RPV下部構造破損・炉内物質流出挙動のMPS法による予測(委託研究)

Prediction of RPV lower structure failure and core material relocation behavior with MPS method (Contract research)

吉川 信治 ; 山路 哲史*

Yoshikawa, Shinji; Yamaji, Akifumi*

福島第一原子力発電所2号機、3号機では、原子炉圧力容器(RPV)が破損し、炉心物質の一部(制御棒駆動機構(CRD)配管部品や燃料集合体上部タイプレート等)がペデスタル領域へと移行していることが確認されているが、沸騰水型軽水炉(BWR)ではRPV下部ヘッド及びその上下に複雑な炉心支持構造やCRDが設置されており、炉心物質のペデスタルへの移行挙動もまた複雑なものになっているものと推定される。BWRの複雑なRPV下部構造における炉心物質の移行挙動の概略特性把握には複雑な界面変化と移行を機構論的に解くことのできるMPS法の適用が有効である。本研究では、MPS法による福島第一原子力発電所2号機、3号機のRPVアブレーション解析のために、令和元年度は剛体モデル、並列化、計算タイムステップ効率化手法を開発し、令和2年度はMPS法の圧力壁境界条件の改良、剛体計算の安定化、デブリベッドの溶融過程の解析コスト低減のための計算アルゴリズムの改良を行った。これらの改良により、RPV下部プレナムに堆積した固体デブリが溶融しながらリロケーション再配置する過程を様々なケースについて実用的な計算コストで感度解析できるようになった。また、2号機及び3号機の解析の結果、下部プレナムで冷え固まったデブリの性状(粒子状/塊状)や堆積分布(成層化の程度)は、その後のデブリベッド再昇温及び部分溶融に要する時間と溶融プール形成に大きく影響し、RPV下部ヘッドの破損挙動や燃料デブリの流出挙動に影響することが明らかになった。

In Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (referred to as "FDNPS" hereafter) unit2 and unit3, failure of the reactor pressure vessel (RPV) and relocation of some core materials (CRD piping elements and upper tie plate, etc.) to the pedestal region have been confirmed. In boiling water reactors (BWRs), complicated core support structures and control rod drive mechanisms are installed in the RPV lower head and its upper and lower regions, so that the relocation behavior of core materials to pedestal region is expected to be also complicated. The Moving Particle Semi-implicit (MPS) method is expected to be effective in overviewing the relocation behavior of core materials in complicated RPV lower structure of BWRs, because of its Lagrangian nature in tracking complex interfaces. In this study, for the purpose of RPV ablation analysis of FDNPS unit2 and unit3, rigid body model, parallelization method and improved calculation time step control method were developed in FY 2019 and improvement of pressure boundary condition treatment, stabilization of rigid body model, and calculation cost reduction of debris bed melting simulation were achieved in FY2020. These improvements enabled sensitivity analyses of melting, relocation and re-distribution behavior of deposited solid debris in RPV lower head on various cases, within practical calculation cost. As a result of the analyses of FDNPS unit2 and unit3, it was revealed that aspect (particles/ingots) and distribution (degree of stratification) of solidified debris in lower plenum have a great impact on the elapsed time of the following debris reheat and partial melting and on molten pool formation process, further influencing RPV lower head failure behavior and fuel debris discharging behavior.