JURNAL TEKNOLOGI REA" TOR NUKLlR- TRI DASA MEGA, Vo/.2,No.1,Pebruarf, 2000: 22-32

EV ALUASI REAKTIVIT AS BAHAN BAKAR OKSIDA DANSILISIDA PADA TERAS RSG-GAS

Tukiran s., Tagor M.S., Lily S., S. Pinem .)

ABSTRAKEVALUASI REAKTIV/TAS BAHAN BAKAR OKSIDA DAN SILISIDA PADA

TERAS RSG-GAS. Pergantian bahan bakar teras R.S'G-GA.S' dari uranium oksida keuranium silisida dengan muatan, densitas dan pengakayaan yang sarna yaitu masing-mac'iiI1,!,' 2.50 gr, 2,98 grlcm3 dan 19,75 % dilakukan secara bertahap, Setiap lahapper,~antian dengan pola 511 perlu dilakuk,an evalusi terhadap parameter operasi teras,Salah satu paralneter opera\'i .vang pel1ting adalah reakti\litas hahan hakar Yal1,!,'mempel1,I,'aruhi reaktivitas tera\', 1~\lalua\'i dilakukan pada awal siklus (Jl()(') tera\' .,6del1acl;'n adanya 2 buah bahan bakar silL'iida di dalam teras, l!..valuasi dilakukal1herda~'arkan pada ha~'il kalibrac'ii batang kendali terac'i RSG-GAS yang terdiri dari 40hahan hakar silida .vang diletakkan pada posi",i A-9 (RI-225) dan C-3 (RI-224), Denganadan.va pema\'Ukal1 2 ba/1an bakar silisida maka pel1garuhnya. Namun dalam hal il1iI~S(l-(iAS tidak memi/iki hahan hakar ok,'iida ,'iegar (derajal hakar 0 %) lain, makateras RSG-CiAS dihentuk u/ang den,!,'an mengeluarkan bakan hakar sili",ida dandi,!,'unakan c'iehagai acual1, Kemudian hahan bakar ."ilisida ditukar dengan bahan bakarok'iida sehing,!,'a diperoleh beda reaktivitac\' kedua bahan bakar terc'iebut fIa."ilek\perimen menulljukkan hahwa perubahal1 reaktivitac\" hahan bakar ok\"ida RI-260IF,-3di,!,'anti bahal1 bakar sili.'iida adalah ",ebesar 12,8.5 sen ."edaI1gkan hasil perhitun,!,'anden,!,'an pro,!,'ram JAFUEL adalah 13,49 sen. fIasil yang diperolah menunjukkan hahwaperubahalm.va ~.angat keci/ ~'ehingga pergantian bahan bakar oksida ke ~'ili.\"ida padastep pertama ini dapat dilakukal1 tanpa merubah parameter operasi yang besar,

A B.\' TRA (.'TEVALUATION OF THE OXIDE AND SILICIDE FUELS REACTIVITY IN

THE RSG-GAS CORE. Fuel exchange of the RSG-GA.5' reactor core from uraniumoxide to uranium silicide in the same loading, density, and enrichment, that ij', 250 gr,2,98 grlcm3, and 19.75 %, re."pective~y, will be performed in-step wise. In every cycle ofexchange with 511 mode, it i." needed to evaluate the parameter of reactor coreoperation. One l?f the important operation parameters is fuel reactivity that gives effectto the core reactivity, The experiment was performed at core no, 36, BOC, low powerwhich exi.\1 2 silicide fuels, The evaluation wa." done based on the R.S'C,-GAS control rodcalibration consisting of 40 fuels and 8 control rods. From 40 fuels in the core, thereare 2 j.ilicide .fuel.", RI-225IA-9 and RI-224/C~-3. For inserting 2 ."ilicide fuel.\~ thereactivity effect to the core must be known, To know this effect, it was performed fuelj'reacth,ity experiment.. which based on control rod calibration, But in this case the RSG-CiAS ha's' no other fresh oxide fuel so that configuration of the R.S'G-C,AS core wasrearranged b.y taking out the both silicide fuels and this configuration is used asr~ference core, Then, ."ilicide fuel RI-224 waj. inserted 10 po...ition F-3 replacing the,frej'h oxide fuel IU-260 so the different reactivity of the fuel,.. ij. obtained. tneexperiment re.\'ult showed that the fuel reactivity change L.. in amount of 12.85 cent(0,098 %). The experiment re...~/t was compared to the calculation result, using IAFUEL

22

EVALUASI REAKTIVITAS BAHAN BAKAR OKSIDA (Tuklran s., TagorM.S.. LIly S.. S. Plnem)

code, which amount to 13.49 cent (0.103 %). The result showed that the reactivitychange of oxide to silicide fuel is small so that the fuel exchange from uranium oxide touranium sicilide in the first step can be done without any significant change of theoperation parameter.

Kata Kunci: Reaktivitas Teras Reaktor, .\'ilisidaO) Peneliti di Bidang Pengembangan Teknologi Reaktror, BPTR.. Pusbang Tcknologi

Reaktor Riset, P2TRR, BAT AN

PENDAHULUANRSG-GAS adalall rcaktor riscl yang mcnggU11akan bahan bak(lf lipc MTR

pcngkayaan rcndah (Low Enriched Uranium=LEU) < 20 %. mcnggunakan clcmcn

bakar berbentuk petal dengan densitas 2,96 gr/cm3. Pada teras penult RSG-GASmempU11yai 40 elcmen bakar daJl 8 elemcn kendali. Reaktor didcsain mcngll.1silkandaya 30 MWt daD fluk neutron tennal rerata 2,4 x 1014 n/cm2dtk. Saat illl RSG-GAStelall beroperasi lebih dari 10 tallU11 scjak kritis pertalna dicapai pada tanggal 27 Juli

1987.Untuk mcnmljang prograln intcntasioltal, yaitu mcrubah b,tllan bakar rcaktor dari

uranium oksida mcIIjadi uranium silisida pcngkayaan rendall, RSG-GAS tClallmcmpcrsiapkan diri sejak lamc'l dalam ltal analisis pemakaian ballan bakar uranimnsilisida. Schingga pacta teras 36 dimulai pcnggunaan ballCUI bak.1f uranium silisid.'l

sccara bcrtallap di teras RSG-GAS. Sccarn tcoritis d.'ln pcrhitungan pcllcliti tcrwlhulu

baik naSiOlk'lllnaupun intcmasinal mengatakan bahwa penggunaan ballan bakar silisidasangat menjanjikan dan allk"lll hingga densitas tinggi 5,2 gr/cm3 [I J. Namun tidak salall

jika RSG-GAS mencoba mcnggunakan balIan bakar secara bertaltap dcngan pola 5/1

pada densitas dan pengkayaan yang salna dengan ballan bakt1r oksida yaitu lnasing-masing 2.96 gr/cmJ dCUI 19.75 %. Schingga dih,mlpkan pada teras tidak mcrubah

parcuneter operasi terns secara drastis.Dengcul adanya pcrganticul pcnggunaaII ballan bakar oksida mclljadi bahall bakt'lr

silisida pacta teras RSG-GAS. maka akatltcrjadi pcruballCUI hclfga rcaktivitas alltara terassilisida dCUl terns yang berisi balIan bakar oksida. Pacta teras ilU dimasukan dua clcmcll

bakar silisida RI-225 pada posisi A-9 dan RI-224 pada posisi C-3. Dcngan dcmikiculdipandang perlu untuk mcngetahui besamya perbedaan reaktivitas tcrscbut. Kcmudianditentukcul juga perubalIan reaktivitas akibat perganticul posisi antara ballan bakarsilisida RI-224 IC-3 ke posisi balIan bakar oksid.'l RI-2601F-3. TUjUCUI ckspcrimcn illi

adalall untuk mengetalrui nilai reaktivitas teras dan pcngarull rc.1ktivitas teras dcngan

masukllya 2 ballan bakar silisida datI juga peruballall rcaktivitas akibat pcngaruh posisi

terllc'ldap pcrgantiall silisida.Pacta teras ke tiga pulull cnam .pCllgukurail lulai rcaktivitas clcmCll bakar

didasarkan pacta ltasil pengukuran kt'llibrasi batang kcndali yang dilakuka11 dcngcul

mcnggun,tkan metode kompcnsalai batang kcnd.'lli dcllgan posisi bcrpasangan

(bcrscbcrangall). Bcrda&1rkan pcngukuran kalibfilsi balang kClld,lli inilall dilakuk,111ckspcrimcn nitro rcaklivitas b,tllall bakar silisida datI cvaluasi rcaktivitas bahall b,tkaryang mempengarulu reaktivitas teras reaktor kelnidian hasilnya dicvaluasi dcngan hasil

perhitungan menggruIakaII program IAFUEL

23

JURNAL TEKNOLOGI REAKTOR NUKLIR-TRI DASA MEGA. VoI.2,No.1.Pebruarl, 2000: 22-32

TATA CARA EKSPERIMEN

1. Penj"JUkuran Kalibrasi Batang KendaliPengukuraIl kalibrasi batang kend.:'lli dilakukan dengan metode kompensasi

bcrpasangan satu kali untuk setiap batang kendali. Batng kendali yang akan dikalibrasibcrada pad.:'l posisi () mm daD batang kcndali kompensator bcrad.:'l pada posisi 600 mm.scdangk'clli 6 buah bat.'Ulg kcndali yang lain berada pada posisi bank. Untuk mclakukanpcngukuran reakti"itas bata11g kendali digunakan pcrsamaan invcrs kinctika schinga

dipcrolch harga rcaktivitas scbagai bcrikut 121,/ d I: \P An L' ']

( 'P -+- -/L-; 'in ;=1

.(1)-dt

dcng311,p = reaktivitasfJ = fraksi neutron kasip totalA = waktu gcncrasi neutron)j = konst,Ulta pclurull311 isotop penghasil neutron group ke-iCi = konscntrasi neutron kasip group ke-i

2. Pcngukuran Rcaktivitas Bahan BakarPenb'UkUraJ\ reaktivitas clemen bakar berdasarkan hasil kalibrasi batang kendali

awal siklus yang tclal\ dilakukan. Pcngukuran kalibrnsi bat.ll\g kcndali dan rcaktivitasclemen bakardilakukan pacta re.1ktor dalmu kondisi dingin daD bcrsih, tanpa aliran fluida(pendingin) primer. Eksperimen dilakukan pada daya rendal\ (JKT 04 = 0,45 xIO-IO A =

12,5 Kw) bebas sumber untuk,I. Tcrns rc;\ktor tcrisi pcnllh clemen bakar scsllai kon/iguGlsi tCGIS 36 scpcrti

yang dillll\jukkan pada Gambar I.2. Satu clemen bakar silisida (RI-225) berada diluar teras.3. Dua elelllen bakar silisida (RI-224 clan RI-225) berada diluar teras.4. Satu clemen ballaD bakar silisida (RI-224) bernda dilu.'lf teras.5. Satu clemen bakar silisida (RI-224) dan satu clemen bakar oksida (RI-260)

bcrada diluar terns.6. Elemen bakar silisida dimasukkan ke posisi clemen bakar oksida yang rclatif

sarna muatannya.

METODAPERHITUNGANPcrhilU11gml manajcmen teras RSG-GAS dilak~Ul dengatl prograln

IAFUEL yaitu progrmn komputer 2 dimensi. 4 kelompok energi neutron. Didalam program ini dibuat penyederhanaan distribusi neutron tiga dimensi yangdapat diwakili mcnjadi dua dimensi x-y geometri. Dimana kebocoran neutron kc

;1fan Z telah dikorcksi dcngan buckling (keluk) radiainya.

24

EVALUASI REAKTIVITAS BAHAN BAKAR OKSIDA (Tukiran s.. TagorM.S., Lily S., S. Pinero)

8 7 5 4 3 210 9 6

Keterangan :

B = Berilium. BS+ = Berilium .S'topper dengan .rumbat. Al = Alumminium .';topper tanpa sumhat. EB= l!./emen Bakar. EK= Elelllen Kendali

N.'; = Sumber Neutron

Gambar 1. Konfigurasi teras tiga puluh CIJaffi

Progralu IAFUEL menyelesaikan persamaan difusi neutron dalam gcomctri duadimensi scbagai bcrikur3J,

-VDg V/Jg +L ,(2)

rg

dengan,D = konstanta difusi

Ir= tampang lintang makroskopik removalIs = tampang lintang makroskopik hamburanX = spektrum neutron fisit/J = lluks neutrong = 1,2,3,4 g-1. mempak.w kclompok cncrgik = faktor multiplikasi.II' = swnbcr neutron

25

JURNAL TEKNOLOGI REAKTOR NUKLIR-TRI DASA MEGA, Vo/.2,No.1,Pebruarl, 2000: 22-32

Setiap dacrall teras ditunjukkan oleh nomor material yang mempunyaimaterial sendiri, misalnya 1.2,3,4 ..dst, lnasing-masing adalah material pcmbcntukiradiasi pusat, clemen bakar, clemen kendali dan clemen reflcktor teras. Dengandemikain setiap daerall mempunyai datc'1 D, 2:r. 2:.. dall 2:f yang bcrbcdal41.PerSan1aall (2) di alas disclesaikan dcngall menggwlakan metode numerik bedahingga. Sclain data tersebut ilia tasa diperlukan juga data-data yang lain sepcrtiuk\lran teras, junllah titik tinjauan (mesh point). Hasil yang diperolch adlah fluksneutron pawl sctiap titik tinjaUc'Ul, [aktor puncak daya dan ketr teras. BerW1Sclrkailkeff dievaluasi bcsamya nilai reaktivitas clemen balla11 bakar silisida dall okesidadi d.'1lam teras RSG-GAS.

TAT A CARA PERHITUNGANUnllik mclakukail pcrhitwIgaiI nilai rcaklivitas clemen bakar silisida dan

oksida dilakukail langkalI scbagai bcrikut,I. Dipcrsiapkan konfigtlrasi teras 36 dcngan kondisi penult balIaiI bakc1r

oksida (dua clemen bakar silisida dikeluarkall).2. Digunakan data talnpang lintang material teras d.1ri puslaka tampang

lintallg IAFUEL.3. Disiapkan lllasukan prograln IAFUEL yang terdiri dari gcomctri teras.

lcbar lalIgkalllilik mesh kc aralI sumbu x datI y, kcluk geometri.4. Progranl IAFUEL dijalankaiI sclungga dipcrolch fluks neutron setiap

tilik mesh sebagai ftmgsi kelompok energi neutron, distribusi daya dank.,rr teras.

5. DigWIclk;UI data tainpalIg lintang makroskopik ballan bakar silisida yangakan ditentukaiI reaklivitasnya (RI-224).

6. Diganti posisi elemen bakar oksida segar RI-260 pacta posisi F-3 dcnganelemcn bakar silisida RI-224.

7. Program IAFUEL dijalallkcm schinggtl dipcrolch Ouks neutron sctiaptilik mesh scbagai fungsi kclompok cncrgi neutron, distribusi daya daiIk.,fT teras dengan bahan bakar silisida. .

8. Dari hasil langkah 4 dan 7 dipcroleh perubal1aJI nilai kefT yangmcrupakan peruballa11 nilai reaklivitas teras akibat peruballail bahanbakar silisida.

9. Diagram alir prograln IAFUEL dapat dilihat pad.1 Gambar 4[5].

BASIL DAN PEMBAHASANKondisi dan posisi batang kendali selalua pcngukuran ditunjukkan pada

Tabcl I. Harga rcaktivitas sctiap batang kendali dc'll1 ncraca reaktivitas teras 36

ditunjukktm padc1 Tabcl 2. Kurva basil pengukuran kalibrasi batang kcndali dapc1tdilihat pada Gamabr 2 daJ1 3. Tabel 3 adalal1 basil pcngukuran rcaktivitas clemenbakar yang dipcrolch bcrdasark.1n ckspcrimcn hasil kalibtrasi batang kcndali.

Hasil pcngukuran kalibrasi batang kcndali diperoleh dengan metodc ckspcrimcnkompcnsasi bcrpasangal1. Tabcl 4 adc1lal1 Ilc1Sii analisis rc~tktivitas clemen bak~lr

oksid~l d~m silisida bcrda&1fk~m ckspcrimcn dan pcrltitungan dcngal1mcnggU11~tkall progralu IAFUEL yang telah tersedia di Bidcwg PcngcmbanganTcknologi Rcaktor (BPTR). Tabel 5 adc11ah reaktivitas elemcn bakar pc1da posisi

2(;

EVALUASI REAKTIVITAS BAHAN BAKAR OKSIDA .(Tukiran s.. Tagar M.S., Lily 5., S. Pinem)

grid tertentu berdasarkan perllitungan dan eksperimen. Tabel 6 adalall komposisiuaranium Pc'lda clemen bakar RI-260 dan RI-224 yang ditcliti pcngaruhrcaktivitasnya di dalam teras RSG-GAS.

Tabcll. Kondisi dan posisi batang kCtldali sclmna pcngukuran

Tabcl 2. Harga reaktivitas batang kendali, reak1ivitas Icbih dIU! padmn teras

-

Batang Kcndali

I JDAO3/F-8

Reaktivitas PadmukOlldisi stuck rod

bayangan gelap adalah reaktivitas terbcsar batang kcndali

27

JURNAL TEKNOLOGI REAKTOR NUKLIR-TRI DASA MEGA, VoI.2,No.1,Pebruari, 2000: 22-32

TERAS 36

1.&>

Gambar 2. Kurva reaktivitns bata11g kendali mAG I, mAO2, mAO3, mAO4

1.60

~~

0.80

0.40

0.000 100 200 300 400

posisi b.k. (nm)500 600 700

Gambar 3. Kurva rc.1kiivitas batmlg kcndali JDAO5, illAO6, JDAO7, JDAO8

EVALUASI REAKTIVITAS BAHAN BAKAR OKSIDA (Tuklran s., Tagar M.S., LIly S., S. Plnem)

Tabcl3. Hasil pengukuran reakiivitas clemen bakar

No IRI. bakarl Posisi grid lBANK I RR---teras (mm) (mm)

KETERANGANl\p(scn)

p(sen)

351,718, 267 267 Tcras pcnuh0

54.587 12 Rl-225(silisida)

A-9 243 236 406,305 IU{-225 dan A-9dikc!uarkan

3 lU-225&RI-224

A-9 & C-3 276 273 502,893 151,175 RI-225 &RI-224 diluartcrns

IU-224

I(silisida)

4 C-3 256 256 I 444,683 1

JURNAL TEKNOLOGI REAKTOR NUKLlR- TRI DASA MEGA, Vo/.2,No.1,Pebruari, 2000: 22-32

Tabcl 6. Komposisi Uratuwn pada elemen bakar yang digunakan

Bcrdasarkcm hasil pcngukurml kalibrasi batang kcndali dcngan mctodcbcrpasangan dipcroleh reaktivitas lebih teras 7,17 %, rcaktivitas pc'ldam 2,691 %,rcaktivitas .\'tuck rod 1,253 %. Berdasarkan hasil eksperimen ini n1aka konfigurasi teras36 memenulu kritcria kcsclamatc'Ul U11tuk diopcrasikan satu siklus karcna persyaratannyaadalah rcaktivitas pada kondisi .\'luck rod atau satlJ batc'lflg kcndali dcngan rcaktivitastcrbcsar gagal Illasuk kc dalam tcras harus mcmpunyai rc.lktivitas > 0,5 'X,. Scllinggabcrdasclrkcul ckspcrimcn kalibrasi batmlg kcndali walaupun batc'lng kcndali dcnganrcaktiyitas terbesar gaga I masuk kc dc'llam teras mak.'l masih ada rcaktivitas pc'ldc'l terasscbcsar 1,253 'X, un\1lk mcnjadikan re.'lktor subkritis jika terjadi kcgagalan padc'l sistcmrcc1ktor. Dcngan hasil tcrsebut reaktor dapat dioperasikan untuk tujuan produksi radioisotop dan pcnclitian lainnya. .

Pcngarull rcaktivitas teras dcngan adanya dua bahan bakar silisidc'l yaitu RI-224,posisi C-3 dan RI-225, posisi A-9 di dalmn teras tidc'lk ada masalall kc'lfcna tclahdibuktikcul dcngan hasil ckspcriman kalibrasi batang kendaIi, recutivitas bahml bakardan hasilnya dibandingkan dcngan pcrlutU1lgan progrmll IAFUEL. Pcrubahanrcaktivitas clcmcn bakar silisida RI-224 jika dimasukkan kc posisi F-3 dimana tadinya\1Icrupakcul posisi bahml bakar oksida adc'llah 12,85 sen sedangkan menurut pcrhitungandipcrolch 13,49 sen. Pcrbedaan ilU sangat kecil sehingga tidak akan menggmlggupar(unctcr opcrasi. Sellingg.'l dengan masuknya baltan bakar silisida padc'l langkahpcrtama ini rcaktor RSG-GAS dapat beroperasi dengan baik hillgga mcllcapai akhirsiklusnya. Pcrbcdaan rcctktivitas antara bahall bakar oksida dan silisida di alas hmlyadiscbabkan olch karcna jumlall atom dml mas-'l atom pcmbcntuk clcmcn bakar tcrscbutbcrbeda olch karclla proses metalurgillya.

30

EVALUASI REAKTIVITAS BAHAN BAKAR OKSIDA .(Tuklran s., Tagor M.S., LIly S., S. Plnem)

Pertukaratl posisi grid ballaD bakar sangat mempcngarulli bcsaran reaktivitas,dapat dilihat pacta Tabel 5 bahwa ballaD bakar RI-224 pacta posisi C-3 mcnghasilkan92,965 scn. Jika clemcn bakar tescbut dilctakkan P;1d.1 posisi F-3 mcnghasilk.1nrektivitas 98.73 sen. Pcmbculan reaktivitas akabit posisi adalah 5.765 scn. Dalam halpcrhitungan, tcrlihat pacta Tabe.l 5 ballwa reaktivitas ballan bakar R.I-224 pada posisigrid C-3 adalall 89,48 sell sedangkatljika ballatl bakar terscbut dilctakkan p 0.5 'X.

schingga teras RSG-GAS aInan Ulltuk diopcrasikan. Scdangkan cl.'\fi basil pcngukuranrcaktivitas bahan bakar menunjukkan bahwa pcrbcdaan reaktivilas akibat pcngunamlbahaIl bakar silisida dibanding dengan ballaIl bakar oksida untuk satu bahan bak.1rmcmpUllyai perbcdaan yang kecil yaitu 12.85 SCII alau 11.098 'Yo Icbih kccil. Dcnganpcrhilungan mcnggul1.1kan program IAFUEL dipcrolch 11.49 scn alau O. 101 'X,. DcnganInlai reaktivitas sepcrti di atas lnaka reaktor RSG-GAS dapal diopcrasikan scpanjang

31

JURNAL TEKNOLOGI REAKTOR NUKLIR-TRI DASA MEGA. VoI.2.No.1.Pebroarl, 2000: 22-32

satu siklusnya yaitu 660 MWD tanpa merubah parameter operasi sellingga pada akllirsiklusnya bahaI1 bakar dapat dikeluarkan 5 buill. dan batang kendali 1 buill. (pola 5/1).

DAFTARPUSTAKAI. BAKRI ARBIE. "Oxide to Siliscide Fuel Conversion Study for Multipurpose

Reactor RA. Siwabessy" Tesis S-3, Universitas Gajall Mada, Yogyakarta.1996.

2. JAMES. J. DUDERSTADT, LOUIS J. HAMILTON. "Nuclear ReactorAnalysis". Jolm Wiley &Sans. Inc. USA. 1976.

3. INTERATOM. "Input Description ofIAFUEL Program" Bensberg. 1986.4. INTERATOM. "Concept and Metllods of MUGDI Program for Neutroluc

Calculation Regarding Research Reactor". Bensberg, 1986.5. Diktal Kuliah "Fuel Mmmgemenl". Serpong 1986.

32

2: Kembali ke Jurnal