RISET KARAKTERISTIK BAHAN BAKAR PADA SAAT REAKTOR MENGALAMI FLUKTUASI DAYA RINGKASAN Untuk meningkatkan nilai ekonomisnya, PLTN harus dapat mensuplai daya sesuai kebutuhan pada saat diperlukan. Oleh karena itu, pengoperasian tingkat daya diharapkan mengikuti permintaan, sehingga diperlukan fluktuasi daya yang terencana. Tetapi, apabila daya dinaikkan secara mendadak, maka akan mudah terjadi kegagalan PCI (Pellet Clad Interaction) pada batang bahan bakar. Berdasarkan hal tersebut, menjaga keandalan batang bahan bakar merupakan tema riset yang penting. Keandalan bahan bakar pada saat daya meningkat secara mendadak dapat ditingkatkan dengan cara melakukan inovasi bahan bakar dan pembatasan mode operasi. Namun demikian, cara pembatasan mode operasi ini akan menghilangkan nilai ekonomisnya, sehingga yang lebih diperlukan adalah pengembangan bahan bakar yang kuat terhadap ketahanan fluktuasi daya. Dewasa ini, di beberapa negara maju termasuk Jepang, sedang dilakukan riset pengembangan bahan bakar yang kuat terhadap fluktuasi daya. URAIAN Untuk meningkatkan nilai ekonomisnya, PLTN harus dapat mensuplai daya sesuai kebutuhan pada saat diperlukan, maksudnya pengoperasian diharapkan mengikuti permintaan, sehingga diperlukan fluktuasi daya yang terencana. Tetapi, apabila daya dinaikkan secara mendadak, akibat pemuaian termal pelet bahan bakar akan terjadi tegangan tarik pada kelongsong. Di samping itu produk fisi (fission product, FP) Iodium yang bersifat korosif akan teremisi dari pelet bahan bakar. Sehingga kelongsong yang berada pada suasana korosif akan mengalami tegangan tarik, maka akan mudah terjadi Stress Corrosion Cracking (SCC). Kegagalan batang bahan bakar dalam kondisi yang demikian itu disebut kegagalan PCI. Oleh karena itu, menjaga keandalan batang bahan bakar merupakan masalah yang penting. SCC ini, meskipun dalam kondisi tegangan atau lingkungan korosif secara sendiri-sendiri tidak mengakibatkan kegagalan pada kelongsong, namun bila keduanya ada secara bersamaan maka akan terjadi fenomena kegagalan. Untuk mencegah SCC ini, tegangan atau lingkungan korosif dibuat sedemikian rupa sehingga tidak melebihi nilai kritis. Nilai kritis ini berbeda-beda tergantung pada materialnya, sehingga pemilihan material yang kuat terhadap SCC merupakan antisipasi yang efektif. Dari alasan-alasan ini, untuk mencegah kegagalan PCI bahan bakar, cukup dilakukan satu dari 3 cara di bawah ini: 1. memilih mode operasi yang mampu memperkecil tegangan 2. memperkecil konsentrasi Iodium yang bersifat korosif berada di celah antara pelet bahan bakar dan kelongsong. 3. memakai material yang sensitivitas SCC-nya rendah. Antisipasi kegagalan PCI yang dilakukan dewasa ini merupakan salah satu cara tersebut di atas, yang pada intinya ada 2 cara yaitu inovasi batang bahan bakar dan inovasi mode operasi. Inovasi batang bahan bakar dilakukan dengan memperkecil terjadinya tegangan, yaitu dengan melakukan bentuk dish and chanfer pada pelet UO2. Pada bagian dalam kelongsong dilapisi Zirconium murni yang memiliki kepekaan SCC rendah, guna menghambat terjadinya SCC. Gambar 2 adalah contoh eksperimen yang menunjukkan efektivitas pelapisan Zirconium murni. Selain itu, dilakukan juga inovasi dengan perampingan batang bahan bakar (untuk PWR terdiri dari 17´ 17, untuk BWR 8´ 8 batang bahan bakar) sehingga dapat menurunkan daya radiasi yang memiliki pengaruh besar terhadap terjadinya tegangan, dan peningkatan tekanan Gas Helium (memperbaiki konduktivitas panas, yang memiliki efek penurunan tegangan dan emisi gas). Dalam hal mode operasi, perlu dilakukan teknik sebagai berikut: secara perlahan-lahan daya ditingkatkan, sehingga membangkitkan creep deformation baik pada UO2 maupun Zircalloy. Tegangan yang timbul dibuat tidak melebihi tegangan kritis SCC. Setelah proses pengoperasian ini dilakukan, maka terjadi perubahan bentuk kelongsong yang mengantisipasi pada daya tertentu, kemudian dapat ditingkatkan kecepatan fluktuasi daya di dalam rentang tersebut. Proses operasi ini disebut Pre-Conditioning Interim Operating Management
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 1/6
Recommendation (PCIOMR), contoh kongkritnya ditunjukkan pada Gambar 3. Demikian tadi, dengan cara pembatasan mode operasi reaktor dan inovasi bahan bakar, masalah kegagalan PCI pada bahan bakar secara aktual dapat dipecahkan. Namun demikian, antisipasi dengan pembatasan mode operasi, dari nilai ekonomis tidak baik, maka bukan merupakan antisipasi yang rasional. Selain itu, dewasa ini, untuk meningkatkan nilai ekonomis, direncanakan pengoperasian mengikuti beban di samping peningkatan fraksi bakar bahan bakar. Namun demikian, seiring dengan berjalannya pembakaran, fluktuasi daya akan memberikan beban yang besar bagi bahan bakar. Gambar 4 adalah hasil pengujian kenaikan daya secara mendadak. Dari gambar tersebut tampak bahwa seiring dengan kenaikan fraksi bakar, terjadi penurunan nilai awal kegagalan. Keandalan bahan bakar pada fraksi bakar bahan bakar dan pada pengoperasian yang mengikuti beban yang direncanakan dewasa ini telah dikonfirmasi. Untuk perbaikan dari nilai ekonomisnya, inovasi desain bahan bakar yang meliputi pelet dan kelongsong, dapat diharapkan memecahkan masalah SCC. Untuk pelet, antisipasi SCC yang dapat dilakukan dewasa ini adalah menggunakan ukuran butiran kristal yang diperbesar untuk mengurangi emisi FP gas atau menggunakan pelet lunak untuk menurunkan tegangan yang terjadi. Untuk kelongsong, saat ini dilakukan riset tentang bagaimana cara membuat struktur kumpulan kristal yang menghambat terjadinya SCC. Sementara itu, pada BWR, karena adanya peningkatan derajat panas, sejak tahun 1996 telah dimulai preirradiation di reaktor terhadap kumpulan bahan bakar dengan formasi 9´ 9 yang memiliki diameter kecil. Ternyata diameter kecil ini efektif untuk mencegah kegagalan SCC. Saat ini pun, riset tentang kegagalan bahan bakar akibat kenaikan daya secara tiba-tiba masih banyak dilakukan di beberapa negara. Di Jepang, pengujian kenaikan daya secara tiba-tiba dengan bahan bakar BWR dilakukan menggunakan alat iradiasi BOCA di JMTR. Selain itu, di luar Jepang dilakukan pengujian iradiasi terhadap bahan bakar yang telah diinovasi.
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 2/6
GAMBAR
:
Gambar 1. Metode inovasi UO2 dan efeknya
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 3/6
Gambar 2. Hasil pengujian kenaikan daya mendadak pada bahan bakar untuk antisipasi PCI
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 4/6
Gambar 3. Aturan dasar untuk operasi Pra-kondisi
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 5/6
Gambar 4. Nilai awal kegagalan pada saat pengujian kenaikan daya secara tiba-tiba pada bahan bakar produksi KWU Corporation
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 6/6
