Ke Daftar Isi Prosiding Seminar Teknofogi dan Kesefamatan PLTN Serta Fasililas Nuklir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - SATAN
PENGKAJIAN ASPEK THERMAL REAKTOR DAYA JENIS PWR Oleh:
R. Indrawanto, Saiful Sujalmo, Endang Susilowati Pusat Reaktor Serba Guna - Badan Tenaga Atom Nasional
ABSTRAK Pengkajian aspek termal reaktor dayajenis PWR sangat diperlukan untuk mendukung program BAT AN di dalam persiapan pembangunan PL TN yang pertama di INDONESIA. Melalui makalah ini telah dikaji parameter disain PLTN jenis PWR (Pressurized Water Reactor) dengan daya 600 MWe. HasH pengkajian menunjukkan pada daya tersebut reaktor membutuhkan bahan bakar U02 sebanyak 94,33 ton. Laju pending in primer 56484 m3/jam, suhu pusat bahan bakar 1965,2 °C dan DNBR = 1,86.
ABSTRACT The thermal investigation on Pressurized Water Reactor is very important to support BAT AN'S programs in preparation of the first Nuclear Power Plant Construction in Indonesia. In this paper, it has been in vestigated that design parameters ofthe PWR with the power of 600 MWe. Investigation results show that the U02 Consumption forthePWR is 94,33 tons. Primary cooling flow rate is 56484 m3lhour, the Centre fuel element temperature is 1965,2 °C and DNBR is 1,86.
I. PENDAHULUAN Dalam rangka persiapan program pembangunan PLTN yang pertama di Indonesia, BATAN bersamasarna dengan BPPT dan PLN telah mengirim tenaga ahli untuk mengikuti partisipasi disain di General Electric dan Westinghouse. Salah satu partisipasi lokal yang dilakukan PRSG, ialah dengan melakukan pengkajian aspek thermal PL TN jenis PWR dengan daya 600 MWe. Reaktor daya jenis PWR pada saat ini merupakan yang terbanyak dioperasikan di dunia. Reaktor ini menggunakan air sebagai pendingin terasnya dan temperatur kerja pendingin berkisar antara 290°C sampai 325°C. Pada kondisi tersebut tidak diperkenankan terjadi pendidihan pada teras reaktor. Untuk mencapai kondisi tersebut tekanan kerja pendingin berkisar dari 2000 sampai 2400 Psi. Adapun diagram alir PWRsecara skematis ditunjukkan dalam gambar 1. Karena sifat air yang "incompressible" maka bila terjadi perubahan volume yang kecil akan mengakibatkan perubahan besar pada tekanan pendingin primer. Jika tekanan pendingin primer turon akan terjadi penguapan di teras dan dapat mengakibatkan rusaknya beberapa bahan bakar karena terjadinya "burn out". Untukmencegah terjadinya kejadian ini, maka sistem p'endingin primer PWR dilengkapi dengan pressurizer. Adapun kegunaan dari alat tersebut untuk mempertahankan tekanan pendingin primerpada batas keselamatan yang telahditentukan. Bahan bakar yang digunakan adalah dalam bentuk senyawa U02 dengan pengayaan U23Ssebesar 2% - 3%. Bentuk U02 merupakan pH-pil kecil dengan diameter 1 em, panjang 2 cm dan disebut pellet serta dimasukkan dalam kelongsong yang terbuat dari bahan "zircaloy". Melalui makalah ini dikaji parameter disain PL TN jenis PWR (pressurized Water Reactor) dengan daya 600 MW
MWe. Diharapkan hasil pengkajian dapat digunakan sebagai studi perbandingan terhadap parameterdisain reaktor sejenis, yang mung kin akan dipilih dikemudian hari. Dengan menggunakan beberapa asumsi parameter PWR yang sudah baku dan dengan rumus-rumus dari beberapa literatur dapat ditentukan parameter disain. Sebagai bahan perbandingan dari hasil perhitungan digunakan data parameter disain PWR Tomari. Dari hasil perhitungan didapat banyaknya bundel bahan bakar (17xI7) 128 bundel, sedangkan untuk PWR Tomari dengandaya579MWe(14xI4) 121 bundel,panjangsetiap elemen bakar 3,56 m sedangkan untuk PWR Tomari 2,46 m, laju pending in primer 39.163 ton/jam dan untuk PWR Tomari 30.000 ton/jam. Dari hasil perhitungan terihat parameter disain yang diperoleh untuk PWR dengan da ya 600 MW e mendekati parameter disain PWR Tomari yang telah operasional.
I
II. TEOR! II-I. PERHITUNGAN KARAKTERISTIK TERAS Dalam pengkajian perancangan teras reaktor daya jenis air bertekanan diasumsikan sebagai berikut : - Daya elektrik = 600 MW = 33 % - Effisiensi sistem (11) - Faktor titik panas total (F) = 2,575 - Fluks neutron termal rerata (
140
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan Serta Fasililas Nuklir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN
PLTN
Laju panas linier maks (qmaksI) = qlllrnaks X luas penampang pellet = 355,44 W/Cm
= 10,5 g/cm3 =3,2 %
- densitas U02 - Pengkayaan bahan bakar
600 Q = Panas terbangkit dalam teras = -termis
h
.
..... (1)
= 62303,016.106 BTU/ jam Q ......... (2)
Kecepatan pendingin primer =
Panjang total bahan bakar panas total terbangkit (Q)
Hp
Ll
laju panas linier rata-rata = 13,70 . 104 m
dim ana D Hp = Selisih entalphi keluaran pendingin primer clan masukan pendingin primer = 87,03 . 106 Lb/jam = 15,69 m3/det. 15,69 m3/detik Luas area aliran pendingin = Laju pendingin primer = 3,22 m2 Luas satu bundel b. bakar jenis PWR (B) = 492,4
cm2•
Luas penampang b.bakar/bundcl (D) = II/4.d2 x jml. b.bakar/bundel = 237,27 Cm2 Luas pendingin sctiap bundel (C)
Jumlah bundcl b. bakar
Laju panas linier rata-rata q.t = laju panas linier maks/F = 139,04 W/Cm
panjang setiap b. bakar = panjang total/jumlah b. bakar = 3,70 m Yolume U02/bahan bakar = cp pellet x panjang setiap bahan bakar = 248,49 Cm3 Berat U02/bahan Berat U02 total
Diameter equivalent teras (R) =-J 4 x luas total teras reaktor IT
= 3,22 mlC2 = 128 bundel
= 2,83 m
Jumlah b. bakar (N) = jml bundel x jml b.bakar/bundel = 36992
Tin p primer + TOUI P primer dengan T = ---------2
= 2609,14 g = 88,17 ton
Luas total teras reaktor= Jumlah perangkat b.bakar x luas setiap bundel b bakar jenis PWR = 6,3 m2
=B-D = 255,13 Cm2
rap at day a volumetrik : qlll= G . Nf • oro' F aT = 0,8862 f (T) 0fo
bakar
•
(3) (To/T)O,5
11-2.Pcrhitunl!an dlstrlbusl suhu bahan bakar Dalam perhitungan diambil empat buah bahan bakar yang disusun secara square pitch dengan jarak pitch = 1,32 Cm
= 306°C
f(T) = 0,93 (lihat Gbr 4-3 El. Wakil) oro = 577,1 barn (appendix B El. Wakil) aT = 341,22 barn = 341,22. 10.24 Cm3 Gr = 180 Mev/fission (besar energi tiap pembelahan) Jika diambil pengayaan U02 = 3,2 % maka didapat : Nf = 7,115 . 102° inti atom/Cm3
clan saluran pendingin yang ditinjau ialah A luas saluran A = 0,85 Cm2 dengan laju alir = 278 gr/det Besarnya koefisien perpinclahan panas dapat dihitung dengan rumus "Dittus boelter". h = 0,148 (1 +10.2 T + 10.5T) yO,8BTU/feet2 hroF ..... (1) D°,2 In
dengan bcsaran tersebut di atas dihitung daya panas volumetrik dengan rumus no. 3 diperolch : qlll = 203 W /Cm3 qlll maks = F . qlll dim ana F ialah faktor titik panas total sebesar 2,575 qlll maks = 522,72 W/Cm3
T= T. + TOUI
°F
2 Y = laju alir pendingin feet/jam D = Diameter equvalent saluran (feet) S2 _
=2
141
x
ITa2
ITa
Prosiding Seminar Tekn%gi Serta Fasililas Nllklir
dan Kese/amatan PLTN
Serpong. 9-10 Febmari 1993 PRSG. PPTKR - BATAN
h = 6285,26 BTU/fcet2 hr of = 1,99 W/Cm2 °C Kedudukan suhu selongsong maksimum dapat dihitung dengan rumus :
H
H
Ze = -
tan-· ------II Cp m (-1/2 - [1/ h (R
(2)
+ b)]
dimana : H ialah tinggi bahan bakar = 389 Cm m laju alir pending in yang melewati saluran pendingin = 278 gr/det Ze = 95,14 Cm R ialah jari-jari bahan bakar b ialah tebal kelongsong pada posisi tersebut suhu pendingin qlll maks Vf Tb =Tbo + --[1 +sin (-)]
II
mG
Cp
........... (3)
H
dimana Vfialah Volume U02 = 63,24 Cm3 qIII maks = 522,72 W/Cm3 Z= 95,14 Cm Tbo = 290 °C Tb = 296,88 °C laju panas per satuan luas qll = laju panas linier maks kelJlmg elemen bakar = 121,72 watt/Cm2
suhu permukaan luar kelongsong Tel = 296,88 + 61,16 = 358 °C Fluks panas rata-rata lewat kelongsong diameter luar 'lell = diameter luar - tebal kelongsong 'lell= 130,24 W/Cm2
------------x
penurunan suhu pada kelongsong 'lell x tebal kelongsong !!.TeI= --------
=47,49°C
Kke,
suhu kelongsong dalam TeZ = Tel + d Te = 405,49 °C Fluks panas rata-rata lewat gap diameter luar - tebal Kel
=
diameter pellet - tebal gap = 140,8 W/em2 penurunansuhulewatgap gall 140,8 !!.T = -=--= 140;79 & ~c 0,0024
suhu pusat bahan bakar TMI= !!.T M+ TM2 = 1965,2 °C Distribusi suhu bahan bakar ditunjukkan dalam lampiran 2. II-3. Pcrhltnn{!an llnks Panas kritls Salah satu parameter keselamatan yang harus dipenuhi dalam suatu pereneanaan thermis PL TN jenis PWR atau BWRjIuks panas kritis. Fluks panas kritis merupakan batasan yang tidak boleh dilampaui dalam operasi nom1al suatu PLTN. Untuk menentukan besaran ini harus dihitung DNBR, pengertian DNBR ialah perbandingan fluks panas kritis yang dihitung dengan korelasi denganjIuks panas kritis yang dibangkitkan pada posisi tertentu. Untuk PLTN jenis PWRjIuks panas kritis dihitung dcngan korelasi "Bernath" dan berlaku kriteria pereneanaan untuk PWR dengan DNBR minimum 1,3 atau harus lebih besar dari 1,3. KorelasijIuks panas kritis untuk subcooled boiling dihitung dengan korelasi Bernath. qll = he (Twe- TJ (1) Twe= 102,6 In P - (97,2P/P + 15) - 0,45 V +32 (2) P = 2198,5 Psi V = 4,87 mldet = 15,58 feet/det T we = 654 ' 02 OF
penurunan suhu pada lapisan film !!.T = qll / h = 61,16 °C
~II
suhu permukaan pellet Tm2 = TCw + D TG = 546,28 °C qlll d2 penurunan suhu bahan bakar = f:.T M= ---16 K(U02) =1418,89°C
X 'lell
D 48 V h = 10,890 [ e ] + -e D e +D. I DO.6 e
qll
D c = 2 X S2 - lla2 / lla = 0,046 feet
.......... (3)
........... (4)
Dj = 2 lla = 0,09 feet he = 17166,38 BTU/hrfeet2 OF Jika diketahui suhu kelongsong maksimum To=269,88 °C = 566,38 OF Dengan menggunakan runms (1) besamya fluks panas kritis pada posisi tersebut : q;1 = 1504392,9 BTU/hr feet = 474,57 W/Cm2 DNBR = 'lell/q = 3,8 pada outlet Tb = 322 °C = 611,6 OF . Jika tekanan diasumsikan penurunan tekanan pada teras = 12,5 Psi 'lell= 17166,38 (653,44 - 611,6) = 718241,34 BTU/hr feet2 = 266,57 W/Cm2 DNBR = 226,57 /121,72 = 1,86
142
Prosiding Seminar Tekn%gi Serta Fasililas Nuklir
dan Kese/amatan
11-4. Pcrhitun2:an Pcmban2:kit VaD Dalam perhitungan pembangkit uap direncanakan menggunakan dua buah steam generator (pembangkit uap) dengan kapasitas masing-masing 909 MW. Untuk membangkitkan listrik sebesar 600 MWe, kedua keluaran dari masing-masing pembangkit uap digabung dan masukke dalam turbin tekanan tinggi dengan tekanan (P,) = 838 Psi dan suhu'(TSl) 265°C. Jika direncanakan suhu pendingan sekunder masuk pembangkituap dengan suhu (Ts) = 245°C, laju aliran uap ke turbin dihitung dengan rurnus : LAUT = Daya Elektrik x 10.050 / (~ - H) (1) dimana : H2
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN
PLTN
ialah enthalphi uap jenuh yang masuk turbin pada suhu 265°C, dan tekanan 838 Psi
HI ialah enthalphi pending in sekunder yang masuk ke pembangkit pada suhu 245°C LAUT = 8.881446,7 Ib/hr = 4440,7 ton/jam Luas perpindahan panas setiap pembangkit uap dihitung dengan rum us : (2) S = Qc (hi - h2) / U.LMTD dimana :
Jika menggunakan 2 buah pembangkit uap laju alir pendingin primer yang masuk ke setiap pembangkit uap Qc = 87,03 S = 21606
X
106/2
= 43.515.000 Ib/hr
m2
Mengenai detail disain dari pembangkit uap yang meliputi panjang pipa, banyak pipa, spacing, penyangga, bajJles, perhitungan kecepatan dan rugi tekanan akan dikerjakan oleh pabrik pembangkit uap. III. HasH dan Pembahasan Dari hasil perhitungan laju alir pendingin primer yang melewati teras didapat LApp = 56484 m3/jam Laju alir ini tidak memperhitungkan adanya aliran bypass yang mengurangi laju alir di teras. Adanya aliran bypass ini disebabkan toleransi dalam fabrikasi pemasangan bundel bahan bakardalam bejana tekan. Aliran bypass ini disebabkan : - ada ruang (gap) antara baffle dan outlet nozzle - ada gap di antara bundel bahan bakar - ada gap dalam control rod atau control rod thimble - ada gap antara baffle dan baret
~t. - ~t
LMTD =
In
In
ou'
[~tj~tou,]
~tin = 613 - 487,8 = 125,2 Mou. =554 - 452,8 = 101,2 LMTD = 112,78 = entalphi masukan pendingin sekundcr hi = entalphi keluaran pendingin sekunder U = koefisien perpindahan panas total steam generator = dalam perencanaan diambil harga U = 750 Btulfeet h2
OF
Qc = Laju alir pendingin primer ke setiap steam generator
T 613 OF 509
Besamya aliran bypass kira-kira 4-8 % dari lajualirpendingin primer total dan tergantung dari ukuran toleransi perencanaan. Dari hasil perhitungan distribusi suhu bahan bakardidapat suhu pusat bahan bakar (TM) = 1965 °C. Untuk bahan bakar U02 titik lelehnya bergantung pada bum up. Pada umumnya PLTN yang menggunakan bahan bakar U02 temperatumya harus di bawah 2482,22 °C. Berdasarkan hasil perhitungan fluks panas kritis pada suhu kelongsong maximum didapat harga DNBR = 3,8 harga ini masih jauh di atas ketentuan DNBR minimum untuk PWR > 1,3 , IV. Kcsimnulan Berdasarkan hasil pengkajian aspek termal dapat disimpulkan bahwa karakteristik disain yang diperoleh dari perhitungan dapat digunakan sebagai dasarperencanaan reaktor daya PWR dengan daya termal 1818 MW. Tentu saja perhitungan ini harus disempumakan dengan menggunakan program COBRA IV -Cdanjuga dilengkapi dengan analisis kecelakaan dalam kondisi LOCA.
V. ACUAN 1. Erik S. Pederson "Nuclear Power" Volume I, "Nuclear Power Plant Design" Ann Arbor Science Publishers Inc, 1980. 2. M.M. EI- Wakil "Nuclear Heat Transport" Ther American Nuclear Society La Grange Park, Illinois, 1978. 3. Ridwan Muhammad MSc, PhD, "Pengantar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuclear" 4. Joel Weisman "Elemens of Nuclear Reactor Design" Robert E. Krieger Publishing Company Inc. Krieger Drive, Malabar Florida.
143
Serpotlg, 9-10 Februari /993 PRSG, PPTKR - BATAN
Prosiditlg Semitlar Tektlologi dati Kese/amatatl PLTN Serta Fasililas Nuk/ir
T ABEL 1 PERBANDINGAN PARAMETER
PWR HASIL
PWRTOMARI di Jepang
pengkajian
Daya thermal Daya listrik Temp. keluaran teras Temp masukan teras Tekanan uap pada pembangkit uap Ukuran bundel bahan bakar Jumlah bundel bahan bakar
1650 MWe 579 MWe 323 °C 288 0 C 838 Psi 14x14 121
Laju pendingin primer Luas perpindahan panas pembangkit uap Panjang bahan bakar ilktif Diameter teras
20.200 m3fjam 4780 m2 3,66 m 2,46 m 204 WfCm 473 WfCm
Laju panas linier rata-rata Laju panas linier maksimum
DISAIN
144
1818 MW 600 MW 322 °C 290 °C 838 Psi 17x17 128 56.484 m3fjam 4501,46 m2 3,7 m 2,83 m 139,04 WfCm 355,44 WfCm
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan Serta Fasililas Nuklir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG. PPTKR - BATAN
PLTN
§~
E-i P.:f
~
~~j ....•. "\-
145
U e ~
co•... C) bI) P•... o-.
0s
co is ....: -S
~ ~
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan Serla Fasililas Nuklir
PLTN
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN
1965,2 -
. CLADJNG
-r- GA S -':=aJ
GAP
fu~l )
. COOLANT
358
- •.. RADIUS OF PIN
Gambar 2. Temperature distribution in fuel pin
146
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan Serla Fasililas Nuklir
Serpong. 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR -BATAN
PLTN
1 .J :.1·
Gambar 3
147
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamaran PLTN Serra Fasililas Nuklir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - SATAN
1.'oWCI' Hcnc!.al"!; nud
o
II
NlIelcnr
~
~
\ . fl
StClI!}!
Sllppl)'
SYSt<":III~;
II
(,,,,,,,,1 ,,,d
1\ ~
I~l' ;·II~~:.\,
l:%·-IJ>II.--. ~I--·II
..
,-.-
_._'-- l'L'1\lll,i I uti
..,-
._, Core baird
SII P\1Ui'I
..•.-.-.-- ('UI': Sill Ulld (,"'r.: SlIppUi'I - ..•, :\\s<:l1\hl)'
Gambar 4. Cross-sectional
vies of a pressurized-water
reactor (Courtesy of Combustion Engineering, Inc.)
148
Ke Daftar Isi
