9

Nama: Hadi sanjayaNIM: 5131122003Prodi: Pend.Tek. OtomotifKorosi Erosi Pada Reaktor HTGR tipe PBMR dan GTMHR

Abstrak

KAJIAN PENGARUH KOROSI EROSI AKIBAT ADANYA PARTIKEL LADEN KARBONTERHADAP KESELAMATAN PENGOPERASIAN HTGR. Reaktor HTGR tipe PBMR (Pebble Bed ModulaReactor) dan GTMHR

(Gas Turbine Modular Helium Reactor) menggunakan bahan bakar dilapis denganpyrocarbon. Pada saat reaktor beroperasi memungkinkan bahan bakar ini saling bergesekan satu sama lain,mengakibatkan sebagian pelapis karbon akan terlepas ke pendingin helium. Partikulat debu karbon yangterlepas ini dinamakan laden gas. Debudebuyang terbawa aliran pendingin helium, dengan kecepatanyang tinggi akan mengerosi permukaan logam yang dilalui, mengakibatkan adanya korosi erosi. Laden gasakan terakumulasi sesuai dengan bertambahnya umur reaktor. Permasalahan akan menjadi semakin rumitkarena pada temperatur tinggi debu karbon akan berubah sifat hardnessnya menjadi lebih keras. Korosierosi mengikis permukaan logam sehingga terjadilah proses thinning (penipisan) sehingga memungkinkanterjadinya kecelakaan kehilangan pendingin. Pengikisan oleh laden gas ini harus diantisipasi untukmenjamin keselamatan pengoperasian HTGR. Tujuan kajian ini adalah mengetahui pengaruh laden gasterhadap keselamatan pengoperasian HTGR. Kajian ditekankan pada beberapa parameter yaitu: penyebabterjadinya laden gas, karakteristik laden gas, kuantitas laden gas, penanganan laden gas dan pengaruhnyaterhadap korosi erosi pada sistem HTGR. Selain berasal dari gesekan bahan bakar, pada pengalaman 20tahun operasi AVR (Arbeitsgemeinshaft Versuchsreaktor) 60 kg debu terakumulasi, debu karbon jugadimungkinkan berasal dari insersi batang kendali ke teras grafit. Korosi erosi yang terjadi pada systempendingin HTGR sangat tergantung pada konfigurasi disain sistem, dan tingkat degradasi yang terjadisangat ditentukan oleh jenis reaktor. Untuk mengantisipasi debu karbon akibat insersi batang kendali, padadisain HTGR generasi lanjut, kanal insersi dibuat terpisah dengan aliran pendingin. Sedangkan untukmengendalikan debu karbon 0,15% aliran helium dialirkan ke HSS (Helium Supply System) untukdipurifikasi.

BAB IPENDAHULUANHTGR adalah reaktor maju yangmenggunakan helium sebagai pendingin,danmenggunakan inti (kernel) bahanbakar berdiameter 0,5 mm dilapisidengan beberapa lapis pirokarbon. Didunia ada beberapa jenis disain reactormaju HTGR, diantaranya adalah PBMR(Pebble Bed Modular Reactor) dan GTMHR(Gas Turbine Modular HeliumReactor). Disain reaktor GTMHRmenggunakan kerangka bahan bakarberbentuk heksagonal prismatik denganlebar flat alas 35 cm, dan tinggi 75 cm.Elemen bahan bakar berbentuk batangdengan inti TRISO (triple coatedisotropic carbon) dimasukkan ke dalamblok grafit berbentuk segi enam(prismatik). Disain prismatik blok grafitbahan bakar GTMHRdapat dilihat padaGambar 1.

Sedangkan reaktor PBMRmengunakan bahan bakar berbentuk bolabola(spheres fuel) berdiameter 60 mm,dengan setiap bola di dalamnya terdapatsejumlah partikel TRISO yang menyatudi dalam matriks grafit dan dikungkungdalam shell grafit setebal 5 mm. Disainbolabolabahan bakar PBMR dapatdilihat pada Gambar 2.

BAB IIKONDISIKONDISITAKNORMAL PADAPENGOPERASIAN HTGRDi dalam pengoperasian HTGR,ada beberapa kondisi tak normal yangmungkin terjadi dan memicu perubahanlingkungan didalam sistem internalreaktor HTGR. Perubahan lingkungan iniakan berdampak pada komponen logam(metal) di dalamnya, seperti internalreaktor, sistem pemipaan, sistem konversidaya, dan lainlain.Kejadian tak normalpada pengoperasian HTGR dan menjadipemicu degradasi material adalah Antaralain meliputi :

-Kejadian kehilangan pendingin(Loss of Coolant)-Adanya partikulat (laden) gasdalam pendingin gas helium

2.1 Kejadian Kehilangan Pendingin(Loss of Coolant)Kecelakaan atau kejadiankehilangan pendingin pada HTGR dapatdisebabkan oleh banyak faktor. Salahsatu faktor tersebut adalah karenakebocoran pipa pendingin akibatdegradasi material karena proses korosibaik itu korosi erosi ataupun yanglainnya. Kehilangan pendingin padaHTGR berakibat pada kehilanganpengambilan panas pada teras. Hal inidapat meningkatkan temperatur terassehingga mengakibatkan kegagalanbahan bakar dan mengakibatkanpelepasan produk fisi ke lingkungannya.Produk fisi seperti Cs (Cesium), Sr(Strontium) dan I (Iodin) dapatmempengaruhi material struktur,tergantung pada seberapa banyakterlepaskan dan seberapa lama pelepasanterjadi pada kejadian tidak normaltersebut. Untuk menjaminkeselamatannya sebuah sistem HTGRmempunyai 3 lapis proteksi dalammengungkung produk fisi yang terjadi.Pada Gambar 3 ditunjukkan sebuahdiagram skematik pertahanan berlapislapisan pengungkung (barrier) produkfisi yang ada dalam elemen bakar TRISO.

Pertahanan berlapis bahan bakar TRISOitu meliputi :

*Pengungkung yang pertamaadalah kernel bahan bakar. Kernel bahanbakar sebagai pertahanan pertama dalammengungkung produk fisi yang terjadi,baik yang bersifat gas mudah menguapataupun yang berbentuk radionuklida nonvolatile. Temperatur dan tingkat burnupbahan bakar HTGR dibatasi pada leveltertentu untuk memastikan bahwa produkfisi akan tetapterkungkung dalam kerneltersebut.*Pengungkung yang keduaadalah lapisan coating protektif kernelbahan bakar. Coating ini terdiri dari 3lapis terbuat dari bahan pyrolitic carbondengan densitas yang berbedabeda.Lapisan pirolitik karbon terletak padalapis terluar, kemudian lapisan SiC danlapisan ke tiga adalah pirolitik karbonlagi. Ketiga lapisan ini telah terbuktimampu mengungkung produk fisi sampaidengan temperatur 1600C, sesuai dengantemperatur maksimum yang mungkinterjadi pada saat kondisi darurat ataukecelakaan reaktor HTGR.

*Pengungkung yang ke tigaadalahshell dan matriksgrafit. Partikel bahan bakarberdiameter 1 mm akandisatukan(dikompaksi) dalammatriks grafit, dandikungkung dalam shell grafitsehingga terbentuk bolaelemen bakar dengan diameter60 mm. Matriks grafit inimampu sebagai barier untukmengungkung produk fisiyang dihasilkan dari prosesreaksi fisi seperti Cs, Rb, Se,dan Ba secara lebih efektif.

2.2 Partikulat gas laden dalampendingin gas heliumSalah satu tujuan HSS (HeliumSupply System) pada GTMHR(GasTurbine Modular Helium Reactor) adalahkemampuan sistem untuk merawat danmenyediakankomposisi heliumpendingin primer pada tingkat kemurniantertentu untuk jangka waktu yangpanjang. Selain itu sistem ini jugabertanggung jawab dalam menjagakeandalan operasi dari komponen systemprimer pada operasi normal dankecelakaan berkaitan dengan air atauintrusi udara ke pendingin primer. HSSmeliputi sistem purifikasi helium(Helium Purification System), yangterdiri dari peralatan pemurnian daripengotorradionuklida produk fisi,pearalatan penukar panas (HE), systempipa, katup (valve), sensorsensorinstrumentasi dan peralatan untukregenerasi.Tingkat pengotor gas helium yangdiijinkan pada kondisi normal yaitu padalevel sebagai berikut: H2O < 2 vppm(volume part per million), CO2 + CO < 6vppm, H2 < 5 vppm. Keadaan ini selaludijaga dengan mengoperasikan systempurifikasi dari Helium Supply System(HSS). Sedangkan jumlah partikulat debukarbon dalam gas helium (laden gas)tidak diketahui secara pasti.Laju alir helium melalui HPS(Helium Purification System) adalah 0,5kg/s. Laju alir total melalui teras adalah316 kg/s. Laju ini mengindikasikanbahwa hanya 0,15% dari helium direaktor adalah diperbarui setiap saat.Oleh sebab itu, partikulat seperti debukarbon dapat terakumulasi pada lajualiran helium sebagai fungsi waktu,meskipun perkiraan jumlahnya tidakdiketahui secara pasti. Demikian pulahalnya deposisi (endapan) debu karbonpada permukaan serta pengaruhnyaterhadap erosi pada struktur materiallogam dan material PCS (PowerConversion System) masih dikaji danditeliti.

BAB IIIHASIL DAN PEMBAHASANBerdasarkan pengalamanoperasional reaktor AVR(ArbeitsgemeinshaftVersuchsreaktor) 15MWe di Jerman mengindikasikan adanyaPartikelpartikeldebu karbon di dalamgas helium. Reaktor ini telah beroperasiselama waktu 20 tahun dan mengonsumsisekitar 100.000 bolabolabahan bakar.Pada akhir masa beroperasinya terdapat60 kg debu karbon yang terakumulasi.Sehingga setiap bola bahan bakar akanmenghasilkan: 60 kg/ (100.000 x 20) =0,03 gr/bola.tahun. Hal ini berarti setiapbola bahan bakar akan melepaskan 0,03gram debu karbon dalam setiap tahunnya.Untuk mengantisipasi hal ini, pada disainHTGR harus memiliki sistem purifikasiyang memadai.Pada siklus loop yang tertutup,penambahan (replenishment) heliumdiperkirakan sekitar 0,15% per hari, halini berarti perubahan inventorikeseluruhan helium di dalam systemdiperkirakan setiap 3 tahun, dan debudebuyangterbentuk semakin lama akansemakin meningkat sesuai umur reactoryang semakin tua.Seperti telah dijelaskan bahwapada disain GTMHR,laju alir heliummelalui HPS (Helium PurificationSystem) adalah 0,5 kg/s. Laju alir totalmelalui teras adalah 316 kg/s. Laju inimengindikasikan bahwa hanya 0,15%dari helium di reaktor adalah iperbaruisetiap saat. Tentu saja hal inimengakibatkan akumulasi debu padasistem pendingin, karena minimnya alirangas helium yang dipurifikasi melaluiHPS. Laju alir ini harus ditingkatkansampai pada batas tertentu sehingga tidakterjadi penumpukan debu pada systemhelium. Hal ini akan berkaitan dengankapasitas atau kemampuan systempurifikasi dalam mengambil debu ataugasgaspengotor yang ada.Dari pengalaman operasionalAVR menunjukkan bahwa materialkomponen blowerblowerdi systemreaktor terdegradasi sangat signifikan danpenyebabnya tidak diketahui, salah satukemungkinan adalah akibat adanya ladengas yang terbawa dalam aliran gashelium.Selain akibat gesekan antarelemen bahan bakar, salah satu penyebabadanya debu dalam AVR adalah akibatinsersi batang kendali ke teras reaktor.Berdasarkan pengalaman AVR ini makaakan diusulkan pada disain HTGRgenerasi maju dibuat kanal terpisahantara pendingin (coolant) dan kanalinsersi batang kendali, dengan demikiandiharapkan timbulnya debu akan lebihsedikit dibandingkan pada AVR.Pelepasan produk fisi selamaoperasi normal HTGR dapat diabaikankarena adanya sistem pertahanan berlapispada disain bahan bakarnya. Kroger et(1988) melaporkan adanya pelepasanradionuklida produk fisi padapengalaman pengoperasian AVR yaituadanya Cs. Dari total keseluruhanaktivitas Cs pada AVR, 73% pelepasanCesium terdeposisi pada permukaanlogam yang lebih dingin, 5% akanterbawa oleh akibat adanya debu karbonyang terbawa ke teras, dan sisanya akantertahan (retained) oleh reflektor grafit.Pelepasan produk fisi yang terdeposisipada aliran primer di luar teras hanyadimungkinkan apabila kondisi kecelakaankecelakaan terjadi. Pada saat reaktor padakondisi depressurized (tak bertekanan)karena proses perawatan, maka debuakan terdeposisi di permukaan logam.Dalam jangka waktu yang lama, deposisiini akan mengeras dan sulit dikelola.Pada reaktor tipe PBMRdiperkirakan mempunyai kirakira1,2juta bolabolabahan bakar, dan tingkatinventori helium yang sangat tinggi.Apabila dibuat kanal khusus untuk insersibatang kendali yang terpisah denganpendingin gas helium maka akanmenghasilkan jumlah (densitas) ladengas yang lebih sedikit dibandingkandengan AVR. Dengan kondisi yangseperti ini maka kemungkinan degradasimaterial akibat adanya proses korosi erosimenjadi semakin kecil.Adanya laden gas pada pendinginHTGR menjadikan permasalahantersendiri. Partikulatpartikulatyangterbawa pada aliran pendingin gas heliumyang mengalir dengan kecepatan tinggiakan memicu terjadinya korosi erosi.Korosi erosi adalah sebuah fenomenayang kompleks dan ditentukan olehbanyak faktor. Faktor-faktoritu adalahantara lain: ukuran partikel debu, fluks(jumlah) partikel, kecepatan aliran,temperatur, dan mekanikal propertiespartikel pengerosi. Partikulat debu karbon di terasreaktor HTGR karena pengaruhtemperatur yang tinggi sifat kekerasannyaakan semakin meningkat. Denganmeningkatnya sifat kekerasan ini makaakan meningkatkan kekuatan erosinyaterhadap permukaan logam yangdilaluinya. Banyak eksperimen dan kajianyang menunjukkan bahwa laju erosi akansemakin meningkat seiring dengankekerasan erodennya (partikelpengerosinya).Ukuran partikel debu karbon yangdihasilkan di teras HTGR ukurannyasangat bervariasi. Partikulat denganukuran lebih kecil dari 1 mikrometerakan cenderung mudah terbawa olehaliran gas, sedangkan partikel debudengan ukuran diatasnya akan cenderungterdeposisi pada permukaan logam.Partikel debu karbon dengan nilaikekerasan Vickers ratarata20 dan ukuranpartikel ratarata1 mikrometer (denganasumsi tanpa aglomerasi) akan cenderunguntuk terdeposisi pada permukaandaripada menyebabkan erosi. Prosespengikisan (thinning) permukaan olehpartikelpartikeldi dalam gas akan lebihmempercepat penipisan logam sehinggamemungkinkan terjadinya kecelakaanreaktor apabila tidak diantisipasi.Proses korosi yang umum terjadipada pendingin helium ada 2 macam,yaitu proses oksidasi yang menghasilkankerak oksida, dan proses karburasiaktivitas karbon yang menghasilkansenyawa karbida. Kedua produk korosiini akan terdeposisi pada permukaanlogam. Pada kondisi tertentu, kerakoksida akan berfungsi sebagai pelapisprotektif dari logam yang adadibawahnya. Berdasarkan eksperimenLiu dan Natesan.mengindikasikanadanya pengaruh korosi erosi akibatladen gas terhadap kerak protektif yangterdeposisi pada permukaan logam.Kekuatan kerak akan sangat menentukandalam melindungi permukaan lapisandibawahnya. Hasil penelitian yangdilakukan mengindikasikan adanyaperapuhan kerak akibat adanya korosierosi oleh laden gas. Lapisan protektiflamakelamaanakan rapuh dan runtuhsehingga permukaan dalam material ikutterkorosi.

BAB IVKESIMPULANBerdasarkan pengalaman pengoperasianHTGR, ada dua macam sumber penghasildebu karbon (laden gas) yang terbawaoleh aliran pendingin gas helium. Sumberdebu yang pertama adalah akibat adanyagesekan lapisan coating antar elemenbahan akar, dan sumber yang keduaadalah akibat insersi batang kendali keteras grafit (berdasar pengalaman operasiAVR). Debu karbon berukuran dibawah1 mikrometer cenderung terbawa olehaliran pendingin mengakibatkan adanyakorosi erosi. Sedangkan debu karbonberukuran lebih besar cenderung akanterdeposisi pada permukaan logam.Untuk mengantisipasi adanya debukarbon digunakanlah sistem pemurnianhelium yang handal dan pembuatan kanalterpisah antara kanal insersi batangkendali dengan kanal gas helium. Dengankedua sistem ini maka debu karbon diteras dapat ditekan dan korosi erosi dapatdicegah.

DAFTAR PUSTAKA

1. KRGER, W., H. NICKEL,AND R. SCHULTEN, 1988, SafetyCharacteristics of Modern HighTemperatureReactors, Nuclear Safety,29, No. 1, 36.

2. K. NATESAN, A., PUROHIT,S.W. TAN, Material Behavior in HTGREnvironments, Argonne NationalLaboratory, NUREG/CR6824ANL0237,July 2003.

3. IAEA 2001. Chapter 4: Reviewof the Gas TurbineModularHeliumReactor (GTMHR)Plant,CurrentStatus and Future Development ofModular High Temperature Gas CooledReactor Technology, InternationalAtomic Energy Agency,IAEATECDOC1198,pp. 69113.

4. LABAR, M. P., 2002. The GasTurbine Modular Helium Reactor: APromising Option for Near TermDeployment, General Atomics, GAA23952.

5. MAJUMDAR, S., K. NATESAN,AND A. SARAJEDINI, 1988, AReview of Solid Particle Erosion ofEngineering Materials ArgonneNational Laboratory Report, ANL/FE881.

6. LIU, Y. Y. AND K. NATESAN,1988, Methodologies for Prediction ofMetal OxidationVaporizationErosion,Argonne National Laboratory Report,ANL/FE882.

7. KATSCHER, W. AND R.MOORMANN, 1986, GraphiteCorrosion under SevereHTR AccidentConditions, IAEA Specialists Meetingon Graphite Component tructuralDesign, JAERI, Japan, September 811,1986, Paper III9,182.Korosi Erosi Hadi SanjayaKDP