118　原子炉内シミュレーション

掲載日：2025年4月15日

原子力基礎工学センター　炉物理・熱流動研究グループ
研究員　神谷朋宏

専門は熱流動工学で、日本原子力研究開発機構に研究員として入構。現在はマルチフィジックス・シミュレーション・プラットフォームの開発と、核熱連成シミュレーションを実施している。このほか、流体シミュレーション手法の開発や、水蒸気爆発に関する研究にも従事している。

炉心設計　検証を精緻化

データ不足課題

原子炉の出力規模や制御に関わる炉心設計では、専用プログラム（炉心設計コード）によるシミュレーションが活用されている。日本原子力研究開発機構は、炉心内の物理現象が相互作用する過程を解析できるシミュレーターを開発した。実験データに相当する詳細データを提供できるようになることで、仮想空間上の原子炉「バーチャル・リアクター」実現へと大きく一歩踏み出した。

カーボンニュートラル達成や宇宙開発を目的に、小型モジュール炉(ＳＭＲ)をはじめ従来と大きく異なる原子炉「革新炉」の開発が世界的に進む。現場では炉心設計コードで炉内状況を模擬するが、コード自体の妥当性も確認する必要があり、実験データとの比較は不可欠だ。しかし、中性子輸送や熱流動など、複数の物理現象を同時に扱った実験は技術的・経済的にも実施が困難で、データ不足は世界的な課題になっている。

蒸気描き出す

そこで、原子力機構は既存の炉心設計コードを複数組み合わせて炉内現象を再現するマルチフィジックス・シミュレーション・プラットフォーム「ＪＡＭＰＡＮ」（ＪＡＥＡ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍｕｌｔｉ－Ｐｈｙｓｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ）を開発した。今回の第１版では、開発済みの中性子輸送計算コード「ＭＶＰ」と熱流動計算コード「ＪＵＰＩＴＥＲ」をＪＡＭＰＡＮ上で連携した。

ＭＶＰは中性子挙動を計算し、核分裂反応による発熱を表現。ＪＵＰＩＴＥＲは熱流体工学に基づく冷却材の流れを解析、蒸気の泡分布を高精度に描き出す。現実世界で複数の現象が互いに影響しながら進展するのと同様に、ＪＡＭＰＡＮでは２つの計算コードを連係させながらデータを組み上げる。

モデル改良促進

沸騰水型軽水炉の燃料集合体を対象にシミュレーションを行った。燃料集合体の隙間に蒸気の泡が発生、水と泡が混ざった二相流の影響を受けて熱出力分布は変化する。これに呼応して蒸気の流れが変わる様子が詳細に解析できていた。

今後は既存原子炉だけでなく、革新炉などさまざまな条件で詳細なシミュレーションを行う予定だ。模擬実験データを積みあげていくことで、炉心設計コードの妥当性確認やモデル改良を促進。将来的にはバーチャル・リアクターで炉心設計の品質向上につなげ、安全性と経済性のさらなる改善へ貢献したい。