Ke Daftar Isi Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan Serla Fasililas Nuklir
Serpong. 9-10 Februari 1993 PRSG. PPTKR - BATAN
PLTN
PENENTUAN SIFAT NETRONIK ELEMEN BAKAR 1/4 ,1/2, DAN 3/4 DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM TRIGAP Oleh: Edi Trijono Budisantoso, Bambang Sumarsono, Tcgas Sutondo Pusat Penelitian Nuklir Y ogyakarta - Badan Tenaga Atom Nasional
ABSTRAK Elemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4 adalah elemen-elemen bakar yang mempunyai kandungan UZrH sebanyak 1/1, 1/2 dan 3/4 dari elemen bakar ST ANDAR dengan sisa ruang volume lainnya digantikan dengan Grafit. Di dalam makalah ini dilaporkan hasil pengamatan sifat netronik elemen bakar di atas dengan menggunakan program TRIGAP. Pengamatan dilakukan dengan menghitung reaktivitasnya sebagai fungsi posisi di teras rektor dan fungsi fraksi bakamya. Dari hasil perhitungan reaktivitasnya dapat disimpulkan secara keseluruhan bahwa , elemen bakar yang mempunyai kandungan Uranium jauh lebih kecil dari elemen bakar mayoritas di teras akan memberikan reaktivitas positifpada posisiposisi teras tertentu saja, sedangkan elemen bakar yang mempunyai kandungan Uranium yang. sarna dengan elemen bakar mayoritas di teras akan memberikan reaktivitas positif pada sembarang posisi di teras reaktor.
ABSTRACT Fuel element 1/4, 1/2 and 3/4 are three of different types of TRIG A fuels having U-ZrH volume fraction of 1/4, 1/2 and 3/4 to that of ST ANDARD fuel respectively. The remaining space in the fuel is accupied by Graphite. This paper reports the neutronic behavior of the above fuels, evaluated using TRIGAP code. The evaluation is taken by calculating their contributed reactivity for various burn up fractions and their position in the core. It is then concleded that the fuel clement with much less of Uranium contents then that of the majority fuels in the core, will in fact give the positive reactivity at only certain core position, while the fuel element with the same Uranium contents to that ofmajority fuels in the core will give the positive reactivity for any of core position.
I. PENDAHULUAN. Reaktor KARTINI adalah reaktor riset tipe TRIGA MARK II yang mempunyai bahan bakar U-ZrH. Ragam elemen bakar yang tersedia untuk reaktor riset tipe TRIGA MARK II bermacam-macam, yaitu : a). Elemen bakar FLIP yaitu elemen bakar U-ZrH dengan be rat elemen Uranium 8.5 % yang diperkaya 70 %. b). Elemen bakar ST ANDAR yaitu elemen bakr UZrH dengan be rat elemen Uraniun1 8.5 % atau 12 % yang diperkaya 20 %. c). Elemen bakar LEU yaitu elemen bakar U-ZrH dengan berat elemen Uranium 20 % yang diperkaya 20 %.
isian U-ZrH sebanyak 1/4, 1/2 dan 3/4 fraksi volume elemen bakar ST ANDAR8.5 % dari faksi volume sisanya diisi dengangrafit. Dimensi fisiknya sarna dengan dimensi fisik elemen bakar ST ANDAR 8.5 % lainnya dan dapat ditempatkan pada sembarangposisi diteras reaktor. Dalam makalah ini dipelajari sifat elemen bakar diatas dan dibandingkan dengan sifat elemen bakar ST ANDAR. Pengamatan sifat elemen bakar dilakukan dengan mengamati reaktivitasnya pada tiap-tiap posisi di teras reaktor yang dihitung untuk berbagai tingkat fraksi bakar, dari permulaan sampai fraksi bakar maksimum. Reaktivitas elemen bakar pada masing-masing posisi diteras reaktor ditentukan dengan menggunakan program TRIGAP dengan cara menghitungperbedaan faktor multiplikasi netron (K) oleh adanyaelemen bakar yang bersangkutan terhadap elemen air. Hasil pengamatan Aplikasi jenis elemen-elemen bakar diatas ditentukan reaktivitas masing-masing jenis elemen bakar pada pola pengisian teras dan aktivitas reaktomya. Pola teras berbagai posisi di teras reaktor dijabarkan dalam bentuk reaktor KAR TINI direncana menggunakan elemen bakar grafik yang kemudian dievaluasi untuk memperoleh dari satujenis, yaitu tipe ST ANDAR 8.5 %. Dari elemenelemen bakar jenis ST ANDAR 8.5 % ada elemen bakar . posisi-posisi optimum dari maasing-masingjenis elemen bakar. yang digunakan untukpercobaan pengukuran masa kritis reaktor, yaitu clemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4. Elemen bakar tersebut adalah elemen bakar yang mempunyai
132
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan Serla Fasilitas Nuklir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG. PPTKR-BATAN
PLTN
II. DASAR TEORT. A. Dcskriosl Elcmcn Bakar. Elemen bakar reaktor KARTINI
adalah elemen
bakar ST ANDAR 8.5 %. Kelongsong elemen bakar adalah Aluminum untuk tipe 102 atas Stainless steel untuk tipe 104. Pada ujung atas dan ujung bawah dari masing-masing elemen bakarterhadap Grafit sepanjang 10 em berfungsi sebagai reflektor aksial. Elemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4 adalah e1emen bakar ST ANDAR 8.5 % tipe 102 dengan isian U-ZrH sebanyak 1/4, 1/2 dan 3/4 dari pada isian elemen bakar ST ANDAR umumnya dengan rongga yang terjadi diisi dengan Grafit. Perbandingan elemen bakar ST ANDAR dengan elemen bakar 1/4, 1/2, dan 3/4 dapat dilihat pada gambar 1 dibawah ini
--
-
24.39.5 em 38.1 10 ST ANDAR
1/4
~
dengan ketentuan p = reaktivitas elemen bakar dalam dollar. = faktor multiplikasi netron teras pada keadaan K, ada elemen bakaryang diamati pada posisinya. ~ = faktor multiplikasi netron teras padil keadaan posisi tempat elemen bakar berisi air. 0.007 = harga ~.fT untuk reaktor KARTINI. Dengan menggunakan program TRIGAP, harga K reaktor untuk berbagai konfigurasi teras dapat dihitung, sehingga dapat dikoleksi data K reaktor untuk berbagai posisi elemen bakar yang diamati dalam reaktor dalam berbagai tingkat fraksi bakarnya. Berdasarkan pada koleksi data K rektor, dapat dihitung reaktivitas elemen bakar yang bersangkutan sebagai fungsi posisi di dalam teras reaktordan sebagai fungsi fraksi bakamya. Berdasar-
ELEMEN BAKAR ELEMEN = 190.0 gr ISOTOP = 38.0 gr = 2235.3 gr UZrH
ELEMEN = 47.5 gr ISOTOP = 9.5 gr UZrH = 558.8 gr
19 em
19.5
14.8
1/2
ELEMEN = 95.0 gr ISOTOP = 19.0 gr = 1117.7 gr UZrH
3/4
ELEMEN = 142.5 gr ISOTOP = 28.5 gr = 1676.5 gr UZrH
19.5
28.6 em
14.8 f
= UZrH = Grafit reflektor aksial Gambar I Dcskripsi isian elemen bakar STANDAR dan elemen bakar 1/4, 1/2,3/4 B. Sifat Netronlk Elemen Bakar 1/4. 112 dan 3/4 Sifat nctronik elemen bakar dievaluasi dengan menghitung faktor multiplikasi nctron (K) yang terjadi pada elemen bakar. Elemen bakar dianggap menguntungkan terhadap operasi reaktor apabila dapat meningkatkan K dan dianggap merugikan apabila mengurangi harga K reaktor. Hubungan an tara K dengan reaktivitas elemcn bakar difommlasikan sebagai, 2)
( KI P
I)
= ------------KI * 0.001
(~-1) ~ * 0.007
kan pada data reaktivitas elemen bakar diatas, dapat dilakukan pemetaan posisi elemen-elemen bakar yang menguntungkan terhadap operasi reaktor. C. Formulasl TRTGAP
clemen bakar
1/4. 1/2 dan 3/4 dalam
TRlGAP adalah program untuk menyelesaikan persamaan difusi neutron seeara numerikdalam koordinat silinder satu dimensi zone homogenisasi kearah ruji-ruji untuk 2 kelompok energi netron. Homogenisasi zone untuk berbagai elemen teras dilakukan dengan menggunakan formulasi, I)
133
Prosiding Seminar Tekn%gi Serla Fasi/ilas Nuklir
< Lg > = -------~--_:~ L V. L. LV.I
1
< -------- > = Da
dall Kese/amalan
PLTN
Serpong. 9-10 Februari 1993 PRSG. PPTKR - BATAN
g = 1,2
--------
L [ V. / D. ] ------_:_--_:&_-----
(2)
g = 1,2
LV. I
(3)
dengan ketentuan
< L a > = tampang lintang makroskopis rerata didalam zone terhomogenisasi untuk kelompok g. = tampang lintang makroskopis individuelemen teras di dalam suatu zone terhomogenisasi untuk kelompok g. = fraksi volume individu elemen teras didalam
L.'a V.I
suatu zone terhomogenisasi. 1
< ------ >= seperkoefisien difusi individu clemen teras Da D.'a
didalam terhomogenisasi
untuk kelompok g.
= koefisien difusi individuelemen teras didalam suatu zone i terhomogenisasi
untuk kelompok
g.
Elemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4 tidak terdapat di dalam TRIGAP. Untuk menyatakan elemen bakar tersebut, dibuat suatu anggapan bahwa clemen bakar tersebut merupakan eampuran homogen antara Grafit dengan UZrH dengan fraksi volume Grafit dan UZrH yang sudah tertentu sesuai dengan deskripsi clemen bakamya. Parameter difusi clemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/ 4 adalah merupakan rerata parameter difusi elemen bakar STAND AR dengan parameter difusi Grafit dengan formulasi sebagai berikut, L
ax
=XLsm
a
+(l-X)L
1
Da
f groa
(I-X)
---------+ ------------
Dsma
Dgrofa
g=I,2 1
dianggap sebanding dengan fraksi volume U-ZrH yang ada pada masing clemen bakar dikalikan dengan koreksi temperatur, Xenon dan Samarium elemen bakar ST ANDAR. Dengan berdasar pada formulasi-formulasi diatas maka parameter difusi clemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4 dapat dipcrrsiapkan didalam program TRI GAP dengan berpangkal pada parameter difusi clemen bakar ST ANDARdan elemen Grafit. Parameterdifusi elemenelemen teras di dalam program TRIGAP disusun dalam pustakadata TRIGAP .LIB sebagai fungsi fraksi bakamya. Di dalam program TRIGAP, elemen-elemen teras diindentifikasi dengan menggunakan kode bila integer dengan deskripsi seperti pada tabell. Pada tabel tersebut, elemen bakar 1/4,1/2 dan 3/4 dan fasilitas irradiasi putar (Lazy Susan) diidenfikasi dengan nomor kode tertentu yang merupakan nomor-nomor kode yang ditambahkan pada program TRIGAP untuk melengkapi program dalam menentukan parameter teras reaktor KARTINI. D. Batasan Fraksi Bakar Untuk Masin!!-masin!! Elcmcn Bakar. Didalam TRIGAP fraksi bakar per clemen ditentukan dengan formulasi fraksi daya • encrgi • daya rerata zone • volume zone F.B.Ie I. = ••••-- ------••-••-------.-.-. --.--•••---.-••-••--••---- •••-•••••• daya reaktor·
jml el bakar dalam zone
dengan ketentuan fraksi daya adalah bagian daya yang dihasilkan olehjenis clemen bakaryang bersangkutan dibanding dengan daya total dalam zone homogenisasi dan energi adalah Mega Watt Jam reaktor. Tabel
(4)
NO KODE
II
15 14 97652438 12 10 13
1. Kode dan deskripsi clemen dalam TRIGAP.LIB Elemen bakar 3/4 1/4 1/2 Elemen Elemen Reflektor bakar balmr bakar Grafit FLIP ST LEU DESKRIPSI ANDAR ELEMEN Kolom Irradiasi Air pendingin reaktor Fasilitas Irradiasi Putar (Lazy Susan) Ujung Elemen Pipa aluminum pneumatik Berilium bakar dummy berisi (sumberNetron) (fasililas udara air (Grafit) (rod irradiasi (void guide channel) pus.1t) tube)
g = 1.2 (5)
dengan ketentuan
= tampang kelompok g
Lax
lintang
makroskopis
el.bakar
Lsm a = tam pang lintang makroskopis el.bakar STD kelompok g
= tampang lintang makroskopis el.bakar Grafit kelompok g 1 = seper koefisien difusi elemen bakar X.
Larufa
Dax
TabeI 2. Batas fraksi bakar maksimum di dalam TRIGAP.LIB
X
= 1/4, 1/2,3/4 sesuai dengan deskripsi el.bakar STANDAR ELEMEN ELEMEN8.5% 1/2 3/4 1/4 FLIP LEU STANDAR 12%
Jenis clemen %
Koreksi temperatur, Xenon, dan Samarium pada program TRIGAP diformulasikan untuk parameter-parameter difusi elemen bakamya saja, sedangkan parameter-parameter difusi elemen non elemen bakar tidak mengalami koreksi, sehingga koreksi temperatur, Xenon, dan Samarium pada elemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4
134
-
- 98.2323 52.6540 52.6540 392.9289 294.6966 196.4644 MWH 34.1058 40.4340 844.8000 817.7000 batas fraksi bakar
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan Serta Fasililas Nuklir
Serpong, 9-10 Februar/1993 PRSG. PPTKR -BA.TA.N
PLTN
Karena elemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4 mempunyai rapat atom U-235 yang sarna dengan elemen bakar ST ANDAR 8.5 % tetapi mempunyaijumlah atom 1/4,1/ 2 dan 3/4 daripada elemen-elemen bakar ST ANDAR 8.5 %, maka fraksi dayanya dan batas fraksi bakarnya ditentukan sebanding dengan perbandingan jumlah atomnya. Apabila ditabelkan, maka batas fraksi bakar didalam TRIGAP untuk bermaeam-maeam elemen bakar terlihat pada tabel 2. III. PERSIAPAN DATA DAN HASIL PERHITUNGAN TRIGAP. Untuk menentukan reaktivitas elemen bakar, diperlukan data faktor multiplikasi netron (K) reaktor pada berbagai susunan teras yang ditentukan dengan menggunakan program TRIGAP dengan kriteria sbb : 1). Dibuat satu konfigurasi teras dengan seluruh elemen bakar baru pada suatau konfigurasi seusai dengan konfigurasi reaktor KARTINI pada tgl 23/11/1990 seperti terlihat pada gambar 2. 2). Ditentukan harga K pada kondisi awal yaitu dengan menggantikan tempat satu elemen bakar pada suatu zone dengan kolam air. Harga K tersebut ditentukan untuk masing-masing zone. 3). Dibuat batasan-batasan fraksi bakar untuk elemen bakar yang diamati seperti pada tabel 3. 4). Susunan teras diubah dengan eara mengganti satu elemen bakar pada suatu zone dengan elemen bakar yang diamati sifatnya, kemudian ditentukan harga K reaktor. Cara ini diulang untuk zone-zone lainnya, kemudian prosedur ini diulang dengan mengubah tingkat fraksi bakar daripada elemen bakar yang diamati sifatnya. Tingkat-tingkat fraksi bakardiperoleh dari batasan yang ada pada tabel3. 5). Di dalam mengumpulkan besaran K untuk berbagai susunan teras, dibuat daya reaktorpada program TRIGAP pada tingkat minimum (0.01 KW) sehingga yang terhitung adalah harga K reaktor dengan tanpa banyak pengaruh reaktivitas negatifsuhu dan Xenon.
Dan hasil perhitungan TRIGAP dengan berdasarkan pada kriteria diatas dapat ditabelkan harga K untuk bermaeam-maeam kondisi teras, seperti pada tabel 4. IV. PEMBAHASAN Dari hasil perhitungan reaktivitas dengan menggunakan persamaan (1) terhadap data faktor muItiplikasi netron, dapat diperoleh data reaktivitas elemen bakar sebagai fungsi posisinya diteras dan fraksi bakarnya. Sebagai elemen pembanding terhadap reaktivitas elemen bakar didalam reaktor adalah reaktivitas elemen air reaktor. hasil perhitungan reaktivitas elemen bakar 1/4, 1/2,3/4 dan elemen bakar STAND AR, disusun dalam bentukgrafikpada gambar 3. Dengan mempelajari grafik-grafik tersebut dan membandingkannya satu terhadap yang lainnya, akan diperoleh perbandingan sifat elemen-elemen bakar sbb, 1). elemen bakar ST ANDAR memberikan reaktivitas positifpada hampir seluruh posisinya diteras reaktor untuk berbagai tingkat fraksi bakar. 2). elemen bakar 3/4 memberikan reakti vitas positifpada seluruh posisinya di teras reaktor, apabila fraksi bakarnya lebih keeil dari 3/4 maksimumm. Pada tingkat fraksi bakar daripada 3/4 maksimum, hanya akan memberikan reaktivitas positifpada posisi ring B atau ring F saja. 3). elemen bakar 1/2 memberikan reaktivitas positif pada seluruh posisi teras apabila fraksi bakarnya di bawah 1/2 fraksi bakar maksimum. Pada fraksi bakar diatas 1/2 maksimum akan memberikan reaktivitas positif ring B atau ring F saja. 4). elemen bakar 1/4 memberikan reaktivitas positif pada ring B atau ring F apabila fraksi bakarnya lebih kecil atau sama <,lengan 1/2 fraksi bakar maksimum. Pada fraksi bakar yang lebih tinggi,elemen bakar 1/4 hanya memberikan rcaktivitas positifpada posisi ring F saja. Pada keadaan baru elemen 1/4 dapat menghasilkan reaktivitas positifpada posisi ring B,C, dan F.
Tabel 3. Batasan fraksi bakar daripada elemen-elemen diamati sifat nctroniknya SPESIFlKASI
1485 014 15 13 0MWH 24.5580 0ELEMEN 147.3483 1486 49.1161 MWH ELEMEN 1487 147.3483 392.9289 196.4644 294.6966 221.0224 73.6741 98.2322 73.6741 98.2322 MWH 9890 3 3/4 1/2 1/4 196.4644 48.2322 294.6966 49.1161
JENIS ELEMEN
• TANDAR 8.5 %
135
bakar yang
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan Serla Fasililas Nuklir
PLm
V. KESTMPULAN. Dari perbandingan reaktivitas dari masing-masing elemen bakardiatas secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa elemen bakar yang mempunyai kandungan bahan fisil jauh lebih kecil daripada kandungan bahan fisil elemen bakar mayoritas di teras akan memberikan
Serpol1g. 9-10 Februari 1993 PRSG. PPTKR - BATAN
rcaktivitas positif pada posisi-posisi tertcntu saja, sedangkan elemen bakar yang mempunyai kandungan bahan fisil sarna dengan elemen bakar mayoritas di teras akan memberikan reaktivitas posistif pada sembarang posisi diteras reaktor.
VI. RUJUKAN. 1. I. Mele, M. Ravnik, TRIGAP A Computer Programme Package For Research Reactor calculation. IJS-DP-4238, Desember 1985. 2. K.S. Ram, R. Ramanna, Basic Nuclear Engineering Copyright 1977, Wiley Eastern Limited.
DISKUSI SETIY ANTO : Ada bahan bakar yang dapat memberikan reaktivitas maksimum pada posisi terluar dan terdalam. lelaskan kenapa demikian ! EDI TRIJONO
:
Hal tersebut terjadi oleh karena adanya perbedaan angka kebocoran neutron (L(' L,) yang terjadi pada masing-masing zone. BAMBANG HERUTOMO
:
Bagaimana pengaruh bahan bakar 1/2, 1/4,3/4, standart terhadap "core excess reactivity". Kondisi atau variasi yang bagaimana yang sangat menguntungkan terhadap susunan bahan bakar tersebut dalam teras R.A Kartini. EDITRIJONO: Elemen bakar standart selalu menambah "core excess reactivity" di dalam setiap posisinya. Sedangkan untuk elemen bakar 1/4, 1/2 atau 3/4 menurut perhitungan saya tidak selalu menambah "core excess reactivity" hanya pada posisi tertentu saja akan menambah "core excess reactivity". RPH ISMUNTOYO : 1. Masalah apa yang dihadapi sehingga diadakan perhitungan konsentrasi V Zr H 1/4, 1/2, 3/4 2. Mengapa dipilih V Zr H berharga V Zr H 1,65 EDI TRIJONO
:
1. Untuk meningkatkan optimasi penggunaan elemen-elemen bakar yang ada pada reaktor KARTINI menghasilkan unjuk kerja operasi reaktor yang paling baik. 2. Yang kami maksud U Zr H dalam makalah kami adalah U Zr HU6
136
guna
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan Serta Fasililas Nuklir
PLTN
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG. PPTKR - BATAN
Gambar 2. Konfigurasi teras reaktor KARTINI tgl 23 Nov 199 dengan no elemen 1486,1487 dan 1485 dihapuskan dari ring F16, F21, dan F30.
137
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamaran Serra Fasililas Nuklir
PLTN
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN
Tabel 4. Faktor perlipatan netrom (K) teras reaktor
Dihitung dengan menggunakan TRIGAP pada konfigurasi teras tgl 23/11/1990 dcngan salah satu posisi elemen bakar pada satu zone diganti dengan elemen yang diamati sifat netroniknya.
TemDat elemen air
B E D F C
Tempat el
1.0185410 1.0200150K teras 1.0219430 1.0228160 1.0229640
1.0210510 1.0224320 1.0194200 1.0197040 1.0199740 1.0191200 1.0208490 1.0223080 1.0231420 1.0234400 1.0226600 1.0232210 1.0225490 1.0232940 1.0233650 1.0227820 1.0i16250 1/41/2 1.0191640 3/4 1.0184970 1.0212420 1.0181390 maks maks 1.0202720 1.0195220 maks maks 0 K . reaktor dgn el. bakar 1/4 pada tingkat F.B. 1.0188400 1.0214600
1/4
Tempat el akar 1/2
B C
D E
Tempat el
Tempat el bakar STD
B C D E
_0_ 1.0213640 1.0218620 1.0227580 1.0234250
. 1.0240490 1.0209040 1.0221310 1.0200100 maks 1.0211710 1.0242590 1.0244820 1.0217490 1.0221680 1.0227380 1.0225500 1.0232790 1.0215700 1.0234370 1/4 1.0201570 3/4 1/2 1.0190860 maks 1.0231900 maks0 1.0235650 1.0238960 1.0232140 1.0238260 1.0235920 1.0228470 1.0242650 1.0238820
o 1.0250010 1.0250010 1.0250010 1.0250010
K reaktor dgn el. bakar 1/2 pada tingkat F.B. 1/4 maks 1/2 maks 3/4 maks 1.0206540 1.0200100 1.0193300 1.0212660 1.0207300 1.0201630 1.0223540 1.0219930 1.0216090 1.0232780 '1.0230550 1.0228230
maks 1.0186130 1.0195670 1.0212100 1.0225780
K reaktor dgn el. bakar 3/4 pada tingkat F.B.
K reaktor dgn el. bakar STANDAR pada tingkat F.B. 1/4 maks 1/2 maks 3/4 maks 1.0235970 1.0223250 1.0297800 1.0238270 1.0227630 1.0216410 1.0242020 1.0234820 1.0227250 1.0245120 1.0240700 1.0236070
138
maks 1.0195550 1.0204580 1.0219280 1.0231150
f:91KTIVITAS
ELEl-EN BAKFR STANDPRO
REAKTIVITAS
ELB.g~
BAKFR 3/4
;: w
"r·7O:: H!
0,'" 0.07
0.21! C.;:!I
/
"---------------_/ A
cr: a: >0.42 10 ~e . ., o. 0.::16 o.ee
IIY ~,~,(J/
F.B 0.5 f.B 0.75
~.BMX
A
RIN3
REAKTIVITAS
RIr..G
ELEMEN ~AKAR
1/4
";:
O.I~
0.0::1 O.Ot
0.00
>a:
REfI
:: ~
1/2
U1
0.2:0 o.a.c D.le o.oe O.1Z
"
0."0 c>-r: w 0.00 0.2:-' o.:)~ O.J~ o.ze
a: ja: > U1
O.1!: O.CQ
.;
A
RIN3
o RIr..G
Gambar 3. Grafik Reaktifitas elemen-elemen bakar reaktor KARTINI sebagai fungsi posisi dan fungsi fraksi bakamya.
Ke Daftar Isi
Prosiding Seminar Teknofogi dan Kesefamatan PLTN Serta Fasililas Nuklir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - SATAN
PENGKAJIAN ASPEK THERMAL REAKTOR DAYA JENIS PWR Oleh:
R. Indrawanto, Saiful Sujalmo, Endang Susilowati Pusat Reaktor Serba Guna - Badan Tenaga Atom Nasional
ABSTRAK Pengkajian aspek termal reaktor dayajenis PWR sangat diperlukan untuk mendukung program BAT AN di dalam persiapan pembangunan PL TN yang pertama di INDONESIA. Melalui makalah ini telah dikaji parameter disain PLTN jenis PWR (Pressurized Water Reactor) dengan daya 600 MWe. HasH pengkajian menunjukkan pada daya tersebut reaktor membutuhkan bahan bakar U02 sebanyak 94,33 ton. Laju pending in primer 56484 m3/jam, suhu pusat bahan bakar 1965,2 °C dan DNBR = 1,86.
ABSTRACT The thermal investigation on Pressurized Water Reactor is very important to support BAT AN'S programs in preparation of the first Nuclear Power Plant Construction in Indonesia. In this paper, it has been in vestigated that design parameters ofthe PWR with the power of 600 MWe. Investigation results show that the U02 Consumption forthePWR is 94,33 tons. Primary cooling flow rate is 56484 m3lhour, the Centre fuel element temperature is 1965,2 °C and DNBR is 1,86.
I. PENDAHULUAN Dalam rangka persiapan program pembangunan PLTN yang pertama di Indonesia, BATAN bersamasarna dengan BPPT dan PLN telah mengirim tenaga ahli untuk mengikuti partisipasi disain di General Electric dan Westinghouse. Salah satu partisipasi lokal yang dilakukan PRSG, ialah dengan melakukan pengkajian aspek thermal PL TN jenis PWR dengan daya 600 MWe. Reaktor daya jenis PWR pada saat ini merupakan yang terbanyak dioperasikan di dunia. Reaktor ini menggunakan air sebagai pendingin terasnya dan temperatur kerja pendingin berkisar antara 290°C sampai 325°C. Pada kondisi tersebut tidak diperkenankan terjadi pendidihan pada teras reaktor. Untuk mencapai kondisi tersebut tekanan kerja pendingin berkisar dari 2000 sampai 2400 Psi. Adapun diagram alir PWRsecara skematis ditunjukkan dalam gambar 1. Karena sifat air yang "incompressible" maka bila terjadi perubahan volume yang kecil akan mengakibatkan perubahan besar pada tekanan pendingin primer. Jika tekanan pendingin primer turon akan terjadi penguapan di teras dan dapat mengakibatkan rusaknya beberapa bahan bakar karena terjadinya "burn out". Untukmencegah terjadinya kejadian ini, maka sistem p'endingin primer PWR dilengkapi dengan pressurizer. Adapun kegunaan dari alat tersebut untuk mempertahankan tekanan pendingin primerpada batas keselamatan yang telahditentukan. Bahan bakar yang digunakan adalah dalam bentuk senyawa U02 dengan pengayaan U23Ssebesar 2% - 3%. Bentuk U02 merupakan pH-pil kecil dengan diameter 1 em, panjang 2 cm dan disebut pellet serta dimasukkan dalam kelongsong yang terbuat dari bahan "zircaloy". Melalui makalah ini dikaji parameter disain PL TN jenis PWR (pressurized Water Reactor) dengan daya 600 MW
MWe. Diharapkan hasil pengkajian dapat digunakan sebagai studi perbandingan terhadap parameterdisain reaktor sejenis, yang mung kin akan dipilih dikemudian hari. Dengan menggunakan beberapa asumsi parameter PWR yang sudah baku dan dengan rumus-rumus dari beberapa literatur dapat ditentukan parameter disain. Sebagai bahan perbandingan dari hasil perhitungan digunakan data parameter disain PWR Tomari. Dari hasil perhitungan didapat banyaknya bundel bahan bakar (17xI7) 128 bundel, sedangkan untuk PWR Tomari dengandaya579MWe(14xI4) 121 bundel,panjangsetiap elemen bakar 3,56 m sedangkan untuk PWR Tomari 2,46 m, laju pending in primer 39.163 ton/jam dan untuk PWR Tomari 30.000 ton/jam. Dari hasil perhitungan terihat parameter disain yang diperoleh untuk PWR dengan da ya 600 MW e mendekati parameter disain PWR Tomari yang telah operasional.
I
II. TEOR! II-I. PERHITUNGAN KARAKTERISTIK TERAS Dalam pengkajian perancangan teras reaktor daya jenis air bertekanan diasumsikan sebagai berikut : - Daya elektrik = 600 MW = 33 % - Effisiensi sistem (11) - Faktor titik panas total (F) = 2,575 - Fluks neutron termal rerata (
140
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan Serta Fasililas Nuklir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN
PLTN
Laju panas linier maks (qmaksI) = qlllrnaks X luas penampang pellet = 355,44 W/Cm
= 10,5 g/cm3 =3,2 %
- densitas U02 - Pengkayaan bahan bakar
600 Q = Panas terbangkit dalam teras = -termis
h
.
..... (1)
= 62303,016.106 BTU/ jam Q ......... (2)
Kecepatan pendingin primer =
Panjang total bahan bakar panas total terbangkit (Q)
Hp
Ll
laju panas linier rata-rata = 13,70 . 104 m
dim ana D Hp = Selisih entalphi keluaran pendingin primer clan masukan pendingin primer = 87,03 . 106 Lb/jam = 15,69 m3/det. 15,69 m3/detik Luas area aliran pendingin = Laju pendingin primer = 3,22 m2 Luas satu bundel b. bakar jenis PWR (B) = 492,4
cm2•
Luas penampang b.bakar/bundcl (D) = II/4.d2 x jml. b.bakar/bundel = 237,27 Cm2 Luas pendingin sctiap bundel (C)
Jumlah bundcl b. bakar
Laju panas linier rata-rata q.t = laju panas linier maks/F = 139,04 W/Cm
panjang setiap b. bakar = panjang total/jumlah b. bakar = 3,70 m Yolume U02/bahan bakar = cp pellet x panjang setiap bahan bakar = 248,49 Cm3 Berat U02/bahan Berat U02 total
Diameter equivalent teras (R) =-J 4 x luas total teras reaktor IT
= 3,22 mlC2 = 128 bundel
= 2,83 m
Jumlah b. bakar (N) = jml bundel x jml b.bakar/bundel = 36992
Tin p primer + TOUI P primer dengan T = ---------2
= 2609,14 g = 88,17 ton
Luas total teras reaktor= Jumlah perangkat b.bakar x luas setiap bundel b bakar jenis PWR = 6,3 m2
=B-D = 255,13 Cm2
rap at day a volumetrik : qlll= G . Nf • oro' F aT = 0,8862 f (T) 0fo
bakar
•
(3) (To/T)O,5
11-2.Pcrhitunl!an dlstrlbusl suhu bahan bakar Dalam perhitungan diambil empat buah bahan bakar yang disusun secara square pitch dengan jarak pitch = 1,32 Cm
= 306°C
f(T) = 0,93 (lihat Gbr 4-3 El. Wakil) oro = 577,1 barn (appendix B El. Wakil) aT = 341,22 barn = 341,22. 10.24 Cm3 Gr = 180 Mev/fission (besar energi tiap pembelahan) Jika diambil pengayaan U02 = 3,2 % maka didapat : Nf = 7,115 . 102° inti atom/Cm3
clan saluran pendingin yang ditinjau ialah A luas saluran A = 0,85 Cm2 dengan laju alir = 278 gr/det Besarnya koefisien perpinclahan panas dapat dihitung dengan rumus "Dittus boelter". h = 0,148 (1 +10.2 T + 10.5T) yO,8BTU/feet2 hroF ..... (1) D°,2 In
dengan bcsaran tersebut di atas dihitung daya panas volumetrik dengan rumus no. 3 diperolch : qlll = 203 W /Cm3 qlll maks = F . qlll dim ana F ialah faktor titik panas total sebesar 2,575 qlll maks = 522,72 W/Cm3
T= T. + TOUI
°F
2 Y = laju alir pendingin feet/jam D = Diameter equvalent saluran (feet) S2 _
=2
141
x
ITa2
ITa
Prosiding Seminar Tekn%gi Serta Fasililas Nllklir
dan Kese/amatan PLTN
Serpong. 9-10 Febmari 1993 PRSG. PPTKR - BATAN
h = 6285,26 BTU/fcet2 hr of = 1,99 W/Cm2 °C Kedudukan suhu selongsong maksimum dapat dihitung dengan rumus :
H
H
Ze = -
tan-· ------II Cp m (-1/2 - [1/ h (R
(2)
+ b)]
dimana : H ialah tinggi bahan bakar = 389 Cm m laju alir pending in yang melewati saluran pendingin = 278 gr/det Ze = 95,14 Cm R ialah jari-jari bahan bakar b ialah tebal kelongsong pada posisi tersebut suhu pendingin qlll maks Vf Tb =Tbo + --[1 +sin (-)]
II
mG
Cp
........... (3)
H
dimana Vfialah Volume U02 = 63,24 Cm3 qIII maks = 522,72 W/Cm3 Z= 95,14 Cm Tbo = 290 °C Tb = 296,88 °C laju panas per satuan luas qll = laju panas linier maks kelJlmg elemen bakar = 121,72 watt/Cm2
suhu permukaan luar kelongsong Tel = 296,88 + 61,16 = 358 °C Fluks panas rata-rata lewat kelongsong diameter luar 'lell = diameter luar - tebal kelongsong 'lell= 130,24 W/Cm2
------------x
penurunan suhu pada kelongsong 'lell x tebal kelongsong !!.TeI= --------
=47,49°C
Kke,
suhu kelongsong dalam TeZ = Tel + d Te = 405,49 °C Fluks panas rata-rata lewat gap diameter luar - tebal Kel
=
diameter pellet - tebal gap = 140,8 W/em2 penurunansuhulewatgap gall 140,8 !!.T = -=--= 140;79 & ~c 0,0024
suhu pusat bahan bakar TMI= !!.T M+ TM2 = 1965,2 °C Distribusi suhu bahan bakar ditunjukkan dalam lampiran 2. II-3. Pcrhltnn{!an llnks Panas kritls Salah satu parameter keselamatan yang harus dipenuhi dalam suatu pereneanaan thermis PL TN jenis PWR atau BWRjIuks panas kritis. Fluks panas kritis merupakan batasan yang tidak boleh dilampaui dalam operasi nom1al suatu PLTN. Untuk menentukan besaran ini harus dihitung DNBR, pengertian DNBR ialah perbandingan fluks panas kritis yang dihitung dengan korelasi denganjIuks panas kritis yang dibangkitkan pada posisi tertentu. Untuk PLTN jenis PWRjIuks panas kritis dihitung dcngan korelasi "Bernath" dan berlaku kriteria pereneanaan untuk PWR dengan DNBR minimum 1,3 atau harus lebih besar dari 1,3. KorelasijIuks panas kritis untuk subcooled boiling dihitung dengan korelasi Bernath. qll = he (Twe- TJ (1) Twe= 102,6 In P - (97,2P/P + 15) - 0,45 V +32 (2) P = 2198,5 Psi V = 4,87 mldet = 15,58 feet/det T we = 654 ' 02 OF
penurunan suhu pada lapisan film !!.T = qll / h = 61,16 °C
~II
suhu permukaan pellet Tm2 = TCw + D TG = 546,28 °C qlll d2 penurunan suhu bahan bakar = f:.T M= ---16 K(U02) =1418,89°C
X 'lell
D 48 V h = 10,890 [ e ] + -e D e +D. I DO.6 e
qll
D c = 2 X S2 - lla2 / lla = 0,046 feet
.......... (3)
........... (4)
Dj = 2 lla = 0,09 feet he = 17166,38 BTU/hrfeet2 OF Jika diketahui suhu kelongsong maksimum To=269,88 °C = 566,38 OF Dengan menggunakan runms (1) besamya fluks panas kritis pada posisi tersebut : q;1 = 1504392,9 BTU/hr feet = 474,57 W/Cm2 DNBR = 'lell/q = 3,8 pada outlet Tb = 322 °C = 611,6 OF . Jika tekanan diasumsikan penurunan tekanan pada teras = 12,5 Psi 'lell= 17166,38 (653,44 - 611,6) = 718241,34 BTU/hr feet2 = 266,57 W/Cm2 DNBR = 226,57 /121,72 = 1,86
142
Prosiding Seminar Tekn%gi Serta Fasililas Nuklir
dan Kese/amatan
11-4. Pcrhitun2:an Pcmban2:kit VaD Dalam perhitungan pembangkit uap direncanakan menggunakan dua buah steam generator (pembangkit uap) dengan kapasitas masing-masing 909 MW. Untuk membangkitkan listrik sebesar 600 MWe, kedua keluaran dari masing-masing pembangkit uap digabung dan masukke dalam turbin tekanan tinggi dengan tekanan (P,) = 838 Psi dan suhu'(TSl) 265°C. Jika direncanakan suhu pendingan sekunder masuk pembangkituap dengan suhu (Ts) = 245°C, laju aliran uap ke turbin dihitung dengan rurnus : LAUT = Daya Elektrik x 10.050 / (~ - H) (1) dimana : H2
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN
PLTN
ialah enthalphi uap jenuh yang masuk turbin pada suhu 265°C, dan tekanan 838 Psi
HI ialah enthalphi pending in sekunder yang masuk ke pembangkit pada suhu 245°C LAUT = 8.881446,7 Ib/hr = 4440,7 ton/jam Luas perpindahan panas setiap pembangkit uap dihitung dengan rum us : (2) S = Qc (hi - h2) / U.LMTD dimana :
Jika menggunakan 2 buah pembangkit uap laju alir pendingin primer yang masuk ke setiap pembangkit uap Qc = 87,03 S = 21606
X
106/2
= 43.515.000 Ib/hr
m2
Mengenai detail disain dari pembangkit uap yang meliputi panjang pipa, banyak pipa, spacing, penyangga, bajJles, perhitungan kecepatan dan rugi tekanan akan dikerjakan oleh pabrik pembangkit uap. III. HasH dan Pembahasan Dari hasil perhitungan laju alir pendingin primer yang melewati teras didapat LApp = 56484 m3/jam Laju alir ini tidak memperhitungkan adanya aliran bypass yang mengurangi laju alir di teras. Adanya aliran bypass ini disebabkan toleransi dalam fabrikasi pemasangan bundel bahan bakardalam bejana tekan. Aliran bypass ini disebabkan : - ada ruang (gap) antara baffle dan outlet nozzle - ada gap di antara bundel bahan bakar - ada gap dalam control rod atau control rod thimble - ada gap antara baffle dan baret
~t. - ~t
LMTD =
In
In
ou'
[~tj~tou,]
~tin = 613 - 487,8 = 125,2 Mou. =554 - 452,8 = 101,2 LMTD = 112,78 = entalphi masukan pendingin sekundcr hi = entalphi keluaran pendingin sekunder U = koefisien perpindahan panas total steam generator = dalam perencanaan diambil harga U = 750 Btulfeet h2
OF
Qc = Laju alir pendingin primer ke setiap steam generator
T 613 OF 509
Besamya aliran bypass kira-kira 4-8 % dari lajualirpendingin primer total dan tergantung dari ukuran toleransi perencanaan. Dari hasil perhitungan distribusi suhu bahan bakardidapat suhu pusat bahan bakar (TM) = 1965 °C. Untuk bahan bakar U02 titik lelehnya bergantung pada bum up. Pada umumnya PLTN yang menggunakan bahan bakar U02 temperatumya harus di bawah 2482,22 °C. Berdasarkan hasil perhitungan fluks panas kritis pada suhu kelongsong maximum didapat harga DNBR = 3,8 harga ini masih jauh di atas ketentuan DNBR minimum untuk PWR > 1,3 , IV. Kcsimnulan Berdasarkan hasil pengkajian aspek termal dapat disimpulkan bahwa karakteristik disain yang diperoleh dari perhitungan dapat digunakan sebagai dasarperencanaan reaktor daya PWR dengan daya termal 1818 MW. Tentu saja perhitungan ini harus disempumakan dengan menggunakan program COBRA IV -Cdanjuga dilengkapi dengan analisis kecelakaan dalam kondisi LOCA.
V. ACUAN 1. Erik S. Pederson "Nuclear Power" Volume I, "Nuclear Power Plant Design" Ann Arbor Science Publishers Inc, 1980. 2. M.M. EI- Wakil "Nuclear Heat Transport" Ther American Nuclear Society La Grange Park, Illinois, 1978. 3. Ridwan Muhammad MSc, PhD, "Pengantar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuclear" 4. Joel Weisman "Elemens of Nuclear Reactor Design" Robert E. Krieger Publishing Company Inc. Krieger Drive, Malabar Florida.
143
Serpotlg, 9-10 Februari /993 PRSG, PPTKR - BATAN
Prosiditlg Semitlar Tektlologi dati Kese/amatatl PLTN Serta Fasililas Nuk/ir
T ABEL 1 PERBANDINGAN PARAMETER
PWR HASIL
PWRTOMARI di Jepang
pengkajian
Daya thermal Daya listrik Temp. keluaran teras Temp masukan teras Tekanan uap pada pembangkit uap Ukuran bundel bahan bakar Jumlah bundel bahan bakar
1650 MWe 579 MWe 323 °C 288 0 C 838 Psi 14x14 121
Laju pendingin primer Luas perpindahan panas pembangkit uap Panjang bahan bakar ilktif Diameter teras
20.200 m3fjam 4780 m2 3,66 m 2,46 m 204 WfCm 473 WfCm
Laju panas linier rata-rata Laju panas linier maksimum
DISAIN
144
1818 MW 600 MW 322 °C 290 °C 838 Psi 17x17 128 56.484 m3fjam 4501,46 m2 3,7 m 2,83 m 139,04 WfCm 355,44 WfCm
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan Serta Fasililas Nuklir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG. PPTKR - BATAN
PLTN
§~
E-i P.:f
~
~~j ....•. "\-
145
U e ~
co•... C) bI) P•... o-.
0s
co is ....: -S
~ ~
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan Serla Fasililas Nuklir
PLTN
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN
1965,2 -
. CLADJNG
-r- GA S -':=aJ
GAP
fu~l )
. COOLANT
358
- •.. RADIUS OF PIN
Gambar 2. Temperature distribution in fuel pin
146
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan Serla Fasililas Nuklir
Serpong. 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR -BATAN
PLTN
1 .J :.1·
Gambar 3
147
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamaran PLTN Serra Fasililas Nuklir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - SATAN
1.'oWCI' Hcnc!.al"!; nud
o
II
NlIelcnr
~
~
\ . fl
StClI!}!
Sllppl)'
SYSt<":III~;
II
(,,,,,,,,1 ,,,d
1\ ~
I~l' ;·II~~:.\,
l:%·-IJ>II.--. ~I--·II
..
,-.-
_._'-- l'L'1\lll,i I uti
..,-
._, Core baird
SII P\1Ui'I
..•.-.-.-- ('UI': Sill Ulld (,"'r.: SlIppUi'I - ..•, :\\s<:l1\hl)'
Gambar 4. Cross-sectional
vies of a pressurized-water
reactor (Courtesy of Combustion Engineering, Inc.)
148
