原子力における水素安全対策高度化ハンドブック(第2版); 水素挙動統合解析システムの構築とPWR実機への活用について

寺田 敦彦; Thwe Thwe, A.; 日野 竜太郎*

JAEA-Review 2024-049, 400 Pages, 2025/03

JAEA-Review-2024-049.pdf:13.94MB

福島第一原子力発電所(1F)事故における水素爆発を鑑みて、原子力技術者が理解しておくべき水素安全技術の先端を示しつつ、原子力技術者に協力すべき燃焼、爆発専門家向けに原子力における水素安全の要点を示し、事故後廃棄物管理までを視野に入れて放射線分解水素に関する情報を加えた「原子力における水素安全対策高度化ハンドブック(第1版)」を2017年に刊行した。その後、水素安全対策の合理的な高度化や水素安全評価のさらなる信頼性の向上に向けて、原子力事故の解析に一般的に用いられている集中定数系(LP)コードを補完するうえで、原子炉格納容器(CV)内での局所的な水素濃度上昇の影響、着火後の火炎伝播加速による安全機器の健全性、水素処理対策の妥当性等をより精緻、かつ定量的に評価できる数値流体力学(CFD)解析への期待が高まっている。これは、さらなる水素挙動や爆発燃焼に対する安全性の向上を図ることが必要とされていることにもよる。そこで、加圧水型原子炉(PWR)を対象に、シビアアクシデント(SA)時の水素拡散から爆発燃焼、それによるCV及びCV内の安全機器への影響評価までを解析するCFDによる水素挙動統合解析システムを構築・整備してきた。ここで得られたSA安全対策、それによる水素安全向上、安全対策を踏まえた水素発生事故に対する安全性評価などについて、LP及びCFD解析の役割や活用例を本「原子力における水素安全対策高度化ハンドブック(第2版)」にまとめた。ハンドブックに記載した実機サイズの解析結果は解析モデル等を既存の代表的な小型、中型、大型試験による照合解析で確認した。

Instability phenomena of lean hydrogen/oxygen/inert-gas premixed flames on a flat burner

勝身 俊之; Thwe Thwe, A.; 門脇 敏

Journal of Visualization, 25(5), p.1075 - 1083, 2022/10

https://doi.org/10.1007/s12650-022-00844-9

希薄燃焼と不活性ガス添加は、水素予混合火炎の燃焼速度を制御するのに有用であり、固有不安定により希薄水素火炎の前面にセル状構造が形成されることはよく知られている。しかし、希薄水素予混合火炎の不安定現象に対する不活性ガス添加の影響は十分に理解されていないため、火炎の不安定性を実験的に調査する必要がある。実験では、不安定現象の特性を解明するために、フラットバーナー上の水素/酸素/不活性ガス(Ar, N, CO)予混合火炎のセル状構造と変動を、直接観察,レーザー診断および発光強度を使用して取得した。その結果、不活性ガス添加量,当量比,総流量とセル状火炎の特性との相関関係が明らかになり、これらのパラメータが火炎の不安定性に及ぼす影響が議論された。

断熱・非断熱条件下における水素-空気希薄予混合火炎の不安定挙動に及ぼす水蒸気添加の効果

古山 大誠*; Thwe Thwe, A.; 勝身 俊之; 小林 秀昭*; 門脇 敏

日本機械学会論文集(インターネット), 87(898), p.21-00107_1 - 21-00107_12, 2021/06

https://doi.org/10.1299/transjsme.21-00107

断熱および非断熱条件下での水素-空気希薄予混合火炎の不安定挙動に及ぼす蒸気添加の影響を数値計算的に調査した。8つの活性種と希釈剤の17の可逆反応でモデル化された水素-酸素燃焼の詳細な化学反応メカニズムを採用し、圧縮性ナビエ・ストークス方程式に基づいて、2次元の非定常反応流が処理された。蒸気の追加と熱損失が増加すると共に平面火炎の伝播速度は減少した。水蒸気濃度の増加と共に、標準化したセル状火炎の燃焼速度は増大し、熱損失が存在する場合、標準化したセル状火炎の燃焼速度は、断熱の場合より大きくなった。水蒸気添加により、水素-空気希薄予混合火炎の不安定挙動はプロモートされる。これは、ガスの熱拡散率が減少し、拡散-熱的不安定性が強くなるからである。水素予混合火炎の不安定性に及ぼす水蒸気添加の効果は新たな知見であり、原子力発電所などにおける水素防爆対策に繋がることが期待される。

Effects of pressure and heat loss on the unstable motion of cellular-flame fronts caused by intrinsic instability in hydrogen-air lean premixed flames

門脇 敏; Thwe Thwe, A.; 古山 大誠*; 河田 一正*; 勝身 俊之; 小林 秀昭*

Journal of Thermal Science and Technology (Internet), 16(2), p.20-00491_1 - 20-00491_12, 2021/00

https://doi.org/10.1299/jtst.2021jtst0021

水素-空気予混合火炎の固有不安定により生じるセル状火炎面の不安定運動に及ぼす圧力と熱損失の影響を数値的に調査するために、水素-酸素燃焼の反応機構を採用し、8つの活性種と希釈剤の17の可逆反応をモデル化した。二次元非定常反応流れの基礎方程式が処理され、圧縮率,粘度,熱伝導,分子拡散、および熱損失が考慮された。圧力が高くなると、最大成長率が増加し、不安定な範囲が広がった。これらは主に火炎の厚さの減少によるものだった。圧力が高く、熱損失が大きくなると共に平面火炎の燃焼速度で標準化したセル状火炎の燃焼速度は増加した。これは、圧力と熱損失が細胞炎面の不安定な動きに強く影響したことを示している。また、フラクタル次元が大きくなり、炎の形状が複雑になったことを示している。

Preliminary combustion analyses using OpenFOAM

Thwe Thwe, A.; 寺田 敦彦; 日野 竜太郎

JAEA-Technology 2018-012, 45 Pages, 2019/01

JAEA-Technology-2018-012.pdf:4.34MB

原子力発電所に関連するシビアインシデントや製造工程のリスク以外に、原子力廃棄物のリスクも社会を脅かす可能性がある。低レベル及び高レベルの放射性廃棄物を含む核廃棄物の長期保管下では、金属廃棄物の腐食や容器壁自体の腐食及び廃棄物中の水の放射線分解により水素が自発的に発生する。そこで、水素安全及び環境汚染のリスク低減のために、放射性廃棄物容器における水素燃焼爆発の挙動と特性を調べることとした。本報告書では、OpenFOAMを適用し、簡易コンテナー内におけるメタン燃焼の温度, 速度と二酸化炭素分布を調べる数値解析シミュレーションを行った。燃焼シ解析では、LESフレームを備えているFireFoamソルバーを使用した。結果として、容器の高さ及び流入口のサイズが大きくなるとともに平均温度が上昇することが分かった。一方、FireFoamソルバーで行ったメタン、水素及びヘリウムの拡散挙動シミュレーションから、メタンや水素よりもヘリウムのほうが速く拡散することが明らかにした。XiFoamソルバーを利用することにより、化学量論的条件下で立方体燃焼容器における水素空気予混合火炎の火炎伝播半径が得られた。

Approach to analysis of hydrogen combustion inside of radioactive waste vessels using CFD softwares based on an open source "OpenFOAM"

Thwe Thwe, A.; 寺田 敦彦; 日野 竜太郎

no journal, , 

高レベル放射性含水廃棄物容器中に水素が継続的に発生しているので、水素の燃焼と爆発の危険性について注意する必要がある。水素安全管理においては、実験的な研究に加え、火炎伝播現象の予測におけるCFDアプローチは重要な役割を果たしている。そこで、放射性廃棄物容器中の水素燃焼へのアプローチとして、オープンソースソフトウェア、OpenFOAMを用いて、水素-空気予混合火炎伝播シミュレーションを行った。勝身ら[長岡技術科学大学]による水素-空気爆発実験から導き出された新しい層流火炎速度モデルをXiFoamソルバーに実装したシミュレーションでは、実験と同じく火炎が外側に広がったときにしわ状火炎が形成され、シミュレーションから得られた球状火炎半径は実験結果と0.005秒以内の差でよく一致した。

燃料デブリの収納・移送・保管技術の開発,2; 粉状燃料デブリ取り扱い時の水素挙動の評価・考察

永石 隆二; 寺田 敦彦; Thwe Thwe, A.; 伊藤 辰也

no journal, , 

燃料デブリの収納・移送・保管技術の開発では、これまで塊状デブリに対する水素(H)発生量評価手法の開発が進められてきたが、現在、粉状デブリに対する開発を進めている。その粉状デブリは、取り出し時のデブリの切削加工時等で発生して、一部は細砂サイズ(0.1mm)未満で、液相系で回収される。このような高LET放射線()の透過距離に近い小さな粒径と、高い比表面積を有する粉状デブリの場合、塊状デブリの場合と異なるHの挙動が予測される。本報告では、粉状デブリでの水の放射線分解で発生するHの挙動の評価・考察について紹介する。

燃料デブリの収納・移送・保管技術の開発,3; 酸化物粉末上に吸着した水の解析的な吸収線量評価

Thwe Thwe, A.; 永石 隆二; 伊藤 辰也; 寺田 敦彦

no journal, , 

燃料デブリの収納・移送・保管技術の開発では、これまで塊状デブリに対する水素(H)発生量評価手法の開発が進められてきたが、現在、粉状デブリに対する開発を進めている。ここで、粉状デブリに水が吸着した場合、これが低LET放射線のガンマ線に照射されると、デブリ上の水には、ガンマ線のエネルギーが直接付与されるだけでなく、デブリに付与されたエネルギーが間接的に与えられるとの示唆が、二酸化ウラン等の酸化物粉末の研究で報告されている。したがって、この場合、水の放射線分解によるH発生量の顕著な増加が危惧される。しかし、この場合の水に与えられるトータルのエネルギーは評価されておらず、H発生量の増加の明確な評価・予測には至っていない。そこで、本研究では、報告にある酸化物粉末上に吸着した水の(吸収)線量の評価をJAEA等で開発した放射線輸送解析(PHITS)によって試みた。

燃料デブリの収納・移送・保管技術の開発,6; 酸化物粉末の懸濁水中の粘性発現に関する考察

永石 隆二; 寺田 敦彦; 伊藤 辰也; Thwe Thwe, A.

no journal, , 

燃料デブリの収納・移送・保管技術の開発では、これまで塊状デブリに対する水素(H)発生量評価手法の開発が進められてきたが、現在、粉状デブリに対する開発を進めている。ここで、デブリの模擬としてセリアやジルコニアの酸化物を用いて、その粉末の懸濁水中の水の放射線分解に伴うH発生に関する実験を行っている。この懸濁水の粘性は酸化物粉末の粒子サイズや水中の濃度に依存するが、それだけでは決まらない。この粘性発現のメカニズムを把握することは、懸濁水中に保持されたH気泡(Hだまり)を評価・予測する上で重要である。そこで、本研究では、物性分析や照射実験のデータから、懸濁水の粘度特性に及ぼす水中の酸化物表面上の帯電(pH依存)や水分子吸着の影響について議論した。

燃料デブリ等保管容器中での水素拡散・燃焼解析の取り組み

寺田 敦彦; Thwe Thwe, A.; 日野 竜太郎; 永石 隆二

no journal, , 

福島第一原子力発電所廃炉時に発生する燃料デブリ等の放射性廃棄物の長期保管時の水素安全管理技術に資するため、水素の拡散・燃焼挙動を解析する数値流体力学(CFD)コードの整備を、保管容器中で想定される水蒸気等の不活性ガス雰囲気を考慮しながら進めている。本報では、水蒸気が及ぼす水素拡散や燃焼特性への影響を考慮した水素拡散及び燃焼の試解析結果を報告する。水素の拡散では、OECD/NEA ISP47のTOSQAN試験条件に沿って装置をモデル化して計算を試みたが、モデルによって計算結果が実験値と異なることを見いだした。また、水素の燃焼では、OECD/NEA ISP49のHD22試験条件に沿って計算を試みた結果、概ね実験結果を再現した。