AbstractHydrogen–air mixtures in the vacuum vessel of international thermonuclear experimental reactors (ITER) may be produced by accidents. The basic safety approach is to limit the amount of hydrogen to keep concentrations below flammability limit. For ITER, 5-kg hydrogen uniformly mixed in the vacuum vessel with air at 1.0 bar would lead to concentrations below the flammability limit of 4 vol.%. However, in the case of air ingress into a hydrogen-containing vessel, the hydrogen concentration unavoidably passes through the flammability and detonability range. Also the local formation of burnable clouds is of concern. The problem is to determine the amount of hydrogen allowed to deflagrate or detonate in the vessel without impairing the radioactive confinement function of the vessel and its secondary enclosures. First, the vacuum vessel has to withstand the static load of a deflagration, which pressurizes the vessel for a substantial time period. The final adiabatic pressure after detonation is practically equal to the deflagration pressure because there is only a small difference in burn completeness. Second, in case of a detonation, the vessel has to withstand the dynamic load of the high peak pressure of very short duration during reflection of the detonation wave at the vessel wall. To determine the static load, the maximum deflagration pressures during air ingress transients are evaluated for completely mixed gases and local clouds of flammable mixtures. To characterize the dynamic load, a model for the momentum transferred to the wall by a reflected detonation wave is developed. It results in the simple rule, that the momentum of the wave is at maximum 13% of the total theoretical momentum defined by the total mass of gas in the vessel moving with the Chapman–Jouguet (C–J) detonation front velocity [A.H. Shapiro, The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow, vol. 1, Ronald Press, 1953, p. 210]. The momentum transferred to the wall is about twice the momentum of the impacting wave due to reflection on the wall. The results for the ITER limit of 5 kg show a maximum deflagration pressure below the 2 bar design limit of the vessel and a detonation momentum, which is within comparable design loads of the vessel and its support structure, such as for the dropping of a blanket module from top of the vessel to the bottom.
水素-空気混合物は、国際熱核融合実験炉（ITER）の真空容器内で事故により生成される可能性がある。基本的な安全対策は、水素の量を制限して濃度を可燃限界以下に保つことである。ITERの場合、5kgの水素が真空容器内で1.0barの空気と均一に混合した場合、濃度は可燃限界である4vol.%未満となる。しかし、水素を含む容器への空気侵入が生じた場合、水素濃度は不可避的に可燃性および爆轟性の範囲を通過する。また、可燃性雲の局所的な形成も問題となる。課題は、容器およびその二次格納施設の放射性物質閉じ込め機能を損なわずに、容器内で爆燃または爆轟を起こすことが許容される水素の量を決定することである。第一に、真空容器は爆燃による静的荷重に耐えなければならない。爆燃は容器を相当な期間加圧する。爆轟後の最終断熱圧力は、燃焼完了度の差が小さいため、爆燃圧力と実質的に等しい。第二に、爆轟の場合、容器は爆轟波が容器壁で反射する際の非常に短い持続時間の高いピーク圧力による動的荷重に耐えなければならない。静的荷重を決定するため、完全混合ガスおよび可燃性混合物の局所雲について、空気侵入過渡事象中の最大爆燃圧力が評価される。動的荷重を特徴付けるため、反射爆轟波によって壁に伝達される運動量のモデルが開発される。その結果、単純な規則が得られる。すなわち、波の運動量は、容器内の全ガス質量がチャップマン-ジュゲ（C-J）爆轟前面速度で移動する場合の理論的全運動量の最大13%である[A.H. Shapiro, The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow, vol. 1, Ronald Press, 1953, p. 210]。壁に伝達される運動量は、壁での反射により、衝突する波の運動量の約2倍である。ITERの5kg制限に関する結果は、最大爆燃圧力が容器の設計限界である2bar未満であり、爆轟運動量は、容器およびその支持構造の設計荷重（例えば、ブランケットモジュールが容器上部から底部へ落下する場合の荷重）と同等の範囲内にあることを示している。