研究内容
原子炉事故時の熱流動に関連した安全研究の分野を熱水力安全研究と呼んでいます。本研究グループでは、国が行う安全規制に対する技術支援やより長期的な視点での評価手法の高度化等を行うことを目的とし、シビアアクシデント（炉心損傷事故）を含む軽水炉の事故時の熱水力現象の工学的な理解、事象進展の評価、炉心損傷防止策や損傷後の影響緩和策の有効性評価等に関する研究を行っています。
図1は現在の私たちの取り組みの全体像を表したものです。軽水炉の事故状態を、炉心損傷前と炉心損傷後に大きく分け、それぞれのステージにおいて安全評価パラメータに及ぼす重要現象を抽出し、物理現象の解明及びそれらの評価手法やモデルの開発・高度化に関する研究を行っています。これらの研究は、軽水炉における事故対策の有効性の評価や継続的な安全性向上の評価に役立てられるものです。
実験で得られた知見は、評価モデルや数値解析手法の高度化に集約されます。ここでは従来安全解析で利用されてきた集中定数系コードや最適評価コードに加え、近年目覚ましい発展を遂げている数値流体力学コードの利用も考慮し、これらに組み込む評価モデルや解析手法の検討を行います。また、既存の実験技術を更に高度化するため、二相流計測技術開発も行っております。特に、3次元の熱流動場での気泡や液膜等の二相流パラメータを高精度で計測する技術開発を目指しています。
最近では、評価手法の拡張として熱水力分野を他分野と連携させる試みも行っております。例えば、原子炉の圧力容器壁が事故時に低温の非常用炉心冷却水と接触することで生じる加圧熱衝撃（PTS）に関して、材料破壊力学と熱水力を連携した解析に取り組んでいます。このように様々な分野における関連機関の協力を得て、原子力安全に資する成果の創出に取り組んでいます。
大型実験装置
熱水力Grでは以下のような大型実験装置、実規模実験装置を用いた研究プロジェクトに取り組んでおります。
LSTF 大型格納容器実験装置CIGMA 高圧熱流動実験装置HIDRAPONTUS実験装置
放射性物質の微粒子を含む気体（エアロゾル）をプール水中に吹き込んで粒子を気泡内から気泡界面や水側に移行させて除去するプールスクラビングは、原子力発電所の重大事故時に環境への放射性物質の放出を抑制する有効な手段とされています。その除染効果は、DF（除染係数＝入口粒子質量／出口粒子質量）で表されます。
従来ほとんど検討されていない粒子数濃度に対するDFの依存性をPONTUS（POol scrubbiNg Test Unit on Separate effect）実験装置で調査した結果、図2に示すように、入口粒子数濃度の増加に伴ってDFが最大で１桁程度低下するDFの粒子数濃度依存性が得られました。
この現象のメカニズムとして、図3に示すように、プール水中を上昇する気泡内の粒子表面に水蒸気が凝縮して液膜を含む粒子が大きくなること（いわゆる粒子径成長）に関係する仮説を立てました。
気泡上昇中に水頭圧の減少によって気泡が膨張し、気泡内は凝縮が可能な相対湿度100％以上の状態となります。粒子数濃度が高い、すなわち粒子総表面積（凝縮面積）が大きい場合、凝縮で水蒸気がたくさん消費されて相対湿度が低下するので、粒子径成長が進みにくく、比較的に小さい粒子は気泡界面への移動が遅く、DFが低くなります。
この仮説を証明するために考案した気泡内のマス・エネルギー保存に基づくモデルを用いて解析の結果、仮説は裏付けられ、図2に示すように、DFの粒子数濃度依存性を再現し、メカニズムを解明しました。
二相流計測技術開発
軽水炉の熱水力安全評価手法を高度化する上で必要となる実験技術を構築するために、先進的な二相流計測手法・計測装置を開発しています。ここでは、現在開発中の三種類の二相流計測手法について紹介します。
４センサープローブ
液相と気相との導電率の差や境界面での光の反射を利用して、水中における気泡の体積割合や気泡表面の面積割合を測定するためのセンサープローブや信号処理技術を開発しています。４本のプローブを用いることにより、二相流の３次元的な計測を行えることが特長です。
図4は触針プローブが気泡に刺さる瞬間を捉えた画像です。触針により、気泡が変形している様子が見て取れます。
図5は円管断面内の気泡体積割合（ボイド率）の計測結果を、管中心からの距離に対してプロットした事例です。
超音波液膜計
配管内を流れる環状液膜流が管内壁に形成する厚さ0.1mm以下の薄い液膜を、超音波を用いて計測する装置と手法とを開発しています。
計測原理は非常に単純で、図6のように、超音波を送受信する圧電素子を管外壁に貼り付け、配管中心に向かって超音波を送信します。超音波は管と液膜の境界および管内の液膜と気相との境界でそれぞれ反射され、これらの信号は経路長の差に起因する時間遅れを伴って圧電素子で受信されます。
受信信号からこの時間差を検出できれば、液膜の厚さが推定できます。ただし、液膜が薄いため、送信する超音波は10MHz程度の周波数を持つ幅の狭いパルス状波形であることが求められます。
そのために、私たちのグループは、図7および図8のように独自の信号処理回路を組み込んだ圧電素子を開発しました。
開発した素子を用いて計測を行い、0.16mmの液膜を精確に推定した事例を図9に示します。
電気インピーダンストモグラフィ
水と空気との導電率（インピーダンス）の差を利用して、二相流中の気相の空間分布や気相率を推定する手法です。
図10のように管内壁に貼り付けた多数の電極（境界電極）から選んだ正負ペア電極間に給電し、別の正負ペア電極間で電位を計測する、という手順を多数のペア電極間で行います。
そして、これら境界条件としての計測電位パターンを満足するように、内部の導電率分布（＝気液相分布）を逆解析的に推定します。私たちのグループでは、電位計測精度を劣化させる要因である、電極表面の分極を回避して電位計測する手法を開発しました。
また、境界電極とは別に、図11のように容器の内部にも電極を配置することにより、導電率分布推定の空間分解能を向上させる試みを行っています。
図12は、絶縁体製の模擬気泡を左側のように二次元的に配置した容器に対し電位パターンを計測し、気相分布を推定した結果を示しています。図12中央は境界電極のみを用いた場合、右側は境界電極に加え内部電極も用いた場合です。内部電極を用いると、境界電極だけではぼやけてしまった容器の中心まで、うまく推定できていることがわかります。
