原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
計算科学的手法を駆使した高精度・シームレス物理シミュレータの開発
―高速炉ガス巻込み評価を対象として―
(主任研究員)山本義暢 大学院工学研究科 助教
(再委託先)独立行政法人日本原子力研究開発機構、国立大学法人京都大学
１．研究開発の背景とねらい
高速増殖炉サイクルの実用化のためには、安全性の確保を大前提に、軽水炉サイクル及びその他の基幹電源と比肩する経済性を達成することが必要である。現在、経済性を追求するために、原子炉容器をコンパクト化し、主冷却系統を2ループ化したナトリウム冷却高速炉が設計検討されている(1)。本設計概念では、炉容器コンパクト化にともない容器内での流速が増加するため、容器内自由液面におけるガス巻込み現象(2)の発生が懸念されている。ガス巻込み現象は、液面から気泡が巻込まれる現象であり、炉心領域への気泡混入は原子炉出力の変動を生じるため、気泡巻込み量を許容範囲以内に抑えることが重要である。しかし、原子炉内ガス巻込み現象は、熱流体運動特有の非線形現象及び複雑・複合形状を伴う各種多重相関現象として出現するため、無次元数（相似則）等による統一的な評価指針の策定は困難であり、現状では実規模試験において巻込みの有無を確認する方法(3)が確実な評価手法として用いられている。
そこで本事業では、実規模試験の代替あるいは高精度化を達成するための新規開発手法（計算力学的手法を駆使した高精度・シームレス物理シミュレータ）の開発に取り組み、高速炉ガス巻き込み現象とそれに伴う原子炉システム内気泡挙動を高精度・高効率で予測・解明可能とすることを目的としている。
２．研究開発成果
(1)気液界面・体積追跡法の検討・評価
物理機構支配要因の抽出とその解明のために、400セットの速度場・気泡形状のアニメーション化を行い、気泡周りに非定常の渦運動を確認した。また平成18年度作成した統計処理コードを用い、これまで実験的手法では得ることのできなかった平均速度・乱流統計量分布及び変形を伴う気泡に働く抵抗に関するデータベース(DNSにより得られた気泡抵抗係数)を取得した。ガス巻き込みシステムコードの高精度化においては特に気泡に働く抵抗係数の修正が必要であることがわかった。
(2)非構造格子体系下での気液界面・体積追跡法の検討
上昇気泡を対象とした非構造格子体系下での気液界面・体積追跡法の検証解析を実施した。その際、圧力勾配と力の釣合いが満たされるように、速度評価式及び圧力勾配評価式の改良を実施し、非物理的な流速分布の発生が抑制されることを確認した。Eotvos数をパラメータとして解析を実施した結果、計算された上昇気泡形状は実験値と良く一致し、適切な解析が行われていることを確認した。また、非構造格子系においても構造格子系と同等の結果が得られ、非構造格子系においても高精度計算が可能であることが明らかになった
図1 高次時間積分アルゴリズムの導入
(3)超並列コンピューティングを駆使した大規模容量化・高速化の検討・評価
OpenMPによるスレッド並列化を行った結果、186CPU・メモリ量400GB程度の大規模計算に対して、ベクトル化率95％以上、並列化効率50%以上の高速演算が可能となった。また高次精度時間積分アルゴリズムの組み込みに関しては、まず単相乱流の直接数値計算に適用し、十分に高精度な計算結果が得られることを確認した。次に図1に示す上昇気泡問題に適用し、同一精度を確保しながら必要なタイムステップ幅を10倍程度大きくすることができた。また計算効率でも3倍程度の高速演算が可能となった。最後に乱流生成ドライバールーチンを利用して、乱流場中における気泡変形運動の過渡現象に対し、システムコード等に用いる抵抗係数等の定量的評価が可能であることを確認した。
(4)各種統計処理コードの開発
システムコード内の気液相互作用モデルについて確認・検討を行い、気泡乱流を対象とした直接数値計算結果を用いて気液界面を通じた運動量交換モデルに改良を施した。その結果、気泡に作用する抵抗係数を適切に定めることで解析精度が向上し、実験結果との一致性が高まることが明らかになった。
(5)基礎実験データとの比較検討
ガス巻込み基礎実験体系の入力データ（解析格子等）を作成し、実験においてガス巻込みが確認されたケース（吸込み流速4m/s）の解析を行った。その結果、物体後流の渦流れが正しく再現され、実験において発生したガス巻込み現象と類似のガス巻込み現象を捕えることに成功した。
(6)まとめ
実規模ガス巻込み試験を対象としたテスト計算を実施した結果、試験におけるガス巻込み発生条件下において、渦の発生挙動及び渦中心での液面のくぼみ生成を定性的に捕らえられることを確認し(図2)、本開発コードの有用性を確認した。
以上により、計算科学的手法にもとづき、原子炉実機におけるガス巻き込み現象およびガス巻き込みシステムコードにおけるモデルパラメータ(気泡抵抗等)の評価及び高精度化が可能な数値シミュレータの構築が達成できた。
(a) 試験結果 （液面化20mm、時間平均）
(b) 解析結果 （液面化20mm、瞬時）
図2 実規模ガス巻き試験体系への適用
