VERIFIKASI PERHITUNGAN TEMPERATUR ELEMEN …ansn.bapeten.go.id/files/20_budi_rohman.pdf ·...
Transcript of VERIFIKASI PERHITUNGAN TEMPERATUR ELEMEN …ansn.bapeten.go.id/files/20_budi_rohman.pdf ·...
Prosiding Seminar Keselamatan Nuklir, 5 – 6 Agustus 2009
VERIFIKASI PERHITUNGAN TEMPERATUR ELEMEN BAKAR REAKTOR KARTINI
Budi RohmanPusat Pengkajian Sistem dan Teknologi Pengawasan Instalasi dan Bahan Nuklir
Badan Pengawas Tenaga Nuklir (BAPETEN)
ABSTRAKVerifikasi Perhitungan Temperatur Elemen Bakar Reaktor Kartini. . Sehubungan dengan akan berakhirnya izin operasi reaktor Kartini pada tahun 2010, pihak pengoperasi saat ini mengajukan permohonan perpanjangan izin operasi reaktor. Sejalan dengan proses ini, Pusat Pengkajian Sistem dan Teknologi Pengawasan Instalasi dan Bahan Nuklir, Badan Pengawas Tenaga Nuklir, melakukan pengkajian independen terhadap keselamatan termohidrolika teras reaktor Kartini guna mendukung evaluasi terhadap Laporan Analisis Keselamatan (LAK) yang diajukan. Tulisan ini menyajikan prediksi temperatur elemen bakar reaktor Kartini. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan program PARET/ANL yang merupakan program komputer termohidrolik yang secara luas digunakan untuk perhitungan teras reaktor. Dalam analisis ini teras reaktor dibagi menjadi dua daerah, yakni kanal panas dan kanal ratarata. Kanal panas mewakili satu kanal pendingin di mana elemen bakar terpanas berada di dalamnya, sedangkan kanal ratarata mewakili seluruh kanal lainnya. Pada daya reaktor 115 kW, yang merupakan batas keselamatan, dan suhu pendingin masuk teras 49 oC, kajian ini memberikan hasil perhitungan temperatur bahan bakar di titik terpanas sebesar 157.2 oC. Nilai yang tercantum di LAK untuk parameter ini adalah 184 oC, atau terdapat perbedaan sebesar 15.7 % antara hasil kajian dengan nilai di LAK.
Kata kunci: Reaktor Kartini, temperatur elemen bakar, PARET/ANLABSTRACTVerification to the Calculation of Fuel Temperature of Kartini Reactor. The Operating License of Reactor Kartini will be expired in 2010. In anticipation of this matter, the Operating Organization is now submitting the application for Operating License renewal. In conjunction with this activity, the Center for Regulatory Assessment of Nuclear Installations and Nuclear Materials, Nuclear Energy Regulatory Agency, is performing independent safety assessment in thermalhydraulic aspects to support the regulatory evaluation to the Safety Analysis Report (SAR) of the reactor. This paper presents prediction calculation on the temperature of fuel element of the reactor. The calculation is performed using PARET/ANL, a thermalhydraulic code widely applied in the reactor core calculation. For the purpose of this analysis, the reactor core is subdivided into two different regions, i.e. hot channel and average channel. Hot channel represents one cooling channel with the hottest fuel element inside, while average channel represents the remaining channels. For reactor power 115 kW, i.e. the safety limit for the power, and inlet coolant temperature 49 oC, calculation shows that the maximum fuel temperature being 157.2 oC, while the value listed in the SAR reaches 184 oC. In this case, there is a difference of 15.7 % between calculation result and the value listed in the LAK for this parameter.
Keywords: Kartini Reactor, fuel temperature, PARET/ANL
221
Prosiding Seminar Keselamatan Nuklir, 5 – 6 Agustus 2009
BAB I
PENDAHULUAN
1. LATAR BELAKANG
Reaktor Kartini merupakan
reaktor penelitian yang berlokasi di
Yogyakarta yang dioperasikan oleh Pusat
Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
(PTAPB), Badan Tenaga Nuklir Nasional
(BATAN). Saat ini PTAPB sedang
mengajukan izin perpanjangan operasi
reaktor ke BAPETEN karena izin operasi
reaktor tersebut akan habis masa
berlakunya pada tahun 2010. Dalam
pengajuan izin operasi reaktor, dokumen
Laporan Analisis Keselamatan (LAK)
merupakan salah satu dokumen yang
harus dilampirkan. Sejalan dengan proses
tersebut, Pusat Pengkajian Sistem dan
Teknologi Pengawasan Instalasi dan
Bahan Nuklir (P2STPIBN) BAPETEN
melakukan pengkajian mandiri terhadap
keselamatan reaktor Kartini terkait
dengan tugas pengawasan. Hasil kajian
ini digunakan untuk memberikan
dukungan teknis kepada Direktorat
Perizinan dalam proses evaluasi dokumen
LAK.
Salah satu aspek yang dilakukan
dalam pengkajian keselamatan ini adalah
kajian termohidrolik teras reaktor Kartini,
di mana temperatur elemen bakar
merupakan parameter yang sangat
penting untuk dihitung karena terkait
secara lanagsung dengan keselamatan
operasi reaktor. Metode yang diterapkan
dalam kajian ini adalah dengan
komputasi menggunakan paket program
PARET/ANL.
2. TUJUAN KAJIAN
Tujuan kajian ini adalah untuk
melakukan verifikasi pada perhitungan
temperatur elemen bakar reaktor Kartini
guna mendukung evaluasi perhitungan
termohidrolik teras reaktor yang terdapat
di dalam LAK Reaktor Kartini yang saat
ini tengah diajukan ke BAPETEN dalam
rangka memperoleh perpanjangan izin
operasi reaktor.
3. METODE PERHITUNGAN
Perhitungan temperatur elemen
bakar reaktor Kartini dilakukan dengan
menggunakan paket program
PARET/ANL. Perhitungan ini dilakukan
pada dua tingkat daya yang berlainan,
yakni 100 kW dan 115 kW.
222
Prosiding Seminar Keselamatan Nuklir, 5 – 6 Agustus 2009
4. DESKRIPSI TERAS REAKTOR
KARTINI
Reaktor Kartini merupakan
reaktor jenis TRIGA Mark II tipe kolam
terbuka dengan desain daya 250 kW[1].
Berdasarkan izin dari BAPETEN, reaktor
Kartini dioperasikan dengan daya
nominal 100 kW. Kisi reaktor Kartini
berbentuk anular yang terdiri atas 91
lubang masingmasing dengan diameter
3.823 cm seperti dapat dilihat di Gb. 1
yang diisi dengan elemen bakar, batang
kendali, tabung iradiasi, serta elemen
grafit. Teras reaktor memiliki ketinggian
58 cm dan dilingkupi oleh reflektor grafit
berbentuk silinder dengan diameter
dalam 45.7 cm. Teras dan reflektor
ditopang oleh struktur penyangga yang
dipasang di dasar tangki. Teras dan
reflektor ini terendam dalam air setinggi
4.9 m. Dimensi kisi teras reaktor Kartini
dapat diperoleh dari desain reaktor
TRIGA Mark II seperti tercantum di
Tabel 1.
Tabel 1. Dimensi kisi reaktor TRIGA Mark II[2].Ring Radius [cm]
A 0.000B 4.054C 7.981D 11.946E 15.916
Dalam konfigurasi saat ini, teras
reaktor Kartini memuat 67 elemen bakar
tipe 104 dan 2 elemen bakar tipe 204
(Instrumented Fuel Element/IFE) serta 3
batang kendali yang terbuat dari serbuk
B4C di dalam kelongsong aluminium
yang menempati posisi C5, C9, dan E1.
Komposisi elemen bakar kedua tipe ini
sama, yakni daging bahan bakar adalah
UZrH1.65 dengan kandungan uranium 8.5
% berat dengan pengkayaan 20 %.
Elemen bakar ini berada di dalam
kelongsong berbentuk tabung yang
terbuat dari SS304. Di antara daging
bahan bakar dengan kelongsong terdapat
celah (gap) yang diisi dengan He.
Dimensi utama elemen bakar tipe104
dapat dilihat di Tabel 2.
Tabel 2. Dimensi elemen bakar tipe 104 [1, 2, 3]
Panjang total [cm] 72.24
Dia. daging bahan bakar [cm] 36.3
223
Prosiding Seminar Keselamatan Nuklir, 5 – 6 Agustus 2009
Panjang aktif [cm] 38.1
Reflektor grafit, panjang bawah [cm] 9.39
atas [cm] 6.6
Kelongsong, dia. luar [cm] 3.75
tebal [cm] 0.51
Posisi di tengahtengah teras adalah
central thimble. Posisi di ring terluar
selain yang berisi elemen bakar berisi
tabung pneumatik, sumber neutron, atau
elemen bakar tiruan dummy.
Teras reaktor didinginkan oleh air
yang ada di dalam tangki reaktor dengan
mode sirkulasi alam. Air tangki ini
selanjutnya disirkulasikan melalui sistem
pendingin primer, di mana panasnya
ditransfer ke sistem pendingin sekunder
melalui alat penukar panas.
5. DESKRIPSI PROGRAM
PARET/ANL
PARET/ANL merupakan
program komputer yang menggabungkan
kemampuan perhitungan termal,
hidrodinamik, dan kinetika titik[4]. Teras
dapat dimodelkan dalam satu sampai
dengan empat daerah yang berlainan.
Tiaptiap daerah dapat memiliki
parameter pembangkitan daya, laju alir
massa pendingin, dan hidrolika yang
berlainan. Daerah tersebut diwakili
dengan dengan satu elemen bakar
berbentuk silinder atau plat dengan kanal
pendingin yang berhubungan dengannya.
Elemen bakar dapat dibagi hingga 21
bagian aksial dengan perpindahan panas
pada masingmasing bagian dihitung
secara konduksi satu dimensi. Persamaan
hidrodinamik juga diselesaikan secara
satu dimensi pada masingmasing kanal
pendingin tiap node waktu. Perpindahan
panas dapat terjadi secara konveksi alam
atau paksa, pendidihan inti, transisi, atau
pendidihan film stabil. Air pendingin
dapat mencakup fasa cair subdingin,
rezim dua fasa, dan fasa uap lewatpanas.
Program ini juga memiliki kemampuan
untuk perhitungan pembalikan arah aliran
air pendingin. Selain itu, program ini juga
dapat menghitung void yang timbul
dalam pendidihan subdingin.
6. PEMODELAN REAKTOR
KARTINI DALAM PARET
Susunan teras reaktor Kartini
yang dimodelkan adalah konfigurasi
seperti yang diuraikan di LAK Reaktor
Kartini Bab V: Reaktor[1] seperti dapat
224
Prosiding Seminar Keselamatan Nuklir, 5 – 6 Agustus 2009
dilihat di Gb. 1. Dalam konfigurasi ini
terdapat 69 elemen bakar dan 3 posisi
batang kendali. Distribusi neutron
diambil dari perhitungan neutronik
menggunakan program MCNP5. Untuk
menyederhanakan pemodelan kanal
pendingin, posisi selain yang berisi
elemen bakar atau batang kendali
dianggap berisi batang grafit dummy
dengan diameter sama dengan elemen
bakar.
Teras reaktor Kartini diwakili
oleh dua buah kanal pendingin dengan
pembangkitan daya yang berlainan, yakni
kanal panas dan kanal ratarata. Kanal
panas mewakili 1 kanal dengan elemen
bakar terpanas, sedangkan kanal ratarata
mewakili kanalkanal yang berisi bahan
bakar selebihnya yang berjumlah 68.
6.1. Pemodelan Kanal Pendingin
Seperti sudah disebut di atas,
susunan elemen bakar dan elemen lain
dalam teras reaktor Kartini berbentuk
anular. Dengan bentuk yang demikian
maka luasan aliran pendingin menjadi
berlainan dari satu ring ke ring yang lain.
Pada pemodelan dalam PARET, susunan
elemen bakar ini didekati dengan kisi
(lattice) triangular, yakni tiaptiap kanal
terdiri dari sekelompok tiga batang
elemen bakar dengan aliran pendingin di
antaranya.
Teras reaktor Kartini memiliki
bentuk simetri dalam 1/6 bagian seperti
dapat dilihat di Gb. 1. Susunan kanal
dengan kisi triangular untuk 1/6 bagian
teras tersebut dapat dilihat di Gb. 2. Jarak
antar elemen bakar (pitch) dihitung
dengan merataratakan jarak antara dua
pusat elemen bakar pada ruasruas garis
seperti digambarkan di Gb. 2. Dengan
alasan simetri ini, pitch yang dihitung
untuk 1/6 bagian teras dapat dianggap
mewakili seluruh teras. Dengan berdasar
pada geometri teras reaktor sebagaimana
telah diuraikan di atas, diperoleh dimensi
untuk kisi triangular reaktor Kartini (lihat
Gb. 3) sebagai berikut:
Pitch (P) = 4.387 cm
Luas aliran kanal = 2.813 cm2
Jarak pusat elemen bakarpusat aliran pendingin (RN)= 2.533 cm
6.2. Pemodelan Elemen Bakar
6.2.1. Arah aksial
Elemen bakar reaktor dibagi
menjadi 21 daerah aksial dan 21 titik
node. Fluks neutron di masingmasing
225
Prosiding Seminar Keselamatan Nuklir, 5 – 6 Agustus 2009
titik node merupakan fluks neutron relatif
yang didefinisikan sebagai perbandingan
antara fluks neutron setempat dengan
fluks neutron ratarata teras. Distribusi
fluks neutron ini diwakili oleh distribusi
pembangkitan daya dalam setiap sel
elemen bakar. Pembagian elemen bakar
dan kanal pendingin pada arah aksial
dapat dilihat di Gb. 4.
6.2.2. Arah radial
Susunan elemen bakar reaktor
dari dalam ke luar meliputi daging bahan
bakar (fuel meat), celah yang berisi He,
dan kelongsong yang dibuat dari SS304.
Elemen bakar ini dimodelkan dalam 3
zona atau bagian sesuai dengan material
penyusunnya sebagaimana digambarkan
di Gb. 5. Pembagian node radial untuk
masingmasing bagian adalah sebagai
berikut:
Daging (meat) bahan bakar : 5
Celah (gap) : 2
Kelongsong : 2
Sifatsifat termal elemen bakar yang digunakan dalam perhitungan ini dapat dilihat
di Tabel 3.
Tabel 3. Sifat termal elemen bakar.
Material Konduktivitas panas Panas spesifik volumetrik
[W/(m.oC)] [J/(m3.oC)]
Daging bahan bakar (8.5 % weight UZrH1.6)[5]
18 2.04×106+4.17×103T
Celah (He)[6] 0.199 666.34
Kelongsong SS304[7] 10.59+1.495×102T 3.438×106+1442T
6.3. Distribusi Fluks Neutron
Distribusi fluks neutron yang
digunakan dalam analisis ini didasarkan
pada konfigurasi teras sebagaimana
dijelaskan di atas dan dihitung dengan
program MCNP5. Dalam pemodelan di
MCNP, komposisi elemen bakar yang
digunakan adalah komposisi elemen
bakar segar tanpa memperhitungkan
fraksi bakar. Dalam pemodelan ini ketiga
batang kendali dianggap ditarik ke atas
seluruhnya sehingga posisinya di teras
digantikan oleh air, dan posisi tabung
pneumatik dianggap sebagai ruang
226
Prosiding Seminar Keselamatan Nuklir, 5 – 6 Agustus 2009
hampa. Input untuk program MCNP
dibangkitkan dengan menggunakan
program bantu TrigaMCNP[8].
Dalam perhitungan ini elemen
bakar aktif dibagi menjadi 15 daerah
aksial. Dalam input untuk perhitungan di
program PARET elemen bakar dibagi
menjadi 21 daerah aksial sebagaimana
dijelaskan di atas di mana nilai fluks
neutron untuk masingmasing titik
dihitung dengan membangkitkan
persamaan polinomial berdasarkan
distribusi fluks neutron sebagaimana
dihitung oleh MCNP. Dari perhitungan
dengan MCNP diperoleh faktor puncak
daya (Power Peaking Factor/PPF)
sebesar 1.88 untuk kanal panas dan 1.25
untuk kanal ratarata. Distribusi fluks
neutron yang berasal dari perhitungan
dengan MCNP dan pendekatan yang
digunakan sebagai input untuk program
PARET/ANL baik untuk kanal panas
maupun ratarata dapat dilihat di Gb. 6.
6.4. Pemodelan dan Asumsi Lain
Perhitungan termohidrolik teras
reaktor Kartini menggunakan program
PARET dilakukan dengan kode operasi
reactivity specified. Input untuk daya
reaktor berturutturut adalah 100 dan 115
kW, sedang dan temperatur pendingin
masuk teras berturutturut adalah 29 dan
49 oC sebagaimana dapat dilihat di Tabel
4. Nilai paramterparamer ini diambil se
cara demikian dengan maksud agar hasil
perhitungan dapat dibandinginkan
dengan nilai yang tertera di dalam Bab
XVI: Analisis Keselamatan[1]. Waktu
total perhitungan adalah 100 detik yang
merupakan rentang waktu maksimum
dalam perhitungan dengan program
PARET. Parameter hasil perhitungan di
anggap representatif kalau nilainya sudah
stabil.
Tabel 4. Variasi parameter input.
Parameter Nilai KeteranganDaya reaktor [kW] 100 Daya nominal
115 Batas keselamatanSuhu pendingin masuk teras [oC] 29 Temperatur minimum air tangki yang digunakan
pada analisis keselamatan dalam LAK
49 Temperatur maksimum air tangki yang digunakan pada analisis keselamatan dalam LAK
227
Prosiding Seminar Keselamatan Nuklir, 5 – 6 Agustus 2009
BAB II
HASIL PERHITUNGAN DAN
PEMBAHASAN
Hasil perhitungan memperli
hatkan bahwa untuk daya reaktor 100
kW, untuk suhu pendingin masuk teras
29 oC diperoleh suhu bahan bakar di titik
paling panas sebesar 144.6 oC, sedang
nilai yang tercantum di LAK adalah 143 oC atau terdapat perbedaan sebesar 1 %
antara hasil perhitungan dengan nilai
yang terdapat di LAK. Untuk suhu
pendingin masuk teras 49 oC, suhu bahan
bakar di titik paling panas menurut kajian
ini adalah 148.2 oC, sedang nilai yang ada
di LAK adalah 164 oC tau terdapat per
bedaan sebesar 10.1 %.
Pada daya reaktor 115 kW, untuk
suhu pendingin masuk teras 29 oC perhi
tungan kajian ini memperoleh suhu bahan
bakar di titik terpanas sebesar 154.9 oC.
LAK tidak mencantumkan nilai pada
kondisi ini. Untuk suhu pendingin masuk
teras 49 oC, perhitungan kajian ini
menghasilkan suhu bahan bakar di titik
terpanas sebesar 157.2 oC, sedangkan
nilai yang terdapat di LAK adalah 184 oC
atau terdapat perbedaan sebesart 15.7 %
antara hasil kajian dengan nilai di LAK.
Hasil selengkapnya dari kajian ini serta
nilai yang ada di LAK baik untuk bahan
bakar maupun kelongsong dapat dilihat
di Tabel 5.
Tabel 5. Temperatur elemen bakar Reaktor Kartini.P Tin Tbhn bakar [oC] Perbedaan Tkelongsong [oC] Perbedaan
[kW] [oC] (1) (2) [%] (1) (2) [%]100 29 144.6 143 1.1 103.9 98.4 5.5
49 148.2 164 10.1 106.9 115 29 154.9 109.1
49 157.2 184 15.7 110.8126.
0 12.8Keterangan:(1): Nilai dari kajian ini.(2): Nilai dalam LAK Rev. 7[1].
Perbedaan nilai ini bisa berasal dari hal
hal berikut:
• Perbedaan dalam nilai sifat fisis ba
han bakar yang digunakan. Kajian ini
memasukkan sifat fisis bahan bakar
yang meliputi konduktivitas panas
dan panas spesifik volumetrik dari ba
han bahan bakar, gap, dan kelong
song. Sifat fisis yang tercantum di
LAK yang terkait dengan hal ini ada
228
Prosiding Seminar Keselamatan Nuklir, 5 – 6 Agustus 2009
lah konduktivitas panas dan panas
spesifik volumetrik bahan bakar,
sedangkan parameter lain tidak dican
tumkan sehingga tidak bisa diketahui
dengan pasti.
• Perbedaan dalam asumsi dan korelasi
perpindahan panas antara permukaan
kelongsong dengan air pendingin
Secara umum, sampai dengan
daya 115 kW yang merupakan batas ke
selamatan, kondisi bahan bakar yang ter
cermin dari hasil perhitungan temper
aturnya baik yang ada di LAK maupun
dari hasil kajian menunjukkan kondisi se
lamat karena masih berada jauh di bawah
nilai batas yang ditentukan di BKO yakni
sebesar 700 oC.
BAB III
KESIMPULAN
• Kajian ini memberikan hasil perhitun
gan temperatur bahan bakar di titik
terpanas untuk suhu pendingin masuk
teras 49 oC adalah sebesar 157.2 oC.
Nilai yang tercantum di LAK untuk
parameter ini adalah 184 oC, atau ter
dapat perbedaan sebesar 15.7 % ant
ara hasil kajian dengan nilai di LAK.
• Nilai temperatur bahan bakar baik
dari hasil perhitungan maupun yang
tercantum di LAK untuk daya di
batas keselamatan (115 kW) masih
jauh berada di bawah nilai batas yang
ditentukan di BKO untuk temperatur
bahan bakar yakni sebesar 700 oC.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Badan Tenaga Nuklir Nasional,
Laporan Analisis Keselamatan
Reaktor Kartini Rev. 7. Pusat
Teknologi Akselerator dan Proses
Bahan (PTAPB)BATAN,
Yogyakarta, 2008.
[2] Ravnik, M., Description of TRIGA
Reactor
(www.rcp.ijs.si/ric/description
a.html).
[3] Villa, M., et. al., The New Area
Monitoring System and The Fuel
Database of The TRIGA Mark II
Reactor in Vienna.
[4] Woodruff, W.L., A User Guide for
the Current ANL Version of the
PARET Code. Argonne National
Laboratory, Argonne, Illinois,
December 1982.
[5] Simnad, M.T., The UZrHx Alloy: Its
Properties and Use in TRIGA Fuel.
General Atomic, February 1980.
[6] Candalino, Robert W., Engineering
Analysis of Low Enriched Uranium
Fuel Using Improved Zirconium
229
Prosiding Seminar Keselamatan Nuklir, 5 – 6 Agustus 2009
Hydride Cross Sections. Texas A&M
University, August 2006.
[7] Incropera, Frank P., et. al.,
Introduction to Heat Transfer. John
Wiley & Sons, New York, 1996.
[8] Yazid, Putranto Ilham, TrigaMCNP
Ver. 9.0 (computer program). Center
for Nuclear Technology of Materials
and Radiometry, National Nuclear
Energy Agency (BATAN), Bandung,
January 2006.
230
LAMPIRAN
Gb. 1. Konfigurasi teras reaktor Kartini[1, 8]. Gb. 2. Kisi triangular elemen bakar dalam 1/6 bagian teras.
Gb. 3. Kanal pendingin dengan kisi triangular.
Gb. 4. Pemodelan elemen bakar arah aksial.
Gb. 5. Pemodelan elemen bakar arah radial.
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Hot Ch (MCNP) Ave Ch (MCNP) Hot Ch (PARET) Ave Ch (PARET)
Relative Neutron Flux
Hei
ght f
rom
Low
er e
nd o
f Act
ive
Fue
l [cm
]
Gb. 6. Distribusi fluks neutron.