1"'!"os/(llIIg /,,1/11/1
.\"l'lIlfIlOr
Ilus"
1\:ndIfJO!1
1)2
rUN
::(){)~
DESAIN
TERAS
SETIMBANG RSG-GAS BERBAHAN MUA T TINGGI U-MO
BAKAR
TINGKAT
T.M. Sembi ring, T. Taryo dan I. Kuntoro Pusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset-Batan
ABSTRAK DESAIN TERAS SETIMBANG RSG-GAS BERBAHAN BAKAR TIl\'GKAT MUAT TINGGI U-MO. Konversi teras reaktor RSG-GAS dari bahan bakar oksida ke silisida dengan uranium dalam mea! sebesar 2,96 g cm-3 telah berhasil dilaksanakan. Untuk Illengantisipasi penggunaan bahan bakar U-ivlo menggantikan bahan bakar silisida untuk reaktor riset, studi awal penggunaan bahan bakar U-Mo di reaktor RSG-GAS perlu dimulai. Penelitian ini berkaitan dengan aspek neutronik teras setimbang 1l10libdenum sebagai fungsi kerapatan uranium dan kandungan molibdenum. Tujuan penelitian ini adalah memperoleh kerapatan uranium dalam mea! yang optimal untuk bahan bakar molibdenum yang digunakan di reaktor RSG-GAS. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan kombinasi paket program WIMSDkerapatan
58 dan 8atan-EQUIL-2D. Hasil perhitungan menunjukkan kerapatan uranium dalam mea! 6 w/o dan 9 w/o 1l10libdenum, U-6Mo-AI dan U-9Mo-AL sebesar 3,55 g cm-3 dan mengandung dapat diusulkan sebagai kandidat pengganti bahan bakar silisida clan dapat digunakan teras setimbang reaktor RSG-GAS karena teras tersebut memenuhi kriteria keselamatan mengurangi kemampuan pemanfaatan reaktor.
dalam tanpa
f(ata kll/lci: Reaktor RSG-GAS. balulII bakar /1/olibde/lll/1/
ABSTRACT DESIGN OF THE EQUILIBRIUM RSG-GAS CORE USING THE HIGH URANIUM reactor core conversion from oxide to silicide DENSITY FUEL OF U-MO. The RSG-GAS fuel with the uranium meat density of 2.96 g cm·3 has been successfully implemented. To anticipate the use of U-Mo fuel instead the silicide fuel for research reactors_ the preliminary study on the utilization of U-Mo fuel for RSG-GAS reactor is considered to start. This present work deals with the neutronic aspects of the equilibrium molybdenum core as a function of uranium density and molybdenum content. The objective of this present work is to obtain an optimum uranium meat density of molybdenum fuel for RSG-GAS reactor. Calculations are carried out using combination of WIMSD-5B ancl Batan-EQUIL-2D codes. The calculated results showed the U-Mo fuel with uranium meat density of 3.55 g cm'3 and contains 6 w/o and 9 w/o Mo, U-6Mo-AI and U-9Mo-AI fuels, can be proposed as the candidate to instead the silicide fuel and can be used in the equilibrium RSG-GAS reactor core because the cores meet the safety criteria without decreasing utilization capabilities. f(ey-words: RSG-GAS reactor, tlze lIlo(rbde/llllllfllei
PENDAHULUAN Pada
awalnya
menggunakan kerapatan teras
bakar
Serba
uranium
dalam
uranium
oksida
meat yang sama,
pada bulan Oktober
Guna
oksida
uran ium dalam meat sebesar
campuran
uranium
bahan
Reaktor
dan teras
G.A.
(U30s-AI)
2,96 g cm-3. uranium silisida
2002. 379
Siwabessy,
reaktor
berpengkayaan
rendah
Sete lah d ioperasikan
silisida setimbang
(U3Si2-AI)
reaktor
RSG-GAS, dengan
menggunakan
dengan RSG-GAS
kerapatan dicapai
I~~N OS5·1-527S
/)esmJ}
Ii!rus
li'lgor
Stud i yang mcnda lam tentang GAS
menggunakan
d ilakukan
untuk
kenaikan
reaktor
panjang
saat ini [I].
Mo di reaktor
konversi
molibdenum
Mo.
Tujuan
keselamatan.
penelitian
t'asilitas
bakar
U-ivl0 yang optimal
teras
banyak
iradiasi juga dievaluasi
kelompok
setimbang
program
batasan
U-Mo_
WI MS 0-5
keselamatan
dalam
8
dan unjuk
untuk kelja
adalah
untuk
serta pcmanfaatan
reaktor
untuk
riset jenis
moIibdenum
dalam
penelitian
menggunakan
meal dan
kerapatan
uranium
reaktor
U-Mo
dengan
RSG-GAS.
dan unjuk
kelja
ini.
konstanta
yang sama
dalam
daya.
Batan-EQUIL-2D
menggenerasi
aspck neutronik
paket program
bakar
(U-
bahan bakar U-
uranium
I1lcmpcroleh
menaikkan
reaktor.
dengan
dan faktor puneak
sel bahan
reaktor
tcras silisida
kerapatan
dua-dimensi,
Perhitungan
50% dibanding
untuk teras sctimbang
padam
Se luruh perh itungan teras d ilakukan neutron
ini diperolch
ini berkaitan
fungsi
ini adalah
margin
tcras
maka studi awal pemanfaatan Penclitian
meal yang
uran ium dalam
RSG-GAS
kcandalan
bahan
sebagai
seperti
sebesar
teras reaktor
perlu dimulai.
dalam meal bahan bakar
neutronik
yang signifikan
RSG-
3,55 - 4,8 g em-3 telah
g em-3 dan dengan
3,55
dalam tahap kualifikasi.
setimbang
Kriteria
adalah
penggunaan
RSG-GAS
meal sebesar
dalam
dan untuk memenuhi
antisipasi
Mo) yang sedang
kandungan
operasi
utama
siklus operasi
bahan bakar si Iisida d i reaktor
stud i sebe lum nya, kerapatan
RSG-GAS
siklus
Tujuan
Untuk
teras
uranium
[1-2] _ Berdasarkan
optimal
panjang
kerapatan
pcnggunaan
Sl'{lIl1bUl1g
.\/.')'(,1l1brrmg
metode
[3] untuk dilakukan
d it'usi
d ifusi
meperoleh
dengan
paket Kriteria
neutron.
teras saat ini dipakai
sebagai
desain.
DESKRIPSI REAKTOR RSG-GAS Reaktor RSG-GAS
RSG-GAS
mempunyai
adalah
reaktor
daya nominal
serbaguna
30 MWth
jenis
menggunakan
kolam-terbuka. 40 clemen
Reaktor bakar standar
(E8, tcrdiri dari 21 pelat bahan bakar), 8 clemen bakar kendal i (EK, terdiri dari 15 pelat bahan bakar) dan 8 penyerap seperti
yang
digunakan
ditunjukkan
scbagai
GambaI' posisi iradiasi (satu)
Ag-In-Cd
dalam
rcflcktor
Gambar
dan sebagai
I menunjukkan
yang disusun
bahwa
I.
Berilium
pendingin
reaktor
di dalam
lOx
10 posisi kisi teras
dan air ringan
masing-masing
dan moderator.
RSG-GAS
mempunyai
8 (delapan)
(lP), 4 (em pat) buah posisi untuk hydraulic rabbil system (HYRS)
buah posisi pneumatic
rabbit .~)'stelll (PNRS). 380
Posisi tcrsebut
digunakan
buah dan I untuk
PrrHlding /(,11/111
St'JI/;1I0r JO()~
produksi
isotop,
(enam)
uji material berkas.
rada
1111, reaktor
Dengan
saat
kerapatan
delapan
uranium
adalah
kelas
fraksi
bakar
l11endekati 7% (hilangnya Teras setimbang operasi
I
A
E
dengan
--- --
,0 ,,
'I
S
...;..
G F
[8
,
"""'-R1:' E8 J 10
~------_.
C ES
B
4 fB
5 EB
Blok Reflektor
METODE
6
F 8S E8 E8 H"( TE8 E8 E8 P 8 BS EB B EB EO 88S 38E8 EO: B EK E8 534E 378B 3O EO 5I I 888S 8 EK '8 638427E8 B EB 8 8 ,p B 8,p IP I E,'
8?S E8 B "5 EK £8
]I
K E66
8
RS
IP::8
sebesar
,
7
E8
Pnelll1lalic/
1. Konfigurasi
silisida
satu perangkat
EB dan EK
saat ini dibagi atas
(average
burn-up
sfep)
_
~~
i
~2 x
1014
neutron
s·
55
= ElcJ11cn 13eriliuJ11 dcngan !fydralilic
sebesar
-r--B
I
625 MWD dalam satu siklus
= Irradialion
pcnlltllp:/P
Posilioll.
Rabbil Syslel1l:
teras reaktor
RSG-GAS dengan kelas fraksi bakar
PERI-IITUNGAN
program
tampang
lintang
pcrhitungan
WIMS
'1986'
yang
disiapkan
batas tenaga
=
:'
__ ,3L--_ I
3 E6
;p
81;; = ElcJ11cn l3erilillJ11:/JS
Generasi
lintang
bakar
6
meat sebesar 2,96 g cm·3.
rerata
terl11al rerata di IP atau di clr
"tff';-
Gambar
fraksi bakar
saat ini dapat dioperasikan
P,VRS'!fY!?S
paket
selisih
Berilium
Nole:
dalam
bahan
250 g dan 178,6 g. Teras setimbang
H' ,), "S ",H',.,) --, --. 5, I---....;.. I I
\
uranium
juga memiliki
235U).
fluks neutron
.- ---
RSG-GAS
maka berat 235U dalam
dengan
. I. pa da daya nomll1a
3 ES
Reaktor
l11enggunakan
kerapatan
tersebut
sebesar
neutron.
RSG-GAS
19,75 w/o dengan
masing-masing
NS 25
dan aktivasi
buah tabung
berpengkayaan
1.cm ·2
ISSN (JS~·I·~27S
P 2lRN
//osll/)cJle!i/l(/!/
neutron
l11akroskopis
sel WIMSD-5B
[5] dalam sebanyak
masing-masing
sistcm
paket
bahan
bakar
U-Mo
[4] I11cnggunakan program
4 (el11pat) kelompok
MTR_PC tenaga
dilakukan
Pustaka V2.6 neutron
Data
dengan Nuklir
[6]. Tampang dengan
syarat
10 MeV, 0,821 MeV, 5,531 keV, 0.625 eV dan 10·
381
Fer(/.\
fJeWI111
Si.'I/111bul1g
J~lg(J" .\/.\'t'lIIblrll1g
5
cY.
Tampang
(% hilangnya racun pustaka
hasil
lintang
kcrapatan
235U),
belah
yang disiapkan
(Xe dan
yang sesuai dengan Teras RSG-GAS
di lakukan
dengan
EQUIL-2D
dengan
perhitungan
3-dimensi.
setiap
kelompok
b.
Tidak
ada
buckling
Koefisien neutron
ke
kehitaman digunakan
aksial
dalam
dalam
rcaktor,
Skcma
pcmuatan/pcrgeseran
lebihjclasnya
dapat dilihal
yang
c.
Balas margin
padam
d.
Batas rcaktivitas
10m pok
diperolch
coefficient),
teras Batan-
dari
hasil
CJ.(DB). untuk
perhitungan
margin
padam
Ag-In-Cd.
teras
kritcria
dan elemen
bakar.
bcrikut
ini:
lumlah
posisi
hanls dipertahankan.
bahan bakar sama dengan dalam
bentuk
X- Y. Perhitungan
bahan bakar U-1\10 digunakan
dan unjuk f~lsilitas iradiasi
Pustaka
teras saat ini, yang unluk
[I].
0.5 %L\k/k.
Icbih pada kondisi
dan Sm sctimbang.
kasus
dalam
dan
teras.
banyak-ke
(blackness
fraksi bakar
Mo. tcmpcratur
perhitungan
neutron
arah
fungsi
disusun
2-dimcnsi
d ifusi
yang kuat pada penyerap
modifikasi
kegiatan
tam pang lintang
oalam geomctri metode
sebagai
kandungan
input paket program
iradiasi
untuk
meat,
format
Dalam dcsain teras setimbang a.
dalam
Kumpulan
koreksi
serapan
dinyatakan
Sm).
program
tenaga
untuk mengoreksi
uranium
dimodelkan
paket
tcrscbut
adalah
akhir sikills (EOC).
scbesar
eksperiman,
1,0 %L\k/k.
Xc-m'erride
panas
Rcaktivitas
dan kondisi
Xe
lebih ini digunakan
dan pengisian-pengosongan
tabung
berkas. c.
Batas maksimum
Tabel dalam
survei
1 menunjukkan
penelitian
dengan
nilai I~lktor puncak
ini.
6 (cnam) Parameter
4,45 g em-3 dan kandungan parameter
dilakukan
karena
nilai kandungan
penelitian proses
ini.
kualitikasi
jcnis
daya (FPO) kc arah radial scbcsar bahan
kerapatan
uranium
Mo sebcsar Pemilihan bahan
bakar U-i'vlo yang menjadi
tersebut.
382
meat
perhatian
3,55 g em,3 sampai
6 w/o dan 9 w/o yang menjadi
kandungan bakar
dalam
1.4
Mo sebesar
rcntang
6 w/o dan 9 w/o
U-Mo saat ini dilakukan
untuk kedua
/'f'(}SIt!il1g .\'(,lI/inor FO/1I1!1 :00../
Ilusil
1\'1It'/ol011
Tabcl
I. I<arakteristik
I
bahan bakar yang mcnjadi
objck pcnclitian
- 69350 U-x%Mo-AI Jenis Bahan 300 4.15 Label Mo, Si300 6Mo300 9Mo300 w/o 4.45 4.15 No. II ----J IU3Si2-AI 6Mo350 9Mo375 3.55 3.55 3.55 Kerapatan uranium 9Mo350 6Mo375 I 375 dalam 300 meat, 4.45 Massa 235U 9 9I cm·3 I Kandungan I I
J
P2lRN
'
I
HASIL DAN PEMBAHASAN 2 mcnunjukkan
Gambar 6M0300.
bahan
bakar jenis
satu perangkat awal siklus margin
elemen
(BOC),
padam
dimasukkan
bakar
beberapa
U-Mo dengan standar.
pad a saat dingin
yang dipcroleh penuh.
Garis
parameter
yang penting
kandungan
sebagai
untuk teras setimbang
6 w/o Mo dan 300 g 235U dalam
fungsi
panjang
siklus,
reaktivitas
dan be bas Xe dan Sm, reaktivitas
pada saat satu batang kendali horizontal
dalam
Gambar
lebih EOC dan
bcreaktivitas
2 mcwakili
lebih
batas
tcrbesar
gagal
dcsain
yang
ditetapkan.
20.00
-+- BOC ___
15.00
EOC
----Ir- Margin Padam
:'::';
-'"
"'" 10.00
~ ~ x~'" '"
5.00
'"
cr:
0.00 margin padam -5.00
15
20
25
30
35
panjang Siklu5 (hari)
Gambar
2. Reaktivitas
Prosedur diperolchnya
(%L\k/k) vs. panjan¥,~iklus U-6Mo 300 g J)U
yang diterapkan
panjang
siklus
untuk
operasi
scluruh jenis
seoptimal 383
opcrasi
bahan
mungkin.
(hari) untuk teras
bakar Scperti
1l10libdcnull1 adalah ditunjukkan
dalam
n~'Sllil1 It'un TogoI'
GambaI'
2, panjang
pada daya pcnuh 69.4%.
Walaupun
panjang
siklus
sebesar
siklus
operasi
(fid! jJ01\'er day,
fpd) dengan
tidak clitunjukkan
optimalnya
untuk teras 6Mo300
dalam
fraksi bakar
laporan
buang
penelitian
adalah
32.5 hari
maksimum
sebesar
ini, untuk teras 9Mo300
aclalah 32 hari (fpcl) clengan fraksi
bakar buang
maksimum
68.5 %. Akan
tetapi,
teras setimbang
RSG-GAS
tidak clapat cliperoleh,
dipenuhi.
Misalnya
panjang EOC
yang optimal
.<·;('!J1Nht111g
.\1 Scmhlr1l1g
siklus
kurang
pembahasan
untuk
teras
6Mo350,
karena
clari batas
clesain
hasil clifokuskan
seperti
padam
yang
6 Mo400
salah satu kriteria desain
6Mo350.
45 hari batas margin
9 Mo350,
untuk
yang ditetapkan
tidak
yang clitunjukkan
clipenuhi
clitetapkan
pacla teras 6Mo300
clan 9Mo400
akan tetapi
yaitu
Gambar
rektivitas
1% f...k/k.
3. pad a
lebih pacla
Dengan
clemikian
clan 9Mo300.
-+- BOC
1600
....•.......EOC 14,00
---,k- Margin Padam
12.00
:::: 10.00 "'" "'"
~
8.00
'" ra
.~
6.00
£; .><
~
4.00
et::
2.00
0.00
margin padam -2.00 25
30
35
40
45
Panjang Sikfus (hari)
GambaI' 3. Reaktivitas
Tabel lebih
tinggi
margin
lebih tinggi reaktivitas
2 menunjukkan clibancling
menyebabkan
(%f...k/k) vs. panjang
bahwa
teras
padam
dan 9Mo300,
sepcrti
Si300 pada panjang
Si300
fungsi
panjang
lebih BOC teras 6Mo300 rentang
2,6%
EOC masing-masing
teras silisida.
yang ditunjukkan siklus
clalam
dan reaktivitas
18% jika clibanding lebih sebagai
reaktivitas
siklus (hari) teras U-6Mo
Hal ini disebabkan
-
350 g 235U
clan 9Mo300 Konclisi
3,7%.
Icbih rendah karena
lebih besar dari 29 hari.
384
30% clan
laju perubahan
siklus untuk teras teras molibdenum, GambaI' 4, Icbih rendah
1111
6M0300
clibancling teras silisicla
j>U)'\fdl!1g
la!lflll
St'lIIlI1{/r _)(}(J.I
//11.\"//\'/1I'://1/(1I1
/':;
INN
Tabel 2. Parameter -9Mo300 9,24 ::0:1,4 > 30 Si300 6Mo300 Batas 32 >1,0 >0,5 1,28 32,5 9,58 1,07 1,25 1,03 0,72 0,84 1,25 32,5 9,48 1,27 Parameter
Satuan
teras setimbang
molybdenum
hari %c.klk %i3.klk
Margin Padam Reaktivitas EOC (panas dengan
Sedangkan teljadi
untuk
perubahan
-
~ .•...
parameter sebesar
FPD maksimum
2% jika dibanding
6.00 -~>- 12.00 8.00 4.00 (/) 15
0 .•... (l) ro
ke arah radial
untuk
teras
molibdenum
teras silisida.
-+- 6Mo300 - -a - Si300
10.00 2.00
20
35
30
25
Panjang siklus operasi (hari) Gambar
4 Perbandingan
Tabel fasilitas
3 menunjukkan
iradiasi
jika dibanding
terpilih
tingkat
fluks
reaktivitas
neutron
untuk teras molibdenum
teras silisida.
tinggi dalam rentang
laju pengurangan
Sebaliknya,
0,4% -0.7%jika
di teras
termal
385
rerata
lebih kecil dalam
untuk tluks neutron
dibanding
Si300 dan 6Mo300
teras silisida.
cepat
(::0:
0.625
rentang (:2:
eV) pad a
0, 1%- 2,3%
0.625 eV) lebih
.\'t.'llm!'.mg
/1eS£l111 J'er(ls {(lgU/"
Tabel 3. Fluks neutron
termal
Si300 -1.0% -0.1% -0.2% -2.0% -0.9% -0.1% -2.3% -1.2% -0.9% -1.5% -1.2% 9Mo300 1013 8.28 -0.2% -1.1% 7.32x1013 8.19x1013 2.45 x-0.7% 2.42 2.02 x 1014 1014 1.97 6Mo300
rerata
(::; 0.625 eV) di posisi
.\I.<;eJ1/I.}J!"/I1~
iradiasi
terseleksi
E-1 0-1 8-1 E-6 G-7 0-7 8-6 (Acuan) Posisi Kisi
In cm-2 sec,1)
(IP)
KESIi\IPULAN Teras sebesar
RSG-GAS
berbahan
3.55 g cm,3 dengan
9\10-1\1,
clapat
digunakan mengurangi
diusulkan
kandungan sebagai
dalam teras reaktor kemampuan
bakar
U-!'vIo dengan ivlo sebesar
kandidat
RSG-GAS
pemanj~latan
karena
kerapatan
uranium
dalam
6 wlo dan 9 \\'/0. U-6ivlo-AI
pengganti mcmenuhi
bahan kriteria
bakar
dan U-
silisida
keselamatan
/Ileal
dan tanpa
reaktor.
PUSTAKA
[II
LlEM. P.I--I., et aI., Fuel Management Strategy for the New Equilibrium Silicide Core Design of RSG GAS (MPR-30). Nuclear Engineering and Design 180 (1998). p. 207-219. 12] SUPARLlNA, L. and Sembi ring. T.i'vl.. The RSG-GAS Core j'vlanagement with 4.5 Silicide Fuel, Indonesian Journal of Nuclear Science and and ,+.8 g U/cc Technology. Vol. IV. Special Ed. :..I (2003) (in Indonesian) [3] LI [j'vl. P.II .. Development of an In-Core Fuel Management Code for Searching the Equilibrium Core In 2-D Reactor Geometry (Batan-EQUIL-2D). Atom Indonesia 23, 2 (1997). [4] Answer Software Service AEA Technology, WIMSD-5B: Determenistic Code System for Reactor-Lattice Calculations, Winfrith. Unitecl Kingdom (1999). [5 J HALSALL, M.J. and TAUBMAN, C.1., The' 1986' WIMS Nuclear Data Libarry, United Kingdom Atomic Energy Agency, Winfrith, United Kingdom (1986). [6] VILLARINO, E.A., !'vITR_PC v2.6 System, INVAP, Argentina.
386
/'ros/(I!ng /,111/111
l/usIlIJellelrtW!1
Sl'IJ//IWr
P :;JRR
:e()(U
DISKUSI 1.
Pcnanya:
Lily Suparlina
Pertanyaan Untuk
:
densitas
neutronik
yang
dibanding
sama,
apakah
ada
perbcdaan
dalam
nilai-nilai
paramcter
silisida
Jawaban: Pengaruh
kandungan
panjang
siklus
membcrikan
2.
Pcnanya:
jika
operasi
teras,
6Mo
perbedaan
yang
sangat
I11cl11berikan hasil
32,5
keeil.
hari
Misal
untuk
scdangkan
9Mo
hasil 30 hari
Jati Susilo
Pcrtanyaan Alasan
Mo mCl11berikan
:
penggunaan
BB bekas
13B U-Mo adalah
di re-eksport
karcna
ke negara
pengolahan
selain
USA
limbah atau
di AS, bagailllana
bahkan
direprossesing
sendiri? Jawaban
:
Kalau kebijakan bakar
rccksport
"aat ini) sudah
eukup untuk operasi
3.
Pcnanya:
IV1.
hanya
eukup
salah satu alasan.
untuk
teras
RSG-GAS.
Jadi pcnggunaan Tanpa
Imron
:
Bagaimana
U-Mo Icbih baik dari yang lainnya (silisida)? :
Dari sisi opcrasi difabrikasi
U-i"vlo pun kita sudah
reaktor
PertaDyaan
Jawaban
U3Si2 (bahan
U-jvlo relatif
sal11pai dengan
sama dcngan
109 U/ee sedangkan
387
U3Si2.
U-Mo
U3Si2-AI
lebih baik karena
5,2 gU/ee
dapat
