BASIC DESAIN PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe UNTUK PLTN DI INDONESIA: DIVISI PROSES

Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN – BATAN, 14 November 2013

BASIC DESAIN PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe UNTUK PLTN DI INDONESIA: DIVISI PROSES Bambang G. Susanto, Prayitno, Abdul Jami, Marliyadi P., dan Hafni Lissa Nuri

PRPN – BATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK

BASIC DESAIN PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe UNTUK PLTN DI INDONESIA: DIVISI PROSES. Telah dilakukan perekayasaan pada tahapan basic desain pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN di Indonesia melalui konversi jalur AUK (Ammonium Uranil Karbonal) dan JKT (Jalur Kering Terintegrasi) dan dilanjutkan dengan fabrikasi. Dari hasil tahapan perekayasaan yang telah dilakukan untuk divisi proses data teknis telah dihasilkan yaitu: informasi umum mengenai pabrik elemen bakar nuklir; basic engineering design data; unit desain basis; deskripsi proses; diagram alir kualitatif dan kuantitatif dan process flow diagram; neraca massa dan energi; spesifikasi dan data sheet peralatan proses; equipment list; diagram pipa dan instrumentasi; perhitungan ukuran pipa nominal pabrik; kelas bahan berbahaya; keterangan katup pengendali, safety analysis function evaluation chart (SAFE Chart); preliminary HAZOP study; data aspek keuangan, kriteria seleksi dan aspek ekonomi khusus untuk JKT. Kata kunci: PWR 1000 MWe, PLTN , jalur AUK, jalur kering terintegrasi, elemen bakar nuklir.

ABSTRACT The design has been done at basic design steps of nuclear fuel element plant PWR type 1000 MWe for Indonesia NPP through ammonium uranyl carbonate and integrated dry route up to fabrication step. Technical data’s obtained during the basic design steps (for process devision only) are: general information for nuclear fuel element plant; basic engineering design data; process description, qualitative and quantitative flow diagrams; process flow diagram (PFD); mass and energi balance; specification and process data sheet; equipment list; hazard material class, piping and instrumentation diagram; plant line sizing; control description, safety analysis funtion evaluation chart (SAFE Chart), preliminary HAZOP study; the data for financial aspect; selection criteria and economical aspect for integrated dry route only. Keywords: PWR 1000 MWe, NPP, AUC route, integrated dry route, nuclear fuel element.

-1-


1. PENDAHULUAN Berbagai negara pemilik PLTN yang ada di dunia, ada yang memasukkan opsi pendirian pabrik elemen bakar nuklir setelah PLTN nya dibangun untuk menjamin kesinambungan penyediaan bahan bakar nuklir dalam jangka panjang [1]. Undang-undang Nomor 17 tahun 2007 tentang Rencana Pembangunan Jangka Panjang Nasional tahun 2005 - 2025 telah menegaskan bahwa pengembangan diversifikasi energi untuk jangka panjang akan mengedepankan energi terbarukan khususnya bioenergi, geo thermal, tenaga air, tenaga angin, tenaga surya, bahkan tenaga nuklir dengan mempertimbangkan faktor keselamatan secara ketat [2]. Untuk mengantisipasi opsi PLTN dipilih sebagai salah satu pembangkitan energi di Indonesia, BATAN melalui Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir telah melakukan pra studi kelayakan pendirian pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe mulai tahun 2006 sampai tahun 2009. Kesimpulan dari pra studi kelayakan tersebut menyebutkan bahwa pendirian pabrik elemen bakar nuklir sangat strategis dan menguntungkan bila dibangun segera setelah PLTN pertama beroperasi di Indonesia [3]. Pada tahun 2011 BATAN melalui Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir (PRPN) telah menindak lanjuti hasil pra studi kelayakan dengan melakukan studi lebih lanjut ke tahap “Basic Desain Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN di Indonesia”[4]. Pada tahap ini, rencana skedul pendirian pabrik elemen bakar nuklir disesuaikan dengan kemungkinan pendiriannya setelah tahun 2025. Peralatan proses konversi UF6 menjadi UO2 melalui jalur kering terintegrasi (JKT) dilakukan desain ulang dengan menurunkan kapasitas menjadi 400 ton UO2/tahun, sedangkan jalur AUK kapasitasnya tetap 710 ton UO2/tahun. Seluruh harga peralatan baik konversi maupun fabrikasi termasuk harga gas UF6 diperkaya sampai 5% U-235 disesuaikan melalui estimasi cost Index mulai tahun 2024 yaitu ketika pabrik elemen bakar nuklir diperkirakan mulai dikonstruksi dan mulai beroperasi tahun 2028. Bahan bakar nuklir adalah salah satu komponen utama beroperasinya sebuah reaktor nuklir. Fabrikasi bahan bakar nuklir adalah langkah proses paling akhir untuk memproduksi bahan bakar uranium untuk reaktor tenaga nuklir komersial. Selama fabrikasi, gas UF6 (biasanya diperkaya antara 3 - 5 % U-235) diubah menjadi serbuk UO2. Proses secara kimia menjadi serbuk UO2 yang memenuhi tingkat keramik (ceramic grade) dapat dilakukan melalui jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK) atau Jalur Kering Terintegrasi (JTK) [1, 3, 5].

-2-


Bila proses konversi melalu jalur AUK, mama gas UF6 diubah menjadi uap dengan cara pemanasan di dalam sehingga gas UF6 yang terbentuk, dan dialirkan ke dalam larutan amonium karbonat bersama-sama dengan pereaksi gas CO2, gas NH3, dan air sehingga terbentuk endapan senyawa kompleks AUK yang stabil dan berwarna kuning. Reaksi pengendapan melalui jalur AUK yang terjadi : UF6 + 5H2O + 10 NH3 + 3CO2

(NH4)4UO2 (CO3) 3 + 6NH4F

(1)

Reaksi proses kalsinasi yang terjadi : 200 0 C (NH4)4UO2(CO3)3

UO3 + 3CO2 + 4NH3 + 2H2O

(2)

2U3O8 + 2O2

(3)

7000 C 6UO3 + O2 Reaksi proses reduksi yang terjadi : 800 0C U3O8 + 2 H2

3UO2 + 2H2O

(4)

Proses konversi gas UF6 melalui JKT adalah sebagai berikut: UF6 + 2H2O

UO2F2 + 4HF

(5)

Serbuk uranil fluoride (UO2F2) hasil hydrolysis selanjutnya dikonversi menjadi UO2 dengan mengalirkan gas H2 dan uap air panas sesuai dengan reaksi sebagai berikut: 4UO2F2 + 2H2O + 2H2 U3O8 + 2H2

U3O8 + UO2 + 8HF

(6)

3UO2 + 2H2O

(7)

Proses konversi melalui jalur JKT akan mengubah gas UF6 menjadi UO2, dan dihasilkan limbah yang paling sedikit sehingga disebut proses yang ramah lingkungan [5]. Pada tahap basic desain, pabrik yang akan didirikan mempunyai kapasitas 710 ton UO2/tahun bila proses konversi UF6 menjadi UO2 dipilih jalur pengendapan Ammonium Uranil Karbonat (AUK). Kapasitas konversi melalui jalur AUK ini setara dengan 5 bundel elemen bakar nuklir/hari untuk PLTN tipe PWR kapasitas 1000 MWe [3, 4]. Namun demikian Jalur Kering Terintegrasi (JKT) juga dipersiapkan sebagai pilihan teknologi proses bila proses konversi melalui jalur AUK tidak beroperasi. Kapasitas produksi untuk Jalur Kering Terintegrasi diputuskan diturunkan menjadi 400 ton UO2/tahun untuk memperkecil biaya investasi awal [4].

-3-


2. METODOLOGI/TAHAPAN KEGIATAN BASIC DESAIN PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe Kegiatan perekayasaan melalui tahapan basic desain pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN di Indonesia dilakukan menurut format (hanya untuk divisi proses) sebagai berikut: 1. Informasi Umum mengenai pabrik elemen bakar nuklir yang akan dibangun (untuk tahapan sekarang ada tambahan data yang dimasukkan), 2. Basic engineering design data (ada tambahan data yang dimasukkan), 3. Penyiapan unit desain basis, 4. Penyusunan deskripsi proses, diagram alir kualitatif dan kuantitatif, dan Process Fow Diagram (PFD), 5. Penyempurnaan diagram pipa dan instrumentasi, 6. Penyiapan indeks item peralatan/Equipment List (ada perubahan data design), 7. Perhitungan neraca massa dan energi, 8. Penyiapan spesifikasi dan data sheet proses, 9. Revisi perhitungan ukuran pipa nominal (Line Indeks), 10. Penyiapan kelas material berbahaya, 11. Penyusunan Keterangan Katup Pengendali (Control Description), 12. Penyusunan savety analysis function evaluation chart, 13. Penyiapan Preliminary HAZOP Study, 14. Penyusunan data aspek keuangan, kriteria seleksi dan aspek ekonomi.

3. HASIL KEGIATAN BASIC DESAIN DAN PEMBAHASAN (DIVISI PROSES) Hasil kegiatan dari basic-desain pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN di Indonesia khusus divisi proses adalah data teknis dan dalam makalah ini diuraikan secara singkat sebagai berikut [6]:

3.1

Tambahan data untuk Informasi umum pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN di Indonesia Data teknis proses untuk Pabrik elemen bakar nuklir ini terdiri dari 3 unit, yaitu : 1. Unit Proses Dan Fabrikasi Elemen Bakar Nuklir terdiri dari 3 Sub Unit :  Proses konversi gas UF6 menjadi UO2 melalu Jalur Kering Terintegrasi (JKT).  Proses konversi UF6 menjadi UO2 melalui Jalur AUK  Proses Peletisasi dan Fabrikasi

-4-


Proses Jalur Kering Terintegrsi beroperasi secara bergantian dengan Proses Jalur AUK 2. Unit Utilitas, untuk penyiapan uap panas, air pendingin, air proses (air bebas mineral) dan udara kering bertekanan 3. Unit Pengolahan Limbah radio aktif Selain itu data lain yang disiapkan adalah battery limits yaitu batas yurisdiksi dari pabrik elemen bakar nuklir yang akan dibangun dengan kapasitas normal diharapkan 710 ton UO2/tahun untuk jalur AUK dan 400 ton UO2/tahun untuk jalur JKT. Dengan battery limit itu ditunjukkan interface antara unit proses produksi elemen bakar nuklir dengan unit utilitas lainnya. Untuk memperoleh gambaran battery limit, diperlukan Gambar Proses Flow Diagram, P&ID dari pabrik elemen bakar nuklir. 3.1.1 Kondisi Batery limit Pabrik elemen bakar nuklir yang akan didirikan berupa suatu unit produksi yang terintegrasi antara proses konversi dan proses fabrikasi untuk menjadi elemen bakar nuklir. Batery limit hanya menerangkan dua jalur proses konversi, karena prosesnya yang rumit dan dapat menjadi interface dengan proses yang lainnya (utilitas).

3.1.2

NO.

Batery limit untuk Proses Konversi gas UF6 menjadi Serbuk UO2 (diperkaya U-235 antara 3-5%) melalui jalur Ammonium Uranil Karbonat. POSISI ARUS MASUK

POSISI ARUS KELUAR

1

Blower (B-0201) udara tekan

Blower (B-0201) udara ke HVAC

2.

Pompa (P-0203) untuk air utilitas

P-0209 (Pompa limbah) dari scrubber

3.

Tangki ammonium karbonat (T-0204)

P-0210 ( Pompa Limbah cair scrubber)

4.

Penukar Panas (HE-0202dan 0203)

TP -0201 sd 0203(Tangki Penyimpan produk UO2)

5

T-0201 (tangki CO2)

6

T-0202 ( Tangki UF6)

7.

T-0203 (Tangki ammonia)

8

T-0205 Hidrogen

9

T-0206 (Tangki Nitrogen)

-5-


3.1.3

Battery Limit untuk Proses Konversi gas UF6 menjadi Serbuk UO2 (diperkaya U235 antara 3-5%) melalui Jalur Kering Terintegrasi. NO 1

POSISI ARUS MASUK

2.

Penguap T-0101 ( Tangki Penguap UF6) HE-0101 (Penukar Panas)

3.

HE-0103 (Penukar Panas)

4

HE-0104 (Penukar panas )

5.

T-0103 (Tangki HF Cair)

6.

P-0101 (Pompa Scrubber)

POSISI ARUS KELUAR T-0104 (Tangki limbah Cair) T-0102A/B/C (Tangki Penyimpan produk UO2) F-0101 (Flare)

3.2 Basic Engineering Design Data Data engineering dan data desain lainnya yang diperlukan untuk basic desain pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe sebagai berikut: 3.2.1 Standard dan code untuk design/konstruksi Berbagai standard dan code yang terkait dan diperlukan selama tahap desain dan konstruksi pabrik elemen bakar nuklir dipersiapkan sebagai acuan dan dalam makalah ini hanya sebagian yang ditampilkan antara lain:  ASCE – American Society of Civil Engineers  ASME – American Society of Mechanical Engineers Boiler and Pressure Vessel Code: – Section II – Materials Specification – Section V – Non-destructive Examination – Section VIII – Rules for Construction of Pressure Vessels – Section IX – Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures, Welders, Brazers, and Welding and Brazing Operators – ASME B31.1 – Power Piping – PTC 22 – Performance Test Code  ASNT – American Society for Non-destructive Testing  AWS – American Welding Society AWA-D-100 Welded Steel Tanks for Water Storage  EJMA – Expansion Joint Manufacturing Association  EPA – Environmental Protection Agency  HI – Hydraulic Institute  IEEE – Institute of Electric and Electronics Engineers

-6-


 ISA – Instrument Society of America  NBS – National Bureau of Standards  NEMA – National Electrical Manufacturers Association  OSHA – Occupational Safety and Health Administration, Department of Labor  PFI – Pipe Fabrication Institute  TEMA – Tubular Exchanger Manufacturers Association  ASTM – American Society for Testing and Materials 3.2.2 Standards For Criticality  ANSI/ANS-8.1, Nuclear Criticality Safety in Operations with Fissionable Materials Outside Reaktors.  ANSI/ANS-8.3, (ANSI N-16.2), Criticality Accident Alarm System  ANSI/ANS-8.5, (ANSI N-16.4), Use of Borosilicate-Glass Raschig Rings as a Neutron Absorber in Solutions of Fissile Material.  ANSI/ANS-8.7, Guide for Nuclear Criticality Safety in the Storage of Fissile Materials.  ANSI/ANS-8.9, Nuclear Criticality Safety Criteria for Steel-Pipe Intersections Containing Aqueous Solutions of Fissile Materials.  ANSI/ANS-8.10, Criteria for Nuclear Criticality Safety Controls in Operations With Shielding and Confinement.  ANSI/ANS-8.12, Nuclear Criticality Control and Safety of Plutonium-Uranium Fuel Mixtures Outside Reaktors.  ANSI/ANS-8.15, Nuclear Criticality Control of Special Actinide Elements.  ANSI/ANS-8.17, Criticality Safety Criteria for the Handling, Storage and Transportation of LWR Fuel Outside Reaktors.  ANSI/ANS-8.19, Administrative Practices for Nuclear Criticality Safety.  ANSI/ANS-8.21, Use of Fixed Neutron Absorbers in Nuclear Facilities Outside Reaktors.  ANSI/ANS-8.22, Nuclear Criticality Safety Based on Limiting and Controlling Moderators.  ANSI/ANS-8.23, Nuclear Criticality Accident Emergency Planning and Response.  ANSI/ANS-13.3, Dosimetry for Criticality Accidents.

-7-


3.2.3 Informasi Utilitas Untuk menggerakkan pabrik elemen bakar nuklir baik pada saat proses start-up dan komissioning dan saat operasi rutin diperlukan air untuk keperluan utilitas seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 3.2.3 di bawah ini: Tabel 3.2.3 : Kebutuhan utilitas ( Air bebas mineral) No 1

2

Unit yang membutuhkan air proses

Jumlah kebutuhan air (kg/jam)

Jalur AUK Reaktor Bubble Column (RB)

39,822 kg/ jam

Scrubber (S – 02)

1143,23 kg/jam

Jalur JKT Cooler HE-03

124,860 kg/jam

Scurbber S-01

11,08 kg/jam

3

Kebutuhan untuk boiler water

300 kg/jam

4

Kebutuhan air untuk peletisasi dan fabrikasi

28.5990 kg/jam

Total kebutuhan untuk keperluan 8 jam/hari

1798 kg/jam = 43152 kg/hari = 43,152 m3/hari = 5,394 m3/jam, (bekerja 8 jam per hari)

4

Faktor keamanan 20 %

6,47 m3/jam

5

Diambil sistem beroperasi 8 jam per hari,

7 m3/jam

kapasitas per jam ( pembulatan )

3.2.4 Informasi kondisi site (lokasi pabrik) Informasi kondisi site berisi data mengenai informasi umum tentang pemilihan lokasi pabrik, kondisi site, ketinggian site, kondisi iklim calon lokasi (data cuaca, curah hujan, data

kegempaan calon lokasi dan lain-lain.). Dalam tahap basic

desain pabrik elemen bakar nuklir ini, site yang kita pilih adalah lokasi BATAN Serpong yang berdekatan dengan gedung 65. Di dalam gedung itu ada unit penelitian elemen bakar eksperimental untuk reaktor daya.

-8-


3.2.5.Regulasi/peraturan yang berkenaan dengan pollusi lingkungan (udara, limbah air, suara dan sebagainya.) Peraturan yang berkenaan dengan polusi lingkungan (udara, limbah, air, suara dan lain-lain) dalam desain dan konstruksi pabrik elemen bakar nuklir yang berlaku di Indonesia dipersiapkan antara lain: No.

Perundangan/Peraturan

Tentang

1

UU Nomor 23 Tahun 1997

Pengelolaan Lingkungan Hidup Analisis Mengenai Dampak Lingkungan

2

PP Nomor 27 Tahun 1999

3


4

PP Nomor. 85 Tahun 1999

5


6


Pengelolaan Kualitas Air Dan Pengendalian Pencemaran Air. Perubahan atas PP No. 18 Tahun 1999 Tentang Pengelolaan Limbah Bahan Berbahaya Dan Beracun Pengelolaan Limbah Bahan Berbahaya dan Beracun Pengendalian dan /atau Perusakan Laut

7


Pengendalian Pencemaran Udara

8

Keputusan Menteri Negara Baku Mutu Limbah Cair Bagi Kawasan Industri Lingkungan Hidup Nomor: KEP-03/MENLH/1/1998

3.3 Unit Desain Basis Data unit desain basis yang dipersiapkan selama proses desain meliputi: 1. Kapasitas

normal dan kapasitas desain dan turn down rasio dan hasil yang

diharapkan dari produk elemen bakar nuklir. 2. Metode test dan prosedur 3. Aspek penyimpanan, penanganan dan keselamatan 4. Persyaratan desain pabrik elemen bakar nuklir

berisi antara lain persyaratan

sistem sipil dan struktur; persyaratan desain peralatan dan pipa; persyaratan sistem listrik; persyaratan instrumentasi dan kontrol; penyederhanaan desain; margin desain; faktor manusia dan antar muka manusia-mesin; standardisasi; kemampuan dapat dikonstruksi; maintainability. 3.4 Penyusunan Deskripsi Proses, Diagram Alir Kualitatif dan Kuantitatif, dan Process Flow Diagram (PFD) Data deskripsi proses pembuatan elemen bakar nuklir bertujuan untuk memberikan gambaran umum cara melakukan proses konversi gas UF6 menjadi serbuk UO2,

-9-


proses pelletisasi, fabrikasi sampai perakitan elemen bakar nuklir.

Deskripsi

menjelaskan seluruh tahapan proses konversi mulai dari awal yaitu ketika gas UF6 diuapkan kemudian dikonversi menjadi serbuk UO2. Serbuk UO2 kemudian dilakukan proses sintering dan dibentuk menjadi pellet. Pellet kemudian difabrikasi menjadi elemen bakar nuklir. Data kecepatan alir per jam dari fluida yang mengalir serta kondisi operasi (suhu, tekanan, dll.) dijelaskan dalam deskripsi ini (sudah dilaporkan tahun 2011). Diagram alir kualitatif dan kuantitif dari pabrik elemen bakar nuklir diperoleh berdasarkan hasil pengembangan dari diagram alir yang sama selama tahap pra studi kelayakan yang telah selesai dilakukan tahun 2009. 3.5 Penyiapan Diagram Pipa dan Instrumentasi [6]. Diagram Pipa dan Instrumentasi di industri khususnya untuk pabrik elemen bakar nuklir, juga dikenal sebagai diagram alir keteknikan (DAK), flowsheets teknik, flowsheets. P & ID membantu pemilik ataupun kontraktor yang akan membangun pabrik ini sebagai sumber informasi rekayasa. Diagram ini digunakan sebagai dasar untuk rekayasa, perancangan desain, memperkirakan, konstruksi dan operasi dari pipa, peralatan dan instrumentasi untuk suatu proyek. Oleh karena itu P&ID harus benar secara teknis, mudah dibaca, konsisten dan bagus penampilannya. Contoh diagram pipa dan instrumentasi untuk pabrik elemen bakar nuklir untuk rotary kiln reduksi jalur AUK:

- 10 -


3.6 Penyiapan Indeks Item Peralatan/Equipment List [6]. Data yang dipersiapkan dalam indeks item peralatan adalah penyajian data peralatan dalam bentuk Tabel dengan menyebutkan nama alat, kode nomor, dan fungsi dari alat dalam proses operasi seperti misalnya indeks item untuk alat proses JKT sebagai berikut: Tabel 3.6 Indeks Item Peralatan/Equipment List [6]. Equipment No.

Type of Equipment / Number Required

(1)

(2)

Reaktor (R-0101) Rotary Kiln / 2 Scrubber (S-0101) Heater (HE-0101) Heater (HE-0102) Cooler (HE-0103) Condenser (HE0104) Heater (HE-0105) Compressor (C0101)

Flare (F-0101) Storage Tank (T-0101) Storage Tank (T-0102) Storage Tank (T-0103) Storage Tank (T-0104) Vaporizer Tank (T-0105)

Vertical Packing Column/ 1 Double pipe / 3 seri Double pipe / 1 Double pipe / 1 Vertical Shell and Tube / 2 seri Electric Heater / 1 Single-stage Reciprocating Hydrogen Flare /1 Cylindrical 308C / 2

Cylindrical flat bottom/10 Horizontal torispherical / 2 Horizontal torispherical / 2 Cylindrical accessible roof/2

Size (DxLxT) m/ Power kW

(3) (D 0.2xL 4.2) / 193kW (D 0.2xT 5.0)

Material Construction

(4)

Operating Pressure / Temperature

(5)

(D 0.05xL 3.7) (D 0.05xL 3.7) (D 0.05xL 3.7) (D 0.3xL 3.7)

Stainless Steel SA240 C Austenitic Steel SA212 A Carbon Steel Carbon Steel Carbon Steel Carbon Steel

1.1 atm / 660°C

0.34kW 14.5kW

Nickelin coil Carbon Steel

2.5 atm / 210°C

(D 0.2xT 10) (D 0.8xT 1.6)

Carbon Steel Stainless Steel

1.5 atm /1000°C 1.5 atm / 60°C

(D 0.2xL 0.1)

Carbon steel 283 C

1.0 atm / 30°C

(D 0.9xL 9.0)

Carbon steel 283 C

1.0 atm / 30°C

(D 0.8xL 8.0)

Carbon steel 283 C

1.0 atm / 30°C

(D 1.2xT 2.3)

Carbon steel 283 C

1.5 atm / 80°C

1.5 atm / 30°C 1.5 atm / 290°C 1.5 atm / 110°C 1.5 atm / 200°C 1.5 atm / 210°C

3.7 Perhitungan Neraca Massa dan Energi [6]. Untuk memperoleh perhitungan neraca massa dan energi telah dilakukan proses simulasi dengan perangkat lunak Chemcad steady state versi 6.4.0.4941. agar diperoleh hasil neraca massa dan energi yang lebih akurat. Keluaran dari Chemcad steady state 6.40.0.4941 disajikan dalam bentuk tabel dan dilengkapi diagram alir per unit alat yang sedang dihitung. Contoh hasil perhitungan neraca massa dan energi dengan proses simulasi Chemcad steady state versi 6.4.0.4941 untuk masing-masing alat disajikan sebagai berikut: Basis desain dan asumsi yang digunakan : 1. Umpan berasal dari tangki gas UF6 dalam keadaan suhu sekitar 600C dan tekanan sekitar 19 atm 2. 1 Tahun = 300 hari operasi 3. 1 hari = 24 jam operasi 4. Temperatur lingkungan 30 oC

- 11 -


 Contoh Neraca Massa dan Energi Jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK). 3.7.1 Tangki Penguap UF6 Fungsi : Menguapkan UF6 sebanyak 120.644 kg/jam hingga bersuhu 60oC Jenis : Cylindrical dalam Shell pemanas Kondisi Operasi : 70 oC , 19 atm

UF6 CCl4

kg/jam Input Output 120,644 120,644 118.320 118.320

Total

238.964

Komponen

238.964

UF6 CO2

kcal/jam Input Output 0 2460.92 3530.50 1069.58

Total

3530.50

Komponen

Out Put Uap UF6 Component Weight, kg/hr UF6 Total Mass Flow Temperature Heat Flow Pressure

% 120.644 100 120.644 60 ℃ 2460.92 kcal/hr 1 atm

Input CCl4 Component Weight, kg/hr % CCl4 118.32 100 Total Mass Flow 118.32 76.5 ℃ Temperature Heat Flow 3530.50 kcal/hr Pressure 19 atm

3.8

3530.50

Out Put CCl4 Component Weight, kg/hr CCl4 118.32 Total Mass Flow 118.32 70 ℃ Temperature Heat Flow Pressure

1069.58 kcal/hr 19 atm

Kristal UF6 Component Weight, kg/hr UF6 120.644 Total Mass Flow 120.644 25 ℃ Temperature Heat Flow Pressure

% 100

% 100

0 kcal/hr 19 atm

Penyiapan spesifikasi dan data sheet proses [6].

Penentuan spesifikasi peralatan proses produksi pabrik elemen bakar nuklir dilakukan melalui proses simulasi Chemcad steady state versi 6.4.0 4941 agar hasil perhitungan lebih akurat. Proses simulasi dengan Chemcad steady state versi 6.4.0.4941 pada tahapan basic design telah menghasilkan perhitungan spesifikasi dan data sheet yang lebih detil dibandingkan dengan tahapan pra studi kelayakan yang selesai dikerjakan tahun 2009 yang lalu. Contoh spesifikasi dan data sheet proses untuk jalur JKT adalah sebagai berikut:

- 12 -




Spesifikasi alat Heater (HE-0101)



Proses Data Sheet Heater (HE-0101

3.9 Perhitungan ukuran pipa nominal (Line Indeks) Semua sistem proses konversi yang ada di pabrik elemen bakar nuklir

ini

dihubungkan dengan pipa proses untuk memindahkan sejumlah senyawa tertentu

- 13 -


dari suatu alat proses ke alat proses lainnya. Seluruh pipa tersebut harus dirancang dan dihitung sedemikian rupa agar diperoleh diameter nominal dan material pipa sesuai dengan beban aliran (debit) penurunan tekanan di dalam pipa itu. Untuk memperoleh hasil yang maksimal maka seluruh data perhitungan diameter pipa nominal yang ada dalam sistem proses konversi gas UF6 menjadi UO2 masingmasing melalui jalur AUK dan JKT dihitung dan Tabel 3.9 hanya menunjukkan untuk jalur AUK: Tabel 3.9: Hasil Perhitungan Diameter Pipa Nominal Jalur AUK.[6] Aliran Fluida dari

Aliran Fluida ke

Reaktor Gelbng. (BR-0201) Bubble Reaktor (BR-0201) Pompa (P-0204) Settling Tank (ST-0201) Settling Tank (ST-0201) Pompa (P-0205) Mixer (M-0201) Washing Tank (WT-0201) Washing Tank (WT-0201) Pompa (P-0207) Homogenizer (H-0201) Pompa (P-0208)

Reaktor Gelbg.(BR0201) Reaktor Gelbg. (BR0201) Scrubber (S-0202) Pompa (P-0204) Settling Tank (ST-0201) Tangki Limbah (TL-0201) Pompa (P-0205) Washing Tank (WT-0201) Washing Tank (WT-0201) Tangki Limbah (TL-0201) Pompa (P-0207) Homogenizer (H-0201) Pompa (P-0208) Spray Dryer (SD-0201)

Spray Dryer (SD-0201) Scrubber (S-0202) Pompa (P-0209)

Filter/siklon (C-0201) Pompa P-09 (P-0209) Tangki Limbah (TL-0201)

T-UF6 (T-0202) T-CO2 (T-0201)

Kriteria Kec. Fluida (m/detik)

Kec. Fluida Terhitung

Kriteria (∆ P) , 2 kg/cm / 100 m

∆P Terhitung 2 ( kg/cm / 100m)

NPS Hasil Perhitungan ( inchi) : Schedule

15

7.04

2.0

0.0016

3” ; 40

15

7.04

2,0

0.0016

3” ; 40

15

13.60

2,0

0.24

1,5” ; 40

3

0,58

2,0

0,24

3

0,58

2,0

0,24

3

0.7

2,0

0,36

3

0,42

2,0

0,4

3

0,42

2,0

0,4

3

0.42

2,0

0,15

0.75” ; 40

3

0,81

2,0

0,57

0.50” ; 40

3

0.35

2,0

0.26

3

0.35

2,0

0.26

3

0.35

2,0

0.26

0,50” ; 40

3

0.35

2,0

0.26

0,50”; 40

3

2,4

2.0

1,06

1,50”; 40

3

0.47

2,0

0.21

3

0.47

2,0

0.21

1” ; 40 Dipilih 2*) 1” ; 40 Dipilih 1,5*) 0.75”: 40 0.5”: 40 Dipilih 2 *) 0.5” : 40 Dipilih 1,5*)

0,50” ; 40 Dipilih 2*) 0,50” ; 40 Dipilih1,5*)

0,50” ; 40 Dipilih 2 *) 0,50” ; 40 Dipilih 1.5*)

*) Catatan: Pipa yang terhubung dengan pompa, diameter yang terlalu kecil diperbesar sampai mendekati ukuran nozzle pompa baik pada posisi suction atau discharge.

3.10 Hazardous Material Class Pabrik elemen bakar nuklir dalam proses operasinya menggunakan bahan baku dan bahan pendukung dan produk yang dihasilkan termasuk kelas yang berbahaya. Produk

- 14 -


dari pabrik ini adalah elemen bakar nuklir sebagai produk radioaktif. Oleh karena itu kelas bahan-bahan yang berbahaya di pabrik elemen bakar nuklir ini perlu diketahui seperti yang disajikan dalam Tabel 3.10 berikut ini: TABEL 3.10 : Hazardous Material Class Yang Dipakai dan yang Diproduksi dalam Pabrik elemen bakar nuklir [6] NO

MATERIAL

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

U 3O 8 UO2 UF6 Pellet UO2 HF CO2 NH3 H2 N2 (NH4)2CO2 H 2O LPG HNO3 Al(NO3)3 Alkohol Zinc Stearat

NFPA RATING

H 2

F 1

R(S) 0

4 1 3 0 1 2 0

0 0 1 4 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0

4 2 2 0

0 0 3 1

0 0 0 0

MATERIAL CLASS HMIS RATING DOT/49CFR RATING H F R(S) 1 2 3 4 5 6 7 8 2 0 0 7 7 7 7 3 0 1 8 1 0 0 2.2 3 1 0 2.2 0 4 0 2.1 0 0 0 2.2 2 0 0 0 0 0 1 4 0 2.1 3 0 0 8 2 0 0 5.1 2 3 0 3 0 1 0

9

3.11 Penyusunan Keterangan Katup Pengendali (Control Description) Semua katup pengendali aliran dalam pabrik elemen bakar nuklir ini perlu dijelaskan cara mengoperasikannya baik pada saat start-up maupun pada saat shutdown untuk memberikan data teknis pengendalian pada Divisi Instrumentasi dan Kontrol. Contoh keterangan katup pengendali adalah pada Reaktor Bubble Column BR-0201 baik saat start-up maupun saat shutdwn sebagai berikut [6]: Reaktor Bubble Column Br-0201: 

Start Up Pada tahap permulaan valve pada jalur pipa DW-2009-1”-A1-N yaitu valve V-16, V-17 dibuka, valve V-18, V-19 ditutup. Valve pada jalur pipa UF6-2007-2½”-IC-N yaitu VP-13, VP-15 dibuka. Valve VP-16, VP-17 ditutup. Valve pada jalur pipa NH3-2008-3”-A1-N yaitu V-20, V-22 dibuka, valve V-23, V-24 ditutup. Valve V-31 pada jalur pipa W-2010-2”-A1-N dibuka dan valve pada jalur pipa W-2013-2”-A1-N yaitu V-33, V35 dibuka dan V-36 ditutup sepanjang operasi normal. Electric Heater EH-0202 dan Electric Heater EH-0203 dalam kondisi operasi, setelah fluida yang melalui electric heater tersebut telah mencapai suhu 60oC, valve V-19 pada jalur pipa DW-2009-1”-A1-N, valve VP-17 pada jalur pipa UF62007-2½”-IC-N dana valve VP-24 pada jalur pipa NH3-2008-3”-A1-N dibuka.

- 15 -


Valve pada jalur pipa AUC-2011-2”-IC-N yaitu VP-18,VP-20,VP21 dibuka dan VP22, VP-23 dalam kondisi tertutup jika pompa P-0204 A dioperasikan, sebaliknya VP-20,VP21 dalam kondisi tertutup dan VP-22, VP-23 dalam kondisi terbuka jika pompa P-0204 B dioperasikan. Motor pompa P-0204A dikendalikan oleh switch HS-0201, motor pompa P-0204B dikendalikan oleh switch HS-0202 dan dioperasikan secara bergantian ketika level cairan dalam dalam reaktor minimal 2 m (LAL) . Laju massa fluida pada jalur pipa UF6-2007-2½”-IC-N, NH3-2008-3”-A1-N, dan DW-2009-1”-A1-N dikontrol oleh FFC-0205 dan FFC-0208 dengan perbandingan 6 : 2 : 15 dengan laju massa fluida pada jalur pipa UF6-2007-2½”-IC-N sebagai variabel tetap dan laju massa fluida NH3 pada jalur pipa NH3-2008-3”-A1-N dan air bebas mineral H2O pada jalur pipa DW-2009-1”-A1-N sebagai variabel bebas yang dikendalikan oleh bukaan flow control valve FCV-0205, FCV-0206 dan FCV-0207. Temperatur dan tekanan dalam reaktor dikontrol oleh temperature indicator control TIC-0208, temperature transmitter TT-0208 dan pressure indicator PI-0208. Over pressure dikendalikan oleh Vent VT-0203. Ketika Pompa P-0204A operasi dan P-0204B stand by valve VP-20, VP-21 dibuka dan VP-22, VP-23 ditutup. Sebaliknya ketika Pompa P-0204B operasi dan P0204A stand by valve VP-20, VP-21 ditutup dan VP-22, VP-23 dibuka. 

Shut Down Untuk keselamatan proses, maka ketika shut down Valve V-17, V-19, V-24 dan VP-18 ditutup diikuti dengan mematikan electric heater EH-0202 dan EH-0203. Selanjutnya pompa P-0204A dimatikan melalui switch HS-0201 atau P-0204B dimatikan melalui switch HS-0202 ketika level fluida dalam reaktor mencapai 10 cm tergantung pompa mana yang saat itu dioperasikan. Valve V-13 pada jalur pipa W-2010-2”-A1-N ditutup ketika suhu reaktor telah mencapai sekitar 40 oC. Untuk mengosongkan fluida sisa dalam reaktor dengan cara membuka drain VP19.

3.12 Penyusunan safety analysis function evaluation chart [6] Data teknis Safety Analysis Function Evaluation chart (SAFE Chart), atau Cause & Effect (C&E) Table, salah satu penetapan teknik analisis sebab akibat yang dinyatakan dalam ISO 10418 (ISO, 2003) dan API 14C 2003 yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi dampak keselamatan yang tidak diharapkan dan desain tindakan perlindungan yang diperlukan. Sebagian besar ancaman terhadap keselamatan proses produksi melibatkan terlepasnya bahan kimia/radioaktif lingkungan. Maka

ke

analisis dan desain sistem keselamatan proses produksi

seyogyanya menitik-beratkan pada pencegahan pelepasan tersebut, penghentian aliran bahan kimia jika terjadi kebocoran, dan meminimalkan akibat terjadinya

- 16 -


pelepasan bahan kimia. Evaporator UF6(T-0105A & T-0105B) jalur JKT

adalah

sebagai berikut: Tabel SAT-01 : Safety Analysis Table Evaporator UF6(T-0105A & T-0105B) [6] Undersireable Event Overpressure

Under pressure

Cause

√ √ √ √ √ √ √ √ √

Leak

Excess Temperature

√ √ √ √ √ √ √

Block flow or restricted outlet Inflow exceed outflow Thermal expansion Temperature control system failure Excess heat input UF6 cylinder leak Withdrawal exceeds inflow Thermal contraction Open outlet Temperature control system failure Deterioration Erosion Corrosion Impact damage Vibration Temperature control system failure High inlet temperature

Detectable Abnormal Condition At Component High Pressure

Low Pressure

Low Pressure

High Temperature

3.13 Penyiapan Preliminary HAZOP (Hazard and operability) Study[6] Studi bahaya dan Operabilitas (HAZOP) adalah metodologi, terstruktur sederhana untuk mengidentifikasi, mengevaluasi dan memprioritaskan kejadian potensi bahaya di fasilitas proses yang ada atau fasilitas baru yang diusulkan. Tujuan utama dari HAZOP adalah untuk meningkatkan keselamatan personil pabrik serta setiap wilayah penduduk terdekat dengan mengidentifikasi potensi kecelakaan terjadi dan mengambil langkah-langkah untuk mengurangi resiko kecelakaan tersebut. Metodologi HAZOP adalah analisis keselamatan yang menggunakan dan mendorong pemikiran yang imajinatif (atau brainstorming) dan pertama kali dikembangkan oleh Imperial Chemical Industries (ICI), sebuah perusahaan kimia Inggris. Hal ini dilakukan oleh tim multi-disiplin HAZOP dan memerlukan penggunaan

- 17 -


kata-kata panduan untuk merangsang brainstorming. Untuk fasilitas proses baru yang diusulkan, HAZOP mungkin memerlukan beberapa minggu untuk melakukan studi tersebut. Untuk melakukan studi awal (preliminary) HAZOP pabrik elemen bakar nuklir telah digunakan software HAZOP dari PRIMATECH, P-1-614-841-9800,dan data/gambar berikut harus sudah tersedia untuk dipelajari: 1. Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) untuk proses konversi jalurAUK dan JKT. 2. Process Flow Diagram baik untuk jalur AUK maupun JKT. 3. Sifat-sifat bahan baku dan bahan produk akhir yang berbahaya harus dikenali dari hazardous material class. 4. Deskripsi proses termasuk didalamnya neraca massa dan neraca energi 5. Tata letak peralatan proses. 3.14. Penyusunan Data Aspek Keuangan, Kriteria seleksi dan Aspek ekonomi (Jalur JKT) Data aspek keuangan berikut adalah data untuk proses JKT (proses jalur AUK belum selesai dikerjakan)

kriteria seleksi dan aspek ekonomi menyajikan nilai

investasi dan biaya produksi pabrik elemen bakar nuklir jika dibangun, dan indikator periode pengembalian, NP, IRR, ROI, Indeks profitabilitas, benefit cost rasio, penerimaan pajak dari pendirian pabrik tersebut. Data keekonomian pabrik elemen bakar nuklir (JKT) dari hasil perhitungan adalah sebagai berikut [6,7,8,9]: 1. Periode pengembalian modal 1.39 tahun; 2. Pengembalian atas investasi ( ROI) 45,8 %; 3. Rentabilitas usaha pabrik ini pertama produksi

cukup baik dan menghasilkan laba sejak tahun

( Th 2028) sebesar US $ 54.500.000,-

dan akumulasi

keuntungan selama 20 tahun adalah US$ 4.669.267.700,- , 4. Nilai netto sekarang (NPV) pada capital cost 15% menunjukkan harga positif yaitu sebesar US$ 544.913.300,-; 5. Arus pengembalian internal (IRR) sebesar 36,01 % ; 6. Nilai indeks profitabilitas 6,62 lebih besar dari 1,0 yang mengindikasikan pabrik sangat menarik untuk dibangun; 7. Benefit Cost Ratio (BCR) bernilai >1 yaitu 10,42 yang menunjukkan bahwa pabrik akan memberikan manfaat dan layak untuk dibangun,

- 18 -


8. Selain itu untuk mendirikan pabrik elemen bakar nuklir, diperlukan total biaya investasi permanen sebesar US$ 171.925.000,- biaya modal kerja sebesar US $ 152.518.000,- serta biaya produksi sebesar US$ 617.497.508,-/tahun

4. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari basic desain pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN di Indonesia khusus divisi proses adalah diperolehnya data teknis

basic desain antara lain: informasi umum pabrik elemen bakar nuklir, basic

engineering design data; unit desain basis, deskripsi proses, diagram alir kualitatif dan kuantitatif dan process flow diagram; neraca massa dan energi; spesifikasi dan data sheet peralatan proses; equipment list; diagram pipa dan instrumentasi; perhitungan ukuran pipa nominal pabrik; kelas bahan berbahaya; keterangan katup pengendali, safety analysis function evaluation chart; preliminary HAZOP study; data

aspek keuangan,

kriteria seleksi dan aspek ekonomi jalur JKT.

5. DAFTAR PUSTAKA 1. SUSANTO, B.G. dkk, “Laporan Tim Pra Studi Kelayakan Pembangunan Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tahun 2006”, PTBN-BATAN, Serpong 2006. 2. ANONYM, “ Undang-Undang Republik Indonesia nomor 17 Tahun 2007, Tentang Rencana Pembangunan Jangka Panjang Nasional Tahun 2005- 2025” 3. SUSANTO , BG, dkk, “Pra Studi Kelayakan Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe Pressurized Water Reactor (PWR) di Indonesia”, Volume 1 dan 2, PTBN-BATAN, 5 Desember 2008. 4. SUSANTO, BG., dkk, Laporan Tahun 2011 (tahun ke 1), Desain Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe PWR 1000 MWe Untuk PLTN di Indonesia”, PRPN-BATAN Desember 2011. 5. Technical Report Series IAEA, No. 221, ”Guidebook on Quality Control of Water Reaktor Fuel’, Vienna 1983. 6. SUSANTO, BG., dkk, Draft Laporan Tahun 2013 (tahun ke 3), Desain Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe PWR 1000 MWe Untuk PLTN di Indonesia”, PRPN-BATAN 2013. 7. NICKKICH,H., Program of Profitability Analysis 1.1 XLS. 2003

- 19 -


8. JOHNSON C.R., AND HEYBURN D.E., “ The Manufacture of Fuel Elements and Their Assembly For PWR System”, Commercial Nuclear Fuel Department Lynchburg, Virginia, 1970, 9. SEIDER W.D., SEADER J.D. and LEWIN D.L., “Product And Process Design Principles“, Synthesis, Analysis and Evaluation, John Wiley and Sons, Inc. 2nd Edition, 2004.

TANYA JAWAB Pertanyaan: 1.

Apakah pembangunan pabrikasi bersamaan dengan PLTN atau lebih dulu pabrik? (Utomo)

2.

Lokasi pabrik apa harus dekat dengan tambang uranium? (Utomo)

3.

Apakah instalasi pabrikasi sudah dimasukkan dalam perhitungan biaya? (Maradu)

Jawaban: 1.

Biasanya PLTN dibangun terlebih dahulu kalau pabrik EBN mau didirikan

atau

dipersiapkan setelah PLTN beroperasi dan EBN produksi local baru masuk teras ke-2. 2.

Lokasi pabrik tidak harus dekat tambang, karena gas UF6 yang dipakai adalah uranium diperkaya. Lokasi dekat PLTN lebih menguntungkan ditinjau dari sisi transportasi.

3.

Instalasi fabrikasi sudah dimasukkan dalam perhitungan biayanya. Berdasar scale-up dari harga pabrik, yang kemudian dilakukan perubahan cost indeks untuk tahun 2024. Harga alat fabrikasi

US $ 35.000.000,-.

- 20 -

BASIC DESAIN PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe UNTUK PLTN DI INDONESIA: DIVISI PROSES

Recommend Documents