Steam Explosion Simulation Code JASMINE v.3 User's Guide; Revised for code version 3.3c

岩澤 譲; 松本 俊慶; 森山 清史*

JAEA-Data/Code 2025-001, 199 Pages, 2025/06

JAEA-Data-Code-2025-001.pdf:9.71MB

水蒸気爆発では、揮発性を有する低温の液体に高温の液体が接触した場合に高温の液体から低温の液体への急激な熱伝達により、高温の液体の細粒化と低温の液体の爆発的な相変化が連鎖的に発生する。爆発的な相変化により発生する衝撃波は低温の液体の内部を伝播する。衝撃波の伝播に伴い高温の液体と低温の液体の混合物が膨張することにより、周囲に存在する構造体に機械的な負荷を与える可能性がある。軽水炉のシビアアクシデントでは、原子炉格納容器へ移行した溶融炉心(溶融物)と冷却水との相互作用に起因して発生する水蒸気爆発が原子炉格納容器の健全性に対する脅威となることが想定される。このことから、水蒸気爆発の発生が周囲に存在する構造体へ与える機械的な負荷を評価することが安全評価の観点から重要となる。原子力機構では、実際の原子炉にて発生した水蒸気爆発が周囲に存在する構造体へ与える機械的な負荷を評価することを目的としてJASMINEコードを開発した。機構論的な手法を取り入れることにより、JASMINEコードは水蒸気爆発を数値解析上で取り扱うことができる。本書はJASMINEコードに採用されている基礎方程式、数値解法及び数値解析例を記載した取扱説明書である。本書に記載した数値解析例を参照することにより、JASMINEコードによる数値解析で得られた結果を検証できるように配慮した。入力条件の作成方法、コードの実行手順及び補助ツールの使用方法を記載することにより、JASMINEコードを用いた数値解析を実践できるよう配慮した。本書は「水蒸気爆発解析コードJASMINE v.3ユーザーズガイド(JAEA-Data/Code 2008-014)」の改訂版である。公開されているJASMINE 3.3bの軽微な不具合の修正に加えて、UNIX 系システムで広く使用されているGNU コンパイラー等に適合するための修正を施した最新版を JASMINE 3.3cとした。改訂版は、新規に公開される JASMINE 3.3cによる数値解析の結果に基づき作成されているために、掲載されている数値解析の結果を再現できる。数値解析の実施に際しては、既存研究により提案されている調整係数の決定方法を採用した。

Insights from review and analysis of the Fukushima Dai-ichi accident

平野 雅司; 与能本 泰介; 石垣 将宏; 渡邉 憲夫; 丸山 結; 柴本 泰照; 渡辺 正; 森山 清史

Journal of Nuclear Science and Technology, 49(1), p.1 - 17, 2012/01

https://doi.org/10.1080/18811248.2011.636538

2011年3月11日、東日本大震災及び津波が福島第一原子力発電所を襲った。多くの努力が事故の原因とその結果生じた被害を解明するために続けられているが、事故で何が生じ、なぜ発生したかについて未だに明らかにすべきことが残されている。本論文では、東京電力及び政府機関から発表されている情報の検証及び解析を通じて、福島第一原発1号機から3号機での事故進展について、明らかにすべきことを特定することを目的とする。また、合理的に達成可能な最高基準の安全への枠組を構築することに貢献するため、得られた知見に基づき、この事故により生じた安全性に関する問題についても議論する。

Experiment and modeling for solvent leaching from paint matrix considering equilibrium

森山 清史; 千葉 慎哲; 田代 信介; 丸山 結; 中村 秀夫; 渡部 厚*

Journal of Nuclear Science and Technology, 48(6), p.885 - 891, 2011/06

https://doi.org/10.3327/jnst.48.885

エポキシ系塗料に残存する溶媒が水中に浸漬したときに溶出する挙動について実験を行い、塗膜と水中における濃度の平衡を考慮した速度論モデルを開発した。モデルに含まれる3つのパラメータ、平衡定数,溶出速度、及び塗膜内初期残存濃度を実験結果に基づいて評価し、これらに関する実験式を得た。モデルによる計算は、実験で得られた溶出量の時系列変化データと定性的にも定量的にもよく一致し、さらに、Ballら(2003)によるデータとも整合性を示した。

BWR4/Mark-Iプラントのヨウ素化学挙動を考慮した格納容器内ソースターム評価に係わる検討

石川 淳; 森山 清史

JAEA-Research 2010-051, 42 Pages, 2011/02

JAEA-Research-2010-051.pdf:1.36MB

シビアアクシデント晩期では、事故初期段階において圧力抑制プール水中に溶解していたヨウ素が放射線場での化学反応によりガス状ヨウ素として雰囲気に再放出される可能性がある。本検討では、ガス状ヨウ素の再放出によるソースタームへの影響を把握することを目的に、シビアアクシデント解析コードTHALES2とヨウ素化学解析コードKicheの連携解析手法を整備した。次に、本手法を用いてBWR4/Mark-Iプラントの代表的な4つの事故終息シナリオを対象に格納容器内環境の検討とソースターム評価を実施し、ヨウ素化学反応のソースタームへの影響について検討した。これより、シビアアクシデント晩期のガス状ヨウ素の雰囲気への再放出は、事故シーケンスの違いによる影響は小さいが、pHの影響を大きく受けること、雰囲気へのIの再放出割合(対初期炉内内蔵量)は、pH=5/7/9でそれぞれ10から10、10及び10程度となり、pHが低いほど再放出割合が増加する結果となった。

Experiments on the release of gaseous iodine from -irradiated aqueous CsI solution and influence of oxygen and Methyl Isobutyl Ketone (MIBK)

森山 清史; 田代 信介; 千葉 慎哲; 平山 文夫*; 丸山 結; 中村 秀夫; 渡部 厚*

Journal of Nuclear Science and Technology, 47(3), p.229 - 237, 2010/03

https://doi.org/10.3327/jnst.47.229

放射線化学的効果による揮発性ヨウ素の発生は、軽水炉シビアアクシデント時のソースターム評価において重要な不確かさ要因の一つである。メチルイソブチルケトン(MIBK)を含むCsI水溶液(1E-4M)の線照射(約7kGy/h,2時間)による気相への分子状ヨウ素及び有機ヨウ素放出に関する実験を行った。溶液は緩衝剤によりpH7とし、パラメータとしてMIBK濃度(最大1E-3M)及び雰囲気の酸素濃度を変化させた。照射終了時の全ヨウ素放出量及び有機ヨウ素放出量は初期全量に対し各々2-47%, 0.02-1.5%であり、同一雰囲気の元ではMIBK濃度が増加すると全ヨウ素放出量は減少、有機ヨウ素放出量は増加する傾向が見られた。この挙動は酸素の有無による有機物の放射線分解過程の分岐と、ラジカルの消費に関するヨウ素と有機物の競合により説明できる。

Steam explosion simulation code JASMINE v.3 user's guide

森山 清史; 丸山 結; 中村 秀夫

JAEA-Data/Code 2008-014, 118 Pages, 2008/07

JAEA-Data-Code-2008-014.pdf:26.37MB

水蒸気爆発は、高温の液体が低温かつ揮発性の液体に接触するとき、高温液体の細粒化により急激な伝熱と蒸気発生が生じ、衝撃波や破壊力をもたらす現象である。軽水炉シビアアクシデント時の炉心融体と冷却水の接触による水蒸気爆発は格納容器健全性への脅威となり得る現象として重要視されてきた。著者らは水蒸気爆発の機構論的シミュレーションコードJASMINEを開発した。JASMINEは実機規模の水蒸気爆発負荷の評価に適用可能なコードである。本報告書は、JASMINEコードのユーザーのためのマニュアルとして、モデル,数値解法,コードの検証のための計算,その他の計算例、及び、実際的なコード使用に必要な入力データ作成と計算の実行方法等について解説したものである。

Analytical tool development for coarse break-up of a molten jet in a deep water pool

森山 清史; 中村 秀夫; 丸山 結*

Nuclear Engineering and Design, 236(19-21), p.2010 - 2025, 2006/10

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2006.03.027

軽水炉シビアアクシデント時における溶融炉心/冷却材相互作用(FCI)の粗混合過程及びデブリベッド形成過程を解析的に評価するため、FCI粗混合解析コードJASMINE-preを開発した。JASMINE-preは融体ジェット,融体粒子,融体プールの3成分からなる融体モデルを、二相流解析モデルと連成したものである。二相流モデルは原研で開発されたACE-3Dコードに基づくものである。融体ジェット及び融体プールモデルは各々水中を流下する溶融炉心と底部で塊状になった融体を一次元で表したものであり、融体粒子モデルではラグランジュ的なグループ粒子の概念を用いている。また、簡易的なモデルとして、静止水中における粒子の生成と沈降・冷却のみを考慮したコード「pmjet」を開発した。これらのモデルを用いて、コリウム融体の冷却実験であるFARO実験のうち、水プールが飽和温度の場合と高サブクール条件の場合のシミュレーションを行った。JASMINE-preによる計算結果は、圧力上昇及び融体分裂について実験とおおむね一致した。また、計算結果より、粗混合領域内の溶融状態のコリウム質量は、定常的な融体ジェット分裂のもとでほとんど一定に保たれることがわかった。さらに、この粗混合融体量の計算結果について、JASMINE-preとpmjetの間でよい一致が見られた。

ROAAM法の適用によるBWRのモード格納容器破損確率の評価に関する研究

真弓 正美; 森山 清史; 村松 健

JAEA-Research 2006-022, 94 Pages, 2006/03

JAEA-Research-2006-022.pdf:5.35MB

PSAでは、環境への放射性物質の早期大量放出寄与因子として、炉内水蒸気爆発による格納容器破損(モード格納容器破損)の発生頻度を現象の不確実さも含めて評価することが重要とされ、また不確実さのある現象の発生頻度評価の有用な方法論としてROAAM法が近年提案されている。本研究はこれまで評価例の少ないBWRのモード格納容器破損を対象にROAAM法による適用方法を検討し不確実さ解析を含む破損確率の評価を実施した。本解析により、ROAAM法の適用性及び各物理変数の分布情報を得ることを確認し、格納容器破損確率として95%値,97.5%値、及び期待値(平均値)それぞれ3.210, 0.03、及び0.012(いずれも爆発発生の条件付き)という評価を得た。また各物理過程のエネルギーの分布をCCDF(補累積分布関数)の曲線としまとめて表示することにより事象全体の把握が容易になることを確認した。

Coarse break-up of a stream of oxide and steel melt in a water pool (Contract research)

森山 清史; 丸山 結; 宇佐美 力*; 中村 秀夫

JAERI-Research 2005-017, 173 Pages, 2005/08

JAERI-Research-2005-017.pdf:11.17MB

水プール中における融体ジェットの分裂は、軽水炉シビアアクシデント時における水蒸気爆発の粗混合過程及びデブリ冷却性に関連する重要な現象である。高温の酸化物及び鋼材の融体ジェットの水プール中における分裂挙動に関する実験を行った。目的は、ジェット分裂長さ及び分裂によって生じる融体液滴のサイズ分布,これらに対する融体物性の影響に関するデータを得ることである。また、融体ジェット分裂機構の検討に有用な、融体ジェットを取り巻く蒸気カラムの流れの強さや、これと融体液滴サイズの関係に関するデータの取得を試みた。実験では酸化ジルコニウム・酸化アルミニウム混合物とステンレス鋼の融体ジェット(水面で直径17mm,速度7.8m/s)を深さ2.1m又は0.6mで種々のサブクール度を持つ水プールに落下させた。 本実験の結果及び既存の実験データを用いた検討により、融体ジェット分裂長さ,融体ジェットが完全に分裂しない浅いプールの場合の分裂割合、及び、ジェット分裂によって生じる融体液滴サイズに関する相関式を得た。

Evaluation of ex-vessel steam explosion induced containment failure probability for Japanese BWR

森山 清史; 高木 誠司; 村松 健; 中村 秀夫; 丸山 結

Proceedings of 2005 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP '05) (CD-ROM), 9 Pages, 2005/05

BWR Mk-II型モデルプラントにおける炉外水蒸気爆発による格納容器破損確率を評価した。評価対象シナリオは圧力抑制プール及びペデスタルにおける水蒸気爆発である。水蒸気爆発による負荷の確率分布を評価するために、ラテン超方格サンプリング(LHS)による確率論的手法を用い、その中で水蒸気爆発解析コードJASMINEを物理モデルとして使用した。水蒸気爆発による負荷と格納容器破損確率を関連付けるフラジリティカーブは、格納容器破損に至るシナリオについて簡略な仮定をおいて評価した。得られた条件付格納容器破損確率(水蒸気爆発発生あたり)の平均値は圧力抑制プールにつき6.410、ペデスタルにつき2.210である。なお、これらは仮定した入力パラメータの範囲及び、保守的な簡略化により与えたフラジリティカーブに依存するものであることに留意する必要がある。