〔特 集 〕 原 子 力 を巡 る流 れ と熱 の 研 究 の 最 前 線
ガ ス 炉 を 中 心 と した 火 災 ・爆 発 の研 究 動 向
*山梨大学大学院 医学エ学総合研究部 武 田 哲 明 †
Current
Status of Research
on Fire and Explosion
in High Temperature
Gas-cooled
Reactor
Tetsuaki TAKEDA, Graduate
School
of Medicine
and Engineering,
University
of Yamanashi
1は じ め に
現 在,世 界 の12力 国1機 関 が 参 加 し て 国 際 協 力 研 究 に よ り,第 四 世 代 原 子 カ シ ス テ ム の 研 究 開 発 が 進 め られ て い るl).こ の 第 四 世 代 原 子 力 シ ス テ ム の 一 つ に 電 力 と水 素 を 併 産 す る こ と の で き る 超 高 温 ガ ス (Very High Temperature Reactor,VHTR)が 取 り上 げ られ て い る2).超 高 温 ガ ス 炉 シ ス テ ム は 電 力 ・水 素 の 併 産 を 目指 し た 原 子 カ シ ス テ ム で あ る が,こ れ ま で に 原 子 炉 と化 学 プ ラ ン トを 接 続 し た シ ス テ ム の 安 全 性 に 関 し て は 詳 細 な 安 全 規 制 が 定 め ら れ て い る と は い え な い.こ の シ ス テ ム で は 利 用 系 と し て 水 素 製 造 シ ス テ ム 等 を接 続 す る た め,利 用 系 の 異 常 時 に 可 燃 性 気 体 の 漏 え い 等 に よ る火 災 ・爆 発 が 原 子 炉 に 及 ぼ す 影 響 を 把 握 して お か な け れ ば な らな い.日 本 に お け る 超 高 温 ガ ス 炉 シ ス テ ム の 研 究 開 発 は,こ れ ま で 日本 原 子 力 研 究 開 発 機 構(以 下,原 子 力 機 構) が 進 め て き た が,現 在 も 大 洗 研 究 開 発 セ ン タ ー の 高 温 工 学 試 験 研 究 炉(High Temperature engineering Tes
t Reactor,HTTR,以 下,HTTR)を 用 い て,水 素 製 造 シ ス テ ム の 研 究 開 発3)が 実 施 され て お り,そ の 枠 組 み の 中 で 可 燃 性 流 体 の 火 災 ・爆 発 に 関 す る 研 究 が 進 め られ て い る.一 般 に 原 子 炉 に 関 す る 燃 焼 ・爆 発 の 研 究 とい え ば,軽 水 炉 に 関 す る 水 蒸 気 爆 発 や 超 高 温 ガ ス 炉 と 同 じ第 四 世 代 原 子 力 シ ス テ ム の 一 つ で あ る ナ ト リ ウ ム 冷 却 高 速 炉 に お け る ナ ト リ ウ ムー 水 反 応 な どが 代 表 例 と して 挙 げ られ る が,こ れ ら の 問 題 は 過 去 に も 特 集 と して 取 り上 げ られ て い る こ と か ら, 本 稿 で は,ガ ス 炉 を 中 心 と した 火 災 ・爆 発 に 関 す る 研 究 と して,高 温 ガ ス炉 水 素 製 造 シ ステ ム に 関す る 火 災 ・爆 発 の研 究 動 向 を ま とめ た. 2超 高 温 ガ ス 炉 シ ス テ ム の 火 災 ・爆 発 対 策 の概 要 さて,超 高 温 ガ ス 炉 シ ス テ ム と呼 ば れ る将 来 の 高 温 ガ ス 炉 シ ス テ ム で は原 子 炉 に水 素製 造 シ ス テ ム を 接 続 す る こ とで,多 量 の 可燃 性 流 体 を取 り扱 うこ と に な るが,こ れ に よ って 原 子 炉 シ ス テ ム の 安 全性 が 損 な わ れ る こ とが あ って は な らず,特 に火 災 ・爆 発 対 策 は 安 全 上 重 要 な 課題 の 一 つ で あ る.現 在,原 子 力機 構 で はHTTRに 接 続 す る,水 か ら水 素 を製 造 す る熱 化 学 法ISプ ロセ ス を用 い た水 素製 造 シ ス テ ム を設 計 開 発 中で あ り,そ の 中で 将 来 の 高 温 ガ ス 炉 水 素 製 造 シ ステ ムへ の 適 用 ま で 視 野 に入 れ た 火 災 ・爆 発 対 策 が検 討 され て きた.高 温 ガ ス 炉 水 素 製 造 シス テ ム にお け る火 災 ・爆 発 に 関 して,原 子 炉 建 屋 内部 と原 子 炉 建 屋 外 部 にお け る事 象 に大 別 し,原 子 炉 建 屋 内部 で の火 災 ・爆 発 に対 して は設 計 基 準 事 象 と し て 起 こ りえ ない よ うにす るた め の発 生 防 止 対 策 が提 案 され,原 子 炉 建 屋 外 部 にお け る火 災 ・爆 発 に対 し て は,十 分 な離 隔 距 離 を取 る こ とを優 先 させ て原 子 炉 施 設 の安 全 上 重 要 な危 機 ・構 造 物 並 び に運 転 員 の 安 全 を確 保 す る た め に必 要 な離 隔 距 離 を評 価 す る方 法 が提 案 され てい る4).こ れ らの方 法 で は,保 守 的 な評 価 方 法 を採 用 してい る た め,過 剰 な安 全 裕 度 が 含 まれ て い る と され て い る.試 算 に よれ ば,HTTR 水 素 製 造 シ ステ ム で は,300kgの メ タ ン ガ ス漏 え い を仮 定 した 場 合 に は約350m,商 用 炉 シ ス テ ム と考 え られ る300MWe規 模 の高 温 ガ ス炉 水 素 製 造 シ ス テ ム に お い て は数 ㎞ の離 隔 距離 を確 保 す る こ とが必 要 との結 果 が得 られ て い る.し た が っ て,実 用 化 の *〒400.8511 山 梨 県 甲 府 市 武 田4-3-11 †E-mai1:[email protected]
た め に は この離 隔距 離 を合 理 的 に低 減 し,で き る だ け原 子 炉 と利 用 系 を近 接 して設 置 す る こ とで熱 損 失 を少 な く し,熱 効 率 を高 め て経 済 性 を 向上 させ る こ とが重 要 とな る.そ の た め に は,詳 細 な数 値 解 析 に よ って 評 価 方 法 の 安 全 裕 度 に対 す る精 度 を高 め,合 理 的 な 安 全 評 価 法 の 確 立 も必 要 で あ ろ う. 一 方,原 子 炉 建屋 内部 で の 火 災 ・爆 発 につ い て は, 設 計 基 準 外 事象 とす る こ と に よっ て 安 全 評 価 は 不 要 とな るが,最 近 の 軽水 炉 や 高 速 炉 開発 の 分 野 にお い て は,設 計 基 準外 事象 以 上 の 事 象 に つ い て もシ ス テ ム成 立性 の 見通 しを解 析 に よっ て得 て お く こ とが 必 要 で あ ろ うと考 え られ て い る.し た が っ て,高 温 ガ ス炉 水 素製 造 シ ス テ ム に お い て も同様 な 考 え 方 の も とに,万 が一 原 子 炉 建 屋 内部 で の火 災 ・爆 発 が起 こ っ て もシ ス テ ム の安 全 性 が確 保 され る との 見 通 しを 得 る た め の解 析 が必 要 に な る で あ ろ う.こ の た め, 高 温 ガ ス炉 水 素 製 造 シ ス テ ム に お け る火 災 ・爆 発 の 影 響 評 価 を行 うた め の解 析 コー ド開発 が検 討 され, 汎 用 熱 流 動 解 析 コー ドと爆 燃 ・爆 こ う専 用 の解 析 コ ー ドを組 み 合 わ せ た コー ドシ ステ ム が提 案 され て い る5,6).以 下 で は,最 近 の高 温 ガ ス炉 水 素 製 造 シ ステ ムの 火 災 ・爆 発 に 関す る解 析 ・評 価 の方 法 につ い て 紹 介 す る. 3水 素 の 燃 焼 特 性 と安 全 性 水 素 は無 色,無 臭 で あ り,あ らゆ る気 体 の 中 で最 も軽 く,ま た,粘 性 は 小 さい も の の,拡 散 速 度,熱 伝 導 率,比 熱 は 他 の 気 体 に比 べ て 大 きい7).地 球 の 大 気 中 に は単 体 と して微 量 含 ま れ て お り,重 水 素 及 び 三 重 水 素 と呼 ば れ る 同位 体 が 存 在 す る. 水 素 の燃 焼 火 炎 は,可 視 域 で の発 光 は ほ とん どな く無 色 透 明 な不輝 炎 で あ る.水 素 は,他 の燃 料 に比 べ 極 めて 可燃 範 囲 が 広 い .特 に水素/酸 素混合気 の 場 合 の 上 限 は94%に もな る.自 発 着 火 温 度 は,外 部 か ら火 炎 ・電 気 火 花 等 の 着 火 源 を与 え ない で,基 準 とな る装 置 を用 い,1気 圧 にお い て 可 燃 性 ガ ス を空 気 中ま た は酸 素 中で 加 熱 し,容 器 内で 全 面 的 に燃 焼 が 起 き る最 低 温 度 の こ とで あ る.水 素 の 自発 着 火 温 度 は酸 素 中で560℃,空 気 中 の場 合 で572℃ で あ る. た だ し,パ ラ ジ ウ ムま た はニ ッケ ル 触 媒 等 の も とで は 常 温 で も容 易 に発 火 す る.ま た,水 素 ガ ス が高 速 で 容器 か ら噴 出 す る と,摩擦 等 に よ り発 生 す る火 花, 断 熱圧 縮 に よ り発 生 す る熱 あ るい は静 電 気 放 電 等 に よ り発 火 す る こ とが あ る.な お,メ タ ンの 自発 着 火 温 度 は 酸 素 中で556℃,空 気 中 の場 合 で537℃ で あ る. 水 素 を酸 素 あ るい は 空 気 と混 合 して 点 火 す れ ば, 爆 発 的 に 反応 して 水 を生 成 す る.水 素2モ ル と酸 素 1モ ル と の 混 合 ガ ス は 特 に 激 し い 爆 発 を 起 こ し て 化 合 す る の で,爆 鳴 気 と 呼 ば れ て い る. 水 の25℃ に お け る 標 準 生 成 ギ ブ ス エ ネ ル ギ ー △G°fは,-237.19kJ/molで あ り,自 発 的 に 燃 焼 反 応 が 進 む 条 件 △G<0を 満 た し て い る が,こ れ は 反 応 が 熱 力 学 的 に 進 む こ と示 し て い る に 過 ぎ ず,反 応 が 実 際 に 進 む た め に は,反 応 速 度 を 考 慮 し な け れ ば な ら な い.水 素 の 燃 焼 反 応 に お け る 活 性 化 エ ネ ル ギ ー,E をE=40.185kJ/mol8)と す れ ば,常 温(25℃)の 反 応 速 度 定 数k1と 自発 着 火 温 度(560℃)の 反 応 速 度 定 数 k2の 比 は 約3.3×104と な り,常 温 時 に 比 べ 自発 着 火 温 度 時 の 反 応 速 度 定 数 は,非 常 に 大 き い こ とが わ か る.す な わ ち,水 素 燃 焼 反 応 の 活 性 化 エ ネ ル ギ ー が 大 き い た め,常 温 で は 反 応 は 進 行 しな い｡し か しな が ら,常 温 で あ っ て も,触 媒 を 用 い た り,ス パ ー ク を 起 こ し た りす れ ば,容 易 に 発 火 す る.こ れ は,活 性 化 エ ネ ル ギ ー の 減 少 や 反 応 速 度 の 速 い 活 性 粒 子 の 生 成 に よ る.た だ し,水 素 の 最 小 発 火 エ ネ ル ギ ー は 0.018mJと 極 め て 小 さ く,他 の 炭 化 水 素 と 比 べ て は る か に 発 火 しや す い. 水 素 の 燃 焼 特 性 を メ タ ン お よ び プ ロ パ ン と 比 較 し た も の を 表1に 示 す9).水 素 は メ タ ンや プ ロ パ ン に 比 べ て,重 量 当 た り の 発 熱 量 が 非 常 に 大 き く,燃 焼 に 必 要 な 空 気 量 が 非 常 に 少 な い.そ の 結 果,燃 焼 範 囲 も4.0%∼75.0%と 非 常 に 広 範 囲 で あ る.ま た,水 素 は 化 学 的 活 性 が 非 常 に 大 き い 元 素 で あ り,燃 焼 速 度 は メ タ ン の 約8倍 と非 常 に 速 い.一 方,燃 焼 を 開 始 す る た め に 必 要 な 着 火 エ ネ ル ギ ー は メ タ ン の 約 1/16で あ り,水 素 は 極 め て 高 い 燃 焼 特 性 を 示 す. 表1水 素 、 メ タ ン 、 プ ロパ ン の 燃 焼 特 性 一 般 に可 燃 性 ガ ス が空 気 な どの支 燃 性 ガ ス と一 定 の割 合 で混 合 す る と可 燃 性 混 合 ガ ス とな る.こ の混 合 ガ ス に何 らか のエ ネ ル ギー が加 わ り発 火 す る と火 炎 とな る が,条 件 に よ っ て は激 しい爆 発 が発 生 す る. 配 管 か ら漏 えい してい る ガ ス に直 接 着 火 す る とジ ェ ッ ト火 炎 に な る.し か しな が ら,空 気 と十 分 混 合 し た 後 に着 火 す る と爆 発 が 発 生 す る.爆 発 形 態 は爆 燃 と爆 こ うに大 別 され,爆 燃 とは燃 焼 速 度 が音 速 以 下 で,緩 や か な圧 力 波 を発 生 し,爆 ご うは燃 焼 速 度 が 音 速 を超 え,衝 撃 波 を発 生 す る.特 に爆 ご うが 発 生
す る と周 囲 の機 器 ・構 築 物 に 大 きな 損 傷 を与 え る. 水 素 の爆 ご う範 囲 は メ タ ンに 比 べ 非 常 に広 範 囲 で あ り,爆 ご うを起 こす た めの エ ネ ル ギー は非 常 に小 さ い.し た が って,水 素 の 混 合 ガ ス の爆 発 は爆 ご うに 至 る可 能 性 が 非 常 に高 い. ガ ス 爆 発 時 に発 生 す る圧 力 波 の 強 さは,TNT火 薬 の 爆 発 実 験 か ら得 られ た爆 発 特 性 曲線 か ら類 推 す る 場 合 が 多 い.ま た,可 燃 性 混 合 ガ ス の 爆 発 挙 動 を数 値 解 析 して 得 られ た 曲線 か ら距 離 と爆 風 圧 の 強 さの 関 係 を推 定 す る方 法 も提 案 され て い る10).こ こで 用 い られ る爆 風 強 度 は,爆 発 挙 動 の 強 さ を考 慮 す るた め の定 性 的 指 標 で,着 火 エ ネ ル ギー の 大 小,障 害 物 の 等 の存 在 や燃 焼 空 間 の 密 閉 性 に よ る燃 焼加 速 の 可 能 性 を定 性 的 に分 類 す る もの で あ り,一 般 に は障 害 物 の な い 開 放 空 間 に お け る 最 も 弱 い 爆 発 挙 動 を levellと し,着 火 エ ネル ギ ー が 大 き く,ま た 燃 焼 加 速 の可 能 性 も あ り,爆 ご うに至 る よ うな強 い 爆 発 挙 動 をlevel10と して い る. 爆 風 圧 に よ る被 害 は人 的 及 び 物 的 の両 者 が あ る. 人 体 に及 ぼす 影 響 と して 代 表 的 な もの が 鼓 膜 の損 傷 で あ り,文 献 に よ る と40kPaの 加 圧 で 鼓 膜 の損 傷 率 が10%と の 報 告 が あ る11).構 築 物 に与 え る影 響 につ い て はGlasstoneが ま とめ て い る11).そ れ に よ る と 1kPaで 窓 ガ ラス が破 損 し,5kPaで 一 般 家 屋 に多 少 の 被 害 が生 じ,10kPaで 建 物 の ス チ ール 製 フ レー ム に ひ ず み が 生 じる.20kPaで ス チ ー ル 製 フ レー ム が破 損 し,35-50kPaで 一般 家屋 が 全壊 し,70kPaで ほ と ん どの構 築 物 が 崩 壊 す る.し た が って,爆 発 が発 生 した場 合,周 辺 の機 器 構築 物 へ の被 害 を最 小 限 に と どめ るた め に は,爆 風 圧 に よ る加 圧 を10kPa程 度 に 抑 制 す る こ とが 必 要 で あ る と され て い る. 4高 温 ガス 炉 水 素 製 造 シス テ ム に適 用 す る 離 隔 距 離 評 価 案 可 燃 性 ガ ス は漏 洩 後 大 気 流 動 に よ っ て移 流 拡 散 し な が ら空 気 と混 合 し,可 燃 性 ガ ス雲 を形 成 す る.こ の混 合 気 に何 らか の原 因 で着 火 した場 合 に爆 発 が発 生 す る.し たが っ て,可 燃 性 ガ ス の爆 発 を考 え る場 合,こ の2つ の 挙 動 を考 慮 しな けれ ば な らない.し か しなが ら,現 状 で は 国 内 に 限 らず 諸 外 国 にお い て も安 全 関連 法 規 で は爆 発 のみ に着 目 し,可 燃 性 ガ ス 雲 の形 成 に 関 し,詳 細 な点 ま で 考 慮 してい る とは言 え ない.高 温 ガ ス 炉 水 素 製 造 シ ステ ム は原 子 炉 に化 学 プ ラ ン トを接 続 す る世 界 初 の原 子 炉 シス テ ム とな る こ とか ら,十 分 な安 全 性 の確 保 が求 め られ る.そ こ で,事 故 の進 展 挙 動 を十 分 考 慮 しつ つ,移 流 拡 散 挙 動 を考 慮 した 可 燃 性 ガ ス雲 の爆 発 に対 す る離 隔距 離 評 価 法 が 提 案 され てお り,拡 散 ・爆 発 挙 動 解 析 が 行 わ れ てい る. 図1離 隔 距離 に 関 す る評 価 方 法 の概 念 図 離 隔 距 離 を評 価 す る上 で の過 圧 力 の許 容 値 は人 的 被 害,構 造 物 へ の影 響 の観 点 か ら10kPaが 許 容 値 の 目安 と され て い る.爆 発 事 象 に対 す る離 隔距 離 は, 漏 えい した可 燃 性 ガ ス の移 流 拡 散 に よ り移 動 す る距 離 と爆 発 が発 生 した地 点 か らの爆 風 圧 の低 減 に 要す る距 離 の和 と して評 価 す る.し た が っ て,可 燃 性 混 合 気 の移 動 距 離 の評 価 と可燃 性 混 合 気 の爆 発 を仮 定 した場 合 の爆 風 圧 低 減 距 離 の評 価 に分 け て扱 うこ と が で き よ う。離 隔距 離 に 関す る評 価 方 法 の概 念6)を 図1に 示 す. 4.1移 流拡 散 に よ る移 動 距 離 の 評価 方 法4) 雰 囲気 中へ 漏 え い した 可燃 性 ガ ス は 大気 の流 れ に よ っ て風 下へ 移 動 す る と と もに,乱 流 拡 散 に よ り可 燃 性 混 合 ガ ス と して ク ラ ウ ド(可 燃 性 ガ ス雲)を 形 成 す る.ク ラ ウ ド中 の 可燃 性 ガ ス濃 度 が爆 発 限界 濃 度 を 下 回 る ま で の距 離 が最 大 移 動 距離 で あ る.移 動 距 離 を評 価 す る た め の 可燃 性 混 合 ガ ス の分 布 を 求 め る に は,Pasquillの 式10)に 基 づ く大気 拡 散 モ デル が 用 い られ て い る.こ のモ デ ル は原 子 力 安 全 委 員 会 の 「発 電 用 原 子 炉 施 設 の安 全 解 析 に 関す る気 象 指 針 」 にお い て,被 ば く評 価 用 の核 分 裂 生成 物 の 大気 拡散 評 価 に も用 い られ て お り,ク ラ ウ ドの濃 度 分 布 形 に ガ ウス分 布 を仮 定 し,分 布 の広 が りを規 定す る拡散 パ ラ メ ー タ を与 え る こ とに よ り,任 意 の場 所 で の濃 度 を表 現 す る も の で あ る.移 動 距離 の評 価 に お い て は,長 時 間 の放 出事 象 に対 して は連 続 放 出 モ デル を 適 用 し,短 時 間 の放 出事 象 に対 して は,瞬 時放 出 モ デ ル を適 用 す る こ と と して い る.こ れ らの濃 度 分布 に用 い られ る分 布 関数 は,3次 元 の各 方 向 に そ れ ぞ れ 独 立 の 関数 と して お り,ガ ウス分 布 を基 本 と して い る が,鉛 直 方 向 に つ い て は地 表 面等 で の反 射 を 考 慮 した形 に な っ て い る.ま た分 布 関数 を 定 め る拡 散 パ ラ メ ー タ は,ガ ウス分 布 に お け る標 準偏 差 に 相 当
す る も の で あ る が,気 象 条 件,距 離 等 の評 価 条 件 の 関数 と して決 定 され る.拡 散 パ ラ メ ー タ の算 出 に は 幾 つ か の方 法 が提 案 され て お り,離 隔距 離 評 価 に お い て は大 気 安 定 度,風 速,放 出 高 さ等,種 々 のパ ラ メー タ の効 果 を考 慮 で き る. 4.2 爆 風 圧 低 減 距 離 の 評 価 方 法 蒸 気 雲 爆 発 に よ る 爆 風 圧 を 評 価 す る 代 表 的 な 手 法 と し て はTNT法,Multi-Energy法 等 が あ る3,4).ど ち ら の 手 法 も ほ ぼ 同 程 度 の 保 守 性 を 有 す る と考 え ら れ て お り,評 価 式 の 自 由 度 の 点 で は 着 火 強 度 等 の 影 響 因 子 を 考 慮 で き る こ と か ら,高 温 ガ ス 炉 水 素 製 造 シ ス テ ム に 対 して はMulti-Energy法 の 適 用 が 提 案 さ れ て い る.こ の 方 法 は,可 燃 性 ガ ス と空 気 の 混 合 ガ ス が 半 球 状 の 蒸 気 雲 を 形 成 し て い る と仮 定 し,そ の 蒸 気 雲 の 燃 焼 に よ る ガ ス の 膨 張 を 気 体 力 学 に 基 づ き 解 析 し て 爆 風 圧 を 評 価 す る 方 法 で あ る.適 用 に 当 た っ て は,次 式 に 従 っ て ス ケ ー ル 化 距 離,r'を 求 め る. チ ャ ー トを 用 い て 目標 とす る 過 圧 力 に 応 じ た ス ケ ー ル 化 距 離 を 読 み 取 り,爆 風 圧 低 減 距 離 を 算 出 す る.
(1)
こ こ で, r:爆 風 圧 低 減 距 離[m], r': ス ケ ー ル 化 距 離 [-], E: 爆 発 エ ネ ル ギ ー[J], P0: 雰 囲 気 圧 力[Pa]で あ る.Eは 蒸 気 雲 の 量 に 単 位 燃 焼 エ ネ ル ギ ー を 乗 じ て 算 出 す る.チ ャ ー トか ら ス ケ ー ル 化 距 離r'に 対 応 す る 無 次 元 化 過 圧p'sを 読 み 取 り,任 意 の 距 離 に お け る 爆 風 の ピ ー ク 過 圧 を 算 出 す る. (2) 単 位 燃 焼 エ ネ ル ギー は,水 素,メ タ ン等 の炭 化 水 素 系 のガ ス にお い て は,い ず れ も空 気 との理 論 混 合 比 と した可 燃 性 混 合 ガ ス の標 準 状 態 で の 単位 体 積 に つ い て3.5MJ/m3程 度 で あ る.燃 焼 エ ネ ル ギー を求 め るの に必 要 な,爆 発 に寄 与 す る ク ラ ウ ド内 の可 燃 性 ガ ス 質 量 は,ク ラ ウ ドの移 動 距 離 の評 価 か ら得 られ る可 燃 性 ガ ス の濃 度 分 布 を爆 発 限界 内 の濃 度 を数 値 計 算 に よ り空 間 積 分 して 求 め る こ と と してい る. 4.3 数 値 解 析 に よ る評 価 方 法 図2 に高 温 ガ ス 炉 水 素 製 造 シス テ ム で想 定 され る 火 災 ・爆 発 事 象 と設備 位 置 との 関係 を示 す 。 原 子 炉 建 屋 か ら水 素製 造 プ ラ ン トま で の 距 離 は、HTTR水 素 製 造 シ ステ ム を 例 に とっ た場 合 で は 約30mで あ る。火 災 ・爆 発 発 生 個 所 は、 原 子 炉 建 屋 外 部 の 開放 空 間 と原 子 炉建 屋 内 部 の 密 閉 空 間 に大 き く分 類 す る こ と が で き る。 図2 火 災 ・爆 発 個 所 と設 備 位 置 の 関係 4.3.1 原 子 炉 建 屋 外 部 に お け る火 災 工爆 発 原 子 炉 建 屋 外 部 で発 生す る可能 性 の あ る火 災 ・爆 発 事 象 は,主 と して蒸 気 雲 爆 発,フ ァイ ヤ ー ボ ール, 液 面火 災 の3つ で あ るが,こ れ らの うち,特 に影 響 が 大 き い事 象 は蒸 気 雲 爆 発 とフ ァイ ヤ ー ボ ール で あ る.フ ァイ ヤ ー ボー ル に 関 して は,既 存 の化 学 プ ラ ン ト等 で採 用 され て い る地 下 埋 設 常 圧 貯 蔵 式LNG タ ン ク に よっ て発 生 の 可能 性 を設 計 基 準 外 事 象 か ら さ らに低 く抑 え る こ とが で き る と して い る4). 一方 ,液 面火 災 に よる原 子 炉 へ の 直接 的 な影 響 は 小 さい と考 え られ る もの の,大 規 模 な火 災 が長 時 間 継 続 して発 生 した場 合 に は,大 規 模 開放 空 間 で の循 環 流 が形 成 され,従 来 の被 ば く評 価 結 果 が変 化 す る こ とが懸 念 され る. 4.3.2 原 子 炉 建 屋 内 部 に お け る火 災 ・爆 発 原 子 炉 建 屋 内部 の各 コ ンパ ー トメ ン トに は様 々 な 機 器 ・配 管 が設 置 され て い るが,こ の うち安 全 上重 要 な機 器 が著 しい影 響 を受 け て は な らな い.特 に格 納 容 器 内 に お け る爆 発 に 関 して は,格 納 容 器,一 次 冷 却 設 備,補 助 冷 却 設 備,炉 容 器 冷 却 設 備 等 の安 全 機 能 を有 す る機 器 の健 全 性 を確 保 す る必 要 が あ る. HTTR水 素製 造 シ ス テ ム で は これ らの安 全 性 を確 保 す る た め,万 一 原 子 炉 建 屋 内 に水 素製 造 シ ス テ ム側 か ら可燃 性 ガ ス が流 入 して も,こ れ を検 知 し高温 隔 離 弁 を遮 断す る こ とに よ っ て火 災 ・爆 発 の発 生 を 防 止 す る方 法 が検 討 され て い る. 4.4 各事 象 の解 析 各 事 象 の推 移 を解 析 す る た め に は,蒸 発,ガ ス拡 散,燃 焼(液 面 火 災,蒸 気 雲 爆 発,爆 ご う),衝 撃 波 を含 む 圧 力 波 の伝 播,大 気 熱 流 動 の各 現 象 を解 析 す る必 要 が あ る.し か しな が ら,液 面 火 災 と大 気 熱 流 動,蒸 気 雲 爆 発 と圧 力 波 の伝 播,爆 ご う と衝 撃 波 の伝 播 は密 接 に関係 して お り,同 時 に解 析 す る こ とに な る と考 え られ るが,液 面 火 災,蒸 気 雲 爆 発 と爆 こ うは燃 焼 メカ ニ ズ ムが 全 く異 な るた め,同 時 に解 析 す るた め に は工 夫 が必 要 で あ る. 4.4.1気 体 拡 散 の 分 類 ガ ス の拡 散 現 象 を分 類 す る と解 析 上 は次 の よ うに 分 け る こ とが で き よ う.ま ず,温 度 に対 応 した 原 子 ・ 分 子 の併 進 運 動 に よ り拡 散 す る分 子 拡 散,次 に 乱流 渦 の拡 散 と と もに そ の 中 の化 学種 が 拡散 す る乱流 拡 散,最 後 に 日射 量 が 大 き い場 合 に 地表 近傍 の 空気 が 暖 め られ て 対流 が発 生 し,こ の 対 流 に よ り化 学 種 が 拡 散 す る大 気安 定性 に 依 存 した 乱 流 拡 散 で あ る.後 ろの 二 つ は と も に乱 流 に よ る渦 拡 散 に伴 った 気 体 の 拡 散 で あ るが,乱 流 成 分 の 原 因 で 分 けて い る. 図3大 気 安 定 性 の違 い に よ る煙 突 か らの煙 の拡 散 大 気 中の 乱 流 拡 散 に影 響 を与 え る大 気 安 定性 を表 す1つ の 指 標 に,地 上 か らの高 さに対 す る温 度 変 化 が あ る.乾 燥 空 気 の 塊 を断 熱 的 に上 下 移 動 す る場 合 に生 じる理 想 的 な 温 度 勾 配 は次 式 に示 す よ うに一 定 で,乾 燥 断 熱 減 率(γd＝0.098℃/m)と 呼 ん でい る. (3) こ こ で,Tは 温 度,zは 高 度,Cpは 定 圧 比 熱,gは 重 力 加 速 度 で あ る.実 際 の 高 度 に 対 す る 温 度 勾 配 を γ とす る と,γ 〉 γdで は 安 定,γ<γdで は 不 安 定,γ=γd で は 中 立 の 状 態 で あ る12,13).例 え ば,日 中 に 日射 量 が 大 き い 場 合 で は,地 表 近 傍 の 空 気 が 暖 め られ て 対 流 が 生 じや す く な り,γ<γdの 不 安 定 な 状 態 と な る. 大 気 安 定 性 の 違 い に よ る煙 突 か ら の 煙 の 拡 散 の 様 子 を 図3に 示 す. 可燃 性 ガ ス の 大気 拡 散 の概 要 を図4に 示 す.可 燃 性 ガ ス の 放 出 部 近傍 で は,放 出 流 で 生 じ る乱 流 に よ りガ ス が 拡 散 す る.放 出 部 か ら遠 ざか るほ ど大 気 安 定 性 に依 存 した 乱 流 拡 散 の 影 響 が 強 く な る.大 気 中 の 拡 散 は風 に よ る移 流 や 建 築 物 周 囲 の 流 れ に も影 響 され る. 図4可 燃 性 ガ ス の 大気 拡散 の概 要 4.4.2燃 焼 解 析 に お け る 蒸 気 雲 爆 発 の 解 析 蒸 気 雲 爆 発 は,雰 囲 気 中 に放 出 され 空 気 と混 合 さ れ た ガ ス の塊 の あ る場 所 で 着 火 し,急 激 に火 炎 が 伝 播 し,圧 力 波 を発 生 す る現 象 で あ る.し た が って, 燃 焼 メカ ニ ズ ム は予 混 合 燃 焼 で あ り,爆 燃 とも呼 ば れ て い る1416).こ れ ま で の予 混 合 燃 焼 に 関す る研 究 は主 にエ ン ジ ン 内部 で の燃 焼 で あ る が,蒸 気 雲 爆 発 は 開放 され た大 規 模 空 間 にお け る非 定 常 予 混 合 燃 焼 で あ る た め,幾 つ か の 問題 が あ る.一 つ 目に反 応 モ デ ル,二 つ 目に火 炎 厚 み が解 析 し よ う とす る領 域 の ス ケー ル に対 して非 常 に小 さい こ と,三 つ 目に燃 焼 が激 し くな る と火 炎 背 後 の膨 張流 が圧 力 波 を形 成 さ せ る の で,非 圧 縮 性 流 れ か ら圧 縮 性 流 れ に移 行 す る こ と,最 後 に燃 焼 に よっ て構 造 物 が受 け る圧 力 と熱 の影 響 が あ り,熱 につ い て は燃 焼 ガ ス か らの熱 放 射 を評 価 す る必 要 が あ る. 反 応 モ デ ル に 関 して は,反 応 の簡 略化 に対 す る問 題 が あ る 。最 も簡 単 な酸 素 一 水 素 反 応 で さえ,20以 上 の重 要 な反 応 が あ る.工 学 的 な ア プ ロー チ で は, これ らの 素反 応 を 考慮 す る こ とは 計 算 コス トの観 点 か ら決 して効 果 的 で あ る とは い えず,総 括 反応 と し
て,逆 反 応 の な い 一 つ の 反 応 と し て 総 括 反 応 モ デ ル を 用 い る 場 合 が 多 い.し か し な が ら,こ の 総 括 反 応 モ デ ル を 用 い る と,燃 焼 速 度 を 正 確 に 模 擬 で き な い 場 合 が あ り,1次 元 解 析 で 層 流 燃 焼 速 度 の 計 算 を 行 い,実 験 で 求 め られ て い る 燃 焼 速 度 と比 較 し て,総 括 反 応 モ デ ル で 使 用 され て い る パ ラ メ ー タ が 適 切 で あ る か ど うか を 調 べ る 必 要 が あ ろ う. 一 般 に 化 学 反 応 速 度 は ア レニ ウ ス 型 反 応 モ デ ル で 表 さ れ,化 学 反 応 速 度 は 反 応 す る ガ ス の 濃 度 と温 度 に 依 存 す る.し か しな が ら,乱 流 が 強 く な る と反 応 速 度 は 乱 流 渦 の 消 散 速 度 に 依 存 す る こ と とな る.そ こ で,反 応 速 度 が 渦 崩 壊 速 度 に 依 存 す る こ と を モ デ ル 化 した の が 渦 崩 壊 モ デ ル で あ る.し た が っ て,乱 流 強 度 の 小 さ な と こ ろ で は ア レニ ウス 型 反 応 モ デ ル で 計 算 し,大 き な と こ ろ で は 渦 崩 壊 モ デ ル で 計 算 す る こ と に な る,な お,爆 ご う波 で は,反 応 は 衝 撃 波 背 後 の 温 度 で 自 発 的 に 反 応 す る た め,乱 流 反 応 モ デ ル は 必 要 で な い. 数 値 解 析 的 な 取 り扱 い で は 解 析 メ ッシ ュ の 問 題 も 考 慮 し な け れ ば な ら な い.層 流 火 炎 の 解 析 を 考 え た と き,火 炎 内 を 数 メ ッ シ ュ に 分 割 して,火 炎 内 の 熱 伝 導 を 解 く こ と が 火 炎 伝 播 を 解 析 す る 上 で 必 要 と な る.し か し な が ら,大 規 模 空 間 内 を解 析 す る 場 合 に は,通 常 の メ ッ シ ュ サ イ ズ が 数10cmと す れ ば, 0.1mm以 下 の メ ッ シ ュ サ イ ズ を 適 用 す る こ と は 困 難 で あ る.こ の 問 題 を 解 決 す る 方 法 の1つ に β変 換 法 な る 手 法 が あ り,こ れ は 火 炎 の 厚 み を 人 工 的 に 拡 大 して,メ ッ シ ュ サ イ ズ の 燃 焼 速 度 へ の 影 響 を 補 正 す る も の で あ る.ま た,火 炎 伝 播 が 緩 や か な 場 合 は, 火 炎 背 後 の 膨 張 波 の 速 度 は 小 さ く 火 炎 前 方 の 気 相 を 圧 縮 しな い が,火 炎 伝 播 速 度 が 音 速 に 近 づ く に つ れ, 火 炎 前 方 の 気 相 を 圧 縮 し圧 力 波 を 形 成 さ せ る.し た が っ て,解 析 で は 非 圧 縮 性 流 れ か ら圧 縮 性 流 れ に ま で 連 続 的 に 取 り扱 う必 要 が あ る. 燃 焼 ガ ス か ら の 熱 放 射 に 関 す る 問 題 と して,フ ァ イ ヤ ー ボ ー ル が 形 成 さ れ た 場 合,強 い 熱 放 射 が 生 じ, 人 体 に 影 響 を 及 ぼ す 危 険 性 が あ る.一 般 に,気 体 の エ ネ ル ギ ー 保 存 式 に 熱 放 射 を 考 慮 して,流 れ 場 と熱 放 射 場 を連 成 して 燃 焼 ガ ス か ら の 熱 放 射 を厳 密 に 解 く こ と は,気 体 が1次 元 の 灰 色 体 で あ っ て も 容 易 で は な い.現 実 的 に 熱 放 射 を 考 慮 す る の で あ れ ば,保 守 的 な 仮 定 で は あ る が,燃 焼 ガ ス は 熱 放 射 に よ り冷 却 され な い,燃 焼 ガ ス と 受 光 面 の 間 の ガ ス は 透 明 で あ る と い う仮 定 の 下 に 解 析 す る 方 法 が あ る.こ の 場 合,燃 焼 過 程 の 計 算 が 終 了 した 後 で,燃 焼 ガ ス の 放 射 率 と燃 焼 ガ ス 温 度 及 び 燃 焼 ガ ス 体 と 固 体 表 面 の 位 置 関 係 か ら,熱 放 射 に よ る 影 響 の 評 価 は 可 能 で あ る. 図5解 析 モ デ ル(3D) 図6解 析 モ デ ル(2D) 図7計 測 点 の 過 圧 時 間 変 化 漏 え い した 可 燃 性 気 体 が 着 火 ・爆 発 し,圧 力 波 が 伝 搬 す る 事 象 の 解 析 例 を 以 下 に 示 す.解 析 モ デ ル を 図5,6に 示 す,解 析 は ま ず 初 め に 天 然 ガ ス の 漏 え い
と 流 動 解 析 を 汎 用 の 熱 流 体 コ ー ド(Phoenics)を 用 い て 行 い,メ タ ン 濃 度 分 布 を 初 期 条 件 と し て, AutoReaGasに よ り爆 発 解 析 を 行 っ た 結 果 で あ る.解 析 は 生 成 さ れ た 圧 力 波 の 伝 搬 に よ り主 要 な 建 屋 位 置 で 最 大 圧 力 値 を 記 録 した の ち の 着 火 か ら2.7秒 ま で 計 算 した 結 果 で あ る.図7は 計 測 点 の 過 圧 の 時 間 変 化,図8は2.7秒 ま で に 各 セ ル で 記 録 さ れ た 最 大 圧 力 の 分 布 を 示 して い る.詳 細 な 検 討 結 果 の 詳 細 は 文 献6,17)を 参 照 され た い. (Pa) 図8最 大圧 力分 布 4.4.3液 面 火 災 に 係 る 解 析 液 面火 災 は,火 炎 か らの液 体 燃 料 表 面 へ の熱 放 射 と対 流 に よる熱 伝 達 に よ っ て,液 体 燃 料 が蒸 発 し, 雰 囲気 へ 拡 散 した可 燃 性 ガ ス と雰 囲気 か ら低 酸 素 濃 度 領 域 へ 拡 散 して く る酸 素 とが 条 件 に応 じて 反 応 (燃焼)す る現 象 で あ り,燃 焼 メ カ ニ ズ ム は拡 散 燃 焼 で あ る. 液 面 火 災 を 解 析 す る 目 的 は,燃 焼 に よ る 上 昇 気 流 の 発 生 お よ び 燃 焼 領 域 へ の 大 気 の 吹 き 込 み 等 の 大 気 熱 流 動 を 解 析 し,被 ば く評 価 の 条 件 を 求 め る こ と に あ る.し た が っ て,大 気 流 動 解 析 に お い て は,火 炎 解 析 よ り は る か に 大 き な 空 間 が 解 析 対 象 と な り,2 つ の 解 析 を 同 時 に 同 − モ デ ル 上 で 実 行 す る こ と は メ ッ シ ュ サ イ ズ の 点 で 困 難 と な る こ と か ら,両 解 析 に イ ン タ ー フ ユ ー ス 機 能 を 持 た せ て 個 別 に 実 行 す る こ と に な ろ う. 4.4.4爆 ご う 解 析 爆 ご うの 特 徴 と し て は,火 炎 伝 播 速 度 が 超 音 速 で (例 え ば 空 気 中 の メ タ ン で は 約1798m/s),発 生 圧 力 が 極 め て 大 き く(空 気 中 の メ タ ン で は17.1atm),衝 撃 波 を 発 生 し,発 生 温 度 が 非 常 に 高 い(空 気 中 の メ タ ン で は2775K)等 が 挙 げ ら れ る.し た が っ て,爆 ご う解 析 に お い て は,燃 焼 現 象 衝 撃 波 を 伴 う現 象, お よび 流 体 との構 造 物 の衝 撃 的 相 互 作 用 な ど固体 と 気 体 の動 的 相 互 作 用 挙 動 を 同時 に扱 わ な けれ ば な ら な い 。 非 均 質 な混 合 気 体 が反 応 す る現 象 は極 め て複 雑 な 過 程 を経 る も の と考 え られ,反 応 速 度 を表 す 多数 の 連 立 常 微 分 式 と流 体 の挙 動 を記 述 す る偏 微 分 方程 式 と連 立 させ,乱 流 効 果 等 を考 慮 しな が ら全 方 程 式 系 を解 く こ とに な り,膨 大 な計 算 時 間 を 要す る.最 も 簡 単 な水 素 と酸 素 の混 合 気 体 を 考 え た場 合 で さえ, 20種 類 以 上 の 反 応 式 を考 慮 しな けれ ば な らず,こ れ らの個 々 の式 に対 して,ア レニ ウス の反 応 速 度式 を 適 用 す る と20個 以 上 の連 立 常微 分式 を解 か な けれ ば な らな い.し か しな が ら,安全 評 価 の観 点 か らは, 想 定 され る最 も重 大 な事 故 が起 こっ た場 合 を 考 え, 予 め一 様 に混 合 され た気 体 が 定 常 的 な 理想 爆 ご うを 起 こす とい う保 守 的 な仮 定 を置 い た解 析 を行 うこ と に な ろ う.こ の場 合,一 様 な速 度 で反 応 波 面 が進 行 し,エ ネ ル ギ ー を解 放 して行 くが,火 炎 の伝 播 速 度 (爆 ご う速 度)は 理論 値 と通 常 は2∼3%以 内 の誤 差 で一 致 す る.し た が っ て,定 常 的 な理 想 爆 ご うの 仮 定 を置 け ば,爆 ご う波 の 挙動 が わ か り,爆 ご う物 質 の 開放 す る化 学 エ ネ ル ギ ー 量 お よび圧 力評 価 式 が わ かれ ば,こ れ らを数 値 流 体 力 学 コー ドと連 成 す る こ とに よ り,そ の エ ネ ル ギ ー解 放 過 程 を解 析 す る こ と が で き る. 以 上 の こ と か ら,原 子 力 機 構 で は 既 存 の 商 用 解 析 コ ー ドを 用 い て,火 災 ・爆 発 解 析 コ ー ドシ ス テ ム を 構 築 し て お り,高 温 ガ ス 炉 に 水 蒸 気 改 質 水 素 製 造 シ ス テ ム を接 続 した 場 合 の 火 災 ・爆 発 に 関 す る 数 値 解 析 結 果 が 示 さ れ て い る17.18).現 在,設 計 検 討 中 の シ ス テ ム は 熱 化 学 法ISプ ロセ ス に よ る 水 素 製 造 シ ス テ ム で あ る た め,今 後 は 水 素 に 対 す る漏 え い,火 災 ・ 爆 発 対 策 を 構 築 す る こ と に な ろ う. 5ま と め 現 在,第 四 世 代 炉 で あ る 超 高 温 ガ ス 炉 を 用 い た 電 力 ・水 素 併 産 シ ス テ ム の 開 発 研 究 は,国 際 協 力 研 究 に よ り進 め ら れ て い る と と も に,米 国 の 次 世 代 原 子 力 プ ラ ン ト(Next Generation Nuclear Plant, NGNP) や 南 ア フ リ カ の ペ ブ ル ベ ッ ト型 モ ジ ュ ラ ー 炉
(Pebble Bed Modular Reactor, PBMR)な どで も 水 素 製 造 シ ス テ ム の 接 続 が 検 討 さ れ て い る.原 子 力 機 構 で も 超 高 温 ガ ス 炉 の 設 計 研 究 や 高 温 工 学 試 験 研 究 炉 HTTRに 接 続 す る 水 素 製 造 シ ス テ ム の 研 究 開 発 が 進 め ら れ て い る が,今 後 の 実 用 化 に 向 け た 安 全 審 査 や 設 置 許 可 申 請 に お い て は,水 素 の 火 災 ・爆 発 に よ る 原 子 炉 シ ス テ ム へ の 影 響 の 定 量 化 も含 め て,火 災･
爆 発 の 防止 対 策,安 全 裕 度 の考 え方 な どを確 定 して い くこ とに な る.特 に爆 燃 か ら爆 ご うへ の遷 移 過 程 を厳 密 に解 くこ とは,配 管 内 の爆 ご う解 析 です ら解 析 コー ドの検 証 も含 め て容 易 で は な い19).し た が っ て,原 子 炉 シ ステ ム の安 全 評 価 上 は気 体 漏 え い検 知 や 漏 えい 防 止 対 策,爆 発 発 生 防 止 対 策 等 を優 先 して 検 討 す べ き で あ る.本 稿 で は,開 放 空 間 にお け る水 素 の 爆 発 解 析20)や原 子 炉 シ ビア ア ク シデ ン ト時 の構 造 バ ウ ン ダ リ健 全 性 評 価 解 析21),ド イ ツ に お け る水 素 製 造 設 備 等 を対 象 と した爆 燃 か ら爆 ご うま で取 り 扱 う解 析22,23)につ い て は紹 介 しな か っ た が,今 後 水 素 製 造 シ ステ ム を原 子 炉 設 備 に含 めず,一 般 施 設 と して 設 置 す る設 計 方 針 を採 用 す る の で あれ ば,一 般 の 水 素 製 造 設 備 の火 災 ・爆 発 事 象 に 関 して行 われ て きた 研 究 結 果 を考 慮 して 原 子 炉 に及 ぼす 影 響 を評 価 し,火災 ・爆 発 発 生 防 止 策 を検 討 す る こ とに な ろ う.
謝辞
本 稿 を執 筆 す る に あ た り,貴 重 な コ メ ン トを い た だ い た 稲 葉 良知 氏(原 子 力 機 構),西 原 哲 夫 氏(同), 執 筆 の機 会 を与 え て い た だい た班 目春 樹 先 生(東 大), 横 堀 誠 − 先 生(武 蔵 工大)に 感 謝 い た します. 引 用 文 献1) http://www. ne. doe. gov/genIV/documents/gen iv _roa
dmap. pdf
2) http://www. gen-4.org/Technology/systems/vhtr. htm 3) 小 川 益 郎, 他: わ が 国 の 高 温 ガ ス 炉 技 術 開 発 は こ ん な に 進 ん で い る, 原 子 力e y e, 53-4 (2007) 26-33. 4) 西 原 哲 夫, 他: JAERI-Research 97-022 (1997). 5) 稲 葉 良 知, 他: JAERIｰData/Code 2002-014 (2002). 6) 稲 葉 良 知: JAEA-Review 2007-057 (2008). 7) 高 圧 ガ ス 保 安 協 会: 中 級 高 圧 ガ ス 保 安 技 術 (2001)。8) Pons, B. & Benard, P.: Hydrogen Flame Propagation
in the Presence of Obstacles, Proc. 9th Canadian
Hydrogen Conference Hydrogen Power Now, (1999)
567.
9) 化 学 工 業 会: 化 学 工 学 便 覧, 丸 善 (1988)1011.
10)
Bosch,
C. J.
H. & Weterings,
R. A. P.M.:
Methods for
the calculation
of physical
effbcts,
Yellow Book,
Committee for
the
Prevention
of
Disasters
(1997).
11)
Guideline
for
Evaluating
the
Characteristics
of Vapor
Cloud Explosions, FlashFores and BLEVEs,
CCPS/AIChE, New York,
(1994)
351.
12) 岡 本 眞ｰ, 塩 沢 清 茂: 高 密 度 ガ ス の 拡 散 予 測 に つ い て, 大 気 汚 染 学 会 誌, 27-1 (1992) 12-22.
13) Markatos, N. C. & Cox. G.: Hydrodynamics and heat
transfer in enclosures containing a fire source, PCH
Physico Chemical Hydrodynamics, 5-1 (1984) 53-66.
14) 平 野 敏 右: 燃 焼 学 ー 燃 焼 現 象 と そ の 制 御-,海 文 堂 出 版, (1996) 228. 15) 小 林 清 志, 他: 燃 焼 工 学-基 礎 と応 用-, 理 工 学 社, (1995) 249. 16) 日 本 機 械 学 会: 燃 焼 工 学 ハ ン ド ブ ッ ク, 丸 善, (1995) 313.
