038　炉心挙動　まるごと解析

掲載日：2023年8月8日

高速炉サイクル研究開発センター　高速炉解析評価技術開発部　炉心・プラント解析評価Ｇｒ
副主任研究員　堂田哲広

専門は高速炉熱流動。自然循環崩壊熱除去時の炉心最高温度の統計的評価手法や、マルチレベル・シミュレーション技術の開発に取り組んできた。　 原子炉プラント設計の最適化や効率化を支援するARKADIAの開発を進め、ナトリウム冷却高速炉をはじめとする革新的原子炉の開発を加速させたい。

内外機関と協力　適用拡大

革新的な原子炉

人工知能（AI）を活用し、最新の数値シミュレーション技術や評価技術と、原子炉開発プロジェクトで獲得した経験や知見を組み合わせるー。革新的原子炉開発への期待が世界的に高まる中で、日本原子力研究開発機構が進める統合評価手法「ARKADIA（アルカディア）」という手法が今、関係者の注目を集めている。

原子炉プラント内では同時に複数の物理現象が起こる。それらを一体としてまるごと解析するのが、マルチフィジックス・シミュレーションだ。

さらにプラント内で生じるスケールの異なる物理現象を、評価の目的にあわせた精度と計算負荷で解析するのが、マルチレベル・シミュレーションである。

原子力機構が開発したARKADIAは、AI 支援型革新炉ライフサイクル最適化手法の略称で、これら二つの機能を同時に実現することができる。本稿ではナトリウム冷却高速炉の開発にARKADIAを適用した事例を、２回にわたって紹介する。このうち今回は、炉心のマルチフィジックス・シミュレーションを取り上げる。

固有の安全性

ナトリウム冷却高速炉の炉心は万一、異常により炉心部の温度が上昇しても、炉心を構成する燃料集合体が高温の中心部から低温となる外側に向かって変形し、燃料の配置が換わることで、核分裂反応が自然に抑制される固有の安全性をもつ。この特性を設計に取り込むためには核物理、熱流動、構造力学の物理現象を合わせてシミュレーションし、評価精度を高めることがカギとなる。

そこで、各分野の物理現象を対象とする複数の解析コードを同時に実行し、互いの解析結果を計算途中で交換させることで、時間進展が異なる分野の現象を同時に解析できるマルチフィジックス・シミュレーション技術を開発した。

思考錯誤重ねる

この手法を、米国高速実験炉EBR-IIで行われた冷却材喪失事象を模擬した試験に適用した。図に示すように、炉心中央部が高温化し、燃料集合体が炉心外側へ湾曲することで、核反応が抑制されて炉心出力が低下する挙動を再現することができた。

この技術は、複数の研究者らとの多くの試行錯誤の積み重ねによって得られたものだ。現在は、国内外の研究機関と協力してベンチマーク解析や、他の実験結果と比較し、この技術の適用範囲を拡大している。