V&Vの適用と実施の国際動向についてcsed.sakura.ne.jp/wp-content/uploads/2013/06/dd1e4c039...• 商用コード(ANSYS)に対するV&V標準 • 数値溶接力学におけるV&V標準化

日本原子力学会「2013年春の年会」近畿大学東大阪キャンパス2013年3月26~28日

VampVの適用と実施の国際動向について

（独）原子力安全基盤機構（JNES）笠原文雄

平成2５年３月２８日

（１）ASME2012 Verification amp Validation Symposium （２）米国での火災解析モデルのVampV(NUREG-1824)

ASME2012 Verification amp Validation Symposiumの概要

bull 主催米国機会学会(ASME) bull 開催地米国ラスベガス bull 期間2012年5月2日～5月4日 bull 内容不確かさの定量化妥当性確認の方法VampVの具体的な適用VampV標準作成活動パネル等の14の分野

bull 参加者約200名（日本からの参加者岡本（東大）功刀（京大）大野鈴木（JAEA）笠原（ＪＮES)他）

（１）

セッションの内訳 1 Plenary Session 2 Uncertainty Quantification Sensitivity Analysis

and Prediction 3 Validation Methods for Solid Mechanics and

Structures 4 Verification and Validation for Fluid Dynamics

and Heat Transfer 5 Validation Methods for Impact and Blast 6 Verification and Validation for Simulation of

Nuclear Applications 7 Verification for Fluid Dynamics and Heat

Transfer

セッションの内訳(続) ８Validation Methods for Materials Engineering ９Verification and Validation for Energy

PowerBuilding and Environmental Systems １０Validation Methods for Bioengineering １１Standards Development Activities for Verification and Validation １２Validation Methods １３Verification Methods １４Panel Session VampV from a Government and Regulatory Perspective

プログラムの概要 bull 全論文数185件 bull トラック3Validation Methods for Solid Mechanics

and Structures（27） bull トラック2Uncertainty Quantification Sensitivity

Analysis and Prediction（26） bull トラック12Validation Methods （26） bull トラック4Verification and Validation for Fluid

Dynamics and Heat Transfer(19) bull トラック7Verification for Fluid Dynamics and

Heat Transfer(12)

プレナリーセッション

bull 新たに標準作成活動を開始した医療機器の標準(VampV40)に係る発表(AG Erdman)

bull ASMEVampVのこれまでの経緯及び今後のチャレンジ(WL Oberkampf)

bull 計算物理とその妥当性検証の考え方(PJ Roach)

bull CASL軽水炉の高度シミュレーション(DBKothe)

プレナリーセッション(2) bull Oberkampf氏の発表 IEEEに始まり米国原子力学会(ANS)防衛省（DoD）のVampVガイドの歴史を述べシミュレーションのゴールは不断の改善による信頼の獲得でありその手段としてモデリングシミュレーション(MampS)VampVが重要であることまたそれへのチャレンジ要素としてVampV計画妥当性確認の指標結果の外挿性対象の予測性能における課題について述べたこの報告は原子力安全分野での適用を図るJNES及び学会が目指す方向性に合致しており今後の標準作成活動を進めていく上で大いに参考になった発表であった

Practical and Technical Challenges in Verification and Validation

bull What are the primary goals of software VampV vs MampS VampV

Software VampV is focused on software reliability MampS VampV is focused on simulation credibility

bull What does software VampV vs MampS VampV produce

Software VampV software 10485771048577 product MampS VampV information 10485771048577 service

Oberkampf氏の発表資料から

プレナリーセッション(3) bull 一方CASLの発表ではPWRプラント（14炉心）を可能な限り直接モデル化する大規模シミュレーション（3億3400万メッシュ）の例を

示し今後の米国における出力増強寿命延長高燃焼度化等へのシミュレーション適用能力を実証させる意欲を示したこれもシミュレーションが目指す一つの方向性であろう

Kothe氏の発表資料から

熱流動分野のVampV bull ASME VampV標準に従って解析及び実験を実施しその誤差不確かさを評価して解析コードの信頼性及び妥当性を確認したという内容が多い

bull 既存解との比較による「コード検証」メッシュ数依存による数値誤差を評価する「解検証」さらに試験結果との比較を実施しており標準が現場で活用されているという感じを受けた

bull 実験点が少ない状況におけるシミュレーション結果の不確かさを定量的に評価する方法の発表も多く製品設計への適用を進めている発表も見受けられた

原子力分野のVampV bull 適用対象もコードもバラエティのある内容軽水炉試験施設を対象にしたシステムコードのVampV

CFDコードによる軽水炉溶融塩炉ガス炉試験施設等の局所現象のVampVナトリウム冷却炉における火災解析コードのVampV(JAEA大野)検証用データベースの整備等一方CFDコードのVampVについてはASME VampV標準に従った手法が目立った

bull システムコードのVampV 対象が大型であり時間依存の現象が多いことからＶ

Ｖ20標準等を単純に適用するだけでは解決が困難であり不確かさを定量化するためにCSAUやBEPU手法を適用しパラメータの選定にはPIRTを用いるオーソドックスな手法が多かった

VampV標準の開発 bull 規制機関である米国連邦航空局(FAA) における解析認証に

おけるVampV bull 商用コード(ANSYS)に対するVampV標準 bull 数値溶接力学におけるVampV標準化 bull 原子力事業者(EDF)における安全評価のためのVampV bull 日本非線形CAE 協会（JANCAE）における構造解析分野の

VampV活動 bull 米国原子力分野の新たなVampV標準案(ANS 107) bull 自動制御に組み込まれたソフトのVampV bull 原子力システム解析分野を対象とするASME VampV30の開発

状況 bull 信頼性標準NQA-1とCFD伝熱標準ASME VampV20との関係広範囲で非常に興味のある発表が多かった

VampV標準の開発（2） bull ＡSME VampV30標準 2日目の最終セッションで時間の制約がなかったことから

VampV20との関係VampV30が対象とする範囲妥当性を判断する指標NQA-1の要求事項との関係標準の完成時期等多数のQampAがあった

AESJ標準案はVampV30の内容と最も近く議論に大いに関心があったがVampV30が対象とする現象の範囲がVampV20のそれより格段に広がるため予測を含めた定量的評価手法が必要であるとの認識は我がAESJ標準案と同様でありアプローチに間違いはないことを確信したがVampV30の完成にはあと3年（合計5年）は必要との回答を聞き今後の作業の困難さを感じた

パネルセッション bull 米国の軍関係連邦航空局(FAA)食品医薬品局(FDA)標

準技術員(NIST)国立研究所(PNNL)及び我が国のJAEA（当分科会委員鈴木氏）など幅広い分野の参加者からVampV関連の現状とその考え方が述べられたが議論の焦点として事業者側は試験に代わる設計開発のツールとして効率化コスト削減を目的にシミュレーションを用いるが規制する立場として受け入れるには何が必要かというものであり適切に標準を示す必要を感じた

bull 鈴木氏はCCSE（JAEAシステム計算科学センター）の活動について原子力耐震計算科学研究の進捗状況理化学研究所次世代スーパーコンピュータ「京」活用の取組みについて述べ「シミュレーションの信頼性ＷＧ」活動についても紹介した

まとめ（１） bull 会合全体を総括するとVampV標準に基づいたモデル検証解検証（verification）を行いその後試験と

の比較によるシミュレーションの妥当性確認(validation)を実施して解析コードの信頼性を示す方法論はかなり定着していると思われた

bull ２０１３年ASME2013 Verification amp Validation Symposiumも米国ラスベガスにて５月２２日～２４日に開催される予定

大部分の発表資料ＰＰＴは下記にあるhttpcstoolsasmeorgcsconnectCommitteePagescfmCommittee=100003367ampAction=36547

米国での火災解析モデルのVampVに関する

報告書(NUREG-1824) bull 著者米国原子力規制委員会（NRC）と米国電力研

究所（EPRI)との共著 bull 発表時期2007年5月 bull 位置付けリスク情報に基づくパフォーマンスベースの火災防護の裏付けを行うために火災の結果を確実に予測可能な検証及び実証（VampV）済みの火災モデルが必要

bull 報告書の概要原子力発電所の申請で一般的に使用されている五つの火災モデルの検証と実証（VampV）を行いその結果をとりまとめたもの

（２）

ASME等によるフロー型MampS

エレメント１概念モデルの開発

エレメント２数学的モデル化エレメント３物理的モデル化

エレメント４シミュレーションモデルの予測性能判断

予測性能は要求を満足するか

実現象を対象とする工学的ニーズ較正

物理的モデルの更新

モデル形式

の更

モデル開発niモデル検証

モデル妥当性確認

NPP火災シナリオ

VampVを実施する火災シナリオを定める

火災モデル化コード VampVを実施する火災モデル化コードと

そのコードの能力を選択理論ベース仮定数字的堅牢性及び感

度を評価

火災実験

定量的VampVをサポートする一組の火災実

験を定める

火災モデル化パラメータ－

定量的VampVが実施可能な火災シナリオの

属性を定める

定量的VampV

モデルの予測と実験データを比較するこ

とにより定量的VampVを実施

VampV結果の報告

VampV結果を図式的比較と相対的差異の形

で報告

火災モデルのVampV研究のアプローチ

火災モデルの比較

モデル FDTｓ FIVE CFAST MAGIC FDS

作成者 NRC EPRI NIST EdF NIST タイプ Excel Excel

2ゾーンモデル

モデル仮定

主として下記の文書に準拠しており使用している支配方程式及び仮定は最新の火災現象計算手法として科学界で一般的に容認されている bullNFPA火災防護ハンドブック bullSFPA火災防護工学ハンドブック

支配方程式は火災現象に対するさまざまな側面の推定に使用される式のライブラリであり主に下記の文書に準拠している bullSFPA火災防護工学ハンドブック

支配方程式 bull質量保存則 bullエネルギー保存則 bullベルヌーイの式（換気口での流速）仮定一区画を２ソーンに分割し各ゾーン内では均一な特質（温度ガス濃度）を仮定

支配方程式 bull質量保存則 bullエネルギー保存則 bullベルヌーイの式（室開口部での流速） bull理想気体の法則仮定部屋を２ゾーンに分割（高温ガス層下部層）し各ゾーン内では均一の温度密度を仮定

支配方程式流体力学モデルナビエストークス方程式燃焼モデル混合比燃焼モデル放射熱伝達放射熱輸送方程式形状直線グリッドによる境界条件全ての固体表面で熱境界条件と材料の燃焼挙動についての情報を割り当て

モデルの特徴

2ゾーンモデルの解析対象の例 CFDモデルの解析対象の例

高温ガス層

下部層

検出器スプリンクラー

ケーブル

CFAST（２ゾーンモデル）のVampV bull 検証モデルに使用された理論的根拠と仮定の妥当性を検証することを要求しているASTM E1355に準拠解析解との比較モデルの構造と言語をチェック数的チェックと構文チェックモデルの感度等 bull 妥当性確認－ICFMP （国際共同火災モデルプロジェクト）の６つの実験試験シリーズで解析と実験を比較ーモデル予測と実験測定値との比較を相対差異として評価

FDS（CFDLESモデル）のVampV bull 検証－解析的テスト（半無限体熱伝導液滴の蒸発断熱下の燃焼等）－コードチェック（種々のプラットフォームコードの公開）－数値テスト（メッシュサイズ感度DNSコード実験との比較）－感度解析（輻射乱流発熱速度等のパラメータ感度）

bull 妥当性確認－ICFMP （国際共同火災モデルプロジェクト）の６つの実験試験シリーズで解析と実験を比較（CFASTと同じ）ーモデル予測と実験測定値との比較を相対差異として評価

検証実証の結果

パラメータ火災モデル

FDTS FIVE改訂1 CFAST MAGIC FDS

高温ガス層温度（上部層温度）火元の部屋黄黄緑緑緑

隣接する部屋黄黄緑

高温ガス層高さ（「層インターフェース高さ」）緑緑緑

天井ジェット温度（「標的ガス温度」）黄黄黄

プルーム温度黄黄緑緑

火炎高さ緑緑緑緑黄

酸素濃度緑緑緑

煙濃度黄黄黄

室内温度緑緑緑

標的温度黄黄黄

放射熱流速黄黄黄黄黄

総熱流速黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

分類定義以下の二つの基準に基づいて分類基準1モデルの物理的過程が実施する計算に適しているか基準2実験及びモデル入力データの不確さを超えるような計算上の相対差異があるか緑両方の基準（即ちモデルの物理的過程が行われる計算に適していること及び計算された相対差異が実験の不確さの範囲内かその近くにあること）を満足している黄基準１を満足するが結果が実験の不確実性の範囲外にあることからモデルの適用に注意すべきである赤第一の基準が満たされない場合この特定の火災モデルは使用するべきではない（実際にはこのようなモデルは無かった）無色モデルの機能に該当しない

まとめ（２）

火災防護に関する意志決定のために火災モデルを用いるにはモデルの限界と予測能力をよく理解する必要がある

NRCEPRIおよび NIST が実施したVampV研究（NUREG-1824 vol 1 2007) によって5つのモデルの予測能力について貴重な知見が与えられた

VampVで確認された火災モデルの予測能力はモデルによ

る予測と該当する実験測定値の間の定量的な相対差に基づいたものである

ただし考慮した実験はNPPで見られる配置を代表したものである考えられるすべてのNPPシナリオがこの調

査で評価されたとは限らないユーザはこの調査結果がその特定のシナリオに適用できるか否かを別途決めなければならない

スライド番号 1

セッションの内訳

セッションの内訳(続)

プログラムの概要

プレナリーセッション(2)

Practical and Technical Challenges inVerification and Validation

熱流動分野のVampV

原子力分野のVampV

VampV標準の開発

VampV標準の開発（2）

パネルセッション

まとめ（１）

米国での火災解析モデルのVampVに関する報告書(NUREG-1824)

モデルの特徴

CFAST（２ゾーンモデル）のVampV

FDS（CFDLESモデル）のVampV

判断基準

まとめ（２）

（１）ASME2012 Verification amp Validation Symposium （２）米国での火災解析モデルのVampV(NUREG-1824)

（１）

Transfer

Heat Transfer(12)

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（１）

Transfer

Heat Transfer(12)

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

Transfer

Heat Transfer(12)

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

Heat Transfer(12)

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

Heat Transfer(12)

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

モデル形式

の更

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

度を評価

火災実験

験を定める

属性を定める

定量的VampV

で報告

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

2ゾーンモデル

モデル仮定

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

モデルの特徴

高温ガス層

下部層

ケーブル

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

煙濃度黄黄黄

壁温度黄黄黄

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

まとめ（１）

モデルの特徴

判断基準

まとめ（２）

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