福島原発事故シミュレーション


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理論物理計算が示す福島原発事故の真相 現代化学 2011年 5月号掲載


 
 2011年3月11日午後2時46分、三陸沖、深さ24Kmを震源とするマグニチュード9.0の東北地方太平洋沖地震が発生、この大地震は高い津波を引き起こし、東北から関東にかけての太平洋沿岸に大きな被害をもたらした。福島第一原子力発言所では、地震発生時、6機ある原子炉のうち1号機から3号機までが運転中であったが、制御棒の挿入で自動停止した。しかし、その後停止した原子炉を冷却する電力が確保できなくなり、事故が発生した。
 ニュースでは定性的な話に終始しているが、ここでは定量的な計算を行いこの現象の真相を究明したいと考えています。

                                   

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使用済み燃料棒1本あたりの発熱量計算

 公表されている使用済み燃料棒本数と発熱量から燃料棒1本あたりの発熱量を算出した。新燃料とそれ以外の燃料の発熱量を適当に設定し、計算された発熱量と公表された発熱量との誤差の2乗和が最小となるようExcelのソルバーを用いて、1本あたりの発熱量を算出した。新燃料は約4000kcal/Hrと導出された。

使用済み燃料棒の格納プールの熱収支
 使用済み燃料棒は常に発熱しており、冷却保管する必要がある。冷却機能が失われた場合、公表されている使用済み燃料棒の発熱量とプール寸法から水温の上昇、蒸発による水位の低下を算出した。水位が低下し、燃料棒の本数が多い4号機意外は、燃料棒が露出するまでの時間にかなり余裕が見られる。

格納容器の熱収支計算
 福島第一原発は地震発生当初、冷却機能は稼動していたようである。使用済燃料棒1本あたりの発熱量を4000kcal/Hrと仮定した。格納容器内の燃料をこれの1.5倍(6000kcal/Hr)仮定し、格納容器内の温度変化と蒸発による水位の変化を計算し、公表された水位と比較した。

燃料棒の輻射熱計算と水素爆発
 使用済み燃料棒(4000kcal/Hr)と炉内燃料棒(6000kcal/Hr)が水中から露出した時、輻射熱により、燃料棒の表面温度が上昇しする。表面温度はステファン・ボルツマンの法則に基づき算出した。
使用済み燃料棒の温度は677℃、炉内燃料棒は779℃と算出された。ジルコニウム合金と水蒸気との接触による水素発生は700℃以下ではほとんどおこらず、779℃は最高の水素発生速度が確かめられた温度に近い。炉内で水素が発生し、タービン付近の蒸気配管系が地震により破損し、水素ガスが漏れ、水素爆発が起こったと考えられる。

露出燃料棒の温度変化計算


 燃料棒が水中から露出してから1分程度で平衡温度(779℃)の90%に達するようである。
ちょうどスターウォーズのジェダイの騎士が持つライトセーバーのように光だすと思われる。
放射性物質の大気への放出量計算
 大気汚染計算は、通常、汚染物質の排出量を入力とし、拡散方程式を適用して地上の汚染物質濃度を求めるものであるが、ここでは逆に各地の放射能レベルを入力とし、拡散方程式を逆に適用することによって、1日当たりに放出されている放射線物質の量を推定する。
 
放射性物質の海域への放出量計算
 水溝から放出量の直接換算で排水量G(m3/d)と排水中濃度Cから1日あたりの放出量(Q)を推定する。

放射性物質放出量のチェルノブイリや他事故との比較
 福島第一原発事故による放射性物質放出量と他事故の放出量を比較する。チェルノブイリは福島第一原発事故の320倍。


事故直後にどうすべきだったか

最初の判断ミスが招いた事故の拡大

エクセルで操る!沖ノ鳥島桟橋転覆事故計算


 2014年3月、沖ノ鳥島で設置中の桟橋が転覆し、数名の死傷者がでました。犠牲者のご冥福をお祈り申し上げます。
桟橋の転覆は単純な力学問題であり、Excelを用いて2時間程度で計算が可能である。
船は傾くとその重心と浮心が移動する。浮心が重心より外側に移動すると、復元力が働き船は転覆しない。
逆に、重心が浮心より外側に移動すると、船は転覆する。
そこで、桟橋が傾いたときの重心位置と浮心位置を計算し、転覆の有無を検討する。

発表された桟橋の重量で計算すると、高さ5mある桟橋の水位は2.2m程度のはずが、写真では水位が4m以上あるように見える。桟橋上面に大きな積載荷重が載っていたと思われる。
転覆すると積載荷重は落下し、計算水位は1.4m程度となり、転覆時の写真と良く一致している。計画時よりも過大な積載荷重を現場で載荷し転覆したのではないか。






EXCELを用いた科学技術計算

EXCELのソルバーを用いた科学技術計算

EXCELを用いた構造力学(材料力学)計算



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