Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan PRPN- BATAN, 14 November 2013
Perangkat Nuklir
PERHITUNGAN TEBAL DAN TUTUP TANGKI REAKTOR GELEMBUNG PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe UNTUK PLTN DIINDONESIA Putut Hery Setiawan dan Petrus Zacharias
PRPN - SATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang
Selatan, 15310
ABSTRAK PERHITUNGAN TEBAL DAN TUTUP TANGKI REAKTOR GELEMBUNG PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TlPE PWR 1000 MWe UNTUK PL TN DIINDONESIA. Proses konversi UF6 menjadi U02 pada pabrik produksi bahan bakar nuklir melalui jalur Amonium Uranil Karbonat (AUK) dilakukan dengan menggunakan reaktor gelembung. Keluaran utama dari reaktor gelembung adalah endapan AUK, yang ditampung oleh tanki pengendap. Tangki reaktor gelembung dirancang berbentuk vertikal terdiri dari shell dan head berbentuk torispherical. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan standar ASME Sec. VII, Div.1. Data masukan berasal dari data sheet proses yang berisi spesifikasi tangki berupa dimensi, tekanan, efesiensi dan corrosion allowance (CA). Dari hasil perhitungan didapat ketebalan dinding shell sebesar 0,37 mm dan ketebalan dinding head sebesar 0,65 mm. Ketebalan ini masih masih harus ditambah dengan corrosion allowance, untuk material Hastelloy dalam suasana senyawa fluor nilai CA ditentukan sebesar 3.175 mm untuk umur pabrik 25 tahun. Dengan pertimbangan perancangan yang disesuaikan dengan ketersediaan tebal pelat diindustri, maka ketebalan tangki yang digunakan adalah sebesar 4 mm. Kata kunci: tangki, ketebalan head, ketebalan shell, reaktor gelembung, nuklir
elemen bakar
ABSTRACT CALCULA TlON OF HEAD AND SHELL BUBBLE REACTOR TANK FOR NUCLEAR FUEL ELEMENT PLANT TYPE 1000 MWE FOR PL TN IN INDONESIA. The conversion process of UF6 to U02 in nuclear fuel production plant through AUC performed using bubble reactor. The main product of the bubble reactor is Ammonium Uranyl Carbonat (AUC), which is accommodated by the settling tank. Bubble reactor tanks are designed consisted of a vertical-shaped shell and a head shaped torispherical. The design performed by using the standard ASME Sec. VII, Div.1. Input data from the process data sheet that contains a dimensional specification tanks, pressure, efficiency and corrosion allowance (CA). From the calculation of the shell wall thickness is 0.37 mm and a wall thickness of head is 0.65 mm. Thickness is still yet to be coupled with a corrosion allowance, for Hastelloy material in an fluid service of fluorine, CA value set at 3, 175 mm for 25 year of plant. In consideration of the thickness of the tank design is used by 4 mm. Keywords: element
vessel, thickness
of head, thickness
of shell, bubble reactor, nuclear fuel
- 94 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan PRPN - BA TAN, 14 November 2013
Perangkat Nuklir
1. PENDAHULUAN Untuk
mengantisipasi
pembangkitan
opsi
energy
listrik,
PLTN
dipilih
sebagai
energi di Indonesia, Batan melalui Pusat Teknologi
salah
satu
Bahan Bakar Nuklir
telah melakukan pra studi kelayakan pendirian pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWE. Basis bahan bakar PWR (Pressurized (U02)
Water Reactor) adalah uranium dioksida
dalam bentuk pelet tersinter yang disusun di dalam tabung kelongsong zircalloy
kedap (tertutup di kedua ujungnya). produksi elemen bakar nuklir 235 sampai 5%,
Berdasarkan
yang menggunakan
umpan Uh
negara maju, pabrik
dengan pengkayaan
U-
memproduksi serbuk U02 melalui tiga jalur yaitu [1]:
•
Jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK)
•
Jalur Ammonium Diuranat (ADU)
•
Jalur Kering Terintegrasi ( JKT ) Pilihan teknologi
Uranil Karbonat
pengalaman
yang diambil adalah proses konversi
(AUK) dan Jalur Kering Terintegrasi
melalui jalur Ammonium
(JKT) yang dapat dioperasikan
secara parallel atau bergantian sehingga dapat menjamin fleksibilitas dalam produksi
[1].
Proses produksi bahan bakar nuklir U02 melalui jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK) melewati beberapa proses, salah satunya adalah proses pada tangki reaktor gelembung. Suhu di dalam tangki reaktor gelembung dipertahankan terdapat di dalamnya berupa
NH3,
UF6,
60oC, karena unsur-unsur yang
CO2 dan mengandung
panas sehingga suhu
di
dalam tangki perlu dipertahankan.
Media air yang bercampur dengan gas menghasilkan
gas dan endapan AUK, dimana
gas sisa dialirkan ke scrubber dan endapan dalam
bentuk AUK dialirkan ke settling tank. Proses terse but di atas dilakukan di dalam tangki yang disebut dengan tangki reaktor gelembung,
dimana di dalam makalah ini hanya
dibatasi pad a perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor gelembung yang terdapat dalam proses melalui jalur AUK. 2. TEORI Tangki (Vessel) Tangki (vessel) merupakan bejana yang digunakan untuk menyimpan fluida baik berupa liquid maupun gas. Tangki ini banyak digunakan pad a proses pengilangan juga pada industri-industri
lain, terutama industry petrokimia, obat-obatan,
juga industri yang menggunakan penyimpan,
peralatan otomatis. Selain berfungsi
tangki bisa juga berfungsi sebagai pemisah (separator),
minyak dan makanan dan
sebagai media penyaring (filter),
ataupun sebagai pencampur bahan kimia.
- 95-
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan PRPN - BA TAN, 14 November 2013
Perangkat Nuklir
Pad a umunya tangki dapat digolongkan dalam beberapa jenis: 1. Tangki berbentuk vertikal (vertical tank), 2. Tangki berbentuk horisontal (horizontal tank), 3. Tangki berbentuk bola (hemispherical tank). Tanki yang digunakan dimana tangki tersebut
dalam
perhitungan
berisi gas-gas
ini adalah
CO2, NH3,
UF6
tangki
dengan
berbentuk
vertikal
air yang direaksikan
menjadi Ammonium Uranil Karbonat (AUK), dalam hal ini tanki digunakan sebagai reaktor. Karena
bahan
baku
persyaratan material
proses
yang
digunakan
mengandung
senyawa
UF6 gas dan
HF. Desain harus memenuhi faktor keamanan
pada operasi normal maupun transisi atau abnormal, dan untuk mencapai umum,
mengevaluasi
maka
yang digunakan untuk desain peralatan adalah material harus tahan
terhadap senyawa-senyawa
Secara
fluor,
desain
vessel
ini
mengacu
ke ASME
Sec.vlll
umur desain.
Div.1
yang
tidak
secara rinci terhadap semua tegangan yang mungkin terjadi. Sementara
kode yang ada memberikan formula untuk menghitung ketebalan dan stress komponenkomponen dasar. Vessel yang mendapat tekanan internal dan atau tegangan
pada dinding shell. Tegangan
ketiga prinsip tegangan circumferential
(circumferential
tegangan
ini umumnya menimbulkan
akan menimbulkan tegangan
triaxial,
itu adalah tegangan longitudinal ( longitudinal stress), tegangan stress) , dan tegangan radial ( radial stress). Tegangan
radial adalah tegangan yang dihasilkan menyebabkan
eksternal
tekan
langsung dari aksi tekanan terhadap dinding, dan
sama dengan tekanan.
Untuk vessel
berdiding
tipis,
tegangan radial ini sangat kecil dibandingkan dengan tegangan yang lain, sehingga dapat diabaikan. Jadi untuk tujuan penyederhanaan sehingga dapat menyederhanakan tegangan
analisis, keadaan tegangan menjadi biaxial,
metode penggabungan tekanan dibandingkan dengan
triaksial.
Vertical Tank
Horizontal Tank
Hemispherical
Tank
Gambar 1. Jenis-jenis tanki [5]
- 96 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan PRPN-BATAN, 14 November 2013
Perangkat Nuklir
Komponen utama dari tangki terdiri dari : • Dinding silinder tangki (Shelf) • Tutup kepala tangki (head) • Penyangga tangki (support) • Kelengkapan tangki (accessories) Dalam makalah ini hanya difokuskan
pad a perhitungan ketebalan dinding silinder
tangki dan tutup kepala tangki. Standar yang digunakan
dalam perhitungan
ini adalah
ASME Section VIII Div.l, dimana untuk perencanaan tebal silinder menggunakan
UG-27.
UG 27 digunakan
dengan
untuk perhitungan
tebal bejana karena tekanan
internal,
persamaan sebagai berikut. Tegangan circumferential (sambungan longitudinal)[4]
SF t
PR
P=
t = SE _O.6P atau
dengan : t
= Tebal tangki (mm)
P = Tekanan dalam (kpa) R = radius dalam shell (mm) S = Allowable stress matrl. (kpa) E = Effesiensi = 0.85
Tegangan longitudinal (sambungan circumferential)[4] t =
PR
._
25£ t
atau P =
Head (head & bottom) Head merupakan
bagian tangki yang berfungsi sebagai penutup silinder (shell),
baik bagian atas tangki (head) maupun bagian bawah tangki (bottom). Pada umumnya jenis
penutup
silinder
dibagi
menurut
bentuk geometrisnya
dan yang
paling sering
digunakan adalah bentuk: 1. Setengah bola (Hemispherical)
head
2. Ellipsoidal head 3. Torispherical head
- 97 -
Prosiding Pertemuan /lmiah Perekayasaan PRPN- BATAN, 14 November 2013
Perangkat Nuklir
~,
,'I-
.,
~.~
~l
r_i~ii
;;:
"
~
A
-
I[).-
-
----(.~--
_
Hemispherical head
Ellipsoidal head
t
--r
Torispherical head
Gambar 2. Jenis-jenis head [5] Jenis head yang digunakan dalam perhitungan ini adalah jenis tori spherical head, hal ini ditentukan mendapatkan
berdasarkan
ketebalan
data yang di dapat dari divisi proses, dimana untuk
torispherical
berdasarkan
ASME Section VIII Div. I UG-32[4]
digunakan: t=
O.885PL
dengan L = diameter dalam torispherical. \---
••
\?J i ----------t-
.__-FL
R
(mm)
-
0
r
[mm)
=
0.10
hl
(mm) ~ 3.5 t
h2 (mm)
H (mm)
=
0,20 h1
~h7
~D Gambar 3. Dimensi torispherical head [2]
3. TATAKERJA PERHITUNGAN Perhitungan
tebal
dan tutup tangki
reaktor
gelembung
dilakukan
berdasarkan
masukan data dari divisi proses berupa data sheet yang diperlukan dalam perhitungan di antaranya adalah tekanan desain, material, tipe penutup, corrosion allowance (CA) dan efesiensi yang diperlihatkan pada Gambar dalam lampiran. Perhitungan ketebalan dinding silinder (shell) Material
yang digunakan
dalam perhitungan
ini adalah
Hastelloy
dimana yield
strength untuk material tersebut berkisar antara 283-690 MPa dan yield yang digunakan sebesar 300 MPa[3], sedangkan
Allowable
stress diambil 60% dari yield stregth yaitu
sebesar 180 MPa yang digunakan sebagai dasar perhitungan.
- 98 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan PRPN - BA TAN, 14 November 2013
Perangkat Nuklir
Perencanaan ketebalan dinding shell yang diatur dalam AS ME SECTION VIII DIV. 1, 2001 ayat UG-27 untuk tegangan circumferencial (sam bung an longitudinal) didapat : f-
PR_
,-
SE - O.6P
dengan : t = Tebal tangki (mm) P = Tekanan dalam desain = 3 atm atau = 304 kpa R = radius dalam shell, dimana diameter dalam shell = 370 mm S = Allowable stress material hastelloy = 180000 kpa (60% dari yield strength) E = Effesiensi = 0.85 304
t = --------
x
185
180.00.0 (0 8.5)-(V. 6.J 30.4
t=
037 mm
Sedangkan untuk tegangan longitudinal (sambungan circumferential) didapat: PR t = 2SE t=
+ 0. 4P
30.4. 185 2.180.00.0..(0..85)+(0..4)304
t ;;;018 mm Dari hasil perhitungan
di atas didapat ketebalan shell untuk tegangan
circumferential
sebesar 0.37 mm dan untuk ketebalan tegangan longitudinal sebesar = 0.18. Perhitungan Head Untuk perhitungan ketebalan head berdasarkan ASME SECTION VIII DIV. 1, 2001 ayat UG-32 didapat : 0. 885 P L f_ , - SE - 0 '1P
dengan : L = diameter dalam torispherical
t
=
065 mm
4. HASIL DAN PEMBAHASAN Tangki
reaktor gelembung
berbentuk
vertikal, terdiri
dari shell yang berbentuk
silinder dan tutup tangki berbentuk torispherical. Dari perhitungan ketebalan shell didapat nilai ketebalan untuk tegangan circumferential dan tegangan longitudinal masing-masing
- 99 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan PRPN - BA TAN, 14 November 2013
Perangkat Nuklir
0.37 dan 0.18 mm. Untuk keamanan desain dipilih nilai ketebalan terbesar yaitu 0.37 mm yang merupakan tebal minimum shell. Sedangkan untuk head didapat ketebalan 0.65 mm. Hasil perhitungan
di atas masih ditambahkan
dimana Corrosion allowance safety
suatu
equipment
dengan faktor corrosion allowance
dalam desain dimaksudkan
agar tetap
reliable
untuk mengantisipasi
saat operasi.
Sebenarnya
tanpa
tingkat diberi
corrosion allowancepun suatu equipment tetap safe dipakai karena gaya atau beban yang bekerja masih di bawah nilai yield strength material yang digunakan namun untuk fluida yang mengangung fluor, bahan hastelloy akan terkorosi. Oalam perhitungan Hastelloy mempunyai
ini material
nilai CA untuk umur 25 tahun sebesar 3.175 mm, sehingga tebal
shell menjadi sebesar 0.65 + 3.175 = 3.83 mm dan untuk pertimbangan
perancangan
maka ditentukan tebal pelat yang digunakan adalah 4 mm [6]. Oari hasil penentuan ketebalan maksimal termasuk nilai CA, maka dimensi head yang berbentuk torispherical
dapat dilakukan dengan mengacu
pada Gambar 3, yang
hasilnya disajikan pada halaman berikut :
\ t: 4 ~
..
w_.
\
.. I
R = 378
f
- _ w
r::378
._
'" ./~,~ ~
~
1
~
<1>10=378
Gambar 4. Oimensi Torispherical Hasil Perhitungan 5. KESIMPULAN. Perhitungan
tebal dan tutup tangki reaktor gelembung
yang berbentuk
vertikal
dengan dimensi yang didapat dari data sheet sistem proses dengan ketinggian total 4700 mm, dimana head bagian atas dan bawah berbentuk
torispherical
yang mempunyai
ukuran ketinggian sesuai dengan perhitungan sebesar = 89.6 mm, sehingga ketinggian shell didapat sebesar = 4520.8 mm. Untuk ketebalan tangki dari hasil perhitungan didapat tiga ketebalan, dimana untuk tegangan Circumferensial head sebesar terbesar
= 0.37 mm, tegangan longitudinal
= 0.65 mm. Oari ketiga hasil perhitungan
yaitu 0.65 mm dan dengan
penambahan
material hastelloy dengan umur pemakaian
= 0.18 mm dan ketebalan
diambil perhitungan
faktor
corrosion
ketebalan
allowance
untuk
25 tahun sebesar 3.175, maka ketebalan
tangki sebesar = 3.825 mm. Untuk pertimbangan perancangan yang disesuaikan dengan
- 100 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan PRPN- BATAN, 14 November 2013
Perangkat Nuklir
ketersediaan tebal pelat diindustri, maka ketebalan tangki baik untuk shell maupun untuk head dibulatkan sebesar 4 mm. 6. DAFT AR PUST AKA 1. Program Manual. "Design Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe PWR 1000 Mwe Untuk PLTN di Indonesia" Tahun 2013 2. Kartal
Bombe
Sanayi
(KBS),
Disk
and
Flange
heads,Torispherical
http://www.cartalbombe.com.tr/dishedends-dishedflanqedheads.html. 3. ASME Section II Part
Heads,
21-03-2012
0, "Materials", Boiler and Pressure Vessel, Edition 1 Juli 2001
4. ASME Section VIII Div.l, "Rules for Construction
of Pressure Vessel",
Boiler and
Pressure Vessel, Edition 1 Juli 2001. 5. Juniarto, Yuriadi Kusumah, "Perancangan Pressure Vessel E Type Vertical", Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Mercu Buana, 20 Mei 2013. 6. Beyond Steel Indonesia, "Tabel ukuran dan berat Plat Stainless Steel", , http://bevondsteel. bloqspot. com/20 12/0 1/tabel-ukuran-berat -plat -stainless-steel. html, 6-11-2013
TANYA JAWAB Pertanyaan: 1. Pad a kesimpulan sudah terlihat masing-masing perhitungan tebal (termasuk pada abstrak). (Maradu) 2. Judul perlu diperbaiki. (Maradu) Jawaban: 1.
Pada kesimpulan sudah terlihat masing-masing ketebalan yaitu pad a tabel untuk tegangan circumferential dan table terisphenical.
2.
Judul akan saya perbaiki terima kasih.
- 101 -
Prosiding Pertemuan I/miah Perekayasaan PRPN - SA TAN, 14 November 2013
Perangkat Nuklir
7, LAMPIRAN
-
73 72
unit: m \
,
,Yo Date 5Relie\oe•• Date 60 Shell Heads Code: Stress insulation REMARK Matenal '- .. . Ftatm 85 6 0 Date Date 4Mark 3in 2C1Full: Center Item No. Unit Number Line: Vertical 13Size AManhole Pressure. G 1Out Hight Drain 1subject 0.5 Ft0.125 4.7m C3 0.37 Type Joint Density Efficiency: of Bottom Heads of Number Content: Cat CThickness No Inlet Hafni Nozz I~&Pressure Lissa les 0.85 Material Corr.Allowance FtLe\oelContol Shell Operating Design is Made/Relised 0 ppro\oedBy \essel ..37 Diameter atm Description Empty: m 0.125 Iin-!Vacuum Vapor By (I.D.): to Out· mechanical 1.9 vibration?*Yes/No T min. Vent Base .,' ElelK1: o. deg C Abdul 290.84 Prayitno jami kg Emergency Checked By IFtDesign: Safety •m Yes/No Val\oe r-Liquid Out : Steam Thermocouple Gauge Hastelloy Type: Weight 1308.64 Skirt Length H2O T No. Required: Temperature deg Ckg 1986 kn/m3 Torisphencal E-q:----------r Radiography·': Gauge Glass Shell -. 2215 AWeight I-.-I
+
.=20 17 19 21 16 ·Yes/No 33 14 Name 4 65 64 68 70Item 39 63 69 61 47 ...2260 13 42 ~ ',,\ ~ 10 '«/1£P ~1'/ .E..
,
II>
oJI
00
0
o~h..
rr" ,.A 0
\,
._------------~
- 1 02 -