VERIFIKASI PERHITUNGAN TEMPERATUR ELEMEN BAKAR REAKTOR KARTINI

Prosiding Seminar Keselamatan Nuklir, 5 – 6 Agustus 2009

VERIFIKASI PERHITUNGAN TEMPERATUR ELEMEN BAKAR REAKTOR KARTINI Budi Rohman Pusat Pengkajian Sistem dan Teknologi Pengawasan Instalasi dan Bahan Nuklir Badan Pengawas Tenaga Nuklir (BAPETEN) ABSTRAK Verifikasi Perhitungan Temperatur Elemen Bakar Reaktor Kartini. . Sehubungan dengan akan berakhirnya izin operasi reaktor Kartini pada tahun 2010, pihak pengoperasi saat ini mengajukan permohonan perpanjangan izin operasi reaktor. Sejalan dengan proses ini, Pusat Pengkajian Sistem dan Teknologi Pengawasan Instalasi dan Bahan Nuklir, Badan Pengawas Tenaga Nuklir, melakukan pengkajian independen terhadap keselamatan termohidrolika teras reaktor Kartini guna mendukung evaluasi terhadap Laporan Analisis Keselamatan (LAK) yang diajukan. Tulisan ini menyajikan prediksi temperatur elemen bakar reaktor Kartini. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan program PARET/ANL yang merupakan program komputer termohidrolik yang secara luas digunakan untuk perhitungan teras reaktor. Dalam analisis ini teras reaktor dibagi menjadi dua daerah, yakni kanal panas dan kanal ratarata. Kanal panas mewakili satu kanal pendingin di mana elemen bakar terpanas berada di dalamnya, sedangkan kanal ratarata mewakili seluruh kanal lainnya. Pada daya reaktor 115 kW, yang merupakan batas keselamatan, dan suhu pendingin masuk teras 49 oC, kajian ini memberikan hasil perhitungan temperatur bahan bakar di titik terpanas sebesar 157.2 oC. Nilai yang tercantum di LAK untuk parameter ini adalah 184 oC, atau terdapat perbedaan sebesar 15.7 % antara hasil kajian dengan nilai di LAK. Kata kunci: Reaktor Kartini, temperatur elemen bakar, PARET/ANL ABSTRACT Verification to the Calculation of Fuel Temperature of Kartini Reactor. The Operating License of Reactor Kartini will be expired in 2010. In anticipation of this matter, the Operating Organization is now submitting the application for Operating License renewal. In conjunction with this activity, the Center for Regulatory Assessment of Nuclear Installations and Nuclear Materials, Nuclear Energy Regulatory Agency, is performing independent safety assessment in thermalhydraulic aspects to support the regulatory evaluation to the Safety Analysis Report (SAR) of the reactor. This paper presents prediction calculation on the temperature of fuel element of the reactor. The calculation is performed using PARET/ANL, a thermalhydraulic code widely applied in the reactor core calculation. For the purpose of this analysis, the reactor core is subdivided into two different regions, i.e. hot channel and average channel. Hot channel represents one cooling channel with the hottest fuel element inside, while average channel represents the remaining channels. For reactor power 115 kW, i.e. the safety limit for the power, and inlet coolant temperature 49 oC, calculation shows that the maximum fuel temperature being 157.2 oC, while the value listed in the SAR reaches 184 oC. In this case, there is a difference of 15.7 % between calculation result and the value listed in the LAK for this parameter. Keywords: Kartini Reactor, fuel temperature, PARET/ANL

221


BAB I

kajian termohidrolik teras reaktor Kartini,

PENDAHULUAN

di mana temperatur elemen bakar merupakan parameter yang sangat penting untuk dihitung karena terkait

1. LATAR BELAKANG

secara lanagsung dengan keselamatan

Reaktor Kartini merupakan

operasi reaktor. Metode yang diterapkan

reaktor penelitian yang berlokasi di

dalam kajian ini adalah dengan

Yogyakarta yang dioperasikan oleh Pusat

komputasi menggunakan paket program

Teknologi Akselerator dan Proses Bahan

PARET/ANL.

(PTAPB), Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN). Saat ini PTAPB sedang

2. TUJUAN KAJIAN

mengajukan izin perpanjangan operasi reaktor ke BAPETEN karena izin operasi

Tujuan kajian ini adalah untuk

reaktor tersebut akan habis masa

melakukan verifikasi pada perhitungan

berlakunya pada tahun 2010. Dalam

temperatur elemen bakar reaktor Kartini

pengajuan izin operasi reaktor, dokumen

guna mendukung evaluasi perhitungan

Laporan Analisis Keselamatan (LAK)

termohidrolik teras reaktor yang terdapat

merupakan salah satu dokumen yang

di dalam LAK Reaktor Kartini yang saat

harus dilampirkan. Sejalan dengan proses

ini tengah diajukan ke BAPETEN dalam

tersebut, Pusat Pengkajian Sistem dan

rangka memperoleh perpanjangan izin

Teknologi Pengawasan Instalasi dan

operasi reaktor.

Bahan Nuklir (P2STPIBN) BAPETEN melakukan pengkajian mandiri terhadap

3. METODE PERHITUNGAN

keselamatan reaktor Kartini terkait dengan tugas pengawasan. Hasil kajian

Perhitungan temperatur elemen

ini digunakan untuk memberikan

bakar reaktor Kartini dilakukan dengan

dukungan teknis kepada Direktorat

menggunakan

Perizinan dalam proses evaluasi dokumen

PARET/ANL. Perhitungan ini dilakukan

LAK.

pada dua tingkat daya yang berlainan, Salah satu aspek yang dilakukan

paket

yakni 100 kW dan 115 kW.

dalam pengkajian keselamatan ini adalah

222

program


4. DESKRIPSI TERAS REAKTOR

kendali, tabung iradiasi, serta elemen

KARTINI

grafit. Teras reaktor memiliki ketinggian 58 cm dan dilingkupi oleh reflektor grafit

Reaktor Kartini merupakan

berbentuk silinder dengan diameter

reaktor jenis TRIGA Mark II tipe kolam

dalam 45.7 cm. Teras dan reflektor

terbuka dengan desain daya 250 kW[1].

ditopang oleh struktur penyangga yang

Berdasarkan izin dari BAPETEN, reaktor

dipasang di dasar tangki. Teras dan

Kartini dioperasikan dengan daya

reflektor ini terendam dalam air setinggi

nominal 100 kW. Kisi reaktor Kartini

4.9 m. Dimensi kisi teras reaktor Kartini

berbentuk anular yang terdiri atas 91

dapat diperoleh dari desain reaktor

lubang masingmasing dengan diameter

TRIGA Mark II seperti tercantum di

3.823 cm seperti dapat dilihat di Gb. 1

Tabel 1.

yang diisi dengan elemen bakar, batang

Tabel 1. Dimensi kisi reaktor TRIGA Mark II[2].

Ring Radius [cm] A 0.000 B 4.054 C 7.981 D 11.946 E 15.916 Dalam konfigurasi saat ini, teras

UZrH1.65 dengan kandungan uranium 8.5

reaktor Kartini memuat 67 elemen bakar

% berat dengan pengkayaan 20 %.

tipe 104 dan 2 elemen bakar tipe 204

Elemen bakar ini berada di dalam

(Instrumented Fuel Element/IFE) serta 3

kelongsong berbentuk tabung yang

batang kendali yang terbuat dari serbuk

terbuat dari SS304. Di antara daging

B4C di dalam kelongsong aluminium

bahan bakar dengan kelongsong terdapat

yang menempati posisi C5, C9, dan E1.

celah (gap) yang diisi dengan He.

Komposisi elemen bakar kedua tipe ini

Dimensi utama elemen bakar tipe104

sama, yakni daging bahan bakar adalah

dapat dilihat di Tabel 2.

Tabel 2. Dimensi elemen bakar tipe 104 [1, 2, 3] Panjang total [cm] 72.24 Dia. daging bahan bakar [cm]

223

36.3


Panjang aktif [cm]

38.1

Reflektor grafit, panjang bawah [cm]

9.39

atas [cm]

6.6

Kelongsong, dia. luar [cm]

3.75

tebal [cm]

0.51

Posisi di tengahtengah teras adalah

dengan dengan satu elemen bakar

central thimble. Posisi di ring terluar

berbentuk silinder atau plat dengan kanal

selain yang berisi elemen bakar berisi

pendingin yang berhubungan dengannya.

tabung pneumatik, sumber neutron, atau

Elemen bakar dapat dibagi hingga 21

elemen bakar tiruan dummy.

bagian aksial dengan perpindahan panas

Teras reaktor didinginkan oleh air

pada masingmasing bagian dihitung

yang ada di dalam tangki reaktor dengan

secara konduksi satu dimensi. Persamaan

mode sirkulasi alam. Air tangki ini

hidrodinamik juga diselesaikan secara

selanjutnya disirkulasikan melalui sistem

satu dimensi pada masingmasing kanal

pendingin primer, di mana panasnya

pendingin tiap node waktu. Perpindahan

ditransfer ke sistem pendingin sekunder

panas dapat terjadi secara konveksi alam

melalui alat penukar panas.

atau paksa, pendidihan inti, transisi, atau pendidihan film stabil. Air pendingin

5.

DESKRIPSI

PROGRAM

dapat mencakup fasa cair subdingin, rezim dua fasa, dan fasa uap lewatpanas.

PARET/ANL

Program ini juga memiliki kemampuan merupakan

untuk perhitungan pembalikan arah aliran

program komputer yang menggabungkan

air pendingin. Selain itu, program ini juga

kemampuan perhitungan termal,

dapat menghitung void yang timbul

hidrodinamik, dan kinetika titik[4]. Teras

dalam pendidihan subdingin.

dapat dimodelkan dalam satu sampai

6.

dengan empat daerah yang berlainan.

KARTINI DALAM PARET

PARET/ANL

Tiaptiap daerah dapat memiliki

PEMODELAN

REAKTOR

Susunan teras reaktor Kartini

parameter pembangkitan daya, laju alir

yang dimodelkan adalah konfigurasi

massa pendingin, dan hidrolika yang

seperti yang diuraikan di LAK Reaktor

berlainan. Daerah tersebut diwakili

Kartini Bab V: Reaktor[1] seperti dapat 224


dilihat di Gb. 1. Dalam konfigurasi ini

anular. Dengan bentuk yang demikian

terdapat 69 elemen bakar dan 3 posisi

maka luasan aliran pendingin menjadi

batang kendali. Distribusi neutron

berlainan dari satu ring ke ring yang lain.

diambil dari perhitungan neutronik

Pada pemodelan dalam PARET, susunan

menggunakan program MCNP5. Untuk

elemen bakar ini didekati dengan kisi

menyederhanakan pemodelan kanal

(lattice) triangular, yakni tiaptiap kanal

pendingin, posisi selain yang berisi

terdiri dari sekelompok tiga batang

elemen bakar atau batang kendali

elemen bakar dengan aliran pendingin di

dianggap berisi batang grafit dummy

antaranya.

dengan diameter sama dengan elemen

Teras reaktor Kartini memiliki

bakar.

bentuk simetri dalam 1/6 bagian seperti Teras reaktor Kartini diwakili

dapat dilihat di Gb. 1. Susunan kanal

oleh dua buah kanal pendingin dengan

dengan kisi triangular untuk 1/6 bagian

pembangkitan daya yang berlainan, yakni

teras tersebut dapat dilihat di Gb. 2. Jarak

kanal panas dan kanal ratarata. Kanal

antar elemen bakar (pitch) dihitung

panas mewakili 1 kanal dengan elemen

dengan merataratakan jarak antara dua

bakar terpanas, sedangkan kanal ratarata

pusat elemen bakar pada ruasruas garis

mewakili kanalkanal yang berisi bahan

seperti digambarkan di Gb. 2. Dengan

bakar selebihnya yang berjumlah 68.

alasan simetri ini, pitch yang dihitung untuk 1/6 bagian teras dapat dianggap mewakili seluruh teras. Dengan berdasar

6.1. Pemodelan Kanal Pendingin Seperti sudah disebut di atas,

pada geometri teras reaktor sebagaimana

susunan elemen bakar dan elemen lain

telah diuraikan di atas, diperoleh dimensi

dalam teras reaktor Kartini berbentuk

untuk kisi triangular reaktor Kartini (lihat Gb. 3) sebagai berikut:

Pitch (P)

= 4.387 cm

Luas aliran kanal

= 2.813 cm2

Jarak pusat elemen bakarpusat aliran pendingin (RN)= 2.533 cm 6.2. Pemodelan Elemen Bakar

Elemen bakar reaktor dibagi menjadi 21 daerah aksial dan 21 titik

6.2.1. Arah aksial

node. Fluks neutron di masingmasing

225


titik node merupakan fluks neutron relatif

Susunan elemen bakar reaktor

yang didefinisikan sebagai perbandingan

dari dalam ke luar meliputi daging bahan

antara fluks neutron setempat dengan

bakar (fuel meat), celah yang berisi He,

fluks neutron ratarata teras. Distribusi

dan kelongsong yang dibuat dari SS304.

fluks neutron ini diwakili oleh distribusi

Elemen bakar ini dimodelkan dalam 3

pembangkitan daya dalam setiap sel

zona atau bagian sesuai dengan material

elemen bakar. Pembagian elemen bakar

penyusunnya sebagaimana digambarkan

dan kanal pendingin pada arah aksial

di Gb. 5. Pembagian node radial untuk

dapat dilihat di Gb. 4.

masingmasing bagian adalah sebagai

6.2.2. Arah radial

berikut:

Daging (meat) bahan bakar

: 5

Celah (gap)

: 2

Kelongsong

: 2

Sifatsifat termal elemen bakar yang digunakan dalam perhitungan ini dapat dilihat di Tabel 3. Tabel 3. Sifat termal elemen bakar. Material

Konduktivitas panas

Panas spesifik volumetrik

[W/(m.oC)]

[J/(m3.oC)]

18

2.04×106+4.17×103T

0.199

666.34

10.59+1.495×102T

3.438×106+1442T

Daging bahan bakar (8.5 % weight UZrH1.6)[5] Celah (He)[6] Kelongsong SS304[7]

digunakan adalah komposisi elemen

6.3. Distribusi Fluks Neutron Distribusi fluks neutron yang

bakar segar tanpa memperhitungkan

digunakan dalam analisis ini didasarkan

fraksi bakar. Dalam pemodelan ini ketiga

pada konfigurasi teras sebagaimana

batang kendali dianggap ditarik ke atas

dijelaskan di atas dan dihitung dengan

seluruhnya sehingga posisinya di teras

program MCNP5. Dalam pemodelan di

digantikan oleh air, dan posisi tabung

MCNP, komposisi elemen bakar yang

pneumatik dianggap sebagai ruang 226


hampa. Input untuk program MCNP 6.4. Pemodelan dan Asumsi Lain

dibangkitkan dengan menggunakan program bantu TrigaMCNP[8]. Dalam perhitungan ini elemen

Perhitungan termohidrolik teras

bakar aktif dibagi menjadi 15 daerah

reaktor Kartini menggunakan program

aksial. Dalam input untuk perhitungan di

PARET dilakukan dengan kode operasi

program PARET elemen bakar dibagi

reactivity specified. Input untuk daya

menjadi 21 daerah aksial sebagaimana

reaktor berturutturut adalah 100 dan 115

dijelaskan di atas di mana nilai fluks

kW, sedang dan temperatur pendingin

neutron untuk masingmasing titik

masuk teras berturutturut adalah 29 dan

dihitung dengan membangkitkan

49 oC sebagaimana dapat dilihat di Tabel

persamaan polinomial berdasarkan

4. Nilai paramterparamer ini diambil se

distribusi fluks neutron sebagaimana

cara demikian dengan maksud agar hasil

dihitung oleh MCNP. Dari perhitungan

perhitungan dapat dibandinginkan

dengan MCNP diperoleh faktor puncak

dengan nilai yang tertera di dalam Bab

daya (Power Peaking Factor/PPF)

XVI: Analisis Keselamatan[1]. Waktu

sebesar 1.88 untuk kanal panas dan 1.25

total perhitungan adalah 100 detik yang

untuk kanal ratarata. Distribusi fluks

merupakan rentang waktu maksimum

neutron yang berasal dari perhitungan

dalam perhitungan dengan program

dengan MCNP dan pendekatan yang

PARET. Parameter hasil perhitungan di

digunakan sebagai input untuk program

anggap representatif kalau nilainya sudah

PARET/ANL baik untuk kanal panas

stabil.

maupun ratarata dapat dilihat di Gb. 6. Tabel 4. Variasi parameter input. Parameter Daya reaktor [kW] Suhu pendingin masuk teras [oC]

Nilai Keterangan 100 Daya nominal 115 Batas keselamatan Temperatur minimum air tangki yang digunakan 29 pada analisis keselamatan dalam LAK Temperatur maksimum air tangki yang digunakan 49 pada analisis keselamatan dalam LAK

227


di LAK adalah 164 oC tau terdapat per

BAB II

bedaan sebesar 10.1 %.

HASIL PERHITUNGAN DAN

Pada daya reaktor 115 kW, untuk

PEMBAHASAN

suhu pendingin masuk teras 29 oC perhi tungan kajian ini memperoleh suhu bahan

Hasil perhitungan memperli

bakar di titik terpanas sebesar 154.9 oC.

hatkan bahwa untuk daya reaktor 100

LAK tidak mencantumkan nilai pada

kW, untuk suhu pendingin masuk teras

kondisi ini. Untuk suhu pendingin masuk

29 C diperoleh suhu bahan bakar di titik

teras 49 oC, perhitungan kajian ini

paling panas sebesar 144.6 oC, sedang

menghasilkan suhu bahan bakar di titik

nilai yang tercantum di LAK adalah 143

terpanas sebesar 157.2 oC, sedangkan

C atau terdapat perbedaan sebesar 1 %

nilai yang terdapat di LAK adalah 184 oC

antara hasil perhitungan dengan nilai

atau terdapat perbedaan sebesart 15.7 %

yang terdapat di LAK. Untuk suhu

antara hasil kajian dengan nilai di LAK.

pendingin masuk teras 49 C, suhu bahan

Hasil selengkapnya dari kajian ini serta

bakar di titik paling panas menurut kajian

nilai yang ada di LAK baik untuk bahan

ini adalah 148.2 C, sedang nilai yang ada

bakar maupun kelongsong dapat dilihat

o

o

o

o

di Tabel 5. Tabel 5. Temperatur elemen bakar Reaktor Kartini. P Tin Tbhn bakar [oC] Perbedaan Tkelongsong [oC] Perbedaan [kW] [oC] (1) (2) [%] (1) (2) [%] 100 29 144.6 143 1.1 103.9 98.4 5.5 49 148.2 164 10.1 106.9 115 29 154.9 109.1 126. 49 157.2 184 15.7 110.8 0 12.8 Keterangan: (1): Nilai dari kajian ini. (2): Nilai dalam LAK Rev. 7[1]. Perbedaan nilai ini bisa berasal dari hal

yang meliputi konduktivitas panas

hal berikut:

dan panas spesifik volumetrik dari ba

•

Perbedaan dalam nilai sifat fisis ba

han bahan bakar, gap, dan kelong

han bakar yang digunakan. Kajian ini

song. Sifat fisis yang tercantum di

memasukkan sifat fisis bahan bakar

LAK yang terkait dengan hal ini ada 228


lah konduktivitas panas dan panas

batas keselamatan (115 kW) masih

spesifik volumetrik bahan bakar,

jauh berada di bawah nilai batas yang

sedangkan parameter lain tidak dican

ditentukan di BKO untuk temperatur

tumkan sehingga tidak bisa diketahui

bahan bakar yakni sebesar 700 oC.

dengan pasti. •

DAFTAR PUSTAKA

Perbedaan dalam asumsi dan korelasi perpindahan panas antara permukaan

[1] Badan Tenaga Nuklir Nasional,

kelongsong dengan air pendingin Secara umum, sampai dengan

Laporan Analisis Keselamatan

daya 115 kW yang merupakan batas ke

Reaktor Kartini Rev. 7. Pusat

selamatan, kondisi bahan bakar yang ter

Teknologi Akselerator dan Proses

cermin dari hasil perhitungan temper

Bahan

aturnya baik yang ada di LAK maupun

Yogyakarta, 2008.

(PTAPB)BATAN,

[2] Ravnik, M., Description of TRIGA

dari hasil kajian menunjukkan kondisi se lamat karena masih berada jauh di bawah

Reactor

nilai batas yang ditentukan di BKO yakni

(www.rcp.ijs.si/ric/description

sebesar 700 oC.

a.html). [3] Villa, M., et. al., The New Area

BAB III

Monitoring System and The Fuel

KESIMPULAN

Database of The TRIGA Mark II Reactor in Vienna.

•

•

Kajian ini memberikan hasil perhitun

[4] Woodruff, W.L., A User Guide for

gan temperatur bahan bakar di titik

the Current ANL Version of the

terpanas untuk suhu pendingin masuk

PARET Code. Argonne National

teras 49 oC adalah sebesar 157.2 oC.

Laboratory, Argonne, Illinois,

Nilai yang tercantum di LAK untuk

December 1982.

parameter ini adalah 184 oC, atau ter

[5] Simnad, M.T., The UZrHx Alloy: Its

dapat perbedaan sebesar 15.7 % ant

Properties and Use in TRIGA Fuel.

ara hasil kajian dengan nilai di LAK.

General Atomic, February 1980.

Nilai temperatur bahan bakar baik

[6] Candalino, Robert W., Engineering

dari hasil perhitungan maupun yang

Analysis of Low Enriched Uranium

tercantum di LAK untuk daya di

Fuel Using Improved Zirconium

229


Hydride Cross Sections. Texas A&M University, August 2006. [7] Incropera, Frank P., et. al., Introduction to Heat Transfer. John Wiley & Sons, New York, 1996. [8] Yazid, Putranto Ilham, TrigaMCNP Ver. 9.0 (computer program). Center for Nuclear Technology of Materials and Radiometry, National Nuclear Energy Agency (BATAN), Bandung, January 2006.

230

LAMPIRAN

Gb. 1. Konfigurasi teras reaktor Kartini[1, 8].

Gb. 3. Kanal pendingin dengan kisi triangular.

Gb. 2. Kisi triangular elemen bakar dalam 1/6 bagian teras.

Gb. 4. Pemodelan elemen bakar arah aksial.

Gb. 5. Pemodelan elemen bakar arah radial.

40 35

Height from Lower end of Active Fuel [cm]

30 25 20 15 10 5 0 0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Relative Neutron Flux Hot Ch (MCNP) Hot Ch (PARET)

Ave Ch (MCNP) Ave Ch (PARET)

Gb. 6. Distribusi fluks neutron.

1.8

2.0

VERIFIKASI PERHITUNGAN TEMPERATUR ELEMEN BAKAR REAKTOR KARTINI

Recommend Documents