| Project/Area Number |
22K04628
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 25020:Safety engineering-related
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
高松 邦吉 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 高温ガス炉プロジェクト推進室, 研究主幹 (70414547)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
舩谷 俊平 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (50607588)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 安全工学 / 原子力工学 / 格納容器 / 受動的安全性 / ふく射 / 対流 / 高温ガス炉 / 新型炉 / 熱工学 |
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| Outline of Research at the Start |
自然災害により発生した福島第一原子力発電所事故の後、深層防護の観点から炉心損傷の防止対策が重要になった。安全上優れた特性を有する冷却設備に関する研究は、極めて重要なテーマである。一方、外気(大気)の自然循環を用いた除熱方法は、外乱の影響を受け易いため、自然災害が発生した場合、除熱能力が著しく減少する可能性がある。
そこで自然対流や自然循環よりも、できるだけ放射冷却や輻射を用いたRPV冷却設備を開発する。同時に、自然循環RPV冷却設備及び応募者が提案する放射冷却RPV冷却設備の安全性研究を実施する。自然災害発生時でも、放射冷却RPV冷却設備は安全に確実に除熱できることを実証し、安全工学に貢献する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
（目的）自然循環冷却方式や放射冷却方式を実用化するためには、通常運転時、及びあらゆる自然災害発生時でも、事故時の崩壊熱を受動的に除去できるのか、安全性を評価する必要がある。
（実験）実機を等倍縮小したスケールモデル（伝熱試験装置）を用いて実験を行った。原子炉圧力容器（RPV）を模擬する加熱面に銅製フィンを設置すると、輻射による除熱量は約1.06倍まで増加した。また、放射率0.94の黒色で銅製フィンを塗布すると、輻射による除熱量は増加した。さらに、銅製フィンの代わりに銅タワシを設置した場合も、除熱量は増加した。一方、銅タワシの設置数と除熱量の増加は比例せず、「加熱面の空気の自然対流熱伝達率の増加量」と「銅タワシの設置による加熱面の表面積の減少量」の大小関係が重要であることが分かった。将来の実用高温ガス炉において、RPV表面を加工することで、除熱量を大幅に増加できる目処が立った。なお実用高温ガス炉で求められるRPVからの除熱量は3kW/m2である。自然循環冷却方式の除熱量も約3kW/m2である。放射冷却方式の除熱量は3kW/m2を大幅に上回り、10.3kW/m2（約3kW/m2の3.43倍）を実験的に達成した。この除熱量の増加は原子炉出力の増加に繋がる。又は本冷却設備の高さを約半分まで低くすることもできる。
（解析）国内の夏季の外気温度は40℃に至っている。過去の自然循環冷却方式の解析条件を確認した結果、外気温度を約29℃に設定しており、10℃以上も低く仮定していた。解析条件の外気温度を40℃に設定した場合、通常運転時さえも除熱できないことを指摘した。放射冷却方式の解析条件の外気温度は40℃であり、通常運転時もあらゆる自然災害発生時も安全に確実に除熱できる。
（まとめ）本冷却設備は、RPV表面から放出される熱を十二分に除去可能であることを明らかにした。今後も積極的に外部発表する。
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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
令和5年度の研究実施計画に沿って研究を実施した。自然循環冷却方式や放射冷却方式を実用化するためには、通常運転時、及びあらゆる自然災害発生時でも、事故時の崩壊熱を受動的に除去できるのか、安全性を評価する必要がある。
そこで、実機を等倍縮小したスケールモデルを用いて実験を行った。RPVを模擬する加熱面に銅製フィンを設置した結果、輻射による除熱量は増加することが分かった。放射率0.94の黒色で銅製フィンを塗布した結果も、輻射による除熱量は増加することが分かった。銅製フィンの代わりに銅タワシを設置した結果も、除熱量は増加することが分かった。一方、銅タワシの設置数と除熱量の増加は比例せず、「加熱面の空気の自然対流熱伝達率の増加量」と「銅タワシの設置による加熱面の表面積の減少量」の大小関係が重要であることが分かった。以上よりRPV表面を加工することで、除熱量を大幅に増加できることが分かった。
実用高温ガス炉で求められるRPVからの除熱量は3kW/m2である。自然循環冷却方式の除熱量も約3kW/m2である。放射冷却方式の除熱量は3kW/m2を大幅に上回り、10.3kW/m2（約3kW/m2の3.43倍）を実験的に達成できた。この除熱量の増加は原子炉出力の増加に繋がる。又は本冷却設備の高さを約半分まで低くできる。
国内の夏季の外気温度は40℃に至っている。過去の自然循環冷却方式の解析条件の外気温度は約29℃に設定しており、10℃以上も低く仮定していたことが分かった。解析条件の外気温度を40℃に設定した場合、通常運転時さえも除熱できないことが分かった。放射冷却方式の解析条件の外気温度は40℃であり、通常運転時も自然災害発生時も安全に確実に除熱できる。
このように本冷却設備の除熱性能を明らかにすることができた。成果の一部はNuclear Engineering and Technologyで発表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度に実施した詳細解析および実験を参考に、今後もスケールモデルを用いた実験をさらに進める。具体的には、受動的な安全性を最大化するために、放熱材として大きな熱伝導率を持つ銅製のフィンを、RPVを模擬する加熱面以外の熱交換面（例えば外気大気と熱交換する冷却面）に追設し、熱交換面積を増加させる。さらに、スケールモデルの内部に、銅の繊維の多孔質体である銅タワシを適切に配置し、RPV表面の熱伝達率を増加させ、発生した熱を拡散・発散させることで、放熱効果を高め、除熱性能を向上させる。
国内の夏季の外気温度は40℃に至っている。過去の自然循環冷却方式の解析条件の外気温度は約29℃に設定しており、10℃以上も低く仮定していた。解析条件の外気温度を40℃に設定した場合、通常運転時さえも除熱できない。当然、自然災害発生時は除熱がより困難になる。一方、放射冷却方式の解析条件の外気温度は40℃に設定しており、通常運転時も自然災害発生時も安全に確実に除熱できる。
そこで、令和5年度に実施した評価を参考に、通常運転時及び自然災害発生時、自然循環RPV冷却設備よりも放射冷却RPV冷却設備の方が、安全に確実に除熱できること、事故時の安全性を高められることを「実験」で実証する。
具体的には、実用高温ガス炉で求められるRPVからの除熱量3kW/m2に対し、放射冷却方式は除熱量3kW/m2を大幅に上回り、除熱量10.3kW/m2（約3kW/m2の3.43倍）を実験的に達成できており、例え、外気温度が40℃を優に超えても、除熱性能に問題が無いことを明らかにする。
以上により、実用高温ガス炉で求められるRPVからの除熱量3kW/m2に対し、さらなる除熱量の増加及び原子炉出力の増加が期待できる。又は本冷却設備の高さを低くすることで、コスト削減に繋げる。学会発表については、令和6年度も積極的に報告する。
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