令和3年3月16日 原子力システム研究開発事業 成果報告会

革新的ナトリウム冷却高速炉におけるマルチレベル・マルチシナリオプラントシミュレーションシステム技術の研究開発

研究代表者：大島 宏之（日本原子力研究開発機構）
再委託先研究責任者 ：古賀 信吉（広島大学）：出口 祥啓（徳島大学）

Sector of Fast Reactor and Advanced Reactor Research and Development

研究開発の背景・目的・実施項目
 研究開発の背景○ 高速炉の実用化には、高い安全性と他電源に比肩する経済性（建設から廃炉まで）を有するシステム開発が必須○ 実証炉・実用炉の開発コスト自体のミニマム化要求○ 合理的なシビアアクシデント対策を含め継続的安全性向上の要求○ ベテランの引退、人材確保困難による技術力維持・伝承の危機

 研究開発の目的○ 設計最適化、安全裕度適正化、革新技術開発を支える安全基盤技術として、数値計算科学技術を開発。コストミニマムにも資する高精度・高信頼設計支援技術（システム）を提供○ 解析モデルやデータベースという形で技術知見・ノウハウを集約、技術伝承手段として活用。
システム開発（実験含む）を通して、基盤・応用技術開発や安全設計に関わる研究者やNa技術者等を育成

 本研究4カ年での実施項目
1) マルチレベルプラントシミュレーション
システムの構築2) マルチシナリオプラントシミュレーション
システムの構築
3) モデル化・Ｖ＆Ｖに資する実験的知見の拡充

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マルチレベルプラントシミュレーションシステムの構築(1)● プラントの設計オプションに柔軟に対応し、想定される運転状態、異常・事故事象に対して、高効率解析（パラメータ感度解析等）から高精度予測解析（安全裕度確認解析等）までを１つのシステム（マルチレベル）で実現★本研究での目標： 統合プラットフォーム開発と、炉心部関連モデルのマルチレベル化

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マルチレベルプラントシミュレーションシステムの構築(2)● 統合プラットフォームの開発
 マルチレベルシミュレーションを可能とする基本フレームとして、統合プラットフォームを開発
 利用目的に応じ、物理現象ごとに必要な詳細度の解析モデルを選択、連成が可能● 炉心部マルチレベルシミュレーション手法の開発
 CFDコード、サブチャンネル解析手法並びに核特性解析手法、構造変形解析手法をカップリングさせたシステムを構築（公募研究外成果含む）
解析例 ： 米国高速実験炉EBR-II炉心流量喪失時炉停止失敗試験
核-熱-構造連成解析により、炉心部の挙動を精緻に評価※変形量を20倍で表示

[℃]

出力、流量

温度分布

[￠/cm3]変形反応度分布 3

SAマルチシナリオシミュレーションシステムの構築(1)● SA事象に至る炉内事象および炉外事象の物理モデルを整備し、これらを統合するアルゴ
リズムを構築、炉心溶融から炉外事象までを一貫して統一的に解析可能 （マルチシナリオ）とするシステムを構築★ 本研究での目標： ベースモジュール（共通熱流動、物性値）、及び代表的な炉内・炉外事象モデル（炉内燃料溶融挙動、Na燃焼等）の開発

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SAマルチシナリオシミュレーションシステムの構築(2)● SA統合評価解析コードSPECTRAの開発
 熱流動モジュール（炉内側：CFD、炉外側：質点系）や個別物理モデル（炉内側：溶融炉心、炉外側：Na燃焼、Na－デブリ－コンクリート相互作用）を連成
 炉内／炉外同時進行の複雑な熱水力現象を評価可能

炉内モジュール
基本モジュール：冷却材（気／液）挙動評価
カップリング
溶融燃料（固／液）挙動評価モジュール

炉外モジュール

炉内外の圧力差による冷却材、デブリ漏えい量

基本モジュール：多成分ガス・エアロゾル挙動評価
カップリング
個別物理モデル：Na燃焼、Na－コンクリート相互作用、デブリ－コンクリート相互作用7

SAマルチシナリオシミュレーションシステムの構築(3)● SA統合評価解析コードSPECTRAの開発
解析例：原子炉液位低下事象（LORL: Loss Of Reactor Level）評価（炉内側）• Na漏えいによる液位低下• 炉心部高温化及び溶融燃料落下• 冷却パス完全喪失及び冷却材の更なる高温化（炉外側）• Na燃焼及びNa－デブリ－コンクリート相互作用による雰囲気温度上昇

炉外流出デブリ質量

破断位置（事象の発生）8

モデル化・V&Vに資する実験的知見の拡充(1)● Na冷却高速炉に特有で安全上重要となる現象に関して、モデル開発とV&Vに必要な実験を実施し、データベースを拡充（知見不足、重要度、実施期間／予算制約を勘案し、本公募研究では以下の基礎実験を選定）
 Ｎａ燃焼に係る基礎実験 多セル間の熱・物質移行実験⇒ 浮力起因の対流通気に伴う熱・物質輸送定量化
 燃焼生成エアロゾル性状計測実験 【徳島大】⇒ 初期粒径定量化、輻射物性定量化
 Ｎａと構造物コンクリートとの反応性に係る基礎実験 熱分析データ取得実験⇒ 化学反応式、反応速度の推定
 ミクロ分析等（結晶学的解析、速度論的解析など） 【広島大】⇒ 推定の裏付け9

モデル化・V&Vに資する実験的知見の拡充(2)●Na燃焼に係る熱移行、燃焼生成エアロゾル物質移行模擬実験
 Na燃焼時の多区画（多セル）への熱移行、燃焼生成エアロゾル物質移行を模擬した実験装置（多セル区画実験装置）を新たに設計・製作し、水平及び垂直に接続された2セル間の模擬粒子の移行挙動に関する実験データを取得。

●Na燃焼に係る燃焼生成エアロゾル性状計測（徳島大）試験装置外観 Na燃焼過程と生成するエアロゾルの光学計測系を構築、Na燃焼形態及びエアロゾルの生成状況を把握。Na－酸素反応で生成するエアロゾル粒径は、平均で約１μm（0.2-1.3μmの分布）となることを確認。
 Naと酸素の素反応解析を行い、Na燃焼における主反応経路を同定。

燃焼面可視化例●Naとコンクリートとの反応の熱分析、挙動解析（JAEA・広島大）
 パーライトコンクリートの主成分であるCa化合物とNaの総括反応について、熱分析とそれに基づく速度論評価を実施し、Na-コンクリート反応評価に必要な知見を取得。
 今までに得られた高速炉構造コンクリートの主要な構成成分とNaもしくはNa化合物との反応性と反応挙動について分析し、各反応系を単一の温度軸上で整理し、Naー構造コンクリート反応挙動モデルの構築に反映。

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研究成果の総括及び発展性
本研究開発により得られた成果は以下のとおり：
 マルチレベルシミュレーションシステム：基本フレームとなる統合プラットフォームと、CFDコード、サブチャンネル解析手法、核特性解析手法、構造変形解析手法をカップリングさせた炉心部マルチシミュレーション手法を構築
 マルチシナリオシミュレーションシステム：ユーザーが任意にシナリオを選択し、炉心溶融から炉外事象までを一貫して統一的に解析できるSA統合評価解析ベースシステムを開発
 モデル化・V&Vに資する実験的知見の拡充：既存知見の整理からNa燃焼とNa -コンクリー
ト反応に注目、Na燃焼時のエアロゾルの開口部を通じた区画間移行挙動、燃焼エアロゾルの性状把握、Naとコンクリートとの反応過程評価に関する実験を実施し、モデル開発・V&Vに資するデータベースを構築
 本研究開発により、革新的高速炉の設計・運用時における俯瞰的・統一的な数値解析評価の基盤技術を確立
 本成果は、JAEAで開発を開始した統合的な設計評価・支援システム（AI
支援型革新炉ライフサイクル最適化手法：ARKADIA）の基幹解析技術として発展予定
14研究成果の展開ーARKADIA※の開発
高速炉開発戦略ロードマップを受けた取り組み
ナレッジベースと解析評価技術を統合した先進的設計評価・支援システムを整備○開発指標群を高い次元で満たすプラント設計の実現○将来炉開発プロセスの大幅な合理化・効率化○知見・経験の集約、ナレッジベース化＋AI→ 競争力のある3E+S適合プラント像の提示→ 開発期間短縮・コスト削減→ 技術散逸防止・伝承・発展、人材育成

INPUT

OUTPUT プラント設計例

 最適化オプションの提示

 複数指標に対する最適化⽀援
 評価指標 開発目標 設計要求 精緻／簡易、連成解析
 ヴァーチャル
プラント機能 知⾒・経験等の集約と活⽤3つのシステムをつなげるAI⽀援プラットフォーム

 評価指標充足性
 安全性
 信頼性
 経済性
・・・

※AI支援型革新炉ライフサイクル最適化手法（Advanced Reactor Knowledge- and AI-aided
Design Integration Approach through the whole plant lifecycle）

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