ANALISIS OPTIMASI PENDINGIN PADA TABUNG TARGET FPM

52

ISSN 0216 - 3128

Endiah Puji Hastuti, dkk.

ANALISIS OPTIMASI PENDINGIN PADA TABUNG TARGET FPM Endiah Puji Hastuti, Darwis, Asnul Sufmawan P2TRR - BATAN

ABSTRAK ANALISIS OPTIMASI PENDINGIN PADA TABUNG TARGET FPM. Telah dilakukan analisis keselamatan akibat kekurangan pendingin pada tabung target yang dilapisi U-235 dengan massa 3 gr pengayaan tinggi 93,3% untuk produksi radioisotop Fission Product Molybdenum (FPM). Analisis dilakukan berdasarkan simulasi dengan asumsi bahwa letak tabung target tidak konsentris, akibatnya terdapat bidang yang mengalami kekurangan pendingin. Analisis dilakukan dengan menggunakan program COBRA IVi, mulai kondisi pendinginan normal hingga dry out. Hasil analisis menunjukkan bahwa target yang hanya didinginkan dengan 1% pendingin akibat posisi yang tidak terpusat (inconcentric) menyebabkan terlampauinya marjin keselamatan terhadap akhir pendidihan inti, dengan kondisi dua fase. Kata kunci : tabung target, dry out, COBRA IVi.

ABSTRACT COOLANT OPTIMATION ANALYSIS OF THE FPM CYLINDER TARGET. Safety analysis of the FPM cylinder target that coated by 3 gr U-235 with high enrichment of 93.3%, due to insufficient coolant, was completed. The purpose of the target to produce Fission Product Molybdenum (FPM). The analysis prepared base on simulation with assumption that cylinder target is in concentric position, as a consequence there is a area that has insufficient coolant. Using COBRA IVi code analysis the thermal hydraulic characteristic, by coolant variation from normal cooling until dry out condition were carried out. The analysis show that the target cooled by 1% coolant due to inconcentric position violates the DNBR safety margin, with two fase flow. Key words : cylinder target, dry out, COBRA IVi.

PENDAHULUAN

F

ission Product Molybdenum (FPM) merupakan produk radioisotop 99Mo yang diperoleh dari hasil belahan proses iradiasi uranium di dalam teras reaktor. Target FPM adalah tabung baja yang di dalamnya dilapiskan U-235 berpengayaan tinggi dengan metoda electroplatting sehingga membentuk lapisan film tipis. Adanya lapisan uranium ini mengakibatkan pembangkitan panas yang cukup tinggi di dalam tabung tersebut sehingga pen-dinginan harus mencukupi. Analisis keselamatan termohidrolika pada tabung pembangkit panas di RSG GAS sebagai fungsi berat U-235 yang dilapiskan telah dikejakan oleh beberapa peneliti [1,2,3] dan hasil penelitian tersebut telah cukup mendukung pembuatan Laporan Analisis Keselamatan FPM[4]. Dalam penelitian tersebut analisis baru dilakukan sebatas kondisi aliran normal, menggunakan pendinginan

yang cukup pada stringer berisi 4 tabung. Hal yang belum diperhitungkan adalah apabila tabung tidak men-dapat pendinginan yang memadai, dimana hal ini kemungkinan dapat melampaui marjin keselamatan yang diijinkan. Untuk melengkapi hasil analisis tersebut, berikut ini diuraikan hasil analisis karak-teristik termohidrolika tabung target apabila terjadi kekurangan pendingin, menggunakan stringer yang saat ini digunakan yaitu berisi 3 tabung. Kekurangan pendingin dapat terjadi apabila tabung tidak didinginkan secara cukup. Hal ini dapat juga terjadi pada suatu titik singgung apabila letak tabung target tidak konsentris. Analisis dilakukan pada daya nominal 30 MW dengan berat U-235 sebesar 3 gram. Hipotesis yang ingin dibukti-kan adalah apabila suatu dinding logam yang mempunyai sumber panas dan panas tersebut tidak dapat dipindahkan dengan sempuma maka akan terjadi pemanasan lokal.

Prosiding PPI - PDIPTN 2005 Puslitbang Teknologi Maju - BATAN Yogyakarta, 12 Juli 2005

53

ISSN 0216 - 3128

Analisis dilakukan dengan memvariasi besar-nya laju alir yang mendinginkan tabung dari kondisi normal hingga tingkat "dry out', menggunakan program perhitungan COBRA-IVi.

TEORI Paket Program COBRA-IVi COBRA-IVi adalah program perhitungan termohidrolika untuk menganalisis kondisi tunak dan transien pada reaktor berbahan bakar tipe silinder/batang (rod), dengan metoda analisis sub kanal. Persamaan kekekalan aliran dan energi diselesaikan dengan teknik persamaan beda hingga (finite difference) pada subchannel control volume. Temperatur bagian dalam silinder dihitung dengan persamaan konduksi panas [5]. Program COBRA-IVi digunakan untuk menghitung temperatur pendingin, kelongsong dan permukaan dalam dinding tabung, input program ini adalah : 1. Input sifat-sifat termohidrolika pendingin, yang memuat keterangan tentang tekanan jenuh, temperatur jenuh, volume jenis, entalpi, viskositas, tegangan muka dan konduktivitas panas pendingin. 2. Input sifat-sifat termal target, yang memuat keterangan berkaitan dengan hantaran panas dalam target, seperti konduktivitas panas, panas jenis dan densitas target. 3. Input fluks panas di posisi aksial, fluks panas pada target FPM berasal dari fluks panas gamma dan fluks panas fissi. 4. Input geometri subkanal, memuat keterangan tentang target subkanal, perimeter basah dan panas, lebar celah antara subkanal yang berbatasan dan lebar celah diantaranya.


Analisis perhitungan termohidrolika pada tabung target menggunakan paket program COBRA IV-1 dilakukan dengan memodelkan tabung target dan kanal pendingin yang mengelilinginya sebagai kanal anulus. Perhitungan termohidrolika dilakukan dengan beberapa asumsi yaitu: 1. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan hasil pengukuran laju alir pendingin di posisi E7. 2. Pembangkitan panas di dalam target berasal dari hasil panas fisi U-235 seberat 3 gr dan panas gamma berasal dari material penyusun target. 3. Massa U-235 dianggap terdistribusi merata sepanjang target dengan pembangkitan panas sepanjang target aktif mengikuti distribusi fluks aksial. 4. Perhitungan suhu pendingin, suhu kelongsong, rerugi tekanan dan marjin terhadap rasio akhir pendidihan inti minimum (MDNBR=Minimum Departure from Nucleate Boiling Ratio) dilakukan pada kondisi tunak. 5. Analisis tidak memperhitungkan adanya kemungkinan tambahan panas yang berasal dari reaksi antara UO2 dan air di dalam tabung target. 6. Analisis menggunakan data faktor puncak daya aksial maksimum dan suhu maksimum di sisi masuk stringer target.

Data Masukan Data masukan yang digunakan analisis ditunjukkan dalam Tabel 1.

Skenario Kejadian Dianggap bahwa tabung target FPM bergeser dari kedudukannya karena penempatan yang tidak sempurna, dari posisi semula konsentris menjadi tidak konsentris, sehingga terjadi titik singgung antara tabung dan pengarah. Akibatnya terdapat bidang yang tidak didinginkan dengan sempurna, jika hal ini berlangsung terus maka akan terjadi kondisi "dry out" dimana seluruh pendingin akan menguap.

Pemodelan Dan Asumsi


dalam

54

ISSN 0216 - 3128


Gambar 1. Gambar tampang lintang atas tabung FPM.

Tabel 1. Data masukan target FPM. PARAMETER

SI

Data Dimensi a. Luas kanal

5,458 cm2

b. Perimeter panas

2,369 cm2

c. Perimeter basah

5,919 cm

d. Panjang FPM aktif

45,72 cm

e. Jarak dari pusat titik kanal ke titik pusat kanal didekatnya

2,40 cm

f. Jarak antar dinding pipa

0,282 cm

g. Diameter pipa

3,00 cm

Konduktivitas Termal a. Helium

0,141 W/(mK)

b. Uranium

2,424 W/(mK)

c. Aluminium

1,765 W/(mK)

Densitas a. Helium

0,000241 gr/cm 3

b. Uranium

18,7

c. Aluminium

gr/cm 3 gr/cm 3

2,699

Panas Spesifik a. Helium

5,20  103 J/(kgK)

b. Uranium

123,51

c. Aluminium

0,5  10 Prosiding PPI - PDIPTN 2005 Puslitbang Teknologi Maju - BATAN Yogyakarta, 12 Juli 2005

J/(kgK) 3

J/(kgK)

55

ISSN 0216 - 3128


Data Operasi Reaktor 44,5 oC

Suhu inlet

43 m3/jam

Laju alir (LA) pada posisi E-7 Fluks panas

10,5213 KW

Dose rate  pada daya 30 MW, rad/jam

1,9  109

Volume uranium, cm3

1,4675

Fluks panas (E+14), n/cm 2.det

0,6929

Pembangkitan daya, W/cc

86,60

LA di dalam target FPM, 106 lb/h.ft2 /kg/jam.m2 100%[6,7]

5,932/28,9600

25%

1,483/7,2400

10%

0,593/2,8950

5%

0,2965/1,4475

HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis dilakukan dengan mengevaluasi proses perpindahan panas dari tabung target ke pendingin pada kondisi (1) pendinginan normal yaitu lebar kanal pendingin tetap dan (2) tanpa ada aliran karena kanal pendingin tertutup. Analisis dilakukan dengan menggunakan paket program COBRA IV-i dengan data tingkat muat maksimum 3 gr dan fluks neutron 2  l 014 n/cm 2 det. Analisis akibat bergesernya letak tabung yang mengakibatkan sebagian tabung target kurang dialiri oleh air pendingin secara sempurna, disimulasi dengan mengurangi laju alir di dalam kanal pendingin. Hasil perhitungan marjin keselamatan pada program COBRA IV-i adalah batasan terhadap akhir pendidihan inti, dimana terdapat error/penyimpang-an antara hasil eksperimen dan korelasi sebesar 30%[8] maka untuk marjin DNBR = 1, digunakan batasan DNBR dari hasil perhitungan harus  1,5. Untuk mengetahui pengaruh kanal yang tidak dialiri pendingin dilakukan dengan cara memvariasi laju alir pendingin secara total di dalam stringer. Dimana pengurangan laju alir ini juga berdampak pada berkurangnya laju alir pendingin di dalam kanal yang mengelilingi tabung target. Variasi laju alir pendingin dilakukan masing-masing sebesar 100%, 25%, 10% dan 1%, sedangkan parameter lainnya tidak diubah.

Pengamatan dilakukan terhadap kecepatan dan suhu pendingin di dalam kanal pendingin yang mendinginkan tabung target, ada/tidaknya fraksi void, suhu maksimum pendingin, suhu maksimum kelongsong tabung, suhu maksimum di permukaan lapisan U-235 (1P), suhu di pusat tabung (2P) dan MDNBR. Hasil perhitungan yang diamati ditampilkan di dalam Tabel 2. Tabel tersebut menam-pilkan nilai maksimum dari seluruh parameter termohidrolika. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa: 1. Pada pendinginan normal atau 100% yaitu sebesar 1,617 kg/s, kecepatan pendingin di sisi masuk kanal adalah sebesar 8,12 m/s. Dengan laju alir dan kecepatan pendingin sebesar ini fasa pendingin masih berbentuk fluida, hal ini ditunjukkan pula oleh suhu pendingin di sisi keluar kanal dan suhu kelongsong tabung target masing-masing sebesar 66,78 oC dan 95,33 oC. Suhu di dalam tabung target di lapisan U235(1P) adalah sebesar 194,39 oC. Marjin terhadap akhir pendidihan inti yang merupakan batas keselamatan adalah 8,635, hal ini menunjukkan bahwa pendingin mampu memindahkan panas yang dibangkitkan oleh tabung target. 2. Apabila dianggap laju pendingin hanya 25% saja dari nominalnya atau sebesar 0,404 kg/s maka kecepatan pendinginpun menurun menjadi 2,03 m/s. Akibatnya suhu pendingin keluar kanal dan suhu kelongsong meningkat, masing-masing menjadi 80,27 oC dan 160,72 o C. Suhu pendi-ngin ini belum menyebabkan


56

ISSN 0216 - 3128


terbentuknya fraksi void, akan tetapi telah terjadi pendidihan inti. Tabung yang hanya didinginkan dengan 25% laju alir ini mengakibatkan peningkatan suhu di dalam tabung target 1P menjadi 259,78 oC. Akibatnya nilai batas keselamatan MDNBR berkurang pula menjadi 5,388. Marjin ini masih memenuhi batas keselamatan yang ditetapkan di atas. 3. Simulasi selanjutnya adalah apabila tabung target hanya didinginkan dengan laju alir pendingin sebesar 10% atau 0,162 kg/s, menyebabkan kecepatan pendingin semakin berkurang hingga menjadi 0,81 m/s. Suhu keluar kanal, suhu kelongsong, suhu 1P dan suhu 2P masing-masing adalah 107,18, oC, 162,05 oC, 261,11 oC dan 603,11 oC. Batas keselamatan MDNBR sebesar 4,096. Suhu jenuh belum terlewati (120 oC). Hasil perhitungan ini menunjukkan bahwa apabila pendingin yang mendinginkan tabung target hanya 10%, belum melampaui batas keselamatan yang ditetapkan atau dengan kata lain target masih selamat.

Keadaan tabung taget yang menempel atau tidak terdinginkan dianalisis dengan pendekatan laju alir pendingin hanya tersisa 1% atau 0,004 kg/s, hal ini menyebabkan kecepatan pendingin hanya 0,01 m/s. Suhu keluar kanal, suhu kelongsong, suhu 1P dan suhu 2P masing-masing adalah 137,34 oC, 421,33 oC, 520,39 oC dan 862,39 o C. Suhu pen-dingin telah melewati suhu jenuh, dan akibat debit yang sangat rendah dan suhu kelongsong yang cukup tinggi ini menyebabkan terbentuknya fraksi void hingga mencapai 99,9% atau dapat dikatakan telah terbentuk lapisan film yang mengelilingi tabung target. Akan tetapi suhu kelongsong tabung target ini belum melampaui titik leleh tabung target yang terbuat dari SS. Terbentuknya fraksi void yang mencapai 99,9% ini telah mengakibatkan terlam-pauinya batas keselamatan yang diijinkan. Distri-busi suhu pendingin, suhu kelongsong, dan suhu di permukaan lapisan dalam U-235 (1P) sepanjang arah aksial untuk setiap variasi laju alir ditampilkan pada Gambar 2 s/d Gambar 4. Input dan output program perhitungan ini menggunakan sistem Inggris dan sistem international sehingga keduanya diberikan pada Tabel 2.

Tabel 2. Rangkuman hasil perhitungan parameter termohidrolika target FPM. PARAMETER

LA = 100%

LA = 25%

LA = 10%

LA = 1%

5,932 / 28,96

1,438 / 7,241

0,593 / 2,895

0,059 / 0,288

LA pendingin di dalam kanal, lb/s/kg/s, kg/jam.m 2

3,5657 / 1,617

0,8914 / 0,404

0,3566 / 0,162

0,0089 / 0,004

Kecepatan pendingin di kanal, ft/s/m/det

26,6488 / 8,12

6,6622 / 2,03

2,6649 / 0,81

0,0357 / 0,01

Suhu pendingin keluar kanal, o o F/ C

120,20 / 66,78

144,49 / 80,27

192,93 / 107,18

247,22 / 137,34

Suhu maks. Kelongsong, o o F/ C

171,6 / 95,33

289,3 / 160,72

291,7 / 162,05

758,4 / 421,33

Suhu maks. Disperse U-235 (1P), oF/oC

349,9 / 194,39

467,6 / 259,78

470,0 / 261,11

936,7 / 520,39

8,635

5,388

4,096

0

0

0

0

99,9

Laju massa rerata, 10 lb/h.ft2/kg/jam.m 2

MDNBR Fraksi void, %

6


57

ISSN 0216 - 3128


Gambar 2. Distribusi suhu pendingin di dalam kanal.

Gambar 3. Distribusi suhu kelongsong tabung target FPM.

Gambar 4. Temperatur permukaan lapisan dalam U-235 (1P).

KESIMPULAN/SARAN

Hasil analisis keselamatan tabung FPM yang diiradiasi pada daya 30 MW dan fluks neutron Prosiding PPI - PDIPTN 2005 Puslitbang Teknologi Maju - BATAN Yogyakarta, 12 Juli 2005


ISSN 0216 - 3128

sebesar 2  l014 n/cm2 det. Diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Tabung target masih mampu didinginkan dengan laju alir pendingin sebesar 10% dari nilai nominalnya atau 0,162 kg/det. 2. Batasan keselamatan terhadap DNBR terlampaui apabila tabung target hanya didinginkan dengan 1% laju alir atau 0,004 kg/det. Tabung target terlapisi oleh lapisan film (fraksi void 99,9%). Suhu maksimum kelongsong tabung target mencapai 421 oC, suhu sebesar ini belum melampaui titik leleh material pembentuk tabung target SS.

SARAN Adanya kemungkinan marjin keselamatan yang melampaui batas ini perlu dihindari dengan cara memberi spacer pada stringer.

6.

Kelompok Tetmohidrolika PRSG, Pengukuran Distribusi Laju Alir Teras 10 GA Siwabesy, No.Ident. RSG/EFT/93/03/T10.01/P.

7.

M.D. ISNAINI dkk., Prosedur Pengukuran Laju Alir Pada Stringer Iradiasi Berpengarah 3 Pipa, No Ident TRR.TR.04.04.32.01.

8.

ENDIAH PUJI HASTUTI dkk., Analisis Keselamatan Termohidrolika Target FPM di Teras RSG-GAS, No. Ident.: TRR.TR. 45.06.0.00, Rev.0, P2TRR-BATAN, Desember 2000.

TANYA JAWAB VIS. Wardhani  Mengapa harus diasumsikan bahwa letak tabung target tidak konsentric? Apakah memang letaknya demikian?

DAFTAR PUSTAKA 1.

SUROSO, Optimasi Iradiasi Target Mo- 99 di Teras RSG-GAS, Prosiding Simposium Fisika Nasional XVIII, April 2000 : 578-586.

2.

HUDI HASTOWO, SUKMANTO DIBYO, Perpindahan Panas Pada Target FPM di Reaktor MPR-30, Seminar Teknologi Reaktor dan PLTN, Bandung, 2-4 September, 1986.

3.

58

WINTER DEWAYATNA, Analisis Keselamat-an Target FPM di Dalam Teras Reaktor RSG-GAS.

4.

NN, Analisis Keselamatan Iradiasi Target FPM di Teras RSG-GAS, Analisis, No. Ident. : RSGOF1-FPM, Rev. 1, Pusat Reaktor Serbaguna, Januari 1994.

5.

C.L. WHEELER, et. al., Cobra-IVi: An Interim Version of Cobra for ThernalHydraulic Analysis of Rod Bundle Nuclear Fuel Elements and Cores.

 Apakah program COBRA IVi adalh program untuk analisis keselamatan saja? Kegunaan yang lain untuk apa saja?  Inputan program COBRA Ivi apa saja misalnya? Endiah Puji Hastuti  Asumsi ini dilakukan untuk mensimulasi kondisi bagian tabung yang kekurangan pendingin, letaknya seharusnya konsentris.  COBRA-IVi adalah program perhitungan termohidrolika untuk menganalisis kondisi terak dan transien pada reaktor berbahan bakar tipe silindris dengan metode analisis sub kanal, contoh penggunaan : analisis sub kanal PLTN jenis PWR.  Input program dapat dilihat pada bagian teori dari makalah ini.


ANALISIS OPTIMASI PENDINGIN PADA TABUNG TARGET FPM

Recommend Documents