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 — トレイがいつ 着火するかはCFASTが予測するキャビネット火災の火炎高さから、どれだけ燃焼するかは 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。
概要
| 物理量 | NRC | FRI3D | 差 |
|---|---|---|---|
| トレイ着火時刻（計算値 vs 規定値） | 480 s | 482 s | +2 s |
| 熱放出速度ピーク | 1599 kW | 1595 kW | −0.2 % |
| 上部層温度上昇ピーク | 83.6 °C | 83.4 °C | −0.3 % |
| 層高さ最小値 | 3.00 m | 3.02 m | +0.02 m |
| 上部層O₂最小値 | 16.45 % | 16.44 % | −0.01 pt |
| 区画圧力ピーク | 248.9 Pa | 249.3 Pa | +0.2 % |
| トレイターゲット温度ピーク（3.9 / 4.4 / 4.9 m） | 808 / 1000 / 999 °C | 784 / 957 / 915 °C | −3〜−9 % |
区画のすべての物理量が、NRCベースラインと1 %以内で一致しています。トレイターゲットの ピークが数パーセント低いのは、両デッキでターゲットの種類が異なるためで、 ケーブルトレイターゲットで説明します。
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、 それ以外の部屋は密閉されています — リファレンスモデルはドア下部の隙間を換気口として 定義していますが、実行全体を通じて閉じたままとしているため、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。ファン流量と密閉区画の設定（両デッキとも漏気面積0.0 m²）を 含め、規定されたすべての入力が一致しています。
残る差異は入力ではありません。NRCモデルが手作業で導出した答えを与えられている箇所で、 FRI3Dがそれを計算している部分であり、それこそがこのケースの本質です。
- 二次火災。 両デッキとも、トレイスタックをキャビネットとは別の2つ目の火災として扱い、 その基部を最下段トレイのすぐ下の3.8 mに置いています。NRCは着火時刻とHRRテーブルを 規定し、FRI3Dはその両方を計算します。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。
- 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ケーブル円柱をデッキ内に組み込んで います。両者は異なるものを測定しているため、トレイ表面温度は同等比較ではなく参考値です。
結果
熱放出速度
Heat release rate — FRI3D computed vs NRC prescribed
このケースで最も重要な点は熱放出速度です。FRI3Dのトレイ着火482 s、ピーク1595 kW、 燃え尽き後のテール717 kWは、プラントモデルと汎用ライブラリのケーブルデータから 計算されたものであり、NRCがオフラインで導出した480 s、1599 kW、678 kWに対応します — 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。 キャビネット火災は両デッキで同一のため、トレイが着火するまで両曲線は一致します。
Cable-tray fire — FRI3D FLASH-CAT vs NRC prescribed
トレイ火災のみの比較です。FRI3Dの2段目と3段目のトレイは、FLASH-CATのタイミング シーケンスに従って、1段目の4分後と3分後に加わります。スタックの燃え尽きはNRCの テーブルより約100 s遅くなります。
上部層温度
Hot gas layer temperature
上部層温度のピークはNRCの103.6 °Cに対して103.4 °Cで、両者の差は全期間を通じて4 °C以内 です。テール部では、トレイ火災のテールがやや高いため、FRI3Dのほうが約2 °C高くなります。
層高さと酸素濃度
Hot gas layer height
Upper layer oxygen
両デッキで層は同じように降下し、最小値は3.00 mに対して3.02 mです。上部層酸素濃度は 両デッキとも16.4 %まで低下します。
圧力
Compartment pressure
密閉された部屋は同一に加圧されます。両デッキとも290 sで200 Paを超え、ピークは 249.3 vs 248.9 Paです。火災の減衰とともに区画圧力は200 Paのファンカットオフを下回 り、 給気ファンと還気ファンの回復が非対称になるため、両者とも一時的に低下します — NRCは 1730 sで38 Pa、FRI3Dは1770 sで59 Pa — その後233 Paで落ち着きます。
ケーブルトレイターゲット
Tray target surface temperature at the three tray elevations
ピーク以降、FRI3DのターゲットはNRCのターゲットに3つの高さすべてで追従し、14 °C以内で 落ち着きます（3600 s時点で596 / 832 / 727 vs 586 / 818 / 728 °C）。ピークは3〜9 %低く、 FRI3Dのターゲットのほうが早く昇温します。いずれもターゲットの種類によるものです。NRCは THIEFケーブル円柱、FRI3Dは薄いガス暴露プローブで、応答が速くピークが低く、その暴露を FRI3Dのケーブル損傷モデル（THIEFおよびヒートソーク）が用います。NRCのトレイ火災そのもので 実行するとFRI3Dのプローブも同じようにピークを示すため、差は計算された火災ではなく ターゲットにあります。
同時刻比較
FRI3D生成デッキ / NRCベースライン（3600 sの実行）:
| t (s) | HRR (kW) | 上部層温度 (°C) | 層高さ (m) | 圧力 (Pa) | 上部層O₂ (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 300 | 81 / 81 | 23.1 / 23.1 | 5.45 / 5.45 | 229 / 229 | 20.4 / 20.4 |
| 600 | 426 / 441 | 32.8 / 33.3 | 4.59 / 4.55 | 243 / 243 | 20.1 / 20.1 |
| 900 | 960 / 1055 | 64.2 / 67.5 | 3.88 / 3.86 | 248 / 248 | 19.2 / 19.1 |
| 1200 | 1595 / 1599 | 99.8 / 100.9 | 3.52 / 3.51 | 243 / 243 | 17.6 / 17.5 |
| 1800 | 793 / 755 | 79.3 / 76.9 | 3.10 / 3.09 | 76 / 99 | 16.7 / 16.8 |
| 3600 | 717 / 678 | 70.8 / 68.4 | 3.03 / 3.01 | 233 / 233 | 17.3 / 17.5 |
損傷の検証
NRCの付録Bケースでは、2種類の対象について損傷を定義しています。3段のトレイ内のケーブル （ケーブル内部が205 °Cを超えると損傷するTHIEFターゲット）と、燃焼キャビネットに隣接する キャビネット（NUREG-1934は損傷しないと結論）です。FRI3Dの損傷結果をこの両方と比較します。 トレイ（レースウェイ）と燃焼キャビネットの損傷にはNRCの対応値がないため、FRI3Dの FDS結果を参考として示します。
ケーブル
FRI3Dは、トレイに敷設されたケーブルを、トレイ位置のガス温度を入力とする独自のTHIEF実装 （NUREG/CR-6931 Vol. 3）で評価します。
| トレイ | FRI3D CFAST | NRC THIEFターゲット | 差 | FRI3D FDS |
|---|---|---|---|---|
| 3.9 m | 537 s | 630 s | −93 s | 552 s |
| 4.4 m | 640 s | 700 s | −60 s | 742 s |
| 4.9 m | 835 s | 840 s | −5 s | 832 s |
- FRI3Dのケーブルはすべてのトレイで、NRCと同時かそれより早く損傷するため、ケーブル損傷時刻は リファレンスに対して保守的です。
- 差は、ケーブルの暴露条件と損傷を判定する位置によるものです。NRCのCFAST円柱ターゲットは CFASTの放射および対流の熱伝達をすべて受け、表面から3 mm内側で判定します。FRI3DはTHIEFの 規定どおりケーブルジャケットのすぐ内側で判定します。
ケーブルトレイ
| トレイ | FRI3D CFAST | NRC | FRI3D FDS |
|---|---|---|---|
| 3.9 m | 506 s | 評価なし | 677 s |
| 4.4 m | 624 s | 評価なし | 815 s |
| 4.9 m | 818 s | 評価なし | 816 s |
- トレイの損傷はヒートソーク法で判定します。ターゲット位置の温度と熱流束の時刻歴を、ケーブルの損傷基準と比較します。
- NRCはトレイ内のケーブルを評価しており、トレイそのものは評価していません。
- トレイはスタックの順に、それぞれが敷設するケーブルの少し前に損傷します。
キャビネット
| キャビネット | FRI3D CFAST | NRC | FRI3D FDS |
|---|---|---|---|
| 燃焼キャビネット | 48 sで損傷 | 評価なし（火源そのもの） | 232 sで損傷 |
| 隣接キャビネット | 損傷なし（ピーク143 / 139 °C） | 損傷なし（ピーク137 °C） | 損傷なし（表面ピーク95 / 85 °C） |
隣接キャビネットはいずれの場合も205 °Cの損傷しきい値を下回り、NUREG-1934の結論と一致します。
FLASH-CATトレイ着火
FRI3DはCFASTを2回実行します。1回目はキャビネットのみを燃焼させ、FLASH-CATがその結果から キャビネット上方の最下段トレイの着火時刻を求め、火災をスタックの上方および長手方向 へ 成長させます。2回目は、トレイスタックをその時刻に着火する独立した火災として追加します。 トレイが着火するまでは2回の実行は同一であるため、1回目で求めた時刻は2回目でもそのまま 成り立ちます。
最下段トレイは、キャビネットの火炎がトレイに到達した時点で着火します。すなわち、火炎先端 （火災の基部の高さにCFASTの火炎高さを加えたもの）が初めてトレイ下端以上になった時刻です。 これはNUREG-1934自身がこのシナリオに適用している判定基準で、NRCの480 sは、キャビネットのみの CFAST実行で火炎が最下段トレイに到達した時刻です。火炎がトレイに到達しない場合、FRI3Dは トレイの暴露による判定に切り替えます。
| 判定基準 | 最初に到達した時刻 |
|---|---|
| 火炎先端が最下段トレイ（3.9 m）に到達 | 482 s |
| 代替: 入射熱流束が6 kW/m²を超える | 466 s |
| 代替: トレイ位置のガス温度が205 °Cを超えてから5分後 | 335 + 300 = 635 s |
代替判定では2つのうち早いほうを用います。このケースでは火炎がトレイに到達するため、 代替判定は使われません。205 °Cと6 kW/m²は熱可塑性ケーブルに対するNUREG/CR-6850の しきい値で、5分はFLASH-CATの暴露時間（NUREG/CR-7010）です。上段のトレイはFLASH-CATの タイミングシーケンスに従い、下のトレイの4分後、3分後、2分後に着火し、それ以降は1段ごとに 1分後です。このケースでは722 sと902 sで着火し、NRCの720 sと900 sに対応します。
FRI3Dは、NRCのデッキと同様に、スタックを燃焼中のトレイの熱放出の合計を持つ1つの火災として 出力しま す。トレイは上下に重なっているため、その面積は最も広く燃焼しているトレイ段の 面積とします。
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、 熱放出速度ピーク、上部層温度上昇、層高さ、上部層酸素濃度、圧力のいずれも1 %以内で再現して います — しかもトレイ着火時刻（482 vs 480 s）と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。トレイターゲットのピークは 9 %以内で、その差は計算された火災ではなくターゲットの種類に起因します。また、トレイ内の ケーブルはNRCリファレンスと同時かそれより早く損傷します。
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/CR-6850 / EPRI 1011989, Fire PRA Methodology for Nuclear Power Facilities — ケーブル損傷しきい値.
- NUREG/CR-6931 Vol. 3, Cable Response to Live Fire (CAROLFIRE): Thermally-Induced Electrical Failure (THIEF) Model — ケーブル損傷.
- NUREG-1824 / EPRI 1011999, Verification and Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant Applications（CFAST巻）.