事故シナリオの特徴と燃料デブリのふるまいの推定

事故シナリオの特徴：

　最新の事故進展の推定結果の詳細は、事故進展の推定に示す。以下では、燃料デブリの分類と特性への影響が大きいと考えられる事故シナリオ上のイベントについて示し、次の、燃料デブリの特性の項で、それぞれのイベントから予想される燃料デブリの特性を示す。さらに、号機・領域ごとの燃料デブリふるまいの特徴について、より詳細な検討を行う。また、「英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業」において燃料デブリの特性評価に関する研究開発が行われている。

なお、これらの検討は、令和5年12月時点でのものである。

１号機：

重要イベントの時系列

	イベント番号	発生した時間帯	事故時の事象	推定される燃料デブリのふるまい
RPV内フェーズ	①	3/11 15:37	全電源喪失、冷却水水位の低下
	②	3/11 18:00頃	冷却水水位がTAPまで低下（解析による推定）	炉心上部で燃料が露出
	③	3/11 19:00頃	炉心上部で燃料溶融開始（解析による推定）	炉心上部で燃料溶融開始、制御棒溶落・炉心下部での閉塞（主にチェンネルボックスの外側と推定。閉塞位置の高さは不明）
	④	3/12 4:00頃まで	冷却水が全く注入されず、冷却水水位が次第に低下、 水蒸気/Zr反応により炉心温度の急上昇開始（解析による推定）
	⑤	3/11 23:00-3/12 1:00頃	燃料が崩落し炉心下部で溶融プールを形成（解析による推定）	炉心上部で溶融・崩落した燃料デブリは、炉心下部でいったん堆積。Zr表面積の減少によりいったん温度低下した後に、 崩壊熱で再昇温・再溶融。溶融デブリが主に径方向に拡大し、溶融プールを形成と推定（TMI-2事故と類似する事故シナリオを 推定、溶融プール形成位置は不明）。
	⑥	3/12 2:00~3:00頃	溶融したデブリが下部プレナムに崩落（解析による推定）	高温溶融デブリが短時間で下部プレナムに移行。崩落時の燃料デブリは亜酸化状態（U-Zr-Oメルト）を維持していた可能性 （TMI-2事故と類似する事故シナリオを推定）。溶融デブリの移行経路は不明（TMI-2事故のように側面シュラウドを 破損した移行、溶融プールの下部クラストを破損した移行、などの可能性）。 崩落した燃料デブリはいったん凝固した可能性（一部は溶融状態を維持した可能性）。
	⑦	3/12 4:00頃	下部プレナムデブリのドライアウト（解析による推定）	下部プレナムに堆積した燃料デブリの再溶融開始。金属デブリの先行溶融、溶融金属デブリによるCRGT等の鋼材の溶融。 さらに、炉心下部に残留していた燃料デブリ（切り株燃料）や炉心支持板などが崩落した可能性。燃料デブリの再溶融。 金属デブリと燃料デブリの温度上昇し、混合状態を形成した可能性（下部プレナムでの溶融デブリプール形成の可能性）。
RPV外フェーズ 水素爆発まで	⑧	3/12 6:00-6:25	PCV D/Wの圧力上昇
	⑨	3/12 6:30以降	原子炉水位計の水位低下（おそらく水位計内の配管）	再溶融した金属デブリ/燃料デブリがRPV破損し、短時間でペデスタル内に移行したと推定。 崩落時の燃料デブリの平均温度は、約2150℃と推定（事故解析コードによる評価）。
	⑩	3/12 4:00-14:30頃	間欠的な海水注入
	⑪	3/12 14:30頃まで	PCV内が高圧を維持。ペデスタル内に崩落した高温の 燃料デブリにより、注入された海水やコンクリートの 含有水が加熱されて蒸発し、高温水蒸気がペデスタル 開口部を通過してD/Wに移行していたと推定。	燃料デブリからの輻射でペデスタル側面の内壁が加熱・昇温され、コンクリートが溶融開始した可能性。 ペデスタル底部では、燃料デブリとコンクリートとの相互作用が発生したと推定（相互作用の詳細メカニズムは不明）。
	⑫	3/12 10:17	圧力調整室側のAO弁操作、PCVのベント
	⑬	3/12 14:30	PCV内圧低下を確認
	⑭	3/12 15:27	ベント弁の閉止
	⑮	3/12 15:36	水素爆発	崩落した燃料デブリと水蒸気やコンクリートとの相作用により、水素発生が継続していた可能性。このことから、 ペデスタルに崩落した燃料デブリは、金属と酸化物が混合し、デブリ全体としては亜酸化状態を維持していた可能性
	⑯	3/13 0:00以降	連続的な海水注入
	⑰	3/22 18:00以降	注水量の増加	約10日間にわたり、ペデスタル内に十分な冷却水が注入されず、高温の燃料デブリが露出し、 ペデスタル内に高温水蒸気が充満していた可能性（STAR-CCM+コードでの解析では、水蒸気温度約400℃と評価）、 また、デブリからの輻射によりコンクリート内壁が加熱されていた可能性 （同解析では、ペデスタル内壁温度約800℃と評価）。
	⑱	3/22 18:00以降	PCV/RPV内圧の上昇、ペデスタル内に水位形成の可能性	水蒸気発生量の増加、水素発生継続の可能性、デブリの温度低下
	⑲	3/29 0:00頃以降	PCV/RPV内圧の低下	ペデスタルデブリが再冠水したと推定

# ⑤-⑦の事故イベントは、事故解析コードによる評価結果とTMI-2事故シナリオからの推定に基づいており、不確かさが大きい

# 下部プレナムでのデブリ再昇温・再溶融過程の不確かさ（どの程度デブリ再溶融が広がり、RPV破損までにどの程度温度上昇したのかが）は、RPV破損以降のデブリふるまいに大きく影響する。1号機RPV下部の内部調査、あるいは、ペデスタル側からの目視調査により、RPV破損時の燃料デブリの状態に関する知見が得られると期待される。

# 1号機のペデスタル内の調査により、本来ペデスタル床面から約1-1.2m高さまで、側面コンクリートが大きく破損し、鉄筋やインナースカートが露出していた様子、及び、ペデスタル床面が大きく損傷し、溶融凝固したとみられる堆積物や崩落したCRDハウジングが残留している様子、等が確認されている。従来想定されていた典型事故シナリオでのMCCI（Molten Core Concrete Interaction）とは大きく異なる状態であり、様々な検討が行われている。

# コンクリートの溶融開始温度（solidus）は約1000-1200℃、鉄筋の溶融温度は約1500℃であることから、コンクリートはこの温度範囲に昇温されていた可能性がある。

# 他方、鉄筋表面の凸凹構造が残留していることから、鉄筋が1000℃以上に加熱されていた時間は、高々1-2日と推定されている。

# ペデスタル内に崩落した直後のデブリは大きな崩壊熱を有しており、これを除熱するためのメカニズムが不明である。有力な仮として、ペデスタル開口部を通じた高温ガスのD/Wの流出と、

コンクリート溶融の広がりによる溶融潜熱による寄与が考えられる。

＃ デブリのペデスタル崩落直後から数時間から1~2日のうちに、大きな崩壊熱の除熱をともなって、燃料デブリとコンクリートや鋼材が相互作用し、ペデスタル内部からD/W底部にかけて、状態の変化が起きた可能性が考えられる。

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  冷却水喪失以降、水素爆発までの1号機事故シナリオ

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  水素爆発以降の1号機事故シナリオ

２号機： 事故シナリオ上のイベントとそこから推定される燃料デブリのふるまいを示す。

重要イベントの時系列

重要イベントの時系列

	イベント番号	発生した時間帯	事故時の事象	推定される燃料デブリのふるまい
RPV内フェーズ	①	3/14 18:00頃	SRV弁開、ごく短時間で、冷却水の水位が炉心支持板下まで低下	冷却水の減圧沸騰により、燃料温度はいったん300℃程度まで低下
	②	3/14 18:30 ~ 20:30頃	冷却水が注入されない条件（水蒸気枯渇）で、燃料温度上昇	制御棒が溶落し炉心下部で閉塞、炉心部で温度上昇し局所で溶融プールを形成
	③	3/14 20:30 ~ 3/15 1:10	３個の圧力ピークを検出	熱源（燃料デブリ）が冷却水と接触し、水素/水蒸気発生、下部プレナムには冷却水残留
	④	3/14 20:30頃	第１圧力ピーク（圧力上昇が限定的）	冷却水水位の上昇と燃料デブリとの接触 or 溶融金属デブリの崩落など、限定的なイベント
	⑤	3/14 22:40頃	第２圧力ピーク（圧力が連続的に上昇）	燃料デブリの連続的な崩落（ドレナージ型）、下部プレナムにデブリ移行・堆積
	⑥	3/15 0:00頃	第３圧力ピーク（圧力が連続的に上昇）	下部プレナムに崩落した燃料デブリによる残留冷却水の蒸発
	⑦	3/13 2:20頃	RPV圧力微増、RPV圧力とD/W圧力がほぼ一致	炉心部でのデブリ崩落終了、RPVからPCVへのリークパス形成
	⑧	3/15 4:10頃	下部プレナムでのデブリドライアウト	崩落した燃料デブリはいったん凝固し、冷却水ドライアウト後に、再昇温・溶融
RFPV外フェーズ	⑨#	3/15 13:00以降	RPVバウンダリ大規模破損、デブリのペデスタル流出	RPV下部側面の大規模破損、金属溶融デブリのペデスタル内部への大規模溶落、グレーチング破損（一部デブリの固着）、 さらに金属溶融デブリがペデスタル底部へ移行・堆積。ペデスタルに液相水はほとんどなかった可能性
	⑩#	3/15 13:00以降	RPV底部破損、CRD溶接部破損	金属溶融デブリのCRD流入、CRD溶接部破損、デブリのCRD外周への付着・崩落
	⑪#	3/15 13:00以降	RPV内デブリ（in-vessel debris）	酸化度が高く（高融点）、粒子状で隙間が多い燃料デブリの本体は、大規模に再溶融することなく、 RPV下部に残留と推定。さらに、2号機では他号機に比べ残留崩壊熱が小さく、除熱されやすかった可能性
	⑫	3/15 15:00以降	ペデスタル崩落デブリ（ex-vessel debris）の再冠水	金属デブリが主体と推定されるex-vessel debrisは、ペデスタル崩落後に再溶融することなく再冠水、 再冠水時の水素/水蒸気発生は限定的

# 最新の解析では、これらのイベントは3/15 13:00以降に発生したと評価されている。まだ、debrisWikiの事故進展の推定図には反映されていない。

3号機： 作成中

燃料デブリの特性：

　以下では、事故シナリオの特徴から予想される、燃料デブリのふるまいの特徴を示す。

１号機：

　作成中。

２号機：

事故シナリオ上のイベントから推定される燃料デブリの特性示す。（下記の事故進展推定図に、関連する事故事象の発生時期を記載）。

予想される燃料デブリの特性

デブリの 分類	項目 番号	事故事象の 発生時期	事故時の事象	推定される燃料デブリの特性
RPV内デブリ	A	①②	制御棒崩落、初期の燃料崩落が、水蒸気枯渇条件で発生	あまり酸化していない集合体部材（金属デブリ）が多く崩落
	B	①②	同上	事象Aにより、金属デブリと下部プレナムの構造材（鋼材）は、局所的（溶接部、Ni存在部位など） に共晶溶融しやすい
	C	③④⑤	炉心下部での閉塞が十分でなく、炉心部への冷却ガス流入が継続し、 燃料デブリは、二酸化物が完全に溶融するより低い温度（2000～2300℃と推定） で連続的に崩落（BWRドレナージシナリオ）	燃料デブリ中の酸化物デブリは、崩落中に粒子状を維持しやすく、かつ酸化度が高くなる傾向
	D	⑥	下部プレナムに崩落した燃料デブリと冷却水の反応による水素/水蒸気発生	燃料デブリは一部破砕され、隙間が多い粒子状で下部プレナムに堆積、金属デブリが混在
	E	⑦	下部プレナムでデブリドライアウト	金属デブリの再溶融開始、溶融した金属デブリ中への酸化物デブリの一部溶融、およびCRGTの溶融
	F	事象E	下部プレナムでのデブリ再溶融	溶融金属デブリと粒子状酸化物デブリ（固体）が相分離しやすい
	G	事象F	デブリ溶融状態の広がり、デブリ温度の上昇	金属デブリ液相/酸化物デブリ固相間の相分率変化と成分再分布が進行、燃料デブリのペデスタル崩落前にどこまで デブリ状態変化が進むかが、デブリ特性に大きく影響する
RPV外デブリ	H	⑨	RPV底部側面の大規模破損	溶融金属デブリの流出、未溶融金属部材や粒子状酸化物デブリを巻き込んだ可能性、一部はグレーチングに固着・破損
	I	⑩	RPV底部溶接部の局所破損	固液混合状態の金属デブリがCRD内に流入・凝固、一部はCRD外周部に付着、その後にペデスタル底部に崩落
	J	事象I	イベント⑨と⑩のどちらが先に起きたのかは不明	下部プレナムでの再溶融状態により、化学平衡状態に近づく可能性。金属デブリの主成分はSS/Zrと推定 金属デブリ中に最大10mol%程度のU,B,Cが金属デブリに均質溶融される可能性
	K	⑪	RPV内で、残留金属デブリの凝固	RPV底部に、金属デブリ流出により大きな空間が形成されている可能性
	L	⑨⑫	溶融金属デブリは、ペデスタル底部に広がりつつ堆積 （2号機では、スレート状の堆積物を観測）	構造材（コンクリートや鋼材）との接触で冷却され、薄く広がってスレート状に堆積した可能性、堆積後に再溶融しなかった可能性
	M	RPV外 事象全体	デブリのペデスタル移行過程に発生する高温化学反応により、U含有粒子が液滴として飛散・凝固、あるいは蒸発・凝縮	U含有粒子は、RPV内、PCV内、さらには、建屋内に飛散したと推定される。U含有粒子を分析することで、 燃料デブリと鋼材との反応メカニズム、燃料デブリの最高到達温度や酸化度を逆推定できると期待される。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　冷却水喪失以降の２号機事故シナリオ

３号機：

　作成中

号機・領域ごとの燃料デブリふるまいの特徴について（詳細）：

　以下では、号機・領域ごとの燃料デブリのふるまいの特徴について、より詳細に示す。

１号機：

　作成中。

２号機

〇 下部プレナムでのデブリふるまいについて

　2号機では、冷却水が十分に残留し、CRGT等の構造材が形状を維持している段階で、主に粒子状の酸化物燃料デブリと溶融金属デブリが、下部プレナムに崩落し、いったん冷却・凝固、その後、崩壊熱で、冷却水ドライアウト、デブリ再昇温・再溶融したと推定される。再昇温・再溶融過程でのデブリふるまいは、以下のように推定される。（参考11：下部プレナム堆積後のデブリ再溶融）※ページ作成次第参照

①金属デブリ再溶融（1000～1300℃）：残留B4Cや、Fe-Zr, Cr-B, Zr-B系などの金属間化合物の金属デブリへの溶融・成分均質化

②金属デブリへの鋼材溶融（1000～1300℃）：おそらく下部プレナム底部で溶融開始する金属デブリ中に、CRGT、RPV内壁、ライナー材などが溶融

③溶融金属デブリと粒子状酸化物デブリ（模式図右）の間での成分再分配：最大10mol%程度まで、溶融金属デブリ中にUやBが溶融する可能性

④溶融金属デブリとRPV内壁、溶接部などとの共晶溶融反応（1000～1300℃）：①②③と④は、温度条件が近いため、場所ごとに、それぞれ並行して進む可能性

⑤【デブリ流出パス1】RPV底部側面で、荷重や差圧にともなう応力と、伝熱による溶融や強度低下による大規模破損：化合物相の含有割合が小さく、粘性が小さい金属融体として流出、金属部材や粒子状酸化物デブリを巻き込み

⑥【デブリ流出パス2】RPV底部溶接部で、溶融金属デブリとの局所的な共晶溶融：化合物相を多く含み、粘性が大きい固液混合状態、一部はCRD内へ流入・固化、一部は溶接部を破損してCRD外へ付着・崩落　(参考4：再溶融した金属デブリとRPV鋼材、溶接部の共晶溶融)

これらのことから、２号機では、デブリの大部分が、RPV下部プレナムに存在していると考えられる。燃料デブリの主体である酸化物デブリは、あまり再溶融せず、粒子状を維持し、空隙が多いと推定される。一方、主にSSやZrを多く含有する金属デブリが、RPVを側面と底部で破損し、ペデスタル内に崩落したと考えられる。

ここで、上記の過程④の前に、過程①②③がどこまで進むかが、デブリ堆積状態と特性に大きく影響する。重要因子は、デブリ最高到達温度と酸化度、それに応じた金属デブリと酸化物デブリの成分再分配である。（参考10：デブリ溶融プールの形成・拡大と酸化度上昇、参考11：下部プレナム堆積後のデブリ再溶融）

燃料デブリ取り出しにおいて、最初に予定されている2号機ペデスタル底部からの試験的デブリ取り出しで、上述したプロセスで崩落したと考えられる金属デブリをg規模で採集し、組成や相状態を分析できれば、下部プレナムで発生したデブリ再溶融過程を逆推定することができる。得られた知見から、RPV内デブリの特性（堆積状態、化学状態）を推定できると期待される。

〇 ペデスタル内部へのデブリ移行について

　2号機では、下部プレナムで、いったん堆積した後、金属デブリ（溶融・凝固）と酸化物デブリ（粒子状）の再溶融状態が、どこまで進んだのか（最高到達温度、溶融範囲、酸化度の変化など）が、以降のデブリふるまいとデブリ特性に大きく影響したと推定される。（参考11：下部プレナム堆積後のデブリ再溶融）

ペデスタル内部への移行・堆積過程でのデブリふるまいは、以下のように推定される。

①RPV底部側面から流出した溶融金属デブリ（1300℃程度）：RPV下の保温層やグレーチング上にいったん堆積、これらを溶融・破損、一部が凝固・固着。主成分はSS/Zr、U,B,Cなどを最大10mol%程溶融する可能性、粒子状デブリや集合体部材を巻き込み（参考3：金属デブリの再溶融）

②MCCIの程度は不明（ほとんど発生していないと推定）：ペデスタル底部に溶落し、鋼材やコンクリート上に広がった際に急冷され、スレート状や粒子状で固化。ペデスタル内構造材や、コンクリートはほとんど損傷していない

③RPV底部溶接部局所破損で流出した金属デブリ（1000～1300℃）：CRD内へ流入・固化、一部はCRDハウジング外周に付着、一部は崩落④。化合物相を含み、粘性が大きい（参考4：金属デブリと鋼材の共晶溶融）

・これらのことから、主に２つのデブリ移行経路があり、経路によって崩落したデブリの特性が異なる可能性がある。

・２号機では、ペデスタル内に移行したデブリの大部分は、金属デブリと推定される。金属デブリは、崩落途中では溶融合金の特性を有し（低粘性、比較的低温）、ペデスタル内の鋼材やコンクリートはあまり腐食していないと推定される。金属デブリは、現在は酸化している可能性がある。

・下部プレナムでのデブリ再溶融状態が、デブリ堆積状態と特性に大きく影響する。ここでの、重要因子は、デブリ最高到達温度と酸化度、それに応じた金属デブリと酸化物デブリの相分率の変化と成分再分配である。（参考10：デブリ溶融プールの形成・拡大とデブリ酸化度の上昇、参考13：U-Zr-Oメルトと鋼材の反応）

・2号機ペデスタル底部からの試験的デブリ取り出しで、崩落した金属デブリをg規模で採集し分析できれば、下部プレナムで発生したマクロなデブリ再溶融過程を逆推定することで、RPV内残留デブリの特性（堆積状態、化学状態）を推定できると期待される。さらに、MCCIの程度について、推定精度を高めることが期待される。

• 

  ２号機RPV底部でのデブリふるまい模式図[1]

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  ２号機ペデスタル内部へのデブリ移行の模式図[1]

参考文献：

[1] I. Sato et al., (to be submitted)

[2] H. Madokoro and I. Sato, Estimation of the core degradation and relocation at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station Unit 2 based on RELAP/SCDAPSIM analysis, Nucl. Eng. Design. 376 (2021) 111123.

[3] M. Kurata et al., Step-by-step challenge of debris characterization for the decommissioning of Fukushima-Daiichi Nuclear Power Station (FDNPS), J. Nucl. Sci. Technol. 59 (2022), https://doi.org/10.1080/00223131.2022.2040393

[4] M. Kurata et al., Chapter 14 - Advances in fuel chemistry during a severe accident: Update after Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (FDNPS) accident, in Advances in Nuclear Fuel Chemistry, edited by M. Piro, pp. 555-625 (2020), Woodhead Publishing Series in Energy.