INSS JOURNAL Vol . 26 2019 C‑3274

使用済燃料ピットの水温および水位の簡易評価ツール‑ Pit Calculator ‑ の改良
Updated Pit Calculator‑ Simple Evaluation Tool for Water Temperature and Water Level of Spent Fuel Pit ‑柳千裕（Chihiro Yanagi）＊1

村瀬道雄（Michio Murase）＊1

要約
福島第一原子力発電所の事故以前から，使用済燃料ピット（SFP）の浄化冷却設備停止時におけるピット水の温度上昇を適切にかつ簡便に予測することを目的として Pit Calculator を開発し，福島第一原子力発電所の事故以降は，全交流動力電源喪失時におけるピット水の水位低下にも適用できるように反映した．その後は使い勝手向上の観点から実際に発電所所員に試用頂き，現場意見を逐次取り入れ改良を重ねてきた．ここでは現時点での主要な改良内容について述
べる．
キーワード

使用済燃料ピット，使用済燃料プール，水温，水位，全交流動力電源喪失

AbstractBefore the accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station, we hadalready started to develop a method to predict the water temperature increase in the spent
fuel pit（SFP）adequately and simply during the shutdown of cooling systems. After the accident,
we extended the method capability to predict the water level decrease in the SFP duringloss of all AC power supplies. From these development extensions, we developed a simple
evaluation tool for water temperature and water level of the SFP named 'Pit Calculator'. Afterits development, we asked the plant staﬀ to try out and to evaluate this Pit Calculator from theviewpoint of usability improvement. From the opinions of the plant staﬀ, we continued to makeimprovements. Here we describe the major improvements.
Keywords

spent fuel pit, spent fuel pool, water temperature, water level, loss of all AC power supplies

1. はじめにの温度上昇を適切にかつ簡便に予測することを目的として，SFP の水温と水位を予測するツール “Pit

原子力発電所の使用済燃料ピット（SFP）には通Calculator” を開発した．

常，使用済燃料集合体からの崩壊熱を除去するため福島第一原子力発電所の事故以降は，浄化冷却設２系統の浄化冷却設備が備わっており，ピット水を備とともに換気空調系も停止する全交流動力電源喪一定水温に保っている．また，ピット水面の上方に失時におけるピット水の水位低下にもこの予測を拡は，水面からのエアロゾル粒子の拡散を抑制する張し，Pit Calculator に反映した（1）．

目的で空気流を形成する換気空調系が設けられて2010 年 度 か ら 2011 年 度 に か け て 開 発 し た 初 期
バージョン（2）の後，当初は簡易なマニュアルしかいる．
SFP の浄化冷却設備の保守点検等に伴う停止に無かったため，2012 年度から本格的なマニュアル備え，実機ではピット水温が管理値に達するまでの作成にも取り組みつつ，使い勝手向上の観点から実時間評価を行っているが，実測値とのかい離が大き際に発電所所員に試用頂き，2016 年度から今日にいと保守点検時間の確保に支障を生じる．

至るあいだ，現場意見を逐次取り入れ改良を重ねて

原 子 力 安 全 シ ス テ ム 研 究 所（ 以 下「INSS」 という）では，福島第一原子力発電所の事故以前から，SFP の浄化冷却設備停止時におけるピット水＊ 1 （株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

きた．本解説では現時点での Pit Calculator の主要な改良内容について述べる．

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2.

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Pit Calculator の特徴
開発した当時の Pit Calculator は以下の特徴を有していた．
① 断熱を仮定してピット水の温度上昇を計算するのではなく，実験や解析結果に基づいて空気への放熱やコンクリートへの伝熱を考慮し，ピット水の温度上昇や水位低下を計算．
② ピット水を一領域で模擬することにより，パソコン上で，温度上昇や水位変化を簡易計算．
（高性能コンピュータが不要）③ 浄化冷却設備停止時および換気空調系停止時のピットの水温上昇や水位変化を計算・グラフ化
し，また，計算結果をエクセル形式でも出力が

図１ 「使用済燃料ピット水温計算パラメータ管理」画面

性値（大気圧，比熱など）を入力する表，計算間隔可能．
④ 設定した水温や水位に到達する日時を出力するなどを指定する表の３つから構成されている．
なお，
ピットや建屋の仕様等は仮想の値である．

機能を保有．
（3）を用い

図２は初期画面中から「使用済燃料ピット水温計を用いた計算値算」をクリックすると表示される画面である．SFPをデータシートとして保持することにより，簡冷却水ポンプの保守点検のための計画停止により易計算が可能．

ピット水温が管理目標値に達するまでの時間的余裕⑤ 崩壊熱は，核断面積データ JENDL-4.0（4）

燃焼計算ソフト ORIGEN2.2⑥ 運転期間の入力のみで，取出炉心の崩壊熱の時間変化を計算．
⑦ ピット保管の使用済燃料の体数と冷却時間の２項目のみの入力により，崩壊熱の時間変化を自動計算．
⑧ 計算対象は，水温が 100℃未満まで，水位は燃料上部まで．
⑨ BWR といった他の炉型の燃料についても，崩壊を計算する入力仕様となっている．この画面には，原子炉停止日時や SFP 冷却ポンプ停止日時などを入力する項目も設けられている．
これら画面では，以下の改良を行っている．
① SFP 水量値（㎥）入力項目の追加（図１）
これまでは，ピットの縦横長さ・深さから内部計算していた水量（㎥）を，手入力出来るように項目を追加した．現場では水量を把握している場合もあ

熱のデータシートを新たに追加することにより，り，現場意見により反映したものである．

計算が可能．

② 物性値近似式をテーブルデータに変更
Pit Calculator では，水の密度，飽和蒸気圧，空なお，⑦に示す特徴は，今回の改良により入力項

気比熱，蒸気粘性といった 18 種類の物性値を使用目が増加しているものの，後述する 3.2 ①により，崩壊熱計算の精度向上が図られている．

3.

Pit Calculator の改良

3.1 入力パラメータ関連
初期画面中から「使用済燃料ピット水温計算パラメータ管理」をクリックすると図１に示す画面が表示される．この画面では，ピットの仕様（縦横長さ・深さなど），建屋の仕様（換気空調系の流量・温度など），外気温度といった数値を入力する表と，物

図２ 「使用済燃料ピット水温計算」画面

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するが，それらは 20‑100℃の範囲内での近似式を内部計算で使用していた．しかし外気温度が 20℃3.2 崩壊熱データ関連を下回る場合があることに対応するため，物性値

初期画面中の「使用済燃料貯蔵状況管理」
をクリッ

テーブルの適用範囲を 0‑100℃に拡大するとともクすると図３に示す画面が表示される．この画面に，Pit Calculator 内部で保持する近似式をテーブ

は，ピットに保管されている使用済燃料の体数を外ルデータに置き換え，補間計算するように改良を部データから読み込んだ結果を表示しており，ピッ行った．

ト内の保管体数に変更（燃料取出や搬出など）があなお，誤入力防止の観点から温度項目に負値が入れば，新たに外部データの読み込みが必要である．

力されるとメッセージが表示され，計算が先には進まないようにツールを変更した．
③ 崩壊熱倍率の削除（図１）
崩壊熱の値の不確かさを補償するために，崩壊熱の値を 1.1 倍する計算パスを設けていたが，後述のとおり，崩壊熱の値計算の精度向上を図ったことにより，当該計算パスを廃止した．
④ 崩壊熱手入力値項目の追加（図２）
現場では崩壊熱の値は定期的に把握していることを踏まえ，崩壊熱の値を手入力する計算パスを新たに設けた．
これにより，従来 SFP に保管中の燃料集合体データから計算された崩壊熱の値しか利用出来なかったものが，手入力により，迅速に SFP 水温上昇・水位低下の計算のステップに遷移することが可能に

図３ 「使用済燃料貯蔵状況管理」画面なった．これは現場意見を踏まえ，改良したものである．
⑤ 原子炉停止日時と SFP 冷却ポンプ停止日時の入力規則の変更（図２）① 燃料集合体データテーブル作成対象の拡大
従来は，燃料棒配列（例：17 × 17）別に，原子炉停止日時は，冷却期間を算出するために必

14 × 14 タイプの燃料集合体でウラン濃縮度２種類，須の項目である．従来は過去の日時しか入力出来な

15 × 15 タイプの燃料集合体でウラン濃縮度１種類，かったが，これを撤廃し，未来の日時も入力出来る

17 × 17 タイプの燃料集合体でウラン濃縮度２種類，ように改良を行った．の計５種類しかデータテーブルを保持していなかっ

一方，SFP 冷却ポンプ停止日時は未来の日時しかたが，これをほぼ全てのタイプの燃料集合体（Gd入力出来なかったが，過去の日時も入力出来るよう入り燃料や MOX 燃料，回収ウラン燃料等）を網羅に改良を行った．これらの改良は現場意見を反映しする 50 種類のデータテーブルを保持することとし，たものである．

現在 40 種類超のデータテーブルを保持している．

⑥ 水の比熱に関する倍数項目の追加（図１）

なお，従来保持していた５種類のデータテーブル

現状の仕様では，燃料集合体の体積分を水で置換

は燃焼度が最高燃焼度程度まで照射されたという保した仮定で熱容量の計算を行っている．熱容量［J/K］

守的な仮定で作成されているが，新たに作成したは燃 料 集 合 体＜水であるため．非 保 守 的な計 算を

データテーブルでは，集合体燃焼度での補間計算が

実 施していることになるため，水の比 熱に倍 数（０出来るように改良を行った．

以上１未満）を掛け合わせるパスを設けることとした

これは，崩壊熱計算の精度向上を目指したものである．
② ウラン濃縮度による補間計算の実施
従来は，上述の５種類のデータテーブルを用いて冷却期間だけで補間計算していたものを，冷却期間

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以外に，①に記載のとおり集合体燃焼度のほか，同種類の燃料集合体であれば，ウラン濃縮度でも補間計算できるように改良を実施している．
これも①と同じく崩壊熱計算の精度向上を目指したものである．
③ 外部燃料データの利用
開発段階では事業者から燃焼度データを入手することを想定していなかったが，現場での試用によりSFP 保管燃料の燃焼度データを利用出来る運用も可能であることから，事業者が保持している SFP保管燃料データ（燃焼度値含む）を流用できるよう（a）表形式の計算結果に改良を実施した．

3.3 出力データ関連
図４は「使用済燃料ピット水温計算」画面のうちの後段部分で，初期水温や計算終了条件を指定する画面である．

（b）温度変化のグラフ

図４ 「使用済燃料ピット水温計算」後段画面

計算結果の画面を図５に示す．図５（a）が表形式で出力される計算結果，図５（b）と図５（c）がグラ（c）水位変化のグラフ

フ形式での表示である．

図５① 表示項目選択（図５（b）と（c））

計算結果の画面

計算結果をグラフ表示する場合，従来は体積平均ているが，管理値を変更した場合でも対応出来るよ

水温以外に表面水温やコンクリート温度などを一括う改良を行った．さらに，設定した水温や水位に到表示していたが，現場意見により，この表示項目を達するまでの時間をグラフに表示出来るようにも改ユーザが選択可能なように改良を行った．

良を行った．

さらに表形式での表示の場合も，現場意見により背景色を変更する改良を行った．
② グラフ表示での機能追加（図５（b）と（c））
水温の時間変化グラフでは，現場意見により，100℃のほか，管理値である 65℃の水平線を表示し

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3.4 その他改良点
その他，上述の分類以外に以下の改良を実施した．
① NWL（Normal Water Level）表示の追加③ SFP 冷却水ポンプによる除熱量を考慮
現在の仕様は SFP 冷却ポンプ停止時の計算であるが，SFP 冷却ポンプの除熱量をユーザ入力項目とし，SFP ポンプ運転状態での計算も出来るよう改良（図５（b）と（c））を行う．

これまでは SFP 底面を 0 m として鉛直方向に水④ 最低水位以下の水量を除いた計算パスの追加

位を表示していたが，海水面を基準とした NWL

現在の仕様では最低水位（デフォルト値は 4.5m）（Normal Water Level）表示を現場意見により追加

以下の水量を考慮した計算を行っているが，最低水した．

位以下の水の存在を無視した計算が出来るようなパ② マニュアルの充実

スを新設する．この計算パスの追加により，水量がこれまでは，数枚程度の簡易なマニュアルであっ減じられ水温上昇が早くなり，比較対象として保守たものを充実させると同時に，FAQ（よくある質問）的な計算結果が得られる．と題し，換気空調系動作の水温に与える影響といっ⑤ SFP 改造対応た各種試算結果を掲載している．
③ 画面上での解説文の追加
現場意見に基づいて作成した解説１枚ものをツー
ル起動時に表示させる機能を追加，ツール内で用いている単語や文章の解説や補足説明を画面に可能な限り追記，またヘルプ機能を追加するなど，ユーザフレンドリーな作りを目指した．

4. 今後の改良
これまでの現場試用による意見反映等を踏まえ，継続的に改良を実施してきた．
崩壊熱データテーブルの拡充は引き続き実施するとともに，今後以下の現場意見などを視野に改良を続けていく予定である．
① 複数の評価日の一括計算
現在の仕様では，SFP 冷却ポンプ停止日時は１つしか入力出来ないが，当該日時を複数設定可能（例として３ヶ月間隔での日付）にし，１回の計算で複数の SFP 冷却ポンプ停止日時を一括で計算出来るよう仕様を変更する．このことにより入力計算の省力化を図る．
② 複数ピットの同時計算
２つのピット（A ピットと B ピット）が水路でつながっているようなピットでは，それぞれ単独のピットでも，２つのピット長さを合算することにより１つのピットとして扱う計算も可能であるが，計算が３回（A ピット単独，B ピット単独，A ピットと B ピットを１つのピットとして扱う計算）必要である．その手間を省き，一度の入力で，当該３つの計算を一括で行うよう改良を行い，省力化を図る．

将来，耐震工事等で SFP の仕様が変更になった場合に即対応出来るよう，改造工事設計段階から新ピットでの計算対応出来るよう準備を進める．

5. まとめ
福島第一原子力発電所の事故以前から SFP の水温上昇を適切にかつ簡便に予測できる手法を開発することを目的として，水温と水位を予測するツール“Pit Calculator” を開発した．その後，現場での試用による意見反映を継続的に実施してきた．今後も更なる改良を続けるとともに，水温実測データ等の入手による計算精度向上に努めていく．

6. 謝辞本改良にあたり，（株）サカイエルコム（本社：福井市）の協力があった．この場を借りて謝意を表します．

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文献（1） 柳 千裕，村瀬 道雄，“ 使用済燃料ピットの水温および水位の簡易評価ツール Pit Calculator- の開発 ”，INSS JOURNAL，Vol. 22, p.225-231（2015）．
（2） 柳千裕，村瀬道雄ほか，“ 全交流電源喪失時の使用済燃料ピット水温と水位の予測 ”，日本原子力学会和文論文誌，Vol.11, No. 3, p.193‑
202（2012）．
（3） K. Shibata et al., “JENDL-4.0: A New Libraryfor Nuclear Science and Engineering,” J.
Nucl. Sci. Technol. 48（1）, 1‑30（2011）．
（4） S. B. Ludwig, A. G. Croff, Revision toORIGEN2 - Version 2.2, Transmittal memoof CCC-0371/17, Oak Ridge National
Laboratory（2002）．

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