/SSN 1410-/998 Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEBN -BAT AN. Jakarta 18-19Maret 1996

FAKTOR MODERASI PADA BERBAGAIMODEL ELEMEN BAKAR PLAT

As Natio Lasman, Hilman RamliPu&1t Reaktor Serba Glli1a

ABSTRAK

F AKTOR MODERASI P ADA BERBAGAI MODEL ELEMEN BAKAR PLAT. Elernen bakar plat adalah merupakansatu diantara jenis elemen bakar yang banyak dig\U1akan di daJam reaktor-reaktor riset maupun reaktor-reaktor produksi

isotop. Dibandingkan dengan jenis elernen bakar lai1U1ya. maka elernen bakar plat mernpunyai luasan kel~ yang lebihbesar, dengan demikiwl pemanfaatan elernen bakar uti menjadi lebill mellarik karena panas yang dihasilkan oleh reaksi fisimaupun oleh panas g dapat dipindahkan deJlgan lebih baik ke pelldingin. Artin)1i bahwa dengan mengg1U1akan elemen 00karini dimungkinkan unttlk mendapatkwl fulks neutron berorde tinggi. Berdasar atas haJ tersebut maka beberapa faktor, misal

pengkayaan ll5u, kerapatan w-aniwn, InateriaJ campl\ra11 pada daerah meat clan kelongsong, perbandingan moderasi, hamsdiperlritlmgkan. Faktor moderasi mernplUlyai arti yang sangat peIlting, yakni di daJam ~k reaksi berantai, ~kkeselmnatan clan pemanfaatwl yang optimal terhadap elelnell bakar. Koefisien reaktjvitas negatif diperlukan untuk mernenuhi~k keselmnataIl. Faktor moderasi sangat bergmlttulg pada volume air YWlg berada di antara bahan 00kar plat. Di daJamtnakalah ini dibahas mode! elernell bakar ymlg mernplulyai 15, 17, 19,21,23,25,27,29 clan 31 buah bahan 00kar plat.Perhitungan dilakllkan dengml mengglulaka11 WlMS-D4. Hasil perhittU1gan menunjllkkan bahwa elemen 00kar yangmernpunyai baJ1an bakar plat lriIlgga 23 bllall masih dapat digolongkan ke daJam kOJldisi over moderated. Sementara itukoefisien reaktjvitas dari elernen-elernen bakar yang dibahas di alas masill tetap daJam kategori negatif

ABSTRACT

MODER4770NFACI'OR OF SOME FUEL PLATE TJ'PEMODELS. Fuel plate type is one of the fuel types which isused in the research reactors and also in the isotope production reactors. The clad dings area of this fuel plate type is biggerthan another fuel type, so using of this fuel plate type is more interesting because tile heat, which is produced by the fissionprocess and also g heating, will be better tranifered into tile coolant. It meal/S it is possible to get an high order ofneutIYNIflux. Based Otl this reason somefactors, i.e. the enrichment of1JJu; Vraniunl density, nlixing material in the meat regioo andalso in the cladding, moderation ratio, must be caculated. The moderation factor has imporltmt meanings, i.e. in the chainreactiOtlS, safety aspect and the optimal using of the fuel element. The negative reactivity coefficient is required to fulfill thesafety aspect. the moderation factor depends on the \mter volume between the fuel plates. In this JXlper will be discussed themoderationfactor/ratio of the fuel plate type which has 17, 19,21,23,25,27,29 and 31 fuel plates with the same dimensiooexcept the cooling gap. The WlMS-D4 code \IUS used for the calculation. The calculation showed that the fuel plate types,which is build until 23 fuel plates, are still O\'er moderated COtldition. The reactivity coefficient of the above fuel plate types isstill negative.

PENDAHULUAN sendiri. Adalah sangat dianjurkan memilih elemenb.1kar yang mempunyai kemarnpuan modernsi padadaerah yang Optillk'll atau yang mendekatinya.narnun ffic1Sih dalarn kategori over moderated.Sementara itu beSc"1ran koefisien reaktivitas ~rludiketal\w untuk melnastikan reaktivitas elemenbakar ataupw\ teras ap.1bila terjadi ~rubahan subu.DaJam makalah ini ditinjau ~rubahan subu untuk

~ndingin.

Perlutungan dilakukan dengan menggu-nakan paket program WIMS-D4 I , yakni suatu

p.1ket program yang dimaksudkan untukmenghjtung berbag.1i besaran fisika. misal tampanglintang ffit1kroskopis untuk fisi, absorbsi, difusi,hamburan d.'lri kelompok tenaga yang satu kekelompok tenaga lainnya. Spektnun neutron darimasing-lnasing kelompok tersebut dapat diketahui,dengan demikian d.1pat diketallui kelakuan neutron

Mengingat bahwa elemen bak.1f model platmempunyai luasan pendinginml (kelongsong) lebihdari 6 kali lebih luas dibmldingkc'm dengan modelpin, maka dimungkink.'m untuk mend.:1~1tk.'m fluksneutron berorde tinggi. Dengan demikian elemenbakar ini bc'myak digul1c1k.1n pacta berbagai reaktorriset lll.:'1Upun reaktor produksi isotop. Denganadanya fluks neutron berorde tinggi tersebut, makakriteria keselamatan mernpakan htll penting yangharus diperhatikan. Setid.:1k-tid.:1knya dlk1 haJ yangperlu diperhatikan, yakni faktor moderasi dankoefisien reaktivitas.Faktor moderasi berk.'1itall erat dengan kernampuanmoderator memperlambat neutron guna keperllk'mkelangsungan re.1ksi berantai. KemmnpUaJlmemoderasi ini berk.'1itan erat jug.:1 l1c'mtinyadengan kemamplk'm pemanfatan elemen bakar illl

257

Prosiding Presentasi /lmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEEN -BATAN, Jokarta 18-19Maret 1996

di d.'llam clemen ru1k.1f tersebut. Perhillmgandilakukan deng.'li mengg\ll1<1kan 4 buah kelompokterulga neutron.

Sec.1ra umwn dimensi clemen bakar tersebutdiSc1jikan pada g.1Jnbar I.

BaJwl bak.1f yang digurulkan di d.'11am perhitunganini ad.'11ah matriks U30sAJ. Pengkayaan yangdigun.1kan ad.'11ah tek1p yakni J 9,75% 23SU, namunmlk1tan Wltttk berbagai kasus perhitungan berbeda-beda, yakni untuk tingkat muat 23SU sebanyak 250,300, 350, 400 dan 450 gram untuk setiap elemenb.~1f. Elemcn bakar p.1da model perhitungandisusun atc'1S 15, 17, 19,21,23,25,27,29 dan 31blk1h balk'lll bak.1f plat. Adapun ketidakmurnianU30s d.'lli AJ disajikan pad.1 k1bell dan pada k1bel2disajikan elemen penyusun AlM~ 3 , yakni elemen

yang digtmakan scbagai kelongsong dan stmktur.

MODEL ELEMEN DAKAR

Perhitungan dilakuk.-m lerhadap clemenb.1kar model plat scb:1gaimal1<1 yang diglll1<1kanpada RSG GAS 2 .Kisi-kisi elcmcn b.1kM

berukuran 8,1 x 7,71 cm2. Tcbc1) bahan bakar platadalah 0,13 cm, dimaJ1.1 tcbcll meat ad:llaJ\ 0,054cm dan kelongsong ad:llah 0,038 cm. Kelongsongmcnggun.1kan AlMg2 dcmikian pula unnlk materistruktur yang mempunyai kcleba)an 0,45 cm.

8.1 cm

Gambar Elemcn bakc'lf. tipe MTR

25R

Prosiding P..esentasi Ilmiah Daur Bahan Bakor NuklirPEBN -BAT AN. Jakarta 18-19Maret 1996

Tabell. Elemen pengotor pad.1 U30s d.111 AI. MODEL SEL DAN GENERASI TAMPANGLINTANG

Model sel.

Elemen bakar yang disusun dari 15 hingga31 buah bahan bakar plat dimodelkan ~gaibentuk slab. Di sini digunakan model sebuah slab(gambar 2). Daerah meat berisi U30sAl.kelongsong (cladding) terdiri dari AlM82. ~gaimoderator adaIah air dan di daerah extra regionberisai air dan AlM82. DaJam perhitungan iniukuran meat dan kelongsong dianggap tetap.sementara ukuran moderator, yakni gap antarabahan bakar plat d.cw juga extra region senantiasabembah sesuai dengan banyaknya bahan bakar platyang digunc1kan. DaJam tabel 3 pembahan hargatersebut disajikan.

Gambar 2. Model sel

Tabel 2. Elemen AIMg2

Generasi Tampanglintang

Untllk keperllk'Ul ini Wg1makan paketprogrnm WIMSD-4 dengan model sel sebagairnanadisebutkan pc1da sub b.1b W atas. Pendekatan B.digiulakan untuk menyelesaikan perhitunganlattice cell yang homogen dan memanfaatkan datahanlburan dengan modus PI. Untukpenyederhana.w perhitungan, yang tentu sajawsesuaik.w dengan kemampuan komputer main-frame VAX-855O, I1k1ka Wg1makan 4 buahkelompok tenaga neutron sebagai basilpenyederhana.w d.1ri 69 buah kelompok tenaganeutron.

259

Prosiding Presentasi Jlmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEBN -BATAN, Jakarta /8-/9 Maret /996

Tabel3. Keteb.lIan modcmlor WU1 extra region p.1d.1 model sel

HASn. DAN BAHASAN Pengaruh SlU1u, daJan1 haI ini dilutung

hingga 50"C tetap daJam kategori reaktivitasnegatif. Pemilihan sul1u perhitungan tersebutadalah disesuaikan dengan kondisi opernsi reaktor.Namun YaJ1g perlu diwaspadai adaJah kenaikanSllhu yang mendckati kondisi pendidillan mulaiterjadi. meskipun koefisien reaktivitas tet.,p negatif,apabila ditinjau d.,ri segi termohidraulik. Padagatnb.,r 4 dc,n 5 maing-tn.'1Sing melyelaskan perihalfaktor moderasi padc, suhu 35 dcw 50"C.

Perhitungan dilakukan untlak clemen bakaryang disusun oleh IS, 17, 19,21,23,25,27,29dan 31 buah bahan bc1kar plat. Di antara bc1h.1nbakar plat mengaiir pendingin air yang sekaligusbertindak selaku moderator.Kondisi over moderated terjadi pad-'1 elemen bc'1kc'1fyang mempunyai bc'1l}'1n bc'1kc'1r plat hingga 23 buah.Selat1jutnya moderasi menjadi oplin1aJ dankemudian under moderated p.1da jwnlah bc1hanbakar plat lebih dari 25 blJah (Gambar3). Kondisitersebut sem.'1kin jclas terlil}'1t pad-'1 lingk.1t muat250 gram 23SU, seb.1gaimana elcmen bc1kar yangdimanfaatkan oleh RSG GAS s.'1at it". Pad-1lingkatmuat yang lebih linggi maka terdapatkecenderungan bahwa kondisi under moderatedmulai terjadi pada baJ1an bc1kar plat sejmnlah 23blJah untuk lingkat mu.'1t 350 gram 23SU, 21 buahuntuk tingkat mu.'1t 400 gram 23SU dan 19 bllah platuntuk tingkat mu.'1t 450 gram 235U. Dengandelnikian untuk tingkat mu.1t 23SU yang tinggi,maka jurnlah bahan bakar plat penYlISlm elcmenbakar barns diperh.'1likan agar unjlak kcrja yangoptimal d-'1p.'1t diperolch. Dari segi pcrhitunganncutronik lnaka sem.1kin mcndckali daerah puncakgrnftk, baik dari sisi over ataupun under moderatedakan mengakibc1tkan terjadinya reaksi beral\taiyang lebih baik, karena kelnamplk1n memoderasiyang cukup baik. Hal tersebut ditlmjlakkan olehfaktor muiliplikasi yang besc'1r. Artinya b:\hwauntllk perhitungan teras secara menyclunJJ\ makateras reaktor akan mempunyai re.1ktivitas teli)es.'1rbila memanfaatkan elemen bakar tersebut. Dcngandemikian s.'1tu siklus teras akan mcmpunyai waktuyang terpanjang dibanding apabila barnsmenggunakan elemen bakar lainnya.

SIMPULAN

1. Pemmuaatan elemen bak.'lf yang disusun daribahan bakar model plat, ditinjau dari segiperpindal1an panas ad.'llah sangatmcnguntungk.'ln. Berdasar hal tersebut makatlUlli'ln memperolch fluks neutron berorde tinggi

d.'lp.'lt dicapai.2. Semakin tinggi tingkat mlli'lt 23SU maka

selrutkin rend.'lh jurnlah plat penyusun clemenbakar agar diperoleh kondisi yang overmoderated

3. Peman£"k'ltan clemen bakar akan optimalapabila junuah clemen plat yang digunakand.'lp.'lt menglt.1Silkan faktor multiplikasi takhingga yang mendekati .atau tepat di daerahpuncak kurva.

REKOMENDASI

Pen1<1Juaatan UranitU11 silisida adalah sangatmengtmtungkan ditinjau dari kemampuannyamencapai tingkat ml\c1t yang tinggi. Namun untukmenghindari kondisi under moderated perinditinjau dengan sek&1ffia jumlah bah.1n bakar platpenyusun clemen bc1kar tersebut.

260

Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakor NuklirPEEN -BAT AN, Jakarta 18-J9Maret 1996

REFERENSI jumlah pelat. Kapan ada penelitian tentangklading terhadap elemen bakar basil PEBNyang sekarang. Karena kami sebagaifabrikator EB berharap tebal klading dapatditurunkan dari 0,25 m ( minimal) menjadikira-kira 0,20 ( minimal ).

As Natio Lasman:

.Usulan tersebut. merupakan masukan bagikami. Untuk itu usulan tsb. akan segera kamitindak lanjuti dengan mengadakanperhitungan I pemodelan.

1. Taubman, C.l., WIMS-D4; United KingdomAtomic Energy Authority, 1975

2. PRSG-BA TANSafety Analysis Report MPR-30, Rev. VII

3. Handbook of Internatiolw Alloy Compositionand Desigrultion. Vol.III, AIumunium; Metalsand Ceramics Infonnt1tion (MCIC) Report,October '80.

4. Reaktortechnik, Vorlesung, 1987Schulten. Rudolf, R wrH A.1chen. Germany

TANYA JAWAB

4. lndro ¥uwono :1. Zukair :

Dalam kesimpulan tidak dijelaskan elemenbakar dengan jumlah plat daD massa U-235tertentu yang memiliki faktor moderasiterbaik. Apakah ini disebabkan karenaperhitungaq terasnya belum dilakukan ?

As Natio Lasman:

Perhitungan teras memang tidak perludilakukan, karena kondisi optima.1nya,sebagaimana tertera pada grafik, dapatditentukan dengan mudah. Jadi kalaubanyaknya U-235 diketahui ( dengan katalain kerapatan yang digtll1akan ditentukan ),maka berapa jumlah plat yang sebaiknyadigunakan dapat ditentukan agar tercapaikondisi under moderated dan optimal

pemanfaatannya.

.Dengan rnenarnbah jurnlah plat dari 21rnenjadi 23 ekonorni netron baik, darnpaklain apakah yang terpengaruh untuk kindisireaktor sekarang bila langsung diubahjurnlah platnya. Perlukah rnodifikasi lainpada sistern.

.Pola sernacarn ini apakah dapatditerapkan/x-nya untuk tipe EB yang lain,rnisal untuk USi.

.Dari garnbar 3, rnengapa padajurnlah plat 31untuk berbagai kandungan U rnernpunyaifaktor rnoderasi yang harnpir sarna.

As Natio Lasman:

2. Sugiharto:

Apakah basil penelitian Anda juga berlakuuntuk reaktor bukan MTR ?

Apakah program WIMS-D4 ( sudah ) provendan apakah sudah di pakai oleh negara-negara lain?

.Modifikasi sistem ataupun teras tidak perludilakukan yang penting justru mengetahuiapakah abcosbes masih mampumengendalikan reaksi berantai dalamkeadaan "struck-rot/'.

.Benar hal tersebut berlaku pula untukUranium Silicida.

.Hal tersebut dimaklumi, bahwa dengansemakin banyak jumlah plat-platbakar,berarti semakin sempit lebar kanalpendingin. Akibatnya ad...lah faktor moderasirendah/ jelek, sehingga mengakibatkanperubahan tingkat moat menjadi tidakterlihat jelas.As Natio Lasman:

5. Amil M~.rdha:.Tidak berlaku..Program WIMS-D4 sudah teruji dan banyak

digunakan oleh negara-negara lain. Bahkanuntuk negara-negara anggota IAEA dapatmemperolehnya melalui badan intemasionaltsb.

.Dalam perhitungan Bapak, apakah plat diCE diperhitungkan juga? Kalau tidak I yamohon penjelasan.

.Dalam kesimpulan Bapak, kalau tidak salah,memanfaatkan massa U ( gr ) yang lebihbanyak dengan maksud agar jumlah platsedikit dan menjadi reaktor pada kondisiUnder Moderated. Hemat Sara, hilakandungan massa gr lebih banyak tentunya

J. Sardjono:

Penelitian yang dilakukan sangat mcnarik.Namun mengapa masih berkutat masalah

261

Pro.fiding Presenta,fi Ilmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEBN -BATAN, Jakarta /8-/9 Maret/996

membutullkan dana besar ? Mohonpenjelasan tentang faktor ekonomisnya ?

.Kenaikan massa Uranium ditinjau dari segiharga memang akan mengakibatkankenaikan. Namun bila ditinjau dari segimaksimum burn-up yang dapat dicapai, ataupanjang siklus yang dapat diperoleh, makakenaikan harga I biaya tersebut bukanmcrupakan masalah yang berarti. Sebagaicontoh adalah pemanfaatan U3Si2 dengantingkat muat sckitar 4,8gr.U/cc.

As Natio Lasman:

Untuk CE tidak diperhitungkan. Hal tersebutditernpuh karena pada pcrhitllngan terasreaktor diarnbil hanya daerah aktif CE sarnadengan daerah aktif FE.

262

Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakor NuklirPEBN -BArAN, Jakarta 18-J 9 Maret 1996

MTR FP va k-lnf, T_mod = 20 Cunluk berblgillingkil mull U-235

-+- 300 gr ---350 gr--250 gr -e- 400 gr -*-450 gr

Gambar 3. Faktor moderasi untuk T ~ = 200 C

263

Pro.riding Presentasi //miah Daur Bahan Bakor Nuk/irPEEN -BArAN. Jakarta /8-/9Maret /996

MTR FP vs k-inf, T_mod = 35 C

untuk berbagai tingkat muat U-235

-t- 300 gr -'N:- 350 gr--250 gr -e- .00 gr ~ 450 gr

Gambar 4. Faktor moderasi untuk T n.xj = 350 C

2fi4

Proliding Prelental; Ilmiah Datlr Bahan Bakar NuklirPEEN -BArAN, Jakarta 18-19Maret 1996

MTR FP VI k-inf. T _mod. 50 Cuntuk berbagli tingkat mull U-235

-+- 300 gr ---350 gr-250 gr -e- 400 gr -*- 450 gr

Gambar 5. Faktor moderasi untuk T IT¥xI = 500 C

265