水蒸気爆発は、初期粗混合、トリガリング、細粒化および圧力伝播過程からなる複雑な現象である。初期粗混合過程では、溶融物と冷却材が接触し、極めて高い熱伝達率をもって熱が伝達し、冷却材が沸騰し蒸気が爆発的に速い速度で生成される。分散相の溶融物は蒸気膜で覆われ、溶融物から冷却材への熱伝達が制限されることにより溶融物と冷却材の混合は熱的に準安定状態に至る。一方、連続相の溶融物ジェットはレーリー・テーラー不安定やケルビン・ヘルムホルツ不安定等により多数の粒子に分裂する。この現象は以下に「ブレークアップ」と称する。溶融物ジェットブレークアップは水蒸気爆発の事象進展に大きく影響し、その定量的な評価は重要である。本研究は、格納容器内のジェットブレークアップの物理的なメカニズムを解明し、その解析モデルを開発することを目的にしたものである。

　また、従来の代表的な水蒸気爆発解析コードでは、それぞれの過程を個別に計算しているため、各過程の間の連統性が保たれるという保証がなかった。水蒸気爆発から発生する圧力波が格納容器内の構造物に与える負荷を評価するために、水蒸気爆発の統合解析が望まれている。本研究は、VESUVIUSコードにおいて、水蒸気爆発の各過程に対して個別にモデル化と検証解析を行い、最終的に、個々のモデルを統合化して水蒸気現象を統合して解析する機能を確認することをもうひとつの目的としている。

　本章では、初期粗混合過程における粒子ブレークアップの機構と従来のモデル化の手法について検討し、それに基づいて採用したモデル化について説明した。レーリー・テーラー不安定による粒子ブレークアップをモデル化するためにPilch式を採用し、それと初期粗混合の固有現象に妥当な構成方程式をVESUVIUSコードに組み込んだ。AEA(英国)のMIXA06実験を検証例題に、解析結果と実験データの比較を示した。

　等温ジェットブレークアップは、単純に力学的な機構による現象であり、高温ジェットブレークアップとの共通点があるため、等温条件下でのブレークアップを把握すればよい。ジェットブレークアップ機構に関するこれまでの研究のほとんどはGinsbergによってまとめられており、周囲ウェーバー数に対する無次元ブレークアップ長さ及びジェットブレークアップモードのマッピングとして整理されている。

　しかし、格納容器内のシナリオには、等温ジェットフルークアップの起きる領域は、ジェットが圧力容器から冷却水プールへと落下するときに通過するガス領域しかないことが分かった。また、ブレークアップ長さを計算し、顕著なプレークアップを起こすほどジェットの落下距離は十分長くないことを示した。この結果から、等温ジェットブレークアップは無視できる程度であることを示した。

　この章では、等温条件下でのジェットブレークアップと高温ジェットブレークアップとの違いを述べた。異なる点が多いため、膜沸騰条件下でのジェットブレークアップのモードを確認する必要がある。

　高温ジェットブレークアップの実験データは等温条件下でのデータのように整備されていなかったため、データの調査を実施し、データベースを作成した。異なる条件下でのデータを比較することによって、ジェットブレークアップの事象進展を明らかにした。その進展の一部を図1に示す。

図1 ジェットブレークアップの事象進展の一部

　ジェットブレークアップモードは周辺の流れの特徴や熱的な機構に大きく影響される。流れの特徴については、ジェットの注入時間が長くてブレークアップが定常状態のものであるが、注入時間が短くてブレークアップが過度的なものであるかによってブレークアップモードが大きく変わってくることを説明した。この判定を行うために、定常状態指標(SSI:Steady-State Index,)を提案した。熱的な機構については、蒸気発生量指標(CVI:Coolant Vaporization Index)を提案した。各実験データのSSIとCVIを計算し、SSI対CVIの関係を通じて、ブレークアップモードのマッピングをまとめた。格納容器内の支配的なジェットブレークアップモードは先端位置でのレーリー・テーラー不安定と、ジェット表面上のケルビン・ヘルムホルツ不安定であることを説明した。

　粒子ブレークアップ、等温条件下のジェットブレークアップ及び高温ジェットブレークアップに関する知見を整理し、格納容器内のシナリオを計算する際、評価すべきブレークアップモードについて述べた。また、計算手法の流れについて説明した。

　本章で、ジェット表面上のケルビン・ヘルムホルツ不安定によるブレークアップのモデルを説明した。それに1次元定常状態の蒸気膜モデルを加え、2つのモデルからなるジェットブレークアップモデルをVESUVIUSコードに組み込んだ。ジェットを覆う蒸気膜の速度と厚さに関する保存式を解き、その解を用いてジェット表面の不安定化とジェットから離れる粒子の生成項を評価している。解析結果をFZK(ドイツ)のPREMIX PM10実験データとJRC-Ispra(EC)のFARO L-14実験データと比較し、本モデルの検証解析を示した。

　本研究では、ジェットブレークアップの進展を解明し、格納容器内の支配的なブレークアップメカニズムを解明した。この結果に基づいて、ケルビン・ヘルムホルツ不安定によるジェットブレークアップモデルを開発した。また、統合化した水蒸気爆発解析コードによって水蒸気5発現象の統合した解析が可能であることを確認した。今後、解析精度向上のために、ジェットブレークアップモデルに他のブレークアップモードのモデルを組み込むことや、統合解析における溶融物の数値拡散の抑制が必要である。