Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bakar NukUr PEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996
ISSN 1410-1998
PENGARUH BURNUP DAN DAY A TERHADAP PELEPASAN GAS FISI DARI ELEMEN DAKAR REAKTOR DAY A JENIS PWR BERDASARKAN PERHITUNGAN DENGAN KODE FEMAXI-IV Edy Sulistyono Pusat Elemen Bakar Nltklir
ABSTRAK Telah dilakukan analisis terhndap pengnrnh pernbahan bum up terhadap pelepasan gas fisi serta dibandingkan antara pelepasan gas fisi dengan variasi daya memnkai progrwn komputer FEMAXI-IV untllk elemen bakar jenis PWR pada kondisi steady-state. Hnsil wlnlisis mcnunjukkan bahwa pelepasan gas fisi sangat dipengaruhi oleh temperahlT bahllJl bakar, bun/up maupun dnya pada suatu elemen bakar yang diiradiasi.
ABSTRACT Burn up dependence oj fission gas releasedand variation power analy.vishave been conductedusing FEMAXI-IV computer code progmm Jor Pressure Water Reactor Fuel during steady-state condition. The analysis result showsthat/he fission ga.v reh~aseis sensitiveto theJu(~ltempemture,the increasing oj burn up and power in theJuel elementunder irm(fiation (~xperiment.
PENDAHULUAN Pelepasan gas basil fisi dari sualu clemen bakar dapat disebabkan antara lain oleh naiknya temperatur bahan bakar. Selain itu tekanan internal dari clemen bakar juga sangat dipengaruhi kondisi operasi selama berada pada kondisi steady-state atau transient. Unluk meramalkan kecepatan produksi gas fisi selama proses irradiasi dapat dianalisis unjuk kerja clemen bakar dengan menggunakan program komputer yang sering disebut ftel rod
performance codes. Salah satu model program kompuler unlllk meramalkan prodllk gas fisi sualll elemen bakar dapat menggunakan kode kompuler FEMAXIlVI, karena model program ini berdasarkan model hasil pengembangan dari model yang dilemllkan oleh White daD Tucker2,Hargreaves dan Collins3 dan K.lto, R. lwasaki4. Model dari program ini beranggapan bahwa bahan bakar adalah U02 dan merupakan kumpulan daTi butir-butir berbentuk bulat. Mekanisme terbentuknya gas fisi yang dihasilkan berdasarkan alas difilsi atom gas, efek trapping pada intragranular gelembung, efek ~weeping, resolusi dari atom gas, daD produk atom gas dari ekses kapasitas jenuh dalam bahan bakar. Ukuran daD densitas daTi gelembung intra-granular dikontrol oleh temperatur bahan bakar. Gelembung intragranular diasumsikan tidak bergerak didalam model. Kumpulan atom gas yang dihasilkan berakumulasi menjadi gelembung-gelembung. 17,1
Tulisan ini menguraikangaris besar sistem kodekomputeryang dipakai dan pengaruhburnup sertadaya pada clemen bakar reaktor daya jenis PWR berdasarkan perhitungan dengan mengglmakankodekomputerFEMAXI-IV.
METODOLOGI Garis BesarSistemKode FEMAXI-IV Program FEMAXI-IV 5. adalah program komputer yang disusun dengan bahasa FORTRAN-IV yang mampu meramalkan unjuk kerja clemen bakar jenis L WR. baik dati unjuk kerja tennal maupun mekanik pada kondisi ...teady-stateatau kondisi transient. Sistem analisis temperatur dihitung berdasarkan pada bentuk geometri satu dimensi silinder utuh daD distribusi radial dati temperatur berdasarkan perbedaan letak per bagian dati bahan bakar ( finite difference method ). sedangkan bentuk aksial dati temperatur dihitung berdasarkan pada simpul tegak ( axial nodes ). Model Analisis PelepasanGas Fisi Model analisis produk gas fisi yang dipakai dalam FEMAXI-IV adalah model phisik yang telah disederhanakan dari model yang dibuat oleh White clan Tucker clan Hargreaves and collins3, Model diasumsikan bahwa bahan bakar merupakan kumpulan dari butiran-butiran bentuk bulat dari UO2. Gas fisi yang dihasilkan dalam butiran merupakan basil dari pergeseran dari butir-butir yang terakumulasi menjadi bentuk
Pro,riding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir PEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996
gelembung, mekanisme pergeseran bisa disebabkan oleh difusi atom atau bert.1mbah luas (sweeping) oleh pertumbuhan gelembung yang suatu ketika akan mencapai titik jenuh, sehingga antar gelembung bisa terjadi penggabungan, membentuk ikatan seperti rantai dan kemudian membuat alur seperti terowongan (tunnel) sehingga lepas keluar. Ukuran dan densitas butir/gelembung dikontrol oleh temperatur elemen bakar. Gelembung intragranuler dianggap tidak bergerak di dalam model. Dalam kode komputer ini, kecepatan generasi dan terbentuknya produk gas fisi dihitung berdasarkan pada bentltk geometri satu dimensi silinder utuh (pin) dibagi atas bentuk arah aksial maks 12 segmen dan setiap segmen dibagi atas maks. 10 bagian ke arah distribusi radial dan mengikuti beberapa asumsi dan pers.'lmaan sebagai berikut :
KecepatanGenerasi Kecepatangenerasipada segmenj ke arab aksial dan radius i ke arab radial mengikuti persamaan: Y. rj. cr! pij = Er. NA Dimana pij = kecepatan generasi produk gas fisi dalam radius ij (mol/cm sec); rj = fungsi distribusi density daTi heat generasi dalam arab radial; qi = density panas generasi rata-rata dari arab aksial segmen j (W/cm); Er = energi yang dihasilkan per I fisi = 2,884 x 10 -II joule (180 MeV); NA = avogadro number = 6.02 x 10 23. Komposisi gas dihitung berdasarkan
"10""" .'00
XII. =
Tu""..kon~o"."
~o".r
no .Xo.Ho nt
(no. Xo.Kr+O,13 nr) XKr =
nt
( fio .Xo.Xe+ 0,87 fir) x
x.
=
fit
Dimana X H. = mol fraksi helium; XKr = mol fraksi Krypton; Xx. = mol fraksi Xenon, no = mol gas awal dalam rod bahan bakar; Dr = mol gas basil produk gas fisi; n( = mol gas total; Xo... = mol Gambar 1. Bentllk geomctri clemen bakar
fraksi awal. Difusi Sccara trapping
Mekanisme pergeseran butiran atau gelembung dilunjukkan pada gambar J.a. dan secaraideal modelgelembungdianggapberbentuk bola dilunjllkkan pada gambar J.b, dan diasumsikan bahwa bentuk dinding penyekat dalamkeadaansetimbang. (a)
Gambar 2. Bentuk Geometri untllk Termal dan mekanik
275
(b). ,/: ~ ~
Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bokor Nuklir PEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996
(
lIelembung De.
a
IntreDrenuler ~/
...,-
~ :~Y--' \
I .
I\ . '\
., ) .\ ,
"
I
}/-, 1
-.-
b
h...g..,..".bu"!1
VII' b..,be"t"h bol..
Gambar3. (a) : Mekanismeterbennlknyagas. (b) : Bentuk idealgelembungsebagaimodel Persamaandifusi adalahsebagaiberikut :
dC
d2C
=D
2 dC
+
dr
dt
,
-gc + born + B
r dr
dengan C = konsentrasi gas atoln/sattlan volume (atom/cm3), D = koefisien difilSi (cm2/del), g = probability dari gas alom oleh gelembung intragranular (del -I), b = probability dari gas alom yang larut kembali dalam padalan (del .1), m = nomor atom gas per saluan volume (alon1/cm3),B = kecepatan produksi gas per &1luan volume (atom/cm3/det). Bertambah
UIaS
(.S-weeping) Oleh
Pertumbuhan
Gelembung
Probabilitas dari pertambahan luas perrnukaan gelembung gas karena pertumbuhan gas dapat dihihmg berdasarkan pers(\maan:
a
fg = 1
i-I
3
~-
a' dimana : ai = jari-jari gelembung setelah pertumbuhan gelembung. ai-I = jari-jari gelembung sebclum per1umbuhan
Spesifikasipelet Bahanbakar : UO2. Diameterdalam (cm) : 0.0 Diameterluar (cm) : 0.819 Bentuk : non dishedpellets non chamferedpellets PerkayaanU23S : 0.083 Panjangpelet (cm) : 1.344 Panjang(node)aksial (cm) : 80.0 Berat pelettotal (g) : 2197.772 Ukuran butir (micron) : 5.0
b. Lain-lain Bahan kelongsong Diameterdalalnkelollgsollg(cm) Diameter luar kelongsong (cm) Volum plenum alas (cm3) Volum plenum bawah (cm3) Komposisi awal gas (%) helium nitrogen, kripton, senon Temperatur ruangan ( K )
HASIL DAN BAHASAN Data hasil analisis terhadap elemen bakar jenis PWR pada kondisi operasi steady state pada posisi aksial nomor 3 dan burn up 33000 MWD/t dapat dilihat pada Tabel I, Gambar 4.1 dan Gambar 4.2. Pada Gambar 4.1 ditunjukkan bahwa unhlk daya semakin besar semakin naik suhu pada pUSc1t elemen bakar. Pada Gambar 4.2. ditunjukkan bahwa semakin besar power yang diberikan semakin besar pula produk gas fisi. Hal ini disebabkan oleh naiknya suhu pada elemen bakar sehingga prodllksi gas fisi semakin banyak. Tabel I : Pengaruh daya terhadap distribusi suhu pada pusat elemen bakar dan produk gas fisi. (burnup = 33000 MWD/t). Daya (w/cm)
gelembung.
PENGOLAHAN DATA DENGAN PROGRAM
FEMAXI-IV DaJam pemanfaatan fasilitas program komputer FEMAXI-IV. maka telah dilakukan anaJisis terhadap clemen bakar jenis PWR pada kondisi steady-state dan pengaruh perubahan burnup dan variasi daya terhadap produk gas fisi. Spesifikasi input data elemen bakar jenis PWR
276
zircaloy 0.836 0.951 38.380 0.0 100.0 0.0 291.15
SUjili:~t. Elemen
Bnkar{oC}
~~ ~ ~ ~~ 550,0
723,50 999,00
~~
1167,70
~ ~ ~~
1432,40 1672,00 2104,00
24_56,6~
61,69
~
Prosiding Presentasi /lmiah Daur Bahan Bakar NukIir PEBN-BArAN. Jakarta 18-19 Maret 1996
3000
u o~ -I'
20<10
~
811
~ 1000
"IJ 811
0 200
300
:-~
400
500
600
~ !1)
Power Gambar 4.
( w/cm
--G--..
)
Pu8at Bhan Bakar Permukaan Bahan Bakar
Hllbllngan antara daya terhadap suhu bahan bakar.
o'P
"
.rt .~
r.. VI
~ ~
~ 0
~
Po
Gambar4.2. Hubunganantaradayatcrhadapprodukgasfisi.
I
J
,
.,
...,
.
if' .rl
.
A
1
VI
.rl
I).
.. ~
~
6_-~ /...,_.~~: ;...,.
..."n-
0
~-
power
200
w/cm
00.0.
power
250
w/cm
-()---e--
power power
275 290
w/cm w/cm
~--8--
power power
295 300
w/cm w/cm
-.1:]-
power
305
w/cm
_0£0-I;},-
power power
310 315
w/cm w/cm
k
Po 0
.I
0
.I
10000
.I
10000 , Burn.up
.I
.
30000 ( MWD/t
40000
5000
)
Gambar 4.3. Perbandingan antarn variasi daya pada pengaruhburnup terhadap produk gas fisi.
')'7'7
~~~ ~
ProsiJing Presentasi /lmiah DOIIr Bahan Bakar Nuklir PEEN-BArAN. Jakarta /8-/9Maret /996
Tabel 2. Hubungan antara burnup dan daya terhadap pelepasan gas fisi.
PetePa"San G~sFiSi{o/-;)
IiJVffl#p..
jDay-;; 2QOI Daya250
2.000 6.000 10.000 15.000
~ ~ ~ ~~
20.000 25.000 30.000 35.000 40.000
~ ~ ~ 0,5°-
0,50 0,50 ~ 0,50 ~ ~-~ !J-.:!.Q. 0,50 0,50 0,50 0,50 0,75 0.62 1,12
~
Daya 300
g~~ ~
Pads Gambar 4.3 dilunjllkkan bahwa pelepasan gas fisi yang dihasilkan sangat dipengaruhi oleh bertambahnya power clan atau bertambahnya burnup, semakin besar burnup yang diberikan semakin besar pelcpasan gas fisi clan semakin besar daya semakin besar pula pelepasan gas fisi yang dihasilkan, sedangkan efek dari pelepasan gas fisi dapat mengakibatkan tekanan internal sehingga akan terjadi external ,\1re.\'s pada kelongsong, penurunan panas konduksi antara bahall bakar dall kelongsong sehillgga suhu naik pada bahall bakarnya, juga dapat berakibat terjadillya ~welling (pelepllhall) dall akan berpengaruh pada thermal conductivity turun dan sebagai akibatnya SUhl1bahan bakar
0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,56 0,56 1,01
0,50 0,50 0,52 0,57 0,57 0,57 0,70
1.59
1,20 1_,--80
U~~a,,310;lI)aviJl$::" ~ ~ ~ ~~ ~ ~ ~
2.11
~ ~ ~ ~ l@. l1!Q
~~ 2,33
3. R. Hargreaves and D.A. Collins, J. Br. Nucl. Energy Soc. (1976) 311-318. 4. K. Ito, R Iwasaki and Y. Iwano, J. Nucl. Sci. Technol.22 (1985) 129-138. 5. JAERI Fuel Reliability Laboratory, FEMAXI-IV : Computer Code for the Anaysis of Thermal and Mechanical Behavior of Fuel Rods, CRC Research Institute, Inc., December 1992 6. Donald R. Olander, Fondamental Aspects of Nuclear Reactor Fuel Elements, Prepared for the Division of Reactor Development and Demolltration Energy Research, Chap 10 (1976).
naik. TANYAJAWAB
SIMPULAN Dan basil analisis unjuk kcrja clemen bakar reaktor daya jenis PWR (Pre,..surerized /llaler Reactor) pada kondisi steady .~'/a/e dapat disimpulkan bahwa pelcpasan gas fisi sangat dipengaruhi olch temperatur bahan bakar, burnup maupun daya. Dari data dall informasi ini dapat membcrikan pandangan sccara kualitatif dan dapat dijadikan bahan cvaluasi scbelum mclakukan uji coba irradiasi terlebih dahulu.
DAFTARPUSTAKA 1. T. Nakajima, Paper presented at IAEA Specialists Meeting on Water Reactor Fuel Element Performance Computer Modelling, Browness on Windem1ere, UK, 1984. 2. R.I. White and M.O. Tucker, J. Br. Nucl. Mater. 118(1983)
278
1. Endiah Puji Hastuti .Apakah program pcrhitungan FEMAXI-IV Iclah di bench marking? .dan bagaimana hasilnya .Bagaimana pcngaruh waktu opcrasi dan daya Icrh:1dap prodllk gas fisi ? dan dalam pcrhilungan ini apakah waktu opcrasi juga dipcrhilungkan ? Edy Sulistyono .Program FEMAXI-IV telah dicoba dengan data base pada program intemasional, seperti OECD HALDEN reactor project daD Studsvik Inter Ramp and Over Ramp Project. Data terscbut berisikan pengukuran temperatur
bahan bakar, internal gas pressure rod diameter dan post irradiation. Hasilnya dapat dilihat pada Gambar perbandingan antara produk gas fisi dari hasil perhitungan dengan data hasil ekspcrimen, (Iihat pada halaman 33 Buletin PRSG TRI DASA MEGA volume 3 no. I edisi bulan maret 1994)
Pro"iding Pre"enta"i /lmiah Daur Bahan Bakar Nukl/r PEBN-BATAN. Jakarta J8-J9 Maret J996
Pengaruh waktu operasi dan daya/ linear heat rating terhadap produk gas fisi adalah senbagai berikut; waktu operasi semakin singkat menyebabkan linear heat rating semakin besar dan produk gas fisi semakin meningkat, seperti ditunjukkan pada grafik hubungan LHR terhadap produk gas fisi. Pada program perhitungan FEMAXI-IV tersebut waktu operasi juga diperhitungkan dan hal ini dapat dilihat pada output program.
2. Hasbullah Nasution .Mohon dijelaskan mengapa terjadi penurunan produk fisi pada suatu burn-up tertentu, seperti diperlihatkan pada grafik produk fisi terhadap
power den.S'ityrendah menghasilkanproduk gas fisi yang sedikit, sedangkanpada power densitydi atas 300 W/cmm dan burn-up di atas30.000MWD/t terlihat bahwaproduk gas fisi mengalamikenaikanyangcukupbesar. 5. Sarno .Apa alasan Saudara memilih menggunakan codeFEMA XI-IV? .Bagaimana validitas code FEMA XI-IV terhadaphasil percobaan? .Apakah FEMA XI-IV dapat digunakan untuk menentukan jenis produk gas fisi yang dihasilkan?
burn-up EdySulistyono Edy Sulistyono .Pada Gambar 4.3, yaitu grnfik produk fisi terhadap burn-up terlihat terjadi penurunan produk
gas fisi pada burn-up
tertentu
untuk
LHR (power den.\"ity) 315 W/cm. Hal ini kemungkinan terjadi penyimpangan, karena pada saat melakukan pcmbuatan grafik hanya menghubungkan titik-titik yang ada tanpa melalui perhitungan persamaan garis. 3. Hanni Sosiati .Mohon pada
kesimpulan
dibuat
pemyataan/."tatement yang jelas, yaitu sejauh
mana pengaruh suhu elemen bakar, burn-up dan power pada elemen bakar yang diiradiasi terhadap prodllk gas fisi.
Edy Sulistyono .Pengaruh suhu elemen bakar, burn-up dan power terhadap produk gas fisi tclah dijclaskan secara lengkap di dalam makalah. Pada tabel 1 serta Gambar 4.1 dan 4.2 dapat dilihat bahwa semakin besar power (linear heat rating) maka suhu pada PUS<1t elemen bakar scmakin tinggi dan sebagai akibatnya produk gas fisi scmakin meningkat. Demikian pula, apabila burn-up semakin tinggi mcnycbabkan LHR (power density) semakin bcsar dan terlihat pula produk gas fisi ccnderung semakin mcningkat.
4. Nurokhim .Berapa besar
burn-up
dan
mempengaruhi banyaknya gas fisi simulasi yang dilakuka dengan PWR
power ?, dari
Edy Sulistyono .Ditinjau daTi layangan bcningan pada rumus kecepatan produksi gas fisi serta pada Gambar 4.2 dan 4.3 mcmperlihalkan bahwa pada
.Program code FEMAXI-IV dipilih, karena dapat menganalisis secara lokal dengan cukup detail .Validitasnya telah terbukti, hila dibandingkan dengan hasil percobaan data HALDEN reactor project. (Iihat pada halaman 33 Buletin PRSG TRl DASA MEGA volume 3 no. 1 edisi bulan Maret 1994) .Code FEMAXI-IV dapat digunakan untuk menentukan jenis produk gas fisi hanya pada produk gas fisi, seperti He, Kr, Xe dan N. Hal ini dapat dilihat pada output fission gas information
6. Marndu Sibarani .Mohon dijclaskan tentang data input yang digtmakan pada code komputer. karena penjelasandi dalam makalah Saudarakurang jelas .Apakah code FEMAXI-IV dapat digunakan untuk elemenbakarjenis PHWR dan apa saja bat.,sannya. Edy Sulistyono .Penjelasan tentang data input yang asli dari komputer pada s.1at presentasi ditayangkan hanya sekilas/sesaat, tetapi penjelasan yang lebih lengkap dapat dilihat di dalam rnakalah pada bagian spesifikasi input data elemen bakar jenis PWR dan perlu kami tambahkan pula bahwa data input tersebutlah yang dapat dirubah-rubah sebagaivariabelnya. .Code FEMAXI-IV tidak dapat digunakan untuk clemen bakar jenis PHWR, code FEMAXI-IV tersebut hanya dapat dipakai untuk jcnis L WR seperti pada PWR dan
BWR.
279
Pro,riding Presentasi Jlmiah Daur Bahan Bakar Nuklir PEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996
7. Amil Mardha .Apakah kode FEMAXI-IV dclPcl1digllnakan pada reaklor risel ? .Mohon penjelasan cara perhilullgannya ? alau dapal dilerangkan dcngan mcngglmakan alir perhilungan (flow chart)
28()
Edy Sulistyono .Code FEMAXI-IV tidak dapat digunakan unluk reaktor fiset, karena code FEMAXI-IV tersebul hanya digunakan untuk reaktor tipe LWR (PWR dan BWR) .Diagram alir perhitlmgan (/low chart) dapat dilihat pada Gambar 2.5 daD 2.6
