Numerical simulation of MCCI based on MPS method with different types of concrete
異種コンクリートを用いたMCCIのMPS法による数値解析
Chai, P.; 近藤 雅裕*; Erkan, N.*; 岡本 孝司*
Chai, P.; Kondo, Masahiro*; Erkan, N.*; Okamoto, Koji*
半陰解法を用いた粒子法(MPS法)に基づいてMCCI現象を解析するため、マルチフィジックスモデルを使用して2次元計算コードを開発した。以前の研究とは対照的に、ガス発生については、アブレーション挙動への影響を調査するために、液体プール内の気泡の力のバランスを計算することにより解析した。さらに、コリウムと溶融コンクリート間の酸化還元反応からの熱放出を計算することにより、化学反応をモデル化した。コンクリートの種類に起因し、異なるアブレーションが生じると考えられる。この影響を評価するため、CCI-2およびCCI-3試験について、本研究で開発したコードを用いて解析した。解析結果は、軸方向および半径方向のアブレーション速度について、実験結果と一致している。珪質コンクリート試験で観察された異方性アブレーション挙動の原因として、ガス放出および化学反応による側壁近くの熱伝達の促進が挙げられることを解析結果は示唆している。一方、石灰石を多く含むコンクリートを使用した試験では、底部コンクリートからの大量のガス放出によって軸方向のアブレーションも促進されたため、等方性アブレーション挙動が生成された。アブレーション挙動に加えて、CCI-3試験の下部のクラスト形成とコンクリートとコリウムの界面プロファイルが、本研究で提案したモデルによりよく再現された。
A two-dimensional computational code was developed using multi-physics models to simulate MCCI phenomena based on the moving particle semi-implicit (MPS) method. In contrast to previous studies, gas generation was simulated by calculating the force balance of the bubbles in the liquid pool in order to investigate its influence on the ablation behavior. Moreover, chemical reaction was modeled by calculating the heat release from the redox reaction between the corium and melted concrete during the erosion process. CCI-2 and CCI-3 tests were simulated by applying this code to study the aspects that may affect the ablation profile with different concrete types. The simulation result generally matches the experimental results on both axial and radial ablation rates. Application of the gas release and chemical reaction model suggested that one possible reason for the anisotropic ablation profile observed in the siliceous concrete tests is the heat transfer enhancement near the sidewall from the gas release and chemical reaction. In contrast, the test using limestone-rich concrete generated an isotropic ablation profile because axial ablation was also enhanced by the large gas discharge from the bottom concrete. In addition to the ablation profile, the crust formation and concrete-corium interface profile at the bottom in the CCI-3 test were reproduced with the help of the proposed models.