(1) 構成
教授 岡 芳明
助教授 越塚 誠一
助手 向原 民
研究機関研究員 劉 杰、段 日強
大学院生
博士課程 ３年 近澤 佳隆
２年 許 渲
１年 池 秀煥
修士課程 ２年 野村 克也
１年 石渡 祐樹
学部学生 ４年 山路 哲史、古賀 千科子
(2) 主な研究活動
<超臨界圧軽水冷却減速炉の設計研究>
山路 哲史, 石渡 祐樹, 岡 芳明, 越塚 誠一
高温超臨界圧軽水冷却減速炉(SCLWR-H)のこれまでの設計は減速が十分でなく、燃料の濃縮度が高くなっていた。そこで、H/HM（水素原子数密度の重金属原子数密度に対する比）と反応度の関係を調べ、より減速に優れた炉心を検討した。ただし、燃焼期間を通じて冷却材密度係数は正（ボイド係数としては負）を保つものとする。また、これまでの設計では燃料格子は三角であり、燃料集合体形状を六角としていた。この場合、燃料集合体内の水ロッドを一様に配置するには幾何学的な制限が強かった。そこで、燃料格子を四角として燃料集合体の設計をおこなった。この場合、水ロッド形状も四角とすることで、配置上の自由度が大きくなる。また、燃料の非均一性も小さくなり、ピーキング係数が小さくなると期待できる。
<超臨界圧軽水冷却炉の安定性の研究>
池 秀煥, 岡 芳明, 越塚誠一
超臨界圧軽水冷却炉では、炉心内で相変化は生じないものの、炉心入口温度と出口温度が擬臨界温度をはさんでいるため冷却水の密度変化が大きい。そのため、沸騰水型軽水炉(BWR)で検討されているような、流動安定性が問題となる設計上の制約条件となる可能性がある。そこで、超臨界圧軽水冷却炉の安定性を周波数領域で解析する計算コードを開発し、これを用いてチャンネル安定性および炉心安定性を解析した。解析結果から、定圧起動方式における起動時および定格運転時のいずれにおいても、減幅比は現行軽水炉の基準を満たしていることがわかった。感度解析も実施し、炉心流量および線出力に対して減幅比の感度が高いことがわかった。軸方向出力分布や冷却材密度係数に対してもある程度感度があるが、設計上問題になるほどではなかった。
<超臨界圧軽水冷却炉のサブチャンネル解析と不確かさの解析>
向原 民, 岡 芳明, 越塚 誠一
超臨界圧軽水冷却炉のサブチャンネル解析コードを独自に開発し、これを用いて高温超臨界圧軽水冷却高速炉(SCFR-H)の解析をおこなった。これまでに、燃料集合体内の非均一や製造上の誤差などがどのように熱流動特性に影響を与えるかを調べた。さらに、こうした不確かさを設計上どのように考慮する必要があるかについて検討した。通常、設計ではピーキングファクターを設定し、設計基準に対してマージンを取る。超臨界圧軽水冷却炉では炉内の密度変化が大きいため流れに偏りが生じやすく、同じ単相冷却方式である液体金属冷却高速増殖炉(LMFBR)よりもピーキングファクターが大きくなる傾向にある。そこで、燃料集合体の周辺部の圧力損失を高め、さらに燃料集合体内の混合を促進することにより、ほぼ液体金属冷却高速増殖炉並みのピーキングファクターで設計できることが分かった。
<蒸気爆発時の圧力波伝播過程の数値解析と発生機械エネルギーの評価>
劉 杰, 越塚 誠一, 岡 芳明
原子力プラントの仮想的な過酷事故では、原子炉が溶融して冷却水中に落下することが想定される。一般に、高温の溶融物と低温流体が混合すると蒸気爆発を生じる場合があり、これが溶融炉心と冷却水の接触時に発生するかどうか、および発生するとしたら衝撃力はどの程度か、ということが問題である。そこで蒸気爆発時の圧力波伝播過程を解析するため、冷却水、蒸気、溶融炉心液滴、細粒化物、の４相で構成される１次元多相熱流動解析コードを開発した。これまでの我々のシミュレーションでは、蒸気爆発時に自発核生成による熱的細粒化を生じることが示されており、その過程をモデルとして本コードに組み込んだ。そして、圧力波伝播過程の解析により、発生機械エネルギーを評価した。今後、初期ボイド率、細粒化時間などのパラメータを変化させ、発生機械エネルギーがどのように変化し、最大どの程度のエネルギー変換効率になるかを評価するように研究を進める予定である。
<粒子法による圧力容器内炉心保持の解析>
野村 克也, 越塚 誠一, 岡 芳明
溶融炉心が圧力容器下部ヘッド内で冷却できれば、過酷事故はそれ以上に進展せず収束する。そこで、溶融炉心がデブリ状に圧力容器下部ヘッドに堆積したとして、冷却できる限界を評価した。溶融炉心液滴が水中で蒸気膜に覆われた状態での液滴の分裂挙動を粒子法を用いて解析した。通常は液滴の分裂に対する臨界ウエーバー数が１２程度であるところが、蒸気膜に覆われている状況では５０程度まで上昇することが計算結果として得られた。これによりデブリの粒子径を評価して限界熱流束を求め、改良型沸騰水型軽水炉(ABWR)の代表的な条件では、炉心の約４０％まで溶融状態で落下しても冷却可能であることがわかった。
<粒子モデルを用いた弾性、塑性および粘塑性の計算手法の開発>
近澤 佳隆, 越塚 誠一, 岡 芳明
非圧縮性流れを解析できるMPS(Moving Particle Semi-implicit)法は、微分演算子である勾配、発散、回転、ラプラシアンのそれぞれに対して、それと等価な粒子間相互作用モデルを用意している。そこで、流体解析だけでなく、構造解析にもこれを適用することを試みた。弾性だけでなく、塑性や粘塑性の計算モデルも開発した。粒子法は格子を必要としないため、構造解析においても大変形の扱いが容易である。そこで、クリープ亀裂の進展問題に本手法を適用し、初期に与えた亀裂が進展して最終的に破断するまで解析することができた。無次元化した開口部変位の時間履歴は実験とよく一致した。構造解析の分野でも最近はメッシュレス法・粒子法が米国等を中心に盛んに研究されており、本研究もその最先端に位置付けることができる。
<MPS-MAFL法による沸騰の直接シミュレーション>
許 渲, 越塚 誠一, 岡 芳明
MPS-MAFL法は粒子法であるMPS法に、格子生成を必要としない移流スキームであるMAFL(Meshless
Advection using Flow-directional Local-grid)法を組み合わせたもので、任意ラグランジュ-オイラー系の計算が可能である。これまでの研究で、プール核沸騰における単一気泡の成長と離脱の直接シミュレーションをおこない、伝熱量が過去の実験と定量的に一致した。従来の差分法等では、気泡の移動や壁面からの離脱によって格子の歪みが著しくなるので、これまで定量的な沸騰の直接シミュレーションには成功していなかった。格子を必要としないMPS-MAFL法で初めてこれに成功した。さらに、原子炉の制御棒飛び出し事故における過渡沸騰を解析し、気泡の成長に必要な時間を評価することに成功した。今後は、膜沸騰の定量的な解析を試み、最終的には沸騰遷移による限界熱流束の評価が可能になるよう、研究を進める予定である。
<粒子法による液滴の分裂過程の数値解析>
野村 克也, 段 日強, 越塚 誠一, 岡 芳明
液滴の分裂過程は様々な熱流動問題で重要な現象である。例えば、溶融炉心が冷却水中に落下する場合の溶融炉心デブリの径を決定する要因であり、沸騰水型軽水炉(BWR)の限界熱流束に対しては液膜と液滴の相互作用が支配的であり、液体金属冷却高速増殖炉(LMFBR)の蒸気発生器細管破断事故の際の高圧水の噴出時にも現れる。そこで、粒子法による液滴の分裂過程のシミュレーションを試みている。これまでの実験は、Pilch
& Erdmanの論文にまとめられていて、無次元数であるウエーバー数によって液滴の分裂挙動が異なることが知られている。また、臨界ウエーバー数未満では液滴の分裂は生じない。粒子法(MPS法)によるシミュレーションでは、Vibrational
Breakup, Bag Breakup, Sheet Stripping Breakup,
Wave Crest Breakup, Catastrophic Breakupが見られ、これらの分裂モードが生じるウエーバー数についても実験と良く対応している。今後、液滴の分裂のメカニズムの詳細や、沸騰を伴う場合の分裂のメカニズムの詳細や、沸騰を伴う場合の分裂挙動について研究を進める予定である。