原子研、原子炉の炉心設計を加速するシミュレーション基盤を開発：注目ニュース✨

発表日：2024年11月1日

日本原子力研究開発機構は、原子炉設計を革新的に進化させる次世代シミュレーション・プラットフォーム「JAMPAN」（JAEA Advanced Multi-Physics Analysis platform for Nuclear systems）の開発に成功したことを2024年11月1日に発表しました。

図1 JAMPANによる解析の例

開発の社会的背景と意義

現代社会が直面する喫緊の課題であるカーボンニュートラルの達成や、人類の活動領域を広げる宇宙開発の推進において、原子力技術の進化は不可欠な要素となっています。特に、世界各国で開発が進められている小型モジュール炉（SMR）をはじめとする新世代原子炉の設計には、従来以上に高度な安全性検証が求められています。

従来の原子炉設計においては、実際の実験データによる検証が設計プロセスの中核を担ってきました。しかし、原子炉内で同時に発生する複数の物理現象を実験的に検証すること（マルチフィジックス実験）は、技術的・経済的な制約から極めて困難とされてきました。このような課題を解決するため、コンピュータ上でこれらの複雑な現象を精密に再現できる革新的な技術の開発が、世界的に強く求められていました。

JAMPANの技術的革新性

JAMPANは、原子力機構が長年の研究開発を通じて培ってきた二つの重要な計算コード、「MVP」と「JUPITER」を高度に統合した革新的なプラットフォームです。MVPは原子炉内における中性子の挙動を精密に計算する中性子輸送計算コードであり、JUPITERは水温分布やボイド率分布を高精度で算出する熱流動計算コードです。これらの高度な計算システムの統合により、実験では観察が困難だった原子炉内部の複雑な現象を、かつてない精度で解析することが可能となりました。

JAMPANの特筆すべき機能として、一体の燃料集合体を対象とした微細な流動解析と、炉心全体を対象とした包括的な解析の両方を実現できる点が挙げられます。この二重の解析能力により、原子炉の設計段階における安全性評価をより綿密に行うことが可能となりました。

表1 JAMPAN第1版の解析対象と計算規模

具体的な応用成果と実証

本研究では、沸騰水型軽水炉（BWR）の燃料一体を対象とした大規模シミュレーションを実施し、燃料内における蒸気泡の発生から発達に至るまでの過程を、これまでにない精度で可視化することに成功しました。

従来の実験手法では観察が困難だったこれらの現象を詳細に分析できるようになったことで、原子炉設計の信頼性向上に大きく貢献することが期待されています。

図2 JAMPANによるMVP/JUPITERを用いたマルチフィジックス・シミュレーションの例 (燃料内の蒸気の泡分布)

システムアーキテクチャと動作原理

JAMPANは、独自開発された「JAMPANデータコンテナ」を介して各種計算コード間のデータ連携を実現しています。このアーキテクチャにより、異なる計算コード間での幾何形状の違いや時間ステップの差異を適切に調整し、高精度な統合解析を可能としています。さらに、このモジュラー設計により、将来的な機能拡張や新たな計算コードの導入にも柔軟に対応できる構造となっています。

図3 JAMPANの構成

今後の展望と発展可能性

JAMPANの開発成功は、コンピュータ上に原子炉を精密に再現する「バーチャル・リアクター」の実現に向けた重要なマイルストーンとなります。この技術は、既存の軽水炉の性能改良にとどまらず、世界的に開発が進む小型モジュール炉（SMR）の設計最適化にも大きく貢献することが期待されています。

特に注目すべき点として、JAMPANを活用することで、以下のような多面的な効果が期待されています：

1. 原子炉設計の信頼性の大幅な向上

2. 安全性評価における精度向上と効率化

3. 設計・開発コストの大幅な削減

4. 革新炉開発の加速化

5. 国際競争力の強化

今後の研究開発方針

原子力機構では、今後さらに研究開発を推進し、より広範な原子炉タイプや運転条件に対応できるよう、JAMPANの機能拡充を図っていく方針です。特に、実験データの少ない革新炉の開発において、この技術は極めて重要な役割を果たすことが期待されています。

結論

JAMPANの開発成功は、原子力技術における日本の高い技術力を世界に示すとともに、世界的な原子力発電の安全性向上と効率化に大きく貢献する画期的な成果といえます。この技術革新は、カーボンニュートラルの実現に向けた重要なツールとなるだけでなく、次世代原子力技術のデジタル革新を牽引する存在として、今後のさらなる発展が期待されています。

専門用語解説

• マルチフィジックス：原子炉内で同時に発生する複数の物理現象（中性子輸送、熱流動など）を統合的に解析する手法
• MVP：原子力機構が開発した連続エネルギーモンテカルロ法による高精度中性子輸送計算コード
• JUPITER：実験相関式に依存せず、様々な熱流動現象を高精度で計算できる専用コード
• 小型モジュール炉（SMR）：熱出力300MW以下の原子炉で、工場生産による高品質化と工期短縮を実現する次世代型原子炉
• バーチャル・リアクター：コンピュータ上で原子炉の挙動を精密に再現する最先端のデジタルモデル
• 炉心設計コード：原子炉の中心部分である炉心の設計に使用される専門的なプログラム
• ボイド率分布：原子炉内における水蒸気泡の分布状態を示す重要な指標

#原子力研究 #JAMPAN #バーチャルリアクター #小型モジュール炉 #マルチフィジックス

参考文献

バーチャル・リアクター実現に向けた大きな一歩　―原子炉の炉心設計を加速するシミュレーション・プラットフォーム「JAMPAN」を開発―

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