2020 Fiscal Year Annual Research Report
社会に受け入れられる事故復旧性スーパー高速炉概念の研究
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20H02669
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
山路 哲史 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (00571704)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 超臨界圧軽水冷却炉 / スーパー高速炉 / 原子炉過酷事故解析 / In-Vessel Retention / MPS法 / MELCORコード / 炉心設計 / マルチフィジックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来の原子炉の安全研究は究極の安全性を追求するのみだが、それでは絶対安全を求める社会とのギャップを永遠に埋められない可能性がある。他の工学システムと同様に、原子炉も万一の炉心損傷事故は不可避の前提で、社会が受容できる復旧のあり方を技術的に提言する必要がある。福島事故からも分かるように、事故時に燃料デブリが原子炉圧力容器（RPV）の外に漏れだすと、プラントの復旧は不可能であり、廃炉に長い年月を要する。そこで、本研究では、簡素でコンパクトな貫流直接サイクルを採用する超臨界圧軽水冷却スーパー高速炉の炉心設計、過酷事故解析、溶融物挙動解析等から、過酷事故時には全炉心がメルトダウンし、RPV底部に移行することを前提に、RPV内部に燃料デブリを留め、その再臨界を回避して安定冷却を達成する、新しい事故復旧性小型スーパー高速炉の概念を創出することを目的としている。2020年度は以下の成果が得られた。
（１）スーパー高速炉の小型炉心設計：核熱結合三次元炉心燃焼計算により、大型炉心と同等の主蒸気温度（～500℃）を達成する小型炉心の基本概念を構築した（査読付学術論文誌Journal of Nuclear Engineeringに掲載1件、その他1件）。
（２）プラント過酷事故解析：冷却材喪失事故（LOCA）解析を行い、プラント挙動・燃料ふるまいを明らかにした（査読付国際会議ISSCWR-10プロシーディングス1件）
（３）デブリ移行溶融挙動解析：粒子法の一種であるMPS法の改良と解析により、デブリ分散型IVR概念の有効性を示すために、MPS法による解析の課題である計算コストの低減方法を考案した（成果は投稿準備中）。
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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
研究目的達成のために、「デブリ分散型In-Vessel Retention (IVR)」概念を考案した。過酷事故時には通常のIVRと同様に格納容器サプレッションプール水をRPV周囲のペデスタル領域に注水し、RPVを外側から冷却する。さらに、RPV内底部に耐熱材を敷設し、RPV外側からの燃料デブリの安定冷却が達成されるまでの間、再臨界に至るようなデブリの密集を防止する。このような事故復旧性小型スーパー高速炉の概念創出のために必要な以下の成果が順調に得られている。
（１）スーパー高速炉の小型炉心設計：計画立案時に想定していたように、炉心小型化は主蒸気温度の低下を招くことが明らかになった。この課題解決には、燃料集合体の小型化等により、各燃料集合体への冷却材流量配分をきめ細やかにすることが効果的であることを核熱結合炉心燃焼計算で示すことができた。これにより、当初の目標通り、大型炉と同等の主蒸気温度を達成する小型炉の炉心設計概念を構築できた。
（２）プラント過酷事故解析：米国ISS社のプラント過渡・事故挙動解析コードRELAP/SCDAPSIMにより得られた超臨界圧運転条件のプラント状態を初期条件とし、米国原子力規制委員会（NRC）の原子炉過酷事故解析コードMELCORを用いたスーパー高速炉の冷却材喪失事故（LOCA）解析を当初の計画通りに実施できた。今後はLOCA後の注水失敗がもたらす設計基準事故を超える冷却材喪失事故（BDBA-LOCA）の解析が課題であることを明らかにした。
（３）デブリ移行溶融挙動解析：粒子法の一種であるMPS法を改良し、固体伝熱モード支配のフェーズでは解析タイムステップを流体の自然対流モード支配のフェーズに用いるそれの大きなものに変更する方法を考案した。これにより、MPS法によるデブリ移行溶融挙動解析に伴う計算コストを大幅に低減できる見込みを得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）スーパー高速炉の小型炉心設計：過酷事故時に圧力容器 (RPV)外部を冠水して溶融炉心・デブリをRPV下部プレナムで安定冷却する際に再臨界を回避できるスーパー高速炉のデブリ分散型In-Vessel Retention（Super FR-IVR）概念を構築する。具体的には、下部プレナムの中央に中性子吸収材を含む耐熱構造（disperser）を配置し、デブリの中性子漏洩と吸収を増やして臨界性を低減する。このとき、disperser体積を大きくするほどデブリの臨界性は低下するが、デブリの堆積高さが増大し、必要なIVRの冠水高さが増大すると考えられる。そこで、IVR冠水高さと炉心設計の関係を明らかにし、IVR冠水高さを低減する炉心設計を示す。
（２）プラント過酷事故解析：スーパー高速炉の過酷事故解析を実施する。スーパー高速炉の設計基準を超えた冷却材喪失事故（BDBA-LOCA）時プラント挙動等を、過酷事故解析コードMELCOR-2.2を用いて明らかにする。BWR等の既存軽水炉との特徴の違いも検討する。
（３）デブリ移行溶融挙動解析：これまでに検討したMoving Particle Semi-implicit法（MPS法）の改良法を、炉容器内燃料デブリ挙動解析に実装してデブリ挙動の計算機実験を実施する。固体伝熱モード支配のフェーズでは解析タイムステップを流体の自然対流モード支配のフェーズに用いるそれに比べ大きくし、計算時間を大幅に短縮する。デブリ挙動は剛体モデルにより評価する。
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