ANALISIS PERHITUNGAN KOEFISIEN REAKTIVITAS TEMPERATUR BAHAN BAKAR DAN MODERATOR TERAS RGTT200K

DAFTAR ISI Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi Nuklir PTNBR – BATAN Bandung, 4 Juli 2013

Tema: Pemanfaatan Sains dan Teknologi Nuklir serta Peranan MIPA di Bidang Kesehatan, Lingkungan dan Industri untuk Pembangunan Berkelanjutan

ANALISIS PERHITUNGAN KOEFISIEN REAKTIVITAS TEMPERATUR BAHAN BAKAR DAN MODERATOR TERAS RGTT200K Zuhair, Suwoto Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir – BATAN Kawasan Puspiptek Gedung No. 80, Serpong, Tangerang 15310 Tel. (021)756-0912, Fax. (021)756-0913, E-mail: [email protected]

ABSTRAK ANALISIS PERHITUNGAN KOEFISIEN REAKTIVITAS TEMPERATUR BAHAN BAKAR DAN MODERATOR TERAS RGTT200K. Pengukuran reaktivitas dalam teras reaktor menentukan populasi neutron dan konsekuensinya daya reaktor pada waktu tertentu. Reaktivitas ini dipengaruhi oleh banyak faktor terutama deplesi bahan bakar, temperatur, tekanan, atau racun dan lain-lain. Koefisien reaktivitas memainkan peranan yang cukup penting dalam keselamatan, pengendalian dan pengoperasian reaktor nuklir. Makalah ini menginvestigasi dan mendiskusikan hasil perhitungan koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator teras RGTT200K. Investigasi dilakukan untuk memeriksa RGTT200K memenuhi kriteria desain keselamatan inheren (inherent safety) yang dikarakterisasi oleh efek koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator negatif. Serangkaian perhitungan dikerjakan dengan memvariasikan temperatur bahan bakar dan temperatur moderator. Dalam perhitungan RGTT200K, model reaktor penuh dibangun dengan program Monte Carlo MCNPX untuk memberikan solusi tranport yang rinci dan akurat. Tiga opsi kernel bahan bakar UO2, ThO2/UO2 dan PuO2 diadopsi untuk menyajikan interkomparasi perhitungan koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator teras RGTT200K berbahan bakar uranium, thorium dan plutonium. Efek temperatur pada reaktivitas dan nilai koefisien reaktivitas temperatur dianalisis dengan memanfaatkan pustaka tampang lintang energi kontinu ENDF/B-VII. Hasil perhitungan memperlihatkan bahwa, kenaikan temperatur bahan bakar dan temperatur moderator dari 800 K hingga 1800 K menyebabkan reaktivitas teras RGTT200K berkurang 3,43; 1,43 dan 0,98 %Δk/k masing-masing untuk bahan bakar UO2, ThO2/UO2 dan PuO2. Nilai koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator ditemukan negatif untuk seluruh temperatur yang dipertimbangkan, yaitu 6,40×10-7– -6,92×10-5, -1,26×10-6– -2,99×10-5 dan -8,28×10-7– -1,89×10-5 Δk/k K-1 masingmasing untuk bahan bakar UO2, ThO2/UO2 dan PuO2. Nilai kombinasi koefisien reaktivitas lebih besar daripada nilai-nilai individual koefisien temperatur bahan bakar dan koefisien temperatur moderator. Ini berarti, koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator saling terkait dan efeknya diperlihatkan ketika dikombinasikan. Dari hasil-hasil ini dapat disimpulkan bahwa, teras reaktor RGTT200K dengan opsi bahan bakar uranium, thorium dan plutonium memenuhi kriteria desain keselamatan inheren. Kata kunci: koefisien reaktivitas temperatur, RGTT200K, MCNPX, ENDF/B-VII, keselamatan inheren

ABSTRACT ANALYSIS ON FUEL AND MODERATOR COEFFICIENTS OF REACTIVITY CALCULATION FOR RGTT200K’s CORE. The measure of reactivity in a reactor core determines the neutron population and consequently the reactor power at any given time. This reactivity is influenced by many factors, especially fuel depletion, temperature, pressure, or toxic and others. Reactivity coefficient plays an important role in the safety, control and operation of nuclear reactors. This paper investigates and discusses the calculation results of fuel and moderator coefficients of reactivity for

533

Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi Nuklir PTNBR – BATAN Bandung, 4 Juli 2013


RGTT’s core. Investigations carried out to check RGTT200K fulfill design criteria of inherent safety characterized by negative fuel and moderator coefficients of reactivity effect. A series of calculations have been done by varying the fuel temperature and moderator temperature. In RGTT200K calculations, the whole reactor model was built with Monte Carlo code MCNPX to provide the detailed and accurately transport solutions. Three options of UO2, ThO2/UO2 and PuO2 fuels were adopted to present inter-comparison of fuel and moderator coefficients of reactivity calculations for uranium, thorium and plutonium fueled RGTT200K’s core. The effect of temperature on reactivity and temperature coefficients of reactivity values were analyzed by utilizing continuous energy cross-section library ENDF/B-VII. The calculation results show that, increasing the fuel temperature and moderator temperature from 800 K to 1800 K causes RGTT200K’s core reactivity decreases in 3.43; 1.43 and 0.98 %Δk/k for UO2, ThO2/UO2 and PuO2 fuels, respectively. Fuel and moderator coefficients of reactivity values are found negative for all temperatures considered, i.e. -6.40×10-7– -6.92×10-5, -1.26×10-6– 2.99×10-5 dan -8.28×10-7– -1.89×10-5 Δk/k K-1 for UO2, ThO2/UO2 and PuO2 fuels, respectively. Reactivity coefficient combination values are greater than individual values of fuel and moderator temperature coefficients. This means, fuel and moderator coefficients of reactivity are interrelated and their effects are shown when combined. From these results, it can be concluded that RGTT200K reactor core with uranium, thorium and plutonium fuels option fulfill design criteria of inherent safety. Keywords: temperature reactivity coefficients, RGTT200K, MCNPX, ENDF/B-VII, inherent safety

Dengan desain bahan bakar, grafit sebagai moderator dan helium sebagai pendingin, temperatur gas HTR tinggi, yaitu sebesar ~900°C dapat dicapai. Temperatur ini merupakan temperatur pendingin yang sangat tinggi dibandingkan dengan temperatur outlet pendingin reaktor air ringan (light water reactor, LWR) ~300°C yang konsekuensinya dapat menghasilkan efisiensi konversi daya dalam reaktor tinggi. Selain sebagai moderator, grafit digunakan sebagai material struktur teras dan matriks bahan bakar karena kemampuannya menjaga integritas dan kinerja pada temperatur operasi tinggi. Bahan bakar juga didesain dapat mencapai tingkat fraksi bakar tinggi untuk melengkapi fitur unik HTR yang menarik. Dalam HTR pebble bed, pemuatan bahan bakar pebble dilakukan secara kontinu. Pebble yang belum mencapai batas fraksi bakar tertentu dapat disirkulasikan secara berulang. Dengan demikian, tidak diperlukan reaktivitas lebih yang tinggi untuk mengkompensasi fraksi bakar bahan bakar selama siklus operasi reaktor. Pengukuran reaktivitas dalam teras reaktor menentukan populasi neutron dan konsekuensinya daya reaktor pada waktu tertentu[3]. Reaktivitas ini dipengaruhi oleh banyak faktor terutama deplesi bahan bakar, temperatur, tekanan, atau racun dan lain-lain. Koefisien reaktivitas memainkan peranan yang cukup penting dalam keselamatan, pengendalian dan pengoperasian reaktor nuklir. Koefisien reaktivitas negatif merupakan ukuran yang

1. PENDAHULUAN Reaktor temperatur tinggi (high temperature reactor, HTR) menjadi area subjek riset yang menarik minat banyak ahli fisika dan teknologi reaktor dewasa ini karena kebangkitan nuklir diakui sebagai solusi yang paling menjanjikan untuk memenuhi kebutuhan energi dunia yang meningkat dalam bentuk listrik, panas proses serta produksi hidrogen yang bebas emisi gas CO2. Beberapa negara terlibat dalam forum sistem energi nuklir Generasi IV yang bertujuan mengembangkan reaktor daya nuklir maju dengan kualitas resistansi-proliferasi, berkelanjutan, aman, handal, dan ekonomis. HTR merupakan salah satu jenis reaktor Generasi IV yang memenuhi kategori ini[1]. Sepanjang sejarah HTR, terdapat dua jenis reaktor temperatur tinggi, yaitu HTR dengan bahan bakar blok prismatik, yang disebut HTR prismatik dan HTR dengan bahan bakar pebble atau bola yang disebut HTR pebble bed. Kedua jenis HTR ini menggunakan gas helium sebagai pendingin. Dalam HTR prismatik, partikel TRISO didistribusikan dalam batang bahan bakar untuk kemudian ditempatkan dalam lubang blok moderator grafit sedangkan dalam HTR pebble bed, partikel TRISO didistribusikan dalam bola grafit. Partikel TRISO dikenal berfungsi sebagai penahan produk fisi dalam integritas matriks bahan bakar hingga temperatur 1600oC[2].

534



membuat reaktor stabil sedangkan koefisien reaktivitas positif membuat reaktor tidak stabil. Koefisien reaktivitas sendiri bergantung pada sifat dari komponen dan komposisi reaktor nuklir terutama jenis bahan bakar dan pengkayaan, pendingin, moderator, jenis kisi teras, pitch bahan bakar dan temperatur. Temperatur merupakan faktor dominan dalam fenomena koefisien reaktivitas karena setiap perubahan temperatur menghasilkan perubahan faktor multiplikasi reaktor. Tujuan makalah ini adalah menginvestigasi dan menganalisis hasil perhitungan koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator teras RGTT200K[4]. Investigasi dilakukan untuk memeriksa RGTT200K memenuhi kriteria desain keselamatan inheren (inherent safety) yang dikarakterisasi oleh efek koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator negatif. Serangkaian perhitungan dikerjakan dengan memvariasikan temperatur bahan bakar dan temperatur moderator. Dalam perhitungan RGTT200K, model reaktor penuh dibangun dengan program Monte Carlo MCNPX[5] untuk memberikan solusi tranport yang rinci dan akurat. Program MCNPX dipilih karena telah diaplikasikan secara luas untuk problema transport radiasi dan khususnya untuk perhitungan fisika reaktor nuklir. Tiga opsi kernel bahan bakar UO2, ThO2/UO2 dan PuO2 dipertimbangkan untuk memperoleh interkomparasi perhitungan koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator teras RGTT200K berbahan bakar uranium, thorium dan plutonium. Efek temperatur pada reaktivitas dan nilai koefisien reaktivitas temperatur yang dihitung dianalisis dengan memanfaatkan pustaka tampang lintang energi kontinu ENDF/B-VII[6].

probabilitas kebocoran neutron. Reflektor grafit yang mengelilingi teras memiliki tebal 100 cm ke arah radial serta 750 cm ke arah aksial (bagian atas dan bawah). Kavitas yang berada di atas teras mempunyai tinggi 50 cm. Gas helium dimanfaatkan sebagai pendingin yang mengalir dari atas ke bawah melalui celah-celah bahan bakar pebble dengan tekanan 52 bar serta aliran massa 120 kg/s pada temperatur inlet teras 550oC dan outlet teras 950oC untuk menghasilkan efisiensi termal tinggi dan aplikasi lainnya selain listrik seperti produksi hidrogen, desalinasi air laut, dan lainlain. Parameter reaktor dan spesifikasi teras RGTT200K diberikan dalam Tabel 1.

2. DESKRIPSI RGTT200K

Bahan bakar pebble dimuatkan ke dalam teras reaktor dan didistribusikan secara acak. Volume teras 66,657 m3 diokupasi oleh bahan

Tabel 1. Parameter reaktor dan spesifikasi teras reaktor RGTT200K.

Parameter reaktor: Daya termal reaktor (MW) 3 Volume teras (m ) Temperatur inlet /outlet helium (oC) Tekanan helium (MPa) Laju aliran helium (kg/s) Densitas helium pada 5 273,16K, 10 Pa (g/cm3) Spesifikasi teras: Diameter / tinggi teras (m) 3 Jumlah pebble per m Jumlah pebble dalam teras Fraksi packing pebble dalam teras (%) Impuritas boron alam dalam struktur grafit (ppm)

RGTT200K adalah reaktor pebble bed berdaya termal 200 MW dengan pendingin helium dan moderator grafit temperatur tinggi yang saat ini masih sedang dalam tahap desain konseptual. Desain RGTT200K didasarkan pada desain HTR-Modul[7] Jerman dengan mengadopsi bahan bakar yang akan digunakan dalam PBMR[8] Afrika Selatan. Bahan bakar RGTT200K berbentuk bola yang dikenal dengan sebutan pebble. RGTT200K didesain memiliki teras silindris dengan diameter 300 cm dan tinggi 943 cm yang ditentukan oleh asumsi daya untuk mendapatkan rasio tinggi-diameter (H/D) sebesar 3,143 guna meminimisasi

200 66,657 550 / 950 5,2 120 1,78×10

-4

3 / 9,43 5.394 359.548 61 2

bakar pebble dengan fraksi packing 0,61. Strategi pemuatan bahan bakar RGTT200K masih mempertimbangkan skema OTTO (once through then out) atau Multi-pass. Jika skema OTTO dipilih, bahan bakar pebble hanya digunakan sekali lewat untuk kemudian dikeluarkan setelah kurun waktu siklus operasi. Jika skema Multipass diadopsi, bahan bakar pebble dapat disirkulasikan secara berulang setelah melalui peralatan pengukuran fraksi bakar untuk menentukan apakah bahan bakar pebble yang bersangkutan akan digunakan

535



kembali atau tidak.

.

3 Dengan densitas daya 3 MW/m , teras reaktor mengandung ~359.548 bahan bakar pebble yang masing-masing berdiameter 6 cm. Setiap pebble memiliki dua zona: zona bahan bakar dengan diameter 5 cm dan zona shell grafit dengan ketebalan 0,5 cm. Zona bahan bakar pebble mengandung ~15.000 partikel berlapis TRISO yang terdispersi dalam matriks grafit. Setiap partikel TRISO terdiri dari kernel bahan bakar dan empat lapisan coating. Lapisan pertama adalah penyangga grafit densitas rendah (buffer), diikuti oleh dua lapisan karbon pirolitik (IPyC, OPyC) yang dipisahkan oleh lapisan silikon karbida (SiC). Partikel TRISO yang terdispersi dalam matriks grafit telah dibuktikan dalam eksperimen dapat mempertahankan produk fisi pada temperatur bahan bakar hingga 1600°C. Ini merupakan salah satu kelebihan dari desain bahan bakar reaktor temperatur tinggi. Dalam analisis ini, tiga opsi kernel bahan bakar UO2, ThO2/UO2 dan PuO2 dipertimbangkan dalam perhitungan koefisien reaktivitas temperatur teras RGTT200K. Kernel UO2 dan ThO2/UO2 masing-masing memiliki pengkayaan uranium 235U 8,2 % dan 233U

Gambar 1. Skema RGTT200K[9].

geometrik

bahan bakar

Bahan bakar pebble dan partikel berlapis TRISO dengan kernel UO2, ThO2/UO2 dan PuO2 memiliki desain dan spesifikasi yang sama. Spesifikasi detailnya diberikan dalam Tabel 2.

3. METODE PERHITUNGAN Koefisien reaktivitas digunakan untuk mengukur perubahan reaktivitas yang akan terjadi akibat perubahan sifat fisis seperti temperatur bahan bakar dan temperatur moderator. Dalam reaktor pebble bed, koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar (fuel temperature coefficient,  T ) dan koefisien

7,48 % sedangkan kernel PuO2 memiliki vektor isotopik plutonium sebesar 2,59/ 53,85/ 23,66 /13,13 /6,77% yang berkorespondensi pada 238 239 240 241 isotop plutonium Pu/ Pu/ Pu/ Pu/ 242Pu. Massa bahan bakar dalam setiap pebble

F

reaktivitas temperatur moderator (moderator temperature coefficient,  T ) merupakan dua

adalah ~9 gram yang diperoleh dari perhitungan densitas, komposisi dan volume bahan bakar serta jumlah partikel TRISO. Gambar 1 memperlihatkan skema geometrik bahan bakar RGTT200K.

M

koefisien reaktivitas yang paling dominan. .

Tabel 2. Spesifikasi bahan bakar pebble dan partikel berlapis TRISO.

Bahan bakar pebble Zona bahan bakar Shell grafit Partikel TRISO Kernel Lapisan buffer Lapisan karbon bagian dalam (IPyC) Lapisan SiC Lapisan karbon bagian luar (OPyC)

Komposisi

Ketebalan (cm)

Densitas (g/cm3)

TRISO+grafit grafit

2,5 (radius) 0,5

1,75

UO2, ThO2/UO2, PuO2 Grafit Grafit pirolitik Silikon karbida Grafit pirolitik

0,0250 (radius) 0,0095 0,0040 0,0035 0,0040

10,4 1,05 1,90 3,18 1,90

536



Koefisien reaktivitas lainnya seperti koefisien void tidak memiliki efek yang signifikan dalam reaktor dengan pendingin gas sedangkan koefisien reflektor tidak memperlihatkan perubahan temperatur yang kuat dibandingkan dengan perubahan temperatur dalam bahan bakar. Temperatur reflektor didominasi oleh temperatur pendingin dalam kanal di reflektor sisi dan jika dikombinasikan dengan kapasitas panas grafit yang besar akan menyebabkan signifikansi koefisien temperatur reflektor tidak berarti. Nilai  TF dan  T didefinisikan sebagai,

NJOY99.v304 menggunakan modul-modul yang diurutkan sebagai MODER-RECONRBROADR-HEATR-PURR-THERMR-GASPRACER. Generasi tampang lintang neutron energi kontinu dalam bentuk ACE-file dikerjakan pada temperatur 800K, 1000K, 1200K, 1400K, 1600K dan 1800K untuk nuklida helium, karbon, boron, oksigen, silikon, thorium, uranium dan plutonium yang diadopsi dari pustaka data nuklir ENDF/B-VII dan diperlukan dalam perhitungan koefisien reaktivitas temperatur teras RGTT200K.

M

T T

F

M

  TF   T M

(1a) 3.2. Generasi Faktor Multiplikasi Reaktor (1b)

Tantangan utama dalam pemodelan reaktor temperatur tinggi yang memanfaatkan partikel bahan bakar berlapis TRISO adalah menangani efek heterogenitas ganda yang diciptakan oleh dispersi partikel TRISO dalam matriks grafit bahan bakar pebble dan distribusi bahan bakar pebble dalam teras reaktor. Banyak program deterministik dimodifikasi untuk menangani efek heterogenitas ganda secara tepat. MCNPX mampu menjawab tantangan ini tanpa memerlukan modifikasi apapun mengingat sifat stokastik dan kemampuan pemodelan geometrinya yang sangat fleksibel. Dalam sistem koordinat 3-D, distribusi partikel TRISO dalam sebuah pebble diketahui sangat acak, namun karena jumlah partikel TRISO per pebble hampir konstan, identifikasi bahan bakar kernel secara individual dalam matriks grafit dapat didekati dengan menempatkan partikel TRISO di pusat sel satuan kubik sederhana (simple cubic, SC). Panjang sel satuan SC dihitung sesuai dengan fraksi packing 9,3443%. Dengan mengaplikasikan struktur berulang pada sel satuan TRISO, sebuah model pebble utuh didapatkan menggunakan opsi LATTICE dan FILL dalam MCNPX. Konsentrasi nuklida kernel UO2, ThO2/UO2 dan PuO2 dalam perhitungan MCNPX disajikan dalam Tabel 3 sedangkan konsentrasi nuklida lapisan coating partikel TRISO, matriks grafit dan shell grafit diberikan dalam Tabel 4. Efek absorpsi dari impuritas ditentukan dalam bentuk kandungan boron natural (ppm) dan ekivalen dengan massa, yakni 1ppm untuk kernel serta 0,5 ppm untuk matriks grafit dan shell grafit. Sel satuan body centered cubic (BCC) sebagai susunan teratur dari pebble sepanjang teras kemudian diadopsi untuk memodelkan pebble dalam teras penuh.

dengan TF dan TM masing-masing adalah temperatur bahan bakar dan temperatur moderator. Besaran ρ adalah didefinisikan sebagai,

reaktivitas

yang

(2) dengan k adalah faktor multiplikasi reaktor.

Metode perhitungan terdiri dari dua bagian utama. Bagian pertama adalah menggenerasi tampang lintang untuk berbagai temperatur dan bagian kedua adalah menggenerasi faktor multiplikasi reaktor. Modul ACER dalam program pengolah data NJOY99.304 digunakan untuk menghasilkan data nuklir energi kontinu ENDF/B-VII untuk temperatur bahan bakar dan temperatur moderator yang divariasikan pada rentang yang dipilih, yang kemudian digunakan dalam program transport Monte Carlo MCNPX untuk perhitungan global. Faktor multiplikasi reaktor teras RGTT200K diperoleh dari MCNPX dan selanjutnya dimanfaatkan untuk perhitungan koefisien reaktivitas. Serangkaian perhitungan dilakukan untuk mendapatkan kurva reaktivitas sebagai fungsi temperatur. 3.1. Generasi Tampang Lintang Proses pengolahan data nuklir untuk menggenerasi tampang lintang neutron energi kontinu (ACE-file) dalam MCNPX dilakukan dengan program pengolah data nuklir NJOY99.v304 memanfaatkan modul ACER. Proses generasi tampang lintang dalam

537



Tabel 3. Konsentrasi nuklida kernel UO2, ThO2/UO2 dan PuO2 (atom/barn-cm3).

Kernel UO2 16O

238U

235U

-2 2,12877×10

-3 1,92585×10

232Th

233U

-2 2,19473×10

-3 1,76668×10

238Pu

10B

-2 4,64272×10 Kernel ThO2 /UO2 16O -2 4,74279×10 Kernel PuO2

239Pu

1,14694×10 10B

-2

1,24470×10 16O

1,54539×10-3

4,60983×10-2

-7 4,64570×10 11B

-7

1,14694×10 240Pu

-4 6,01178×10 242Pu

11B -7

-7 4,64570×10 241Pu

-3

-3

5,44599×10 10B

3,00965×10 11B

1,14694×10-7

4,64570×10-7

Tabel 4. Konsentrasi nuklida lapisan partikel TRISO, matriks dan shell grafit (atom/barn-cm3).

Lapisan coating TRISO IPyC/OPyC 9,52621×10-2

Nuklida 12C

Penyangga karbon 5,26449×10-2

28Si 10B

-

-

4,77240×10-2 4,77240×10-2 -

11B

-

-

-

Dalam sistem ini, fraksi packing teras antara pebble yang satu dengan lainnya diambil sebagai 0,61. Kisi BCC tepat terdiri dari dua pebble: satu pebble utuh terletak di pusat volume di dalam sel satuan dan delapan pebble tidak utuh yang setara dengan satu pebble terletak di delapan sudut kisi. Panjang kisi sel dihitung berdasarkan data untuk BCC. Permukaan lateral sel satuan BCC dikoneksikan dengan memanfaatkan opsi LATTICE dan FILL untuk memodelkan teras silindris RGTT200K. Model MCNPX dalam perhitungan koefisien reaktivitas temperatur teras RGTT200K diilustrasikan secara visual dalam Gambar 2. Moderator pebble, yang dibuat dari matriks grafit penuh tanpa kandungan racun dapat bakar dan bahan bakar apapun, menempati konus di bagian bawah teras dan dalam perhitungan dimodelkan sebagai sel satuan BCC dengan fraksi packing 0,61. Penempatan moderator pebble dari karbon yang dikenal sebagai moderator sangat baik untuk neutron karena tampang lintang absorpsinya yang rendah, akan memberikan

SiC

Matriks grafit/ Shell grafit 8,77414×10-2 9,64977×10-9 3,90864×10-8

moderasi ekstra.

Gambar 2. Model MCNPX dalam perhitungan koefisien reaktivitas temperatur teras RGTT200K.

538



koefisien reaktivitasnya mengikuti hubungan ρ = 0,27 – 1,66×10-6 TM + 1,71×10-10 TM2, ρ = 0,23 – 3,24×10-6 TM + 7,35×10-10 TM2 dan ρ = 0,18 – 8,43×10-6 TM + 2,39×10-9 TM2, masing-masing untuk bahan bakar UO2, ThO2/UO2 dan PuO2.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada tahap awal, koefisien reaktivitas temperatur dihitung secara terpisah, hanya satu parameter yang dipertimbangkan bervariasi sedangkan parameter lainnya dibuat tetap. Pada tahap berikutnya koefisien reaktivitas temperatur dihitung secara bersamaan atau digabungkan satu dengan lainnya. Hal ini untuk mempertimbangkan efek saling terkait dimana kenaikan temperatur bahan bakar akan mengakibatkan kenaikan temperatur moderator.

0,26

0,26

UO2 ThO2/UO2

0,24

0,24

PuO2

Reaktivitas (k/k)

4.1. Koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar

0,22

0,22

0,20

0,20

0,18

0,18

0,16

0,16

Koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar teras RGTT200K dihitung dengan memvariasikan temperatur di daerah bahan bakar dan menjaga temperatur di daerah lain konstan (300 K). Analisis reaktivitas koefisien temperatur bahan bakar terdiri dari berbagai rentang temperatur yang berbeda dan perhitungan dikerjakan pada temperatur yang bervariasi dari 800 K hingga 1800 K dengan langkah 200 K. Reaktivitas yang dihitung untuk setiap nilai temperatur bahan bakar kemudian diplot ke dalam Gambar 3 mengikuti hubungan ρ = 0,27 – 4,82×10-5 TF + 5,44×109 T 2, ρ = 0,22 – 2,73×10-5 T + 5,39×10-9 F F 2 -5 TF dan ρ = 0,18 – 2,31×10 TF + 5,55×10-9 TF2, masing-masing untuk bahan bakar UO2, ThO2/UO2 dan PuO2.

4.3. Kombinasi koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator

4.2. Koefisien moderator

3,49×10-8 T2, ρ = 0,25 – 5,49×10-5 T + 1,56×10-8 T2 dan ρ = 0,19 – 3,33×10-5 T + 9,02×10-9 T2, masing-masing untuk bahan

reaktivitas

0,14

0,14 600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Temperatur Bahan Bakar (TF, K)

Gambar 3. Reaktivitas sebagai fungsi temperatur bahan bakar.

Dalam analisis ini, temperatur bahan bakar dan moderator bersama-sama divariasikan dari 800 K hingga 1800 K. Reaktivitas ini dihitung untuk setiap nilai temperatur bahan bakar dan moderator. Kombinasi koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator diplot sebagai fungsi temperatur pada Gambar 5. mengikuti hubungan ρ = 0,32 – 1,25×10-4 T +

temperatur

bakar UO2, ThO2/UO2 dan PuO2.

Pada rentang temperatur operasi, koefisien temperatur moderator dianalisis dengan memvariasikan temperatur moderator dan mempertahankan temperatur bahan bakar dan daerah lainnya konstan (300 K). Koefisien reaktivitas temperatur moderator dihitung dengan memvariasikan temperatur moderator yang sama dengan temperatur bahan bakar, yaitu dari 800 K hingga 1800 K dengan langkah 200 K. Tidak seperti moderator air yang densitasnya mengikuti profil tertentu, densitas moderator grafit hampir tidak berubah untuk setiap perubahan temperatur. Reaktivitas yang dihitung untuk setiap nilai temperatur moderator lalu diplot ke dalam Gambar 4 dan

0,28

0,28

0,26

0,26 UO2


ThO2/UO2 PuO2

0,24

0,24

0,22

0,22

0,20

0,20

0,18

0,18

0,16

0,16 600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Temperatur Moderator (TM, K)

Gambar 4. Reaktivitas sebagai fungsi temperatur moderator.

539


0,26

di sini bahwa, nilai kombinasi koefisien reaktivitas lebih besar daripada nilai-nilai individual koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan koefisien reaktivitas temperatur moderator. Tabel ini juga menunjukkan koefisien reaktivitas temperatur saling terkait dan efeknya diperlihatkan ketika dikombinasikan. Isotop 238U, 232Th dan 240Pu merupakan

0,26 UO2 ThO2/UO2


0,24

PuO2

0,24

0,22

0,22

0,20

0,20

0,18

0,18

0,16

0,16

0,14

0,14 600

800

1000

1200

1400

1600

1800

nuklida dalam jumlah besar di bahan bakar beberapa reaktor dengan puncak resonansi besar. Nilai koefisien reaktivitas temperatur teras RGTT200K dengan bahan bakar UO2 lebih tinggi daripada ThO2/UO2 dan PuO2 disebabkan oleh absorpsi neutron di daerah resonansi 238U lebih besar daripada 232Th dan

2000

Temperatur Bahan Bakar + Moderator (T,K)

Gambar 5. Efek kombinasi dari koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator sebagai fungsi temperatur.

240Pu yang mendominasi efek Doppler, namun analisis lanjutan masih dibutuhkan untuk menjelaskan perbedaan ini mengingat karakteristik ketiga bahan bakar yang berbeda dan fenomena Doppler yang cukup kompleks.

Tabel 5. Koefisien reaktivitas temperatur teras RGTT00K pada temperatur operasi (T= 1200K). UO2 Koefisien temperatur bahan bakar -1 (Δk/k K ) Koefisien temperatur moderator -1 (Δk/k K ) Kombinasi koefisien temperatur bahan bakar dan moderator -1 (Δk/k K )

−3,52×10

−1,25×10

−4,13×10

ThO2/UO2 -5

-6

-5

−1,44×10

−1,47×10

−1,75×10

-5

-6

-5

PuO2 −9,78×10

−2,70×10

−1,16×10


-6

-6

5. KESIMPULAN Analisis perhitungan koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator teras RGTT200K telah dilakukan dengan memanfaatkan program transport Monte Calo MCNPX dan pustaka tampang lintang energi kontinu ENDF/B-VII. Hasil perhitungan memperlihatkan bahwa, kenaikan temperatur bahan bakar dan temperatur moderator menyebabkan reaktivitas teras RGTT200K berkurang. Nilai koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator ditemukan negatif untuk seluruh temperatur yang dipertimbangkan. Nilai kombinasi koefisien reaktivitas lebih besar daripada nilai-nilai individual koefisien temperatur bahan bakar dan koefisien temperatur moderator. Ini berarti, koefisien reaktivitas temperatur saling terkait dan efeknya diperlihatkan ketika dikombinasikan. Dari hasil-hasil ini dapat disimpulkan bahwa, teras reaktor RGTT200K dengan opsi bahan bakar uranium, thorium dan plutonium memenuhi kriteria desain keselamatan inheren.

-5

Reaktivitas diplot dengan kurva kuadratik ditujukan untuk mendapatkan nilai koefisien reaktivitas temperatur sebagai fungsi linear. Kenaikan temperatur bahan bakar dan temperatur moderator dari 800 K hingga 1800 K menyebabkan reaktivitas teras RGTT200K berkurang 3,43; 1,43 dan 0,98 %Δk/k masingmasing untuk bahan bakar UO2, ThO2/UO2 dan PuO2. Nilai koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator dihitung dari gradien kurva reaktivitas yang memperlihatkan semua nilai koefisien reaktivitas negatif untuk seluruh temperatur yang dipertimbangkan, yaitu -6,40×10-7– 6,92×10-5, -1,26×10-6– -2,99×10-5 dan 8,28×10-7– -1,89×10-5 Δk/k K-1 masingmasing untuk bahan bakar UO2, ThO2/UO2 dan PuO2. Ini berarti teras reaktor RGTT200K memenuhi kriteria desain keselamatan inheren seperti disajikan dalam Tabel 5. Dapat diamati

6. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih kami sampaikan kepada Ir. Tagor M. Sembiring dan Prof. Surian Pinem, MSi. yang memberikan inspirasi dan motivasi dalam riset ini.

540



7. DAFTAR PUSTAKA 6. 1.

2.

3.

4.

5.

OECD Nuclear Energy Agency, The Generation IV International Forum, (www.gen-4.org (2006). E.E. MORRIS and T.H. BAUER, Modeling of the Repository Behavior of TRISO Fuel, ANL-AFCI-160, Chicago (2005). DOE FUNDAMENTALS HANDBOOK, “Nuclear Physics and Reactor Theory”, Vol. 2 of 2, DOE-HDBK-1019/2-93, Washington, D.C. 20585 (1993). M. DHANDHANG PURWADI, Desain Konseptual Sistem Reaktor Daya Maju Kogenerasi Berbasis RGTT (Prosiding Seminar Nasional Ke-16 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Surabaya 28 Juli 2010). J.S. HENDRICKS, G.W. MCKINNEY,

7.

8.

9.

et al., MCNPX 2.6.0 Extensions, LA-UR08-2216, Los Alamos National Laboratory (11 April 2008). M.B. CHADWICK, P. OBLOZINSKY, M. HERMAN, et al., ENDF/B-VII: Next Generation Evaluated Nuclear Data Library for Nuclear Science and Technology, Nuclear Data Sheets, 107, 2931-3060 (2006). ERICH GERHARDS, Abbrandmessung am HTR-Modul Reaktor, Forschungszentrum Julich (1993). A. KOSTER, H.D. MATZNER, D.R. NICHOLSI, PBMR Design for the Future (Journal of Nuclear Engineering and Design 222, 231–245, 2003). DIANA NAIDOO, VSOP Benchmark of the ASTRA Critical Facility with Special Emphasis on the Equivalent Control Rod Model, Magister Scientiae Thesis, Northwest University (2004).

DISKUSI 1.

Tresna Mustikasari: Apa kelebihan RGTT200K dibandingkan dengan PBR (pebble bed reactor) dilihat dari koefisien reaktifitas temperatur bahan bakar dan moderator terasnya? Zuhair: Dibandingkan dengan reaktor pebble bed lainnya, misalkan HTR-10 China, selain daya 200 MW dan sifat kogenerasi, kelebihan RGTT200K didesain memiliki bahan bakar pebble yang terdiri dari 15000 partikel TRISO dengan tebal lapisan buffer yang lebih besar sehingga memiliki kapabilitas untuk menampung produk fisi dalam bentuk gas dan metalik lebih baik. Hasil eksperimen koefisien reaktifitas temperatur bahan bakar dan moderator reaktor pebble bed lain belum kami ketahui sehingga kelebihan RGTT200K dari sisi ini belum bisa kami kemukakan.

2.

Daddy Setiawan: Terkait manajemen bahan bakar, apakah perhitungan kedepan akan memperhitungkan faktor burnup, yang mana faktor ini akan mempengaruhi distribusi daya (faktor puncak daya)? Zuhair: Dalam simulasi manajemen bahan bakar di teras RGTT200K selanjutnya, faktor burn-up bahan bakar tentu akan diperhitungkan untuk mempertimbangkan skema pemuatan bahan bakar (OTTO atau Multipass) yang dipilih.

541

ANALISIS PERHITUNGAN KOEFISIEN REAKTIVITAS TEMPERATUR BAHAN BAKAR DAN MODERATOR TERAS RGTT200K

Recommend Documents