2017 Fiscal Year Annual Research Report
On the mechanism of melt jet breakup and fragmentation during a severe accident of nuclear power plants
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16J02077
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
齋藤 慎平 筑波大学, システム情報工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 原子炉過酷事故 / 炉心溶融 / 溶融ジェット / 微粒化 / 液液二相系 / 格子ボルツマン法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
炉心溶融を伴う過酷事故の発生は，原子力施設における重大事故の一例である．このような過酷事故が発生した場合においても，溶融した炉心燃料（以下，溶融物）を原子炉圧力容器において安定に冷却保持することは，安全性の観点から不可欠である．この過程は炉容器内終息と呼ばれ，この達成のためには溶融物の熱流体挙動を十分に把握し，高精度に予測・評価する必要がある．
本研究は，上述のような原子炉過酷事故時における，溶融物ジェットの分散・微粒化メカニズムを明らかにし，溶融物の冷却性予測手法の構築を目的とするものである．
本研究は，実験的手法と数値計算的手法を駆使して進めるものである．本年度は，前年度に実施した液液二相系ジェット可視化実験のデータベースを基にして，数値計算手法の妥当性確認を行った．本数値解析手法は格子ボルツマン法に基づくものである．本手法により，申請者の実施した液液二相ジェット可視化実験の流動様式が再現できることを確認した．実験情報を基に構築した流動様式線図の妥当性を，数値的に再現したことは混相流体力学における重要な知見である．また，本研究で開発した中央モーメントに基づく計算手法により，溶融物-冷却材体系のような高密度比かつ高レイノルズ数の条件においても数値的に安定なシミュレーションを行えることを確認している．本手法で用いた定式化自体も数学的に新規なアルゴリズムであり，計算物理学分野に寄与するところも大きい．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当該年度においては，前年度において実験的に取得した液液二相系噴流の可視化情報を基にして，構築した二相系格子ボルツマン法による再現を行った．また，前年度において抽出した課題に基づき開発した計算コードをチューニングし，スーパーコンピューターを用いた大規模数値解析を行った．アルゴリズム自体も中央モーメントという概念に基づき改良することにより，広範な条件に対して数値安定な二相系格子ボルツマンモデルを構築することができ，併せて，実機相当条件におけるシミュレーションが可能となった点により，当初の計画以上に進展したと判断する．さらに，簡易な2次元体系における相変化シミュレーション手法の構築を，格子ボルツマン法に基づき実施した．噴流解析の実施のみならず，冷却性評価手法の構築に向けて重要となる相変化解析についてもその見通しが得られたため，当初の計画以上に進展したと判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に構築した，中央モーメントに基づく二相系格子ボルツマンモデルは，数理モデルとして新規なものであり，次年度の早い段階で学術誌に投稿し成果として公表すべく準備を進めている．また，本年度においては，本手法に基づき大規模計算機を用いたシミュレーションを進め，既存の溶融ジェット-冷却材体系における流動シミュレーションを実施する．本比較により，手法の妥当性確認を図り，また，最終的には実機相当条件でのシミュレーションを行う．これと並行して相変化解析を3次元体系に拡張し，冷却性評価に資する計算手法の確立を目指す．
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