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原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

原子力プラント全容解析のための接合部連成モデリングの研究開発

(受託者)独立行政法人日本原子力研究開発機構
(研究代表者)西田明美システム計算科学センター研究副主幹
(再委託先)財団法人電力中央研究所

１．研究開発の背景とねらい

　大規模地震発生時の原子力プラントの耐震性を評価し健全性の裕度を示すことは非常に重要かつ迅速な対応が望まれる課題である。本事業では、不具合の生じ易い部品と部品の接合部に着目し、接合部の接合効果を考慮できる物理モデルを提案することにより、大規模複雑構造物である原子力プラントの全体的挙動・局所的挙動双方を把握できる解析システムを構築し、これにより次世代炉設計における耐震性評価に貢献することを目的とする。本事業では、以下の研究開発項目を実施する。
(1)接合部連成モデリングに関する研究開発
　原子力プラントの全体的挙動・局所的挙動双方を把握できる解析システムを構築するために、設備－建屋間の接合部の連成モデリングに関し、接合部連成モデルの試作、改良、調整を行う。
(2)ハイブリッド実験システムに関する研究開発
　設備－建屋間の接合部に対して提案した接合部連成モデルの妥当性の検証を目的とし、シミュレーションの一部を実験に置き換えるハイブリッド実験手法を導入し、ハイブリッド実験及びハイブリッド仮想実験を実施する。ハイブリッド実験では、接合部試験体を製作し、ハイブリッド実験を実施することにより、接合部連成モデルの妥当性検証のためのデータを取得し接合部の特性を把握する。ハイブリッド仮想実験では、接合部連成モデルをハイブリッド実験の実験部分と置き換えることで、全体シミュレーション（ハイブリッド仮想実験）を実施し、ハイブリッド実験で得られた応答とハイブリッド仮想実験で得られた応答を比較することにより、接合部連成モデルの妥当性を検証する。
(3)実プラントシミュレーションに関する研究開発
　提案した接合部連成モデルの検証のための解析用として実プラントである原子力機構の試験研究炉を対象とし、データ作成を行い、主要冷却設備と建屋間の接合部に本モデルを組み込み組立構造解析を実施し、接合部連成モデルの有効性を評価する。

２．研究開発成果

(1)接合部連成モデリングに関する研究開発
　18年度は、設備－建屋間の接合部連成モデルに関する研究開発を行うため、文献調査を行い、調査結果をもとに、ダンパー等の支持構造物と機器や建物との接続部分における接合部連成モデルを試作し、ベンチマークテストを実施した。文献調査では、１．コンクリート構造である建屋を３次元モデルで解析する重要性が増していること、２．従来は建屋と支持構造物の動的相互作用が十分に考慮されていないこと、３．特大地震時には埋め込み金物の履歴特性を考慮する必要があることが明らかとなった。接合部連成モデルの試作では、近年３次元でのモデル化が検討されている建屋と、ダンパー等の機構特性を考慮するために１次元でモデル化されることの多い支持構造物との接合部のモデル化を工夫することで相互作用を直接考慮し、かつ、埋め込み金物の履歴特性を考慮できる接合部のモデル化が重要であると考え、接合部連成モデルとして、マルチスプリングからなる弾塑性ジョイントモデル⁽¹⁾を基本として接合部連成モデルを試作した。本接合部連成モデルを用いたベンチマークテストでは、図１に示すように、弾塑性ジョイントモデルのスプリング特性のうち、力がほとんど作用しない原点近傍の特性を改良することにより、支持構造物と機器や建屋との接続部分の履歴特性を再現できる見通しが得られた。
　19年度は、試作した接合部連成モデルのパラメータ等の感度調査を行い、すべりの効果を導入するために追加で文献調査を実施した。現在、すべりの効果を考慮するためにせん断バネ、ねじり回転バネ等を非線形とすることを検討中である。

(2)ハイブリッド実験システムに関する研究開発

① ハイブリッド実験
　18年度は、設備と建屋の間に設置される支持構造物との接合部について、試験条件を設定しモデル化の検討を行い、試験体および載荷治具の仕様をまとめ、ハイブリッド実験に用いる試験体を製作した。製作した試験体について、基本ケースの機能確認載荷試験を実施した。その結果、製作した試験体および載荷治具の機能に問題がないことが確認できた。また、機能確認試験より得られた配管支持構造物試験体の剛性評価結果を用いて、接合部を含む実験系全体解析モデルを作成し、ハイブリッド実験の事前シミュレーションを行った。この結果、ハイブリッド実験を実施する上で、加振機の載荷容量・ストロークなどの試験システムの機能が十分であることを確認でき、試験成立性について見通しを得た。
　19年度は、18年度製作した試験体を用いて表1に示す試験項目全ての実験を実施し、地震時応答挙動に関するデータ取得を完了した（図2）。現在、得られたデータの整理中である。

② ハイブリッド仮想実験
　19年度は、ハイブリッド仮想実験の実施のための解析モデルを検討し、解析用入力データの作成を実施中である。解析では、実験で対象としている支持構造物を含む配管系を模擬した解析を行うこととした。

(3)実プラントシミュレーションに関する研究開発
　18年度は、提案した接合部連成モデルの検証のための解析用として実プラントである原子力機構の試験研究炉の主要冷却設備と建屋間に設置される支持構造物の接合部、および該当する建屋部分のモデルデータを作成した。作成したモデルデータと既存主要冷却設備のモデルデータを組み合わせて表示した結果を図3に示す。
　19年度は、開発した接合部連成モデルを用いた実プラントシミュレーションを実施するために必要なメッシュデータを作成するための仕様を検討し、18年度作成したモデルデータを基に、メッシュデータの作成作業を実施中である。

３．今後の展望

　本事業は、次世代炉設計における耐震性評価に貢献することを目的として、従来詳細形状のモデル化が行われていなかった設備―建屋間の接合部の挙動を把握するための接合部連成モデルを開発・提案するための3年計画の研究開発であり、現在その2年目を実施中である。これまでにハイブリッド実験を成功裏に実施できたことから、今後、得られたデータを用いて18年度に試作したモデルのパラメータ調整作業を行い、モデルを改良する。20年度は、実際に稼働中の試験研究炉を対象とした実プラントシミュレーションに改良モデルを適用して更なるモデルの調整を行い実プラントへの適用性を高めることにより、次世代炉設計における耐震性評価への貢献をより確かなものにする計画である。

４．参考文献