ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

ANALISIS DISTRIBUSI DAYA DAN KONSENTRASI ISOTOPPRODUK FISI PADA SINGLE ROD U02 TERMODIFIKASI

R Sigit EB Prasetyo, Jan Setiawan, Suwardi

ABSTRAK

ANALISIS DISTRIBUSI DAYA DAN KONSENTRASI ISOTOP PRODUK FISI PADA

SINGLE ROD UOz TERMODIFIKASI. Penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahuiunjuk kerja reaktor secara keseluruhan yang terlihat dari profil daya pad a bahan bakardengan menggunakan simulasi kode komputer. Kode Komputer RaDBURN digunakanuntuk menentukan profil daya pada arah radial dan aksial, menghitung fluks neutroncepat serta menghitung konsentrasi isotop produk fisi dan material fisil yang dihasilkanpada single rod teriradiasi. Dibutuhkan beberapa input antara lain geometri, material dankomposisi bahan bakar maupun kelongsong. Dalam penelitian ini data bahan bakarPWR UOz termodifikasi telah digunakan untuk mendapatkan P, ? . N (r,z) dengan kodeRaDBURN dan digunakan untuk menganalisis unjuk kerja bahan bakar

Kata Kunci : RaDBURN, profil daya aksial, UOz.

PENDAHULUAN

Kode komputer sebagai salah satu penyelesaian permasalahan dalam bidang teknik nuklirsaat ini sudah banyak dikembangkan. Pad a prinsipnya kode komputer yang dalam hal ini berkaitanerat dengan pemodelan dan desain digunakan untuk memprediksi karakteristik bahan bakar maupunteras secara keseluruhan. Penggunaan software pada umumnya bertujuan untuk meminimalisasiresiko dan biaya dengan akurasi perhitungan yang tepat dan sesuai dengan kondisi sebenarnya.

Dalam kegiatan ini. RaDBURN digunakan untuk menentukan distribusi daya pada suatubatang bahan bakar PWR UOz teriradiasi pada arah aksial dan lebih jauh lagi bisa untukmenentukan konsentrasi isotop produk fisi yang dihasilkan[1]. Profil distribusi fluks neutron dandistribusi daya akan sangat menentukan kinerja bahan bakar. dari gambaran distribusi daya bisa kitalihat ada tidaknya lonjakan-Ionjakan daya yang mungkin terjadi pada operasi bahan bakar sehinggabila terjadi hal-hal seperti itu akan sangat mungkin dilakukan optimasi desain. Konsentrasi isotophasil fisi pada akhir periode reaktor juga menentukan seberapa besar pengaruhnya terhadapperubahan dimensi bahan bakar yang akan digunakan sebagai umpan balik pada desain bahanbakar.

METODOLOGI

Langkah-Iangkah yang dilakukan dalam penelitian ini antar lain:

1. Familiarisasi penggunaan kode komputer RaDBURN dengan mencoba beberapa desain bahanbakar yang sudah ada.

2. Penentuan dimensi elemen bahan bakar

Dimensi bahan bakar meliputi diameter pelet bahan bakar, kelongsong,tinggi bahan bakartermasuk elemen penyusunnya seperti terlihat pada Tabel1.

121

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

Tabel 1. Karakteristik Bahan Bakar Modifikasi U02

ISSN 0854 - 5561

Material Bahan Bakar/Pengayaan U021 5%

Dimensi Pelet

0,82 x 1,35 em

Material Kelongsong

Zr-2

Pendingin

H2O

Tinggi Bahan Bakar Aktif

150,5 em

Diameter terluar Kelongsong

0,95 em

Fuel Rod Piteh

1,26 em

3. Pemodelan bahan bakar

Pad a tahapan ini dilakukan pembagian zona pada bahan bakar. Pada penelitian ini zona dibagimenjadi 7 daerah aksial dan 20 daerah radial. Pad a prinsipnya pembagian zona akanmenentuki:1n akurasi dari perhitungan.

4. Perhitungan menggunakan kode komputer RODBURN dengan menggunakan input-input padalangkah 2 dan 3.

5. Melakukan analisis terhadap hasil keluaran dari perhitungan. Hasil-hasil keluarannya antara lain:

• Fluks neutron eepat dan neutron thermal arah aksial dan radial bahan bakar

• Rapat daya arah aksial dan radial

• Konsentrasi isotop hasH fisi arah aksial dan radial baik yang berupa material fisil maupun gas

Diagram alir dari penggunaan kode komputer RODBURN bisa digambarkan sebagaiberikut:

122

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

INPUT (Penempatan Mesh rod, penetapanelemen, material dan power history)

Resonance Integral in each mesh..........................................................................................................................................................

: :: Infinite diluting cross-section :by WIMS-D library

(3.52keV-O.821 MeV)

: J ~ : : ·1..···· · ·,1 RABBLE 1

............... 1..•............................................!' : ~

I ~~~~~~~.~~~.~~~~.~~.~~~.~~~~~ J ·1 ~~~ ~.~.~.~.t~~~ 1

Revisi ORIGEN resonance librari dari U, Pu and Isotopnya

Perhitungan Jumlah Material Fisil Sepanjang aksial batang bahan

Kenaikan ~tSpecifies three group spectrum constants

(thermal, fast, resonance)- ORIGEN? PWR & BWR- Halden data? Halden reactor

------{Menentukan Fluks neutron termal pada arah radial Pada Tabel yangdisajikan untuk PWR dan BWR (WIMS-D )

- Halden reactor? Robertson's formula.- Fast and resonance flux? Nilai Rerata

- __ tPerhitungan Daya per Satuan fluks di Setiap Mesh

___ tPerhitungan Flux di Setiap Mesh

!Perhitungan Burnup dengan ORIGEN

1II File Output II

123

Profil PembangkitanPanas Linier (aksial)

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

HASIL DAN PEMBAHASAN

ISSN 0854 - 5561

1. Distribusi Fluks Neutron dan Daya

Dari hasil perhitungan dengan menggunakan kode komputer RODBURN didapatkan profildari salah satu pola distribusi daya aksial pada bahan bakar. Pad a kegiatan ini dilakukan pembagianarah aksial sebanyak tujuh daerah. Profil distribusi fluks neutron, daya pad a arah aksial danbeberapa hasillainnya bisa dilihat pada Gambar 1 sampai dengan Gambar 3.

Distribusi Fluks NeutronI -+- Therrral - Fast I

160

140120100.!!!

II)80

..10: ~ 60

40200O.OOE+OO

1.00E+13 2.00E+13

Ruks

3.00E+13 4.00E+13 5.00E+13

Gambar 1. Distribusi Fluks Neutron

Distribusi Daya Aksial

8

7

6

:; 5~ 4.!!.N 3

2

oO.OOE+OO 5.00E+01 1.00E+02

Daya (W/cm3)

1.50E+02 2.00E+02

Gambar 2. Distribusi Daya Aksial

124

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

2.50E+<J2

2.00E+<J2E

1.50E+<J2u

~<II

1.00E+<J2>-

<II05.00E+<J1

O.OOE+<JO

0

1020304050607080

Waktu

Gambar 3. Distribusi Daya VS Waktu

Dari Gambar 1, 2, dan 3 bisa kita lihat distribusi fluks neutron arah aksial terlihat merata

walaupun di salah satu titik terjadi lonjakan yang disebabkan oleh adanya aksi dari batang kendalLPenentuan gambaran fluks neutron sangat penting, karena berkaitan erat dengan distribusi daya.Distribusi fluks neutron yang tidak merata akan menyebabkan terjadinya puncak daya yang tidakdiinginkan[21• Pada reaktor daya, kerataan fluks bisa dikendalikan dengan menggunakan batangkendali sehingga perubahan daya pada arah aksial bisa dikendalikan. Apabila perubahan daya tidakdikendalikan akan menyebabkan penggunaan bahan bakar yang tidak efisien yang disebabkan olehtidak meratanya pembakaran bahan bakarI31•

2. Konsentrasi Isotop, Gas dan Beberapa Hasil Fisi pada Awal Periode Reaktor (BOl) danAkhir Periode Reaktor (EOl)

Konsentrasi lsotop Fisi BOl arah radial I-+- Pu-239I8.006-08

U7.006-08

~

6.006-08

~

5.006-08

'(ij

4.006-08

~3.006-08OJ

~

2.006-08

1.006-08O.OOE+OO 0

0.10.20.30.40.5

Radial (em)

Gambar 4. Konsentrasi Isotop Fisi BOL arah Radial

125

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

Konsentrasi lsotop Fisi EOl Arah Radial6.005-04

ISSN 0854 - 5561

I-+- Pu-239 - U-2351

U.!:!

Eo1a

.!i!!

'iijco•..

.•..cQ)IIICo~

5.005-04

4.005-04

3.005-04

2.005-04

1.005-04

0.00800

o 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Radial (em)

Gambar 5. Konsentrasi Isotop Fisi EOl arah Radial

Konsentrasl U-235 BOL-EOL

2.505-03

U2.00&03

~.;

1 .505-03

iii ~1 .00&03

Q)

~5.00&04

O.OOB-OO

0

2 4

Waktu

6 8 10

Gambar 6. Konsentrasi U-235 BOl-EOl

Konsentrasi Pu-239 BOl-EOL

2.005-04

1.805-04u.!:! 1.605-04

~ 1.405-04.•..

~ 1.205-04

~ 1.005-04

.s 8.005-05; 6.005-05III

g 4.00&05~ 2.00&05

O.OOB-OO

o 2 4 6

Waktu

8 10 12 14

Gambar 7. Konsentrasi Pu-239 BOl-EOl

126

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

Tabel 2. Konsentrasi Gas Emisi Hasil Fisi pada arah radial Rod

ArahKonsentrasi (g-atom/cc)

RadialXe HeKr

1

6.35E-04 7.39E-067.14E-05

2

6.39E-04 7.43E-067.16E-05

3

6.42E-04 7.47E-067.18E-05

4

6.45E-04 7.52E-067.20E-05

5

6.48E-04 7.58E-067.22E-05

6

6.52E-04 7.64E-067.24E-05

7

6.56E-04 7.71E-067.27E-05

8

6.61 E-047.78E-067.29E-05

9

6.66E-04 7.85E-067.32E-05

10

6.71 E-047.94E-067.36E-05

11

6.77E-048.03E-067.39E-05

12

6.84E-048.15E-067,44E-05

13

6.93E-048.28E-067.49E-05

14

7.03E-048.43E-067.55E-05

15

7.16E-048.63E-067.63E-05

16

7.34E-048.88E-067.73E-05

17

7.60E-049.26E-067.89E-05

18

8.08E-049.92E-068.16E-05

19

9.10E-041.13E-058.75E-05

20

1.19E-031.51E-051.03E-04

Oari Gambar 4-7 sebagai akibat proses pembakaran bahan bakar,pada kondisi EOl terjadipenurunan konsentrasi U-235 dan kenaikan Konsentrasi Pu-239 sebagai salah satu material fisilhasil belah pada arah radial. Bisa juga digambarkan kenaikan dan penurunan masing-masing isotopfisi terhadap waktu

Seperti yang terlihat pada tabel 2, bahwa hasil fisi yang berupa gas (He, Xe, Kr) akanbergerak dan membentuk gelembung gas yang akan menyebabkan penggelembungan pelet yangpada akhirnya akan berpengaruh terhadap bahan bakar secara keseluruhan. Jika gas hasil fisikeluar dari pelet, maka akan terjadi penurunan konduktivitas panas yang mengakibatkan terjadinyakenaikan suhu bahan baka.-l4].

127

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

1.40&03

U

1.20&03

u E 1.00E-030 -ca 8.00&04~.tij

6.00&04l! -c:G) 4.00&04UI r:::0~ 2.00&04

O.OOE+OO0

Radionuklida HasH Fisi EOl I-+-Xe-131 -II- Cs-133 I

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Radial (em)

Gambar 8. Radionuklida Hasil Fisi EOl

Hasil fisi bisa juga berupa zat volatil, diantaranya adalah lodium yang cenderung bersifatreaktif dan mudah bergerak pad a suhu yang tinggi untuk mencapai celah dan berpeluangmenimbulkan korosi[5]. Pada gambar 8 adalah contoh konsentrasi hasil fisi yang berupa gas padaarah radial. Hal seperti ini harus sangat diperhatikan karena sangat mempengaruhi karakteristikbahan bakar. Penelitian ini hanya terbatas pada mengetahui konsentrasi dari isotop hasil fisi, sejauhmana pengaruhnya terhadap unjuk kerja bahan bakar yang berkaitan dengan korosi, swelling, danlain sebagainya bisa dilakukan penelitian lebih lanjut.

KESIMPUlAN

• Analisis dengan menggunakan RODBURN menghasilkan gambaran fluks dan daya sepanjangarah aksial yang cukup merata sehingga diharapkan efisiensi penggunaan bahan bakar akanterjaga ..

• Pada akhir periode diperoleh material fisil hasil fisi yang diharapkan akan meningkatkanpemanfaatan bahan bakar bekas reaktor.

• Gas-gas hasil fisi yang dihasilkan selama peri ode reaktor harus diperhatikan, karena terkaitdengan perubahan fisik bahan bakar yang secara langsung akan mempengaruhi unjuk kerjabahan bakar.

• Diharapkan penelitian lebih lanjut mengenai seberapa jauh pengaruh gas hasil fisi terhadapperubahan dimensi dan sifat fisis maupun termal bahan bakar.

DAFT AR PUST AKA

[1] RODBURN : A Code for Calculating Power Distribution in a Fuel Rod, JAERI, Japan.[2] FERHAT AZIZ,et.al, "Konsep Desain Neutronik Air Didih Tanpa Pengisian Bahan Bakar di

Lokasi", Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 16, Agustus 2005.[3] AMIR HAMZAH, "Analisis Distribusi Fluks Neutron dan Offset Aksial Teras Reaktor PLTN

Jenis PWR 1300 MWe Menggunakan Program MCNp·, Prosiding Seminar Nasional ke-14Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir, Bandung, 5 Nopember 2008.

[4] C.T WALKER, et.al, "On The Thermal Conductivity of U02 Nuclear Fuel at a High Burnup ofaround 100 MWD/KgHM", Journal of Nuclear Material 350, pp 19-39,2006.

[5] Riset Karakteristik Radiasi pada Pelet Bahan Bakar, Ensiklopedi Teknologi Nuklir BATAN

128