Sukmanto Dibyo
ISSN 0216 - 3128
179
STUDI KARAKTERISTIK PRESSURIZER PADA PWR Sukmanto Dibyo Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir
ABSTRAK STUDI KARAKTERISTIK PRESSURIZER PADA PWR. PLTN jenis PWR (Pressurized Water Reactor) memiliki dua loop pengambilan energi kalor, yaitu loop primer yang memiliki fase cair dan tekanan tinggi, serta loop sekunder dengan pendidihan pada bagian pembangkit uap. Reaktor ini memiliki sistem pengatur tekanan yang sangat vital yakni pressurizer. Dengan mempelajari karakteristik pressurizer ini maka fenomena, kinerja dan parameter operasi pressurizer tersebut dapat diketahui. Parameter tersebut dikendalikan oleh sistem komponen yang mencakup heater, sprayer, katup otomatis dan sistem relief. Pada prinsipnya sistem komponen tersebut berfungsi untuk pencapaian kesetimbangan termodinamika. Studi yang dilakukan adalah menguraikan parameter penting untuk kestabilan sistem pressurizer dan perhitungan daya heater dari data referensi untuk mengendalikan tekanan. Hasil studi telah diperoleh beberapa informasi yakni ketika temperatur sistem pendingin reaktor mulai naik, maka melalui surge-line pendingin terekspansi ke dalam pressurizer. Dipihak lain turunnya temperatur memicu electrical heaters membangkitkan energi untuk mendidihkan air menjadi uap sehingga tekanan kembali naik. Osilasi terjadi di dalam pressurizer yang mana menyebabkan watak tak stabil. Hal ini disebabkan oleh temperatur dinding dalam yang sedikit lebih dingin daripada temperatur air dimana lokasi air berada. Kata Kunci: karakteristik pressurizer, PWR
ABSTRACT CHARACTERISTIC STUDY FOR THE PRESSURIZER OF PWR. There are two loops cooling system in the Nuclear Power Station type PWR (Pressurized Water Reactor), namely primary loop that containing high pressure of liquid phase, and secondary loop within boiling into the steam generator. To control pressure, reactor is provided with the equipment of pressurizer. The assessment of pressurizer characteristic will know a phenomenon, performance and operation parameter of pressurizer. This parameter controlled by component systems such as heater, sprayer, automatic valve and relief system. Principally, purposes of component system are to obtain the thermodynamic equilibrium. Study is conducted by describing important parameter that are pressure, temperature, water level and heater power calculation taken from reference data to control the pressure. From the result study has been obtained some informations, increasing reactor cooling system temperature causes the water flows through surge-line expanded into the pressurizer. Otherwise decreasing temperature triggers the electrical heaters to generate energy to boil the water become steam so the pressure increase. Oscillation occur in the pressurizer and causes unsteady behaviors. This is due to inner wall temperature slightly colder than the liquid temperature. Keywords : characteristic of pressurizer - PWR
PENDAHULUAN
I
nformasi dan pengenalan mengenai jenis reaktor daya terutama yang proven banyak terdapat diberbagai referensi. Seperti diketahui bahwa BATAN memilih reaktor daya jenis PWR (Pressurized-Water Reactor) sebagai alternatif dibangunnya PLTN di Indonesia, di mana reaktor daya ini berpendingin air ringan dan terbanyak beroperasi di dunia. Reaktor daya jenis PWR memiliki dua loop pengambilan energi kalor, yaitu loop primer yang memiliki fase cair dan tekanan tinggi, serta loop sekunder dengan proses pendidihan pada bagian
pembangkit uapnya. PWR memiliki bagian sistem pressurizer yang sangat vital untuk mengendalikan tekanan sistem loop primer. Pressurizer berbentuk kontainmen baja silinder yang dipasang pada hot leg pada salah satu loop sistem pendingin primer. Kontainmen yang berfungsi untuk pengendalian tekanan pada sistem primer ini menggunakan electrical heaters untuk menaikkan volume/tekanan steam dan sebaliknya coolant spray untuk mengurangi volume/tekanan[1]. Dengan menyadari pentingnya memahami prinsip kerja sistem operasi pada pressurizer maka studi ini diarahkan pada kajian karakteristik dan
Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
180
ISSN 0216 - 3128
prinsip kerja dalam pencapaian termodinamika kesetimbangan. Secara kesinambungan, kajian ini merupakan langkah pendahuluan yang diharapkan akan mendukung proses analisis lebih lanjut pada sistem pressurizer secara lebih detail. Penelusuran terhadap sistem pressurizer dapat dilakukan apabila data parameter yang terlibat di dalamnya dapat diketahui. Oleh karena itu sistem pengendalian tekanan pada pressurizer sangatlah penting. Termodinamika komponen heater, sprayer dan aliran pada surge line merupakan parameter pengatur tekanan. Jumlah energi kalor yang harus ditambahkan dari heater adalah tertentu sehingga dapat memperoleh kondisi kesetimbangan. Berdasarkan uraian tersebut di atas maka tujuan penulisan makalah ini adalah untuk mengkaji fenomena karakteristik sistem kerja pressurizer serta hubungan parameter yang terkait dengan sistem tersebut.
DESKRIPSI PWR PWR adalah reaktor daya PLTN yang digunakan untuk memproduksi listrik. Reaksi fisi dari bahan nuklir sebagai fuel menghasilkan energi kalor. Energi hasil pembelahan elemen bakar ini memanaskan air menjadi uap bertekanan dan
Sukmanto Dibyo
temperatur tinggi. Energi pada aliran uap diteruskan ke turbin untuk dikonversi menjadi energi mekanik dan kemudian menjadi energi listrik oleh generator turbin. Reaksi fisi terjadi pada bejana reaktor dimana dijaga pada tekanan tinggi. Loop pendingin primer mentransfer energi kalor dari bejana reaktor melalui pembangkit uap. Pada bagian pendingin sekunder, pembangkit uap dengan tekanan sekitar 60 bar dapat terjadi pendidihan air. Melalui loop sekunder ini uap diumpankan ke dalam turbin. Setelah uap melalui turbin (low pressure), uap diembunkan pada kondenser untuk dikembalikan ke pembangkit uap. Aliran dingin, mengalir melalui sisi-tube didalam kondenser, memindahkan energi kalor sisa pada uap air. Diagram prinsip kerja PLTN jenis PWR ditunjukkan pada Gambar 1[2]. Sistem pendingin reaktor terdiri atas sistem komponen mayor yaitu tangki reaktor, pembangkit uap, pompa pendingin reaktor, pressurizer, pipapipa (hot leg piping) dan pipa sistem relief (relief line piping). Sistem pendingin primer disamping sebagai media untuk transfer energi kalor juga berfungsi menjaga produk fisi tetap berada di dalam sistem pendingin ini. Tekanan sistem dipertahankan pada batas tekanan yang diijinkan (acceptable limits).
Gambar 1. Prinsip kerja PWR.
Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
Sukmanto Dibyo
ISSN 0216 - 3128
PRESSURIZER Pressurizer merupakan vessel yang dipasang pada salah satu saluran pipa panas keluaran dari reaktor (hot leg), sebagai pengendali tekanan sistem loop pendingin primer maka peran alat ini sangat vital. Faktor kualitas campuran fasa uap dan fasa air dalam kesetimbangan sangat mempengaruhi kinerja pressurizer, pada tingkat kualitas uap dan temperatur tertentu maka pressurizer mempunyai tekanan tertentu pula. Selama operasi, pressurizer memuat volume air yang diselimuti oleh gelembung uap air. Dengan keterlibatan electrical heaters dan sprayer maka pressurizer dapat mengendalikan tekanan sistem pendingin reaktor. Apabila terjadi perubahan tekanan pada sistem, maka aliran melalui pipa surge (Gambar 2) mempengaruhi perubahan pada tekanan pressurizer. Dalam kondisi insurge yaitu kondisi dimana laju alir fluida bertambah, maka tekanan pressurizer membesar. Untuk menurunkan tekanan tersebut, nozzle sprayer yang terletak pada atas vessel bekerja secara otomatis. Sprayer ini dihubungkan dengan pipa cold leg pada sisi keluar pompa pendingin reaktor. Pada kondisi sebaliknya, laju aliran fluida
181
pada pipa surge berkurang, sehingga tekanan menurun. Untuk menaikkan tekanan tersebut electrical heater bekerja secara otomatis[3]. Penyebab perubahan tekanan dalam pressurizer adalah berkaitan dengan adanya perubahan temperatur pada sistem pendingin reaktor. Pressurizer juga dilengkapi dengan katup keselamatan yang mana apabila tekanan terlalu tinggi secara otomatis katup terbuka (disebut juga Power Operated Relief Valves). Tekanan normal pada umumnya dijaga sekitar 153 bar. Hal ini selaras dengan kondisi temperatur sistem sekitar 343oC. Gambar 3 berikut menunjukkan bagianbagian dan diagram pressure relief tank[4]. Komponen kendali pressurizer memiliki beberapa penetrasi yang mengakomodasi alat electric heaters, surge, fungsi relief dan sejumlah instrumen penetrasi untuk memonitor level, temperatur dan tekanan. Pressurizer menjaga sistem reaktor pada kondisi sub-cooled. Pengoperasian sistem kendali pada kisaran tekanan 153 bar (15,3 MPa) ini bertujuan untuk menghindari pendidihan di dalam sistem pendingin primer.
Gambar 2. Diagram Skematik Pressurizer.
Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
182
ISSN 0216 - 3128
Sukmanto Dibyo
Gambar 3. Diagram relief tank.
Di dalam penentuan sizing pressurizer, digunakan kriteria desain sebagai berikut:[5] • pressurizer harus terdapat volume uap air yang cukup sehingga tekanan max./min. akibat kondisi operasi transien dapat diantisipasi untuk merespon tekanan tersebut.
Kondisi kesetimbangan dapat diperoleh bilamana dapat ditentukan supply energi kalor maupun injeksi air oleh sprayer. Berikut ini adalah persamaan konservasi massa dan energi untuk kinerja heater[6].
• heaters mengatasi kondisi outsurge sebagai kriteria desain yang berbasis transien. • volume uap pada pressurizer harus cukup untuk melindungi level air dari tercapainya safety valve nozzle. • pressurizer harus membatasi perubahan volume air berkenaan dengan berkurangnya laju alir. • volume air pada pressurizer yang berlebihan harus dibatasi sehingga energi yang terbuang ke kontainmen dapat dihindari. Katup keselamatan pressurizer memiliki kualifikasi yang dapat mengatasi segala kondisi baik selama operasi normal, transien maupun kecelakaan. Kemampuan operasi katup relief ini didasarkan pada test program yang dilakukan oleh EPRI. Dalam hal ini uji tekanan kemampuan safety valve dilaksanakan dengan menggunakan steam, seat leakage dan nitrogen.
Gambar 4. Model Pressurizer sebagai Control Volume.
Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
Sukmanto Dibyo
ISSN 0216 - 3128
Dengan mengambil pressurizer sebagai control volume (CV) pada Gambar 4, maka persamaan konservasi massa pendingin pada pressurizer adalah:
vf dan vfg adalah volume spesifik air dan uap air. Dari persamaan–persamaan di atas maka Q dapat dihitung di mana merupakan energi yang diberikan heater ketika pressurizer pada kondisi out-surge.
Persamaan laju kondensasi karena sprayer (Mcs) dapat diekspresikan sebagai[7] :
∂M cv = − mo diintegrasi : ∂t t2
M 2 − M 1 = − ∫ m0 dt
183
(1)
M cs = M sp
t1
dengan integral mo dt = Mo, dan M1 adalah massa air pada kondisi awal. Persamaan umum konservasi energi (dengan mengabaikan faktor gravitasi dan kinetik) adalah:
h f − hsp hg − h f
(5)
di mana Msp : laju spray, hg : entalpi uap, hf : entalpi air.
PERHITUNGAN ∂U cv = − m0 h f + Q& ∂t
Dalam rangka kajian sistem pressurizer ini, dipakai data referensi PWR KRESKO Slovania dan WWER-1000 PWR sebagai obyek untuk perhitungan karakteristik heater berikut[7, 8].
integrasinya : U 2 − U1 = − h f
t2
t2
∫ m0 dt + ∫ Q& dt = − h f M 0 + Q
t1
(2)
t1
di mana hf adalah entalpi air yang meninggalkan pressurizer, Q : total energi kalor yang diberikan oleh heater, U1 = M1 (uf + x1 ufg) adalah energi internal pada kondisi awal, uf dan ufg adalah entalpi air dan penguapan ; x1 : kualitas uap awal. Akhir energi internal, U2, ialah: U2 = M2 (uf + x2 ufg)
(3)
Di mana x2 adalah kualitas uap akhir pada pressurizer. Juga, volume pressurizer, Vp, tidak berubah selama transien: Vp = M2 (vf + x2 vfg)
(4)
Total Volume Tinggi Diameter Volume liquid (rentang) Temperatur kerja Tekanan (rentang) Tekanan desain
: : : : : : :
79 m3 15910 mm 3000 mm 35 % ~ 70 % 346 oC 15,4 MPa – 15,7 MPa 17,7 MPa
Kinerja heater diasumsikan oleh kondisi tekanan pressurizer yang berubah (transien) menuju tekanan nominal (sub-cooled) sedangkan volume liquid bervariasi dari 35 % (27,65 m3) ke 65 % (51,35 m3). Grafik pada Gambar 5 menunjukkan hasil perhitungan teoritis kebutuhan daya heater yang dibangkitkan untuk mengendalikan tekanan pressurizer.
Gambar 5. Grafik perhitungan kebutuhan daya heater terhadap volume liquid. Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
184
ISSN 0216 - 3128
PEMBAHASAN Dari uraian yang telah dikemukakan didepan dapat difahami bahwa ketika temperatur sistem pendingin reaktor memulai naik, maka melalui surge-line air terekspansi ke dalam pressurizer. Disisi lain turunnya temperatur sistem pendingin reaktor, memicu electrical heaters memberikan energi untuk menaikkan temperatur air menjadi uap sehingga tekanan kembali naik. Perhitungan teoritis kebutuhan daya heater sesuai dengan volume air saat itu seperti ditampilkan pada Gambar 5. Semakin banyak volume pendingin maka semakin besar energi yang dibangkitkan oleh heater sementara itu waktu untuk mencapai tekanan yang diharapkan lebih cepat. Kondisi sistem pressurizer selalu berubah sebagai fungsi waktu, perubahan temperatur mengakibatkan perubahan densitas pendingin. Ketika temperatur sistem pendingin reaktor memulai naik, densitas pendingin reaktor akan turun, pendingin ini akan cenderung keatas menempati ruang dibagian atas. Oleh karena pressurizer dikoneksikan pada sistem pendingin reaktor melalui surge-line, pendingin melakukan ekspansi ke dalam pressurizer. Hal ini akan menyebabkan uap dibagian top pressurizer terkompresi, sehingga tekanan naik. Kondisi tersebut diatas merupakan fenomena yang selalu berlangsung di dalam tabung pressurizer. Kondisi kebalikan akan terjadi ketika temperatur sistem pendingin reaktor mengalami penurunan. Densitas air bertambah, dan akan menempati ruang yang lebih rendah. Level air pressurizer akan turun, yang mana akan menye-
Sukmanto Dibyo
babkan tekanan turun. Jadi kondisi tekanan yang berubah-ubah ini merupakan karakteristik pressurizer, di mana senantiasa akan menuju tekanan normal kembali berdasarkan set-point yang ditentukan. Sistem tekanan dikendalikan pada kisaran 153 bar (15,3 Mpa), hal ini bertujuan untuk menghindari pendidihan di dalam sistem pendingin primer. Dalam hal tekanan berlangsung terus naik, maka katup relief pressurizer akan membuka dump steam menuju pressurizer relief tank. Apabila hal ini masih tidak mengurangi tekanan, maka safety valves bekerja, dan juga mengalir ke pressurizer relief tank. Apabila tekanan berlangsung turun, dan mencapai set-point, Reactor Protection System (RPS) akan melakukan trip reaktor. Gambar 6 menunjukkan hasil investigasi tabung pressurizer pada fasilitas uji MIT (Massachusetts Institute of Technology) menggunakan APROS Codes, grafik tekanan tersebut pada kondisi insurge sebagai fungsi waktu[9]. Tampak terjadi osilasi yang disebabkan oleh watak tidak stabil didalam dinding pressurizer, di mana temperatur dinding ini sedikit lebih rendah daripada temperatur air disekitar dinding tersebut. Air panas bersentuhan dengan dinding sehingga menimbulkan kondensasi setempat dalam waktu yang pendek sampai menaikkan temperatur dinding. Hal tersebut merupakan fenomena berulang di setiap tempat. Peristiwa osilasi diawali dari kondisi ketika densitas uap mulai turun dan tidak terjadi friksi bahkan kondensasi maupun evaporasi, kemudian perubahan kecepatan aliran pada permukaan air, maka level air dan tekanan mulai berosilasi.
Gambar 6. Grafik osilasi tekanan Insurge. Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
Sukmanto Dibyo
ISSN 0216 - 3128
185
UU Termohidrolika Reaktor, FMIPA UNPAD 1996.
KESIMPULAN Dari hasil studi tentang karakteristik sistem pressurizer maka dapat disampaikan beberapa kesimpulan sebagai berikut : − Kondisi tekanan yang berubah-ubah merupakan karakteristik pressurizer yang senantiasa menuju tekanan normal berdasarkan set-point yang ditentukan. Sistem tekanan dikendalikan pada kisaran 15,3 MPa untuk menghindari pendidihan di dalam sistem pendingin primer. − Terdapat keterkaitan yang penting antara parameter tekanan, temperatur dan kualitas uap. − Pengendalian tekanan diperoleh dengan mempertahankan kondisi kesetimbangan termodinamika, dalam hal ini peranan penting dari electrical heaters setiap saat memberikan energi kalor dan peranan sprayer untuk injeksi air. Energi kalor yang dibangkitkan oleh heater sesuai dengan rentang 35 % ~ 70 % volume pendingin di dalam tabung pressurizer.
4.
NN, Pressurized Water Reactor (PWR), Systems (Reactor Concept Manual), USNRC Technical Training Center.
5.
www.npp.hu/erdekesseg/reaktor/reaktor-e.htm, Pressurized Water Reactor (PWR).
6.
NN, Thermal-Hydraulic Analysis of a PWR Pressurizer, Engineering of Nuclear Reactor, dec.2004.
7.
ZARGHAMI, et.al, The Dynamic Modeling of The Pressurizer Surge Tank Transient In LWR NPP, Iranian Journal of Science Techn, Transaction B.Eng,v.29,n.B5, 2005.
8.
IZTOK PARZER, RELAP5.M3 Assessment against MSIV Closure Events in Krsko NPP, Nuclear Energy For New EUROPE, International Conference 2002.
9.
EVELINA TAKASUO, Pressurizer Modeling of Pressurizer Using APROS and TRACE Thermal Hydraulic Codes.
ACUAN PUSTAKA 1.
DOO YEONG LEE, Pressurizer Pressure Control, Principal Researcher Power Reactor System Technology Dept., Korea Atomic Energy Research Institute Reactor Coolant System.
2.
http://www.tpub.com/content/doe/h1018v2/css/ h1018v2_116.htm, Pressurizer.
3.
MULYA JUARSA, Pressurizer Penelitian Watak Tabung Penekan Melalui Simulasi Eksperiment Katup Pembebas Uap PCV101
TANYA JAWAB Widi − Fenomena dalam bagaimana?
batas
operasi
pressurizer
Sukmanto Dibyo − Selama dalam batas set point, tidak ada interfensi ke sistem.
Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
