Pro.fiding Pre.fenta.fi Ilmiah Daur Bahan Bokor NuklirPEBN-BATAN. Jakorta /8-/9Maret /996

ISSN 1410-1998

SIMULASI PENENTUAN PELLET TO PELLETMENGGUNAKAN RADIOGRAFI NEUTRON

Arlinah KusnowoPusat Reaktor Serba Guna

ABSTRAK

SIMULASI PENENIUAN PELLET TO PELLET GAP MENGGUNAKAN RADIOGRAFI NEtn"RON.Kerusakan pada clemen bakar reaktor dapat dideteksi dengan menggunakllI1 radiografi neutron. Jika clemen bakartelab digunakllI1 di dalam reaktor untuk operasi rutin ada kemungkinan terjadi cacat. Cacat dapat terjadi pada ruanganantara pelet dan kelongsong maupun kelongsongnya sendiri. Telab dilakukw1 percobaan untuk persiapan ke arabanalisis cacat pada clemen bakar reaktor. Unnlk itu dilaktlkllI1 simulasi menggw1akan susunan pelet dan lempengalumunium setebal 0,1;0,2;0,3, dan 0,4 Imn. Hasil yang diperoleh dari proses radiografi neutron dengan days 700 kWmenunjukkllI1 bahwa simulasi ini cllkup baik untllk meniru keadaan yang mw1gkin terjadi pada iradiasi clemen bakaryang sesungguhnya.

ABSTRACT

DETERMINATION OF SIMULATED PEUET TO PEUET GAP U.\'ING NEUTRON RADIOGRAPHY. Thedefect on the irradiated fuel element could be detected lI.ring neutron radiography. The defect could occured in pelletto pellet gap, cladding, or even cladding to pellet gap. An investigations has been performed to detect pellet to pelletgap defect that might occur in an irradiatedfuel elenlent. An Alfoil of 0, 1; 0,2; 0,3, and 0,4 mm was inserted betweenpellets to simulate various pellet to pellet gap. The neutron radiogrophy used had power of 700 kW The resultshowed that this sinlulation represented well enough problenls that irradiated fuel elenlent may experience.

PENDAHULUAN belum lengkapnya peralatan yang tersedia. Untukmengatasi hal ini, dilakukan simulasi yangbertujuan untuk melihat apakah fasilitasradiografi neutron yang ada dapat mendeteksiadanya pellet to pellet gap tersebut. Beberapapelet disusun dalam wadah alumunium daD bajatahan karat. Dengan menyelipkan Al denganberbagai ketebalan, dilakukan proses radiografineutron metode tak langsung. Penelitian inidiharapkan dapat memicu penelitian selanjutnyamengenai analsis dimensi clemen bakar.

Elemen bakar reaktor baik untuk reaktordaya rnaupun reaktor riset mungkin sajamengalami perubahan, jika telah menjalanipaparan dosisi neutron yang tinggi di dalamreaktor. Pada umumnya elemen bakar terdiri daridaging clemen bakar, kadang disebut sebagaipelet, ruangan antar pelet, kelongsong daD bagianlain untuk memperkuat elemen bakar tersebut.Ruang antar pelet disebut pellet to pellet gap.Keberadaan daD dimensi dari ruangan inimestinya tak berubah selama clemen bakattersebut masih digunakan. Namun demikian, bilabasil pembelahan yang berupa gas tersebutmendesak pelet, maka akan terjadi perubahanpada dimensi ruang tersebut. Jika hal iniberlanjut, rnaka kemungkinan besar akan terjadikerusakan pada pelet atau bal1kan pecahnya pelet.Keadan seperti ini tentu tidak diinginkan I .Oleh

sebab itu perlu ada pemeriksaan terhadap elemenbakar tersebut tadi, di mana hasilnya dapatdigunakan sebagai umpan balik pada disainelemen bakar tersebut. Radiografi neutronmerupakan metode utama untllk pemeriksaan itu 2

, karena pengaruh sinar gamma yang timbul darielemen bakar terpakai tersebut tidak menggangguprosesnya daD interpretasi hasilnya sederhana.Pemeriksaan clemen bakar terpakai saat ini diIndonesia sulit dilaksanakan. Hal ini disebabkan

METODE RADIOGRAFI NEUTRON

Metode radiografi neutron non dinamiksccara garis besar dapat dibagi menjadi dna, yaitumetode langsung daD metode tak langsung) .Padametode langstlng, film, layar dan obyek terletakpada medan neutron. Metode tak langsungmempunyai perbedaan pada letak film. Filmdiletc1kkan jauh dari berkas neutron, sehinggatidak terjadi bayangan di film secara langsung.Metode yang terakhir ini lebih menguntungkanapabila diinginkan pemeriksaan terhadap elemenbakar bekas.

bakarbanyak

bekas

sinarElemen

memancarkanpada umumnya

gamma. Jika

226

Prosiding Presentasi /lmiah Daur Bahan Bakor NuklirPEEN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996

dilakukan radiografi neutron dengan metodelangsung, maka sinar gamma ini akan

mengacaukan gambar yang terjadi. Proses yangterjadi pada met ode tak langsung untukpemeriksaan elemen bakar bekas diuraikan dibawah ini.

T~13. Data film v~p. di~nakanI Nama film Agfa Gavaert

hldustri.D7

Elemen bakar bekas dan layar (konverter)diiradiasi dengan neutron tennal. Pada layarterekam bayangan clemen bakar tersebut.Selanjutnya untuk memperoleh gambar radiografineutronnya. layar tersebut dibawa ke kamar gelapdaD di situ diJakltkan pemaparan film oleh sinargamma yang dipancarkan oleh layar. makaterbentuklah gambar clemen bakar tersebut.

SIMULASI PELLET TO PELLET GAP

Untuk mensimulasikan adanya kehadiranpellet to pellet gap yang ada pada elemen bakardilakukan hal berikut ini. Pada kelongsong yangterbuat dati alumunium daD kelongsong lain datibaja tahan karat dimasukkan pelet denganpengayaan 3 %. Pclet ini belum pernah diradiasi.Ank'1ra dua pelet diselipkan lembaran (keping)alumunium untuk mensimulasikan adanya ruangantara pelct tersebut. Karena diameter berkasyang homogen hanya 10 cm, hanyaka disediakanempat simulasi ruang antara yaitu 0,1; 0,2; 0,3dan 0,4 rom. Alasan dipilihnya alumunium untuksimulasi ini adalah ketersediaannya cukup besardaD harganya murah. Kemudian dilakukan prosesradiografi neutron. Daya yang digunakan adalah700 kW dan waktu iradiasi adalah 2 jam.Kelongsong AI daD kelongsong baja tahan karatdipilih karena pada umumnya elemen bakarmempunyai kelongsong dati bahan tersebut.

DATA FISIKA FASILITAS

Data fisika fasilitas radiografi neulron yangdigunakan tertera pada label di bawah ini.

DATA LAYAR,BAKAR

FILM DAN ELEMEN

BASIL

Dengan daya 700 kW dan waktu iradiasi 2jam dan paparan pada film sebesar 46 menitselelah waktu tunda I jam, diperoleh basil sepertitertera pada Gambar I, Gambar 2, daD Gambar 3.Waktu pemaparan pada film telah dipilih daribebrapa pilihan yang memberikan densitasterbaik.

Yang dimaksud layar dalam hal ini adalahbahan yang digunakan unllik merekam bayangan.Mekanisme perekaman bayangan adalah sebagaiberikut. Berkas neutron yang telah melalui elemenbakar mengalami atenuasi. Atenuasi ini

merepresentasikan apa yang ada pada elemenbakar tersebut, sehingga adanya cacat padaelemen bakar tersebut akan tampak. Setelah ituberkas neutron akan tiba pada layar yangumumnya disebut sebagai konvertor. Terjadireaksi (n,y) dan layar menjadi aktif danmengeluarkan sinar gamma. Pada penelitian inidigunakan layar disprosium. Layar ini kemudiandibawa ke kamar gelap. Di sini film dipapari olehlayar, sehingga terbenllik bayangan. Pacta tabelberikut ini ditampilkan data layar, film clanelemen bakar yang digunakan.

DisprosiUlu2050 barn

28,1 %

Dy(II,y)Dy1,2 melli!

~~- Data layar )

Gambar 1. Kelongsong AI

227

ProsiJing Presenlasi IImiah Daur Bahan Bakar NukllrPEBN-BATAN. Jakal"la /8-J9Marel /996

1. Dengan menggunakan lembar alumuniumdapat ditiru adanya ruang antara pelet ukuran0,1 mm.

2. Kelongsong dari alumunium bait untukmenunjukkan adanya beda ruang antar elemenbakar daD kelongsong.

3. Diperlukan kategori berkas neutron (menurutASTM) yang lebih bait untuk memperolehgambar yang lebih tajam.

4. Penelitian ini dapat dilanjutkan untuk analisisdimensi pada elemen bakar yang sudahterpakai.

Gambar 2. Kelongsong baja tahan karatTANYA JAWAB

1. GUNANDJAR

.Simulasi yang digunakan pada penelitian iniadalah untuk mempersiapkan suatu metodepenentuan celah antar pelet (pellet to pelletgap) menggunakan neutron radiografi.Simulasi dengan menyelipkan alumuniumsetebal 0,1 s.d. 0,4 rom. Padahal pada pelet-pelet yang berada pada batang kelongsongelemen bakar (yang masih segar/belumiradiasi) mempunyai celah (gap) kurang dari0,1 mm (bahkan mungkin tanpa celah) dansetelah iradiasi bila tejadi lelehan gap tersebutakan makin kecil. Oleh karena itu menuruthemat kami simulasi tersebut kurang sesuaidengan kejadian yang sebenarnya. Mohon

penjelas.1n.

Gambar 3. Kelongsong AI dan baja tahan karat

BABASAN

Dari garnbar yang diperoleh dapat dilihatbahwa sirnulasi adanya ruang antar pelet dapatterdeteksi sarnpai 0, I rnrn. Selanjutnya untuk 0,2;0,3 daD 0,4 mrn dapat juga terdeteksi. Penelitianuntuk dirnensi yang lebih kecil juga perludilakukan. Karena keterbatasan peralatan, basilyang dapat diperolehjuga terbatas. Nilai-nilai 0,1;0,2; 0,3 daD 0,4 rnrn adalah dirnensi yang

sebenarnya. Sedangkan pada garnbar yangdiperoleh ukuran ini sulit ditentukan dengan alatyang ada. lni rnerupakan persoalan untukmelaksanan analisis dirnensi elernen bakar yangterpakai. Pada kelongsong darai alurnuniurn,diameter pelet dapat jelas terpiSc1h daTikelongsong, tetapi tidak dernikian halnya dengankelongsong daTi baja tahan karat. Jika kelongsongdirangkap, rnaka pernisahan ini t.:1rnpak jelaskernbali. Hal ini terjadi karena beda tarn panglintang harnburan UO2 da AI sangat besar, yaitu0,191 crn2/grn dan 0,036crn2/grn. Sedangkan bajatahan karat harnpir sarna dengan UO2, yaitu 0,14

crn2/gm.

ARLINAH KUSNOWO

adalah untuk.Sebenarnya lujuandimensional analysis.

utama

2. HASNEL SOFY AN

.Mohon dijelaskan faktor-faktor koreksi yangdigunakan d.'llam proses simulasi neutron

radiografi..Sampai berapa persen kesalahan/perbedaan

ant.'lra basil secara simulasi dengan basilpenelitian (standar yang berlaku) untuk dapatmenyatakan bahwa suatu simulasi tersebutcukup baik.

ARLINAH KUSNOWO

SIMPULAN

.Proses ini bel urn menggunakan koreksi, karenakita bel urn melakukan dimensional analysisterhadap pelet t:1di.

.Unulk ini perlu perhitungan/eksperimendimensional analysis. Dengan dimensionalanalysis perlu pengambilan gambar neutron

Kesimpulan yang dapat diambil adalahsebagai berikut:

228

Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996

radiografl dari beberapa arah dan ini belurndilakukan.

6. TUKIRAN S.

3. SUDARMONO

Sejauh mana visualisasi yang telah dilakukanpada elemen bakar dengan neutron radiografidaD bagaimana hasilnya.

.Simulasi dilaksanan pacta daya 700 kW,sedangkan biasanya EB reaktor daya diiradiasipacta daya 600 MW (1: 900 MW). Bagaimanakeadaan simulasi dengan keadaan yangsesungguhnya?

.Disain kolimator kurang baik, sedangkan basilyang diperoleh cukup baik. Apakah tidak actapengaruh disain kolimator dengan basilsimulasi?ARLINAH KUSNOWO

Barn simulasi tadi daD pernah mencoba 2 peletdengan pengkayaan berbeda. Tetapi ini tidakdilakukan di sini, hasilnya cukup bis.'1membedakan pengkayaan terscbut, tetapihamburan masih terlihat.

ARLINAH KUSNOWO

.Simulasi berarti menggunakan Al untuk menirupellet to pellet gap. Untuk melaksanakanneutron radiografi persyaratannya, anatara lainfluks termal adalah minimum setara 5xl06m/cm2s. Jadi jika dengan 700 kW sudah cukup,tentu dayanya tidak perlu tinggi-tinggi.

.Hasilnyapun rnasih belum baik menurut kriteriaASTM. Disain kolimator berpengaruh padabasil simulasi. Jika dilakukan dengan kolimatordengan RCd > ISO, gambar akan lebih baik.

4. NUSIN SAMOSIR

Apakah neutron radiografi yang di RSG-GAS,bisa mendeteksi kestabilanlkeandalan strukturbahan bakar yang sedang diiradiasi pada terasreaktor khususnya pada burn-up 50 % dan >56% .Data ini sangat diperlukan untukpengembangan disain bahan bakar pada burn-up > 56 % .

7. SULIYANTO

.Apakah neutron radiografi dapat jugadigunakan untuk mendeteksi kerusakana(analisis cacat) pada pelat clemen bakar reaktorriset U308-AI dengan pengkayaan ::I: 20 % ?

.Bila dapat digunakan Dutron radiografi,bagaimanakah cara simulasinya ?

ARLINAH KUSNOWO

ARLINAH KUSNOWO

Yang bisa dideteksi adalah :1) pellet to pellet gap2) disking3) chip4) pellet to caldding gap5) bambooning, dll keru~lkan pada

elemen bakar i.e. integritas bahan bakar..Di luar negeri digunakan untuk membedakan

pengkayaan bahan bakar, di sini belum..jika ada pellet yang berbeda pengkayaannya,

maka tinggak memasukkan di kelongsong daDlakukan neutron radiografi metoda tak

langsung.

5. SUGIHARTO

8. UlLMAN RAMLI

.Sepertinya kami tidak mclilmt adanyapenetrometri pada penelitian ibu. Bagaimanatara menghitung pellet to pellet gap pada filmneutron radiografi.

.Mungkinkc'lh dapat dibuat/dirancang neutron

radiografi yang portabel.

ARLINAH KUSNOWO

.Apakah dilakukan perbandingan perubahanpellet to pellet gap antara sebelum daD sesudahiradiasi (pada daya 700 kW)?

.Hila ya, bagaimana hasilnya, karena tidakterlihat pada hasil/kesimpulan yang diberikan.

.lni adalah simulasi, jadi belum sampai padadimensional analysis. Dalam simulasi inidigunakan AI yang sudah diketahui tebalnya.

.Bisa, dengan Cf-252. Biasanya perus.1ha.1npenerbangan di USA, mempunyai portabtlnoutron radiography.

ARLINAH KUSNOWO

.Tidak. Pellet to pellet gap diradiasi untuk freshpellet daD ketebalan AI 0,2;0,3 daD 0,4 mm.

.Jika acta waktau, bisa dilakukan, apa andaberminat dengan menggunakan NR PRSG ?

229

Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bakor NuklirPEBN-BA1:AN. Jakarta 18-19 Maret 1996

9. G.A. MASOARA 10. ASMEDI SURIPTO

.Apakah teknik neutron radiografi dapat pulauntuk mendeteksi relative density secara axialsepanjang pelet 1

.Kalau tc'1k salah, tara yang diketengahkanadalah cara tak-langsung (1). Lalu apakahpengarnh sinar gamma terekam dalam layarIn/Dy sehingga membuat image dari gapmenjadi kabur 1

.Dari presentasi ibu :-Telah dilakukan pekerjaan neutron radiografi

di PPTN Bandung dengan NR-Dry padatahun-tahun yang lalu,

-Di PRSG ada fasilitas NR-Dry daD NR-Wet.-Adanya indikator sensitivity yang harns

dipergunakan dalam pekerjaan NR..Persyaratan untuk basil neutron radiografi,

sensitivitasnya harus berapa % ?.Di PRSG, fasilitas NR-Wet atau NR-Dry, yang

mana akan memberikan sensitivitas yang lebihbaik?

ARLINAH KUSNOWO

ARLINAH KUSNOWO

.Bisa. Contohnya untuk membedakanpengkayaan yang bervariasi, jika beam bagus(memenuhi persyaratan) hal ini dapat jelasterlihat.

.Cara tak langsung berarti ada reaksi (Dy,n).Reaksi ini tidak terjadi jika Dy disinari gammadan clemen bakar ini disebabkan neutronepitermis masih banyak daD tampang hamburanbesar.

.Sensitivitasnya tergantung permintaan daD inisesuai dengan disain kolimator.

.NR Dry (real time) akan memberikan basillebih sensitif, jika RCd » 100 dan jika disainkolimator baik.

230