CFAST検証（NUREG 1934 付録B）
CFAST検証（NUREG 1934 付録B / Appendix B）
このケースは、付録A MCR検証を、 火災の成長と延焼を伴うシナリオへ拡張するものです。対象は米国NRC NUREG-1934 （EPRI 1023259）付録B（Appendix B）— 開閉装置室におけるキャビネット火災です。 付録Aが完全に規定された火災に対するデッキの再現性を検証するのに対し、付録Bはさらに FRI3Dの延焼モデリングを検証します。NRCモデルでは、二次的なケーブルトレイ火災を、 FLASH-CAT法（NUREG/CR-7010）を用いてオフラインで導出した手作りのHRRテーブルとして 規定しています。一方、FRI3Dはこの二次火災をオンラインで計算します — トレイの着火は CFASTが予測する熱暴露から、トレイのHRRはFLASH-CAT手法から求め、入力はプラントモデルの 形状とケーブルライブラリのみです。公開されているNRCのCFASTモデルを無修正のまま ベースラインとして実行し、同一の部屋についてFRI3Dが生成したデッキを同一の CFAST 7.7.3ビルドで実行して、両者を3600 sのシミュレーション全体にわたって比較します。
リファレンスケース
26.5 × 18.5 × 6.1 mの開閉装置室における464 kWの電気キャビネット火災 （PE/PVC燃料、C₂H₃.₅Cl₀.₅、燃焼熱20.9 MJ/kg、放射割合0.49、CO収率0.147、 すす収率0.136）で、キャビネット上方の水平ケーブルトレイ3段のスタックに着火します。 換気は給気ファン3基および還気ファン3基（各0.472 m³/s、圧力カットオフ200–300 Pa）で、 部屋はドア下部の隙間（1.09 m × 0.013 m）を除き密閉されており、室内は約+250 Paまで 加圧されます。シミュレーション継続時間は3600 sです。
入力デッキ比較
FRI3Dが生成したデッキのすべての入力グループを、NRCモデルに対してフィールドごとに 比較しました。対象は、周囲条件、区画形状、漏気、機械換気、火災の化学組成と収率、 そして着火源のHRR曲線です。すべてのフィールドが一致しており、次の3点の把握済みの 差異があります 。
- 二次火災の表現。 NRCは、トレイ火災をまとめた1つの火災として、固定高さ3.8 mに 固定テーブルとして規定しています。FRI3Dは各トレイの着火時刻とHRR寄与を計算し、 燃焼高さの履歴を火災テーブルに直接出力します（火災は2.4 mのキャビネットから始まり、 燃焼中のトレイが主体となるにつれて3.8–4.9 mへ上昇します）。FRI3Dのトレイ燃料負荷には、 このシナリオ向けに調整した値ではなく、汎用のFLASH-CATライブラリのデフォルト値を 使用しています。
- 漏気の表現。 NRCはドア隙間を明示的な壁換気口としてモデル化しています。FRI3Dは 同じ開口面積（0.0142 m²）をCFASTの漏気面積比によって表現します。両者ともファンの カットオフで制限される同一の圧力プラトーに到達しますが、低圧域での立ち上がりの 過渡挙動が約3分間異なります。
- ターゲットの表現。 ケーブル損傷（THIEF）はCFASTの外部で評価されるため、FRI3Dの ターゲットは薄いガス暴露プローブです。NRCはTHIEFプレートをデッキ内に組み込んでいます。 ガス層の物理量には影響しません。
結果
3600 sの実行にわたる同時刻比較です（FRI3D生成デッキ vs NRCベースライン）。
| t (s) | HRR (kW) FRI3D / NRC | 上部層温度 (°C) FRI3D / NRC | 層高さ (m) FRI3D / NRC | 上部層O₂ (%) FRI3D / NRC |
|---|---|---|---|---|
| 300 | 88.8 / 81.2 | 23.0 / 23.1 | 5.4 / 5.4 | 20.4 / 20.4 |
| 600 | 616.8 / 440.9 | 38.1 / 33.3 | 4.8 / 4.6 | 19.8 / 20.1 |
| 900 | 1228.1 / 1054.8 | 68.9 / 67.5 | 4.3 / 3.9 | 18.3 / 19.1 |
| 1200 | 1672.8 / 1598.8 | 99.5 / 100.9 | 4.1 / 3.5 | 16.2 / 17.5 |
| 1800 | 873.2 / 755.3 | 83.2 / 76.9 | 4.1 / 3.1 | 15.8 / 16.8 |
| 3600 | 713.2 / 678.0 | 71.1 / 68.4 | 3.6 / 3.0 | 17.6 / 17.5 |
実行全体にわたるピーク値／極値です。
| 物理量 | FRI3D | NRC | 差 |
|---|---|---|---|
| 上部層温度ピーク | 104.1 °C | 103.6 °C | +0.5 % |
| HRRピーク（計算値 vs 規定値） | 1673 kW | 1599 kW | +4.6 % |
| 区画圧力ピーク | 243 Pa | 249 Pa | −2.3 % |
| 上部層O₂最小値 | 15.3 % | 16.5 % | −1.2 pt |
| 層高さ最小値 | 3.6 m | 3.0 m | +0.6 m |
| トレイターゲット表面温度ピーク | 812 / 985 / 1004 °C | 808 / 1000 / 999 °C | ≤ 1.5 % |
FRI3D generated CFAST deck vs NRC CFAST baseline — switchgear cabinet fire with FLASH-CAT tray spread
このケースで最も重要な点は熱放出速度です。FRI3Dのピーク1673 kWおよび燃え尽き後の テール713 kWは、汎用ライブラリのケーブルデータからFLASH-CATエンジンによって 計算されたものであり、NRCがオフラインで導出したピーク1599 kWおよびテール678 kWに 対して+4.6 %の差です — これは入力値のコピーではなく、手法そのものがリファレンスを 再現し ていることを示します。過渡中盤のHRR差（例: 600 s時点の617 vs 441 kW）は トレイ着火タイミングを反映しています。FRI3DはCFASTが予測する暴露からトレイを 着火させるのに対し、NRCは480 sの固定着火時刻を規定しています。
層高さの差（後期の3.6 vs 3.0 m）は、火災高さの表現方法の直接的な帰結です。 ゾーンモデルの層境界（インターフェース）は、下部層からのプルームのエントレインメントと 排気が釣り合う位置に落ち着き、そのエントレインメント経路は火災基部から測られます。 NRCはトレイ火災を一定の3.8 mに固定しているのに対し、FRI3Dは燃焼前線とともに火災高さを 上昇させます（上段トレイのみが燃焼する時期には約4.7 mまで）。これにより エントレインメント経路が短くなり、層境界は約0.6 m高い位置で止まります。この差は トレイスタック自体の高さ1 mの範囲内に収まっており — 複数段のトレイ火災に単一の高さを 割り当てること自体に内在する曖昧さです — 層の温度、化学種、圧力には影響せず、 これらは数パーセント以内で一致しています。
結論
FRI3Dが生成したCFASTデッキは、NRC NUREG-1934 付録B（Appendix B）開閉装置室 ベースラインを、上部層温度ピークで±0.5 %、圧力ピークで±2.3 %、HRRピークで+4.6 %の 範囲内で再現しています — しかも二次ケーブルトレイ火災は、規定値としてではなく、 FRI3DのFLASH-CAT実装が汎用ライブラリデータから計算したものです。過渡中盤の タイミングおよび後期の層高さの差異は、文書化された表現上の差異（計算による着火 vs 規定着火、動的な火災高さ vs 固定高さ、漏気比によるモデル化 vs 明示的な隙間の モデル化）にさかのぼることができ、上記の値の範囲内に収まっています。
参考文献
- NUREG-1934 / EPRI 1023259, Nuclear Power Plant Fire Modeling Analysis Guidelines, Appendix B: Cabinet Fire in Switchgear Room（付録B: 開閉装置室におけるキャビネット火災）.
- NUREG/CR-7010 Vol. 1, Cable Heat Release, Ignition, and Spread in Tray Installations During Fire (CHRISTIFIRE) — FLASH-CAT法.
- NUREG-1824 / EPRI 1011999, Verification and Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant Applications（CFAST巻）.