Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

粒子法 / MPS / シビアアクシデント / 溶融炉心 / MCCI / クラスト / デブリベッド / 蒸気爆発 / 液滴細粒化 / 圧力波 / エネルギー変換効率 / 液滴 / ブレークアップ / 表面張力 / シミュレーション / コリウム

粒子法を用いて溶融炉心-コンクリート相互作用(MCCI)の模擬実験であるSWISS-2とMACE-M0を解析した。どちらの場合も溶融物プール上面にクラストが形成され、上部水プールへの除熱が著しく阻害された。水プールへの除熱量やコンクリートの侵食速度は、どちらの模擬実験の場合も計算と実験でよく一致した。さらに、無限大体系で解析をおこなった。この場合も上面にクラストが形成されて伝熱が阻害された。ただし、コンクリート分解ガスの放出によってクラストが割れると、無限大体系では古いクラストが溶融物プールに沈み込むため、除熱量は大幅に向上することがわかった。
溶融炉心のデブリの形成を粒子法を用いて検討した。これは当初の研究計画をさらに発展させた課題である。具体的には、単一の溶融炉心液滴の水中での振舞いを解析した。蒸気膜の存在を無視すると、これまでの実験で得られている相変化がない場合の臨界ウェーバー数が再現できることを確認した。蒸気膜で液滴が覆われている場合は臨界ウェーバー数が大きくなり、液滴径が大きくなることが示された。この結果を用いてデブリベッドの限界熱流束を評価したところ約1MW/m^2となり、崩壊熱の除熱が十分可能であることがわかった。
水・蒸気・溶融物液滴、細粒化物の支配方程式を1次元有限体積法で離散化し、蒸気爆発の圧力波伝播を解析した。粒子法による過去の解析結果に基づいて、溶融物液滴の熱的細粒化モデルを作成し、相関式として組み込んだ。熱的細粒化が生じる場合には機械的エネルギー変換効率が5%程度まで達することがあるが、流体力学的細粒化では1%未満に収まることがわかった。大規模な蒸気爆発では流体力学的細粒化が支配的になり、1%程度の変換効率で評価できることが示された。
以上のように、当初の研究計画を十分達成しただけでなく、さらに発展した課題にも取り組み、成果を得ることができた。

グリッドレス法 / 粒子法 / MPS / MAFL / 核沸騰 / プール沸騰 / 気泡の成長 / 表面聴力 / ALE法 / 計算精度 / 局所1次元格子 / 移動境界 / 自由液面 / スロッシング

本研究では新しい数値解析法であるグリッドレス法を開発した。この方法は計算点ごとに一時的かつ局所的な流れ方向1次元格子を生成することで移流項の計算を行うもので、MAFL(Meshless Advection using Flow-directional Local Grid)と名付けた。従来の最小二乗法を用いるグリッドレス法と比較して、計算精度に優れていることがテスト計算により示された。また、流れ方向の1次元格子を用いているので、3次元化も容易である。
今年度はこの方法を粒子法と融合したMPS-MAFLに発展させた。MPS(Moving Particle Semi-implicit)も本研究代表者らが開発した数値解析法で、格子を必要としない。MPS-MAFLは、支配方程式の移流項以外の項はMPSで計算し移流項のみをMAFLで計算するというもので、計算点の移動を任意にできるという特徴がある。そのため、流入流出境界では計算点を固定し、自由液面などの移動境界では計算点を移動させるということが可能である。また、温度境界層などに、局所的に計算点を集中させることも可能になった。
MPS-MAFLを用いて、プール核沸騰にける単一気泡の成長の数値シミュレーションを空間2次元の体系で行った。初期条件として壁面に小さな気泡核を配置すると、壁面近傍の過熱境界層からエネルギーを得て気泡が急速に成長し、やがて壁面から離脱する様子が計算された。2次元体系であるため、実験と比較すると気泡の成長速度はやや遅かったが、離脱時の気泡径は実験とよく一致した。また、表面張力や壁面との接触角が離脱気泡径に与える影響についても、従来の実験と非常に良く一致した。

【研究分担者】
向原民	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)
越塚誠一	東京大学	大学院・工学系研究科	助教授	(Kakenデータベース)