| Project/Area Number |
24K01401
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
桑原 彬 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (50732418)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
富田 英生 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20432239)
水嶋 祐基 静岡大学, 工学部, 准教授 (30844716)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2027: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2024: ¥13,910,000 (Direct Cost: ¥10,700,000、Indirect Cost: ¥3,210,000)
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| Keywords | 同位体分析 / レーザーアブレーション / ウラン / 共鳴イオン化質量分析 / フェムト秒レーザー / レーザーフィラメント / 超音速プラズマ |
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| Outline of Research at the Start |
原子力分野の同位体分析では、被ばくリスクを大幅に低減しながら、多元素・多核種を含む固体サンプルを直接分析できる共鳴イオン化質量分析の研究が進められている。しかし、従来のイオン銃による二酸化ウランUO2等の原子化では、U原子収率が極めて低く、微量サンプルの分析には限界があった。申請者はこれまでにナノ秒レーザーによるレーザーアブレーションの原子化を検討してきたが、高真空下での散逸、同位体識別能の劣化、イオン化スキーム外への励起が問題であった。そこで、本研究では、フェムト秒レーザーによるレーザーアブレーションとレーザーフィラメントにより、超音速プラズマ流の高度制御からRIMS諸問題の解決を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2024年度は、レーザーフィラメンテーションに基づく流動制御の前段として、レーザーアブレーションプラズマの物理化学の把握・解明を目的に（1）物理挙動（LPP中の運動挙動の質量数依存性）（2）化学反応（準安定酸素原子のレーザー吸収分光計測）について実施した。(1)については、ガドリニウム酸化物（圧縮ペレット）のアブレーションで生じるガドリニウム原子（基底準位・394nm）をプロービングし運動挙動を解析した。ガドリニウム原子は、これまでに実施したウラン原子と同様に明確なスペクトル分裂は観測されず、伝播速度も同程度であった。一方で、ガドリニウム原子の距離・時間減衰については、ウラン原子より軽元素のアルミニウム原子と似た挙動をとることが確認された。これらは酸化反応の反応速度に関係している可能性があり、(2）のテーマへとつながる。(2)については、酸化アルミニウムのアブレーションで生じる酸素原子（準安定準位・777nm）をプロービングし、柱状密度nlを評価した。代表的な柱状密度nlとして、レーザー照射から350ns後に10の15乗オーダーの準安定準位の酸素原子が生成されていることが分かった。また、スペクトル幅の解析より並進温度は約13000Kであり、ボルツマン分布を仮定すると基底準位の酸素原子は10の19乗オーダーであると考えられる。実際には、初期のプラズマは非平衡状態になり正確な評価には基底準位の酸素原子のプロービングが不可欠である。
2025年度に向けた予備実験として、1mJ級のフェムト秒レーザーで空気のブレークダウン及び気流による影響の有無を確認した。結果から、1mJでのブレークダウンと気流による発光スペクトルの変化が確認された。気流に大きな変化は見られなかったため、音速流中での実験の必要性が示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画の内容をおおむね実施することができたため、本区分とした。未達の事項として、概要の(1)については、ガドリニウム、ウラン、アルミニウムに関する定量的な比較、(2)については、酸素原子の柱状密度の時間履歴の評価も未達となっている。これらを2025年度に実施することで次フェーズのレーザーフィラメンテーションへとつなげていく。
フェムト秒レーザーについては、1mJ級の再生増幅器を構築予定であったが、価格高騰のため2025年度以降に完成が持ち越しとなっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
レーザーアブレーションの物理化学とレーザーフィラメンテーションを並行して実施していく。レーザーフィラメンテーションについては、上述のとおり完成が遅延しているため、ナノ秒レーザーでの実験を中心に実施する予定である。大気圧化だけでなく加圧環境でのレーザーアブレーションのジェット化を目指す。
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