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論文

Results and progress of fundamental research on FP chemistry

逢坂 正彦; 中島 邦久; 三輪 周平; Di Lemma, F. G.*; 宮原 直哉; 鈴木 知史; 鈴木 恵理子; 岡根 哲夫; 小畠 雅明

Proceedings of 8th European Review Meeting on Severe Accident Research (ERMSAR 2017) (Internet), 11 Pages, 2017/05

原子力機構では核分裂生成物(FP)化学挙動解明に向けた基礎研究を実施している。本研究の目的は、軽水炉シビアアクシデント(SA)時の炉内各領域におけるFP化学データベースを構築し、それに基づきFP化学モデルを改良することである。研究の成果は福島第一原子力発電所(1F)廃炉及び軽水炉安全性向上に反映される。ホウ素及び熱水力条件がFP挙動に与える影響、セシウムの構造材への化学吸着挙動評価、FP化合物の熱力学/熱物性データベース構築、及びFP放出移行再現実験及び解析技術開発の4つの研究項目を設定して研究を進めている。本発表では、最近の研究成果と進捗を報告する。

報告書

Results and progress of fundamental research on fission product chemistry; Progress report in 2015

逢坂 正彦; 三輪 周平; 中島 邦久; Di Lemma, F. G.*; 鈴木 知史; 宮原 直哉; 小畠 雅明; 岡根 哲夫; 鈴木 恵理子

JAEA-Review 2016-026, 32 Pages, 2016/12

JAEA-Review-2016-026.pdf:6.18MB

シビアアクシデント時の軽水炉内の各領域における核分裂生成物(FP)化学に関するデータベースの構築、及びそれらに基づくFP化学モデルの改良を目的として、2012年度よりFP化学挙動の解明に向けた基礎研究を開始した。研究成果は福島第一原子力発電所(1F)廃炉研究開発及び軽水炉安全性向上のための基礎的知見として反映する。1F特有の課題やソースターム関連研究における優先度を考慮して、FP挙動に与えるホウ素(B)放出速度及び熱水力条件の影響、構造材へのセシウム(Cs)化学吸着・反応挙動、FP化合物の熱力学及び熱物性データベースの拡充、及びFP挙動再現及びFP含有化合物の化学形直接測定のための実験・解析技術確立の4つの研究項目を設定した。本報告書は、FP化学挙動の解明に向けた基礎研究の2015年の研究成果及び進捗を述べるものである。2015年の成果として、FP放出移行挙動再現実験装置の導入を完遂したことが挙げられる。また、Cs化学吸着に関しての有用な基礎的知見を取得した。4つの研究項目に加えて、1F炉外サンプル分析によりFP挙動を評価するための試みについても検討した。

論文

NEXAFS analysis and electronic state of cesium in clay minerals

鈴木 知史; 吉田 啓之; Shuh, D. K.*; 鈴木 伸一; 矢板 毅

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 6 Pages, 2015/05

粘土鉱物中のセシウムの状態を評価するため、Csを含んだ粘土鉱物のCs M$$_{4,5}$$吸収端近傍X線微細構造(NEXFS)を測定するとともに、Csハロゲン化物や粘土鉱物を密度汎関数法(DFT)を用いて評価した。Csハロゲン化物の評価から、内殻空孔と価電子の相互作用を取り込むには、内殻空孔強度(CHS)を設定すればよいことが分かった。この結果に基づいて、粘土鉱物のCs M$$_{4,5}$$ NEXAFSをDFTより計算したところ、主ピークだけでなくテール構造を含めて実験結果をよく再現した。また、粘土鉱物の六員環のSiをAlに置換すると明確にNEXAFSは変化し、層間においてCsとKが共存する場合はNEXAFSの変化は小さかった。さらに、CsClと粘土鉱物中のCsの電子構造を評価した。

論文

Electronic structure of BaTiO$$_{3}$$ using resonant X-ray emission spectroscopy at the Ba-L$$_{3}$$ and Ti K absorption edges

吉井 賢資; 米田 安宏; Jarrige, I.*; 福田 竜生; 西畑 保雄; 鈴木 知史; 伊藤 嘉昭*; 寺嶋 孝仁*; 吉門 新三*; 福島 整*

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 75(3), p.339 - 343, 2014/03

 被引用回数:3

強誘電体BaTiO$$_{3}$$3について、共鳴X線発光(RXES)及び部分蛍光法を用いたX線吸収分光(PFY-XAS)により電子状態を分析した。実験はSPring8の原子力機構ビームラインBL14B1と物質・材料研究機構ビームラインBL15XUで行った。Ba L$$_{3}$$吸収端でのPFY-XASスペクトルは、過去の文献とは異なり、キュリー点上下で変化しなかった。これは、Ba$$^{2+}$$イオンの位置はキュリー点で変位しないか変位が小さいことを示唆する。また、Ti K吸収端でのRXESスペクトルからは、発光ピークのエネルギーは入射光エネルギーによらずほぼ一定であった。この結果は、Ti 3d軌道が非局在的な性質を持っており、それによりTiイオンが変位して電気双極子の生成して強誘電体となるという、理論計算から提案された機構を支持することが分かった。

論文

DFT study on the electronic structure and chemical state of americium in an (Am,U) mixed oxide

鈴木 知史; 西 剛史; 中田 正美; 都留 智仁; 赤堀 光雄; 平田 勝; 加治 芳行

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 74(12), p.1769 - 1774, 2013/12

 被引用回数:10

(Am,U)混合酸化物の電子構造と化学状態を評価するために密度汎関数法による理論計算を実施した。比較のため3価と4価のAm酸化物と4価と5価のU酸化物の計算も実施した。まず、有効電荷を評価したところ、混合酸化物中のAmは3価に近く、Uは5価であることが明らかとなった。また、電子構造を評価したところ、UO$$_{2}$$中のUがドナーとなりAmO$$_{2}$$中のAmがアクセプターとなりえることから、混合酸化物形成時にUからAmに電荷移動が起こっていると考えられる。

論文

X-ray emission spectroscopy of Ta-related oxides

米田 安宏; 吉井 賢資; 鈴木 知史

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 37(4), p.579 - 582, 2012/12

放射光X線を入射X線として利用したX線発光分光研究をTaを含んだ酸化物と金属タンタルについて行った。SPring-8の偏光電磁石ビームラインの特性からTa-L$$_{III}$$吸収端を利用したTa-L$$_{alpha 1}$$とL$$_{alpha 2}$$の発光スペクトルのデータコレクションを行った。また、放射光X線を用いることによってのみ行うことができる、共鳴発光スペクトルの観測を行うことができた。Ta-L$$_{III}$$吸収端近傍では非常に大きな吸収が生じ、white lineと呼ばれる急峻なピークが通常のXAFSでも観測される。共鳴発光分光を行うことによってこのwhite lineが共鳴ラマンピークであることを確認した。特に単結晶を用いたKTaO$$_3$$の共鳴発光スペクトルでは、入射X線の電場ベクトルを反映した方位依存性を観測することに成功し、電子構造というローカルプローブで物性評価の手段として使えることがわかった。

論文

Probing the Ba 5d states in BaTiO$$_{3}$$ and BaSO$$_{4}$$; A Resonant X-ray emission study at the Ba-L$$_{3}$$ edge

吉井 賢資; Jarrige, I.; 鈴木 知史; 松村 大樹; 西畑 保雄; 米田 安宏; 福田 竜生; 田村 和久; 伊藤 嘉昭*; 向山 毅*; et al.

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 73(9), p.1106 - 1110, 2012/09

 被引用回数:6

強誘電体BaTiO$$_{3}$$のBa 5d軌道の電子状態を放射光共鳴発光により調べ、誘電性を持たないBaSO$$_{4}$$と比較した。Ba-L$$_{3}$$吸収端近傍において共鳴発光スペクトルを測定したところ、両方の化合物ともBa 5d電子は局在していることがわかった。一方、共鳴発光を利用した部分蛍光法吸収スペクトルを測定したところ、BaTiO$$_{3}$$のほうがBaSO$$_{4}$$よりもエネルギー幅の広いピークが観測された。すなわち、BaTiO$$_{3}$$のBa 5d軌道は、O 2p軌道と混成していることがわかった。これは、BaTiO$$_{3}$$の強誘電性はTi-Oの混成により発現するとされてきた従来の見解と異なり、Baイオンも強誘電相転移に何らかの役割を果たすことを示唆する。

論文

Core-hole effect on XANES and electronic structure of minor actinide dioxides with fluorite structure

鈴木 知史; 西 剛史; 中田 正美; 赤堀 光雄; 平田 勝; 加治 芳行

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 73(2), p.209 - 216, 2012/02

 被引用回数:13

マイナーアクチノイド(MA)を含有した蛍石型構造である混合酸化物(MOX)燃料の開発が進められているが、MA化合物の特性はこれまで十分に評価されてこなかった。特に、MAの周辺の原子価状態や局所構造は、MOXの特性に大きく影響する。原子価状態や局所構造の有効な評価手法としてX線吸収スペクトル(XANES)がある。これまで、MOX中のMAの挙動の評価の基礎として、蛍石型構造であるAm$$_{2}$$やNpO$$_{2}$$のXANESの測定を行ってた。このXANESを第一原理計算により評価した結果、Am$$_{2}$$やNpO$$_{2}$$のXANESの吸収端近傍のピークは、酸素p成分との相互作用により形成され、このピークの高エネルギー側のテール構造は、酸素のd成分との相互作用で形成されることがわかった。さらに、励起電子の電子密度を評価した結果、吸収端近傍のピークは束縛状態であり、テール構造はAm原子間あるいはNp原子間の定在波により形成されることが明らかとなった。

論文

Fast calculation approach to semi-empirical molecular orbital method using real space division method

五十嵐 誉廣; 中沢 哲也; 鈴木 知史; 都留 智仁; 加治 芳行

Computational Materials Science, 50(12), p.3346 - 3349, 2011/12

 被引用回数:1

10万原子を超える系の量子的な原子間結合力を得るための新たな手法を開発した。開発手法では、半経験分子軌道法と空間分割法を組み合わせることで、電子構造や原子間結合エネルギーなど、大規模原子系の量子的解析を可能としている。開発した手法を用いて、SiH$$_{4}$$分子とシリカ結晶について結合次数と結合エネルギーの解析を行った。解析の結果、開発した手法は第一原理計算と同等の精度を保ちつつ、非常に早い速度で解析可能であることを確認した。

論文

Valence state of Am in (U$$_{0.95}$$Am$$_{0.05}$$)O$$_{2.0}$$

西 剛史; 中田 正美; 鈴木 知史; 柴田 裕樹; 岡本 芳浩; 赤堀 光雄; 平田 勝

Journal of Nuclear Materials, 418(1-3), p.311 - 312, 2011/11

 被引用回数:18

(U$$_{0.95}$$Am$$_{0.05}$$)O$$_{2.0}$$のU-L$$_{3}$$及びAm-L$$_{3}$$吸収端の透過法によるXAFS測定を行った。さらに、(U,Am)O$$_{2-x}$$中のAmの価数を明らかにするために、(U$$_{0.95}$$Am$$_{0.05}$$)O$$_{2.0}$$のAm-L$$_{3}$$のXANESスペクトルをAmO$$_{2}$$及びAm$$_{2}$$O$$_{3}$$のAm-L$$_{3}$$の吸収スペクトルを用いて検証した。(U$$_{0.95}$$Am$$_{0.05}$$)O$$_{2.0}$$におけるAm-L$$_{3}$$のXANESスペクトルはAm$$_{2}$$O$$_{3}$$のAm-L$$_{3}$$吸収スペクトルと良い一致を示したため、(U$$_{0.95}$$Am$$_{0.05}$$)O$$_{2.0}$$中のAmの価数は3価であることが明らかとなった。

論文

Theoretical study on segregation of Cu, Mo and W impurities and stability of impurity-vacancy pairs in bcc Fe

都留 智仁; 阿部 陽介; 鈴木 知史; 中沢 哲也; 加治 芳行; 塚田 隆

Journal of Nuclear Materials, 417(1-3), p.1054 - 1057, 2011/10

核融合炉における構造材料の有力な候補として期待される低放射化フェライト鋼において、マトリクス中の不純物の安定性は照射脆化等の材料劣化に寄与する大きな要因である。本研究では、圧力容器等に用いられるフェライト鋼と低放射化フェライト鋼における不純物元素の析出特性と、空孔ペアとの安定性について第一原理計算を用いた検討を行った。その結果、Feマトリクス中の相互作用係数と析出エンタルピーの評価から、WやMoはCuなどの閉殻系と異なり固溶状態が安定であることがわかった。

論文

Evaluation of solute-atom clusters segregated in $$alpha$$-Fe

鈴木 知史; 都留 智仁; 加治 芳行

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 2, p.34 - 37, 2011/10

照射を受けた圧力容器鋼材では、固溶原子の析出やクラスタリングが観察される。これらのクラスターは照射脆化の原因と考えられている。近年、3次元アトムプローブ(3DAP)によって、Cu, Si, Ni, Mn等のクラスターが観察されている。そこで、本研究では、$$alpha$$-Fe中のCu, Si, Ni等の不純物の挙動を明らかにするため密度汎関数法(DFT)計算を実施した。その結果、Cu-Si結合はSi-Si結合より安定であり、Cu-SiとSi-Niの相互作用パラメーターはCu-Niより低い値であった。このことから、CuやNiが存在することにより、Siを含んだクラスターの形成が促進されることがわかった。さらに電子構造により評価を行った結果、CuとSiの共存により、Cu及び隣接するFeのエネルギーが下がり、安定となることがわかった。

論文

Resonant inelastic X-ray scattering at Ba-L$$_{3}$$ edge in BaTiO$$_{3}$$

吉井 賢資; Jarrige, I.; 松村 大樹; 西畑 保雄; 鈴木 知史; 伊藤 嘉昭*; 向山 毅*; 栃尾 達紀*; 篠塚 寛志*; 福島 整*

Japanese Journal of Applied Physics, 50(9), p.09NE03_1 - 09NE03_4, 2011/09

 被引用回数:2

強誘電体BaTiO$$_{3}$$のBa-L$$_{3}$$吸収端における共鳴非弾性X線散乱測定をSPring-8ビームラインBL15XUで行った。まず、非弾性散乱X線の一つBa-L$$alpha$$$$_{1}$$線に分光器のエネルギーを合わせ、誘電性を示さないBaSO$$_{4}$$を対照物質としてBa-5d吸収スペクトルを測定したところ、BaTiO$$_{3}$$のスペクトルは幅が太いことがわかった。分子軌道計算を行ったところ、Ba-5d軌道とO-3p軌道が共有結合的な性質を有し、エネルギーバンドを作っていることがわかった。BaTiO$$_{3}$$の強誘電性はTi-Oの共有結合性による原子変位がその起源とされているが、この実験事実はBa-Oの共有結合も重要であることを示唆する。また、Ba-L$$alpha$$$$_{1}$$非弾性X線スペクトルを吸収端近傍で測定したところ、Ba-5d軌道は上述の通り酸素とバンドを作っているものの、局在的であることを示すデータが得られた。この測定により、非占有状態の局在性の指標に関する情報が得られること、また、考えられる幾つかの応用についても議論する。

論文

Relativistic density-functional study of solid solubitilty of tansiton metal/$$gamma$$-uranium alloys; The Roll of d-d orbital interactions

栗原 正義*; 尾上 順*; 平田 勝; 鈴木 知史

Journal of Alloys and Compounds, 509(4), p.1152 - 1156, 2011/01

 被引用回数:2

$$gamma$$相ウランにおける遷移金属(TM)の固溶挙動を、相対論DV-X$$alpha$$分子軌道法を用いて検討した。固溶性の評価には、遷移金属のd軌道のエネルギー(Md)、及び、遷移金属とウランの原子軌道間の軌道結合次数(OOP)を用いた。この分子軌道法による計算結果から、U 6dとTM dとの相互作用が、$$gamma$$-U/TM合金の最大固溶度(MSS)について、重要な役割を果たしていることがわかった。また、MSSの値は、d-d軌道相互作用による安定化エネルギーにより説明され、MdとOOPはこの安定化エネルギーに影響していることがわかった。

論文

The Configuration and electronic state of SO$$_{3}$$ adsorbed on Au surface

鈴木 知史; 中桐 俊男

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 72(1), p.10 - 16, 2011/01

 被引用回数:3

日本原子力研究開発機構では、高速増殖炉で(FBR)発生する熱と電気を利用した水素製造プロセスとして、ハイブリッド熱化学法を開発している。このプロセスには、三酸化イオウ(SO$$_{3}$$)分解が含まれている。しかしながら、SO$$_{3}$$の電気分解の反応機構は明らかでなく、さらなる高性能化には、反応機構を明らかにする必要がある。これまでに、第一原理計算を実施してSO$$_{3}$$のPt電極表面への吸着・解離反応を明らかにしてきた。さらに電極の高性能化のため、実験より比較的優れた特性を示したAuについての検討を行うため、第一原理計算を実施した。計算結果より、Au表面上でSO$$_{3}$$は6種類の安定構造を取ることが明らかとなった。

論文

Local and electronic structure of Am$$_{2}$$O$$_{3}$$ and AmO$$_{2}$$ with XAFS spectroscopy

西 剛史; 中田 正美; 鈴木 知史; 柴田 裕樹; 伊藤 昭憲; 赤堀 光雄; 平田 勝

Journal of Nuclear Materials, 401(1-3), p.138 - 142, 2010/06

 被引用回数:23

希土類A型構造を持つアメリシウム三二酸化物(Am$$_{2}$$O$$_{3}$$)と蛍石型構造を持つ二酸化アメリシウム(AmO$$_{2}$$)のX線吸収微細構造に関する研究を行った。Am$$_{2}$$O$$_{3}$$及びAmO$$_{2}$$のAm-L$$_{3}$$吸収端のEXAFSの結果はX線回折から得られる結晶データと良い一致を示した。また、電子構造の観点からX線吸収端構造を評価するために、Am$$_{2}$$O$$_{3}$$及びAmO$$_{2}$$の理論的解析をFP-LAPW法を用いて行った。この解析結果から、理論的解析により求められたXANESスペクトルは実験で得られたスペクトルと良い一致を示し、XANESスペクトルのホワイトラインはAm-dとO-p成分の相互作用から、セカンドピークとホワイトラインのテールピークはAm-dとO-d成分の相互作用から形成されることが明らかとなった。

論文

LLRF controller upgrade for the J-PARC 400 MeV linac

Fang, Z.*; 道園 真一郎*; 穴見 昌三*; 山口 誠哉*; 内藤 富士雄*; 福井 佑治*; 川村 真人*; 久保田 親*; 南茂 今朝雄*; 小林 鉄也; et al.

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.1434 - 1436, 2010/05

J-PARCリニアックはあと2年のうちに181MeV加速から400MeV加速へと増強される。本リニアックの低電力高周波(LLRF)制御システム(FPGAを用いたデジタル制御)において、400MeV加速に向けて機能向上を図ったので、それら新機能について報告する。本機能は、これまでの181MeV加速用(324MHz-RFシステム)と400MeV加速用(972MHz-RFシステム)の両方において動作する。今回、新しく多くの機能をLLRF制御システムに追加した。例えば、(1)324MHzと972MHzの両方の周波数に対応,(2)パルス先頭におけるフィードバックゲインの緩やかな立ち上げ,(3)チョップドビーム負荷補償の追加,(4)ビーム供給先変更によるビーム負荷補償のパルスごとの切り替え,(5)空洞立ち上げにおける入力RF周波数の自動チューニング,(6)空洞チューナー制御における離調度取得方法の改善(入出力位相差測定をパルス減衰波形による測定に変更)、などである。

論文

Nonempirical prediction of impurity segregation in $$alpha$$-Fe from first principles

都留 智仁; 鈴木 知史; 加治 芳行; 塚田 隆

Journal of Applied Physics, 107(6), p.061805_1 - 061805_4, 2010/03

 被引用回数:6

原子炉圧力容器鋼の中性子照射脆化の原因として不純物元素クラスターの析出による照射硬化がある。近年の三次元アトムプローブによる観察から、従来から知られている銅だけでなくマンガン等の元素もクラスターを生じることがわかってきており、照射脆化低減の観点から不純物元素クラスターの形成傾向を予測することが重要である。そこで本研究では、その形成傾向の計算科学的予測法の検討を行った。まず、不純物元素が$$alpha$$鉄中に固溶した二元系を仮定し、結合エネルギーの評価にBragg-Williams近似を用いて混合のエンタルピーを予測する手法を提案した。その結果、銅やマンガンは析出した状態が安定であるが、ニオブやタンタルは固溶状態が安定であるという結果を得た。また、不純物の鉄中の結合状態は第一隣接間に広がる$$d$$-軌道間の相互作用に起因していることを示し、今後のモデルの高精度化によって非経験的な傾向予測が可能であることを示した。

論文

Evaluation for the configurational and electronic state of SO$$_{3}$$ adsorbed on Pt surface

鈴木 知史; 山田 洋一; 中桐 俊男

Applied Surface Science, 256(3), p.862 - 869, 2009/11

 被引用回数:6

日本原子力研究開発機構では、高速増殖炉(FBR)で発生する熱と電気を利用した水素製造の可能性を検討している。この方法として、水を原料として硫酸の合成・分解を組合せたプロセスを選定した。このプロセス中で三酸化イオウ(SO$$_{3}$$)ガス分解反応を行うが、この反応に関して、YSZ固体電解質とPt電極からなる電解セルを使用した電気分解を行うハイブリッド熱化学法を行うことによって、FBRで取り出し可能な約500$$^{circ}$$Cまで低温化できることを実証した。しかしながら、SO$$_{3}$$の電気分解の反応機構は明らかでなく、さらなる高性能化には、反応機構を明らかにする必要がある。この第一段階とし、SO$$_{3}$$のPt電極表面への吸着について第一原理計算を実施した。この結果、Pt表面上でSO$$_{3}$$は2種類の安定配置が存在することがわかった。さらに、この安定配置について、SO$$_{3}$$とPt面との結合状態や電荷の移動についての評価をするため、DV-X$$alpha$$分子軌道法による計算を実施した。その結果、Pt表面からS原子へ電荷が移動すること、さらには、SO$$_{3}$$のPt表面への吸着によって、S-Oの結合が弱まり、O原子の解離が促進されることがわかった。

論文

High thermoelectric performance of metal-substituted samples of $$alpha$$-Fe$$_{2}$$O$$_{3}$$ and computation of their electronic structures by the DV-X$$alpha$$ method

杉原 淳*; 鈴木 知史; 亀谷 亮平*

International Journal of Quantum Chemistry, 109(12), p.2788 - 2792, 2009/10

 被引用回数:2

熱電変換技術は温暖化やエネルギー源の不足のため、近年重要性を増している。熱電材料の中でも酸化物系材料の研究が盛んに行われている。現在、熱電効率の高効率化のため、酸化$$alpha$$-Fe$$_{2}$$O$$_{3}$$の金属を置換した材料とその電子構造を研究している。その中で、LiFを加えて鉄を部分的に置換して(Fe,Li)$$_{2}$$O$$_{3}$$の材料について、DV-X$$alpha$$法により電子構造を検討するとともに粉末冶金法により試料を作製して評価した。その結果、870Kで、熱電起電力は、-411$$mu$$VK,抵抗率は3$$times$$10$$^{-4}$$$$Omega$$m,熱伝導率は4Wm$$^{-1}$$K$$^{-1}$$という結果が得られ、鉄酸化物を基材とする熱電材料は有望であることがわかった。また、この結果から、結晶格子中のFeのLiへの部分的な置換は、フェルミレベル近傍の電荷密度を増大させ、ゼーベック係数(熱電起電力)を保ちつつ電気抵抗を減少さす役割があることが明らかとなった。さらに、400K以下では、基準となる$$alpha$$-Fe$$_{2}$$O$$_{3}$$と比べて、導電率の低下は5Wm$$^{-1}$$K$$^{-1}$$以下で60%の値となった。

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