Kajian Awal Aspek Neutronik Dari Rancangan Konseptual Fasilitas ADS

Berbasis Reaktor Kartini

Bagian dari

PROGRAM INSENTIF PENINGKATAN KEMAMPUAN PENELITI DAN PEREKAYASA TAHUN 2011

Tegas Sutondo

Disampaikan pada Seminar Nasional

TEKNOLOGI DAN APLIKASI AKSELERATOR XIV

Di Yogyakarta, 13 Desember 2011

PENDAHULUAN

TUJUANMelakukan kajian mengenai prospek reaktor Kartini untuk digunakan sebagaifasilitas ADS skala lab / kecil dari aspek neutronik.

LATAR BELAKANG

Salah satu persoalan penting dari pengoperasian PLTN adalah terkait masalah penanganan limbah bahan bakar bekas yaitu produk fisi berumur panjang (LLFP)dan unsur Trans Uranium yang memiliki radiotoksisitas tinggi dan berumur panjang→ Kelompok aktinida minor (MA)

LITBANG ADS sedang banyak dilakukan di berapa negara untukMentransmutasikan limbah BB (LLFP & MA) sekaligus Produksi energi / listrik

ADS memiliki beberapa keunggulan dari aspek keselamatan (sistem subkritis)

Dapat digunakan untuk membuat bahan fisil U 233 dari bahan fertil Th 232

Tabel 1. Annual production of plutonium, minor actinides and fission productsfrom a 3000 MWth pressurized light water reactor with fuel burned to33,000 MWD/ton (After 10 years decay)

Tabel 2. MA & Pu compositions of PWR spent fuel after 50 MWd/kgHM,10 years of cooling and initially loaded with U02 enriched to 4.2 wt%.

Weight Percent by Component

Nuclide237Np241Am242Am243Am244Cm245Cm246Cm

Waste MA49.81634.9110.143

11.0423.7210.3230.045

Pu Weight Percent by Isotope

238Pu239Pu240Pu241Pu242Pu

3.1856.3526.628.025.83

Tabel 3. Produk Fisi Berumur Panjang

Gabmbar 1. Time dependence of the specific radiotoxic inventory forfission products and transuranium elements.

Gambar 2. Main components of an ADS transmutation facility

Isotope Abundance[%] E(γ , p)[MeV] E(γ , n)[MeV]

206Pb 24.1 7.25 8.09

207Pb 22.1 7.49 6.74

208Pb 52.4 8.01 7.37

Tabel 4. Threshold energies of photonuclear reactions.

High power proton accelerators with beam powers of up to 10 MW for cyclotrons

100 MW for linacs

Reaksi Spalasi

BEBERAPA KONSEP DISAIN SISTEM ADS

Gambar 3. TRANSURANICS TRANSMUTATION ON FERTILE AND INERT MATRIX

LEAD-BISMUTH COOLED ADS. CIEMAT Av. Complutense, 22, 28040 Madrid (Spain),

Gabmar 4. Conceptual configuration of EFIT(European facility for industrial transmutation)

Gambar 5. ADS using low power accelerator One way coupled concept

Bhabha Atomic Research CentreTrombay, Mumbai 400085 India

Gambar 6. Fuel cycle assumed in the fertile fuel ADS TRU transmutation studies

Akselerator

Beam Tube Reaktor

Subcritical Assembly

Target Liq. Pb/Bi or Solid Waste

Sumber Neutron (PuBe, AmBe, dsb)

Gambar 7. Alternatif Sumber Neutron Eksternal Untuk ADS(skala lab)

Gambar 8. Tata letak fasilitas iradiasi

Keterangan :1. Central timble2. Pneumatik3. Lazy Susan4. Beam Port tembus5. Beam Port tangensial6. Beam Port radial7. Kolom termal8. . Kolom termalisasi9. Sub Kritik10. Bulk Shielding

Tangki

Reflektor

5

Teras

9

10

7

4

1

2

3

6

Kolam

8

Konsep Disain Untuk sistem ADS Berbasis Reaktor Kartini ??

E-25

E-22E-26

E-21

E-20

E-27

P-20

P-21

P-22

P-23

P-24

Inner Core berisi matriksWaste (MA) padat1

Outer Core berisiBB TRIGA (tipe 104)

2

Reflektor (grafit)3

Air pendingin4

Pompa5

HE6

1 2 3 4

5

6

Gambar 10. Konsep Disain Model - 2Sistem ADS Berbasis Reaktor Kartini

Void

Elmen MA

TRIGA fuel

Elmen grafit

Gambar 11. Model Sistem Teras ADS - 2

Model Elemen Aktinida

Sebagai dasar dalam kajian ini digunakan data komposisi MA dari bahan bakar bekas PWRseperti pada Tabel 1.

MA dicampurkan secara homogen dengan serbuk grafit ( C ) kemudian di padatkan sehinggamembentuk padatan matriks C- MA

Dimensi dari padatan C-MA ini dibuat sama dengan ukuran meat dari bahan bakar standarTRIGA tipe 104 yang digunakan pada reactor Kartini, dan selanjutnya dimasukkan ke dalamkelongsong dari SS-304 dan pada kedua ujungnya diberi grafit sebagai reflektor arah aksialsehingga membentuk elmen MA dengan ukuran yang sama dengan elmen bahan bakarTRIGA.

Sebagai dasar dalam kajian ini digunakan data komposisi MA dari bahan bakar bekas PWR seperti pada Tabel 1.Sebagai dasar dalam kajian ini digunakan data komposisi MA dari bahan bakar bekas PWR seperti pada Tabel 1.Gambar 1 Komponen dari elmen bahan bakar standar TRIGAGambar 1 Komponen dari elmen bahan bakar standar TRIGAGambar 1 Komponen dari elmen bahan bakar standar TRIGAGambar 1 Komponen dari elmen bahan bakar standar TRIGA

Metodologi

Secara ringkas dilakukan beberapa tahap perhitungan sebagai berikut:

• Melakukan perhitungan rapat atom dari setiap nuklida dari komponen yang digunakan dalam sistem teras ADS yang direncanakan. Perhitungan dilakukan untuk beberapa variasi konsentrasi MA di dalam matriks C-MA.

• Melakukan perhitungan cell/super cell untuk menentukan tampang lintang makroskopik / few group constants untuk seluruh komponen yang ditinjau, yang akan digunakan sebagai dasar dalam perhitungan kritikalitas (k-eff).

• Melakukan perhitungan kritikalitas (k-eff) untuk menentukan konfigurasi teras ADSberdasarkan kriteria subkritikalitas yang ditetapkan (k-eff = 0,980 – 0.985) untuk beberapa variasi konsentrasi MA.

• Untuk perhitungan cell/super cell maupun perhitungan k-eff digunakan modul ADS-CDS yang berbasis pada program SRAC.

Gambar 12. Struktur Modul ADS-CDS

Modul ADS-CDS

INPUT

CDS-LIB

PUBLIC-LIB PDS MACRO

SRAC OUTPUT

Hasil Perhitungan

Berat Atom Rapat Atom Rapat Atom Rapat Atom(#/barn cm) (#/barn cm) (#/barn cm)

C 12.011 0.9000 7.2206E-02 0.8000 6.4183E-02 0.7000 5.6160E-02Np 237.000 0.0498 3.9967E-03 0.0996 7.9933E-03 0.1494 1.1990E-02Am

Am-241 241.000 0.0349 2.8009E-03 0.0698 5.6017E-03 0.1047 8.4026E-03Am-242 242.000 0.0001 1.1473E-05 0.0003 2.2945E-05 0.0004 3.4418E-05Am-243 243.000 0.0110 8.8572E-04 0.0221 1.7714E-03 0.0331 2.6572E-03

CmCm-244 244.000 0.0037 2.9853E-04 0.0074 5.9706E-04 0.0112 8.9559E-04Cm-245 245.000 0.0003 2.5914E-05 0.0006 5.1828E-05 0.0010 7.7741E-05Cm-246 246.000 0.0000 0.0001 6.3019E-07 0.0001 1.6205E-06

KomposisiC = 90 %, MA = 10 % C = 80%, MA = 20 % C = 70 %, MA = 30 %

Fraksi Molar Fraksi Molar Fraksi Molar

Tabel 5. Rapat atom dari komponen elmen MA

Berat Atom Rapat Atom Rapat Atom Rapat Atom(#/barn cm) (#/barn cm) (#/barn cm)

C 12.011 0.6000 4.8137E-02 0.5000 4.0114E-02 0.4000 3.2091E-02Np 237.000 0.1993 1.5987E-02 0.2491 1.9983E-02 0.2989 2.3980E-02Am

Am-241 241.000 0.1396 1.1203E-02 0.1746 1.4004E-02 0.2095 1.6805E-02Am-242 242.000 0.0006 4.5891E-05 0.0007 5.7363E-05 0.0009 6.8836E-05Am-243 243.000 0.0442 3.5429E-03 0.0552 4.4286E-03 0.0662 5.3143E-03

CmCm-244 244.000 0.0149 1.1941E-03 0.0186 1.4927E-03 0.0223 1.7912E-03Cm-245 245.000 0.0013 1.0366E-04 0.0016 1.2957E-04 0.0019 1.5548E-04Cm-246 246.000 0.0002 3.3610E-06 0.0002 0.0005

KomposisiC = 60 %, MA = 40 % C = 50 %, MA = 50 % C = 40%, MA = 60 %

Fraksi Molar Fraksi Molar Fraksi Molar

Tabel 5. Rapat atom dari komponen elmen MA

Konfigurasi Teras ADS untuk Ring B berisi elmen MA (6) , CT = Void channel Vs Konsentrasi MA

Konsentrasi MA

( % molar)

Ring A VOID VOID VOID VOID VOID

Ring B 6 MA 6 MA 6 MA 6 MA 6 MA

Ring C 12 bb 12 bb 12 bb 12 bb 12 bb

Ring D 18 bb 18 bb 18 bb 18 bb 18 bb

Ring E 24 bb 24 bb 24 bb 24 bb 24 bb

Ring F * 22 bb + 8 grafit 18 bb + 12 grafit 12 bb + 18 grafit 2 bb + 28 grafit 5 Grafit +25 Water

Ring F ** 22 bb + 8 grafit 18 bb + 12 grafit 12 bb + 18 grafit 2 bb + 28 grafit 30 (all) Water

** → Tanpa kavitas udara / Lazy Susan pada Bagian reflektor

10% 20% 30% 40% 50%

* → Dengan kavitas udara / Lazy Susan pada Bagian reflektor

MA = 10 %

MA = 20 %

MA = 30 %

MA = 40 %

MA = 50 %

Ring B C D E F

Gambar 13. Distribusi rapat daya relatif pada tiap ring sebagai fungsi konsentrasi MA

Gambar 4. Distribusi rapat daya relative pada ring sebagai fungsi konsentrasi MA

0 5 10 15 20 25 30 35 400.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Jarak Aksial (cm)

Rap

at D

aya

Rel

atif

Gambar 5. Distribusi rapat daya relatif arah aksial pada teras ADSGambar 5. Distribusi rapat daya relatif arah aksial pada teras ADSGambar 5. Distribusi rapat daya relatif arah aksial pada teras ADS

Gambar 14. Distribusi rapat daya relatif arah aksial pada teras ADS

Kesimpulan

Keberadaan elemen MA akan memberikan kontribusi kenaikan reaktivitas posistif yang cenderung semakin tinggi dengan meningkatnya konsentrasi MA.

Berdasarkan model teras yang diasumsikan dan kriteria batasan subkritikalitas yang ditetapkan, maka untuk setiap konsentrasi MA dapat diperoleh variasi konfigurasi teras dengan melakukan penggantian sebagian elemen bahan bakar pada ring bagian luar.

Untuk konsentrasi hingga sekitar 30 % maka rapat daya pada bagian MA masih lebih rendah dari nilai pada ring di bagian luar, dimana ring D memiliki rapat daya paling tinggi, sedang untuk konsentrasi diatas 30 % rapat daya pada bagian MA lebih tinggi dari bagian ring lainnya,

Dari hasil perhitungkan disimpulkan bahwa reaktor memiliki potensi untukdigunakan sebagai fasilitas ADS skala kecil, khususnya untuk konsentrasi MA diatas 40 % dimana laju reaksi tangkapan / proses transmutasi relatif semakin tinggi.

SEKIAN,

TERIMAKASIH..