HAM BURAN NEUTRON OLEH ZAT CAIR R.S. Lasijo Pusat Reaktor Atom Bandung Armahedi Mahzar Departemen Fisika I.T.B. dan Marsongkohadi Departemen Fisika I.T.B. dan Pusat Reaktor Atom Bandung Abstrak, Metoda hamburan neutron untuk menyelidiki gerak diffusi dan vibrasi-rotasi atomjmolekul dalam zat cair dibahas, untuk menjajagi kemungkinan penggunaan Filter Detector Spectrometer dalam bidang tersebut. Analysa data eksperimen dilakukan dengan menggunakan fungsi korelasi Van Hove dan model-model sederhana. Khususnya hasil-hasil eksperimen dari Natrium cair dianalysa dengan model Diffusi Loncat (Jump Diffusion Model). 1.
Pendahuluan.
Dengan ditingkatkannya daya reaktor TRIGA MARK II menjadi ] MW, terbukalah kemungkinan baru, untuk menggunakan berkas neutron guna percobaan hamburan inelastik. Untuk reaktor dengan f]uks neutron rendah, spektrometer yang paling cocok adalah "Filter Detector Spectrometer". Untuk ini, maka sebuah "Inverted Filter Spectrometer" sedang dibuat dan dalam taraf penyelesaian. Program penelitian dengan menggunakan Spektrometer ini, diantaranya ialah: dinamika molekul dalam kristaJ, spektroskopi molekul dalam penelitian Jogam cair. . Kertas karya ini dimaksudkan untuk menjajagi kemungkinan peneJitian mengenai logam cair dan zat cair pad a umumnya, dengan menggunakan teknik hamburan neutron inelastik. Persoalan-persoalan dinamika dari zat cair, dapat dipecahkan dari dua arah pendekatan yakni, (a) dapat kita anggap bahwa zat cair terse but sebagai suatu zat padat yang tak teratur (disordered solid), atau (b) kit a dapat menganggap zat cair terse but sebagai gas mempat (condensed). Anggapan mana yang lebih menonjol tergantung dari suhu zat cair itu dan skala waktu observasinya. Zat cair dibagi dalam beberapa kelas, akan tetapi dipandang dari dinamikanya hanya dibagi dalam dua kelas yakni, zat cair monoatomik (monoatomic liquid) dan zat . cair molekuler (molecular liquid). Dari sudut tcoritik zat cair molokuler merupakan problim benda banyak yang sulit, sedang zat cair monoatomik seperti misalnya logam cair, lebih sederhana memecahkannya. 2.
Metoda Hamburan Neutron.
Neutron thermis adalah partikel yang paling cocok untuk menyelidiki sistim benda ban yak (many-body system) seperti zat cairo Penomena f]ukstuasi dalam zat cair dapat dikarakterisir dengan jarak korelasi (correlation range) Ro ...•dalam orde 1O-8cm, dan waktu korelasi (correlation time) 7Q dalam orde IO-13detik Apabila perpindahan momentum dalam proses hamburan adalah 11 Q maka menurut prinsip ketidak pastian, jarak interaksi atau jarak observasi A x adalah, Ax
:> _
I
I Q
dimana I
..•..•..• ko
Q = k -
131
Sa lain dari itu, teori fluktausi
Dari kedua
persamaan
mengatakan
bahwa,
itu didapat 1
2 DQ2 Dimana D adalah koeffisien diffusi diri. Misalnya D :::=. 10-5 cm2/detik dan 0.1 Q2 10 )\-2 maka waktu observasinya haruslah diantara 5 x 10-11 detik dan 5 x 1O-13detik.
<
<
Jadi fluktuasi dalam zat cair akan mempengaruhi energi dan distribusi sudut dari neutron yang dihamburkan, hanya jika neutron tersebut berada dalam jarak korelasi Ro Neutron tersebut akan melihat gerak diffusi, dan waktu observasinya t b ~TO sehingga apabila nellt ron 8atang dengan puncak yang tajam, maka puncak tersebut akan melebar karena ketidak pastian posisi penghambur. Selain dari gerak diffusi, inti dari atom-atom dalam zat cair melakukan juga gerak vibrasi-rotasi da]am ikatan molckul. Neutron yang datang dapat pula mengamati perpindahan energi dari/ke sistim vibrasi-rotasi tcrsebut. Ini dapat dilihat dengan adanya puncak-puncak inelastik pada spektrum neutron. Maka yang kita lihat dari hasil hamburan neutron oleh zat cair adalah suatu puncak quasi-clastik dan beberapa puncak inclastik. Dari pengllkuran lebar (width) puncak quasi-elastik kita akan mendapat parameter-parameter diffusi dan dari puncak-puncak inelastik kita akan mendapat frekwensi vibrasi/rotasi sistim atom/molckul zat cair tersebut. Larsson( I) tclah menunjukkan betapa pentingnya pemilihan encrgi dari neutron datang untuk pcrcobaan hamburan oleh zat cairo Misalkan resolusi alat berbentuk Gaussian dan suhu Dcbye dari sam pIc SooK. Massa dari penghambur M = 92 dan suhu dari sample adalah 293 oK dan kwadrat dari perpindahan momentumnya adalah Q2 = 15 )\-2 Sekarang dimisalkan ada em pat atau E = 64 buah panjang gclombang neutron yang dipakai, yakni /-.. = 1.13)\ MeV dcngan resolusi t:./-../"d. = 8% " /-.. = ].5 A atau E = 36 MeV dengan resolusi f::,./-..//-.. = 5%, /-.. = 2.25 A atau E = 16 MeV dcngan resolusi f::,./-..//-.. = 5% dan akhirnya A. = 4 A atau E = 5 MeV dengan resoillsi t:./-..//-.. = 4%. Dari gambar-I dapat kita simpulkan bahwa tidak mungkin kita dapat memisahkan (resolve) puncak quasi-elastik kecuali apabila energi dari neutron yang datang sangat rendah. Kebanyakan eksperimen-eksperimen yang dilakukan untuk menentukan pelebaran puncak quasi-elastik dilakukan dengan panjang gclombang antara 4 - 6 A Dengan neutron ini dapat juga dilihat gerak vibrasi yang berenergi kurang dari 100 MeV. Untuk ini biasanya dilakukan dengan teknik beryllium filter sebagai sumber neutron dingin atau dengan kristal berputar (rotating crystal spectrometer). Karena neutron datang berenergi rendah maka proses "energy gain" yang dipakai. Untuk energy gain yang besar, faktor yang membatasi ialah faktor populasi exp (-nw/kT). Karena itu untuk sample dengan kT = 0.025 eV pengamatan energy gain sebesar 0.1 - 0.15 eV tak mungkin. Dalam hal ini metoda "energy loss' dapat digunakan. Metoda energy loss biasanya dilakukan dengan Triple Axis Spectrometer atau dengan Filter Detector Spectrometer. Secara ideal, sample yang dipakai haruslah suatu penghambur inkoheren karena segala macam gerak dalam zat cair itu ada hubungannya secara sederhana dengan penampang hamburan. Selain ilari itu perhitungan-perhitungan tcoritis selalu meramallean besarnya penampang hamburan differensial berganda inkoheren (incoherent double differential cross-section) ..
132
Akan tetapi salah satu penghambur inkoheren yang sangat baik yaitu Vanadium sangat "corrosive" apabila dalam bentuk cair sehingga belum pemah dicoba. Suatu approksimasi dari keadaan yang ideal ialah air. Tetapi air ini temyata suatu zat cair yang kompleks, karena atom hidrogennya terikat pada suatu molekul, yang juga terikat secara lemah oleh molekul-molekul disekitamya. Tidak demikian keadaannya pada logam cair, karena setiap atom dikerumuni oleh atom-atom yang sarna. Akan tetapi kebanyakan logam cair yang telah diselidiki adalah penghambur koheren.
Sebagai contoh akan dibahas Natrium 1.55 barn dan uink = 1.85 barn. 3.
cair yang penampang
hamburannya
U
koh
Analisa Kata. Data-data
hamburan . d2 a
n
dari hamburan
total U distribusi
neutron
sudut
oleh zat cair ada tiga macam yakni penampang
d a dan penampang
dn
hamburan
differensial
berganda
.
w Hanya akan dibicarakan data-data dari Natrium saja. Sebelum kita menganalisa data-data hamburan neutron oleh zat cair baiklah kita tinjau dulu teori dasarnya yakni fungsi korelasi Van Hove dan model-model zat cdr yang sederhana. d
3.1.
Fungsi korelasi
Van Hove.
Interpretasi dari data hamburan neutron pada umumnya menggunakan formalisme dari Van Hove(2) dimana penampang hamburan differensial berganda dapat ditulis sebagai berikut: d2
n
dw
d2
a
koh
2rr
= b2 '::"11 d
inkoh a =ko )kok
-> ->
r dt ei ( Q r - wt) r,tG d tb~oh e12rr(Q r - .wt) <"' )
->->
_ II d;
q,
(;,t)
dimana G(r,t) dan Gs(r,t) masing-masing adalah fungsi korelasi dan fungsi korelasi diri Van Hove. Dalam limit klasiknya (G(r,t) adalah rapat kemungkinan mendapatkan partikel di r pada saat t apabila diketahui suatu partikel di r = 0 pada saat t = 0, sedangkan GgCr,t) adalah rapat kemungkinan mendapatkan partikel di r pad a saat t apabila partikel itu sendiri diketahui di r = 0 pada saat t = O. Tujuan suatu teori zat cair adalah menghitung fungsi-fungsi korelasi tersebut dari dinamika atomik/molekuler .. Perhitungan fun~si digunakan korelasi diri Gs(r,t) lebihGauss sederhana ngan saran Vineyard(3) approksimasi yaitu 1 ____ [ 2 rrf(t)
. ] 3/2
exp [ -
---
dan biasanya, anggapan bahwasesuai der2
2 nt)
r
dimana (t) adalah "width function", persimpangan kwadrat rata-rata partikel dari titik asal setelah waktu t, yang menggambarkan dinamika partikel tersebut. Untuk .menghitung (t) lebih eksplisit dibuat orang beberapa model sehingga dapat
r
menghasilkan beberapa ramalan yang dapat dibandingkan dengan data-data eksperimen.
133
3.2.
Model-model
dinamika
zat cairo
Madej dittusi Vineram(3) m'lUrakan mod,] rnt nganggap atom-atom mikian sehingga
hanya melakukan
gerak diffusi.
rlin! sedOThana,ranr
Dalam model ini diambil
r (t)
?
Vo
untuk
t
r (t)
?
2 (D I t I + c)
untuk
t»
mesede-
«TO
TO
dimana Vo adalah kecepatan atom, D = konstanta diffusi makroskopik, pan yang tak tentu, sedangkan TD = periode frekwcnsi Debyc. Lebar penuh dari puncak quasi-elastik dalam model ini adalah
c = teta-
Model diffusi loncat dari Singwi dan Sjolandc/4) menganggap bahwa disamping gerak diffusi, atom-atom zat cair juga melakukan gerak vibrasi akibat ikatan olch atom atom sekelilingnya. Dalam model ini kita mempunyai dua waktu karateristik yaitu waktu rata-rata TO waktu atom dalam keadaan vibrasi, dan T I waktu rata-rata atom melakukan gerak diffusi antara dua gerak vibrasi. Jika 71 <<"T 0 didapatkan -2 W
(l __ I + Q2
AE
e_·
TO
dimana
e-2W adalah
faktor
_ DTO
Debye-Waller.
Model diffusi loncat yang disempurnakan dari Oskotskii(S) merupakan ikan dari model Singwi dan Sjolander diatas dengan menambahkan anggapan partikeljatom zat cair yang sedang bergetar itu juga melakukan diffusi secara dengan koeffisien diffusi Do Dalam model ini lebar puncak quasi-elastik AE
=
2!( I + Q2Do 7
-2W e
TO
) TO
o
Dalam hal ini Do
jauhlebih
pcrbabahwa lambat adalah
kecil dari pada D.
Model diffusi tertunda dari Engelstaff dan Schofield(6) dimana r (t) dinyatakan sebagai jumlah dari rD(t): yang menyatakan gerak diffusi dan r B(t) yang menyatakan gerak atom-atom yang terikat oleh atom-atom tetangganya. Dalam model ini 2 D(
rD (t) r B (t)
= ~
M
V? + c2 fooo
dimana c = waktu·terlambatnya diffusi Hasil perhitungan dengan menggunakan A E
=
Model-model tersebut Perluasan dari, model-model
134
dw
-
f w2 ( w)
C )
( I - cos wt)
dan few) merupakan distribusi "width function" diatas adalah
frekwensi.
y0.in2 yIDTC h Q diatas dapat diuji dengan tersebut untuk hamburan
data-data koheren
hamburan inkoheien. tidak dibicarakan disini.
Selanjutnya kita akan membandingkan model-model diatas dengan hasil-hasil eksperimen hamburan neutron pada Natrium cair. 3.3.
Hasil-hasil eksperimen.
Cocking (7) melakukan eksperimen hamburan neutron pada Natrium· cair dan mendapatkan grafik antara lebar penuh puncak q uasi-elastik b.E dengan kwadrat perpindahan momentum Q2 untuk suhu-suhu 3880K, 4220K dan 4700K seperti terlihat pad a Gambar-2 dan Gambar-3. Pada Gambar-2 hasH eksperimen telah dibandingkan dengan model Singwi-Sjolander dalam versi loncat yang ekstrim dengan menggunakan e-2W yang ditentukan daTi intensitas puncak dan 'To = 2 x 10-12 detik. Juga pada Gambar-2 dibandingkan dengan model dari Oskotskii dengan menggunakan fO =5.4 x 10-12 detik dan fo = 2.4. x 10-12 detik. Ternyata model dari Oskotskii lebih coeok. Pada gambar-3 telah dibandingkan hasH eksperimen dengan ramalan model diffusi tertunda Engelstaff-Schofield dengan beberapa harga parameter e. Eksperimenhamburan neutron dingin pad a Natrium eair pad a 3750K telah dilakukan oleh Pandolph(8) dengan pengamatan pelebaran puncak quasi elastik untuk daerah 0.5 ~Q ~ 1.5 j;1. Hasil eksperiemen ini terlukis pada Gambar-4 dimana telah dibandingkan ramalan model diffusi Vineyard dan ramalan model diffusi lonTO = 1.5 x 10-12 detik dan fo cat dengan parameter fO = I x 10-12 detik, = 2 x 10-12 detik. Ternyata hasilnya cukup memuaskan. LIQUID DINAMICS cs. ~cE36 36 meV meV
AE ~ 0 10 64 meV
>-
t:
zw
(J)
EO 16 meV
I-
EO 5 meV meV
t1 E 0,4
AE 16 meV
Z
3 2
1 ,
I
I
•
3.0
3,5
4.0 o
Wave Length
(A)
4.5
GAMBAR I. Ilustrasi tentang pentingnya pemilihan energi neutron masuk Eo yang tepat apabila resolusi diberikan oleh sifat-sifat alat. Tampak bahwa hanya apabila Eo = 16 dan 5 me V adalah puncak elastik dapat dipisahkan dan mungkin dipela.iari lebarnya. 135
II
0 - 30IeI~l-I-...l-~I00 005 005
)(
•.•.. ..J .0=
0015 0005
01/
001
GAMBAR 2. Lebar paruh puncak-puncak quasi-elastik yang· telah dikoreksi untuk resolusi dari natrium cair untuk berba-
0
gai suhu dibandingkan dengan ramalan-ramalan : (I) model Singwi-Sjolander dedari ngan c·-2W ditentukan puncak-puncak intensitas dan TO = 2 x 10 -1 2 detik (garis penuh), (2) model Oskotskii dengan e- 2W ditentukan dari puncak intensitas dengan To = 5.4 x 1O-12detik (garis
300 o 1$-,Osk~skii •.•.•••• -:7
'*
.
To=90 1;.9J.••••••••. To=200 X1.5 ~ •••'" SJ!l.gwi-Sjolander
~
,~
putus-putus) dan To = 2.4 x 10-12 detik (garis putus-putus titik-titik). 001 D02
l-
~
3 w
-
00 I~I- 0 0015 005 e~ 0005 0 0 ~ 0005
•.•.. .0= t?
)(
11 IT
"
1/
I;,,;,,'
/
/
1.0
;"
;"
/
001
003
002
'"
,
'" /..
",.I'
;"
/
/
/
;"
50
5
;"
GAMBAR 3' Lebar paruh puncak quasi-elastik hamburan neutron pada natrium cair untuk berbagai suhu dibandingkan dengan ramalan hukum Fick( garis putus-putus) dan model diffusi tertunda EgelstaffSchofield (garis penuh) untuk
C. 0
/.
/
/
/
//
;"
Temp. 3880 K
berbagai harga tD = C dalam satuan " "hIT 001
002 136
x 11/T
002
003
0.8
simple diffusion jump diffusion
A E
A E
'To
+
I
,
•
0,8
1,2
.
0,4
•...•
W -...I
GAMBAR 4.
"Lebar" dari puncak kwasi elastik dari natrium cairo
.12 = 2 x 10 sec.
DISKUSI: IJOS
SUBKI:
I.
Apakan ~rti fungsi koreksi G(r,t) dan Gs (r,t)
2.
Bagaimana menurunkannya?
LASIYO: I.
Fungsi korelasi G(r,t) adalah merupakan suatu rapat kemungkinan untuk mendapatkan suatu partikcl dititik r pada waktu t, dimana pad a waktu t = 0 suatu partikel berada pada titik r = 0 Fungsi korelasi diri Gs(r,t) merupakan suatu rapat kemungkinan untuk mendapatkan suatu partikel dititik r pada waktu t, dimana partikel itu sendiri berada pada titik r = 0 pad a waktu t = 0
2.
Fungsi korelasi diri GS
DR. PARANGTOPO: Bagaimana dapat dipisahkan spektrum vibrasi dan ratasi yang berada didalam liquid dari intensitas neutron scattering? LASIYO: Spektrum vibrasi dan rotasi adalah terdapat pada puncak-puncak inelastik. Maka spektrum ini dapat kita pisahkan dari intensitas hamburan neutron dengan mengisolir puncak elastiknya. Untuk memisahkan antara vibrasi dan rotasinya saya sendiri belum tahu dengan pasti. Menurut hemat saya mungkin ini dapat dipisahkan.
Kepustakaan. I.
Larsson, K.E., Inelstic Scattering of Neutrons, IAEA, Vienna (1965) 3
2.
Van Hove, 1., Phys. Rev. 95, (1954) 249.
3.
Vineyard, G.H. Phys. Rev. 110 (1958) 999.
4.
Singwi, K.S., Sjolander, A., Phys. Rev. 119, (1960) 863.
5.
Oskotskii, V.S., Soviet Phys. Sol. State 5 (1963) 789.
6. 7.
Engelstaff, P.A., Schofield,P., Nucl. Sci. Engng. 12 (1962) 260. Cocking, Studies of the liquid state using the inelstic scattering of slow neutrons, Dissertation University of London (1967).
8.
Randolph, P.D., Neutron Inelastic scattering
138
I, IAEA,
Vienna (1968) 449.
INSTRUMENT ASI REAKTOR TRIGA MARK II. Beberapa Pengalaman dan Pengembangan. Oleh: Iyos R. Subki, RPH. lsmuntoyo, Abdurachman, Suryadi, Bakri Aribie, Martias Nurdin. BATAN - Pusat Reaktor Atom Bandung. Abstrak. INSTRUMENTASI REAKTOR TRIGA MARK II. Disini dibicarakan aspek-aspek instrumentasi reaktor, baik yang bersifat routin yaitu berupa pengendalian dan pengamanan, maupun yang bersifat penelitian. Beberapa pengalaman didalam analisa dari karakteristik system instrumentasi pengendalian akan dibicarakan, beserta dengan kesimpulannya. Didalam reaktor penelitian, Instrumentasi untuk penelitian terlebih-lebih memegang peranan sangat penting untuk meningkatkan effisiensi dan effektivitas dari kemampuan kerja reaktor. Dalam bidang ini akan dibicarakan pengembangan rencana instalasi Instrumentasi/peralatan berikutnya. I. Pendahuluan: Didalam suatu reaktor penelitian, kita akan membahas tiga macam sistim Instrumentasi yaitu : 1. Instrumentasi untuk pengendalian. 2. Instrumentasi untuk keamanan. 3. Instrumentasi untuk penelitian (Research Instrumentation). Pada umumnya reaktor-reaktor mempunyai sistim Instrumentasi type 1 dan 2, dimana terdapat suatu derajat interdependensi antara keduanya itu tergantung dari falsafah pengcndalian system. Didalam Reaktor TRIGA terdapat interdependensi antara sistim pengendalian dan sistim keamanan yang erat, dalam arti bahwa batas-batas keamanan dan signal-signal. pengamanan diberikan oleh sistim pengendalian. Hal ini dapat dilihat pada diagram I. Yang melukiskan sistim pengendali dari reaktor TRIGA. Diagram skematik instrumentasi reaktor. 1. Kanal Start-up. Merupakan kanal yang sensitip untuk neutron. Fission counter
I ,
sansltlt
nth interlock
terhadap
+ n
H
H ~"'''''" L- CD
---p-re--a-m-p-.-
L.C.R.
~rce
L.C.R.
meter
f
semacam logic system, yang bisa menentukan suatu tindakan : boleh atau tidak.
source interlock: sangat penting untuk mencegah blindstart-up, yang terjadi biJa source count sangat kecil (tidak terdeteksi) --fluktuasi count sangat besar --bahaya star-up accident (reactivity accident). 139
2. K a n a)
air.
1-----"18
I-Temp.~PrObe
I
Meter
I 1-0
J
G.M.
Conductivity
Rangkaian Count Rate
o
Recorder log N Rangkaian Perioda
log N amp.
,.. I
l
r
Magnet Scram
I
I
4. Kanal Linear
(penunjuk
Meter (mr/hr)
Meter (micrombos)
bridge
3. Kanal Log N d-an Perioda c.l.c
(C)
,
I I
daya yang paling teliti)
arus d-c untuk' batang-batang pengontrol.
I c.i.c
S. Kana)
Monitor
%
daya
I
Daya.
un c.l.c
-Monitor
f
day a
%ctaya
batang per,gontrol (regulating) Automatic
control % power demand
Servo Amplifier Motor
140
Daya (Watt)
. IV
I-
c..-
III
~
<
Uncompensated ion chamber, kana! % power.
Compensated ion chamber, kana! log N dan period a Compensated ion chamber, kana! daya linear.
Source level
Sistim Instrumentasi untuk pengendalian dan keamanan terdiri atas : 1. Kanal neutron untuk start-up, daya linier, daya logaritma dan perioda. ~. [anal'kerad1oaktlpan air,. 3. Kanal temperatur air. 4. Kanal konduktipitas
air.
5. Sistim monitor untuk sinar
'Y
di reaktor hall.
Daerah yang dicakup oleh kanal neutron dapat dilihat pada gambar 1. Kanal neutron.:
Sinyal-sinyal disini diperoleh dengan satu atau lain macam detektor neutron, yang ditempatkan dekat atau dalam reaktor. Type dari detektor ditentukan oleh kebesaran fluks (nv) yang harus diukur.
Mengenai batas-batas kearnanan untuk sistim reaktor TRIGA, terdiri dari : daya lebih (excess power). -
perioda terlalu cepat.
- hilangnya penyediaan tegangan tinggi kepada peralatan. Kesemuanya itu akan memberikan suatu signal kepada sistim pengamanan yang menyebabkan jatuhnya batang pengontrol keda]am reaktor. Dengan demikian mengamankan sistim reaktor dari keadaan abnormal. Penelitian dan perbaikan yang konkrit terhadap sistim Instrumentasi reaktor belum pernah diadakan karena kurangnya biaya. Akan tetapi disini akan disampaikan bebempa analisa tentang kondisi berbagai kanal pengendalian. Hal terakhir yang penting untuk dikemukakan adalah mengenai instrumentasi penelitian, yang sudah barang tentu tidak ada dalam sistim reaktor daya, bahkan didalam reaktor penelitian sering kali dilupakan. Karena itu disini kita akan bicarakan Instrumentasi penelitian dengan maksud untuk mempertinggi effisiensi reaktor TRIGA untuk berbagai penelitian. Disamping itu dibicarakan juga beberapa perkembangan terakhir dalam Instrumentasi reaktor yang menyangkut penggunaan collectron pengukuran intensitas netron dalam reaktor secara routin. II. Sistim Pengendalian dan Keamanan. 11.1.
Dasar pemikiran sistim pengendalian dan sistim keamanan reaktor. Didalam perancangan sistim pengendalian dan sistim keamanan kita perlu meninjau karakteristik dinamis daripada reaktor, didalam sistim pengendalian maka untuk reaktor yang mempunyai stabilitas intrinsik besar dapat kita menggunakan sistim pengendali sederhana dalam arti jumlah maupun kecepatannya. Sedangkan untuk sistim reaktor yang mempunyai koefisien reaktivitas yang positif diperlukan sistim kendali yang cepat dan sedapatmungkin otomatis. Didalam perancangan sistim keamanan digunakan dasar fikiran yang sam a dengan diatas; yaitu untuk sistim yang mempunyai stabilitas intrinsik yang besar, maka instrumentasi hanya diperlukan untuk mempermudah mengadakan perubahan-perubahan daya. Sedang untuk keadaan yang lain, karena perubahan koeffisien reaktivitas negatif yang lambat, maka instrumentasi harus mempunyai respons yang cepat. Jadi untuk keadaan yang kedua ini seluruh keamanan dari reaktor tergantung dari sistim instrumentasi. Beberapa aturan dasar untuk mendapatkan keamanan yang maksimum adalah : 1. Instrumentasi 2. Instrumen
142
keamanan jangan dipakai untuk maksud lain.
masih bekerja meskipun reaktor dalam keadaan tidak bekerja.
3. Instrumen harus di-test secara routine pada interval waktu yang tertentu. 4. Instrumen harus fail-safe. Untuk Reaktor TRIGA keadaan I dan 2 tidak dipenuhi mengingat Reaktor TRIGA mempunyai intrinsik karakteristik yang besar, sehingga penggunaan sistim yang independensinya besar tidak diperlukan; disamping itu karena dayanya rendah (I MW) aktivitas sesudah shutdown tidak cukup besar untuk memungkinkan pemanasan oleh produk fissi, sehingga monitor untuk temperatur dan radiasi tidak diperlukan pada waktu shut down.
r
II. 2. Kerusakan pada sistim. Dalam menentukan
kerusakan pada sistim ditinjau :
1. Signal yang diterima dari kamar lonisasi yang terkompensir (CIC). 2. Rangkaian yang mengolah signal. Dari kedua konsiderasi ini kita dapat menentukan letak kerusakan yang sebenarnya. Untuk signal yang berasal dari CIC perlu ditinjau arus ambang dari gangguan terhadap rangkaian perioda. sinar
r
r
Arus am bang dan signal (karena kompensasi yang tidak sempurna) mengakibatkan penunjukan perioda yang lebih kecil dari sebenarnya dan menyebabkan "Scram" yang sesungguhnya tidak perlu. Evaluasi kwantitatip berikut membenarkan hipotesa diatas. Seandainya kompensasi dalam Kamar Ionisasi tidak sempurna maka dalam rangkaian akan mengalir arus gamma (background) sebesar G J.l.J.l. A dan arus netron :
(I)
in = ino exp(t/T) Maka arus dari kamar ionisasi adalah : ic = in - G
(2)
.
Perioda pada meter adalah :
(3) dic/dt Tind =
l' (
G
I -
.
)
(4)
in(t) Seandainya arus daTi rangkaian adalah ino exp (tth/T)
maka untuk menggerakkan meteran haruslah :
{3,
G =
-
{3
(5)
•••••••••••••••••••
(6)
= l' In ({3 + G)
ino
=
G
l' [ I
ino exp In (
(3
+ G)]
ino
G l' ( I - -__
Tind =
{3
+G 143
Tabel berikut menunjukkan hubungan antara perioda yang ditunjukkan meter (Tind) dan perioda yang sesungguhnya (1') untuk berbagai arus gamma.
G
l'T
0,25 0,5 0,91 0,09 Tind
T
10,0 3,0 1,0I {3 0, 0
Dari rangkaian yang mengolah signal kesulitan terutama terletak pada sistim "dual recorder" yang terlalu tua. Slide wire/potentiometer dalam log N recorder memberikan signal ke rangkaian differentiator dan dikirimkan ke meter perioda melalui suatu penguat. Gangguan pada potentiometer yaitu penunjukkan terlalu kecil.
ini mengakibatkan penunjukkan yang tidak tepat,
Untuk ini kita tinjau data-data pengukuran perioda dengan metoda "doubling time" dibandingkan terhadap perioda yang ditunjukkan meter. Da ta -
-
4oK 0I
-
i1 i1
30 A Keithley
1
A
(detik) 20 10534
T,.. T r(sen)
I
Kamar Tindlonisasi Logaritma dihubungkan ke rangkaian perioda
Data - B. (detik) 20 (sen) 34 34 T(detik)
Tind i1 i1
I
oK
1'1' .
A Keithley.
Perioda Kamar Ionisasi Log. ternyata cocok dengan besarnya reaktipitas yang diberikan, sedang perioda oleh Kamar lonisasi Linier memberikan waktu yang lebih besar. Ini berarti kecepatan kenaikan signal dari Kamar Ionisasi Linier lebih kecil dari Kamar Ionisasi log. Kesesuaian perioda "doubling time" dengan perioda meter menunjukkan bahwa Kamar Ionisasi Log masih terkompensasi dengan baik. 144
III. Pengembangan
Instrumentasi
Reaktor.
Sebagai telah diuraikan dalam bab terdahulu kita masih menghadapi kesulitan- kesulitan dengan sistim pengendali reaktor, khususnya dengan rangkaian perioda. Meskipun demikian hal diatas tidak merupakan kerugian yang besar, jika diingat bahwa reaktor TRIGA adalah sistim yang sangat aman, dilain pihak instrumentasi level (pengukuran daya) yang masih baik ditambah dengan instalasi collectron pada akhir akhir ini. Untuk mengatasi kesulitan pada rangkaian perioda disebabkan oleh recorder yang sudah tua, sedang diusahakan suatu instalasi rangkaian perioda yang sarna sekali bebas dari rangkaian-rangkaian yang lain, dengan demikian rangkaian ini akan menjadi kana! pengaman sekaligus pula merupakan kanal start-up. Jadi yang dimaksudkan dalam pengembangan untuk penelitian dengan reaktor. III. 1. Teori Collectron
terutama
diarahkan
pada instrumentasi
'
Collectron atau lebih dikenal dengan self powered detector dikembangkan antara lain oleh J. W. Hilborn dari Atomic Energy of Canada Ltd. Collectron ini terdiri dari dua buah silinder yang koaxial dan diantaranya dilapisi dengan isolator. Elektron' yang didalam berupa meterial yang akan memancarkan Zarrah {J, bila menangkap netron. Zarrah {}at au elektron ini mempunyai enersi yang cukup tinggi, hingga akan menembus isolator terse but dan akhirnya akan ditangkap oleh elektroda bagian IUar. Kalau kedua elektroda ini dihubungkan dengan suatu ampere meter, maka akan terbaca arus yang akan sesuai dengan besarnya flux netron. Untuk elektroda bagian dalam dipilih yang mempunyai waktu paruh pendek. Dengan demikian keadaan seimbangnya akandicapai dengan cepat. Beberapa. macam bahan yang dapat dipakai sebagai collectron tertua pada tabel dibawah ini, bentuk dari collectron pada gambar 2 (a, b). Tabel:
Bahan ..
Kecepatan terbakar pada flux 1013 cm2/det.
Waktu Paruh.
Enersi max.
2,30 menit
2,87 Mev.
0,0076%/thn.
3,76 menit
2,6
0,012
4,4
Mev.
menit - 42 det. 2,44 Mev.
0,39
Collector
Isola tor
Magnesium Aluminium
Polystyrene Polyethylene
Nikell Titanium
Polypropylene Nylon Teflon
Zircaloy Inconel Stainless
steel
%/bulan. . %/thn.
700
1000 1400 1600
2500
C C C C C
Berylium Oxide Magnesium Oxide Aluminium Oxide Silicon Oxide.
145
Rhodium pemancar 0,5 mm o.d
Kabel koaxial ke am-meter.
/
-~~~~-==~-=';-=- _= --- =-~ -~ ~ ~~1~~1~~{~~~H.1;~~~~{\f?~~~~:1:~\¥0
isolator
kolektor 1,4 mm o.d
Gambar.2a.
111
neutron datang isolator pemancar isolator
_Ampere-meter
- - v- - - - - - - - - 0
__
VII////////I////////A
I~':';~;":"':.:~~~ ..~~':.~I:---, .... -
_.
- - -
-
-
- -
-
-
1
- - - --
-
-
-
I
11//1/1//11///////'+-:kolektor
kabel koaxial
: _~_ •..• RL
Gambar.2b. III. 2. Instalasi Collectron. Pengukuran flux neutron pacta setiap titik didalam reaktor untuk suatu day a tertentu akan lebih mudah dan cepat dilakukan dengan collectron. Dengan menempatkan collectron pada suatu titik tertentu (A) didalam reaktor dan kemudian ujung-ujung dari elektroda collectron dihubungkan dengan ampere meter, maka dapat diketahui besaran arus yang sesuai dengan besaran flux neutron dititik tersebut untuk suatu daya tertentu. Besaran flux neutron dititik A tersebut terlebih dahulu harus kita tentukan dengan cara biasa, yaitu metoda aktivasi voil. Pengukuran flux neutron dititik-titik lainnya yang sedikit ban yak mempunyai . kondisi yang sarna dengan titik A, cukup dengan membandingkan besaran-besaran arus yang terbaca dalam ampere meter dititik-titik terse but dengan arus dititik A dikalikan dengan besaran flux neutron dititik A. 146
.
Jadi besaran flux neutron disuatu titik :
I
<1>.
dimana:
=
i. 1
besaran arus titik i " "A (titik patokan)
A - flux neutron dititik A. Pad a saat ini pengukuran distribusi flux netron helum dilakukan baru sampai pad a percobaan mengenai karakteristik transient dan linearitas collectron.
Dengan mengetahui karakteristik transient dan collectron, dapat ditentukan untuk operasi-operasi yang bagaimanakah collectron dapat dipergunakan. Percobaan-percobaan mengenai waktu transient collectron telah dilakukan pada daerah ring F dan pada posisi tengah-tengah teras pada arah vertikal. Collectron ditempatkan diantara elemen bahan bakar.
I1L3. Karakteristik Collectron. Karakteristik collectron secara experiment dapat dilihat pada gambar-gambar berikut : Gambar 3 Karakteristik collectron dan CIC pada saat reaktor scram dari daya 100KW.
Disini collectron dari CIC masing-masing dihubungkan dengan recorder. Collectron diletakkan dalam ring B. Gambar 4. Reaktor beroperasi pada daya 50 KW, dinaikkan reaktivitinya selama 5 detik, 4 kali berturut-turut selang 20 det. Collectron diletakkan dalam ring F. Kcpekaan collectron terhadap kenaikkan reaktivity sangat kurang dibandingkan dengan CIC. Keadaan stasioner dicapai setelah waktu 3 menit. Gambar 5 Kenaikan reaktiviti sebesar 1\0sen dari daya 50 KW diamati oleh collectron yang dihubungkan dengan reaktor. Collectron diletakkan dalam ring F. Kedudukan kembali stasioner setelah 3 menit. Gambar 6 dan 7 : Hubungan antara daya dengan arus yang ditimbulkan dalam collectron, masing-masing pada posisi ring B dan ring F. Sebagai kesimpulan dari percobaan-percobaan karakteristik collectron dapat disimpulkan bahwa : keadaan stasioner baru dapat dicapai dalam waktu 3 menit sehingga untuk pengukuran-pengukuran yang memerlukan waktu cepat, tidak dapat dipakai. Linieritas collectron terhadap perubahan-perubahan daya (perubahan flux neutron) sangat memuaskan, sebagai terlihat pada gambar 6 dan 7.
147
(\I
"' ci
148
Daya
0.5
o
2.5
2
1.5
Gambar 4. ARUS
t (menit) o
2
Gambar 5.
3
4
A
20.1 0-9
Posisi 'collectron pada ring B
10.10*9
50
150
100
200
300
250
Daya (KW)
Gambar. 6.
A 40.10*9
Posisi collectron pada ring F
20.10"9
o
100
200
300
400
500
700
800
900
103
paya (KW)
Gambar. 7. IV. PENGEMBANGAN
600
LEBlH
LANJUT.
Perala tan-perala tan berikut sedang dalam taraf pembuatan atau sedang dalam tahap perencanaan dalam rangka penyempurnaan instrumentasi penelitian. IV.I. Reaksi meter. Didalam operasi reaktor penelitian maupun reaktor day a, reaktivitas dari systim perlu sekali diikuti pada waktu operasi perubahan day a, dalam hal ini dipakai reaksi meter. Prinsip kerjanya didasarkan pada suatu analog Computer yang mensimulasikan persamaan kinetis reaktor. Signal input yang diperoleh daripada reaksi meter berasal dari suatu kamar ionisasi yang diletakkan disekitar teras reaktor. 150
Bentuk
persamaan dn
kinetis Ak(
I
yang disim\l.lasikan adalah -
(3) -
{3 n
+ ~AiCi
: + S.
~
dt
{3i(l
./
+ Ak) n _
~Ci.
Sedangkan rangkaian dari reaksi meter seperti pada gambar dibawah ini.
a-kW -10V
II
.t~yY
P I
+ ---L---. + XI
I Y
multiplier
(division mode)
GAMBAR
8.
IV.2. Deteksi Pendidihm. Deteksi Pendidihan dengan analisa spektrum. Dalam suatu reaktor penelitian, pendidihan adalah suatu fen omena yang tidak boleh terjadi, sehingga dengan demikian awal pendidihan harus dapat dideteksi. Pendidihan dapat menimbulkan instabilitas dan hal ini tidak diinginkan dari segi penelitian. Salah satu cara deteksi adalah dengan mengamati perubahan pada spektrum dad "Neutron-nois" dalam reaktor. Rangkaian dasar dari analisator spektrum ini adalah sebagai berikut : 151
Inveder
X(tl
filter
Bandpass W BUCKING
I
VOLTAGE
Rangkaian terdiri dari sebuah kamar ionisasi (CIC), sebuah sebuah uu-ammeter dari Keithley, dua buah invermeter (analog computer), sebuah band pass filter, sebuah rangkaian kwadratis (squarer) dan sebuah integrator (analog computer). Rangkaian diatas didasarkan atas hubungan-hubungan berikut : Fungsi autokorelasi
I/>
didefinisikan
sebagai
f
lin ~
(T)
:
X(t) x (t
+
T )
dT .....•.•.
(l)
TT+oo T = = X(t) =
interval, waktti pengukuran dolay time signal
T
Spektrum
daya dari signal adalah I/>
(w)
(T) -jWT dT
(2a)
r
(2b)
f'qJ
e
_00
I/>(T)
-
2
I 1T
I/>
_00
Dari persamaan
(I) didapat
untuk
Dari persamaan
(2b) untuk
T
...........
w' - t:.w (4) w' _.- tow dan w' + t:.w
¢ (0)
:
(w) jWT dw
T
e
sarna dengan
nol :
(3)
= 0 , w antara cI>(w) didapatdw :
=_l_f
Ruas kanan dari persamaan I frekwensi : I. w:cI>(w) Jadi
cI>(w')
Atau
'"
(4) tidak
cI>(0) '" X2 (t)
lain daripada
=
f
Xz."
spektrum
daya pada
dt.
(w')
Rangkaian terdiri dari sebuah kamar ionisasi (CIC), sebuah fJ. fJ.-ammeter dari Keithley, dua buah inverter (analog computer), sebuah band pass filter, sebuah rangkaian kwadratis (squarer) dan sebuah integrator (analog computer).
152
Program analisa spektrum ini masih dalam tahap pembuatan bandpass filter yang dapat dipakai dengan rangkaian diatas. Analisa Nois Akustik. Adanya nois karena pendidihan dapat dideteksi secara akustik dengan menggunakan alat-alat dibawah ini : . elektroda pemanas (boiling generator). mikropon bawah air. penganalisa gelombang (wave analyzer) sebuah integrator pasif. Susunan alat-alat penelitian (block diagramnya) adalah sebagai berikut : /
t ...-"', i
...-
...-
penganalisa gelombang
pemanas
-=- -,-
~
integrator pasif
,
mikrophon I
Gelombang (nois) pendidihan karena pemanas diterima oleh mikropon dan outputnya dimasukkan kedalam penganalisa gelombang (wave analizer) dan hasil tersebut diperbaiki dengan menggunakan sebuah integrator pasif yang ber-karakteristik "time constant" yang tinggi (240 detik). Dalam analisa (penelitian) perlu diperhatikan nois yang sudah ada sehingga nois pendidihan yang sesungguhnya dapat diketahui. Disamping itu harus pula dicari pengaruh dari aliran fluida yang mendidih, karena dari sini kemungkinan adanya resonasi didalam tanki reaktor akan menycbabkan terjadinya puncakpuncak amplitudo nois terdeteksi yang menonjol. Jarak an tara mikrophon dan pemanas tentu harus. diperhatikan agar pengaruh magnetis dari konduktor panas dapat dicegah. Jadi dalam penelitianjanalisa harus diperhatikan; 1. Pemasangan mikropon dan konduktor pemanas. 2. Mengalir atau tidaknya fluida. 3. Nois yang sudah ada. 4. Daya yang diberikan pada konduktor
pemanas.
IV.3 Instalasi TRIGA King Furnace (TKF) TRIGA King Furnace adalah suatu tungku pemanas dalam reaktor yang terdiri atas tabung grafit pemanas (dipanaskan dengan listrik) dan bejana aluminum sebagai kelongsong yang dirancangkan sedemikian rupa hingga dapat ditempatkan pada posisi elemen bahan bakar. Tungku diatas memungkinkan penyelidikan material bahan bakar dalam medan radiasi neutron pada temperatur sampai 1800° C. Temperatur sampel dapat diatur dengan suatu sistim kendali dan diukur dengan pyrometer optis melalui cermin pemantul dibagian TKF. Bagan daripada tungku TKF dapat dilihat pada gambar 9. Yang penting diselidiki pada berbagai komponen bahan bakar ialah kemampuan menyimpan produk fissi (fission product retention). Gas yang dikeJuarkan oleh bahan bakar dapat ditangkap pad~.filter "Charcoal" yang didinginkan dalam nitrogen cair dan selanjutnya dicacah pada pencacah kanal banyak. Program ini merupakan langkah yang tercepat kearah penyelidikan bahan bakar nuklir dengan reaktor penelitian, pada dewasa ini sedang diusahakan untuk memperoleh tungku TKF melalui bantuan tehnik.
153
1
"
Overall Height 23 Ft
~
Temperature
t!
monitC?ring mirror
~, {.
Internal Electrode
.:."
,
• •
;.!
/
,f ':1
"
•.
'~ ~
Heater Compression Springs
Helium Purge Outlet
J
,
J
Gas Pressure Sensor.
Gambar
9.
TRIGA
King furnace
Schematic.
Co"'''"m'"'
V"",
RINGKASAN: Didalam-laporan singkat ini tclah dibicarakan masalah-masa]ah rutin maupun pengembangan yang menyangkut : sistim kendali, sistim kcamanan dan instrumentasi penelitian dari suatu reaktor penelitian. Kesulitan pada kanal ncutron tclah diatasi dcngan pemasangan coJlectron untuk instrumentasi level maupun untuk pcnelitian, dilain pihak telah dirancangkan suatu kanal independen untuk pengukuran perioda .. Penelitian karakteristik collectron menunjukkan bahwa sistim ini sangat baik untuk pengukuran daya, kalibrasi daya dan distrihusi flux neutron mengingat bahwa resolusi ruang detektor ini sangat baik. Yang terakhir ini sarrgat penting untuk evaluasi buckling dan reaktor dalam rangka pengelolaan bahan-bakar. Pengembangan selanjutnya dibidang ini adalah dalam rangka penyempurnaan instrumentasi penelitian yaitu reaktimeter, analisator noise, dan deteksi pendidihan, disamping itu dalam rangka menunjang program reaktor daya diusahakan untuk memperoleh TRIGA King Furnace guna penelitian dibidang bahan-bakar nuklir.
D AFT
A R PUS
l'
A K A
1.
THOMSON, 1'.1. and J.G. BECKERLEY : "T:1e Technology of Nuclear Reactor Safety", Vol. 1. Reactor Physics and Control, the N.I.T. Press, 1964. p.p. 286 - 295. -
2.
HILBORN, JOHN W :" "Selfpowered Neutron Detectors for Reactor Flux monitoring". Nucleonics, Vol. 22, No.2 Feb. 1964. p.p. 69 - 72,74.
3.
DIEREKX, R; A. MARCHAL and A. van WAUWE. : " "A simplified Direct Reactivity Meter for D20 - Moderated Systems Nuclear Applications, Vol. 3 No.9 (September 1967). p.p. 532 - 539. G.A. - 5143, "TRIGA MARK II Instrumentation Maintenance Mannual"
4. 5.
6.
7. 8.
9. 1O.
SCHULTZ, M.A. _ "Control of Nuclear Reactions and Power Plants", Mc Graw-Hill, 1961. GLOWER, DONALD D. : "Experimental Reactor Analysis and Radiation Measurement" Mc Graw-Hill, 1965. TID,-7663, Light Water Moderated Research Reactors. SIMNAD M. et al. : "TRIGA Research Reactor Experimental Instrumentation". IAEA Symposium on Irradiation Facilities for Research Reactors, Teheran 1972.' G.A. - 371 : "Technical Foundation of TRIGA". I.A.E.A. "Safety series No. 35, Safe Operation of Critical Assemblies and Research Reactors", 1971 ed. 155
DISKUSI:
DR'S A M A UN: Apakah dapat dibuat kolektron sendiri ? IJOS SUBKI :
Lebih mudah bikin kolektron daripada proportional counter. MARSONGKOHADI
:
1. Untuk mengkalibrasi kolektron apakah dipakai foil standard? 2. Jika demikian, bagaimanakah mengkalibrasi untuk daya reaktor yang tinggi, dimana foil akan menjadi besar sekali aktivitasnya atau mungkin meleleh karena panas? Apakah dapat diadakan extrapolasi dari kalibrasi pada daerah daya rendah ? IJOS SUBKI :
1. Kolektron dikalibrasi dengan Au-foil pad a suatu posisi tertentu dalam reaktor dengan operasi pada daya rendah. Arus pada kolektron pada posisi itu diukur dengan micro-micro-ammeter. Jadi dari sini didapat 1. = ki Faktor k adalah faktorl kalibrasi. 2. Tidak perlu lagi dikalibrasi pada day a tinggi Cukup pada daya rendah seperti telah diketahui pada ad I.
156
