サンプスクリーン下流側炉内影響LOCA後の炉心長期冷却に係る検討国内PWRにおける検討状況関西電力㈱、北海道電力㈱、四国電力㈱、九州電力㈱日本原子力発電㈱、三菱重工業株) 2022年6月16日1.背景2.全体計画3.実現象と評価シナリオへの展開4.流動試験（解析の前提・入力の妥当性確認） 5.熱流動解析6.評価に含まれる保守性7.まとめ1 1.背景2
-次系配管破断（LOCA)発生ECCS設備作動→炉心冷却のための冷却材供給CVスプレイ作動一次系注入のECCS水、CV内スプレイ水が再循環サンプへ配管破断に伴う保温材等がデブリとなって再循環サンプへサンプスクリーンでのデブリの捕捉サンプスクリーンを通過したデブリの炉心への流入【懸案】炉心入口閉塞による炉心冷却水量の不足3
再循環開始4
■ 流動の特徴： ▷低温側配管から冷却材を注水♪一部は炉心をルﾞｲルﾟｽし、破断口(低温側配管)から流出▷ 残りは炉内の蒸散による水位の低下の補給にあてがわれる■炉内の流況： ▷ 蒸散による水位低下： ～約10mm/s ▷炉心入口部の流速： ～約10mm/s（蒸散分を補給） ▷ 上記からRV内水位に変化なし■　炉心への冷却材供給の駆動力▷ダウンカマと炉心の水頭差が駆動力となる：約20kPa  （① − ② − ③ ) －炉心有効長下端より上のダウンカマ水頭（①) －ボイドを含む炉心有効長における水頭（②) －炉心発生蒸気によるループ圧損（③：炉心出口からSGを経由し蒸気が破断口から流出） ■ クライテリア：デブリによる炉心圧損増加（＠炉心入口流速10mm/s程度） ＜ 約20kPa* *高温側配管大破断では許容圧損は約100kPa以上に増加。
■　炉内への補給となる駆動力（水頭差） ▷炉心有効長下端より上のダウンカマ水頭（①) ーボイドを含む炉心有効長における水頭（②)水頭差は低温側配管破断よりも大きく、炉心を冠水させている水位を低下させないための水頭差減少の余裕（デブリ閉塞上限量の目安）も大きくなる方向。 ■ 流動の特徴： ▷低温側配管からの注水はすべて炉心を経由してそのまま破断口（高温側配管）から流出（液放出）する。炉内の流況:低温側配管破断と同じ▷ 蒸散による水位低下: ～約10mm/s ▷炉心入口部の流速: ～注入流量に対応(30mm/s〜程度) ▷余剰分は破断口から液放出
6 [2] 2.全体計画
■　再循環サンプスクリーンに関する新規制基準対応時に中長期的な課題として事業者が取り組むとしていた事項のうち、現在検討中の事項は「サンプスクリーン下流側影響のLOCA後炉心長期冷却に関する検討」である。 ■■炉心長期冷却のシナリオについては、米国と同様に以下を想定。 > 再循環開始直後は非化学デブリのみ、冷却材温度が低下した後に化学デブリが析出し、炉心入口に付着することで圧損が急増するものと仮定。 ▷炉内への冷却は２段階で考慮。 －化学デブリ析出前は炉心入口流路－化学デブリ析出後は代替流路（バッフルバレル流路） ■　本検討については、先行する米国の検討状況を踏まえ、上記シナリオによりRV内熱流動解析を実施。炉心入口流路の大半が閉塞（99.5%相当）しても炉心長期冷却が可能であることを確認。 ■　解析の入力条件（炉心閉塞状況）に関して、実機を模擬したデブリ投入流水試験による検証を実施し、問題ないことを確認。
再循環開始直後〜化学デブリ析出前：非化学デブリで炉心入口の大半が閉塞するが、必要流量(10mm/s程度)を確保化学デブリ析出後：化学デブリ析出により炉心入口は全面閉塞するが、代替流路（バッフルバレル流路）により必要流量を確保RV内熱流動解析：炉心入口の大半が閉塞（99.5 %相当）しても、炉心冷却が成立することを確認シナリオが成立する解析の入力条件（炉心閉塞状況）を試験で確認基礎試験1：下部ノズル流路を部分模擬RV内熱流動解析：炉心入口が全面閉塞しても、炉心冷却が成立することを確認基礎試験1：バッフルバレルを部分模擬試験基礎試験2：下部ノズル2体体系🔥 P18参照基礎試験3：下部ノズル＋下部グリッド2体体系🔥 P19参照フルスケール燃料集合体2体体系試験↩ P21参照バッフルバレルを模擬した流動試験【後半】 /ペッフルバレル流路路9
■　化学デブリ析出前、炉心入口から冷却材供給が可能であることを確認するため、燃料集合体2体を用いた流動試験を実施■　化学デブリ析出後の代替流路の成立性を確認するため、バッフルバレル流路を模擬した流動試魏を実施
10 3．実現象と評価シナリオへの展開
12炉心压損解析評価シナリオへの展開において保守性を考慮実際の現象国内での後述の各種試験結果も踏まえた考察13 4. 流動試験(解析の前提・入力の妥当性確認)試験条件4.1
15国内PWR全プラントにおける非化学デブリ発生量（繊維、粒子）を考慮し、サンプスクリーンでのバイパス量を保守的に考慮したうえで、国内PWRプラントすべてのデブリの炉内到達量のデブリ量を2体燃料（集合体、部分）に投入して圧損増加を確認し、それを解析入力として反映している。粒子／繊維のデブリ量比（P/F）も全7°ﾗﾝﾄを包含する範囲で圧損増加への感度小確認。 i CV内デブリ発生量バイパス試験結果(繊維デブリバイパス率:約10～20%) ー,試験条件(包絡すべき範囲)この枠内が国内全PWRプラントのデブリ炉内到達量を包含する範囲繊維デブリ量（g/FA）
○17×17燃料（17型燃料）を用いた試験結果（デブリによる圧損増加）の適用性炉内流動解析において、デブリにより炉心入口部（下部ノズル及び下部グリッド）が99.5%閉塞し、かつ閉塞部で圧損を無限大として冷却水が通水しないと仮定した場合でも、炉心入口部で0.5%程度の非閉塞部があれば、炉心はヒートアップせず長期冷却が可能○冷却流路が確保される箇所（試験結果より) a.下部ノズル及びグリッドのコーナー部流路：ﾃﾞﾌﾞﾘは閉塞せず通過流路面積：17型燃料＜15型燃料＜14型燃料b.隣接下部ノズル間流路:ﾃﾞﾌﾞﾘは閉塞せず通過流路面積：17型燃料＝15型燃料＜14型燃料c.下部ノズル及びグリッド内流路：ﾃﾞﾌﾞﾘは閉塞するが一部通過流路面積：17型燃料＜15型燃料＝14型燃料⇒ 17型燃料が最も流路面積が小さく、デブリ閉塞の観点で保守的17型燃料においても流路a、bだけで炉心入口部の流路面積の約1.9%（> 0.5%）を確保できる〇燃料集合体2体から炉心規模へ展開した場合a.下部ノズル及びグリッドのコーナー部流路：
 b. 誕生
後下部ノズル間流路:ﾃﾞﾌﾞﾘは閉塞せず通過
体から増加させてもﾃﾞﾌﾞﾘが閉塞しない流路面積と割合は不変c.下部ノズル及びグルッド内流路：ﾃﾞﾌﾞﾘは捕捉されるが、一部通過２体→４体→実機規模(4ループでは193体)と体系が大きくなるにつれ、流路断面での非均一効果によりﾃﾞﾌﾞﾘ非閉塞部分の割合増加下部ノズル部)冷却流路イメージ(グリッド部) 16 17 4.2 基礎試験(炉心入口部)
> 供試体の体系の違いによる影響を検討するため基礎試験を実施> 供試体差圧は燃料集合体1/4体系（200kPa以上）  >  燃料集合体2体体系（1kPa） > 燃料集合体1/4体系では1次元の一様な流れにより一様デブリベットを形成、差圧が大幅に増加> 燃料集合体2体体系では下部ノズル間等の3次元の流れによりデブリが通過し、差圧は1kPa以下18
> 燃料集合体2体体系により試験条件（温度、流速、粒子デブリ、デブリ径等）に対する感度を検討▷全試験条件で大きな感度はなく、供試体差圧は許容差圧を大きく下回った【結果及び考察】 ○流体温度：常温の方が僅かに差圧が大きく、要因として流体の粘性/密度による影響が考えられるO流流速：流速の増加によりデブリ捕捉が阻害され、流動抵抗が減少したため、流速が増加しても差圧は変化しなかった粒子デブリは下部ノズル間のような流路パスを抜けていくことから、粒子径の影響は小さい○粒子径：繊維デブリのみ(P/F=0)において差圧が増加。粒子デブリは繊維デブリの捕捉を阻害する効果があると考えるOP/F比:繊維を先行して投入した場合、繊維デブリの捕捉が促進され、差圧が増加○投入順：

許容差圧（約20kPa）
19 4.3燃料集合体2体試験
21 :可視化窓部
やすく、安全側の試験条件となる。
23 4.4バッフルバレル流動試験
>バッフルバレル流路を模擬した供試体に繊維/粒子/化学デブリを投入>デブリ投入前後でバッフルバレル流路の差圧は同等、机上検討とも概ね一致▷フォーマ板流路孔が閉塞していないことを目視で確認【試験条件】 ○流路： ○温度/圧力： O流量：バッフルバレル流路のみ常温/常圧○投入デブリ：  繊維/粒子デブリ、化学デブリ（実機包絡量） CLB~HLB条件25
26 >バッフルバレル流路と燃料集合体流路を並行させた供試体に繊維/粒子/化学デブリを投入>繊維/粒子デブリにより燃料集合体の一部が閉塞し、バッフルバレル流路の流量が増加5.熱流動解析
■使用解析コード
.最適評価コードMCOBRA/RELAP5-GOTHIC ✓局所的な閉塞の模擬やそのような状況下での炉心および原子炉容器内の熱水力挙動の予測✓炉心内流動の多チャンネルによるモデル化
■対象プラント
•国内4ループ及び3ループPWR
■対象とする事故事象
低温側配管の両端破断LOCA後の長期冷却事象. (低温側配管破断：被覆管温度評価として保守的となるケース)
■解析条件
. .主要条件は国内のECCS性能評価に準じて設定デブリによる炉心入口閉塞は再循環開始と同時に発生、圧損増加を試験結果に基づいて設定
29 20分(1200秒) (80分＝再循環開始から60分(3600秒))
>試験結果を踏まえた評価✓事象後半(LOCA後80分)に化学デブリにより完全閉塞することを想定した解析•非化学デブリによる圧損増加を試験結果に基づいて設定•米国PWROGの包含的な化学析出時間(80分)を保守的に踏襲•化学デブリによる完全閉塞時炉心入口圧損をほぼ無限大に増加✓ 80分以降に完全閉塞した場合でも、長期的な炉心水位の低下による燃料棒のヒートアップは無く、炉心冷却維持が可能であることを確認^ 上記より、LOCA後の長期冷却性評価に係る現行の設置許可申請書の記載において、変更が必要となるような影響はない
▷試験結果を踏まえた評価✓ 4ループPWR CLBと同様に事象後半(LOCA後80分)に化学デブリにより完全閉塞することを想定した解析✓ 80分以降に完全閉塞した場合でも、長期的な炉心水位の低下による燃料棒のヒートアップは無く、炉心冷却維持が可能であることを確認✔ 上記より、LOCA後の長期冷却性評価に係る現行の設置許可申請書の記載において、変更が必要となるような影響はない31
○熱流動解析（4ループ、3ループ）結果の他プラントへの適用性>再循環開始時点における集合体当りの出力は17型燃料の4ループと3ループが高く、炉心冷却に必要なボイルオフ流量として保守的▷単位出力当りの炉心の冷却材体積は17型燃料4ループが少なく、初期保有水の観点で保守的▷炉心入口の流路面積は17型燃料が最も小さく（16項参照）、デブリ閉塞の観点で保守的→4ループ,3ループの解析結果（長期冷却性の維持が可能）は15型燃料3ループ,2ループに適用できる
▷炉心入口部へのデブリ閉塞を考慮した解析を行った結果、炉内の状況は、以下の点において、デブリ閉塞問題が生じる前の従来の状況と有意な変化が生じないことが確認された-再循環開始後において炉心に有意なヒートアップが生じていないこと-炉心の水位が低下して炉心が露出することがないこと-燃料被覆管の温度が再循環開始直後から増加しないこと▷上記を確認した解析は、解析入力において、大きな保守性を考慮して行われたもので、全PWRプラントに対する評価を包含する結果と判断できる▷また従来からのLOCA後の長期炉心冷却性が維持されることの判断として｢炉心の冠水状態が維持されることを確認できればよい」旨を変更する必要もないと考えられる6.評価に含まれる保守性
> 以下の知見により、実際の現象としては、炉心に化学析出による有意な圧損増加が生じることなく、長期の炉心冷却が維持される・化学デブリ析出開始時刻≥高温配管側（炉心上部）からの注水切り替え時刻•炉心上部へのデブリ付着は大幅に低減（炉心上部からの注水切り替え時刻には、原子炉冷却系中の非化学デブリの濃度はサンプスクリーンによる除去効果で大幅に低減) ▷今回の評価では上記の実現象をそのまま考慮せず、保守的に化学デブリの析出を考慮した評価としている解析上のシナリオ：炉心入口部の化学デブリ析出による冷却性低下
実際に考えられる現象
炉心入口部が化学デブリ析出による圧損増加となる前に、高温配管側注水切り替えによる炉心上部からの冷却が開始されるため、炉心冷却が、化学デブリにより有意に阻害されることは考えにくい。代替流路の寄与を期待しなくても長期冷却は確保。 E損増加損増加
36 ▷ 熱流動解析では試験で得られた知見を基に保守的な仮定を置いた条件を用いている▷主な余裕は下図の①～③であり、十分に保守的な解析結果となっている庄損係数実現象では燃料集合体にも流路が存在し、圧損係数の増加は限定的⇒化学デブリ析出と同時に炉心入口が完全閉塞すると仮定実現象では圧損係数は徐々に増加（ランプ状） ⇒解析では以下の通り保守的な入力値設定； ・ステップ状に圧損が増加すると仮定・試験で得た圧損増加の２倍を考慮して入力⇒試験では以下の通り保守的な圧損増加を測定・繊維/粒子デブリを包絡量投入・集合体2体断面体系でデブリの付着と圧損増加を確認（実機の多数体の集合体断面より保守的な結果となる：ｐ16）実現象では化学デブリ析出は24hr以降⇒解析では80分で析出すると仮定余裕②：化学析出完了時間余裕①：非化学デブリ付着後の圧損係数の増加量再循環開始(＝非化学付着完了)化学デブリ析出時間37 7.まとめ■再循環サンプスクリーンに関する新規制基準対応時に中長期的な課題として事業者が取り組むとしていた事項のうち、唯一残されていたサンプスクリーン下流側影響のLOCA後炉心長期冷却に関して検討■　炉心長期冷却のシナリオとして以下を想定－化学デブリ析出前は炉心入口流路－化学デブリ析出後は代替流路（バッフルバレル流路） ■流動試験を実施し、上記のシナリオの妥当性を確認－ 燃料集合体2体試験：非化学デブリが流入しても炉心入口から冷却材を供給可能－ バッフルバレル試験：化学デブリ析出後は代替流路から冷却材を供給可能■　上記の流動試験結果を基に実施した熱流動解析により燃料温度が上昇しないことから、 LOCA後の炉心長期冷却性を確認■　本検討により唯一残されていた中長期的な課題であるサンプスクリーン下流側影響のLOCA後炉心長期冷却について問題ないことを確認39参考参考1試験に用いるデブリの投入量について
A A実機の繊維/粒子デブリ量、P/F比を包絡する広範囲の条件により基礎試験を実施供試体差圧が大きく増加し、許容差圧を超えることはなく、繊維/粒子デブリ量、P/F比による影響は小さいことが確認できた○繊維デブリ量1. 1.CV内デブリ発生量2.バイパス試験結果(繊維デブリバイパス率：約10～20％) 3.試験での投入デブリ（包絡すべき範囲） (繊維デブリバイパス率：30%) P/F比(-)参考2 PWROGとの比較(試験および解析)
(1) ▷米国体系（1/4体系）粒子径20～30μmで差圧のピークが発生. ｰ様な繊維デブリ層の間隙を効率的に閉塞する粒子径は20～30μm国内体系（燃料集合体2体体系） .粒子径を変更して試験を実施したが供試体差圧は1kPa未満粒子デブリ径の違いによる圧損差は0.5kPa程度であり、明確なピークは存在せず•米国体系（ 1/4体系) (1)国内体系（燃料集合体2体体系） ( 1 )  GSI-191 Test Program Summary Scaled Head Loss Testing February 26, 2015
▷米国体系（1/4体系） • P/F=45近傍で差圧のピークが存在供試体下部に発生した一様な繊維デブリ層の間隙を粒子が閉塞することで圧損が増加• ▷国内体系(燃料集合体2体体系) • P/F=0～∞の範囲で試験を実施したが、明確なピークは存在しないP/F=0（繊維デブリのみ投入）において供試体差圧が約2kPa .繊維デブリのみを投入することで供試体差圧が増加することが分かった•米国体系（1/4体系）(1)国内体系（燃料集合体2体体系）
( 1 )  GSI-191 Test Program Summary Scaled Head Loss Testing February 26, 2015

非化学デブリの集合体試験での圧損増加は、試験での各部圧損をそのまま解析にも、炉心の各グリッド位置に分散させて入力結果：下図のとおり、化学ﾃﾞﾌﾞﾘ析出時間を米国PWROGの評価（約8580秒l =143分)と同じに設定しても、析出までに炉心でのヒートアップが生じず、被覆管温度の増加も認められない。 * WCAP-17788-NP volume4 Rev0 Comprehensive Analysis and Test Program for GS1-191 Closure (PA-SEE-I1090) - Thermal-Hydraulic Analysis of Large Hot leg Break with Simulation of Core Inlet Blockage 45参考3 CLBとHLBの流況の違い
再循環開始直後のCLBにおいては、バッフルバレルの水位が低い
再循環開始直後の流況（CLB）
健全ループからの注入は炉心部等での蒸気発生分のみがダウンカマに流入する。バッフルバレルの水位は炉心部の水頭とバランスし低めに維持される。炉心入口部からの通水が停止すると、バッフルバレル流路からの冷却水がバッフル板の上端に達するまでの間、炉心内の蒸散に対する補給は行われない。再循環開始直後の流況（HLB）健全・破断ループからの注入は全て炉心及びバッフルバレル流路を経由して破断口から流出する。RV内の水位は高温側配管レベルとなり、液相率も高い。炉心入口部からの通水が停止しても、バッフルバレル流路から炉心内の蒸散に対する補給が、CLBのような時間遅れがなく行われる。 47参考4化学デブリの析出
【実機の化学影響概要】 ①高温のほう酸水・スプレイ材溶液に、デブリや構造材の一部が溶出する②低温となるにつれ、溶出した成分が閉塞していた繊維デブリの上に析出し、圧損に影響する可能性がある【試験概要】 > LOCA直後の水温・pHを模擬し、デブリや構造材を溶出>その後、水温を30℃以下に低下させ、化学デプリが析出しないことを確認した(炉内の水温が30℃以下となるのはLOCA後24時間以降) 【試験体系】ビーカほう酸水（2,900ppm）非化学デブリ; □ックウール、ケイ酸カルシウム構造材；亜鉛メッキ鋼、炭素鋼、経過時間（sec） ※再循環サンプピットのpHがほぼ一定値となる時間（20,000秒）でNaOHによるpH調整を実施
【試験手順】 ①デブリと構造材の成分を溶出させる・90℃のほう酸水（pH3.8）に、デブリと構造材を投入・高温保持・攪拌（80分間・24時間）非化学デブリ; □ックウール、ケイ酸カルシウムアルミ、亜鉛メッキ鋼②化学デブリの析出有無を確認する・温度低下時の白濁の有無を目視確認・NaOHを添加し、pH変化時の影響も確認どーカ温度低下時の白濁の有無を確認非化学デブリ【試験結果】 80分間高温保持した試料： 30℃および80℃において、 pH3.8～10の範囲で白濁が生じないことを確認
白濁が確認されたケース
24時間高温保持した試料： 30℃、かつ、pH7以上で白濁を確認米PWROGの試験（対象は再循環サンプピット）において24時間以内では大半の条件で化学デブリが析出しないことを確認参考5ほう酸析出への影響
▷ LOCA後長期冷却時のほう酸析出✓炉心で沸騰・濃縮されたほう酸水が炉内に蓄積し、ほう素濃度が上昇するほう酸析出時間の評価においては、LOCA後の１日間の炉内ほう素濃度を計算し、１日時点でのほう酸析出がないこと、若しくは析出する時間を評価図 現行国内評価モデル✓燃料集合体2体試験の結果から、炉心入口デブリ蓄積（閉塞）等による炉心–下部プレナム混合性能への影響は軽微と考えられ、ほう素濃度上昇への影響は軽微であり、炉心の長期冷却性は確保される⇒化学デブリの析出時間は24時間以降⇒非化学デブリによる圧損増加は小さい
▷ 代表4ループPWRを対象とし、デブリによる炉心入口圧損増加を考慮した炉内ほう素濃度上昇の評価▷評価の結果、炉内のほう素濃度は析出限界濃度（55,000ppm）を下回ることを確認53参考6被覆管付着影響
>化学デブリの被覆管表面への沈着による伝熱性能、被覆管温度への影響✓燃料表面における沸騰等により化学デブリが被覆管表面への沈着（プレートアウト）をする挙動(被覆管表面温度、沈着厚)を30日（～800H)について解析✓崩壊熱の低下、及び約250hでの炉心沸騰終息により、顕著な沈着は生じず、また被覆管の温度上昇も生じない▷グリッドや被覆管表面等へのデブリ付着蓄積による伝熱性能、被覆管健全性への影響>被覆管間に付着蓄積を仮定した熱伝導解析の結果、最大厚50mils( 1 )まで蓄積しても被覆管の長期冷却時の制限温度800F(²)以下を確認(1)グリッドを考慮し被覆管間の最小距離＜100milsであり1燃料棒当50mils (2) 30日間の運転で更なる腐食、水素吸収による顕著な影響が生じない温度(出典)WCAP-16793Rev2参考7サンプスクリーンをバイパスする繊維デブリ量の変化
デプリを含む再循環サンプピットからの冷却水の循環の概念図57参考8 PWRとBWRにおけるサンプスクリーン大型化に対する設計の比較