Proseding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN. Yogyakarta 14 -15 Ju/i 1999
221
Buku I
AN ALISIS A W AL PENENTU AN REAKTIVIT AS BATANG KENDALl PEMULSA REAKTOR KARTINI Widarto, T.W. Tjiptono, Syarip PPNY -BATAN
ABSTRAK ANALISIS AWAL PENENTUAN REAKTIVITAS BATANG KENDALl PEMULSA REAKTOR KARTINI. Telahdilakukan analisispenentuanbesarnyareaktivitas batang kendali untukpemulsaandaya reaktor Kartini, dari operasinormalpada daya100kW menjadi20 MW dalam waktusesaatdengantujuan untuk mendapatkanfluks neutronyang sangat tinggi sekitar orde 1014 nlcm2 detik. Analisis dilakukan berdasaralas lama waktupenyisipanbatangkendali dan kinetika neutronserempakdari hasil flSi bahan bakar U235. Dari hasil perhitungandengankecepatanbatangkendalipemulsayang sangat tinggi, dalam waktu t = 5 milidetik untukmencapaidaya 20 MW. diperoleh harga reaktivitas p = (223 :i: 2,1) 10,.4% yang merupakanharga reativitasekivalendari batangkendalipemulsa.
ABSTRACT PRELIMINARY ANALYSIS OF PULSE CONTROL ROD REACTIVITY OF KARTINI REACTOR. Analysis to determinepulse control rod reactivityfor pulsing ofKartini reactorpower on normal operation from 100kWto 20 MW has beendone.Purpose ofthepulsi~gis tofind. neutronflux around 1014 n/cm2sec in the short time (millisecond). The analisysbasedon duration ofcontrol rod insertion time and prompt neutronkinetic ofU235fuel fISsionproduct. Furthermore,.with veryfast velocity insertion ofcontrol rod,for t = 5 mollisecondto reach20 MW power level the reactivity equivalent ofthepulse control rod is p =.(223 x 2,1) 10-4 %.
PENDAHULUAN S etiap reaktor seperti halnya dengan sistem pembangkit tenaga lainnya memerlukan sistem kendali untuk mengatur operasi daya reaktor dengan aman. Reaktor hams dapat dioperasikan, dinaikkan atau diturunkan serta dihentikan dayanya. Dalam keadaan darurat, operasi reaktor hams dapat dihentikan dengan cepat untuk menghindarkan kecelakaan yang mungkin terjadi. Daya reaktor (P) sebanding dengan fluks neutron (~ ataupun kerapatan neutron, maka pengaturan daya reaktor dapat tercapai dengan tara mengatur faktor perlipatan efektif (ke). Bila faktor perlipatan efektif lebih besar dari harga 1 (satu) maka reaktor super kritis (daya reaktor naik), dan untuk faktor perlipatan efektif sama dengan 1 (satu) daya reaktor tetap tidak berubah, yang biasa disebut reaktor kritis, sedang hila faktor perlipatan efektif kurang dari 1 (satu) reaktor sub kritis, daya reaktor akan turun. Untuk keperluan operasi daya reaktor diperlukan sejumlah bahan bakar :'ang lebih dari massa kritisnya. Dengan sejumlah bahan bakar di dalam teras tersebut, pengaturan faktor perlipatan efektif atau reaktivitas dapat dilakukan dengan tara merubah antara keseimbangan kecepatan produksi dengan kecepatan hilangnya neutron dalam reaktor. Beberapa tara yang biasa dilakukan untuk mengatur reaktivitas reaktor adalah
denganpenambahanataupemindahanbahan bakar, adanya moderator daD reflektor atau penyisipan bahan-bahan penyerap kuat terhadap neutron. Penyisipanbahanpenyerapkuat neutronmerupakan cara yang biasa dilakukan untuk pengendalian reaktortermal. Untuk maksud ini biasanyadigunakan bahan boron atau cadmium yang mempunyai tampang lintang absorbsi sangat besar terhadap neutrontermal, dalam bentuk lempenganatau batang untuk kendali daya reaktor daDdisebutbatang kendali reaktor. Penyisipan (gerakan naik/turun) batang kendali dalam teras reaktor berfungsi untuk mengaturdaya pada saat reaktor sedangdioperasikan, baik pada saat daya reaktor naik (startup) menuju daya tertentu maupun daya turun (shut down). Kecepatanperubahandaya reaktor dipengaruhi oleh kecepatanpenyisipan reaktivitas yang dilakukan dengan kecepatan penyisispan batang kendali. Penyisipanbatangkendali dengankecepatan yang sangattinggi memberikanperubahandaya sesaatdalam bentuk pulsa. Selanjutnyadilakukan analisispenentuanreaktivitasbatangkendali dengan tujuan untuk pemulsaanreaktor Kartini dari operasi daya normal 0,I MW menjadi 20 MW. Analisis dilakukan berdasar atas kecepatan penyisipan batang kendali pemulsa serta kinetika reaktor neutronserempakdari basil fisi bahanbakarU23S.
V,
222
ProsedingPertemuandon PresentasiIlmiah PPNY-BATAN,Yogyakarta/4- /5 Juli /999
Bukul
DASAR TEORI Padasaatreaktor sedangmengalamiopersai, terjadi reaksi fisi (pembelahan)inti bahan bakar U23S, dan lahir neutronbaru. Denganberlangsungnya pr<;>ses reaksi ini, populasi neutron dapat berubah dengan faktor efektif ke. Jadi faktor ke merupakan perbandingan antara jumlah neutron setelah terjadi reaksi pembelahandengan jumlah neutronsebelumnya;
Bila rapat neutron pada awal suatu generasi adalah n, maka setelah terjadi reaksi pembelahan bahan bakar (0235)berikutnya rapat neutron menjadi ke.n. Kecepatan pertambahan rapat neutron akibat reaksi fisi tiap saWall waktu (t) dapat ditulis :
.4!1 =
dt
.l
k -n-n
n(k -1)
=
l
(I)
(2) Apabilapada saat:awal t = 0 rapat neutronn ==no, clan nt adalah rapat neutron setelah t detik, maka basil integraldari persamaan(2) menjadi:
(3)
= jumlah rapatneutronsetelahmengalami reaksifisi selamat detik. = jumlah rapatneutronawal
Me = faktor perlipatanefektif i t
= umur neutron = lama waktu penyisipanreaktivitas
Terlihat bahwa rapat neutronberubahsecara exponensial terhadap w'aktu. Harga if Me sering juga dinamakanperiode reaktor (1), yaitu waktu yang diperlukan supaya rapat neutron berubah dengan kelipatan bilangan e, sehinggapersamaan (3) dapatditulis : t
nt = noeT
(4)
Omur neutron f adalah waktu mulai sejak neutrondilahirkan dari reaksipembelahankemudian mengalami proses perlambatan (moderasi) dan difusi hingga menjadi neutron termal yang pada Widarto, dkk
=
2 Its
(5)
.;v,
untuk; As = panjangjajak rata-rata(cm) Vt = kecepatanneutrontermal rata-rata (cm/det) = faktor letargi
Setelah neutron mencapai tenaga tenilal, maka lamanya neutron mengalami difusi sebagai neutron termal sainpai terjadi serapan dapat ditentukandari banyaknyaneutrontermal yang acta dalam reaktor dibagi dengan kecepatanproduksi dari neutrontermal,dan dapatditulis : t'. =--L-
(6) La
untuk La = tampanglintang serapanmakroskopis
44.'
n, ?=noe--r
no
f
{
dan
Untuk nt
akhirnya terjadi serapan atau proses reaksi fisi berikutnya. Untuk .suatu re,aktor termal, umur neutrondapatdianggapterdiri dari dua bagian yaitu waktu selama menjalani perlambat;andari tenaga pembelahansampaimenjaditenagatermal (l's) daD waktu selama neutron berdifusi sebagai neutron termal hingga mengalami tangkapan (serapan) terhadapinti bahan bakar U23Suntuk prosespembelahanberikutnya.:Seluruhwaktu yangdiperlukan untuk perlambatandari tenagapembelahansampai dengan tenaga termal dapat ditulis menurut persamaan:
Dengan demikian umur neutron seluruhnya,sejak awal kelahiran sampaidengan mengalamiserapan (tangkapan)dapatditulis : (1)
£=£.+£/
Bila diperhatikandari persamaan(3), maka rapat neutron selama t detik menjadi nt, yang ditentukan juga oleh besarnya faktor kelipatan efektif ke. Didefmisikanbahwabesaranreaktivitas (P)adalah P = .~=. k e
6.ke ke
(8)
Sehinggabesaran reaktivitas p merupakan indikasikeadaanreaktordalamkeadaansuperkritis, kritis atausubkritis. Rapat neutronsebandingdenganfluks neutron tft(n/cm2 det) ataupundaya yang ditimbulkan, sehingga daTi persamaan(3) dapat ditulis harga ekivalenfluks neutron: ISSN 0216-3128
Proseding Pertemuan don Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta 14 -15 Juli 1999
Buku I
4k./ t/J/ = t/JOe~
Po
(9)
ataubentukpersamaanekivalendaya ~=~e~ I 0
.ik.' (10)
Bila ke > 1, maka harga reaktivitas p >0 berarti reaktor super kritis. Pada keadaan ini clara reaktor naik. Untuk ke = 1 maka p = 0 berarti reaktor kritis. Pada keadaan ini clara reaktor dalam keadaan konstan. Sedang untuk ke < 1 maka p < 0 berarti reaktor sub kritis, sehingga pada keadaan ini
clara reaktor turun. Untuk menentukan harga reaktivitas p akibat dari penyisipan batang kendali, perlu ditentukan harga faktor perlipatan efektif Me = (ke- 1) yang disubstitusikan pada persamaan(8).
TATA KERJA Agar mendapatkangambaran yang lebih jelas dalam melaksanakan pemulsaan reaktor, maka dapat dilakukan langkah-langkah sebagai berikut : -Dilakukan pengkopelan batang kendali pemulsa daya reaktor dengan sistem penggerak pemulsa (menggunakan sistem elektro-pneumatik) setelah batang kendali pemulsa tersebut terpasang didalam teras reaktor. -Reaktor
223
= clara mula-mula
ilk=e ke l
= umur neutron (detik)
t
= lama waktu penyisipan reaktivitas
Untuk reaktor tennal maka dengan substitusi persamaan (7) untuk moderator air ringan Is = 10-5 detik sedang it = 2,05.10-4 detik, sehingga umur neutron adalah : i = is + i, = (10-s + 2,05.10-4) detik =2,15.10-4 detik. Apabila pada keadaan awal reaktor kritis pada daya Po = 100 kW dan akan dipulsa menjadi 20 MW (untuk mendapatkan fluks neutron sekitar orde 1014 n/cm2 detik), maka besarnya reaktivitas ditentukan oleh lama waktu sebagai fungsi kecepatan penyisipan (gerakan naik/turun) dari batang kendalinya. Perlu ditambahkan bahwa kecepetan batang kendali yang telah selesai dirancang dapat divariasi dengan mengatur tekanan udara mampat dengan sistem elektropneumatik yang dikopelkan pada batang kendali pemulsa, sehingga lama waktu tempuh (I) dari batang kendali dapat ditentukan. Pada laporan penelitian ini diperhitungkan untuk kecepatanbatang kendali sedemikian sehingga lama waktu tempuh penyisipan batang kendali 1 = 5 milidetik. Dengan In-
-Sistem penggerak batang kendali diatur secara otomatis untuk penyisipan (gerak naik/turun) batang kendali baik pacta saat startup (5 milidetik), daya konstan (I mili detik) dan saat shutdown (5 milidetik).-Dilakukan picu otomatis dari sistem penggerak batang kendali pemulsa untuk pemulsaan daya reaktor, kemudian dicatat daya reaktor terpulsa. -Setelah selesai pemulsaan daya, hams diamati bahwa reaktor telah beroperasi pada daya Qormal kembali, sehingga dapat disimpulkan bahwa reaktor telah berop~:rasidenganaman.
Perhitunganuntuk menentukanharga reaktivitas untuk pemulsaan daya reaktor dapat dilakukandenganpersamaan (10) yaitu : At. I
Llk. = -5.10l
2 lne
(11)
substitusi persamaan (10) untuk lama waktu penyisipant = 5 milidetik maka penyelesaianlogaritmis persamaan(10) dapatditulis sebagaiberikut: Penyelesaian persamaan(11) untuk pemulsaandari operasinormal sebagaidaya reaktor awal Po = 0,1 MW menjadi20 MW diperolehharga:Me = 0,0228. Faktorperlipatanefektif keditentukanberdasaratas perubahanfaktor perlipatan efektif L\k. = (k. -1), sehinggadiperolehharga ke = 1,0228. Sedangkan untuk harga reaktivitas pemulsa dapat ditentukan berdasar atas persamaan(8), sehingga harga p adalah:
p=
HASIL DAN PEMBAHASAN
p, Po
dioperasikan pactadaya 100 kW
Ak.
k.
= 223 X 10-4 %
Penyimpanganharga reaktivitas pemuJsaini dapatditentukan dengan deviasi standartberdasar atas perambatan raJat. Dari basil perhitungan diperoJehhargapenyimpangan(deviasistandart) Ap = 2,I. 10-4%, sehinggadapatditulis :
P -Pe-r I
Untuk
-0
P, = dayareaktorsesaatt detik
ISSN 0216-3128
Widarto, dkk.
224
Buku I
p = (223 :i: 2,1) 10-4 %
Perubahandaya terpulsa sesaatmerupakan fungsi eksponensialdari lama waktu penyisipan batang kendali. Dari persamaan(10) dapatditentukan perubahandaya setiap milidetik dalamjangka waktu t = 5 milidetik. Denganmetodeperambatan ralat dilakukan pula perhitungan deviasi standart perubahandaya untuk setiapmilidetik daDhasilnya disajikan pada Tabel 1. Secaragratis dapat ditunjukkanpadaGambar1. Tabel
Perubahandaya terpulsa sesaatdalam waktupenyisipanreaktivitas5 millidetik.
Penyisipanreaktivitas Sesaatt (x 10-2detili~)
Daya sesaatpt (MW)
0 (awal).
(0,1 :!: 0,005) kritis awal 0,288 :!: 0,007
2
0,822:!: 0,0076 2,405 :f: 0,008
4
6,941 :f: 0,0087
5
20,033 :f: 0,009
DsyaP(MW) 201
10
ProsedingPertemuandan PresentasiIlmiah PPNY-BATAN.Yogy~karta14- 15 Juli 1999
cadanganreaktivitas lebih teras (core exces)yang lebih dari massakritis pada daya maksimum0,1 MW untuk reaktor Kartini. Besarnyaharga reaktivitas batangkendali adalahmerupakanreaktivitas ekivalendari penyisipanreaktivitasyang diperlukan untuk pemulsaandaya. Pemulsaandaya reaktor yang sangattinggi untukmendapatkanfluks neutron yang sangattinggi harnshanyadalarnwaktu sesaat, dimaksudkan agar akumulasi pelepasan energi (panas) dari reaksi fisi relatif kecil untuk menghindaripelelehanbahanbakar dan reaktivitasnegatif suhu,sertamenghindaripelepasanradioaktivitas tinggi, sehingga persyaratankeselamatanoperasi tetap terpenuhi. Selain itu sistem pendingin paksa dari air tangki reaktorharustetapdijalankan.Untuk shutdown pulsa, sistem penggerak elektropneumatik yang dikopel denganbatangkendali pemulsa dapat diatur secaraotomatis sedemikiansehingga batang kendali melakukanshutdown.Pada kondisi shutdowndaya reaktorakan turun secaraeksponensial negatip,dimana sesuaidenganper-sarnaan(10) hargaperlipatanefektif Me = (ke -1) < 0, sehingga harga reaktivitas p < 0 (negatit). Otomatisasidaya konstan harns diusahakan dalarn waktu yang sesingkatmungkinuntukmenghindariradioaktivitas tinggi, akumulasi pelepasan energi, reaktivitas !legatif suhu serta kemungkinan pelelehan bahan bakar akibat dari akumulasienergi panastersebut. Pada laporan penelitian ini diasumsikan bahwa otomatisasiwaktu daya konstan selarna satu mili detik, kecepatanstartupdaDshutdownadalahsarna, makabentukpulsa padasaatstartup,daya konstan, sertashutdowndapatdilihat padaGarnbar2.
)
5
0
5
6
7
Gambar1 Pemu/saandaya sesaatsecaraebponensia/.
Pemulsaan daya reaktor riset dimaksudkan untUk mendapatkan fluks n~utron yang sangat tinggi sekitar orde 1014nlcm2 detik dalam waktu sesaat (milidetik). Hasil perhitungan reaktivitas batang kendalidan yang diperlukan untUk perubahan daya dari 0,1 MW menjadi 20 MW atau fluks neutron dari orde lOll nlcm2 detik menjadi 1014nlcm2 detik dalam waktu 5 mili detik sebesar(223 :!: 2,1) 10-4%. Agar reaktor dapat dioperasikan untUk mencapai kondisi super kritis tersebut, dalam teras reaktor perlu tersedia sejumlah bahan bakar sebagai
Widarto, dkk
KESIMPULAN Pada dasarnya reaktor Kartini dapat dipulsakan untuk mendapatkanfluks neutron yang sangattinggi dalam waktu sesaat{milidetik). Untuk
ISSN 0216 -3128
ProsedingPertemuandan PresentasiI/miah PPNY-BATAN,Yogyakarta14 -15 Juti 1999
225
Buku I
mencapai fluks neutron sekitar orde 1014n/cm2 detik (sekitar daya 20 MW) dari operasi daya Po = 0,1 MW yang menpunyai fluks neutron 1011n/cm2 detik, untuk waktu pemulsaan t = 0,05 detik, maka diperlukan reaktivitas lebih r = (223 :i: 2,1) 10-4%, yang berarti bahwa reaktivitas tersebut merupakan reaktivitas ekivalen dari batang kendali pemulsa. Pemulsaan dilakukan dalam waktu yang sangat pendek (milidetik) dimaksudkan untuk menghindarkan akumulasi pelepasantenaga (panas) yang sangat tinggi agar tidak terjadi pelelehan bahan bakar teras clanreaktivitas negatif suhu, sertaradioaktivitas yang sangat tinggi. Selain itu pendinginan paksa teras hams tetap dijalankan sehingga kriteria kese-lamatan
operasi pemulsaantetap terpenuhi sesuai dengan persyaratan operasi. Perlu diketahui bahwa dengan metode ini dapat diperhitungkan untuk me-nentukan daya yang lain misalnya 25 MW; 30 MW clan seterusnya, serta pengaturan kecepatan pemul-saan dapat diatur untuk menentukan lama waktu penyisipan reaktivitas batang kendali pemulsa.
DAFTARPUSTAKA 1. SAMUEL GLASSTONE and ALEXANDER SESONSKE, "Nuclear Reactor Engineering" Van NastrandReinhold Company,450 West33 rd Street,New York, No. Y. 10001,1967. 2. PRAJOTO,"Dasar- DasarPerhitunganReaktor" PusatPenelitianGama,BAT AN, 1972. 3. JOHN R. LAMARS, "Introduction to Nuclear ReactorTheory" New York University 1972.
TANYAJAWAB Subari Santoso -Bagaimana sistemmendapatkandata (pembacaan data)apakahdirekamdalamfile tertentu. -Software apa yang digunakanuntuk operasional/ mendapatkandata apakahsekaligusmenghitung ralatnya. Widarto -Data kecepatan dari simulasi batang kendali yang telah dibuat. Data kecepatan yang digunakan untuk menen-tukan lama waktu penyisipan batang kendali diambil dari perancangan simulasi sistem kendali pemulsa yang datanya diambil dengan olaf pengukur waktu(timer). -Operasional dari penyisipantidak menggunakan software,tetapi menggunakanon/offelektrik. Supriyono -Orde milidetik apakah secara mekanik dapat dilakukanprosesnaik turunnyabatangkendali. Widarto -Dengan menggunakankompresor yang dapat divariasi (hingga 5 bar), dimanajarak tempuhl panjang gerak batang kenda/i :t 38 em dapat mencapai orde mi/idetik. Untuk mendapatkan waktu tempuh 5 mi/idetik beda tekanan kompresor be/urnmencapai1 bar.
