PENGUKURAN BURN-UP ELEMEN BAKAR BEKAS DENGAN PERBANDI NGAN AKTI VI TAS Cs -134/Cs -137
Jupiter Pusat Reaktor
Sitorus
METODE
Pane
Serba Guna G.A. Siwabessy ABSTRAK
Elemen bakar bekas dalam kenyataannya masih mengandung uranium sisa dan bahan dapat belah lainnya. Elemen bakar tersebut mempunyai nilai ekonomis dan strategis yang cukup tinggi, yang terkandung pada jumlah kandungan bahan dapat belahnya. Untuk menentukan jumlah bahan uranium yang terbakar (burn-up) dapat dilakukan beberapa pengukuran. Salah satu diantaranya adalah dengan menggunakan metoda perbandingan aktivitas Cs-134/Cs-137. Dengan metoda ini, telah dilakukan pengukuran burn-up elemen bakar bekas tipe MTR dari Reaktor Omega. Hasil yang diperoleh cukup akurat dengan ketelitian sekitar 1 X sampai 8 X.
ABSTRACT The spent ~uel element in reality still contains uranium and other ~issionable materials. This ~uel element has a high economical and strategical values, which depend on the amount o~ its ~issionable contents. In order to determine the actual amount o~ uranium several method o~ measurements could be applied, one o~ them is the measurement with Cs-134/Cs-137 activity ratio. The measurement o~ the burn-up o~ MTR type spent ~uel o~ Omega Reactor has been done. The result was accurate and the accuracy was about 1 - 8 X.
I. PENDAHULUAN
Dalam pengoperasian
reaktor
kan dari teras jumlah uranium bakar ti dak sisa uranium
yang
bakar
terdapat
dikeluar-
dalam
elemen
dapat terbakar sel uruhnya sehi ngga masi h ada dan bahan dapat belah lainnya. Uranium sisa dan
bahan belah
tersebut
mempunyai
yang tinggi
sehingga
jumlah
dengan
pasti.
ukuran
untuk mengetahui
uranium
saat elemen
nilai ekonomi
bahan tersebu~
Untuk itu diperlukan kuantitasnya
sisa ini sudah tercampur
356
dan
strategis
harus
diketahui
perhitungan secara
dengan
bahan
maupun pasti.
peng-
Tetapi belah hasil
357
lain yang ~ingkat
radiasinya
sangat
tinggi.
Oleh Karena
diperlukan
suatu metoda
untuk melakukan
pengukuran
an nuklida bekas ini.
dapat belah
yang
dalam
Dengan
mengukur
tahui jumlah Sesuai bahan
nuklir
porkan
dapat
perjanjian belah
bekas
ini
sisa
nuklir
bakar menge-
dila-
pengukuran
persyaratan
yang
bakar.
ini dimaksudkan
hasil
pengawasan
ini harus
lainnya.
merupakan
bahan
itu pengukuran
verif"ikasi terhadap
IAEA tentang
uranium
bahan
dalam akuntansi
Disamping
elemen
bakar kita dapat
dengan
maka
dengan
elemen" bakar
harus dipenuhi
elemen
kandung-
dapat belah sisa yang ada di dalamnya.
bersama-sama
terhadap
kan
burn-up
nuklida dengan
terdapat
i~u
untuk mengada-
perhi tungan
yang
didasarkan
pada teori. Mengingat
elemen bakar bekas mempunyai
sangat tinggi
maka pengukuran
dalam air dengan
menggunakan
dengan mengamati
spektrum
Hasil adalah
pengukuran
hasil
mengi kuti
f"ellowshi p
Laboratory. ngukuran
USA.
dengan
burn-up
dua
metode
Laborator ium
yang
mengamati
dapat spektrum
aktivitas
2. Pengukuran
perbandingan
dalam oleh
Los
Assay
makalah
penulis
Al amos
diperoleh
ini
waktu
Nati onal
kesalahan
pe-
1 X sampai 8 X.
"Fission
dilakukan
tampang
un~uk
menghi tung
gamma yaitu
aktivi~as. ini. spektrum
Yield"
hampir
hasil belah yang dominan
2. Mempunyai
di
gamma absolut
Un~uk kedua pengukuran haruslah
nuklida
Destructive
di
dilakukan
ini berkisar
1. Pengukuran
1. Mempunyai
dilakukan
TEORI
metoda
dengan
dipaparkan
Dari hasil analisa
II. LATAR BELAKANG
Ada
Non
radiasi
gamma yang dipancarkannya. yang
di
praktis
metoda
yang
pengukuran
secara
tingkat
lintang
gamma yang dipilih
sama dengan f"ission yied dalam elemen bakar.
tangkap
terhadap
neu~ron
yang
3.58
rendah. 3. Waktu
paruh relatif lebih panjang dari waktu pendinginan. untuk 4. Mempunyai tenaga gamma yang tinggi mengatasi atenuasi. 1sotop
yang memenuhi kriteria ini adalah Zr-95. Ru-106. Dari unsur ini Cs-137. Ce-144. Pr-144. Eu-154.
Cs-134. Zr-95. dari
Ru-106.
peluruhan
maka reaksinya 1-137
beta
produksi
Cs-134 fisi
t..rondengan
unsur
merupakan hasil langsung Khusus untuk Cs-137 sebelumnya.
-----) Cs-137 ) Sa-137m ---) 4.2 m 30.0 thn
dan Eu-154 bukan merupakan
langsung
t..apimerupakan
hasil
reaksi
Sa -137
peluruhan
tumbukan
neu-
hasil fisi langsung Cs-133 dan Eu-153.
Cs-133
1-133
dan Ce-144
sebagai berikut
) Xe-137 24 det..
Sedangkan
Untuk
Cs-137.
persamaan
) Xe-133 21 j
reaksinya adalah
) Cs-133 (n.y) 5,27 m
Cs-134 ---) Ba -134 21 thn
A. Met..odaakt..ivitasabsolut Pengukuran semata-mata
aktivitas
didasarkan
absolut
pada
adalah
aktivitas
pengukuran
dari
satu
yang
isotop.
Misalnya jumlah atom dari isotop yang diamati adalah N, maka aktivitas N adalah X.
N =
K.
E S.
1.
eA
Tc
K.1.&.S. 1. 1.
= satuan waktu di efisiensi efekti absolut mana atenuasi detektor = desinte= jumlah spektrum spektrum per gamma isot..op isotop darii i ener gif gamma tingkat puncak yang diamati pada puncak puncak pada grasi per energi X.
(1)
359
A
= konstanta
peluruhan
Tc
= waktu pendinginan
Dengan mengetahui harga N maka burn-up persamaan
dapat dihitung
dengan
(2)
-24 Burn-up = 1.8563 x lOx
(2)
(MWD/MTU)
E X N/Y
di mana N = jumlah'atom dari isotop yang diamati asi per metrik ton Uranium
e1'ekti1'
E = energi e1'ekti1'yang dikeluarkan Yield e1'ecti1'dan energi
juga tergantung dari kontribusi persamaan
iradi-
mula-mula
Y = harga 1'raksi "Fission Yield"
Fission
selama
yang
per 1'isi dalam MeV
dikeluarkan
plutonium
per 1'issi
dan uranium dengan
f
fff dan fE241 f U-236 mana 1'isi = U-235 ,Pu-241 C39 r,:39 r,241 ~39 + + + y23~ y239 E239 E23~ y241 E239 y239 + ~39 = tampang + lintang makroskopis r,:41~3:5~3~ ~35 r; ~3:5
(3)
(4)
yI = Fission Yield dari isotop
EI = energi yang dihasilkan
I
per
1'isi dari
i sotop
I
dalam MeV
B. Metode perbandingan
aktivitas
Seperti telah diuraikan
di atas bahwa isotop
rupakan hasil peluruhan langsung dari
reaksi
1'isi sehingga
dari isotop
aktivitasnya
1'luks neutron. Sedangkan isotop Cs-134
Cs-137 me-
yang dihasilkan
sebanding
bukan merupakan
dengan hasil
360
fisi langsung
~e~api
hasil
reaksi
(n.y)
dengan isolop hasil
fisi sehingga
NTL = L:f
(n, y) C¢D2
rY
neulronfisi di lampang mana =lin~ang ak~i ak~ivilas vi ~as lidak fisi neulron 1angsung. 1angsung. speklrum lampang linlang fluks mikroskopis peluiso~op isolop Cs-134 Cs-137 merupakan yang langkapan makroskopis fisi ruhan hasil
N
= lama iradiasi
T Dari besaran Cs-137
atas
di
sebanding
sebanding neutron,
maka
dengan
dengan
perbandingan
C¢D.
jumlah
aklivitas burn-up
adalah
berinleraksi
dengan
Sedangkan
fluks
yang
Cs-134/
jadi BU '" ¢T
Dari un~uk
hubungan mengukur
penguk ur an mengamati
dapa~
Cs-134/Cs-137
bahan bakar bekas.
di 1ak uk an
perbandingan
ial ah
aktivitas
dapal
dipakai
Dalam makalah ini
penguk uran
bur n-up dengan
Cs-134/Cs-137.
PENGUKURAN
melakukan
dilakukan
1. Pengukuran bungkan
perbandingan
burn-up
yang
III. METODE
Dalam
ini
pengukuran
dengan gross
dengan
cacahan
Cs-134
dan
Cs-137
fission
chamber yang dihu-
dua cara
gamma
ION-i.
dengan
361
2. Pengukuran gamma dengan High Resolution Gamma Spectrometer atau gabungan kedua-duanya. Pengukuran dengan fission chamber memerlukan peralatan yang sederhana dan waktu yang sangat singkat namun hal ini tidak memberi ketelitian yang tepat karena gamma yang dicacah berasal dari berbagai isotop. Pengukuran dengan menggunakan HRGS dapat membuat pengukuran langsung terhadap isotop yang dipilih dalam hal ini dipilih isotop Cs-134 dan Cs-137. Pengukuran dengan HRGS menghasilkan spektrum seperti gambar (1)
513
5
1321
2937
1529
2545
Enef'gy (keU)
Gambar 1. Spektrum gamma bahan bakar bekas dengan pengkayaan 93 ~ dan cooling time 1131 hari Dari
spektrum
ini
dipilih
jumlah
dengan energi 604,7 KeV dan 801,8 energy 661,6 KeV. Dari
percobaan
ini
pengukuran
KeV
cacah
dari
Cs-134
dan Cs-137 dengan
yang
dilakukan
yaitu
362
gabungan
dari
dan HGRS.
pengukuran
dengan
menggunakan
dengan susunan pengukuran
fission
chamber
seper~i gambar (2).
DETEKTOR H:lGS MEJA GESER
ION-l'
HI'Nj..
TIHAH
KETII~WI.i'd~ AIH
TABUNG FISSION
CHANBr.
""l Gambar
2. Susunan
El emen
alat pengukuran
bak ar bek as yang
pelat
lengkung
Jarak
an~ara
bahan
in~i
perkayaan
burn-up elemen bakar bekas
dipak ai adal ah el emen
yang terdiri dari 18 fuel plate pla~e
1.52 mm.
UAl x dan
tiap
Tiap plate terdiri
pIate
ber isi 220
axial
batang.
dari
9 U-235
61 cm dengan
~anggal
bahan bakar adalah 0 - 444 yang saa~ 11 Mei 1984. Waktu pendinginan
dilakukan pengukuran adalah 1131 hari. Elemen bakar diletakkan mendatar
~iap
~iap
jeni s
93 X. Identifikasi
dikeluarkan
dicacah
bak ar
pada
posisi
posisi dan
0 sampai
diperoleh
dengan
hasil
dilantai
60
cacahan
dengan gamma
dari bahan bakar seperti pada tabel (1).
kolam jarak pada
dan 5
cm
arah
363
Tabel 1. Profil arah axial Gamma
.
0 5 s Gamma 55 50 60 45 Gros 15 10 20 35 25 30 0,0126 0,0202 = 2,0245 Posisi 0,0257 0,0389 0,0455 0,0430 0,0488 0,0317 0,0334 0,0269 0,0011 0,0444 0, 0461
40 No. 1. Tot.al Gamma
Dar i t.abel (1) di ket.ahui bahwa ada pada posisi 25 em arah axial. diukur
eaeahan
Cs-134 dan Cs-137
sebut. diperoleh
eaeahan
Dengan
gamma
t.erbesar
menggunakan
pad a posisi
HRGS
maksimum
t.er-
hasil seperti pada tabel (2).
Tabel 2. Caeahan Cs-134 dan Cs-137 pada posisi 25 em Isot.op
IV. ANALISA
661.6 795.8 604.7 0.976 148960.00 341644.00 45720.00 + (BR) Caeahan 0,941 0,851 eabang Puneak t.enaga Perbandingan
DATA
Unt uk menear i persamaan
har ga bur n-up
di bawah ini
di gunak an
hubungan
sesuai
364
Total 9 burn-up=
A. Perhitungan Dalam dingan x
Total Gross Gamma r-.•...••.•<:-<:- r-.",mm", x 9 burn-up PH •..•...• "'''"
gram burn-up
hal
aktivitas _ CLuas
ini.
pada puncak
pada titik puncak
pertama.
dilakukan
perhitungan
relati~
Cs-134 dan Cs-137.
Puncak)
CKoreksi Waktu Pendinginan) Cabang) CEfisiensi Detektor)
cs - CPerbahdingan
(5)
per ban-
(6)
Luas puncak Cs-134
C604.7 keY) =
Cs-137
B. Korelasi Karel asi
45720.00
C801.8
keY) = 148960.00
(661.6
keY) = 341644.00
waktu pendinginan waktu
terhadap
pendinginan
diperoleh
dengan
hubungan
CF =
e -AT
(7)
di mana A = waktu paruh
j./2 j./2
T = waktu pendinginan = 1104 hari= 11 31 hari t 753 Cs-137 Cs-134 t waktu pendinginan
sehingga Faktor
koreksi
untuk Cs-134
= 2.832
Faktor
koreksi
untuk Cs-137
= 1.074
C. Perbandingan Cs-134 Cs-137
Cabang
(604.7
keY) = 0.976
(801.8
keY) = 0.941
(661.6
keY) = 0.851
365
D. Efisiensi Unluk
deleklor perhilungan
efisiensi
deleklor
diambil
sebagai
acuan adalah lingkal energi 504,7 keY BR (504,7) BR (801.8)
~ (801,8) = Luas Puncak (801,8) Luas Puneak (604,7)
Karena ~ (551) lerlelak anlara energi (604.7 keY)
maka
~(651)
dapal
dicari
dengan
menggunakan grafik log-log (lihal gambar ~ (551) = 1,492.
(8)
keY) dan (801.8
inlerpolasi
dengan
3) diperoleh
hasil
9
9 r
7
7
.
I, .,'
M
.-=
.•.
1
,1
604.7
795.8+801.8
661.6 Tenaga
Gambar 3.Efisiensi Dengan menggunakan persamaan
Gamma(keV)
relalif
vs lenaga
(2) diperoleh
Cs-137 adalah Cs-137 2893117. Cs-134 Jadi perbandingan
Cs-134 Cs-137
Dari
dala
diperoleh
burn-up pada
di
alas,
relalif
132552.
seperli
posisi 25 em
dan
aklivilas
= 0.4585
Dengan menggunakan kurva kalibrasi diperoleh
gamma
dengan
adalah
menggunakan
burn-up lolal = 81.05 gram.
pada
gambar (4)
1,954 g U-235. persamaan
(5)
SPENT-fUEL CALIBRATION CURVE:
VVV
50
/' / / V/ /
",,-
.-
./
/
V",,//''
~ ~ '-..../ 0.. 40
:J c::
~
:J CO
--' c:: Q)
o~
w
0) 0)
Q)
0...
E 30
o --'
.«
20 0.05
0.15
025 134 Cs/ 137 Cs
Gambar
0.35
Ratio
4. Kurva kalibrasi
bahan bakar bekas.
0.45
367
V. DISKUSI/KESI MPULAN Unt uk bahan yang sama tel ah di uk ur sebel umnya bahwa burn-up bahan bakar dengan no. identifikasi 0-444 adalah 82,2 g, yang oleh Laboratorium Safeguard Los Alamos National Laboratory dijadikan sebagai standar. Dengan membandingkan kedua hasil ini terdapat hasil yang cukup memuaskan yaitu per bedaan 1 X. Dar i per cobaan dengan menggunak an posi si -posi si lainuntuk lain sepanjang batang elemen bakar, sebagai acuan, menghitung burn-up terdapat perbedaan hasil antara 1 sampai dengan 8 X. Hal ini dapat dijelaskan karena pada posisi ini adalah posisi dimana sinar gamma paling kuat sehingga dapat mengatasi atenuasi dengan baik. Dari pengukuran ini dapat disimpulkan bahwa pengukuran akan memberikan hasil yang baik bila cacahan isotop Cs-134 dan Cs-137 dilakukan pada posisi maksimum dari distribusi gamma ar ah axi al . Sesuai dengan tujuan akuntansi bahan bakar metoda pengukuran ini cukup baik dan dapat dipertanggung jawabkan hasi 1nya kar ena mempunyai ketel i ti an cuk up ti nggi sehi ngga penyimpangan pemakaian bahan bakar bekas dapat diketahui secara dini dalam waktu singkat.
ACUAN 1. AUGUSTSON R.H and Reilly T.D, "Fundamental of Passive Non Destructive Assay of Fissionable Material" Los Alamos Scientific Laboratory Report LA-5651-M, September 1974. 2. HSUE S. T Cs, "Non-Destructive Assay Methods For Irradiated Nuclear Fuels," Los Alamos Scientific Laboratory LA-6923, January 1978. 3. REILLY T.D and PARKERJ.L "A Guide to Gamma-Ray Assay For Nuclear Material Accountability," Los Alamos Scientific Laboratory Report, LA-5794-M, March 1975.
368
4.
ROGERS
D.R
"Handbook
of
Nucl ear
Safeguard
Met.hod," NUREC/CR-2078,SAI-LM-2855, COmnUssion,
Measurement.
US Nuclear
Regulat.ory
Sept.ember 1978.
TANYA .lAWAB 1. Tegas Sutondo
a.
Hohon
dijetaskan
Cs-134/Cs-137
b.
dari
mana dipero~eh
grafik
ratio
Vs Bu
Kenyataan grafik pada tampiran (2) didapat dari jenis bahan bakar/reaktor yang berbeda dengan RSG. Dengan demikian grafik tersebut tidak bisa dijadikan standard penguku:ran
RSG
mohon komentar
oteh
Laboratorium
BU di
.lawaban
a. b.
Grafik
dibuat
Departemen Safeeuard. Da~am maka~ah ini e~emen
bakar
LANL yane
Los
A~amos
diukur
ada~ah
e~emen bakar yang dibuat standar o~eh ~aboratorium tersebut dimana kami me~ak'!..IR.anpene-u.R.1.1I'an. Untuk RSG ma,~a kami menunegu standar
yang dike~uarkan
I AEA o/n
Depertem.en Safeguard LANL, atau membuat kurva standar sendiri dengan DA atau dari historis e~emen bakar. 2. Y. Sardjono
a.
Baeaimana
denean
sumber
standar
bahan
baR.ar bekas
yang akan dipakai di RSG, m.eneineat pengkayaannya beda, density beda yane menyebabkan koefisien serapan diri yang berbeda. b . .lika RSG akan m.embuat standar maka jangan dari hasi ~ perhitunean
tetapi
ka~au
bisa
Sebab ka~au dari perhitungan ra~at yane cukup besar
denean
hasi~nya
distructive.
akan memberikan
.lawaban
a.
RSG betum punya standar, A.~an menge~uarkan
standar
untuk
tujuan
peneawasan
~.mt"tlk densi. ty
'( 20
%
IAEA. (LEU)
369
untuk perbedaan-perbedaan terhadap
i tu
perbedaan
kecit akan ditakukan asat
perbedaan
koreksi
tidak
tertatu
menyotok. b. Destructive
Assay harus mendapat
izin dari IAEA.
Terima kasih atas sarannya 3. Dewanto Apakah
S ado. hubunean
antara
rat io Cs
kurva
denean
jenis
?
bahan bakar dan muatan awat (seear) ..Jawaban Ada. karena penearuh atenuasinya 4. Zaenat
setf atenuasi
makin
tebat mead. setf
makin besar.
Abidin
Kapan peneukuran
denean
metoda
ini bisa dikatakan
efektif
..Jawaban Efekt if bi to.
Ada kurva katibrasi Dan
cara
peneukuran
takukan/membua t diketahui
yane sesuai/standar mendekat i cara
s tandar
peneawas)
(ha tin
me-
i sudah
