ProsedingPertemuandan PresentasiIlmiah PPNY-BATAN,Yogyakarta14- 15 Juli 1999
Buku I
131
PENENTUAN FRAKSI BAKAR BAHAN BAKAR REAKTOR KAR TINI BERD ASARKAN PERBAND IN G AN AKTIVIT AS BASIL BELAH CS137 Y. Sardjono, M. SalmanS., Edi Triyono BS PPNY-BArAN
Widodo Budi Mahasiswa
Pasca Sarjana Jurusan Fisika
UGM
ABSTRAK PENENTUAN FRAKSI BAKAR BAHAN BAKAR REAKTOR KARTINI BERDASARKAN PERBANDINGANAKTIVITAS HASIL BELAH Cs137.Telahdilakukanpenentuanfraksi bakar(burn-up) bahan bakar reaktor Kartini berdasarkanperbandinganaktivitas Cs137pada elemenbakarreaktor yang sudah diketahui nilai burn-upnya.Pengamatanditekankanpada pengamatanaktivitas hasil belah bahan bakar, khususnyaisotopproduk fisi Cs137.Besarnya burn-upbahan bakar dihitung berdasarkanmetode perbandingan yaitu membandingkandengan bahan bakar yang telah diketahui burn-up nya. Dari pengukuranini diperoleh besarnyaburn-upbahan bakar tertinggi dan terendahper elemenbahan bakar adalah bahan bakar nomer seri 3216 dan 6726 yaitu masingmasing0,2339 gr dan 0,0062 gr, Sebagai pembanding hasil pengukuran adalah digunakan hasil perhitungan dengan memakai paket program TRlGAP. Dari perbandingantersebutdisimpulkanbahwahasilpenegukuranmemilikiperbedaansekitar 10 % denganhasilperhitungan.
ABSTRACT DETERMINA]'IONOF BURN-UPFUEL ELEMENT OF KARTINI REACTORBASED ON COMPARISON OF THE Cs1~7ACTIVITY FISSIONPRODUC7: Determinationof burn-upfuel.element of Kartini reactor basedon the Cs -137 fission product activity has beendone.Thepurpose ofthe researchwas to determinate burn-up ofthe Kartini reactorfuel element. Data ofthe researchwerecollectedbyinvestigatio'1 ofthefuel elementactivity, especiallyCs -137 fission product. Thevalue of thefuel element burn-upwas calculated basedon comparativemethode,i. e. bycomparatingto fuel elementburn-upwhich has beenknown.From the result ofexperimentof burn-up offuel elementit could be concludedthat the higher and lowerfuel burnup were 0.2339 and 0.0062for each serial number 3216 and 6726, respectively.If compared with calculation byusing TRIGAPcode,the deviationwas10 % lower than experiment.
PENDAHULUAN F
raksi bakar (burn-up) bahan bakar adalah merupakan besaraI:tyang mutlak hams diketahui dalam setiap elemen bakar, baik itu elemen bakar yang sedang berada di dalam teras ataupun yang berada di luar teras yaitu di bulk shielding (spent fuel storage). Hal ini penting karena untuk keperluan penggantian bahan bakar (refueling) ataupun perubahan posisi elemen bakar di dalam teras (resuJling) untuk mencapai distribusi daD tingkat fluks neutron yang diinginkan, sedangkan nilai burn-up untuk bahan bakar bekas perlu diketahui karena untuk mempertimbangkan apakah masih ekonomis atau tidak jika sisa U-235 dalam elemen bakar tersebut dipisahkan daTi isotop-isotop hasil belah yang lain (reprocessing).(l) Banyak metode/cara yang hams ditempuh untuk menentukan nilai burn-up, yaitu baik cara ISSN 0216 -3128
merusak (destructive)dan cara tidak merusak (non destructive). Mengingat begitu besarnya aktivitas isotop produk fisi yang terbentuk, maka metode merusaksangatsulit untuk dilakukan sebabjika hal ini dilakukan maka hams disediakan laboratorium khusus yaitu fasilitas hotcell yang biayanya tidak sedikit daD menurut ketentuan sangat sulit perijinannyadari IAEA. Untuk caratak merusaksangat mudah dilakukan karena hanya menyiapkan biological shielding daD sistem detektor semikonduktor yang daya pisahnya terhadap energienergiisotopproduk fisi sangattinggi.(2,3) Jutaanproduk fisi yang'terdapatdalam t ahan bakar, akan tetapi tidak banyak produk fisi yang memiliki umur paro yang berorde puluhan tahun sepertiCs-137maka pada pengukuranfraksi bakar bahan bakar dipilih produk fisi Cs-137 tersebut. Hasil fisi Cs-137 terbentuk secara langsung daD mempunyaiumur paro 30 tahunmaka neutronbasil Y. Sarqjono,dkk.
132
fisipun kemudian akan bereaksilagi denganbahan fisil dan memberikanreaksipembelahanberikutnya dan peristiwa ini akan terjadi terus-menerus sehingga terjadi reaksi berantai. Selama reaktor beroperasi, U-235 akan terbakar dan menyusut sampai suatu saat perlu actapenggantian.Dalam melakukan penggantianbahanbakar reaktor tidak boleh dikerjakan sembarangan karena bersifat sangat radioaktif, dan hams diperhatikan apakah bahan bakar tersebut telah mencapai tingkat penyusutanyang dikehendaki. Dengan demikian untuk keperluan penggantianbahan bakar reaktor ini diperlukan penentuanfraksi bakar dari bahan bakar tersebut.(2,3.5) Aktivitas radiasi daTibeberapaisotopproduk fisi, dapat dipakai untuk menen-tukanfraksi bakar bahanbakarU -235 di dalam elemenbahanbakar. Fraksi bakar tersebut ditentukan dengan cara mencarikesebandinganproduk fisi terhadapjumlah atomU- 235 yangmerilbelah.Tidak semuaaktivitas produk fisi dapat dipakai untuk menentukanfraksi bahanbakar,tetapihanyaproduk fisi yang memiliki umur para panjang dapat yang dipakai untuk menentukanfraksi bakar, diantaraproduk fisi yang dimaksudadalahsepertiCs-134dan Cs-137.Untuk mengamati kedua isotog tersebut diperlukan peralatangammascanning.2) Pengetahuantentang fraksi bakar bahan bakar sangat bermanfaat bagi pemakaian reaktor dan penggunaan bahan bakar secara efektif. Evaluasi untuk menetapkanapakah bahan bakar reaktor sudah perlu diganti atau belum, maka diperlukan data fraksi bakar bahan bakar. Data fraksi bakar bahan bakar dapat ditentukan melalui perhitungan dan pengukuran. Data fraksi bakar bahan bakar sangat penting artinya karena menyangkutsegi ekonomidan efisiensipenggunaan bahan bakar. Berdasarkanuraian tersebut, maka penentuanfraksi bakarbahan'bakarperludilakukan.
CARA KERJA Peralatanyang dipergunakandalam penentuan fraksi bakar bahan bakar reaktor Kartini berdasarkanaktivitas produk fisi Cs-137 adalah :serangkat penatah gamma yang terdiri dari kolimator berdiameter 1 m~ daD tempat bahan bakar. Kemudian seperangkat sistem spektrum gamma yang terdiri dari detektor germanium kemurnian tinggi Hp-Ge, penguat awal, penguat, MCA, tegangantinggi daDunitpengolahandata. Sebelumdilakukan pengukuranfraksi bakar bahanbakar maka dilakukan lebih dahulu kalibrasi tenaga daDkalibrasi efisiensi. Kondisi pencacahan sepertipada kalibrasi tenagayaitu denganmeletakY. Sardjono,dkk.
ProsedingPertemuandan PresentasiItmiah PPNY-BATAN.Yogyakarta14 -15 Juti 1999
Buku I
kan sumber standar Eu-I52 pacta jarak tertentu 20 cm kemudian dilakukan pencacahan selama 600 sekon. Setelah kaki-kaki dari puncak tenaga yang muncul ditandai, kemudian dicatat cacah'netto yang terbaca pacta layar MCA. Setelah itu ditung besarnya efisiensi detektor. Pengukuran Aktivitas C.-I37 dari bahan bakar yaitu dengan mrletakkan bahan bakar tipe 102 ke dalam wadah bahan bakar pacta rak pencacahan, letakkan detektor pacta rak pengukuran penatah gamma dengan mengatur p,?sisi kalimator pacta posisi nol (posisi paling atas) dari bahan bakar pacta rak wadah bahan bakar kemudian dilakukan pencaccahanseperti pactapercobaan kalibrasi tenaga daDefisiensi.
Pengolahan data 1.
Untuk menentukan besamya fr1lksi b1lkar bahan b1lkardalam penelitian ini dipergun1lkan metode perbandingan, yaitu membandingkan dengan bahan b1lkar yang telah diketahui bum-upnya. Oleh karena bahan b1lkar sampel yang 1Ikan dipergun1lkan sebagai standar belum selesai dibuat m1lka dalam penelitian ini yang dipergun1lkan sebagai standar ialah bahan b1lkar nomor 6726.
2.
Bahan b1lkar Domer 6726 mula-mula dicacah (dideteksi) 1Iktivitas produk fisi Cs-137 dengan prosedur pencacahan seperti yang t~lah diuraikan dalam bagian C.3. Setelah selesai pencacahan kemlJ:dianbahan b1lkar Domer 6726 diiradiasi selama 6 jam. di ring F dengan tingkat daya reaktor 100kw.
3 .Sebelum
dilakukan pencacahan, bahan bakar Domer 6726 didinginkan dahulu dengan w1lktu pendinginan 4,01 x 105 detik agar paparan radiasinya memungkinkanuntuk dicacah.
4.Setelah paparan radiasinya memenuhi persyaratan pencacahan, m1lka bahan b1lkar Domer 6726 dicacah dengan prosedur seperti yang dilakukan pada bahan b1lkar sebelum diiradiasi. Dari hasil pencacahan temyata ada kenaikan aktivitas Cs-137 jika dibandingkan dengan sebelum diiradiasi. Kenaikan aktivitas Cs-137 ini dipergun1lkan sebagai dasar perhitungan fr1lksi b1lkar bahanb1lkar.
HASILDAN PEMBAHASAN Dari basil pengukuranbum-up bahan babar seperti pada cara ~ersebutdi atas maka dapat diringkasdalamTabel1. ISSN 0216 -3128
ProsedingPertemuandon Presentasi/lmiah PPNY-BATAN.Yogyakarta/4- /5 Juli /999
Tabell.
Buku I
133
Ringkasanhasif pengukuran burn-upbahan bakar. Ia 10
~ 12
--
.D14 1
~
19ah
~ 311 .D :~ ยป. '6 ~ 121
i i
~But".upBa~8ak~rNo.3M
( X~O
1
Gambar3. Grafik burn-upbakarNo. 3216.
Sedangkandetail basil pengukuran fraksi bakar untuk setiapelemenbakar dapat dilihat pada Gambar1 sid 14
Gambar 1. Grafik burn-upbakar No. 3205.
_.~.
.,. ., Gambar 6. Grafik burn-up bahan bakar No. 3234 vsposisi.
ISSN 0216-3128
Y. Sardjono,dkk.
134
ProsedingPertemuandan PresentasiItmiah PPNY-BATAN.Yogyakarta14- 15 Juti 1999
Buku I
. r
E.
~ ~I ,Q
I8h
~ "I
2.,. t.
i ,. II .Q
,Q ~I
-ltas
~~~~~::::::::::::::=:~::::::::::::::::
=
,. ,.
I: . II n
'u;
'~ :1 ~
-===~~~~
.Co
" .,. ~~=~~~~=== .Q
"o.ZBurn.up Sa... Bat" No.3tH C~O
'; . "; .
1
0
Gambar 7. Grafik burn-upbakarNo.3261.
12
Q. ,.
..
===::::
~..n'
0.-=
=~~~
:::::::::::::::::::=
===
-~--
0.21 Bum-Up Blh"
Blklr
No.32,J;it x 1(-
gr)
t
Gambar 11. Grafik burn-upbahanbakar No. 3290 vs posisi.
atas
.-. ~ "I ~ ~ ~ ~ ---~
j:~
~~ ~~
::::-
.3" c "
:::=:
=--an-
.c 1. ICI 21E~~~~-M ~
~~~~
Gambar 12. Grafik burn-upbahanbakarNo. 6688
vsposisi. H
1.11 U U, Blim-Up Bahl. Blur No.~282( x d
, If)
Gambar 9. Grafik burn-upbahanbakar No. 3282 vsposisi.
alas
:
~I: :~~~~~~ .D. 11 ---= =: ~II 11 14
-= --Co
C1I
--:-
1. == ::: .8 14 ---=
::::
'
l
-
In
-:.
--. --'.::
---::
II
:
M 1.25
===~Q
::_-
1.5 8.75 Burn-Up Bahan Bakar No.3281 ( x 10 -4 grJ
f
Gambar 10. Grafik burn-upbahanbakarNo. 3287
vsposisi. Y. Sardjono,dkk.
Gambar 13. Grafik burn-upbahanbakarNo. 6710 vsposisi.
ISSN 0216-3128
ProsedingPertemuandan PresentasiIlmiah PPNY-BATAN.Yogyakarta/4 -/5 Juti /999
Buku I
135
Besarnya waktu mati dalam pencacahan selalu berubah untuk tiap-tiap posisi bahan bakar tetapi hal ini diatasi dengan besarnya live time dalam layar MCA.PenempatandaD ukuran k;olimator. Manfaat kolimator adalah untuk mereduksi sinar gamma sehingga sumber gamma (bahan bakar)dapatdianggapsebagai'sumbertitik. Karena fungsi ini maka peranan kolimator sangat menentukanbesar kecilnya foton gamma pactabahanbakar yang dideteksi.Ukuran kolimator (lebar kolimator) yang dipergunakandalam penelitian ini adalah I mm (diameter) ini merupakan diameterterkecil yang dapat diperoleh. Kesalahan penempatankolimatortidak dapatdikoreksi, karena disain dari sistem pengukur burn-up bahan bakar sudahdibuatpermanen. Pengaruhoperasi reaktor selama pencacahan Fasilitaspenentuanfraksi bakar ini terletakdi dalarnreaktorhall. Hasil pengarnatan menunjukkan bahwa operasireaktorberpengaruhterhadapwaktu mati dari sistem deteksi, hal ini terlihat (terbukti) dengan tidak tetapnya skala "waktu mati" pacta MCA. Perubahan"waktu mati" ini disebabkankarena pengaruh gamma yang berasal (dihasilkan) selarna reaktor beroperasi,meskipun jika diukur aktivitas garnmanyarelatif kecil. Kalibrasi tenaga dan kalibrasi energr tidak menggunakan sumber yang memiliki bentuk geometri sarna dengan geometribahanbakar,
Jika dibandingkan dengan data basil perhitunganbum-upbahanbakaryang ada di database subid. bahan bakar reaktor (dari perhitungan program TRIGAP) bahwa terdapat9 bahan bakar yaitu bahanbakar Domer: 3205, 3209, 3216,3219 E, 3234, 3264, 3290, 6726dan 9354 ternyatasesuai denganbasil perhitungan,sedangkan6 bahanbakar, yaitu Domer: 3224,3261 E, 3282,3287 E, 6688dan 6710 tidak sesuaidengan basil perhitungan.Bila dilihat persentaseyang sesuai dengan basil perhitungan maka terdapat60 persendan yang tidak sesuaiada 40 persen,hal ini dapatdikatakanbahwa metodeini cukupbaik. Beberapa hal yang mungkin menyebabkan ketidak sesuaianantara basil pengukurandan basil perhitungan antara lain :perubahanrespon sistem deteksi yang paling nampak adalah adanya perubahan"waktu mati" yang m~ngakibatkanbergesernya kurva tenaga pada layar monitor MCA. Perubahanini dapat diatasi karena sebagianbesar bahan Qakar yang dideteksi hanya menghasilkan puncaktenagauntuk Cs-137(662 key) dan Co-60 untukbahanbakartipe 104. ISSN 0216- 3128
Hal ini tidak dapat diatasi karena dalarn penelitian ini tidak tersedia sumberstandarCs-137 yang memiliki geometri sarna dengan geometri bahanbakaryangdideteksi. Kesalahan dari waktu pendinginan (waktu tunda) yang sebenarnyabukan dari bahan bakar sejakdipindah di bulk shieldingakan tetapi dari saat akhir iradiasidi dalarnterasreaktor. Pencacahan bahanbakar setiap 2 cm mungkin terlalu kasar,sehinggabelum dapat mencakup seluruhbagianbahanbakar. Dari hasil penarnpilan Garnbar 2 sid 15 terlihat bahwa harga fraksi bakar di bagian ujung bawahbahanbakarrealtif lebih tinggi dibandingkan dengannilai fraksi bakar di bagianujung atasbahan bakar, hal ini disebabkan oleh pengaruh pQsisi batang kendali diwaktu reaktor beroperasi yaitu bahwa batang kenda,liselalu di atas posisi bawah sehinggafluks netron dibagian bawah lebih besar dibanding di bagian atas bahan bakar sehingga reaksi U235dengan netron semakin tinggi dan otomatis fraksi bakar di bagian bawah bahanbakar lebihtinggi.
Y. Sardjono,dU.
-ProsedingPertemuandan Presentasillmiah 136
Buku I
Dari hasil Garnbar 2 sid 15 juga menggarnbarkan bahwa nilai fraksi bakar di bagian tengan bahan bakar paling tinggi, hal ini sesuai denganbukling aksial teras reaktor yaitu di bagian tengah tinggi (sesuaidenganfungsi cosinus).Tapi akibat pengaruhbatang kendali titik puncak fungsi cosinustersebut cenderungbergeserke arab bagian bawahteras.
KESIMPULAN Berdasarkanhasil penentuan nilai bum-up bahanbakarmaka dapatdisimpulkanbahwa: 1. Dengan metode perbandingan,yaitu membandingkan dengan bahan bakar yang telah diketahui bum-upnya dapatdi1akukanpenentuan bum-up bahan bakar reaktor Kartini berdasarkanaktivitasproduk fisi Cs-137. 2. Hasil pengukuran bum-up dengan perangkat penatahgammayang ada di reaktor Kartini diperoleh hasil yang cukup baik jika dibandingkan dengan nilai bum-:up hasil perhitungan dengan program Trigrap yaitu dengan perbedaan10 %.
DAFTAR PUSTAKA 1. DUDERSTADT JAMES J., HAMILTON LOUIS J, 1976., "Nuclear Reaktor Analysis", New York: John Wiley and Sons. 2. KAPLAN IRVING, 1962.,"Nuclear Phy-sics", London: Addison-Wesley Publishing Company. 3. KARL O. OTT, WINFRED A BEZELLA, 1983., "Nuclear Reactor Statics", USA: AmericanNuclear SocietyLa GrangePark. 4. KEEPIN, G.R., 1965., "Physics of Nuclear Kinetics", ReadingMass: AddisonWesley. 5. KENNETH S. KRANE; 1988., "Introductory Nuclear Physics",New York: John Wiley and Sons. 6. LAMARS, JOHN R., 1966., "Introduction to Nuclear ReactorTheory",New York: AddisonWesley..
7. LEDERER et al.; 1967., "Table of Isotopes, Sixth Edition", New York: John-Wiley and Sons. 8. PHILIP R.. Bevington, 1969.,"Data Reduc-tion and Error Analysis For The Physical Sciencess",New York: Mc Graw-Hill Book Company. 9. WALTER E MEYERHOF, 1987., "Elements of Nuclear Physics",Third Edition, Tokyo: Mc Graw -Hill InternationalBook Company. Y. Sardjono,dkk.
PPNY-BATAN, Yogyakarta 14 -15 Juli 1999
10. WISNU SUSETYO, 1988., "Spektrometri Gamma", Y ogyakarta : Gadjah Mada University
Press.
TANYAJAWAB Ma'sum Ischaq -Ketika reaktor shut-down,dianggapbahanbakar tidak terbakar (?), padahal reaksi pembelahan selalu terjadi, sehinggaterjadi kesalahandalam perhitunganburn-up. Bagaimanabisa pengukuran yang realtif dib'andingkandenganperhitungan bum-up yangjuga salah? Apa tidak sebaiknya Trigapsajayang dianggapbenar?
Y. Sardjono :- Setiapcomputercode punya karakter tersendiri sesuai dengan asumsi yang dilakukan dalam pemodelanyang diambil. Seperti TRIGAP;tidal bisa mengukur burn-up per elemen tetapi per zone. Jadi tidal dapat mencirikan kondisi operasiyang seungguhnya. TegasSutondo -Perbandingan BU di sini dilakukanterhadapbasil perhitungan TRIGAP yang memberikan perbedaan10 %. Mana yang lebih akurat basil prediksi BU tsb ? (TRIGAP atau pengukuran aktivitasCs-137)mobonpenjelasan.
Y. Sardjono -Dalam hal ini tidak dapqt memberikanmana yang akurat. .Pengukuran ada sumberkesalahandari bahan bakaryang sudahdiketahuiburn-upnya. .Program TRlGAP, tidak dapat menghitung perelemen.
Endiah Puji Hastuti -Manakah yang lebih dipercaya, perhitungan fraksi bakar BB menggunakanpengukuran y scanning ataukah hasil perhitunganTRIGAP ? Mengingat .Trigap tentu menggunakan asumsi-asumsi tertentuyang belum tentu tepat daDkemungkinan adanyakesalahanperhitungan.. .Panjangnya sejarah bahan bakar dengan berbagaivariasiclarareaktor
Y. Sardjono -Baik
TRIGAP dan pengukuran semua ada
kesalahan. ISSN 0216 -3128
