(GAMMA HEATING)1 - Digilib-BATANdigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1997-1-396.pdf ·...

6
ISSN./4J£A..2897 Pro.\'iding Pertemuan/lmiah ,r;;ains Materi 1997 ANALISIS KARAKTERISTIK BAHAN PENGARUH .JI!:~ISDAN tJENTUK , BAHAN TERHADAP PEMBANGKITAN PANAS RADIASI GAl\1M1\ (GAMMA HEATING)1 "'\1. r; ~, SetiYlUlto2 ~ A8STRAK ANALISIS KARAKTERISTIK BAHAN, PENGARUH JENIS DAN 8ENTUK BAlIAN TERHADAP PEM8AN(;KITAN PANAS RADIASI GAMMA (GAMMA HEATING). Dengan hipotesis hahwa interal<si radiasi gamma dengan materi selalu diikuti oleh pemhahan energi menjadi panas, dan interaksi terse)!~t sangat dipengamhi olehjenill bahan, maka sangat mungkin hahwa \lahan yang berbeda akan menerima jumtah panas yang beroeda. walaupun terkena radiasi gamma yang sarna. Untuk mempelajari le\lih jauh fenomena tersebut, telah dilakukan analisis terhadap karakteristik pem\langkitan panas radiasi gamma pada \ler"agai jenis dan henhlk "ahan. Sebagai langkah awal, analisis dilakukan dengan perhitnngan yang mengunakan program GAMSET, ditcrapkan pada \lcr"agai jcnis dan \lentuk \lahan (sampel). Hasil yang diperoleh mcnunjukkan adanya variasi tak kontinyu panas radiasi gamma se\lagaj fimgsi jenis \lahan (nomor atom Z) clan \lentuknya. Dapat disimpulkan \lahwa bahan dengan nomor atom rendah (Z<13), jenis clan hentuknya relatif tak mempengamhi tingkat pem\langkitan panasnya, tetapi untuk bahan dengan Z> 13, panas radiasi gamma sangat ditenhlkan oleh jenis clan bentuk \lahannya. ARSTRA(T ANALYSIS OF MATERIALS CHARACTERISTIC, INFLUENCE OF MATERIAL TYPE AND GEOMETRY ON GAMMA HEATING GENERATION. Based on the hypothesis that the gamma ray interaction with matter always followed by the transfer of gamma energy to heat generation, and this transfer influenced by material type, therefore the diferent materials will generate theditTercnt heat. To evaluate this phenomena, the analysis of the gamma heating generation on materials have been done A., an initial ~tudy. the analy~i~ was carried out using GAMSET code, which is applied on some materials and geometries. .The re~ults showed that the gamma heating generation on certain materials is a~ a function of their atomic numbers (Z) and their geometries increase. For the light material~ (Zc 1 J), influences of the atomic numbers and their geometries are practically ignored. However, for the heavy materials (Z> 13), tile heat generations are linearly increa..,ed as function of their atomic numbers and their geometries. KEY If'ORDS .':erapan Energl Gamma. Gamma heating TEORI PENDAHULUAN p ( 1) bagian yang diserapke dalam bahan daD menjadi p~as adalah: .(2) Intcraksi radiasi gamma dcngan materi selalu diikuti olch pcrnbahan energi radiasi menjadi panas pada mctcri yang bersangkutan, sehingga materi tcrsebut akan menjadi sumbcr pc'lnas. Dernikian ha.lnya material di teras reaktor yang selalu terkena paraffin radiasi, akan mengalanu hal yang sarna. Mengingat panas tersebut (pada reaktor nuklir) relanf besar, yang dalam kondisi tertentu dapat mcmbahayakan, maka kuantisasi produksi panas ini pcrlu diteliti dengan baik. Khusus untuk rcaktor GA.Siwabessy, selain penclitian' tersebut belum ditangani dcngan baik, hasilnya s.angat dipcrlukan unulk melengkapi data teras reaktor. Variasi jenis daD bcntuk rnateri/balmn akan menghasilkan pola karaktcristik yang spesifik untuk jenis reaktor GA. Siwabcssy Untllk mcndapatkan hasil yang memllilskan, pcnclitian ini harus dilakukan dengan eksperimen mauplLll pcrhitungan tcoritis. Namun scbagai langkah awal. makalah ini barn menyampaikan analisis tcoritis, bcmpa hasil pcrhitungan variasi panas radiasi gamma scbagai fimgsi jenis dan bentuk bahan pcnyerapnya. dimana: 10(E): mtensitas awal radiasi gammadengan energi (E) I(E) : intensitas setelah melewati bahan/materi penyerap. ~) : koefisien atenuasi massa untukbahan penyerap danuntuk gamma energi (E). p : massa jenis bahan penyerap 1 OipreSetltasikilIl Pilda PertemuaIl Ilmiah SaiIlS Materi 1997 1'USiIt [{Cilktor Scrhaguua l~adal1 rcnaga I\tOIl1 Nasiowu, KaW[L"rnl J'USPW1'EK, Sef1X1Ilg 153 J0 396

Transcript of (GAMMA HEATING)1 - Digilib-BATANdigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1997-1-396.pdf ·...

Page 1: (GAMMA HEATING)1 - Digilib-BATANdigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1997-1-396.pdf · Intcraksi radiasi gamma dcngan materi selalu diikuti olch pcrnbahan energi radiasi

ISSN./4J£A..2897Pro.\'iding Pertemuan/lmiah ,r;;ains Materi 1997

ANALISIS KARAKTERISTIK BAHAN PENGARUH .JI!:~IS DAN tJENTUK,BAHAN TERHADAP PEMBANGKITAN PANAS RADIASI GAl\1M1\ (GAMMA

HEATING)1

"'\1.r;

~,SetiYlUlto2~

A8STRAKANALISIS KARAKTERISTIK BAHAN, PENGARUH JENIS DAN 8ENTUK BAlIAN TERHADAP

PEM8AN(;KITAN PANAS RADIASI GAMMA (GAMMA HEATING). Dengan hipotesis hahwa interal<si radiasi gamma denganmateri selalu diikuti oleh pemhahan energi menjadi panas, dan interaksi terse)!~t sangat dipengamhi olehjenill bahan, maka sangatmungkin hahwa \lahan yang berbeda akan menerima jumtah panas yang beroeda. walaupun terkena radiasi gamma yang sarna. Untukmempelajari le\lih jauh fenomena tersebut, telah dilakukan analisis terhadap karakteristik pem\langkitan panas radiasi gamma pada\ler"agai jenis dan henhlk "ahan. Sebagai langkah awal, analisis dilakukan dengan perhitnngan yang mengunakan program GAMSET,ditcrapkan pada \lcr"agai jcnis dan \lentuk \lahan (sampel). Hasil yang diperoleh mcnunjukkan adanya variasi tak kontinyu panas radiasigamma se\lagaj fimgsi jenis \lahan (nomor atom Z) clan \lentuknya. Dapat disimpulkan \lahwa bahan dengan nomor atom rendah (Z<13),jenis clan hentuknya relatif tak mempengamhi tingkat pem\langkitan panasnya, tetapi untuk bahan dengan Z> 13, panas radiasi gamma

sangat ditenhlkan oleh jenis clan bentuk \lahannya.

ARSTRA(TANALYSIS OF MATERIALS CHARACTERISTIC, INFLUENCE OF MATERIAL TYPE AND GEOMETRY ON

GAMMA HEATING GENERATION. Based on the hypothesis that the gamma ray interaction with matter always followed by thetransfer of gamma energy to heat generation, and this transfer influenced by material type, therefore the diferent materials will generatetheditTercnt heat. To evaluate this phenomena, the analysis of the gamma heating generation on materials have been done A., an initial~tudy. the analy~i~ was carried out using GAMSET code, which is applied on some materials and geometries. .The re~ults showed that thegamma heating generation on certain materials is a~ a function of their atomic numbers (Z) and their geometries increase. For the lightmaterial~ (Zc 1 J), influences of the atomic numbers and their geometries are practically ignored. However, for the heavy materials (Z> 13),

tile heat generations are linearly increa..,ed as function of their atomic numbers and their geometries.

KEY If'ORDS.':erapan Energl Gamma. Gamma heating

TEORIPENDAHULUAN

p

( 1)bagian yang diserap ke dalam bahan daD menjadip~as adalah:

.(2)

Intcraksi radiasi gamma dcngan materi selaludiikuti olch pcrnbahan energi radiasi menjadi panaspada mctcri yang bersangkutan, sehingga materitcrsebut akan menjadi sumbcr pc'lnas. Dernikianha.lnya material di teras reaktor yang selalu terkenaparaffin radiasi, akan mengalanu hal yang sarna.Mengingat panas tersebut (pada reaktor nuklir) relanfbesar, yang dalam kondisi tertentu dapatmcmbahayakan, maka kuantisasi produksi panas inipcrlu diteliti dengan baik. Khusus untuk rcaktorGA.Siwabessy, selain penclitian' tersebut belum

ditangani dcngan baik, hasilnya s.angat dipcrlukanunulk melengkapi data teras reaktor. Variasi jenisdaD bcntuk rnateri/balmn akan menghasilkan polakaraktcristik yang spesifik untuk jenis reaktor GA.

SiwabcssyUntllk mcndapatkan hasil yang memllilskan,

pcnclitian ini harus dilakukan dengan eksperimenmauplLll pcrhitungan tcoritis. Namun scbagai langkahawal. makalah ini barn menyampaikan analisistcoritis, bcmpa hasil pcrhitungan variasi panasradiasi gamma scbagai fimgsi jenis dan bentuk bahan

pcnyerapnya.

dimana:10(E): mtensitas awal radiasi gamma dengan energi

(E)I(E) : intensitas setelah melewati bahan/materi

penyerap.~) : koefisien atenuasi massa untuk bahan

penyerap dan untuk gamma energi (E).p : massa jenis bahan penyerap

1 OipreSetltasikilIl Pilda PertemuaIl Ilmiah SaiIlS Materi 1997

1'USiIt [{Cilktor Scrhaguua l~adal1 rcnaga I\tOIl1 Nasiowu, KaW[L"rnl J'USPW1'EK, Sef1X1Ilg 153 J 0

396

Page 2: (GAMMA HEATING)1 - Digilib-BATANdigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1997-1-396.pdf · Intcraksi radiasi gamma dcngan materi selalu diikuti olch pcrnbahan energi radiasi

ISSN 1410-2897Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi 1997

x :tebal bahan penyerap yang mewakili bentukbahan penyerap.

Jika persamaan ini dikalikan dengan energigallllna (Ey), luas penampang (S) daD tebal (x) daTibahan yang disinari, maka akan diperoleh daya panasradiasi gmnma (P) yang dibangkitkan daIam bahantersebut, yaitu:

P = [10(E) -I(E)] EyS.x (watt) (3)

Dari persamaan 1 nampak bahwa koefisienabsorpsi massa ~(E) adalah parameter yangmenentukan sejauh mana radiasi gamma tersebutmampu menembus bahan yang dilewati. Semakinpendek daya tembus gamma pada bahan berartisemakin besar transfer energi yang diberikan kepadabahan tersebut.. Hal ini menunjukkan bahwa untukradiasi gamma yang sarna akan mengakibatkan efekpemanasan yang berbeda pada bahan yang berlainan.Parameter lain yang mempengaruhi transfer energiadalah ketebalan bahan (x) itu sendiri. Daripersamaan 1 terlihat bahwa semakin tebal bahanakan diikuti oleh tranfer energi yang lebih besarpula. Ilustrasipada gambar berikut akan memperjelasperbedaan efek pemanasan pada bahan sejenisdengan perbedaan ketebalan.

panas radiasi gamma teras RSG-GAS sangat pentinguntuk dilaksanakan.

Sebagai langkah awal, dilakukan analisis teoritisterbadap karakteristik pembangkitan panas denganbantuan paket program GAMSET yang validasinyauntuk reaktor RSG-GAS telah dilakukan(3) .Modelbentuk bahan diambil bentuk silinder, bal ini selainpertimbangan simetri, juga karena harus disesuaikandengan model yang berlaku pada program.

Untuk mendapatkan basil yang represen-tatif,diambil bahan untuk dianalisis antara lain Grafit (C),Aluminium (AI), Besi (Fe), Zirkonium (Zr) danPlembem (Pb). Pemilihan bahan tersebut diambildengan pertimbangan agar dapat mewakili seluruhunsur yang ada, serta memilih bahan-bahan yangpaling sering digunakan di teras reaktor. Mengingatsetiap jenis interaksi gamma-materi (efek Compton,efek rota listrik daD produksi pasangan) mengandungvariabel nomor atom (Z), maka dalam analisis inivariabel yang dimunculkan untuk mewakili jenisbahan akan digunakan nomor atomnya. Sedangkannilai variasi panas sebagai fungsi bahan (nomoratom) akan dihitung pada bentuk yang sarna untukbeberapa jenis bahan.

Untuk mempelajari efek bentuk terbadap prosespembangkitan panas, dilakukan perhitungan dengan

XJc ,X2.. Xj-~ ~7 ~7a). Radiasi gammamampu b). Radiasigammamenem- c).Radiasi.g~ma menembus

menembus selurnhbahan. bus sebagian besar bahan- sebagiankecifbahan.

Gambar I Ilustra.-"i pcnyerapan etlergi gamma pada tiga jet1is ketebalan

variabel dimensi bahan penyerap (ketebalan), sertavariabel barn yang menggambarkan perban-dinganantara luas permukaan bahan (S) terhadap massa(M), yaitu: (S/M). Variabel ini akan menerangkanadanya fenomena sempan permukaan pada bahan-bahan yang sangat kuat menahan/ menyerap radiasigamma.

DATA DAN PERHlTUNGAN

Dua jenis data yang hams disiapkan, yaitu datateras reaktor yang berkaitan dengan intensitas danspektrum energi radiasi gamma, dan data bahan yangmenjadi obyek studio Data teras disesuaikan dengankarakteristik operasional RSG-GAS, sedangkan databahan (penyerap) akan divariasi sesuai tujuan danurman sebelumnya.

Dari garnbar di atas dapat diterangkan bahwauntuk jenis dan intcnsitas radiasi gamma yang sarnaakan rncnlbcrikan p<'1llas yang sarna pada bahansejcnis yang dilewati. Narnun bagi bahan yangrnenerirna transfer energi akan merasakan efek yangberbeda, seakan-akan energi yang diterima jugaberbcda, atau dapat dikatakan bahwa besarnya energiyang ditransfer pcr&'1tlJaJl rnassa bahan penyerapnyaakan bcrvariasi scbagai fungsi bentuk bahan.Fenornena ini rncnarik untuk dipelajari lebih lanjut,IIIcngingat jcnis dan bentuk bahan di teras reaktorsangat bervariasi, schinggajika dapat diternukan nilaikarakteristik pcmbang-kitan panas pada berbagaibahan dan bentuknya akan sangat berrnanfaat bagikclcngkapan data teras rcaktor.

Berdasarkarn fcnomena tersebut, makape(1elitian pencntlli'1n karakteristik pernbang-kitan

397

Page 3: (GAMMA HEATING)1 - Digilib-BATANdigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1997-1-396.pdf · Intcraksi radiasi gamma dcngan materi selalu diikuti olch pcrnbahan energi radiasi

Prosiding Perlemuan Ilmiah SainsMateri 1997 lSSN 1410-2897

mempengarubi nilai pembangkitan panas radiasigamma tersebut. Gambar 4 lebih menjelaskanfenomena tersebut, dirnana faktor S/M yangsebenarnya merupakan gabungan antara bentuk (S)daD massa jenis (M), merupakan variabel barn yang

Khusus untuk mengetahui efek bentuk, akandianalisis berbagai bentuk silin-der yang jari-jarinyaditentukan berdasarkan nilai banding (81M). Dataselengkapnya disajikan dalam Tabel I. berikut:

Data perhitungan untuk berbagai jenis bahan dan bentuk sebagai fungsinilai banding (S/M).

Tabel

~

Jari-jari (crn) sebagai fungsi ni!ai variabe! (S/M)Jenis Bahan No.Atom

(Z)

I

Rapatmassa

(g/cmJ I~, 0,8 1,5 2,0 7.,50,5 0,6 1.2

2,22 1,85 1,39 0,926 0,74 0,55 0,44Grafit (. 6

13

2,70 1,48 123 0,926 0,617 0,494 0,37 0,296

~6,49

~0,62

~0,385

~0.257

~0,205

~0,154

Aluminum

(AI)Besi (Fe)Zirkonium

-(Zr)Plembem

_(rb)

2640

~0,514

~0,123

82 0,35 0,29 0,22 0,15 050-,0.4376

050-,0,4~

060-,0,546

1,4

Berdasarkan data di atas, perhitungan dilakukandengan program GAMSET, dimana untuk data terasdigunakan data operasi teras ke- 26 dengan dayapenult 30 MW.

HASIL DAN PEMBABASAN

dapat mewakili variasi pembangkitan panas tersebut.Secara keseluruhan dapat diperoleh bahwapembangkitan panas radiasi gamma dalam bahanternyata memiliki karakteristik yang sangattergantung pada jenis dan bentuk bahan, daD secaraumum dapat dijelaskan bahwa untuk rentang nomoratom tertentu (atom sedang dan berat), panas radiasigamma tersebut naik secara limier sebagai fungsiS/M, daD kenaikannya semakin besar untuk Z yangbesar.

KESIMPULAN

Hasil perhitungan diberikan pada Tabel 2, Tabel3, Gambar 2, Gambar 3 dan Gambar 4.

Hasil yang cukup menarik untuk dikemukakanbahwa pembangkitan panas radiasi gamma dalamGrafit dan Aluminium relatif konstan untuk berbagaibentuk yang dinyatakan dalam nilai banding S/M,yang menunjukkan bahwa transfer energi gamma kedalam Grafit dan Aluminium terjadi merata, tidak

tergantung pada energi gamma maupunbentuk/gcometri bahannya. Jika diperluas dapatdikatakan bahwa pembangkitan panas pada bahandengan nomor atom sekitar Grafit dan Aluminiumtidak dipenganlhi oleh bentuk materialnya. Hal inidikarcnakan daya tcmbus radiasi gamma padamaterial tersebut relatif dalam, schingga kehilanganenergi pada pem1ukaan bahan dapat diabaikan.

Lain halnya pada Bcsi sampai dengan Plembum(Pb), tcrjadi variasi yang t:1j:1m terhadappcmbangkitan panas radiasi gamma pada bahan-bahan tcrsebut. Hal ini menunjukkan bahwa efekgcometri daD jenis bahan sangat dominan terhadapnilai pclnbangkitan panas pada bahan-bahan terscbut.Mulai dari Bcsi (nomor atom 26) daD stemsnya,nampak bahwa panas radiasi gamma pada bentukyang sarna, naik secara linier sebagai fungsi nomoratom (Z), namun untuk bentuk yang berbeda,Gambar 3 menunjukkan kenaikan yang lcbih tajam,yang bcrarti bahwa ada faktor sclain bentuk yang

Dari basil yang diperoleb, serta analisis yangdikemukakan di atas dapat disimpulkan bahwa:-Jenis dan bentuk material/bahan sangat

mcnentukan pola/karakteristik pembangkitanpanas basil internksi radiasi gamma denganmateri tersebut.

-Untuk bahan dengan nomor atom ringan (nomoratom di bawah 13), efek geometri (bentuk) danjenis bahan tidak nampak, sehinggapembangkitan panasnya relatif konstan untuksemua jenis dan bentuk bahan pada rentangnomor atom tcrscbut.

-Untuk bahan dengan nomor atom sedang sampaibernt, efek geometri dan jenis bahan sangatmenentukan nilai pembangkitan panasnya, yangnaik tajam sebagai fungsi nomor atom Z danvariable S/M.

398

Page 4: (GAMMA HEATING)1 - Digilib-BATANdigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1997-1-396.pdf · Intcraksi radiasi gamma dcngan materi selalu diikuti olch pcrnbahan energi radiasi

Hasil perl1itungan variasi panas radiasi gamma pada berbagaibahan untuk bentuk yang sarna (FO,6 cm)

Tabel2

Panas pada bahai;relatifterhadaD Grafit P71Pc

Panas radiasi~ammaKz (W /g)

No Bahan(nomor~m)

l1!.-101~

W1.?:.2.-~2,79

2Jl~.?1?:?:.-~~

15.93

GrafiAlBesiZirkPIeUrarnum ---

~

Hasilperhitungan variasi panas radiasi gamma pada bahan untukberbagai nilai banding SIM.

Tabel 3.

Nilai81M

C-:6

Pz PzlPcPz/Pc pz Pz/PcPzlPc pzPz Pz/Pc PiI 1,31

J~.O

I 1.96I 6,56 f }~J2 I. 7.35I 1,01~Q'5 0,6 0,8

~1~512,0~I 2_5,

1~,§1-I- 1,0 I 5,69-

J 13,6 I 2,42,i6,LI~,87

I

8,22[jO:1

L1§1~L?2rs":26

~n,47

5,85 ~~~~ I 1,07

~r5,95

~~

I 19.5 , 3,48" 11,7 .I~~I 1,068 / 8,~ I 1,51

,

6,04 , 1,011 I 5,99

~~

I 20,7-13,69

r-232 I. 4,!!l2;Q!T9A2

~rT,68

~I ~!l~

6,091 1,085~ I 1,093

~I 6,05

L1Q:?:r:IJif

3

2,5...~~~ 2

~ 1,5;~

1

0,5

080 10040 60

Nomor atom Z200

Variasi panas gamma pacta bahan dengan nomor atom Z untukgeometri yang sarna (r=O,6 cm).

Gambar 2

399

Page 5: (GAMMA HEATING)1 - Digilib-BATANdigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1997-1-396.pdf · Intcraksi radiasi gamma dcngan materi selalu diikuti olch pcrnbahan energi radiasi

ISSN 1410-2897Prosiding Pe11emuan llmiah Sains Materi 1997

4,5

4

3,5

3

2,5

~ 20:

1.5

1

0,5

0Nomor arom J,ahan pen;yerep (Z)

Variasi nilai panas gamma pada bahan (nomor atom Z) untuk berbagaonilai 81M.

Gambar 3.

4()()

Page 6: (GAMMA HEATING)1 - Digilib-BATANdigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1997-1-396.pdf · Intcraksi radiasi gamma dcngan materi selalu diikuti olch pcrnbahan energi radiasi

ISSNl410-2897Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997

DAFfAR PUSTAKA.

[1] R.E JAEGER et aI. ,"Engineering compen-diumon radiation shielding". vol. I. Shieldingfondamentals and methodes. -1968.

[2] SETIY ANTO.," Puissance deposee par lesrayonnement gamma dans Ie reacteur Siloe.Mesres par calorimetric et caIcnl par Ie codeGAMSET."Desertasi doktor di ENSPG-INPGFrancis, 1991.

[3] SETIY ANTO, et aI. "Aplikasi programperhitungan panas radiasi gamma GAMSETpada RSG-GAS." Prosiding PPI-PenelitianDasar limn Pengetahnan dan Teknologi Nuklir.Yogyakarta, 28-30 April 1992.

401