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みいかひろなが
4 years ago
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1 Japan Atomic Energy Agency ソースターム評価の不確かさ低減に向けて 2 ~ プールスクラビングに関する研究 ~ 日本原子力研究開発機構安全研究防災支援部門安全研究センター原子炉安全研究ディビジョン熱水力安全研究グループ孫昊旻平成 30 年度安全研究センター報告会平成 30 年 11 月 8 日富士ソフトアキバプラザ本件は原子力規制庁から受託した平成 28, 29 年度原子力施設等防災対策等委託費 ( 軽水炉のシビアアクシデント時格納容器熱流動調査 ) 事業の成果の一部である

2 アウトライン研究背景ソースターム評価におけるプールスクラビングプールスクラビングに関する既往研究の課題と本研究の目的と方向性プールスクラビング実験実験装置二相流計測手法と計測結果エアロゾル計測手法と計測結果まとめと今後の予定 2

3 研究背景軽水炉の重大事故時にエアロゾル状の放射性物質 ( ソースターム ) が発生し環境に放出される可能性があるエアロゾル : 空間中に長時間滞留し nm から μm オーダーの粒子エアロゾルを気相から液相に移行環境への放出量低減の有効策プールスクラビング ( 気泡内エアロゾルプール水に保持 ) BWR の S/C のベント管やクエンチャ PWR における SGTR Filtered containment venting system (FCVS) スプレイスクラビング ( 空間内エアロゾル液滴に保持 ) 格納容器スプレイ自然降雨 ( 原子炉建屋漏洩部に対する ) 放水砲動画を貼るプールスクラビングの除染係数 (DF: Decontamination factor) は比較的大きくソースターム評価に与える影響が大きい注入ノズル DF= プール水通過前エアロゾル量 / プール水通過後エアロゾル量ソースターム評価の不確かさ低減に向けてプールスクラビングの評価手法の高度化が重要 3

プールスクラビングにおける研究課題 1 プールスクラビングの既往研究多数の実験が存在し主に DF 計測 DF 評価コード (SPARC, SUPRA & BUSCA 等 ) が存在しかし DF の評価と計測結果には大きな相違が存在非公開プールスクラビングにおける研究課題 (IPRESCA

4 プールスクラビングにおける研究課題 1 プールスクラビングの既往研究多数の実験が存在し主に DF 計測 DF 評価コード (SPARC, SUPRA & BUSCA 等 ) が存在しかし DF の評価と計測結果には大きな相違が存在非公開プールスクラビングにおける研究課題 (IPRESCA 2017 の提案項目の一部抜粋 ) 1 詳細な二相流計測データが少なく評価コード内二相流モデルが不十分 Sanjeev Gupta, PASSAM final workshop, February 28 th, エアロゾル計測の不確かさが大きく DF 計測結果の信頼性が高いといえない 4

拡散 V D, i 重力 V g, i V v 蒸発 V c, i ガス循環流遠心力 SPARCコードの気泡径モデル dd vvvv = 0.7 10 0.

5 プールスクラビングにおける研究課題 2 1 評価コード内二相流モデル実際の二相流現象 20 mm 20 mm 注入ノズル気泡上昇領域ガス注入領域評価コードのモデル単一形状挙動の代表気泡仮定例 : 気泡径 d vm 7 mm 一定気泡径は DF との相関が強く重要界面乱れ変形がない仮定代表気泡拡散 V D, i 重力 V g, i V v 蒸発 V c, i ガス循環流遠心力 SPARCコードの気泡径モデル dd vvvv = xx nnnn d vm : 気泡径 [cm] χ nc : 非凝縮ガスクオリティ [-] 慣性衝突蒸気凝縮遠心力拡散重力沈降 5

6 プールスクラビングにおける研究課題 3 2 エアロゾル計測の不確かさ例 : 計測機器由来の誤差例 : 装置輸送配管の粒子ロスによる DF の誤差相対濃度センサー感度によるロス計器内ロス修正後の正しい分布計測した分布 DF プール水がない場合でも DF が 2 程度非公開粒子径 (μm) Pramod Kulkarni et al., Aerosol measurement, 2011 Kaneko et al., Experimental study on aerosol removal effect by pool scrubbing. 上述課題を受けて水深 (m) 6

7 本研究の目的と方向性本研究の目的 : プールスクラビング評価モデルの高度化シビアアクシデントを想定した幅広い条件の二相流挙動に着目した個別現象 ( 体系 ) ガス注入領域上向きガス注入単一 & 多穴横向きガス注入 ( クエンチャ ) 大口径下向きガス注入 ( ベント管 ) 気泡上昇領域蒸気凝縮水温の影響詳細な二相流計測信頼性の高い DF( エアロゾル ) 計測二相流挙動把握モデル構築高度化 DF 評価比較検証既存エアロゾル輸送モデル高度化 7

8 実験装置 POol scrubbing Test Unit on Separate effect (PONTUS) ワイヤメッシュセンサー出口エアロゾル計測ポリカーネイト製試験部 ( 内径 0.2 m) 約 4.5 m 4 センサー光プローブ混合ガス ( 空気蒸気 ) 空気高速カメラエアロゾル上向き注入ノズル ( 内径 10 mm) 入口エアロゾル計測混合部エアロゾル発生器希釈器二相流計測について 8

9 4 センサー光プローブ (4SOP) 4 センサー光プローブ ( 本研究の特徴 ) 気相と液相における反射光強度の違いを利用計測できる局所二相流パラメータ : ボイド率 ( 気相体積率 ) 気泡数頻度気泡上昇速度ザウター平均気泡径界面面積濃度光ファイバー O.D.125µm 除染効果が高い小気泡の計測が可能でありプールスクラビング実験に有効 9

10 4SOP による気泡上昇領域の気泡分裂過程計測初期注入気泡の分裂過程計測実験試験部に対するガス見かけ速度 J g =0.015 m/s 注入ノズルから下流 2 断面において 4SOP をトラバース計測排気ボイド率 [-] 試験部中心からの距離 [mm] 気泡数頻度 [1/s] 0.8m m 試験部中心からの距離 [mm] 4SOP 4SOP 流れ方向に沿ってボイド率はほぼ一定だが気泡数頻度は増加試験部中心の初期注入気泡が分裂して断面内に広がった後も気泡分裂は継続 0.8m 1.55m 空気 1.55m 0.8m ガス注入ノズル 10

11 4SOP による十分発達した気泡上昇領域計測十分発達した気泡上昇領域計測実験試験部に対するガス見かけ速度 J g = m/s 注入ノズルから下流 2.1 m の断面において 4SOP をトラバース計測ボイド率 [-] ザウター気泡径 [m] 0.35 Jg=0.053m/s 0.3 Jg=0.080m/s 0.25 Jg=0.13m/s 試験部中心からの距離 [mm] Jg=0.053m/s Jg=0.080m/s Jg=0.13m/s 試験部中心からの距離 [mm] 界面面積濃度 [1/m] 排気 4SOP 計測手法の整備は完了し今後 DF 計測と合わせてプールスクラビングモデルの高度化を目指す 0 Jg=0.053m/s Jg=0.080m/s Jg=0.13m/s 試験部中心からの距離 [mm] 二相流挙動気泡は試験部中心に集中気泡径は試験部中心が大きくガス流速の影響は小さい空気 2.1m 4SOP ガス注入ノズルエアロゾル計測について 11

エアロゾル計測機器エアロゾル計測器エアロゾルスペクトロメーター (WELAS): 散乱光強度と粒子径の関係利用粒子径分布計測可高圧条件下でも計測可凝縮粒子カウンター (CPC): 小粒子表面に液体を結露して成長させ光学的に検出 nm オーダーの小粒子に対しても高い検出効率 WELAS 原理

12 エアロゾル計測機器エアロゾル計測器エアロゾルスペクトロメーター (WELAS): 散乱光強度と粒子径の関係利用粒子径分布計測可高圧条件下でも計測可凝縮粒子カウンター (CPC): 小粒子表面に液体を結露して成長させ光学的に検出 nm オーダーの小粒子に対しても高い検出効率 WELAS 原理入射光 CPC 原理入射光粒子散乱光 : 粒子径が大きいほど強い結露液体サンプリングフィルタ : サンプリングした粒子を電子天秤で計量原理が単純高圧条件下でも計測可本研究の特徴原理が異なる計測手法による計測結果を検証しエアロゾル計測の不確かさを低減粒子散乱光電子天秤フィルタホルダー 12

13 エアロゾル計測試験粒子単分散球形シリカ (SiO 2 ) 粒子粒子径 :0.5, 0.7, 1 μm ( 比較的 DFが低く環境に放出されやすいレンジ ) 0.25 非溶解性親水性除染係数 DF の評価 DF = A 入口 / A 出口 Normalized distribution Particle size [μm] WELAS による粒子径分布計測結果エアロゾル量 A: 個数 (WELAS と CPC 計測 ) 重量 ( サンプリングフィルタ計測 ) 0.5μm 0.7μm 1μm 13

14 プールスクラビング実験エアロゾル濃度に対する DF の依存性調査ガス注入領域に着目した 0.3 m 水深実験 14

15 エアロゾル濃度に対する DF の依存性調査既往研究においてエアロゾル濃度に対する DF の依存性に関する調査例はほとんどなくエアロゾル濃度は試験パラメータとして除外されている DF の依存性に関する報告 (Hashimoto K. et al., 1988.) はあるものの結果検証や機構検討がほとんどない排気 WELAS 出口エアロゾル計測 DF の依存性調査実験常温常圧水ー空気試験空気注入流量 :80 L/min 水深 :2.4 m 0.5 μm シリカ粒子エアロゾル計測 :WELAS 試験パラメータ : 入口粒子数濃度 DF 0 エアロゾル 0.0E E E E E E+05 Total particle number conc. at Outlet [1/cc] 結果 DF はエアロゾル濃度に依存低濃度条件下の DF は高くその実験結果は非保守的な評価モデルの構築につながる可能性があるから重要 m 80L/min 希釈器 2.4 m 入口エアロゾル計測 WELAS 本結果が装置依存ではなくスクラビング現象であることを確認するため検証試験実施 15

20000 10000 0 CPC WELAS 0 20 40 60 80 100 120 Time [s] 結果 WELAS と CPC の計数差はほぼ 10% 以下 WELAS の計測結果の信頼性を確認

16 検証試験 1:CPC による WELAS 計測精度調査 WELAS 計測精度調査常温常圧 0.5 μm シリカ粒子 WELAS と CPC で同時にエアロゾル計測 Particle number concentration [1/cc] CPC WELAS Time [s] 結果 WELAS と CPC の計数差はほぼ 10% 以下 WELAS の計測結果の信頼性を確認 Particle number concentration ratio (WELAS/CPC) <10% E E E E+05 Particle number concentration by WELAS [1/cc] 16

17 検証試験 2: サンプリングフィルタによる DF 計測サンプリングフィルタによる DF 計測 WELAS による DF の依存性計測試験と同じ条件入口出口のエアロゾルをサンプリングフィルタで同時計測し DF 評価 DF filter_day1 filter_day2 WELAS Total particle number conc. at Outlet [1/cc] 排気 80L/min エアロゾル出口エアロゾル計測 2.4 m 入口エアロゾル計測 Filter 結果フィルタ計測した DF 変化傾向は WELAS と同じ DF 依存性の原因はエアロゾル計測誤差でない 17

18 検証試験 3: 空試験部の DF 計測空試験部の DF 計測常温常圧 0.5 μm シリカ粒子 WELAS でエアロゾル計測し DF 評価 DF Total particle number conc. at Outlet [1/cc] 80L/min エアロゾル WELAS 出口エアロゾル計測入口エアロゾル計測結果 DF の依存性は観測されなかったプールスクラビング時に計測された DF の依存性はプールスクラビングの現象であることを示唆する排気 WELAS 18

19 プールスクラビング実験エアロゾル濃度に対する DF の依存性調査ガス注入領域に着目した 0.3 m 水深実験 19

20 0.3 m 水深におけるプールスクラビング実験ガス注入領域の除染効率は比較的に高い 0.3m 水深で半分 (DF=2) 程度の粒子が除去 (A. Dehbi et al., 2001) ガス注入領域の DF 評価モデル高度化のために 0.3 m 水深において DF 計測初期気泡挙動可視化先行確認試験 : 空試験部における粒子ロス等に起因する DF 計測 DF without water μm 0.7μm 1μm L/min エアロゾル WELAS 出口エアロゾル計測希釈器 0.3 m 入口エアロゾル計測 Injection air flow rate [L/min] 結果空試験部におけるDFは粒子ロスが限定的でありスクラビング実験におけるDF 計測結果の信頼性を確認 20 排気気泡上昇領域ガス注入領域 WELAS

21 DF 計測結果プールスクラビング実験 0.3 m 水深常温常圧水ー空気注入空気流量 : L/min Globule と Jet 初期気泡の両領域を含む試験粒子 : , 1μm シリカ粒子 ( 比較的 DF が低く環境に放出されやすい粒子径レンジ ) DF μm 0.7μm 1μm データ非公開 Injection air flow rate [L/min] 結果粒子径ガス流量の増加に伴って DF 増加初期粒子慣性力の増加が DF 増加の主な原因排気気泡上昇領域ガス注入領域 80L/min エアロゾル WELAS 出口エアロゾル計測希釈器今後可視化の結果と合わせて DF 評価モデル高度化を行う予定 0.3 m 入口エアロゾル計測 WELAS 21

22 まとめソースターム評価の不確かさ低減に資するプールスクラビングの評価手法の高度化のために実験的研究を実施している詳細な二相流計測データを取得するために 4 センサー光プローブを整備し二相流挙動を計測した高精度なエアロゾル計測データを取得するために原理が異なるエアロゾル計測手法を整備しプールスクラビング実験を行ったエアロゾル濃度に対する DF の依存性の調査ガス注入領域に着目した 0.3 m 水深における実験今後の予定 0.3 m 水深において取得した可視化と DF の結果を合わせて評価モデルの高度化を行う他の体系の評価モデル高度化のための二相流と DF の計測データベースを構築する 22

23 謝辞本件は原子力規制庁から受託した平成年度原子力施設等防災対策等委託費 ( 軽水炉のシビアアクシデント時格納容器熱流動調査 ) 事業の成果の一部である 23

リスク分布予備評価

リスク分布予備評価 Japan Atomic Energy Agency 再処理施設における蒸発乾固事故時の放射性物質移行挙動研究日本原子力研究開発機構安全研究防災支援部門安全研究センター燃料サイクル安全研究ディビジョンサイクル安全研究グループ天野祐希平成 28 年度安全研究センター報告会平成 28 年 11 月 22 日富士ソフトアキバプラザ 2 核燃料サイクル施設に対する新規制基準で新たに想定された重大事故