ISSN 0216 - 3128
168
Widarto, dkk.
ANALISIS DAN PENENTUAN DISTRIBUSI SUHU PENDINGIN PRIMER PADA DAERAH RING B, C, D, E DAN F TERAS KARTINI UNTUK DAYA 250 KW. Widarto,Tri Wulan Tjiptono, Eko Priyono P3TM – BATAN
ABSTRAK ANALISIS DAN PENENTUAN DISTRIBUSI SUHU PENDINGIN PRIMER PADA DAERAH RING B, C, D, E DAN F TERAS REAKTOR KARTINI UNTUK DAYA 250 KW. Telah dilakukan analisis dan penentuan distribusi suhu pendingin primer pada daerah teras reaktor Kartini untuk peningkatan daya menjadi 250 kW. Percobaan diawali dengan pengukuran suhu bahan bakar dengan variasi daya dari 10 kW sampai 100 kW pada ring B, C, D, E dan F. Analisis untuk penentuan distribusi suhu pendingin primer dilakukan dengan ekstrapolasi hingga daya 250 kW. Berdasar atas hasil pengukuran suhu bahan bakar, maka dapat dilakukan perhitungan untuk menentukan distribusi suhu air pendingin primer teras reaktor Kartini yang hasilnya adalah sebagai berikut: untuk ring B4 = 150,63 OC, C11 = 144,01 OC, D 11 = 119,78 OC, E15 = 109,65 OC, dan F18 = 108,84 OC.
ABSRACT ANALYSIS AND DETERMINATION OF PRIMARY TEMPERATURE DISTRIBUTION AND THE B,C,D,E AND F RINGS OF KARTINI RESEARCH REACTOR FOR 250 KW. Analysis and determinition of primary temperature distribution in the Kartini research reactor core for increasing to 250 kW power level has been done. The fuels temperature meassurement were done for the B, C , D, E and F rings with varying for 10 kW to 100 kW power level. Based on the result of the fuel temperature meassurement, the temperature distribution can be determined by extrapolation method and final result of the primary temperature distribution of 250 kW power operation for each ring are : B4 = 150,63 OC, C11 = 144,01 OC, D 11 = 119,78 OC, E15 = 109,65 OC, and F18 = 108,84 OC.
PENDAHULUAN
R
eaktor Kartini telah dioperasikan sejak tahun 1979 dengan daya maksimum 100 kW yang dimanfaatkan untuk pendidikan dan penelitian dalam bidang teknologi nuklir, khususnya penelitian dengan metode analisis aktivasi neutron ( AAN ). Untuk aktivitas tersebut reaktor Kartini dilengkapi dengan fasilitas iradiasi Lazy Susan yang memiliki 40 lubang iradiasi, 4 buah saluran neutron (beamport) dan sebuah kolom termal. Pada daya maksimum besarnya fluks neutron di fasilitas iradiasi ( FI ) Lazy Susan rata-rata sebesar 2.3 x 1011 n/cm2 det. Sedang pada fasilitas iradiasi beamport dan kolom tewrmal karena bentuknya yang memanjang, besarny fluks neutron berkisar antara 106 s/d 10 8 n/m2det, tergantung pada lokasi titik sepanjang salurannya. Untuk meningkatkan pelayanan dalam penggunaan reaktor Kartini khususnya dalam bidang analisis aktivasi neutron, maka reaktor Kartini masih dapat
ditingkatkan dayanya menjadi 250 kW untuk mendapatkan fluks neutron termal yang lebih tinggi, sehingga proses iradiasi/aktivasi neutron akan lebih cepat di banding daya 100 kW. Akibat dari peningkatan daya reaktor tersebut maka bahang yang dilepaskan dari hasil reaksi fisi bahan bakar U235 akan meningkat pula. Untuk reaktor riset, bahang tersebut dikompensasi oleh air pendingin primer agar tidak terakumulasi di dalam teras reaktor sehingga suhu bahan bakar masih dalam batas aman. Untuk keselamatan operasi khususnya ditinjau dari suhu bahan bakarnya, maka perlu dilakukan pengkajian menentukan besarnya suhu bahan bakar pada setiap ring teras reaktor Kartini. Dengan demikian berdasar atas has il evaluasi tersebut dapat ditentukan keamanan (keselamatan) operasi ditinjau dari besarnya suhu bahan bakarnya.
DASAR TEORI
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Widarto, dkk.
ISSN 0216 - 3128
Kecepatan pembangkitan panas dalam bahan bakar pada saat reaktor sedang dioperasikan disebut daya panas volumetrik Q’’’, dan ditulis menurut persamaan (1)(4)
Q
'' '
= G ∑f Φ
(
∆Tk =
R Q ''' R 21 ln 3 2 λk R2
∆Tp = beda suhu permukaan kelongsong dengan air pendingin primer teras reaktor
∆Tp =
1) untuk : Q’’’ = generasi panas tiap satuan volume per detik (panas volumetrik) G Σf
169
= energi tiap reaksi pembelahan = tampang lintang pembelahan makroskopis
Φ
= fluks neuron. Rambatan panas dari bahan bakar (silindris) sampai ke permukaan kelongsong dapat terjadi secara konduksi, sedang perpindahan panas dari permukaan kelongsong ke air pendingin primer teras reaktor terjadi secara konveksi. Untuk menentukan besarnya suhu air pendin gin teras reaktor akibat proses perpindahan panas dari dalam elemen bahan bakar yang berbentuk silinder ke air pendinginteras reaktor, maka dapat diasumsikan sebagai berikut : Rambatan panas dalam eleman bahan bakar terjadi ke arah radial. Energi panas hanya berasal dari hasil reaksi fisi bahan bakar saja. Fluks neutron rata-rata dalam teras tidak banyak berubah. Maka distribusi suhu karena rambatan panas dari puast elemen bahan bakar sampai ke air pendinginprimer teras reaktor dapat ditulis dalam persamaan ( 2 ) berikut (4) :
Tbb (0) - Tp = ∆Tbb + ∆Tgap + ∆Tk + ∆Tp
(2)
Keterangan : T bb (0) = suhu di pusat bahan bakar T p = suhu pada air pendingin primer teras rektor ∆Tbb = beda suhu dari pusat sampai permukaan elemen bahan bakar.
∆Tbb =
Q ''' 4 λ bb
∆Tgap = beda suhu gap (sela) antara permukaan dengan kelongsong bahan
Q ''' R 12 2R3 αk
Untuk menentukan suhu air pendingin teras (T p), terlebih dahulu dilakukan pengukuran suhu dalam bahan bakar dengan menggunakan detektor Instrumented Fuel Element (IFE) yaitu bahan bakar standart dilengkapi sistem themokopel yang diletakkan pada pusat bahan bakar sehingga menunjukkan suhu terukur Tbb (0). Oleh karena terjadi proses konduksi dan konveksi energi (panas) dari bahan bakar maka besarnya suhu air pendingin T p dapat ditentukan.
TATA KERJA 1. Dipersiapkan peralatan percobaan untuk pengukuran suhu bahan bakar teras reaktor antara lain Instrumented Fuel Elemen (IFE) , alat ukur suhu serta kabel koaksial.. 2. Dilakukan pemasangan IFE reaktor Kartini
pada ring B teras
3. Dilakukan pengujian (kalibrasi) bahwa penunjukan pengukur suhu telah berfungsi den gan baik 4. Reaktor dioperasikan hingga kritis pada daya 10 kW 5. Setelah reaktor kritis selama 30 menit dilakukan pengamatan suhu bahan bakar. 6. Dengan cara yang sama seperti pada langkah 4 dan 5, daya reaktor dinaikkan secara bertahap untuk daya 20 kW, 30 kW, 40 kW, 50 kW, 60 kW, 70 kW, 80 kW, 90 kW, dan 100 kW. 7. Reaktor di shutdown dan dinyatakan bahwa reaktor telah padam dan aman. 8. Dengan cara yang sama seperti pada langkah 4 sampai dengan 7, dilakukan pengukuran suhu bahan bakar unguk ring C, D, E dan F.
bakar
∆Tgap =
Q ''' R 1 2 λ h gap
∆Tk = beda suhs pada tebal kelongsong (clading) elemen bahan bakar
HASIL DAN PEMBAHASAN Dari percobaan yang telah dilakukan sesuai derngan tata kerja tersebut di atas, diperoleh data pengukuran suhu untuk variasi daya dari 10 kW
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
ISSN 0216 - 3128
170
sampai dengan 100 kW, pada ring B, C, D, E dan F seperti Tabel 1. Berdasar atas data-data hasil pengukuran suhu bahan bakar reaktor Kartrini yang maksimum hanya sampai pada daya 100 kW, maka untuk mempre diksikan suhu bahan bakar pada peningkatan daya menjadi 250 kW dapat dilakukan dengan mengekstrapolasi hasil pengukuran suhu bahan bakar (Tabel 1). Adapun hasiil ekstrapolasi untuk setiap ring dapat dituliskan dalam bentuk persamaan polinomial sebagai berikut :
Widarto, dkk.
ekstra -polasi tersebut di atas dapat ditentukan suhu bahan bakar untuk setiap ring dalam rangka peningkatan daya menjadi 250 kW sebagai berikut : Tabel 1 No
Untuk ring B4 : Y = 0,00126 X2 + 0,69864 X + 31,26833 Untuk ring C11 : 2
Y = 0,00279 X + 0,20643 X + 31,36833
Suhu bahan bakar (OC) pada ring :
Daya (kW)
B4
C11
D11
E15
F18
1
10
39,01
34,94
33,80
32,90
32,70
2
20
45,43
36,30
35,38
33,88
33,50
3
30
521,64
39,71
38,64
35,20
35,80
4
40
60,35
44,64
41,33
37,10
36,13
5
50
69,84
49,32
45,54
39,44
37,41
6
60
78,59
53,83
49,43
42,52
39,60
7
70
86,80
59,24
53,59
45,59
42,62
8
80
95,21
65,44
58,14
48,63
45,71
9
90
103,80
72,22
63,85
53,52
49,22
10
100
113,76
80,83
70,88
68,48
54,30
Untuk ring D11 : Y = 0,0024 X2 + 0,14511 X + 31,78333 Untuk ring E15 : Y = + 0,00239 X 2 + 0,01727 X + 32,55833 Untuk ring F18 : 2
Y = 0,00179 X + 0,00491 X + 32,60667 Untuk memudahkan pembacaan dapat dibuat bentuk Grafik 1. Sehingga dari persamaan hasil
Tabel 2. Prediksi Suhu Bahan Bakar Teras Reaktor Kartini Untuk Daya 250 Kw No.
Ring
1 2 3 4 5
B4 C11 D11 E15 F18
Suhu pusat bahan bakar (OC) untuk daya 250 kW 281,17 257,97 218,06 186,88 174,41
Grafik 1. Suhu Bahan Bakar Versus Day
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Widarto, dkk.
ISSN 0216 - 3128
171
Grafik 2. Distribusi Suhu Pada Pusat Bahan-bakar Reaktor Untuk Daya 250 kW. Distribusi suhu dalam teras reaktor pada arah horisontal dapat dibuat Untuk menetukan distribusi suhu air pendingin teras reaktor pada setiap ring untuk daya 250 kW dapat dihitung degan substitusi persamaan (2) dan hasilnya disajikan pada tabel berikut berikut :
Tabel 3. Suhu Air Pendingin Teras Reaktor Kartini Pada Daya 250 kW No
Ring
1 2 3 4 5
B4 C11 D11 E15 F18
Suhu air pendingin teras reaktor Kartini (OC) untuk daya 250 kW 150,63 144,01 119,78 109,65 108,84
Grafik 3. Distribusi Suhu Pendingingin Teras Arah Hirizontal Pada Daya 250 kW. Atau dapat dinyatakan dalam bentuk Grafik 3. Dengan demikian dari hasil perhitungan yang dit uliskan pada Tabel 3. dapat digunakan untuk mengevaluasi lebih lanjut apa bila reaktor Kartini akan di naikkan dayanya menjadi 250 kW.
KESIMPULAN
Telah dilakukan percobaan pengukuran suhu bahan bakar pada setiap ring (B4, C11, D11, E15 dan F18) untuk analisis dan penentuan distribusi suhu air pendingin primer teras reaktor jika reaktor akan ditingkatkan dayanya menjadi 250 kW. Dari evaluasi data pengukuran suhu bahan bakar tersebut di atas untuk variasi tingkat daya reaktor sampai daya 100 kW ( daya maksimu m saat ini ) dapat digunakan untuk menentukan suhu bahan bakar untuk
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
ISSN 0216 - 3128
172
peningkatan daya 250 kW yang hasilnya disajikan pada Tabel 2. yaitu pada ring B4 =281,17 OC, C11 = 257,97 OC, D11 = 218,06 OC, 186,88 OC dan air pendingin primer teras reaktor yang hasilnya disajikan pada Tabel 3. yaitu suhu pada ring B4 = 150,63 OC, C11 = 144,01OC, D11 = 119,78 OC, E15 = 109,65 OC, F18 = 108,84 OC. Ditinjau dari suhu bahan bakarnya, dapat disimpulkan bahwa untuk operasi daya 250 kW reaktor Kartini dapat dioperasikan den gan aman..
Widarto, dkk.
–
IFE dipasang di ring B4, C11, D11, E15 dan F18.
–
Jumlah bahan bakar yang terpasang untuk operasi daya 100 kW saat ini ada 69 buah (termasuk IFE). Kaitannya dengan persamaan Q' '' = G
∑
f
Φn
Q’’’ = kecepatan pembangkitan panas dalam bahan bakar, disebut daya panas volumetrik. G = tenaga tiap reaksi pembelahan (±180Mev) Σf = tampang lintang pembelahan makroskopis bahan bakar.
DAFTAR PUSTAKA
Φ = fluks neuron.
1.
Laporan Analisis Keselamatan Reaktor Kartini, Nomor Dokumen :08/BR-LAK/96, Revisi 3, April 1996. Badan Tenaga Atom Nasional, Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta.
2.
GLASSTONE S. and SESONSKE A, “ Nuclear Reactor Engineering”. Van Nostrand Reinhold Company, 1967.
Jadi energi pembelahan mengalami perambatan / perpindahan dari dalam bahan bakar ke air pendingin teras baik secara konveksi maupun konduksi, panas yang dibangkitkan tergantung pada daya yang dibangkitkan.
3.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah, Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir. Kelompok Fisika, Fisika Reaktor dan Instrumentasi Nuklir. PPNY BATAN, 6-8 Maret 1989.
4.
Pengantar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir. “BADAN TENAGA ATOM NASIONAL “ JAKARTA, 1978.
TANYA JAWAB Suyamto –
IFE nya dipasang dimana saja.
–
Hasil suhu pada table 3 untuk 250 kW dari mana, dan dengan jumlah bahan bakar berapa. Bagaimana kaitannya dengan Q'' ' = G f Φn
∑
Sudiyanto –
Apakah ada perbedaan distribusi suhu pendingin primer pada daya 10 kW dan seterusnya hingga 100 kW mengapa tidak hanya diukur pada daya 100 kW saja mengingat perlu memindahkan IFE sebanyak 5x pada ring B4, C11, D11, E15 dan F18. Mestinya profil distribusinya sama.
Widarto – Pengukuran suhu untuk setiap ring dengan variasi daya dari 10 kW, 20 kW, sampai dengan 100 kW dimaksudkan untuk menentukan karakteristik kenaikan suhu bahan bakar versus daya, sehingga dapat digunakan untuk memperkirakan besarnya suhu pada daya 250 kW sedang pemindahan IFE ke ring B4, C11, D11, E15 dan F18 karena memang besarnya suhu untuk setiap ring tersebut berbedabeda (walaupun mempunyai pola yang mirip), tetapi secara kwantitatif distribusi suhu pada setiap ring teras reaktor perlu diketahui.
Widarto
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
