Bab 2 Analisis Termal Hidrolik Gas Cooled Fast Reactor (GCFR) 2.1
Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir
Prinsip kerja dari pembangkit listrik tenaga nuklir secara umum tidak berbeda dengan pembangkit listrik konvensional berbahan bakar fosil yaitu memanfaatkan panas yang dibangkitkan oleh bahan bakar sebagai penghasil uap. Energi termal yang berasal dari reaksi …si berantai pada bahan bakar dikonversi menjadi sensible energy berupa kenaikan temperatur coolant. Uap yang dibangkitkan bertemperatur dan bertekanan tinggi yang digunakan untuk menggerakan turbin. Selanjutnya turbin akan menggerakan generator penghasil listrik untuk selanjutnya digunakan untuk berbagai keperluan. Perbedaan antara PLTN dengan pembangkit lain adalah dari bahan bakar yang digunakan. PLTN memanfaatkan reaksi …si nuklir yang terjadi di dalam teras reaktor nuklir untuk menghasilkan energi termal sedangkan pembangkit konvensional memanfaatkan reaksi pembakaran (proses kimiawi) dari bahan bakar fosil untuk menghasilkan energi termal. Reaktor nuklir secara umum dapat diklasi…kasikan berdasarkan perbedaan spektrum energi neutron. Terdapat 2 jenis reaktor nuklir yaitu reaktor termal dan reaktor cepat. Proses reaksi …si yang terjadi di dalam reaktor termal berdasarkan neutron termal. Pada reaktor cepat, proses …si terjadi pada energi neutron yang tinggi. Dalam proses perancangan sebuah reaktor diperlukan 3 tahapan analisis
9
BAB 2. ANALISIS TERMAL HIDROLIK GAS COOLED FAST REACTOR (GCFR)10 yaitu analisis neutronik, analisis termalhidraulik termodinamik dan dalam proses selanjutnya tahapan analisis keselamatan (safety analysis). Analisis neutronik membahas mengenai reaksi …si yang terjadi di dalam elemen bahan bakar radioaktif. Analisis termalhidrolik termodinamik membahas mengenai perpindahan energi termal yang dihasillkan dari reaksi …si serta e…siensi dari proses pembangkitan panas. Analisis keselamatan membahas mengenai halhal yang berkaitan dengan pembatasan energi termal maupun penembakan neutron sehingga berada dalam batas aman.Secara skematik cara kerja pembangkit listrik tenaga nuklir dapat digambarkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1: Skema prinsip kerja PLTN
2.2
Gas Cooled Fast Reactor (GCFR)
Gas Cooled Fast Reactor (GFR) merupakan salah satu konsep dari enam jenis reaktor nuklir generasi IV yang dicanangkan akan dioperasikan pada tahun 2025. Keenam konsep ini saat ini masih dalam proses penelitian. Klasi…kasinya dibedakan atas spesi…kasi baik berupa penggunaan material maupun sistem yang berlangsung di dalam reaktor. Setiap jenis reaktor memiliki keunggulan masing-masing. Lima jenis reaktor lainnya yaitu Lead Cooled Fast Reactor (LFR), Molten Salt Reactor (MSR), Sodium Cooled Reactor (SFR), Supercritical Water Cooled Reactor (SCWR), Very High Temperature Reactor (VHTR). Perbedaan GFR dengan reaktor lainnya adalah reaktor ini memanfaatkan spektrum cepat dari neutron dan menggunakan jenis pendingin (coolant) berupa Helium (He), Karbondioksida (CO2 ), atau N2 O4 . Keung-
BAB 2. ANALISIS TERMAL HIDROLIK GAS COOLED FAST REACTOR (GCFR)11 gulan dari pemanfaatan penggunaan gas sebagai pendingin, terutama Helium adalah Helium tidak dapat mendidih serta dapat beroperasi pada temperatur yang tinggi sebagai pendukung produktivitas gas hidrogen sehingga dapat meningkatkan e…siensi dan merupakan reaktor terbaik dari segi ketahanan karena mempunyai siklus bahan bakar tertutup.
Gambar 2.2: Skema Gas Cooled Fast Reactor
sumber gambar : http://www.inl.gov/research/gas-cooled-fast-reactor/
BAB 2. ANALISIS TERMAL HIDROLIK GAS COOLED FAST REACTOR (GCFR)12 Spesi…kasi Gas Cooled Fast Reactor (GFR) No Parameter
Spesi…kasi
1
Power
600 M W th
2
Power density teras reaktor
100 M W=m3
3
Power density rata-rata
55 M W=m3
4
Tekanan pendingin
70 bar
5
Temperatur inlet
4500 C
6
Temperatur outlet
8500 C
7
Temperatur fuel maksimum
11350 C
8
Massa alir
330 kg=s
9
Kecepatan alir
40 m=s
10
Volume teras reaktor
10.9 m3 (H=D~1:7=2:9m)
11
Persentase volume (bahan bakar/He/SiC) 50%/ 40% /10%
12
Ukuran teras reaktor
diameter=2 m, tinggi= 2 m
13
Volume teras reaktor
6 m3
Sama halnya dengan teras reaktor pada umumnya, GCFR terdiri dari berbagai komponen diantaranya : batang kendali, elemen bahan bakar, moderator, fuel assembly, sensor, dan pendingin. Geometri teras reaktor pada umumnya berbentuk silinder. Hal ini disebabkan karena geometri silinder sampai sekarang ini merupakan bentuk yang paling optimal jika ditinjau dari faktor kebocoran neutron dan aliran pendingin. Di dalam sebuah reaktor terdiri Berikut penampang melintang dari elemen bahan bakar : Gambar penampang radial fuel rods Secara singkat geometri tersebut terdiri dari fuel rods dan pendingin. Pro…l dari fuel rods dan susunan pendingin : Elemen bahan bakar (fuel rods) terdiri dari tiga daerah, yaitu :
BAB 2. ANALISIS TERMAL HIDROLIK GAS COOLED FAST REACTOR (GCFR)13
Gambar 2.3: Geometri silinder teras reaktor
Gambar 2.4: Penampang radial reaktor
BAB 2. ANALISIS TERMAL HIDROLIK GAS COOLED FAST REACTOR (GCFR)14
Gambar 2.5: Penampang radial bahan bakar
Gambar 2.6: Penampang aksial bahan bakar
BAB 2. ANALISIS TERMAL HIDROLIK GAS COOLED FAST REACTOR (GCFR)15 1. fuel pellet, berisi bahan bakar radioaktif tempat terjadinya reaksi …si biasanya berupa senyawa UO2 berbentuk keramik 2. gap, celah sempit di antara fuel pellet dan clading yang berisi gas inert yang berfungsi untuk mengantisipasi pengembangan volume bahan bakar selama proses iradiasi di dalam bahan bakar 3. Clading, Selubung logam terbuat dari zirconium alloy yang berfungsi sebagai pelindung bahan bakar dan pemisah bahan bakar dengan pendingin Formasi fuel rods pada fuel assembly dikembangkan berdasarkan formasi segi empat (rectangular lattice geometry) atau formasi segi tiga (triangular lattice geometry). Setiap formasi mempunyai keunggulan tersendiri, formasi segi empat mengurangi resiko kebocoran aliran (crosssection), sedangkan formasi segi tiga mengoptimalkan energi yang dihasilkan terhadap jumlah bahan bakar yang digunakan. Pendingin mengalir di antara susunan fuel rods yang biasa disebut coolant channel.
Gambar 2.7: Coolant channel
BAB 2. ANALISIS TERMAL HIDROLIK GAS COOLED FAST REACTOR (GCFR)16 Bentuk penampang melintang coolant channel masing-masing formasi, untuk keperluan perhitungan digunakan pendekatan bentuk radial simetri lingkaran. Dide…nisikan diameter hidrolik ekuivalen Dh untuk masing-masing formasi: 1. rectangular lattice geometry Penampang melintang formasi segi empat dapat digambarkan sebagai berikut:
Dh = df
"
4
p df
#
2
1
2. triangular lattice geometry Penampang melintang formasi segi tiga dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.8: Formasi segi tiga
Dh = df
" p 223
p df
2
#
1
