hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
構造欠陥に起因したカーボンナノチューブの新たな電子状態とその制御

単層カーボンナノチューブ(SWNT)において赤外光領域に現れる幅の広い吸収帯の起源を明らかにするために、高純度に分離された半導体および金属SWNT薄膜に電子線を照射し、それが赤外吸収スペクトルに与える影響を調べた。電子線照射によって、欠陥生成によって現われるラマンピーク(D band)が増大し、赤外吸収帯が高エネルギー側にシフトした。このピークエネルギーはSWNT固有のラマンモード(G band)とD bandの比(G/D比)の逆数に比例することから、SWNTに入った欠陥によって、有効的なSWNTの長さが短くなり、そプラズモン共鳴エネルギーが高エネルギー側にシフトしたと考えることが出来る。半導体および金属単層カーボンナノチューブ(SWNT)では、それぞれのバンドに固有の吸収帯が、近赤外から紫外光領域に現れるが、赤外光領域にも幅の広い吸収帯が半導体、金属SWNT共に現れることが知られている。この赤外吸収帯の起源は、アンテナ効果であると言われているが、その詳細は明らかになっていない。この起源を明らかにするために、本研究では、高純度に分離された半導体および金属SWNT薄膜に、紫外線やX線、電子線を照射し、それが赤外吸収スペクトルに与える影響を調べた。測定は、照射した微小領域の赤外光領域の吸収スペクトルを測定するために、SPring-8のBL43IRの顕微赤外分光測定用ビームラインを用いて行った。電子線照射を行った半導体SWNTのラマンスペクトルを測定したところ、照射によって欠陥に起因する1350cm-1のラマンピーク(D band)が増加しており、電子線によって、ナノチューブ内に欠陥が生成されていることがわかる。この照射領域で吸収スペクトルを測定したところ、電子線照射により、0.7eVのS1遷移の吸収強度の減少とブロードニングが見られる。また、0.1eVあたりに広がる赤外吸収帯は、強度を減少しつつ、ピークは高エネルギー側にシフトしていることがわかった。この傾向は、金属SWNTにおいても同様であった。これらの結果は、赤外吸収帯は、ナノチューブの有限な長さに共鳴したプラズマ振動のアンテナ効果によるものであり、電子線照射によって、半導体、金属単層カーボンナノチューブに欠陥が導入され、有効的なチューブ長さが短くなり、赤外吸収帯のピークが高エネルギー側にシフトしたと考えることができる。半導体および金属単層カーボンナノチューブ(SWNT)では、赤外光領域に幅の広い吸収帯が半導体、金属SWNT共に現われる。今年度も昨年度に引き続き、この吸収帯の起源を明らかにするために、高純度に分離された半導体および金属SWNT薄膜に電子線を照射し、SWNTに欠陥を導入して、それが赤外吸収スペクトルに与える影響を調べた。測定は、微小領域の赤外光領域の吸収スペクトルを測定するために、SPring-8のBL43IRの顕微赤外分光測定用ビームラインを用いて行った。また、局所的な構造変化を調べるために、顕微ラマン分光を行った。電子線照射によって、欠陥に起因する1350cm-1のラマンピーク(D band)の強度が増加し、それと共に、赤外吸収帯のピーク位置が高エネルギー側にシフトした。欠陥の密度を欠陥のないSWNT特有に現われる1590cm-1のラマンピーク(G band)とD bandとの比(G/D比)で定性的に見積もり、それと赤外吸収帯のピークエネルギーの関係を調べると、ピークエネルギーはG/D比の逆数に比例していることがわかった。このことは、SWNTに欠陥が導入され、欠陥がない有効的なSWNTの長さが短くなり、それによって赤外吸収帯のピーク位置が高エネルギー側にシフトしたと判定量的に理解することが出来、この赤外吸収帯の起源が、有限長さのSWNTによるアンテナ効果であることを示しているといえる。また、赤外吸収スペクトルの温度依存を測定した結果、この吸収帯はほとんど温度に依存しないことがわかった。このこともこの吸収帯の起源がエネルギーギャップ間によるものでないことを強く示唆している。単層カーボンナノチューブ(SWNT)では、赤外光領域に幅の広い吸収帯が半導体、金属SWNT共に現われるが、この赤外吸収帯の起源は明らかになっていなかった。本研究では、この起源を明らかにするために、半導体および金属SWNT薄膜に電子線を照射し、それが赤外吸収スペクトルに与える影響を調べた。微少領域の赤外光領域の吸収スペクトルをSPring-8のBL43IRの顕微赤外分光測定用ビームラインで測定した。また、関連物質である酸化グラフェンの光学応答も調べた。電子線照射によって、半導体、金属SWNT共に、欠陥に起因する1350cm-1のラマンピーク(D band)が増加する。この照射領域の吸収スペクトルを測定したところ、赤外吸収帯は、強度を減少しつつ、ピークは高エネルギー側にシフトした。欠陥が増加したにもかかわらず、赤外吸収帯の強度が減少したことから,この吸収帯は欠陥準位によるものではないことが分かる。欠陥のないSWNTに現われる1590cm-1のラマンピーク(G band)とD bandとの強度比(G/D比)と赤外吸収帯のピークエネルギーとの関係を調べると、ピークエネルギーはG/D比の逆数に比例することが分かった。このことはSWNTに入った欠陥によって、有効的なSWNTの長さが短くなり、その結果、プラズモン共鳴エネルギーが高エネルギー側にシフトしたと考えることが出来る。また、この赤外吸収帯はほとんど温度に依存しないことが分かった。

その結果を、電子の平均自由行程の温度変化と長さ方向の閉じ込め効果を考慮して定量的に考察し、プラズモン共鳴で実験結果を説明することが出来ることがわかった。また、酸化グラフェンについて三次の非線形光学応答を調べたところ、欠陥のない炭素のsp2領域のサイズに応じて非線形性が変化することが分かった。単層カーボンナノチューブ(SWNT)において赤外光領域に現れる幅の広い吸収帯の起源を明らかにするために、高純度に分離された半導体および金属SWNT薄膜に電子線を照射し、それが赤外吸収スペクトルに与える影響を調べた。電子線照射によって、欠陥生成によって現われるラマンピーク(D band)が増大し、赤外吸収帯が高エネルギー側にシフトした。このピークエネルギーはSWNT固有のラマンモード(G band)とD bandの比(G/D比)の逆数に比例することから、SWNTに入った欠陥によって、有効的なSWNTの長さが短くなり、そプラズモン共鳴エネルギーが高エネルギー側にシフトしたと考えることが出来る。赤外吸収帯の起源を明らかにするために、赤外吸収スペクトルの詳細な測定を行う予定であったが、前期(2014A期)のSPring-8のマシンタイムをとることが出来なかった。後期(2014A期)になって始めて温度変化の測定を行うことが出来始めた。光物性2015年度前期(2015A期)のSPring-8のマシンタイムは残念ながらとることが出来なかった。今後、実験室系での測定に加えて、同様なナノカーボン系であるナノグラフェンや多層カーボンナノチューブについての測定も行い、赤外吸収帯における次元性の問題について調べていく予定である。赤外吸収帯の起源をより詳細に明らかにするために、吸収スペクトルの温度変化を測定する予定であったが、後期(2013B期)のSPring-8のマシンタイムをとることが出来ず、実験を行うことが出来なかった。昨年度の計画では、申請時に初年度に購入予定であった検出器を今年度に購入予定であったが、実験に使用していたレーザーの高圧発生装置が故障したため、その修理費に使用した。2014年度前期(2014A期)のSPring-8のマシンタイムも残念ながらとることが出来なかったため、現在、後期(2014B期)のマシンタイムを獲得すべく、申請書の作成を行っている。また、同じような物理的な関心を持っている産総研の岡崎氏と、共同研究の打ち合わせを行っているところである。検出器は使用頻度が高いため、次年度あらためて購入を予定している。申請時には初年度に分光器および検出器を購入予定であったが、研究室内の既設の装置で手当てすることが出来たため、とりあえず購入を見送った。その代わり、光照射用のレーザー装置が故障したためこの修理・調整費として当てた。
実験的自己免疫胃炎発症機序に関する免疫細胞学的研究

自己免疫疾患の発症機序はなお多くが不明である.我々は新生児期のマウス胸腺摘出により,発育後発現する自己抗体産生を伴った種々の臓器特異的自己免疫疾患をモデルとして取り上げ,その発症の根底には自己反応性T細胞の分化増殖を抑制する調節性T細胞の機能異常ないし欠落のあることは提示してきた.それに基き本研究は自己免疫臓器炎殊に胃炎発症におけるY及びB細胞の直接的役割(効果作用)は何であるかを明らかにする目的で遂行された.その結果,自己免疫性胃炎発症状態にある時には自己胃壁細胞によりT及びB細胞も活性化され,前者は遅延型過敏症を,後者はHCL分泌と関係した胃壁細胞内分泌小管及び小管小胞系に存在する少なくとも3種のエピトープ(この自己抗原には種特異性のあるものとそれを越えるものが存在する)を認識する自己抗体を産生することが明らかにされた.これらの知見によって臨床所見は十分説明しうると考えられる.しかしながら炎症を惹起し組織破壊を結果する過程におけるT細胞, B細胞の直接関与はまた解決されていない.両者の認識するエピトープが共通か否かを知ることがそれを明らかにする一つの道であろう.自己免疫疾患の発症機序はなお多くが不明である.我々は新生児期のマウス胸腺摘出により,発育後発現する自己抗体産生を伴った種々の臓器特異的自己免疫疾患をモデルとして取り上げ,その発症の根底には自己反応性T細胞の分化増殖を抑制する調節性T細胞の機能異常ないし欠落のあることは提示してきた.それに基き本研究は自己免疫臓器炎殊に胃炎発症におけるY及びB細胞の直接的役割(効果作用)は何であるかを明らかにする目的で遂行された.その結果,自己免疫性胃炎発症状態にある時には自己胃壁細胞によりT及びB細胞も活性化され,前者は遅延型過敏症を,後者はHCL分泌と関係した胃壁細胞内分泌小管及び小管小胞系に存在する少なくとも3種のエピトープ(この自己抗原には種特異性のあるものとそれを越えるものが存在する)を認識する自己抗体を産生することが明らかにされた.これらの知見によって臨床所見は十分説明しうると考えられる.しかしながら炎症を惹起し組織破壊を結果する過程におけるT細胞, B細胞の直接関与はまた解決されていない.両者の認識するエピトープが共通か否かを知ることがそれを明らかにする一つの道であろう.生直後胸腺摘出を受けたBAL B/Cマウスが生育後発症する自己免疫性胃炎について、1.胃炎症局所に浸潤したリンパ球サブセットを蛍光抗体染色し、cytofluorometerによって解析した結果、抗胃壁細胞自己抗体の発現する11.5月令(炎症初期)にはまずT細胞が主として浸潤し、612月令に達すると次第にB細胞も出現してくること、及び、T細胞にはLy-【1^+】及びLy+【23^+】サブセットが含まれることを明らかにした。2.一旦自己抗体を発現したBALB/Cマウスの脾細胞をBALB/Cヌードマウスに移入すると12か月後100%の頻度で、同様の自己免疫性胃炎が発症してくる。即ち脾細胞中には胃炎を誘起する効果細胞が含まれること、しかしながら自己抗体を含む血清の移入では胃炎は誘起されない事を見出した。効果細胞がLy+【1^+】T細胞であることは従来の研究から明らかにされている。3.胃炎発症ヌードマウス足蹠部に正常マウス胃より採取した胃壁細胞を皮内注射すると典型的な遅延型過敏症を誘起すること、主細胞を多く含む胃細胞ではこれが誘起されないこと、を明らかにした。この事実は、主として胃壁細胞によって感作され活性化されたT細胞が胃炎発症マウスには存在し、それによって引き起こされる遅延型過敏症が胃炎局所の組織傷害の原因の一つとなっていることを示唆している。4.自己抗体やT細胞を活性化する胃壁細胞抗原には種特異性がなく、マウス由来自己抗体はヒトやウシの胃壁細胞とも反応すること、及び抗原物質は分子量56万のマイクロゾーム分画に含まれる蛋白質である可能性のあることを見出した。抗胃壁細胞自己抗体産生ハイブリドーマを確立し、それを用いて更なる解析を進めている。
超高強度繊維補強コンクリートの繊維の分散・配向の可視化と引張軟化特性

超高強度繊維補強コンクリート(UFC)を対象としてコンクリート内部における繊維の配向を無色透明なモデルコンクリート(可視化コンクリート)を用いて観察した。また,硬化したUFC供試体を切り出し,切断面の画像解析の結果,可視化コンクリートと実際のUFCで繊維の配向は定性的に一致していることを確認した。さらに,繊維が一定方向に配向した曲げ供試体について載荷試験を行い,繊維の配向と曲げ強度の関係を検討した結果,繊曲げ強度の変化の割合は,配向角度の変化にともなう破断面における有効繊維本数の変化の割合とほぼ一致することが示された。本年度は以下の2つの実験を行った。(1)可視化モデルコンクリートによる繊維の配向の観察透明な可視化モデルコンクリートを寸法の異なる透明な型枠に打込み,型枠内の繊維の配向を観察した。また,モデルコンクリート流動特性が繊維の配向に及ぼす影響について検討した。主な結果は以下の通りである。1奥行10cm,深さ30cmの比較的の深い型枠に打込むと,繊維は鉛直面内で打込み位置を中心に同心円状に配向する。2型枠面の摩擦を大きくすると,型枠面付近で繊維がコンクリートの流動方向に配向する領域(型枠からの距離)が大きくなる。3薄い板状の型枠に打込むと,繊維は面内で込み位置を中心に同心円状に配向する。4いずれの型枠においても打込み位置によって繊維の配向が大きく変化する。5型枠内に2箇所から同時に打込むと,合流部で界面が形成される状況が明確に確認された。6モデルコンクリートの流動特性によって繊維の配向は変化するが,配向に最も影響を及ぼす要因は,モデルコンクリートと型枠面での粘着,摩擦である(2)供試体切断面の画像解析による繊維の配向の観察実際の超高強度繊維補強コンクリート(UFC)内での繊維の配向を評価するため,供試体を切断して得られる繊維の切断面の画像から繊維の配向を推定し上記の可視化モデルコンクリートでられた結果と比較した。なお,ここでは深さ100mm,長さ100cmとして幅を10,20,40cmに変化させて供試体を用いた。画像解析によって得られた結果は以下の通りである。1供試体寸法にかかわらず,型枠面付近では繊維は水平かつ流動方向に配向している2幅の狭い供試体の幅方向中央部では繊維は流動方向斜め上方に配向してる。3幅の広い供試体で側面型枠から離れた位置では繊維は流動方向斜め上方,供試体幅方向の中央側に傾いて配向してる。4以上の結果は視化モデルコンクリートでられた結果と定性的に一致している。超高強度繊維補強コンクリート(以下,UFCとする)を対象としてコンクリート内部における繊維の分散・配向を可視化することを試みた。その結果,以下のことが明らかとなった。1.高吸水性高分子材料を用いることで,内部の繊維の配向を肉眼で確認できる無色透明なモデルコンクリート(可視化コンクリート)を作ることができることが明らかになった。このモデルコンクリートを用い,100×100×400mmの標準曲げ供試体を対象として2種類の方法で打ち込んだ場合,打込み方法によりコンクリート中の繊維の配向が明確に異なることが明らかになった。コンクリートの打込み位置を型枠端に固定して打込む方法の場合,最終的に繊維は斜め上方向に配向するのに対して,打込み位置を移動して打込む方法の場合には繊維はランダムに配向することをビデオ画像として撮影した。この繊維の配向の傾向は,繊維の混入率,繊維の種類に依らず同様であることも示された。2.モデルコンクリートで観察された繊維の配向の性状を実際のUFCで確認するため,鋼繊維を用いたUFC曲げ供試体を切断し,断面内における繊維の分布状況と繊維の切断面の形状を観察した。その結果,切断面の状況から推測される繊維の配向は,モデルコンクリートで観察された繊維の配向と定性的には一致していることが明らかになった。3.2種類の打込み方法で実際のUFCを作製し,切欠き梁の3年曲げ載荷試験を行った結果,強度が20%程度異なることが明らかになった。【最終年度の成果】平成26年度はパネル部材における繊維の配向と曲げ特性の関係を検討した。昨年度の実験により円形パネルの中心から超高強度繊維補強コンクリート(UFC)を打込むと繊維は円周方向に配向することが示された。そこで,直径1200mm×厚さ50mm円形パネルの中心にUFCを打込み,硬化後にパネルの半径方向に対して0°,30°,60°および90°の方向に曲げ供試体を切出し,曲げ載荷試験と破断面の画像解析を行った。

その結果,パネルから切出した供試体のひび割れ発生後の最大曲げ応力は,切出した角度により変化し,半径方向に対して0°と90°で切出した場合では,1:10程度の差が生じることが確認できた。また,破断面の画像解析の結果から,繊維の配向角度の変化にともなう曲げ強度の変化の割合は,配向角度の変化にともなう破断面における有効繊維本数の変化の割合とほぼ一致することを明らかにした。【期間全体を通じて実施した研究の成果】UFCを対象としてコンクリート内部における繊維の配向を可視化するために,無色透明なモデルコンクリート(可視化コンクリート)を用いることを提案し,標準曲げ供試体の型枠をはじめ種々の形状,寸法の型枠に打込み,繊維の配向の状況を確認した。硬化したUFC供試体を切り出し,切断面の画像解析を行った結果,可視化コンクリートと実際のUFCで繊維の配向は定性的には一致し,可視化コンクリートの有効性が示された。また,繊維が一定方向に配向した供試体から曲げ供試体を切り出し,繊維の配向と曲げ特性の関係を検討した結果,繊維の配向角度の変化にともなう曲げ強度の変化の割合は,配向角度の変化にともなう破断面における有効繊維本数の変化の割合とほぼ一致することを明らかにした。コンクリート工学コンクリート中の繊維の配向に対するモデルコンクリートの種類の違い,型枠の寸法・形状の違い,および打込み位置の違いの影響を確認し,実際のコンクリート内での繊維の配向ともほぼ一致していることを確認できた点は大きな成果である。供試体はまだ小型ではあるが繊維の配向の可視化に成功し,打込み方法により配向が変化することを明らかにした。・可視化モデルコンクリート中の繊維のより鮮明な画像の撮影方法を検討する。・切断断面の画像解析による繊維の配向推定の精度を検討する。・供試体を切出し,繊維の配向・分散と力学性能の関係を明らかにする。・研究成果を論文としてまとめる。今年度は当初の計画通り,大型の供試体による可視化実験を行う。また,実際のUFCも製造し,繊維の配向と力学特性の関係についても検討する。怪我入院・治療のため実験の一部を次年度に延期したため。延期した実験を実施するために使用する。24年度に画像解析ソフトを購入する予定であったが,実験の結果,機能の再検討が必要となり25年度に延期することとした。
エコ・ユビキタス環境を構築するユビキタス基盤ソフトウェアに関する研究

本研究は、ユビキタス情報環境に埋め込まれた様々なセンサデータを利用して、利便性を保ちつつも、電力やガスなどのエネルギー利用や、熱排出などの環境負荷を最小化するエコ・ユビキタス環境を実現するための基盤ソフトウェアの構築を目的としている。初年度である今年は、cogma roomや名古屋大学においてこれまでに収拾した電力関係におけるデータの調査や、新たに端末の消費電力に関する調査を行うことにより、環境負荷低減のための基本アルゴリズムの検討を進めた。本研究がエコ・ユビキタス環境のための基本コンポーネントを実現することによって、様々なユビキタス情報システムにおいて、環境負荷の低減が期待できる。また、すでに存在するユビキタスシステム・センサの調査iRoom(Stanford),EasyLiving(マイクロソフト),STONE(東京大),SSLab(慶應大),Cogma(名大),既存のネットワークシステム・センサネットワークの調査や、IEEE1394, HaVi, UPnP, Jini, JXTAなどのミドルウェアの調査を進めた。また、さまざまな被制御機器(電灯やエアコンなど)の環境負荷をどのように表現し、制御すべきかを検討した。また、細かな機器の電力消費を簡便に観測し、制御するための小型電力センサのプロトタイプの設計を進めている。このセンサはコンセントの電力制御を可能にすると同時に個別の電力消費をネットワーク経由で収集可能とすることを計画している。また、すでに存在するユビキタスシステム・センサの調査iRoom (Stanford),EasyLiving(マイクロソフト),STONE(東京大),SSLab(慶應大),Cogma(名大),既存のネットワークシステム・センサネットワークの調査や、IEEE1394, HaVi, UPnP, Jini, JXTAなどのミドルウェアの調査を進めた。
新規包括的１細胞解析による腫瘍浸潤T細胞クローン応答の俯瞰図の解明

獲得免疫の中心の一つであるT細胞クローンの選択的増殖および機能分化は、がんなど様々な非自己の排除において中心的な役割を果たします。本研究では、数千のT細胞が持つ抗原受容体と、数千の遺伝子発現情報を同時解析する新たな手法の開発を通じ、マウス担癌モデルにおける"個々のT細胞クローン応答の俯瞰図"の解明を目指します。
日本における難病の公費医療制度の実証研究：「疾患名モデル」の展開とその国際比較

本研究では、課題の解明のために4つの問いに関する分析作業に取り組んでいる。平成30年度は、(1)戦後の旧国立療養所・国立病院資料調査として、戦後の旧国立療養所及び国立病院の病床データの収集と電子データ化を行った。戦後から1980年代以前の国立療養所と国立病院の病床データは厚生労働省所蔵の各年報に推計が残されており、これらの資料の電子データベース化を実施した。また、(2)疾患名モデルの社会保障制度化における公費医療の都道府県単独事業推移の財政的検証として、1970年代に形成された研究主導型の「疾患名モデル」による難病政策が、2015年の難病法法制化により総合事業として社会保障制度化されるに至る経緯を、地方自治体における単独事業の多様化と拡大の様相の検討を通じて分析した。(1)および(2)の日本の公費医療の検証を基にして、(3)Rare Diseases関連支出の推定検証と国際比較に向けたデータ整備を行った。Rare Disease Policyの社会支出推定に関する調査としてアメリカで現地調査を行い、NIHとFDAのRare Diseaseに関する公費研究費や希少医薬品開発推進に関する諸政策の公的統計データや公的資料を収集・整理した。(4)日本の難病政策における患者自己負担の変遷の要因を、一般医療や障害福祉サービスの自己負担導入・負担率上昇の経緯と比較しながら分析するために、発症が患者のSES(Socio-Economic Status)に与える影響と、国際的な患者自己負担に関する分析のフィージビリティスタディを実施し、必要な倫理審査を受けた。課題申請時の研究計画に沿って、平成30年度は主要な4つの問いの解明のためのデータ整備作業を進展させた。難病やRare Diseaseに関する国際的な指標は、日本も各国も標準化された統計データがなく、難病を対象とするデータを再構築する必要がある。国内では国・自治体それぞれのレベルでの公費医療に関する統計を整理し、アメリカと欧州では関連する施策のデータベース作成を実施した。国内の自治体のデータについては、一部予定していた自治体調査に遅れが生じたため次年度の研究計画を修正し、全体の研究進捗に影響が出ないように調整を行った。従来の一般医療の過去の公的資料を用いた政策研究では、国レベル・自治体レベルの一律の公費医療政策の財政データを明確に分けられないまま取り扱われてきたため、公費医療の推移を精緻に検証する事は難しかった。しかし、難病の公費医療は国と自治体が税収を財源とする予算を半分ずつ折半するため自治体の役割はきわめて大きい。また、都道府県毎に設置されている国立病院が自治体毎の難病の事業を推進した実相も検証されていない。これらの問題を克服するためには、研究事業名目で予算請求されてきた公費推移を、国・自治体の双方で医療政策として再整理し直す作業が必要となる。次年度では、公費医療で自治体が果たしてきた役割を検証するために、1990年代から難病政策に導入されたケア・QOL施策の難病患者等居宅生活支援事業について、財源を折半する国、都道府県、市区町村それぞれの実施状況を総務省の市区町村データ等を基に整理する。また、難病の医療・福祉・就労等に関する都道府県単独事業の現況を把握するために、都道府県を対象に質問紙調査を実施する。上記の自治体調査を進めるとともに、4つの課題を進捗させ、次年度はデータ分析作業に取り組む。

従来の一般医療の過去の公的資料を用いた政策研究では、国レベル・自治体レベルの一律の公費医療政策の財政データを明確に分けられないまま取り扱われてきたため、公費医療の推移を精緻に検証する事は難しかった。しかし、難病の公費医療は国と自治体が税収を財源とする予算を半分ずつ折半するため自治体の役割はきわめて大きい。また、都道府県毎に設置されている国立病院が自治体毎の難病の事業を推進した実相も検証されていない。これらの問題を克服するためには、研究事業名目で予算請求されてきた公費推移を、国・自治体の双方で医療政策として再整理し直す作業が必要となる。次年度では、公費医療で自治体が果たしてきた役割を検証するために、1990年代から難病政策に導入されたケア・QOL施策の難病患者等居宅生活支援事業について、財源を折半する国、都道府県、市区町村それぞれの実施状況を総務省の市区町村データ等を基に整理する。また、難病の医療・福祉・就労等に関する都道府県単独事業の現況を把握するために、都道府県を対象に質問紙調査を実施する。上記の自治体調査を進めるとともに、4つの課題を進捗させ、次年度はデータ分析作業に取り組む。データベースサイトは現在は限定公開、最終年度に公開を予定している。
海中構造物基礎周辺の洗掘機構の解明と流体・底質・地盤変動の統合解析モデルの構築

海中にある土木構造物の基礎部材として多用される円柱基礎を対象に模型実験を行い,周辺の渦流れや土砂の挙動および地盤面地形の変動過程を最新の計測技術を導入して詳しく調べた.さらに,構造物周辺の水・土砂・地盤面の運動を精密に表す数式モデルを作成し,様々な条件に対してシミュレーションを行った.その結果,基礎周辺で発生する海底地盤の侵食(洗掘)のメカニズムを明らかにするとともに,静的および動的な洗掘現象の発達過程の特徴を正確に再現可能な計算手法を開発することができた.海中にある土木構造物の基礎部材として多用される円柱基礎を対象に模型実験を行い,周辺の渦流れや土砂の挙動および地盤面地形の変動過程を最新の計測技術を導入して詳しく調べた.さらに,構造物周辺の水・土砂・地盤面の運動を精密に表す数式モデルを作成し,様々な条件に対してシミュレーションを行った.その結果,基礎周辺で発生する海底地盤の侵食(洗掘)のメカニズムを明らかにするとともに,静的および動的な洗掘現象の発達過程の特徴を正確に再現可能な計算手法を開発することができた.海中構造物基礎周辺の洗掘機構の解明を目標に、流動構造および海底地形の時空間変動特性に関する基礎データを得るための(1)室内水理実験および(2)流動構造と底質輸送の数値解析モデルの構築を行なった。(1)直立円柱周辺の流況・底質輸送・洗掘地形の時空間変動特性に関する実験的解析一方向流下の砂質地盤上に設置した円柱周辺における底質輸送と洗掘地形の発達過程を詳細に把握するために、一般的な水理量の計測実験および渦流・底質輸送現象の観測実験に加えて、洗掘地形を精密に捉える4組のステレオ画像を用いた3次元画像解析を行った。その結果、洗掘初期段階では馬蹄形渦や縮流の影響による掃流輸送が卓越するものの、側面浸食が進行した中期段階からは後流渦による底質の巻き上げによる浮遊輸送の比率が増大すること、最終的には浸食体積が円柱直径の3乗の約14倍に達する大規模な洗掘孔と約5.5倍のマウンドを持つ洗掘地形が形成されること、洗掘進行中の浸食量に対する堆積量の割合は約0.40.6の範囲で変動すること等、流動構造や底質輸送形態の変化と浸食・堆積量の関係を明らかにすると同時に、現状の解析モデルの改善に役立つ基礎データや知見を見出すことができた。(2)振動流中の直立円柱周辺の3次元流体場と洗掘に関する数値解析モデルの構築とその適用移動一般曲線座標表示のNavier-Stokes方程式の流体解析モデルに、掃流砂の輸送量式と底質の体積保存式からなる地形解析モデルと底質の安定条件を考慮した斜面滑動モデルを組み込んで、円柱周辺の振動流場と移動床の連成解析モデルを構築した。その結果、馬蹄形渦や縮流に引起される前面や側面付近の洗掘地形やKC数による最大洗掘深の変化を良好に再現することに成功した。ただし、後流域における浸食・堆積地形の再現性には改善すべき点があり、これに対しては、(1)の実験結果を活用して、浮遊砂輸送の適切なモデル化が不可欠であることが分かった。海岸・海洋構造物基礎周辺で発生する局所洗掘を正確に予測することは、構造物の安定性を検討する上で重要な課題である。従来、洗掘実験と共に、流体運動・底質輸送・底面地形変動の各要素の干渉過程を数値モデル化して解析する研究が進められてきた。しかし、その研究の大部分は河川流に代表される一方向流場における洗掘現象を対象とするもので、波浪場における構造物周辺の洗掘現象の予測に関する研究はあまり進んでいない。最近、海底パイプライン周辺の洗掘および海底掘削溝の埋没等の現象を断面2次元的にモデル化した研究成果が発表されたものの、複雑な流体・底質運動を伴う小口径構造物周辺の局所洗掘に関する3次元数値解析は稀少である。そこで本研究では、小口径構造物周辺に発達する馬蹄形渦や後流渦などの3次元渦運動を厳密に捉えた上で、底質輸送量の時空間分布と海底地形を評価する流体場・底質輸送・地形変動の3次元連成解析モデルを開発した。流体運動・底質輸送・地形変動の相互作用を考慮するために、円柱壁面や移動床付近における境界層の剥離や再付着を伴う複雑な渦流れを厳密に解析するために有効な移動一般曲線座標系に変換したNavier-Stokes方程式に基づく3次元流体解析モデルに、掃流砂と浮遊砂の両方を考慮した底質輸送モデル、底質の体積保存式からなる底面地形解析モデルおよび底質の安定条件を考慮した斜面滑動モデルを組み込んだ。その結果、本モデルを用いて、既存の実験で観測されている静的および動的な洗掘地形の発達過程、底質輸送バランスおよび流況変化の主要な特性を良好に再現できることが分かった。ただし、洗掘の進行速度が過大評価される傾向があるため、今後さらに底質輸送モデルの改良を集中的に進めて、本モデルの信頼性向上を図りたい。
ピリミジン銅錯体の光誘起反転異性化による単光子ー単電子変換

化学者の究極的な夢の一つは、分子1個の中にいかに面白い機能を盛り込むことができるか、すなわち、電場、光、熱、化学的環境などの外部刺激で構造や物性をスイッチする部位を多く組み込んだインテリジェントな分子を創ることである。私はオリジナルのインテリジェント分子における「銅錯体のピリミジン環反転」を駆使した。一個の銅イオンの周りを有機物が取り囲んで結合した金属錯体においては、金属と配位子の両方の性質を相乗的に組み合わせることにより、簡単な構造でありながら複雑な現象や興味深い物性を引き出すことが可能である。銅に配位できる窒素原子を2個含んだピリミジン環を含んでいるところが鍵で、他の構造は維持したままで反転可能である。つまり分子の組成は同じだが性質が異なる二つの異性体をとる。この銅錯体は一価と二価の間の可逆的な電子移動、酸化還元反応を起こす。また銅一価二価の酸化還元のポテンシャルが異なる。したがって、この四重安定性を操ることで、光や熱、電位の外部刺激に応答するピリミジン環反転によりスイッチでき、同時に光物性や電気化学特性もスイッチできる分子である。環反転の詳細も検討しており、溶媒和イオン対など弱い相互作用で環反転の制御が可能であることや分子内プロセスであることを明らかとした。新規銅一価錯体を合成、同定し、電気化学測定、分光測定、添加実験から、レドックスメディエータを共存させると光電子移動で駆動する反転異性化が起こり、熱で元に戻すことができた。系を化学試薬により部分酸化しても発現できる。よく用いられるフォトクロミック分子は光励起状態における光異性化に伴う色変化が定義だが、今回開発した光異性化は色変化が無く基底状態で異性化する光応答性である。以上から、ピリミジン銅錯体の光誘起反転異性化により光を電気信号に変える機能を持つ分子系の構築に成功した。本年度は「ピリミジン銅錯体の光誘起反転異性化により、人間の五感から想像される光を電気信号に変える機能を分子で獲得したこと」、を筆頭著者として化学分野で最も代表的な査読付学術雑誌であるJournal of the American Chemical Societyにフルペーパーにて報告した。加えて反転平衡の詳細を米化学会の専門誌にフルペーパーで発表し、銅錯体のピリミジン環反転の最新の成果と学術的意義を総説にまとめた。研究成果を国内外の学会に計4回発表した。これまでの成果と合わせると、筆頭著者の原著論文3報、総説2報、共著4報の計9報と、計19回の学会・シンポジウムにおける発表を行った。以上から当初の計画以上に進展していると判断した。今回開発したピリミジン銅錯体の光誘起反転異性化の化学を発展させるために、置換基効果の分子設計の指針を追究する。この銅錯体は自由度の高い分子設計と機能のチューニングが可能であり、例えば有機物の部位(配位子)に置換基を導入したり、分子構造が異なる配位子を用いることで比較検討を行い今後の分子設計に役立てる。二種類の錯体を混合しても、この銅錯体の骨格は壊れたりせず安定で、ピリミジン環反転は配位子の完全な解離を伴う分子間のプロセスではなく分子内プロセスであることを本年度明らかとし論文に報告しているが、これは分子を素子化しても本機構が適用可能であることを意味している。今回開発した刺激応答性分子は電位変化を引き起こすことができるため、通常の多重安定性に比べ分子の運動を伝導性や電気化学特性の変化として検出しうる分子系である。そのため、一つの分子の化学反応を電気信号で検出する素子の開発を推進すべきである。メチルピリジルピリミジンとかさ高いジイミンを配位子とする新規銅一価錯体を合成し1H NMR,単結晶X線構造解析,元素分析により同定を行った。溶液中における電気化学測定とシミュレーション、分光測定、添加実験により、203K,ジクロロメタン中、デカメチルフェロセニウム共存下では、光電子移動反応を介した反転異性化が起こると予測できた。上記の条件で光照射前のサイクリックボルタモグラムでは、二つの反転異性体由来の酸化還元波が観測された。可視光照射を行うと酸化還元波においてi-体の減少とo-体の増大が見られ、照射後一旦加温すると、光照射前の酸化還元波が観測された。ボルタモグラムの変化は光照射と加温により再現性良く繰り返すことができ、光反転の高い可逆性を示している。二つの異性体は電気化学ポテンシャルが異なる。したがって、光と熱の外部刺激を、反転を介して、電気信号へと変換する分子システムといえる。この戦略の適用範囲は広く、例えば系を化学試薬により部分酸化しても発現できる。この場合は銅二価錯体そのものが電子アクセプターとしてはたらくことで、前述の系より光反転が速く起こせることがわかった。また光化学の点からも、よく知られているフォトクロミック分子は光異性化に伴う色変化が必須だが、i-体とo-体との吸収スペクトルに差がなく、新しい光応答性の概念を提案できた。以上から、モーターたんぱく質のように、あるエネルギー(光)を、分子運動を介して、別のエネルギー(電気信号)へと変換する機能を、シンプルな人工分子の分子運動で実現することに成功した。レドックスポテンシャルは、電気、磁気信号など人が扱いやすい出力方法に変換でき、単光子検出や分子シグナル伝達ができる回路への展開が期待できる。この結果は現在権威ある海外の査読付き化学系一般学術紙に投稿中である。

化学者の究極的な夢の一つは、分子1個の中にいかに面白い機能を盛り込むことができるか、すなわち、電場、光、熱、化学的環境などの外部刺激で構造や物性をスイッチする部位を多く組み込んだインテリジェントな分子を創ることである。私はオリジナルのインテリジェント分子における「銅錯体のピリミジン環反転」を駆使した。一個の銅イオンの周りを有機物が取り囲んで結合した金属錯体においては、金属と配位子の両方の性質を相乗的に組み合わせることにより、簡単な構造でありながら複雑な現象や興味深い物性を引き出すことが可能である。銅に配位できる窒素原子を2個含んだピリミジン環を含んでいるところが鍵で、他の構造は維持したままで反転可能である。つまり分子の組成は同じだが性質が異なる二つの異性体をとる。この銅錯体は一価と二価の間の可逆的な電子移動、酸化還元反応を起こす。また銅一価二価の酸化還元のポテンシャルが異なる。したがって、この四重安定性を操ることで、光や熱、電位の外部刺激に応答するピリミジン環反転によりスイッチでき、同時に光物性や電気化学特性もスイッチできる分子である。環反転の詳細も検討しており、溶媒和イオン対など弱い相互作用で環反転の制御が可能であることや分子内プロセスであることを明らかとした。新規銅一価錯体を合成、同定し、電気化学測定、分光測定、添加実験から、レドックスメディエータを共存させると光電子移動で駆動する反転異性化が起こり、熱で元に戻すことができた。系を化学試薬により部分酸化しても発現できる。よく用いられるフォトクロミック分子は光励起状態における光異性化に伴う色変化が定義だが、今回開発した光異性化は色変化が無く基底状態で異性化する光応答性である。以上から、ピリミジン銅錯体の光誘起反転異性化により光を電気信号に変える機能を持つ分子系の構築に成功した。申請者が所属する研究室では、これまで電位変化が連動する銅錯体上のピリミジン環反転を化学試薬の添加で駆動させていた。今まで用いた分子や実験方法では不可能であったが、文献や実験結果から詳細かつ論理的に分子の性質を見極め、光電子移動を利用するアイデアと適切な実験条件を検討し、可視光で駆動させ同時に電気化学特性変化を起こすことに成功した。フォトクロミック分子とはまったく異なる色変化を伴わず、新しい分子への光応答性の付与方法を提案したともいえる。光を電気信号に変える分子素子への展開が期待できる重要な結果である。この結果は現在権威ある海外の査読付き化学系一般学術紙に投稿中である。本年度は「ピリミジン銅錯体の光誘起反転異性化により、人間の五感から想像される光を電気信号に変える機能を分子で獲得したこと」、を筆頭著者として化学分野で最も代表的な査読付学術雑誌であるJournal of the American Chemical Societyにフルペーパーにて報告した。加えて反転平衡の詳細を米化学会の専門誌にフルペーパーで発表し、銅錯体のピリミジン環反転の最新の成果と学術的意義を総説にまとめた。研究成果を国内外の学会に計4回発表した。これまでの成果と合わせると、筆頭著者の原著論文3報、総説2報、共著4報の計9報と、計19回の学会・シンポジウムにおける発表を行った。以上から当初の計画以上に進展していると判断した。
組織培養容器内環境の測定とシミュレ-ション

植物組織培養おいて環境制御の重要性が認識されているにもかかわらず、培養器内の環境については、測定の難しさなどから十分な知見が得られていない。特に湿度分布、温度分布などについては、分布を重視した計画を行った例がほとんど無く、培養器内の環境制御も、経験によって培養器外の環境を制御し、間接的に行っているに過ぎない。そこで本研究では、従来あまり行われていない培養器内環境の測定を行った。特に、培養器環境の中で湿度は最も重要な環境要素の一つであるが、従来測定例が少ないため、その測定手法の開発を行った。組織培養での湿度センサの条件は、容積の小さい容器内で多点の湿度を測定できるように小型で、高湿度を精度良く計測できることであるが、このような条件を満たすセンサは開発されていなかった。そこで、本研究では、従来結露の有無の判定にのみ用いられていた結露センサを、湿度の測定にも使用を試み、その結果、既存の湿度センサでは非常に測定が難しいとされていた。相対湿度95%以上の領域が、結露センサによりかなり正確に測定できることを明かにした。次に、このセンサを用いて、培養器内の高湿度を避けるために用いられる手法である「フィルタの装着」と、「培養器底面冷却」の効果の測定を行った。従来の研究では、このような手法の環境的効果を定量的に評価した例はほとんど無いが、本研究では、これらの手法を用いた場合の培養器内の温度、湿度プロファイルを明らかにし、相対湿度の変化から見ると、「培養器底面冷却」による湿度低下が大きいことを明かにした。以上のように、本研究では、従来行われていない分布を重視した培養器内の環境の測定を行うための手法を開発し、その有効性を示した。
ジヒドロビオプテリンによる内皮機能障害機序の解明と病態生理学的意義の評価

動脈硬化性疾患などの酸化ストレス下では、NO合成酵素の必須補因子tetrahydrobiopterin(BH4)の欠乏だけでなく、BH4の酸化型である7,8-dihydrobiopterin(BH2)の増加が認められる。しかし、血管内皮細胞機能調節におけるBH2の役割は不明であった。研究代表者らは、最近、BH2それ自体で内皮機能不全を引き起こすことを見出した。そこで、本研究では、長期的な細胞内BH2増加による内皮機能障害の影響について動脈硬化モデルを用いた検討を行い、さらにBH2からのBH4生成に重要なdihydrofolate reductase遺伝子の内皮特異的欠損マウス作製を行った。細胞内ジヒドロビオプテリン(BH2)増加の長期的な影響を調べる実験を行った。マウスでのメトトレキサートとsepiapterinの長期間投与方法・投与量の検討を行い、浸透圧ミニポンプの使用により、組織中ジヒドロビオプテリン(BH2)増加が得られた。また、partial carotid ligationモデルの作成を行い、2週間の頸動脈部分結紮で5匹中4匹で動脈硬化病変を確認できた。しかし、組織中BH2増加による頸動脈動脈硬化病変の増強はみられなかった。その原因のひとつとして、高用量のメトトレキサートによる長期的な影響が考えられた。そこで、細胞内でBH2からテトラヒドロビオプテリン(BH4)への変換を行うdihydrofolate reductase (DHFR)のコンディショナルノックアウトマウス(Dhfr(loxP))の作成を開始した。理研より納入されたDHFR遺伝子フロックスキメラマウスとC57BL/6との交配で得られたF1マウスのDNA genotypingを行ったところ、PCRにて改変遺伝子のgermline transmissionを確認することができた。さらにサザン解析で、2種類のES細胞(#19と#33)由来のマウスで予定通りの遺伝子改変が起こっていることを確認した。細胞内BH2増加の長期的な影響を調べる実験を始める前に、以下の検討を行った。1)マウス生体組織中BH4・BH2含量の測定方法の検討を行った。その結果、従来方法では評価できなかったBH2含量をコントロールの100倍までの増加も測定できるようになった。2)マウス生体組織中のBH2含量を持続的、かつ有意に増加させる実験条件の検討を行った。メトトレキサートとsepiapterinの投与方法と投与量を変えて、組織中のBH4含量を変えずにBH2含量のみを著明に増加させる条件の決定に至っていない。3)動脈硬化モデルとして、血管リモデリングを引き起こすことができるマウス頸動脈部分狭窄モデル(Korshunov et al, ATVB,2003; Nam et al., AJP-HCP, 2009)作成のための予備的検討を行った結果、手術後2週間で狭窄部末梢の頸動脈に軽度の内膜肥厚を認めた。細胞内ジヒドロビオプテリン(BH2)増加の心血管系に対する長期的な影響を調べる目的で以下の実験を行った。1.細胞内でBH2からテトラヒドロビオプテリン(BH4)への変換を行うdihydrofolate reductase (DHFR)の阻害薬であるメトトレキサートとsepiapterin(BH2の前駆体)の長期間投与により、組織中ジヒドロビオプテリン(BH2)増加が得られた。また、partial carotid ligationモデルの作成を行い、2週間の頸動脈部分結紮で5匹中4匹のマウスで動脈硬化病変を確認できた。その原因の1つとして、高用量のメトトレキサートによる非特異的な影響が考えられた。2.そこで、メトトレキサートの代わりにdihydrofolate reductase (DHFR)を欠損したコンディショナルノックアウトマウス(Dhfr(loxP))の作成を開始し、Dhfr遺伝子floxマウス(alleleは、loxP/frt/Neo/frt/exon3/loxP)の作製に成功した。さらに、内皮細胞特異的にCre recombinaseを発現するCreマウスとの交配を行うことにより、内皮特異的にDhfr遺伝子欠損するヘテロマウスを得た。現在までのところ、これらのマウスの外観上の異常は認められていない。循環器薬理学当該年度では、Dhfr(loxP)のヘテロ接合体マウス同士の交配により、ホモ接合体マウスを作製してきた。しかし、#19のES細胞ライン由来のマウスは繁殖率が低く、#33のマウスに比べおよそ1世代分交配が遅れている。また、#33のマウスでもホモ接合体の出現率が理論的な予想値よりかなり低く(55匹中2匹)、当初の予定より進行が遅れている。

当該年度では、マウスの大動脈・肺・心臓・肝臓中のBH4・BH2含量を再現性良く定量する高速液体クロマトグラフを使用した新たな測定法の開発を行った。また、生体組織中のBH2含量の長期的な増加を引き起こす実験条件の探索を行ってきた。とくに、BH2の前駆物質であるsepiapterinが化学的に不安定なため、種々の投与方法(飲料水・腹腔内投与・浸透圧ミニポンプの皮下留置)や用量で投与条件の検討してきたため、予想より時間を要した。また、メトトレキサートを使用する代わりに、遺伝子改変マウスを使用することの可能性について検討した。次年度では、可能な限り交配数を増加させ、低出生率を補う予定である。さらに改変遺伝子に含まれているネオマシンカセットが出生率に悪影響を及ぼしている可能性があるため、FLPマウスと交配することによりネオマイシンカセットを除去したマウスを作製する予定である。次年度では、当該年度で行ってきた長期的なBH2含量の増加を引き起こす実験条件条件を決定し、以前明らかにした急性効果の結果と比較する。当該年度での予備的検討から、細胞内でBH2からBH4への変換を触媒するdihydrofolate reductase(DHFR)の阻害薬メトトレキサートを高用量使用した場合の毒性による影響が懸念されたため、次年度ではDHFRの血管内皮細胞特異的ノックアウトマウスを作成する。このため、当該年度の研究費は、翌年度以降に請求する研究費と合わせて実験に使用する予定である。今後の研究では、このノックアウトマウスのキメラマウスからの作成と血管内皮細胞特異的発現の消失を確認し、表現型の探索を主に行う予定である。このノックアウトマウスを用いた検討により、血管内皮細胞のDHFRの新たな生理学的役割が明らかになるかもしれない。さらに、高血圧や糖尿病などの酸化ストレスが関与する疾患ではBH2含量増加を伴うとされており、これら疾患におけるBH4への変換を担うDHFRの病態生理学的意義が解明されることが期待される。当初見込んでいた消耗品が安価に購入できたため。物品購入に充てる。次年度ではDHFRの血管内皮細胞特異的ノックアウトマウスを作成する。このため、当該年度の研究費は、翌年度以降に請求する研究費と合わせて、遺伝子改変マウス作成費と実験用消耗品・旅費などに使用する予定である。
粒子・格子ハイブリッド法による原子炉気液二相流直接シュミレーション法の開発

液膜ドライアウト現象は沸騰水型軽水炉の安全と設計上の重要課題である。その定量的な予測には液膜流量の解析が必要であり、実験相関式に依存しない汎用性のある手法が強く求められている。平成17年度はまず、気相の流れと液膜流れ、およびそれらの相互作用を解析できる格子・粒子ハイブリッド法を開発した。本手法の妥当性を確認するために気液対向流のFlooding現象を解析した。最高液膜高さは気相部圧力勾配の増加に伴ってほぼ線形に増加しており、従来の知見を再現できた。また、Flooding発生条件に関するWallisの実験式と本研究の計算結果がほぼ一致した。ドライアウト発生後に再付着する液滴による燃料棒の除熱も安全上重要である。平成18年度は液滴の加熱壁面への衝突を粒子法で解析し、除熱量を計算した。熱伝導モデルと蒸発モデルの妥当性を静的・動的なモデルで確認した。複数の接触角およびウェーバー数の条件下で液滴の加熱面への衝突を解析した。まず蒸発を考慮しない条件で各種パラメータが除熱量に与える影響を調べた。次に蒸発を考慮して解析し、壁面温度が比較的低い条件では実験結果と同様の液滴形状と滞在時間が再現できた。平成19年度は、液膜から液滴が分離する現象(エントレインメント)を解析できる格子・粒子ハイブリッド法を開発した。液相を粒子、気相を格子で表現し環状流を解析した。気液の速度差に起因する界面の不安定性によるエントレインメント現象が初めて確認された。この発生限界を既存の実験相関式と比較し、良い一致を得た。液滴発生率をいくつかの実験相関式と比較したが、定量的に良い一致は得られなかった。計算体系および粒子数が小さすぎることが原因と考えられ、今後の課題である。ドライアウト現象の予測は沸騰水型軽水炉の安全設計上の重要課題であり、環状噴霧流中で燃料棒表面の液膜を解析することが必要である。本研究では粒子・格子ハイブリッド法を用いて対向気流中の液膜を解析した。気液二相流に適用するために粒子・格子ハイブリッド法を改良した。格子は計算領域に固定しており、粒子は壁面と境界面に使用する。境界面粒子には格子で計算された流れ場の速度を内挿する。粒子のy座標を固定し、見かけ上粒子はx方向にしか動かないモデルとする。粒子間距離がほぼ均一になるので、滑らかな液面を表現することができる。表面張力は粒子配置から直接計算する。粒子から格子へは表面張力、密度、粘性係数の外挿を行う。格子上では支配方程式を有限体積法で離散化する。格子幅を十分小さくし、層流底層の解析、低レイノルズ数k-εモデルによる乱流計算を行う。Flooding現象の解析を行った。計算体系は鉛直円管内部の軸対称二次元場モデルで、水が壁面に沿って下降し、鉛管内部では空気が上昇する。重力と圧力勾配を考慮する。最終的に収束した最高液膜高さは圧力勾配の増加に伴ってほぼ線形に増加しており、参考文献の計算結果と同程度であった。Flooding現象はWallisによって実験式が作られており、気液二相流解析コードの整合性を調べるために用いられている。計算結果とWallisの実験式がほぼ一致した。これにより、改良した粒子・格子ハイブリッド法の妥当性を示せた。1.目的:燃料棒におけるドライアウト現象の予測は沸騰水型軽水炉の安全と設計上の重要課題である。本研究では液滴の加熱面への衝突を粒子法で解析し、壁面から液滴への伝熱量を計算する。

2.方法:液滴の分裂、飛散、相変化を扱うために、MPS法(Moving Particle Semi-implicit Method)を適用した。流れ場や温度場を表す偏微分方程式を粒子間相互作用に置き換え離散化した。離散化の際には粒子間距離を変数とした重み関数を用いた。圧力を陰的に、他の物理量は陽的に解く半陰的解法を用いた。表面張力、濡れ性、熱伝導及び蒸発モデルを導入した。熱伝導モデルと蒸発モデルの妥当性を静的・動的なモデルで検証した。その後、複数の接触角およびウェーバー数の条件下で液滴の加熱面への衝突を解析した。3.結果:蒸発のない場合の解析から得られた知見は以下のとおり。・液滴衝突初期に多くの伝熱が生じる。・ウェーバー数、接触角が大きいほど液滴の飛散が生じやすい。・液滴が飛散しない場合、ウェーバー数が大きいほど衝突初期の伝熱量が増大する。・液滴が飛散する場合、ウェーバー数が大きくなっても衝突初期の伝熱量はほぼ変わらないか、減少する。蒸発のある場合の解析では、壁面温度150°Cと200°Cにおいて実験結果と同様の液滴形状と滞在時間を再現することができた。また、加熱面への単一液滴衝突後の壁面からの除熱量を計算することができ、各加熱面温度における滞在時間と全伝熱量(除熱量)の関係を得た。沸騰水型軽水炉の熱水力設計および安全上重要な燃料棒表面の液膜ドライアウト現象の評価には液膜流量の解析が必要であり,実験相関式に依存しない汎用性のあるシミュレーション手法が強く求められている。液膜からの液滴の分離(飛散),再付着,液膜の蒸発を定量的に解析できれば,液膜流量の変化が分かりドライアウトが解析できると考えられる。しかし液滴分離のプロセスは完全に明らかにはなっていない。本研究では,粒子-格子ハイブリッド法を用いて,液相を粒子法,気相を格子法で環状噴霧流を解析し,液膜からの液滴発生現象を初めてシミュレーションできた。本手法を用いて液滴発生条件及び液滴発生率を評価した。具体的には,円管内の環状流(上昇流,下降流,または水平流)を軸対象2次元体系でモデル化し,液相の密度,粘性係数,表面張力係数,気相の圧力勾配(速度に対応)を変化させてシミュレーションを繰り返した。ある条件では気液の速度差に起因する界面の不安定性により液滴が発生する現象が確認された。この液滴発生限界を既存のいくつかの実験相関式と比較し,良い一致を得た。また,格子数および粒子数を変えてその影響を評価した。次に,液滴発生率をいくつかの実験相関式と比較したが,定量的に良い一致は得られなかった。本研究のシミュレーションは計算量が非常に大きいため,液滴発生率が時間的に変化しない準平衡状態に至るまで計算できなかったことが原因と考えられる。