SIMULASI DISTRIBUSI SUHU KOLAM IRADIATOR GAMMA 2 MCi MENGGUNAKAN FLUENT

Transkripsi

1 SIMULASI DISTRIBUSI SUHU KOLAM IRADIATOR GAMMA 2 MCi MENGGUNAKAN FLUENT Sanda, Kasmudin Pusat Rekayasa Fasilitas Nuklir, BATAN, Tangerang Selatan, Indonesia. sanda@batan.go.id, kasmudin@batan.go.id ABSTRAK SIMULASI DISTRIBUSI SUHU KOLAM IRRADIATOR GAMMA 2 MCi MENGGUNAKAN FLUENT. Distribusi suhu di dalam kolam irradiator merupakan salah satu parameter penting dalam keselamatan instalasi irradiator gamma, karena berhubungan dengan kemampuan pendinginan selama sumber radiasi Cobalt 60 berada di dalam kolam. Sumber radiasi Cobalt 60 yang berada di dasar kolam mempunyai energi sebesar ,6 watt dengan jumlah sumber sebanyak 20 pensil dan volume air kolam sebesar liter, sedangkan fluks yang dipancarkan oleh 20 pensil tersebut mencapai ,1W/m 2. Pada makalah ini akan dibahas penggunaan Fluent untuk mengetahui distribusi suhu yang terjadi di dalam kolam irradiator. Perhitungan dilakukan untuk mengetahui suhu pada kolam. Hasil perhitungan adalah diperolehnya selisih suhu, yaitu pada posisi sumber Cobalt 60 sebesar 31,9 o C dan di atas permukaan kolam sebesar 31 o C. Hal ini menunjukkan distribusi suhu dari sumber Cobalt 60 ke lingkungan sekitar terjadi sangat kecil sekali, akibat jumlah pendingin air kolam yang sangat banyak. Kata kunci : Distribusi suhu, Irradiator gamma, Fluent, Cobalt 60, kolam irradiator. ABSTRACT A TEMPERATURE DISTRIBUTION SIMULATION OF 2 MCI IRRADIATOR GAMMA POOL USING FLUENT. Temperature distribution within the Irradiator s pool is one of the important parameters in the gamma Irradiator plant safety, because it relates to the ability of cooling for Cobalt 60 radiation sources in the pool. Cobalt 60 radiation source located at the bottom of the pool will have energy of ,6 watts with the number resources 20 pencils and a volume of 58,000 liters of pool water, while the flux emitted by the pencil reaches ,1 W / m 2. This paper will discuss the use of Fluent to determine the distribution of temperature in the pool Irradiator. The calculation is done to determine the temperature of the pool. The calculation result shows temperature difference 31,9 o C in the position of Cobalt source and 31 o C above the surface of the pool. It shows the distribution of temperature from the source of Cobalt 60 to the environment surrounding the case is very small, due to the amount of cooling water pool is very much. Keywords : Temperatur distribution, Gamma irradiator, The Fluent, Cobalt 60, Irradiator pool. 28

2 PENDAHULUAN Energi panas yang ke luar dari Cobalt dengan intensitas 2 MCi harus bisa didinginkan oleh air di dalam kolam. Bila pendinginan yang dilakukan oleh air tidak tercapai, maka akan menyebabkan berkurangnya air kolam. Akibat gagalnya penyerapan panas oleh air kolam yang terjadi secara terus menerus, bisa juga dari fungsi waktu. Energi panas yang ke luar dari Cobalt 60, temperaturnya semakin lama semakin tinggi atau temperaturnya naik setiap hari. Kemampuan pendingin dalam memindahkan suhu panas yang terjadi di dalam dasar kolam irradiator gamma harus menjadi pertimbangan utama dalam desain. Air kolam merupakan parameter yang digunakan untuk menahan terjadinya distribusi suhu agar naiknya suhu ke atas permukaan kolam dapat terdeteksi. Bila distribusi suhu yang terjadi tanpa kontrol, maka akan sangat berbahaya bagi instalasi irradiator gamma dan lingkungan sekitarnya, karena bila air mendidih menyebabkan debit air kolam berkurang, sehingga bisa terjadi paparan radiasi, oleh karena itu peristiwa yang terjadi pada kolam irradiator harus dihitung agar asfek keselematan bisa terjamin. Dis tribusi suhu air pendingin tidak berbahaya, bila terjadi dibawah 2 o C dengan asumsi akumulasi suhu dalam sebulan baru mencapai di bawah 60 o C. Kolam irradiator gamma dengan geometri kedalaman 6 meter, lebar 2,8 meter dan panjang 3,6 meter di isi dengan air bebas mineral sekitar dm 3 dan di dasar kolam diletakan sumber radiasi Cobalt 60 dengan intensitas radiasi sebesar 2 MCi. Banyaknya pensil yang digunakan untuk iradiasi 20 buah, sehingga intensitas radiasi sebuah pensil mencapai 50 kci 1,2). Untuk menghitung distribusi panas pada kolam irradiator gamma dapat digunakan paket program Fluent yang merupakan salah satu analytical tool yang dapat memprediksi parameter distribusi panas di dalam kolam irradiator gamma dengan akurasi yang mampu membuat model dua dimensi atau tiga dimensi dari kolam irradiator gamma dan sumber radiasi Cobalt 60. Penelitian dalam makalah ini menyajikan data sumber radiasi Cobalt 60 dan kolam pendingin sumber radiasi dalam paket program Fluent untuk menghitung distribusi panas yang terjadi di dalam kolam air. Hasil yang diharapkan adalah panas yang terdistribusi di dalam kolam terjadi secara merata dengan temperature yang relatif kecil, sehingga instalasi irradiator gamma dapat dianggap aman dari panas/suhu sumber radiasi. METODOLOGI Irradiator gamma aktivitas 2 MCi menggunakan jenis kolam dengan sumber radioaktif Co-60 yang memancarkan foton gamma dengan energi 1,173 MeV (100%) dan 1,332 MeV (100%) 4,5). Sumber Co-60 berbentuk batang pensil 6) (d = 1,11 cm, h = 45,1 cm) disusun menjadi modul dan modul-modul disusun menjadi rak sumber yang disimpan dalam kolam air. 1 modul = 10 batang, 1 rak = 4 modul. Kolam air yang berisi air bebas mineral sebanyak dm 3, berfungsi sebagai perisai radiasi dan pendingin dari gamma heating. Akibat adanya gamma heating, maka temperatur air kolam akan naik. Dengan Fluent, akan dianalisis seberapa besar kenaikan temperatur air kolam dan distribusinya akibat adanya gamma heating tersebut. Sebagai gambaran kolam irradiator ditunjukkan pada Gambar 1. 6) Gambar 1. Kolam irradiator gamma 29

3 Pada Gambar 1 ditunjukkan kolam yang berwarna kuning dan rak sumber radiasi yang berada didasar kolam berwarna hitam. Untuk rak sumber, modul dan pensil ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2. Rak sumber, modul dan pensil sumber radiasi gamma Sedangkan untuk dimensi kolam irradiator ditunjukkan pada Gambar 3 3). Data masukan (input) sebagai berikut : 1. Kolam air sebagai coolant dengan deskripsi : panjang 360 cm, diambil 120 cm bagian tengah, karena adanya sifat simetri pada dinding kiri dan kanan lebar 280 cm, dibuat penuh dengan batas dinding depan dan belakang terbuat dari Stainless steel setebal 1 cm kedalaman 600 cm, juga dibuat penuh, dengan batas bagian atas udara dan bagian bawah dinding terbuat dari Stainless steel setebal 1 cm. 2. Sumber Cobalt 60 pemancar sinar gamma dengan deskripsi : dibuat sesuai dengan ukuran aslinya, yaitu diameter 1,11 cm dengan panjang 45,1 cm. Dalam analisis ini aktivitas sumber Cobalt 60 dibuat 1,5 kali dari kapasitas maksimum 2 MCi, maka menjadi 3 MCi yang dimodelkan sepertiganya, maka menjadi 1 MCi, terdiri dari 20 pensil (1 pensil = 50 kci) berdiri sejajar di dasar kolam searah panjang kolam dan di tengahtengah lebarnya. PEMODELAN CFD Gambar 3. Dimensi kolam irradiator gamma. Adapun dimensi rak sumber, modul dan pensil ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 4. Dimensi rak sumber, modul dan pensil Langkah yang dilakukan dalam simulasi ini adalah pemodelan CFD 7,8,9) dengan menggunakan CAD (Computer Aided Design). Adapun definisi kolam dan cobalt ditentukan sebagai berikut : - Air kolam sebagai coolant - Sumber cobalt 60 berbentuk pensil sebanyak 20 buah berupa subtract coolant dengan 20 buah sumber pensil dan permukaannya sebagai wall - Batas kiri dan kanan sebagai simetri - Batas depan dan belakang sebagai wall (dibatasi stainless steel) - Batas bawah sebagai wall (dibatasi stainless steel) 30

4 - Batas atas sebagai wall (dibatasi udara). Selanjutnya dibuat langkah-langkah untuk pemodelan dan analisis distribusi panas pada kolam irradiator sebagai berikut : 1. Proprcessing Merupakan langkah dalam membangun dan menganalisa sebuah model CFD. Tekniknya adalah membuat model dan operation mesh yang sesuai dengan menggunakan paket progam Gambit. Pembuatan model dan mesh ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6. Gambar 6. Model kolam dan sumber Cobalt 60 yang di-meshing dengan elemen Tet/Hybrid dengan jumlah mesh volume sebanyak buah. Setelah model di-meshing, langkah selanjutnya dilakukan adalah File. msh yang di-export Gambit untuk dibaca oleh Fluent. 2. Solving Solvers (program inti pencari solusi) CFD untuk menghitung kondisikondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. kemudian dilakukan langkah sesuai unitnya, penentuan model penyelesaiannya (persamaannya), kemudian penentuan jenis material yang sesuai, penentuan kondisi operasi dan penentuan kondisi batas. Setelah itu diinisialisasi dan terakhir diiterasi. Gambar 5. Model kolam dan sumber Cobalt 60 yang dibuat oleh Gambit 3. Postprocessing Postprocessing adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal ini dilakukan pada langkah mengorganisasi dan interpretasi data hasil simulasi CFD dengan hasil yang berupa gambar, kurva dan animasi. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil simulasi dengan program Fluent untuk mendapatkan distribusi pada yang terjadi di dalam kolam. Energi gamma yang dipancarkan oleh pensil dihitung 5) sebagai berikut : P = 50x1000x3, dpsx(1,173 MeV+1,332 MeV) P = 463, MeV/s P = 463, x10 6 x1,6.-19 J/s P = 741,48 W Untuk energi 20 pensil sebesar ,6 Watt Fluks yang dipancarkan dua puluh pensil adalah 31

5 I = P/A I = (14829,6 W)/[3,14x1, x(0,555+45,1)x10-2 ] I = ,1 W/m 2 Simulasi dengan program Fluent ini diawali dengan langkah iterasi dengan indikasi terdapat pernyataan konvergensi dan grafik untuk menunjukkan bahwa program Fluent residual errornya rendah. Hasil running ditunjukkan pada Gambar 7 dan 8. 7,10) Gambar 8. Grafik konvergensi Gambar 7. Hasil running Fluent yang menunjukkan konvergensi. Dari Gambar 8 diperoleh Grafik iterasi numerik yang menunjukkan bahwa programfluent dapat bekerja secara benar dengan indikasi residual errornya semakin kecil. Hasil perhitungan distribusi panas pada dasar kolam irradiator terjadi pada dasar kolam sebesar 31,9 o C dan panas yang terjadi di atas kolam sebesar 31 o C, sebagai mana ditunjukkan pada Gambar 9. Pada Gambar 7 diperoleh konvergensi pada iterasi ke 5, sedangkan untuk grafik konvergensinya ditunjukkan pada Gambar 8. Gambar 9. Tampak Cobalt 60 pada dasar kolam irradiator Hasil perhitungan velocity vectors sebagai laju perubahan suhu panas terhadap posisi Cobalt 60 di dalam kolam irradiator, pada bagian dasar kolam 32

6 sebesar 32 o C dan pada bagian atas kolam sebesar 31 o C, ditunjukkan pada Gambar 10. Gambar 10. Velocity vectors by static Temperature. Dari vector velocity, dijelaskan bahwa air pada daerah sumber menyerap energy foton gamma paling tinggi, sehingga kerapatannya mengecil dan akibatnya air dari daerah sumber akan naik, karena massa jenisnya lebih kecil dari air bagian atasnya, tetapi karena perbedaan suhu air pada daerah sumber dan air pada daerah atasnya relatif kecil, yaitu kurang dari 1 o C, maka vector velocity terlihat sangat kecil. Untuk hasil perhitungan velocity vectors by velcoity magnitude sebagai laju kecepatan panas yang terjadi di dalam kolam. Pada dasar kolam terjadi kecepatan sebesar 5,75x10-12 m/detik dan di atas permukaan kolam terjadi kecepatan sebesar 1,13x10-16 m/detik, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 11. Gambar 11. Velocity vectors by velocity magnitude. Hasil simulasi distribusi panas pada kolam irradiator gamma telah berhasil dilakukan dengan menggunakan program Fluent. Simulasi dilakukan untuk mendapatkan distribusi panas yang terjadi di dalam kolam ditunjukkan pada Gambar 12. Hasil menunjukkan terdapat perbedaan panas pada kedalaman kolam 1,5 meter dari atas permukaan kolam sebesar 35 o C dan distribusi panas diatas permukaan kolam 4 meter sebesar 34 o C. dari distribusi panas tersebut ternyata terdapat perbedaan suhu yang relatif kecil, yaitu sebesar 1 o C. Nilai perbedaan suhu yang kecil tersebut sangat memungkinkan karena jumlah air yang tersedia di dalam kolam sanga banyak, yaitu sebesar dm 3. 33

7 Gambar 12. Grafik distribusi suhu dari dasar kolam sampai ke atas kolam. KESIMPULAN Telah diperoleh model kolam irradiator gamma yang disimulasikan dengan paket program komputer Fluen. Hasil simulasi distribusi suhu pada kolam irradiator gamma, menunjukkan terjadinya perpindahan suhu di dalam kolam irradiator dengan beda suhu sebesar 1 o C dari suhu distribusi di pusat sumber Cobalt sebesar 32 o C dan di atas permukaan kolam sebesar 31 o C, hal tersebut berarti suhu di dalam kolam mengalami kenaikkan sebesar 1 o C, walau nilai tersebut terjadi dengan fluks energi Cobalt 60 mencapai W/m 2, namun debit air kolam sebesar dm 3 masih mampu mendinginkan sumber Cobalt 60, sehingga simulasi ini bisa dijadikan sebagai salah acuan untuk keselamatan operator dan kemungkinan berkurangnya air kolam dari suhu sumber radiasi sangat kecil. DAFTAR PUSTAKA 1. Program manual, Desain rinci irradiator kapasitas 200 kci, PRFN BATAN, Tangerang, Kristiyanti, Edy Karyanta, Analisis dosis radiasi pada kolam air irradiator gamma 2 MCi menggunakan MCNP, Majalah Prima, Vol 11, No. 2, Nop. 2014, PRFN, Tangerang. 3. Budi Santoso, Penyiapan desain rinci irradiator 200 kci, Usulan kegiatan PRFN BATAN, Serpong, Anonim, IAEA safety standard series No. SSG-8, Radiation safety of Gamma, Electron, and X Ray Irradiation Facilities, specific safety Guide, Vienna, Wisnu Arya Wardhana, Teknologi Nuklir, Proteksi Radiasi dan Aplikasinya, CV. Andi Offset, Yogyakarta, Anonim, Technical Specification Multipurpose Continous and Batch Gamma Irradiator, PT. Gamma Mitra Lestari, Jakarta, Software Fluent 5/6, Fluent Inc, Copyright Suroso dan M. Darwis Isnaini, Penggunaan fluent untuk simulasi distribusi Suhu dan kecepatan pada alat Penukar panas, Prosiding Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, PTRKN BATAN, Jakarta, Oktober Tuhika, Firman, Dasar-dasar CFD menggunakan Fluent, Informatika, Bandung, H. Farajollahi, A. Ghasemizad and B. Khanbabaei, CFD -Calculation of flow in a pressurized water reactor, Journal of Sciences, Islamic Republic of Iran 19(3): , ISSN , University of Tehran,

8 TANYA JAWAB Pertanyaan 1. Berapakah ΔT atau batasan yang diijinkan? 2. Apakah telah dihitung optimalisasi volume air yang dibutuhkan? 3. Apa jenis sumber Co-60 yang digunakan dalam simulasi distribusi suhu kolam? 4. Berapa batasan nilai acuan keselamatan operator dengan berkurangnya debit air? Jawaban 1. Berdasarkan perhitungan manual ΔT yang diijinkan minimum 2 0 C. 2. Untuk optimasi volume air memang belum dihitung tapi sebagai pegangan suatu desain, volume ini bias dijadikan pegangan. 3. Jenis sumber Co-60 yang digunakan berbentuk pensil yang tersusun sehingga panjangnya mencapai 430 mm dengan diameter 8,2 mm. 4. Karena simulasi ini menghasilkan suatu distribusi suhu yang sangat kecil sekitar 1 0 C maka nilai acuan keselamatan operator dianggap aman kecuali air kolam mendidih sehingga kolam menguap dan menyebabkan volume air kolam berkurang. Kalau volume air kolam berkurang yang dikuatirkan adalah terjadinya paparan radiasi. 35