./$I'!!""/~'
PercobaanKekrltlsan Tel'asReaktorTRlGA2000 8andungdenganProgram MCNP.48 (PutrantoIlham Yazld)
348/
PERCOBAAN KEKRITISAIf TERAS RBAKTOR TRlGA 2000 BAIfDUNG DENGAIf PROGRAMMCNP.4B. Oleh:
Putranto Dham Yuld PuaUtban, TekDik Nuklir .SATAN, Ba,D;d.1UI.1 ABSTRAK
ANALISIS PERCOBAAN KEKRlTISAIf TERAS RBAKTOR TRIGA 2000 BANDUNG DENGAIf PROGRAM MCJfP.4B. Dalam rangka pemuatan elemen bakar yang pertama kalinya kc dalam teras reaktor TRIGA 2000 Bandung, telah dilaksanakan dua macam percobaan kekritisan yala1i: pemuatan aub kritie dan pemuatan kritis. Tujuan dari percobaan tersebut adalah untuk memakeimalkan fungsi reaktor sebagai fasilitas penelitian dan aekaligue untuk mengumpulkan data benchmark bag! progrant komputer ncutronik. Dalam percobaan pemuatan sub kritis, teras reaktor dimuati .ampai 42 elemen bakar dengan urutan pengisian elemen bakar sebagai berikut: 12 elemen bakar di ring C dan 5 batang kendali di ring D, 13 elemen bakar di ring D, 6 clemen bakar clan 3 elemen grafit dummy di ring E, 2 elemen bakar di ring B, 2 elemen bakar di -ring a, 1 elemen bakar di ring B dan di akhirl dengan 1 clemen bakar di ring B. Sebalilmya, di dalam percobaan pemuatan kriti~ teraa dimuati dengan elemen bakar sesuai dengan pola yang telah diranoang oleh General Atomics, yakni: 20 elemen bakar di ring B, C 4an D Berta 5 batang kendali di ring D, 11 elemen bakar di ring D, 6 clemen bakar dan 3 clemen grafit dummy di ring E dan selanjutnya seoara bertahap ring E dimuati elemen bakar sampai teras mencapai kekritisan pertama, yakni pada saat terisi oleh 55 elemen bakar, Sebelum percobaan dilaksanakan, program MCNP-4B (Monte Carlo N-particle transport code)telah digunakan untuk merancang pola pengi.ian elemen bakar pada percobaan pemuatan sub kritik, yala1i untqk menjamin bahwa teras masih berada dalam keadaan sub kritis pada saat dimuati 42 elemen bakar. Dalam perhitungan diasumsikan babwa setlap elemen bakar berisi 235Uyang massanya sesuai dengan bumupnya, massa 238U dianggap seperti elemen bakar barn sedangkan hasU fiat ,erta bahan racun lainnya diabaikan. Hasil percobaan men"njukkan bahwa perhitungan MCNP-4B sangat baik dalam memprediksi percobaan
Jurnal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia IndonesianJournal ofNuf:learScienceand Technology Vol. I. No.2. Agustus2000,' 1.28
ISSN 1411 -3481
pemuatan sub kritis. Untuk percobaan pemuatan kritis, MCNP-4B menunjukkan bahwa teras TRIGA 2000 Bandung akan kritis pada konfigurasi teras berisi 54 elemen bakar. Dapat disimpulkan bahwa program MCNP-4B, bersama-sama dengan pengandaian di atas, sangat cocok digunakan untuk memprediksi karakteristik neutronik teras reaktor TRIGA 2000 Bandung. Kata kunci:
reaktor, kekritisan,
MCNP.
ABSTRACT ANALYSIS. Of CRITICALITY EXPERIMENTS OF BANDUNG TRIGA 2000 REACTOR BY USING MCNP-4B CODE. During the first core loading of Bandung TRIGA 2000 reactor, two kinds of criticality experiment hav,e been conducted, i.e., sub critical core loading and critical core loading experiments. The purpose of the experiments is to maximize the u~ilization of the reactor as well as to provide benchmark data for neutronic computer codes. In the sub critical core loading experiment, the core is loaded up to 42 fuel elements according to the following loading sequence: 12 fuel elements in ring C plus 5 control rods in ring D" 13 fuel elements in ring D, 6 fuel elements and 3 graphite dummie;~ in ring E, 2 fuel elements in ring B, 2 fuel elements in ring B, 1 fuel element in ring B and at last 1 fuel-element in ring B. In the other case, during the critical loading experiment, the core is loaded following the loading pattern planned by General Atomics, i.e: 20 fuel elements in ring B, C and D plus 5 control rods in ring D, 11 fuel elements in ,ring D, 6 fuel elements and 3 graphite dummies in ring E, and tqen the core is loaded with additional fuel elements, step by step, until the core reached its first criticality, i.e., 55 fuel elements. Prior to conduct of criticality experiments, MCNP-4B code is used to plan the fuel loading pattern of the sub critical loading experiment, i.e. to assure that the core is still in sub critical state with 42 fuel elements in the core. In the calculation is assumed that the mass of 235Uin each fuel element depends on the documented burnup data, the mass of 238Uis assumed to be the same as the one in fresh fuels. Furthermore, all fission produtcs as well as poisonous materials in each fuel element are ignored. The experiment results showed that the calculations of MCNP-4B matched very well with the sub critical loading experiment data. MCNP-4B also predicted that TRIGA 2000 reactor will be critical with 54 fuel elements in the core. It is concluded that MCNP-4B code,
2
PercobaanKekritisan TerasReaktorTRIGA2000 BandungdenganProgramMCNP-4B (PutrantoI/ham Yazid)
lSSN /4/1 -348/
together with the above assumptions, is appropriate for predicting the neutronic characteristics of Bandung TRIGA 2000 reactor.
Key words: reactor, criticality, MCNP. I. PENDAHULUAN Percobaan reaktor
diisi
bertujuan
dengan
untuk
dilaksanakan
elemen
ini
bagi
dan
pertama
pemuatan
teras
neutronik
dimasukkan
saat
teras
kalinya,
am an , sekaligus
rancangan
elemen bakar
pada
yang
benar-benar
sebagai ajang reaktor.
ke dalam
Pada
teras
secara
sesuai dengan rencana yang telah dibuat sebelumnya,
seluruh
pencacahan penentuan
untuk
bahwa
mana pada setiap tahap dilakukan saat
dilaksanakan
bakar
menjamin
pertama
percobaan
selalu
secara teratur
pembuktian
bertahap,
kekritisan
batang neutron
jumlah
kendali
pengukuran
berada
cacah neutron pada
di posisi
tersebut selanjutnya
di
tertinggi.
Hasil
akan menjadi acuan bagi
elemen bakar yang boleh dimasukkan
ke dalam
teras pada tahap berikutnya. Umumnya,
elemen bakar dimasukkan
daTi pusatjtengah elemen bakar seterusnya.
teras, yakni daTi ring B, kemudian secara bertahap
dimuati
ke arab
radial,
yakni
di ring
C, D dan
Dengan cara ini maka selama proses pemuatan
bakar berlangsung, pertambahan
ke dalam teras dimulai
reaktivitas
reaktivitas
karena reaktivitas
elemen
teras akan semakin membesar dengan
yang semakin
mengecil.
Hal ini
adalah
lebih yang diberikan oleh elemen bakar pada posisi
yang semakin jauh daTi pusat teras akan semakin kecil.
Dengan
demikian maka proses pemuatan elemen bakar menuju kekritisan
3
Jurnal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia IndonesianJournal ofNuclearScienceand Technology Vol. I. No.2, Agustus2000.. 1-28
/SSN/4//-348/
semakin aman pula. Pada reaktor TRIGA 2000 Bandung yang mencapai kritis pertama
pada
tanggal
dilaksanakan
dua
pemuatan
kritis
percobaan
di
maksimal
sebagai
mengumpulkan
13 Mei
macam
adalah
pukul
percobaan
clan pemuatan atas
2000,
fasilitas
pemuatan
sub kritis.
untuk
06:32
Tujuan
memanfaatkan
penelitian
WIB,
telah
teras,
yakni:
dari percobaanreaktor
secara
clan
sekaligus
untuk
data benchmark bagi perhitungan
neutronik
dengan
program komputer. Pada percobaan pemuatan kritis, elemen bakar dimasukkan dalam
teras
diterangkan
secara
bertahap
di atas.
dengan
cara
Dalam setiap tahap, jumlah
seperti
yang
ke
telah
clan posisi elemen
bakar di dalam teras adalah sesuai dengan yang direncanakan
oleh
pihak General Atomics. Pada percobaan pemuatan bakar ke dalam teras tidak
sub kritis,
mengikuti
tahap' pengisian
elemen
pola yang lazim, melainkan
dimulai dengan pemuatan elemen bakar pada ring C, lalu ring D clan kemudian sebagian ring E. Setelah itu barulah ring 8 dimuati dengan elemen bakar. Untuk dilakukan
ini
maka
perhitungan
komputer MCNP-4B. dimasukkan jurnlah
sebelum neutronik
dengan
dilaksanakan
menggunakan
telah program
Dengan menganggap bahwa elemen bakar yang
ke dalam teras adalah semuanya barujsegar,
elemen bakar maksimum
teras, di mana teras dipastikan kritis.
percobaan
Dari perhitungan
yang dapat dimasukkan
ditentukan ke dalam
masih berada dalam keadaan sub
tersebut diperoleh jumlah maksimum elemen
4
PercobaanKekritisan TerasReaktor TR/GA2000 BandungdenganProgramMCNP-4B. (PutrantoI/ham Yazid)
ISSN 1411 -3481
bakar adalah 42 buah (termasuk 5 batang kendali). Selanjutnya teras
untuk
MCNP-4B dijalankan
setiap
percobaan di atas.
tahap
pengisian
Dalarn perhitungan
untuk menghitung clemen
bakar
ini diasumsikan
harga kef(
pada
kedua
bahwa:
tiap
clemen bakar berisi 235Uyang massanya sesuai dengan bumupnya, massa 238Udalarn clemen bakar bekas dianggap sarna dengan yang ada di dalarn clemen bakar baru, semua basil fisi serta bahan racun lainnya di dalarn clemen bakar diabaikan. Perbandingan antara basil perhitungan menunjukkan sangat
bahwa MCNP-4B, bersarna-sarna dengan asumsi di atas
cocok
neutronik
untuk
reaktor
pertarna kalinya
bagi
perhitungan
Bandung.
Menurut
karakteristik perhitungan
clemen bakar pada saat teras mencapai kritis yang adalah sebanyak 54 buah,
pemuatan
pada saat terisi
diterapkan
TRIGA 2000
MCNP-4B, jumlah
percobaan
dengan data percobaan
kritis
diperoleh bahwa teras mencapai
oleh 55 clemen bakar.
dengan perhitungan
sedangkan pada saat kritis
Hasil ini sangat berbeda
General Atomics yang memperkirakan
teras akan
kritis dengan muatan sebanyak 66 clemen bakar.
II. PERHITUNGAN BESARAN kea TERAS TRIG}l 2000 BANDUNG Reaktor elemen bakar.
TRIGA 2000 Walaupun
yaitu UZrHl.6 clan memiliki
Bandung
menggunakan
tiga
semuanya adalah berbahan bakar sarna pengayaan 235Uyang sarna yaitu 20 %,
akan tetapi tiap jenis elemen bakar mempunyai kandungan yang berbeda, yakni: elemen bakar.
macarn
8,5, 12 clan 20% berat uranium
uranium
dalarn tiap
Selain itu teras juga berisi carnpuran antara elemen
5
Jurnal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia IndonesianJournal ofNuclearScienceand Technology Vol.I. No.2. Agustus2000: 1-28
bakar
baru
clan bekas.
perhitungan
neutronik
/SSN/4//- 3481
Hal sulit
terakhir
ini
dilaksanakan
akan secara
menyebabkan teliti,
karena
pengaruh inti basil fisi maupun inti bahan racun lain yang terdapat di dalam setiap elemen bakar bekas harus turut
pula diperhitungkan.
Selain itu, data bumup elemen bakar yang ada di P3TkN selama ini sebenarnya
masih
perlu dipertanyakan
tersebut diperoleh dari perhitungan
11.1. Perhitungan
Kekritisan
kebenarannya,
karena data
bumup yang sangat sederhana.
Teras TRIGA Mark 11- 1000 kW
Bandung Untuk diterapkan
bahwa untuk memprediksi
TRIGA, dilaksanakan
pertama
kekritisan
Teras ini
dengan konfigurasi
MCNP-48
dengan tepat kekritisan
perhitungan
11-1000 kW Bandung.
program
dapat
teras reaktor
untuk teras TRIGA Mark
mencapai
mencapai
kekritisan
teras seperti tampak 'pada Gambar
1,
yang terdiri dari 64 elemen bakar, termasuk 4 batang kendali, yang seluruhnya teras
adalah barn.
terse but
uranium
adalah
Seluruh elemen bakar yang dipakai dalam berjenis
sama, yakni
memiliki
kandungan
sebanyak 8,5% berat tiap elemen bakarnya, dengan massa
235Usebesar 38 gram untuk elemen bakar clan 32 gram untuk batang kendali. Dalam perhitungan Bandung dimodelkan
ini sistem reaktor TRIGA Mark II 1000 kWmgkin. selengkap mll
komponen dibuat setepat mungkin, diperoleh
dari
General
Atomics.
Bentuk clan ukuran
setiap
sesuai clengan gambar teknik yang Rincian
sistem
reaktor
yang
dimodelkan adalah sebagai berikut:
membuktikan
6
b) h)
PercobaanKekrilisan TerasReaklorTRIGA2000 BandungdenganProgramMCNP-4B (Pulranlo J/ham Yazid)
/SSN /4/ / -348/
a) Elemen bakar yang terdiri dari: kelongsong baja tahan karat, plug baja tahan karat di ujung atas dan bawah kelongsong, plug grafit di bagian atas dan bawah bahan bakar, bahan bakar UZrHl.6 serta batang zirconium di sumbu silinder bahan bakar. Batang kendali yang terdiri dari:
kelongsong baja tahan karat,
plug baja tahan karat di ujung atas dan bawah kelongsong, bahan bakar
UZrHl.6 (di bagian bawah), batang
bahan bakar,
boron karbida
zirconium
di sumbu
B4C (di bagian atas) serta tangkai
pemanjang (extension tube) aluminium. c)
Grafit dummy yang terdiri dari kelongsong aluminium batang grafit di dalamnya serta plug aluminium
yang berisi
di ujung-ujung
kelongsongnya.
d)
Teras yang terdiri
dari:
lempeng kisi
atas dan bawah
serta
lempeng keselamatan.
e) Reflektor yang terdiri dari: selubung aluminium yang menyelimuti seluruh grafit yang berada di dalam reflektor,
satu lubang untuk
beamport piercing dan dua lubang untuk beamport radial. untuk
Lubang
tempat Lazy Susan pacta reflektor juga dimodelkan
secara
cermat. f)
Lazy Susan (rotary specimen rack) disederhanakan terdiri
daTi selubung
luar
aluminium
sehingga hanya
Baja, tanpa
rantai
baja
maupun rak-rak cuplikan di dalamnya.
g) Tangki reaktor lengkap dengan tiga buah beamport radial clan satu beamport piercing. Thennal clan thennalizing column yang terdiri daTi: selubung Aluminium
clan tumpukan
grafit Berta pelindung Pb (di dalam
7
k) j)
Jurnal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia IndonesianJournal ofNuclearScienceand Technology Vol. I. No.2. Agustus2000: 1-28
i)
ISSN 1411 -3481
thermalizing column). Perisai biologis reaktor termasuk:
lubang-lubang
berkas, perisai
baja (di dalam beton). Tangki bulk shielding, termasuk air kolamnya. Air di dalam tangki reaktor, termasuk di dalam teras reaktor.
Gambar 1: Konfigurasi teras kritis reaktor TRIGA Mark II 1000 kW. Hasil perhitungan
MCNP-4B untuk
teras kritis
reaktor TRIGA
Mark 111000 kW Bandung adalah sebagai berikut: Massa total 235U= 2408 gram; kerf = 0.99274 +/- 0.00138 (dk/k). dimana k = faktor kelipatan Dari bahwa
basil
perhitungan
MCNP-4B
adalah
memprediksi
B.2.
kekritisan
Penentuan
harga
kerf di atas dapat dinyatakan
baik/ cocok
untuk
digunakan
dalam
Maksimum
dalam
reaktor TRIGA Bandung.
Jumlah
Elemen
Dakar
Percobaan Pemuatan Sub Kritis Telah disinggung di atas bahwa dalam percobaan pemuatan sub
8
PercobaanKekrilisan TerasReaklorTRlGA2000 BandungdenganProgramMCNP-4B. (Pulranlo Ilham Yazid)
kritis,
pola pengisian
/SSN/4//
clemen bakar ke dalam teras tidak
-348/
mengikuti
pola yang lazim, yakni ring luar (C, D clan E) yang diisi terlebih dahulu baru
kemudian
kecelakaan
ring
nuklir
dilaksanakan
dalam
maka
(B).
perlu
Untuk
dijamin
mencegah
bahwa
terjadinya
selama percobaan
teras tidak pernah berada dalam keadaan kritis
atau
super kritis. Dengan mengingat bahwa teras reaktor TRIGA 2000 Bandung tidak diisi seluruhnya
dengan clemen bakar baru (bahkan sebagian
besar
adalah
clemen
maksimum
bakar
clemen bakar
kekritisan
bakar
bekas),
yang dapat dimuatkan
selama percobaan pemuatan ditentukan
clemen
sub kritis
maka
ke dalam
akan dengan mudah
secara tepat clan aman apabila dilakukan dengan MCNP-4B dengan mengandaikan
batas teras dapat
perhitungan
bahwa seluruh
clemen bakar yang dipakai adalah baru.
Gambar 2: Tahap pengisian elemen bakar untuk menentukan teras sub kritis
Gambar 3: Komposisi elemen bakar dalam teras sub kritis
9
Jurnal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia IndonesianJournal ofNuclearScienceand Technology Vol. I. No.2. Aguslus2000.. 1-28
Dengan menggunakan dirancang
pol a pemuatan elemen bakar yang telah
oleh General Atomics (lihat Gambar 2 dan 3), MCNP-4B
digunakan pemuatan
untuk
menghitung
elemen bakar.
model reaktor Seluruh
/SSN/4//-348/
besaran
kelT pada
Dalam perhitungan
yang sarna seperti
tersebut
telah dijelaskan
elemen bakar yang digunakan
diandaikan
mana setiap elemen bakar memiliki kandungan
tiap-tiap
tahap
digunakan
pada bab 11.1. masih barn,
di
bahan sesuai dengan
jenisnya masing-masing, yaitu: Tabel 1. Data bahan di dalam elemen bakar barn
Bahan I 235U (gram) 238U (gram)
2045,2941
ZrHl.6 (gram)
2016,6667
1968,3675
1686,6667
(*) Catatan: Bahan erbium di dalam elemen bakar- jenis 20 %-berat
diabaikan karena ketiadaan pustaka penampang reaksi. Dengan
mengatur
dengan konfigurasi basil perhitungan
jO,84672 J~,~12
Tabel2.
Tahap 0
1 2 3
4
posisi
elemen bakar
dalam
teras
sesuai
yang tampak dalam Gambar 2 clan 3, diperoleh MCNP-4B sebagai berikut:
Hasil perhitungan MCNP-4B untuk pemuatan teras dengan elemen bakar baru
Jumlah Elemen Bakar 5 (FFCR) 25 36 42 48
Massa
235U
(gram)
230
keff
0'
J_Q,~~Z7910,00143
1313
I 0,00232
2094 2454
I 0,00253 I O.98025_J~.QQ2;f?5!-
2699
I 1,00886 I O,OQ~
I
10
Percobaan Kekl";/;san Teras Reak/or TR/GA 2000 Bandung dengan Program MCNP-4B. (Pu/ran/o I/ham yaz;d)
ISSN1411- 348/
Dari Tabel 2 di atas tampak jelas bahwa teras reaktor TRIGA 2000 Bandung
masih akan berada dalam keadaan sub kritis apabila
ke dalam terasnya diisikan sejumlah elemen bakar yang tidak melebihi 42 buah. yang
Karena dalam perhitungan
digunakan
maksimum
adalah
di atas selumh
ham / segar,
maka
perkiraan
ini sangat aman untuk menentukan jumlah
yang dapat digunakan
elemen bakar jumlah
elemen bakar
di dalam percobaan pemuatan sub kritis.
Hal
ini men gin gat bahwa dalam percobaan tersebut elemen bakar yang digunakan diberikan demikian
tidak oleh
selumhnya elemen
ham,
bakarpun
dapat dikatakan
sehingga reaktivitas akan
semakin
bahwa bagaimanapun
total yang
kecil.
Dengan
bentuk konfigurasi
elemen bakar di dalam teras, maka teras reaktor TRIGA 2000 akan aman, yakni berada dalam keadaan sub kritis, selama jumlah
elemen
bakar di dalam teras (termasuk 5 batang kendali) tidak melebihi 42 buah.
Untuk konfigurasi
tampak
pada Gambar
teras yang berisi 42 elenien bakar,
2 dan 3, teras reaktor
TRIGA 2000
seperti akan
mempunyai reaktivitas sebesar:
11.3. Simulasi
Percobaan Pemuatan Kritis
Pola pengisian elemen bakar ke dalam teras reaktor TRIGA 2000 Bandung penuh
untuk
telah
menuju
direncanakan
kekritisan
pertama
maupun
oleh General Atomics.
untuk Karena
teras itulah
11
Jurnal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia IndonesianJournal of NuclearScienceand Technology Vol./. No.2,Aguslus2000.. 1-28
ISSN1411.3481
percobaan pemuatan kritis yang dilakukan di P3TkN mengikuti pola pemuatan tersebut. Untuk
mengkaji
MCNP-4B digunakan 2000
Bandung.
menjamin
ulang untuk
basil
memprediksi
Hitungan
ini juga
bahwa langkah-langkah
percobaan
pemuatan
perhitungan
kritis
massa kritis
sekaligus
pengisian
dilakukan
General
Atomics,
teras TRIGA
digunakan
elemen bakar
dengan teratur,
untuk selama
aman
clan
terkendali. Untuk ini dilakukan
simulasi percobaan pemuatan kekritisan,
yakni berupa perhitungan
reaktivitas teras dengan program komputer
MCNP-4B, sesuai dengan langkah-langkah dalam
teras
perhitungan
yang
direncanakan
oleh General
Atomics.
ini sistem reaktor TRIGA 2000 Bapdung
seperti yang telah diterangkan berdasarkan
pengisian elemen bakar ke Dalam
dimodel sarna
dalam bab 11.1. Akan tetapi, selain
dari jenis elemen bakar, massa 235Udalam tiap elemen
bakar juga disesuaikan
dengan bumup elemen tersebut.
Massa 238U
dalam elemen bakar bekas dianggap sarna dengan yang acta di dalam elemen bakar barn.
Seluruh hasil fisi maupun bahan racun lainnya
yang acta di dalam elemen bakar bekas diabaikan.
Selain itu, bahan
erbium
20 %-berat juga
yang acta di dalam
diabaikan.
Hal
terakhir
elemen bakar jenis ini
adalah
karena
ketiadaan
pustaka
penampang lintang reaksi untuk bahan tersebut di P3TkN. Mula -mula 3 langkah
pengisian
Dari basil antara kedua
dilakukan
elemen bakar,
perhitungan
harga
1 -kerf
clan ketiga
perhitungan
ini
selanjutnya
terhadap
dapat
yakni
massa
ditentukan
harga
keff
untuk
laJtlgkah 1 sampai 3. robluat 235U.Dari
sebuah
kurva
titik
data
prediksi
12
PercobaanKekritisan TerasReaktorTRIGA2000 BandungdenganProgramMCNP-48 (PutrantoIlham Yazid)
/SSN/4/1 -3481
massa kritis teras, yakni dari perpotongan antara sumbu X (yaitu massa 235U) dengan garis turns yang melalui ketiga.
Jumlah
massa 235Uyang ditambahkan
titik data kedua dan ke dalam teras untuk
langkah pengisian selanjutnya (dalam hat ini adalah langkah keempat) ditentukan kritis
sebagai setengah kali perbedaan antara prediksi
tadi dan massa 235Upacta tahap terakhir
ini maka kita melakukan
massa
(ketiga).
Dengan cara
simulasi percobaan kekritisan,
yaitu metode
inverse multiplication.
A=Batang Kendal;
CmElemenBakar 12~
G=Grafit
Gambar 4: Tahap pengisian elemen bakar dalam simulasi pemuatan kritis
Gambar 5: Komposisi elemen bakar dalam simulasi percobaan pemuatan kritis
13
Jumal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia IndonesianJournal of NuclearScienceand Technology Vol.I, No.2,Agustus2000: 1- 28
ISSN 14./1 -3481
Tabel 3. Hasil perhitungan MCNP-48 untuk simulasi percobaan pemuatan kritis:
Tahap
Jumlah Elemen Bakar
1
25
2 3 4 5
36 42 48
7
50 52 53
8
54
6
Massa
235U
kerf
(gram)
(J
1136,736 1898,416 2115,231 2337,559 2413,559 2489,599 2588,559~~§,559
Dari Tabel 3 di atas terlihat bahwa MCNP-4B memperkirakan bahwa teras reaktor TRIGA 2000 Bandung
sudah akan kritis
saat
teras terisi oleh 53 elemen bakar (termasuk 5 batang kendali), yakni dengan harga keffsebesar 1,00048. Akan tetapi dengan memperhatikan harga
standar
kemungkinan
deviasi
0,00174
maka
masih
besar
bahwa teras belum sepenuhnya mencapai kekritisan.
Dengan demikian Bandung
0' sebesar
dapat dikatakan
akan mencapai
bahwa teras reaktor TRIGA 2000
kekritisan
yang pertama
dengan muatan
elemen bakar sejumlah 54 buah, dengan harga keff sebesar 1,00316 :t 0,00174.
m.
TATA KERJA
m.l.
Percobaan Pemuatan Sub Kritis Dalam percobaan ini elemen bakar dimasukkan
ke dalam teras reaktor.
secara bertahap
Seperti tampak pada Gambar 6 dan 7, mula-
mula ke dalam teras dimasukkan
17 elemen bakar, yakni 5 batang
111
PercobaanKekritisan TerasReaktor TR/GA2000 BandungdenganProgramMCNP-4B (PutrantoJ/ham Yazid)
kendali
di ring
dimasukkan dipenuhi
ISSN 1411 -3481
D clan 12 elemen bakar
oleh elemen bakar.
pada saat percobaan bakar,
Kemudian
berakhir
dengan
maka seluruh
posisi
yang
oleh General Atomics.
berturut-turut
dimasukkan
1 buah clan terakhir
6
sarna
teras akan berisi 42 seperti
Selanjutnya,
yang
telah
ke dalarn ring B
elemen bakar sejumlah:
1 buah.
(termasuk
di ring E dimasukkan
Pengisian terakhir ini adalah agar
direncanakan
elemen bakar
Selanjutnya
lagi 13 elemen bakar sehingga seluruh posisi di ring D
elemen bakar clan 3 grafit dummy.
elemen
di ring C.
2 buah. 2 buah,
Pada saat ini maka teras akan terisi 42
5 batang kendali) clan tiga grafit dummy.
Sumber neutron diletakkan
di ring A, kira-kira
di tengah sumbu teras
reaktor.
Gambar 6. Tahap pengisian elemen bakar dalam percobaan pemuatan sub kritis
Selama pencacahan
proses neutron,
Gambar 7. Komposisi elemen bakar dalam percobaan pemuatan sub kritis
pengisian yang dilakukan
elemen
bakar
pada tiga kana! cacah yang
berbeda, yakni: Kana! I yang diperoleh dari penunjukan jangkau
dilaksanakan
lebar (NM-IOOO) pada panel konsol reaktor,
daya reaktor Kana! II yang
15
bakar. kritis
Jurnal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia IndonesianJournal of NuclearScienceand Technology Vol./, No.2,Agustus2000: 1-28
berasal dari kamar
perangkat
ISSN 1411- 3481
cacah yang dihubungkan
dengan detektor
fisi dan Kanal III yang berasal dari perangkat
dihubungkan
cacah yang
dengan detektor kamar ionisasi.
Dalam
setiap langkah
pengisian
elemen bakar
dilaksanakan
kegiatan berikut ini: 1. Pada saat semua batang kendali berada pada posisi terendah (down),
dilakukan
pencacahan
neutron
selama
100 detik.
Pencacahan diulang sebanyak 5 kali. 2. Empat
batang
kendali
dinaikkan
ke posisi
tertinggi
sedangkan batang kendali yang kelima (batang kendali
(up), baru)
tetap pada posisi terendah. 3. Pencacahan neutron
dilakukan
selama 100 detik. Pencacahan
diulang sebanyak 5 kali. 4. Batang kendali kelima dinaikkan ke posisi tertinggi. 5. Pencacahan
neutron
dilakukan
lagi selama
100 detik,
dan
diulang sebanyak 5 kali. 6. Semua batang kendali diturunkan 7. Elemen bakar berikutnya
ke posisi terendah.
dimasukkan
ke dalam teras, sesuai
dengan rencana yang telah dibuat. 8. Seluruh langkah di atas diulangi sampai teras terisi 42 elemen
m.2. Percobaan Pemuatan Kritis Dalam dimasukkan
percobaan
pemuatan
ke dalam teras secara bertahap.
elemen-elemen bakar dimasukkan
elemen
bakar
juga
Pada tahap-tahap awal,
berturut-turut
sebagai berikut:
20
16
235U
PercobaanKekritisanTerasReaktorTRIGA2000 BandungdenganProgramMCNP-4B. (PutrantoIlham Yazid)
/SSN /4//-
348/
elemen bakar di ring C clan D serta 5 batang kendali di ring D, lalu 11 elemen bakar di ring D sehingga ring ini sepenuhnya terisi elemen bakar.
Kemudian
ditambahkan
lagi 6 elemen bakar clan 3 grafit
dummy di ring E. Selama tiga tahap awal pengisian elemen bakar terse but di atas dilakukan
pula pencacahan neutron,
pada percobaan pemuatan
persis seperti yang dilakukan
sub kritis.
Mulai
elemen bakar berikutnya yang boleh dimasukkan diperkirakan.
Hal ini dilaksanakan
1. Membuat kurva antara
llC
tahap ketiga, jumlah ke dalam teras dapat
sebagai berikut: (C adalah cacahan neutron
yang
diperoleh pada saat semua batang kendali berada pada posisi tertinggi) clan massa 235Uyang ada di dalam teras reaktor. 2. Ditentukan
titik
potong antara
sumbu X (yakni massa 235U)
dengan garis lurns yang melewati dua titik data terakhir. potong terse but mernpakan perkiraan jumlah
massa
235U pada
massa
yang
Titik
massa- kritis teras, yakni
saat teras
mencapai
kekritisan
pertama, 3. Jumlah
berikutnya
boleh
ke dalam teras adalah
ditambahkanjdimasukkan setengah kali
perbedaan
antara prediksi massa kriti~ tadi dengan massa 235Upada tahap pemuatan
terakhir.
dalam jumlah Demikianlah bertahap
pemuatan
dikonversikan
ke
elemen bakar ke dalam teras secara
sampai teras mencapai kekritisan
oleh tetap stabilnya
neutron dikeluarkan
235U tersebut
elemen bakar yang sesuai.
dilaksanakan,
yang ditandai
Jumlah
daya reaktor walaupun
pertama, sumber
daTi teras reaktor.
1'7
Cacah Kana! ,31
Jurnal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia IndonesianJournal ofNuclear Scienceand Technology Vol. I, No.2. Agustus2000: 1-28
/SSN/4/1.3481
Tahap-tahap pengisian clan komposisi elemen bakar selama percobaan pemuatan kritis dapat dilihat pada Gambar 8 clan 9.
Gambar8: Tahap pengisian elemen bakar dalam percobaan pemuatankritis.
Gambar9: Komposisi elemen bakar dalam percobaanpemuatan kritis.
IV. BASIL PERCOBAAN IV.l.Percobaan Pemuatan Sub Kritis Hasil percobaan pemuatan sub kritis disajikan dalam Tabel 4 clan Gambar 10 berikut ini: Tabe14. Hasil percobaan pemuatan sub kritis untuk ketiga kanal cacah: (gram)235U Massa
Langkah 1
2 3 4 5 6
.779.590
.17
1648,280 1864,065 1946,305 2027,832 2069~QZL
~T~-Kana! Bakar .I 10.22I.
Elemen: Jumlah--
t.
30 36 38 40 41
19,60 26,42 '37,04 51,58 §6.58
ner dI.etik
Kana! II
~~~ ~~
!!n-
III
~~~
~~
7,39~~
~ ~ ~ ~~,6_Q l§J~
18
PercobaanKekritisan TerasReaktorTRIGA2000 BandungdenganProgramMCNP-4B (PutrantoJ/ham Yazid)
/SSN /4//-
348/
0.6 0.5 c ca .c
0.4
u
0.3
ca
-
ca
u 0.2 ~ 0.1 0
0
500
1000
2000
1500
2500
Massa135U(gram)
Gambar 10. Kurva l/cacahan terhadap massa 235Uuntuk percobaan pemuatan sub kritis. IV .2. Percobaan Pemuatan Kritis. Hasil percobaan
pemuatan
kritis
tersaji dalam Tabel 5 clan
Gambar 11 berikut ini:
KanallII
Tabel 5. Hasil percobaan pemuatan kritis untuk ketiga kanal cacah:
Langkah -1-
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Massa 235U (gram)
1136,426 1898,976 2114,761 2228,601
2336,629 2412,219 2487,919
Jumlah C~cahper d~tik Elemen Kanal I I Kanalll " Bakar 25 293 16,74 5,17 , 36 46,34 14,41 8,49 42 86,10 26,88 16,91 45 129,14 40,60 21,56 48 196,74 59,34 33,53 50 308,00 92,78 50,39 52~ 620,80 182,19 106,15
1686.00
2587,129 2624,929 ~657 ,190
54 55
489,73
298.17
I 8501,OLI_2510,OO I 1507.70
kritis
kritis
kritis
19
Jurnal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia IndonesianJournal ofNuclearScienceand Technology Vol. I, No.2. Agustus2000..1-28
ISSN 1411 -3481
0.4 i 0.3
0.2 ;: 0.1 0 0
1000
3000
2000
Massa 235U(gram)
Gambar 11: Kurva 1/ cacahan terhadap massa 235Uuntuk percobaan pemuatan kritis.
v.
ANALISIS BASIL PERCOBAAN
V.I.
Percobaan Pemuatan Sub Kritis Menurnt
dimasukkan
teori
reaktor,
apabila
daripada
neutron
yang
diperoleh
oleh sebuah detektor akan lebih
daTi sumber
Dengan kata lain, akan terjadi penguatan neutron
sumber
ke dalam teras yang berada dalam keadaan sub kritis,
maka cacah neutron yang diterima besar
sebuah
C tersebut
berbanding
lurns
neutron
itu
sendiri.
sumber neutron.
Cacah
dengan kuat
sumber S dan
berbanding terbalik dengan kerr,yaitu: 1 Coco
.8
di mana: S adalah kuat sumber neutron
Dengan demikian dapat diperoleh bahwa: 1
1-
keff
-cx;
C
S
(1)
Persamaan (1) di atas menghubungkan
antara data percobaan
pernuatan sub kritis (C) dengan hasil perhitungan
MCNP-4B (kerr).
20
~ool
PercobaanKekritisanTerasReaktorTRIGA1000 BandungdenganProgramMCNP-4B. (PutrantoI/ham Yazid)
/SSN /4/1 -3481
Langkah 1 2
1,00°0,710
3
4 5
1946,305 2027,832
2069.07I (*) Catatan:
harga dinormalisasi dengan data pada langkah 1 cacah
21
Jurnal Sainsdan TeknologiNllklir Indonesia IndonesianJournal ofNuclearScienceand Technology Vol. I. No.2. Agustus2000.. 1-28
ISSN1411.3481
Tabel 7. Perbandingan antara data basil percobaan dengan basil perhitungan:
Gambar 12. Perbandingan antara haBit percobaan dengan haBit perhitungan MCNP-4B. Dari
Tabel
7
terlihat
jelas
betapa
baiknya
memprediksi
basil percobaan pemuatan sub kritis.
yang hanya
8,80 % secara kuantitatif
tinggi
daTi perhitungan
menunjukkan memprediksi
MCNP-4B.
seca{a kualitatif
Beda maksimum
menunjukkan Demikian
MCNP-4B
pula
akurasi Gambar
yang 12
bagaimana ketepatan MCNP-4B dalam
setiap titik data percobaan.
22
PercobaanKekritisan TerasReaktorTRIGA2000 BandungdenganProgramMCNP-4B (PutrantoI/ham Yazid)
Hal ini membuktikan pengandaian yang digunakan diterapkan
dalam
ISSN 1411 -3481
bahwa MCNP-4B bersama-sama dalam perhitungan
memprakirakan
dengan
adalah cocok untuk
karakteristik
neutronik
teras
reaktor TRIGA 2000. Keberhasilan pemuatan
MCNP-4B dalam
sub kritis
memprediksi
antara lain disebabkan
data percobaan
oleh distribusi
bumup
elemen bakar yang digunakan dalam percobaan tersebut, seperti yang terlihat dalam Tabel 8 berikut ini. Tabe18,
Distribusi bumup elemen bakar yang dipakai dalam percobaan pemuatan sub kritis. Jumlah Elemen Dakar 13 11 6
1 1 2 3
2 3
Dari Tabel 8 tampak dengan jelas bahwa hanya 10 buah clemen bakar (sekitar 24 %) yang memiliki kandungan 235Uyang sedikit, yakni memiliki
bumup lebih besar daTi 20 %. Sisanya, yakni 32 buah adalah
baru atau masih segar. Kenyataan
ini
menunjukkan
bahwa
kesalahan
perhitungan
MCNP-4B yang disebabkan oleh pengabaian hasil fisi maupun bahan racun lain di dalam elemen bakar bekas akan semakin kecil. demikian maka hasil perhitungan
Dengan
MCNP-4B akan semakin akurat.
23
Jurnal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia Indonesian.Iournal ofNuclearScienceand Technology Vol. I. No.2. Aguslus2000.. J -28
V.2.
/SSN/4//-3481
Percobaan Pemuatan Kritis Seperti yang telah direncanakan
semula, konfigurasi
teras pada
percobaan pemuatan kritis langkah ketiga adalah sarna persis seperti pada percobaan pemuatan sangat menarik
untuk
sub kritis
langkah ketujuh.
membandingkan
Karena itu
data yang tertarnpil
pada
Tabel 4 dan Tabel 5. Data yang dihasilkan pemuatan
oleh ketiga kanal cacah pada percobaan
sub kritis langkah terakhir
(ketujuh) temyata
sangat mirip
dengan yang diperoleh dari data percobaan pemuatan kritis langkah ketiga, dengan perbedaan maksimum tidak lebih dari 4,6 % saja. ini menunjukkan
bahwa kedua percobaan dilaksanakan
Hal
dengan book
clan semua perangkat cacah berfungsi dengan book pula. Data basil percobaan pemuatan kritis yang sudah dinormalisasi selengkapnya dapat dilihat dalam Tabel 9 berikut ini. Tabel 9. Harga 1/ C ternormalisasi percobaan pemuatan kritis:
untuk
Massa Langkah
235U (gr~)
1 2
1136,426 1898976 ,
3
2114,761,
4 5 6 7
2228,601
8 9
10 (*) Catatan:
2336,629
2412,219 i 2487;919
2587,129 2624,929
I
Kanal I
Rerata
i
~ ~ ~
.!.zQQQ
!RQQ
~ ~~~
0173 ,
~ ~
~
Q.z~
~ ~
~ ~ ~
Q~ 0027 ,
kritis
kritis
~
1,000~~S!.~
~SJ-.z~ Q~~~ ~ .Q~ ~ ~
Q~S!.~ 0,010 0,002
kritis
kritis 2657,19_Qharga dinormalisasi dengan data pacta langkah 1
24
PercobaanKekritisan TerasReaktor TR/GA2000 BandungdenganProgramMCNP-4B (PutrantoI/ham Yazid)
/SSN/4//-348/
Dari Tabel 9 kembali terlihat bahwa percobaan pemuatan kritis berlangsung
dengan baik.
temormalisasi
Hal ini terbukti
daTi data percobaan yang
yang diperoleh dari ketiga kanal cacah sangat mirip
satu sarna lain. Perbandingan
antara data percobaan dengan hasil perhitungan
MCNP-4B terparnpang dalarn Tabel 10 berikut.
TabellO. Perbandingan antara data basil percobaan dengan basil perhitungan: Massa
Langkah
~
1136,426
2 3 4 5 6 7 8 9
1/ C ternormalisasi Percobaan MCNP-4B 1,000 1,000 0,355 0,399 0,187 0,257 0,131 0,182 0,114 0,087 0,056 0,075 0,034 0,028
235U
(gram)i I
~898,976 I
2114761
~~~~,~~~ 2336,629 2412,219
2487,919I
memprediksi
'in
fa
.~ 'tV
E 0 c
S u ;::
17,65
0,002
data
perbedaan maksimumnya 13 menunjukkan
0,00 11,03 27,24 28,02 23,68 25,33
0,010
2587,1291I 2624,929
Dari tabel di atas terlihat dalam
Beda (%)
bahwa MCNP-4B tidak begitu baik
percobaan
pemuatan
kritis,
bahkan
mencapai 28 %. Secara kualitatif
Gambar
bagaimana perbedaan tersebut.
1.5 1
-+-MCNP-48 -t'erCODaan
0.5 0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Massa 23SU(gram)
Gambar 13. Perbandingan antara hasil percobaan clan perhitungan MCNP-4B
25
Jurnal Sainsdan TeknologiNuklir Indonesia IndonesianJournal ofNuclearScienceand Technology Vol.I. No.2, Agustus2000: 1- 28
Walaupun
ISSN 1411 -3481
MCNP-4B kurang
data percobaan
pemuatan
memperkirakan
massa kritis teras TRIGA 2000.
basil
perhitungan
menghasilkan kekritisan
kritis,
book dalam memprediksi
simulasi
jumlah
pertama
adalah
akan tetapi ia sangat book dalam
percobaan
elemen
rincian
bakar
54 buah.
Hal ini terbukti
pemuatan
pacta saat Dalam
kritis
teras
yang
mencapai
kenyataannya,
percobaan pemuatan kritis diperoleh bahwa jumlah
dari
dari
elemen bakar saat
teras mencapai kritis adalah 55 elemen bakar. Menarik
untuk
dikemukakan
di sini bahwa distribusi
bumup
elemen bakar pacta saat teras reaktor TRIGA 2000 Bandung mencapai kekritisan
pertama adalah seperti tampak dalam Tabel 11.
Tabel 11
Distribusi bumup elemen bakar yang dipakai dalarn percobaan pemuatan kritis.
Jumlah Elemen Dakar
Bumuol%}
Dari tabel terakhir
itu tampak bahwa pengaruh elemen bakar
bekas semakin mengecil karena prosentasenya sekitar 21,8 % (= 12 buah) yang memiliki sedangkan 43 elemen bakar lainnya
semakin kecil, yaitu
bumup lebih dari 20 %,
masih baru atau masih segar.
26
PercobaanKekritisan TerasReaktorTRiGA2000 BandungdenganProgramMCNP-4B. {PutrantoI/ham Yazid}
/SSN/4/ / -348/
Kenyataan ini sangat membantu MCNP-4B dalam memprediksi
secara
tepat massa kritis reaktor TRIGA 2000 Bandung.
VI. KESIMPULAN Dengan menganggap bahwa data didokumentasikan
di P3TkN adalah sahib, maka dapat disimpulkan
bahwa pengandaian sangat
bumup elemen bakar yang
memadai
yang digunakan untuk
dalam analisis
digunakan
pada
di atas adalah
program
MCNP-4B.
Pengandaian tersebut adalah bahwa setiap elemen bakar bekas terdiri dari
235U yang massanya
tergantung
dari
bumupnya,
massa 238U
dianggap sarna seperti yang terdapat di dalam elemen bakar baru serta basil fisi clan bahan racun lainnya dapat diabaikan pengaruhnya. Akan
tetapi
kebenarannya
apabila
data
bumup
maka dapat disimpulkan
tersebut
diragukan
bahwa elemen bakar bekas
yang ada di P3TkN adalah masib relatif segar, yakni tingkat bumupnya jauh lebih kecil dari yang didokumentasikan. Untuk
memastikan
manakah
yang
paling
kesimpulan
di atas maka perlu segera dilakukan
perhitungan
kekritisan
memperhitungkan
benar
dari
dua
analisis
lengkap
teras reaktor TRIGA 2000 Bandung,
dengan
pengaruh basil fisi maupun bahan racun lainnya di
dalam elemen bakar bekas. Terlepas program diterapkan
dari
MCNP-4B
kontroversi sangat
dalam menentukan
di atas dapat disimpulkan
membantu
clan
karakteristik
sangat neutronik
cocok
bahwa untuk
teras reaktor
TRIGA 2000 Bandung.
27
Jurnal Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia Indonesian JOIlrnal ofNuclear Science and 7echnolog}' Vol. I. No.2, Agustus 2000.' 1-28
/SSN /4//-
348/
DAFT AR PUST AKA 1
BRIESMEISTER,
J.F. (Ed.), MCNP -A
general Monte Carlo N-
particle transport code, LA-12625-M, Version 4B, 1997. 2
GENERAL ATOMICS, Commissioning plan for CNTR 2 MW upgrade including
3
installation
PUTRANTO
of fuel, 1997.
ILHAM YAZID,
Prosedur
komisioning
nuklir
teras
reaktor TRIGA Mark II 2000 kW, 2000.
Kembali ke Jurnal
28
