Prosidillg Semillar ll(~~il Pellelitil1l1 PRSGTallll1l 1998/1999

ISSN 0854-5178

ANALISIS KARAKTERISTIK PEMBANGKITAN PANAS GAMMA PADABERBAGAI JENIS BAHAN DI TERAS REAKTOR GA. SIWABESSY.

Setiyanto, OJ. Hasibuan.*)David Rusli **>'lamhot Hutagalung ***)

*) Peneliti PRSG-BA TAN, **) Mahasiswa ISTN, ***) Mahasiswa Pasca Sarjana VI

ABSTRAKANALISIS KARAKTERISTIK PEMBANGKITAN PANAS GAMMA PADABERBAGAI JENIS BAHAN DI TERAS REAKTOR GA. SIWABESSY. Denganhipotesis bahwa interaksi radiasi gamma dengan materi selalu diikuti oleh perubahanenergi menjadi panas, dan interaksi tersebut sangat dipengaruhi oleh jenis bahan, makabahan yang berbeda akan menerima jumlah panas yang berbeda, walaupun terkenaradiasi gamma yang sarna. Vntuk mempelajari lebih jauh fenomena tersebut, telahdilakukan analisis terhadap karakteristik pembangkitan panas radiasi gamma pactaberbagai jenis bahan. Secara teoritis, analisis dilakukan dengan perhitungan yangmengunakan program GAMSET, diterapkan pacta berbagai jenis bahan (sampel),sedangkan secara praktis dilakukan pengukuran langsung di teras reaktor denganmenggunakan 4 (empat) buah kalorimeter gamma yang berlainan jenis. Hasil yangdiperoleh menunjukkan adanya variasi tak kontinyu panas radiasi gamma sebagai fungsijenis bahan (diwakili oleh nomor atom Z). Dapat disimpulkan bahwa bahan dengannomor atom rendah (Z < 13), jenis bahan relatif tak mempengaruhi tingkatpembangkitan panasnya, tetapi untuk bahan dengan Z> 13, panas radiasi gamma naikcukup tajam sebagai fungsi jenis bahan.

ABSTRACTTHE ANALYSIS OF THE CHARACTERISTIC OF GAMMA HEA TINGGENERATION ON THE MATERIAL AT G.A SIWABESSY REACTOR. Based

on the hypothesis that the gamma ray interaction with matter is always followed by thetransfer of gamma energy to heat generation, and this transfer greatly dependent tomaterial, therefore the different materials will generate the different heat. To know thisdependency phenomena, the analysis of the gamma heating generation on materials havebeen done. Theorically, the analysis was carried out by means of GAMSET code,which was applied for some materials. Practically, the direct measurement,; were doneby using 4 (four) differences calorimeters. The results showed that the gamma heatinggeneration on certain materials increase discontinuesly as a function of their atomicnumbers (Z). For the light materials (Z < 13), the dependencies of the atomic numbersare practically ignored. However, for the heavy materials (Z> 13), the heat generationsare linearly increased as function of their atomic numbers.

Interaksi radiasi gamma denganmateri selalu diikuti oleh perubahanenergi radiasi menjadi panas pacta materiyang bersangkutan, sehingga materi

tersebut akan menjadi sumter panasyang biasa disebut sebagai panasgamma. Demikian halnya material diteras reaktor yang selalu terkenapaparan radiasi, akan mengalami halyang sarna. Mengingat panas gamma

PENDAHVLUAN.

173

ISSN 0854 - 5278

tersebut (pada reaktor nuklir) relatifbesar, yang dalam kondisi tertentu dapatmembahayakan, maka kuantisasiproduksi panas ini perlu diteliti denganbaik.

Khusus untuk reaktorGA.Siwabessy, penelitian tersebutbelum ditangani dengan baik, padahalhasilnya sangat diperlukan untukmelengkapi data teras reaktor,khususnya yang berkaitan dengananalisis keselamatan. Dengan hipotesisbahwa berdasarkan teori atenuasi, prosesinteraksi radiasi gamma dengan materiselalu dipengaruhi oleh jenis danketebalan material, (demikian jugapembangkitan panasnya), maka sangatmungkin bahwa bahan yang berbedaakan menghasilkan jumlah panas yangberbeda, walaupun dikenakan pactaradiasi gamma yang sarna [1,2].

Untuk mempelajari lebih jauhfenomena tersebut, serta untuk melihatsejauh mana kebenaran hopotesistersebut, maka perlu dilakukanpenelitian terhadap karakteristikpembangkitan panas radiasi gamma pactaberbagai jenis bahan. Penelitiandilakukan dengan dua cara, yaituperhitungan dengan programGAMSET[3,4j,diterapkan pacta berbagaijenis bahan (sampel), dan pengukuranlangsung di teras reaktor denganmenggunakan 4 (empat) buahkalorimeter gamma yang berlainan jenis.Kesesuaian hasil yang dicapai akanmemberikan gambaran yang baikterhadap misi penelitian ini.

TEORI

Kebolehjadian interaksi yangselalu diikuti oleh pembangkitan panas,sangat dipengaruhi oleh jenis radiasigammanya, (atau biasa disebut sebagaispektrum energi gamma), jenis bahanserta bentuknya[2,3]. Dua besaranterakhir biasanya dinyatakan dalam

Analisis Karakteristik Pembangkiran........Setiymlfo dkk.

nomor atom bahan dan geometri atauketebalan bahan. Hubungan matematisyang mengaitkan ketiga faktor di alas,diberikan berdasarkan persamaanatenuasi linier sebagai berikut:

p(E)I(E) = 10(E) Exp - (-)p x

p

(gamma/cm3s) (1)

Perbedaan antara I(E) dan lo(E)merupakan bagian intensitas yangdiserap dan menjadi panas, yaitu :

[L(E) - I(E)] = 10(E)[1- Exp. - {p(E)}p xl (2)p

dimana:

laCE) : intensitas awal radiasi gammadengan energi (E)

ICE) : intensitas setelah melewatibahan/materi penyerap.

f.1(E) : koefisien atenuasi massa daribahan penyerap dan untuk gammaenergi (E).: massa jenis bahan penyerap: tebal bahan penyerap yangmewakili bentuk bahan penyerap.

px

Jika persamaan ini dikalikandengan energi gamma (El), luaspenampang (S) dan tebal (x) dari bahanyang disinari, maka akan diperoleh dayapanas radiasi gamma (P) yangdibangkitkan dalam bahan tersebut,yaitu:

P = [laCE)- ICE)]El S.x (watt) (3)

Dari persamaan 1 nampak bahwa

koefisienabsorpsi massa ( J..1(E) adalahp

parameter yang menentukan sejauh manaradiasi gamma yang berenergi (E)mampu menembus bahan yang dilewati.Nilai parameter tersebut sangat variatif,baik sebagai fungsi jenis bahan maupunenergi gamma. Dalam hal yang lebihumum, besaran tersebut terbentuk darigabungan koefisien-koefisien absorpsiuntuk proses rota listrik, trek Chomptondan interaksi produksi pasangan. Ketiga

174

Prosiding Seminar Hasi! Penel1tian PRSGTahrm 199811999

besaran terakhir sangat ditentukan oleh

nomor atom bahan clan energi gamma

yang fungsinya sangat komplek [2J .

Jika kembali pada masalahabsopsi energi gamma, dapatdisederhanakan bahwa semakin pendekdaya tembus gamma pada bahan, berartisemakin besar transfer energi yangdiberikan kepada bahan tersebut. Hal inimenunjukkan bahwa untuk radiasigamma yang sarna akan mengakibatkanefek pemanasan yang berbeda padabahan yang berlainan, khususnya padabahan yang sangat mudah clan sangatsulit ditembus radiasi gamma. Parameterlain yang mempengaruhi transfer energiadalah ketebalan bahan (x), namunkarena dalam penelitian Ill! hanyadifokuskan pada perbedaan jenis bahan,maka ketebalan bahan penyerap dibuatsarna. Ketiga persamaan di alas hanyalahmerupakan persamaan dasar yangdigunakan untuk mengilustrasikan prosespembangkitan panas gamma di dalam

155:-: 0854.5278

suatu bahan. Pada kenyataannya baikspektmm gamma maupun jenis bahanpenyerapnya menjadikan bentuk-bcntuk

persamaan yang lebih komplek,sehingga memerlukan alar bantu (tool)yang dapat digunakan untuk menghitungclan atau untuk mengukur langsung.

Kalorimeter Isotermal.

Kalorimeter isotermal adalah

salah sarlI j en is alar ukur yang dapatdigunakan untuk mengukur panasgamma total yang dibangkitkan olehradiasi gamma pada suatu bahan.Kalorimeter ini terdiri atas sebuah

tablIng yang di dalamnya terdapat bahanpenyerap/sensor, diisolasi terhadaplingkungan dengan gas. Panas yangdibangkitkan akan menaikkan suhubahan penyerap clan akan diukur dengantermokopel yang dipasang di dalamnya.(selengkapnya ditunjukan dalam baganberikut:)

Bahan p~yerap

~--- -

~ Tabung kalorimeter

'solator gas

Gambar I. Bagan kalorirneter isotermal

Akibat interaksi radiasi gammadengan materi (bahan penyerap), makaakan terjadi perpindahan panas/energidati energi gamma menjadi kalor padabahan tersebut, dengan demikian bahanpenyerap akan menjadi sumber panas.Panas akan menjalar di dalam bahanuntuk menaikkan energi dalam datidirinya, clan akhimya melalui gasisolator, kalor akan menuju ke bagianluar sistem kalorimeter sebagai kaloryang bocor/hilang. Berdasarkan hukumtermodinamika, kesetimbangan kalor di

dalam bahan penyerap, dapat disebutkanbahwa: Panas yang diterima (dariradiasi gamma) sarna dengan KenaikanEnergi intern bahan di tarnbahBesarnya energi yang bocor ke luarsistem, yang dapat dituliskan sebagai:

Energi masuk = Kenaikan Energidalam + Energi bocor.

P dt = C(8) d8 + f(8f - 8i) dt (4)

dimana:

175

ISSN 0854 - 5278

P = panas gamma per satuan massapenyerap yang dipindahkan kedalam bahan penyerap, dengansamail Watt/gram.

8j,8r = suhu awal daD suhu akhirbahan penyerap, (°C).

C(8) = panas jenis bahan sebagaifungsi suhu, (J/g °C).

d(t) = variabel waktu (s).f(8r - 8) =fungsi panas yang hilang daripenyerap ke lingkungan melalui proseskonduksi, konveksi daDradiasi (W/g).

Proses perpindahan panas pactabahan penyerap jika kalorimeter dikenait1uks gamma, maka perubahan suhupenyerap akan bervariasi secaraeksponensial dalam bentuk :

t )(8-8f) = (8i -8f) Exp-(T(8p8j)

(5)

dimana : T(8i ,8r) adalah tetapan waktu(periode) kalorimeter dalam intervalsuhuantara 8j sampai 8r.Gabungan persamaan 4 daD 5, akandiperoleh besarnya energi gamma yangdibangkitkan dalam bahan sebagaiberikut:

Of c(e) deP = f T(e, eJ )00 0

(6)

Oengan hanya menentukan periodekalorimeter, serra dengan mencatat suhuawal daD suhu akhir kalorimeter setelahmenerima medan radiasi, maka panasgamma P dapat ditentukan. Periodekalorimeter T(8} r) ditentukanberdasarkan persamaan 5 yangdikenakan pacta grafik evolusi suhubahan penyerap, sedangkan C(8) diambilnilai dari referensi untuk jenis bahanterkait.

Analisis Karakreris'rik Pelllb(lJ/gkiralL......Seriyallro dkk.

TATA KERJA PERCOBAAN DANPERHITUNGAN.

Perlzitllllgall.

Perhitungan dilakukan denganmenggunakan program GAMSET yangtelah divalidasi untuk RGS-GASl4J.

Untuk mendapatkan hasil yangrepresentatif, dianalisis pembangkitanpanas pacta Gratit (C), Aluminium (AI),Besi (Fe), Zirkonium (Zr), Plembem(Pb) daDUranium (U). Pemilihan bahantersebut diambil dengan pertimbangan disamping dapat mewakili seluruh unsuryang ada, juga memilih bahan-bahanyang paling sering digunakan di terasreaktor. Mengingat setiap jenis interaksigamma-materi (efek Compton, efek forolistrik daD produksi pasangan)mengandung variabel nomor atom (Z),maka dalam analisis ini variabel yangdimunculkan untuk mewakili jenis bahanakan digunakan nomor atomnya.Perhitungan pertama dilakukan pactabahan-bahan yang mempunyai bentukdaDukuran yang sarna. Hal ini berkaitandengan analisis pembangkitan panassebagaifungsi bahan.

Pellgukurall.

Pengukuran langsung dengankalorimeter isotermal dilakukan untukmelengkapi/menguatkan hasHperhitungan di atas. Pengukurandilakukan dengan 4 (empat) buahkalorimeter [5], ditempatkan pacta pisisiCIP (0-6 daDE-7) untuk daya reaktor 1,3,5 daD7 MW.

Tala kelja

Kalorimeter ditempatkan pacta posisiiradiasi yang diinginkan denganbantuan stringer FPM.Reaktor dioperasikan pacta dayayang diinginkan.

176

Prosiding Seminar llasil Penelitiall PRSGTabull 1998/1999

ISSN 0854-5278

Sekitar tiga jam setelah reaktorkritis, pengukuran/eksperimen barndimulai.

Kalorimeter digeser secarauntuk mendapatkanmaksimum panas gamma.Penentuan periode dilakukan denganmembuat plot/kurva perubahan suhukalorimeter pacta saat diberikanpergeseran vertikal posL"ikalorimeter yang signifikan.

Tata kerja di atas diberlakukanuntuk semua jenis kalorimeter yangdigunakan.

vertikaIposisi

HASIL DAN PElVIBAHASAN

Berbagai basil perhitungan danpengukuran untuk Periode kalorimeterdaTIPanas Gamma diberikan pacta tabel-tabel berikut:

Tabel 1. Periode kalorimeter hasil pengamatan/eksperimen

Tabel 2. HasH perhitungan panas gamma pada berbagai bahan dimensi sama

Tabel 3. Hasil Pengukuran panas gamma pada bahan yang dimensinya sarna.

177

No. jenis kalorimeter Periode (detik)1. Grafit T(8) = 27,35 - 0,02 (8)

2. Aluminium T(8) = 36,31 - 0,62 (8)3. Besi T(8) = 51,45 - 0,30 (8)4. Zirkonium-l T(8) = 40,24 - 0,12 (8)

5. Zirkonium-2 T(8) = 41,69 - 0,10 (8)6. Zirkonium-3 T(8) = 18,64 - 0,06 (8)

No Bahan Panas radiasi gamma Panas pactabahan relatif

(nomor atom) pz (Wig) terhadap Grafit pz/Pc

1. Grafit (C-6) 5,71 1,00

2. Aluminium (AL-13) 5,77 1,01

3. Besi (Fe-26) 7,02 1,23

4. Zirkonium (Zr-40) 8,56 1,50

5. Plembem (Pb-82) 14,85 2,60

6. Uranium (U-92) 15,93 2,79

No. Kalorimeter Panas garnma Perbandingan relatif(watt/gr) terhadap Grafit

1. Grafit 5,2 1,00

2. Aluminium 3,94 0,76

3. Besi 6,7 1,29

4. Zirkonium 7,5 1,44

ISS~ 0854 - 5278

3

~ 2.5N

Q..

=~ 2...

§ 1.5c.c

C AI"-

;;Q..

1 .0.5

00 20 40

Nomor atom Z

Analisis Karakteristik Pembangkiian.Setiyanto dkk.

. Pengukunill

. Perhitung,m

60 10080

Gambar 2. Variasi panas gamma pada bahan dimcnsi lang sarna

schagai fungsi bahan (Nomor atom)

PEMBAHASAN

Perhitungan clan pengukuran panasgamma dalam berbagai jenis bahan telahdilakukan dengan hasil seperti diberikanpacta tabel clan gambar di atas. Untukvariasi panas gamma sebagai fungsibahan, yang ditunjukkan okhperbandingan relatif pz/Pc diperolehkorelasi yang cukup baik antar hasilpengukuran clan perhitungan, (Tabel 2,Tabel 3 clan Gambar 2). Panas gammayang diperoleh bervariasi sebagai fungsijenis bahan. Hal tersebut memang sesuaidengan apa yang telah dikemukaan pactahipotesisnya, bahwa bahan yang berbedaakan menghasilkan jumlah panas yangberbeda meskipun diberikan pacta radiasiyang sarna.

Hasil yang menarik adalahdiperolehnya variasi panas gamma yangternyata tidak kontinyu. Pacta bahandengan nomor atom rendah (di bawahAluminium), panas gammanya praktistidak berbah sebagi fungsi jenis bahan.Pacta bahan dengan nomor atommenengah (di bawah Pb), panas gammanaik secra linier sebagai fungsi nomoratom bahan. Sedangkan pacta bahan-bahan berat (di atas Pb), ternyata acta

kecenderungan kenaikkangammanya sedikit menurus.

panas

Hasil tersebut (yang merupakankarakteristik panas gamma) dapatditerangkan sebagai berikut: Bahwa pactabahan dengan nomor atom rendahumumnya memiliki koefisien absorpsimassa yang hampir sarna, sehinggapembangkitan panasnyapun tidak banyakberbeda. Sedangkan pacta bahan dengannomor atom menengah ke atas,perbedaan koefisien absorpsi massanyasangat besar sehingga mengakibatkannilai pembangkitan panasnya berubahsangat cepat. Pacta unsur yang sangatberat (di atas Pb) koefisien absorpsimassanya begitu besar sehingga dayatembus gamma di dalam bahan tersebutsangat kecil, ini berarti pembangkitanpanasnya terjadi di permukaan bahansaja, yang mengakibatkan pembangkitanpanas rata-ratanya tunm (lihat kurvaGambar 2).

Jika dilihat nilai riil panas gammapacta Grafit, Besi clan Zirkonium yangrata-rata perbedaan antara perhitunganclanpengukurannya sekitar 8,6 % dapatdisebabkan belum baiknya pelaksanaaneksperimen. Apalagi eksperimen yang

178

Prosidirrg S~lIIillar lIasil P~rr~liliall PRSGTall/ill /998//999

menggunakan kalorimeter buatan sendiriini baru dapat dilakukan satu kali,sehingga faktor-faktor koreksinya masihtinggi, antara lain kesetabilan dayareaktor, karakteristik kalorimeter sertaunjuk kerja plater yang kurangsempurna. Namun demikian perbedaantersebut cukup wajar untuk dapatditerima sebagai nilai yang baik.

Secara umum hasil yang diperolehsudah dapat menunjukkan hasilkarakteristik panas gamma yang spesifikuntuk teras RSG-GAS, mengingat setiapreaktor memiliki karakteristik yangberlainan.

ISSN 085+5278

KESlMPULAN

Dari hasil tersebut dapatdisimpulkan bahwa variasi panasgamma pacta berbagai bahan (sebagaifungsi nomor atom Z) ternyata tidakkontinyu. Panas gamma pacta bahandengan nomOI atom rendah (Z <13),relatif tidak berubah, sedangan untukbahan dengan Z >13, panas radiasigammanya naik cukup tajam sebagaifungsi nomOIatom bahan. Efek serapanpermukaan mulai nampak hanya pactabahan dengan nomor atom tinggi (di alasPh).

DAFTAR PUS TAKA

1. Badan Tenaga Atom Nasional, " Pengantar Teknologi Reaktor", Jakarta - 19852. R.E JAEGER et al. ,"Engineering compendium on radiation shielding". vol. I.

Shielding fondamentals and methodes. - 1968.3. SETIYANTO, "Prosiding Pertemuan Ilmiah Salls Materi II", PPSM-BATAN,

Serpong, 29-30 Okteber 1997.4. SETIY ANTO, et al. "Aplikasi program perhitungan panas radiasi gamma

GAMSET pacta RSG-GAS." Prosiding PPI-Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan danTeknologi Nuklir. Yogyakarta, 28-30 April 1992.

5. SETIY ANTO, et al. " Disain dan pembuatan kalorimeter gamma untuk RSG-GAS", Prosiding HasH Penelitian PRSG tho 1997/1998.

DISKUSI

Pertanyaan (Uju Jujuratisbela)Apabila diperlukan akuisisi data yang "built-up" yang biasa digunakan dalam

eksperimen anda, kiranya alat tersebut dapat digunakan. Syarat utama dariinput/masukan ke alat derail (DSA) adalah tegangan IIO volt.

Jawab (Setiyanto)Terima kasih informasinya, akan kami pelajari kemungkinan pemakaiannya.

Pertanyaan (Hudi Hastowo)1. Mengapa I/o menggunakan plotter daripada menggunakan sistem akuisisi data

yang lain?2. Usahakan menyelesaikan sistem akuisisi data daripada mencoba memperbaiki

ketelitian plotter yang sudah tua.

Jawab (Setiyanto)1. Sistem akuisisi data yang disiapkan belum bisa berfungsi sid pelaksanaan

eksperimen. Namun demikian pacta eksperimen berikutnya akan diusahakan dengansistem akuisisi data.

179

ISSN 0854 - 5278 Analisis KarakTensTik PembcUtgkiTall........

SeTiyanTo dkk.

2. Terima kasih, akan kami lakukan.

Pertanyaan (Indrawanto)

1. Pacta Tabel3,4 didapat dua harga panas Y yang berbeda, mana yang paling betu!.2. Pacta pelaksanaan pengukuran dilakukan di posisi teras Domer berapa? Dan

berapakah dayanya?

Jawab (Setiyanto)1. Yang dipilih basil perhitungannya.2. Di posisi D-6 daD E-7. Pacta daya 1,3,5 daD7 Kw, tetapi semua hasilnya telah

diekstrapolasi ke daya 30MW.

180