STUDI DESAIN HTTR DENGAN PENDINGIN PB-BI BERBAHAN BAKAR URANIUM DAN THORIUM
TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Kelulusan Tahap Sarjana di Program Studi Fisika Institut Teknologi Bandung
oleh Deby Mardiansah 102 03 022
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG BANDUNG 2007
LEMBAR PENGESAHAN STUDI DESAIN HTTR DENGAN PENDINGIN PB-BI BERBAHAN BAKAR URANIUM DAN THORIUM
TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi syarat kelulusan tahap Sarjana di program studi Fisika Institut Teknologi Bandung
oleh Deby Mardiansah 102 03 022
Telah diperiksa dan disahkan oleh pembimbing tugas akhir
Pembimbing
Dr. Zaki Su’ud, M.Eng NIP. 131 679 353
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG BANDUNG 2007
Kupersempahkan Untuk Bapak Dan Ibu Ku Yang Tercinta Dan juga Para Penegak Khilafah Rosyidah ‘Ala min Hajji Nubuwah
Rasulullah saw. bersabda, "Jadilah kamu seorang pengajar, atau pelajar, atau mendengarkan (ilmu), atau mencintai (ilmu), dan janganlah kamu menjadi orang yang kelima (bodoh), kamu pasti menjadi orang yang celaka." (H.R. Imam Baihaki). Rasulullah saw. bersabda, "Barangsiapa yang melalui suatu jalan guna mencari ilmu pengetahuan, niscaya Allah akan memudahkan baginya jalan ke surga." (H.R. Imam Muslim r.a)
STUDI DESAIN HTTR DENGAN PENDINGIN PB-BI BERBAHAN BAKAR URANIUM DAN THORIUM DESIGN STUDY OF THE HTTR WITH LEAD – BISMUTH COOLANT BY URANIUM AND THORIUM FUEL Nama Nim Alamat Kelompok Keahlian Hari/Tanggal Waktu Tempat Pembimbing Penguji
: Deby Mardiansah : 102 03 022 : Jl. Taman Hewan RT. 03/08 No. 32A/56 Bandung 40132 : Fisika Nuklir dan Biofisika : Kamis, 20 September 2007 : 12.30 WIB : Prodi Fisika (Lab. Nuklir) : Dr. Zaki Su’ud, M.Eng : 1. Dr. Rizal Kurniadi 2. Dr. Bobby Eka Gunara ABSTRAK
High Temperature Engineering Test Reactor (HTTR) adalah salah satu jenis reaktor temperatur tinggi berpendingin gas helium (High Temperature Gas-cooled Reactor, HTGR) yang didesain dengan low-enriched uranium (LEU). Sebagai reaktor test yang memiliki karakteristik khusus dalam bidang keselamatan, HTTR dirancang dengan daya 30 MW, bertemperatur output 950 oC dan dijaga keadaannya agar temperatur teras tak melebihi 1600 oC dengan pengaturan distribusi daya pada arah radial dan aksial teras reaktor melalui pengaturan posisi elemen bahan Bakar. Pada studi kali ini dilakukan perubahan pada pendingin dari gas menjadi menggunakan pendingin Pb-Bi (timbal-bismuth). Pusat core dibangun atas blok fuel assembly dengan 15 jenis pengayaan (enrichment) yang memiliki variasi pengayaan antara 3.0 wt% - 12 wt%. Bahan bakar yang memiliki penayaan lebih besar diletakkan teratas dan ter luar pada daerah core untuk mengurangi temperatur maksimum bahan bakar. Kekritisan pertama reaktor dicapai saat pengisian 24 kolom bahan bakar dengan harga faktor multiplikasi efektif 1.0128 dan ekses reaktifitasnya 1.2628E-2 ( % Δ k / k ) untuk bahan bakar uranium, sedangkan faktor multiplikasi efektif 1.1074 dan ekses reaktifitasnya is 9.7021E2 ( % Δ k / k ) untuk bahan bakar thorium. Perhitungan distribusi daya difokuskan pada teras reaktor dengan 18, 24 dan 30 kolom bahan bakar pada saat beginning of life (BOL) dengan membuat sedatar mungkin pada arah radial dan membuat eksponesial pada arah aksial untuk daearah core, serta analisis keadaan teras reaktor selama beroperasi dengan periode burn up 660 hari. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan program SRAC-EWS yang memanfaatkan data nuklida dari JENDL3.2 untuk menghasilkan data penampang makroskopik yang efektif dari masing-masing komposisi material teras reaktor. Perhitungan cell menggunakan geometri berbentuk hexagonal untuk elemen bahan bakar dan silinder geometri untuk perisai lentari, perisai dapat ganti,
batang kendali dan dummy block bahan bakar. Keseluruhan perhitungan teras
menggunakan CITATION modul dengan model geometri
θ - R - Z.
Kata kunci : uranium, thorium, kekritisan pertama, reaktivitas, HTTR, timbal-bismuth (Pb-Bi)
i
STUDI DESAIN HTTR DENGAN PENDINGIN PB-BI BERBAHAN BAKAR URANIUM DAN THORIUM DESIGN STUDY OF THE HTTR WITH LEAD – BISMUTH COOLANT BY URANIUM AND THORIUM FUEL ABSTRACT
The High Temperature Engineering Test Reactor (HTTR) is the type of High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR) which use low-enriched uranium. As a test reactor owning special safety characteristics, HTTR has designed with thermal output of 30 MW, outlet temperature of 950 oC and the maximum fuel temperature shall not be exceed 1600 oC at any anticipated with arrangement core power distribution at radial and axial direction passing arrangement position of uranium enrichment. Gas coolant in HTTR is changed lead–bismuth (PbBi) as coolant. The center of core is constructed with fuel assembly block with different 15 kinds enrichment, the lowest and highest enrichment are 3.0 wt% and 12.0 wt%, respectively. Fuels of higher-enriched uranium and thorium are placed in the upper and outer core region to reduce the maximum fuel temperature. The critical approach of the HTTR was carried out by the fuel addition method at room temperature, the dummy fuel block were replaced to the fuel blocks from outer core region. Pb-Bi coolant can give effect to multiplication and excess reactivity in the core HTTR. The first criticality which Pb-Bi coolant could be achieved at 24th column of fuel loading with effective multiplication factor is 1.0128 and excess reactivity is 1.2628E-2 ( % Δ k / k ) for uranium (UO2) and effective multiplication factor is 1.1074 and excess reactivity is 9.7021E-2
( % Δ k / k ) for
thorium (ThUO2). Power distribution calculation graphic at the beginning of life (BOL) of 18th, 24th and 30th fuel column was made as flat as possible at radial direction and made eksponential at axial direction of core region. Also analysis of core region situation during operation with burn up period of 660 days. HTTR was examined using SRAC-EWS program. The user nuclear library was derived mainly from JENDL3.2 to yield effective macroscopic from each material composition. Cell calculation was performed by using hexagonal geometry for fuel assembly and using the equivalent cylindrical geometry for permanent reflectors, replaceable reflectors, control rods and dummy fuel elements. The whole core calculation was done using CITATION module of SRAC-EWS system in
θ - R – Z geometry.
Keyword : uranium, thorium, first criticality, excess reactivity, HTTR, lead – bismuth coolant
ii
PRAKATA
-iii-
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir sarjana ini. Salawat serta salam tak lupa juga penulis sampaikan kepada nabi besar junjungan alam, Rasulullah Muhammad SAW. Penyusunan laporan tugas akhir yang berjudul “Studi Desain HTTR dengan Pendingin Pb-Bi Berbahan Bakar Uranium dan Thorium” merupakan syarat kelulusan bagi tingkat pendidikan sarjana di program studi Fisika Institut Teknologi Bandung. Penulisan laporan tugas akhir sarjana ini merupakan implementasi dari ilmu yang telah diperoleh selama mengikuti pendidikan di tingkat sarjana pada disiplin ilmu Fisika khususnya kelompok bidang keahlian Fisika Nuklir dan Biofisika. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Ayahanda dan Ibunda tercinta, Sukardi dan Marliyah , juga kakak-kakakku tercinta (Mas Belly dan Mbak Diah) serta adik-adikku (Feby dan Geby) atas segala kasih sayang, dukungan, dan doa yang telah dipanjatkan, semoga Allah SWT membalas dengan kebahagiaan yang berlipat ganda, di dunia dan di akhirat kelak. Amin. 2. Bapak Dr.Eng Zaki Su’ud, yang telah membimbing penulis selama kurang lebih satu tahun dalam penyusunan tugas akhir ini 3. Bapak Dr. Rizal Kurniadi dan Dr.rer.nat Bobby Eka Gunara atas segala kritik, saran dan kesediaannya untuk menjadi penguji dalam sidang tugas akhir penulis. 4. Sobat – sobatku, Rangga, Ade, Ismail, dan Wawan, takkan pernah dapat penulis lupakan persaudaraan dan semua nasihat berharga kalian semua. 5. Pak Yeye dan Bu Silvi yang telah banyak membantu mengurus administrasi dan peminjaman buku.
PRAKATA
-iv-
6. Syabab – syabab pejuang penegak Khilafah Islam (Semoga Allah SWT., mencatatnya sebagai amal kebajikan). Terima kasih telah selalu mengingatkan sisi spiritual penulis. 7. Teman-teman satu laboratorium Rida, Asril, Andri, Adit, Indra, Arya, Kamil, Kang Dwi, Kang Syeilendara, bapak-bapak S2 (Pak Sunarko) dan S3 (Pak Epung, Pak Ali, Pak Imam, Pak Ade, pak Alan, dan Bu Yuli) atas diskusi, masukannya dan suasana yang menyenangkan . 8. Teman-teman Fisika Angkatan 2003, Agus (My best friend), Heri, Aah, Harri, Dhitya, Rena san, Teman – teman lab. Material (Rifki, Bebeh, Liher, Akfini, Ori dan Aunuddin), dan juga teman – teman lab.tetangga (Elka). 9. Teman-teman Fisika dan ITB semuanya yang telah membantu penulis melewatkan masa-masa kuliah di Bandung ini yang tak mungkin disebutkan satu-persatu. 10. Teman – teman lama saya yang selalu mendukung. Dan juga orang – orang yang tak mungkin disebutkan satu-persatu yang telah mendoakan saya agar hidup berjalan dengan benar dan baik sesuai dengan tuntunan Syara’. Akhir kata, seluruh kesempurnaan hanyalah milik Allah semata. Penulis hanyalah manusia biasa yang tak luput dari kesalahan dan kekurangan. Oleh karena itu, diharapkan saran-saran serta masukan yang berharga demi kemajuan bersama. Bandung, September 2007
Penulis
DAFTAR ISI
ABSTRAK ...............................................................................................................
i
PRAKATA ..............................................................................................................
iii
DAFTAR ISI ...........................................................................................................
v
DAFTAR TABEL ...................................................................................................
vii
DAFTAR GAMBAR ..............................................................................................
viii
DAFTAR LAMPIRAN ..........................................................................................
x
BAB I PENDAHULUAN
1
1.1 Latar Belakang Masalah .....................................................................................
1
1.2 Rumusan Masalah ..............................................................................................
2
1.3 Tujuan Penulisan ................................................................................................
3
1.4 Batasan Masalah ................................................................................................
4
1.5 Sistematika Penulisan ........................................................................................
4
BAB II TEORI DASAR
6
2.1 Penelitian dan Pengembangan HTTR ................................................................
6
2.1.1 Produksi hidrogen (HTTR-IS) .......................................................................
7
2.2 Reaksi Fisi .........................................................................................................
10
2.3 Persamaan Transport Boltzman dan Persamaan Difusi ....................................
11
2.4 Solusi Persamaan Difusi Multigroup ................................................................
13
2.5 Parameter Neutronik ...........................................................................................
15
2.5.1 Faktor Multiplikasi (keff) ...............................................................................
15
2.5.2 Reaktivitas (ρ) ..............................................................................................
17
2.6 Distribusi Daya ...................................................................................................
17
2.7 Bahan Bakar dan Rantai Konversi Uranium dan Thorium ................................
18
2.8 Burnable Poisons ................................................................................................
21
2.9 Alur Perhitungan SRAC-EWS ...........................................................................
22
-v-
-vi-
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR DAN PENDINGIN Pb-Bi
24
3.1 Konfigurasi Teras Reaktor ................................................................................
24
3.1.1 Bahan bakar....................................................................................................
27
3.1.2 burnable poison.............................................................................................
28
3.1.3 Batang kendali .............................................................................................
29
3.1.4 Blok replaceable reflector ............................................................................
29
3.1.5 Blok permanent reflector ..............................................................................
30
3.2 Karakteristik Material Teras Reaktor ................................................................
31
3.2.1 Partikel bahan bakar .....................................................................................
31
3.2.2 Material struktur ...........................................................................................
31
3.2.3 Moderator dan reflector ...............................................................................
32
3.2.4 Bahan pendingin (coolant) ...........................................................................
32
3.2.5 Material batang kendali dan burnable poison ..............................................
33
3.3 Karakteristik Pendingin Timbal-Bismut (Pb-Bi) ...............................................
34
BAB IV DATA DAN ANALISIS HASIL PERHITUNGAN DESAIN HTTR
36
4.1 Parameter Desain Teras Reaktor ......................................................................
36
4.1.1 Komposisi bahan bakar pada teras reaktor .................................................
36
4.1.2 Pengaturan elemen bahan bakar, batang kendali dan racun dapat bakar .....
39
4.1.3 Pembagian Region dan Mesh ......................................................................
42
4.2 Analisis Hasil Perhitungan Desain Teras Reaktor ............................................
43
4.2.1 Kekritisan pertama reaktor (HTTR-first criticality dan excess reactivity) ...
43
4.2.2 Burn-up Teras HTTR ...................................................................................
47
4.2.3 Distribusi Daya Teras HTTR .......................................................................
55
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
62
5.1 Kesimpulan .........................................................................................................
62
5.2 Saran ..................................................................................................................
63
DAFTAR PUSTAKA ..............................................................................................
64
LAMPIRAN ...........................................................................................................
65
-vii-
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1
Spesifikasi HTTR ...........................................................................
24
Tabel 3.2
Partikel Bahan Bakar ......................................................................
31
Tabel 3.2
Perbandingan Sifat Pendingin .........................................................
35
Tabel 4.1.1
36
Tabel 4.3.1
Kerapatan Atom Pada Kompak Bahan Bakar Kernel Uranium (3.4%-9.9% ) .................................................................................. Kerapatan Atom Pada Kompak Bahan Bakar Kernel Uranium (3%-12% ) ...................................................................................... Kerapatan Atom Pada Kompak Bahan Bakar Kernel Thorium (3%-12% ) ..................................................................................... Kerapatan Atom Pada Homogenisasi Kompak Bahan Bakar Uranium (3.4%-9.9%) .................................................................... Kerapatan Atom Pada Homogenisasi Kompak Bahan Bakar Uranium (3%-12%) ........................................................................ Kerapatan Atom Pada Homogenisasi Kompak Bahan Bakar Thorium (3%-12%) ........................................................................ Pengaturan Elemen Bakar Uranium dan Thorium (a) .....................
Tabel 4.3.2
Pengaturan Elemen Bakar Uranium dan Thorium (b) .....................
41
Tabel 4.4
Pembagian Teras Reaktor Arah θ ...................................................
42
Tabel 4.5.1
Pembagian Teras Reaktor Arah R (a) ..............................................
43
Tabel 4.5.2
Pembagian Teras Reaktor Arah R (b) ..............................................
43
Tabel 4.6.1
Pembagian Teras Reaktor Arah Z (a) ..............................................
43
Tabel 4.6.2
Pembagian Teras Reaktor Arah Z (b) ..............................................
43
Tabel 4.7.1
Bahan Bakar Uranium dan Thorium (a) ..........................................
47
Tabel 4.7.2
Bahan Bakar Uranium dan Thorium (b) ..........................................
49
Tabel 4.7.3
Bahan Bakar Uranium dan Thorium (c) ..........................................
51
Tabel 4.8.1
Distribusi Daya Arah Radial Bahan Bakar Thorium .......................
55
Tabel 4.8.2
Distribusi Daya Arah Radial Bahan Bakar Uranium .......................
56
Tabel 4.9.1
Distribusi Daya Arah Aksial Bahan Bakar Thorium .......................
58
Tabel 4.9.2
Distribusi Daya Arah Aksial Bahan Bakar Uranium .......................
59
Tabel 4.1.2 Tabel 4.1.3 Tabel 4.2.1 Tabel 4.2.2 Tabel 4.2.3
36 37 37 38 38 40
-viii-
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Sistem proses produksi pada HTTR-IS ............................
8
Gambar 2.2 Skema reaksi IS-proses ....................................................................
9
Gambar 2.3 Skema sederhana pilot test plant .....................................................
10
Gambar 2.4 Grafik Banyaknya Neutron terhadap Waktu di dalam Reaktor ....... 15 Gambar 2.5 Reaksi uranium di dalam core (a) U-235 dan (b) U-238 ................. 17 Gambar 2.6 Reaksi thorium di dalam core Th232-U233 ....................................
19
Gambar 2.7 Diagram blok perhitungan desain reaktor dengan SRAC ................ 21 Gambar 3.1 Penampang Vertikal Teras HTTR ...................................................
24
Gambar 3.2 Perangkat Elemen Bakar .................................................................. 25 Gambar 3.3 Partikel, Kompak Bahan Bakar dan Pil Racun Dapat Bakar
26
Gambar 3.4 Batang Racun Dapat Bakar ............................................................. 26 Gambar 3.5 Batang Kendali ...............................................................................
27
Gambar 3.6 Perisai Grafit Dapat Ganti ..............................................................
28
Gambar 3.7 Perisai Lestari .................................................................................
28
Gambar 4.1 Teras Dilihat Secara Radial dan Aksial ........................................... 37 Gambar 4.2 Penomoran Pengisian Elemen Bahan Bakar ....................................
42
Gambar 4.3 Penampang Horizontal Model Teras 18 Kolom Bahan Bakar .........
43
Gambar 4.4 Penampang Horizontal Model Teras 24 Kolom Bahan Bakar .........
43
Gambar 4.5 Penampang Horizontal Model Teras 30 Kolom Bahan Bakar .........
44
Gambar 4.6 Grafik Faktor Multiplikasi Efektif Teras HTTR (kasus A) .............
46
Gambar 4.7 Grafik Reaktivitas Teras HTTR (kasus A) ......................................
46
Gambar 4.8 Grafik Faktor Multiplikasi Efektif Teras HTTR (kasus B) .............
48
Gambar 4.9 Grafik Reaktivitas Teras HTTR (kasus B) ......................................
48
Gambar 4.10 Grafik Faktor Multiplikasi Efektif Teras HTTR (kasus C) .............
50
Gambar 4.11 Grafik Reaktivitas Teras HTTR (kasus C) ......................................
50
Gambar 4.12 Grafik Distribusi Daya Arah Radial Teras 18, 24 dan 30 Kolom Bahan Bakar Thorium Gambar 4.13 Grafik Distribusi Daya Arah Radial Teras 18, 24 dan 30
55 55
-ix-
Kolom Bahan Bakar Uranium Gambar 4.14 Grafik Distribusi Daya Arah Aksial Teras 18, 24 dan 30 Kolom Bahan Bakar Thorium Gambar 4.15 Grafik Distribusi Daya Arah Aksial Teras 18, 24 dan 30 Kolom Bahan Bakar Uranium
57
58
-x-
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A
Contoh Input SRAC untuk Perhitungan Assembly
66
LAMPIRAN B
Contoh Input SRAC untuk Perhitungan Cell (18 Kolom)
81
