:to~ Prosidi;,g PerlemllOlI ,lOll Presel11nsi Ilminh Bllkll!
120
PPNY-BATAN,
Yogyakarta.
25-27 April 1995
PENGUKURAN DISTRIBUSI PANAS GAMMA TERAS REAKTOR KARTINI Syarip, Hariyanto PPNY-BATAN p.o. Box 1008 Yogyakarta 55010 Sctiyanto PRSG-BATAN
ABSTRAK PENGUKURAN D1STR1BUS1 PANAS GAlvilvL4.TERAS REAKTOR KART1N1. Telah dilakukall pengukuran distribllsi panas gamma pada teras real,10rKartini sebagaifimgsi daya reaktordengan metode pengllkllranlangsung menggllnakan kalorimeter isotermal.Pengllkuranpanas gamma arah aksial dilakllkall poda sumbu pusat teras sedangkan penguAlII'(t/lpada arah radial dilakukan pada posisi 20 Cm dari dasar teras pada ring A sampai ring F. Hasil penguA11ran mell1l11jukkallbahwa kurva distribusi pallas gamma teras reaktor Kartini, bersesllaian dengan kurva distribusijluks neutrollllya. Harga panas gamma tertinggi terletak poda pusat sumbu teras sekitar 25 Cm dari dasarterasyaitu sebesarO,055 Wattlgrampadadaya reaktor 100 kW Pada posisi pengukurall yang sama. besamya pembahall harga pallas gamma sebanding dengall besamya pelllbahan daya reaA10r sehingga pengukurclII panas gamma juga bisa dipakai sebagai salah saW metode untuk memonitor daya reaA10r.
ABSTRACT THE lvlEASURElvfENT OF GAA.JJvL4HE477NG OF KARTINI RE4CTOR CORE. The measurement of gamma heating ofKartini reactor core as afunction o/reactorpower by usil.1f!.theisothermal calon'meter has been dolle. The measurement at the axial direction is pelfom/ed along the central position of the core 'whereas the measurement at the radial position is pelfol7l1ed at 20 Cm/rom the bottom o/the core along the A ring up TOthe F ling. The measurement resu!ts shows that the gamma heating distlibution C1Irveis similar 'with its neutronjlw: distribution C1ll1'e.The maximum gamma heating is located at the celltral position at 25 Cm/rom the bottom 0/ the core. that is 0,055 Watt/gram at reactor power 0/100 UF. At the same position 0/ the measurement point shows that the variation o/lhe gamma heating is proportional'with the vGliation o/reactor power, so the gamma heating measlIremelll can also be used/or reactor po,ver monitoring.
PENDAHULUAN
S
ekitar 9 % dari energi total yang dibebaskan pacta reaksi pembelahan, adalah encrgi yang berasal dari sinar gamma atau 'panas gamma'. Panas ganuna dinyatakan sebagai laju pernbangkitan panas liar satuan massa penyerap, yang mempunyai satuanwatt /gram. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menentukan distribusi panas gamma di dalam teras reaktor Kartini, diharapkan basil ini dapat dipakai scbagai pertimbangan bagi para pemakai reaktor khususnya dalam iradiasi cuplikan, juga dapat dipakai sebagai salah satu cara untuk memonitor daya reaktor. Metode clan alai yang digunakan adalah pengukuran langsung dengan menggunakan kalorimeter isotermal buatan PPNy[l]. Selain kalorimeter isotermal PPNY juga tdah membuat
kalorimetergammajenis diferensialdua sel [21.Dari data yang acta ternyata kalorimeter
Syarip, dkk.
isotermal
me;:111j:mnyai sensitivitas yang lebih baik dibanding dengan kalorimeter diferensial, sehingga dalam penelitian ini diI:,runakankalorimeter isotenl1al. Pengukuran panas gamma dilakukan baik pacta arab radial maupun arab aksial teras, pada tete rapa tingkat day a reaktor. Kemudian basil pengukuran ini ditampilkan dalam bentuk grafik, clan pola kurva distribusi panas gamma dibandingkan
dengan pola distribusi fInks neutronnya. Dengan demikian akan diperoleh nilai kesebandingan antara panas gamma clanfInks neutron pactabeberapa titik di dalam teras reaktor,clandiharapk,mdapat dijadikan sebagai verifikasi penguk,uan fluks neutron ataupun clara reaktor.
TEORI Radiasi sinar gamma adalah radiasi gelombang elektromagnetik di mana energinya
ISSN 0216-3128
,
Prosidillg PertemllOIl dall Preselltasi Ilmia" PPNY-BATAN, Yng,'okarta, 25-27 Apri11995
121
Bllkll!
sebanding dengan frekuensinya. Seperti telah dijelaskan bahwa 9 persen daTienergi toml di dalam teras reaktor berasal clan energi gamma, yaitu energi gamma saat pembelahan clan energi gamma daTi peluruhan basil belah. Energi gamma tersebut ditransformasikanmenjadipanas melalui proses-proses rota listrik, hamburan Compton clanproduksi pasangan. Secara teoretis panas gamma dapat ditentukan berdasar korelasinya dengan fluks neutron, secara praktis dapat ditentukan dengan pengukuran di mana salah satu .11 at ukumya adalah kalorimeter isotermal.
Apabila daTi keadaan setimbang awal kalorimeter dimasukkan kedalam medan radiasi gamma yang dapat memberi daya panas Pmsebesar PI maka suhu grafit akan naik secara eksponensial mencapai temperatur maksimum 81 sedemikian rupa sehingga dalam keadaan tersebut persarnaan 1 menjadi : PI = /(81-80)
(2)
Apabila keadaan setimbang ini kalorimeter di pindahkan ke daerah radiasi yang memberikan daya panas dP sehingga P2 ==PI + dP, maka dalam keadaan
tabunq
r I I t8
setimbang persamaan 1 menjadi :
pelObunqkus
9'"
P2 = /(82
ioolaai
,kopel I
t I I I
Ip t I I I . J
"
t , un,or
J
qraHt
I
na.
- 80)
(3)
jika daTikeadaan tersebut secara mendadak kalorimeterdipindahkanke kondisi pertama (PI) maka suhu grafit 8 akan turun mengikuti fungsi eksponensial sebagai berikut : (8 - Eh) = (82 - 81) exp -(t/T[82.8I]eo)
Gambar
(4)
1. BlIgillll Kalorillleter lWltemllll
Gambar I. menunjukkan bagan daTikalOlimeter isotem1al lengkap dengan bagian-bagiannya yang terdiri ams: sensor grafit geometri silinder yang didalanmya terpas:mg tem1okopel clan l)Cmanas [I,3J. Grafit ditempatkan di tengah tabling aluminium yang diisolasi dengan gas mulia (Argon, Helium, Kripton clan lain-lain). Prinsip keIja kalorimeter menggunakan hukum kekekalan energi di dalam sensor, dimana [I,3,4J;
dil11anaT[82,8d80 adalal1periode kalorimeter yang besarnya dipengaruhi oleh 82,81 clan80. Pactat=O(a\\'al pemindahan) bentuk diferensial persamaan 4 dapat ditulis sebagai berikut : (d8 / dl) 82
= - [(82 -81) / T(82.QI)8oJ
(5)
, subtitusi persamaan 5 ke persamaan 1 diperoleh PI = - C(02) [(02-0.)([(02,0,)001
+ f(02-00)
(6)
daTi persamaan 2 clan persamaan 6 diperoleh
Energi yang diterima
== Kenaikan
energi dalam + C (82) = /(8z - 80) -/(81 - 80) T(82, 81) 80 (82 - 81)
Energi yang bocor keluar.
(7)
Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut ;
Pm dt = e(8) d8 + f(8. dimana; Pm
==
- 80)
dt
(1)
daya panas teruh'Urpersatuan massa
Untuk dP yang kecil sehingga 82 persamaan 7 menjadi
= 81
e (82) - 'd(8 - e;02 T (8) 80 d8
==80 maka
(8)
sensor (wall/gram)
C(8) 8. 80
==
panas jenis sensor (Joule/gram °C)
==
suhu sensor maksimum (°C)
== ==
suhumediapendingin ~e)
t f(8.-80)
==
fungsi energi yang bocor ke loaf
waktu(detik) sistem
ISSN 0216-3128
clankarena P = f (8
dp
- 80)
e (8) == T(8)
80
maka diperoleh
- d8
(9)
clan daya panas gamma P yang mengakibatkan kenaikan temperatur sensor daTi80 sampai 8.adalah
Syarip, dkk.
ProsuliJlg Pertenutan doli Preselltasi llmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta, 25-27 April 1995
BI/klll
122
0.00 13,
p
= feo
C (6) T (6) 00
-
dE>
(10)
Dari persamaan tersebut di alas terlihat bahwa variabel yang perlu diamati untuk mengetahui daya panas P, selain temperatur hanyalah periode kalorimeter T (6).
_0.05 e !! ~ ~O.04 .§
TAT A KERJA 0
Alat yang digunakan untuk pengukuran panas gamma ini adalah kalorimeter isotermal buatan PPNY BATAN dengan spesifIkasi : bahan sensorterbuat dari grafit, kelongsong terbuat dari aluminium, perbandingan diameter sensor clan diameter kelongsong adalah 1,25 Cm : 2,50 Cm, bahan gas isolasi adalah gas Argon, clan faktor konversi keluarannya atau sensitivitasnya adalah 0,0385 mVfC. Pengukuran distribusi panas gamma ke arab aksial hanya dilakukan pacta sumbu teras saja yaitu pactaring A atau 'central thill/ble'. Langkah pertama adalah menentukan perioda kalorimcter. Pengukuran dimulai dan dasar teras kemudian naik tiap 10 Cm sampaiujung alas teras. Sedangkan pengukuran pacta arah radial dilakukan pada setiap ring ballaDbakar pacta ketinggian tertentu sesuai dengan hasil pengukuran arab aksial. Dilakukan penguran panas gamma pacta tingkat daya reaktor 25 kW, 50 kW, 75 kW clan 100 kW. Pcmindahan kalorimeteruntuk setiap kali peng~ ukuran pada arah aksial dilakukan pactawaktu reaktor sedang opcrdsi. Sedangkan setiap kali perpindahan kalorimeter dari suatu ring bahan bakar ke ring ballaD bakar yang lainnya dilakukan pacta waktu reaktor 'shut-down '.
0
5
55 60 Pocis; .bi.1 sumbu PUS8t te<1l1(Cm)
Gambar 2. Klln'a distribllsi aksial pallas gamllla tera~ reaJ."torsebagaifilllgsi daya
0.06, -P=25tNV
+P-SOtNV*P--75KW-P=100K
E 0.03 E :; .... 0.02
" ~0.O1 0 A
C
B
D
E
F
Posi.i radial!er..
Gambar 3. Kl/rm diftribl/si radialpal/af gamma temf reaktor sebagai fill/gsi daya
0.06
HASIL DAN PEMBAHASAN Persamaan yang dipakai untlIk menghitm;1g besamya panas gamma adalah persamaan 10, yhitu berdasarkan data hasil pengukuran suhu 6 clan pcriode kalorimeter T(6). Untuk menyelesaikan persamaan tersebut digunakan metode 'integral nlllllerik cara trapesiulI/'. Dilakukan perhitungan panas gamma berdasarkan data-data pengukuranbaik ke arab aksial maupun ke arab radial teras. Hasil-hasil perhitungan kemudian disajikan dalam bentuk grafik seperti yang disajikan pactagambar 2, gambar 3 clan gambar 4, sedangkan kesebandingan antara panas gamma dengan daya reaktor clanbasil pengukuran distrubusi fluks neutron disajikan masing-masing pactagambar 5 daTIgambar 6.
Syarip, dkk.
-Ring
Eco
A +Ring
B ... R~ng C
I
O.OSI-RingO *Ring.E +RingF t............. '
~9.041"""""":':"""~"""""-'"
0 25
35
'45
55
65
75
85
95
Daya reaktor (KW)
Gambar
4. Grafik kesebamlillgall l/aya reaktor (KW) del/gall pallas gamma (Wlgralll) pm/a arah radial
ISSN 0216-3128
-~--~
Prosuwlg Pertemllall dall Preselltasi Ilmiah PPNY-BATAN. Yogl'akarta. 25-27 Al'ri/1995
<>- Day..
i
~
.1.0 c;
Kw
c
. ...
.'-..
if 0.5 0.0 A
.
60
. *t>ey,,'00/(,
;i 2.
c
B
123
Bllklll
3.0
0
<>-~-
D
E
F
~
Berdasarkan basil pengukuran tersebut di alas terJihat bahwa be saran panas gamma dapat dijadikan sebagai bahan pembanding dalam pemonitoran clara reaktor. Kalorimeter isotermal dapat diletakkan pacta posisi tertentu di dalam teras, mengingat alat tersebut cukup fieksibel clan relatif tidak banyak mengganggu reaktivitas reaktoryaitu terlibatkurva distribusi panas gamma yang cukup 'smooth '. Kemudian dari keluaran kalorimeter dapat langsung ditampilkan dalarn besaran ctaya reaktor menggunakan konversi sesuai dengan grafik kesebandingan seperti yang dilukiskan pacta gambar 4.
Je,..k Radial (,i"9l
KESIMPULAN Gambar 5. Distribttsi radial flttb rea!.tor
lIetrOItteras
Berdasarkan hasil pengukuran clan basil analisis, dapat disimpulkan bahwa. - Kmva distribusi panas gamma rcaktor Kartini mengikuti pola distribusi finks neutronnya. - Harga panas ganmla tertinggi pacta clara reaktor 100kW adalah 0,055 W/gram terletak pactasumbu pusat teras pacta posisi 25 Cm dari dasar teras, dengan ralat hasil pcngukuran 2,4 %.
3.6 g
"..
--"
3
E
2.5 u "i! N 2
~
'------
- Untuk posisi pengukuran yang sama, besarnya perubahan harga panas gamma sebanding dengan besarnya perubahan daya reaktor.
---
(;
:; 1.5 e ~ 1
DAFTAR PUSTAKA
.: if 0.5 /.:... D<>ye100KW
0
0
5
10
'5
20
Jar.k.
.k.$i.1 Cm
25
30
35
~
1.
2. Gambar 6. Di5tribttsi flllks Itetrolt aksial
3.
Dari hasil pengukuran panas gamma sebagai fungsi clara reaktor tersebut (gambar 5), dapat dilihat bahwa perubahan besarnya panas gamma bersesuaian Iberbanding lurus dengan perubahan clara reaktor, demikian pula pola distribusi panas gamma mengikutilbersesuaian dengan pola distribusi finks neutronnya. Hal ini sesuai dengan fenomena bahwa clara reaktor sebanding dengan jumlah reaksi pembelahan, sedang jumlah radiasi gamma (panas gamma) sebanding dengan jumlah reaksi pembelahan. Harga panas gamma maksimum dicapai pacta clara reaktor 100 kW, terletak pacta sumbu teraspactaposisi 25 Cm daribawah teras, yaitu sebesar 0,055 W/gram dengan ralat 2,4 %.
ISSN 0216-3128
4.
5.
6.
SETIYANTO, "Disain daTI Pembikinan Kalorimetcr Sensivitas Tinggi", makalah pacta PPI PPNY BATAN 1992. M. Salman S, "Kalorimeter Sinar Gamma", Pro siding Kolokium Bahan Murni clan Instrumentasi Nukhr, PPBMI BAT AN Yogyakaria, April 1985. SETIYANTO, "Analisis Keselamatan Ternlik Penggunaan Kalorimeter Gamma Tipe TG-20 di RSG GAS", Prosiding PPI PPNY BATAN Yogyakarta, April 1993. SETIYANTO, "Kualifikasi Hasil Pengukuran Bahang Gamma Dengan Kalorimeter Isotermal", Prosiding PPI PPNY BATAN Yogyakarta, April 1993. TEGAS SUTONDO, "PenentuanDaya Per Zone Reaktor Kartini Berdasar Pengukuran Distribusi Fluks Neutron", Prosiding PPI PPNY BATAN Yogyakarta, April 1993. CLAIRBORN Et al1, "Radiation Induced Heat Generation" dalam "Engineering Compendiumon Radiation Shielding", Springer, New York, 1968.
Syarip, dkk.
-.J
12.1
TANYAJAWAB Suyamto - Dalam pembuatan grafik kesebandingan daya panas (gambar 4). Mengapa pengukuranhanya dilakukan 4 kali (pada 4 tingkat daya) mestinya diukur pactatingkat daya reaktoryang lain sehingga pengambilan linearitas greEk lebih baik. SyaIip -
Hanya cocokjikajangkau dayanya besar (4 titik secara matelllatikbisa dipertanggungjml'abkan).
Widarto -
Apakah bentuk distribusi gamma sebanding dengan distribusi finks neutron di teras reaktor. Mengingat distribusi fluks neutron Reaktor Kartini maksimum tidak berada pacta pusat sumbunya tctapi agak ke bawah, karena pengaruh posisi batang kendali. - Adakah suam persamaan (koreksi) antara panas gamma dengan daya reaktor, sedemikian sehingga tidak hanya sekedar untllk memonitor daya, tetapi jug
Syarip, dkk.
Prosiding Pertettlllan dolI Preselltasi [[JIlin" PPNY-BATAN. YoKI'okarta. 25-27 April 1995
Bllklll
Utojo
-
Mohon penjelasan mengapa dinamakan isotermal. - Sccara analisis, ada distribusi suhu dalam grafiL Bagaimana penyaji menempatkan termokopel, karena suhu akan berpengaruh pactahasil rumus? Syarip
-
Isotermal maksudnya menggunakan
termokopel
(kalorimeter) dimana keluarannya diambi/ setelah di luar dan didalam kalorimeter, berada pada kesetimbangan (mendekati soma). - Ditengah-tengah sensor. D.T Sony T. - Discbutkan dengan metoda ini dapat digunakan untuk memonitor daya. Bagaimana hasilnya bila dibandingkan dengan metoda kalorimeter biasa (dengan mengukur suhu inlet dan outlet pendingin). Mana yang lcbih teliti. Syal'ip Secm'a teoritis pengukuran daya dengon kalorimeter sinal'gamma akan lebih teliti dibanding dcngan metode ka/orimetri biasa karena porta metoda ka/orimetri gamma panas bisa langsung dad proses tidak me/allii perpinda/wn panas J'ang berkali-kali. Yang paling teliti adalah pengukuran daya dengonmetode nelltronik.
ISSN 0216-3128
