STUDI PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI ALAMREAKTOR KARTI NI

Soeleman , Syarip, Y. Sarjono

Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta

ABSTRAK

Telah dilakukan analisis dan perhitungan kondisi steadystate dari sistem pendingin primer reaktor Kartini berdasar-­kan pola aliran konveksi alamo Pada daya 100,kW, suhu airpendingin di permukaan tangki untuk batas kesel~matan adalah40°C. Hasil analisis menunjukkan bahwa batas suhu' keselamat­an tersebut akan dicapai dalam waktu selama 7,3 jam, jikaoperasi reaktor dengan sistem pendingin primer tidak di­jalankan.

ABSTRACT

The calculation and analysis at steady state conditionof the Kartini reactor primary coolant system, based onnatural connection coolant flow, has been done_ The safetylimit of the coolant temperature at the surface'reactor tankis 40°C. The analysis show that the safety ~limit of thecoolant temperature, will be reached within 7,3 hour reactoroperation with the primary system off. P

I. PENDAHULUAN

Pembatasan besarnya suhu permukaan air tangki reaktor

Kartini pada tingkat pengoperasian daya maksimum Cl00 kW)

adalah sangat penting artinya. Adanya penunjukan suhu per-

mukaan air berkaitan erat dengan suhu pendingi~:daerah teras

dan suhu bahan bakar Csebagai pembangkit pan~s),

suhu pendingin pada daerah yang1semakin dekat

Dengan

(transient),

demikian pada keadaan ..unsteady state"

sehingga terjadi

dengan teras semakin besar sehingga terjadi distribusi suhu

yang tidak homogen. Perbedaan suhu tersebut akan menimbulkan

aliran pendingin dan perpindahan panas,

perpindahan panas secara konveksi alamo

Untuk menunjukan hubungan suhu permukaan dengan suhu

246

247

daerah teras, perlu perhitungan koefisien perpindahan panas

konveksi alam untuk reaktor Kartini. Perhitungan koefisien

perpindahan panas diperoleh dengan cara melakukan pengukuran

suhu bahan bakar dan suhu permukaan air tangki reaktor. Dari

hasil pengukuran tersebut diperoleh perkiraan besarnya suhu

pendingin di daerah teras dan besaran-besaran yang lain,

kemudian dikenakan pada kondisi reaktor Kartini. Besaran-

besaran tersebut kemudian digunakan untuk menghitung kece­

patan kenaikan suhu yang berarti pula akan diperoleh lama

waktu pencapaian suhu maksimum yang diijinkan.

Kecepatan kenaikan suhu diambil pad a harga yang paling

besar, yaitu dengan pengoperasian reaktor pada daya 100 kW

secara "steady state" (sirkulasi pendingin primer dimatikan).

Dengan demikian dapat diketahui lama waktu operasi reaktor

pada daya 100 kW pada keadaan pompa (aliran)

dijalankan dan masih pad a kondisi aman.

II. TATA KERJA DAN PERHITUNGAN

A. Hidrolika Dan Panas

primer tidak

Pembangkitan panas pada teras reaktor menyebabkan ada­

nya beda suhu pendingin di permukaan air tangki reaktor dae­

rah teras. Aliran fluida karena adanya perbedaan suhu se­

hingga akan terjadi rugi-rugi gaya aliran yang disebabkan

oleh keadaan permukaan dan perubahan penampang aliran. Oleh

karena itu aliran fluida yang terjadi karena adanya gaya

apung yang disebabkan oleh perbedaan berat jenis. Pola alir­

an fluida reaktor Kartini terlukis pada gambaI' (1), dan ke­

setimbangan aliran dapat dituliskan :

Q ( T" - T ) = Q (T - T )1 1 2 2 1

Q ( T" - T ) = Q (T - T )1 2 2 2 1

Kecepatan pembangkitan panas volumetrik dalam bahan bakar

g" dapat diperoleh dari

T1f~

248

Tz ke HE

T1 Qz+--(

Q1Q1

T"

R

Teras

Q1

T'= Tz T1 dari HE

T"~

Q1T'

LLL

Gambar 1 Pola aliran

q"

di mana

= G N O'f ¢ MeV/dlz :3em (1)

G = lenaga liap reaksi pembelahan. MeV

N = rapal alom bahan bakar = inli/em:3

0' = luas penampang pembelahan mikroskopik.f¢ = fluks neulron. n/em2 dl

2em

Pembangkilan panas sepanjang bahan bakar

gaya apung sebesar

F = flp 1 A'0

di mana

akan menimbulkan

flp = selisih beral jenis

1 = panjang aklif bahan bakar

A = luas penampang aliran

Kemudian lerjadi rugi-rugi gaya yang disebabkan oleh

1. Rugi-rugi gaya geseran dalam leras sebesar

F =f flp A A f Ld­

"eq

zv

249

di mana

A

= luaspenampang aliranf

= koefisiengeseranL

=panjangtotalbahan bakar

p

= massajenisair

v

=kecepatanaliran

9

=percepatangravi tasibumi

2. Rugi-rugi karena adanya lubang pada "kisi" atas dan "bawah

Untuk tiap lubang dapat ditulis

1 2F = A t.p = A ~ -- p v 2o l ' 2

~ = faktor gesekan

3. Rugi-rugi gaya karena inersia pada aliaran semi

untuk aliran terbuka berlaku

terbuka

F. = A t.p = At. n '

12

2P V

Aliran pada reaktor Kartini dianggap semi terbuka

FLn

Dari kesetimbangan gaya-gaya dapat dilulis

gaya apung = rugi-rugi gaya

Ff+ Fol + F

Ln

1~L\Ol A

=Af~l d -~- P veq 2

2+ A ~ pv +

2A pv

4

Dari persamaan ini dapat diperoleh persamaan substitusi

L\O

pLd-

eq+ 2 Z; _1 +_1 ]2 2 (2)

Untuk menenlukan harga kecepalan aliran dan perbedaan suhu

di dalam teras reaklor dapat diperoleh dari

panas dan aliran akan didapal panas dari

dibawa aliran

kesetimbangan

reaktor = panas

250

q" = v pAC C T" - T )l P

= panas yang dihasilkan persaLuan wakLu.

T" - T = t.T =ql

V pAC p

B. PenenLuan Suhu Pendingin

KecepaLan pembangkiLan panas volumeLrik dapaL dihiLung

dari persamaan (1) unLuk reaklor KarLini di mana

N = 2,67 X 1020 inli/cm3

SaLu kali reaksi pembelahan pembangkiLan energinya sebesar

200 MeV = 1,602 x 10-13joule dan Lampang serapan mikros-, 23~ -24

kOp1k unLuk U dengan neuLron Lermal adalah 577 x 10

cm2, sehingga akan diperoleh

q" = 4,32 X 106 kkal/m2 jam

Dari pembangkiLan panas LersebuL dapaL dihilung suhu ke­

longsong bahan bakar pada daya 100 kW dengan cara

1. Menghilung penurunan suhu pada bahan bakar yaiLu

2q' ". R

t.Tb = 4 Ab

di mana

R = jari-jari bahan bakar = 0,0178 m

A b = koefisen daya hanLar panas unLuk bahan bakar

= 15,48 kkal°~ ,C mJam

t.Tb_ 4,32 X 106 k kal/m3jam

- 4 x 15,48 k kalO~ •C mJam

2CO,0178 m) = 22,1 °c

2. MenghiLung penurunan suhu pada gap

Karena gapnya cukup sempiL maka dapaL diLulis

t.T = 2 A9

251

di mana

!J.r

-4= 0.635.10 m

R

= 0.0178 m

>~

= O.155kkal

Cjam

!J.T= 16.75 °c

9

3. Menghilung suhu kelongsong

Karena kelebalan kelongsong cukup lipis maka dianggap su­

hunya homogen alau lidak lerjadi penurunan suhu pada ke­

longsong. Suhu kelongsong dapat dihitung dari hasil peng-

ukuran suhu bahan bakar pada daya 100 kW.

133°C dan suhu kelongsongnya adalah

yaitu sebesar

Ts = T -!J.T -!J.T =b b 9

= 133 - 22.1 - 16.75 = 94.15 °c

4. Menghilung koefisien perpindahan panas.

Untuk menghilung besarnya koefisien perpindahan panas

lerlebih dahulu dihilung besarnya :

- bilangan Prandl. Reynold dan Grashof dengan perkiraan

suhu fluida didaerah teras berkisar 50°C.I

Prandl = PrC /-lp- --_ ..

- k

p v 0Reynold = Re =

Grashof = Gr =2

/-l

Unluk mempermudah perhilungan kila gunakan dalam saluan

Inggris pada suhu 100 of.

di mana

v = kec.aliran rala-rala = 0.164 fl/del

C

= panas Janis= 0.998 BTU/lb ofp -3 lb/-l. = angka kekenlalan = 0.458 x 10 Ib/fldt = 1.6 ~f Jamk

= daya hanlarpanas= 0.364 BTU/jam fl of

9

= percepalan grafilasi= 32 fl/dl2

{3

= koefisien konduklivilas lermal -4 °= 2 x 10 / F

252

p = kerapa~an pendingi= 62 Ib/l~3

t:.

= selisih suhu pendingin dengan kelongsong = 92 oflL= panjang bahan bakar= 1,2 f'~

Pr

= 4,52

0= diame~erhidrolis

un~uk reak~or Kar~ini dengan susunan bahan bakar

berben~uk kisi segi ~iga akan diperoleh diame~er

hidrolis

o _ luas penampang aliran- keliling ~erbasahi

= 1,07 em = 0,0351 f'~

Re _ 62 x 0,164 x 0,0351 = 760,025- -3

0,458 x 10

G .Pr r

-4 2 3_ 4,52x32x2xl0 x(62) xO,998x92xCl,2)- 1,6

= 110266581,6

I4/ G P = 102,47v' r r

Koef'isien perpindahan panas.

he = 0,555 ~ CG.P )O,2~r r= 0,555.0,364 Cl02 47)

= 589,77BTU

0,0351 'f~2. ofJam

2°c= 0,335 wa~~/Cm

Skema distribusi suhu di dalam bahan bakar sampai air pen­

dingin terlukis pada gambar (2).

t:.Tb

t:.Tg

t:.Tr

To Tb Ts Tr

Gambar 2 . Dis~ribusi suhu

253

5. Perhitungan lama waktu yang diperlukan untuk mencapai

besarnya suhu permukaan yang diijinkan. Suhu maksimum

yang diijinkan untuk permukaan air tangki reaktor Kartini

adalah 40 °e. Suhu tersebut akan dapat dieapai dengan

waktu yang paling singkat. bilamana reaktor dioperasikan

dengan sistem primair dimatikan Csteadystate) pada daya

100 kW. Untuk menghitung waktu yang diperlukan agar suhu

permukaan air tangki reaktor meneapai 40°C adalah dengan

per'samaan

t-t 4hIn

'0. cD e

= -t -t P Ca

b p

di

mana

t

=suhupendinginpada daerahterasa. t=suhupermukaanairtangkireaktor

t = suhu awal pendinginbh = koefisien perpindahan panas reaktor Kartinic

2 0 2 o~= 0.335 waU,/cm dt e = 0.0804 eal/em dt C

p = berat jenisair= 0.998

ejenisair 0

= panas = 0,307 cal/gr Cp D= diameterterasreaktor

e=waktu kenaikan suhu

Sehingga

t at a

- t- t b = exp ( -

4h

P e: De)

Dengan trial dan error akan diperoleh

t = 54.4°eae = 7.3 jam

III. HASI L DAN PENBAHASAN

Pengukuran suhu bahan bakar dilakukan untuk beberapa

t.ingkat daya dan data yang digunakan pada daya 100 kW dengan

menggunakan IFE (Instrumented Fuel Element). Pada daya 100

kW diperoleh suhu bahan bakar sebesar 133°C pada ring B. di

mana pada posisi tersebut besarnya fluks neutron adalah

254

paling linggi. Fluks neulron maksimum berarli

bangkilan panas yang paling besar.

Pembangkilan panas maksimum mengakibalkan keeepalan ke-,naikan suhu pada pendingin paling besar. demikian pula pada

lerjadi pem-

per mukaan air tangk i reaklor ..Dengan memper kirakan suhu pen-

dingin pada daerah leras yang diwakili

berkisar 50°C. akan diperoleh harga hc

oleh daerah ring B2 °

= 0.335 wall/em C.

Harga h lersebul merupakan besaran koefisien perpindahancpanas untuk reaklor Karlini pada daya 100 kW. Kemudian kare-

na parameter reaklor pada daya 100 kW. sehingga dapal kila

lenlukan lama waklu Ce) yang diperlukan agar suhu permukaan

air langki meneapai 40°C.

Hasil perhilungan harga e sebesar 7.3 jam merupakan

harga yang paling keeil. Dalam hal ini berarli bahwa bila

reaklor beroperasi dengan daya lebih rendah akan diperoleh

harga e yang lebih besar.

IV. KESI MPULAN

Dalam perhilungan unluk daya 100 kW yang lelah dilaku­

kan diperoleh harqa h = 0.335 wall/em2 °c dan harga e sebe-- csar 7.3 jam. Dalam hal ini harga e merupakan lama waklu ler-

keeil untuk kenaikan suhu permukaan air langki agar meneapai

40°C. karena daya reaklor maksimum hanya 100 kW. Kemudian

unluk daya < 100 kW harga e akan lebih besar dari 7.3 jam.

Hasil besaran e ini merupakan angka keselamalan unluk reak­

lor Karlini. Dengan perkat.aan lain bahwa pada kondisi pompa

primer lidak dapal dijalankan. reaklor masih bisa untuk di-

operasikan selama 7.3 jam. Hasil perhitungan ini merupakan

hasil penelitian awal yang dapal digunakan untuk mengembang­

kan penelitian selanjutnya.

ACUAN

1. Mohammad Ridwan dkk. "Pengantar Ilmu Pengetahuan Tekno­

10g1 Nuklir" Badan Tenaga Atom Nasional 1978

2. Ulaja. Bambang Selyadji, Hari Sudirdjo, "Analisa Termo-

255

hi dr 01 i k Reak t.or Kar t.i ni ". Pr osi di ng Per lemua.n dan Pr e­senlasi Ilmiah PPBMI - BATAN1985.

3. Frank Kreilh, "Principle of Heal Transfer", Harper & Row,Publicher. Ioc 1973.

4. C 0 Bennet.. & J E Myers ; "Momenlum, Heal And Mass Trans­

fer" Me Gra VI - Hi11 Chemical Engi neer i ng Ser i es;Singapore Reprint 1975.

5. William H Me Adams; "Heal Transmission", Me Graw - Hill

Book Company 1985.

TANYA .JAWAB

1. Utaja

a. Kenapa tidak dihi tune Lewat harea air reaktor dan

daya :P

b. Baeaimana anda menehitune Nu :P

.Jawaban

a. Cara perhitunean ini adaLah untuk meneetahui parameter

parameter perpindahan panas. misaLnya koejisien per­

pind~~an panas he

b. NusseLt dihitune dari jormuLasi yane dapat berLaku

untuk aLiran Laminer dan turbuLent dan denean mene­

aneeap semua parameternya bukan merupakan junesi suhu.

2. Bambane S

a. Baeaimana menentukan keeepatan aLiran rata- rata daLam

penen.tv.anbi Lanean Reynold?

b. Apa munekin dapat ditentukan denean eara eksperimen ?.Ja~~ban

a.. J1en.-entuka.nkecepa.tan aL iran rata-rata denean meneambi L

data peneukuran yane teLah diLakukan oLeh Ir Utaja dan

perhitunean oLeh Ir Syarip

b. Di ten.t1..L~andenean eksperimen bi La dianeeap aL iran

hanya daLam satu arah vert ikaL.