JANSI-SFP-01

原子力発電所の補機油火災実証試験に関する評価
中間報告書

平成２５年１０月

一般社団法人 原子力安全推進協会
原子力発電所の補機油火災実証試験に関する評価委員会

報告書の責任範囲
本報告書は、一般社団法人 原子力安全推進協会に設置された「原子力発電所の補機油火災実証試験に関する評価委員会」において、専門知識を持つ委員の審議を経て、取り纏めたものである。
原子力安全推進協会は本報告書の記載内容に対する説明責任を持つが、本報告書を使用することによって生じる問題などに対して一切の責任を持たない。従って、本報告書の使用者は、関連した活動の結果発生する問題や第三者の知的財産の侵害に対し補償する責任が使用者にあることを認識して、本報告書を使用する責任を持つ。

目次
１.

はじめに ...................................................................................................................... 1

２.

目的.............................................................................................................................. 2

３.

本評価委員会の設置、審議経過 .................................................................................. 2４.

火災実証試験および温度評価式の概要 ....................................................................... 3（１）審議対象の火災実証試験および温度評価式 ............................................................ 3（２）「補機火災を模擬した実規模燃焼試験」の概要....................................................... 3（３）「機械換気制限下におけるポンプ油火災時の区画内空気温度評価式の提案」の概要............................................................................................................................................ 5５.

補機火災を模擬した実証試験および温度評価式の評価と課題................................... 6（１）補機火災を模擬した実証試験の課題 ....................................................................... 6（２）温度評価式の導出の課題 ......................................................................................... 8（３）温度評価式の実機への適用に関する評価と課題..................................................... 9６.

総括............................................................................................................................ 13（１）補機火災を模擬した実証試験について ................................................................. 13（２）温度評価式について............................................................................................... 13（３）実機評価への利用方法........................................................................................... 13
７.

提言............................................................................................................................ 14（１）評価式の改良に向けた提言.................................................................................... 14（２）技術環境に関する提言........................................................................................... 15
８.

まとめ ........................................................................................................................ 15

参考資料
１．補機火災を模擬した実規模燃焼試験（HLR-115 抜粋）.............................................. 17２．機械換気制限下におけるポンプ油火災時の区画内空気温度評価式の提案 .................. 18

１.はじめに原子力発電所の火災防護設計において、火災により原子炉施設の安全性が損なわれることを防止するために、火災発生防止、火災の感知および消火、火災の影響軽減のそれぞれを考慮した火災防護対策を講ずることが求められている。
このうち、火災の影響軽減に関しては、発電所内で用いられるポンプやモータ（補機）の潤滑油等の油（以下、補機油という）からの火災を想定し、耐火壁もしくは隔壁の設置や、系統の異なる設備およびケーブルを離して配置する離隔の組合せを設計に取り入れている。
これらの対策が想定される火災に対して有効であるかどうかを調べるため実規模火災実証試験（以下、火災実証試験という）が過去に行われていた。これまで試験概要は公表されていたものの、試験結果は公表されていなかった。今回、試験結果が公表され 1)、試験結果に基づいて作成した温度評価式が提案された。これを受けて、原子力安全推進協会は、火災実証試験および温度評価式を評価し課題を抽出するため、国内の学識経験者を委員とする評価委員会を設置し、集中的に審議を行った。本書はここまでの審議結果を中間報告書としてまとめたものである。

1) 日立 GE ニュークリア・エナジー株式会社、補機火災を模擬した実規模燃焼試験、
HLR-115、平成 25 年 5 月

1

２.目的
原子力発電所の補機油火災実証試験に関する評価委員会（以下、本評価委員会という）は、これまで電気事業者、プラントメーカが実施した火災実証試験を評価しその課題を抽出する。さらに、一般財団法人電力中央研究所（以下、電中研という）が火災実証試験データに基づき作成した温度評価式を評価し課題を抽出することを目的とする。
３.本評価委員会の設置、審議経過
原子力安全推進協会は、前項の目的を達成するため、国内の学識経験者を委員とす
る本評価委員会を設置し、本年６月上旬より集中審議してきた。
本評価委員会の構成委員等は以下のとおり。
・ 主査
国立大学法人京都大学大学院 原田 和典教授
・ 委員
総務省消防庁消防大学校消防研究センター 山田 常圭部長
学校法人東京理科大学 松山 賢准教授
・ オブザーバー 一般社団法人原子力安全推進協会 百々 隆顧問
・ 事務局 一般社団法人原子力安全推進協会 二口 政信、高津 正志、木藤 圭祐
・ 説明者 日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 清水 仁、岡田 智明、
加賀谷 弘幸
一般財団法人電力中央研究所 白井 孝治、鈴木 裕子
三菱重工業株式会社 角谷 核二郎、塩崎 廣満
株式会社東芝 森田 浩志（敬称略；順不同）
本評価委員会は、以下の 8 回の開催を経て、本報告書を取り纏めた。
回
日時
場所
主な議題
１ 平成 25 年 6 月 6 日
原子力安全推進協会 審議の進め方、実証試験お13：15〜17：00
よび温度評価式の概要
２ 平成 25 年 6 月 29 日 原子力安全推進協会 実証試験
14：00〜18：00
３ 平成 25 年 7 月 5 日
中部電力㈱（現場視察）
15：30〜19：00 浜岡原子力発電所
４ 平成 25 年 7 月 6 日
原子力安全推進協会 実証試験
10：00〜14：00
５ 平成 25 年 7 月 13 日 原子力安全推進協会 実証試験、温度評価式
10：00〜15：10
６ 平成 25 年 7 月 27 日 原子力安全推進協会 実証試験、温度評価式
10：00〜15：20
７ 平成 25 年 8 月 10 日 原子力安全推進協会 実証試験、温度評価式
10：00〜15：50
報告書(案)
8
平成 25 年 10 月 1 日 原子力安全推進協会 報告書(案)14：00〜17：30
なお、利益相反について申し出があった委員は中間報告書の内容の決議には加わらなかった。
2４.火災実証試験および温度評価式の概要（１）審議対象の火災実証試験および温度評価式
本評価委員会が審議の対象とした火災実証試験および温度評価式は、以下の資料に基づくものである。
・補機火災を模擬した実規模燃焼試験（HLR-115 抜粋）（日立ＧＥニュークリ
ア・エナジー株式会社）：参考資料１
・機械換気制限下におけるポンプ油火災時の区画内空気温度評価式の提案（一般財団法人電力中央研究所）：参考資料２（２）「補機火災を模擬した実規模燃焼試験」の概要（詳細は参考資料１）
参考資料１は、補機油による火災を想定した油火災の燃焼性状を把握し、火災
室温度等のデータ収集を目的として、昭和 57〜59 年に、電気事業者とプラントメーカが電力共同研究として実施した実規模の火災実証試験結果を取り纏めたものである。
①火災実証試験の方針
・原子炉施設内に設置されるポンプ油を火源とする火災として、油を保有する
部分の火災と、油が漏えいした状態での火災を想定し、着火した部分の燃焼特性と当該ポンプから他の可燃物への影響を把握するため、ポンプ単体の燃焼試験を実施した。
・ポンプ単体燃焼試験の結果を踏まえ、単一および複数区画の実機を模擬した
火災実証試験では、火皿を用いた燃焼試験を実施し、火災室温度などを測定した。
②火源条件の選定
・原子力発電所の実態調査を踏まえ、室寸法、油種、ポンプを選定した。ポンプの単体燃焼試験の結果から、ドレンリムを丸型火皿に置き換えて火源条件を設定した。
②−１．油種、ポンプの選定
・油種は使用頻度が高く、火災の発生しやすさを考慮して引火点の低いタービ
ン油を１種類選定し、また火源となる潤滑油を内包する機器として、縦型な
らびに横型のポンプ・モータの 3 種類の供試体を選定した。
②−２．想定火災の選定
・軸受けおよびモータ等が過熱されたことを想定し、潤滑油がポンプ、モータの軸受け部に保有された状態での着火の有無を把握するため、内部油燃焼試
験を 3 種類の供試体を用いて 26 ケース実施した。
・内部油燃焼試験として軸受け部に強制的に着火させても、燃焼が継続しない
ことから、ポンプ本体からの火災シナリオについては、火災実証試験の対象としないこととした。
・漏えい油燃焼試験として漏えいしつつある油に着火したが、炎が漏えい口のある軸受内部および他の軸受等への伝播は見られず、また、ベース部分ある
いはドレンリム上に漏えいしたタービン油への伝播も見られなかったため，
3

対象としないこととした。
・ドレンリム内に溜まった油は、継続的に燃焼するが、軸受等の他の部分への炎の伝播は見られなかったことから、ドレンリム内に溜まった油に着目して、火災燃焼試験を実施することとした。
②−３．丸型火皿の選定
・原子力発電所における補機のドレンリムの寸法形状、面積等の実態調査を踏まえ、ドレンリム燃焼試験で測定した燃焼速度をもとに、ドレンリムおよび機器ベース内での燃焼と丸型火皿内での燃焼の対応を整理した。この結果を踏まえ、ドレンリム内での燃焼性状と丸型火皿内での燃焼性状の関係ならびに試験の安全性を考慮して、火皿面積を選定した。
③試験建屋条件の選定
・原子力発電所における原子炉建屋の火災区画サイズ・面積、給排気位置、開口サイズ・位置等の実態調査を踏まえて、試験建屋の体系を設定した。
③−１． 区画サイズ等の選定
・原子炉建屋内の油を保有する区画（ただし、油の保有量が少ないポンプは対象外とした）を対象に実態調査を行い、床面積、アスペクト比、天井高さ等の出現頻度を調べた。調査結果と試験実施の利便性を考慮し、試験建屋の区
画サイズを単一区画５形状（20m×8m，14m×6m，10.5m×6m，7m×6m，3.5×6m）、複数区画４形状（火源室 10m×8m+隣接室(10m×8m，6m×6mの三角形形状の室)，5m×8m+(5m×8m と 5m×8m)，10m×4m+(5m×4m)，
5m×4m+(5m×4m と 5m×4m)）を選定した。天井高さは全て 5m とした。
・開口部サイズは、原子炉建屋内のドア開口の出現頻度から、2m2（幅 1m×
高さ 2m）と 4m2（幅 1m×高さ 4m）の２形状を選定した。
・鉄筋コンクリートの床に設置した試験建屋の壁および天井の材料は、最高使用温度が高く、耐火性が良好であるけい酸カルシウム系の耐火材を選定した。
③−２．換気条件の選定
・原子炉建屋内の油を保有する区画（ただし、油の保有量が少ないポンプは対象外とした）を対象に実態調査を行い、換気回数の出現頻度が多いものとして２、５、１０回／時の３ケースを選定した。また、換気系の停止状態を把握するため、換気が行われないケースも設定した。
・原子炉建屋の換気方式、開口の有無、給気口の位置、給気口の向き等の違いを考慮して８通りに分類し、また、火皿の位置を３通り選定して予備試験を行った結果、給排気口の位置と火皿の位置の組み合わせで温度が最も高くなった方式として、給気口は区画の隅角部で床上 3m の位置、排気口は給気口と対角線上で床上５ｍの位置に設置した。火皿は給気口付近の壁際の床面上に設置した。
④火災実証試験の実施④−１．単一区画燃焼試験
・火源が火源室の区画内に及ぼす熱的影響を把握するため、火源室の区画サイ
ズ・面積、火皿の大きさ、換気回数、開口の有無をパラメータとして、51ケースの単一区画燃焼試験を行い、区画内の温度分布データを得た。
・燃焼試験においては、火災室温度、放射熱量、煙濃度、気流速度、気流方向等を測定した。同時に、火皿重量の時間変化を測定し、燃焼速度を求めた。
4

④−２．複数区画燃焼試験
・火源が隔壁を介した隣接区画に及ぼす熱的影響を把握するため、火源室の区
画サイズ・面積、火皿の大きさ、換気回数、開口の有無をパラメータとして、
31 ケースの複数区画燃焼試験を行い、区画内の温度分布データを得た。
・単一区画燃焼試験と同様、空気温度、放射熱量、煙濃度、気流速度、気流方向等を測定した。同時に、火皿重量の時間変化を測定し、燃焼速度を求めた。
（３）「機械換気制限下におけるポンプ油火災時の区画内空気温度評価式の提案」の概要（詳細は参考資料２）①背景
現状の原子力発電所における火災防護の性能評価に際して、ポンプ油等による想定火災時の区画内の空気温度や機器・設備の温度評価が求められている。このような背景から、電中研は、電力共同研究の試験結果に基づき、火災時の区画内の空気温度や機器・設備の温度評価を効率的に行うために実用的な火災室温度評価式を作成した。このような換気を考慮した空気量と燃焼油をパラメータとして
室 内 空 気 温 度 を 予 測 す る 手 法 は 、「 原 子 力 発 電 所 の 火 災 防 護 指 針 ：JEAG4607-1986；一般社団法人日本電気協会」室内空気温度推定要領にも室内
空気温度の算定手法の例示として挙げられている。
②評価式の概要（詳細は参考資料２）②−１．燃焼速度予測式
ポンプ油の燃焼速度 Ve は、自由区間における燃焼速度よりも小さく、火皿直
径 D に依存するとして、火皿直径をパラメータとした燃焼速度予測式を提案した。
②−２．単一区画の空気温度評価式
単一区画において温度上昇比（プルーム以外の部分の 20 分における温度上昇
DT[K]と初期温度 Tini[K]の比DT/Tini）と、有効空気量比α（出火前に火災室に存在した空気量と出火後に火災室に供給される空気量の合計と燃焼により減少する油量との比）との関係を調べた。このことから、温度上昇比DT/Tini と有効空気量比αとの関係の近似式を求め、試験データの統計解析から得られた係数の平均値に標準偏差の３倍を加えて、最高空気温度上昇値を保守的に計算する評価式を提案した。
温度評価式と試験データとの関係を次図に示す。ただし、DTmは温度上昇値の平均値[K]、DTm+3sは温度上昇値の平均値に標準偏差の 3 倍を加えた値[K]、f(N)は有効換気回数[回／時]である。

5

②−３．複数区画における火源室の隣接区画への適用
開口部を有する複数区画の火源室の隣接区画の最高温度は、火源室と隣接区画を障壁のない仮想空間として評価式を適用し、保守的な予測値が得られることから、隣接区画の空気温度評価への適用を提案した。
５.補機火災を模擬した実証試験および温度評価式の評価と課題（１）補機火災を模擬した実証試験の課題
想定火災の選定、火源条件の設定、試験建屋の選定、測定結果について、以下の課題を指摘する。
①想定火災の選定①−１．想定可燃物
想定可燃物は、通常の運転中に生じる補機の過熱により生じるものだけを対象としており、限定的なものである。運転に伴って建屋内に持ち込まれる物品
や、維持管理や補修時の可燃物に対する配慮がされていない。
①−２．換気の継続
火災実証試験では、燃焼中は換気が継続している条件で温度測定を行っていることから、温度評価においては、評価対象の火災区画の換気空調系の運転状
況や防火ダンパーの状態の確認が必要となる。

6

①−３．地震後の火災
想定火災では、補機以外の全ての機器は正常であることを前提としているが、地震で機器や配管が損傷した後の火災については、この前提条件が必ずしも成立しない。発電所では重要度分類に応じた耐震設計を実施しているが、重要度分類の低い機器の損傷や落下、配管系の損傷による油漏れ等考慮しておくべき事象がある。
②火源条件の設定②−１．火皿の設定
火災実証試験においては、代表的な形状のドレンリムを選定して燃焼速度を測定し、燃焼速度が包含する丸形火皿に置き換えている。このこと自体には問題はないが、試験を行った範囲よりも小さなドレンリムを実機で選定する場合には、燃焼速度を別途測定する必要がある。
②−２．燃焼時間
多くの試験では２０分で定常に達したとして試験を終了しているが、これを超える時間での性状が不明である。特に、換気回数ゼロの場合には、定常状態は存在しない。また、ドレンリムが長時間の燃焼で変形や破壊を起こして燃焼性状が変化する危険性がある。
③試験建屋の選定③−１．試験建屋の気密性と圧力制御および換気量測定
試験建屋は乾式耐火壁で建造された。そのため、壁材の目地からの空気の漏れが若干はあると推察される。また、換気ダクトなどの貫通部の埋め戻し処理
部の気密性が不明であるし、換気回数ゼロを設定した際にも、隣室の温度上昇がみられることから、躯体の気密性が完全ではなかったと推定される。
そのため、複数区画燃焼試験の試験建屋形状のうち、火源室と開口部のない壁で接する隣接区画の試験においても、隣接区画の空気温度が上昇している結果があった。気密性が劣る状況下では、無換気の場合は燃焼継続時間が延びて温度が高めになると推察されるが、一方で漏気による失熱も大きくなる。
③−２．試験建屋の圧力制御について
試験建屋の換気は給気側と排気側の両方とも送風機を用いて行われた。換気量の測定は排気側のみで行われており、給気と排気のバランスや室内が負圧であったかどうか等を判断する記録が残っていない。双方の流量が体積流量で制御されていたとすると、排気側より給気側の質量流量が多くなり、室内側が正圧となり、隙間からの漏気が増えたことにより、試験の換気量が過少評価されていた可能性がある。参考資料１では圧力と換気量の測定方法が明示されておらず、試験として換気回数と温度上昇との関連付けが適正にされない可能性がある。
写真記録データから、耐火壁で建造された壁材の目地部分からの若干の空気漏れの形跡が記録されていたが、上記の試験時に漏れがあったかどうかは確認できなかった。また、換気ダクトを経由した漏煙の可能性も否定できない。気密性が確保されていない建屋で測定した温度は非保守的になるため、疑いのあるデータを除外して再整理する必要がある。
③−３．排気口の位置
試験体系のうち、火皿の直上に排気口を設けた試験があり、発生した煙を直7接吸引して排気するので、測定結果が非保守的になる。そのため、これらのデータを除外して再整理する必要がある。
④測定結果④−１．燃焼速度
予備試験で得られた自由空間の燃焼速度に比べて、単一区画および複数区画の試験体系での燃焼速度は小さくなっている。その理由としては、区画内での酸素が低下し、燃焼生成ガスおよび未燃焼ガスが火皿近傍に再循環するためと想像されるが、再循環の経路および量は、給排気口と火皿の位置関係、給排気の方向、風速等に依存する可能性が高い。しかし、実証試験ではそれを説明するために必要な測定がなれていない。
区画内での燃焼速度予測式の確度を高めるためには、現象を理解するための試験を追加して、結果を再構成する必要がある。
④−２．プルームの影響範囲
火皿上方に生じるプルーム（上昇熱気流）の影響範囲については試験では明らかにされていない。
④−３．火炎からの放射区画内で計測された放射熱のデータについて、火皿から離れるほど放射熱が増加する結果があり、もしこれが火炎からの放射とすれば物理的事実と異なる。
煙粒子からの放射や雰囲気空気からの対流成分を計測している可能性がある。
測定値そのものは小さく、システムの安全性検討に大きくは影響しないと考えられるが、計測全体の信頼性という観点から現象の吟味が必要と考えられる。
（２）温度評価式の導出の課題
温度評価式の導出方法について評価し、以下のように課題を整理した。
① 温度評価式導出に関する対象データ
温度評価式の尺度として、出火区画の容積に燃焼時間を通じた換気量を加えた
体積を採って２０分燃焼時の温度上昇との相関式を導いている。しかし、区画火災の燃焼性状を単一のパラメータで表すことには無理がある。区画内の酸素を使い切ってしまうと、燃焼モードは換気支配型に移行するが、温度評価式で使っているパラメータでは燃焼モードを判別することができないので、燃焼速度の設定が曖昧になる。機械換気がある場合とない場合での温度評価式の分離が必要と考えられる。
② 燃焼速度の予測式
自由空間における 8 種類のドレンリムの燃焼速度が丸型火皿の燃焼速度の予測式と同等もしくは下回る結果であることを確認した。ただし、ドレンリムでの燃焼は、リム形状により線火源の性状を示すものと面火源の性状を示すものがあり、燃焼速度が面積に単純に比例するとは限らない。実証された以外のドレンリムを使用する場合には改めて実証が必要である。
燃焼速度は、火皿の重量変化をロードセルにより測定している。重量変化の測定そのものは正しく行われているようであるが、自由空間に比べて区画内での燃焼速度が約半分になっている。この理由については、現時点で不明である。区画内では酸素濃度が低下するという説が提示されたが、直接的にこれを裏付けるデ8

ータはない。測定値のばらつきも大きく、区画内で燃焼速度が低下するメカニズ
ムが不明なので、実機への設計には現時点では無条件で採用すべきでない。
③有効換気回数 f(N)の導出
換気回数を増やしても温度上昇があまり変化しなかったので、評価式では有効換気回数を導入して結果がスムーズなべき乗式に乗るように調整している。しかし、結果が綺麗な関数に乗るように入力値を変更するのは工学の原理に反する。
物理的に考えると、換気量が増加すると燃焼効率も上昇し、結果として温度が上昇しやすくなる効果があること、換気量が過大になるとショートサーキットにより排熱量が減ることなどの現象が予想される。しかし、温度評価式ではこれらを明示的に表すことには成功していない。
④区画周壁（壁、天井、床）への吸熱
試験区画の壁、天井は、断熱性能が優れている乾式断熱材を使用しており、鉄筋コンクリート構造の実機と比べ実効熱伝達率が小さいことから、保守的な条件となっていると思われる。ただし、実機に適用する際には、熱吸収量が試験区画よりも多いことを確認する必要がある。
⑤隣接室の評価
火源室と隣接室をひとつの部屋として評価する場合、実際の火源室と隣接室に換気量の差がある場合を考慮し、換気回数の入力値を保守的に設定する必要がある。
また、火源室の開口から温度の高い空気が隣接室へ流れる場合、開口部近傍にある評価対象機器が熱気流に直接曝される可能性があり、熱気流の影響については別途検討する必要がある。
（３）温度評価式の実機への適用に関する評価と課題①適用範囲（１）、（２）の状況から考えると、温度評価式は試験が行われた範囲のデータを保守的に計算することはできるが、室容積、火皿直径、換気回数等の個々の設計パラメータの効果を定量的に表すことができない。従って、現状では試験が行われた範囲での利用に留めることが強く求められる
１）有効空気量比（α）：22〜591
実験データの範囲を超える適用は推奨されない。
２）室の床面積（A）：21〜160m2
室の床面積については、実験が行われた範囲に限定する。ただし、床面積が上限値（160m2）を超える場合には、160m2 とすれば保守側の結果となる。
給排気位置と火源の距離を限定する目的で室のアスペクト比を 1〜
2.5 に限定する。
３）火源から天井までの高さ（h）：4.5m 以上
天井高さは、実験では 5m のみであり、火皿は床上 0.5m の高さに設置されていた。燃焼により生じたプルームは火皿から天井までの9

間を情報に移動する際に周囲の気体を巻き込んで温度が低下する。
この距離が短いと一般論としては空間上部の温度が上昇しやすくなる。そのため、保守性が必ずしも保証できなくなることから、温度評価式では、火源から天井までの高さが 4.5m 以上あるものを適用対象とする。ただし、状況により床面より低い位置にドレンリムを設ける等、ドレンリムの周囲に十分な空間が確保できない場合には、床面から天井までの距離を 4.5m 以上確保すること（図１）。

h≧4.5mh≧4.5m

ドレン
リム
ドレンリム

図１ ドレンリムから天井までの距離の確保（左：ドレンリム周囲に十分な空間がある場合にはドレンリムの上端からの距離とする、右：ドレンリム周
囲に十分な空間がない場合には十分な空間が確保できる部分の距離とする）
４）室容積(V＝AH)：
上記の２）床面積に対応する室容積 V(=AH)の範囲は以下となる。
最小：21m2×5m＝105m3
最大：160m2×5m＝800m3
最小値に達しない室では温度評価式を適用しない。最大値を超える
室では 800m3 とする。
ここでは、天井高さは実験を行った室と同じ値の 5m に固定している。天井高さが 5m を超える室では、実際よりも小さい高さを使って温度評価式を適用すれば、保守側の評価ができる。また、5m よりも低い室については、前項３）により火源から天井までの高さを4.5m 以上確保することになっており、後出の６）により熱慣性の制限を行うことで、非保守側の設計案を排除する。
５）換気回数（N）：0〜10 回／時
実験が行われた範囲にとどめるため、換気回数の上限を１０回／時とする。ただし、10 回／時を越える時は 10 回／時とする。
６）周壁材料の熱慣性：
周壁への熱吸収が、実規模燃焼実験における最小の火源室よりも大きいことを担保する必要がある。そのため、火源室の周壁材料の内表面積と熱慣性の積和S AT krc が試験建屋の最小の火源室の値（88kW･s1/2/K）以上になることを適用条件とする。
ただし、
S：材料が異なる部位ごとの総和を採る
10

AT：周壁（壁、天井、床）の部分ごとの面積[m2]krc ：周壁材料の熱慣性[kW･s1/2/(m2･K)]（例）鉄筋コンクリート
1.61
けい酸カルシウム系の耐火材 0.127
板ガラス
1.50
アルミ製ドア17.4７）燃焼時間：20 分以内を原則とする。
実規模燃焼実験では、20 分または 40 分（一部は 60 分）の試験を行い、実験中を通じた平均的な燃焼速度を求めている。区画内の燃焼速度は、周壁や煙層からの熱放射が強くなると、火皿が加熱されて油の蒸発速度が増加する等の件がある。正確には長時間の区画内
燃焼実験を行う必要があるが、区画の周壁が実験時よりも熱くならないことを条件としておく。
この条件は、前項６）の周壁への熱吸収と等価である。実機において出火後の時間 t の熱吸収速度は次式で表すことができる。
æök rc
Qwall ,plant = çç SAT(Ts - T0 ) ÷÷tè
ø plant
ただし、Qwall,plant：実機における出火後の時間 t における周壁への熱吸収速度[kW]である。同様の関係が実規模燃焼試験の火源室についても成立する。
æök rc(Ts - T0 ) ÷
Qwall ,test = ç SAT
ç
÷
ttest
è
øtest
ここで、ttest は実規模燃焼試験における燃焼時間[s]である。
実機の熱吸収が実験建屋よりも大きくなるための条件

å (A

) (T

krc plantTs , plantt plant- T0 ) >

å (A

T

) (T

krc test
t tests ,test- T0 )

より、

(
(

)
)

2

(
(

)
)

2

æ S AT k r c plant (Töæ S AT k r c plant ös , plant - T0 ) ÷÷ tt plant < ç
ttest » çtest
ç S A k rc
÷
ç
T
T
(
)
S AT k r c test ÷s ,test
0
T
test
è
ø
è
ø
となる。
実規模燃焼試験での最小の火源室の熱吸収因子は
å AT krc test ＝88()

であり、20 分の測定値に対して温度評価式が作成されている。ゆえに、下記の時間が温度評価式の適用限界時間となる。

(

)

2

æ å AT k r cöplant ÷ç´ 20 [分]t plant =
ç
÷
88
ç
÷
è
ø
８）火皿面積：0.1〜2.0m2
火皿面積については、実験の範囲を逸脱しないことが大原則である。保守性を担保するため、実機の火皿面積が最小値よりも小さ11い時は実験での最小値(0.1m2)を用いる。ただし、別途実験を行って、自由空間での燃焼速度を測定した場合は、測定値を燃焼速度としても良い。
反対に、火皿面積が最大値を超える場合には、その燃焼性状の把握が現時点で不十分なため、温度評価式を適用しない。
②適用条件②−１．空調系の運転継続試験の多くは、ほぼ準定常状態となった 20 分程度で終了している。長時間の火災でも温度上昇はそれほど大きくないと想像されるが、その前提として下記を確認しておく必要がある。
・機械換気の流量が確実に確保されること・空調系のダンパーの閉鎖がないこと
・フィルターの目詰まりがないこと
・空調系の電源が確保されること・その他、空調系の運転を継続するのに必要な措置を講ずること②−２．ドレンリムと等価な火皿直径
火災実証試験では、ドレンリムを火皿に置き換えて試験を行っている。そのため、実機で使用するドレンリムの燃焼速度を測定した上で温度評価式に用いること。特に、ドレンリムの開口面積を絞って燃焼速度を下げる設計を行う場
合には、油量が一定ならば燃焼時間が延びるので、長時間にわたって緩慢な燃焼に収まることを試験等により確かめること。加えて、ドレンリム底部に水が存在すると水の沸騰によりボイルオーバーが発生し、油が飛び散ることも懸念されるので、ドレンリム内での水と油の共存を防止すること。
②−３．燃焼速度
区画内の燃焼速度が自由空間の約半分とする予測式が提案されているが、この関係を普遍的に用いることには疑問が残る。今後は対象となる火源形状について、代表径の取り扱いを含めて基礎的なデータの蓄積が望まれる。
燃焼速度が自由空間の約半分に低下する原因として、区画内の酸素濃度低下の影響が推測されるが、もしそうであれば燃焼速度は火皿直径だけの関数ではなく、室容積と換気量に応じて与えられるはずである。また、燃焼の実態を考えると、区画内に供給した酸素が火皿に到達するかどうかが大きな要因であるので、給気口および排気口と火皿の位置関係に応じて燃焼速度の変化を把握しておく必要がある。
②−４．局部的な温度分布に対する配慮
温度評価式では、プルームや輻射熱の影響を考慮しておらず、これらの影響については温度評価式とは別に評価が必要である。たとえば、プルーム評価では、火皿からの高さの 1/6 を半径とする円錐形の領域に影響があると考えるのが一般的である。ただし、火皿上方に障害物があると、プルームの広がりにより影響範囲はさらに大きくなる。保守的には、障害物にプルームがあたる点を起点に新たなプルームの広がりを考慮する等の措置が必要である。

12

６.総括
（１）補機火災を模擬した実証試験について
数種類の大きさの室に置かれた火皿の燃焼性状と、温度上昇の関係を調べたものである。特に、原子力施設での特徴として、閉鎖空間における機械換気条件下における継続的な火災が前提となる点が、一般の建築火災と大きく異なる。
当時としては先進的な試験であったが、今日の目で見ると十分とは言えない点がある。主な懸念事項は下記である。
①試験建屋の気密性と圧力制御
試験建屋の気密性が十分でなく、隙間からの煙の漏れあるいは空気の流入があったと推定される。このことが結果を大きく損なうものかどうかは断言できないが、今後行う試験では、下記に注意する必要がある。
・建屋の気密性の測定を行うこと
・区画内外の圧力差を測定すること
・流量計測は給気側と排気側の両方で行うこと②区画内での油の燃焼速度について
機械換気される室内では、給気口と火源の位置関係によっては酸素が煙と混合した後に火炎に到達する。そのため、燃焼効率の低下が起こると考えられる。燃焼効率が低下する度合いは、給排気口と火皿の位置関係により、火皿に到達する
気流中の酸素濃度がどのように変化するかに依存する。今後行う研究では、火皿周辺の酸素濃度といった燃焼性状に関与する物理量を測定する必要がある。
③火炎上方のプルーム性状について
火炎上方に生ずるプルーム性状については、試験的に明らかになっておらず、
温度分布を含めてその性状を明らかにする必要がある。
（２）温度評価式について
温度評価式の導出に関しては、以下の点を指摘しておく。
①室の熱収支式
温度評価式のパラメータは、室の熱収支の物理的考察に基づいて選定する必要がある。物理的な意味が不明確であると、各パラメータを変化した時の効果を正しく表すことが難しい。
②区画内での燃焼速度
機械換気される区画内での火皿の燃焼速度は、火皿直径だけの関数で表すことは物理的に無理がある。一般的に適用するためには、火皿周辺の酸素濃度を考慮した関係式の構築が望まれる。
（３）実機評価への利用方法
現状の温度評価式を実機評価に用いる際の留意点として、下記を指摘しておく。
①現状の温度評価式の適用可能範囲（詳細は５章（３）①項）
温度評価式は試験が行われた範囲のデータを保守的に計算することはできるが、室容積、火皿直径、換気回数等の個々の設計パラメータの効果を定量的に表すこ
13

とができない。従って、現状では試験が行われた範囲での利用に留めることが強く求められる。また、燃焼速度の低減については、保守性が不明なので現時点では自由空間の燃焼速度を用いるのが良い。
温度評価式で採用したパラメータαは、様々な効果をすべて含んだ総合的なパラメータであるが、普遍性が確かめられていないのでα軸に沿った内挿は可能と思われるが、外挿は厳に慎むべきである。

７.提言（１）評価式の改良に向けた提言
評価式の改良に向けて、短期的課題と中長期的課題を以下のように提言する。
①短期的課題現状における温度評価式は、油の燃焼面積を小さく制限することに使われている。このことを考えると、燃料支配型の火災を対象として換気による温度上昇を抑制するモードでの予測精度を向上する必要がある。特に、限界温度が現状の試
験値の下限よりも低い評価対象機器の検討に使えない状況は早急に解決する必要がある。このため、区画火災の熱収支の原則に忠実な温度評価式を構築し、既存のデータとの照合を行うこと。
上記で構築した評価式に対応して、現状の最も低い評価対象機器の限界温度よりも低くなる条件での試験を行い、内挿による温度予測を可能とすること。
②中長期的課題
中長期的課題として、下記を提言する。
②−１．区画内燃焼速度
機械換気される区画内での燃焼速度は、自由空間の約半分になる結果が示されているが、現状ではばらつきが大きいことと、換気方式との関係性が明示されていないため、評価式に取り入れることは保守性を欠く。しかし、中期的課
題としては、区画内酸素濃度の低下による燃焼速度の変化を定量化し、温度予測の精度を向上させることが必要である。
その一方で、燃焼効率が下がることはススおよび毒性ガスの生成速度が増加することを意味する。過大なスス発生により空調換気系統のフィルターが目詰まりして停止する危険が増大するので、これに対する防護対策を考えること。
また、消火のため、要員が進入する際の視野狭窄と毒性ガス充満に対する防護方法を考慮しておくこと。さらに、進入のために開口を開けることにより新鮮空気が流入し、爆燃状態に移行する危険も否定できない。
②−２．気密性のある建屋での試験実施
鉄筋コンクリート構造の建屋の試験を追加し、予測精度の向上を測ること。
②−３．燃焼速度データの整備実機に使うドレンリムについて燃焼試験を行い、燃焼速度設定のためのデー
タを充実させること。
②−４．物理的原則に基づいた温度評価式の構築
温度評価式は、統計的手法に過剰に頼ることなく、区画火災の一般原則（空間の熱収支により温度を算出、空間の酸素収支に基づいて燃焼速度を算出）によるものが望ましい。今後は、理論的考察と試験データのさらなる収集を行い、14一般的に使える温度評価式の構築を目指すべきである。
②−５．フローチャートの標準化
実機の設計評価のためのフローチャートが明確に確立しておらず、実機の条件を温度評価式に入力する数値の選定方法が曖昧なものが多々ある。温度評価
式の意味を明確にし、振れ幅無く運用するためには、標準的な評価のフローチ
ャートを構築する必要がある。また、温度評価式だけでなく、プルーム温度、放射熱などの影響を併せて予測するフローチャートを充実させて標準化すること。
（２）技術環境に関する提言
技術環境構築に向けて、下記を提言する。
①総合的な火災シナリオの整備
建築、船舶、道路などの産業では、個別部品ごとの火災ではなく相互の関係を踏まえて想定火災を構築している。原子力施設については、油火災がケーブルに伝播すること、ケーブル火災から機器や持ち込み可燃物（運転や補修に必要な資材）への延焼、大規模地震による複数機器の火災発生等のシナリオが考えられる。
今後は、持ち込み可燃物や設備の相互間にまたがる複合的な火災シナリオ、大規模地震後の火災などの総合的な火災シナリオの検討が必要である。
②火災安全技術の近代化
原子力発電所の火災防護水準を更に高め安全性向上を目指すうえで、火災科学の観点からの解明や解析技術の近代化が求められる。火災現象に関する研究や火災解析データ採取を継続的に行うことが必要である。
③火災安全技術のオープン化
他産業分野の火災安全工学の知見を継続的に取入れるとともに、オープンな場で批判を受けながら最新の技術を継続的に取り入れていく仕組みを構築する必要がある。閉鎖した技術環境では、技術のガラパゴス化を免れることはできない。
たとえば、学会等で恒常的に技術を発表しながら、技術の維持向上を目指すとともに、他産業の火災技術者との人的繋がりを構築すべきである。

８.まとめ
火災実証試験は、実施された当時（昭和 57~59 年）としては先進的な試験であったが、強制換気下の油の燃焼速度を網羅的に解明するには至っていない。また、試験技術としては、試験建屋の気密性、換気量の測定と室の圧力制御、放射熱量の測定などの点で、今日の目で見ると十分ではない。また、実機の設計で想定する火災性状に対応する条件での試験が行われていない。そのため、試験データをそのまま実機の体系に一般的に適用することは困難である。
区画内温度評価式については、温度評価式の尺度、燃焼速度の設定、有効換気回数の導出方法に課題が指摘され、現行の温度評価式には、十分な安全率を付した上で、試験が行われた範囲に限定して使用すべきと判断した。
一方、実機の設計においては、実証試験の範囲を逸脱するものが多々あると考えられるが、これらに実証試験のデータもしくは温度評価式を外挿して適用することは推15

奨されない。技術環境としては、放置できない状況であり、実機の設計に対応可能な設計式を作成することが緊急に求められる。
また、実機評価に温度評価式を使う観点から、中長期的提言として、今後行うべき試験項目と評価フローチャートの標準化の必要性に言及した。併せて、良好な技術環境を構築するための方策について、提言を行った。

16

補機火災を模擬した実規模燃焼試験（ＨＬＲ-１１５1)抜粋）

１．試験の目的

４．試験建屋条件の設定

２．実規模燃焼試験の考え方得られた試験データが室内温度評価に適用できるように、調査した結果を踏まえて、できる限り多くのケースで実規模燃焼試験（＊１）を実施

・実規模燃焼試験はさまざまな条件で網羅的に試験を実施するため、火源と試験建屋条件のうち以下の項目について調査した。
（調査項目：油種、ポンプ、区画サイズ、開口サイズ、換気パターン、換気回数）＊１. 本試験データは下記の研究成果による。
ＰＷＲ・ＢＷＲ電力共同研究
原子力プラントの油火災等の実証研究（昭和５７年８月〜昭和５９年９月）

17

内部油燃焼試験
軸受およびモータ等が加熱されたことを想定し、着火条件および、周囲への影響を調査する。
・強制的に着火させても、燃焼は継続しない⇒実規模燃焼試験から除外

漏えい油燃焼試験
ポンプ自身の高温部にあたり、ポンプ軸受の潤滑油が漏えいし、火災になった着火条件および、周囲への影響を調査する。
・強制的に着火させても、軸受部・ベース部へ炎は伝播しない
・漏えい油がドレンリム内に溜まった状態では燃焼は継続(3) 燃焼データの対応関係から丸型火皿の条件を選定
・ドレンリムの丸型火皿への対応を調査し(表１)、
火皿面積0.1m2〜2.0m2を試験条件として選定
・試験の安全性から火皿面積4.0m2は除外

20
15
10
5

区画サイズ

単一区画５パターン、複数区画４パターン、高さ５m

開口サイズ

1m×2m、1m×4m

換気回数

0回/h、2回/h、5回/h、10回/h

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

長辺 (m)
図５ 長辺出現頻度

＜立

面＞

＜平

面＞

排気
排気

給気
給気

火皿

５．実規模燃焼試験の実施
図２ 小型の横型ポンプ(1) 単一区画燃焼試験
火源が同一区域内に及ぼす
熱的影響を把握(図７)(2) 複数区画燃焼試験
火源が壁を介した隣接区域に及ぼす
熱的影響を把握(図８)

区画サイズ、火皿面積、換気回数をパラメータとして試験を実施
図３ 大型の横型ポンプ
図４ 縦型ポンプ
表１ ドレンリムの丸型火への対応

ドレンリム

丸型火皿

上段：寸法(mm)
下段：面積(㎡)

燃焼速度（㎏/min）

燃焼速度（㎏/min）

面積(㎡)

540W× 720L
0.09

0.020

0.052

0.1

1400W×1700L
0.30
1400W×2186.8L
0.35
2100W×1800L
0.38
3000W×2400L
0.53
1400W×4500L
0.65
2100W×3300L
0.65
3000W×4800L
0.92
510W× 900L
0.46
2000W×2000L
4.0

15000

図７ 単一区画燃焼試験装置

・単一区画燃焼試験（51ケース)
・複数区画燃焼試験(31ケース)

図８ 複数区画燃焼試験装置

測定位置の例として、単一区画燃焼試験の測定位置を
図９に示す。また、実測データを図１０に示す。

0.110
0.142
0.148
0.305

0.3

0.54

0.609

0.5

8.5

8.700

4.0

0.193
0.195
0.254
0.303

図９ 単一区画燃焼試験測定位置

図１０ 測定点別温度データの実測値

1)日立GEニュークリア・エナジー株式会社 補機火災を模擬した実規模燃焼試験 HLR-115 平成25年5月

参考資料１⇒ドレンリム内の漏えい油に着目して実規模燃焼試験を実施

2530

図６ 選定した換気パターン

油種・ポンプを選定し、ポンプの単体試験結果から、ドレンリムを丸型火皿に置き換えて、火源条件を設定する。

(2) 想定火災の選定・着火した部分の燃焼特性と当該ポンプへの影響を把握し、想定すべき火災を選定する。

(1) 区画サイズ、開口サイズ、換気回数の選定(表２)・火災に影響のある区画サイズ、開口サイズ、換気回数の調査を実施し、頻度が高いものを選定した。調査例として図５に区画サイズの長辺出現頻度の調査結果を示す。

(2) 換気パターンの選定
・原子炉建屋の換気パターンを8通りに分類し、その内給気高さの違い（3パターン）と火皿位置(3パターン)との組合せで、試験を行い温度が高いパターンを選定(図６)

図１ 試験装置概要

３．火源条件の設定

・油種は使用頻度が高く、火災の発生しやすさを考慮して引火点が低いタービン油#90を選定
・火源となる潤滑油を内包するポンプを選定
・ポンプ床投影面積が異なる横型ポンプは大小２ケースを選定(図２、３)・ポンプ床投影面積に差がない縦型ポンプは1ケースを選定(図４)35

表２ 試験建屋条件

・実規模燃焼試験は原子炉建屋の条件を模擬するために原子炉建屋の仕様条件の調査を行った。試験装置概要を図１に示す。

(1) 油種、ポンプの選定

火災に影響のある区画サイズ、開口サイズ、換気条件について、
原子炉建屋を調査し試験建屋条件を設定する。

頻度％

・壁、離隔距離による火災の影響の軽減効果を把握する。
・原子炉建屋の室内温度評価を構築するための試験データを取得する。

平成 25 年 6 月 6 日

資料 1-6（一財）電力中央研究所

機械換気制限下におけるポンプ油火災時の区画内空気温度予測式の提案
1. 背 景原子力施設における火災防護の性能評価に際して、ポンプ油等による想定火災時の区画内の空気温度や機器・設備の温度等の評価が求められている。原子力施設における区画は機械換気制限下にあり、多岐にわたる区画形状や換気条件に対する火災影響評価を効率的に行うためには、精度は粗くても既存の火災モデルに代わる予測簡便式があれば、実用的となる。
2. 目 的
ポンプ油火災時に想定される換気制限下にある単一区画内の簡便な最高空気温度予測式（以下、予測式）を提案し、複数区画の最高空気温度への予測式の適用性を確認する。
3. 主な成果
ポンプ油燃焼試験，単一区画・複数区画（2,3 区画）の火災試験注i）（図１）を対象に，区画内最高温度に及ぼす試験パラメータ（火源寸法 0.1～1.0m2、換気条件 0～10 回，区画総容積 105-800m3）の影響を評価し、以下の知見を得た。

18(1) 燃焼特性評価式
試験パラメータの範囲内での換気制限下におけるポンプ油の燃焼速度は、自由空間における燃焼速度に比べ約 50%低下し、火皿直径に大きく依存する。このため、火皿直径をパラメータとした燃焼速度予測式を提案した。

図 1 火災区画試験の例
主な測定項目は、燃焼速度・温度等であり、区画容積210m3（幅 6m×長さ 7m×高さ 5m）の場合の温度測定位置（火源を含む区画中央鉛直断面）を示す。
熱電対を用いて、区画内の床から 0.25, 1.25, 2.5, 3.75, 4.75m の高さで測定した。燃焼速度は、火皿の直下に荷重計を設置し、燃焼中のポンプ油の質量減少速度を測定した。

図 2 機械換気制限下における燃焼特性
自由空間で測定された燃焼速度に比べ、機械換気状態にある試験建屋内で測定された燃焼速度は火皿面積の増加と共に急激に小さくなる傾向にあり、換気回数に対する明瞭な依存性もみられない。
燃焼速度を火皿直径の関数で表記し、図中の式を得た。

,(2) 単一区画内の最高空気温度予測式
プルームの影響を除いた単一区画内最高上昇温度 ΔT と初期温度 Tini の比 T*は、火災時に供給される空気量と燃焼により減少する可燃物量との比αと良い相関がある。このため、T*とαの関係の近似式を求め、統計解析を実施した、正規分布に従うことを明らかにした。さらに、T*を保守的に予測するため、近似式に対し標準偏差の 3 倍の裕度を有する予測式を提案した。
V：区画容積[m3]Tini：初期温度[K]t：燃焼時間 [sec]ve：燃焼速度[m/s]
D：火皿直径 [m](3) 複数火災区画への適用性
開口部を有する複数火災区画の火源室の最高温度は、開口面積と区画内表面積の比で(2)で提案した予測式を補正し、適用できることを明らかにした。また、開口部を通じて隣接する区画の最高温度は、火源室と隣接区画を障壁のない仮想空間として評価式を適用し、保守的な予測値が得られることを明らかにした。
4. 成果の活用
提案した火災区画最高温度評価式を実機プラントに適用し、ポンプ油対策等の火災防護設計に活用する。

（22≤ α ≤591）

ρini：初期空気密度[kg/m3]∆T：温度上昇値 [K]N：換気回数 [回/hour]
S：燃焼油量 [kg]γ：ポンプ油密度 [kg/m3]

図 3 機械換気制限下における火災区画内最高温度予測式
最高温度評価式の導出においては、同一区画試験（51 ケース）のうち、燃焼時間が 20 分以上良好に継続した試験（48 ケ

本試験は、電力共同研究「原子力プラントの油火災等の実証試験」に参画した各社（中部電力（株），北海道電力（株），東北電力（株），
東京電力（株），北陸電力（株），関西電力（株），中国電力（株），四国電力（株），九州電力（株），日本原子力発電（株），（株）
東芝，三菱重工（株），（株）日立製作所）により実施されたものである．

注i）

参考資料２

ース）を対象に、測定時間 20 分におけるプルームの影響を受けない各測定断面の 4.75m 高さにある複数の測定データのうちの最高温度を用いて、回帰式を求めた。さらに、回帰式回りのデータのばらつきの統計解析を行い、正規分布を仮定した+3σ（変動係数：0.24）の変動を考慮した上限曲線を予測式として提案した。

原子力発電所の補機油火災実証試験に関する評価中間報告書
平成 25 年 10 月
編集：原子力発電所の補機油火災実証試験に関する評価委員会
一般社団法人 原子力安全推進協会
連絡先：一般社団法人 原子力安全推進協会〒108-0014 東京都港区芝 5-36-7 三田ベルジュビル 13〜15 階
電話 03（5418）9314（代）、FAX 03（5440）3607©原子力安全推進協会,2013

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