1

鈴木元衛 March 18, 2020

Part 4: 圧力波の発生：

ポンプモーターのトリップの原因

放水口への津波打ち寄せは、放水路内に圧力波を発生さ

せた。

この圧力波がポンプモーターのトリップの原因となった可能

性を検討する。

また、ポンプトリップは水没によるか否かを検討する。

写真11

南放水口へ激しく打ち当たった津波が、放水路内の水圧

を急速に高め、空気孔からの噴流を生じさせた。

15:36:14

2何がこの水柱を起こしたのか？

この時刻はどうして決めたのか

写真：東京電力ホールディングス株式会社 http://www.tepco.co.jp/tepconews/pressroom/nuclear-j.html

廃棄物集中処理施設

（撮影位置）

4号3号

2号1号

5号6号

北側放水口

南側放水口

東京電力福島第一原子力発電所 全景（震災前）

温排水を出す放水口は南と北の２箇所ある 3

カメラ位置

空気孔

水柱は、南放水口のやや上流の空気孔（点検口）から立ち上がった

4

１、２、３号機冷却水

南放水口

(*無人撮影機による＝20日午前、福島県大熊町、エア・フォート・サービス提供朝日新聞2011年3月31日朝刊http://www.asahi.com/photonews/gallery/fukushimagenpatsu/20110330TNGA0020AGOC_650px.html）

5１，２，３号機の放水路、取水路の構造を見ると……

6

1号機

2号機

3号機

放水路の形参考図 参考文献[1]

7

15:35:30 15:36:00 15:36:30 15:37:00-5-4-3-2-1012345

流速

の垂

直成

分　

　(m

/s)

南放水口（海側） 北放水口（海側）

15:35:30 15:36:00 15:36:30 15:37:00-5

0

5

10

15

水位

　(T

.P.m

)

時刻 (h:m:s)

南放水口（海側） 北放水口（海側）

東北大解析における南・北放水口への津波水位と流速

8東北大解析が算出した南放水口へ

の流速（垂直成分）を、東北大3D流体シミュレーションに与えた結果

算出した津波流速

3Dシミュレーション＝東北大学災害科学国際研究所 (IRIDeS) 地域・都市再生研究部門計算安全工学研究室 山口裕矢氏のご協力による

放水配管内の流速の変化

空気孔

15:35:30 15:36:00 15:36:30 15:37:00-5-4-3-2-1012345

流速

の垂

直成

分　

　(m

/s)

南放水口（海側）

9

40m

①流速ピー（15:36:10）の2秒後（15:36:12）に水柱噴出のピークがくる。

写真11は15:36:14に撮影されたと推定！

②ピーク噴出時以外は

ゴボゴボとした湧き出し

の様子

写真11では建屋の向こうに隠れて見えなかっ

た。

空気孔

3D流体シミュレーションの結果

103D流体シミュレーションによる、南放水口のすぐ内側の水路内に発生した圧力

次に圧力波の発生計算を行うため、この圧力を100kPa=10mとして動水位に換算した。

11南放水口へ向いた水路内に発生した動水位の評価

合計の動水位（0m以上の部分）を圧力波発生計算に適用

水位境界Aへ入力した動水位の時間履歴

12水路内圧力波発生の評価計算

圧力波の発生・反射・サージングの相互作用の様を評価するため、

水撃圧プログラム2010(Excel版)（ハイドロシステム株式会社 https://hydro-sys.co.jp/index.html）

水路中の圧力波発生・伝播を一次元圧縮性モデル（特性曲線法）

で近似的に解析するコード。Windows PCで容易に計算ができる。

小山氏のレクチャーを踏まえて、鈴木が計算を行った。

算出された放水口の圧力水位に換算して入力とする。

https://hydro-sys.co.jp/index.html

13モデルX-50：管路、分岐、水槽、ポンプを持つ水路系

⑨

管路②③

海管路①

水位境界水位の時間変化を与える

C B

地上へ吹き出しのある空気孔B, C：断面積4m2、高さ10ｍ

B⑥

動作中のポンプ

管路サイズ（直径D、長さL）

①D=7.136m、L=25m

②D=4.514m、L=200m

③、④ D=4.514m、L=10m

⑤D=4.514m、L=20m

⑥、⑦ D=2m, L=20m

⑧D=0.5m、L=20m

⑨D=0.5m、L=40m

タービン復水器

動作停止中のポンプ

DG冷却ジャケット

逆止弁：閉

⑦RHR熱交換器

P1

P2

A海 CD

E④

⑤

⑧

10m

RHR熱交換器とDG冷却ジャケットの

流路断面積などの仕様は不明なの

で、流路抵抗C1,C2を設定した

X

H1B

H1A

H2A

H2B

F

C1

C2

P1

P2

「水撃圧プログラム2010(Excel版)」

による計算

14東北大解析と3D解析による水路内動圧

15:35:20 15:35:40 15:36:00 15:36:20-40

-20

0

20

40

60

80

水圧

から

換算

した

動水

位　

(m)

時刻　(h:m:s)

合計の動水位

圧力波計算への入力範囲

計算結果

計算入力

15

15:36 15:37 15:38 15:390

2

4

6

8

0

400

800

1200

1600

RHSW(A)(C)停止

D/G

2A

電流

(A

)

時　刻

D/G

2A

電圧

(kV

)

D/G電圧 電流 M/C

　　　　母線電圧15:36:25

圧力波によるポンプ流量の変化とD/G2A電流の比較

D/G2Aの過電流開始時刻は15:36:25頃、それまでにポンプ流量のボトムは3回

あり、ボトムと過電流開始時刻は一致しない。

これは圧力波計算の水路条件が単純すぎるため。

しかし、圧力波の発生と、それがポンプに強いブレーキを生じることは示された。

16

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

100

200

300

400

500

600

700

800

D/G3A電流

D/G3B電圧

15:4015:3915:3815:37

D/G

3A

、 3

B 電

流 (A

)

D/G

3A

、3B

電圧

(kV

)

時間 (hour:min)15:36

D/G3A電圧

D/G3B電流

D/G3B遮断器開放

3号機A系、B系

D/G3A,3Bの過電流も15:36:25開始、その後3Bは停止直前に急昇

15:36 15:37 15:38 15:39 15:40 15:410

2

4

6

8

0

100

200

300

400

D/G5AポンプOff

D/G5A電流

D/G

5A

電流

(A

)

D/G

5A

電圧

(k

V)

時刻 (h:m)

D/G5A電圧 M/C5C電圧

津波は20秒ほど遅れて5号機の北放水口へも打ち寄せた

圧力波発生は15:36:35頃と思われる。これにより、15:36:40頃に大きな過電流が発生した。

5号機A系

5号機B系15:35:00 15:35:30 15:36:00 15:36:30 15:37:00

-1

0

1

2

3

4

5

北放

水口

への

流速

の垂

直成

分　

(m/s)

時刻 (h:m:s)

-4

0

4

8

12

16

20

北放

水口

水位

　(T

.P.m

)

17

①圧力波はポンプの吐出力を減殺し、回転数と流量を過渡的に低下させ

る。これは、ポンプへのブレーキ効果である。

②圧力波が弱い場合、流量は低下するが、三相交流モーターは同期を維

持したまま回転を続け、位相のスリップは小さくなり、モーター電流の変動

は弱い。

もし、圧力波が十分強く周期も十分短い場合、モーターは過渡的に同

期が外れ、大電流が流れる。これが記録された過電流である。

（この電流は同期を回復したときは通常の値に戻る。）

③ただし、想定した計算体系のモデルが簡易的であるため、ポンプへのブレーキ効果＝

流量の低下速度は大きめに出る。

正確な評価には管路の構成や分岐、熱交換器などの要素の組み込み、ポンプの

定格や過渡特性曲線の情報も必要。しかしブレーキ効果は明らか。

18圧力波の、ポンプへのブレーキ効果の考察

19N04東電解析が算出した南放水口の流速と水位

15:35 15:36 15:370

2

4

6

8

10

12

14

南放

水口

（海

側）　

水位

　　

(T.P

.m)

時刻　(h:m)

0

1

2

3

4

5

6

7

流速

　　

(m/s)

15:35:11

15:35:00 15:35:10 15:35:20 15:35:300

2

4

6

8

10

12

南放

水口

（海

側）　

水位

　　

(T.P

.m)

時刻　(h:m)

15:35:11

0

1

2

3

4

5

6

流速

　　

(m/s)

この計算結果では、15:35:11には圧力波は発生しない。むしろ15:36:10頃に発生する。

写真11 写真11の撮影時刻を15:35:11と

推定

20

15:35:00 15:36:00 15:37:000

1

2

3

流速

成分

　(m

/s)

南放水口（海側）15:35:11

時刻　　(h:m:s)15:35:00 15:36:00 15:37:00

0

2

4

6

8

10

12

14

水位

　　

（T.P

.m）

時刻　(h:m:s)

南放水口（海側）

15:35:11

クロスチェック解析が算出した南放水口の流速と水位

この計算結果でも同様に、15:35:11には圧力波は発生しない。むしろ15:36:10頃かそれ以降に発生する。

RHRポンプケーシングが津波で冠水した時の浸水深は5ｍ以上必要。その時刻は、解析によれば、過電流発生の前後（ケースと号機によって異なる）。

海水の浸入と短絡は、過電流発生に間に合うのだろうか。

21別の解釈： ポンプ過電流は、海水による高電圧部の短絡か？ -1-

福島第一原子力発電所 東北

地方太平洋沖地震に伴う原子力

施設への影響について

平成23年9月 東京電力株式会

社 添付資料- 6-9 非常用海水

冷却設備の状況

高電圧部は十分な絶縁処理がされているはずであり、海水で短時間に短絡が

生じたとは非常に考えにくい。

1号機は地絡が生じていない。他号機は地絡が生じたか否か不明。

22ポンプ過電流は、海水による高電圧部の短絡か？ -2-

23Part 3: 圧力波の発生

モーターポンプのトリップの原因

ま と め

1．津波打ち寄せによって放水路に発生した圧力波は、ポンプモーターに大きな過渡負荷を与え、過電流を生じさせ、トリップさせた。

（ただし正確な評価には、水路系構造データやポンプ特性データが

必要。）

2．津波は陸地からの反射などにより、放水口への打ち寄せを発生し、水路内に圧力波を発生させ、水路の機器の健全性に影響する。

津波対策として他の原発にも水平展開すべき重要な特徴。

24

取水ポンプ構造の概念図

参考スライド

253D流体解析計算の原理

運動方程式（Navier-Storks）

連続式

固定メッシュ上の界面位置を界面関数 𝜙𝜙 の移流計算によって表現

Phase-Field法を適用…

流体解析

自由表面流れ

保存形Allen-Cahn方程式

SUPG/PSPG法を適用

気相

液相

自由表面

𝜙𝜙 = 0.5 𝜙𝜙 = 0

𝜙𝜙 = 1

液相 気相

𝜌𝜌 [kg/m3] 998.0 1.205𝜂𝜂 [Pa ⋅ s] 1.01e-3 1.81e-5

パラメータ設定

参考スライド

263Dモデル（参考）

2D 3D節点数 81588 652922要素数 235038 3372974

メッシュ形状

2次元モデルと同じ領域の3次元CADモデルを使用し，メッシュを作成（上流側点検口の水柱領域は省略）

参考スライド

27

①アクセルとなる海水圧（水位）： 取水口＞放水口

先に取水口へ津波が押し寄せたか？No. 写真13，14，15

②ブレーキとなる海水圧（水位）： 取水口＜放水口

先に放水口へ津波が押し寄せたか？Yes. 写真15,16しかしポンプの流路に逆流防止弁があり、逆流水量はわずかな

はず。逆流すれば、むしろポンプ負荷は減少するはず。

（圧力波ではなく）津波の水圧によって、15:36:25頃に、2号機・3号機の海水ポンプに、過負荷が発生する条件を考える

27参考スライド

28D/G1AとM/C1Cの保護系の謎

福島第一・1号機のP&IDを見ると、D/G1Aの容量は2750kVA。すると電圧は6.9kVであるから電流は最大約400Aとなる。一方、M/C1Cの母線遮断器は1200Aで動作する仕様。

これではD/G1Aがどれだけ発電しても、M/C1Cの母線短絡事故が起きても母線遮断器は開放しない。

なぜこのようになっているのか。

A系の保護回路の仕様は特別だったのではないか。

一方D/G1Bの容量は8125kVA、M/C1D受電遮断器の電流設定値は1200Aであり、8125kVA/6.9kV = 1177Aであって、電圧、電流、容量はほぼ整合している。

参考スライド

29

荏原製作所福島2号機の循環水ポンプ

参考スライド

http://iwamin12.cocolog-nifty.com/photos/uncategorized/2014/05/05/pamp197202ura_ehara.png

スライド番号 1スライド番号 2東京電力福島第一原子力発電所　全景（震災前）スライド番号 4スライド番号 5スライド番号 6スライド番号 7スライド番号 8スライド番号 9スライド番号 10スライド番号 11スライド番号 12スライド番号 13スライド番号 14スライド番号 15スライド番号 16スライド番号 17スライド番号 18スライド番号 19スライド番号 20スライド番号 21スライド番号 22スライド番号 23スライド番号 24スライド番号 25スライド番号 26スライド番号 27スライド番号 28スライド番号 29