1
MENENTUKAN KOEFISIEN REAKTIVITAS TEMPERATUR BAHAN BAKAR SILISIDA
Oleh : Tubagus Alpha N. A. ( G74101040 )
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2005
2
MENENTUKAN KOEFISIEN REAKTIVITAS TEMPERATUR BAHAN BAKAR SILISIDA
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Oleh : Tubagus Alpha N. A. ( G74101040 )
Program Studi Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor 2005
3
LEMBAR PENGESAHAN
Judul Skripsi
: Menentukan koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar silisida. : Tubagus Alpha N. A. : G74101040
Nama Nrp
Menyetujui :
Pembimbing I,
Pembimbing II,
M. Nur Indro, M.Sc NIP. 131663022
TukiranSurbakti, S.Si NIP. 330004388
Mengetahui : Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M.S NIP. 131473999
Tanggal Lulus
:
4
ABSTRAK SI Faktor keselamatan dari suatu reaktor nuklir merupakan kajian yang sangat penting dalam bidang fisika reaktor karena layak tidaknya suatu reaktor nuklir bergantung pada hal ini. Salah satu besaran yang mempengaruhi keselamatan dari suatu reaktor nuklir ialah koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar. Nilai dari koefisien ini menunjukan pengaruh temperatur terhadap reaktivitas dari material bahan bakar. Dalam penelitian ini diteliti nilai dari koefisien reaktivitas bahan bakar silisida pada muatan 400 gram dan 500 gram, yang dioperasikan pada reaktor RSGGAS Batan Serpong. Hasil yang diperoleh, ternyata koefisien reaktivitas temperatur memiliki nilai yang negatip. Dengan kata lain menunjukan reaktivitas bahan bakar yang berkurang terhadap kenaikan temperatur bahan bakar silisida 400 gram. Sementara itu nilai koefisien reaktivitas temperatur untuk bahan bakar silisida pada muatan 500 gram tidak diperoleh karena ketiadaan data teras setimbang untuk bahan bakar silisida muatan 500 gram.
5
PRAKARTA Puji dan syukur saya panjatkan ke hadirat Allah SWT karena atas rahmatnya saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Dan tak lupa semoga shalawat serta salam tetap dipanjatkan kepada Rasul ullah SAW , keluarga dan sahabatnya yang setia hingga akhir zaman. Tak lupa saya ingin mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penyelesaian skripsi ini diantaranya ialah : 1. Kedua Orang Tua dan adik saya yang tak lelah memberikan dukungan moril dan materiil. 2. Bpk. Tukiran Surbakti, selaku pembimbing kedua yang membimbing jalannya penelitian saya secara langsung . 3. Bpk. M. Nur Indro, selaku pembimbing pertama yang selalu memberikan dukungan dan bantuan dalam menyelesaikan penelitian. 4. Bpk. Tagor Malem Sembiring, seorang peneliti Batan yang turut mengoreksi hasil dari penelitian yang saya kerjakan. 5. Bpk. Rokhmadi, seorang peneliti Batan yang membantu saya dalam mendapatkan judul penelitian. 6. Bpk. Hanedi Darmasetiawan, selaku komdik yang mendukung dan memberi perhatian kepada jalannya penelitian yang saya kerjakan. 7. Bpk. Akhiruddin Maddu dan Bpk. Irmansyah, yang telah berkenan menjadi dosen penguji pada seminar usul penelitian. 8. Ms Ria yang telah mengizinkan saya untuk menggunakan komputer, printer dan sarana internet di Best Center. 9. Ubink, penunggu Best Center yang sudah nungguin saya ngetik di Best Center sampai larut malam. 10. Mang Krisye dan Bi Geugeu di taman cimanggu yang mengizinkan untuk menggunakan komputer, printer dan sarana internet. 11. Richie dan Wawiko, rekan yang memberikan dukungan moril dam materiil dalam mengerjakan penelitian. 12. Mas Wokib dan Mas Jumali, terima kasih atas literaturnya. 13. Bpk. Firman, yang selalu memberikan informasi akademik dan membantu dalam urusan administrasi akademik. 14. Bpk. Maulana yang menjaga perpustakaan dan memudahkan saya saat pencarian literatur. 15. Kepada ahmi, yang selalu tak lupa meminjamkan VCD anime terbaru sebagai sarana untuk bersantai. 16. Kepada Didi, Rika, Supri, Poetri, Tarpiah, Enda, Yayat, Sigit, Ade, Epi, Mogie, Erus, Cucu, Doddy, Hasan, Gerald, Ain, Yerry, La ode, Ki Agus, Reza, Didit, dan seluruh mahasiswa jurusan Fisika dan Eltek yang turut membantu dalam penyelesaian skripsi ini. Tak lupa saya berharap semoga skripsi ini dapat berguna bagi pihak Batan pada khususnya sebagai pertimbangan penggunaan bahan bakar silisida muatan 400 gram. Dan Mahasiswa pada umumnya sebagai salah satu sumber informasi bagi bidang fisika reaktor.
6
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bandung pada tanggal 10 april 1982 sebagai anak kesatu dari tiga bersaudara pasangan dr.Tb. Merdeka G. A. dan Sufiati Wirasenjaya. Pindah ke Bogor pada tahun 1988 dan mengawali pendidikan di SDN POLISI V Bogor dan melanjutkan ke SLTPN I Bogor. Tahun 2001 penulis lulus dari SMAN I Bogor dan lulus seleksi masuk IPB melalui jalur UMPTN. Penulis memilih Program Studi Fisika pada Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan penulis aktif dalam kegiatan kampus. Pada tahun 2003 penulis menjabat sebagai ketua departemen material pada kepengurusan HIMAFI dan menjabat sebagai presiden pada kepengurusan PEC. Selain itu, penulis turut aktif dalam kegiatan BEM Fakultas MIPA. Dalam waktu senggang penulis biasanya melakukan beberapa hobi kesukaannya yaitu menonton anime dan film box office, mendengarkan musik anime jepang atau membaca novel harry potter.
7
DAFTAR ISI Halaman COVER LUAR
i
COVER DALAM
ii
LEMBAR PENGESAHAN
iii
ABSTRAKSI
iv
PRAKARTA
v
RIWA YAT HIDUP
vi
DAFTAR ISI
vii
DAFTAR TABEL
viii
DAFTAR GAMBAR
viii
DAFTAR LAMPIRAN
ix
PENDAHULUAN A. Latar Belakang
2
B. Tujuan Penelitian
2
C. Tempat dan waktu penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA A. Bahan Bakar Silisida
2
B. Siklus Neutron dalam Reaktor
2
C. Koefisien Reaktivitas
4
D. Koefisien Reaktivitas Temperatur Bahan Bakar
4
E. Efek Doppler
5
F. Persamaan Difusi
6
G. Deskripsi RSG-GAS
7
H. Deskripsi Program
8
METODE PENELITIAN A. Tahap Perhitungan dengan Program WIMS D4
8
B. Tahap Perhitungan dengan Program BATAN 2DIFF
9
HASIL DAN PEMBAHASAN A. Output Program WIMS D4
13
B. Nilai Reaktivitas Temperatur bahan bakar silisida muatan 400 gram
16
KESIMPULAN DAN SARAN
18
DAFTAR PUSTAKA
18
LAMPIRAN
18
8
DAFTAR TABEL Halaman
Tabel 1. Tampang lintang serapan neutron resonan tiap temperatur pada muatan bahan bakar silisida 400 gram Tabel 2. Nilai
kinf tiap temperatur pada muatan uranium silisida 400 gram
14 15
Tabel 3. Tampang lintang makroskopik nu-fisi neutron termal tiap temperatur pada muatan silisida 400 gram
15
Tabel 4. Nilai koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar silisida muatan 400 gram
17
Tabel 5. Nilai koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar silisida muatan 250 gram
17
Tabel 6. Perbandingan muatan bahan bakar silisida 250 dan 400 gram
17
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Skema siklus neutron
3
Gambar 2. Tampang lintang U-238
4
Gambar 3. Ilustrasi efek Doppler
4
Gambar 4. Skema teras reaktor RSG GAS
7
Gambar 5. Diagram alir program BATAN-2DIFF
10
Gambar 6. Diagram alir program WIMS D4
11
Gambar 7. Urutan eksekusi program WIMS D4
12
Gambar 8. Konfigurasi teras untuk bahan bakar silisida muatan 400 gram
13
9
DAFTAR LAMPIRAN Halaman
Lampiran 1. Input Program WIMS D4 untuk bahan bakar silisida muatan 400 gram
20
Lampiran 2. Card penurunan temperatur T = 20°C
26
Lampiran 3. Card penaikan temperatur T = 100°C
26
Lampiran 4. Card penaikan temperatur T = 150C
27
Lampiran 5. Card penaikan temperatur T = 200°C
27
Lampiran 6. Tampang lintang makroskopik neutron termal dari bahan bakar silisida muatan 500 gram T = 20°C
28
Lampiran 7. Tampang lintang makroskopik neutron termal dari bahan bakar silisida muatan 500 gram T = 100°C
28
Lampiran 8. Tampang lintang makroskopik neutron termal dari bahan bakar silisida muatan 400 gram T = 100°C
29
Lampiran 9. Tampang lintang makroskopik neutron termal dari bahan bakar silisida muatan 400 gram T = 150°C
29
Lampiran 10. Input program BATAN-2DIFF untuk teras reaktor bahan bakar silisida muatan 400 gram dengan T = 20°C
30
Lampiran 11. Skema slab bahan bakar pada teras reaktor RSG GAS
33
Lampiran 12. Komposisi bahan bakar silisida muatan 400, 450, dan 500 gram
34
Lampiran 13. Permodelan teras reaktor RSG GAS Serpong
34
Lampiran 14. Diagram alir penelitian
35
34
2
BAB I. PENDA HULUAN A. Latar Belakang Reaktor RSG -GAS yang terdapat di Batan merupakan suatu reaktor nuklir dari jenis reaktor riset, dengan daya 30 MWt. Pada reaktor ini terjadi reaksi nuklir fisi , dimana pada prosesnya suatu bahan bakar reaktor (inti uranium) ditembak oleh neutron termal sehingga terbelah menjadi inti-inti yang lebih ringan disertai dengan pelepasan energi sebesar 200 MeV per reaksi fisi dan pemancaran neutron-neutron baru yang dapat melangsungkan proses-proses fisi berikutnya (reaksi berantai).(1) Suatu perhatian khusus terhadap populasi neutron dalam reaktor harus dilakukan, karena apabila neutron tersebut tidak dapat dikendalikan dapat mengakibatkan terjadinya kecelakaan yang sangat fatal.(1) Potensi bahaya yang terkandung di dalam reaktor tentu bergantung pada jenis reaktor itu sendiri, tingkat daya yang dihasilkan, karakteristik dari bahan bakar dan teras reaktor, dan lain sebagainya.(2) Dengan mengetahui potensi bahaya yang dapat ditimbulkannya, reaktor selalu dirancang dengan pertimbangan tertent u agar keselamatan reaktor dapat terjamin. Maka dari itu, suatu analisis terhadap parameter keselamatan RSG-GAS perlu dilakukan untuk mendukung keamanan dari operasi reaktor. Parameter tersebut antara lain adalah koefisien reaktivitas temperatur ( αΤ ), void (uap), serta parameter kinetik.(1) Parameter yang akan dibahas pada makalah ini ialah Koefisien reaktivitas temperatur yang berguna dalam mengamati faktor multiplikasi efektif (k eff) neutron termal pada setiap perubahan suhu dalam ter as reaktor. Pada penelitian ini akan dilakukan perhitungan koefisien reaktivitas temperatur untuk elemen bakar berbahan silisida sebesar 400 gram dengan kerapatan 4.9 gram/cc dan 500 gram dengan kerapatan 5.8 gram/cc. Nilai dari α Τ dapat dipakai sebagai bahan pertimbangan dalam pemuatan bahan bakar dengan kuantitas yang sebelumnya telah disebutkan. B. Tujuan Penelitian Untuk mengetahui nilai koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar uranium silisida sebesar 400 gram dan 500 gram pad a beberapa nilai temperatur, yang terkait dengan informasi kestabilan dan keselamatan dari reaktor RSG-GAS.
C. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilaksanakan pada bulan september 2005 - febuari 2006. Tahap awal penelitian yaitu pemograman dengan program WIMS-D4 dilaksanakan di Bogor, tepatnya di kediaman peneliti. Sementara itu tahap akhir penelitian yaitu pemograman dengan program BATAN-2DIFF dilaksanakan di Lab P2TR BATAN, Serpong.
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA A. Bahan bakar Silisida Elemen bakar biasanya dibuat dalam bentuk oksida atau paduan logam. Contoh komposisi elemen bahan bakar yang banyak dipakai reaktor sekarang ini ialah : UO2, U3 O8-Al, U-ZrH….. dan lain-lain.(3) Tujuan utama dari pembuatan paduan tersebut ialah agar diperoleh bahan bakar yang memiliki nilai bakar yang tinggi, titik leleh yang tinggi, konduktivitas termal yang baik, tahan korosi, tidak mudah retak dan mampu menahan produk fisi yang terlepas.(3) Pada dasawarsa terakhir telah dikembangkan bahan bakar uranium silisida (U3-Si2Al) dalam pengoperasian reaktor nuklir. Bahan bakar uranium silisida dikembangkan dalam rangka mencari bahan bakar yang memiliki tingkat pengkayaan yang rendah namun dengan densitas uranium yang tinggi.(3) Bahan bakar uranium silisida dinyatakan memiliki titik leleh dan konduktivitas termal yang lebih tinggi dari bahan bakar uranium oksida, selain itu bahan bakar ini memiliki kemampuan yang lebih baik dalam menahan produk fisi yang terlepas, dan pemuaiannya lebih kecil daripada bahan bakar oksida saat temperatur tinggi.(3) Dengan memakai bahan bakar uranium silisida, suatu reaktor nuklir diharapkan memiliki kinerja yang lebih baik. B. Siklus Neutron Dalam Reaktor Pada reaktor nuklir fisi energi diperoleh dari reaksi pembelahan inti (reaksi fisi). Dimana suat u neutron termal (energi neutron < 0.1eV) menumbuk inti atom berat yang dalam hal ini ialah U-235, sehingga menghasilkan 2 inti yang lebih ringan dan disertai dengan pelepasan energi termal.(5) Ilustrasi dari reaksi fisi ditunjukan sebagai berikut : X+n
X1 + X2 + (2 atau 3) n′ + Q +radiasi
