１．研究開発の背景とねらい

　高速増殖炉サイクルの実用化のためには、安全性の確保を大前提に、軽水炉サイクル及びその他の基幹電源と比肩する経済性を達成することが必要である。現在、経済性を追求するために、原子炉容器をコンパクト化し、主冷却系統を2ループ化したナトリウム冷却高速炉が設計検討されている⁽¹⁾。本設計概念では、炉容器コンパクト化にともない容器内での流速が増加するため、容器内自由液面におけるガス巻込み現象⁽²⁾の発生が懸念されている。ガス巻込み現象は、液面から気泡が巻込まれる現象であり、炉心領域への気泡混入は原子炉出力の変動を生じるため、気泡巻込み量を許容範囲以内に抑えることが重要である。しかし、原子炉内ガス巻込み現象は、熱流体運動特有の非線形現象及び複雑・複合形状を伴う各種多重相関現象として出現するため、無次元数（相似則）等による統一的な評価指針の策定は困難であり、現状では実規模試験において巻込みの有無を確認する方法⁽³⁾が確実な評価手法として用いられている。
　そこで本事業では、実規模試験の代替あるいは高精度化を達成するための新規開発手法（計算力学的手法を駆使した高精度・シームレス物理シミュレータ）の開発に取り組み、高速炉ガス巻き込み現象とそれに伴う原子炉システム内気泡挙動を高精度・高効率で予測・解明可能とすることを目的としている。

２．研究開発成果

　本事業では、計算科学的手法に基づき、基礎気液界面現象から原子炉実規模気液界面現象を対象とした高精度・シームレス物理シミュレータを構築するために以下の研究開発項目に取り組んだ。
(1)気液界面・体積追跡法の検討・評価（基礎物理現象解析）
　単一方程式・統一手法(MARS法⁽⁴⁾)に基づき、各種流動様式(層状性気液混相乱流場及び分散性気液混相乱流場)における気液界面・体積追跡に関する直接数値計算(Direct Numerical Simulation, DNS）が可能であることを実証した。具体的には高フルード数開水路乱流場及び気泡乱流場(図1)の直接数値計算が可能であることを確認し、DNＳデータベースの構築を行った。また得られたDNSデータベースを用いて、高フルード数開水路乱流場における自由表面近傍における乱流挙動及び気泡周りの乱流変調に関する基礎物理機構を明らかにした^(5)，(6)。
(2)原子炉各構成要素を直接模擬できる格子体系の検討（詳細要素解析）
　単相流を対象とした非構造格子体系における3次元非定常熱流動解析プログラムの開発を行い、単純円筒体系における非定常流れ場解析を実行し、ガス巻き込み現象に関連する渦流れが再現できることが確認できた。
(3)非構造格子体系下での気液界面・体積追跡法の高精度・高度化の検討（基礎物理現象解析・詳細要素解析）
　非構造格子体系における気液界面・体積追跡コードの作成、3次元非定常熱流動解析プログラムへの気液界面・体積追跡コードの組み込みを実行し、界面(体積)輸送精度の検討及び表面張力計算法について検討を行い、上昇気泡流問題に適用を行い、非構造格子体系下でも完全な質量保存性を保ちつつ高精度な体積輸送が可能であることを実証した⁽⁷⁾。
(4) 超並列コンピューティングを駆使した大規模容量化・高速化の検討・評価
　開発コードの大規模容量化・高速化を目的とし、MPI(Message Passing Interface)に基づく並列化を実行すると共に、領域分割方法及びデータ通信の最適化を行った(図2)。さらにOpenMPによる並列化とカップリングを行い、海洋研究開発機構の地球シミュレータ上における224並列計算でベクトル化率98.9%、並列化率99.8%の高速かつ大規模演算が可能となった。
(5) 各種統計解析処理コードの開発（原子炉システム開発）
　ガス巻き込みシステム設計コードにおけるモデル化、モデル定数の機構論的検証及び高精度化を目指し、乱流統計量処理コード・気液間相互作用統計処理コードの作成を実行した。また開発コードを高フルード数開水路乱流場におけるＤＮＳデータベース解析に適用した⁽⁵⁾。
(6) 基礎実験データとの比較検討
　上記(1)-(5)の課題実施により直接数値計算手法をベースとした高精度シームレス物理シミュレータにおける各構成要素開発に成功した。最後に開発シミュレータを用いてガス巻込み基礎体系への適用(図3)及び原子炉上部プレナム部1/1.8縮尺モデルを対象としたテスト計算(図4)を実行した。その結果、ガス巻込み基礎体系において実験と同様のガス巻込み現象を定性的かつ定量的に再現できることを確認した(図3)。また実際の原子炉構成要素への適用(図4)も十分可能であり、本開発シミュレータの有用性を確認した。

３．今後の展望

　以上の通り、計算科学的手法に基づき、基礎気液界面現象から原子炉実規模気液界面現象を対象とした高精度・シームレス物理シミュレータの開発に成功した。今後は超並列計算機を用いて高速炉構成要素開発への展開を行いたい。また本開発シミュレータは直接数値計算(基礎物理現象)を基に開発を行っているため、高速炉開発に留まらず気液混相流を対象とした各種原子炉及び工業プラント開発への適用も可能と考えられる。

４．参考文献

(1)Ichimiya et al., GLOBAL 2003, New Orlens, LA (2003). (2)Eguchi et al., Nuclear Engineering and Design, 146 (1984) pp. 373-381. (3)Kimura et al., NTHAS-4(2004), 023. (4)功刀, 機論B編, 63-609 (1997), pp.1576-1584. (5)Yamamoto et al., TSFP-5(2007), Vol.3, pp.1223-1228. (6)山本ら,日本流体力学会年会(2007) (7)Ito et al., NURETH-12(2007), Log-Number, 121