ANALISIS LAJU ALIR PENDINGIN DI TERAS REAKTOR KARTINI

Transkripsi

1 Analisis Laju Alir Pendingin di Teras Reaktor Kartini ISSN : Budi Rohman, BAPETEN ANALISIS LAJU ALIR PENDINGIN DI TERAS REAKTOR KARTINI Budi Rohman Pusat Pengkajian Sistem dan Teknologi Pengawasan Instalasi dan Bahan Nuklir Badan Pengawas Tenaga Nuklir (BAPETEN) Abstrak ANALISIS LAJU ALIR PENDINGIN DI TERAS 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 laju alir sirkulasi alam di teras reaktor Kartini. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan program PARET/ANL yang merupakan program komputer termohidrolik yang secara luas digunakan untuk perhitungan di teras reaktor. Dalam analisis ini teras reaktor dibagi menjadi dua daerah, yakni kanal panas dan kanal rata-rata. Kanal panas mewakili satu kanal pendingin di mana elemen bakar terpanas berada di dalamnya, sedangkan kanal rata-rata mewakili seluruh kanal lainnya. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa laju alir sirkulasi alam di kanal pendingin reaktor naik seiring dengan bertambahnya daya. Pada daya reaktor 100 kw diperoleh prediksi nilai laju alir sirkulasi alam sebesar 99.5 kg/(det.m 2 ) untuk kanal panas dan 84.2 kg/(det.m 2 ) untuk kanal rata-rata. Kata kunci:reaktor Kartini, laju alir pendingin, sirkulasi alam, kanal pendingin, teras reaktor, PARET/ANL Abstract ANALYSIS OF COOLANT FLOW RATE IN THE CORE OF REACTOR KARTINI. To anticipate the expiration of Operating License of Reactor Kartini in 2010, 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 thermal-hydraulic aspects to support the regulatory evaluation to the Safety Analysis Report of the reactor. This paper presents the prediction calculation on the flow rate of cooling water in reactor core. The calculation is performed using PARET/ANL, a thermal-hydraulic code widely applied in the reactor core calculation. For 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. Calculation results show that the natural circulation flow rate of cooling water in the cooling channels is increasing with the increase of power. The analysis results in the prediction of natural circulation mass flow rate in the cooling channels of core to be 99.5 kg/(det.m 2 ) and 84.2 kg/(det.m 2 ) for hot channel and average channel respectively. Keywords:Reactor Kartini, coolant flow rate, natural circulation, cooling channel, reactor core, PARET/ANL 1. PENDAHULUAN 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 sehubungan izin operasi reaktor tersebut akan habis masa berlakunya pada tahun Dalam pengajuan izin operasi reaktor, dokumen Laporan Analisis Keselamatan (LAK) merupakan salah satu dokumen yang dipersyaratkan oleh BAPETEN untuk dilampirkan. Sejalan dengan proses tersebut, Pusat Pengkajian Sistem dan Teknologi 102

2 Prosiding Seminar Nasional ke-14 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir ISSN : Bandung, 5 Nopember 2008 Pengawasan Instalasi dan Bahan Nuklir (P2STPIBN) BAPETEN melakukan pengkajian mandiri terhadap keselamatan reaktor Kartini dalam terkait dengan tugas pengawasan. Hasil kajian ini digunakan untuk memberikan dukungan teknis kepada Direktorat Perizinan dalam proses evaluasi dokumen LAK yang diterima. Salah satu aspek yang dilakukan dalam pengkajian keselamatan ini adalah kajian termohidrolika teras reaktor Kartini, di mana pendinginan teras reaktor yang berlangsung secara sirkulasi alam merupakan salah satu parameter yang dianalisis. Metode yang diterapkan dalam kajian ini adalah dengan menggunakan program komputer termohidrolik PARET/ANL. 2. TUJUAN Tujuan kajian ini adalah untuk memperoleh prediksi laju alir pendingin teras reaktor Kartini mode sirkulasi alam dengan metode komputasi menggunakan paket program PARET/ ANL. Kajian ini dilakukan guna mendukung evaluasi perhitungan termohidrolik teras reaktor yang terdapat dalam LAK Reaktor Kartini yang saat ini tengah diajukan ke BAPETEN dalam rangka memperoleh perpanjangan izin operasi reaktor. 3. 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 masing-masing dengan diameter cm seperti dapat dilihat di Gambar. 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 B C D E F 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 U-ZrH1.65 dengan kandungan uranium 8.5 % berat dengan pengkayaan 20 %. Elemen bakar ini berada di dalam kelongsong berbentuk tabung yang terbuat dari SS-304. Di antara daging bahan bakar dengan kelongsong terdapat celah (gap) yang diisi dengan He. Dimensi utama elemen bakar tipe104 dapat dilihat di Table 2. Tabel 2. Dimensi elemen bakar tipe 104 [1,2,3] Panjang total [cm] Dia. daging bahan bakar [cm] 36.3 Panjang aktif [cm] 38.1 Reflektor grafit, panjang bawah 9.39 [cm] 6.6 atas [cm] 3.75 Kelongsong, dia. luar [cm] 0.51 tebal [cm] 103

3 Analisis Laju Alir Pendingin di Teras Reaktor Kartini ISSN : Budi Rohman, BAPETEN Posisi di tengah-tengah 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. 4. METODE PERHITUNGAN Perhitungan laju alir sirkulasi alam pendingin reaktor Kartini dilakukan dengan menggunakan program komputer PARET/ANL. Perhitungan dilakukan pada berbagai tingkat daya, mulai dari daya 10 kw sampai dengan daya nominalnya, yakni 100 kw 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. Tiap-tiap 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 masing-masing bagian dihitung secara konduksi satu dimensi. Persamaan hidrodinamik juga diselesaikan secara satu dimensi pada masing-masing 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 sub-dingin, rezim dua fasa, dan fasa uap lewat-panas. Program ini juga memiliki kemampuan untuk perhitungan pembalikan arah aliran air pendingin. Selain itu, program ini juga dapat menghitung void yang timbul dalam pendidihan sub-dingin 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 dilihat di Gambar. 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 rata-rata. Kanal panas mewakili 1 kanal dengan elemen bakar terpanas, sedangkan kanal rata-rata mewakili kanal-kanal yang berisi bahan bakar selebihnya yang berjumlah 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 tiap-tiap 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 104

4 Prosiding Seminar Nasional ke-14 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir ISSN : Bandung, 5 Nopember 2008 di Gambar. 1. Pitch (P) = cmluas aliran kanal = cm 2 Jarak pusat elemen bakar-pusat aliran pendingin (RN)= cm Gambar 1. Konfigurasi teras reaktor Kartini [1,8] Susunan kanal dengan kisi triangular untuk 1 /6 bagian teras tersebut dapat dilihat di Gambar. 2. Jarak antar elemen bakar (pitch) dihitung dengan merata-ratakan jarak antara dua pusat elemen bakar pada ruas-ruas garis seperti digambarkan di Gambar. 2. Gambar 3. Kanal pendingin dengan kisi triangular Pemodelan Elemen Bakar Arah aksial Elemen bakar reaktor dibagi menjadi 21 daerah aksial dan 21 titik node. Fluks neutron di masing-masing titik node merupakan fluks neutron relatif yang didefinisikan sebagai perbandingan antara fluks neutron setempat dengan fluks neutron rata-rata 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 Gambar. 4. Gambar 2. Kisi triangular elemen bakar dalam 1/6 bagian teras Dengan alasan simetri ini, pitch yang 1 dihitung untuk /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 Gambar. 3 sebagai berikut: Gambar 4. Pemodelan elemen bakar arah aksial 105

5 Analisis Laju Alir Pendingin di Teras Reaktor Kartini ISSN : Budi Rohman, BAPETEN bakar ini dimodelkan dalam 3 zona atau bagian sesuai dengan material penyusunnya sebagaimana digambarkan di Gambar. 5. Pembagian node radial untuk masing-masing bagian adalah sebagai berikut: Daging bahan bakar : 5 Celah : 2 Kelongsong : 2 Gambar 5. Pemodelan elemen bakar arah radial 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 SS-304. Elemen Sifat-sifat termal elemen bakar yang digunakan dalam perhitungan ini dapat dilihat di Tabel 3. Tabel 3. Sifat termal elemen bakar. Material Konduktivitas panas [W/(m. o C)] Panas spesifik volumetrik [J/(m3. o C)] Daging bahan bakar (8.5 % weight U-ZrH1.6)[5] T Celah (He)[6] Kelongsong SS-304[7] T T 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 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 masing-masing 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 rata-rata. Distribusi fluks neutron yang berasal dari perhitungan dengan MCNP dan pendekatan yang digunakan sebagai input untuk program PARET/ANL baik untuk kanal panas maupun rata-rata dapat dilihat di Gambar

6 Prosiding Seminar Nasional ke-14 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir ISSN : Bandung, 5 Nopember 2008 ke-5 dikenakan aliran coast-down sehingga pada detik ke 15 fraksi laju alir pompa menjadi 0. Grafik pemodelan aliran sirkulasi alam ini dapat dilihat di Gambar. 7. Gambar 6. Distribusi fluks neutron Pemodelan dan Asumsi Lain Perhitungan termohidrolik teras reaktor Kartini menggunakan program PARET ini menggunakan kode operasi power level specified. Temperatur pendingin masuk teras adalah 35 o C yang merupakan batas atas temperatur masuk tangki reaktor dari sistem primer sebagaimana disebutkan dalam Bab VII: Batasan dan Kondisi Operasi LAK Reaktor Kartini [1]. Waktu total perhitungan adalah 100 detik yang merupakan rentang waktu maksimum dalam perhitungan dengan program PARET. Parameter hasil perhitungan dianggap representatif kalau nilainya sudah stabil. Gambar 7. Laju alir massa pompa Pemodelan Aliran Sirkulasi Alam Program PARET memerlukan masukan aliran pendingin agar bisa dijalankan. Untuk melakukan simulasi aliran sirkulasi alam, pada saat-saat awal perhitungan aliran pendingin diberi nilai. Sesudah itu, pada aliran pendingin diberikan coast-down sampai nilai yang diberikan menjadi 0 (nol), sehingga aliran yang timbul sesudah saat tersebut adalah aliran sirkulasi alam yang timbul akibat pemanasan air pendingin oleh elemen bakar sehingga menimbulkan perbedaan kerapatan air antara bagian bawah dengan bagian atasnya. Dalam perhitungan ini, pemodelan aliran pendingin dilakukan dengan mengkombinasikan antara laju alir masuk teras (kartu 10000) dengan fraksi laju alir pompa (kartu 17000). Fraksi laju alir pompa pada awal waktu perhitungan (detik ke-0) diberi nilai 1, kemudian mulai pada detik 5. HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 5.1. Pembentukan Aliran Sirkulasi Alam Perhitungan pendinginan sirkulasi alam dilakukan dengan menerapkan aliran coast-down sebagaimana telah dijelaskan di atas. Untuk menentukan nilai awal laju alir yang akan dimasukkan sebagai input untuk seluruh variasi daya reaktor, dilakukan eksekusi program untuk kanal panas pada daya reaktor 100 kw. Rentang nilai awal laju alir pendingin yang digunakan adalah 50 s/d 500 kg/(det.m 2 ) dengan arah aliran ke bawah. Dengan diterapkannya coast-down, maka aliran ke bawah ini berkurang secara berangsur-angsur, sehingga ketika gaya apung ke atas yang ditimbulkan oleh pemanasan elemen bakar pada pendingin mulai seimbang atau lebih besar dari pada gaya aliran ke bawah maka aliran sirkulasi alam ke arah atas mulai terbentuk. Menurut hasil perhitungan ini, nilai laju alir pendingin sirkulasi alam mencapai stabil mulai sekitar 107

7 Analisis Laju Alir Pendingin di Teras Reaktor Kartini ISSN : Budi Rohman, BAPETEN detik ke 25 untuk seluruh nilai awal seperti dapat dilihat di Gambar. 8. Gambar 8. Profil pencapaian keadaan tunak laju alir sirkulasi alam untuk kanal panas pada daya reaktor 100 kw untuk berbagai nilai awal. Gambar. 9. Dari Tabel 4 terlihat bahwa nilai tunak laju alir sirkulasi alam ini konvergen pada suatu kisaran nilai yang hampir sama untuk rentang nilai awal yang cukup luas. Untuk perhitungan selanjutnya digunakan nilai awal 50 kg/(det.m 2 ) (arah ke bawah) dengan pertimbangan bahwa semakin kecil nilai awal yang digunakan maka akan semakin cepat sirkulasi alam terbentuk Laju Alir Pendingin Gambar 10. Laji alir pendingin sirkulasi alam pada berbagai tingkat daya. Gambar 9. Nilai tunak laju alir sirkulasi alam di kanal panas pada daya reaktor 100 kw untuk berbagai nilai awal Tabel 4. Laju alir sirkulasi alam di kanal panas untuk daya reaktor 100 kw. Laju alir awal [kg/(sec.m2)] Laju alir sirkulasi alam [kg/(sec.m2)] Untuk daya 100 kw, dengan rentang nilai awal laju alir tersebut diperoleh nilai tunak laju alir sirkulasi alam antara kg/(det.m 2 ). Nilai selengkapnya dapat dilihat di Tabel 4, sedang grafiknya dapat dilihat di Perhitungan laju alir pendingin di teras reaktor Kartini dilakukan pada rentang daya 10 sampai dengan 100 kw. Laju alir pendingin sirkulasi alam ini naik seiring dengan bertambahnya daya seperti dapat dilihat di Gambar. 10. Hal ini timbul karena semakin tinggi daya reaktor maka semakin besar panas yang diberikan ke air pendingin. Ini menimbulkan perbedaan kerapatan air antara bagian di sekitar elemen bakar dengan di bagian atasnya yang semakin besar sehingga semakin besar pula gaya apungnya. Nilai laju alir pendingin untuk masing-masing tingkat daya pada kanal rata-rata dan kanal panas dapat dilihat di Tabel 5. Kenaikan laju alir sirkulasi alam ini semakin besar atau lerengnya semakin curam pada daya yang lebih tinggi sebagaimana dapat dilihat di Gambar. 10. Laju alir 108

8 Prosiding Seminar Nasional ke-14 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir ISSN : Bandung, 5 Nopember 2008 sirkulasi alam untuk daya nominal 100 kw adalah sebagai berikut: Kanal panas : 99.5 kg/(det.m 2 ) Kanal rata-rata : 84.2 kg/(det.m 2 ) Tabel 5. Nilai laju alir pendingin di teras reaktor Kartini. Daya [kw] Laju Alir Sirkulasi Alam [kg/(det.m2)] Kanal Panas Kanal Rata KESIMPULAN Berdasarkan hasil perhitungan ini dapat dapat disimpulkan bahwa laju alir sirkulasi alam pendingin reaktor naik seiring dengan bertambahnya daya. Kenaikan laju sirkulasi alam ini makin besar pada daya yang semakin tinggi. Pada daya 100 kw diperoleh laju alir pendingin sirkulasi alam pada teras reaktor Kartini sebagai berikut : Kanal panas : 99.5 kg/(det.m 2 ) Kanal rata-rata : 84.2 kg/(det.m 2 ) DAFTAR PUSTAKA [1] Badan Tenaga Nuklir Nasional, Laporan Analisis Keselamatan Reaktor Kartini Rev. 7. Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB)-BATAN, Yogyakarta, [2] Ravnik, M., Description of TRIGA Reactor ( [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 [5] Simnad, M.T., The U-ZrHx Alloy: Its Properties and Use in TRIGA Fuel. General Atomic, February [6] Candalino, Robert W.,Engineering Analysis of Low Enriched Uranium Fuel Using Improved Zirconium Hydride Cross Sections. Texas A&M University, August [7] Incropera, Frank P., et. al., Introduction to Heat Transfer. John Wiley & Sons, New York, [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