PENGARUH DAYA TERHADAP UNJUK KERJA PIN BAHAN BAKAR NUKLIR TIPE PWR PADA KONDISI STEADY STATE EDY SULISTYONO PUSAT TEKNOLOGI BAHAN BAKAR NUKLIR ( PTBN ), BATAN e-mail:
[email protected] ABSTRAK PENGARUH DAYA TERHADAP UNJUK KERJA PIN BAHAN BAKAR NUKLIR TIPE PWR PADA KONDISI STEADY STATE. Telah dilakukan analisis pengaruh daya terhadap unjuk kerja pin bahan bakar tipe Pressurized Water Reactor (PWR) dengan mengatur posisi jarak pin elemen bakar terhadap teras reaktor. Dalam rangka pengembangan teknologi bahan bakar nuklir untuk reaktor daya dan pemanfaatan fasilitas Power Ramp Test Facility ( PRTF ) telah dilakukan perencanaan, pembuatan pin untuk diuji agar mendapatkan pengakuan layak pakai dan aman dioperasikan sebelum dan selama diiradiasi di RSG-GAS. Metode analisis menggunakan program FEMAXI-V berdasarkan panas yang dihasilkan oleh pin elemen bakar pada posisi tertentu, panas yang dihasilkan dapat menentukan daya yang terbangkitkan. Daya terjauh dari posisi teras reaktor adalah 43,13 W/cm dan terdekat 129,38 W/cm. Pengaruh waktu iradiasi dan daya ( linear heat rate ) yang diberikan dapat mempengaruhi unjuk kerja pin bahan bakar terhadap proses termal. Hasil analisis menggunakan program FEMAXI-V dengan simulasi posisi pin atau daya ( linear heat rate ) pada jarak 0; 40; 60; 100; 200; 300 mm menunjukkan bahwa makin tinggi daya yang diberikan atau makin dekat posisi pin terhadap teras makin besar burnup yang dihasilkan. Bila dilihat dari temperatur yang dihasilkan di posisi pusat pelet dan posisi permukaan luar pelet kearah radial dengan variasi daya ( linear heat rate ) 43,13 W/cm; 56,25 W/cm; 77,50 W/cm; 86,25 W/cm; 107,81 W/cm dan 129,38 W/cm masih stabil kenaikkan temperatur, namun untuk waktu iradiasi 38085,6 jam terjadi peningkatan temperatur secara drastis pada linear heat rate 129,38 W/cm. Hal ini dapat mengakibatkan penurunan kualitas terhadap unjuk kerja pin bahan bakar kemungkinan disebabkan terbentuk produk gas fisi. Kata kunci : elemen bakar nuklir, pin, kelongsong, pelet
pengembangan
I. PENDAHULUAN
dalam
pembuatan
pengembangan
elemen bakar reaktor daya dan Reaktor
teknologi bahan bakar nuklir dan
Serba Guna GA Siwabessy merupakan
perluasan sarana litbang iptek nuklir. Di
fasilitas lengkap dan menjadi pusat
Serpong
berbagai
kegiatan ketenaganukliran BATAN di
fasilitas dan instalasi nuklir antara lain
Serpong termasuk kegiatan pengujian
Instalasi Elemen Bakar Eksperimental
hasil
(IEBE)
teknologi dalam hal pembuatan bahan
Dalam
rangka
telah
dibangun
merupakan
instalasi
untuk
penelitian
pengembangan
bakar untuk reaktor daya maupun 1
Pengaruh Daya Terhadap Unjuk Kerja PIN Bahan Bakar Nuklir Tipe PWR Pada Kondisi Steady State (Edy Sulistyono)
ISSN 1978-9858
reaktor riset. Reaktor Serba Guna GAS
Salah satu contoh program analisis
didisain untuk beroperasi dengan daya
uji tak merusak dapat menggunakan
30 MW termal dan memiliki fluks 2,5 x
kode komputer dan diperlukan suatu
1014 n/cm2.detik pada posisi di pusat
modelling
terasnya. Berbagai fasilitas iradiasi
analisis
tersedia antara lain Power Ramp Test
prediksi secara kualitatif, cukup detail
Facility (PRTF).
terhadap bahan uji selama iradiasi
PRTF dimaksudkan
bakar simulasi produk elemen bakar
program
iradiasi untuk tipe Pressurized Water
memberikan
yang
mampu
untuk
memprediksi unjuk kerja termal dan
Reactor (PWR) yang dapat dibuat di Bakar
dapat
Program
Program FEMAXI-V adalah suatu
reaktor daya berupa pin bahan bakar uji
Elemen
yang
bakar.
adalah program FEMAXI-V [1]
untuk pengujian unjuk kerja bahan
Instalasi
elemen
mekanik terhadap pin bahan bakar uji
Ekperimen
selama
(IEBE). – Pusat Teknologi Bahan Bakar
kondisi
transien.
steady-state
FEMAXI-V
dan dapat
Nuklir – BATAN. Agar mendapatkan
menganalisis unjuk kerja dari pin bahan
pengakuan layak pakai dan aman
bakar secara keseluruhan sepanjang pin
dioperasikan di dalam reaktor perlu
dan secara lokal dari sebagian kecil dari
dilakukan analisis keselamatan terhadap
pin bahan bakar seperti terlihat dalam
fenomena fisika, mekanik dan kimia
model geometri[2] pada Gambar 1 ,
pada elemen bakar bahan uji sebelum
Gambar 2.
dan
sesudah
di
iradiasi.
Untuk
mengetahui fenomena tersebut dapat dilakukan dengan cara analisis terhadap bahan uji sebelum diiradiasi (uji tak merusak) dengan hasil kajian analisis paska iradiasi (uji merusak). Uji tak merusak
dapat
dilakukan
dengan
program kode komputer dan uji di fasilitas PRTF RSG-GAS
sedangkan
uji merusak dilakukan di fasilitas Instalasi Radio Metalurgi (IRM) PTBN
Gambar 1 : Model Geometri Elemen Terbatas
paska iradiasi
2
ISSN 1978-9858
Prosiding Seminar Pengelolaan Perangkat Nuklir Tahun 2013 PTBN-BATAN, Serpong 25 September 2013
sebelum uji iradiasi (pra iradiasi) sebagai berikut : 1. Data input pin yang digunakan adalah data hasil fabrikasi pin bahan bakar uji yang dibuat di Bidang Bahan Bakar Nuklir (B3N)- PTBN atau
data
simulasi.
Data
hasil
fabrikasi dapat ditunjukkan dalam Tabel 1. Gambar 2 : Model Axisimetrik Elemen Terbatas ( Finite Element )
2. Pengolahan data dengan program FEMAXI-V, 3. Simulasikan input data daya (LHR)
Program FEMAXI-V ini mampu menganalisis
proses
termal
kedalam
dan
program
untuk
kondisi
steady state
mekanikal baik pada pelet, kelongsong
4. Output
bahkan pada satu pin utuh.
data
yang
diperoleh
dilakukan kajian dan analisis unjuk Atas
dasar
pemikiran
tersebut
kerja pin hasil fabrikasi terhadap
diharapkan dapat memprediksi dan
sifat termal, selanjutnya hasil kajian
diperoleh parameter operasi terbaik atas
dapat dipakai sebagai bahan bahasan,
kinerja pin elemen bakar sebagai dasar
evaluasi dan
pengoperasian fasilitas PRTF aman dari
informasi perbaikan
dalam pengoperasian fasilitas PRTF
segi keselamatan reaktor dan informasi
maupun fabrikasi elemen bakar.
kinerja elemen bakar hasil fabrikasi. Tabel 1. Data hasil fabrikasi pin bahan bakar uji No Material Hasil ukur 1 Diameter Pelet 8,9 mm 2 Panjang pelet 9,4 mm 3 Diameter dish pelet 7,7 mm Kedalaman dish atas 4 0,32 mm pelet Kedalaman dish 5 0,32 mm bawah pelet Fraksional densitas 6 0,928 pelet 7 grain size 6,9 µm
II. METODOLOGI Metoda analisis pengaruh panas yang dibangkitkan dengan variasi daya ( linear heat rate/ LHR ) terhadap unjuk kerja pin bahan bakar tipe PWR pada kondisi steady state dengan tujuan untuk memprediksikan unjuk kerja elemen bakar dalam proses termal 3
Pengaruh Daya Terhadap Unjuk Kerja PIN Bahan Bakar Nuklir Tipe PWR Pada Kondisi Steady State (Edy Sulistyono)
No 8 9 10 11 12
ISSN 1978-9858
Material Surface Rougness pelet Berat pelet Berat total pelet Diameter luar kelongsong Diameter dalam kelongsong
Hasil ukur
T2 = suhu air pendingin sekunder
0,74 µm
keluar kapsul, dalam C
9,33 mm
dengan daya ( linear heat rate ) yang
Surface Rougness clad
0,30 µm 366,5 mm 446,3 mm 2376,4 mm3 1 bar < 10-8 mbar cc/dtk
dibangkitkan ditunjukkan pada Gambar
13 14 15
Panjang kelongsong Panjang total pin
16
volume plenum
17
Tekanan gas He
18
Leak test He
O
6,04 gram 205,27 gr
Diperoleh hubungan antara posisi
10,75 mm
jarak kapsul ( pin ) terhadap teras
3.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil
pengamatan
uji
fungsi
kemampuan yang pernah dilakukan di fasilitas PRTF diperoleh nilai suhu air pendingin masuk dan keluar kapsul,
Gambar 3. Hubungan antara jarak pin dari teras terhadap daya terbangkitkan
posisi kapsul dan laju alir air pendingin dalam
kapsul
sehingga
panas Dari
terbangkitkan dalam pin dapat dihitung
kesimpulan
dengan persamaan : Q = m x c x (T2 – T1)
data
(1)
diatas bahwa
dapat nilai
diambil daya
terbangkitkan (linear heat rate) dipakai sebagai variabel dalam perhitungan
dimana : Q = panas yang diambil oleh air pendingin sekunder, dalam KW
analisis proses termal pada kondisi
m = jumlah aliran air pendingin sekunder, dalam kg/detik
Data masukan untuk perhitungan
c =
steady-state.
adalah data hasil fabrikasi pin seperti
panas jenis air pendingin sekunder sebesar 4,1868 KW detik/kg oC1]
pada Tabel 1 dengan variasi linear heat rate seperti Gambar 3, mulai dari 43,13
T1 = suhu air pendingin sukunder masuk kapsul, dalam oC
W/cm; 56,25 W/cm; 77,50 W/cm; 86,25 W/cm; 107,81 W/cm dan 129,38 W/cm. 4
ISSN 1978-9858
Prosiding Seminar Pengelolaan Perangkat Nuklir Tahun 2013 PTBN-BATAN, Serpong 25 September 2013
Hasil dari perhitungan menggunakan program diiradiasi
FEMAXI-V dengan
bahwa variasi
pin daya
terbangkitkan dengan kondisi steadystate menunjukkan terjadi peningkatan nilai burnup dapat ditunjukkan pada Gambar 4. Hasil
perhitungan
distribusi
temperatur pada pusat pelet di node 5 dengan variasi daya yang diberikan
Gambar 5. Hubungan waktu terhadap temperatur pada pusat pelet
dapat ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6 terlihat
bahwa
temperatur
yang
dibangkitkan pada pusat pelet dan pada permukaan pelet bagian luar di posisi waktu iradiasi 38085,6 jam terjadi peningkatan temperatur secara drastis pada posisi daya 129,38 W/cm.
Gambar 6. Hubungan waktu terhadap temperatur pada permukaan luar pelet Hasil perhitungan ke arah radial jarak gap antara pelet dan kelongsong pada step 117 burnup mencapai 39362,4 MWD/TUO2 dengan waktu iradiasi yang sama yaitu 38085,6 jam terlihat untuk daya 129,38 W/cm jarak gap antara pelet dan kelongsong terjadi perubahan secara drastis atau semakin dekat jarak antara pelet dan kelongsong
Gambar 4 Hubungan waktu terhadap burnup
dapat ditunjukkan pada Gambar 7. Hal
5
Pengaruh Daya Terhadap Unjuk Kerja PIN Bahan Bakar Nuklir Tipe PWR Pada Kondisi Steady State (Edy Sulistyono)
ISSN 1978-9858
ini mengindikasikan bahwa dengan
pusat pelet dan pada permukaan luar
terjadi peningkatan temperatur dan
pelet kearah radial dengan perhitungan
burnup
terjadinya
waktu yang sama 38085,6 jam terlihat
perubahan dimensi pelet kemungkinan
pada linear heat rate 129,38 W/cm
terjadi pemuaian pelet ( swelling pada
terjadi peningkatan drastis dari 595,9oC
pelet)
menjadi 1162,2
berdampak
yang
disebabkan
karena
terbentuknya produk gas fisi.
o
C sekitar 195 %.
Kenaikan temperatur secara drastis dapat berpengaruh terjadi pemuaian/ retakan pada pelet terbukti semakin kecil gap antara pelet dan kelongsong yang dapat berakibat terjadi interaksi antara pelet dan kelongsong yang mempengaruhi
penurunan
kualitas
terhadap unjuk kerja pin bahan bakar. Hal ini kemungkinan disebabkan karena terbentuknya produk gas fisi dapat berakibat terjadinya swelling, creep, cracking baik pada pelet maupun Gambar 7. Hubungan waktu terhadap jarak gap antara pelet dan kelongsong
kelongsong. Sedangkan pada linear heat rate 107,81 W/cm menunjukkan peningkatan cukup stabil dan aman
IV. KESIMPULAN
untuk dioperasikan di PRTF.
Evaluasi data keluaran dari program FEMAXI-V dari data masukan pin hasil fabrikasi dengan variasi linear heat rate berturut-turut
43,13
W/cm;
V. SARAN
56,25
Makin
W/cm; 77,50 W/cm; 86,25 W/cm; 107,81
W/cm
dan
129,38
pada LHR tinggi atau dekat teras dapat berakibat terjadi lonjakkan produk gas
pin terhadap teras makin besar burn-up Bila
dilihat
yang
steady-state dan dioperasikan langsung
yang diberikan atau makin dekat posisi
dihasilkan.
daya
terbangkitkan pada kondisi operasi
W/cm
menunjukkan bahwa makin tinggi daya
yang
tinggi
fisi. Untuk menanggulangi hal tersebut
dari
perlu dikaji dan evaluasi terhadap
temperatur yang dihasilkan pada posisi
6
ISSN 1978-9858
Prosiding Seminar Pengelolaan Perangkat Nuklir Tahun 2013 PTBN-BATAN, Serpong 25 September 2013
pengaruh jumlah produk gas fisi yang
of
dihasilkan, pengaruh proses mekanik
Reliability
terhadap pelet dan kelongsong atau
Research Institute, Inc, Dec 1992.
dilakukan
analisis
dengan
simulasi
4. EDY
Fuel
Rods,
JAERI
Laboratory
SULISTYONO,
Fuel CRC
“Analisa
kondisi operasi transien yaitu menaikan
Unjuk Kerja Elemen Bakar Reaktor
dan menurunkan daya atau pergerakan
Daya Jenis LWR ( Light Water
jarak antara pin dan teras pada waktu
Reactor), Buletin Reaktor Serba
tertentu
Guna TRI DASA MEGA vol 3 no
atau sistem ramp test dengan
menaikkan daya dalam waktu singkat.
1, Maret 1994.
VI. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan
terima
kasih
TANYA – JAWAB
penulis
Eric Johneri
sampaikan kepada bapak Tri Yulianto,
1. Kesimpulan no 1 sebaiknya tidak ada
bapak Eddy Indarto, bapak R.Suryadi
disitu, justru ada di pembahasan.
dan anggota tim yang telah banyak
2. Kesimpulan no 2 terjadi lonjakan
membantu pekerjaan analisis
kenapa ?. ini yang harus dibahas lebih lanjut !, kalimat makin besar waktu pada abstrak maksudnya apa ?
VII. DAFTAR PUSTAKA 1. HARI SUDIRDJO, “ Uji Fungsi Power Ramp Test Facility ( PRTF) RSG-GAS
Paska
Edy Sulistyono
Perbaikan,
1. Terima kasih atas usulan koreksinya.
Proseding Seminar Penelitian dan
2. Alasannya
Pengelolaan Perangkat Nuklir –
pembahasan
PTAPB, Juli 2011.
dan
Computer Code for the Analysis of
pada
kemungkinan
terjadi
perubahan
besar waktu dan burnup salah ketik,
of Fuel Rods, JAERI, Dec 1999. :
terbukti
dimensi pelet. Dalam kalimat makin
Thermal and Mechanical Behavior
“FEMAXI-IV
yaitu
diuraikan
disebabkan terbentuk produk gas fisi
2. SUZUKI MOTOE, “FEMAXI-V : A
3. ANONIM,
telah
yang benar makin besar burnup, A
kalimat waktu dan telah kami revisi
Computer Code for the Analysis of
dan terima kasih atas koreksinya.
Thermal and Mechanical Behavior 7
