r;
"'\1.
ISSN./4J£A..2897
Pro.\'iding Pertemuan/lmiah ,r;;ainsMateri 1997
ANALISIS KARAKTERISTIK BAHAN PENGARUH .JI!:~IS DAN tJENTUK , BAHAN TERHADAP PEMBANGKITAN PANAS RADIASI GAl\1M1\ (GAMMA HEATING)1 SetiYlUlto2
~
A8STRAK
ANALISIS KARAKTERISTIK BAHAN, PENGARUH JENIS DAN 8ENTUK BAlIAN TERHADAP PEM8AN(;KITAN PANAS RADIASI GAMMA (GAMMA HEATING). Dengan hipotesis hahwa interal<si radiasi gamma dengan materi selalu diikuti oleh pemhahan energi menjadi panas, dan interaksi terse)!~t sangat dipengamhi olehjenill bahan, maka sangat mungkin hahwa \lahan yang berbeda akan menerima jumtah panas yang beroeda. walaupun terkena radiasi gamma yang sarna. Untuk mempelajari le\lih jauh fenomena tersebut, telah dilakukan analisis terhadap karakteristik pem\langkitan panas radiasi gamma pada \ler"agai jenis dan henhlk "ahan. Sebagai langkah awal, analisis dilakukan dengan perhitnngan yang mengunakan program GAMSET, ditcrapkan pada \lcr"agai jcnis dan \lentuk \lahan (sampel). Hasil yang diperoleh mcnunjukkan adanya variasi tak kontinyu panas radiasi gamma se\lagaj fimgsi jenis \lahan (nomor atom Z) clan \lentuknya. Dapat disimpulkan \lahwa bahan dengan nomor atom rendah (Z<13), jenis clan hentuknya relatif tak mempengamhi tingkat pem\langkitan panasnya, tetapi untuk bahan dengan Z> 13, panas radiasi gamma sangat ditenhlkan oleh jenis clan bentuk \lahannya.
ARSTRA(T
ANALYSIS OF MATERIALS CHARACTERISTIC, INFLUENCE OF MATERIAL TYPE AND GEOMETRY ON GAMMA HEATING GENERATION. Based on the hypothesis that the gamma ray interaction with matter always followed by the transfer of gamma energy to heat generation, and this transfer influenced by material type, therefore the diferent materials will generate theditTercnt heat. To evaluate this phenomena, the analysis of the gamma heating generation on materials have been done A., an initial ~tudy. the analy~i~ was carried out using GAMSET code, which is applied on some materials and geometries. .The re~ults showed that the gamma heating generation on certain materials is a~ a function of their atomic numbers (Z) and their geometries increase. For the light material~ (Zc 1J), influences of the atomic numbers and their geometries are practically ignored. However, for the heavy materials (Z> 13), tile heat generations are linearly increa..,edas function of their atomic numbers and their geometries.
KEY If'ORDS .':erapan Energl Gamma. Gamma heating
TEORI
PENDAHULUAN Intcraksi radiasi gamma dcngan materi selalu diikuti olch pcrnbahan energi radiasi menjadi panas pada mctcri yang bersangkutan, sehingga materi tcrsebut akan menjadi sumbcr pc'lnas. Dernikian ha.lnya material di teras reaktor yang selalu terkena paraffin radiasi, akan mengalanu hal yang sarna. Mengingat panas tersebut (pada reaktor nuklir) relanf besar, yang dalam kondisi tertentu dapat mcmbahayakan, maka kuantisasi produksi panas ini pcrlu diteliti dengan baik. Khusus untuk rcaktor GA.Siwabessy, selain penclitian' tersebut belum
p
( 1) bagian yang diserapke dalam bahan daD menjadi p~as adalah:
ditangani dcngan baik, hasilnya s.angat dipcrlukan unulk melengkapi data teras reaktor. Variasi jenis daD bcntuk rnateri/balmn akan menghasilkan pola karaktcristik yang spesifik untuk jenis reaktor GA. Siwabcssy Untllk mcndapatkan hasil yang memllilskan, pcnclitian ini harus dilakukan dengan eksperimen mauplLll pcrhitungan tcoritis. Namun scbagai langkah awal. makalah ini barn menyampaikan analisis tcoritis, bcmpa hasil pcrhitungan variasi panas radiasi gamma scbagai fimgsi jenis dan bentuk bahan
pcnyerapnya.
1OipreSetltasikilIl
Pilda PertemuaIl Ilmiah SaiIlS Materi
1'USiIt [{Cilktor Scrhaguua
.(2)
dimana: 10(E):mtensitasawal radiasi gammadengan energi (E) I(E) : intensitassetelahmelewatibahan/materi penyerap. ~) : koefisienatenuasimassauntukbahan penyerapdanuntuk gammaenergi(E). p : massajenis bahanpenyerap
1997
l~adal1 rcnaga I\tOIl1 Nasiowu,
KaW[L"rnl J'USPW1'EK,
396
Sef1X1Ilg 153 J0
~,
ISSN1410-2897
ProsidingPertemuanllmiah SainsMateri 1997
x
:tebalbahanpenyerapyang mewakili bentuk bahanpenyerap. Jika persamaanini dikalikan dengan energi gallllna (Ey), luas penampang(S) daDtebal (x) daTi bahanyang disinari,makaakan diperolehdayapanas radiasi gmnma(P) yang dibangkitkandaIam bahan tersebut,yaitu: P = [10(E)-I(E)] EyS.x (watt) (3) Dari persamaan1 nampak bahwa koefisien absorpsi massa ~(E) adalah parameter yang menentukansejauh mana radiasi gamma tersebut mampu menembusbahan yang dilewati. Semakin pendek daya tembus gamma pada bahan berarti semakinbesartransferenergiyang diberikankepada bahan tersebut..Hal ini menunjukkanbahwa untuk radiasigammayang sarnaakan mengakibatkanefek pemanasan yangberbedapadabahanyang berlainan. Parameterlain yang mempengaruhitransfer energi adalah ketebalan bahan (x) itu sendiri. Dari persamaan1 terlihat bahwa semakin tebal bahan akan diikuti oleh tranfer energi yang lebih besar pula. Ilustrasipadagambarberikutakanmemperjelas perbedaan efek pemanasan pada bahan sejenis denganperbedaanketebalan.
XJc
~
panasradiasigammaterasRSG-GAS sangatpenting untukdilaksanakan. Sebagailangkahawal,dilakukananalisisteoritis terbadapkarakteristik pembangkitanpanas dengan bantuanpaketprogram GAMSET yang validasinya untuk reaktor RSG-GAStelah dilakukan(3).Model bentukbahan diambil bentuk silinder, bal ini selain pertimbangansimetri,juga karenaharusdisesuaikan denganmodelyangberlakupadaprogram. Untuk mendapatkanbasil yang represen-tatif, diambil bahanuntuk dianalisisantaralain Grafit (C), Aluminium (AI), Besi (Fe), Zirkonium (Zr) dan Plembem(Pb). Pemilihan bahan tersebut diambil denganpertimbanganagar dapat mewakili seluruh unsur yang ada, serta memilih bahan-bahanyang paling sering digunakandi teras reaktor. Mengingat setiapjenis interaksi gamma-materi(efek Compton, efekrota listrik daDproduksipasangan)mengandung variabel nomor atom (Z), maka dalam analisis ini variabel yang dimunculkan untuk mewakili jenis bahan akan digunakannomor atomnya. Sedangkan nilai variasi panas sebagai fungsi bahan (nomor atom) akan dihitung pada bentuk yang sarnauntuk beberapa jenis bahan. Untuk mempelajariefek bentuk terbadapproses pembangkitanpanas,dilakukan perhitungandengan
,X2..
~7
~7
a). Radiasigammamampu b). Radiasigammamenemmenembusselurnhbahan. bus sebagianbesarbahanGambar I
Xj-
c).Radiasi.g~ma menembus sebagiankecifbahan.
Ilustra.-"ipcnyerapan etlergi gamma pada tiga jet1is ketebalan
Dari garnbar di atas dapat diterangkan bahwa untuk jenis dan intcnsitas radiasi gamma yang sarna akan rncnlbcrikan p<'1llasyang sarna pada bahan sejcnis yang dilewati. Narnun bagi bahan yang rnenerirna transfer energi akan merasakan efek yang
berbeda, seakan-akanenergi yang diterima juga berbcda, atau dapat dikatakan bahwa besarnya energi yang ditransfer pcr&'1tlJaJlrnassa bahan penyerapnya akan bcrvariasi scbagai fungsi bentuk bahan. Fenornena ini rncnarik untuk dipelajari lebih lanjut, IIIcngingat jcnis dan bentuk bahan di teras reaktor sangatbervariasi, schinggajika dapat diternukan nilai karakteristik pcmbang-kitan panas pada berbagai bahan dan bentuknya akan sangat berrnanfaat bagi kclcngkapan data teras rcaktor. Berdasarkarn fcnomena tersebut, maka pe(1elitian pencntlli'1n karakteristik pernbang-kitan
variabel dimensi bahan penyerap(ketebalan),serta variabel barn yang menggambarkanperban-dingan antara luas permukaanbahan (S) terhadapmassa (M), yaitu: (S/M). Variabel ini akan menerangkan adanyafenomena sempanpermukaanpada bahanbahanyang sangatkuat menahan/menyerapradiasi gamma. DATA DAN PERHlTUNGAN Dua jenis datayang hams disiapkan,yaitu data teras reaktor yang berkaitandengan intensitas dan spektrumenergiradiasigamma,dandatabahanyang menjadi obyek studioData terasdisesuaikandengan karakteristikoperasionalRSG-GAS,sedangkandata bahan (penyerap)akan divariasi sesuaitujuan dan urmansebelumnya.
397
I 13
ProsidingPerlemuanIlmiah SainsMateri 1997
lSSN 1410-2897
mempengarubinilai pembangkitanpanas radiasi gamma tersebut. Gambar 4 lebih menjelaskan fenomena tersebut, dirnana faktor S/M yang sebenarnyamerupakangabunganantara bentuk (S) daDmassajenis (M), merupakanvariabel barn yang
Khusus untuk mengetahui efek bentuk, akan dianalisis berbagai bentuk silin-der yang jari-jarinya ditentukan berdasarkan nilai banding (81M). Data selengkapnyadisajikan dalam Tabel I. berikut:
Tabel
Data perhitungan untuk berbagai jenis bahan dan bentuk sebagai fungsi nilai banding (S/M). ~
JenisBahan
Grafit (.
No. Atom
massa
(Z)
(g/cmJ
6
Aluminum
2,70
(AI) Besi (Fe)
26
Zirkonium
40
Jari-jari (crn) sebagaifungsini!ai variabe!(S/M)
Rapat
~
6,49
~,0,5
0,6
0,8
1.2
1,5
2,0
7.,5
2,22
1,85
1,39
0,926
0,74
0,55
0,44
1,48
123
0,926
0,617
0,494
0,37
0,296
I
~
~
~
~
~
0,154
0,123
0,35
0,29
0,22
0,15
050, 0.4376
050, 0,4~
060, 0,546
0,62
0,514
0,385
0.257
-(Zr)
Plembem
82
1,4
~
~
_(rb)
Berdasarkandatadi atas,perhitungandilakukan denganprogramGAMSET, dimana untuk datateras digunakan data operasi teras ke- 26 dengan daya penult 30 MW.
HASIL DAN PEMBABASAN Hasil perhitungan diberikan pada Tabel 2, Tabel 3, Gambar 2, Gambar 3 dan Gambar4. Hasil yang cukup menarik untuk dikemukakan bahwa pembangkitan panas radiasi gamma dalam Grafit dan Aluminium relatif konstan untuk berbagai bentuk yang dinyatakan dalam nilai banding S/M, yang menunjukkan bahwa transfer energi gamma ke dalam Grafit dan Aluminium terjadi merata, tidak tergantung pada energi gamma maupun bentuk/gcometri bahannya. Jika diperluas dapat dikatakan bahwa pembangkitan panas pada bahan dengan nomor atom sekitar Grafit dan Aluminium tidak dipenganlhi oleh bentuk materialnya. Hal ini dikarcnakan daya tcmbus radiasi gamma pada material tersebut relatif dalam, schingga kehilangan energi pada pem1ukaanbahan dapat diabaikan. Lain halnya pada Bcsi sampai dengan Plembum (Pb), tcrjadi variasi yang t:1j:1m terhadap pcmbangkitan panas radiasi gamma pada bahanbahan tcrsebut. Hal ini menunjukkan bahwa efek gcometri daD jenis bahan sangat dominan terhadap nilai pclnbangkitan panas pada bahan-bahanterscbut. Mulai dari Bcsi (nomor atom 26) daD stemsnya, nampak bahwa panas radiasi gamma pada bentuk yang sarna, naik secara linier sebagai fungsi nomor atom (Z), namun untuk bentuk yang berbeda, Gambar 3 menunjukkan kenaikan yang lcbih tajam, yang bcrarti bahwa ada faktor sclain bentuk yang
398
0,205
dapatmewakili variasi pembangkitanpanastersebut. Secara keseluruhan dapat diperoleh bahwa pembangkitanpanas radiasi gamma dalam bahan ternyata memiliki karakteristik yang sangat tergantungpadajenis dan bentuk bahan,daD secara umum dapatdijelaskanbahwa untuk rentang nomor atom tertentu(atom sedangdan berat),panasradiasi gamma tersebutnaik secara limier sebagaifungsi S/M, daDkenaikannyasemakinbesaruntuk Z yang besar.
KESIMPULAN Dari basil yang diperoleb, serta analisis yang dikemukakandi atasdapatdisimpulkanbahwa: -Jenis dan bentuk material/bahan sangat mcnentukan pola/karakteristik pembangkitan panas basil internksi radiasi gamma dengan materitersebut. -Untuk bahandengannomoratom ringan (nomor atom di bawah 13), efek geometri (bentuk)dan jenis bahan tidak nampak, sehingga pembangkitanpanasnyarelatif konstan untuk semuajenis dan bentuk bahan pada rentang nomoratomtcrscbut. -Untuk bahandengannomoratomsedangsampai bernt, efek geometri dan jenis bahan sangat menentukannilai pembangkitanpanasnya,yang naik tajam sebagaifungsi nomor atom Z dan variableS/M.
~ C-:6 ,IJ~.O
Tabel2
Hasilperl1itunganvariasipanasradiasigammapadaberbagai bahanuntuk bentukyang sarna(FO,6 cm)
Bahan
Panasradiasi
(nomor~m)
~ammaKz (W /g)
No
Panaspadabahai;relatif terhadaDGrafit P71Pc
l1!.-
2Jl
Grafi
~
Al
Besi
~101
W
.?1?:?:.-~~
Zirk
~
1.?:.2.-
PIe Urarnum
Tabel 3.
15.93
---
2,79
Hasilperhitunganvariasipanasradiasigammapadabahanuntuk berbagainilai bandingSIM.
Nilai 81M
~
Pz/Pc Pz 1~,§1-I- 1,0
Pi
I. 7.35
I 1,01
I 6,56
f }~J2
~~ I 1,07 r5,95
~ ~
rs":26
L?2
~
n,47
8,22 [jO:1
1~5
6,04 , 1,011
I 5,99
I 1,068
I 1,51
" 11,7
12,0~ I 2_5 ,
6,091 1,085
~
/ 8,~
L1Q:?:
0,8 0,6 Q'5
~
5,85~~
~
I 5,69-
I 1,093 I 6,05
~
r:IJif
l2;Q!
T9A2
~
rT,68
Pz/Pc
pz
Pz/Pc
pz
PzlPc
~ I ~!l~
Pz
I 1,31
PzlPc I 1.96
L1§1~
J 13,6 I 2,42
.I~~
I 19.5 , 3,48
~
~
,i6,LI~,87
I 20,7-13,69
r-232
I. 4,!!
3
2,5 ...
~
~ ~
2
~ 1,5
;
~
1 0,5 0 0
20
40
60
80
100
Nomor atom Z
Gambar2
VariasipanasgammapactabahandengannomoratomZ untuk geometriyangsarna(r=O,6cm).
399
ISSN1410-2897
ProsidingPe11emuan llmiah SainsMateri 1997
4,5
4 3,5 3 2,5
~ 2 0:
1.5 1
0,5 0
Gambar 3.
Nomor arom J,ahan pen;yerep (Z)
Variasinilai panasgammapadabahan(nomoratomZ) untuk berbagao nilai 81M.
4()()
ISSNl410-2897
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri 1997
DAFfAR PUSTAKA. [1] R.E JAEGERet aI. ,"Engineering compen-dium on radiation shielding". vol. I. Shielding fondamentalsand methodes.-1968. [2] SETIYANTO.," Puissance deposee par les rayonnementgamma dans Ie reacteur Siloe. Mesres par calorimetric et caIcnl par Ie code GAMSET."Desertasi doktor di ENSPG-INPG Francis,1991. [3] SETIYANTO, et aI. "Aplikasi program perhitungan panas radiasi gamma GAMSET pada RSG-GAS." Prosiding PPI-Penelitian Dasar limn Pengetahnandan Teknologi Nuklir. Yogyakarta,28-30 April 1992.
401
