原子力関係の 大規模シミュレーション研究

平成１６年度地球シミュレータ利用報告会
2005年1月8日
原子力関係の
大規模シミュレーション研究
（社）日本原子力学会
大規模シミュレーション研究専門委員会
原子力分野のテーマの位置付け
原子炉設計・応答特性解析
ＰＷＲ
ＢＷＲ
ＦＢＲ
新型炉
核熱シミュレーション
熱流体シミュレーション
⑨
⑨
①
流体構造連成シミュレーション
構造健全性シミュレーション ⑥
フロントエンド施設設計・応答特性解析
濃縮プラント
臨界シミュレーション
エミッション評価
転換プラント
ソースターム評価
大気中・水中等拡散評価
バックエンド施設設計・応答特性解析
被曝リスク評価
再処理
臨界シミュレーション
減容固化
処分
（埋設）
物性・反応性評価
②
外部被曝・内部被曝評価
地層バリア評価 ⑦
健康影響評価
その他の原子力施設
核融合炉
プラズマ・シミュレーショ
ン
③
加速器
遮蔽評価
ターゲット設計 ④
ディテクタ設計 ⑤
放射線生物学研究
耐放射線デバイス開発 ⑧
＊原子力関係の大規模シミュレーション研究
サブテーマ
本日の詳細報告
プロジェクト名
責任者氏名
所属
①
直接数値解析手法による原子炉内複雑熱流動挙動
の大規模シミュレーション
高瀬 和之
日本原子力研究所
東海研究所
②
溶液の第一原理分子動力学シミュレーション
平田 勝
日本原子力研究所
東海研究所
③
多階層ダイナミックスが支配するプラズマの
構造形成に関する研究
岸本 泰明
京都大学大学院
エネルギー工学研究科
④
水銀ターゲットにおける液体水銀の圧力波伝播と
容器壁の変形挙動と気泡成長の相互作用の
シミュレーション
荒川 忠一
日本原子力研究所
計算科学技術推進センター
⑤
超伝導ナノファブリケーションによる新奇物性と
中性子検出デバイス開発のための超伝導
ダイナミクスの研究
町田 昌彦
日本原子力研究所
計算科学技術推進センター
⑥
放射線照射に伴う材料の物性変化と破壊の微視的
シミュレーション
蕪木 英雄
日本原子力研究所
計算科学技術推進センター
⑦
地下空間における放射性核種移行と地下水挙動の
大規模シミュレーション技術に関する研究
奥田 洋司
東京大学
人工物工学研究センター
⑧
耐放射線性SiCデバイス用酸化膜の第一原理
分子動力学シミュレーション
宮下 敦巳
日本原子力研究所
高崎研究所
⑨
稠密格子燃料集合体サブチャネル内冷却材
直接乱流シミュレーション
ニノ方 寿
東京工業大学
原子炉工学研究所
コンソーシアム活動
• 大規模シミュレーション
研究専門委員会：
• ユーザー幹事会
【ノード時間配分等コンソーシアム活動の調整】
【研究計画進捗状況と成果の評価】
－１０月１５日(金)：第８回
(流体系テーマ)
－５月１３日(木)：第５回
－７月２２日(木)：第６回
－１１月１６日(火)：第９回
(分子動力学系テーマ)
－１２月３日(金)：第１０回
(その他テーマ)
－９月２９日(水)：第７回
－１１月２４日(水)：第８回
ESノード時間使用実績
(サブテーマ別、４月～１１月)
①高瀬
140
②平田
120
割当てノード時間利用率(%)
③荒川
100
④岸本
80
⑤町田
⑥蕪木
60
⑦奥田
40
⑧宮下
20
⑨二ノ方
総計
0
Apr
May
June
July
Aug
月
Sept
Oct
Nov
年次計画(Ⅰ)
課題名
①原子炉内複雑
熱流動
②溶液の第一原理
分子動力学
③プラズマの構造
形成
１５年度
１６年度
１７年度
１８年度
１９年度
コードのチューニン
グ、予備解析
相変化追加
沸騰遷移・二相乱流
解析
二相流流動遷移現象
予測
革新的水冷却炉の
実炉解析
溶液系のみの構造
混合溶媒での
配位構造
強酸性条件下での
構造
プラズマ粒子・流体
コード
トロイダル乱流・
プラズマ放電
シミュレーション
ジャイロ流体モデル
による多階層電磁乱
流シミュレーション
ITERクラスの静電乱流シミュレーション
高強度レーザー物質相互作用・レーザー
誘雷シミュレーション
④核破砕水銀ター
ゲット
流体・構造連成
コードの開発
キャビティの導入
キャビティへの気泡動力学等の導入
年次計画(Ⅱ)
課題名
⑤超伝導ダイナミ
クス
⑥材料物性変化と
破壊
１５年度
１６年度
１７年度
コード開発と計算
シミュレーション(中性子検出とナノ超伝導)
らせん転位原子構造の
特定と応力の評価
実装及び単結晶のシ
ミュレーション
多結晶粒界割れのシミュレーション
１８年度
１９年度
⑦放射性核種移行
コード開発、可視化
手法の検討
⑧SiCデバイス用酸
化膜
⑨燃料集合体サブ
チャネル内直接乱
流シミュレーショ
ン
コードのチューニン
グ
数百の廃棄体、流
れ・熱・核種移行の
連成による塩淡境界
４万の廃棄体、流れ
・熱・核種移行・化
学反応を考慮した
NF-FF連成解析
各種界面のシミュレーション
プリプロセッサー
開発、並列化
温度計算ルーチンの
開発および計算
偏心アニュラス体系流路、非対称２サブ
チャネル流路のコード開発及び計算、検証
16年度年間計画(Ⅰ)
課題名
①直接数値解析手法による
原子炉内複雑熱流動挙動の
大規模シミュレーション
②溶液の第一原理分子動力
学シミュレーション
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
模擬燃料チャンネル内の大規模気泡
流挙動に関するシミュレーション
稠密燃料集合体内の液膜流及び乱流混合に関す
る大規模シミュレーション
コードの並列化作業
ＡＶＳを利用した大規模データ可視化用プログラム
の作成
第一原理分子動力学コード
(CPMDプログラム)のチューニング
Metadynamicsを溶液に適用するための
テスト計算
溶液中におけるDNAの第一原理分子動力学シミュレーション
③多階層ダイナミックスが
支配するプラズマの構造形
成に関する研究
電子系乱流ジャイロ粒子コードのチューニング
３次元爆縮コードのチューニング
ES上での大規模計算
ES上での大規模計算
３次元原子緩和統合粒子コードのチューニング
ES上での大規模計算
16年度年間計画(Ⅱ)
課題名
④水銀ターゲットにおける
液体水銀の圧力波伝播と容
器壁の変形挙動と気泡成長
の相互作用のシミュレーシ
ョン
⑤超伝導ナノファブリケー
ションによる新奇物性と中
性子検出デバイス開発のた
めの超伝導ダイナミクスの
研究
⑥放射線照射に伴う材料の
物性変化と破壊の微視的シ
ミュレーション
Ⅰ
Ⅱ
キャビティのモデルの組み込み
Ⅲ
Ⅳ
コードのチューニング
と検証
キャビティの影響の
評価とモデルの
厳密化の検討
新規メッシュ生成
中性子核反応のモデル化とプログラムへの組込み
中性子検出デバイスのシミュレーション
ランチョス法対角化プログラムの並列化
ナノ超伝導発現機構
のシミュレーション
ナノ超伝導ドットの
シミュレーション
並列化チューニング、Moらせん転位芯構造の緩和計算
分子動力学LJポテンシ
ャルのチューニング
Feの粒界割れシミュ
レーション
16年度年間計画(Ⅲ)
課題名
⑦地下空間における放射性
核種移行と地下水挙動の大
規模シミュレーション技術
に関する研究
⑧耐放射線性SiCデバイス
用酸化膜の第一原理分子動
力学シミュレーション
Ⅰ
Ⅱ
Virtual RepositoryおよびGeoFEM-HLW
の最適化、解析モデル生成
Ⅲ
Ⅳ
数百の廃棄体を考慮したNF解析、および
流れ・熱・核種移行の連成による塩淡境
界を含むFF解析
VASPコードの地球シミュレータでの並列化チューニング
中規模アモルファスSiO2/SiC(0001)
界面への欠陥導入MDシミュレーショ
ンと電子構造解析
小規模アモルファスSiO2/SiC(0001)界面での
シミュレーション及びMDパラメータの調整
大規模SiC/SiO2界
面モデルMD計算
⑨稠密格子燃料集合体サブ
チャネル内冷却材直接乱流
シミュレーション
スペクトル解析コードの開発と検証
並列化、ベクトル化計算コードのチューニング
直接乱流解析コードによる計算と検証
直接解析手法による原子炉内
複雑熱流動挙動の大規模
シミュレーション
高瀬和之（日本原子力研究所）
地球シミュレータ利用報告会
平成１７年１月８日（土）
目 的
(1) Design by Analysisの実現を目指して
Analysis
大規模シミュレーションを利用した新
しい炉心熱設計手法を開発する。
(2) 原子炉内の複雑な二相熱流動現象
に関する物理的メカニズムを大規模
シミュレーションによって解明する。
革新的水冷却炉 (RMWR)
drier
separator
18 m
• 減速材の割合を減らして中性子の
減速を抑制することによって 1以上
の転換比が期待できる
• そのためには燃料棒間隔が1mm
程度で非常に稠密な炉心が必要
• 従来手法による熱設計手法の限界
3-6 mm
1 mm
core
control rod
φ8m
沸騰水型軽水炉
革新的水冷却炉
炉心燃料棒の配置
炉心内で起こる複雑な熱流動現象
今年度の研究計画
次の現象の流動メカニズムを数値的に
明らかにし、炉心熱設計に資する。
・燃料集合体内の液膜流挙動
・サブチャンネル間の乱流混合挙動
・狭隘流路内の気泡流挙動
冷却材の流動遷移概略
解析モデル
原子炉条件
本年度の成果例
（１）模擬燃料チャンネル内大規模
気泡流シミュレーション
（２）３７本燃料集合体内大規模
二相流シミュレーション
気泡流挙動の解析結果（流路幅4mm）
・気泡の合体は壁近傍で顕著 ・合体を伴わない気泡は流路中央部をら旋状に上昇する傾向
0ms
10ms
20ms
30ms
40ms
予測した軸方向速度分布
(m/s)
0.7
0
0 ms
20ms
40ms
60ms
80ms
100ms
気泡に及ぼす流路幅の影響
主流
速度
(m/s)
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
流路幅10mm
流路幅4mm
流路幅2mm
本年度の成果例
（１）模擬燃料チャンネル内大規模
気泡流シミュレーション
（２）３７本燃料集合体内大規模
二相流シミュレーション
３７本燃料集合体の解析結果
Fuel Rods 51.6mm
=13 mm
緑は水と蒸気の界面
Gap spacing:1.3 mm
Outlet
Grid Spacer
Grid Spacer
Flow
direction
スペーサ
Grid Spacer
青は水
Grid Spacer
Inlet
解析体系
予測した気液界面の分布
スペーサ周辺の水と蒸気の分布
水100％
炉心入口に近い領域
蒸気100％
炉心出口に近い領域
予測したスペーサ後流の流動
スペーサ
蒸気の分布
スペーサ
軸方向流速
スペーサ
周方向流速
炉心内二相流
構造予測結果
水の分布
水と蒸気の予測結果
蒸気の分布
本年度の成果と来年度の予定
・ 稠密燃料集合体では、燃料棒間の最も狭い箇所
に水が停滞する架橋現象が起こる。
・ 気泡はたくさんの微細な気泡の合体により成長し、
気泡周囲には複雑な速度場が形成される。
・ 気泡周囲の乱れに依存する圧力差によって乱流
混合が起こる。
・ 得られた成果を革新的水冷却炉の炉心設計に反
映できた。
・ 来年度は革新的水冷却炉の除熱限界予測を行う
考えである。
16年度の研究成果の主な発表先
・K. Takase, et al., Development of Quantitative Analytical Procedures on Two-Phase Flow in Tight-Lattice Fuel
Bundles for Reduced-Moderation Light-Water Reactors, 12th International Conference on Nuclear
Engineering (ICONE-12), No.49498, Arlington, Virginia, USA, April (2004).
・K. Takase, et al., Numerical Analysis of a Water-Vapor Two-Phase Film Flow in a Narrow Coolant Channel with
a Three-Dimensional Rectangular Rib, JSME International B, 47-2, May (2004) pp.323-331.
・K. Takase , et al., Numerical Investigation of Two-Phase Flow Structure around Fuel Rods with Spacers by
Large-Scale Simulations, International Conference on Multiphase Flow (ICMF04), No.373, Yokohama, Japan,
June (2004).
・K. Takase,et al., Large-Scale Direct Simulation of Two-Phase Flow Structure around a Spacer in a Tight-Lattice
Nuclear Fuel Bundle, 3rd International Conference on Computational Fluid Dynamics (ICCFD-3), Toronto,
Canada, July (2004).
・K. Takase, et al., Large-Scale Three-Dimensional Computations on Two-Phase Flow Characteristics around
Nuclear Fuel Rods with the Earth Simulator, 7th International Conference on High Performance Computing
and Grid in Asia Pacific Region, Saitama, Japan, July (2004).
・K. Takase, et al., Predicted Two-Phase Flow Structure in a Fuel Bundle of an Advanced Light-Water Reactor,
6th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics, Operation and Safety
(NUTHOS-6), Nara, Japan, October (2004).
・K. Takase, et al., Predicted Thermal-Hydraulic Characteristics of Liquid Film Flow on a Ribbed Surface, 1st
International Forum on Heat Transfer (IFHT2004), Kyoto, Japan, November (2004).
・高瀬和之, 他, 炉心冷却材流路内燃料棒まわりの大規模二相流シミュレーション, 日本シミュレーション学会年会, 6月, (2004).
・高瀬和之, 他, 地球シミュレータによる原子炉燃料集合体内二相流挙動の大規模数値シミュレーション（３）水－蒸気二相
流分布, 日本原子力学会2004年秋の大会, 京都, 9月(2004).
・高瀬和之, 他, 狭隘流路内の大規模気泡流挙動に関する数値シミュレーション, 日本機械学会2004年年会, 札幌, 9月 (2004).
地球シミュレータ利用報告会
平成１７年１月８日 海洋科学技術センター
多階層ダイナミックスが支配するプラズマ
の構造形成に関する研究
岸本泰明1,2)
井戸村泰宏2)，坂上仁志3) ，正木知宏4)
1)
2)
3)
4)
報告内容
京都大学 大学院エネルギー科学研究科
日本原子力研究所 那珂研究所
兵庫県立大学 大学院工学研究科
MATEC(株)
1. プロジェクトの概要
2. シミュレーションの概要
3. 成果と今後の計画
1 プロジェクトの概要
( I) ① 磁場核融合プラズマ ② レーザー核融合プラズマ、③
基礎プラズマ を中心に、プラズマの多階層ダイナミックス
が本質的役割を果たす構造形成の数値的再現に挑戦
(II) 競争力のある独自性と独創性の高い
シミュレーションコード開発を実現
① GT3D ： ３次元トロイダル配位のグローバル・ジャイロ粒子コード
成果： トカマクプラズマのミクロスケールの電子系乱流構造の解明
② IMPACT-3DE ： レーザー核融合ペレットの３次元爆縮流体コード
成果： 爆縮ペレットのRayleigh-Taylor 不安性による乱流構造の解明
③ EPIC3D ： 原子・緩和過程を取り入れた統合化粒子コード
成果： 放電・雷過程，レーザー・物質相互作用の複雑ダイナミックスの解明
2-1. トカマクプラズマの乱流輸送の研究
GT3D ： ３次元トロイダル配位のグローバル・ジャイロ粒子コード
（原研： 井戸村）
ky
1 ρe
9 高精度 δf 手法による有限要素 PIC コード
electron
9 準バルーニング表示による高モード数の再現
skin
size
1 ρi
9 ミクロ構造とマクロ構造の階層性の再現
ion
MHD
1a
1a
1 ρi
1 ρe
イオン系乱流による実値
での輸送評価の実現
kx
成果：
トカマクプラズマの電子系乱流構造の解明
GT3D の改良 Æ ミクロスケールの電子系乱流シミュレーションの挑戦
正磁気シアにおけるストリーマ構造
負磁気シアでのストリーマ・帯状流の二重構造
負磁気シアにおける輸送抑
制効果を再現
輸送障壁の物理機構の提言
2-2. レーザー核融合ペレットの爆発過程の研究
IMPACT-3DE ： ペレットの３次元爆縮流体コード
（兵庫大学： 坂上）
激光 XII による爆縮実験：高密度コアの実現
加速度：g
高密度
爆縮コア
（ショック波通過）
9 Rayleigh-Tayloy 不安定性による
非線形発展と乱流混合の過程の解明
9 レーザー照射条件の最適化
（初期摂動と非線形終状態の関係）
燃料の混合・冷却
成果： 初期擾乱と爆縮効率の関係を解明
IMPACT-3DE ： ペレットの３次元爆縮流体コードの最適化
/s]
10
3.0
2.5
ダブルモード
モード数(6,3)
モード数(12,6)
3.5
重力
2.0
3.0
2.5
2.0
1.5
1.5
1.0
0.5
0.5
0.0
0.0
0.2
0.4 0.6
時間[ns]
0.8
0.0
1.0
z 初期摂動と渦の発展速度の
関係を解明
z 最大圧縮時の摂動の成長率は
初期振幅によって決まる。
2
1.0
cm/s ]
ダブル
モード
4.0
16
モード数
(12,6)
3.5
重力[x10
モード数
(6,3)
T=0.9 ns
渦度の縦渦成分[x10
T= 0.4 ns
2-3. 放電・雷過程／レーザー物質相互作用の研究
EPIC3D ： 原子緩和過程を取り入れた統合化粒子コード
（京大：岸本、MATEC：正木）
Pasko et.al. Nature 416, 152 (2002)
blue jet
( v~105m/sec)
プラズマの電離過程
（古くて新しい問題）
9 自然現象の理解
9 多彩な応用研究
sprites(v~107m/sec)
Exp. of Microwave
Beaming Rocket
Curtesy from Drs. Oda(Tokyo
Univ.) and Sakamoto (JAERI)
放電・雷過程／レーザー物質相互作用の研究
EPIC3D ： 原子緩和過程を取り入れた統合化粒子コード
Ideal plasma dominated by
collective motions
Change of individual
particle state
Field ionization
High energy
Electron impact Photo ionization
Auto-ionization
ionization
Electron
e
EUV
X-ray
eγray
ee+e- pair
Trident process
e+
e-
e+e- pair
e+
Bethe-Heitler process
Two-electron
recombination
Three-body
recombination
e-
Radiation field
Radiative
recombination
γray
Photo nuclear
reaction
Nuclear
reaction
Nuclear
transmutation
成果： 放電・雷過程の再現とフラクタル構造の発見
EPIC3D ： 原子緩和過程を取り入れた統合化粒子コード
-3
10
Spectrum of Bz
-4
10
P(kx)
-1.86
kx
-5
10
-6
10
-7
10
-2
10
-1
10
kx (wave number)
0
10
z 放電・雷過程における電磁波
放射とフラクタル構造の発見
z 固体・液体中で起きる放電・
雷現象の再現に成功
反応性媒質としてのプラズマ科学の開拓
3. まとめと今後の課題・計画
z 地球シミュレータが、新手法・新概念を導入
した新しい数値シミュレーションコードの開発の促進
z プラズマが関与する新領域の開拓
9 磁場閉じ込め核融合（トカマク）
Æ ITER等の燃焼プラズマ研究への展開
9 レーザー核融合
Æ 高速点火手法の統合化シミューションへの展開
9 「反応性媒質」としての新しいプラズマ研究の開拓
Æ レーザー誘雷の実現
Æ 高強度レーザーと物質との相互作用の産業応用
1/10
超伝導ナノファブリケーションによる
新奇物性と中性子検出器開発のた
めの超伝導ダイナミクスの研究
プロジェクト参加メンバー
原研・計算科学：
大阪府立大：
東北大：
電通大：
町田、山田、叶野
加藤
小山
今村
2/10
今年度実施した研究テーマ
１） 超伝導（ＭｇＢ2）中性子検出器を先導する超伝導
非平衡状態の数値シミュレーション
昨年度： 初期的非平衡シミュレーション、空間分解能
今年度： モデルの高度化、時間分解能、
2） ナノスケールの新奇超伝導発現機構を探索する
数値シミュレーション
今年度： モデルの決定、計算手法の確立、シミュレーション
１） 超伝導（ＭｇＢ2）中性子検出器開発を先導するシミュレーション
アイデア
3/10
昨年度からの成果
核反応 : B10 ＋ ｎ → α（1.47MeV）+ Li
中性子
超伝導体（MgB2)
熱発生
電圧発生
J-PARC等での高速検出器としての期待
CREST(JST)プロジェクトによる実験研究を先導
空間分解能を予測
Nucl. Inst. and Meth. in Physics Research （2004）
4/10
１） 超伝導（ＭｇＢ2）中性子検出器開発を先導するシミュレーション
本年度の成果
核反応 : B10 ＋ ｎ → α（1.47MeV）+ Li
核反応後の熱開放モデルを考案
initial speed： ２．７×１０６ｍ
３μｍ
flight length： ３μｍ
∴ flight time(τ)= １．０×１０-12 sec
10Å
1.47MeV
１） 超伝導（ＭｇＢ2）中性子検出器開発を先導するシミュレーション
超伝導時間発展の追跡
5/10
超伝導応答時間～1.0×10-9 sec
核反応
50
電圧
Ｖ（a.u.)
超高速応答の検出が可能
(a)
(b) (c)
0
来年度
−50
0
1e+05
時間t (x0.01τ)
τ～1.0×10-12 sec
2e+05
超伝導放射線検出
（X線、γ線、中性子線等）
の包括的展開を目指す
２） ナノスケールの新奇超伝導発現機構を探索するシミュレーション
モチベーション
酸化物高温超伝導の発見
K
臨界温度（Tc)
150
酸化物超伝導体
強相関電子系で
超伝導が発現
100
77
液体窒素
50
30
BCS理論の限界
（弱相関系）
0
1911年
6/10
急務な研究課題
1986年
超伝導材料の臨界温度向上時系列
ナノスケールの
超伝導発現機構
２） ナノスケールでの新奇超伝導発現機構を探索するシミュレーション
7/10
モデル
Cu
O
酸化物高温超伝導体
d-軌道
p-軌道
ハバードモデル
ナノスケール
に閉じ込められた
強相関電子系
光学格子中の
フェルミ原子ガス
1995： Rb（ボーズ原子）: Anderson et. al.(Coloradol, JILA)
2002 ： 光学格子(ボーズ原子） Greiner et. al.(Max-Planck)
2004 ：K(フェルミ原子ガス）: Gin et. al.(Colorado, JILA)
２） ナノスケールでの新奇超伝導発現機構を探索するシミュレーション
ナノスケールでの
高温超伝導発現
t
| 0100101＞|0000100＞ = A
<A|A> <A|B>
8/10
光学格子中の
フェルミ原子ガス
U
24 サイト（7 7 の問題）
||
千数百億次元の行列の対角化問題
(世界最大次元）
・・・
地球シミュレータを用いて初めて可能
２） ナノスケールでの新奇超伝導発現機構を探索するシミュレーション
シミュレーション結果
9/10
２粒子を付け加えた
ときのエネルギー Ｅｂ
Eb < 0: 超流動
遠隔ペアリング
換算Ｔｃ=600K
M.Machida, S.Yamada et al.
Phys.Rev.Lett. (2004)
10/10
まとめと将来の計画
１） 超伝導（ＭｇＢ2）中性子検出器を先導する超伝導非平衡状態
の数値シミュレーション
初期的非平衡系
のシミュレーション
μmスケールの
の空間分解能
Nucl. Inst. and Meth.
in Physics Research （2004）
核反応後の
熱開放モデル
ナノsecの
時間分解能の予測
超伝導放射線検出一般のシミュレーション
２）ナノスケールでの新奇超伝導発現機構の探索する数値シミュレーション
行列対角化（ランチョス法）
の並列化
Phys.Rev.Lett. (2004)
ナノスケール閉じ込め
超伝導発現機構
光学格子中のフェルミ原子ガス
ナノ強相関電子系
の包括的理解