KONSEP DESAIN NEUTRONIK REAKTOR AIR TEKAN BERBAHAN BAKAR PLUTONIUM-URANIUM OKSIDA (MOX) DENGAN INTERVAL PENGISIAN BAHAN BAKAR PANJANG
ASIH KANIASIH
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2007
ABSTRAK ASIH KANIASIH. Konsep Desain neutronik Reaktor Air Tekan Berbahan Bakar PlutoniumUranium Oksida (MOX) dengan Interval Pengisian Bahan Bakar Panjang. Dibimbing oleh ABD. DJAMIL dan FERHAT AZIZ. Telah dirancang reaktor air tekan yang dapat beroperasi panjang yaitu 10 tahun dengan menggunakan bahan bakar MOX. Teras reaktor berbentuk silinder dua dimensi (R-Z) dengan tipe pancake dan dengan daya keluaran sebesar 700 MWt. Bahan bakar MOX yang digunakan memiliki komposisi plutonium sebanyak 13,5 % dan U235 0,2 %. Pada akhir operasi, nilai faktor perlipatannya sebesar 1,003488 dan reaktivitas sebesar 0,003476. Sedangkan nilai burn-up reaktor pada akhir operasi sebesar 2,54068 x 104 MWD/Ton. Distribusi daya pada teras cukup merata baik pada tahun ke-0 maupun pada tahun ke-10.
KONSEP DESAIN NEUTRONIK REAKTOR AIR TEKAN BERBAHAN BAKAR PLUTONIUM-URANIUM OKSIDA (MOX) DENGAN INTERVAL PENGISIAN BAHAN BAKAR PANJANG
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
ASIH KANIASIH G74103005
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
Judul Skripsi Nama NRP
: Konsep Desain Neutronik Reaktor Air Tekan Berbahan Bakar Plutonium-Uranium Oksida (MOX) dengan Interval Pengisian Bahan Bakar Panjang : Asih Kaniasih : G74103005
Menyetujui: Pembimbing I
Pembimbing II
Abd. Djamil Husin, M. Si NIP. 132 158 552
Dr. Ferhat Aziz, M. Sc NIP. 330 002 019
Mengetahui: Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS NIP. 131 473 999
Tanggal Lulus:
PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia yang telah diberikan sehingga skripsi berjudul ” Konsep Desain Neutronik Reaktor Air Tekan Berbahan Bakar Plutonium-Uranium Oksida (MOX) dengan Interval Pengisian Bahan Bakar Panjang ” dapat terselesaikan dengan baik. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan program pendidikan Sarjana di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Tenaga nuklir telah disosialisasikan sebagai sumber tenaga yang bersih, murah dan telah dikembangkan sebagai sumber energi yang dapat menggantikan energi fosil, dengan jumlah sekitar 1800 PLTN dan berkontribusi sebanyak 20 % dari kebutuhan energi dunia pada tahun 2000. Pressurized Water Reactor (Reaktor Air Tekan, PWR) sebagai salah satu reaktor daya harus terus memperoleh perkembangan sehingga dapat beroperasi dalam berbagai tipe serta memiliki kinerja yang baik. Penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Abd. Djamil Husin, M. Si dan Dr. Ferhat Aziz selaku pembimbing atas kesabaran, nasehat serta bimbingannya, 2. Bapak Dr. Husin Alatas dan Ibu Siti Nikmatin, M. Si selaku penguji atas kritik dan sarannya, 3. Kedua orang tua tercinta atas segala dukungan baik moril maupun materil, kasih sayang serta doa yang tiada henti, tanpa kalian saya tidak ada apa-apanya karena kalian adalah anugerah terindah yang Allah berikan, 4. Adik-adik tersayang (Adi dan Arip) atas doa dan semangatnya, semoga suatu hari nanti kalian memperoleh lebih dari apa yang saya dapatkan saat ini, 5. Keluarga besar yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu atas dukungan semangat dan doanya, semoga selamanya saya tetap menjadi seorang ”Asih Kaniasih” bagi kalian, 6. Sahabat-sahabat terbaik penulis atas motivasi, harapan dan kesabarannya, 7. Semua staf pengajar serta staf administrasi Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor atas bimbingan akademik, 8. Departemen Fisika FMIPA Institut Pertanian Bogor atas sarana dan prasarana, 9. Rekan-rekan di Ananda Putri 2, mahasiwa Fisika angkatan 38, 39, 40, 41, dan 42. Semoga hasil penulisan penelitian ini bisa bermanfaat khususnya bagi penulis dan umumnya bagi pengembangan ilmu pengetahuan.
Bogor, Mei 2007 Penulis
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Garut-Jawa Barat pada tanggal 13 Agustus 1986. Penulis merupakan putri sulung dari pasangan H. Maman Sulaeman dan Ibu Dede Juariah. Penulis menempuh pendidikan dari tahun 1990 di TK Karangpawitan, tahun 1991 penulis menempuh pendidikan di SD Negeri 2 Suci, tahun 1997-2000 di SLTP Negeri 5 Garut dan tahun 2000-2003 di SMU Negeri 2 Tarogong. Tahun 2003 penulis lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Penulis memilih Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama perkuliahan, penulis aktif sebagai staf Departemen Kewirausahaan Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) masa kepengurusan 2004-2005, staf Divisi Keilmuan Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) masa kepengurusan 2005-2006 dan staf Departemen Sosial Komunikasi Badan Eksekutif Mahasiswa Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (BEM FMIPA) masa kepengurusan 2005-2006. Pada tahun 2006 penulis mengikuti Program Kreativitas Mahasiswa (PKM) tingkat IPB.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ..................................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................ vii DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................................. vii PENDAHULUAN Latar Belakang ................................................................................................................... 1 Tujuan Penelitian ............................................................................................................... 1 Rumusan Permasalahan ..................................................................................................... 1 Batasan Penelitian .............................................................................................................. 1 Manfaat Penelitian ............................................................................................................. 1 TINJAUAN PUSTAKA Karakteristik Reaktor Air Tekan (PWR) ........................................................................... 2 Bahan Bakar MOX ............................................................................................................ 4 Faktor Perlipatan dan Reaktivitas ...................................................................................... 4 Penampang Lintang Nuklir ................................................................................................ 4 Persamaan Difusi ............................................................................................................... 5 Penyelesaian Persamaan Difusi Multigrup Silinder Dua Dimensi ................................... 6 Program Komputer SRAC95 ............................................................................................. 7 BAHAN DAN METODE Waktu dan Tempat ............................................................................................................. 7 Bahan dan Alat ................................................................................................................... 7 Metode Penelitian .............................................................................................................. 7 HASIL DAN PEMBAHASAN Konfigurasi dan Komposisi Teras ..................................................................................... 8 Faktor Perlipatan ................................................................................................................ 9 Reaktivitas .......................................................................................................................... 9 Distribusi Daya .................................................................................................................. 10 Burn-up Bahan Bakar ........................................................................................................ 11 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan ............................................................................................................................ 11 Saran ................................................................................................................................... 11 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................... 11 LAMPIRAN .............................................................................................................................. 13
DAFTAR TABEL Halaman 1 File data rantai burn-up SRAC95 ......................................................................................... 7 2 Karakteristik desain teras PWR ............................................................................................ 8
DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Reaksi berantai ...................................................................................................................... 2 2 Reaktor air tekan (PWR) ....................................................................................................... 2 3 Pressurizer ............................................................................................................................. 3 4 Skema hirarki penampang lintang mikroskopik ................................................................... 5 5 Hubungan nilai keff terhadap waktu operasi reaktor ............................................................. 9 6 Hubungan nilai reaktivitas terhadap waktu operasi reaktor ................................................. 9 7 Grafik distribusi daya pada tahun ke-0 dan tahun ke-10 ...................................................... 10 8 Hubungan nilai burn-up terhadap waktu operasi reaktor ..................................................... 11
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Nilai faktor perlipatan keff ..................................................................................................... 13 2 Nilai reaktivitas ..................................................................................................................... 14 3 Nilai burn-up ......................................................................................................................... 15 4 Distribusi daya dari tahun ke-0 sampai tahun ke-10 ............................................................ 16 5 Gambar tiga model rantai burn-up dalam SRAC95 ............................................................. 27 6 Diagram alir perhitungan SRAC95 ....................................................................................... 29 7 Susunan input SRAC95 ........................................................................................................ 30
PENDAHULUAN Latar Belakang Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah besar yang dihadapi oleh hampir seluruh warga di dunia. Tidak lagi ditemukannya cadangan dalam jumlah yang besar pada rentang waktu terakhir ini membuat hampir seluruh dunia menjadikan permasalahan energi menjadi problem besar yang perlu ditangani secara serius. Dalam laporan rutin dua tahunan yang dikeluarkan oleh International Atomic Energy Agency (IAEA) pada tahun 2004, diperkirakan peningkatan konsumsi energi akan terus terjadi dengan kenaikan rata-rata hingga 1,6 % setiap tahunnya. Dalam sebuah laporan yang diterbitkan oleh perusahaan minyak BP pada tahun 2005 tentang konsumsi energi di seluruh dunia disebutkan bahwa peningkatan konsumsi energi antara tahun 2003 dan 2004 mencapai 4,3 %14. Berdasarkan laporan Pandangan Kebutuhan Energi Dunia 2006, konsumsi energi dunia akan meningkat 53 % pada tahun 2030. Ada dua aspek penting yang menarik dibahas terkait kenyataan tersebut. Pertama, sekitar 70 % kebutuhan energi berasal dari negara sedang berkembang. Kedua, IAEA menganggap peningkatan penggunaan energi nuklir dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi global serta meningkatkan pasokan energi dan mengurangi emisi karbon4. Selama ini penggunaan energi nuklir hanya terkonsentrasi di negara-negara industri maju. Namun dalam perkembangan terbaru pola tersebut berubah. Terbukti 16 dari 29 reaktor nuklir yang tengah dibangun sekarang ini berada di negara-negara sedang berkembang4. Tidak lama lagi, negara-negara di kawasan Asia Pasifik akan ikut memilih mengembangkan program energi nuklir dan salah satunya adalah Indonesia. Negara Indonesia telah bertahun-tahun tertarik mengembangkan energi nuklir. Akhir-akhir ini, Indonesia mengumumkan akan membangun dua reaktor nuklir yang mampu menghasilkan energi sebesar 1.000 megawatt di Semenanjung Muria, Jawa Tengah. Namun, ketertarikan mengembangkan energi nuklir tidak hanya terbatas di kawasan Asia Pasifik, tapi juga di kawasan lain termasuk di Amerika Selatan dan Afrika. Cadangan uranium dunia yang dapat diambil dengan murah saat ini merupakan pertimbangan wajar sebagai sumber energi berdasarkan teknologi daur bahan bakar nuklir yang komersial, bahkan
penggunaan Pu dalam bahan bakar oksida campuran. Selain itu, bahan bakar nuklir bekas dapat diambil kembali terutama uranium dan plutonium yang dapat dicampur menjadi bahan bakar MOX. Saat ini, sekitar 2 % bahan bakar MOX digunakan sebagai bahan bakar dan kemungkinan akan meningkat penggunaannya menjadi 5 % pada tahun 20106. Salah satu jenis reaktor yang kemungkinan akan dikembangkan di Indonesia adalah reaktor air tekan (PWR, Pressurized Power Reactor). Reaktor air tekan merupakan reaktor daya yang terbanyak jumlahnya di dunia hingga saat ini. Reaktor daya di rancang untuk memproduksi energi listrik melalui PLTN. Dengan adanya penelitian ini diharapkan diperoleh suatu desain reaktor air tekan yang dapat membantu perkembangan pembangunan PLTN di Indonesia. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan desain neutronik reaktor air tekan yang memiliki tingkat output berbeda dan dapat dioperasikan dengan aman dalam jangka panjang yaitu sekitar 10 tahun. Rumusan Permasalahan Rumusan masalah yang ada dalam penelitian ini adalah bagaimana mendapatkan desain teras reaktor berbahan bakar Plutonium-Uranium Oksida (MOX), sehingga diperoleh jenis reaktor air tekan yang mempunyai umur panjang. Batasan Penelitian Penelitian ini berupa simulasi komputer dengan menggunakan program SRAC95 untuk rancangan reaktor jenis reaktor air tekan. Analisis dan perhitungan dibatasi hanya pada tinjauan neutronik saja yaitu analisis mengenai perilaku neutron dalam teras selama reaktor beroperasi. Manfaat Penelitian Penelitian ini bermanfaat untuk menambah pengetahuan dan pemahaman mahasiswa terhadap analisis neutronik reaktor nuklir. Disamping itu, penelitian ini juga dapat dijadikan sebagai perbandingan dalam desain reaktor yang akan dibangun di Indonesia.
TINJAUAN PUSTAKA Karakteristik Reaktor Air Tekan (PWR) Reaktor nuklir adalah alat atau instalasi yang dijalankan dengan bahan bakar nuklir yang dapat menghasilkan reaksi inti berantai yang terkendali dan digunakan untuk pembangkitan daya atau penelitian dan produksi radioisotop. Bagian utama dari reaktor nuklir yaitu: elemen bakar, perisai, moderator dan elemen kendali. Reaksi fisi berantai terjadi apabila inti dari suatu unsur dapat belah (Uranium-235, Uranium-233) bereaksi dengan neutron termal/lambat yang akan menghasilkan unsur-unsur lain dengan cepat serta menimbulkan energi panas dan neutron-neutron baru. Sebagai bahan fisi biasanya digunakan Uranium-235 ataupun Plutonium-2394. Sebagai contoh, reaksi berantai dapat dilihat pada gambar 1. Berikut adalah salah satu contoh reaksi fisi: n + U235 → produk fisi + energi + υ n υ merupakan nilai yang menunjukkan distribusi neutron yang dihasilkan setiap satu kali terjadinya reaksi fisi. Reaktor air tekan merupakan reaktor daya yang terbanyak jumlahnya hingga saat ini, meskipun desain dasarnya tidak mengalami perubahan, namun beberapa variasi dalam detil desain banyak dilakukan oleh para produsen reaktor tersebut. Reaktor air tekan mempunyai teras yang lebih kompak daripada teras reaktor air didih. Hal ini menandakan bahwa rapat dayanya relatif lebih besar. Pada reaktor ini tidak diperlukan perangkat pemisah uap di dalam bejana reaktor, karena air pendingin teras reaktor dipertahankan tetap dalam keadaan cair, yaitu dengan jalan mempertinggi tekanan air pendingin tersebut.
Gambar 1 Reaksi berantai7.
Gambar 2 Reaktor air tekan (PWR). Komponen-komponen yang ada pada reaktor air tekan dapat dilihat pada gambar 2. Teras reaktor ditempatkan di bawah posisi nosel pendingin. Teras reaktor terdiri dari ratusan perangkat bahan bakar dan puluhan batang kendali. Pada dasarnya, struktur teras terdiri dari struktur teras bagian atas dan bawah, pemisah teras dan pelindung termal. Struktur teras bagian atas berfungsi sebagai pendukung bagian atas dari perangkat bahan bakar dan pengarah batang kendali. Struktur teras bagian bawah berfungsi untuk menyangga perangkat bahan bakar dan mendukung pemisah teras. Pemisah teras berfungsi untuk memisahkan teras dengan bilik bagian bawah yang berdekatan dengan dinding bejana. Pelindung termal berfungsi sebagai penahan radiasi dari teras reaktor, sehingga diharapkan dapat mengurangi efek kerusakan akibat radiasi dan tekanan termal pada dinding bejana reaktor. Pendingin memasuki bejana reaktor melalui nosel masukan dan mengalir ke arah bawah pada dua sisi pelindung termal di dalam bilik teras bagian bawah, yakni diantara pemisah teras dan bejana reaktor. Pompapompa pendingin ditempatkan pada bagian masukan pendingin di dalam bejana reaktor.
