原子力システム研究開発事業及び原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ　成果報告会資料集

新技術を活用した高速炉の次世代安全解析手法に関する研究開発

１．研究開発の背景とねらい

　本事業では、ナトリウム冷却高速炉(SFR)の炉心損傷事故(CDA)における熱流動現象を明らかにするため、これを精度良く解析する手法を開発する。そこで、構成式に依存しない新しい計算科学に基づく解析技術を結集し、汎用的な安全解析用個別現象詳細解析コードを開発する。新しい計算科学とは具体的には東京大学で開発されたMPS(Moving Particle Semi-implicit)法や分子動力学(MD)である。コード開発は既存実験を用いて検証しつつ段階的に進める。こうした解析により、例えば構造・溶融物・固体粒子が複雑な配位をとった状態におけるバルクな熱伝導率や抵抗係数を評価し、既存のマクロコードにフィードバックすることにより評価精度を向上させることができる。ここで開発する成果を今後のSFRの安全評価に適用することにより、CDAが再臨界に至ることなく終息する事故事象として推移するか否かを大きな確度をもって実証することが可能となる。なお、燃料としては酸化物と金属の両方を対象とする。

２．研究開発成果

2.1 MPS法による解析コードの開発と検証

　本事業で開発するコードはCOMPASS(Computer Code with Moving Particle Semi-implicit for Reactor Safety Analysis)と名づけられ、粒子法(MPS法)に基づいて流体解析、構造解析及びそれらの連成解析が可能である。平成21年度は検証として、炉心物質の分散・固化挙動の実験解析、金属燃料共晶形成挙動の実験解析、構造壁の破損挙動の実験解析、燃料ピンの破損・崩壊挙動の実験解析、およびEAGLE総合試験の解析を実施するとともに、ドキュメント整備を行った。
　炉心物質の分散・固化挙動の実験解析の例を示す。GEYSER試験(内径4mmのスティール管にUO2メルトを侵入させた実験)を対象とし、壁面粗さが解像できる程度の壁面近傍の局所領域を解析体系とし、侵入溶融燃料の固化過程を解析した。燃料の固化挙動を図１に示す。スティール壁の凸部先端に燃料クラストが形成し始め、次第に隣接する凸部のクラストと結合し、大きな燃料クラストが壁面を覆う様子が見られる。本解析により評価したクラスト−スティール間の熱伝達係数とSIMMERで用いられている実験相関式との比較を図２に示す。両者はよく一致しており、SIMMERで用いられている経験的相関式の妥当性をCOMPASSによる詳細解析から裏付けることができた。
　EAGLE-WF試験(溶融燃料によるダクトの溶融破損および燃料排出の実験)の解析を実施した。初期粒子間隔を0.25 mmとして約35万粒子を用いて計算した。まず被覆管が溶融し体系下部に移行した後に、溶融した燃料が落下し溶融物質の混合プールを形成する挙動が計算された（図３）。ダクトの破損時刻は4.6 sであり、実験と0.1 sの誤差で一致する結果が得られた。
　CABRI-E7試験(照射燃料に出力パルスを与えて破損させる実験)の条件を用い、溶融燃料がどのように破損孔から噴出するかについて、流体解析と構造解析を連成させて計算した。図４に結果を示す。被覆管破損により溶融燃料が噴出し、一部はクラストとして構造壁に付着する。解析により得られた燃料ピンが内圧により裂けて上下に拡大するという破損様式は試験結果と一致する。

図1　壁面近傍詳細解析の固化挙動(GEYSER)

図2　燃料クラスト−スティール間の熱伝達係数の比較

図３　EAGLE-WF解析における燃料・スティールの溶融及びダクトの破損挙動

図４　CABRI-E7試験における燃料破損とクラスト形成解析結果

2.2 金属燃料の物性予測解析

図５　擬似二元系UPuZrNp-Fe計算状態図

図６　PuとFe接触時の界面通過粒子の総数

　金属燃料の物性評価、特に安全評価上重要となるFeと金属燃料の共晶反応に関するマイナーアクチニド添加の共晶反応へ与える影響および制御材（B₄C）とFeとの共晶反応について、CALPHAD法を基にしたThermo-Calcコードによる状態図計算を実施した。マイナーアクチニドとしてNpまたはAmを含む金属燃料とFeとの計算状態図を評価した結果、Amに比べNpに関するデータベースは十分に整備されており、実験状態図をよく再現することを確認した。また、状態図における振るまいはNpがPuと、AmがUと似ており、マイナーアクチニド添加率5％程度では、Fe-金属燃料の共晶反応に大きな影響を及ぼさないことを確認した。これは新たな知見である。結果の１例を図５に示す。これはNp添加量5％の金属燃料とFeとの擬似二元系状態図である。
　修正埋め込み原子法（MEAM法）に基づく古典分子動力学を用い、PuとFeが接触する界面における拡散および溶解の解析を900K〜1850Kの温度範囲にわたって行った。解析を行ったすべての温度範囲において界面における有意な拡散がみられた。また、この拡散の速度（界面を通過して相手側領域に移動した原子の単位面積当たりの数(nとする)の時間変化割合）は温度の上昇に伴って大きくなることが示された（図６）。
　第一原理分子動力学を用いて、安定構造U₆Fe, UFe₆結晶構造の解析、制御材物質B₄Cと被覆材料Feの共晶現象の解析、U-Fe, U-Pu-Zr系の拡散挙動解析、フォノン解析によるB₄Cとスティールの共晶に対する基礎的解析、自由エネルギーの立場からのFeの物性予測、WIEN2kによる共晶現象の検討を実施した。制御材物質B₄Cと被覆材物質Feの共晶現象を対象にした解析について結果を示す（図７）。温度の上昇に伴ないBの拡散係数は大きくなるのに対して、CとFeの拡散係数はやや小さい。高温の3500KではBのFeへの拡散が顕著に現れた。温度上昇に伴い、B₁₂二十面体はばらばらになって昇華するようにFe中へ拡散し、一方、Cは凝集してグラファイトのような固体を形成するように現象が進展する。

図７　 B₁₃C₂×12＋Fe64の3500Kでの接触計算：600fs時点の原子位置(左)・拡散係数(右)

2.3 MPS理論開発とコード開発

　平成21年度は、急激な圧力変化を扱うための手法の圧力計算方法の改良、粒子法のLES(Large Eddy Simulation)モデルによる検証計算、崩壊熱レベルにおける実機解析への適用性の確認を実施した。最後の項目について以下に示す。
　実機体系で予測される崩壊熱レベルの出力における重要現象であるデブリベッドの冷却性に関して、デブリベッドの沸騰及びチャネリングを選定した。デブリ粒子は複数のMPS法粒子からなる剛体として表現した。解析結果の例として、デブリ径1.5mm、初期温度を圧力0.1 MPaでのナトリウムの沸点より少し低温の1145 Kとした条件での、崩壊熱による冷却材の沸騰挙動を図８に示す。発熱を開始してから、0.3 sでナトリウムが沸騰を開始し、その後は蒸発・凝縮が繰り返されて沸騰領域ではデブリ粒子も激しく動いている。

図８　崩壊熱による冷却材の沸騰とそれに伴う物質の運動挙動と温度分布

2.4 SIMMER-III解析

図９　壁破損挙動に着目したEAGLE-FD/ID1/ID2試験解析における破損時間と試験結果との時間差

　EAGLE炉内試験のID1試験を解析対象とした。融体からナトリウムを内包する内部ダクトへの熱伝達を適切に評価するため、EAGLE ID1試験のみならず、EAGLE試験の他の試験であるFD、ID2試験も解析した。図９に融体から壁への熱伝達係数の乗数をパラメータとして融体接触開始時刻から壁破損までの時間を試験結果との差として整理した。2〜4倍程度に熱伝達を促進させることで、これらの試験のダクト破損タイミングをよく再現できた。ダクト破損後の燃料流出挙動については、試験体全体を解析対象としてID1試験解析を実施した。その結果、ダクト破損時の溶融燃料の液滴径を最適化（0.25mm）することで、燃料流出挙動を再現できた。

３．今後の展望

　ナトリウム冷却高速炉の炉心崩壊事故を詳細に解析するために、粒子法に基づいたCOMPASSコードを開発し、様々な実験解析を実施することにより検証を行った。金属燃料と被覆との共晶反応については、分子動力学法などの成果に基づいて解析が可能になった。さらに、制御材と被覆の共晶現象が課題となり、これについても研究を進めた。理論開発では、圧縮-非圧縮同時解析アルゴリズム、乱流モデル、デブリ冷却解析のための離散要素法とMPS法の連成解析手法が開発された。既存のSIMMERコードを用いた解析も並行して実施し、COMPASSの検証解析における入力データの提供等に役立てた。

４．参考文献

[1] 越塚誠一他, 日本原子力学会2010年秋の大会, 札幌, September 15-17, 2010, N42~48