令和6年度大型計算機システム利用による研究成果報告集

システム計算科学センター 高性能計算技術利用推進室

JAEA-Review 2025-044, 140 Pages, 2026/01

JAEA-Review-2025-044.pdf:8.77MB

日本原子力研究開発機構では、原子力の総合的研究開発機関として原子力に係わるさまざまな分野の研究開発を行っており、これらの研究開発の多くにおいて計算科学技術が活用されている。日本原子力研究開発機構における計算科学技術を活用した研究開発の論文発表は、過去十数年にわたり、毎年度、全体の約2割を占めている。大型計算機システムはこの計算科学技術を支える重要なインフラとなっている。大型計算機システムは、第4期中長期計画にて重点化して取り組むとされた「安全性向上等の革新的技術開発によるカーボンニュートラルへの貢献」、「原子力科学技術に係る多様な研究開発の推進によるイノベーションの創出」、「東京電力福島第一原子力発電所事故の対処に係わる研究開発の推進」、「高レベル放射性廃棄物の処理処分に関する技術開発の着実な実施」、「原子力安全規制行政及び原子力防災に対する支援とそのための安全研究の推進」等の研究開発活動に利用された。本報告は、令和6年度における大型計算機システムを利用した研究開発の成果を中心に、それを支える利用支援、利用実績、システムの概要等をまとめたものである。

簡易粘弾性評価モデルを用いた炉内黒鉛構造物の応力挙動の解析的検討

西條 友章; 島崎 洋祐; 石原 正博

JAEA-Technology 2025-010, 126 Pages, 2025/12

JAEA-Technology-2025-010.pdf:12.52MB

HTTR(高温工学試験研究炉)の運転中には、黒鉛構造物に熱応力が発生する。また、黒鉛材料は中性子照射により収縮挙動を示すとともに、クリープ現象が発生するため、原子炉停止時には黒鉛構造物に残留応力が発生する。そこで、HTTR炉心黒鉛構造物の設計においては、有限要素法応力解析コード「VIENUS」を用いた黒鉛構造物の応力解析を行ってきた。HTTRの黒鉛構造物は配置場所によって照射される温度域が400Cから1200Cと大きく異なるため、材料物性値や照射収縮などの照射挙動も黒鉛構造物ごとに異なる。一方、VIENUSコードは熱流動・熱伝導解析結果を解析条件として入力し応力を評価する解析コードであるため、温度条件や材料物性値をパラメータとした検討には向かない。そこで、本報告書ではVIENUSコードよりもパラメータスタディを効率的に実施できる2本のはり要素からなる簡易粘弾性評価モデルを用いて、400Cから1200Cの温度域にある黒鉛構造物の照射挙動が応力挙動に与える影響を解析し、運転時応力は黒鉛構造物の照射収縮の影響により、照射温度800Cを境に2つの異なる挙動を示すことを明らかにした。また、原子炉停止時の残留応力は熱応力に漸近するため、照射収縮が大きくなった場合でも過度に大きくならないことがわかった。さらに、簡易粘弾性評価モデルとVIENUSの応力解析結果を比較した結果、応力挙動の傾向が一致し、簡易粘弾性評価モデルは応力挙動の把握に有用であることが明らかとなった。

幌延深地層研究センターの深度500mの調査坑道を対象とした掘削損傷領域の事前予測

青柳 和平; 田村 友識; 尾崎 裕介; 石井 英一; 本島 貴之*; 菅原 健太郎*

第51回岩盤力学に関するシンポジウム講演論文集(インターネット), p.119 - 124, 2025/12

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、処分場設計や施工時の坑道や処分孔の掘削可否の判断根拠として、坑道掘削時に生じる掘削損傷領域(EDZ)の発達状況を把握することが重要である。本研究では、幌延深地層研究センターで現在掘削中の深度500mの双設坑道を対象として、三次元で掘削の進捗を再現した水理・力学連成解析によりEDZの発達と吹付けコンクリートに作用する応力や坑道の変位を予測した。結果として、EDZは坑道側壁面において約1.52.0mの範囲で発達すると予測した。また、吹付けコンクリートに作用する応力は、設計規準強度より計算される終局限界よりも小さく、変位も小さいことから、支保の安定性も見込めることを予測した。

Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant Unit 2 Accident analysis considering the thermal stratification and containment leakage

中村 勇気*; 小島 良洋*; 山下 拓哉; 下村 健太; 溝上 伸也

Journal of Nuclear Science and Technology, 62(12), p.1226 - 1230, 2025/12

https://doi.org/10.1080/00223131.2025.2570371

In 2011, at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (FDNPP) accident, it has been reported that several Units of containment vessel had failed, and large quantity of radionuclides had been released into the environment, however, the detail of accident progression with core melt, reactor and containment vessel failure, has still large uncertainties. Especially for the Unit 2 and Unit 3, even they had succeeded in the initial core cooling, at last lost cooling system and fell into severe accident into large release of the fission product into the environment. To clarify these uncertainties in accident scenario, considering the latest information and several insights, the latest accident scenario for Unit 2 and Unit 3 are studied using the severe accident analysis code in this study. It is shown that both Units would result in the thermal stratification in the containment water which encouraged the containment pressure increase at the early phase of the accident. On the other hand, it would be also possible that containment leakage happened to decrease the containment pressure at the later phase of the accident.

無線UWBとカメラ画像分析を組合せたリアルタイム3D位置測位・組込システムの開発・評価(委託研究); 令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 東海国立大学機構*

JAEA-Review 2025-023, 63 Pages, 2025/11

JAEA-Review-2025-023.pdf:5.74MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という。)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、令和4年度に採択された研究課題のうち、「無線UWBとカメラ画像分析を組合せたリアルタイム3D位置測位・組込システムの開発・評価」の令和5年度分の研究成果について取りまとめたものである。本研究は、原子炉建屋内の空間線量計測における人やロボットによる10cm精度未満での簡易リアルタイム3D位置測位を目標とし、最新普及技術である『無線UWB (Ultra Width Band)』と『複数カメラ物体認識』の2種類を組合せた組込システムの実現を目指している。その中で、岐阜大学・福島高専がカメラ撮影機能・カメラ分析機能・無線通信機能を有する組込装置を開発し、それら複数装置を用いて、カメラ画像群の分析に基づくリアルタイム3D位置測位の実現を目指す。また、東京大学・LocationMind(株)が、UWBリアルタイム位置測位技術の原子炉建屋内へ適用を行い、安定性向上技術の開発を試みる。なお、名古屋大学が電磁波吸収材料を使用して、ハード面からの無線UWB安定化の検証を担当し、耐放射線評価はJAEA・福島高専が協力して行う。

タンク型ナトリウム冷却高速炉の一次冷却系統内非凝縮性ガス移行挙動評価手法の整備; コールドプレナム領域自由液面部からの気泡離脱挙動の予備評価

松下 健太郎; 江連 俊樹; 藤崎 竜也*; 中峯 由彰*; 今井 康友*; 田中 正暁

日本機械学会2025年度年次大会講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2025/09

ナトリウム冷却高速炉の設計において、カバーガスの巻込みや溶解によって一次冷却系統内に混入した非凝縮性ガスの挙動の評価が重要となる。本研究では、分散相モデルを適用した三次元CFD解析によって、タンク型炉コールドプレナム領域内における気泡の移行の軌跡を評価した。コールドプレナム内に流入する気泡の半径をパラメータとした感度解析の結果、自由液面部からの気泡離脱率は、気泡の半径が増大するにつれて増加し、気泡半径が大きくなると漸近的に増加する傾向を示すことがわかった。

Multi-physics analysis to identify criticality condition of windscale works criticality accident

福田 航大

Proceedings of Nuclear Criticality Safety Division 2025 Conference (NCSD 2025) (Internet), p.191 - 194, 2025/09

A preliminary analysis was conducted to clarify the potential impact of a transient inrush of aqueous solution on the criticality condition during the 1970 Windscale Works accident. This analysis couples computational fluid dynamics (CFD) with Monte Carlo (MC) neutron transport calculations, providing a unique and modern approach to modeling a complex multiphase system relevant to criticality safety. The inrush was assumed to occur over a 2-second period, with the fluid entering the vessel at a 15-degree upward angle, based on a past report. Fluid distributions obtained from CFD snapshots were used as inputs for static MC calculations. The results revealed that the inrush could cause a temporary increase in the effective multiplication factor keff, exceeding 1 just after the inrush stopped although this is based on the preliminary analysis. The observed behavior was attributed to the central accumulation of fissile materials, increasing the fast neutron non-leakage probability and the eta value. This study demonstrates the importance of transient fluid behavior in criticality risk assessments and presents a methodology that can be extended to similar legacy or future incidents. Further high-fidelity and kinetics analyses are needed to fully characterize the accident scenario.

Reaction behavior between sodium and molten salt caused by the heat transfer tube failure for sodium-cooled fast reactor coupled to thermal energy storage system

佐藤 理花; 近藤 俊樹; 梅田 良太; 菊地 晋; 山野 秀将

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 8, p.137 - 142, 2025/09

https://doi.org/10.15669/pnst.8.137

ナトリウム-溶融塩熱交換器を有する蓄熱式高速炉では、ナトリウム(Na)と硝酸系溶融塩との熱交換器伝熱管破損に至るような仮想的な事故条件下でNaと硝酸系溶融塩との化学反応が発生する可能性がある。そのため、Naと硝酸系溶融塩の反応挙動は、当該システムの安全評価上、重要現象の一つとなっている。本研究では、NaNO-KNOの混合物であるソーラーソルトとNaとの反応試験を実施し、得られた試験結果について検討を行った。その結果、ソーラーソルトの融解が開始した後にNaとの反応が起こることが分かった。試験で得られた反応温度から、速度論的パラメータおよび反応速度を求め、Na-水反応と比較した。その結果、Na-溶融塩熱交換器を有する蓄熱式高速炉の伝熱管破損時の事象進展で勘案すべき時間スケール内にソーラーソルト反応が生じ得ることが分かった。

Chemical Kinetic Uncertainty Quantification in Hydrogen Combustion Computational Fluid Dynamics Simulation for ENACCEF2 Experiment

茂木 孝介; 松本 俊慶; 塩津 弘之

Proceedings of 21st International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-21) (Internet), 10 Pages, 2025/08

Since the hydrogen explosion at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plants accident in March 2011, hydrogen management during severe accidents at nuclear power plants has attracted attention as an important issue. In order to improve hydrogen management under severe accident conditions, the propagation of flames and the resulting loads on structures need to be predicted accurately. For this reason, the use of computational fluid dynamics methods is expected. Various benchmark experiments have been carried out and turbulence models, turbulent combustion models and chemical reaction models have been discussed, but the uncertainties of each model have not been treated independently. Analysis including uncertainty assessment is necessary to promote efficient research activities through uncertainty-based prioritisation and to reflect the latest findings in best practice guidelines. The aim of this study is to establish a methodology for quantifying the chemical reaction uncertainty in turbulent premixed flame CFD and to perform CFD and uncertainty analyses on existing benchmark experiments.

Cu/ZnO catalysts integrated with AlO and/or SiO for methanol synthesis; Deciphering the additive-induced boost in catalytic performance by XAFS

Iwasaki, Kosei*; Ashida, Yuya*; 松村 大樹; Kawakami, Kotaro*; Shibuya, Kana*; Tazawa, Masaru*; 辻 卓也; Shimizu, Hajime*

Journal of CO Utilization, 97, p.103111_1 - 103111_9, 2025/07

https://doi.org/10.1016/j.jcou.2025.103111

The development of active, long-lived methanol synthesis catalysts can be expedited by thoroughly understanding the operating mechanisms of promoter additives. SiO serves as an effective support and promoter for Cu/ZnO-type methanol synthesis catalysts; however, it has not been studied as extensively as the industrially predominant AlO, despite being similarly potent. Therefore, we conducted X-ray absorption fine structure predominant AlO, despite being similarly potent. Therefore, we conducted X-ray absorption fine structure studies to probe the effects of incorporating AlO and SiO additives into Cu/ZnO-based heterogeneous catalysts. The results revealed that the additive elements primarily affected the ability of the Zn species to generate oxygen vacancies by distorting the local structure around element-doped ZnO and that the number of oxygen vacancies correlated to the catalytic activity. Additionally, the oxygen vacancies in ZnO in the Al/Si-incorporated catalysts diminished under catalytic reaction conditions, thereby providing information on the deactivation of catalytic reactions. Our findings can facilitate the development of highly active industrial-grade methanol synthesis catalysts.