RISET KECELAKAAN KEHILANGAN AIR PENDINGIN: KARAKTERISTIK BAHAN BAKAR RINGKASAN Meskipun terjadi kecelakaan kehilangan air pendingin ( Loss Of Coolant Accident, LOCA), seandainya bundel bahan bakar dapat dipertahankan bentuknya dan dengan bekerjanya ECCS (Emergency Core Cooling System), maka pendinginan teras akan mampu dipertahankan sehingga kenaikan temperatur bahan bakar dapat dihentikan. Untuk mengetahui kondisi yang diperlukan agar memberikan jaminan dipertahankannya bentuk bundel bahan bakar, beberapa negara melakukan penelitian mengenai leburnya bahan bakar akibat pendinginan mendadak pada saat teras mendapat pasokan air pendingin dari ECCS. Juga dilakukan penelitian mengenai tidak normalnya aliran air pendingin karena mengembangnya kelongsong bahan bakar. Dari hasil penelitian tersebut, maka Jepang membuat "Petunjuk Evaluasi Kemampuan ECCS". Dalam petunjuk ini, untuk bahan bakar dengan kelongsong Zircalloy pada bahan bakar reaktor air ringan, disyaratkan agar suhu kelongsong bahan bakar tidak melebihi 1200 °C dan tebal yang mengalami oksidasi harus kurang dari 15% tebal dinding kelongsong. URAIAN Kecelakaan LOCA adalah suatu kecelakaan akibat patahnya pipa sistem pendingin reaktor sehingga terjadi kehilangan cairan pendingin. Dalam kecelakaan dimana pipa utama reaktor mengalami patah atau pecah, ada kemungkinan suhu bahan bakar meningkat. Tetapi, apabila bundel bahan bakar dapat terjaga dalam bentuk yang memungkinkan pendinginan, dengan bekerjanya ECCS, sekuensi kecelakaan dapat dihentikan. Dengan demikian kelengkapan ECCS merupakan standar dalam evaluasi keselamatan, sehingga apabila terjadi kecelakaan cukup diputuskan apakah bundel bahan bakar dapat dijaga pada bentuk yang memungkinkan pendinginan atau tidak. Pada saat kecelakaan LOCA, untuk menjaga agar bundel bahan bakar tetap dalam bentuk yang memungkinkan pendinginan, harus memenuhi 2 (dua) syarat di bawah ini: a. Meskipun kelongsong Zircalloy mengalami perapuhan karena teroksidasi oleh uap selama terjadi LOCA, harus dicegah jangan sampai oksidasi menimbulkan pecahnya kelongsong. b. Akibat turunnya tekanan air pendingin, kelongsong mengembang, dan ada kemungkinan akan pecah, sehingga pendinginan tidak berfungsi. Oleh karena itu saluran pendingin tidak boleh terlalu sempit. 1. Evaluasi terhadap kuantitas teroksidasinya kelongsong Zircalloy Pengujian oksidasi Zircalloy oleh uap telah banyak dilakukan oleh para peneliti dengan meniru kondisi LOCA. Representasi hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar 1. United State Nuclear Regulatory Commission (USNRC) meneliti kondisi agar elastisitas tidak hilang sama sekali dengan cara merangkum hasil pengujian para peneliti menggunakan persamaan kecepatan oksidasi Zircalloy berdasarkan suhu oksidasi (persamaan Baker-Just). Hasilnya, pada suhu kelongsong dibawah 1200 °C, bila kuantitas oksidasi sebesar kurang dari 17%, sedikit banyak masih tersisa elastisitasnya, sehingga tidak akan terjadi pecah kelongsong, dan bentuk bundel bahan bakar dapat dijaga sehingga memungkinkan dilakukan pendinginan. Berdasarkan hasil tersebut di atas, di Amerika Serikat, untuk suhu kelongsong di bawah 1200 °C, bila kuantitas oksidasi yang dihitung berdasarkan rumus Baker-Just kurang dari 17% maka ditetapkan bahwa bentuk bahan bakar yang dapat didinginkan dapat dijaga, sehingga LOCA dapat dengan aman dihentikan. Dalam "Petunjuk Evaluasi Fungsi ECCS" di Jepang, untuk suhu kelongsong bahan bakar di bawah 1200 °C, maka kuantitas oksidasi ditetapkan sebesar 15%. Alasan 2% lebih rendah adalah karena pengaruh kecepatan pendinginan diperhitungkan. Mengenai kelongsong yang mengalami perapuhan pada reaksi antara kelongsong Zircalloy dengan uap air, tidak hanya oksidasi namun terjadi juga penyerapan Hidrogen. Hal ini ditunjukkan dalam penelitian yang dilakukan JAERI dan juga telah diklarifikasi dengan pengujian berikutnya yang dilakukan di Amerika Serikat. Di Jepang, pada kondisi yang meniru suatu keadaan di mana tegangan bekerja pada bundel bahan bakar pada saat pendinginan teras reaktor oleh ECCS, dilakukan pengujian yang mencakup pengaruh penyerapan Hidrogen. Meskipun terjadi perapuhan pada kelongsong akibat penyerapan hidrogen, pada suhu kelongsong di bawah 1200 °C, bila pengurangan tebal kelongsong kurang dari 15%, maka tidak akan terjadi pecah. Juga telah dipastikan bahwa bentuk yang memungkinkan pendinginan pada bahan bakar dapat terjaga.
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 1/7
Gambar 2 menunjukkan contoh eksperimen perapuhan pada kelongsong akibat penyerapan Hidrogen. Gambar 3 menunjukkan uji klarifikasi yang berhubungan dengan batas kegagalan kelongsong yang mengalami penyerapan Hidrogen. Seperti diketahui pada Gambar 2, uap akan menyusup pada bagian retak yang terbuka sehingga mengakibatkan bagian dalam kelongsong juga teroksidasi. Namun demikian, sehubungan dengan kuantitas regangannya, pada posisi yang agak terpisah dari bagian terbuka yang ditunjukkan dengan anak panah, hidrogen yang terjadi akan terakumulasi dalam lingkungan. Bila konsentrasi hidrogen melebihi suatu nilai tertentu, maka hidrogen akan terserap dan kelongsong akan menjadi sangat rapuh (brittle). 2. Evaluasi terhadap pengontrolan saluran pendingin teras Satu kondisi lagi yang memberi garansi bentuk bundel bahan bakar tetap dapat didinginkan adalah: meskipun terjadi penyempitan saluran pendingin reaktor akibat memuainya kelongsong bahan bakar, pendinginan teras harus tetap terjaga. Untuk itu, dilakukanlah penelitian di berbagai negara untuk menjawab pertanyaan di bawah ini: 1. Dengan adanya pemuaian kelongsong, seberapa besar terjadi penyempitan saluran pendingin di dalam bundel? 2. Seberapa jauh penyempitan saluran yang menimbulkan dampak pada pendinginan? Mengenai penyempitan saluran pendingin di dalam bundel, telah dilakukan berbagai penelitian di penjuru dunia termasuk Jepang. Pada umumnya pengujian dilakukan terhadap bahan bakar tunggal, namun demikian dilakukan juga beberapa pengujian terhadap bundel bahan bakar yang digunakan untuk mempelajari efek interaksi bahan bakar. Hasil-hasil penelitian yang utama ditunjukkan pada Tabel 1. Di bawah kondisi LOCA, meskipun dilakukan pengujian dengan kondisi dimana kelongsong mudah mengalami pemuaian, telah dipastikan bahwa persentasi penurunan saluran pendingin reaktor tidak melebihi 90%. Uji pendinginan menggunakan bundel bahan bakar telah dilakukan di JAERI dan Jerman (eksperimen FEBA). Pada pengujian ini diketahui bahwa meskipun terjadi pengurangan saluran pendingin sebesar 90%, tidak menghalangi pendinginan teras. Gambar 4 menunjukkan contoh eksperimen di mana pada pengurangan saluran sebesar 90% pun memungkinkan untuk melakukan pendinginan teras. Bila hasil uji pemuaian dan pendinginan digabungkan, diperoleh kesimpulan bahwa pengurangan saluran pendingin reaktor tidak perlu dipertimbangkan dalam melakukan evaluasi "terjaganya bentuk yang memungkinkan pendinginan pada bundel bahan bakar".
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 2/7
TABEL DAN GAMBAR :
Tabel 1. Perbandingan Hasil Uji Patah Bundel
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 3/7
Gambar 1. Faktor Kecepatan Reaksi antara Zircalloy dan Uap air
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 4/7
Gambar 2. Hubungan antara posisi penggetasan kelongsong Zircalloy yang mengalami oksidasi pada bagian permukaan Alameda setelah terjadi pecah dan penyerapan hidrogen
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 5/7
Gambar 3. Hasil uji klarifikasi batas pecah pada bahan bakar dengan memodelkan peluapan air pada saat LOCA
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 6/7
Gambar 4. Contoh eksperimen FEBA pada FZK untuk memeriksa karakteristik pendinginan akibat tersumbatnya saluran
Ensiklopedi Teknologi Nuklir – Batan 7/7
