STUDI AWAL PENDINGINAN PADA BATANG PEMANAS … · quenching [3,4] untuk menghitung kecepatan...
Transcript of STUDI AWAL PENDINGINAN PADA BATANG PEMANAS … · quenching [3,4] untuk menghitung kecepatan...
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
1
STUDI AWAL PENDINGINAN PADA BATANG PEMANAS BERTEMPERATUR TINGGI MENGGUNAKAN BAGIAN UJI QUEEN-II
Mulya Juarsa, Puradwi I.W.
Pusat Teknologi reaktor dan Keselamatan Nuklir PTRKN Gd.80 Kawasan PUSPIPTEK Tangerang 15310 BANTEN
email: [email protected]
ABSTRAK STUDI AWAL PADA PENDINGINAN BATANG PEMANAS BERTEMPERATUR TINGGI MENGGUNAKAN BAGIAN UJI QUEEN-II. Pengamatan untuk memahami pendinginan pada peristiwa pasca LOCA merupakan langkah awal untuk menganalisis perpindahan panas pendidihan. Rewetting yang timbul pada pendinginan batang pemanas bertemperatur tinggi merupakan fenomena yang juga timbul pada proses penggenangan kembali teras reaktor setelah LOCA, dimana temperatur pembungkus bahan bakar masih bertemperatur tinggi. Bagian uji QUEEN-II telah dikonstruksi dan diuji untuk penelitian perpindahan panas pendidihan transien pada eksperimen pendinginan pasca LOCA. Pengujian dilakukan dengan memanaskan batang pemanas hingga mencapai temperatur hampir 900oC, kemudian didinginkan baik secara radiasi maupun didinginkan dengan air bertemperatur 85oC. Fenomena rewetting yang terjadi pada proses pendinginan dengan air diindikasikan dengan timbulnya rejim didih film yang memperlambat laju aliran pendinginan. Kecepatan rata-rata rewetting yang diperoleh adalah 9,68 mm/detik pada laju aliran air 15,76 mm/detik. Kata kunci: temperatur, rewetting, pendinginan.
ABSTRACT PRELIMINARY STUDY ON HIGH TEMPERATURE HEATED ROD COOLING USING QUEEN-II TEST SECTION. An Observation to understand cooling process in Post-LOCA event is a preliminary step to analyze boiling heat transfer. Rewetting which appears during cooling on high temperature heated rod is a phenomenon which also appears in reflooding process on reactor core after LOCA, where cladding fuel temperature is still high. The QUEEN-II test section was constructed and tested for research on transient boiling heat transfer on cooling experiment during Post-LOCA. Testing has been done by heated-up the rod until 900oC, and then cooling down by radiation and also by water with temperature of 85oC. Rewetting phenomena which occurs on cooling process by water is indicated by film boiling regime which slows down the water flow rate. Rewetting average velocity is 9.68 mm/s for water flow rate of 15.67 mm/s. Key Words: temperature, rewetting, cooling.
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
2
PENDAHULUAN
Dalam pengoperasian Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) dimungkinkan
terjadinya kecelakan berdasarkan prediksi yang ditentukan selama rancangan desainnya.
Salah satunya adalah kecelakaan kehilangan air pendingin (Loss-Of-Coolant Accident,
LOCA) yang merupakan jenis peristiwa kecelakaan yang dipostulasikan dan menjadi dasar
desain (Desain Basic Accident, DBA) pada sistem keselamatan PLTN. Saat terjadinya
LOCA, di mana teras kekurangan air akibat bocornya salah satu dan atau kedua pipa
pendingin primer pada reaktornya akan mengakibatkan naiknya temperatur permukaan
kelongsong bahan bakar yang diakibatkan oleh panas peluruhan yang masih tinggi,
meskipun reaktor telah mengalami shutdown, sehingga sistem pendingin teras darurat
(emergency core cooling sistem, ECCS) akan bekerja secara otomatis [1]. Proses dari
terjadi kebocoran hingga terendamnya kelongsong bahan bakar merupkan peristiwa Post-
LOCA (pasca LOCA) yang terdiri dari tahapan pengosongan (blowdown), pengisian
kembali (refill) dan penggenangan kembali (reflooding). Peristiwa melelehnya teras jika
reflooding gagal mendinginkann teras termasuk kategori kecelakaan parah yang dapat
dianggap bagian akhir Post-LOCA. Pada reaktor air tekan (Pressurized Water Reactor,
PWR), proses pendinginan bahan bakar di dalam teras dilakukan dengan menggenangi
teras dari bagian bawahnya (bottom reflooding) dengan mengoperasikan pompa ECCS.
Fenomena yang muncul selama periode pendinginan salah satunya adalah terlihatnya
fluktuasi temperatur cladding pada bahan bakar yang timbul mulai awal penggenangan
hingga tenggelamnya seluruh bahan bakar oleh air, dimana temperatur maksimal cladding
akan mencapai 930oC [2], seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1 berdasarkan
kelayakan analisisnya.
Pemahaman Post-LOCA seperti disebut di atas telah dilakukan sejak tahun 2003
hingga tahun 2005 oleh penulis melalui penelitian tentang fenomena rewetting selama
quenching [3,4] untuk menghitung kecepatan rewetting dengan menggunakan bagian uji
QUEEN-I [4]. Meskipun capaian temperatur maksimal pada batang pemamanas hanya
600oC. Hasil penelitian menggunakan bagian uji QUEEN-I menunjukkan dan
membuktikan adanya pembagian rejim pendidihan selama pendinginan berlangsung.
Sedangkan, eksperimen menggunakan bagian uji QUEEN-II (alat eksperimen baru) pada
tahun 2006 dengan kondisi temperatur batang pemanas mencapai hampir 900oC memiliki
keadaan yang cukup berbeda. Sehingga, pernjelasan terkait hasil pengamatan pada
fenomena rewetting yang timbul menjadi bahan diskusi yang menarik.
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
3
0 50 100 150 200 250 300 350
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Waktu, t [detik]
Kriteria keputusan (1.200oC)
Temperatur menurun akibatCladding terendam kembali
Perubahan temperatur akibat fluktuasialiran pendingin di dalam reaktor
ECCS beroperasi
Bahan bakar terendam
Terjadinya Kebocoran
Temperaturpuncak,
930oC
Tem
pera
tur T
ube
Cla
ddin
gBa
han
Bak
ar,
T [o C
]
Gambar 1. Perubahan temperatur kelongsong bahan bakar pasca LOCA[2]
TEORI
Selama quenching pada temperatur permukaan suatu batang pemanas yang
bertemperatur tinggi (di atas temperatur saturasi air pendinginnya), batang pemanas tidak
akan serta merta dapat ditenggelamkan dan dibasahi oleh air pendingin, dikarenakan ketika
air akan menyentuh permukaan batang pemanas, penguapan terjadi sehingga
permukaannya tetap kering. Selanjutnya, peristiwa kontaknya air dengan permukaan
terjadi secara berulang, sembari batang pemanas mengalami penurunan temperatur dan
pada saat tertentu air akhirnya dapat membasahi permukaan batang pemanas. Pada bagian
di mana terjadi kontak antara air dan permukaan kelongsong disebut sebagai batas basah
(quenching front) atau rewetting, titik ini membatasi daerah kering dan daerah basah.
Dengan kata lain “rewetting” dapat pula diartikan bahwa permukaan kelongsong untuk
pertama kalinya terbasahi kembali setelah sebelumnya kering akibat LOCA. Sedangkan
istilah, quenching dapat berarti lebih umum, yaitu terjadinya pendinginan secara cepat oleh
fluida pada dinding yang awalnya bertemperatur tinggi, dan lebih sering disebut peristiwa
penenggelaman mendadak benda panas dalam suatu media pendingin.
Pendingin yang dimaksud adalah penurunan panas pada batang pemanas oleh
media pendingin dengan beda temperatur yang lebih rendah. Pendinginan disertai proses
pendidihan apabila temperatur batang pemanas memiliki temperatur di atas temperatur
saturasi air. Proses pendinginan terjadi dengan mekanisme perpindahan panas pendidihan
yang dimulai dari rejim didih film kemudian rejim didih transisi di mana temperatur
minimum didih film (minimum film boiling) tercapai, kemudian pendidihan berakhir pada
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
4
rejim didih inti sesaat setelah harga maksimum dari fluks kalor tercapai. Proses reflooding
dideskripsikan pada Gambar 2 yang menunjukkan aliran dan rejim perpindahan panas yang
diamati termasuk fenomena rewetting. Arah aliran pada Gambar 2 adalah menuju ke atas
secara konveksi paksa. Rejim pendidihan dari bagian bawah tersusun sebagai berikut: didih
inti, didih transisi dan didih film. Tq = Tmfb, merupakan temperatur batas basah atau
temperatur didih film minimum yang memisahkan rejim didih transisi dan rejim didih film.
Gambar 2. Proses reflooding dari bawah [5]
Berbeda dengan pendidihan kolam (pool boiling) rejim perpindahan panas pada
pendidihan aliran (flow boiling) ditentukan oleh berbagai variabel: laju alir massa, jenis
fluida, geometri sistem, fluks panas dan distribusi aliran [6]. Beberapa studi eksperimental
terkait rewetting yang timbul pada penggenangan dari bawah (bottom refolding)
diperlihatkan pada table 1.
Tabel 1. Beberapa studi eksperimental terkait rewetting yang timbul pada penggenangan dari bawah (bottom refolding) [7].
No Peneliti Geometri bagian uji
Panjang bagian panas (m)
Interval laju aliran air (lpm)
Temperatur awal batang pemanas (oC)
Interval kecepatan rewetting (mm/detik)
1. Duffey & Porthouse (1973) Annulus - 0,006 - 1,2 300 - 800 1 - 50 2. Piggot & Duffey (1975) Annulus 0.5 0,1 – 0,55 700 1,5 – 6,0 3. Piggot & Porthouse (1975) Annulus 1,2 0,036 – 3,6 400 - 700 1 - 33 4. Lee et al. (1978) Tube 4,0 1,2 – 6,1 450 - 650 25 - 170 5. Neti & Chen (1982) Tube 1,45 0,045 – 0,94 400 - 600 5 - 95 6. Bankoff et al. (1985) Tube 3,5 0,5 – 3,6 550 28-100 7. Tuzla et al. (1991) Rod bundle 1,2 0,56 – 2,1 800 1 - 5 8. Burnea et al. Annulus 0,8 - 350 - 600 160 - 380
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
5
KONSTRUKSI BAGIAN UJI QUEEN-II
Pada bagian ui QUEEN-II, selain rongga silindernya diharuskan tidak terisi oleh
pemanas atau material lain dan dengan pencapaian temperatur awal yang tinggi (800oC-
900oC), juga titik-titik pengukuran temperature (termokopel) diperbanyak menjadi 8 titik
yang dipasang secara vertikal sepanjang batang pemanas, mengingat untuk bagian uji
QUEEN-I hanya 2 titik pengukuran saja. Hal ini akan lebih menajamkan analisis pada
perhitungan kecepatan rewetting yang akan menjadi parameter acuan pada analisis
perpindahan panas pendidihannya. Konstruksi bagian uji QUEEN-II dapat dilihat pada
Gambar 3a dan diagram untai ui BETA termodifikasi diperlihatkan pada Gambar 3b.
Gambar 3a. Bagian Uji QUEEN-II dan Susunan 8 Titik Termokopel
GAMBAR.
DIAGRAM ALIR UNTAI UJI BETA - TS. QUEEN-IIRev-01QUEEN-II
PRE-HEATER
KONDENSER
TANKIRESERVOAR
V-03
V-01
V-04
POMPA
V-02
Drain (outlet)Plenum ATAS
PlenumBAWAH
Gambar 3b. Diagram Alir Untai Uji BETA (modifikasi 1)
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
6
METODE PENELITIAN
Penelitan awal untuk memahami karakteristik temperatur transien selama
pendingan pada batang pemanas bertemperatur tinggi (T=850oC) dilakukan dalam
beberapa tahap. Tahapan tersebut dilakukan agar setiap tahapan penelitian dapat
memberikan gambaran yang jelas tentang perpindahan panas radiasi dan konveksi.
Tahapan metode penelitiannya, adalah :
1. Melakukan karakterisasi pemanasan batang pemanas hingga mencapai temperatur
tinggi (850oC), berdasarkan data tegangan, daya dan temperatur batang pemanas.
2. Melakukan pengamatan proses pendingan batang pemanas bertemperatur tinggi
(850oC) tanpa air (pendinginan radiasi murni). Pendinginan radiasi yang diamati
berdasarkan dua kasus, yaitu keadaan pertama tanpa tabung kuarsa dan keadan
kedua dengan tabung kuarsa. Catatan, eksperimen yang akan dilakukan untuk
kasus pendinginan dengan tabung kuarsa.
3. Melakukan pengamatan proses pendingan batang pemanas bertemperatur tinggi
(850oC) dengan menggunakan air bertemperatur lebih dari 85oC pada laju aliran
tertentu. Pengamatan dititik beratkan pada kemampuan mekanik dan termal dari
bagian uji QUEEN-II dan mengamati fenomana rewetting yang timbul selama
pendinginan dengan air.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Uji Pemanasan Radiasi (Keadaan Tunak)
Pada tahap pertama dilakukan dengan menaikkan tegangan tahap demi setahap,
hingga tegangan maksimalnya.
Gambar 4. Kondisi pemanasan pada bagian uji QUEEN-II
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
7
Uji pemanasan secara radiasi ini dilakukan tanpa menggunakan tabung gelas kuarsa,
sehingga panas yang muncul dari open coil heater pada daya maksimalnya langsung
memanaskan batang pemanas. Dari Gambar 4, diperlihatkan proses pemanasan batang
pemanas hingga mencapai temperatur tertinggi (pembacaan termokopel sebesar 850oC).
Gambar 5a dan 5b secara bertururt-turut menjelaskan karakterisasi pemanasan pada
parameter terukur seperti daya versus tegangan dan temperatur versus posisi TC.
Pemanasan (Gambar 6a) dilakukan dengan menaikkan daya tegangan slide regulator
voltage, setiap 5 menit sebesar 20 volt. Kurva pada gambar 5a menunjukkan interpolasi
polynomial orde-2, dengan membandingkan hitungan teoritis:
2
( ) VP VR
(1)
dimana daya, P(V) dan tegangan, V adalah variabel. Sedangkan resistansi kawat, R
merupakan nilai konstan. Kurva hasil perhitungan dan pengukuran menunjukkan hampir
tidak adanya perbedaan. Dalam hal ini, pengukuran tegangan dan arus menggunakan alat
multitester digital adalah sebagai berikut:
Vmax = 220 Volt
Imax = 51 Ampere
Hasil pengujian menunjukkan daya pada tegangan maksimal 220 Volt antara perhitungan
dan pengukuran adalah Pukur = 10,43 kW dan Phitung =10,76 kW.
0 50 100 150 200 2500
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
P(V) = (0.21)V2 + (1.7)V - 19.15 P(V) = (0.22)V
Day
a H
eate
r, P
[wat
t]
Tegangan Regulator, V [volt]
Daya Pengukuran Daya Perhitungan
Kurva Karakterisasi Pemanasan
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800L= 700 mmT = 553oC
L= 600 mmT = 788oC
L= 500 mmT = 867oC
L= 400 mmT = 860oC
L= 300 mmT = 845oC
L= 200 mmT = 790oC
L= 100 mmT = 686oC
BAWAH
Temperatur TC
Posi
si T
erm
okop
el, L
(mm
)
TC Temperatur, T [oC]
Kurva.Distribusi Temperatur padaposisi Vertikal
ATAS
L= 0 mmT = 331oC
Kurva. Posisi TC vs TemperaturKurva. Daya vs Tegangan
(a) (b)
0 50 100 150 200 2500
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
P(V) = (0.21)V2 + (1.7)V - 19.15 P(V) = (0.22)V
Day
a H
eate
r, P
[wat
t]
Tegangan Regulator, V [volt]
Daya Pengukuran Daya Perhitungan
Kurva Karakterisasi Pemanasan
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800L= 700 mmT = 553oC
L= 600 mmT = 788oC
L= 500 mmT = 867oC
L= 400 mmT = 860oC
L= 300 mmT = 845oC
L= 200 mmT = 790oC
L= 100 mmT = 686oC
BAWAH
Temperatur TC
Posi
si T
erm
okop
el, L
(mm
)
TC Temperatur, T [oC]
Kurva.Distribusi Temperatur padaposisi Vertikal
ATAS
L= 0 mmT = 331oC
Kurva. Posisi TC vs TemperaturKurva. Daya vs Tegangan
(a) (b)
Gambar 5. Kurva-kurva karakteristik pemanasan
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
8
Gambar 5b, memperlihatkan posisi termokopel versus temperatur yang
memperjelas kondisi pemanasan di dalam pemanas semi-silinder keramik. Aliran panas
secara alamiah akan mengalir dari arah bawah ke atas, dan ini dibuktikan (melalui
pengamatan visualisasi) adanya pola panas pada bagian atas keramik. Kurva pada gambar
5b menunjukkan perbedaan temperatur dari arah bawah ke atas, terlihat bahwa temperatur
di bawah lebih dinging dari tujuh pembacaan temperatur lainnya. Pada posisi 200 mm
hingga 600 mm, pembacaan temperatur menunjukkan besar temperatur yang hampir sama
(rentang 800oC-900oC). Pada bagian atas, pembacaan temperatur mengindikasikan adanya
drop temperatur. Hal tersebut dapat diakibatkan oleh posisi termokopel yang dekat dengan
keluaran aliran udara panas. Keadaan yang menarik dari gambar 5b adalah distribusi panas
membentuk pola sinusoidal dan akan diperjelas pada bahasan selanjutnya.
Hasil Pendinginan Radiasi (Tanpa Air)
Gambar 6a dan 6b secara berturut-turut menunjukkan temperatur transien
pendinginan secara radiasi tanpa melalui tabung kuarsa dan melalui tabung kuarsa.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
TC No.1 TC No.2 TC No.3 TC No.4 TC No.5 TC No.6 TC No.7 TC No.8
TC T
empe
ratu
r, T
[oC]
Waktu, t [detik]
Kurva.Temperatur transienPendinginan radiasiDengan Tabung Kuarsa
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
TC T
empe
ratu
r, T
[o C]
Waktu, t [detik]
TC No.1 TC No.2 TC No.3 TC No.4 TC No.5 TC No.6 TC No.7 TC No.8
Kurva.Temperatur transienPendinginan radiasiTanpa Tabung Kuarsa
(b) Dengan tabung kuarsa(a) Tanpa tabung kuarsa
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
TC No.1 TC No.2 TC No.3 TC No.4 TC No.5 TC No.6 TC No.7 TC No.8
TC T
empe
ratu
r, T
[oC]
Waktu, t [detik]
Kurva.Temperatur transienPendinginan radiasiDengan Tabung Kuarsa
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
TC T
empe
ratu
r, T
[o C]
Waktu, t [detik]
TC No.1 TC No.2 TC No.3 TC No.4 TC No.5 TC No.6 TC No.7 TC No.8
Kurva.Temperatur transienPendinginan radiasiTanpa Tabung Kuarsa
(b) Dengan tabung kuarsa(a) Tanpa tabung kuarsa Gambar 6. Kurva pendinginan radiasi tanpa air untuk To=850oC
Pada gambar 6a, selang waktu 0 detik hingga 1200 detik temperatur tertinggi turun sebesar
700oC. Sedangkan pada gambar 6b, pada selang yang sama, temperatur tertinggi turun
hanya 650oC. Kedua gambar tersebut (Gambar 6) menjelaskan pengaruh tabung kuarsa
yang telah menahan laju aliran panas, meskipun hanya sedikit. Pada interval temperatur
200oC hingga 1000oC, kapasitas panas tabung kuarsa cenderung meningkat[8]. Namun,
kenaikan ini dianggap linier dan dengan gradien temperatur yang tidak tajam kenaikannya.
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
9
Meskipun timbul perbedaan besarnya penurunan temperatur pada kedua kasus di atas,
perbedaan tersebut dapat dianggap tidak akan mempengaruhi laju aliran pendinginan saat
menggunakan air. Perbedaan tersebut tidak akan berpengaruh begitu air mulai mengalir
dari arah bawah yang secara bertahap menggenangi batang pemanas.
Hasil pendinginan dengan temperatur air 85oC
Pendinginan secara bottom reflooding dengan air bertemperatur 85oC dilakukan
sesaat setelah temperatur awal batang pemanas dicapai. Dalam penelitian awal ini,
temperatur tertinggi yang tercapai adalah 876oC. Kurva yang diperlihatkan pada gambar 7
mengulas kembali kurva pada gambar 5b, dimana distribusi temperatur searah posisi
vertikal termokopel menunjukkan bentuk sinusoidal. Bentuk sinusoidal dimungkinkan
tercapai karena adanya aliran konveksi udara yang masuk melalui bagian bawah semi-
silinder keramik heater dan keluar pada bagian atasnya (lihat gambar 8).
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
L=700 mm; T7=474oC
L=600 mm; T6=789oC
L=500 mm; T5=873oC
L=400 mm; T4=876oC
L=300 mm; T3=848oC
L=200 mm; T2=798oC
L=100 mm; T1=708oC
Posi
si Te
rmok
opel
, L [m
m]
Temperatur Awal TC, To[oC]
Temperatur Awal TC, To
Kurva.Distribusi Temperatur TC Rod pada posisi vertikal
L=0 mm; To=265oC
Gambar 7. Kurva distribusi temperatur awal Batang pemanas pada posisis vertikal
Proses ini merupkan sifat alamiah yang telah dikenal secara umum, bahwa udara akan akan
bergerak ke arah daerah panas. Pada gambar 7, jelas terlihat adanya perbedaan temperatur
di bagian bawah (TC8), bagian tengah (TC2-TC7) dan bagian atas (TC1). Bagian bawah
temperatur TC paling rendah, ini diakibatkan TC8 berada pada daerah semburan aliran
udara yang berasal dari udara lingkungan bertemperatur rendah dan fluks kalor yang
kurang rapat dibandingkan pada bagian tengah. Bagian tengah memperjelas adanya
kerapatan fluks kalor yang tinggi (memuncak pada TC3 dan TC4) selama proses
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
10
pemanasan yang terkumpul pada bagian tengah, namun dorongan aliran konveksi udara
membentuk kurva sinusoidal yang lonjong ke arah atas. Bagian atas, temperatur jauh lebih
rendah dari bagian tengah, namun masih lebih tinggi dibandingkan dari bagian bawah.
Gambar 8. Pola airan udara selama pemanasan.
Distribusi temperatur sinusoidal yang terbentuk dapat dikatakan cukup mewakili keadaan
fluks kalor pada reaktor nuklir.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 3000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Rew. TC6
Rew. TC5Rew. TC7
Rew. TC4
Rew. TC3
Rew. TC2
Rew. TC1
TC T
empe
ratu
r, T
[o C]
Waktu, t [detik]
TC No.1 TC No.2 TC No.3 TC No.4 TC No.5 TC No.6 TC No.7 TC No.8
Kurva. T-vs-t Parameter :Tair = 85oC
Trod=875oC
Rew. TC8
Proses pendinginanbottom reflooding
Gambar 9. Kurva pendinginan pada Tair = 85oC
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
11
Selama proses pendinginan dengan air, femonena pendidihan yang muncul sangat
menarik. Gambar 9 menjelaskan kurva pola penurunan temperatur secara transien, jika
diperhatikan pada salah satu garis (misal TC4), nampak adanya beberapa sloop penurunan
temperatur. Sloop tersebut diawali oleh radiasi dari detik ke-6 hingga detik ke-56.
Kemudian sloop rewetting, dari detik ke-56 sampai detik ke-64, sloop ini dikatakan
sebagai area rejim didih film, kemudian disusul pada sloop ketiga, area didih transisi dan
didih inti, dari detik ke-64 hingga detik ke-160. Keadaan ini sangat berbeda dengan riset
terdahulu dengan menggunakan bagian uji QUEEN-I pada temperatur awal 600oC.
Terbentuknya rejim didih film, didih transisi dan didih inti jelas terlihat selama
eksperimen berlangsung. Kurva pada gambar 9 menunjukkan temperatur transien selama
proses pendinginan bottom reflooding pada temperatur awal batang pemanas 876oC.
Rewetting terjadi secara berturut-turut dari arah bawah ke atas dan terjadi pada temperatur
yang berbeda sepanjang arah vertikal batang pemanas. Rewetting pada TC8, terjadi pada
detik ke-38 dan pada temperatur 250oC. Pada TC1, rewetting terjadi pada temperatur
385oC di detik ke-100. Kecepatan rata-rata rewetting dapat dihitung berdasarkan waktu
ketika rewetting terjadi pada TC8 dan TC1, diperoleh nilai kecepatan rata-rata rewetting
adalah 9,68 mm/detik. Jika dibandindingka dengan laju aliran air pada operasi dingin
(tanpa pemanasan Batang pemanas), yaitu 15,67 mm/detik, dengan kecepatan aliran
selama proses pendinginan, maka terjadi hambatan akibat timbulnya didih film.
Temperatur MFB terjadi pada selang temperatur 250oC – 700oC.
KESIMPULAN
Telah diperoleh hasil studi awal proses pendinginan batang pemanas bertemperatur
tinggi (876oC) pada bagian uji QUEEN-II yang telah desain pada tahun 2004 dan
dikonstruksi pada tahun 2005. Selama tahun 2006, fokus kegiatan adalah memahami
karakteristik temperatur transien selama pendinginan. Adapun kesimpulan hasil penelitian
awal ini adalah :
- Tercapainya temperatur pemanasan hingga hampir mencapai 900oC (realistik, 876oC).
- Pemahan penurunan temperatur transien secara radiasi (tanpa air pendingin) untuk
temperatur awal 850oC, baik yang melalui tabung kuarsa maupun tanpa tabung kuarsa.
Hasil ini membuktikan bahwa desain dan konstruksi QUEEN-II mampu beroperasi
sesuai dengan yang direncanakan.
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
12
- Pemahan penurunan temperatur transien selama pendinginan dengan air bertemperatur
85oC pada temperatur awal 876oC. Konstruksi tabung kuarsa terbukti mampu
mengalami proses pendinginan yang ekstrim.
- Kecepatan rata-rata prewetting adalah 9,68 mm/detik pada laju aliran air 15,67
mm/detik (1,562 lpm). Meskipun memiliki geometri yang berbeda, penelitian No.1,
No.2 dan No.10 (Tabel 1.) hasilnya mendekati hasil pengamatan pada eksperimen ini.
- Rejim pendidihan yang teramati adalah rejim didih film, didih transisi dan didih inti.
Dengan diperolehnya data dan validasi kemampuan bagian uji QUEEN-II pada eksperimen
awal ini, maka penelitian dengan variasi laju aliran dan variasi tempearur awal batang
pemanas dapat dilakukan pada tahun-tahun berikutnya.
UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih yang tak terhingga, disampaikan kepada Dr. Ir. Anhar Riza
Antariksawan yang telah membimbing penulis selama melakukan desian hingga pengujian
bagian uji QUEEN-II. Kepada rekan-rekan sub bidang termohidrolika BOFa PTRKN saya
mengucapkan beribu terimakasih atas bantuan dan dukungannya.
DAFTAR PUSTAKA
1. J.M. BROUGHTON et al., “A Scenario on The Three Mile Island Unit 2 Accident,” Nuclear Technology, Vol. 87, No. 1, 1989.
2. AGENCY OF NATURAL RESOURCES AND ENERGY, MITI-JAPAN, “Hopes to Make Safe More Secured” How the Safety of NPP is Secured in Policy Terms, Serial Publication of NPP Safety Demonstration /Analysis, Tokyo-Japan, 2001.
3. KHAIRUL HANDONO dkk., “Eksperimental Reflooding Pada Untai Uji BETA: Karakterisasi dan Eksperimen Awal”, Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir VI, Serpong 2001.
4. MULYA JUARSA dkk, “Studi Eksperimental Rejim Pendidihan Selama Proses Quenching pada Bundel Pemanas “QUEEN”, Prosiding Seminar ke-IX Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Jakarta, 2003.
5. CARBAJO, J.J., “A Study On The Rewetting Temperature”, Nuclear Engineering and Design, Vol, 84 page 21 – 52, 1984.
6. N.E. TODREAS and M.S. KAZIMI, “Nuclear Sistem I: Thermal Hydraulic Fundamentals”, Hemisphere Publishing, 1st ed., 1990.
7. A.K. SAXENA et al., “Experimental Studies on Rewetting of Hot Vertical Annular Channel”, Nuclear Engineering and Design,Vol. 208, page 283 – 303, 2001.
8. http://www.quartz.com/GE Quartz - Heat Capacity Chart.htm