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。

The Effects of addition of carbon dioxide and water vapor on the dynamic behavior of spherically expanding hydrogen/air premixed flames

勝身 俊之; 吉田 康人*; 中川 燎*; 矢澤 慎也*; 熊田 正志*; 佐藤 大輔*; Thwe Thwe, A.; Chaumeix, N.*; 門脇 敏

Journal of Thermal Science and Technology (Internet), 16(2), p.21-00044_1 - 21-00044_13, 2021/00

https://doi.org/10.1299/jtst.2021jtst0026

水素/空気予混合火炎の動的挙動の特性に及ぼす二酸化炭素と水蒸気の添加の影響を実験的に解明した。シュリーレン画像により、火炎面の凹凸が低い当量比で明瞭に観察された。火炎半径が大きくなると共に伝播速度は単調に増加し、火炎面の凹凸の形成に起因する火炎加速が生じた。不活性ガスの添加量を増やすと、特にCO添加の場合、伝播速度が低下した。さらに、マークスタインの長さと凹凸係数が減少した。これは、COまたはHOの添加が水素火炎の不安定な動きを促進したことを示してあり、拡散熱効果の強化が原因であると考えられる。水素火炎の動的挙動の特性に基づいて、火炎加速を含む伝播速度の数学モデルで使用されるパラメータが得られ、その後、さまざまな条件下での火炎伝播速度が予測された。

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。

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,8; 粉状デブリの吸着水・懸濁水での線の影響に関する考察

永石 隆二; 伊藤 辰也; Thwe Thwe, A.; 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行われてきたが、現在、粉状デブリに対する開発を進めている。デブリは・・線といった複数の線種の放射線を放出する(複合照射場)。それが粉状になると、透過性が劣る線もそれから連続エネルギー(LET)で放出されて、その外部に存在する水をLETに応じて分解する(LET効果)。さらに、この線による分解が・線による分解に物理・化学的に影響して、それらのHのプライマリG値や発生(観測)G値が、単独照射の場合から変わる可能性がある。本報告では、1Fでの線種毎の放射能・崩壊熱、固体粉末からの放出線、酸化物粉末の懸濁水といった、これまでの研究成果をベースに、粉状デブリの吸着水・懸濁水でのこれら線の影響について考察した。

燃料デブリの収納・移送・保管技術の開発,4; 酸化物粉末の懸濁水からの水素発生の試料高さ依存性の測定

伊藤 辰也; 永石 隆二; Thwe Thwe, A.; 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、粉状デブリが水中に懸濁した場合、デブリ中の放射線物質からの放射線によって水が分解してHを生成するが、このHが粉状デブリの懸濁水から放出して観測されたH発生量は、懸濁水にH気泡が保持されること(Hだまり)に伴い、その懸濁水試料の高さに依存することが予想される。この依存性を明らかにすることは、粉状デブリの収納や保管におけるH発生やHだまりといったH安全管理を実現する上で重要である。そこで、本研究では、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、酸化物粉末の懸濁水からの水素発生の試料高さ依存性を線照射実験で測定して、これを水の放射線分解の液深効果と比較した。

Effects of mesh size on wrinkle behavior of H-air premixed flame inside of a vessel; Numerical simulations by using XiFoam

Thwe Thwe, A.; 寺田 敦彦; 日野 竜太郎; 門脇 敏

no journal, , 

高レベル放射性廃棄物容器内の水の放射線分解により発生する水素の燃焼と爆発の危険性を減らすためには水素燃焼現象および特性を理解する必要があり、そのためにCFDは重要な役割を果たしている。本研究では、勝身ら[長岡技術科学大学]による水素-空気爆発実験から推定された新しい層流火炎速度モデルをオープンソースコードXiFoamソルバーに実装して、解析格子サイズ(2mm0.625mm)によるしわ状火炎への影響を明らかにするために、水素-空気予混合火炎伝播シミュレーションを行った。その結果、格子サイズを1mm以下とすることで、着火から0.003秒から0.006秒までは火炎温度と火炎半径はほぼ同じであることと、0.006秒以降で火炎に固有不安定性効果による温度, 伝播速度の加速効果が現れることがわかった。解析格子サイズが小さくなると、点火領域の格子点数の増加とともに火炎温度が上昇して火炎半径も大きく、実験と同様な、しわ状火炎面を確認できるようになった。

密閉容器内における水素-空気希薄予混合気の燃焼特性に及ぼす窒素添加の効果

Thwe Thwe, A.; 門脇 敏; 勝身 俊之

no journal, , 

密閉容器内における水素-空気希薄予混合火炎の燃焼特性に及ぼす窒素添加の影響を調べるため、実験を行った。球状に伝播する予混合火炎の挙動を高速シュリーレン法で撮影し、火炎半径と伝播速度を測定した。火炎半径が十分に小さい場合、滑らかな火炎面が観察された。一方、火炎半径が大きい場合、予混合火炎の固有不安定性により、セル状の火炎面が形成された。セル状の火炎面の形成により火炎伝播速度が増加し、その後、火炎加速が発現した。予混合火炎に窒素を添加すると、固有不安定性が強くなり、火炎面のセル形状が顕著になった。密閉容器内の最高圧力は窒素添加時に低下し、水素爆発が抑制されたことが示された。また、実験の最高圧力は断熱条件下での計算値よりも低かったが、これは密閉容器内のガスから容器壁への熱損失によるものと考えられる。水素-空気希薄予混合物の燃焼特性は窒素添加によって大きく影響されました。