原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ
事業報告・募集説明会（平成22年度募集） 報告資料
平成22年2月8日

もんじゅ性能試験データを用いた
高速 技
高速炉技術に関する先端的研究
す
端究
独立行政法人 日本原子力研究開発機構：

研究代表者： 宇佐美 晋

福井大学：（竹田 敏一、 小坂 進矢、 Van Rooijen、福福井卓雄 望月卓雄、望弘保）
保大阪大学：（山口 彰、彰
高田 孝、孝真鍋 勇一郎、 北田 孝典）

京都大学：（宇根崎 博信、 三島 嘉一郎）
1

研究の背景と目的
高速増殖炉サイクル技術の研究開発の場の中核としての「もんじゅ」（「原子力政策大綱」より）
 商業ベースでのFBRサイクルの段階への移行における課題の明確化のための「もんじゅ」（「原子力立国計画」より）


将来の商業ベースのFBR導入における高い経済性と安全性 要求 応える最も確実な 究開発手段と全性の要求に応える最も確実な研究開発手段としての「もんじゅ」の利活用
日本原子力学会の「もんじゅ」研究利用特別専門委員会における「もんじゅ」性能試験の研究テーマの調査

平成21年度内（22年3月頃）には「もんじゅ」を再起動して性能試験を開始する目標であり、本研究により手法検証へ。
2

研究の目標（1） 新しい全炉心非均質輸送計算手法の開発：
・ 近似を合理的に排除した決定論的厳密炉物理特性解析手法の開発（2） 自然循環に関するガイドラインの整備：
・ 自然循環特性の標準解析手法と標準データベースの整備（3） 「もんじゅ」性能試験データの収集整理：
革新的手法の適用性検証
3

(1)
( ) 新
新しい全炉心非均質輸送計算手法の開発
炉 非均質輸送計算 法 開発
○ 現状の炉物理特性予測解析：
計算資源の制約から 空間座標や中性子エネルギーを離散化しを離散化し、・ 計算資源の制約から、空間座標や中性子エネルギ体系を均質化近似
近似に起因する解析誤差が付随
・ 連続エネルギーモンテカルロ法

統計誤差が付随○ 連続エネルギーモンテカルロ法と同等の厳密なモデルでありながら統計誤差の無い「決定論的厳密炉物理特性解析手法」を開発[実施項目]：① 新たな「全炉心非均質輸送計算手法」の開発
・ キャラクタリスティックス法（MOC）と輸送ノード法の組合せ
・ 並列計算による高速化② 大規模モンテカルロ計算による厳密解との比較・検証③ 「もんじゅ」性能試験の核特性測定データに基づく適用性検証と、性能試験解析に基づく マイナーアクチニド（MA）の蓄積効果評価
性能試験解析に基づく、マイナーアクチニド（MA）の蓄積効果評価
当該手法の高速炉体系への適用やMAの蓄積効果評価は世界初の試み

4

((1))新し
新しい全炉心非均質輸送計算手法の開発
全炉心非均質輸送計算手法の開発

 in ()パスライン

 out ()l

着目領域

キャラクタリスティックス法とは？
中性子飛行方向のパスに対する中性子飛行方向の対する積分型輸送方程式を解き、中性子束などを算出する方法。

 out ()   in () exp( l ) 
入射中性子束の減衰Q1  exp( l )

領域内での発生中性子の寄与

体系内に中性子飛行方向に対応する、様々な角度のパスを引き、体系内に中性子飛行方向に対応する様々な角度のパスを引き各角度で得られた結果を積分することで、各領域の物理量を算出
・ 空間分割された一つの領域内で中性子源Qなどは一定値として扱う。
⇒ 先ず、空間分割を詳細にすることによる影響を検討。
先ず 空間分割を詳細 する とる影響を検討（2次元平面モデル）
5

2次元キャラクタリスティックス法計算コードの改良
燃料ペレット（MOX：ウラン+プルトニウム）被覆管（ステンレス鋼）
冷却材（ナトリウム）

燃料棒周囲の冷却材を考慮に入れた、六角の単位燃料セルを、さらに詳細に空間領域を分割できるよう計算コードを改良。

単位燃料セル

領域分割1ラッパ管（ステンレス鋼）

領域分割4

領域分割6

領域分割12

ラッパー管「もんじゅ」燃料集合体構造

これにより、モンテカルロ計算
れ よりカ計算結果（厳密参照解）との良好な致を確認。
一致を確認
6

2次元実炉心規模体系への適用性検討
計算結果の妥当性検討：
GMVP （モンテカルロ法：厳密解）計算結果との比較（モンテカルロ法 厳密解）計算結果との比較
8.0E-4

2.5E-2
キャラクタリスティックス法

7.0E-4

GMVPからの相対差
統計誤差(1σ)

2.0E-2GMVP

1.5E-2

6.0E-4

5.0E-3
4.0E-4差

捕獲率 [任意単位]

1.0E-2
5.0E-4

0.0E+0-5.0E-3

3.0E-4-1.0E-2

2.0E-4-1.5E-2
1.0E-4-2.0E-2
2 0E 20.0E+0-2.5E-2
05101520250510152025

集合体番号

集合体番号

集合体平均捕獲率分布

集合体平均捕獲率分布の相対差、統計誤差

GMVPの結果と非常に良く一致。
⇒ キャラクタリスティックス法の2次元実炉心規模体系への適用
キ ラクタリステ クス法の2次元実炉心規模体系 の適用性を確認。また、統計的変動の無い点で優位性を確認。

7

3次元全炉心非均質輸送計算のためのBACH－BACH－NSHEXNSHEX結合結合（システム化）： 実施中
NSHEXによる３D輸送計算（中性子束 中性子漏れ）（中性子束、中性子漏れ）•NSHEX計算（均質断面積を使用）•NSHEXによる中性子漏れを計算し、BACHに入力

BACH、２D非均質計算•BACHでの中性子バランスを取るための補正因子

NSHEXからの中性子•軸方向の各層を対象とした２D
漏れとKeff

BACH計算各層に対し1回のMOC計算

各層の均質化BACH－NSHEX反復計算•BACHの結果による均質化断面積の作成
積•全体の収束性を確認

注）BACH：2次元非均質MOC計算コード
注）BACH2次元非均質MOC計算
ド ＋NSHEX：3次元均質ノード法輸送計算コード＝ 3次元非均質輸送計算コード8

(1) 新しい全炉心非均質輸送計算手法の開発
以下の検討を併行して実施中：
検討を併行
実施中
・ モンテカルロ法による「もんじゅ」性能試験の解析
カ法による「もんじ 性能試験 解析（キャラクタリスティックス法との比較検討用の厳密参照解準備）

・ キャラクタリスティックス法の並列計算化検討（キャラクタリスティックス法計算時間の短縮）

・ 共鳴非均質自己遮蔽効果の取扱検討（キャラクタリスティックス法での共鳴吸収等の厳密な扱い）

9(2)自然循環に関する評価ガイドラインの整備○ 世界標準炉としての実用次世代炉の開発
受動的安全性を採用した高速炉の技術的合理性の追求
安全設計、安全評価における品質保証
試験データの体系的蓄積
実験データ、実機データに基づく解析評価技術のV&V
高速炉の世界資産 「もんじゅ」の活用【実施項目】：【実施項目】① 自然循環評価技術の現状の調査分析② 自然循環試験の事前予測解析（試験条件、測定量・測定点の検討）③ 自然循環特性の事象同定の検討（重要事象の抽出と重要度ランキング）④ 45％熱出力からの自然循環試験の検証解析と解析手法標準化（（「もんじゅ」性能試験でのプラント・トリップ試験データに基づく手法の検証）
もんじゅ」性能試験でのプラント トリップ試験デ タに基づく手法の検証）

自然循環ガイドライン試案の作成（標準解析手法と解析条件の整備）⑤ 高速炉の受動的安全評価用標準デ
高速炉の受動的安全評価用標準データベース構築
タベ ス構築自然循環ガイドラインは高速炉の標準的安全評価手法となり得る基盤的研究

10自然循環解析技術と評価の不確定性及び精度分析

軽水炉分野での統計的安全評価手法の発展
CSAU (Code Scaling Applicability and Uncertainty)
PIRT (Phenomena Identification and Ranking Table)
学会標準（AESJ-SC-S001 2008)
学会標準（AESJ-SC-S001,



高速炉分野 の統計的安全評価手法の適用
高速炉分野への統計的安全評価手法の適用
サンプル方法 ：ラテン超方格法
非線形性の考慮 ：Pearsonの相関比による重み付け（機械学会2006）



評価の不確定性を確率論的に定量化
95%信頼水準/95%累積確率値のサンプル方法による影響評価

Full-scope解析との比較（10万ケ スの計算）（10万ケースの計算）（少ないサンプリング回数で高精度予測の可能性追求）
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自然循環解析評価の不確かさ評価（影響の大きい上位5因子の絞込み）

ループ型高速炉における崩壊熱除去（プラント トリ プ後の自然循環除熱）（プラント・トリップ後の自然循環除熱）
Tem
mpearture [ººC]

600

２次ピーク温度

550
500
450

炉心出 冷却材温度
炉心出口冷却材温度

400
02040
60
Time [s]炉心部

80

２次系ポンプ⑧圧力損失⑨冷却材流量減少時定数⑪圧力損失⑫空気側流量⑬空気側温度⑭空気側熱伝達率

中間熱交換器⑮２次系圧力損失⑯１次系熱伝達率
100 ⑰２次系熱伝達率

上部プレナム①圧力損失②発熱量③接触熱抵抗④被覆管表面
熱伝達率

下部プレナム

空気冷却器

蒸気発生器
⑩圧力損失

１次系ポンプ⑥圧力損失⑦冷却材流量減少時定数

逆止弁
⑤圧力損失

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自然循環解析技術と評価の不確定性及び精度分析

高速炉分野への統計的安全評価手法の適用
手法：ラテン超方格法(MLHD) Pearson相関比手法：ラテン超方格法(MLHD)、Pearson相関比

プラント・トリップ後の自然循環による崩壊熱除去を対象に、手法の適用性を検討・確認。
 解析計算の不確実さを確率統計理論に基づく信頼水準の下に定量化（前記検討例における95%信頼水準での冷却材最高温度は約550℃以下）
却材最高温度約以 ）。


併行して自然循環多次元特性につき炉上部プレナム部の詳細解析を実施中。
ナム部の詳細解析を実施中
自然循環を必要十分な精度にて解析するための条件を明確化へ。
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(2)自然循環に関する評価ガイドラインの整備
自然循環現象の分析（重要事象の抽出）



重要度ランク表の構築

自然循環除熱に関するシステム分析、及び各システム要素に影響
自然循環除熱に関するシステム分析
及び各システム要素に影響を及ぼす現象を摘出。
前記の重要パラメータ同定結果に基づき分析中。
高速炉の自然循環において着目すべき判断基準は、燃料が溶融することなく被覆管が健全であること 一次冷却材バウンダリが健することなく被覆管が健全であること、一次冷却材バウンダリが健全であることを明確化。
これより重要度判断指標（FoM：Figure of Merit）としては、燃料中心温度 被覆管肉厚中心温度 ホ トレグ温度を想定し検討中
中心温度、被覆管肉厚中心温度、ホットレグ温度を想定し検討中。

中間熱交換器（IHX）縮小実験装置による詳細実験ナトリウム実験で観測されたIHX内の見かけの熱伝達率低下現象を、縮小実験装置による水流動実験で解明中。
自然循環時のIHX内温度分布には内部不均一性は観測されず、継続して原因を分析中継続して原因を分析中。
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冷却
却装置

IHX縮小実験装置による詳細実験結果
縮小実験装置による詳細実験結果（速報）
自然循環時の同一高さ温度分布

熱電対

C
1次系流れ方向V

バルブ

バルブ
ポンプ 流量計

ヒーター

流量計

2次系流れ方向

A: 1次系の入口側の列、E: 反対側
75

65
1次系-A
1次系-E
2次系-A
2次系-E

ポンプ
7060

6555

温度 [oC]

温度 [oC]]• 自然循環時のIHX内温度分布は、時間が経過しても分布形はは、時間経過し も分布形はほとんど変化せず、冷却に伴って温度が低下するだけ。
• 自然循環時にIHX内部の外側（A列）と内側（E列）に温度差が出るようなことはない。
• IHX内はほぼ均IHX内はほぼ均一な流れとな流れとなっていることが予測される。

6050554550
100

1次系-A1次系-E1次系
E2次系-A2次系-E

80

6040
高さ [cm]

1500秒後

20040
100

80

6040
高さ [cm]

5500秒後

20015

まとめ


「もんじゅ」の今日的な存在意義を再確認：

外部有識者の期待を具体的な研究プロジェクトに：「もんじゅ」は高速増殖炉サイクル技術の研究開発の場の中核。
「もんじゅ」は高速増殖炉サイクル技術の研究開発の場の中核
運転再開後の性能試験で得られる貴重な実機実測データは、最先端の革新的手法の検証にも有効利用できる。

日本原子力学会「もんじゅ」研究利用特別専門委員会にて、候補と日本原子力学会「もんじゅ」研究利用特別専門委員会にて候補となり得る研究テーマを議論し摘出。
提案されたテーマ（の一部）を、関係大学が連携したひとつの研究プ ジプロジェクトとして具現化できた。

最先端の革新的手法開発に貢献
最先端の革新的手法開発に貢献：

大学の先生方（専門家）の叡智を結集した最先端の研究を実施。
原子力機構単独では経営資源的にも困難な革新的研究を、外部有識者 協力により進める とが きた有識者の協力により進めることができた。
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