INVESTIGASI PARAMETER BAHAN BAKAR PEBBLE DALAM PERHITUNGAN TERAS THORIUM RGTT200K

Investigasi Parameter Bahan Bakar Pebble dalam Perhitungan Teras Thorium RGTT200k (Zuhair)

ISSN 1411 – 3481

INVESTIGASI PARAMETER BAHAN BAKAR PEBBLE DALAM PERHITUNGAN TERAS THORIUM RGTT200K Zuhair1, Suwoto1, Putranto Ilham Yazid2 1

Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir – BATAN Kawasan Puspiptek Gedung No. 80, Serpong, Tangerang 15310 Tel. (021)756-0912, Fax. (021)756-0913, e-mail: [email protected] 2 Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri – BATAN Jl. Tamansari 71 Bandung 40132 Telp. (022)250-3997, Fax. (022)250-4081, e-mail: [email protected] Diterima:28-01-2013 Diterima dalam bentuk revisi: 06-02-2013 Disetujui: 17-06-2013

ABSTRAK INVESTIGASI PARAMETER BAHAN BAKAR PEBBLE DALAM PERHITUNGAN TERAS THORIUM RGTT200K. Dalam desain RGTT200K, pemanfaatan thorium sebagai bahan bakar merupakan alternatif yang perlu dipertimbangkan. Pada makalah ini dibahas parameter bahan bakar pebble dalam perhitungan teras thorium RGTT200K menggunakan program transport Monte Carlo MCNPX dan pustaka data tampang lintang energi kontinu ENDF/B-VII pada temperatur 1200K. Pengkayaan 233U sebesar 4%-20% serta pemuatan bahan bakar 232Th/233U sebesar 0,1g - 15g per pebble divariasikan untuk menganalisis kelakuan kritikalitas dan burnup teras thorium RGTT200K. Hasil perhitungan memperlihatkan pemuatan bahan bakar yang rendah menyebabkan teras RGTT200K mengalami kondisi overmoderated. Penambahan pemuatan bahan bakar setelah mencapai kondisi maksimum, menyebabkan kurva keff menurun dan teras mengalami undermoderated. Teras dengan pemuatan bahan bakar rendah mengakibatkan penurunan konsentrasi 233U dan kenaikan konsentrasi 233Pa yang tinggi. Sebaliknya, teras dengan pemuatan bahan bakar tinggi menunjukkan penurunan konsentrasi 233U dan kenaikan konsentrasi 233Pa yang rendah. Pemuatan bahan bakar 6 g dengan pengkayaan 233U 8% layak dipertimbangkan dalam desain teras thorium RGTT200K dengan nilai kritikalitas dan burnup bahan bakar yang spesifik. Kata kunci : bahan bakar pebble, kritikalitas, burnup, thorium, RGTT200K

ABSTRACT INVESTIGATION ON FUEL PEBBLE PARAMETER IN THE CALCULATION OF RGTT200K THORIUM CORE. In RGTT200K design, the utilization of thorium as a promising fuel becomes an alternative that should be considered. This paper discusses fuel pebble parameter in the thorium core calculation for RGTT200K. The calculations were performed with Monte Carlo transport code MCNPX and continuous energy cross section data library ENDF/BVII at the temperature of 1200K. The 233U enrichment between 4% and 20% also the increased 232 Th/233U fuel loading from 0.1 g to 15 g per pebble were varied to analyze the trends of criticality and burnup behavior of RGTT200K thorium core. The calculation results show that low fuel loading causes RGTT200K core has overmodearted condition. The addition of fuel loading after reaching its maximum condition causes keff curve decreases and RGTT200K thorium core has undermoderated condition. The core with low fuel loading indicates high decrease in 233U and high increase of 233Pa concentration. Instead of the core with high fuel loading indicates low decrease in 233U and low increase of 233Pa concentration. The fuel loading of 6 g with 233U enrichment of 8% can be considered in design of RGTT200K with a specific criticality and burnup values. Keywords: pebble fuel, criticality, burnup, thorium, RGTT200K

65

Jurnal Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia Indonesian Journal of Nuclear Science and Technology Vol. 14, No 2, Agustus 2013; (65-78)

1.

Energi nuklir merupakan kandidat sumber

memenuhi

energi

kebutuhan

PBMR)

Reactor,

PENDAHULUAN

terbaik

ISSN 1411 - 3481

potensial energi

di

400

MW

(3)

sejak

pertengahan 1990-an dan sejak awal telah

untuk

mengadopsi siklus turbin gas. Jepang telah

masa

membangun dan mengoperasikan reaktor

mendatang. Salah satu masalah paling

uji

krusial yang dihadapi energi nuklir adalah

berbahan

keselamatan. Kekhawatiran akan terjadinya

Temperature

kecelakaan karena kesalahan manusia atau

HTTR) 30 MW (4) pada tahun 1997 serta

karena bencana alam tidak bisa dihindari,

merencanakan untuk segera membangun

namun

(high

reaktor temperatur tinggi turbin gas (Gas

temperature reactor, HTR) sebagai salah

Turbine High Temperature Reactor, GTHTR)

satu jenis reaktor Generasi IV yang didesain

300 MW (5,6) sebagai HTR prismatik

memiliki

komersial

reaktor

dalam

temperatur

mekanisme operasinya,

tinggi

keselamatan

gas

bakar

temperatur prismatik

engineering

masa

Test

depan.

Cina

tinggi (High

Reactor,

mulai

menutupi

melakukan riset reaktor temperatur tinggi

masalah keselamatan yang dikhawatirkan.

berbahan bakar bola pada akhir 1970-an

Reaktor temperatur tinggi memenuhi kriteria

dan sebuah reaktor HTR-10 (7) telah

pokok yang dipersyaratkan sebagai reaktor

dibangun di Institute of Nuclear and New

Generasi

Energy

IV

(1),

mampu

pasif

berpendingin

yaitu

kesinambungan

Technology

(INET),

Universitas

(sustainability), keekonomian (economics),

Tsinghua. Reaktor ini mencapai kritikalitas

keamanan

and

pertama pada Desember 2000 dan telah

reliability) serta resistansi proliferasi dan

beroperasi pada daya penuh 10 MW (8).

proteksi fisik (proliferation resistance and

Pengalaman desain dan operasi HTR-10

physical protection). Reaktor jenis HTR

mengilhami

sendiri

sebagai

reaktor temperatur tinggi modul pebble bed

instalasi penyedia daya listrik, tetapi dapat

(High Temperature gas-cooled Reactor –

pula digunakan sebagai penyedia energi

Pebble-bed Modular, HTR-PM) (9,10) yang

termal untuk aplikasi industri proses seperti

diperkirakan selesai dibangun pada tahun

desalinasi air laut dan produksi hidrogen.

2014.

dan

tidak

keandalan

hanya

(safety

berfungsi

Banyak negara di berbagai belahan dunia

terlibat

dalam

juga

proyek

sedang

mengembangkan teknologi HTR sebagai kelanjutan dan optimisasi dari desain HTR

pengembangan teknologi HTR. Konsorsium

saat ini untuk mendapatkan temperatur

riset

sedang

outlet teras 1000 oC atau lebih dalam proyek

helium

Next Generation Nuclear Plant (NGNP) (11).

modular turbin gas (Gas Turbine - Modular

Proyek ini memprediksi prototipe skala

Helium Reactor, GT-MHR) 600 MW (2) yang

penuh reaktor temperatur sangat tinggi

ditujukan

untuk

mengurangi

(Very High Temperature Reactor, VHTR)

plutonium

untuk

senjata

dan

mengembangkan

Selatan

telah

riset

Amerika

mengusulkan

dan

Amerika

proyek

Cina

Rusia

desain

reaktor

akumulasi

nuklir.

mengembangkan

Afrika reaktor

modular pebble bed (Pebble Bed Modular

(12) dan akan mulai dibangun tahun 2015. Reaktor

temperatur

tinggi

menggunakan helium sebagai pendingin 66


ISSN 1411 – 3481

dan grafit sebagai moderator sekaligus

Pada makalah ini dibahas parameter

material struktur. Temperatur outlet teras

bahan bakar pebble dalam perhitungan

o

o

HTR dapat mencapai 700 C hingga 950 C.

teras thorium RGTT200K dengan program

Fitur keselamatan melekat yang dimiliki HTR

transport Monte Carlo MCNPX dan pustaka

didasarkan pada fakta bahwa densitas daya

data

yang

ENDF/B-VII

dipilih

tidak

akan

menyebabkan

temperatur bahan bakar melampaui batas

tampang

lintang

pada

energi

kontinu

temperatur

1200K.

233

U yang berbeda antara 4%

Pengkayaan

1600 oC dalam seluruh kondisi kecelakaan

dan 20% serta pemuatan bahan bakar

yang mungkin terjadi, bahkan ketika hanya

232

memanfaatkan sistem keselamatan pasif

hingga 15 g per pebble divariasikan untuk

untuk

mempertimbangkan

menghilangkan

panas

peluruhan.

o

Th/233U yang ditingkatkan dari 0,1 g pemakaian

bahan

Batas temperatur 1600 C telah dibuktikan

bakar thorium dengan jelajah pengkayaan

dalam eksperimen skala besar di Cina (13).

233

Bahan ribuan

bakar

partikel

HTR

mengandung

berlapis

TRISO

(Tri-

U dan pemuatan

232

Th/233U yang cukup

luas. Hasil perhitungan digunakan untuk menganalisis

ISOtropic) yang tertanam dalam matriks

kritikalitas

grafit. HTR dapat mengakomodasi berbagai

RGTT200K.

kecenderungan

dan

burnup

kelakuan

teras

thorium

bahan bakar secara luas dalam daur bahan bakar tanpa modifikasi desain teras yang

2.

signifikan.

2.1 Deskripsi Bahan Bakar Pebble dan Teras RGTT200K

(Reaktor

Dalam

desain

berpendingin

RGTT200K

Gas

Temperatur

TATA KERJA

Tinggi berdaya termal 200 MW Kogenerasi),

RGTT200K adalah reaktor temperatur

pemanfaatan thorium sebagai jenis bahan

tinggi dari jenis pebble bed berdaya termal

bakar yang menjanjikan menjadi sebuah

200 MW. Pebble bed dalam kavitas teras

alternatif yang perlu dipertimbangkan. Selain

memiliki diamater 300 cm dan tinggi 943 cm

sumber daya alam thorium tiga kali lebih

berisi 359.548 bahan bakar pebble. Struktur

banyak daripada uranium, nomor massa

grafit

232

memberikan

ketebalan radial efektif 100 cm serta aksial

akumulasi yang jauh lebih kecil dari nuklida

efektif total bagian atas dan bawah 750 cm.

bernomor massa tinggi trans-uranium (TRU),

Kavitas

yang dikenal paling bertanggung jawab atas

mempunyai tinggi 50 cm. Pendingin helium

Th

yang

lebih

rendah

yang

mengelilingi

yang

berada

teras

di

memiliki

atas

teras

sebagian besar radiotoksisitas limbah nuklir

dengan temperatur inlet teras sebesar 550

jangka panjang. Di sisi lain, thorium alam

o

terdiri dari isotop tunggal fisil,

tetapi

fertil.

232

Th yang tidak

Dengan

232

menangkap

ke bawah melalui celah-celah bahan bakar pebble dengan tekanan 52 bar dan aliran

U,

massa 120 kg/s. Parameter reaktor dan

yang dikenal sebagai nuklida fisil dengan

spesifikasi teras RGTT200K ditampilkan

kelakuan neutronik yang sangat baik di

dalam Tabel 1.

neutron,

Th bertransmutasi menjadi

233

C dan outlet teras 950 oC mengalir dari atas

daerah energi termal (14).

Pemuatan bahan bakar RGTT200K 67


ISSN 1411 - 3481

dapat dilakukan dengan skema OTTO (once

dibutuhkan

mekanisme

through then out), multipass dan peu á peu,

kompleks

seperti

namun karena geometri teras yang tidak

pengukuran burnup bahan bakar, resirkulasi

anular, ukuran diameter dan tinggi teras

bahan bakar dan ekstraksi peralatan yang

serta daya 200 MW, pola pemuatan dengan

membatalkan

skema OTTO atau multipass lebih bisa

kembali.

diadopsi. Dalam skema OTTO, bahan bakar

memiliki diameter 6 cm dan mengandung

pebble hanya digunakan sekali lewat untuk

ribuan

kemudian dikeluarkan setelah satu siklus

terdispersi dalam matriks grafit. Bahan

operasi. Dalam skema multipass, pemuatan

bakar pebble dikelilingi oleh shell grafit

dilakukan

dengan

berketebalan 0,5 cm. Setiap partikel TRISO

memasukkan bahan bakar pebble ke dalam

terdiri dari bahan bakar kernel ThO2/UO2

teras reaktor dari atas dan setelah kurun

berdiameter 0,050 cm yang dikelilingi oleh

waktu operasi reaktor, bahan bakar pebble

lapisan penyangga karbon (carbon buffer,

yang telah mencapai batas burnup tertentu

C), karbon pirolitik dalam (inner pyrolitic

dikeluarkan dari bawah teras. Bahan bakar

carbon, IPyC), silikon karbida (SiC) dan

pebble yang masih di bawah batas burnup

karbon pirolitik luar (outer pyrolitic carbon,

dikembalikan lagi ke dalam teras reaktor

OPyC).

untuk dapat dipakai kembali secara efisien

memiliki

dan optimal. Sirkulasi bahan bakar pebble

geometrik bahan bakar pebble dan partikel

secara berulang dapat dilakukan hingga 9

TRISO diilustrasikan dalam Gambar 1 dan

kali.

spesifikasinya ditampilkan dalam Tabel 2. Dalam

secara

skema

kontinu

OTTO,

bahan

Setiap partikel

pemuatan peralatan

bakar

bahan berlapis

Masing-masing ketebalan

untuk

digunakan

bakar TRISO

lapisan tertentu.

yang

pebble yang

coating Skema

tidak

Tabel 1. Parameter reaktor dan spesifikasi teras reaktor RGTT200K Parameter reaktor: Daya termal (MW) Volume teras (m3) o Temperatur inlet teras ( C) Temperatur outlet teras (oC) Tekanan He (MPa) Aliran massa pendingin (kg/s) 5 3 Densitas pendingin He pada 273,16K; 10 Pa (g/cm ) Spesifikasi teras: Tinggi teras (m) Radius teras (m) 3 Jumlah pebble per m Jumlah pebble dalam teras Fraksi packing pebble dalam teras (%) Impuritas boron alam dalam struktur grafit (ppm)

200 66,657 550 950 5,2 120 1,78×10-4 9,43 1,5 5.394 359.548 61 2

68


ISSN 1411 – 3481

Gambar 1. Skema geometrik bahan bakar RGTT200K (15).

Tabel 2. Spesifikasi bahan bakar ThO2/UO2 RGTT200K Bahan bakar pebble: Diameter pebble (cm) Diameter zona berbahan bakar (cm) Ketebalan shell grafit (cm) Densitas shell grafit (g/cm3) Impuritas boron alam dalam shell grafit (ppm) Partikel berlapis TRISO: Kernel bahan bakar Radius bahan bakar kernel (μm) 3 Densitas bahan bakar kernel (g/cm ) 233 Pengkayaan U (%) Impuritas boron alam dalam kernel (ppm) Lapisan coating Material lapisan coating Ketebalan lapisan coating (μm) 3 Densitas lapisan coating (g/cm )

baik

2.2 Model Perhitungan

6,0 5,0 0,5 1,75 1,0 250 10,4 4-20 1,0 C/IPyC/SiC/OPyC 95/40/35/40 1,05/1,90/3,18/1,90

neutron,

foton

maupun

elektron.

Tidak seperti kebanyakan tipe reaktor

Perhitungan transport neutron dalam reaktor

pada umumnya, RGTT200K yang berjenis

sangat dibutuhkan fisikawan reaktor untuk

pebble bed lebih sulit dimodelkan dan

mendesain teras reaktor.

memerlukan

teknik

menyelesaikannya.

khusus Program

untuk transport

Dalam

MCNPX,

program

deplesi

CINDER90 diintegrasikan untuk melengkapi

Monte Carlo MCNPX mampu menjawab

kemampuan

tantangan ini dengan tepat karena dapat

bakar.

memodelkan bahan bakar dan teras reaktor

CINDER90

pebble bed secara eksak dengan geometri

kritikalitas dan fluks neutron rerata 63

kompleks

Program

kelompok energi untuk setiap material oleh

MCNPX dikenal sebagai program yang

MCNPX. Fluks ini bersama dengan tampang

powerful untuk perhitungan transport partikel

lintang dan densitas atom yang terkait

tanpa

aproksimasi.

perhitungan

Hubungan diawali

siklis

burnup MCNPX

dengan

bahan dan

perhitungan

69


dikirimkan

ke

CINDER90.

Program

CINDER90 menggunakan fluks neutron dan tampang lintang satu kelompok energi untuk

ISSN 1411 - 3481

menggunakan persamaan [3] dengan eU233, AU233 dan ATh232 adalah pengkayaan berat atom

menghasilkan perhitungan aktivasi, deplesi dan peluruhan dalam waktu burnup yang dispesifikasikan.

Selanjutnya

CINDER90

memperbarui inventori isotop, menghitung burnup bahan bakar dan mengembalikan berbagai kuantitas lainnya ke MCNPX untuk menghitung kembali kritikalitas dan fluks neutron di langkah waktu berikutnya. Pemodelan teras RGTT200K terdiri dari dua langkah. Langkah pertama adalah memodelkan

bahan

bakar

dan

pebble

langkah berikutnya adalah memodelkan teras reaktor.

pebble, pemuatan bahan bakar pebble (mHM) dihitung terlebih dahulu menggunakan persamaan [1] dengan αHM, ρ, NTRISO dan Rkernel masing-masing adalah fraksi massa densitas

bahan

bakar

ThO2/UO2, jumlah partikel TRISO dalam setiap bahan bakar pebble dan radius bahan bakar kernel.

m HM

4 3    HM    N TRISO  Rker nel 3

[1]

menggunakan

persamaan

[2]

dengan AO dan ATh/U masing-masing adalah berat atom oksigen dan berat atom Th/U.

 HM

1

[3]

Dengan menggunakan jumlah partikel TRISO sebanyak 15000, secara rata-rata bahan bakar pebble berdiameter 6 cm mengandung 9 g pengkayaan

232

Th/233U untuk berbagai

233

U. Dari massa bahan bakar

dapat ditentukan jumlah partikel TRISO yang terkandung dalam setiap bahan bakar pebble.

Dalam

makalah

ini,

pemuatan

bahan bakar dapat ditingkatkan dengan cara

  2  AO  1    2  AO  ATh / U 

Karena radius bahan bakar kernel dibuat tetap pada nilai baku 0,0250 cm, maka pemuatan bahan bakar pebble divariasikan dari 0,1 g hingga 15 g dengan meningkatkan jumlah partikel TRISO. Partikel TRISO kemudian dimodelkan dengan kisi kubik sederhana (simple cubic, SC). Dalam MCNPX, model sel satuan partikel

TRISO

dibuat

dengan

meng-

generasi

permukaan-permukaan

bola

konsentris

seperti

diperlihatkan

dalam

Gambar 2. Bahan bakar pebble kemudian

Fraksi massa bahan bakar (αHM) dihitung

e 1  eU 233    U 233   ATh 232   AU 233

Th.

atau meningkatkan jumlah partikel TRISO.

Sebelum memodelkan bahan bakar

bakar,

U dan berat atom

U,

232

meningkatkan radius bahan bakar kernel

2.2.1. Pemodelan pebble

bahan

ATh / U

233

233

dimodelkan dengan membuat array pada sel satuan

partikel

TRISO

dengan

opsi

LATTICE (Gambar 3). Jarak antara partikel dipilih sedemikian rupa sehingga terdapat sejumlah partikel TRISO dalam bahan bakar

1

[2]

pebble untuk radius kernel 250 μm. Dari hubungan volumetrik antara pebble dan kernel serta jumlah partikel TRISO, ukuran

Berat

atom

Th/U

dihitung

pitch kisi SC (pSC) partikel TRISO dapat 70


diperoleh dari persamaan [4] dimana RZONA

ISSN 1411 – 3481

Konsentrasi nuklida kernel ThO2/UO2 233

U disajikan

adalah radius zona bahan bakar pebble.

untuk berbagai pengkayaan

Tabel 3 menyajikan pitch kisi SC yang

dalam Tabel 4, sedangkan konsentrasi

digunakan

nuklida lapisan coating partikel TRISO,

dalam

perhitungan

sebagai

matriks grafit dan shell grafit ditampilkan

fungsi jumlah partikel TRISO per pebble.

p SC  RZONA  3

4 3 N TRISO

dalam Tabel 5. [4]

Gambar 2. Model MCNPX untuk sel satuan partikel TRISO.

Gambar 3. Model MCNPX untuk bahan bakar pebble. Tabel 3. Pitch kisi SC untuk berbagai jumlah partikel TRISO per pebble mHM (g) 0,1 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0

NTRISO 165 823 1646 3293 4939 6586 8232 9879 11525

pitch kisi SC (cm) 0,734852 0,430092 0,341364 0,270913 0,236673 0,215024 0,199615 0,187841 0,178435

mHM (g) 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0

NTRISO 13172 14818 16465 18111 19758 21404 23051 24697

pitch kisi SC (cm) 0,170665 0,164096 0,158431 0,153478 0,149089 0,145165 0,141622 0,138403

71


ISSN 1411 - 3481

Tabel 4. Konsentrasi nuklida kernel ThO2/UO2 (atom/barn-cm3) Nuklida

4% 9,44729×10-4 2,27724×10-2 4,74342×10-2 1,14694×10-7 4,64570×10-7

233

U 232 Th 16 O 10 B 11 B

8% 1,88950×10-3 2,18240×10-2 4,74270×10-2 1,14694×10-7 4,64570×10-7

Pengkayaan 233U 12% 2,834315×10-3 2,08756×10-2 4,74198×10-2 1,14694×10-7 4,64570×10-7

16% 3,77916×10-3 1,99271×10-2 4,74125×10-2 1,14694×10-7 4,64570×10-7

20% 4,72404×10-3 1,89786×10-2 4,74053×10-2 1,14694×10-7 4,64570×10-7

Tabel 5. Konsentrasi nuklida lapisan coating partikel TRISO, matriks grafit dan shell grafit 3 (atom/barn-cm )

Nuklida 12 C 28 Si 10 B 11 B

Penyangga karbon 5,26449×10-2 -

Lapisan coating TRISO IPyC/OPyC 9,52621×10-2 -

SiC 4,77240×10-2 4,77240×10-2 -

Matriks grafit/ Shell grafit 8,77414×10-2 9,64977×10-9 3,90864×10-8

Gambar 4. Model MCNPX untuk reaktor RGTT200K.

dimodelkan dengan menyusun konfigurasi

2.2.2. Pemodelan teras Dalam teras RGTT200K, bahan bakar secara

acak

bakar

pebble

dengan

struktur

dan

berulang memanfaatkan opsi LATTICE. Nilai

keacakannya dimodelkan dengan kisi body

fraksi packing 61% dalam model kisi BCC

centered-cubic (BCC). Kisi BCC terdiri dari

dipilih agar sesuai dengan nilai tipikal yang

dua pebble, yaitu satu pebble utuh terletak

biasa digunakan untuk teras reaktor pebble

di pusat kisi dan delapan pebble tidak utuh

bed.

pebble

dimuatkan

bahan

(masing-masing 1/8 pebble) terletak di

Gambar 4 mengilustrasikan model

delapan sudut kisi. Jarak pitch kisi BCC

MCNPX teras penuh RGTT200K. Konus di

dihitung dari hubungan fraksi packing dan

bagian bawah teras dimuati oleh moderator

radius pebble. Teras pebble bed kemudian

pebble dan dimodelkan dengan kisi dan 72


ISSN 1411 – 3481

fraksi packing yang sama dengan bahan

RGTT200K. Opsi KSRC dimanfaatkan untuk

bakar pebble yang menempati teras reaktor.

mendefinisikan sumber neutron fisi awal

Dengan demikian, teras aktif pada dasarnya

yang dilokasikan di pusat bahan bakar

memiliki bentuk silinder karena konus di

kernel

bagian bawah teras hanya berisi moderator

multiplikasi

pebble. Komposisi dan densitas atom setiap

kejadian fisi ke generasi berikutnya.

region dalam RGTT200K disajikan dalam Tabel 6 dan 7.

guna

mengawali

neutron

Seluruh

dari

perhitungan satu

perhitungan

generasi dikerjakan

dengan pustaka data nuklir energi kontinu

Dalam perhitungan ini, efek absorpsi

ENDF/B-VII pada temperatur 1200K. Data

dari impuritas ditentukan dalam bentuk

hamburan

kandungan

diaplikasikan untuk seluruh material reaktor

boron

natural

(ppm)

yang

ekivalen dengan massa.

yang

neutron

mengandung

mempertimbangkan 3.

efek

grafit

guna

binding

yang

opsi

bawah ~4 eV. Opsi BURN dalam MCNPX

dengan

diterapkan untuk melakukan perhitungan

mensimulasikan 5.000 neutron per siklus

deplesi guna mengestimasi burnup bahan

untuk 100 siklus generasi guna memonitor

bakar sebagai fungsi daya dan waktu

perubahan populasi neutron dalam teras.

operasi reaktor.

KCODE

perhitungan

unsur

graph.01t

signifikan pada neutron dengan energi di

HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam

S(α,β)

MCNPX,

dimanfaatkan

Skipping 10 siklus generasi dikerjakan untuk menstabilkan reaksi berantai dalam simulasi

Tabel 6. Densitas atom pendingin helium dan void (atom/barn-cm) Nuklida 4 He 3 He

Helium -5 2,65156×10 3,71220×10-11

Void (region 2) -11 1,00000×10 -

Tabel 7. Komposisi dan densitas atom material struktur reaktor RGTT200K No. Region 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Material struktur Reflektor 1 Void + grafit Reflektor 2 Lapisan karbon di sekeliling sistem Reflektor + kanal pendingin Reflektor + batang kendali Reflektor 3 Bolla dummy disederhanakan sebagai grafit Bolla dummy dimodelkan sebagai carbon bricks Moderator pebble

Densitas atom (atom/barn-cm) 10 11 C B B -2 -8 1,37562×10-7 7,72000×10 3,39617×10 3,56378×10-9 2,00000×10-3 8,79837×10-10 -2 -8 1,60905×10-7 3,97246×10 9,03000×10 -3 -8 8,53000×10 1,51995×10-7 3,75250×10 7,02000×10-2 -2 3,51000×10 3,51000×10-2 -2 5,38275×10

3,08823×10-8 1,54411×10-8 1,54411×10-8 5,72218×10-8

1,25089×10-7 6,25444×10-8 6,25444×10-8 2,317772×10-2

7,97184×10-2

0

0

9,22571×10-2

2,28337×10-9

9,24878×10-9

73


Iterasi

distribusi

dieksekusi

MCNPX

neutron

fisi

dengan

mencapai

waktu

16

MB

untuk

setiap

1,71743

kasus

teras

U. Perhitungan kritikalitas

233

U yang tinggi. Penambahan

menurun secara perlahan dan teras thorium

jumlah partikel TRISO antara 165 dan

RGTT200K

24.697 per bahan bakar pebble. Radius

mengalami Dapat

undermoderated.

kernel dibuat tetap 0,0250 cm. Dalam

transisi

perhitungan ini digunakan 5 pengkayaan

dari

kondisi

kondisi

diamati

pula,

overmoderated

ke

undermoderated tidak sama untuk setiap

233

U yang bervariasi dari 4% hingga 20%.

teras

Dari Gambar 5 dapat diamati bahwa,

dengan

berbeda.

kurva faktor multiplikasi efektif (keff) teras

pengkayaan

Perubahan

efektif, konsentrasi

dari

faktor

233

U

yang

multiplikasi

233

U dan konsentrasi

233

Pa merupakan indikator yang relevan

pemuatan bahan bakar 0,1 g cenderung

keff

kondisi

kondisi maksimum, menyebabkan kurva keff

langkah yang dikerjakan dengan mengubah

signifikan

mengalami

pemuatan bahan bakar setelah mencapai

dari 0,1 g hingga 15 g. Variasi terdiri atas 17

secara

RGTT200K

pengkayaan

pemuatan bahan bakar yang divariasikan

meningkat

U yang lebih rendah.

grafit dan material fisil yang kecil untuk

teras thorium RGTT200K dilakukan untuk

diawali

U

overmoderated sebagai akibat dari rasio

233

yang

233

Pada pemuatan bahan bakar yang rendah

pemuatan bahan bakar pada berbagai

RGTT200K

masing-masing

233

untuk pengkayaan

teras thorium RGTT200K sebagai fungsi

thorium

1,76026

1,64767;

pemuatan bahan bakar yang lebih tinggi

hasil

perhitungan faktor multiplikasi efektif (keff)

pengkayaan

dan

1,53319;

keff

Nilai keff maksimum terjadi pada

10.000 MWd/t dari 0 hingga 100.000 MWD/t mengilustrasikan

1,28353;

Nilai

4%, 8%, 12%, 16% dan 20%.

thorium RGTT200K dengan langkah burnup 5

maksimum.

dicapai oleh teras dengan pengkayaan

kritikalitas dan burnup bahan bakar teras

Gambar

nilai

maksimum

komputasi rerata 40 jam dalam workstation quadcore

ISSN 1411 - 3481

dalam pemanfaatan bahan bakar thorium.

hingga

2.0

2.0

1.8

1.8

1.6

1.6

1.4

1.4

1.2

1.2

1.0

1.0

0.8

0.8 Pengkayaan U-233 - 4% Pengkayaan U-233 - 8% Pengkayaan U-233 - 12% Pengkayaan U-233 - 16% Pengkayaan U-233 - 20%

0.6 0.4

0.6 0.4

0.2

0.2

0.0

0.0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Pemuatan Bahan Bakar (gram)

Gambar 5. Faktor multiplikasi efektif (keff) teras thorium RGTT200K sebagai fungsi pemuatan bahan bakar pada berbagai pengkayaan 233U.

74


Gambar

6

mengilustrasikan

hasil

ISSN 1411 – 3481

rendah.

perhitungan keff teras thorium RGTT200K

Untuk seluruh teras, pengkayaan

233

U

sebagai fungsi burnup pada pemuatan

8% menyisakan nilai keff yang rendah (< 1)

bahan bakar yang berbeda, yaitu 2 g, 6 g

pada

dan 15 g. Burnup bahan bakar dalam teras

pemuatan bahan bakar yang rendah (2 g)

reaktor merupakan aspek penting dalam

dan nilai keff yang tinggi (> 1) untuk

menentukan desain reaktor pebble bed.

pemuatan bahan bakar yang tinggi (6g dan

Sebuah determinasi yang akurat dari burnup

15 g).

100.000

burnup

MWD/t

untuk

bahan bakar di dalam reaktor membutuhkan


konfigurasi teras reaktor menyeluruh karena

teras dengan pemuatan bahan bakar yang

akan

rendah

menentukan

fluks

dan

spektrum

neutron selama deplesi.

konsentrasi

Dalam perhitungan burnup, dipilih pengkayaan

memperlihatkan

233

U 8% dan daya spesifik 200

penurunan

233

U yang tinggi sedangkan

teras dengan pemuatan bahan bakar yang tinggi

memperlihatkan 233

U

yang

penurunan rendah.

Pada

MW untuk 10 langkah burnup. Setiap

konsentrasi

langkah burnup berkorespondensi dengan

pemuatan bahan bakar 2 g, konsentrasi

periode 36 hari yang menghasilkan burnup

pada burnup maksimum adalah 8,006E+03

total 100.000 MWd/t. Gambar 7 dan 8

kg sedangkan di awal siklus 5,752E+04 kg

mengilustrasikan konsentrasi

233

U dan

233

Pa

sebagai fungsi burnup bahan bakar

233

U

yang berkorespondensi pada penurunan 86,1 %. Pada pemuatan bahan bakar 6 g


dan 15 g terjadi penurunan konsentrasi

233

U

pemuatan bahan bakar 6 g memperlihatkan

masing-masing sebesar 80,1 % dan 73,2 %.

nilai keff yang paling tinggi di awal siklus,

Ini berarti lebih banyak tangkapan neutron

namun penurunan reaktivitasnya cenderung

yang terjadi di dalam teras thorium dengan

lebih besar dibandingkan pemuatan bahan

pemuatan bahan bakar yang tinggi sehingga

bakar 15 g. Penurunan reaktivitas tertinggi

penurunan konsentrasi

diperlihatkan oleh pemuatan bahan bakar 2

menjadi lebih rendah.

233

U di burnup final

g karena konsentrasi bahan bakarnya yang 1.6

1.6 Pemuatan Bahan Bakar - 2 gram Pemuatan Bahan Bakar - 6 gram Pemuatan Bahan Bakar - 15 gram

keff

1.5

1.5

1.4

1.4

1.3

1.3

1.2

1.2

1.1

1.1

1.0

1.0

0.9

0.9

0.8 0e+0

0.8 2e+4

4e+4

6e+4

8e+4

1e+5

Burnup Bahan Bakar (MWd/t)

Gambar 6. Faktor multiplikasi efektif (keff) teras thorium RGTT200K sebagai fungsi burnup pada pemuatan bahan bakar yang berbeda.

75


ISSN 1411 - 3481

5e+5

5e+5

Konsentrasi U-233 (gram)

Pemuatan Bahan Bakar - 2 gram Pemuatan Bahan Bakar - 6 gram Pemuatan Bahan Bakar -15 gram 4e+5

4e+5

3e+5

3e+5

2e+5

2e+5

1e+5

1e+5

0e+0

0e+0

0e+0

2e+4

4e+4

6e+4

8e+4

1e+5


Konsentrasi Pa-233 (gram)

Gambar 7. Konsentrasi 233U sebagai fungsi burnup bahan bakar pada pemuatan bahan bakar yang berbeda.

7000

7000

6000

6000

5000

5000

4000

4000

3000

3000

2000

2000 Pemuatan Bahan Bakar - 2 gram Pemuatan Bahan Bakar - 6 gram Pemuatan Bahan Bakar -15 gram

1000

1000

0

0

0e+0

2e+4

4e+4

6e+4

8e+4

1e+5


Gambar 8. Konsentrasi 233Pa sebagai fungsi burnup pada pemuatan bahan bakar yang berbeda.

Dari Gambar 8 dapat diamati, bahwa konsentrasi

233

Pa pada pemuatan bahan

bakar 2 g melebihi konsentrasi

233

Pa untuk

pemuatan bahan bakar 6 g dan 15 g setelah burnup

88.000

MWd/t.

Isotop

233

Pa

menyebabkan nilai keff teras bertambah sehingga posibilitas reaktor start up secara spontan menjadi lebih besar yang dapat mengakibatkan

reaktor

kritis

setelah

shutdown.

232

Th dengan menyerap

terbentuk dari

neutron dan meluruh memancarkan β.

233

Pa

4.

KESIMPULAN

memainkan peranan penting dalam produksi

Investigasi parameter bahan bakar

panas peluruhan untuk kasus kecelakaan

pebble dalam perhitungan teras thorium

kehilangan tekanan pendingin karena meluruh

dengan

membentuk

233

233

Pa

memancarkan

β

U yang konsentrasinya dapat

233

U yang

RGTT200K dengan pengkayaan berbeda

antara

4%

pemuatan bahan bakar

dan

20%

232

serta

233

Th/

U yang

meningkat sekitar 2 bulan setelah reaktor

ditingkatkan dari 0,1 g hingga 15 g per

dipadamkan

pebble telah dilakukan dengan program

konsentrasi

(shutdown). 233

Peningkatan

U karena peluruhan

233

Pa

transport Monte Carlo MCNPX dan pustaka 76


ISSN 1411 – 3481

data nuklir energi kontinu ENDF/B-VII pada

juga kami sampaikan kepada Prof. Surian

temperatur

Pinem, M.Si. atas waktu dan sumbangan

1200K.

memperlihatkan yang

Hasil

perhitungan

pemuatan

rendah

RGTT200K

bahan

menyebabkan mengalami

bakar

pemikirannya dalam perbaikan makalah ini.

teras

Dukungan moral yang amat berarti dari

kondisi

overmoderated sebagai akibat dari rasio

rekan-rekan

Bidang

Pengembangan

Reaktor, sangat kami hargai.

grafit dan material fisil yang kecil untuk 233

U yang tinggi. Penambahan

pengkayaan

6.

DAFTAR PUSTAKA

pemuatan bahan bakar setelah mencapai

1. Bennett RG. An overview of generation

kondisi maksimum, menyebabkan kurva keff

IV strategy and outlook. Proceedings of

menurun secara perlahan dan teras thorium

GIF Symposium; 2009 Sept 9-10; Paris,

RGTT200K

France; 2009.

mengalami

kondisi

2. Kodochigov N, Glushkov E, Fomichinko

undermoderated. Hasil

perhitungan

juga

P. Neutronic features of the GT-MHR

memperlihatkan teras dengan pemuatan

reactor. J Nucl Eng and Design

bahan bakar yang rendah menunjukkan

2003;222:161-71.

penurunan konsentrasi

233

U yang tinggi

3. Koster A, Matzner HD, Nicholsi DR.

sedangkan teras dengan pemuatan bahan

PBMR design for the future. J Nucl Eng

bakar yang tinggi menunjukkan penurunan

and Design 2003;222:231–45.

konsentrasi

233

U yang rendah. Sebaliknya,

4. Shiozawa S, Fujikawa S, Iyoku T,

teras dengan pemuatan bahan bakar yang

Kunitomi K, Tachibana Y. Overview of

rendah menunjukkan kenaikan konsentrasi

HTTR design features. J Nucl Eng and

233

Design 2004;233:11-21.

Pa yang tinggi sedangkan teras dengan

pemuatan

bahan

bakar

yang

tinggi

menunjukkan kenaikan konsentrasi

233

Pa

yang rendah.

pengkayaan

bahan

bakar

6

g

dengan

233

U 8 % dapat dipilih untuk

dipertimbangkan RGTT200K

S. GTHTR300 design and development. J Nucl Eng and Design 2003;222:247-62.

Dari hasil-hasil ini disimpulkan bahwa, pemuatan

5. Yan X, Kunitomi K, Nakata T, Shiozawa

lebih

dalam detail

desain dengan

teras nilai

6. Kunitomi K, Katanishi S, Takada S, Takizuka T, Yan X. Japan’s future HTR – the GTHTR300. J Nucl Eng and Design 2004;233:309-27. 7. Wu Z, Lin D, Zhong D. The design

kritikalitas dan burnup bahan bakar yang

features of the HTR-10. J Nucl Eng and

spesifik.

Design 2002;218:25-32. 8. Hu S, Wang R, Gao Z. Safety

5.

UCAPAN TERIMA KASIH

demonstration tests on HTR-10 reactors.

Ucapan terimakasih kami sampaikan

Proceedings of The 2-nd International

kepada Dr. Ir. M. Dhandhang Purwadi yang

Topical Meeting on High Temperature

memberikan inspirasi dan motivasi untuk

Reactor Technology; 2004 Sept 22-24;

melakukan riset ini. Ucapan terima kasih

Beijing, China; 2004. 77


9. Zhang Z, Wu Z, Xu Y, Sun Y, Li F.

ISSN 1411 - 3481

international projects. Proceedings of GIF

Design of Chinese modular high-

Symposium 2009 Sept 9-10; Paris,

temperature Gas-Cooled Reactor HTR-

France; 2009.

PM. Proceedings of The 2-nd

13.Zhang Z, Sun Y. Economic potential of

International Topical Meeting on High

modular reactor nuclear power plants

Temperature Reactor Technology.

based on the Chinese HTR-PM project. J

Beijing, China: 22-24 September, 2004.

of Nucl Eng and Design 2007; 237:2265–

10.Zhang Z, Wu Z, Xu Y, Sun Y, Li F. Design aspects of the Chinese modular

74. 14.International Atomic Energy Agency.

high temperature gas-cooled reactor

Thorium based fuel options for the

HTR-PM. J Nuclr Eng and Design

generation of electricity. IAEA-TECDOC-

2006;236: 485–90.

1155. IAEA; 2000.

11.Generation IV International Forum. FY

15. Rodríguez Sánchez DA. Safety analysis

2006 ten-year program plan appendix 1.0

of a thorium-fuelled high temperature

next generation nuclear plan. July 2006.

gas-cooled reactor. Master Thesis. Delft

12.Carré F, Yvon P, Lee WJ, Dong Y,

University of Technology; 2012.

Tachibana Y, Petti D. VHTR – ongoing

78

INVESTIGASI PARAMETER BAHAN BAKAR PEBBLE DALAM PERHITUNGAN TERAS THORIUM RGTT200K

Recommend Documents