高温ガス炉の黒鉛酸化挙動評価に関するTHYTANコードの検証

Verification and validation of the THYTAN code for the graphite oxidation analysis in the HTGR systems

島崎 洋祐 ; 井坂 和義; 野本 恭信; 関 朝和; 大橋 弘史 

Shimazaki, Yosuke; Isaka, Kazuyoshi; Nomoto, Yasunobu; Seki, Tomokazu; Ohashi, Hirofumi

日本原子力研究開発機構では、高温ガス炉の空気侵入事故時及び水侵入事故時における炉内黒鉛構造物の酸化挙動評価のために、高温ガス炉水素製造システムのトリチウム挙動評価用に開発された非定常物質収支解析コードTHYTANに解析モデルを追加し、炉内黒鉛構造物の酸化量分布を計算できるようにした。本報は、黒鉛酸化挙動評価に関するTHYTANコードの解析モデル及び検証解析の結果をまとめたものである。黒鉛酸化挙動評価のために、黒鉛構造物内及び冷却材流路内の物質収支として、物質伝達による流体から黒鉛表面境界層への物質移動、黒鉛内への拡散、黒鉛酸化反応、流路内での化学反応、安全弁による物質移動をモデル化した。検証解析として、黒鉛酸化挙動評価のために追加した解析モデルごとに解析解等を用いた手計算による計算値との比較検討を行うと共に、黒鉛酸化実験における実験結果及び高温工学試験研究炉の安全解析に使用されたGRACEコードによる実験解析結果との比較検討を行った。この結果、検証解析結果は、手計算による計算値、実験結果及びGRACEコードの解析結果とよく一致し、THYTANコードの計算機能及び解析モデルの妥当性が確認された。

The analytical models for the evaluation of graphite oxidation were implemented into the THYTAN code, which employs the mass balance and a node-link computational scheme to evaluate tritium behavior in the High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR) systems for hydrogen production, to analyze the graphite oxidation during the air or water ingress accidents in the HTGR systems. This report describes the analytical models of the THYTAN code in terms of the graphite oxidation analysis and its verification and validation (V&V) results. Mass transfer from the gas mixture in the coolant channel to the graphite surface, diffusion in the graphite, graphite oxidation by air or water, chemical reaction and release from the primary circuit to the containment vessel by a safety valve were modeled to calculate the mass balance in the graphite and the gas mixture in the coolant channel. The computed solutions using the THYTAN code for simple questions were compared to the analytical results by a hand calculation to verify the algorithms for each implemented analytical model. A representation of the graphite oxidation experimental was analyzed using the THYTAN code, and the results were compared to the experimental data and the computed solutions using the GRACE code, which was used for the safety analysis of the High Temperature Engineering Test Reactor (HTTR), in regard to corrosion depth of graphite and oxygen concentration at the outlet of the test section to validate the analytical models of the THYTAN code. The comparison of THYTAN code results with the analytical solutions, experimental data and the GRACE code results showed the good agreement.