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
最新の妥当性立証手法に基づくFBR流動設計手法の検証方法の研究
（研究代表者）笠間貴寛 熱水力・炉構造技術課
（再委託先）国立大学法人京都大学、国立大学法人大阪大学、財団法人電力中央研究所
（研究開発期間）平成２１年度〜２４年度
１．研究開発の背景とねらい
本事業では、設計経験の蓄積が少ないFBR流動設計手法の検証に要する費用や期間を低減するために、最新の妥当性立証手法に基づいて模擬流動実験を利用するFBR流動設計手法の検証方法の構築を目的とする。背景として、「もんじゅ」流動設計手法検証では流動設計に用いる相関式中の各種定数を設定するために多数の模擬流動実験を実機規模で実施していたが、現時点では下記の技術の進歩から、各種定数を数値計算で算出できる状態となっていることがある。
- 「もんじゅ」流動設計手法検証実施時に比べ、近年、計算機の性能が格段に向上している。
- 高温高流速状態でのナトリウム流動挙動について、近年では国内外の両方で知見が蓄積されており、流体を水とする模擬流動実験による代替が可能となっている。
そこで、模擬流動実験の実施内容の適正化、即ち実験実施費用を適正に低減することを目的に、最新の妥当性立証手法に基づいて設計手法の検証を最小限かつ適正に行う方法を研究する。
最新の妥当性立証手法の一つにCSAU手法（Code Scaling, Applicability and Uncertainty evaluation method１）があり、下記のように妥当性立証上の着目点が充実しているため、本研究ではCSAU手法に基づいてFBR流動設計手法の検証方法を研究する。
- 流動設計手法の検証に有効な「解析コードによる感度解析」等の実施項目が複数備わっており、かつ、検証実施に適用できる具体的な作業手順書の例が整備されている。
- 設計手法に大きな影響を与える現象を、客観的に特定する手段が備わっている。
CSAU手法に基づき構築したFBR流動設計手法の検証方法の手順案を図−1に示す。図−1に設定した各項目を実施し、流動設計手法上重要な流動現象から、実施が必要な実験を抽出する。すべての重要な流動現象が実験により確認されるまで実験を実施することで、流動設計手法の妥当性が立証され、当該流動設計手法を用いた設計プロセスを開始できる。
本研究では表−1の工程に従いFBR流動設計手法の検証方法の構築を研究する。H21年度では、「もんじゅ」流動設計手法の検証方法を分析し、「個別分析」として「実験データベース」の作成等を実施した。H22年度では「総合分析」を行い、FBR流動設計手法の検証において重要な流動現象を抽出している。H22年度からH23年度にかけては「FBR流動挙動の特徴を踏まえた検証方法の検討」として、表−1(1)にて実施している検討内容をまとめ、重要な流動現象を抽出する手順の案を作成する。また、H23年度後半から「模擬流動実験に対する具体的適用例の検討」として、表−1(1)、(2)の結果抽出される実施が必要な模擬流動実験の実施内容を精査し、「代表的な模擬流動実験」として計画の最適化を行うとともに、実験計画の最適化の手順案を作成する。
２．研究開発成果
H21年度においては、FBR流動設計の特徴を把握するために、「もんじゅ」流動設計手法構築のために実施された流動実験に関する日本原子力研究開発機構（以下、「JAEA」と記す。）の公開報告書を調査して本研究に必要な実験データベースを作成し、流動設計手法及び流動実験に係る複数の観点から、模擬流動実験の実施状況、目的及び成果について分析した。
JAEAの公開報告書から、「もんじゅ」流動設計手法を構築するために全38種類の模擬流動実験を実施したことを確認し、使用された試験体の形状及び測定データ項目等を実験データベースにまとめた。代表例として炉心構成要素単体水流動試験に対する実施内容の確認結果を表−2の左半分に示す。当該実験の実施内容の確認結果は下記の通りである。
- 実機寸法の燃料集合体を複数体装荷し、鉛直方向は実機寸法、半径方向は実機の1/2の寸法の炉内構造物を用いて実験を実施。
- 実機運転温度のナトリウムと動粘性係数がほぼ一致する90℃の温水を使用。
- 燃料集合体の圧力損失評価式に使用される定数設定に必要なデータ取得が目的。
(1)で作成した実験データベースに対して、流動設計手法及び流動実験に係る5項目の観点から検証内容を分析した。CSAU手法では、複数の観点について多面的に分析を行い、それぞれの結果を総合的に分析し直すことで最終的に問題点（課題）の抽出を行っていることから、設計、実験技術、流動現象、規格・基準及び解析モデルの観点から分析した。なお、総合的分析はH22年度に実施するため、H21年度の分析内容を「個別分析」と称す。個別分析の例として設計の観点での分析結果を表−2の右半分に示すが、模擬流動実験により、設計計算に適用する情報として下記の2種類を検証していたことを確認した。
- 設計情報の確認
燃料集合体の圧力損失係数のレイノルズ数依存性について、「ξ＝C・(レイノルズ数)^b」の形の式が評価式に適用できることを検証。 - その他設計上懸念される事項の確認
制御棒の挿入状態等の副次的要因について、主要流路の圧力損失に影響せず、設計計算への考慮が不要であることを検証。
(2)で実施した個別分析の結果に基づき検証上の課題の抽出を行った。即ち、「もんじゅ」相当のFBRを現時点で初めて設計することを想定し、その設計手法の検証に必要となる模擬流動実験の検討方針を表−3のとおり抽出した。抽出の結果、「もんじゅ」流動設計手法検証では精密に実機状態を模擬した流動実験を行う必要があったが、現時点では流動解析技術の進歩やナトリウム流動挙動に対する知見の蓄積から、数値実験による感度解析を援用することが有効であること等が判った。
３．今後の展望
H21年度で実施した実験データベース作成及び個別分析に引き続き、H22年度以降では下記の流れによりCSAU手法に基づいた検証方法を構築する。
- CSAU手法に基づいた「もんじゅ」流動設計手法の検証例の実施（総合分析）
- FBR流動挙動の特徴を踏まえた検証方法の検討（手順案の作成）
- 模擬流動実験に対する具体的適用例の検討
3.1 CSAU手法に基づいた「もんじゅ」流動設計手法の検証例の実施（総合分析）
H21年度に実施した個別分析結果を踏まえ、H22年度では「もんじゅ」流動設計手法の総合分析を実施している。総合分析を通してCSAU手法に基づいた検証方法の手順の例を完遂させ、流動設計手法の検証上の課題、即ち、実施が必要な模擬流動実験を抽出する。また、CSAU手法に基づいた検証方法で必要となる「重要度ランクテーブル（*1）」の作成を通して、客観的な観点から模擬流動実験の実施内容を絞り込むロジックを構築する。
PIRT（Phenomena Identification Ranking Table）とも称される。
3.2 FBR流動挙動の特徴を踏まえた検証方法の検討（手順案の作成）
本項目では、CSAU手法における妥当性立証の手順を「もんじゅ」流動設計手法の検証へ適用するに当たり、FBRの流動挙動の特徴を踏まえて流動設計手法を分析する。FBR流動挙動の特徴を取りこぼしなく分析できるよう、分析上の観点や手順を最適化する。以上の結果から、分析上の観点の設定方法を含み、FBR流動挙動の特徴を踏まえた検証方法の手順についてまとめ、FBR流動設計手法の検証方法の手順案を作成する。
3.3模擬流動実験に対する具体的適用例の検討
本項目では、下記2種類の検討を行い、模擬流動実験の計画内容を充実する。
(1)「もんじゅ」実機体系の感度解析
CSAU手法に基づいた検証方法で必要となる、設計コードによる感度解析を行う。感度解析結果を分析し、3.1の結果から抽出される模擬流動実験について、設計コード解析結果の感度の観点から当該実験を実施する必要性を確認する。
(2)代表的な模擬流動実験計画の検討
3.1で抽出される模擬流動実験について、実験実施の費用を適正に低減する観点からスケーリング則を適用し、試験装置の必要最小限の寸法と使用流体を最適化する。以上の結果から、実験計画を最適化する場合の手順案を作成する。
４．参考文献
１ N. Zuber, et al., “An integrated structure and scaling methodology for severe accident technical issue resolution: Development of methodology,” Nuclear Engineering and Design 186(1998)1-21.
図−1 CSAU手法に基づくFBR流動設計手法の検証手順の案
