燃料棒の輻射熱計算と水素爆発
福島原発事故シミュレーション


Excelを用いた科学技術計算が第2版になりました 30年10月

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図-1 燃料棒の輻射熱の計算

 
 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。



熱線のエネルギーと温度の関係式(ステファン・ボルツマンの法則)


 黒体の表面から単位面積、単位時間に放出される熱線のエネルギー(I)はその黒体の絶対温度(T)の4乗に比例する。

   I = σT4    ・・・ (2)

       σ:ステファン・ボルツマン定数=5.67・10-8W/(m2・K4)
       絶対温度(K) = セ氏温度(℃) + 273.15

 黒体とは外部から入射する熱放射などを完全に吸収し、また放出できる物体のこと。
 人間も体温(36.5℃)により、波長の長い(目に見えない)熱線を放出している。燃料棒も同様に熱線を放出している。



ジルコニウムの酸化反応速度

図-2 水蒸気中でのジルカロイ-2の酸化反応
(R.E.Westerman, J.Electrochem.Soc.111.143(1964))


 ジルコニウム合金と水蒸気との接触による水素発生速度の実験結果を図-2に示す。水素発生は700℃以下ではほとんど起こらず。800℃以上のことはわかっていない。779℃は最高の水素発生速度が確かめられた温度に近い。

 水素発生反応: Zr + 2H2O → ZrO2 + 2H2



水素爆発の規模は


図-3 水素爆発に必要な水素の量の計算


 水素爆発の映像をみた爆発の専門家はTNT爆薬100Kgに相当するとの見解である。
 TNT1kgのエネルギーは4.184MJである。
水素と酸素の混合気体が爆発して水蒸気となる熱量は水蒸気molあたり58.3Kcalである。
これから、発生水蒸気は856mol,15kgと計算できる。

 






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