role of thermal-hydraulics and safety research in

Role of Thermal-hydraulics and Safety Research in Sustainable Use of Nuclear Energy

Akira Yamaguchi

The University of Tokyo

[email protected]

1

Background

◼ Sustainable use of nuclear energy is at crossroads

◼ Energy selection

◼ Nuclear or other energies?

◼ Safety concern

◼ Is nuclear power plant safe enough?

◼ How safe is safe enough?

2

Strategic Energy Plan (3E+S)

◼ The quintessence of energy policy is 3E+S:

◼ First of all, to stably supply energy (Energy Security)

◼ to realize low-cost energy supply (Economic efficiency) and

◼ to let the energy compatible with global warming concern (Environment)

◼ on the premise of safety (Safety)

◼ Shortly to supply energy stably to entire nation

◼ The energy is economical, environment compatible and safe.

3

*Strategic Energy Plan, Cabinet Office of Japan, April 2014, (Provisional Translation )

http://www.enecho.meti.go.jp/en/category/others/basic_plan/pdf/4th_strategic_energy_plan.pdf

Role of Nuclear Energy (April, 2014)

◼ Nuclear power is an important base-load power source as a low carbon and quasi-domestic energy source, contributing to stability of energy supply-demand structure, on the major premise of ensuring of its safety, because of the perspectives; 1) superiority in stability of energy supply and efficiency, 2) low and stable operational cost and 3) free from GHG emissions during operation.*

4

*Strategic Energy Plan, Cabinet Office of Japan, April 2014, (Provisional Translation )

http://www.enecho.meti.go.jp/en/category/others/basic_plan/pdf/4th_strategic_energy_plan.pdf

7

日本「エネルギー安全保障」変化

第１部第１章「シェール革命」と世界エネルギー事情変化

○ 東日本大震災及びそ後東京電力福島第一原子力発電所事故によって、直近一次エネルギー自給率、エネルギー源多様化点数及び評価指数が2000年代に比べ悪化。

○ エネルギー輸入多様化を除く項目全てで評価を下げ、今回分析対象国中、点数最低となっている。

○ 米国から LNGについて、日本企業、日本 LNG輸入量２割に相当するLNGについて引取契約を締結済み。2016年以降、順次、日本へ供給が開始される予定。今後、北米から天然ガス輸入が増えれ、供給源多角化を通じてエネルギー安全保障が強化されることになる。

【日本各項目点数・評価数値変化】

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー輸

入先多様化

チョークポイン

トリスク低減

エネルギー源

多様化停電時間

エネルギー消

費 GDP原単

位

供給途絶へ

対応

エネ白2010：青色直近：赤色

点数評価数値

項目名 00年代直近点数変化（○：増/×：減）

00年代直近評価数値変化（○：良化/×：悪化）

一次エネルギー自給率 1.8 0.7 × 19 6 ×

エネルギー輸入先多様化 2.7 4.5 ○ 944/479/705 （原油/ガス/石炭）*1

717/326/886 ○/○/×

チョークポイントリスク低減 0.2 0.2 － 171.4 160.2 ○

エネルギー源多様化 9.3 8.2 × 2,886/2,228 （一次エネ/電源)*2

3,179/2,836 ×/×

停電時間 7.2 3.0 × 26.50 44.00 ×

エネルギー消費 GDP原単位 8.7 8.2 × 0.115 0.095 ○

供給途絶へ対応 3.7 3.1 × 175 204 ○

平均 4.8 4.0 × 評価数値･･・各項目を点数化する際基準となる数値。

*1 原油・天然ガス・石炭それぞれ寡占度（輸入シェアにカントリーリスクを加味した上で２乗した数値合計）を評価数値とする

*2 一次エネルギー・電源構成それぞれ寡占度（各エネルギー源シェアを2乗した数値合計）を評価数値とする

Performance of Energy Policy in Japan

METI, 2015 White Paper on Energy

Controllable Risk Uncontrollable Risk

Energy mix

Import region

diversity

Choke point risk

Loss of power

duration time

GDP specific

energy

consumption

Preparedness for

supply disruption

Energy Self-

Sufficiency

5

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー

源多様化停電時間

エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

8

【参考】各国別エネルギー事情変化（１）フランス

項目名 00年代直近

一次エネルギー自給率 4.9 6.2

エネルギー輸入先多様化 5.1 5.3

チョークポイントリスク低減 0.6 1.4

エネルギー源多様化 5.9 6.2

停電時間 3.7 1.9

エネルギー消費 GDP原単位 7.9 7.0

供給途絶へ対応 7.7 6.6

平均 5.1 4.9

①シェール関係：北部に大量シェールガス存在が期待されているが、現在、水圧破砕が禁止されており、早期にシェールガス生産を開始すること難しい状況。

②そ他：原子力発電に加え、再生可能エネルギー導入拡大を盛り込んだ「エネルギー移行法案」を、今夏にも制定見込み。

（２）ドイツ

①シェール関係：「シェール革命」による増産が進む北米から天然ガス輸入が可能になれ、最も点数低い項目である輸入先多様化改善となるが、そために必要なLNGターミナ

ルついて、2005年に建設計画が発表されたも、2008年に撤回。

②そ他： 2011年に、一部原子力発電所を停止したことにより、直近で石炭消費量が増

加。しかし、再生可能エネルギー導入をさらに推進し、エネルギー源多様化を進めようとしている。






停電時間 9.4 8.5



平均 6.4 6.2






停電時間 2.1 1.7



平均 5.2 5.6

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

①シェール関係：シェールオイル・シェールガス開発がこまま進め、エネルギー自給率さらに上昇し、石炭発電比率が下落することでエネルギー源多様化が進む。国内需要大きさから、完全自給難しいと考えられているが、原油輸入量今後も減少する見通し。

②そ他：エネルギー源多様化に関して、石炭から天然ガスだけでなく、石炭から再生可能エネルギーへシフトを促す政策を推進。2013年にオバマ大統領が発表した「気候行動計画」で、火力発電所から排出量規制を促すとともに、2020年までに再生可能エネルギーによる発電比率を倍増させる（2012年比であれ約12％）としている。




（３）英国






停電時間 2.2 1.7



平均 6.5 6.2


①シェール関係：エネルギー自給率が低下している中、陸上シェールオイル・シェールガス

開発を進めようとしているが、付近住民から抵抗が強い。

②そ他：直近エネルギー自給率向上策として、北海油田再開発を推進する一方、再生可能エネルギー導入拡大にも取り組んでいる。

（４）米国

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

02468

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポ

イントリスク

低減

エネルギー

源多様化

エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

9

【参考】各国別エネルギー事情変化（続き）

（５）中国








平均 4.4 4.2

①シェール関係：既にシェールガス生産が進められているが、技術不足から生産量伸びておらず、天然ガス国内生産量１％程度にとどまっている。シェールオイルについて埋蔵が確認されているも、地理的条件等から開発に時間がかかる見通し。

②そ他：ロシアと間で天然ガスパイプライン建設等により、エネルギー輸入先多様化

を進めることを計画。また、原油国家備蓄基地を増設し、直近約２倍石油備蓄量を保有することで供給途絶へ対応を図ろうとしている。

①シェール関係：北米から天然ガス輸入が実施されれ、中東依存度低下やチョークポイントリスク低減につながる。

②そ他：サハリンから LNG輸入でロシアと合意済で、エネルギー輸入先多様化が進む見通し。






停電時間 10.0 10.0



平均 3.9 4.1


（６）韓国


02468

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポ

イントリスク

低減

エネルギー

源多様化

エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

9

【参考】各国別エネルギー事情変化（続き）

（５）中国








平均 4.4 4.2

①シェール関係：既にシェールガス生産が進められているが、技術不足から生産量伸びておらず、天然ガス国内生産量１％程度にとどまっている。シェールオイルについて埋蔵が確認されているも、地理的条件等から開発に時間がかかる見通し。

②そ他：ロシアと間で天然ガスパイプライン建設等により、エネルギー輸入先多様化を進めることを計画。また、原油国家備蓄基地を増設し、直近約２倍石油備蓄量を保有することで供給途絶へ対応を図ろうとしている。

①シェール関係：北米から天然ガス輸入が実施されれ、中東依存度低下やチョークポイントリスク低減につながる。

②そ他：サハリンから LNG輸入でロシアと合意済で、エネルギー輸入先多様化が進む見通し。






停電時間 10.0 10.0



平均 3.9 4.1


（６）韓国


7

日本「エネルギー安全保障」変化

第１部第１章「シェール革命」と世界エネルギー事情変化

○ 東日本大震災及びそ後東京電力福島第一原子力発電所事故によって、直近一次エネルギー自給率、エネルギー源多様化点数及び評価指数が2000年代に比べ悪化。

○ エネルギー輸入多様化を除く項目全てで評価を下げ、今回分析対象国中、点数最低となっている。

○ 米国から LNGについて、日本企業、日本 LNG輸入量２割に相当するLNGについて引取契約を締結済み。2016年以降、順次、日本へ供給が開始される予定。今後、北米から天然ガス輸入が増えれ、供給源多角化を通じてエネルギー安全保障が強化されることになる。

【日本各項目点数・評価数値変化】

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー輸

入先多様化

チョークポイン

トリスク低減

エネルギー源

多様化停電時間

エネルギー消

費 GDP原単

位

供給途絶へ

対応


点数評価数値

項目名 00年代直近点数変化（○：増/×：減）

00年代直近評価数値変化（○：良化/×：悪化）

一次エネルギー自給率 1.8 0.7 × 19 6 ×

エネルギー輸入先多様化 2.7 4.5 ○ 944/479/705 （原油/ガス/石炭）*1

717/326/886 ○/○/×

チョークポイントリスク低減 0.2 0.2 － 171.4 160.2 ○

エネルギー源多様化 9.3 8.2 × 2,886/2,228 （一次エネ/電源)*2

3,179/2,836 ×/×

停電時間 7.2 3.0 × 26.50 44.00 ×

エネルギー消費 GDP原単位 8.7 8.2 × 0.115 0.095 ○

供給途絶へ対応 3.7 3.1 × 175 204 ○

平均 4.8 4.0 × 評価数値･･・各項目を点数化する際基準となる数値。

*1 原油・天然ガス・石炭それぞれ寡占度（輸入シェアにカントリーリスクを加味した上で２乗した数値合計）を評価数値とする

*2 一次エネルギー・電源構成それぞれ寡占度（各エネルギー源シェアを2乗した数値合計）を評価数値とする

Performance of Energy Policy in World

Controllable risk

Uncontrollable risk

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

8







停電時間 3.7 1.9



平均 5.1 4.9



（２）ドイツ










停電時間 9.4 8.5



平均 6.4 6.2






停電時間 2.1 1.7



平均 5.2 5.6

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応






（３）英国






停電時間 2.2 1.7



平均 6.5 6.2





（４）米国

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

8







停電時間 3.7 1.9



平均 5.1 4.9



（２）ドイツ



②そ他： 2011年に、一部原子力発電所を停止したことにより、直近で石炭消費量が増加。しかし、再生可能エネルギー導入をさらに推進し、エネルギー源多様化を進めようとしている。






停電時間 9.4 8.5



平均 6.4 6.2






停電時間 2.1 1.7



平均 5.2 5.6

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応






（３）英国






停電時間 2.2 1.7



平均 6.5 6.2





（４）米国

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

8







停電時間 3.7 1.9



平均 5.1 4.9



（２）ドイツ










停電時間 9.4 8.5



平均 6.4 6.2






停電時間 2.1 1.7



平均 5.2 5.6

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応






（３）英国






停電時間 2.2 1.7



平均 6.5 6.2





（４）米国

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

0

2

4

6

8

10

一次エネル

ギー自給率

エネルギー

輸入先多様

化

チョークポイ

ントリスク

低減

エネルギー


エネルギー

消費 GDP

原単位

供給途絶へ

対応

FranceGermanyKorea

UK USA China

Japan

6

（◯ score is 5 or more）

METI, 2015 White Paper on Energy

Strategic Energy Plan (April 2014)

◼ Nuclear power is an important base-load power sourceon the major premise of ensuring safety

◼ Restart nuclear power plants only if they are in conformity with the new regulatory requirements

◼ Dependence on nuclear power generation will be lessened to the lowest possible. The dependence on nuclear energy will be carefully examined

7

Agency for Natural Resources and Energy, Cabinet

Decision on the New Strategic Energy Plan,

http://www.meti.go.jp/english/press/2014/0411_02.html

Explanation of Safety (Frequency vs. Consequence)

8

Fre

quency (

event/

year)

Fatalities

爆発

ダム決壊

火災航空機合計

人的要因合計

塩化物放出

航空機（地上）

原子力発電所100基

WASH-1400 (1975)

Messages from the Reactor Safety Study

◼ Very low frequency

◼ Consequence is not significant

◼ TMI-2◼ No early fatality

◼ Fukushima◼ No early fatality but long-term evacuation

◼ Cost a lot: more than 100 B dollars

◼ Risk of nuclear power plants seems to be low

◼ At least 100 times lower than air crash

◼ Which do you prefer, nuclear or airplane?

9

Probability vs. Profit

10Profit

Pro

babili

ty

C

1

B

2

3

A

End-Year Public Lottery

11

Annual sales of over 80B JPY

Return Ratio 22% for 1st Prize, 50% in Total

Prize(JY) Probability return

1st Prize 700 M 5E-8 35/300

Adjacent Num. 150 M 1E-7 15/300

Differ. Letter 100 K 9.9E-6 1/300

2nd Prize 10 M 1E-6 10/300

3rd Prize 1 M 1E-5 10/300

4th Prize 50 K 1E-4 5/300

5th Prize 3 K 0.01 30/300

6th Prize 300 0.1 30/300

Memorial Prize 700 K 2E-5 14/30012

Scenario – Accepted But May Be Irrational

13Profit (JPY)

Pro

babili

ty

1E-08

1E-07

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

1E+02 1E+04 1E+06 1E+08 1E+10

Tolerable

Unacceptable

1st

2nd

3rd

Adj. Num

4th

5th

6th

Memorial

Diff. letter

Lottery Reduction RateLine (Loss is 1500JPY)

Even Line (No Loss, No profit)

High Consequence Low Frequency Scenario

14

Fre

quency (

event/

year)

Fatalities

爆発

ダム決壊

火災航空機合計

人的要因合計

塩化物放出

航空機（地上）

原子力発電所100基

WASH-1400 (1975)

Unknown Danger and Decision Making

◼ What is the risk?

◼ Do you put your hand in the box and take it?

15

Something in the box

Hole to put your hand in

From Unknown to Known

16

Known Danger and Decision Making

◼ What is the risk?

◼ Do you put your hand in the box and take it?

17

Something in the

box

Hole to put your hand

in

Scientific and Technological Knowledge

◼ What can go wrong? (Scenario)

◼ How likely is it? (Likelihood)

◼ What are the consequences? (Consequences)

◼ Decision making depends on the contemporary state of knowledge

◼ The more knowledge, the more rational decision

18

S. Kaplan and J. Garrick (1981)

Thermal-hydraulic and safety research

provides scientific/technological knowledge

in terms of risk insight

Risk Triplet

Thermal-Hydraulic Roadmap by TH-Division of AESJ

19

Academic Society

Standard, Guideline

NRA Regulatory Issues

METI/ANRE

Safety Improvement

MEXT Human Resource, Safety

Industry Continuous Safety Improve

Results Reporting

Planning & Implementation

Revision Regularly TH-Division Rolling

Thermal-Hydraulics RM

Continuous Safety

Improvement Work • Conference • Journals

• HPs Reporting

Opinion

Reflection

Content Explain

Opinion

Comments

Public

Announcement

incl. Matching Fund

Opinion

• Conference • Seminar • Journals

• Committee

① Whole View

(Major Subjects)

② Chronological RM

(Group of Subjects)

…… ……… ……

① Chronological Diagram of Whole RM with Major Milestones

② Milestone, Goal, Yearly Progress

③ Current Status (Achievement + Refs), Remaining Issues, Expected Results, Ranking

Technology Development for Highest Level

Safety based on Lessons-Learned from

Fukushima Daiichi Nuclear Reactor Accident Goal

Refer

Evaluation

Safety and Basic Research

Developmental Research

Test Facility Preparation

Human Resource Development

Preparation of Standards & Guidelines

Social Needs

Latest Knowledge Progress in

R&D

R&D Proposals

Budget

③ Technology Map

(Subject Description)

Technical Subjects of ROSA-SA project

◼ Hydrogen risk

◼ Overheating

◼ Aerosol behavior

◼ Outcomes

◼ TH phenomena in RCS and CV

◼ Analytical tool validation

◼ Regulatory technical support

◼ Development of BE code

20

CIGMA(2015)

Water canon

Pool scrubbing

Gaseous behavior◼ density

stratification◼ Natural circulation◼ Steam

condensation

sedimentation

deposition

evaporation

Aerosol removal

External cooling

Over-temperature CV failure

Aerosol behavior

H2 accumulation

Preliminary Simulation of PLANDTL-2

(sodium temperature)

Numerical Simulation by CFD

Flow Visualization Test

core catcher

DHX

Dipped DHX

Penetrated DHX

Thermal-Hydraulic R&D on Sodium Fast Reactor

◼ R&Ds on the decay heat removal systems (DHRSs) including situation in CDAs

◼ Water experiment of whole system (PHEASANT)

◼ Component-base Sodium experiment (PLANDTL-2)

Severe accident in SFR is very likely

to be retained and contained in RV

Conclusions

◼ Thermal-hydraulics and safety research is the knowledge basis of sustainable use of nuclear energy

◼ Figure out scenarios

◼ Identify phenomena

◼ Quantify consequences

◼ Evaluate and manage risk

◼ High consequence critical scenarios are to be practically eliminated and continuously verified with most recent insights

◼ Challenge to technology innovation in terms of safety and next generation nuclear system development

22

Thank you for your attention

The author is thankful to Dr. Nakamura, Dr. Maruyama

and Dr. Kamide of JAEA for their help in preparing the

presentation material

23

role of thermal-hydraulics and safety research in

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