0
Edy Tryjono Budisanto5o, dkk.
ISSN 0216 -3128
17?
ANALISIS PENGARUH KONSENTRASI HIDROGEN DI DALAM BAHAN BAKAR PADUAN UZrHx TERHADAP SIF AT NEUTRONIKNYA Edi Trijono Budisantoso,Bambang Sumarsono,Tegas Sutondo P3TM-BATAN
c:o£
ABSTRAK
ANALISIS PENGARUH KONSENTRASIHIDROGEN DI DALAM BAHAN BAKAR PADUAN UZrHx TERHADAPSIFAT NEUTRONIKNYA. Te/ahdikerjakanana/isispengaruh konsentrasihidrogen do/am paduan UZrHx terhadapsifat neutroniknya.Metodeana/isisdibuat dengancora membuatmodel se/bahan bakar reaktor KARTINI. Konsentrasimaterial hidrogen dalam sel bahan bakar dibuat bervariasi dolam jangkau O,O
1,13 pada suhu 7800Cjuga didukung oleh terbentukn:va fasa delta yang stabi/ terhadapsuhu sampai 11000C. Pada fasa delta ini, tekanan disosiasi hidro~~enberni/oj do/amjangkau O.latm
ABSTRACT NEUTRONIC CHARACTERISTIC ANALYSIS OF UZrHx FUEL ALLOY AS A FUNCTION OF HYDROGEN CONCENTRATION. The neutronic characteristic analysis of UZrHx as a function of hydrogenconcentrationhas beendone. Theanalyticalmethodis usingfuel cell modelfor KARTINI reactor. with hydrogenc'oncentrationin the cellfuel meat.variesin range O.OJ.J3 at temp7800C and also supported bytheperform ofdeltaphasehydride whichis stableto temperatureuntil J JOoOC,while Ihe hydrogen diss(>ciationpressure is in the range of O.Jatm
PENDAHULUAN P
emanfaatan neutron
hidrogen
dapat dikerjakan
sebagai dengan
moderator menambahkan
senyawa hidrida didalam sel bahan bakar. Hidrida tersebut diupayakan memiliki tampang lintang serapan neutron termal rendah, mempunyai konsen-
trasi atom H tinggi, homogen dan stabil dalam hidridanya. Salah satu daTi senyawa hidrida yang mempunyai kriteria tersebut adalah ZrHx. Nilai x menunjukkan konsentrasi H dalam zirconium hidrida yang dapat bervariasi daTi 0 sampai dengan2. Berdasarkan pacta referensi sifat UZrH, nilai x dalam zirkonium hidrida berpengaruh terhadap
Prosldlng Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Y,ogyakarta, 7 -B Agustus 2001
ISSN 0216 -3128
174
bentuk kristal clan rase zirkonium hidrida yang dipengaruhi oleh suhu operasinya. Sebagai moderator dalam bahan bakar clan berada dalam bundel elemen bakar, perubahan rase zirkonium hidrida berpengaruh terhadap keselamatanoperasi bahan bakarnya karena perubahan rase zirkonium hidrida membawa perubahanvolume hidrida yang mencolok disarnping sifat zirkonium hidrida yang rapuh (britle). Ditinjau dari sifat neutroniknya, nilai x makin tinggi akan menghasilkan sifat moderasi neutron yang makin baik namun demikian nilai x yang makin tinggi akan menghasilkan tekanan dissosiasi hidrogen yang makin tinggi pada suhu operasinyasehingga tidak menguntungkanterhadap ketahanan kelongsongnya. Dengan menentukan nilai batas suhu operasi bahan bakar clan menentukannilai x yang efektif sebagaimoderator, dapat diperoleh komposisi zirkonium hidrida yang menguntungkan sebagai bahan moderator dalam bahanbakarreaktor. Pada penelitian ini dihitung hubunganantaranilai x dalam zirkonium hidrida terhadap sifat neutroniknya dengan menggunakan program
Edi Trijono Budisantoso, dkk.
WIMSD4. Sebagaidasarperhitungan adalah model sel bahan bakar reaktor KARTINI. Hasil perhitungan direpresentasikandalam bentuk grafik faktor multiplikasi neutron sel bahan bakar sebagai fungsi x hidridanya. Grafik ini digabungkan dengan referensi grafik diagram rase clan grafik tekanan disosiasi yang telah ada. Berdasarkan pada grafik hasil perhitungan uan grafik referensi, dianalisis pengaruh x dalam hidrida terhadap nilai batas keselamatan operasi bahan bakarnya guna mendapatkan nilai x yang menguntungkan dalam pabrikasi clansifat neutroniknya.
TATA KERJA Pengaruh nilai x terhadap sifat neutronik hidrida ZrHx diamati melalui variable k (faktor multiplikasi neutron)yang dihasilkan oleh sel bahan bakar yang dimodelkan. Nilai k dihitung menggunakanprogram WIMSD4 berdasarkanpada model sel yang didefinisikan. Sel bahan bakar didefinisikan berdasarkanpada susunan clan ukuran kisi-kisi reaktor KARTINI, yang diuraikan seperti pada Diagram I.
L3 : graflt
L1 :UZrH
irisan horisontal
L3 : graflt
irisa~1vertikal
Dia!~ram 1. Konstruksi heterogen CELL elemen bakar yang dimodelkan. Untuk membuatdata input WIMSD4, material sel bahan bakar diuraikan dalam tiga daerah(region) material sel yang kriterianya sudah terdapat dalam pustaka datanya. Pembagian daerah tersebut menjadi daerah daging bahan bakar, daerah Prosldlng
kelongsong dan daerahpendingin. Pada penelitian ini, pembagian daerah dalam sel dan komposisi material dalam masing-masing daerahnya disajikan dalam dalam Tabel 1.
Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
dan Teknologl
Nukllr
ISSN 0216 -3128
Edi Trijono Budisantoso,dkk.
Pengaruh konsentrasi hidrogen terhadap k di dalam sel bahan bakar dipelajari dengan membuat pembandingan sel bahan bakar yang konsentrasi hidrogen di dalam paduan UZrHx.berbeda-beda. Oleh karena perbedaankonsentrasihidrogen dalam paduan UZrHx membawa pengaruh terhadap perbedaanmassajenis paduannya,maka parameter sel yang dijaga tetap sebagai ciri persamaan sel adalah persamaanmassadan pengkayaanuranium dan persamaan massapaduan UZrH.. Perbedaan massa jenis UZrHx yang terjadi, diterjemahkan sebagaiperubahanpanjang daging bahan bakamya. Hubungan antara konsentrasi hidrogen terhadap panjang daging bahan bakamya dihitung dengan persamaansbb: Volume UZrH,. dalam model sel ditentukansebagai:
L
(
VUZrH% = -1& D12 -D2 2
4
)
(1)
Dengan ketentuan L = panjangdaging UZrHx D. = diameter luar daging UZrHx = 3,58 cm
175
Denganketentuan X = konsentrasi hidrogen, dinyatakan sebagai perbandinganatom H/Zr .yang dapat bervariasi dari 0 sampaidengan2. Program WIMSD4 membutuhkan data masukan prosentaseberat material sehingga terdapat jumlah 100% berat material pada tiap-tiap daerahnya. Untuk persiapan masukan program WIMSD4 dihitung komposisi material dengan menggunakan persamaan(4) daD(5) daDberdasarkanpada tetapan (3). Komposisi bahan struktur lainnya dalam gel ditentukan berdasarkanpada ukuran fisik bahan tersebut di dalam selnya yang diketahui dari Tabel I. Pada penelitian ini pengelompokanmaterial gel daDprosentaseberatnyadisajikanpadaTabel3.
D2 = diameter luar batang zirkonium (Zr rod) = 0.576 cm.
Penyusunaninput WIMSD4.
Persamaanmassahidrida UZrHx mengakibatkan perubahanvolume pada UZrHx yang diterjemahkan sebagai perubahan panjang daging bahan bakar UZrHx' Volume hidrida UZrHx ditentukan berdasarkan persamaansbb: mUZrHx -= PUZrHx VUZii 'r x H/Zr.
(
.
(2)
Dengan ketentuan V U..Hx = volume daging UZrHx mU..Hx = massadaging UZrH. PUzrHx(H/Zr) = massa jenis UZrH. sebagai fungsi konsentrasihidroge:nnya. KetatapanmaterialUZrH. dalam sel dibuat sbb: Massa U-235 = 38 gram Massa U-238 = 152 gram Massa ZrHx = 2235,3gram Hasil perhitunganpanjangdaging dalam sel bahan bakar yang diakibatkan oleh perbedaankonsentrasi hidrogen dalam hidridanya, dipersiapkan dalam Tabel 2. Prosentaseberat masing-masingmaterial dalam sel oleh karena perbedaan konsentrasi hidrogen, diperhitungkandenganketetapansbb: PerbandinganmassaUranium/ZrH. = 8,5/91,5 PcrbandinganmassaU-235/U-238 = 201 Bcrat UZrH. = 2235,3 gr Proslding
-
(3)
Input program WIMSD4 meliputi: dimensi sel, komposisi material, rapat massa dan suhu material dalam sel. Ketelitian perhitungan WIMSD4 dikendalikan melalui kata kunci dalam data input yang disesuaikandenganproblem selnya. Pada perhitungan faktor multiplikasi neutron sel sebagai fungsi konsentrasi hidrogen, dipersiapkan banyak input WIMSD4 yang masing-masing input merepresentasikansel dengan konsentrasi hidrogen yang ditentukan. Mengingat bahan bakar reaktor dapat beroperasi dengan suhu berbeda-beda mengikuti tingkat dayanya, maka pada perhitungan ini dipersiapkan data variasi suhu material pada tiap-tiap region sel. Variasi distribusi suhu dipersiapkan seperti dalam Gambar 1. Di dalam Gambarl tersebut direncanakandistribusi suhu sel dinyatakan dalam 4 ragam yang masing-masing menyatakan suhu sel dalam suhu kamar, suhu sel dalam keadaanreaktor beroperasinormal 100 kw, suhu selpada perubahan rasa delta, beta, daD suhu sel pada batas rasa hidrida~';l. Berdasarkanpada konstruksi sel pada Diagram1, daDmaterial sel yang diuraikan pada Tabel 1, 2 daD 3, beserta distribusi suhu pada Gambar 1. dapat direncanakan bentuk dasar input WIMSD4. Dibawah ini dipersiapkan salah satu contoh input WIMSD4 yang merepresentasikansel bahan bakar tanpa adanyakandunganhidrogenpada hidridanya.
Pertemuan dan Presentasl IImiah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
Nukllr
ISSN 0216-3128
176
Edi Trijono Budisantoso, dkk.
CELL 6 SEQUENCE5 NGROUP19 2 NMESH19 NREGION19 0 19 NMATERIALS6 TILT PREOUT INITIATE
* ANALISIS
KARAKTER NEUTRONIK
f
-'CELL
ELEMEN BAKAR STANDARD DENGAN
* SENYAWA Zr-H YANGBERVARIASI * COMPOSITIONDATA ANNULUS1 0.288 1 * pembagian region Bel ke arab ANNULUS2 1.79 2 * radial mengikuti batasan ANNULUS3 1.87 3 * pembagian ruji-ruji ANNULUS4 1.89 4 * regionnya. ANNULUS5 2.31 5 MATERIAL 1 6.506 300 2 91 100 *zirkonium MATERIAL 2 6.87 300 1 91 91.500 235.4 1.700 238.4 6.800 2001 0.0 * uzrh MATERIAL 3 0.0013 300 2 16 23.4 14 76.6 * udara MATERIAL 4 7.437 300 2 56 70.92 52 19.0 58 10.0 12 0.08 * ss-304 MATERIAL 5 1.00 300 3 2001 11.111 16 88.889 * air MATERIAL 6 2.10 300 2 12 100 * grafit * CROSSSECTION& FLUX SOLUTION. FEWGROUPS 1 2 5 14 19 21 23 26 27 29 54 55 56 57 58 60 61 62 69 MESH1 1 111 1 1 111 111 111 1 1 1 FREE NPIJAN 19 * RESONANCE REGIONCALCULATIONTREATMENT REGULAR1 6 BELL 1.16 BEGINC 19 -1 0 3.75 0.0 0.288 1 0 3.75 0.288 1.79 2 0 3.75 1.79 1.87 3 0 3.75 1.87 1.89 4 0 3.75 1.89 2.31 5 16.78 28.75 0.0 1.79 6 3.75 11.25 0.288 1.79 2 3.75 11.25 1.89 2.31 5 3.75 11.25 1.87 1.89 4 3.75 11.25 1.79 1.87 3 3.75 11.25 0.0 0.288 1 11.25 16.78 0.288 1.79 2 11.25 18.75 1.89 2.31 5 11.25 18.75 1.87 1.89 4 11.25 18.75 1.79 1.87 3 11.25 16.78 0.0 0.288 1 18.75 28.75 1.89 2.31 5 18.75 28.75 1.87 1.89 4 18.75 28.75 1.79 1.87 3 3 10 15 0 0.288 15 10 15 0.288 1.79 1 10 15 1.79 1.87 1 10 15 1.87 1.89 4 10 15 1.89 2.31 * LEAKAGECALCULATION THERMAL14 BUCKLING 1.083942 2.933889E-3 BEGINC
Prosldlng
Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelitlan Dasar limu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
dan Teknologl
Nuklir
,Tabel4.
Edi Trijono Budisantoso, dkk.
ISSN 0216-3128
Input data WIMSD4 lainnya dibuat dengan merubah data material di dalam kata kunci MA TER/AL pada input programWIMSD4.
177
PerhitunganWIMSD4 terhadap input datadengan variasi komposisi material menghasilkan nilai (K-) dalam selyang dapat ditabelkansbb: Tabel 4
HASIL PERHITUNGAN. Hasil perhitunganfaktor multiplikasi neutron (K-) dalam sel. (K-) sel untuk beberapavariasi perbandmganatom H/Zr
SuhuUZrH
H/Zr = 0,5
H/Zr=O
H/Zr = 1,0
H/Zr= 1,5
H/Zr = 2,0
1.225576 1.20061 1.142695 1.111157
1.278707 1.252506 1.191056 1.158108
~~i!!) 0.960462 0.953377 0.93768 0.929434
300 423
793 1050
1.01408
1.128366
1.000286
1.107084
0.967694
1.058415
0.950119
1.03156
K- adalah output WIMSD4 yang diperoleh daTi perhitungan program terhadapmasing-masingdata masukannya. Kumpulan nilai Ktersebut
merepresentasikan hubungan antara faktor multiplikasi neutron terhadap suhu sel daD konsentrasihidrogen dalam paduanUZrHx.
Faktor m~~ltlpllkasl netron modo 1$01 fungsl konsontrasl
1;3
,M'..""._'M",
I , !-~--'-'1"--""-'" .J L..I
"'Qj
'" l ~
125 12
c
g
"-'-"'r-'-'-
~
115
;a::J
105
~ If
0;95
J
H dalam hldrld~ dan suhu $61
i
--'-'-"T'_._'-'-'~'
I
~. J
'"1'__'.'M"'" -t-:' I
i
1;1
~
1
09 0
025
01)
075
1
125
15
~75
2
Konsentrasl atom H per molokul Zr-hidrida daJam &el
Gambar 2. Representasigrafik dari faktormultiplikasi neutron sebagai fungsi suhu dan konsentrasi hidrohen dalam sel bahanbakar.
PEMBAHASAN Hasil perhitungan WIMSD4 menunjukkan bahwa faktor mulliplikasi neutron sel bahan bakar makin tinggi apabila konsentrasi hidrogen dalam daging bahanbakilrnya makin tinggi. Ditinjau dari sifat neutroniknya, bareskonsentrasihidrogen yang menguntungkan :;el bahan bakar adalah antara O,75
konsentrasi hidrogen. Perubahan rasa hidrida menghasilkan perubahanvolume yang berpengaruh terhadap bentuk fisiknya sehingga perlu dihindari kejadiannya dalam bahan bakar. Demikian juga dengan tekanan disosiasi hidrogen yang makin tinggi apabila suhu bahan bakar meningkat, sehingga perlu ditentukan batas tekanan disosiasi yang dapat ditenggang oleh kelongsong bahan bakar. Diagram rasa hidrida dan tekanan disosiasi hidrogen dapat dilihat pada Lampiran (a) dan Lampiran (b) yang dicuplik dari acuan(I). Hasil pembandinganfaktor multiplikasi neutron (Gambar 2). terhadap diagram rase dan diagram tekanan disosiasi hidrogen dapatditulis dalam Tabel 5. Dari Tabel 5 tersebut dapat diketahui bahwa konsentrasi hidrogen dalam hidrida yang menguntungkansifat
Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
dan Teknologl
Nukllr
178
ISSN 0216 -3128
neutronik sel bahan bakar UZrHx mempunyai rasa hidrida yang berbeda-beda.yang masing-masing fasanya mempunyai toleransi suhuyang tertentu dan demikian juga dengan tekanan disosiasi hidrogennya. Dalam memanfaatkan hidrida sebagai bahan struktur dalam sel bahan bakar, perubahan rasa hidrida dapat dihindari dengancara menjaga suhu operasi bahan bakarnya atau merencanakan komposisi hidrida yang menghasilkan rasa hidrida yang toleran terhadapperubahansuhu. Dari Tabel 5 dapat diketahui bahwa tiap-tiap konsentrasi H/Zr menghasilkanhidrida yang mempunyairasa tertentu yang bergantungpadasuhunya. Hasil pembandingan menunjukkan bahwa hila mana konsentrasi hidrogen antara 0,75
Edi Trijono Budisantoso, dkk.
murni bilamana suhunya meningkat sehingga tidak menguntungkanpenggunaannyadalam bahanbakar. Konsentrasi hidrogen I,60
Tabel (5) Hasil pembandinganfaktor multiplikasi ne Itron terha~aprasa hidrida, suhu dan tekananrusosiasi hidrogen.
No
Konsentrasi hidrida H/Zr
Fasa
(oC)
O,75
1,3
4
1,6
5
l,75<WZr<2,OO
Batas suhurasa
a.~
~ 5~
"
540
FaktormU1tiPffiCasi Tekanan disoslasi _~eutron (K-) h>:dr~ (atm) 1,00 -1,05 (t=540°C)
0,00 -0,000
I
Jt=5400C) 540
-0
berubah
~;15
(t=540UC)0,0001 -0,001
sbg.fungsiW~~
(t=54Q~
11100
0 -45-4 berubah 1,16 -1,17 (t=454°C) sbg. Fungsi H/Zr 540 -925 berubah~~ungsi 1,17 -1,19 (t=540"C)
0,005 -0,009
(t=454°C) 0.02 -3 (t=540tlC)
H/Zr
KESIMPULAN Oari hasil pembahasan model sel bahan bakar reaktor KARTINI terhadap konsentrasi hidrogen dalam paduan daging bahan bakar dapat disimpulkan bahwa peningkatan konsentrasi hidrogen dalam padualmyamemberikankeuntungan neutronik pada sel bahan bakar akan tetapi menghasilkan peningkatan tekanan disosiasi hidrogen yang memerlukankelongsongbahanbakar yang dapat menahan tekanan disosiasinya. Peningkatan konsl~ntrasi hidrogen juga mengakibatkan perubahan rase hidridiinya yang memberikan dampak pada batas suhu operasi sel bahan bakarnya. Pembandingan keuntungan Prosldlng
neutronik terhadap perubahan rasa hidrida dan peningkatan tekanan disosiasi hidrogen menghasilkan kesimpulan bahwa konsentrasi hidrogen yang paling menguntungkanactapactanilai 1,6
PertElmuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar Ilmu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
dan Teknologl
Nukllr
Edi Trijono Budisantoso,dkk.
ISSN 0216 -3128
DAFTARPUSTAKA M. T. SIMNA T, "The UZrHx Alloy: Its Properties and Use in TRIGA Fuel", GA Project, GeneralAtomic (1980). M.J. HALSALL and C.J. TAUBMAN, "The '1986' WIMS Nuclear Data Library", Reactor Physics Division, AEE Winfrith (1986). AEEW-R 2133.
3
M.J. HALSALL, "A Summary Of WIMSD4 Input Option", UKAEA Atomic energy establishment, Winfrith (1980). AEEW-M1327).
4
N. TOMSIO, "CharacterizationOf Triga Fuel", G.A. Technologies Inc., San Diego, California (1986). GA-CI8542.
TANYAJAWAB
179
Pada pengamatan ini diperoleh batas nilai konsentrasi H/Zr minim 0.75 untuk mendapat kan sifat moderasi dalam bahan memenuhi syarat untuk bahan bakar TRIGA. Nilai konsentrasi H/Zr mempengaruhi terhadapfasa
hidrida yang terbentuk sehingga sebagai moderator bahan bakar perlu dihindari nilai HIZr yang menghasilkan fasa hibrida yang tidak stabil terhadapsuhu operasinya. Budi Briyatmoko -Fasa hidrida apa yang menguntungkan dalam bahanbakar paduanUZrHx -Dikatakan, makin banyak kandungan H makin baik bahanbakar itu dari segi moderatornetron. Tetapi bagaimana dengan pengaruhnya terhadap Hydrogen Embrittlemen (kegetasan Hidrogen) -Pada nilai H/Zr berapa yang menguntungkan dalamanalisis ini.
M Husna Alhasa -Mohon penjelasan berapa konsentrasi H yang optimal yang diharapkan clan kenapa hal tersebut diinginkan -Bagaimana hila kons~ntrasi H terlalu tinggi atau panas terlalu rendah apa yang terjadi
Edi Trijono Budisantoso -Konsentrasi H yang optimal pada ZrH. sebagai moderatorUZrH terjadi pada nilai 1.6 < H/Zr < 1.65 karena didukung oleh sifat moderasi yang bogus don fasa c5yang memungkinkan untuk berfasastabil sampai suhu tinggi.
Edi Trijono Budisantoso -Fasa hidroda yang paling menguntungkan dalam bahan bakar paduan UZrHx adalahfasa b murni, karena stabil terhadapsuhu. -Ya memang konsentrasi H makin tinggi menyebabkansifat bahan UZrH jadi rapuh, diantisipusi dengan konstruksi bahan bakur yang bertulang punggung Zr rod (diperoleh dari contoh literatur konstroksi elemen bahan TRIGAyang ada). -Konsenlrasi H paling mengunlungkan lerjadi pada nilai 1.6 < H/Zr < 1.65 unluk bahan bakar paduan UZrHx.
Prosldlng F'ertemuan dan Presentasillmiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr P3TM-BATANYogyakarta, 7.8 Agustus 2001
