Development of numerical simulation method for relocation behavior of molten materials in nuclear reactors; Analysis of relocation behavior for molten materials with a simulated decay heat model

原子炉内溶融物質移行挙動数値解析手法の開発;模擬崩壊熱を有する溶融物の移行挙動解析

山下 晋   ; 高瀬 和之; 吉田 啓之  

Yamashita, Susumu; Takase, Kazuyuki; Yoshida, Hiroyuki

福島第一原子力発電所事故では、全交流電源喪失による炉心冷却システムの停止によって、原子炉内に設置されている燃料集合体が高温になり、その結果発生した燃料溶融が次第に拡大し、炉心の崩落を引き起こしたと考えられる。このような炉心溶融事象の進展を明らかにすることで現在の原子炉の状況を推定するとともに、今後のアクシデントマネージメント等を検討するためには、炉心溶融による溶融物の凝固や移行挙動を現象論的に予測できる数値解析コードが必要である。そこで原子力機構では、数値流体力学的手法に基づいた、現象論的な溶融物挙動の評価を可能とする数値解析手法を開発している。前報では、1種類の金属と1種類の気体から成る固・気・液3相2成分流体解析手法を用いた、溶融物の移行挙動解析を行ったが、金属に対して1成分のみであるため、崩壊熱を有する燃料物質とそれを持たない炉内構造物を区別することができないという問題があった。本報では、崩壊熱を有する燃料物質及びそれを持たない炉内構造物を区別して溶融移行過程を解析するために、前報で示した解析手法に対して、崩壊熱を有する燃料物質のために更に金属成分を1つ追加した固・気・液3相3成分解析手法の概要を報告する。また、崩壊熱モデルとして発熱する燃料を区別できるように改良した本解析手法を用いて得られた炉内構造物の溶融・移行過程解析結果を示す。

In accidents of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plants, by stop of the emergency core cooling system, fuel rods were overheated due to the radioactive decay heat and the oxidization of fuel cladding. Although it is inferred that the core degradation occurred because fuels, control rods, and other components in a reactor vessel was melted and relocated, condition inside the core still has not been revealed. Especially, in order to precisely understand the accumulation condition of debris in lower plenum, detailed and phenomenological relocation process of molten fuel is quite important. In this problem, since an experiment is extremely difficult, numerical simulation will be useful tool for investigating conditions in reactor core. However, existing codes can not be phenomenologically treated relocations process. In order to correctly estimate progress of the relocation phenomena in the reactor core, a numerical simulation code that can phenomenologically evaluate the melting phenomena is required. Therefore a phenomenologically-based numerical simulation method for predicting the melting core behavior including solidification and relocation based on the computational fluid dynamics has been developed in JAEA. Last paper, ICONE 21, we carried out the calculation of relocation behavior using three phase (solid/liquid/gas) and two components (metal and gas) fluid flow simulation model, however, there is only one component for metal. Therefore, the model cannot distinguish fuel material with decay heat from core internal materials. In this paper, we show the brief overview about the extended code, which is added one more component to the previous code to distinguish a fuel material with constant heat source simulating decay heat in the energy equation from core internals, and also show that the numerical results of relocation behavior for molten fuel and core internals in a reactor core.