ブローアウトパネル作動時の原子炉建屋内水素濃度分布解析#

BAROC コードを用い福島第1原子力発電所 1 号機 (以下 1F1) 相当の原子炉建屋内の水素漏洩解析を実施し、先行文献 [1] と概ね一致する結果が得られています [2] 。

福島第1原子力発電所 2 号機 (以下 1F2) ではブローアウトパネル（以下 BOP）が開いていたため、水素爆発が発生しなかったと考えられています。そこで BOP の影響を検討するために BAROC コードを用いて 1F 2 相当の原子炉建屋内の水素濃度分布解析を行いました。

1F 2 の事故の経緯を整理すると

2号機の BOP は、3月13日15時36分に 1F 1 の水素爆発により脱落し、開いた状態であった。

右の図より 1F 2 の格納容器からの漏洩は、3月15日7時20分頃と仮定している。

[1] 福島第一原子力発電所事故発生後の詳細な進展メカニズムに関する未確認・未解明事項の調査・検討結果

「第6回進捗報告」について 2022年11月10日東京電力ホールディングス（株）

[2] 大西史倫他, “過酷事故時の原子炉格納容器・原子炉建屋内の水素分布解析”, アドバンスシミュレーション Vol.29（2022）.

[3] 2020年9月 3日原子力規制委員会東京電力福島第一原子力発電所における事故の分析に係る検討会第13回会合

[4] 2014年1月24日国プロ原子炉建屋内の遠隔除染技術の開発 2号機原子炉建屋オペレーティングフロア調査計画について

NO.	条件項目	設定個所及び設定量
1	計算体系	福島第一原子力発電所 2 号機相当モデル総格子数：約 77 万格子、分割数（X=86、Y=86、Z=104）、1 格子サイズ：約 0.5 m
2	数値計算法	ECBA 法
3	状態方程式	SRK 法
4	乱流モデル	k-ε モデル
5	考慮するガス成分	N₂ ， O₂ ， H₂ ，H₂O
6	対流項の差分スキーム	一次精度風上差分法
7	時間刻み幅制御	1.0 秒
8	Courant 数の最大値（計算結果）	水蒸気注入フェイズで最大 197.9
9	行列計算法	ILUT/BiCGStab(l) 法
10	試験装置内初期条件	圧力：101,325 Pa 温度：293.15 K 、気体成分：N₂ 77.5 ％、 O₂ 20.6 % 、H₂O 1.9 %（湿度 60 %）、H₂ 0.0 % 流速：0 m/s
11	水素流入箇所	5 階シールドプラグ
12	流入気体と流入量※	水素：210 kg 、水蒸気：5,250 kg
13	流入時間※	計算開始より 4.4 時間
14	現象時間	6 時間
15	境界条件	・外気を温度固定とし外壁と内壁の温度を熱伝達モデルで計算・内部構造物は断熱・BOP 設置箇所に圧力境界条件を設定
16	解析モデル	・バルク凝縮モデル・壁面凝縮モデル・壁構造物熱伝達モデル上記3つのモデルを適用した。

［備考］圧力境界から排出した気体は計算から除外しました。

原子炉建屋内の水素濃度変化を動画で示します。

1. BOPが閉じているケース

2. BOPが最初から開くケース

3. 圧力に応じてBOPが開くケース

各時間における 4 階および 5 階の平均水素濃度を下記に示します。

BOP が閉じているケースは水素漏洩停止後、4 階の平均水素濃度は一旦停止しますが、時間経過とともに水素濃度は上昇しています。これは 5 階の水素濃度が高く、拡散により 4 階の水素濃度が上昇したと考えられます。

【まとめ】#

BOP が最初から開くケース、圧力に応じて開くケースの解析結果より、BOP が開く事で水素を含む気体が排出され、4・5 階の平均水素濃度は低下しました。また、両ケース 6 時間後の平均水素濃度は差が無いと考察します。
BOP が閉じているケースでは、5 階の平均水素濃度は最大で約 11 %（4.4 時間時点）、4 階の平均水素濃度は同時刻で約 4 %程度でしたが、4 階の平均水素濃度は 6 時間後約 5 ％に上昇しています。これは 5 階部の体積が 4 階に比べ約 5 倍と大きく、平均水素濃度が高いため、原子炉建屋 3 か所に設置された階段等の開口部を通じて、水素が 5 階から 4 階に拡散した事で平均水素濃度が上昇したと考察します。
これら結果より BOP が作動する事で原子炉建屋内の水素濃度が低下しました。

上記より、BAROC コードは BOP の設置位置検討等に活用できると考えます。