原子力産業をバックアップする数値シミュレーション技術
１． はじめに
確か30年ほど前だったと記憶しているが、科学分野へコンピュータの適用が盛んになり始めた頃である。いわゆる数値解析によるシミュレーションの始まりであった。折しも米国では、アポロ計画の終焉により優秀なコンピュータ技術者が原子力分野へどっと雪崩れ込んで来た。これがより一層数値シミュレーションの発展を加速させることになった。
日本では、そのコンピュータ需要に応えるべく、大型計算機を時間貸しする「計算センター」と言う商売が盛んになった。当時は人間の労働は非常に軽んじられ、1時間稼動すると100万円稼ぐ大型計算機は神様のように、冷房設備が完備された最高の部屋に安置されていた。人間はこの「機械」のお守りのために、徹夜で付き合うこともしばしばであった。「機械」はその快適な環境の中で疲れる風もなくフル稼働を続ける一方で、人間は劣悪な環境の中で寝不足の頭を抱えながら計算機の食べ物（入力データ）を用意し、そのプロダクツ（出力結果リスト）を顧客に届けると言った単純作業に追われる奴隷のような毎日を過ごしていた。
ところが、計算機業界の競争は熾烈を極め、ビルゲイツなる青年の出現により、それまではゲームの域をなかなか脱し得なかったパーソナルコンピュータ（パソコン）が一躍脚光を浴び、それは業界の技術進展をさらに加速し、今では往時に1時間に100万円稼いだ大型計算機より10倍、100倍高速なパソコンが20万円ほどで購入でき、実際の稼動には十数円の電気代だけで、同じ結果が得られるという信じられないような世の中になった。
当然の結果として、計算時間の切り売りだけをしていた「計算センター」は姿を消してしまい、人間性回復の時代がここから始まったと思われる。
２． 原子力発電プラントの安全解析
原子力発電プラントの建設は、電力会社のエンジニアの「夢」と「技術力」、そして巨大メーカーの総合的な技術力を背景に進められてきた。そこにはメーカーの長年に亘る実績と経験が最大限に活用されてきている。この原子力発電プラントの建設では、設置許可申請された原子力発電プラントの安全性を検証し確証するための安全解析を、中立の機関によって実施することが義務づけられている。そこで原子力発電プラントのような巨大システムの安全解析には、数値シミュレーションが必要不可欠なものになっている。この数値シミュレーション技術についても、指導的立場にあったのが日本原子力研究所（原研）である。
設立45年を迎える原研は、原子力技術発展のメッカであり、長年に亘って原子力の平和利用のために、主に原子力先進国の米国からの技術導入、安全性の確証のための実験・新技術の開発及び解析ソフトウェアの開発を行い、原子力技術の健全な育成に貢献してきた。そして原子力に携わっている多くのエンジニアが、一度は原研へ出向したり、種々の共同研究に参加することにより多くのことを学ばせて貰った経緯がある。その多くのエンジニア達の実績・経験が原子力の発展に大きく活かされているのである。
当社でも、社員の殆どが一度は原研へ出向したり、委託研究の仕事をしながら身に付けた知識・経験を生かして、原子力の安全解析という特化した狭い分野の仕事ではあるが、国の機関や原子力産業界から委託を受けて解析を実施している。このようなパソコンを用いたシミュレーション解析が可能となったことにより、人的資産以外には小さな設備投資で運営が可能なベンチャーとしての起業が可能となった。
３． 産業不況・空洞化
世の中がバブルのマネーゲームに浮かれたのも一瞬、バブルが崩壊して不況が始まると、大企業はバブル時に定着してしまった高コスト低収益構造を早期に改善するために、過酷なほどの経営合理化を優先し、産業界はこぞって唯一の光明である「IT」へと走り、既存技術は顧みられなくなった。原子力産業もご多分に漏れず、既存技術から先端技術の象徴である「IT」へのリストラが始まった。そのために、企業内におけるエンジニアリングの空洞化が進み、産業発展に不可欠な技術伝承が困難になる傾向が見られるようになった。
４． 特化した技術
不況によりリストラが行われ易い分野は、直接金稼ぎに結びつかない、研究開発部門であるが、現状の維持には差し支えなくても、将来の原子力産業の進展を危うくする恐れがある。 これらの技術の空洞化を少しでも補完するために、当社では今までの実績を生かして原子力発電プラントの安全解析・評価という専門性の高い特化した技術に注力して、知識集約的なサービスを顧客に提供することを目指している。
つまり、物作りのノウハウを有するメーカーと競合するのではなく、我々の数値シミュレーション技術でお互いをうまく補完し合うことを考えることをモットーにしている。
５． 会社設立
当社は、米国のCSA社（Computer Simulation and Analysis Inc.）との技術提携を基盤として発足した、どの資本系列にも属さない中立の純粋国産資本によるエンジニアリング専門会社である。受託作業は主に原子力発電プラントの安全解析であるが、図１に示すパソコン上で稼動する簡易シミュレータ等の販売・技術支援等も行っている。
米国の技術提携先であるCSA社は、米国のアイダホ国立研究所出身のエンジニア達が設立したEI社（Energy Incorporated）を前身として、電力会社に対する技術支援を目的として発足した経緯がある。このEI社は、米国において軽水炉の安全評価コードパッケージ（WREM：Water Reactor Evaluation Model）が米国で公開された時点で、セミナーの開催等を通じて、いち早くそのパッケージを我が国に紹介した会社でもある。
3年前に当社の設立を可能にしたのは、確かにパソコンの能力の革新的な進歩により、自前で容易に解析が可能になったことがベースにある。しかしそれ以上に、米国CSA社と同様に、「エンジニアによるエンジニアのためのエンジニアの会社」を作りたいという「夢と信念」であった。CSA（Computer Simulation and Analysis）という名前がまさに会社の内容を示しており惚れ込んだのであった。そのため登記する前に代表者印と社印を作ってしまった。その後法務局から「類似称号」として却下されたが、折角の印鑑代がもったいないのもあったが、惚れ込んだ社名を変えるのは絶対に嫌だったので、定款の方を変更して登記した経緯がある。
設立時に目指したことは、上でも述べたように、数値解析による安全解析という非常に特化した分野であるが、チョット難しい部分で、他の会社が少し敬遠してしまうような箇所を専門に担当するとした上で更に、今までの経験で得た以下の教訓を生かすことであった。
- 第１の教訓 計算機に使われるのはやめよう。
- 第２の教訓 何でもやりますと言う営業はやめよう。
- 第３の教訓 会社という組織である前に、仕事のパートナー集団であること。
管理職になったり、役職名なんて要らないから、
好きな仕事をできるだけ長く続けたい。
お互いそのための「グッドパートナー」であり続けよう。
６．おわりに
最近は、公的な競合を公正化することが必要以上に主張されている傾向があるように思われる。確かにすでに確立した技術に対しては、不要な予算を圧縮すると言う意味の競合がプラスの意味をもつ場合もある。ただ、未だ確立されていない、研究開発的要素が強い研究プロジェクトに対してまで、無理やりに「見積り金額だけを対象にした競合」という不毛な競争原理を持ち込むことは、科学技術の健全な進展を阻害しかねない危険性をはらんでいることをアピールしていきたい。さもないと少数の特化した技術だけで生きていこうとしている研究開発的ベンチャー産業は、大企業との競合に決して勝ち目がなくなる。それが、技術の健全な発展を妨げる場合もあるかも知れない。
これからは更に、各企業がそれぞれの得意な分野で、原子力の健全な発展に寄与できる社会システムの整備が望まれる。
株式会社 シー・エス・エー・ジャパン
代表取締役 社長
藪下 幸久
[原子力eye(株式会社日刊工業出版プロダクション発行)：2002年6月号に掲載]
混相流とその専門家達との遭遇
Close Encounters of Multi-phase Flow and the Specialists
実験とは全く縁の無い小生の二相流との出会いは、原子力発電プラントの安全解析の中で、冷却材喪失事故（Loss Of Coolant Accident）のブローダウン解析の時であった。良く分からないながらも解析に使用していた解析コードRELAP3の中に、気泡離脱モデルなるものが組み込まれていた。そのモデルの入力パラメータにあったのが気泡分布の傾きと気泡上昇速度であった。実際の実験は見たことがないが、英文のマニュアルの説明を読んで、素人なりの理解をして解析をしていた。ただ、このような静的なモデルを、LOCAのような極端な過渡挙動に適用して良いのかなと漠然と考えていた。
考えてみれば、私の流体とのつき合いはその後も先ず解析コードのモデルありきであった。米国では、原子炉の安全研究の一環として、LOFT、セミスケールの実験が盛んに行われ、その実験予備解析用に開発されたRELAPコードシリーズは、その事後解析の際の実験との比較によってモデルの見直し、バージョンアップが繰り返され、より予測精度の良いモデルや数値解法の開発が精力的に行われた。ちょうどアポロ計画が一段落して、優秀な人材（研究者とプログラマー）がどっと原子力分野に流れ込んだ時でもあったと思う。
当時、京大２号炉の安全審査があり、適切な解析コードがないために、RELAP3コードで解析をして安全審査を受けることとなった。完全な陽解法を用いていた当時の数値解法では、安定な解を得るためには、計算の時間刻み巾を小さくするしか方法が無かった。そのため、ひどいケースでは１ケースの計算機使用料金が１千万円になるものまであり、絶対に失敗が許されない環境であった。計算機を時間貸しする「計算センター」全盛の時代だった。そのために、計算を実行する際には神経が疲れ果てたのを憶えている。その時、京大の申請者として実務で頑張っておられたのが、まだ助手時代の三島嘉一郎先生でした。
そして、それまでの地道な数値解析技術の研究が全て、精度を要求される原子力分野の解析コードTRACコードとRELAP５コードの開発に集中された感がある。その解析結果が国際会議で頻繁に発表されることになった。この２つのコードを開発した米国の国立研究所、つまりTRACコードを開発したロスアラモス国立研究所と、RELAP5コードを開発したアイダホ国立研究所の２つの国立研究所は、おもしろい特質を持っていたように思える。つまり、非常に数学や数値解法を得意とするロスアラモス研究所と、工学、エンジニアリングに詳しいアイダホ国立研究所である。国際会議でこの２つのコード開発者がそれぞれのコードによる解析事例を発表した会議があった。最初に発表したロスアラモス研究所の発表結果について、アイダホ国立研究所の質問者が、解析対象としているプラント事象の解析条件について質問した。しかし、発表者であるロスアラモス研究所の人間は、解析対象などは余り気にしていない様子であった。想定している事故事象についても、あまり詳しくは無かった。むしろ解析結果に振動が見られずに非常に滑らかで、高速演算が可能であることを主張していた。ところが逆に、アイダホ国立研究所の発表では、解析事象について、それらの解析条件や結果の事象のメカニズムの解釈については非常に詳しく説明がなされたが、ロスアラモス研究所の人間が、その基本モデルの導出について質問した際には、きちんと答えられない状態であった。これは少し極端であったが、それぞれの研究所の特徴が顕になっていた感じがあり、興味を持った。日本では、大概両方をきちんと抑えている研究者が多かったのと異なっている。それぞれの風土の違いによるものと思われる。
私は、1981年当時にアイダホフォールズにあったエナージーインコーポレイティド社で居候しながら、米国の原子力プラント建設会社が実施した安全解析のレビュー等を担当して、半年ほど働いたことがあった。確かに仕事の分業化が進んでいて、プログラムの開発者と解析屋は分担がはっきり分かれていた。マニュアルを見ながら入力データを作った解析屋は、エラーストップすると、自分の間違いではないことだけをチェックしたら、その入力データをプログラム開発者に手渡して、彼の仕事は終わり、、、。一方日本では、解析屋もソースコードの中身を見て、エラーの原因を調べ、プログラムに合うように入力データを変更して、自分で解析を続けたものであったが、、、。２０年ぐらい遅れて今の日本でも、残念であるが分業が進んで、『他人の』仕事にまで首を突っ込まなくなっている傾向が見られる。その当時同室の人はアイダホ国立研究所出身のエンジニアでしたが、解析が上手く行かなくて、金曜日の夜に７時くらいまで残業すると、「こんなに遅くまで残業していると、離縁されてしまうよ。」とぼやいていた。「そんなこと位で、、」と思ったが、かなり真実味があった。残念であるが、これも今の日本では、社会風潮として、当然のように思われるようになってきているようだ。この頃に、アイダホフォールズに駐在していたのが、私と生年月日が全く一緒だった小泉安郎先生で、新婚旅行のまま来てしまったように、まだ熱々で常にバーンアウト状態であった。このように言うと、「バーンアウト事象を理解していない。」としかられそうである。
日本国内でもROSA実験等が実施され、それらの実験解析を通じて種々の知見が蓄積されていった。そして２相流の解析分野での画期的な進展は、それまでの均質流モデルから２流体モデルへの進展であったと思う。この２流体モデルは、非常に興味深いものであった。それは２流体の挙動を表現するそれぞれの基礎方程式を、基本的な実験で得られた素過程を表現する構成方程式で関係付けて方程式系を構成させるものであった。ところが、この素晴らしい２流体モデルに対して、一般的に良く用いられる「２流体の圧力が等しい」とする「１圧力モデル」が基礎方程式系の特性から「不適切」であると言う問題が提起されていた（Robert W. Lyczkowski）。この「不適切」な条件とは、微分方程式を解いて予測したい「将来」が「今現在」や「過去」の挙動とは無関係に変動する特性を有することであり、その微分方程式を解いて得られる解（結果）が無意味であることを示していた。ところが、一方ではこの２流体モデルを用いて得られる結果は、実験データとの照合も比較的良く、実際の現象をある程度精度よく模擬していることが分かっている。そのジレンマを理解・解釈したいと考え、東工大の高橋亮一教授の指導の下で何年か悩み続けたこともあった。
一方、解析結果の精度を向上させるために、この「理想的な」２流体モデルの基礎式を関連付ける構成方程式の精度を上げることが、必要不可欠となった。しかしそのような素過程に係わる基本的なデータベースの獲得が意外になされていないことも明らかになった。
当時、神戸大学の冨山明男先生に依頼され、博士課程を修了したばかりの宋明良氏に、社会勉強のためにと言うことで、民間会社の私の部署へ入社して頂いたことがあった。その４年間の間に、２流体モデルを用いたサブチャンネル解析コードNASCAの開発を、宋氏と加茂英樹氏と一緒にできたことが、良い想い出になっている。
解析技術の進歩や計算機の高速化に支えられて、解析精度の向上やプラントの出力上昇を目的として、最適評価コードへのニーズが高まってきた。そのために、単に「保守的に」安全であるではなく、その安全余裕の定量化が要求され、そのために更なるモデルの詳細化が必要となってきている。そしてモデルが詳細になればなるほどに、それらの現象を支配する素過程のモデルの基礎となっている実験データの信頼性と、実際には解析対象としなくてはならない実機規模への拡張性（適用性）と言ったスケーリングの問題が顕になって来ている。ここらで今までに蓄積された全てのデーターベースを、新しい観点から見直す必要がある時が来ているように思われる。混相流の分野は、まだまだ行く末を見とどけたい「気になる」分野である。
株式会社 シー・エス・エー・ジャパン
代表取締役 社長
藪下 幸久
[混相流(日本混相流学会発行)：2008年22巻3号に掲載]
