PERHITUNGAN PARAMETER KARTINI DAYA 250 kW
NEUTRONIK
Bambang Sumarsono , Triwulan Tjiptono, Edi Triono P3TM-BATAN. KotakPos 1008. Yogyakarta55010
REAKTOR
BS.
ABSTRAK PERHITUNGAN PARAMETER NEUTRONIK REAKTOR KARTINI DAYA 150 kw. Telah dilakukan analisis perhitungan neutranik reaktor Kartini pada daya 250 kW dengan menggunakan poker program komputer. Perhitungan dilakukan dengan terlebih dahulu menganalisis data bahan bakar yang tersedia untuk kemudian dilakukan perhitungan konfigurasi bahan bakar dalam teras reaktor Kartini. Dari perhitungan konfigurasi bahan bakar dipilih kondisi yang paling baik don memungkinkan untuk keperluan kondisi operasi selanjutnya dengan diperhitungkan besaran harga reaktivitas reaktor yang harus lebih besar dari reaktivitas batang kendali pada batasan tertentu atau reaktivitas lebih teras tidak boleh melebihi batasan desain (harga reaktivitas desain = 3,43 dollar). Perhitungan parameter netronik dilakukan untuk penentuan distribusi rapat daya, pembangkitan daya maksimum, distribusi jluks neutron. Dari hasil perhitungan diperoleh jluks neutron cepat rerata = 0,618 x 10/3 neutronlcm2 detik, jluks neutron termal rerata = 0,372 x 10/3 neutronlcm2 detik dan penambahan bahan bakar yang optimal ditinjau dari segi ekonomis maupun kebutuhan operasional operasi reaktor adalah sebanyak 4 buah serlo maksimum pembangkitan daya tiap elemen bahan bakar sebesar 4,68 kW
ABSTRACT CALCULATION OF NEUTRONIC PARAMETERS IN 250 KW POWER KARTINI REACTOR. Calculation ofneutronicparametersfor 250 kW Kartini reactor has beendone..Calculationwasperformed with analysisoffuel elementdata byusingcomputercode for Kartini reactor core configuration.From the calculation offuel elementconfigurationselectedthe bestcondition for the next operativn where the reactivity value is greater than control rod reactivity in certain boundaryor core excessreactivity not greater than the designboundary(designreactivity is 3.43 dollar). Neutronicparameterscalculation was performedtofind power density distribution,maximumpower generation,neutronflux distribution. From calculation result showthat the averagefast neutronflux is 6. 18E12neutron/cm2second..average thermal neutronflux is 3.72E12 neutron/cm2secondandfuel elementadditionfor the optimum operationis 4 fuel element,and maximumpowergenerationper elementis 4.68kW
PENDAHULUAN D
a~am ?nalisis dlperhltungkan
konfigurasi hubungan
teras
reaktor
antara
scla!~
komposlsl
bahan yang digunakan dcngan dimensi ukuran reaktor antara lain adalah ukuran teras reaktor, reflektor, bahan bakar, tangki reaktor dsb., sehingga perpaduan antara komposisi bahan dan dimensi reaktor dapat membangkitkan daya sesuai yang dikehendaki dengan aman terkendali. Pada peningkatan daya reaktor Kartini dari 100 Kw menjadi 250 Kw tidak akan merubah dimensi ukuran reaktor karena komponen reaktor yang lama tetap digunakan, tetapi dilakukan beberapa penyesuaian. Penyesuaian dilakukan terutama pada sistem instrumentasi reaktor, sistem pompa pendingin dan penambahan bahan bakar sehingga setelah proses kritikalitas akan diperoleh reaktivitas lebih teras yang cukup untuk peningkatan daya reaktor menjadi 250 Kw dengan pola operasi yang optimal. Pada permasalahan ini analisis dilakukan hanya pada perhitungan neutronik untuk penentuan beberapa parameter neutronik reaktor setelah reaktor ditingkatkan pada daya 250 Kw. Dalam analisis
ISSN0216-3128
neutronik sangat diperlukan data bahan bakar sebelum daya ditingkatkan dengan tujuan untuk mengevaluasi seberapa jauh komposisi yang ada untuk kemudian dilakukan perhitungan konfigurasi teras yang akan dapat ditentukan seberapajauh besar reaktivitas lebih reaktor untuk dapat mencukupi pembangkitan daya hingga 250 Kw. Perhitungan parameter neutronik dilakukan setelah susunan konfigurasi ditetapkan untuk kemudian akan dihitung parameter reaktor antara lain kritikalitas, distribusi fluks neutron, distribusi rapat daya dan jumlah kebutuhan bahan bakar yang diperlukan.
TEORI Evaluasi bakar perhitungan akan
proses dilakukan dengan
perencanaan
operasi
dari
teras
satu
suatu metoda
yang
perhitungan. sistem optimasi
raktor
tergantung lainnya
reaktor
yang
secara
fisis.
antara selama
Oleh
karena
kompromi dengan
bahan
memerlukan
parameter
keadaan saling
dengan
analisis
pemakaian reaktor
berbagai
mencerminkan
Manajemen yang
clan
selama
parameter dilakukan itu
perlu
perhitungan bantuan
peralatan
BambangSumarsono, dkk.
ProsidingPerlemuandan Presenlasil/miah 226
Buku I
komputer sehingga pengolahan data dapat dilakukan secara kontinyu dan cepat untuk mencapai keadaan yang optimal dalam pengelolaan bahan bakar dalam teras reaktor Evaluasi atau pcrencanaan operasi reaktor berisi perhitungan distribusi statis dari fluks neutron, rapat daya, reaktivitas lebih teras dan burn-up bahan bakar. Code program dapat ditulis dalam satu, dua atau tiga dimensi dengan menggunakanmetodafinite
P3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Ju/i 2000
differennce untuk menyelesaikan persamaan difusi satu atau dua kelompok. Data-data kisi yang digunakan dalam paket program hanya sebagai fungsi ripe dan iradiasi bahan bakar. Biasanya datadata tcrscbut tclah dihitung sccara ekstcmal dan masuk dalam paket program dalam bentuk tabel atau polinomial. Berikut dituliskan diagram ~Iir analisis optimasi managementeras.
Gambar Sistemprogram untuk optimasi manajementeras Strategi pengelolaan dalam teras Telah banyak strategi in core fuel management yang diterapkan pada berbagai tipe reaktor yang ada sekarang yang secara umum strategi pengelolaan bahan bakar tersebut dapat diklasiflkasikan dalam empat katagori umum pengelolaan bahanbakar. Yang pertama adalah analisis dalam dua kelompok, on-fuelling atau off fuelling. Berikutnya klasifikasi menurut satuan bahan bakar kearah aksial. Cara pemisahan ketiga berdasarkan dipakai tidaknya radial shuffling dan pemisahan keempat berdasarkan alternatif dipakai tidaknya burnable poison. Dalam melakukan pengelolaan bahan bakar dalam teras reaktor Kartini digunakan cara pengaturan dengan penambahan beberapa bahan bakar dalam teras reaktor sehingga reaktor diharapkan dapat membangkitkan daya menjadi 250 kW dengan reaktivitas lebih yang mamPUu~tuk keperluan operasi reaktor secara optimal. Untuk
BambangSumarsono, dkk
dapat mengetahui parameter neutronik reaktor pacta daya 250 kW maka dilakukan terlebih dahulu penentuan konfigurasi teras yang mengandung susunan dalam pengaturan bahan bakar yang berbeda kandungan uranium atau burn up serta sifat poison (racun) yang terdapat di dalamnya. Oleh karena keadaan yang begitu komplek untuk memperoleh parameter neutronik dalam teras reaktor maka perlu dilakukan perhitungan dengan menggunakan program komputer. Hal tersebut berkaitan dengan makin banyaknya perubahan komposisi bahan yang berubah sebagai fungsi waktu maupun daya operasi reaktor sehingga perlu dilakukan pengumpulan data data pactasuatu sistem program komputer yang acta. Untuk keperluan tersebut dilakukan suatu pengklasifikusian serta kombinasi sistem data untuk lebih memudahkan sistematika analisis proses data dan analisis perhitungan dalam pengelolaan bahan bakar di reaktor.. Dalam pelaksanaannya biasanya bagian data dapat terbagi dalam dua bagian yaitu dalam
ISSN0216-3128.
ProsidingPerlemuandan Presenlasillmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juti 2000
227
Buku I
proses data masukan dan yang lainnya adalah parameter data yang tersedia dalam suatu sistem library program yang begitu banyak memuat berbagai macam data yang kebanyakandata tersebut dihitung pakai program komputer yang berbeda. Dalam analisis ini perhitungan dilakukan dengan menggunakan paket program komputer TRIGAP untuk analisis satu dimensi dua kelompok dengan susurian bahan bakar pada tiap posisi berbeda besaran bum upnya yang diatur dalam suatu susunan tertentu yang membentuk konfigurasi. perhitungan bum up dilakukan dengan mencatatdan memasukkan data dalam input program TRIGAP.
PROGRAM UT AMA
ilP(t) dihitung untuk dua nilai bum-up (to, t) clan denganinterpolasi linier diperoleh :
N('t) = N('to) + 6('tl) -6('tO)
(2)
'tl- 'to
Besaran f:.P(to),po, tl dan to dapat diperoleh pada TRIGAP .LIB, dimana p dan t masuk ke subroutine Sigma sebagai variabel independen untuk semua elemenbahanbakar. Koreksi Xenon Sebagaimana koreksi temperatur, koreksi tampang lintang karena pengaruh Xenon dihitung untuk tiap elemen.
Program utama Trigap berisi statementstetement untuk pembacaan data, baik dari file library maupun file input dan statement-statement untuk pemanggilan sub program. Data-data hasil pembacaan disimpan sebagai variabel global, sebagian besar disimpan dengan statement common dan sebagian lagi dikirim ke subroutine sebagai index panggilan.
~X(p,'t) = ~X('t).(l-f(p)
(3)
8(-r) = LlX(w)+ ~'tl)-~~2.('t-'to) 'tl-'tQ
(4)
(5)
ROUTINE-ROUTINE PROGRAM SUBROUTINE SIGMA Subroutine Sigma berisi proses perhitungan parameter-parameter difusi antar daerah dengan menggunakan tampang lintang efektif dua kelompok untuk semua tipe dengan sistem analisis satuan set yang mengandung bahan bakar maupun non bahan bakar. Analisis tampang lintang berhubungan dengan besaran bum-up tiap elemen bahan bakar yang terdapat dalam library ELEM.DA T, kemudian dicocokan dengan data-data tampang lintang dua kelompok pada TRIGAP .LIB. Dalam analisis tampang lintang dilakukan koreksi tamapang lintang terhadap pengaruh suhu, daya clantingkat keracunan Xenon maupun Samarium. Koreksi Temperatur (Daya) Program trigap menganggap bahwa temperatur pendingin clan bahan bakar bervariasi linier dengandaya.
6LP(p,t) = LlP('t).(1- p/po)
(1)
Dimana 6kP (p, t): koreksi daya dari konstantakonstanta difusi 2 kelompok untuk satuan sel (D I, D2, >::al, >::a2,>::12,vI >::/1,v2>::/l). p : Daya elemen po: Daya nominal elemen t1P('t"):Beda tampang lintang antara daya nominal dengan zero power.
Dimana : /j.X(p,t): Koreksi Xenon terhadap konstantakonstanta difusi 2 kelompok untuk satuan sel (DI, D2, >:aI, >:a2,>:12, v1>:j1, v2>:f2). /j.X(to) : Perbedaan tampang lintang pada daya penuh, kesetimbangan Xenon dan zero power, tanpa xenon, t = to. tJ.X('tl):
Perbedaan tampang lintang pada daya penuh, kesetimbangan Xenon dan zero power, tanpa xenon, t = ti.
P po
: Daya elemen(kw). : Daya nominal elemen(kw).
'.
Fungsi f sebanding dengan konsentrasi xenon setimbang pada daya yang diberikan. c adalah konstanta yang hanya tergantung pada konstanta nuklir mikroskopis xenon dan tampang lintang pembelahan bahan bakar. Data tersebut telah ditabulasikan pada Trigap.Lib untuk semua tipe bahanbakar. Juga data-data /j.X(t1) dan /j.X(to). Koreksi Sammarium Sebagaimanakoreksi temperatur dan Xenon, koreksi Sammarium dihitung untuk masing-masing elemensecaraterpisah.
L\LS('t)= &('t). FLAG
(6)
Sekali lagi dianggap 6' linier terhadap bumup, maka :
't": Bum-up
ISSN 0216-3128
n__L__- "Sumarsono, A__~ dkk. ril,l, Bambang
228
Prosiding Perlemuan dan Presentasi /lmiah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juti 2000
Buku I
u. AS ( 't ) =
u. AS ( 'to ) +
~('tl)-~('to)
( 't -'to
)
'tl- 'to
(7)
I.
Daya operasi
2.
Energi yang dibebaskan, dihitung berdasarkan daya operasi dan lama operasi reaktor, dimana Energi [Mwjam]=Daya [MW] x waktu operasi [jam].
3.
Konfigurasi bahan bakar dalam teras, dengan menghitung bum up bahan bakar langkah demi
Dimana : ~~s : Koreksi Sammarium terhadap konstantakonstanta difusi 2 kelompok untuk satuan sel (DI, D2, ~al, ~a2, ~12, vl~fl, v2~f2). 0 : Untuk kesetimbanganSammarium. FLAG I: Untuk puncak Sammarium sesudah shud down pada periode operasi yang lama. ~('to): Beda tampang lintang kondisi nominal dan kondisi jenuh Sm sesudahshud down. 't: Burn -up elemen Homogcnisasi Dcngan koreksi daya, Xenon dan Sammarium, tampang lintang terkoreksi ditulis :
langkah operasi reaktor maka bum up terakhir dari bahab bakar dapat dihitung. Simulasi konfigurasi pengaturan bahan bakar Untuk memperuleh konfigurasi terbaik dilakukan penyusunan berbagai
altematif
konfigurasi tanpa ada penambahan atau pengurangan jumlah bahan bakar dalam. teras. Bila dilakukan penambahanbahan bakar akan dilelakkan pada temp at ring yang paling dalam (ring B).Cara konfigurasi penentuan perubahan posisi bahan bakar dapat dilakukan dengan .cara sbb: Konfigurasi tetap
Tampang lintang rerata ring dihitung dengan volume pembobot Vi, dimana Vi adalah volume satuan sel (zone). }::Vi.}::i,g = -'-"!Yi-
L,Vi.IDi,g
{-.!.-} = ~Vi Dg
~
(9) .g
= \,2
.
SUBROUTINE CEBIS Subroutine Cebis memproses perhitungan kritikalitas, distribusi fluk netron, distribusi rapat daya, faktor perlipatan dan sebagainya.
SUBROTINE BURN Subroutine Bum memproses perhitungan bum-up tiap elemen bahan bakar tiap step daya berdasarkanenergi total (MW jam) yang diproduksi reaktor dan distribusi daya teras. Distribusi daya diambil dari output Cebis. Hasil perhitungan subroutine Bum berupa bum-up untuk semua elemen bahan bakar dalam reaktor.
Konfigurasi berdasarkan bum up bahan bakar. Laju bum up bahan bakar dalam teras berbeda-beda sehingga setelah operasi reaktor, bum up bahan bakar juga berbeda. Berdasarkan variasi bum up output program TRIGAPdibuat konfigurasi sbb; a) Mengacu pada ring terurut. a.l. Elemen bahan bakar dengan bum up tinggi didistribusikan di ring acuan, diikuti yang lebih rendah urut keluar kemudian ke ring terdalam keluar. a.2. Bum up luar kearah dalam. Elemen bahan bakar dengan bum up terendah didistribusikan di ring acuan, diikuti yang lebih tinggi urut kcluar kemudian ring dalam. b) Mengacu pada ring selang seling. .Pemindahan bahan bakar '. dilakukan penggantian secara selang seling daTi dalam kearah luar dan daTi luar ke dalam. .Konfigurasi berbasis elemen bakar tiruan[ dummy], diletakkan pada ring terluar. .Konfigurasi berbasis batang kendali. Batang kendali reaktor Kartini terletak di C5, C9 dan E I, masing masing dikelilingi oleh enam elemen bahan bakar. Dapat dilakukan pengaturan elemen bum up tinggi disekitar batang kendali atau elemen bum up rendah clan bum up tinggi disekitar batang kendali.
TAT A KERJA Perhitungan lanjut burn up bahan bakar Oilakukan pencatatan data operasi reaktor meliputi
Bambang Sumarsono, dkk
HASIL DAN PEMBAHASAN Simulasi penggantian, penambahan dan pengambilan bahan bakar untuk suatu tujuan mengkaji rencana penggantian bahan bakar dengan ISSN 0216-3128.
~!'"~ ~.--"'6", ,. ~ f.:S"..j ..~
melakukan penyusunan konfigurasi dengan menganggap tidak ada penambahan atau pengurangan jumlah bahan bakar dalam teras. Bahan bakar yang akan diganti adalah bahan bakar dimulai yang bum up nya tinggi dan semua bahan bakar pengganti masih barn (fresh fuel). Selanjutnya dibuat konfigurasi penggantian bahan bakar langsung yang bum upnya tinggi dengan penggantian secaraterurut dari dalam. Dari keadaan tersebut akan diperoleh reaktivitas lebih teras untuk keperluan pembangkitan rlaya dan pol a operasi reaktor yang diinginkan. Untuk mengetahui sumbangan reaktivitas tiap bahan bakar dalam teras dilakukan simulasi dcngan pcnambahan clan penggantian bahan bakar adalah penambahan di ring F untuk menggantikan posisi elemen bakar dummy dan pengambilan bahan bakar pada tiap ring. Tiap-tiap perubahan konfigurasi dilakukan running program komputer kemudian dianalisis besamya reaktivitas konfigurasi yang dibuat. Untuk memperkirakan lama operasi hasil konfigurasi dilakukan dengan menjalankan kembali program Trigap dengan menghitung bum up setelah logging data ke file elem.dat selesai dilakukan. Kemudian dilakukan running kembali tanpa perhitungan bum-up dan diamati besamya reaktivitas teras, jika nilainya positip konfigurasi dapat digunakan danjika nilanya terlalu besar maka perhitungan diulang dengan menambah lama operasi(MW-jam). Hasil reaktivitas reaktor pada tabell.
tinggi diletakkan di ring B, burn up dibawahnya di ring C kemudian yang lebih rendah di ring D,E dan F adalah merupakan konfigurasi yang baik dan hasilnya ditampilkan pada gambar 2. Bila diinginkan menempatkan burn up yang tinggi pada daerah ring luar dapat saja dilakukan dan akan mendapatkan fluks neutron didaerah fasilitas irradiasi yang lebih besar. Tetapi ditinjau dari segi ekonomis dan efisiensi operasi reaktor akan mengakibatkan umur bahan bakar akan lebih pendek karena reaktivitas lebih teras akan lebih rendah. Selain itu besaranparameter faktor daya puncak dan pembangkitan daya per elemen akan memberikan hasil yang kurang baik. Untuk peningkatan daya reaktor Kartini menjadi 250 kW maka bahan bakar yang lama masih dapat dipakai karena burn upnya masih cukup besar kecuali bahan bakar yang secara fisik sudah mengalami kerusakan. Kebutuhan penambahanbahanbakar ditunjukkan dalam Tabell dan distribusi rapat daya serta distribusi fluks neutron ditunjukkan pada Gambar 2.
-,. 0 ,. .I"
i 1-13
.f:
_I
.f
J
:
"
I
\
{JJJI}~ 3,1f"
"
/.1r
Tabel 1 Penambahanbahan bakar
L-40 ,'j,t']wt"Jitl'-i;" i-I' I~.I ~.I'. --.1[ at I'..I~.I .128.1
aI. m. ~T rt!A
-,.:
: jm
0 ,..
.,..
Dalam penentuan konfigurasi terbaik adalah dengan meninjau parameter faktor daya rerata (Fp), faktor pembangkitan daya tiap elemen (Pe) clan harga fluks neutron didaerah fasilitas iradiasi Lazy Susan. Dengan pengaturan konfigurasi pada bahan bakar yang burn-up-nya
masih rendah (kandungan
bahan bakar masih tinggi) clan bahan bakar barn diletakkan di ring B kemudian bahan bakar yang diganti diletakkan di ring C, ring D dan seterusnya akan diperoleh konfigurasi yang baik dengan besar faktor daya rerata Fp = 2,029 clan maksimum pembangkitan daya Pe = 4,68 Kw serta besar fluks neutron thermal di pusat teras = 5,75 x 1012 neutron/cm2 detik clan di Lazy Susan harga fluks neutron thermal = 5,862 x lOll neutron/cm2 detik. Analisis tsb. dilakukan dengan konfigurasi bum up
tlD
.-1I
.
I I 11
$': .. 'a.
""\
,,~.2..1'-
[1~c112
-j
-~1 -r,a
=~~
IL-J-!
B.'
-G
'" ,
J6 8
Jari-Jif
--)1'
~~~~ !Ii
24.' ~.,
48;'
[~]
CR'JID nJX!mLGambar
2. Distribusi Fluks Neutron dan Distribusi rapat daya
KESIMPULAN Dari basil analisis perhitungan neutronik reaktor Kartini pada daya 250 Kw diharapkan dapat mengetahui sistem unjuk kerja reaktor tetap pada kondisi aman terkendali dengan keandalan yang tinggi. Untuk memenuhi hal tersebut telah diperhitungkan beberapa parameter keselamatan yaitu konfigurasi teras, pembangkitan daya tiap elemen, distribusi fluks neutron, distribusi rapat daya maupun reaktiyitas lebih reaktor serta kebutuhan jumlah elemen bahan bakar untuk kenaikan daya hingga 250 Kw. Dari hasil ana!isis konfigurasi bahan bakar diperlukan penambahan bahan bakar pada ring B minima! 3 buah untuk memperoleh reaktiyitas lebih yang relatif cukup untuk keperluan operasi reaktor. Diperoleh besar fluks neutron thermal daerah fasilitas iradiasi = 5,862 x lOll n/cm2 detik, fluks neutron thermal rerata teras = 3,72 X 1012n/ cm2 detik, fluks neutron cepat rerata teras = 5,324 1012 n/ cm2 detik serta pembangkitan day a tiap elemen bahan bakar maksimum 4,68 Kw.
DAFTARPUSTAKA I.
MELE.I. Computer
and
RA VNIK.M;
Programme
for
Calculation,IJS-DP-4238,
2. MELE.I. Dimensional Reactor
and
Trigap
Research
December
TANYAJAWAB Suwoto
-Oari Tabel I, berapa penambahan bahan baka, barn yang optimal sehingga menghasilkan reaktivitas lebih yang optimal juga, berapa hargake/T dan densitas daya untuk operasi 250 kW dengan konfigurasi teras dengan penambahan bahan bakar barn yang optimum
tersebut.
Bambang Sumarsono
-Penambahan bahan bakar baru yang optimal dapat diberikan sebanyak 4 buah dengan reaktivitas lebih sebesar 0,594 d61lar. Hal tersebut karena diperhilungkan pertimbangan ekonomi dalam keadaan kritis. Jika memungkinkan bisa dengan penambahan 6 buah bahan dengan harga reaklivilas lebih sebesarJ.0 J2 dollar
a
Reactor
1985.
RAVNIK.M. , Cebis one
Two
Group
Calculation,
Diffusion
Code
IJS-DP-3856,
for
February
1985. 3.
RA VNIK.M. Calculation
et
al.;
Two
of the Central
Dimensional Irradiation
Flux
Chanel
in
TRIGA Reactor.IJS-DP
Bambang Sumarsono, dkk
ISSN 0216-3128.
. ~
LAMPIRAN
,
\,
( F~.\~F\~ ~ C6i\ G7J(2t6b'
~ ~'
G
Gl
~
~~
.G4
9637 9598
9876X99
G3
9877
.
99
G5 ~
'\:1:
~
72
98
01
96
'988
~
G
G
G9
PN 0
G9
G
Gambar 3. Konfigurasi terasreaktor
