MODUL 2 ANALISIS KESELAMATAN PLTN Muhammad Ilham, Annisa Khair, Mohamad Yusup, Praba Fitra Perdana, Nata Adriya, Rizki Budiman 10211078, 10211005, 10211077 , 10211108, 10211060, 10211004 Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia Email:
[email protected] Asisten: (CH. A. Andre Mailoa /10210026) Tanggal Praktikum: 6-03-2014) Abstrak
Teknologi Nuklir sebagai sumber pembangkit tenaga listrik mengalami banyak perkembangan. Karenanya diperlukan suatu prosedur keselamtan agar prosesnya aman dan tidak merugikan. Reaksi fisi merupakan proses fisis dari inti atom yang sebagai sumber energy ini. Banyak unsur yang terbentuk dari reaksi fisi Uranium, salah satunya Xenon. Keberadaan Xenon inilah yang dapat menyebabkan adanya efek Xenon sehingga daya pada reaktor berubah jika jumlahnya berlebih. Dalam praktikum ini akan dilakukan simulasi sederhana menggunakan Microsoft Excel untuk mengamati proses terjadinya Efek xenon secara perhitungan teoritik. Melalui simulasi didapatkan bahwa kecelakaan akibat Efek xenon dapat dihindari dengan adanya penambahan reaktivitas eksternal dari luar reaktor. Kata Kunci: Daya reaktor, Temperatur, Xenon, Iodin , Fluks , ULOF , UTOP I. Pendahuluan 1.1 Tujuan Melakukan simulasi sederhana terhadap kecelakaan pada reaktor nuklir dengan menentukan parameter pada efek osilasi Xenon menggunakan Ms. Excel sehingga dapat dianalisis dan memahami kecelakaan reaktor akibat efek Xenon. 1.2 Teori Dasar Secara umum penyebab kecelakaan reaktor nuklir dapat diidentifikasi karena, reaktivitas positif sehingga reaktor mengalami kenaikan dya secara cepat (kasus Chernobyl), kegagalan system thermal hidrolik utama saat PLTN beroperasi (kasus TMI II), problem pembuangan panas sisa (kasus Fukushima). Reaksi fisi merupakan reaksi pembelahan inti atom berat (dalam simulasi ini digunakan U-235) akibat penembakan neutron sehingga menghasilkan inti atom ringan, dan partikel lain (neutron, foton) yang memicu terjadinya reaksi berikutnya (berantai). Reaksi fisi ini menghasilkan daya keluaran yang sangat besar sehingga dapat dimanfaatkan
untuk membangkitkan listrik melalui reaktor nuklir pada PLTN.
Gambar 1. Skema reaksi fisi pada U-235
Dari skema diatas, kita dapat melihat produk fisi akan meluruh menjadi Te-135 dan Xe-135 secara langsung, namun Te-135 akan meluruh menjadi I-135 kemudian menjadi Xe135. Hal ini mengakibatkan penumpukan jumlah Xe-135 yang sangat kuat menyerap neutron sehingga terjadi perubahan daya reaktor secara drastic (efek Xenon). Jumlah Xenon dalam reaktor nuklir, dimana secara analitik dapat dituliskan sebagai berikut : 1) laju perubahan jumlah I-135 2) laju perubahan jumlah Xe-135
3) reaktivitas negative akibat Xe-135 4) rapat daya rata-rata Dengan rumus :
III. Data dan Pengolahan Jumlah populasi Xenon dan Iodin Dengan menggunakan persamaan (1), (2) dapat diperoleh grafik populasi Xenon dan Iodin terhadap waktu :
t Vs Xe 3E+15 2E+15 1E+15 0 0
50
100
150
Gambar 2. Populasi Xenon dalam keadaan normal
t Vs I 1E+16
II. Metode Percobaan dan Hipotesa 2.1 Metode Percobaan Pada praktikum ini dimodelkan jumlah Xenon, Iodin, nilai ∆p dan PaXe menggunakan persamaan (1), (2), (3), dan (4) dalam selang waktu 200 jam selang 0,1 jam (grafik kondisi stabil). Lalu dilakukan perubahan fluks untuk 0%,50%,25%,dan 5% pada jam ke 100 sampai 200. Plot grafik tersebut terhadap waktu dan dibandingkan terhadap grafik saat kondisi stabil. diambil nilai PaXe untuk mendapat nilai reaktivitas eksternal. Simulasi kedua digunakan untuk mencari daya reaktor dan temperature reaktor, kemudian diplot terhadap waktu dengan selang waktu.
5E+15 0 0
50
100
150
Gambar 3. Populasi Iodin dalam keadaan normal
t Vs Xe 6E+15 4E+15 2E+15 0 0
50
100
150
200
250
Gambar 4 . Populasi Xenon terhadap waktu dengan perubahan fluks 0% dari semula
5E+15
2.2 Hipotesa Adnya perubahan nilai fluks, maka populasi Xenon akan mengalami perubahan. Hal ini akan menyebabkan daya yang dihasilkan pun berubah.
4E+15 3E+15 2E+15 1E+15 0 0
100
200
300
Gambar 5. Populasi Xenon terhadap waktu dengan perubahan fluks 50% dari semula
8E+15 6E+15
5E+15 4E+15
4E+15
3E+15
2E+15
2E+15
0 0
1E+15 0 0 50 100 150 200 250 Gambar 6. Populasi Xenon terhadap waktu dengan perubahan fluks 25% dari semula 5E+15
100
200
300
Gambar10. Populasi Iodin terhadap waktu dengan perubahan fluks 25% dari semula
8E+15 6E+15 4E+15
4E+15
2E+15
3E+15
0
2E+15
0
1E+15
100
200
300
Gambar 11. Populasi Iodin terhadap waktu dengan perubahan fluks 5% dari semula
0 0 50 100 150 200 250 Gambar 7 . Populasi Xenon terhadap waktu dengan perubahan fluks 5% dari semula
t Vs I
Reaktivitas negatif Reaktivitas negatif terhadap waktu dapat ditunjukkan oleh grafik hubungan keduanya :
8E+15 6E+15
t Vs ro(t)
4E+15 0,1
2E+15 0
0,05 0
50
100
150
200
250
Gambar 8. Populasi Iodin terhadap waktu dengan perubahan fluks 0% dari semula
0 -0,05
0
0,05
0,1
0,15
-0,1
Gambar 12. Reaktivitas terhadap waktu dengan perubahan fluks 0% dari semula
8E+15 6E+15 4E+15
0,1
2E+15
0,05
0
0 0
100
200
300
Gambar 9. Populasi Iodin terhadap waktu dengan perubahan fluks 50% dari semula
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
-0,1 Gambar 13. Reaktivitas terhadap waktu dengan perubahan fluks 50% dari semula
0,1
0,1
0,05
0,05
0
0
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
-0,05
delta rho 0
200
400
plus rho ext
-0,1
-0,1 Gambar 14. Reaktivitas terhadap waktu dengan perubahan fluks 25% dari semula
0,1
-0,15 Gambar 17. Reaktivitas terhadap waktu dengan perubahan fluks 50% dari semula
potong di 104
0,05 0,1
0 -0,05
0
0,05
0,1
0,15
0,05 delta rho
0 -0,1
-0,05 0
Gambar 15. Reaktivitas terhadap waktu dengan perubahan fluks 5% dari semula
200
400
plus rho ext
-0,1 -0,15
Reaktivitas Positif Selisih titik minimum dan titik ketika dilakukan perubahan daya, Reaktivitas negatif yang telah diperoleh ditambah dengan konstanta (selisih titik minimum dan titik ketika dilakukan perubahan daya) sehingga dihasilkan grafik :
Gambar 18. Reaktivitas terhadap waktu dengan perubahan fluks 25% dari semula
Potong di 106.7 0,1 0,05
Potong di 106.1
0 0,1
-0,05
0,05
delta rho
0 -0,05
0
200
-0,1
400
200
400
plus rho ext
-0,1 -0,15
delta rho + rho ext
-0,15 Gambar 16. Reaktivitas terhadap waktu dengan perubahan fluks 0% dari semula
Potong di 106.7
delta rho 0
Gambar 19. Reaktivitas terhadap waktu dengan perubahan fluks 5% dari semula
Hubungan daya dan temperatur terhadap waktu Reaktivitas total daya dengan mencari terlebih dahulu ext Berikut grafik hubungan daya terhadap waktu untuk masing-maisng perubahan daya:
Hubungan temperatur terhadap suhu untuk masing-masing perubahan daya :
P Vs t 600
t Vs T
400 200
600
0 0
0,05
0,1
0,15
400 200
Gambar 20. P vs t dengan perubahan fluks 0% dari semula 400 300
0 0
0,05
0,1
0,15
Gambar 24. T vs t dengan perubahan fluks 0% dari semula 600
200
400
100 0 0
0,05
0,1
0,15
Gambar 21. P vs t dengan perubahan fluks 50% dari semula 400 300
200 0 0
0,05
0,1
0,15
Gambar 25. T vs t dengan perubahan fluks 50% dari semula 600
200
400
100 200
0 0
0,05
0,1
0,15
Gambar 22. P vs t dengan perubahan fluks 25% dari semula 400
0 0
600
200
400
100
200 0
0,05
0,1
0,15
Gambar 23. P vs t dengan perubahan fluks 5% dari semula
0,1
0,15
Gambar 26. T vs t dengan perubahan fluks 25% dari semula
300
0
0,05
0 0
0,05
0,1
0,15
Gambar 27. T vs t dengan perubahan fluks 5% dari semula
Hubungan temperatur coolant terhadap suhu untuk masing-masing perubahan daya :
t Vs C 438 436 434 432 0
0,05
0,1
0,15
Gambar 28. C vs t dengan perubahan fluks 0% dari semula 438 437 436 435 434 433 0 0,05 0,1 0,15 Gambar 29. C vs t dengan perubahan fluks 50% dari semula 438 437 436 435 434 433 0 0,05 0,1 0,15 Gambar 30. C vs t dengan perubahan fluks 25% dari semula 438 437 436 435 434 433 0
0,05
0,1
0,15
Gambar 31. C vs t dengan perubahan fluks 5% dari semula
IV. Pembahasan Osilasi xenon pada simulasi terjadi karena adanya perubahan fluks neutron akibat dari perubahan daya yeng diberikan. Perubahan fluks neutron akan semakin besar sehingga xenon akan meluruh dengan cepat, ketika jumlah xenon yang semakin kecil
menyebabkan daya yang diproduksi semakin besar. Adanya ketidakstabilan daya, karena xenon merupakan absorber neutron yang sangat kuat (cross section) yang jauh lebih besar daripada U-235, Sehingga neutron yang seharusnya dipakai untuk reaksi fisi akan terserap oleh Xenon. Saat daya berkurang maka jumlah fluks neutron juga akan berkurang, sehingga reaktivitas di dalam reaktor akan berkurang pada selang waktu tertentu dan daya menurun. Namun temperature pada pendingin akan bertambah lebih cepat karena penangkapan neutron oleh Xenon. Waktu optimal untuk menyalakan kembali reaktor dari kondisi shutdown ketika jumlah xenon berkurang menjadi sama dengan jumlah Xenon sebelum reaktor mengalami shutdown yakni sekitar 50-60 jam setelah reaktor dimatikan. Dapat dilihat pada grafik reaktivitas feedback, yaitu pada nilai reaktivitas yang stabil. Osilasi daya terhadap efek xenon mempengaruhi kecelakaan reaktor. Ini disebabkan karena ketika fluks menurun maka jumlah xenon akan meningkat dan daya yang diproduksi semakin banyak. Ini mengakibatkan temperatur pendingin dan bahan bakar meningkat dan terjadilah ledakan pada reaktor. Pada fast reaktor hampir seluruh neutron yang ada digunakan untuk reaksi fisi, sehingga untuk reaktor jenis ini bahan bakar yang digunakan merupakan bahan bakar yang telah diperkaya. Karena banyaknya unsur lain yang menyerap neutron, mengakibatkan efek Xenon memiliki pengaruh yang relatif sangat kecil. Kecelakaan pada reaktor yang terjadi pada Chernobyl disebabkan oleh kesalahan operator. Untuk keslahan operator terjadi akibat penarikan batang kendali untuk meningkatkan daya keluaran dari reaktor. Namun saat temperatur pendingin berada pada temeperatur tinggi, kecepatan memasukkan batang proteksi saat keadaan darurat yang lama mengakibatakan penguapan seluruh cairan dan mengakibatkan adanya tekanan gas yang berlebih sehingga terjadi ledakan pada reaktor. Adapun dari segi desainnya, penggunaan bahan pendingin dan moderator yang berbeda
mengakibatkan adanya reaktivitas uap (perubahan jumlah gelembung uap pada reaktor air didih yang megakibatkan perubahan reaktivitas) yang bernilai positif ( menambah laju reaksi pembelahan inti), kemudian waktu untuk memasukkan batang proteksi dalam kondisi darurat adalah 18 detik, tidak adanya detektor yang dapat digunakan untuk mengetahuui daya total dan distribusi daya secara spasial, dan ukuran teras yang terlalu besar mengakibatkan sulitnya mengendalikan daya. ULOF (unprotected loss of flow), merupakan kecelakaan reaktor nuklir yang disebabkan oleh hilangnya aliran akibat tidak berfungsinya pompa. Hal ini menyebabkan temperature pendingin naik karena antara daya dan laju aliran pendingin tidak seimbang. Kesetimbangan system akan dicapai jika, nilai mutlak dari reaktivitas feedback negative akibat kenaikan temperature sama dengan reaktivitas feedback positif karena penurunan temperature bahan bakar. Contohnya kecelakaan reaktor di fukushima yang disebabkan adanya kegagalan system pendingin karena tsunami. UTOP (unprotected rod run out Transient over power), merupakan kecelakaan akibat oleh tertariknya seluruh batang kendali tanpa proteksi. Pada saat seluruh batang kendali tertarik keluar, maka daya akan naik (reaktivitas positif), sehingga terjadi kerusakan pada pompa pendingin primer. Kemudian antara daya reaktor dan aliran pendingin primer menjadi tidak seimbang, dan mengakibatkan kecelakaan yang lebih besar daripada ULOF. Contohnya kasus Chernobyl. Ketika fluks neutron divariasikan, maka dari grafik yang didapatkan jumlah xenon yang dihasilkan akan berubah juga. Semakin besar variasi fluks, maka jumlah xenon yang dihasilkan akan semakin semakin sedikit. Ini disebabkan karena ketika fluks neutron 0%, maka jumlah xenon yang dapat bereaksi fisi selanjutnya akan semakin sedikit. Sehingga jumlah xenon akan semakin banyak pada reaktor. Daya dapat berubah secara drastis dikarenakan fluks neutron yang berubah secara drastis pula. Perubahan fluks neutron secara drastis ini menyebabkan penambahan jumlah
xenon yang sangat besar yang menyebabkan perubahan daya yang sangat besar. Perubahan ini berlangsung secara drastis karena perubahan fluks neutronnya pun berlangsung secara drastis. V. Simpulan Efek xenon mengakibatkan perubahan daya pada reaktor dan peningkatan temperature drastis, dapat dimodelkan kecelakaan chernobyl dengan komputer. Kecelakaan terjadi karena perubahan fluks neutron secara tiba-tiba (mesin reaktor dimatikan), menjadi nol, sehingga jumlah xenon meningkat drastis namun neutron telah habis sehingga terjadi penumpukan xenon serta meningatnya temperatur pendingin dan bahan bakar, menyebabkan reaktor panas dan meledak. Untuk menghindari kecelakaan akibat efek Xenon diperlukan penambahan reaktivitas dari luar system reaktor VI. Pustaka [1]http://en.wikipedia.org/wiki/nuclear_fission/ , diakses pada 09-03-2014 13:35 [2]http://www.infonuklir.com/read/detail/87/ reaktor-chernobyl-desain , diakses pada 09-032014 14:00
