吉村 忍 次世代スパコンを活用した次世代ものづくり 原子力発電プラント

次世代スパコンを活用した次世代ものづくり
巨大複雑人工物のリアル実証試験からバーチャル実証試験へ
原子力発電プラントの耐震安全性を例として
吉村 忍
東京大学大学院工学系研究科
システム創成学専攻
[email protected]
[email protected]
http://save.sys.t.u-tokyo.ac.jp
http:/adventure.sys.t.u-tokyo.ac.jp
原子力発電プラントと耐震安全性(1)
原子炉容器と
炉内構造物
21m
7m
原子力発電プラント
製造中の原子炉容器
原子力発電プラントと耐震安全性(2)
原子炉容器
気水分離器
スタンドパイプ
鉄筋コンクリート製
格納容器
炉心シュラウド
燃料集合体
現在の実験的評価手段：
実大３次元震動破壊実験施設（E-Defense）
制御棒案内管
制御棒ハウジング
インターナル
ポンプ
制御棒駆動機構
地震発生直後の過渡状態における原子力
発電プラントの機能限界を定量的に見極める
地震耐力予測シミュレーションが必要！！
現在の耐震設計評価手段：
近似モデル（多質点系モデル〔串団子モデル〕）と大きな安全裕度
現状：多質点系モデルと詳細FEM解析の一方向連携
建屋に模擬地震波,
地震応答解析
境界条件
FEMモデル境界条件部の変位時刻歴
固有値情報
固有値解析
物性値
(減衰係数)
物性値や境界条件設定に
産業界が持つ技術を活用
多質点系モデル
地盤－建屋－炉容器－内部構造物－冷却材の相互作用を考慮し、地震応答を評価
詳細FEMモデル
炉容器－内部構造物
の詳細な動的変形、
細部の応力集中を評価
対象現象のマルチフィジックス・マルチスケール性
マルチフィジックス
炉内状態解析
(構造・熱流動・核熱
振動連成)
マルチスケール
中性子束
蒸気量
耐力評価
時間スケール
流量
炉特性解析
1Hz
10MHz
1000kHz
熱流動解析
機器解析（金属・機械）
1Hz
100kHz
プラント解析
1Hz
10kHz
1mm
10cm
10m
1Hz
建屋解析（鉄筋コンクリート）
1km
1kHz
1Hz
地震・地盤解析
100Hz
原子力発電プラント（巨大複雑人工物）
４０～６０年の長期使用 → 材料特性の経年変化・様々な損傷の進行
低炭素社会実現に向けた重要なエネルギー源・インフラストラクチャーの一つ
潜在的リスクが大きいため、極めて高いレベルの安全性・信頼性が要求される
100km
1Hz 空間
スケール
地震力（大規模自然現象）
発生場所・時間・規模に関する不確実性
巨大なエネルギーの放出
人為的制御不能
地震耐力予測シミュレーションの全体像
プラント解析
地盤応答
複数地震
機器解析
機器励起
支持応答
建屋応答
地盤・建屋相互作用
建屋・機器接合
機器間振動
建屋解析
機器・機器接合
原子力プラントの真の地震耐力予測
マルチフィジックス・マルチスケール解析
によるプラント耐力評価
機器応答
蒸気
境界変動
水
循環ループ
結果・事象同定
TEPCO Proprietrary Information
地震・地盤解析
実験・評価
流量・蒸気量
変動
出力変動
炉内熱流動解析
炉心
炉内核熱
連成振動解析
プラント建屋・構造・機器モデリングとシミュレーション
プラント解析
冷却材を考慮した機器振動解析
マルチモーダル
（複数支持応答）
マルチモーダル
（複数部品応答）
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
構造機器（金属）の材料非線形（繰り返し弾塑性等）モデリング、経年化材料特性モデリング
建屋（鉄筋コンクリート）の材料非線形モデリング
大規模複雑アセンブリ構造の多点拘束（MPC）を活用した丸ごとモデリング
振動時の(a)冷却材の減衰効果と(b)冷却材を介した機器同士の強連成効果の精緻な考慮
次世代スパコン向けチューニング
数億自由度モデル → 数100億自由度モデルの超大規模解析 → 次世代スパコン対応へ
地殻・地盤・建屋モデリング＆シミュレーション
• 地震動伝播解析：MMA (Macro-Micro Analysis)
– 想定される断層から原子力発電プラントのサイトまで
– マルチスケール解析（地殻の波動伝播と表層地盤の増幅過程）
• 地盤―原子炉建屋連成解析
– 地盤と建屋を同時に扱う連成解析
– き裂進展解析（鉄筋コンクリート建屋内のき裂発生・進展）
building (RC)
マルチスケール解析
plant site
building (RC)
reactor
surface ground
crack
bedrock
fault
geological length scale model
き裂進展解析
engineering length scale model
crack
次世代スパコン、一般のスパコン、実験の役割
<複合損傷モデリング><一般のスパコンによるシミュレーション>
<モデリングのノウハウ>
小型～中型振動台による
各パーツ（金属・溶接部・ボルト締結・
各パーツの実験結果（既知）
コンクリート等）の終局強度とそこに至
構成式モデラー
るまでの構成式モデリング
改良型ADV_Material
バーチャル実証試験
各パーツのアセンブル構造
モデリング＆シミュレー
ション
・流体－構造連成
・構造－地盤連成
・非線形モデリング
・接触／すべりモデリング
・パラメトリックモデリ
ング＆アセンブリング
次世代スパコンによる
自由自在な感度解析
分割多次元可視化
ADV_DecisionMaker
耐震安全性向上
に向けた最適設計
<実機製作・使用>
体制・応用範囲
体制
直接的応用
大学（シミュレーション技術の研究開発）
電力（プラントデータ・オペレーションノウハウ）
メーカ（設計・製造情報・ノウハウ）
国・学協会（規格・基準）
ソフトベンダー（ソフト開発・解析サービス）
改良型軽水炉の耐震設計・既設原子炉の耐震補強
次世代原子炉の耐震設計
他のエネルギー関連施設（風力発電・太陽光発等）の耐
震設計
波及効果
巨大複雑人工物のバーチャル実証試験へ
・次世代自動車（衝突性能・空力性能等）
・ＩＴ関連機器・システム
10