APLIKASI PAKET PROGRAM SOURCE2 UNTUK PENGKAJIAN PENDAHULUAN KESELAMATAN FASILITAS PENYIMPANAN LIMBAH DEKAT PERMUKAAN DI PPTN SERPONG
Dadang Suganda Pusat Teknologi Limbah Radioaktif
ABSTRAK Aplikasi Paket Program Source2 Untuk Pengkajian Pendahuluan Keselamatan Fasilitas Penyimpanan Limbah Dekat Permukaan di PPTN Serpong. Telah dilakukan penelitian tentang aplikasi paket program source2 untuk pengkajian pendahuluan keselamatan fasilitas penyimpanan limbah dekat permukaan (PLDP) di PPTN. Limbah radioaktif hasil dari aplikasi iptek nuklir, rumah sakit, dan industri untuk tingkat radiasi aktifitas rendah, maupun menengah harus disimpan. Untuk itu diperlukan adanya suatu fasilitas penyimpanan limbah radioaktif yang sesuai dengan standar keselamatan yang telah ditetapkan oleh IAEA. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji pelepasan radionuklida di dalam fasilitas PLDP dan terjadinya degradasi pada penghalang buatan fasilitas PLDP. Radionuklida yang diamati adalah: Cs-137. Pada penelitian ini diaplikasikan perangkat lunak SOURCE2 yang dikeluarkan oleh RAE/Oak Ridge National Laboratory (ORNL) untuk melakukan pengkajian pendahuluan fasilitas penyimpanan limbah dekat permukaan (PLDP) konseptual dengan model silo di PPTN Serpong. Hasil penelitian menunjukkan bahwa faktor adveksi dan difusi berperanan pada laju pelepasan radionuklida di dalam fasilitas PLDP dan mempengaruhi terjadinya degradasi pada penghalang buatan fasilitas PLDP.
ABSTRACT Aplication Of Source2 Code for Preliminary Safety Assessment of Near Surface Disposal Facility in PPTN Serpong. Aplication of Source2 code for preliminary safety assessment of near surface disposal facility in PPTN Serpong has been done. Radioactive waste, generated from application of nuclear technology and science, hospital, and industrial, of low and intermediate level have to be disposed. It is needed disposal facility of radioactive waste that suitable with standard of safety which have been specified by IAEA. The aim of this research is to assess the release of radionuclide and the degradation of barrier in disposal facility. Radionuclide observed was Cs-137. This research was carried out by using SOURCE2 code published by RAE / Oak Ridge National Laboratory (ORNL) to assess the release of radionuclide from disposal, silo model, in PPTN Serpong. Result of research indicate that factor of advection and diffusion share at accelerating release of radionuclide in disposal facility and influence the happening of degradation of barrier in disposal.
PENDAHULUAN Limbah radioaktif hasil dari aplikasi iptek nuklir, rumah sakit, dan industri untuk tingkat radiasi aktifitas rendah, menengah, maupun tinggi harus dikelola dan disimpan. Untuk itu diperlukan adanya suatu fasilitas penyimpanan limbah radioaktif yang sesuai dengan standar keselamatan yang telah ditetapkan oleh IAEA. Berbagai model penyimpanan telah diteliti oleh negara-negara maju seperti Amerika Serikat, Inggris, Rusia, Perancis, Swedia, Kanada dll. Model penyimpanan yang dipilih harus sesuai dengan resiko dan usia limbah. Model penyimpanan limbah dekat permukaan (PLDP)
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
adalah suatu pilihan yang tepat untuk limbah radioaktif yang mengandung waktu paruh pendek dan konsentrasi rendah bagi radionuklida usia panjang. Untuk penelitian kali ini dipilih model PLDP di dalam suatu silo (Gambar 1.). Untuk mencapai standar dan prinsip-prinsip keselamatan yang telah ditetapkan oleh IAEA, diperlukan suatu pengkajian keselamatan fasilitas PLDP. Sebagai awal dari pengkajian tersebut dipelajari model-model migrasi radionuklida. Pengkajian tersebut bermula dari perkiraan laju pelepasan radionuklida di dan dari fasilitas PLDP menuju ke lingkungan penerima. Umumnya fasilitas PLDP dipengaruhi oleh inventori radionuklida kontainer yang digunakan untuk menyimpan limbah dan proses-proses fisika [1]. Proses-proses tersebut adalah transport radionuklida, aliran fluida, dan degradasi kontainer. Radionuklida yang diamati adalah: Cs-137. Penelitian ini dilakukan dalam rangka pengkajian pendahuluan keselamatan fasilitas PLDP di PPTN Serpong.
METODA MATEMATIKA Berbagai metoda matematika telah direkomendasikan untuk mengkaji pelepasan radionuklida dan terjadinya degradasi di dalam fasilitas PLDP, diantaranya oleh Rogers and Associates Engineering Corporation Tahun 1992 dalam paket program SOURCE2. Paket program ini mempelajari laju lepasan radionuklida dan terjadinya degradasi penghalang buatan pada silo umumnya sebagai fungsi dari integritas engineer barrier (penghalang buatan) pada fasilitas PLDP. Dalam keadaan utuh, kontak air dengan penghalang buatan akan sangat minim karena itu laju lepasan radionuklida dari fasilitas PLDP juga minim. Ketika penghalang buatan memburuk atau terdegradasi karena waktu dan rusak, air dapat dengan cepat kontak dengan limbah, dengan demikian laju lepasan radionuklida menjadi lebih cepat menuju lingkungan. Laju penapisan air yang melalui limbah digunakan untuk menghitung laju pelepasan radionuklida yang disebabkan oleh adveksi [2]. Laju pelepasan
radionuklida yang
disebabkan oleh difusi juga dihitung oleh SOURCE2.
Transport Radinuklida Paket program SOURCE2 memandang dua mekanisme pelepasan radionuklida, yaitu pelepasan secara adveksi dan difusi. Model pelepasan radionuklida secara adveksi menjadi objek penelitian kali ini. Transport radionuklida melalui fasilitas PLDP menggunakan persamaan proses adveksi dan diffusi-dispersi yang dikoreksi oleh peluruhan radioaktif dan efek-efek
218
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
retardasi karena reaksi fisika dan kimia antara kontaminan dan medium sebagai berikut:
∂C D ∂ 2 C v ∂C − − λdC = ∂t R d ∂x 2 R d ∂x
(1)
dengan: C t Rd D v λd
= konsentrasi (g/cm3) = waktu (detik) = koefisien Retardasi = koefisien difusi (cm2/detik) = kecepatan Darcy (cm/detik) = konstanta peluruhan radioaktif (detik-1) Paket program SOURCE2 mengasumsikan proses adveksi sebagai suatu
mekanisme transport radionuklida yang berlawanan dengan proses difusi dispersi, aliran air kedalam fasilitas PLDP terutama arah vertikal, dapat dinyatakan dengan kecepatan alir volumetrik (kecepatan Darcy). Solusi analitik adveksi didapat dari persamaan (1), di mana suku difusinya menjadi nol karena Rd = koefisien Retardasi besar sekali, λd = 0 pada daerah tak jenuh air. Sehingga persamaan (1) menjadi:
∂C v 1 ∂C =− C ∂t R d C ∂x
(2)
∂C = −λ L C ∂t
(3)
untuk daerah jenuh air:
∂C = − (λ L + λ d ) C ∂t
(4)
Persamaan (4) menggambarkan perubahan konsentrasi radionuklida dalam benda berpori. Solusi untuk λ L paket program SOURCE2 memberikan persamaan:
λL =
Qa I h w (p + K d ρ w )
dengan:
λL Qa
= laju pelepasan radionuklida karena adveksi (g/th) = inventori limbah yang tersedia untuk pelepasan (g)
219
(5)
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
I hw p Kd
ρw
= laju penapisan air yang melalui limbah (m/th) = ketebalan limbah (cm) = porositas limbah (-) = keofisien distribusi radionuklida (ml/g) = kerapatan limbah (g/cm3) Laju pelepasan radionuklida karena difusi (g/th), paket program SOURCE2
memberikan persamaan:
R e ( t ) = C 0 e − λt h ( t )
(6)
dengan: C0 λ t
= kensentrasi awal (g/cm3) = konstanta peluruhan radioaktif (detik-1) = waktu (detik)
Degradasi pada penghalang buatan Faktor terkuat untuk terjadinya degradasi pada penghalang buatan fasilitas PLDP adalah adanya serangan sulfat pada beton fasilitas PLDP. Serangan sulfat umumnya memanifestasikan dirinya dalam bentuk ekspansi dan akhirnya merusak beton. Hasil ekspansi menyebabkan stress, retakan, dan pengelupasan kulit dari permukaan beton. Pada model serangan sulfat di asumsikan terjadinya pecahan atau kerusakan pada daerah reaksi ketika dicapainya ketebalan kritis: 2 αγ (1 - µe) Xspall = ⎯⎯⎯⎯⎯ E (βCe)2
(7)
dengan: Xspall = ketebalan daerah reaksi akibat terjadinya kerusakan (m) α = faktor kekasaran (roughness) pada retakan/kerusakan γ = energi permukan yang retak pada beton (J/m2) µe = Poisson ratio beton E = Modulus Young (Pa) β = Strain linear yang disebabkan oleh satu mol sulfat yang bereaksi dalam 1 m3 Ce = konsentrasi sulfat (mol/m3) Ketebalan kritis ini dicapai pada saat: X2spall Ce tspall = ⎯⎯⎯⎯ 2Di Co
(8)
220
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
dengan: tspall = waktu terjadinya kerusakan (detik) Di = diffusi intrinsik (m2/detik) Co = konsentrasi sulfat air tanah (mol/ m3) Berdasarkan persamaan (7) dan (8), laju degradasi didefinisikan sebagai: Eβ2Co Ce Di R = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ αγ(1-µe)
(9)
dengan: R = laju degradasi (m/detik) Paket Program SOURCE2 Paket program SOURCE2 mengasumsikan proses adveksi sebagai suatu mekanisme dalam transport radionuklida yang berlawanan dengan proses difusi dispersi, aliran air kedalam fasilitas PLDP terutama arah vertikal, dapat dinyatakan dengan kecepatan alir volumetrik (kecepatan Darcy). Selain itu paket program SOURCE2 juga menghitung degradasi beton pada bagian atap, dinding, dan lantai dari penghalang buatan PLDP akibat serangan sulfat.
Data Masukan Data masukkan yang digunakan dalam paket program SOURCE2 adalah: Diasumsikan bahwa data fasilitas PLDP (silo) konseptual di PPTN Serpong adalah sebagai berikut: Tabel 1 No 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Penyimpanan Limbah Dekat Permukaan (PLDP) Tebal tanah penutup (m) Tinggi Silo (m) Jari-jari Silo (m) Tebal beton (m) Volume limbah (m3) Densitas limbah (kg/m3) Kecepatan air tanah vertikal (m/th)
Keterangan 0,60 4,90 7,56 0,304 300,9 2500 10,3
HASIL DAN PEMBAHASAN Dengan menggunakan data masukkan, paket program SOURCE2 dioperasikan sehingga diperoleh beberapa keluaran mengenai laju pelepasan radionuklida Cs-137
221
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
yang disebabkan oleh factor adveksi dan difusi sampai dengan tahun ke 1000 dan pengaruhnya sehingga terjadinya degradasi pada penghalang buatan fasilitas PLDP seperti terlihat pada tabel 2, dan 3 di bawah ini: Tabel 2 Tahun 4 . 12 . 16 . 20 . 40 . 60 . 100 . 160 . 208 . 400 . 600 . 800 . 1000 .
Laju Lepasan Radionuklida Proses Adveksi (g/th) 9.1381 x 10-06 . 1.5639 x 10-07 . 1.9010 x 10-07 . 2.1661 x 10-07 .. 2.7256 x 10-07 . 1.5821 x 10-05 . 4.5026 x 10-06 . 6.8360 x 10-07 . 1.5131 x 10-07 . 3.6319 x 10-10 . 3.6319 x 10-10 . 1.2650 x 10-15 . 2.3601 x 10-18 .
Laju Lepasan Radionuklida Proses Difusi (g/th) 0.0 . 0.0 . 0.0 . 3,5600 x 10-39 . 3.1669 x 10-23 . 3,8613 x 10-18 . 1,3962 x 10-14 . 3,8350 x 10-13 . 5,9853 x 10-13 . 2,89078 x 10-14 . 2,89078 x 10-14 . 4,3067 x 10-19 . 1,0298 x 10-21 .
Tabel 3 Tahun
Degradasi Beton Penghalang Buatan
Atap
Dinding
Lantai
1
Ketebalan beton (cm) Kehilangan beton karena serangan sulfat (cm) Ketebalan beton (cm) Kehilangan beton karena serangan sulfat (cm) Ketebalan beton (cm) Kehilangan beton karena serangan sulfat (cm) Ketebalan beton (cm) Kehilangan beton karena serangan sulfat (cm) Ketebalan beton (cm) Kehilangan beton karena serangan sulfat (cm) Ketebalan beton (cm) Kehilangan beton karena serangan sulfat (cm)
30,4 0,05 27,9 2,55 25,4 5,10 10,1 20,4 2,4 28,1 0,00 30,4
30,4 0,05 27,9 2,55 25,4 5,10 10,1 20,4 2,4 28,1 0,00 30,4
30,4 0,05 27,9 2,55 25,4 5,10 10,1 20,4 2,4 28,1 0,00 30,4
50 100 400 550 600
222
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
Dengan melihat hasil perhitungan pada tabel 2 terlihat bahwa pelepasan radionuklida akibat adveksi terjadi sejak tahun-tahun awal lalu menurun terus dan terjadi kenaikan untuk mencapai puncaknya pada tahun ke 60 sebesar 1.5821 x 10-05 g/th. Kemudian menurun lagi sampai nilai minimumnya pada tahun ke 1000 sebesar 2.3601 x 10-18 g/th . Sedangkan pelepasan radionuklida akibat difusi baru terjadi sejak tahun ke 20 kemudian menaik terus pada tahun-tahun berikutnya sehingga mencapai puncaknya pada tahun ke 208 sebesar 5,9853 x 10-13 g/th dan menurun terus sampai nilai minimumnya pada tahun ke 1000 sebesar 1,0298 x 10-21 g/th. Dari tabel 3 terlihat bahwa akibat pelepasan radionuklida maka terjadi degradasi pada beton pada fasilitas PLDP. Degradasi
ini terjadi sejak tahun pertama dan
mencapai puncaknya di tahun ke 600. Di mana pada tahun ke 600 ini pada beton baik di atap, dinding, dan lantai terjadi kerusakan sempurna setebal 30,4 m.
KESIMPULAN Dari hasil penelitian maka beberapa kesimpulan dapat diberikan sebagai berikut: 1. Hasil perhitungan menunjukkan faktor difusi dan adveksi berpengaruh di dalam pelepasan radionuklida di dalam fasilitas PLDP di PPTN Serpong. 2. Degradasi total beton pada penghalang buatan terjadi pada tahun ke 600. 3. Mengingat beberapa data masukkan sekunder yang
diperoleh
berdasarkan
asumsi maka hasil dari pengkajian ini masih perlu diperbaharui.
DAFTAR PUSTAKA 1. Sullivan, T.M., Disposal Unit Source Term (DUST) Data Input Guide, Brookhaven National Laboratory Upton, NY 11973, 1993. 2. Shuman, R., Chau, N., Jennrich, E.A., The Source Computer Codes : Models for Evaluating The Long-Term Performance of SWSA 6 Disposal Units, Version 1.0: User’s Manual, Rogers and Associates Engineering Corporation, P.O. Box 330, Salt Lake City, Utah 84110-0330, April 1992.
223
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
Lampiran
Gambar 1. Fasilitas PLDP Model Silo
224
