Amir-hamzah-Makalah Fluks dan Spektrum Neutron TKPFN 18.doc

5/24/2018 Amir-hamzah-Makalah Fluks dan Spektrum Neutron TKPFN 18.doc

ANALISIS DISTRIBUSI FLUKS DAN SPEKTRUM NEUTRON REAKTOR

PLTN PWR 1000 MWe MENGGUNAKAN PROGRAM MCNP

Amir HamzahPusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir

Kawasan Puspiptek Gd. 80 Serpong, Tangerang Selatan

email: ahamzah!atan.go.id

Ab!ra"

ANALISIS DISTRIBUSI FLUKS DAN SPEKTRUM NEUTRON REAKTOR

PLTN PWR 1000 MWe MENGGUNAKAN PROGRAM MCNP# "alam rangka

penguasaan teknologi P#TN, PTRKN $ %&T&N mempun'ai tugas menganalisis

!er!agai aspek reaktor P#TN. Tu(uan dari penelitian ini adalah analisis distri!usi )luks

dan spektrum neutron teras reaktor P#TN. "ata distri!usi )luks dan spektrum neutron

ini sangat di!utuhkan dalam analisis teras dan lainn'a diantaran'a analisis perusakan!e(ana tekan P#TN P*R 'ang dise!a!kan oleh radiasi neutron +epat radiation

damage-. "engan didapatn'a data )luks neutron +epat di !e(ana tekan maka akan dapat

diperkirakan umur pakai !e(ana tekan 'ang merupakan umur reaktor P#TN itu sendiri.

&nalisis spektrum neutron di teras reaktor da'a P*R 000 /*e dilakukan

menggunakan program /NP. Reaktor P#TN ini !er!ahan !akar oksida uranium

123- dan matriks 34dimensi dari kisi terasn'a adalah 5 6 5- 'ang dimuati 7 !uah

elemen !akar nuklir sehingga totaln'a terisi 79 ton uranium. Seluruh perangkat %N

terdiri dari ; tingkat penga'aan 'aitu 3,;5!awah teras, air samping teras,

tong, air, kelongsong, !e(ana tekan, !eton dan lapisan udara luar. Penentuan distri!usi

)luks dan spektrum neutron dilakukan ke arah radial di luar !e(ana tekan dengan tingkat

akurasi antara 0< hingga =0< dalam tiap kelompok energi 'ang (umlahn'a = dan 50

kelompok. Perhitungan mem!erikan hasil distri!usi )luks spektrum neutron pada tiap

daerah terse!ut. ?asil analisis )luens neutron +epat @ ,0 /eA- pada !e(ana tekan

menun(ukkan !ahwa pengoperasian selama 00 tahun P#TN ini masih di !awah !atas

nilai perusakan radiasi pada !e(ana tekan.

Ka!a "$%&i'P#TN P*R, )luks neutron, spektrum neutron, /NP.

Ab!ra&!

ANAL(SIS OF DISTRIBUTION OF NEUTRON FLU) AND SPECTRUM OF

1000 MWe PWR REACTOR USING MCNP. Bn order to mastering o) nu+lear

te+hnolog', PTRKN $ %&T&N has the task o) anal'zing the Carious aspe+ts o) nu+lear

power rea+tors. The purpose o) this stud' is neutron )luD distri!ution and spe+trum

anal'sis o) nu+lear power plant rea+tor +ore. Neutron )luD distri!ution and spe+trum

data is needed in the anal'sis o) +ore and anal'sis o) radiation damage o) pressure

Cessels !' )ast neutron radiation. *ith )ast neutron data a+Euired in the pressure Cessel

would !e eDpe+ted use)ul li)e o) pressure Cessels whi+h are rea+tor nu+lear power plant

li)e itsel). The anl'sis o) neutron )luD distri!ution and spe+trum in the 000 /*e P*R

rea+tor power using the /NP program. This nu+lear rea+tor )ueled !' uranium oDide

123- and 34dimensional matriD o) the +ore latti+e is 5 6 5- is loaded with 7pie+es o) nu+lear )uel elements )or a total loaded o) 79 tons o) uranium. &ll )uel
mailto:[email protected]:[email protected]


assem!lies +onsist o) three leCels o) enri+hment is 3.;5++H IJ. Pelaksanaan

penelitian ini ditun(ang dengan dana dalam !entuk program insenti) peningkatan

kemampuan peneliti dan pereka'asa tahun 30. "engan demikian makalah ini

merupakan !agian dari hasil kegiatan 'ang telah dilakukan terse!ut. Tu(uan dari

penelitian ini adalah analisis distri!usi )luks dan spektrum neutron di reaktor P#TN.

"ata distri!usi )luks dan spektrum neutron di reaktor ini sangat di!utuhkan dalam

analisis teras reaktor analisis lain diantaran'a analisis perusakan radiasi !e(ana tekan

P#TN P*R. "engan tersedian'a data distri!usi )luks neutron maka diantaran'a dapat

ditentukan distri!usi da'a di dalam teras reaktor dan spektrum neutron khususn'a

neutron +epat di !e(ana tekan maka akan dapat diperkirakan umur pakai !e(ana tekan

'ang merupakan umur reaktor P#TN itu sendiri.

Pada penelitian 'ang lalu, penulis telah melakukan analisis distri!usi )luks

neutron dan o))set aksial teras reaktor benchmark (enis P*R ;00 /*e ran+angan

K*1 I3JKraftwerk Union AG, RFJ- 'ang telah dipu!likasikan dalam seminar TKPN

ke4= I;J. &nalisis terse!ut dilakukan pada daerah teras akti) dengan model teras

homogen dan (umlah kelompok energi neutron se!an'ak ; kelompok. Namun karena

data 'ang dimiliki han'a !erupa data rapat atom teras dan komponen teras lain, maka

2


hasil analisis distri!usi )luks neutron masih !erupa nilai ternormalisasi 'ang !elum

diperoleh nilai )luks neutron a!solut. "emikian pula pada pu!likasi dalam seminar

TKPN ke49 I=Jdilakukan analisis spektrum neutron di luar !e(ana tekan teras reaktor

da'a (enis P*R ;00 /*e. "an karena data 'ang dimiliki (uga masih !erupa rapat

atom, maka nilai spetrum neutron 'ang diperoleh !erupa nilai ternormalisasi dan nilai

a!solut 'ang ditampilkan masih !erupa pendekatan. Pada makalah ini dituangkan hasil

analisis distri!usi )luks neutron dan spektrum neutron reaktor da'a P*R (enis &P000.

Karena data komposisi !ahan !akar dan komponen teras lain telah diperoleh di dalam

dokumen S&R reaktor &P000 I5J, maka hasil analisis ini !erupa nilai distri!usi )luks

dan spektrum neutron 'ang a!solut.

&nalisis distri!usi )luks dan spektrum neutron di teras reaktor da'a P*R 000

/*e dilakukan menggunakan program /NP I9J. Reaktor P#TN ini !er!ahan !akar

oksida uranium 123- diperka'a dan matriks 34dimensi dari kisi terasn'a adalah 5 6

5- 'ang dimuati 5 %N. Seluruh perangkat %N terdiri dari ; tingkat penga'aan

'aitu 3,;5


dua lapisan terpisah dengan kete!alan total 3 m. "ata material serta dimensi pelet,

!atang dan perangkat !ahan !akar hingga teras tertera pada Ta!el . Kon)igurasi teras

P#TN dengan da'a ;=00 /*th atau /*e dengan pan(angsiklus 8 hingga 3=

!ulan dapat dilihat pada Gam!ar 3.

Ta!el . /aterial dan geometri pelet, !atang dan perangkat serta teras P#TN P*R 000

/*e.

Pee!, material UO.!eri%!er"ensitas < teori- 75.5

"iameter, in 0.;335 0.875 +mpan(ang, in 0.;8 0.78378 +m

/assa 123>)t o) R l!>)t- 0.;99 5.=5 g>+m"ensitas teori- 0.79 g>+m;

Ke,%,%, material 2IRLOTM zir+alo'-"ensitas 9.59 g>+m;

"iameter luar, in 0.;= 0.7=779 +m"iameter dalam, in 0.;37 0.8;599 +m

Ba!a% Baha% Ba"ar 3FR4Pan(ang akti), in 98 =39.3 +m

Marak !atang %%, in 0.=79 .39 +m

Tab$% /e%arah 3GT4, material 2IRLOTM

"iameter dalam, in 0.==3 .3398 +m"iameter luar, in 0.=83 .33=38 +m

Para%"a! Baha% Ba"ar 3FA4

Pengka'aan 3,;5< ;,=0< =,=5& D 39=

Mumlah GT>& 35

"imensi &, in 8.=39 D 8.=39 3.=03 D 3.=03 +m

"imensigridteras > (arak &, in 8.=99 D 8.=99 3.50= D 3.50= +m

Tera Rea"!,r

Susunan &, (umlah & 5 D 5 5

"a'a /*th, /*e- ;=00 Pan(ang siklus !ulan, hingga !ulan- 8 3=

Seim$! 3Baffle4, material, te!al SS 3,3335 +m

T,% 3Barrel4, material SS

"iameter dalam, in ;;.5 ;;7.35 +m

"iameter luar, in ;.5 ;=7.885 +m

Be5a%a Te"a%, material S&4508

"iameter dalam, in 57.00 =0;.8900 +m

"iameter luar, in 9.3= ==.9=79 +m

4


Gam!ar . Perangkat !ahan !akar reaktor P*R 000 /*e.

: penga'aan 3.;5< .. 5; 3 : penga'aan ;.=0< .. 53 ; : penga'aan =.=5< .. 53

Gam!ar 3. Kon)igurasi teras P#TN P*R 000 /*e.

5


.#.# Te,ri

?asil eksekusi program /NP !erupa )luks dan spektrum neutron 'ang masih

dalam nilai ternormalisasi. 1ntuk itu maka diperlukan suatu !esaran agar dapat

diperoleh nilai )luks dan spektrum neutron. Se+ara sederhana !esarn'a )luks neutron

rerata persatuan Colume teras reaktor dapat ditentukan dengan persamaan: I8J

. -

"an penentuan )luks neutron pada sel 'ang dihitung dilakukan dengan persamaan:

. 3-

dengan:

P O da'a reaktor ;=00 /*th-

ER O energi 'ang ditepaskan tiap reaksi )isi ;,34 Moule-

f O tampang lintang makroskopis )isi +m3.g, f D m; f: tampang lintang

mikrosskopis )isi +m3-, m: massa !ahan )isil g--

V O Colume teras reaktor +m;-

Tally F O "ata hasil keluaran program /NP

V!el O Colume sel 'ang dianalisis +m;-

%esaran )luks neutron ini merupakan kuat sum!er neutron teras reaktor P#TN P*R

000 /*e ;=00 /*th- dengan komposisi dan dimensi 'ang telah di!ahas pada !a!

se!elumn'a. luks neutron ini dipakai untuk mendapatkan nilai )luks neutron hasil

analisis menggunakan program /NP.

III# Ta!a Ker5a

6#1# Perhi!$%a% ",m/,ii ma!eria

%erdasarkan ukuran geometri teras reaktor P#TN dan massa total tiap

komponen struktur reaktor maka dihitung komposisi dalam satuan atom>!arn.+m.

Seluruh !agian dari reaktor dimasukkan ke dalam pemodelan geometri karena semua

memiliki kontri!usi dalam pen'erapan radiasi neutron 'ang dihasilkan dari reaksi )isi di

teras reaktor. Selain perisai, komponen dan !ahan 'ang ada di dalam reaktor termasuk

air pendingin masing4masing memiliki kontri!usi dalam pen'erapan neutron. Tingkat

pen'erapan masing4masing !ahan terhadap neutron dan gamma sangat ditentukan oleh

6


tampang lintang serapan dari tiap4tiap atom di dalam !ahan. Neutron umumn'a mudah

diperlam!at oleh !ahan dengan kandungan atom ringan seperti hidrogen, kar!on, !oron

dan sangat mudah diserap oleh kadmium.

6#.# Pem,-ea% !era rea"!,r

Teras reaktor P#TN dimodelkan ke dalam !e!erapa zona 'aitu teras, selimut, air

, tong, air 3, kelongsong, !e(ana tekan dan !eton. Pemodelan dilakukan sesederhana

mungkin namun tidak mengurangi akurasi hasil analisis. Pemodelan reaktor dilakukan

menggunakan program Aisd IJ!erdasarkan data4data komposisi dan geometri reaktor

P*R 000 /*e. Ke!enaran model 'ang di!uat akan sangat menentukan ke!enaran

analisis selan(utn'a.

6#6# A%aii 7$" %e$!r,%

Seperti dise!utkan di atas, masukan paket program /NP 'ang utama

diantaran'a meliputi:

a. Geometri o!(ek.

Geometri o!(ek di!uat sesuai dengan ukuran dimensi o!(ek 'ang se!enarn'a dan

diCisualisasikan dengan program Cised "i!#al editor- untuk menge+ek ke!enaran

model 'ang di!uat.

!. Menis dan kerapatan nuklida 'ang menempati o!(ek.

Menis o!(ek 'ang diasukkan sesuai dengan penamaan 'ang tertera di dalam pustaka

tampang lintang. Kerapatan nuklida 'ang dianalisis dapat !erupa rapat atom atau

rapat massa tiap4tiap nuklida 'ang hadir.

+. Posisi>lokasi deteksi dan pengelompokan energi neutron

Posisi>lokasi deteksi harus ditentukan sehingga keluaran program mem!erikan hasil

'ang dikehendaki. Pengelompokkan energi dalam analisis distri!usi )luks neutron

mengikuti pengelompokkan energi 'ang dilakukan oleh group neutronik 'aitu

9,354 /eA, 9,354 5,5;4; /eA, 5,5;4; ,0 /eA dan @ ,0

/eA. Sedangkan dalam analisis spektrum neutron dilakukan dalam 50 kelompok

energi neutron.

ksekusi program /NP dilakukan dengan mengoptimumkan (umlah histori

kela'akan statistik- dan lama unit pemroses $PU time-. Penentuan nilai )luks dan

7


spektrum neutron dilakukan !erdasarkan hasil keluaran eksekusi program dan diolah

menggunakan persamaan 3-.

I8# HASIL DAN PEMBAHASAN

9#1# M,-e /era%"a! -a% !era rea"!,r

/odel teras reaktor P#TN P*R 000 /*e di!uat dan diCisualisasikan

menggunakan program Aisd. "engan program terse!ut, input 'ang di!uat untuk

program /NP dan dari segi geometri dapat di+ek ke!enarann'a. /odel teras se+ara

melintang dan mem!u(ur dapat dilihat pada Gam!ar ; dan =. ?al terpenting dalam

pemodelan dengan /NP adalah geometri. &kurasi hasil pemodelan (uga sangat

ditentukan oleh kesesuaian dengan geometri o!'ek 'ang akan dimodelkan. Geometri

reaktor 'ang dimodelkan meliputi komponen teras reaktor, selimut, tong, !e(ana tekan

perisai !iologi dan tentun'a air pendingin serta udara. Seluruh !agian dari reaktor

dimasukkan ke dalam pemodelan geometri karena semua meterial terse!ut mengalami

proses interaksi dengan neutron 'ang dihasilkan dari reaksi )isi di teras reaktor.

8

Tera

Be!,%

U-ara

Be5a%a !e"a%

Barre

Ba77e


Gam!ar =. /odel melintang reaktor P*R 000 /*e.

Gam!ar 5. /odel mem!u(ur reaktor P*R 000 /*e.

?asil eksekusi program /NP atas model teras P#TN P*R 000 /*e

terse!ut tanpa adan'a !ahan pen'erap seperti pirek, B%&, !oron, Denon dan !atang

kendali mem!erikan nilai )aktor perlipatan e)ekti) se!esar .;90 Q 0.00009. "engan

demikian dapat di'akini !ahwa model 'ang di!uat telah sesuai dengan kondisi teras

reaktor terse!ut, sehingga analisis selan(utn'a dapat dilakukan dengan !aik.

9#.# Hai a%aii

&nalisis spektrum neutron di teras P#TN P*R 000 /*e menggunakan

program /NP telah memenuhi ke4; kriteria ketelitian perhitungan I9J. Parameter

kesalahan relati) telah men+apai angka 'ang le!ih rendah dari 0,05 diperoleh 0,0=-.

Parameter Variance of "ariance V%V- telah men+apai nilai kurang dari 0, diperoleh

0,08- dan parameter Fig#re of merit F%&- telah ter+apai nilai konstan untuk setiap

urutan pengam!ilan se(umlah partikel 'ang dirunut.

9

Tera

Be!,%

U-ara

Be5a%a !e"a%

Barre

Ba77e

Air

/e%-i%i%


?asil perhitungan distri!usi )luks dan spektrum neutron pada arah radial mulai

dari sum!u pusat teras reaktor P#TN P*R 000 /*e menggunakan program /NP

diplot pada Gam!ar 9, dan 8. Seperti terlihat pada Gam!ar 9, )luks neutron di dalam

teras reaktor untuk semua kelompok energi tidak (auh !er!eda. Pada daerah &ir

)luks neutron termal tim!ul kenaikan karena ter(adi pemantulan namun hal itu tidak

ter(adi pada daerah &ir 3. Kenaikan )luks termal dan epitermal ter(adi di daerah

udara 'aitu +elah antara !e(ana tekan dan !eton sedangkan )luks neutron +epat han'a

sedikit mengalami kenaikan di daerah ini. Pada Gam!ar 9 ini (uga terlihat !ahwa da'a

tem!us neutron +epat pada daerah perisai !iologi !eton- paling (auh.

Gam!ar 9. "istri!usi )luks neutron kearah radial dari sum!u teras reaktor P*R 000

/*e.

?asil analisis spektrum neutron reaktor 'ang ditun(ukkan pada Gam!ar dan 8

menun(ukkan hal 'ang senada dengan Gam!ar 9, 'aitu !ahwa spektrum neutron pada

(arak 30 +m !e(ana tekan- dari pusat teras le!ih rendah dari spektrum pada (arak 335

dan 3;9 +m. Pada Gam!ar dan 8 (uga terlihat penurunan spektrum neutron di dalam

teras reaktor 'aitu pada (arak sekitar atau kurang dari 50 +m ter(adi se+ara gradual, hal

'ang tidak ter(adi di luar radius terse!ut. Pada gam!ar4gam!ar terse!ut (uga

menun(ukkan )luks neutron di daerah !e(ana tekan. luks neutron rerata 'ang !erenergi

10


di atas /eA pada posisi ini !erorde 0 n>+m3>det. Nilai )luks neutron terse!ut

memiliki kesalahan 'ang masih +ukup tinggi 'aitu sekitar 35


Gam!ar 8. Spektrum neutron dalam satuan lethargypada arah radial dari sum!u teras

reaktor P*R 000 /*e.

Seperti diketahui, material dominan di !e(ana tekan adalah !esi. Terhadap

neutron termal dan epitermal, isotop4isotop !esi mengalami reaksi aktiCasi. "engan

demikian pengaruh )luks neutron termal terhadap perusakan radiasi terse!ut sangat ke+il

sehingga dia!aikan. #ain haln'a terhadap neutron +epat dengan energi di atas ,0 /eA,

selain ter(adi reaksi aktiCasi, kemungkinan 'ang sangat tidak diharapkan adalah

ter(adin'a tum!ukan elastik neutron terhadap atom4atom !esi didalam struktur

kristaln'a. Tum!ukan neutron 'ang energin'a +ukup tinggi terse!ut dapat

mengaki!atkan ter(adin'a perusakan radiasi diantaran'a penggetasan pada material

!e(ana tekan. "engan demikian e)ek dari proses ini mengaki!atkan umur !e(ana tekan

akan semakin pendek.

Satuan dari perusakan radiasi ini dikenal se!agai di!'lacement! 'er atom dpa-

per tahun. Sedangkan parameter 'ang menun(ukkan kuantisasi perusakan radiasi adalah

)luens neutron 'aitu )luks neutron dikali waktu. %esarn'a )luens neutron +epat @ ,0

/eA- 'ang dapat mengaki!atkan ter(adin'a perusakan radiasi adalah !erorde 030n>+m3

atau 03=n>m3 I7J. 1ntuk kasus pada penelitian ini orde )luks neutron +epat adalah 0

n>+m3

>detik. /aka untuk pengoperasian P#TN P*R ini selama 00 tahun, )luensneutron +epat di !e(ana tekan !erorde 0 n>+m3. "engan demikian dari sisi )luens

neutron +epat di !e(ana tekan dapat dikatakan P#TN ini masih aman dioperasikan

hingga 00 tahun.

8# KESIMPULAN DAN SARAN

?asil analisis distri!usi )luks relati) senada dengan spektrum neutron teras

P#TN P*R 000 /*e pada daerah4daerah teras, selimut, air , tong, air 3, !e(ana

tekan, uadara dan perisai !iologi. Nilai )luens neutron +epat @ /eA- di !e(ana

tekan untuk masa operasi reaktor P#TN selama 00 tahun masih di !awah angka !atas

)luens 'ang dapat mengaki!atkan ter(adin'a perusakan radiasi.

1ntuk meningkatkan ketelitian analisis, pada penelitian 'ang akan datang akan

ditingkatkan model dan di+ari +ara agar eksekusi /NP le!ih e)isian karena waktu

eksekusi program masih +ukup lama.

UCAPAN TERIMA KASIH

12


Pada kesempatan ini, penulis men'ampaikan u+apan terima kasih kepada Kementrian

Riset dan Teknologi atas kesempatan 'ang di!erikan kepada penulis untuk melakukan

penelitian dalam wadah PB PKPP tahun 303, sehingga penulis dapat mempu!likasikan

kar'a tulis ini kepada khala'ak.

DAFTAR PUSTAKA

IJ. &N2NB/, Ren+ana strate(ik %&T&N Tahun 300430=, Su! Kegiatan

Pengem!angan Peman)aatan Reaktor riset dan Aeri)ikasi "esain Teras Reaktor

"a'a P*R, 300.

I3J. ??N, G. and K2%&N, M., Rea+tor Shielding %en+hmark no.3 )or a Pressurized

*ater Rea+tor, 2" Nu+lear nerg' &gen+', ommittee on Rea+tor Ph'si+s,

do+ument no. N&RP4#45, Paris, 79.

I;J. ?&/&?, &., &nalisis "istri!usi luks Neutron dan 2))set &ksial Teras Reaktor

P#TN Menis P*R ;00 /*e /enggunakan Program /NP, Prosiding seminar

TKPN ke4=, 3008, p88 $ 79.

I=J. ?&/&?, &., &nalisis Spektrum Neutron epat "i %e(ana Tekan P#TN P*R

/enggunakan Program /NP, Prosiding seminar TKPN ke49, 300, p37 $ ;5.

I5J. &N2NB/, &P 000 uropean "esign ontrol "o+ument, *estinghouse le+tri+

ompan' ##, PS4G*4G#400, 3007-.

I9J. U45 /2NT &R#2 T&/, /NP $ & General /onte arlo N4Parti+le

Transport ode, Aersion 5, #os &lamos National #a!orator', Mune ;0, 300=.

IJ. S?*&R, &.#. at.all., /NP>/NPU Aisual ditor omputer ode /anual

or Aised Aersion 33S, e!ruari, 3008.

I8J. #&/&RS?, M.R., Bntrodu+tion to Nu+lear Rea+tor Theor', &meri+an Nu+lear

Sosiet',&SBN>BS%N 087==80=05, Septem!er 3003-.

I7J. 21RTNV, T.?., /e+hani+al %ehaCior o) /aterials, /+Graw4?ill Pu!lishing

ompan', New Vork, 770.

13

Amir-hamzah-Makalah Fluks dan Spektrum Neutron TKPFN 18.doc

Documents

Transcript of Amir-hamzah-Makalah Fluks dan Spektrum Neutron TKPFN 18.doc