まれる燃焼計算機能について、実際にMARBLE2を対話的に実行させながら紹介する。MARBLE2は高速炉の核特性解析を主目的とした解析コードシステムであるが、ユーザは目的に応じて小さな部品を組み立てながら使うことができる。このため、高速炉の核特性解析以外にも適用することができる。MARBLEでは、このような使い方を実現するために、Pythonという汎用のオブジェクト指向スクリプト言語を使って開発している。Pythonによる実装はプログラムが短く内容を理解するのが容易であるので実装例を示しながら、MARBLEの燃焼計算機能について紹介する。また、MARBLEの部品を使って簡易的な燃焼計算システムを構築する例を紹介する。

論文

A Biologically based mathematical model for spontaneous and ionizing radiation cataractogenesis

坂下 哲哉*; 佐藤 達彦; 浜田 信行*

PLOS ONE (Internet), 14(8), p.e0221579_1 - e0221579_20, 2019/08

放射線被ばくに起因する白内障発症をより確実に防ぐため、国際放射線防護委員会は眼の水晶体線量限度値の引き下げを提案している。しかしながら、白内障発症のメカニズムや線量応答は明らかになっていない。そこで本研究では、個々の細胞動態に基づいて白内障発症率を計算する数理モデルを開発し、そのモデルで使用するパラメータを白内障自然発症に対する疫学データから決定した。そして、決定したパラメータを用いて、放射線被ばくに起因する白内障発症率の線量応答関数を推定した。本モデルは、今後、白内障に対する放射線防護指針を改訂する際、極めて有用となる。

論文

Downward terrestrial gamma-ray flash observed in a winter thunderstorm

和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 中澤 知洋*; 古田 禄大; 湯浅 孝行*; 中村 佳敬*; 森本 健志*; 松元 崇弘*; 牧島 一夫*; 土屋 晴文

Physical Review Letters, 123(6), p.061103_1 - 061103_6, 2019/08

During a winter thunderstorm on 2017 November 24, a strong burst of gamma-rays with energies up to $$sim$$10 MeV was detected coincident with a lightning discharge, by scintillation detectors installed at Kashiwazaki-Kariwa Nuclear Power Plant at sea level in Japan. The burst had a sub-second duration, which is suggestive of photoneutron productions. The leading part of the burst was resolved into four intense gamma-ray bunches, each coincident with a low-frequency radio pulse. These bunches were separated by 0.7$$-$$1.5 ms, with a duration of $$<$$1 ms each. Thus, the present burst may be considered as a "downward" terrestrial gamma-ray flash (TGF), which is analogous to up-going TGFs observed from space. Although the scintillation detectors were heavily saturated by these bunches, the total dose associated with them was successfully measured by ionization chambers, employed by nine monitoring posts surrounding the power plant. From this information and Monte Carlo simulations, the present downward TGF is suggested to have taken place at an altitude of 2500$$pm$$500 m, involving $$8^{+8}_{-4} times10^{18}$$ avalanche electrons with energies above 1 MeV which is comparable to those in up-going TGFs.

論文

Neutron-induced damage simulations; Beyond defect production cross-section, displacement per atom and iron-based metrics

Sublet, J.-Ch.*; Bondarenko, I. P.*; Bonny, G.*; Conlin, J. L.*; Gilbert, M. R.*; Greenwood, L. R.*; Griffin, P. J.*; Helgesson, P.*; 岩元 洋介; Khryachkov, V. A.*; et al.

European Physical Journal Plus (Internet), 134(7), p.350_1 - 350_50, 2019/07

核データを用いた原子核反応については、放射線照射を受けた材料のカスケード損傷による欠陥生成の起点となる。そのため、欠陥生成の指標となる一次はじき出し原子(PKA)、PKAの損傷エネルギー及び原子あたりのはじき出し数(DPA値)の導出において、原子核反応を正確に考慮することが重要となる。ここで、原子核反応を考慮した欠陥生成の評価手法(メトリクス)を用いることで、照射材料中の個々の欠陥やクラスタ化した欠陥のマクロな挙動をシミュレーションすることが可能となる。より具体的には、原子炉, 核融合, 加速器, 核医学, 宇宙分野等の様々な分野において、照射条件(入射粒子, 入射エネルギー, 材料等)に対応した損傷評価が可能となる。本論文は、核反応及び損傷エネルギーに関する最近の理論と進展をレビューするとともに、欠陥生成量を導出する際の核データにおける誤差の伝播、分子動力学に基づいた損傷計算等について述べる。

論文

TENDL-2017 benchmark test with iron shielding experiment at QST/TIARA

権 セロム*; 今野 力; 太田 雅之*; 落合 謙太郎*; 佐藤 聡*; 春日井 敦*

Fusion Engineering and Design, 144, p.209 - 214, 2019/07

先進核融合中性子源A-FNSの核設計で重要な20MeV以上の核データライブラリ検証のために、QST/TIARAの40MeV, 65MeV準単色中性子入射鉄遮蔽実験を使ってTENDL-2017のベンチマークテストを行った。計算で得られた中性子スペクトルに30MeV付近で不自然な山が生じることが見つかった。この原因を詳細に調べた結果、30MeV中性子入射の$$^{54}$$Fe, $$^{56}$$Fe, $$^{58}$$Feの2次中性子スペクトルデータに問題があり、不自然な山が生じることを明らかにした。同じ問題がTENDL-2017, TENDL-2015, FENDL-3.1dの多くの核種で起こっていることもわかった。

論文

Simulation study on the design of nondestructive measurement system using fast neutron direct interrogation method to nuclear materials in fuel debris

前田 亮; 古高 和禎; 呉田 昌俊; 大図 章; 米田 政夫; 藤 暢輔

Journal of Nuclear Science and Technology, 56(7), p.617 - 628, 2019/07

In order to measure the amount of nuclear materials in the fuel debris produced in the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident, we have designed a measurement system based on a Fast Neutron Direct Interrogation (FNDI) method. In particular, we have developed a fast response detector bank for fast neutron measurements by Monte Carlo simulations. The new bank has more than an order of magnitude faster response compared to the standard ones. We have also simulated the nondestructive measurements of the nuclear materials in homogeneously mixed fuel debris with various matrices which contain Stainless Steel (JIS SUS304), concrete, and various control-rod (CR) contents in the designed system. The results show that at least some types of the fissile materials in the debris can be measured by using the designed system.

論文

Performance of large volume LaBr$$_{3}$$ scintillation detector equipped with specially-designed shield for neutron resonance capture analysis

土屋 晴文; 小泉 光生; 北谷 文人; 原田 秀郎

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 932, p.16 - 26, 2019/07

A large-volume ($$phi$$12.0 cm$$times$$12.7 cm) LaBr$$_{3}$$ scintillation detector equipped with a specially-designed radiation shield was evaluated for neutron resonance capture analysis at the neutron time-of-flight (TOF) facility GELINA. By using the LaBr$$_{3}$$ detector with and without the shield, measurements were carried out at a 13-m TOF station with three metallic samples, namely, Ni, Cr, and Fe. In addition, Monte Carlo simulations with Geant4 were performed, and the results were compared with the measurements to analyze the observed energy spectra and TOF spectra. Energy spectra obtained with the shield showed that prompt $$gamma$$-ray peaks emitted from each sample can be used to identify the isotopes. Moreover, the signal-to-noise ratios of resonance peaks in a TOF spectrum with the shield were enhanced 1.5-2.5 in comparison with those without the shield. Furthermore, simultaneous measurements conducted using the three samples demonstrated that the shield employed herein was indispensable for identifying impurities in a composite sample such as particle-like fuel debris.

論文

Unraveling anomalous isotope effect on hydrogen diffusivities in fcc metals from first principles including nuclear quantum effects

君塚 肇*; 尾方 成信*; 志賀 基之

Physical Review B, 100(2), p.024104_1 - 024104_9, 2019/07

結晶中の水素同位体の振る舞いは材料物理学における基本的なテーマである。広い温度範囲にわたる同位体拡散挙動は重要な知見だが、まだ完全な調査には至っていない。本研究では、電子と原子核の両方を量子力学的に扱った最先端の第一原理計算を行い、面心立方Pd金属中の水素同位体拡散係数の温度依存性を調べたところ、逆S型形状のアレニウスプロットを示すことがわかった。この異常な振る舞いは、温度・質量依存性の異なる核量子効果が競合することに起因する。その結果、80-400Kの限られた温度範囲で、三重水素($$^3$$H)が軽水素($$^1$$H)よりも速く拡散するという特性につながる。このメカニズムは、高温および低温での実験でそれぞれ観察されている正・逆同位体効果間がクロスオーバーを示す理論的根拠となることがわかった。

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