STUDI PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI REAKTOR KARTI NI
Soeleman
ALAM
, Syarip, Y. Sarjono
Pusat Penelitian
Nuklir Yogyakarta
ABSTRAK
Telah dilakukan analisis dan perhitungan kondisi steady state dari sistem pendingin primer reaktor Kartini berdasar-kan pola aliran konveksi alamo Pada daya 100,kW, suhu air pendingin di permukaan tangki untuk batas kesel~matan adalah 40°C. Hasil analisis menunjukkan bahwa batas suhu' keselamatan tersebut akan dicapai dalam waktu selama 7,3 jam, jika operasi reaktor dengan sistem pendingin primer tidak dijalankan.
ABSTRACT
The calculation and analysis at steady state condition of the Kartini reactor primary coolant system, based on natural connection coolant flow, has been done_ The safety limit of the coolant temperature at the surface'reactor tank is 40°C. The analysis show that the safety ~limit of the coolant temperature, will be reached within 7,3 hour reactor operation with the primary system off. P
I. PENDAHULUAN
Pembatasan Kartini
besarnya
pada tingkat
adalah
sangat
mukaan
air berkaitan
suhu permukaan
pengoperasian
penting
artinya.
air
daya
dengan aliran
teras semakin pendingin
perpindahan
reaktor Cl00 kW)
suhu
erat dengan suhu pendingi~:daerah
suhu pendingin
yang tidak homogen.
maksimum
Adanya penunjukan
dan suhu bahan bakar Csebagai pembangkit demikian keadaan Dengan pada (transient),
tangki
pada
Perbedaan
dan
Untuk menunjukan
konveksi
hubungan
246
pan~s), ..unsteady
terjadi
suhu tersebut
perpindahan
panas secara
teras state"
daerah yang1semakin
besar sehingga
panas,
per-
distribusi
dekat suhu
akan menimbulkan sehingga
terjadi
alamo
suhu
permukaan
dengan
suhu
247
daerah teras, perlu perhitungan koefisien perpindahan panas konveksi alam untuk reaktor Kartini. Perhitungan koefisien perpindahan
panas diperoleh
dengan
cara melakukan
suhu bahan bakar dan suhu permukaan
air tangki
hasil pengukuran
perkiraan
pendingin kemudian besaran
tersebut
di daerah teras
patan kenaikan
kemudian
Kecepatan
digunakan
suhu maksimum
suhu
kenaikan
untuk
pula
suhu diambil
yaitu dengan
pengoperasian
secara
"steady state" (sirkulasi
Dengan
demikian
dapat diketahui
pada daya 100 kW pada keadaan
menghitung
akan
kece-
diperoleh
lama
yang diijinkan.
besar,
dijalankan
besarnya
Dari
dan
suhu yang berarti
waktu pencapaian
reaktor.
besaran-besaran yang lain, Kartini. Besaranpada kondisi reaktor
dikenakan tersebut
diperoleh
pengukuran
pad a harga yang
reaktor
pada
pendingin lama waktu
pompa
daya 100 kW
primer
dimatikan).
operasi
(aliran)
paling
reaktor
primer
tidak
dan masih pad a kondisi aman.
II. TATA KERJA DAN PERHITUNGAN A. Hidrolika
Dan Panas
Pembangkitan
panas pad a teras reaktor
nya bed a suhu pendingin
di permukaan
rah teras. Aliran fluida hingga
akan terjadi
oleh keadaan karena
permukaan
an fluida setimbangan
reaktor
gaya
yang
oleh perbedaan
Kartini
terlukis
aliran dapat dituliskan
1 ( T" - T 1 ) = Q 2 (T 2 - T 1 )
Q
1 (
se-
karena
disebabkan Oleh aliran. adanya
berat jenis.
gaya
Pola alir-
pada gambaI' (1), dan
Q
Kecepatan
suhu
yang
penampang
terjadi
ada-
reaktor dae-
perbedaan
aliran
dan perubahan
itu aliran fluida
apung yang disebabkan
air tangki
karena adanya
rugi-rugi
menyebabkan
ke-
:
T" - T 2 ) = Q 2 (T 2 - T 1 ) pembangkitan
g" dapat diperoleh
dari
panas volumetrik
dalam
bahan
bakar
248
Tz ke HE
f~
T1 = T" Tz
Q1
T1 Qz
+-T'
(
T1 dari HE
Teras Q1 R Q1 T"~
L L L
Q1 T'
1
Gambar
q"
= G N
¢
O'f
Pol a aliran
MeV/dlz
em
(1)
:3
di mana G
= lenaga
N
= rapal
0' f
= luas penampang
pembelahan
¢
= fluks
n/em2 dl
Pembangkilan gaya apung
liap reaksi pembelahan.
MeV
alom bahan bakar = inli/em:3 neulron.
panas sepanjang
bahan
mikroskopik. bakar
akan
em
2
menimbulkan
sebesar
F '0 = flp 1 A di mana
flp = selisih beral jenis
1
= panjang
aklif bahan bakar
A = luas penampang Kemudian
lerjadi
1. Rugi-rugi
rugi-rugi
gaya geseran
F f = flp A
aliran
A
f
L d-
"eq
gaya yang disebabkan dalam leras sebesar
vz
oleh
249
= = massa mana bumi di percepatan = luas panjang koefisien bahan total bakartasi air jenis kecepatanaliran gravi geseran penampang aliran
L 9
f
A
2. Rugi-rugi
karena adanya lubang pad a "kisi" atas dan "bawah
Untuk tiap lubang dapat ditulis Fo l
= A
'
1
p v
t.p = A ~ -- 2
2
2
~ = faktor gesekan 3. Rugi-rugi gaya karena inersia untuk aliran terbuka berlaku
F.t. n '
Aliran
= A
pada reaktor F
t.p
= A
1
terbuka
semi
2
dianggap
semi terbuka
Ln
Dari kesetimbangan
gaya-gaya
gaya apung = rugi-rugi
F
f
+ F
1 ~L\Ol
Dari persamaan
A
ol
gaya
+ F
=Af~l
dapat dilulis
Ln
d
eq
-~-
P
2
v
ini dapat diperoleh
L\O
L d-
p
eq
Untuk menenlukan
+ A ~
pv
2
persamaan
+
A pv
2
4
substitusi
(2)
+ 2 Z; 2
2 ] _1 +_1
harga kecepalan
di dalam teras reaklor dapat panas dibawa
P V
2
Kartini
pad a aliaran
aliran
diperoleh
dan aliran akan didapal aliran
panas
dan dari dari
perbedaan
suhu
kesetimbangan reaktor
= panas
250
q"l
=
v
pAC
= panas
T" - T B. PenenLuan
=
C T"
P
- T
)
yang dihasilkan
wakLu.
ql
=
t.T
persaLuan
V pAC
p
Suhu Pendingin
KecepaLan dari persamaan
pembangkiLan
(1)
panas volumeLrik
unLuk reaklor
KarLini
dapaL
dihiLung
di mana
N = 2,67 X 1020 inli/cm3 SaLu kali reaksi pembelahan
200 MeV = 1,602 ,
kOp1k unLuk U cm2, sehingga
q"
x 10-13joule dan
23~
dengan neuLron
sebesar
serapan
mikros-
Lampang Lermal
panas LersebuL
dapaL
dihilung
bahan bakar pada daya 100 kW dengan
Menghilung
penurunan
q' ". t.Tb =
577 x 10
adalah
R
suhu
ke-
cara
suhu pada bahan bakar yaiLu
2
4 Ab
di mana R = jari-jari A
bahan bakar = 0,0178 m
b = koefisen daya hanLar panas unLuk bahan bakar = 15,48 kkal C mJam
°~ ,
t.T
_ 4,32 X 106 k kal/m3jam b
-
2. MenghiLung
4 x 15,48
penurunan
CO,0178 m)
2
k kal O~ • C mJam
suhu pada gap
Karena gapnya cukup sempiL maka dapaL diLulis
t.T 9 =
-24
106 kkal/m2 jam
Dari pembangkiLan
1.
energinya
akan diperoleh
= 4,32 X
longsong
pembangkiLan
2 A
= 22,1
°c
251
kkal -4
!J.T
mana O. 155 °cm == 16.75 0.0178 jam = 0.635.10 di m >~ R
9 !J.r C
3. Menghilung
suhu kelongsong
Karena kelebalan
kelongsong
cukup lipis maka dianggap
hunya homogen alau lidak lerjadi penurunan longsong.
Suhu kelongsong
dapat dihitung
ukuran suhu bahan bakar pada daya 100 kW. 133°C T
s
dan suhu kelongsongnya =
T
ke-
dari hasil pengyaitu
sebesar
adalah
-!J.T -!J.T = b 9
b
= 133 - 22.1 - 16.75
4. Menghilung
koefisien
Untuk menghilung lerlebih
suhu pada
su-
= 94.15 °c
perpindahan
besarnya
dahulu dihilung
panas.
koefisien
besarnya
perpindahan
:
- bilangan Prandl. Reynold dan Grashof dengan suhu fluida didaerah teras Iberkisar 50°C. p -- C--_ k
Pr andl
=
Pr
Reynold
=
Re =
Grashof
= Gr
panas
perkiraan
/-l
..
p v
0
=
2 /-l
Unluk mempermudah Inggris di mana p
C
perhilungan
kila gunakan dalam saluan
pada suhu 100 of.
-4 ° = percepalan = aliran 0.364 BTU/jam grafilasi fl of 32 fl/dl2 koefisien = konduklivilas 0.998 BTU/lb 0.164 of lermal rala-rala panas panas Janis =F kec. daya hanlar = 2 x 10 v / = -3 Ib/fldt = 1.6 lb angka kekenlalan == = 0.458 x fl/del 10 ~ f Jam
252
0
lLp
= kerapa~an diame~er pendingi 4,52 = = 62 1,2Ib/l~3 f'~ selisihhidrolis suhu pendingin dengan panjang bahan bakar
un~uk reak~or berben~uk hidrolis
Kar~ini
kisi segi
dengan ~iga akan
_ luas penampang aliran - keliling ~erbasahi
o
Re _ 62 x 0,164 x 0,0351 -3 0,458 x 10 G .P
r
r
-
bahan bakar
diperoleh
= 1,07
of
diame~er
em = 0,0351
f'~
760,025
2 3 x(62) xO,998x92xCl,2)
1,6
G r P r = 102,47
Koef'isien perpindahan
of Jam he °c=. 0,555 = 0,555.0,364 Cl02 47)
panas.
BTU
0,335 wa~~/Cm
~
Skema distribusi dingin
-4
=
susunan
= 92
= 110266581,6
I v' 4/
_ 4,52x32x2xl0
kelongsong
terlukis
r CG.P r
)O,2~ f~2 = 589,77
suhu di dalam bahan bakar sampai
air
pen-
pada gambar (2).
t:.Tb
t:.Tg
t:.Tr
To
Ts
Tb
Gambar 2 . Dis~ribusi
suhu
Tr
253
5. Perhitungan besarnya
lama waktu
yang
suhu permukaan
untuk permukaan
adalah
Suhu tersebut
40 °e.
dengan sistem
singkat.
primair
permukaan air tangki per'samaan
untuk Suhu
diijinkan.
mencapai maksimum
air tangki reaktor Kartini akan
bilamana
dimatikan
100 kW. Untuk menghitung
In
yang
yang diijinkan
waktu yang paling
at
diperlukan
dapat
dieapai dengan
reaktor
dioperasikan
Csteadystate)
waktu yang diperlukan
reaktor meneapai
40°C
pada
daya
agar
suhu
adalah dengan
--
'0.b t mana = tangki c suhu teras tair reak tor p permukaan pendingin pada daerah P 4h C D e
=
t t
t b = suhu awal pendingin
p
ee
D
h c = koefisien perpindahan panas reaktor Kartini = 0.335 waU,/cm 2 dt 0e = 0.0804 eal/em 2dt o~C 0 = kenaikan reaktor terass suhu air = = diameter 0.998 = 0,307 cal/gr C p waktu berat jenis jeni
Sehingga
ta - t ta - tb
4h =
exp ( - P
e:
De)
Dengan trial dan error akan diperoleh t a = 54.4°e
e
= 7.3 jam
III. HASI L DAN PENBAHASAN
Pengukuran
suhu bahan bakar
dilakukan
untuk
beberapa
t.ingkat daya dan data yang digunakan pada daya 100 kW dengan menggunakan IFE (Instrumented Fuel Element). Pad a daya 100 kW diperoleh suhu bahan bakar sebesar 133°C mana pada posisi tersebut besarnya fluks
pada ring B. di neutron
adalah
254
paling linggi. Fluks neulron maksimum bangkilan
berarli
lerjadi
pem-
panas yang paling besar.
Pembangkilan
panas maksimum
naikan suhu pada pendingin
mengakibalkan
, keeepalan
paling besar. demikian
pula
kepada
per muk aan ai r tangk i reak lor ..Dengan memper kirak an suhu pendingin pada daerah leras yang diwakili berkisar
50°C. akan diperoleh
oleh
daerah
ring B 2 ° wall/em C.
harga h c = 0.335 besaran koefisien
Harga h c lersebul merupakan perpindahan panas untuk reaklor Karlini pada daya 100 kW. Kemudian karereaklor pada daya 100 kW.
na parameter lenlukan
lama waklu Ce) yang diperlukan
sehingga
dapal kila
agar suhu
permukaan
air langki meneapai 40°C. harga e sebesar 7.3 jam merupakan Dalam hal ini berarli bahwa bila harga yang paling keeil. Hasil perhilungan
reaklor harga
e
beroperasi
dengan daya lebih rendah
akan
diperoleh
yang lebih besar.
IV. KESI MPULAN
Dalam perhilungan
unluk daya 100 kW yang lelah
dilaku-
harqa h c = 0.335 wall/em2 °c dan harga e sebesar 7.3 jam. Dalam hal ini harga e merupakan lama waklu ler-
kan diperoleh
keeil untuk kenaikan suhu permukaan
40°C. karena daya reaklor unluk daya
<
100
kW harga
maksimum
e
hanya 100 kW.
Kemudian reak-
Dengan perkat.aan lain bahwa pada kondisi
pompa
selama 7.3 jam.
hasil penelitian kan penelitian
angka keselamalan
jam.
unluk
primer lidak dapal dijalankan. operasikan
agar meneapai
akan lebih besar dari 7.3
Hasil besaran e ini merupakan lor Karlini.
air langki
reaklor
masih bisa untuk
Hasil perhitungan
awal yang dapal digunakan
ini
di-
merupakan
untuk mengembang-
selanjutnya.
ACUAN
1. Mohammad
Ridwan dkk. "Pengantar
Ilmu
Pengetahuan
10g1 Nuklir" Badan Tenaga Atom Nasional 2. Ulaja. Bambang Selyadji,
Hari Sudirdjo,
1978 "Analisa
TeknoTermo-
255
hi dr 01 i k Reak t.or Kar t.i ni ". Pr osi di ng Per lemua.n senlasi Ilmiah PPBMI - BATAN1985.
dan
Pr e-
3. Frank Kreilh, "Principle of Heal Transfer", Harper & Row, Publicher. Ioc 1973. 4. C 0 Bennet.. & J E Myers ; "Momenlum, Heal And Mass Transfer" Me Gra VI - Hi 11 Chemi cal Engi neer i ng Ser i es; Singapore Reprint 1975. 5. William H Me Adams; "Heal Transmission", Me Graw - Hill Book Company 1985.
TANYA
.JAWAB
1. Utaja
a.
Kenapa
dihi tune
tidak
Lewat
harea
air
reaktor
dan
daya :P b. Baeaimana
anda menehitune
Nu :P
.Jawaban
a.
Cara perhitunean
ini adaLah untuk meneetahui
parameter perpindahan pind~~an panas he b. NusseLt
untuk
dihitune
aLiran
aneeap semua 2. Bambane
a.
dari
panas. misaLnya jormuLasi
parameternya
koejisien
yane
Laminer dan turbuLent
parameter
dapat
dan
bukan merupakan
denean
per-
berLaku mene-
junesi suhu.
S
Baeaimana
menentukan
keeepatan
aLiran rata- rata daLam
penen.tv.anbi Lanean Reynold? b. Apa munekin
dapat ditentukan
denean eara eksperimen
?
.Ja~~ban a.. J1en.-entuka.n kecepa.tan aL iran rata-rata data peneukuran perhitunean
yane
teLah diLakukan
denean meneambi L oLeh Ir Utaja dan
oLeh Ir Syarip
b. Di ten.t1..L~an denean eksperimen bi La hanya daLam satu arah vert ikaL.
dianeeap
aL iran
