Aplikasi Khusus Sistem Kontrol

APLIKASI KHUSUS SISTEM KONTROL

PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR

Disusun Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah

Aplikasi Khusus Sistem Kontrol

Disusun oleh:

M. Ameer Hakim 105060307111005

Haris Setyawan 105060300111028

Wirangga Luvianca 115060300111029

Yudhanto Iman N 115060307111017

Syahriel Yahya 115060307111035

Wildan Wahyu R 115060300111063

Ardyanto Dwi K 115060300111022

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

MALANG

2013

KATA PENGANTAR

Puji syukur penyusun panjatkan kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha

Esa yang telah memberikan rahmat serta hidayah-Nya sehingga penyusunan

makalah ini dapat diselesaikan dengan baik. Makalah ini disusun untuk memenuhi

Tugas Mata Kuliah Aplikasi Khusus Sistem Kontrol. Bersama dengan makalah ini

penyusun turut membuat presentasi.

Terima kasih penulis sampaikan kepada dosen Pengampu mata kuliah

Aplikasi Khusus Sistem Kontrol dan semua pihak yang telah membantu kelancaran

penyusunan makalah ini.

Demikian makalah ini disusun agar dapat memenuhi tugas mata kuliah

Aplikasi Khusus Sistem Kontrol. Penyusun juga berharap agar makalah ini dapat

menambah refrensi pembaca mengenai pengendalian reaktor fisi nukir.

Malang, 28 April 2014

Penyusun.

PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 1

PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR

1. Pendahuluan

Dalam ruang reaktor, proses fisi adalah tubrukan neutron yang

menghasilkan energi, yaitu tenaga panas yang sebanding dengan fluks neutron dan

makroskopik fisi. Saat reaktor beroperasi, penampang makroskopik menurun

sebanding jumlah fisi nuklida yang menurun. Namun, selama periode dasarnya

singkat, penampang tetap konstan, dan kekuatan diasumsikan berubah hanya

dengan fluks neutron. Dalam kebanyakan situasi reaktor dikontrol dengan

memvariasikan fluks neutron. Diantara metode umum yang tersedia, penyisipan

dan penarikan penyerap neutron yang paling umum digunakan dalam reaktor daya.

Bahan yang digunakan sebagai penyerap kontrol memiliki penampang penyerapan

yang besar, seperti boron , kadmium atau hafnium. Peredam yang kuat dalam inti

bersaing dengan bahan fisil untuk neutron. Dengan kata lain, neutron yang diserap

oleh kontroler tidak lagi tersedia untuk menginduksi fisi, sehingga mengurangi

daya.

2. Nuklir

Nuklir adalah suatu tinjauan terhadap bagian atomik dari benda (tinjauan

atomik). Sesuatu yang berkaitan dengan nuklir behubungan dengan atom. Atom

disebut sebagai bagian terkecil dari suatu benda, meski atom terdiri atas proton,

neutron, dan elektron.

Nuklir adalah benda tergolong baru, sehingga jumlahnya sedikit teknologi

manusia yang mampu menguak rahasia nuklir. Sebenarnya dengan logika

sederhana kita bisa berpikir bahwa setiap benda tersusun atas atom (nuklir), dengan

kata lain kita bisa merekayasa semua benda yang ada di bumi dengan merubah

struktur atom (proton, neutron, elektron). Teknologi nuklir manusia zaman

sekarang lebih banyak berkaitan dengan energi. melalui fusi (hidrogen) atau fisi

(uranium). jadi paradigma bahwa nuklir adalah bom itu diakibatkan banyaknya

propaganda dan besarnya pemberitaan media yang berkaitan dengan nuklir. Hal ini

disebabkan teknologi nuklir yang kita miliki sudah cukup untuk membuat benda

(bom) yang memiliki daya ledak sangat besar.


Gambar 1. Komponen Atom

Energi Nuklir adalah energi yang dihasilkan dengan mengendalikan reaksi

nuklir. Energi nuklir merupakan salah satu sumber energi di alam ini yang diketahui

manusia bagaimana mengubahnya menjadi energi panas dan listrik. Sejauh ini,

energi nuklir adalah sumber energi yang yang paling padat dari semua sumber

energi di alam ini yang bisa dikembangkan manusia. Artinya, kita dapat

mengekstrak lebih banyak panas dan listrik dari jumlah yang diberikan

dibandingkan sumber lainnnya dengan jumlah yang setara. Sebagai pembanding, 1

kg batu bara dan uranium yang sama - sama berasal dari perut bumi. Jika

mengekstrak energi listrik dari 1 kg batubara, kita dapat menyalakan lampu bohlam

100W selama 4 hari. Dengan 1 kg uranium, dapat menyalakan bohlam paling

sedikit selama 180 tahun.

Dalam fisika nuklir, sebuah reaksi nuklir adalah sebuah proses di mana dua

nuklir atau partikel nuklir bertubrukan, untuk memproduksi hasil yang berbeda dari

produk awal. Pada prinsipnya sebuah reaksi dapat melibatkan lebih dari dua partikel

yang bertubrukan, tetapi kejadian tersebut sangat jarang. Bila partikel-partikel

tersebut bertabrakan dan berpisah tanpa berubah (kecuali mungkin dalam level

energi), proses ini disebut tabrakan dan bukan sebuah reaksi. Secara umum, energi

nuklir dapat dihasilkan melalui dua macam mekanisme, yaitu pembelahan inti atau

reaksi fisi dan penggabungan beberapa inti melalui reaksi fusi. Reaksi fusi nuklir

adalah reaksi peleburan dua atau lebih inti atom menjadi atom baru dan

menghasilkan energi, juga dikenal sebagai reaksi yang bersih. Reaksi fisi nuklir

adalah reaksi pembelahan inti atom akibat tubrukan inti atom lainnya, dan

menghasilkan energi dan atom baru yang bermassa lebih kecil, serta radiasi

elektromagnetik. Reaksi fusi juga menghasilkan radiasi sinar alfa, beta dan gamma

yang sangat berbahaya bagi manusia.


Contoh reaksi fusi nuklir adalah reaksi yang terjadi di hampir semua inti

bintang di alam semesta. Senjata bom hidrogen juga memanfaatkan prinsip reaksi

fusi tak terkendali.

Contoh reaksi fisi adalah ledakan senjata nuklir dan pembangkit listrik

tenaga nuklir. Unsur yang sering digunakan dalam reaksi fisi nuklir adalah

Plutonium dan Uranium (terutama Plutonium-239, Uranium-235), sedangkan

dalam reaksi fusi nuklir adalah Lithium dan Hidrogen (terutama Lithium-6,

Deuterium, Tritium).

2.1 Uranium- 238

Uranium ditemukan oleh Martin Heinrich Klaproth , seorang kimiawan

Jerman , dalam bijih-bijih uranium mineral (terutama campuran uranium oksida)

pada 1789 .

Gambar 2. Penampang Uranium-238

Uranium adalah unsur kimia metalik putih keperakan dalam seri aktinida

dari tabel periodik, dengan simbol U dan nomor atom 92. Sebuah atom uranium

memiliki 92 proton dan 92 elektron, dimana 6 adalah elektron valensi. Uranium

lemah radioaktif karena semua isotop tidak stabil (dengan waktu paruh dari 6 isotop

alami dikenal, U-233 sampai dengan U - 238, bervariasi antara 69 tahun dan 4

milyar tahun) . Isotop yang paling umum dari uranium adalah uranium-238 (yang

memiliki 146 neutron dan menyumbang hampir 99,3 % dari uranium yang

ditemukan di alam) dan uranium-235 (yang memiliki 143 neutron, akuntansi untuk

0,7 % dari elemen yang ditemukan secara alami). Uranium memiliki berat atom

kedua tertinggi dari unsur-unsur primordial terjadi, lebih ringan daripada

plutonium dengan kepadatan sekitar 70% lebih tinggi dari timbal, tapi tidak padat

seperti emas atau tungsten. Hal ini terjadi secara alami dalam konsentrasi rendah


beberapa bagian per juta dalam tanah, batuan dan air, dan komersial diekstrak dari

mineral uranium - bearing seperti uraninit .

Di alam, uranium ditemukan seperti uranium-238 (99, 2739-99, 2752%),

uranium-235 (0,7198 - 0,7202%), dan jumlah yang sangat kecil dari uranium-234

(0,0050-0,0059%) Uranium meluruh. Perlahan-lahan dengan memancarkan

partikel alpha. Waktu paruh uranium-238 adalah sekitar 4470000000 tahun dan

bahwa uranium-235 adalah 704 juta tahun, berguna dalam berpacaran usia Bumi.

Banyak menggunakan kontemporer uranium mengeksploitasi sifat unik

nuklirnya. Uranium-235 memiliki perbedaan menjadi hanya terjadi secara alami

isotop fisil. Uranium-238 adalah fisi oleh neutron cepat, dan subur, yang berarti

dapat ditransmutasikan untuk fisil plutonium-239 dalam reaktor nuklir. Lain isotop

fisil, uranium-233, dapat diproduksi dari torium alam dan juga penting dalam

teknologi nuklir. Sementara uranium-238 memiliki probabilitas kecil untuk fisi

spontan atau bahkan diinduksi fisi dengan neutron cepat, uranium-235 dan untuk

tingkat yang lebih rendah uranium-233 memiliki fisi yang jauh lebih tinggi

penampang neutron untuk lambat. Pada konsentrasi yang cukup , isotop

memelihara reaksi berantai nuklir berkelanjutan. Ini menghasilkan panas dalam

reaktor nuklir, dan menghasilkan bahan fisil untuk senjata nuklir.

3. Proses Fisi

Reaksi fisi adalah proses reaksi nuklir yang terjadi karena inti atom terbelah

menjadi partikel-partikel inti yang lebih ringan karena tertumbuk oleh partikel inti

lain. Reaksi fisi merupakan reaksi nuklir eksotermis yang akan menghasilkan

partikel inti yang lebih ringan (sering disebut produk fisi), beberapa partikel

neutron, gelombang elektromagnetik dalam bentuk radiasi sinar gamma, dan

sejumlah energi.

Pada Gambar c melukiskan proses reaksi fisi dari inti atom uranium-235

yang tertumbuk oleh sebuah neutron dengan kecepatan rendah (neutron kecepatan

rendah sering disebut sebagai neutron termal). Reaksi fisi uranium-235

menghasilkan produk fisi berupa barium-141 dan kripton-92, tiga buah neutron

cepat (masing-masing neutron memiliki energi kinetik ~2 MeV), dan sejumlah

energi.


Gambar 3. Reaksi Fisi Nuklir

Produk fisi dari reaksi fisi uranium-235 bisa saja tidak berupa barium-141

dan kripton-92, tetapi barium-144 dan kripton-90, atau zirkonium-94 dan telurium-

139.

Reaksi fisi uranium-235 sangat terkenal karena reaksi nuklir ini mendasari

beroperasinya reaktor nuklir yang banyak beroperasi di Dunia. Selain reaksi fisi

uranium-235, masih banyak unsur lain yang dapat berfisi. Pada dasarnya semua

isotop unsur dalam golongan aktinida yang mempunyai jumlah neutron ganjil pada

intinya dapat berfisi. Isotop aktinida yang dapat berfisi tersebut antara lain adalah

plutonium-241, kurium-243, uranium-232, kalifornium-241, Amerisium-242,

kalifornium-251, kurium-245, plutonium-239, uranium-233, kurium-247, uranium-

235.

Isotop yang dapat berfisi disebut sebagai bahan fisil (fissile material). Dari

sekian banyak bahan fisil, empat bahan fisil uranium-233, uranium-235, plutonium-

239, plutonium-241 mempunyai arti penting karena sudah diterapkan dalam proses

reaksi nuklir di reaktor nuklir. Uranium-235, plutonium-239 dan plutonium-241

digunakan dalam bahan bakar reaktor termal dan reaktor pembiak yang

memanfaatkan daur bahan bakar uranium, sedangkan uranium-233 digunakan

dalam reaktor yang memanfaatkan daur bahan bakar thorium.

Reaksi fisi uranium-235 tidak akan terjadi dengan begitu saja, terdapat

beberapa prasyarat kondisi yang harus dipenuhi agar reaksi fisi uranium-235 terjadi.

Salah satu prasyarat yang harus dipenuhi adalah kecepatan atau energi kinetik


neutron yang menumbuknya. Neutron dengan kecepatan rendah (energi kinetiknya

rendah) mempunyai probabilitas yang lebih tinggi untuk menimbulkan reaksi fisi

pada uranium-235 dibandingkan degan neutron dengan energi kinetik yang lebih

tinggi.

Dari reaksi fisi uranium-235 dihasilkan 2 hingga 3 buah neutron dengan

energi ~2 MeV. Sesuai gambar di atas, energi neutron hasil fisi setinggi ~2 MeV

sangat kecil untuk menimbulkan reaksi fisi jika menumbuk inti atom uranium-235

yang lain.

3.1 Reaksi Fisi Berantai

Reaksi fisi berantai sangat penting dalam mewujudkan pemanfaatan energi

hasil reaksi fisi dalam sebuah reaktor nuklir. Jika kontinuitas reaksi fisi dalam

reaktor nuklir terhenti maka dapat berhentinya produksi energi, sehingga produksi

energi menjadi diskontinu, suatu kondisi yang tidak diinginkan.

Gambar 4. Rantai Radioaktif dari Uranium

Pada awalnya sebuah neutron menumbuk inti uranium-235 (U-235) dan

menimbulkan reaksi yang menghasilkan produk fisi (Ba-141 dan Kr-92) serta 3

buah neutron. Dua dari tiga neutron hasil reaksi fisi itu kemudian menumbuk inti

U-235 lainnya dan menimbulkan reaksi fisi berikutnya (reaksi fisi generasi kedua).

Neutron hasil fisi dari reaksi fisi kedua ini diharapkan akan menimbulkan reaksi fisi

berikutnya (reaksi fisi generasi ketiga), dan selanjutnya kan terjadi reaksi fisi dari

generasi ke generasi secara kontinu. Persoalan dalam mewujudkan reaksi fisi

berantai timbul karena untuk mewujudkan reaksi fisi U-235 diperlukan neutron

lambat, sedangkan neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi U-235 adalah neutron


cepat yang sangat sulit untuk memicu reaksi fisi generasi ke generasi. Dalam

reaktor nuklir, persoalan ketersediaan neutron lambat dengan energi kinetik rendah

diwujudkan dengan menyediakan medium yang bertugas memperlambat

(memoderasi) kecepatan neutron, yaitu berupa air. Dengan adanya air sebagai

moderator neutron, maka neutron cepat yang dihasilkan dari reaksi fisi U-235

diperlambat kecepatannya sehingga dapat digunakan untuk melangsungkan reaksi

fisi berantai dari generasi ke generasi. Bila suatu saat air sebagai bahan moderator

menghilang dari dalam reaktor nuklir (oleh karena suatu sebab, misalnya

kecelakaan) maka dengan sendirinya reaksi fisi berantai terhenti dan produksi

energi juga berhenti dengan sendirinya.

Satu buah neutron lambat (disebut juga neutron termal) dalam reaktor nuklir

akan menimbulkan reaksi fisi U-235 yang menghasilkan energi panas ~200 MeV

(~8,9 x 10-18 kWh). Ini berarti bahwa sebuah neutron lambat setara dengan ~8,9 x

10-18 kWh. Apabila dari generasi ke generasi jumlah neutron termal dapat

dikendalikan sesuai dengan kebutuhan energi, maka realisasi pengendalian reaksi

fisi dapat terwujud. Proses pengendalian reaksi fisi berantai ini terjadi dalam sebuah

reaktor nuklir. Keberlangsungan reaksi fisi berantai dalam reaktor nuklir sangat

labil, sedikit saja kecelakaan yang menguapkan moderator (berupa air), maka reaksi

fisi berantai terhenti, demikian pula dengan pembangkitan energi.

Reaksi fisi berantai dapat pula dilangsungkan dalam waktu sangat cepat

dengan pelipatan jumlah reaksi yang sangat tinggi, dengan cara ini pembangkitan

energi meningkat sangat besar dalam waktu yang sangat singkat. Hasilnya adalah

sebuah ledakan nuklir yang dahsyat. Mewujudkan suatu ledakan nuklir dengan

uranium-235 tidaklah mudah, harus dilakukan upaya ketersediaan dan peningkatan

jumlah neutron dengan energi kinetik yang cocok dalam jumlah besar dalam waktu

sesingkat-singkatnya.

4. Metode Pengendalian Reaktor

4.1 Control Rods

Perubahan reaktivitas disebabkan oleh gerakan kontrol batang disebut

control rod worth. Efek maksimum dari kontrol batang ialah penyisipan reaktivitas


paling negatif di lokasi dimana fluks reaktor memiliki nilai maksimum. Batang

kendali (control rod) digunakan untuk:

Pengontrolan perubahan reaktivitas untuk menurunkan atau

meninggikan daya reaktor agar tetap pada periode yang stabil. Kontrol

rod didefinisikan sebagai besarnya reaktivitas yang diperlukan untuk

memberikan periode pengamatan.

Menjaga dan menjauhkan nilai kritis reaktor dengan mengontrol

perubahan dari reaktor selamawaktu operasi. Kontrol rod mengukur

perubahan faktor multiplikasi neutron yang dapat dikontrol.

Batang kendali dapat dimasukkan sepenuhnya atau sebagian. Dalam salah

satu dari dua kasus yaitu fluks neutron yang terganggu dan daya reaktor berubah.

Berikut dua bagian untuk mengatasi efek penyisipan batang kendali dan penarikan

laju fisi, akibat distribusi fluks reaktor dan perubahan daya yang dihasilkan.

4.1.1. Pengaruh Dimasukkan Batang Kendali Sepenuhnya pada Fluks

Neutron di Reaktor Thermal

Bahan yang digunakan untuk batang kendali bervariasi tergantung pada

desain reaktor. Umumnya, bahan batang kendali harus memiliki daya serap yang

tinggi serta mampu bertahan lama dalam reaktor ( tidak terbakar terlalu cepat ).

Sebuah batang kendali yang menyerap neutron pada semua kejadian bagian

dasarnya adalah disebut sebagai "black" absorber dan menghasilkan depresi fluks

besar (lihat Gambar 1). Sedangkan "grey" absorber menyerap hanya sebagian kecil

dari insiden neutron.

Gambar 5. Efek Kontrol Rod pada perubahan fluks

Sementara itu grey absorber dan black absorber memberikan efek

reaktivitas yang berbeda, batang abu-abu sering lebih memberikan efek peredam


karena menyebabkan depresi fluks yang lebih kecil di sekitar batang kendali. Hal

ini mengarah pada fluks neutron yang dihasilkan datar dan distribusi lebih merata

di seluruh inti. Saat keadaan neutron termal umumnya kerapatan fluks berada

puncak di tengah reaktor, di sinilah batang kendali dengan efisiensi tinggi

umumnya ditempatkan.

Sebuah reaktor silinder dalam keadaan kritis dengan kontrol batang kendali

dijelaskan oleh persamaan difusi neutron satu kecepatan:

Hasil faktor perkalian sama dengan kesatuan , diberikan oleh:

Jika batang kendali dapat menyerap sepenuhnya saat dimasukkan ke dalam

inti fluks, fluks neutron akan berubah seperti ditunjukkan pada Gambar 1 karena

penyerapan neutron tinggi di batang. Distribusi fluks dapat dituliskan sebagai.

Ketika kontrol batang kendali dimasukkan ke faktor perkalian, maka:

Diamati bahwa perubahan inti tekuk dengan batang penyisipan kendali dan

perubahan faktor perkalian akan memberikan reaktivitas.

Nilai batang kendali, pw, didefinisi, adalah sama dengan besarnya ini

perubahan reaktivitas

Dalam rangka untuk mendapatkan kontrol batang yang bernilai sesuai,

Persamaan harus diselesaikan untuk mendapatkan tekuk untuk kedua kasus. Dalam

inisialisasi kritis reaktor tanpa batang kendali tekuk diberikan


Namun, perhitungan tekuk ketika batang kendali dimasukkan cukup sulit

karena geometri yang rumit dan karena adanya penyerap yang kuat cenderung

untuk merusak fluks sehingga pendekatan difusi ini tidak berlaku. Dalam hal ini ,

solusi dapat diperoleh dengan asumsi bahwa d merupakan jarak diekstrapolasi dan

bahwa fluks memenuhi syarat batas pada permukaan kontrol batang

Hasil akhir untuk jarak ekstrapolasi dan batang kendali yang sesuai adalah

(melalui derivasi)

dimana mana a dalah jari-jari batang kendali , R diekstrapolasi radius inti

silinder dan H adalah tingginya ekstrapolasi , adalah difusi koefisien dan

adalah penampang makroskopik. Penampang dan koefisien difusi adalah bahan

yang mengelilingi batang kendali yang diasumsikan penyerap hitam (black

absorber).

4.1.2. Nilai Kontrol Rods pada Reakto Cepat

Bahan yang paling menjanjikan untuk digunakan sebagai penyerap kontrol

pada reaktor cepat adalah boron-karbida (B4C) diperkaya 10B, karena tidak seperti

bahan lainnya, penyerapan penampang untuk boron masih signifikan pada tinggi

energi neutron. Meskipun jauh lebih tinggi daripada bahan lain, penyerapan

penampang boron pada energi yang besar dalam reaktor cepat (0.1 MeV sampai 0,4

MeV) hanya 0,27 b. Oleh karena itu, penyerapan neutron dapat bebas dilakukan

dalam kandungan medium boron dengan besar kepadatan atom boron adalah 0,087

x 1024 atom/cm3 dan kepadatan dari B4C adalah 2 g/cm3 memberi = 42,6 cm. Ini

jauh lebih besar dari diameter ukuran kontrol batang yang digunakan dalam reaktor


cepat yang berarti bahwa fluks neutron dalam batang kendali kurang lebih sama

seperti di sekitarnya. Oleh karena itu boron yang terkandung dalam batang dapat

diasumsikan seragam dengan distribusi dalam reaktor. Asumsi ini hanya akan

mempengaruhi perhitungan faktor penggunaan bahan bakar dalam menentukan

nilai batang kendali layak.

Dalam desain reaktor yang sebenarnya, batang kendali layak dihitung

menggunakan komputer kode dan pendekatan Multigrup. Berikut ini adalah satu

estimasi yang disederhanakan untuk perkiraan kontrol batang kendali dalam reaktor

cepat. Faktor perkalian untuk reaktor cepat diberikan oleh

Karena reaksi di reaktor cepat merata memiliki efek hanya pada faktor

pemanfaatan bahan bakar, nilai batang kendali untuk mengurangi

didapatkan

4.1.3. Dampak Sebagian Control Rod Tersisip pada Fluks Neutron di

Reaktor Thermal

Pada saat start-up reaktor, semua atau sebagian besar, batang kendali

sepenuhnya dimasukkan. Setelah start-up, mereka ditarik secara perlahan untuk

menjaga reaktor kritis sebagai bahan bakar yang dikonsumsi dan produk fisi

menumpuk. Oleh karena itu, perlu untuk mengetahui nilai batang kendali layak

sebagai fungsi penyisipan jarak. Satu pendekatan kelompok yang digunakan untuk


menggambarkan Perhitungan batang kendali layak untuk batang dimasukkan

sebagian dalam reaktor thermal.

Untuk reaktor silinder:

pw (x): nilai dari satu atau lebih batang kendali yang dimasukkan pada

jarak x sejajar dengan sumbu dari inti reaktor dengan tinggi total H

pw (H): nilai dari batang kendali dimasukkan sepenuhnya.

Gambar 6. Integral batang kendali bernilai seperti yang diberikan oleh Persamaan pw (x)

Efek yang tepat dari kontrol batang pada reaktivitas dapat ditentukan secara

percobaan. Misalnya, batang kendali dapat ditarik dalam nilai kecil yang bertahap,

dan perubahan reaktivitas ditentukan untuk setiap kenaikan penarikan. Dengan

memplot hasil reaktivitas terhadap posisi batang, grafik mirip dengan yang

ditunjukkan pada Gambar 2 diperoleh. Grafik menggambarkan bagian integral

batang kendali senilai dari berbagai macam penarikan batang. Integral batang

kendali bernilai mewakili reaktivitas bernilai total batang pada saat itu tingkat

penarikan tertentu


Gambar 7. Diferensial batang kendali bernilai seperti yang diberikan oleh Persamaan.

Pada kemiringan kurva, dan karenanya jumlah reaktivitas dimasukkan per

unit penarikan, sangat besar bila batang kontrol tengah keluar dari inti. Hal ini

karena fluks neutron maksimum dekat dengan pusat inti , sehingga tingkat

penyerapan neutron juga terbesar di daerah ini. Jika lereng dari kurva untuk batang

senilai integral dalam Gambar 2, hasilnya adalah nilai untuk laju perubahan batang

kendali layak sebagai fungsi posisi. Gambar Diferensial nilai batang kendali layak,

ditunjukkan pada Gambar 3. Di bagian bawah inti ada beberapa neutron sehingga

gerakan batang memiliki pengaruh yang kecil, sehingga perubahan batang senilai

lebih dari jarak hampir konstan. Sebagai batang yang dekat pusat inti efeknya

menjadi lebih besar, dan perubahan batang senilai per jarak menjadi signifikan.

Pada pusat inti, nilai batang diferensial paling besar dan bervariasi sedikit dengan

gerak batang. Dari pusat inti ke atas, nilai batang per jarak adalah kebalikan dari

nilai batang per jarak dari pusat ke bawah.

Nilai integral batang yang diberikan adalah penjumlahan dari seluruh batang

diferensial bernilai sampai ke titik penarikan dan juga daerah di bawah diferensial

batang senilai kurva pada setiap posisi penarikan yang diberikan. Perbedaan kontrol

batang kendali layak diperoleh sebagai turunan dari

4.2. Chemical Shim (Bahan Kimia Penyerap)

Air reaktor dikelola dan didinginkan merupakan bagian pngendalian, selain

untuk mengontrol sistem batang, dengan memvariasikan konsentrasi borat acid

(H3BO3) dalam pendingin. Ini disebut chemical shim. Karena respon terhadap


perubahan konsentrasi pelarut tidak secepat diperoleh oleh penyisipan batang

kendali, bahan chemical shim tidak dapat digunakan untuk mengontrol reaktivitas

insersi besar. Oleh karena itu selalu digunakan bersama dengan sistem batang

kendali. Dalam reaktor terdapat dua sistem kontrol:

Batang kendali digunakan untuk memberikan kontrol reaktivitas untuk

shutdown yang cepat, dan kompensasi reaktivitas varians karena

perubahan suhu.

Chemical shim digunakan untuk menjaga reaktor kritis selama xenon

transien, dan untuk mengimbangi menipisnya bahan bakar dan

penumpukan fisi produk selama masa hidup reaktor.

Penggunaan chemical shim mengurangi jumlah batang kendali yang

diperlukan dalam reaktor. Karena sistem kontrol batang yang mahal, adanya

penurunan jumlah batang kendali mengurangi total biaya reaktor. Chemical shim

hampir merata di inti dan dengan demikian kurang distribusi perturbasi daya

konsentrasi asam borat berubah. Chemical shim dalam reaktor termal terutama

mempengaruhi termal (bahan bakar) faktor pemanfaatan. Oleh karena itu, chemical

shim dapat dihitung dari hubungan

Dengan memasukkan Persamaan nilai

reaktivitas disederhanakan menjadi

Konsentrasi asam borat biasanya ditentukan dalam satuan ppm (parts per

million) air,maka ppm mewakili 1 g boron per 106 g air. Oleh karena itu, jika C

mewakili konsentrasi dalam ppm, maka rasio dari massa boron terhadap massa air


didapatkan

maka persamaan pw nilai dari chemical shim menjadi

5. FISSION PRODUCT POISONING (PRODUK RACUN FISI)

Produk fisi dan produk peluruhan menyerap neutron sampai batas tertentu.

Akumulasi peredam parasit selama operasi reaktor cenderung mengurangi faktor

multiplikasi neutron.

Akumulasi di antara semua bahan non-fisi selama operasi reaktor, dua bahan

yang terpenting untuk reaktor termal: 135Xe and 149Sm (dengan besar thermal

neutron penyerapan penampang). Karena penampang penyerapan menurun dengan

cepat dengan meningkatkan energi neutron, efek keracunan tidak terlalu penting

dalam reaktor cepat. Perubahan faktor multiplikasi neutron dengan bahan racun

hadir dalam reaktor termal dibahas sebagai berikut.

Neutron faktor multiplikasi ditulis sebagai

Dimana P merupakan kedudukan termal dan kecepatan neutron dari

probabilitas non-kebocoran. Jika bahan racun (penyerap kuat) ditambahkan:

Probabilitas non-kebocoran berubah sedikit karena berbanding terbalik

dengan

2 = 1/3

Pesatnya Faktor fisi tetap tidak berubah, =

Faktor reproduksi tidak berubah karena hanya fungsi dari sifat bahan bakar

( = v/

)

Resonansi probabilitas p dapat berubah tergantung pada penampang bahan

keracunan (lihat Gambar 4).

Faktor penggunaan bahan bakar berbanding terbalik dengan penampang

penyerapan dan dengan demikian perubahan drastis.


Gambar 8. Penampang Radioaktif untuk 135Xe and 149Sm

Efek dari bahan racun pada perubahan reaktivitas

Karena probabilitas non-kebocoran tidak berubah secara signifikan dengan

penambahan bahan racun, P/P ~ 1 dan persamaan di atas tereduksi menjadi


Jika total penampang penyerapan , maka

5.1. Xenon Poisoning

5.1.1. Produksi dan Penghapusan 135Xe Selama Operasi Reaktor

Xenon-135 (135Xe) adalah racun produk fisi yang menjadi perhatian dan

memiliki dampak yang luar biasa pada operasi reaktor nuklir. Maka diperlukan

untuk mengetahui produksi dan tingkat removal untuk memprediksi bagaimana

reaktor akan menanggapi perubahan tingkat daya. Xenon-135 adalah peredam non-

l/v (lihat Gambar 4) dengan neutron termal menangkap radiasi (penyerapan parasit)

penampang 2.6 x l06 b.

Gambar 9. Produksi 135Xe dalam Reaktor Termal

Tellurium-135 (135Te) rantai peluruhan adalah metode produksi primer dari

135Xe, namun dapat diproduksi langsung dari fisi (lihat Gambar 5). Hasil fisi 135Xe

adalah sekitar 0,3%, dan sekitar 6% untuk 135Te. 135Xe merupakan produk

peluruhan dari 135I yang dibentuk oleh fisi dan oleh peluruhan 135Te. Telurium-

135 adalah produk fisi, tetapi juga dapat terbentuk dari peluruhan dari 135Sb (juga


merupakan produk fisi). Hampir 95% dari semua 135Xe dihasilkan selama operasi

reaktor berasal dari pembusukan 135I.

Untuk yi mewakili hasil fraksi isotop i (fraksi fragmen fisi yang

menjadi isotop i), dan = f menjadi tingkat produksi isotop i,

dan mengikuti skema pembusukan pada Gambar 5.

Waktu pembusukan dari 135Sb dan 135Te sangat pendek. Dengan

demikian, kita bisa mengasumsikan bahwa semua 135Sb dan 135Te

adalah 135I dengan mendefinisikan

Nuklida terakhir dalam rantai peluruhan memiliki waktu paruh yang

sangat panjang. Dengan demikian, nuklida stabil dapat diambil dari

analisis dan dapat menyederhanakan rantai peluruhan sebagai berikut

Dalam kasus reaktor termal homogen konsentrasi yodium dapat

ditentukan sebagai

Dengan asumsi yang sama, perubahan konsentrasi xenon dapat

ditentukan oleh:


Pada kondisi mapan perubahan tingkat konsentrasi kedua nuklida

adalah konstan (setelah reaktor telah beroperasi selama beberapa

waktu, konsentrasi kesetimbangan dicapai), sehingga dengan

menetapkan persamaan sama dengan nol konsentrasi kesetimbangan

dapat diperoleh.

Konsentrasi kesetimbangan 135I

Penyerapan penampang untuk 135I sangat kecil di wilayah energi panas

(lihat Gambar 6) sehingga persamaan di atas dapat disederhanakan

dengan mengabaikan tingkat penyerapan. Konsentrasi kesetimbangan

135I sebanding dengan laju reaksi fisi dan tingkat daya.

Konsentrasi kesetimbangan 135Xe

Konsentrasi kesetimbangan 135Xe meningkatkan dengan daya karena

pembilang sebanding dengan laju reaksi fisi. Karena fluks termal dalam

penyebut melebihi 1012 neutron/cm2 sec maka fluks menjadi dominan.

Dengan demikian, hampir 1015 neutron/cm2 sec konsentrasi 135Xe

mendekati nilai batas.

Reaktivitas setara efek keracunan kesetimbangan xenon (dengan

mengabaikan kehadiran bahan kontrol) dapat ditulis dalam bentuk berikut.


Gambar 9. Penampang Radiasi untuk 135I

dimana

Untuk menggambarkan perubahan reaktivitas akibat akumulasi xenon,

maka dihitung reaktor termal homogen berbahan bakar with 2 % 235U pada

Dengan menggunakan data ini, persamaan sebelumnya dapat ditulis ulang

dalam bentuk yang disederhanakan berikut

Untuk nilai fluks l015 neutrons/cm2s, nilai keracunan dapat diabaikan (-6 x

10-4). Untuk fluks yang sepuluh kali lebih tinggi, keracunan masih rendah yaitu -

0.005, atau 0,5% dari seluruh neutron termal yang diserap oleh seluruh

kesetimbangan xenon. Namun, untuk fluks lebih besar dari 1016 neutrons/cm2s nilai


keracunan meningkat pesat, seperti ditunjukkan pada Gambar 7. dan nilai batas

diperoleh untuk fluks 1019 neutrons/cm2s. Keseimbangan 135I dan konsentrasi 135Xe

sebagai fungsi dari fluks neutronyang diilustrasikan pada Gambar 8.

Gambar 10. Reaktivitas setara keseimbangan konsentrasi 135Xe untuk reaktor termal

5.1.2. Xenon Poisioning Setelah Reaktor Shutdown

Ketika reaktor shutdown, fluks neutron pada dasarnya berkurang hingga nol

dan 135Xe bukan lagi produk dari fisi atau tidak dapat lagi dihapus oleh bahan

penyerap. Mekanisme produksi yang tersisa adalah pembusukan dari 135I yang

berada di inti pada saat shutdown. Mekanisme penghapusan untuk 135I ialah

pembusukan. Oleh karena itu, jika ts adalah waktu setelah shutdown, maka

perubahan tingkat konsentrasi xenon dapat ditulis dalam persamaan tereduksi

berikut.

Solusi untuk Persamaan memberikan

konsentrasi xenon selama waktu setelah reaktor shutdown


Gambar 11. Konsentrasi kesetimbangan dari 135I dan 135Xe sebagai fungsi dari fluks neutron

Waktu dimana konsentrasi maksimum dapat dicapai oleh pengaturan sama

dengan nol

Karena tingkat peluruhan 135I lebih cepat daripada laju peluruhan 135Xe, pada

puncak 135Xe. Nilai puncak tercapai ketika yang di sekitar 10 sampai

11 jam untuk reaktor termal. Produksi xenon dari pembusukan yodium lebih lama

dari penghapusan xenon oleh pembusukan. Hal ini menyebabkan konsentrasi 135Xe

berkurang. Konsentrasi 135I saat shutdown juga lebih besar untuk fluks yang lebih

besar sebelum shutdown yang juga mempengaruhi konsentrasi puncak 135Xe.

Gambar 9 mengilustrasikan perubahan konsentrasi relatif 135Xe saat pemadaman

reaktor sebagai fungsi fluks neutron dan waktu setelah shutdown. Hal ini dapat

dilihat bahwa puncak konsentrasi 135Xe dicapai sekitar 10 jam setelah shutdown,

konsentrasi akan menurun pada tingkat yang dikontrol saat peluruhan 135I dan C.

Menurut Contoh perhitungan yang diberikan dapat menggambarkan akumulasi

xenon setelah reaktor ditutup dan menjelaskan Gambar 9 waktu setelah Shutdown.


Gambar 12. Konsentrasi relatif 135Xe (Xe / Xeo) setelah reaktor ditutup sebagai fungsi dari

fluks neutron.

5.2. Samarium Poisioning

5.2.1. Produksi dan Penghapusan 149Sm selama Operasi Reaktor

Racun produk fisi yang memiliki pengaruh paling signifikan terhadap

operasi reaktor, selain 135Xe adalah samarium -149 (149Sm). Efek yang dihasilkan

secara signifikan berbeda dari 135Xe. Samarium- 149 memiliki radiasi termal

neutron dengan penampang penangkapan 4,1 x 104 b ( lihat Gambar 10 ).

Dihasilkan dari pembusukan dari 149Nd yang merupakan fragmen fisi seperti

ditunjukkan pada Gambar 10. Saat pembusukan 149Nd cukup cepat dibandingkan

149Pm, dapat diasumsikan bahwa 149Pm diproduksi langsung dari reaksi fisi dengan

hasil YPm.

Laju perubahan konsentrasi kemudian ditentukan oleh persamaan berikut

Pm - konsentrasi 149Pm

- peluruhan radioaktif konstanta 149Pm

Gambar 10. Produksi 149Sm dalam reaktor termal


Samarium-149 adalah isotop stabil dan sehingga hanya dihapus oleh

penangkap radiasi neutron.

dimana

Sm - konsentrasi 149Sm

- peluruhan konstan radioktif 149Sm

- penyerapan thermal neutron penampang 149Sm

Pemecahan untuk menghasilkan kesetimbangan konsentrasi kesetimbangan

dari dua isotop

Dapat dilihat dari persamaan diatas, bahwa konsentrasi kesetimbangan

149Sm bebas pada fluks neutron dan tingkat daya tertentu. Dengan perubahan

tingkat daya , konsentrasi keseimbangan 149Sm mencapai nilai transien/ peralihan

dan segera kembali ke nilai aslinya.

5.2.2. Samarium Poisoning Setelah Reaktor Shutdown

Setelah reaktor dimatikan maka 149Sm mengurangi produksi sesuai

Memecahkan persamaan diferensial sederhana diatas memberikan

hubungan untuk konsentrasi samarium sebagai fungsi waktu setelah dimatikan

dimana Smo dan Pmo adalah konsentrasi saat shutdown. Karena 149Sm adalah isotop

stabil , tidak dapat dihapus oleh pembusukan, yang membuat perilakunya setelah

reaktor shutdown yang sangat berbeda dari 135Xe, yang diilustrasikan pada Gambar

10. Kesetimbangan tercapai setelah sekitar 20 hari (500 jam). Konsentrasi induk

149Sm dasarnya konstan selama reaktor operasi (karena bukan efek negatif

radioaktif). Ketika reaktor shutdown, konsentrasi meningkat dari akumulasi


pembusukan 149Pm. Peningkatan setelah penutupan tergantung pada tingkat daya

sebelum reaktor shutdown. Konsentrasi 149Sm tidak mencapai puncaknya seperti

135Xe, melainkan meningkat perlahan ke nilai maksimum dari Smo + Pmo. Setelah

shutdown, jika reaktor dioperasikan lagi, 149Sm terbakar dan konsentrasi kembali

ke nilai kesetimbangan. Samarium poisoning adalah benda yang lebih kecil bila

dibandingkan dengan xenon poisoning.

Gambar 13. 149Sm meningkat sebagai fungsi waktu setelah penutupan

6. Dampak Radiasi Nuklir

Kecelakaan nuklir yang disebabkan oleh energi yang terlalu besar seringkali

sangat berbahaya. Dalam sejarahnya, insiden pertama yang melibatkan paparan

radiasi fatal. Marie Curie meninggal karena anemia aplastik yang dihasilkan dari

paparan nuklir tingkat tinggi. Dua peneliti Amerika, Harry Daghlian dan Louis

Slotin, meninggal karena salah penanganan massa plutonium. Tidak seperti senjata

konvensional, cahaya yang kuat, panas, dan daya ledak bukan satu-satunya

komponen mematikan senjata nuklir. Sekitar setengah dari korban meninggal di

Hiroshima dan Nagasaki meninggal setelah dua sampai lima tahun setelah paparan

radiasi dari bom atom.


Radiologi dan kecelakaan nuklir kebanyakan melibatkan tenaga nuklir sipil.

Yang paling umum adalah paparan nuklir untuk karyawannya akibat kebocoran

nuklir. Kebocoran nuklir adalah istilah yang mengacu pada bahaya serius dalam

pelepasan bahan nuklir ke lingkungan. Yang paling terkenal adalah kasus Three

Mile Island di Pennsylvania dan Chernobyl di Ukraina. reaktor Militer mengalami

hal yang sama adalah kecelakaan Windscale di Inggris dan SL-1 di Amerika

Serikat.

Kecelakaan militer biasanya melibatkan hilangnya senjata nuklir atau bahan

peledak yang tidak diharapkan. Percobaan Puri Bravo pada tahun 1954 untuk

menghasilkan ledakan yang tak terduga, yang terkontaminasi pulau terdekat,

sebuah kapal nelayan berbendera Jepang (dengan satu kematian), dan

meningkatkan kekhawatiran tentang kontaminasi ikan di Jepang. Pada tahun 1950

sampai 1970-an, beberapa bom nuklir yang hilang dari kapal selam dan pesawat,

beberapa di antaranya belum pernah ditemukan. Selama 20 tahun terakhir telah

begitu berkurang kasus itu.

Dampak radiasi pun bermacam-macam, ada yang bisa dirasakan seketika

dan ada yang baru muncul dalam jangka panjang.

a. Rambut

Efek paparan radioaktif membuat rambut akan menghilang dengan

cepat bila terkena radiasi di 200 Rems atau lebih. Rems merupakan satuan

dari kekuatan radioaktif.

b. Otak

Sel-sel otak tidak akan rusak secara langsung kecuali terkena

radiasi berkekuatan 5000 Rems atau lebih. Seperti halnya jantung, radiasi

membunuh sel-sel saraf dan pembuluh darah dan dapat menyebabkan

kejang dan kematian mendadak.

c. Kelenjar Gondok

Kelenjar tiroid sangat rentan terhadap yodium radioaktif. Dalam

jumlah tertentu, yodium radioaktif dapat menghancurkan sebagian atau

seluruh bagian teroid.

d. Sistem Peredaran Darah

Ketika seseorang terkena radiasi sekitar 100 Rems, jumlah limfosit

darah akan berkurang, sehingga korban lebih rentan terhadap infeksi.

Gejala awal mirip seperti penyakit flu. Menurut data saat terjadi ledakan

Nagasaki dan Hiroshima, menunjukan gejala dapat bertahan selama


sepuluh tahun dan mungkin memiliki risiko jangka panjang seperti

leukimia dan limfoma.

e. Jantung

Jika seseorang terkena radiasi berkekuatan 1000 sampai 5000

Rems akan mengakibatkan kerusakan langsung pada pembuluh darah dan

dapat menyebabkan gagal jantung dan kematian mendadak.

f. Saluran Pencernaan

Radiasi dengan kekuatan 200 Rems akan menyebabkan kerusakan

pada lapisan saluran usus dan dapat menyebabkan mual, muntah dan diare

berdarah.

g. Saluran Reproduksi

Radiasi akan merusak saluran reproduksi cukup dengan kekuatan

di bawah 200 Rems. Dalam jangka panjang, korban radiasi akan

mengalami kemandulan.


SUMBER REFERENSI

Jevremovic, Tatjana. 2005. Nuclear Principles in Engineering. New York:

Springer Science Business Media, Inc.

whatisnuclear.com, diakses pada 23 April 2014.

www.youtube.com/how-nuclear-energy-work,s diakses pada 23 April 2014.

Aplikasi Khusus Sistem Kontrol

Documents

Transcript of Aplikasi Khusus Sistem Kontrol