PREDIKSI
SWELLING
AKIBAT
IRADIASI
PADA DISAIN
BAHAN BA.KAR SILISIDA UNTUK RSG-GAS
PELAT
S II
Bambang Herutomo, Haryono SetyoWibowo, BasukiAgung Pujanto P2TBDU-BATAN;KawasanPUSPIPTEK.Serpong.Tangerang
ABSTRAK PREDIKSI SWELLING AKIBAT IRADIASI PADA DISAIN PELAT BAHAN BAKAR SIL/SIDA UNTUK RSG-GAS. Perl1itungan telah dilakukan untuk memprediksi perilaku swelling akibat iradiasi pada dis:ain petal bahan baker dispelSi silisida (U3Siz-AI) untuk RSG-GAS. Bahan baker silisida ini dimal<sudkan sebagai pengganti bahan baker oksida (U30s-AI) yang digunakan RSGGAS seat ini (falam usaha meningkatkan kinetja operasi den penggunaan bahan baker. Perl1itungan dilakukan dengan menggunakan program komputer DART untuk operasi kondisi mantap pede dalya nominal 30 MWt sampai derajat. baker bahan baker maksimum (100 % if35 terbakar). Hasil perl1itungan menunjukkan bahwa swelling (AVN) maksimum yang dialami partikel bahan baker (U3Si2) adalah sebesar 92 %. Swelling bahan baker ini menyebabkan kenaikan volume (AVN) daging bahan baker (U3Siz-AI) sebesar 19 % atau penambahan ketebalan (AtIf) petal bahan baker sebesar 8 %. Swelling yang tetjadi pede bahan baker juga menyebabkan penurunan konduktivitas panas daging bahan baker sebesar 33 %. Hasi/ perl1itungan mel'1unjukkan bahwa untuk level daya RSG-GAS yang ditinjau, perilaku swelling bahan baker sangat dipengaruhi oleh temperatur, yaitu laju swelling meningkat apabi/a temperatur bahan bakar semakin tinggi.
ABSTRACT PREDICTION OF IRRADIA TION-INDUCED SWELLING OF SILICIDE FUEL PLA TE DESIGN FOR RSG-GAS. The calculation has been done to predict irradiation-induced swelling behavior of the silicide fuE~1plate design (U3Siz-AI) for RSG-GAS. This silicide fuel is intended to subtitute the oxide fuel (U30s-AI) currently being used in RSG-GAS in order to improve the operation's perfonnance and the fuel utilization. The calculation has been perfonned using DART computer code for steady state operation at nominal power level of 30 MWt until the fuel reaches the maximum burnup (100 % U235 burned). The calculation results showed that the maximum swelling (LiVN) of the fuel particle (U3Si2) was about 92 %. This fuel swelling increases the volume (LiVN) of the fuel meat (U3Siz-AI) up to 19 % or increases the thickness (Litlt) of the fuel plate up to 8 %. The fuel swelling also decreases the thennal conductivity of the fuel meat up to 33 %. The calculation results indicated that, for a given power level in RSG-GAS, the fuel swelling behavic,r was strongly influenced by temperature, i.e., the swelling rate increases as the temperature rises.
PENDAHULU.A~N B ahanbakar uraniumsilisida dalarnbentukU3Siz
untuk reaktor penelitian dengan tingkat muat uranium sampai 4,8 gr/cm3 telah mendapatkan lisensi dari US-NRC (United States -Nuclear Regulatory Commission)pada bulan Juli 1988. [1,2,3]
merupakan alternatif terpilih saat ini dalarn Melihat keunggulan bahan bakar silisida di pengembanganbahan bakar dispersi pengkayaan atas, B. Arbie ill. telah metakukan studi yang rendahuntuk ReaktorPenelitianclanUji (RERTRintensif dari segi netronik dan termohidrolik. Sturn Reduced Enriched Research and Test Reactor). tersebut bertujuan untuk mengkonversi bahan bakar Keunggulan bahan bakar ini adalah memiliki yang digunakan RSG-GAS saat ini, yaitu dari U3Ogdensitasyang tinggi, yaitu 12,2 gr/cm3,sehingga pemuatanuranium di dalarn daging bahan bakar Al dengan tingkat muat uranium sebesar2,96 gr/cm3 menjadi U3Si2-AI dengan tingkat muat uranium (lite! meat) U3Siz-Al dapat mencapai5,2 gr/cm3, sebesar 3,55 gr/cm3. Dengan bahan bakar silisida ini Selain itu, bahan bakar ini memiliki sifat termosiklus operasi reaktor dapat diperpanjang dari mekanikdan watak iradiasi(stabilitasdimensi)yang sekitar 25 hari daya penuh menjadi sekitar 33 hari cukup baik. Penggunaanbahan bakar U3Siz-AI daya penuh dan derajat bakar rata-rata yang dicapai
ISSN 0216-3128
Teknologi Proses
Bambang Herutomo, dkk
Prosiding Pertemuan danPresentasi I/miah P3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999
Buku II
bahan bakar akan naik daTi sekitar 54 % U235 terbakar menjadi sekitar 70% U235terbakar. Melalui konversi ini diharapkan mampu meningkatkan kinerja dan keselamatan operasi RSG-GAS serta ekonomis dalam konsumsi bahan bakar. [4] Agar penggunaan bahan bakar silisida tersebut memiliki tingkat keandalan (keselamatan) yang tinggi maka perilaku iradiasinya di dalam teras RSG-GAS perlu diketahui dan dipahami. Seperti diketahui, iradiasi akan berdampak terhadap penambahan ketebalan pelat bahan bakar apabila daging bahan bakar mengalami swelling sebagai akibat akumulasi elemen-elemen produk fisi di dalam partikel bahan bakar. Selain secara langsung proporsional dengan kenaikan derajat bakar, besar swelling juga dipengaruhi oleh perubahan struktur mikro bahan bakar akibat iradiasi. Untuk bahan bakar dispersi U3Si2-Al, swelling juga dapat disebabkan oleh rasa baru aluminida yang terbentuk daTi basil reaksi antara bahan bakar (U3Siv dengan matrik aluminium. [5] Makalah ini menyajikan prediksi perilaku swelling akibat iradiasi disain pelat bahan bakar silisida yang akan digunakan RSG-GAS. Prediksi berdasarkan basil perhitungan program komputer DART untuk kondisi operasi mantap (steady state) pada daya nominal 30 MWt sampai derajat bakar bahan bakar mencapai maksirnum (100 % U235 terbakar). Makalah ini juga menyajikan efek swelling yang terjadi pada bahan bakar terhadap perubahan konduktivitas panas daging bahan bakar (fuel meat).
METODE Program Komputer DART Oleh karena uji iradiasi dan pascairadiasi memiliki tingkat kesulitan yang tinggi serta memerlukan waktu, tenaga daDbiaya yang besar maka penggunaankode komputermerupakancara yang sederhana dan cepat untuk memprediksi perilaku swelling akibat iradiasi dari suatu disain bahan bakar. Salah satu kode komputer yang mampu memprediksi perilaku swelling akibat iradiasi bahan bakar dispersi silisida CU3Si2-AI) adalahDART (DispersionAnalysis ResearchTool) yangdikembangkanolehJ. Restdari ANL (Argonne National Laboratory), USA. Kode komputer ini telah divalidasi dengan data perilaku swelling partikel bahanbakar U3Si2yang diiradiasidi HFIR -
ORNL. DART mengimplementasikan model termo-mekanikdalam memprediksiswelling akibat iradiasi pactabahanbakar dispersi alumipium, baik untuk operasi mantap (steady state) maupun transient. DART menghitung swelling akibat produk fisi padat dan gelembunggas fisi sebagai Bambang Herutomo, dkl<
249
suatu fungsi morfologi ballaD bakar. Efek rekristalisasi, yaitu terbentuknya butiran halus (subgrain) di dalam partikel ballaD bakar akibat iradiasi, serta efek rasa barn aluminida yang terbentuk dari basil reaksi antara bahan bakar U3Si2dengan matrik aluminium terhadap kenaikan laju swelling juga diperhitungkan. Selain itu, DART juga mcnghitung efek swelling bahan bakar terhadap perubahan konduktivitas panas total daging bahan bakar. Uraian model matematis daD teknik penyelesaian yang digunakan DART secara lengkap dapat dilihat di dalam referensi [5]. Dalam melakukan perhitungan, DART
menggunakan pendekatan dengan menganggap partikel bahan bakar berbentuk bola yang dikelilingi oleh lapisan bola tebal (spherical shel/) matrik aluminium yang terikat dengan pembungkus luar kelongsong aluminium. Pendekatan ini memperlakukan bola sebelah dalam sebagai yang mengalami deformasi mekanik daDlapisan bola luar (pembungkus) sebagai yang mengalami deformasi plastis sempurna. Dengan model ini penambahan tebal pelat bahan bakar mulai terjadi apabila pori fabrikasi telah tertutup semua oleh tambahan volume partikel bahan bakar akibat swelling. Asumsi lain yang dipakai adalah partikel bahan bakar dianggap berukuran sarna daD memiliki bentuk yang seragam (bola, sperik); efek swelling matrik aluminium diabaikan; tidak acta perubahan kekuatan tarik pacta aluminium; serta pengaruh mulur (creep) pacta bahan bakar daD matrik tidak diperhitungkan di dalam program. Data Asupan Untuk memprediksi perilaku swelling akibat iradiasi dengan program DART terhadap disain pelat bahan bakar silisida yang akan digunakan RSG-GAS, pacta kesempatan ini, perhitungan hanya dilakukan untuk kondisi operasi mantap (steady state) pacta daya nominal 30 MWt sampai derajat bakar mencapai maksimum (100 % U235terbakar). Oleh karena terdapat variasi pembangkitan
daya di dalam teras maka sebagai referensi perhitungan dilakukan pactadaya linier rata-rata daD daya linier maksimum yang dibangkitkan bahan bakar di dalam teras RSG-GAS. Daya linier tersebut berturut-turut adalah 3,3 W/cm (0,1 kW/ft) daD 12,7 W/cm (0,4 kW/ft). Sedangkan temperatur operasi bahan bakar yang digunakan adalah 100 °C daD 200 °c yang merupakan representasi rentang temperatur operasi baian bakar RSG-GAS (temperatur rata-rata daD temperatur maksimum yang diijinkan). Oleh karena ukuran partikel bahan bakar sangat kecil (orde mikron) daD memiliki daya hantar panas relatifbaik maka efek distribusi temperatur di dalam partikel bahan bakar telah diabaikan dalam perhitungan. Data disain bahan bakar silisida daD
Teknologi Proses
ISSN 0216-3128
'00;1%
250
Prosiding Perlemuan danPresentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999
Buku II
kondisi operasiyang digunakandalam perhitungan berdiametersekitar0,5 ~m (asumsiyang digunakan dapatdilihat padatabel1. DART) akibat pengaruhiradiasi di dalam partikel Data-datayang berkaitandengansifat-sifat bahan bakar U3Si2. Dengan butir-butir halus material bahan bakar dan matrik aluminium serta tersebut, pengendapan dan pertumbuhan besaranfisika lainnya diambil dari data-datayang gelembung-gelembung gas di barns butir menjadi telah digunakan untuk validasi program DART semakincepatsehinggalaju swelling naik tajam. dalam memprediksiperilaku swelling bahan bakar dispersi U3Si2-AIyang telah diiradiasi di HFIR--;-3-' ""- IOOC ' ORNL.
I
[6]
.'"'"'c.m..~o,
~""O%
Tabel 1:
Data disain elemenbakar silisida dan kondisi operasi yang digunakan dalam perhitungan.[4]
uisain ElemenBakar: Tipe elemen bakar : Jumlah pelatbahan bakar per elemen : t'anjang pelatbahan bakar : Lebar pelatbahan bakar : Tebal pelatbahan bakar : Jarak antara dua pelat bahan bakar (tebal : IKanalpendingin)I panjang aktif bahan bakar : Lebar aktif bahan bakar : ITebal aktif bahan bakar : !Tebalkelongsong : iMaterialbahan bakar : It'engkayaan : i I ingkat muaturanium : Porositasdaging bahan bakar : Ukuranpartikelbahan bakar(diameter) : "'orositas partikel bahanbak:ar : I\ondisi Operasi: Daya linier rata-rata yang dibangkitkan: bahan bakar ~aktor aksial (FNZ) : Faktor Radial(FNR) : lemperaturrata-rata bahan bakar : i'emperatur maksimum bahan bakar yg: diijinkan TekananDendinainmasukkana!
Box 21 62,5 cm 7,075cm 0,13 cm 0,2557cm 60 cm 6,275cm 0,054cm 0,038cm DispersiU3Si2-AI 19,75% U-235 3,55gr/cm3 10 % (1) 0,0065cm (2) 0,0 % (1)
3,3 W/cm 1 ,6 2,42 100°C (3) 200°C (4)
: 2 bar
DAN
B,I\HASAN
Hasil perhitungan DART tentang swelling akibat akumulasi produk fisi daTi bahan bakar silisida (U3Siz) yang diiradiasi di dalam teras RSGGAS menunjukkan perilaku yang menarik seperti terlihat pada gambar 1, yaitu mula-mula swelling naik secara perlahan-1ahan dengan kenaikan densitas fisi (derajat bakar) daD kemudian, setelah mencapai densitas fisi tertentu (tergantung daya clan temperatur operasi bahan bakar), swelling naik tajam dengan kenaikan densitas fisi. Fenomena ini terjadi karena peristiwa rekristalisasi, yaitu terbentuknya butir-butir halus (sub-grain) yang
ISSN 0216-3128
3
"." '"
,cm,
~ ",,"t;
,-."
D; t27Wlcl!I,100oC
i
D: 121Wlcm;~oC
_,,8 ;~"",-"-'0
~60""
! I,
..
(1) diasumsikan diambil harga rata-rataukuran partikel bahanbakar (40 ~m -90 ~m) pembulatanberdasarkanbasil perhitungan dalam referensi[4] SSARRSG-GAS
HASIL
s
"
40"",
""&,.
'0
~
..~
2Oi!%
o~ 10
20
_..As;
30
40
51)
P.,,;....ahan B...,.. '0" ""'RI'
Gambar 1..Perilaku swelling akibat produk ./isi bahan bakar U3Si2 (efek aluminida diabaikan) dalam pelat bahan bakar RSG-GAS. Proses rekristalisasi mulai terjadi apabila energi per inti cukup untuk membentuk permukaanpermukaan batas butir dengan membuat suatu volume yang bebas regangan dengan basil akhir berupa penurunan energi bebas material. Restrukturisasi ini menyebabkan terbentuknya suatu jaringan yang rapat menyerupai batas butir baru. Pacta jaringan ini gelembung-gelembung gas mengendapdan menbentuk node di batas butir yang kemudian saling sambung antar node membentuk suatuterowongan halus. Selanjutnya, atom-atom gas basil belah yang mencapai batas butir akan dialirkan melalui terowongan tersebut dan diendapkan dalam bentuk gelembung gas di daerah yang memiliki ikatan antar butir paling lemah' yaitu di pojok butir (grain-edge). Dengan kenaikan densitas fisi, pembentukan dan pertumbuhan gelembung gas akan semakin cepat sehingga populasi dan ukuran gelembung gas bertambah yang berakibat terhadap kenaikan laju swelling. [6] Hasil pengamatan uji pasca-iradiasi menunjukkan bahwa swelling bahan bakar yang terjadi pacta daerah densitas fisi sebelum rekristalisasi didominasi oleh akumulasi produk fisi padat dan keberadaan gelembung-gelembung gas fisi tidak teramati (kalaupun acta ukurannya sangat kecil di bawah batas resolusi SEM, yaitu berdiameter kurang dari 0,04 J.1m).Sedangkan pacta daerah densitas fisi setelah rekristalisasi, swelling didominasi oleh akumulasi gelembung-gelembung gas fisi yang tersebar merata dan memiliki ukuran hampir seragam. [5] Pacta gambar 1 juga terlihat bahwa rekristalisasi terjadi pactadensitas fisi yang berbeda-
Teknologi Proses
Bambang Herutomo, dkk
Prosiding Pertemuan danPresentasi llmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999
beda, tergantung pacta daya daD temperatur operasi bahan bakar. Untuk temperatur yang sarna, rekristalisasi akan terjadi lebih awal (pada densitas fisi lebih rendah) pacta bahan bakar yang dioperasikan pacta daya yang lebih rendah apabila
dibandingkan
dengan
bahan
bakar
dengan aluminium, rekristalisasi tetap terjadi yang ditunjukkan oleh keberadaangelembung-gelembung gas fisi. [5]
yang
dioperasikan pacta daya yang lebih tinggi. Sedangkan pactadaya yang sarna, rekristalisasi akan terjadi pacta densitas fisi yang lebih rendah apabila temperatur bahan bakar semakin tinggi. Untuk bahan bakar dispersi UJSi2-AI, swelling juga terjadi akibat rasa baru aluminida (UAIJ) yang terbentuk dari hasil reaksi antara bahan bakar UJSi2 dengan matrik aluminium. Kecepatan penetrasi pembentukan aluminida ke dalam bahan bakar UJSi2 dikendalikan oleh proses difusi sehingga sangat dipengaruhi oleh temperatur. Kecepatan penetrasi semakin tinggi dengan kenaikan temperatur dan melarnbat apabila penetrasi semakin dalarn seperti diperlihatkan pactagarnbar 2. Oleh karena aluminida memiliki densitasyang lebih rendah dibandingkan bahan bakar UJSi2 maka pembentukan aluminida tersebut akan menyebabkan kenaikan volume (swelling) bahan bakar. Prediksi swelling bahan bakar yang disebabkan oleh aluminida sebagai fungsi densitas fisi untuk kasus yang ditinjau dapat dilihat pactagambar 3.
Gambar 3: Swelling akibat aluminida dalam bahan bakar UjSi1 dalam pelat bahan bakar RSG-GAS. Oleh karena laju swelling pada lapis an aluminida lebih rendah dibandingkan laju swelling pada bagian bahan bakar sebelah dalam (U3Siz) maka lapisan aluminida tersebut akan bertindak sebagaipenahan terhadap laju swelling pada bagian bahan bakar sebelah dalam, atau dengan kata lain, tekanan hidrostatik di dalam bahan bakar akan naik. Hal ini menyebabkan terjadi penurunan laju swelling akibat akumulasi gelembung-gelembung gas fisi seperti terlihat pada gambar 4.
)11;+00 OD
1D
.JD
30
251
Buku II
4D
5D
0,0
sJi
1J!
2J!
3J!
.0
50
6,0
_FISIPaftll<el_llak_..'o"lIsIo:rn'
~it..Fioi P.,1iceiBohon Bokw x1~fllikm'
Gambar 2: Kedalaman penetrasi aluminida dalam bahan bakar U3Sh dalam pelot bahan bakar RSG-GAS.
Gambar 4: Efek aluminida terhadap perilaku swelling akibat produk fisi dalam bahan bakar U3Si2 dalam pelat bahan bakar RSG-GAS
Hasil pengamatan struktur mikro pasta iradiasi mengungkapkan bahwa proses rekristalisasi tidak terjadi pacta lapisan aluminida yang terbentuk sebelum densitas fisi mencapai harga ambang untuk terjadi rekristalisasi dan keberadaan gelembunggelembung gas fisi jugatidak teramati dengan SEM. Sedangkan pactabagian sebelah dalam lapisan, yaitu bagian bahan bakar U3Siz yang belum bereaksi
Secara keseluruhan, swelling yang dialami bahan bakar U3Si2 di dalam matrik aluminium merupakan jumlahan dati swelling akibat produk fisi ( padat clan gelembung gas) clan swelling akibat aluminida. Pada gambar 5 dapat dilihat total swelling yang terjadi pada bahan bakar U3Si2 untuk kondisi operasi yang ditinjau. Dari gambar tersebut terlihat bahwa pada temperatur tinggi (200 °C),
Bambang Herutomo. dkk
Teknologi Proses
ISSN 0216-3128
Prosiding Perlemuan danPresentasi IImiah P3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999
Buku11
252
tidak terdapatperbedaanswelling yang signifikan (kurva kelihatanberirnpit) antarabahanbakaryang dioperasikanpadadayarata-rata(3,3 W/crn) dengan bahan bakar yang dioperasikan pada daya rnaksirnurn (12,7 W/crn). Sedangkan pada ternperatur rendah (100 DC), terjadi perbedaan swelling yang sernakinlama sernakinlebar antara bahanbakar yang dioperasikanpada daya rata-rata denganbahan bakar yang dioperasikanpada daya rnaksirnurn. Hal ini disebabkanpada ternperatur tinggi, swelling akibat alurninida lebih dorninan dibandingkanswelling akibat akurnulasiproduk fisi (padat dan gelernbung gas). Sedangkan pada ternperatur rendah, swelling akibat akurnulasi gelernbung-gelernbunggas yang terjadi setelah rekristalisasilebih dorninan.
Gambar6: Total swelling daging bahan bakar U~i2-AI dalampelat bahanbakar RSGGAS 100" ;;:
.3;3
~
WfcmlOOoC
iso.. j ~'1~J.Wfcm.l00oC 5
~60~
~ ~ .0..
20
3"
As' P,"'"eI B"..
",
Gambar 5: Total swelling bahan bakar U3Si2dalam pelat bahan bakar RSG-GAS Selanjutnya, swelling yang terjadi pada bahan bakar U3Siz tersebut akan menekan matrik aluminium clan matrik tersebut akan mengalir menutup pori-pori fabrikasi yang ada di dalam daging bahan bakar. Apabila pori-pori fabrikasi yang ada telah tertutup semua maka daging bahan bakar akan.mengalami ekspansi volume (swelling) seperti yang terlihat dalam gambar 6. Oleh karena bahan bakar yang ditinjau berbentuk pelat tipis maka tekanan ke arab tebal akan jauh lebih rendah dibandingkan tekanan ke arab panjang clan lebar pelat sehingga swelling y~g terjadi pada daging bahan bakar dapat dianggap hanya akan menambah ketebalan pelat saja. Penambahan ketebalan daging bahan bakar dengan sendirinya akan menambah ketebalan pelat bahan bakar. Dengan teknik kesebandingan, penambahan tebal yang terjadi pada pelat bahan bakar dapat ditentukan dari penambahan ketebalan daging bahan bakar tersebut. Prediksi perubahan tebal pelat bahan bakar sebagai fungsi densitas fisi dapat dilihat pada gambar 7.
ISSN 0216-3128
o,o~
Bakor,",o"tisJk:m'
'
0." '"
1
D
D
...,.!'_C D
~ ..-G--.
)0'1;
0..
"
c
o:121.Wfcm,@oC
i
De..'"
..
..~
.:3;3Wfcm.200oC -c..
;1'"10:..'
.. "
!""a""..aa
20 30 40 50 oensu.. FIs!PO""OIOah3nSakar..lo"fist'Cln'
Gambar 7: Penambahan tebal pelat bahan bakar silisida untuk RSG-GAS Akumulasi produk fisi (padat dan gelembung gas) dan pembentukan aluminida di dalam bahan bakar serta penutupan pori fabrikasi menyebabkan konduktivitas panas daging bahan bakar berubah dari kondisi awal. Perubahan tersebut dimulai dengan kenaikan konduktivitas panas yang diakibatkan oleh penutupan pori fabrikasi sebagai respon terhadap swelling yang terjadi pacta bahan bakar; kemudian konduktivitas panas turun dengan kenaikan densitas fisi. Penurunan konduktivitas panas tersebut terjadi karena fraksi volume matrik aluminium berkurang sebagai akibat terns berlanjutnya proses swelling pacta bahan bakar. Prediksi perubahan konduktivitas panas daging bahanbakar sebagai fungsi densitas fisi dapat dilihat pactagambar s. Pacta tabel 2 dapat dilihat ringkasan hasil perhitungan swelling yang dialami partikel bahan bakar apabila derajat bakar mencapai maksimum (100 % U23Sterbakar atau 5,72 x 1021fisi/cm3) serta efeknya terhadap kenaikan volume daging bahan bakar dan penambahanketebalan pelat bahan bakar. Tabel juga menyajikan perubahan konduktivitas panas daging bahan bakar yang terjadi sebagai akibat swelling bahan bakar tersebut.
Teknologi Pros~s
Bambang Herutomo, dkk
ProsidingPerlemuandan Presentasittmiah P3TM-BATAN,Yogyakarla14 -15 Juti 1999
Buku II
~ tOGA
t" ...r
~-;.'!~~".'" d ...10'1
!
j"_.o~
v..~..?..~ 110 -8-0.0-0--
--~.~, :~" ;.:; ::::;:~:~
c
i ...
m
~
,
i
Melihat basil perhitungan di atas, studi lebih lanjut untuk mengkaji efek swelling daD perubahan daya hantar panas terhadap kinerja iradiasi daD integritas mekanik kelongsong bahan bakar perlu dilakukan dalam waktu dekat di masa mendatang.
l~ ...
.::
253
.:
20. .:
3;3W/cm,l00oC
DAFTAR
3;3W/cm.200oCI,,: 12,7W/crn, l00oC
PUSTAKA
I lo:12.7W/crn200oC
1. SNELGROVE,J.L., et.al., "The Use of U3Si2 Dispersed in Aluminium in Plate Type Fuel _IS -_.1 Beh., Bak_.s1e"lIoI/em' Elements for Research and Test Reactor", ANL/RERTRnM-ll,1987. Gambar8: Perubahan konduktivitaspanas daging bahanbakar U3SirA/da/ampe/at bahan 2. ANONIM, "SafetyEvaluationReportRelatedto The Evaluation of Low Enriched Uranium bakar RSG-GAS Silicide-Aluminium DispersionFuel for Use in Non PowerReactors",US-NRC, NUREG-13l3, July 1988. 3. COPELAND,G.L., et.al.,"Performanceof LowEnriched U3Si2-Aluminium Dispersion Fuel Elementsin The Oak Ridge ResearchReactor", ANURERTRfTM-1O,1987. 4. ARBIE, B., et.al., "Conversion Study from Oxide to Silicide Fuel for The Indonesian30 MW Multipurpose Reactor G.A. Siwabessy", Paperto be presentedto the 18thInternational Meeting on ReducedEnrichment for Research Reactor,Paris,france, 18-21 Sept.1995. 5. REST, J., "The DART Dispersion Analysis ResearchTool: A Mechanistic Model for Predicting Fission-ProductInduced Swelling of Aluminium Dispersion Fuels", ANL-95/36, KESIMPULAN DAN SARAN 1995. 6. REST, J., HOFMAN, G.L., "Dynamics of Perilaku swelling disain pelat bahan bakar Irradiation-Induced Grain Subdivision and silisida CU3Si2-AI)yang akan digunakan RSG-GAS Swelling in U3Si2and UO2 Fuels", Journal of telah diprediksi dengan baik. Berdasarkan basil Nuclear materials,210(1994)187-202. perhitungan DART yang dilakukan untuk operasi 7. REST, J., "GRASS-SST: A Comprehensive kondisi mantap pada daya nominal 30 MWt sampai MechanisticModel for the Predictionof Fissionderajat bakar mencapai maksimum (100 % U23S Gas Behaviorin UO2-BaseFuels during Steadyterbakar atau 5,72 x 1021 fisi/cm3) didapat bahwa State and TransientConditions", NUREG/CRswelling tertinggi (A V N) yang dialami partikel 2437 Vol.I, ANL-78-53, 1978. bahan bakar CU3Siv adalah sekitar 92 %. Swelling 8. PUJANTO, A.B., dkk., "Prediksi Perilaku sebesar ini terjadi apabila bahan bakar dioperasikan Swelling Akibat Iradiasi Bahan Bakar Dispersi pada temperatur 200°C, baik untuk bahan bakar Silisida U3Si2", PresentasiIlmiah Daur Bahan yang dioperasikan pada daya linier rata-rata (3,3 BakarNuklir IV, Jakarta,Desmber1998. 0 X
GO Jo
':"0
---:;:;
.:.
':0','
W/cm) maupun pada daya linier tertinggi (12,7 W/cm). Swelling yang terjadi pada bahan bakar tersebut menyebabkan kenaikan volume (A V N) daging bahan bakar CU3Si2-AI) sekitar 19 % atau penambahan ketebalan (Atlt) pelat bahan bakar sekitar 8 %. Selain itu, swelling yang terjadi telah menurunkan konduktivitas panas (Ak/k) daging bahan bakar sekitar 33 %. Hasil perhitungan juga menunjukkan bahwa untuk level daya RSG-GAS yang ditinjau, perilaku swelling bahan bakar sangat dipengaruhi oleh temperatur. Bambang Herutomo, dkk
TANYA JAWAB H. Suntoko : ~ Kenapa dapat terjadi porositas (Buble) dalam bahanbakar?Mohonpenjelasan.
Teknologi Proses
ISSN 0216-3128
~
254
Bambang
Herutomo
ProsidingPertemuandan PresentasiIlmiah P3TM-BATAN,Yogyakarta14 -15 Juli 1999
Buku II
karena pada temperatur tinggi, laju reaksi pembentukan Aluminida (UAI.J semakin besar dan proses rekristalisasi terjadi lebih awal (pada densitasfisi yang yang lebih rendah). Dengan semakin besarnya laju "swelling" makaprosespenutupanporisitas daging bahan bakar (hasil fabrikasi) akan terjadi lebih awal juga (pada densitasfisi yang lebih rendah).
:
-<>-Buble (Porositas)yang terbentuk di dalam bahan bakar (U~i2l terutama disebabkan oleh akumulasigas-gashasil belah (Xe,Kr). Seperti diketahui gas-gas tersebut adalah "inert " sehingga tidak larut (bereaksi) dengan bahan bakar UjSi2 dan kumpulan atom-atomgas tersebutakan menyebabkan terbentuknyabubledi dalambahanbakar. Meniek Rachmawati : » Dengan pertimbangan apa anda mengambil referensiperhitunganpada daya linier rata-rata dandaya linier maksimum. » Prediksiswelling dari pelatbahanbakar silisida telah dapat dilakukan. Disini swelling sampai menurunkankonduktivitas panas 33%. Berapa kondisi swelling daripada pelat yang masih dapatditerima? Bambang
Herutomo
:
-<>-Untuk mengetahui 'swelling" maksimum yang mungkin terjadi pada pelat bahan bakaryang ditinjau. -<>-Untuk mengetahui seberapa besar "swelling" yang terjadi pada pelat bahan bakar yang masih diijinkan perlu evaluasi lebih lanjut baik dari segi termohidrolik maupun design mekanikaldari pelat bahan bakar tersebut.Dari studi awal yang telah dilakukan, 'swelling" yang terjadi seperti yang disajikan dalam makalah tidak menyebabkanperubahan yang signifikan terhadap kinerja termohidrolik (kondisi mantap-steady state). Darwis Isnaini : )- pengaruh apa saja yang dapat menyebabkan swelling padabahanbakar? » Fenomena apa yang menyebabkan,perubahan konduktivitas panas daging bahan bakar pada suhu 100. dan 200.C terjadi padapanjangyang berbeda? Bambang
Herutomo
:
-<>-"swelling" yang terjadi pada hahan bakar Silisida (UjSi2l terutama disebabkan oleh akumulasinuklida-nuklida hasil belah (gas, padat) dan terbentuknya fasa baru Aluminida dari hasil reaksi bahan bakar UjSi2denganmatrik aluminium. -<>-Dari hasil perhitungan terlihat bahwa laju "swelling" bahan bakar UjSi2tersebutlebih besar apabila temperatur operasi bahan bakar semakin tinggi. Kondisi ini terjadi
ISSN 0216-3128
Tundjung
Indrati :
» Apa saja yang memberikan konstruksi efek swellingpactabahanbakarSilisida? » Bagaimanapengaruhkonduktivitas bhan bakar reaktorsecarakeseluruhan? » Secara teknis (bukan komputasi), bagaimana caramengukurswelling? Bambang Herutomo
:
-{>-Hasil-hasilperhitungan menunjukkanbahwa temperaturoperasi bahan bakar merupakan kontribusi utama terhadapbesar 'swelling" yang terjadi pada bahanbakar. Hal ini dapat dilihat pada gambar-5 makalah ini yang menunjukkanbahwa 'swelling" yang terjadi pada temperatur200 .C tidak menunjukkan perbedaan untuk level daya linier yang ditinjau. -{>-"Swelling" yang terjadi pada bahan bakar (U3Si2Y dengansendirinya akan menurunkan daya hantar panas bahan bakar tersebut yang disebabkan oleh terbentuknya gelembung-gelembung gas hasil belah di dalam bahan bakar. Sedangkanperubahan konduktivitas panas daging bahan bakar (U 3Sh + Matrik Ai) akan tergantungpada proses penutupan porositas daging bahan bakar (hasil fabrikasi). Sebelumporositas daging bahan bakar tertutup sementara (akibat swellingpartikel bahan bakar) maka dayahantarpanaSdaging bahanbakar akan naik dengannaiknya derajat bakar (densitas fisi). Akan tetapi. setelahporositasfabrikasi tersebut tertutup semuanya, daya hantar panasdagingbahanbakar akan turun secara periahan-lahan yang disebabkan oleh penurunandaya hantarpanaspartikel bahan bakar U 3Sh (adanya gelembung-gelembung gas). -{>-Pengukuran dilakukan pada pelat bahan bakar yang telah diiradiasi dengan metoda uarchimedean Immersionu.
Teknologi Proses
Bambang Herutomo, dkk
