Validation of the fast reactor plant dynamics analysis code Super-COPD using FFTF loss of flow without scram test #13

浜瀬 枝里菜; 大釜 和也; 河村 拓己*; 堂田 哲広; 田中 正暁; 山野 秀将

Annals of Nuclear Energy, 195, p.110157_1 - 110157_14, 2024/01

https://doi.org/10.1016/j.anucene.2023.110157

高速炉プラント動特性解析コードSuper-COPDのスクラム不作動流量喪失事象に対する妥当性確認のため、FFTFの受動的安全性試験LOFWOS No.13試験を対象としたIAEAベンチマークに参加した。ブラインドフェーズで課題として抽出された燃料集合体出口温度及び全反応度の評価精度向上のため、集合体間熱移行及び集合体間ギャップ部流れを考慮した全炉心モデル及び炉心湾曲反応度簡易評価モデルを導入した。最終フェーズ解析の結果、2次ピーク時の集合体出口温度を良好に再現するとともに、全反応度の実測値の挙動を概ね評価できたことから、LOFWOSに対するSuper-COPDの妥当性を確認した。

地質環境の長期安定性に関する研究 年度計画書(令和5年度)

丹羽 正和; 島田 耕史; 末岡 茂; 藤田 奈津子; 横山 立憲; 小北 康弘; 福田 将眞; 中嶋 徹; 鏡味 沙耶; 小形 学; et al.

JAEA-Review 2023-017, 27 Pages, 2023/10

JAEA-Review-2023-017.pdf:0.94MB

本計画書では、高レベル放射性廃棄物の地層処分技術に関する研究開発のうち、深地層の科学的研究の一環として実施している地質環境の長期安定性に関する研究について、第4期中長期目標期間(令和4年度令和10年度)における令和5年度の研究開発計画を取りまとめた。本計画の策定にあたっては、これまでの研究開発成果や大学等で行われている最新の研究成果に加え、地層処分事業実施主体や規制機関等の動向を考慮した。研究の実施にあたっては、地層処分事業における概要・精密調査や国の安全規制に対し研究成果を適時反映できるよう、(1)調査技術の開発・体系化、(2)長期予測・影響評価モデルの開発、(3)年代測定技術の開発の三つの枠組みで研究開発を推進する。

Application of quasi-Monte Carlo and importance sampling to Monte Carlo-based fault tree quantification for seismic probabilistic risk assessment of nuclear power plants

久保 光太郎; 田中 洋一; 白田 勇人*; 荒毛 大輔*; 内山 智曜*; 村松 健

Mechanical Engineering Journal (Internet), 10(4), p.23-00051_1 - 23-00051_17, 2023/08

https://doi.org/10.1299/mej.23-00051

福島第一原子力発電所事故後、原子力発電所の外部事象に対する確率論的リスク評価(PRA)の重要性が再認識された。地震PRAでは、システム、コンポーネント、構造(SSC)の相関故障の扱いが非常に重要である。SSCが連関して故障した場合に、事故緩和システムの冗長性に悪影響を与える恐れがある。原子力機構では、SSCの相関故障を詳細かつ現実的に取り扱うために、Direct Quantification of Fault Tree by Monte Carlo Simulation(DQFM)法と名付けられたフォールトツリー定量化手法を開発している。この手法では、地震応答や耐力に関する相関を有する不確実さをモンテカルロ・サンプリングで考慮することにより、頂上事象の発生確率を定量化することができる。DQFMの有用性は既に実証されているが、その計算効率を向上させることで、リスク分析者は複数の分析を行うことができるようになる。そこで本研究では、簡易的な地震PRAのDQFM計算に準モンテカルロ法および重要度サンプリングを適用し、少ないサンプリングで分岐確率を定量化する効果を検証した。準モンテカルロサンプリングを適用することで、中・高地震動レベルでの結果の収束性がモンテカルロサンプリングに比べて一桁加速されることを示すと共に、重点サンプリングの適用により、低い地盤変動レベルにおいて故障確率が低いSSCに対して統計的に有意な結果を取得できることを示した。これらのサンプリング手法の応用による計算の高速化はリスク情報を活用した意志決定におけるDQFMの実用化の可能性を高めるものである。

Validation practices of multi-physics core performance analysis in an advanced reactor design study

堂田 哲広; 加藤 慎也; 浜瀬 枝里菜; 桑垣 一紀; 菊地 紀宏; 大釜 和也; 吉村 一夫; 吉川 龍志; 横山 賢治; 上羽 智之; et al.

Proceedings of 20th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-20) (Internet), p.946 - 959, 2023/08

https://dx.doi.org/10.13182/NURETH20-40118

安全かつ経済的で持続可能な先進的原子炉を実現するために革新的設計システム(ARKADIA)を開発している。本論文では、ARKADIAの一部である設計研究のためのARKADIA-Designに着目し、炉心設計の数値解析手法の妥当性確認について紹介する。ARKADIA-Designでは、炉物理、熱流動、炉心構造、燃料ピン挙動の解析コードを組み合わせたマルチフィジックス解析により、ナトリウム冷却高速炉の炉心性能を解析する。これらの解析の妥当性を確認するため、実験データ及び信頼できる数値解析結果を選定し、検証マトリックスを作成する。解析コードのモデル及び検証マトリクスの代表的な確認解析について説明する。

Neutron reflectometry analysis of condensed water layer formation at a solid interface of epoxy resins under high humidity

Liu, Y.*; 宮田 登*; 宮崎 司*; 春藤 淳臣*; 川口 大輔*; 田中 敬二*; 青木 裕之

Langmuir, 39(29), p.10154 - 10162, 2023/06

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c01091

Water absorbed by epoxy resins from a humid atmosphere considerably influences their structure and properties. Examining the effects of absorbed water on epoxy resins at their interfaces with solid substrates is crucial because of their adhesive applications in various fields. The spatial distribution of absorbed water in epoxy resin thin films under high humidity was investigated in this study by neutron reflectometry. Water molecules were found to accumulate at the SiO/epoxy resin interface after exposure at a relative humidity of 85% for 8 h. The formation of an ca.1 nm-thick condensed water layer was observed, and the thickness of this layer varied with curing conditions of epoxy systems. Furthermore, the water accumulation at the interface was noted to be affected by high-temperature and high-humidity environments. The formation of the condensed water layer is presumed to be related to the features of the polymer layer near the interface. The construction of the interface layer of epoxy resin would be affected by the interface constraint effect on the cross-linked polymer chain during the curing reaction. This study provides essential information for understanding the factors influencing the accumulation of water at the interface in epoxy resins. In the practical application, the process of improving the construction of epoxy resin near the interface would be a reasonable solution to resist the water accumulation in the interface.

炉心変形反応度評価のための燃料集合体湾曲解析モデルの検証

堂田 哲広; 上羽 智之; 大釜 和也; 吉村 一夫; 根本 俊行*; 田中 正暁; 山野 秀将

日本機械学会関東支部第29期総会・講演会講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2023/03

ナトリウム冷却高速炉の炉心変形による反応度をより現実的に評価するため、炉物理、熱流動、構造力学の連成解析による炉心変形反応度評価手法を開発した。本評価手法では、燃料集合体の湾曲を有限要素法のビーム要素でモデル化し、集合体ラッパ管のパッド部での隣接集合体間の接触をパッド部専用の要素でモデル化した解析手法を採用した。その検証として、過去に実施されたベンチマーク問題の集合体単体の自由熱湾曲及び炉心体系での集合体熱湾曲による隣接集合体間接触について計算し、本解析モデルによる解析結果が理論解またはベンチマークに参加した他機関の解析結果とよく一致することを確認した。この結果から、本解析モデルが集合体の熱湾曲を適切に計算できることを確認した。

Benchmark analysis of FFTF Loss of Flow Without Scram Test No.13 using fast reactor plant dynamics analysis code Super-COPD

浜瀬 枝里菜; 大釜 和也; 河村 拓己*; 堂田 哲広; 山野 秀将; 田中 正暁

Proceedings of 12th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS12) (Internet), 9 Pages, 2022/10

プラント動特性解析コードSuper-COPDの予測精度向上のため、米国中性子試験炉FFTFスクラム不作動流量喪失事象を対象としたIAEAベンチマークに参加している。ブラインド解析で課題として抽出された燃料集合体出口温度の再現性向上のため、自然循環時における集合体間熱移行及び集合体間流量再配分を精度よく評価可能な全炉心モデルを用いてプラント動特性解析を実施した。また、全炉心モデルと一点炉動特性モデルを連成した過渡解析の妥当性を確認するため、主要な反応度フィードバックであるGEM、炉心湾曲等を考慮した解析を実施した。その結果、2次ピーク時の温度を良好に再現するとともに、実測値の過渡挙動を概ね評価できることを確認した。

Kinetics of the interfacial curing reaction for an epoxy-amine mixture

Yamaguchi, Ko*; 川口 大輔*; 宮田 登*; 宮崎 司*; 青木 裕之; Yamamoto, Satoru*; 田中 敬二*

Physical Chemistry Chemical Physics, 24(36), p.21578 - 21582, 2022/09

https://doi.org/10.1039/D2CP03394A

A better understanding of the chemical reaction between epoxy and amine compounds at a solid interface is crucial for the design and fabrication of materials with appropriate adhesive strength. Here, we examined the curing reaction kinetics of epoxy phenol novolac and 4,4'-diaminodiphenyl sulfone at the outermost interface using sum-frequency generation spectroscopy, and X-ray and neutron reflectivity in conjunction with a full atomistic molecular dynamics simulation. The reaction rate constant was much larger at the quartz interface than in the bulk. While the apparent activation energy at the quartz interface obtained from an Arrhenius plot was almost identical to the bulk value, the frequency factor at the quartz interface was greater than that in the bulk. These results could be explained in terms of the densification and orientation of reactants at the interface, facilitating the encounter of the reactants present.

A Scoping study on the use of direct quantification of fault tree using Monte Carlo simulation in seismic probabilistic risk assessments

久保 光太郎; 藤原 啓太*; 田中 洋一; 白田 勇人*; 荒毛 大輔*; 内山 智曜*; 村松 健*

Proceedings of 29th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 29) (Internet), 8 Pages, 2022/08

https://doi.org/10.1115/ICONE29-88773

福島第一原子力発電所の事故後、外部事象、特に地震や津波に対する確率論的リスク評価(PRA)の重要性が認識された。日本原子力研究開発機構では、地震PRAのための解析手法として、DQFM(direct quantification of fault tree using Monte Carlo simulation)法を開発してきた。DQFMは、地震応答と機器の耐力に関する適切な相関行列が与えられた場合、解析解や多次元数値積分を用いてミニマルカットセット確率を求める方法では困難であるANDゲートやORゲートで接続された機器の相関損傷の影響をフォールトツリーで考慮することが可能であり、その有用性が示されている。このDQFMの計算時間を短縮することは、規制機関や事業者が実施するPRAにおいて、多数の解析が可能になる。そこで、本研究では、準モンテカルロサンプリング,重要度サンプリング及び並列計算の3つのアプローチで予備的検討を行い、計算効率の向上を図った。具体的には、加圧水型原子炉の簡易的なPRAモデルに対する、DQFMによる条件付炉心損傷確率の計算に準モンテカルロサンプリング,重要度サンプリング,並列計算を適用した。その結果、準モンテカルロサンプリングは、仮定した中及び高地震動レベルで有効であり、重要度サンプリングは低地震動レベルで有効という結果が示された。また、並列計算により、実用的な不確実さ解析及び重要度解析が実施可能であることが示された。これらの改良を組合わせてPRAコードに実装することで、計算の大幅な高速化が期待でき、リスク情報を用いた意思決定におけるDQFMの実用化の見通しを得た。

先進型原子炉の設計プロセスの革新を実現するARKADIAの開発(設計最適化支援ツールARKADIA-Designにおける最適化プロセスの開発)

田中 正暁; 堂田 哲広; 横山 賢治; 森 健郎; 岡島 智史; 橋立 竜太; 矢田 浩基; 大木 繁夫; 宮崎 真之; 高屋 茂

第26回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2022/07

https://doi.org/10.1299/jsmepes.2022.26.A221

原子力イノベーションにおいて民間で実施される多様な炉システムの概念検討への支援を目的とし、既往知見を最大限活用した設計最適化や安全評価を実現するAI支援型革新炉ライフサイクル最適化手法「ARKADIA」の開発を開始した。その一部として、設計基準事象までを対象に開発している「ARKADIA-Design」によって実現する、炉心及び炉構造分野での設計検討、並びに保守・保全計画立案に関わる最適化プロセスの具体化検討について報告する。