SIMULASI PEMODELAN TERMOHIDROLIKA SISTEM PENDINGIN KOLAM RSG-GAS. Sukmanto Dibyo *

Transkripsi

1 Simulasi Pemodelan Termohidrolika Sistem Pendingin Kolam RSG-GAS (Sukmanto Dibyo) SIMULASI PEMODELAN TERMOHIDROLIKA SISTEM PENDINGIN KOLAM RSG-GAS Sukmanto Dibyo * ABSTRAK SIMULASI DAN PEMODELAN TERMOHIDROLIKA SISTEM PENDINGIN KOLAM RSG-GAS. Sistem pendingin kolam RSG-GAS posisinya terendam di kolam reaktor sebagai sistem pendingin untuk mengambil kalor sisa pada kondisi normal maupun darurat. Telah dikerjakan simulasi termohidrolika sistem pendingin kolam RSG-GAS untuk melengkapi data informasi karakteristika sistem pendingin RSG-GAS. Karakteristika penyerapan kalor sisa oleh sistem pendingin kolam RSG-GAS disimulasi menggunakan paket komputer RELAP5. Nodalisasi pada RELAP5 terdiri dari model pipa, time dependent junction, time dependent volume dan struktur kalor, dua untai terbuka dilengkapi dengan struktur kalor didasarkan pada parameter yang terkait dengan data operasi sistem dan data geometri. Pemodelan yang sudah divalidasi, dipakai untuk mengetahui pola penurunan temperatur air kolam ketika sistem pendingin kolam dioperasikan. Dalam analisis ini, air kolam setelah reaktor dan pompa padam temperaturnya adalah 321 K, kemudian kalor sisa yang terkandung di air kolam diserap oleh sistem pendingin kolam. Hasilnya terjadi penurunan temperatur air kolam sampai kondisi normal reaktor tidak beroperasi (307,5 K) dalam waktu 8600 detik. Kondisi operasi sistem pendingin ini dianalisis mulai dari 1400 detik sampai detik. Laju penurunan temperatur air kolam rerata adalah 0,004 K/detik. Kata Kunci : sistem pendingin kolam, penyerapan kalor sisa ABSTRACT THERMALHYDRAULIC MODEL SIMULATION FOR THE RSG-GAS POOL COOLING SYSTEM. The pool cooling system RSG-GAS located submerged in the reactor pool as a cooling system to remove residual heat when the normal condition even emergency operations. To add the information data of RSG-GAS cooling systems characteristic, thermal-hydraulic simulation for the RSG-GAS pool cooling systems has been done. By using the RELAP5 code, the characteristic of residual heat absorbed to the pool cooling system was simulated. The nodal based on parameter and geometries related to the system and consist of the pipe model, time dependent junction, time dependent volume and two open loops completed with the heat structure. The model validated is used to know temperature decreasing pattern of the pool water when pool cooling system under operation. In this analysis after shutdown of reactor and pump, the pool water temperature is 321 K, and then the residual heat of pool water is absorbed by pool cooling system. The result showed the decrease of pool water temperature until normal condition of stopped reactor operation is 307,5 K during 8600 seconds. In this cooling system operating condition is analyzed from the 1400 second to the seconds. The rate of pool water average temperature decrease is K/second. Keywords : pool cooling system, residual heat removal * Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir (PTRKN) BATAN, sukdibyo@batan.go.id 161

2 Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 2010, Oktober 2010 ( ) PENDAHULUAN Pemahaman terhadap kinerja komponen sistem-sistem pendingin Reaktor Serba- Guna GA.Siwabessy (RSG-GAS), perlu dimiliki untuk mengetahui karakteristika sistem tersebut. Sementara itu, eksperimen termohidrolika kondisi steady maupun transien menuntut sarana yang memadai untuk merealisasikannya. Oleh karena itu analisis dan simulasi komputer yang menggunakan cara sebagai model untuk menyelesaikan masalah membantu mencari solusi yang efektif dan relatif murah. Sistem pendingin kolam reaktor yang tercelup di dalam kolam (submerged pool cooler system, JNA) adalah sistem pendingin reaktor yang berfungsi untuk penyerapan kalor di dalam air kolam reaktor. Sistem ini terdiri dari 3 modul komponen yang berfungsi sebagai pelepas kalor sisa (decay heat removal) setelah fasa pendinginan reaktor. Disamping itu juga untuk memindahkan kalor dari kolam ketika pendingin utama tidak bekerja atau terjadi penurunan laju aliran pendingin primer. Kalor juga diserap ketika terjadi kegagalan fungsi daya listrik dan tertutupnya katup jaringan pendingin primer [1]. Pembuatan model sistem pendingin kolam reaktor RSG-GAS untuk paket program RELAP5 telah dilakukan dengan hasil pemodelan pada kondisi steady dibandingkan dengan data pengukuran [2][3]. Analisis penyerapan kalor sisa dengan air kolam dalam kondisi tidak mengalir, belum pernah dikerjakan dan hal ini merupakan bagian dari pemutakhiran analisis termohidrolika sistem pendingin di RSG-GAS. Dari hasil analisis dapat diketahui pola penurunan temperatur air kolam ketika sistem pendingin kolam dioperasikan. Langkah ini sangat penting mengingat bahwa karakteristika penyerapan kalor sisa pada kolam reaktor merupakan bagian dari kegiatan analisis sistem pendingin reaktor secara konprehensif. Kalor yang terkandung dalam kolam reaktor pada kondisi tidak mengalir diserap oleh sistem pendingin kolam ini, diperkirakan penyerapan memerlukan waktu karena volume air kolam cukup besar. Dengan diketahui durasi penyerapan kalor ini maka kegiatan lain yang terkait dengan kolam reaktor dapat direncanakan, dengan demikian simulasi termohidrolika ini dikerjakan untuk melengkapi data informasi karakteristika termohidrolika sistem pendingin kolam RSG-GAS. Paket program RELAP5 adalah program komputer yang dapat digunakan untuk berbagai analisis transien termohidrolika pada sistem reaktor nuklir maupun nonnuklir [4]. Pada paket ini, komponen model sistem pendingin kolam pada prinsipnya terdiri dari bagian utama yang mensimulasikan komponen pipa, percabangan, pompa dan katup. Komponen yang memiliki bagian pemindah kalor atau pembangkitan energi menggunakan model struktur kalor (heat structure). Dari uraian yang dikemukakan sebagai latar-belakang perlunya analisis termohidrolika sistem pendingin kolam RSG-GAS, maka makalah ini bertujuan melakukuan analisis karakteristika termohidrolika penyerapan kalor pada sistem pendingin kolam RSG-GAS dengan cara simulasi pemodelan menggunakan RELAP5 versi Scdap.M.3.2. Dari pemodelan ini diperoleh waktu yang diperlukan dalam penyerapan kalor oleh sistem pendingin kolam. 162

3 Simulasi Pemodelan Termohidrolika Sistem Pendingin Kolam RSG-GAS (Sukmanto Dibyo) SISTEM PENDINGIN KOLAM REAKTOR Sistem pendingin kolam reaktor terdiri dari tiga modul independen dan redundan, batang pendingin pada posisi vertikal tercelup di dalam kolam reaktor. Sistem pendingin ini berfungsi untuk menyerap kalor sisa yang terjadi setelah reaktor shutdown dalam kondisi operasi darurat maupun normal. Konsep dasar sistem pendingin kolam ini adalah pengambilan sejumlah kalor yang dikandung di dalam air kolam reaktor. Air kolam reaktor pada daya nominal 30 MW dapat menyimpan kalor sampai 10 jam setelah shutdown tanpa menyebabkan kenaikan temperatur air kolam secara berarti, yang dalam kasus ini, sistem pendingin kolam reaktor tidak dioperasikan. Sistem pendingin kolam tidak dikoneksi dengan sistem proteksi reaktor, oleh karena itu harus dioperasikan secara manual. Pada kondisi normal, air kolam reaktor dialiri oleh pendingin utama dari sistem pendingin primer. Sedangkan selama kondisi setelah reaktor padam, kalor sisa pada air kolam dapat diserap oleh pendingin kolam yang memiliki desain kemampuan memindahkan kalor 63 kw/unit pada temperatur dry-bulb udara 36 0 C (309 K) dan temperatur air kolam rerata 49 0 C (322 K). Setiap modul pendingin dipasang secara paralel vertikal di dalam kolam reaktor, terdiri dari 16 batang tube yang dilengkapi dengan sirip-sirip (finned tubes) untuk menaikkan efektifitas luas permukaan pemindah kalor. Setiap batang panjangnya 10 m dan diameter 30 mm/35 mm ID/OD. Aliran masuk pada bottom header dan keluar pada top header. Air pendingin JNA dialirkan oleh pompa. Pada kondisi level air kolam normal, maka luas permukaan efektif adalah 20.0 m 2 untuk setiap modul pendingin. Ketiga modul pendingin kolam ini mempunyai fungsi dan desain yang sama, masing masing aliran loop tertutup dan berisi air demineral sebagai media pemindah kalor. Kalor yang diserap oleh pendingin kolam dialirkan oleh pompa menuju aircooled heat exchanger kemudian dilepas ke udara luar. Tabel 1 berikut menunjukkan data desain sistem pendingin kolam [1]. Tabel 1. Data Desain Sistem Pendingin Kolam Reaktor Jumlah 3 Tipe Finned tube immersion coolers Material Al Mg 3 Temperatur Desain Operasi 65 C Laju Alir Massa 7,6 kg/detik Daya Termal 63 kw Sistem pendingin kolam tercelup sempurna di air kolam reaktor untuk menjamin berfungsi normal. Penyerapan kalor oleh sistem pendingin kolam reaktor terjadi setelah peristiwa perpindahan kalor secara konveksi natural pada pendinginan teras reaktor. 163

4 Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 2010, Oktober 2010 ( ) Di dalam analisis kecelakaan, maka beban termal yang ditanggung oleh sistem pendingin kolam reaktor dimulai 30 menit setelah reaktor scram. Namun dengan mempertimbangkan aspek keselamatan, pendingin ini dapat juga dimulai 10 jam sejak reaktor scram dengan asumsi yang sangat konservatif di mana temperatur air kolam mencapai 60 C. Sistem pendingin kolam reaktor akan mengambil kalor berdasarkan perbedaan temperatur antara air kolam dengan sistem pendingin kolam reaktor. Gambar 1. Diagram Skematika Satu Modul Pendingin Kolam DESKRIPSI RELAP5 RELAP5 merupakan paket program komputer yang dapat digunakan untuk melakukan simulasi steady maupun transien pendingin air pada suatu sistem termal, hidrodinamika reaktor nuklir dan non nuklir. Paket program ini dikembangkan dari model node dan junction multi-dimensional termal-hidrolika, perpindahan kalor, komponen alat, sistem kontrol dan model lainnya untuk mendeskripsikan watak yang komplek pada kondisi 1 maupun 2 fasa. Bagian utama terdiri dari bagian hidrodinamika, struktur kalor dan kinetika reaktor. Bagian utama hidrodinamika terdiri dari komponen pipa, percabangan, pompa katup dan sebagainya. Struktur kalor terdapat pada komponen pembangkit kalor maupun bagian yang terjadi perpindahan kalor, bagian ini dihubungkan dengan volum hidrodinamika. Komponen hidrodinamika diselesaikan dengan persamaan satu dimensi untuk fluida fasa tunggal maupun aliran dua fasa air-uap air, Kondisi aliran dua fasa didasarkan pada model 164

5 Simulasi Pemodelan Termohidrolika Sistem Pendingin Kolam RSG-GAS (Sukmanto Dibyo) non-homogenous. Gambar 2 menunjukkan kecepatan pada batas (boundary) yang didefinisikan dengan menggunakan momentum control volumes di antara batas volume kontrol massa dan energi. Gambar 2. Skematika Nodalisasi Volume Kontrol Massa, Energi Dan Momentum METODA Nodalisasi sistem pendingin kolam reaktor dimodelkan menjadi sebuah aliran vertikal yang mempunyai struktur kalor sebagai media permukaan. Komponen blower pada jaringan sistem pendingin kolam ditetapkan sebagai kondisi batas (boundary condition) dengan menggunakan model tmdpvol (time-dependent volume component) yang menentukan kondisi operasinya pada besaran laju alir, tekanan dan temperatur tertentu. Pada air kolam, ditetapkan sebagai volume air diam pada temperatur operasi normal 30 MW. Pengoperasian pendingin kolam reaktor, pendingin mengalir yang direpresentasikan oleh volume pipa dan menggunakan fasilitas tmdpjun (time dependent junction). Data input untuk pemodelan, memakai data geometri yang dikutip dari spesifikasi alat dan data parameter operasi yang memanfaatkan data pengukuran. Dari data fisis geometri kolam reaktor dan sistem pendingin kolam reaktor, maka model untuk simulasi dibuat dengan menggunakan data parameter operasi dan yang ditampilkan pada Gambar 3. Model kolam direpresentasikan oleh 2 volume (node) pipa dan untuk sistem pendingin disusun 3 volume, 1 heat-structure dan 1 time dependent junction. Tata kerja penggunaan model ini memerlukan langkah pengaturan input data maupun time step control sedemikian rupa sehingga proses komputasi numerik berlangsung dengan baik. Parameter-parameter yang ingin diamati diinputkan melalui 165

6 Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 2010, Oktober 2010 ( ) minor edit requests. Data parameter yang diamati untuk pemodelan ini difokuskan pada laju aliran dan perubahan temperatur pendingin. 499 tmdpjun 402 tmdpvol 409 tmdpvol tmdpvol air kolam reaktor Sistem pendingin kolam tmdpvol Gambar 3. Pemodelan Nodalisasi Pendingin Kolam Reaktor Pendekatan Model dan Asumsi Berikut ini beberapa pendekatan yang dapat dipakai dalam analisis : Struktur kalor terdapat pada luasan efektif batang pendingin kolam, di mana terjadi penyerapan kalor dari air kolam ke jalur aliran sistem pendingin kolam. Batang-batang sistem pendingin kolam reaktor direpresentasikan oleh satu volume (node) dan mengalir pada lintasan satu kali arah vertikal. 166

7 Simulasi Pemodelan Termohidrolika Sistem Pendingin Kolam RSG-GAS (Sukmanto Dibyo) Dinding permukaan dalam batang pendingin kolam reaktor memiliki kekasaran (roughness) yang cukup halus. Kolam reaktor hanya berisi volume air saja. PROSEDUR KERJA Pada tahap awal analisis penyerapan kalor sisa kolam reaktor adalah menyiapkan model pendingin kolam yang sudah divalidasi. Dalam validasi ini perbedaan temperatur masuk sistem pendingin kolam reaktor pada Gambar 3 (node 411) dan keluar (node 445) sebesar 4 o C, kondisi ini senantiasa dievaluasi untuk mendapatkan kondisi yang realisitis dengan data pengukuran [2]. Penggunaan data input yang penting adalah menyangkut penentuan data untuk pencapaian kondisi yang steady. Dalam hal ini parameter yang digunakan adalah temperatur air kolam dan sistem pendingin. Selanjutnya kandungan kalor sisa air kolam yang sudah stabil diserap oleh permukaan pendingin kolam reaktor sehingga temperatur bergerak turun. Kurva temperatur ditampilkan sebagai fungsi waktu, secara skematika ditunjukkan pada Gambar 4. Model Pendingin yang Sudah Divalidasi Data Input Untuk Analisis Kondisi Steady untuk Sistem Pendingin Penyerapan Kalor (pendingin kolam beroperasi) Penampilan Kurva Temperatur Air kolam fungsi Waktu Gambar 4. Prosedur Kerja HASIL DAN PEMBAHASAN Kondisi steady yang stabil telah ditetapkan sampai 1400 detik, kondisi ini didasarkan pada temperatur air kolam dan temperatur aliran pendingin kolam reaktor. Penetapan kondisi steady dikerjakan dengan tidak menggunakan moda STDY-ST akan tetapi dengan opsi TRANST sehingga RELAP5 menormalisasi dalam memperoleh konvergensi proses perhitungan numeriknya. Pada jaringan sistem 167

8 Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 2010, Oktober 2010 ( ) pendingin kolam reaktor, pencapaian kondisi steady diperoleh di mana air pendingin tidak mengalir (diam) atau aliran 0 kg/detik pada node 499 (model junction pengalir sistem pendingin). Untuk itu penetapan data initial condition perlu dilakukan dengan benar pada input deck sehingga didapatkan hasil perhitungan yang memuaskan. Gambar 5 menunjukkan kurva pencapaian kondisi steady. Adapun pada sisi lain model volume air kolam dianggap berhenti (tidak mengalir). Tampak grafik pada Gambar 5 tersebut bahwa kondisi steady menuju besaran temperatur yang sama tercapai pada detik. Dengan menggunakan time-step control yang sesuai pada data input, maka dapat diperoleh kurva kondisi steady yang diinginkan. Temperatur awal air kolam reaktor pada semua node adalah menuju 321 K, parameter ini ditentukan berdasarkan kondisi temperatur air kolam reaktor ketika reaktor sesaat setelah padam dari beroperasi. Pada halaman Lampiran ditunjukkan kutipan beberapa penggunaan card dan moda yang penting pada input deck. Secara umum proses pelaksanaan running program RELAP5 ini relatif cepat dan tanpa menemukan kendala yang berarti karena pemodelan ini menggunakan untai terbuka dan tidak melibatkan input data kinetik. Dalam hal ini model untai terbuka hanya dibatasi oleh volume sumber dan volume penerima kalor (sebagai time dependent volume). Begitu juga penggunaan data kinetik akan melibatkan perhitungan kopel neutronik. Gambar 5. Grafik Pencapaian kondisi steady Gambar 6 menunjukkan kondisi setelah air pendingin kolam dialirkan pada sistem pendingin sehingga proses penyerapan kalor mulai berlangsung. Pompa sistem pendingin kolam ini sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3 dimodelkan oleh node 168

9 Simulasi Pemodelan Termohidrolika Sistem Pendingin Kolam RSG-GAS (Sukmanto Dibyo) 499 tmdpjun yang berfungsi untuk mengalirkan air sistem pendingin kolam. Dalam analisis ini dikerjakan mulai dari detik ke 1400 yakni setelah evaluasi kondisi steady ditentukan. Air sistem pendingin kolam secara spontan mengalir dari atas kolam reaktor pada laju aliran 27,5 m 3 /jam, data laju alir ini disesuaikan dengan data hasil pengukuran [2]. Tampak pada Gambar ini temperatur konstan terjadi pada node 411 yang merupakan posisi inlet (pendingin masuk) sistem pendingin. Sementara itu temperatur outlet (pendingin keluar) node 445 bergerak menurun dari 321 K menuju 307 K secara lambat mengikuti turunnya temperatur air kolam (baik pada node 530 di posisi air kolam bagian bawah maupun bagian atas). Dalam menggunakan pemodelan ini, volume air kolam di bawah sistem pendingin (node 100 dan 600) tidak dianalisis namun hanya volume air yang bersentuhan dengan permukaan sistem pendingin saja yang mengalami proses penyerapan kalor dari air kolam reaktor ke permukaan yang dibasahi (wetted area). Proses penyerapan pada batang sistem pendingin ini terjadi secara konveksi alam. Pada ujung kurva grafik Gambar 6, tampak temperatur air kolam masih sedikit di atas temperatur pendingin. Namun dengan pertimbangan bahwa hasil analisis sudah cukup memuaskan maka penampilan kurva di atas detik tidak dilanjutkan. Disamping itu hal ini juga semata-mata untuk efisiensi dan menghindari waktu running program yang cukup lama. Hasil perhitungan laju penurunan temperatur air kolam rerata menunjukkan sebesar 0,004 K/detik. Sebagai catatan bahwa kondisi temperatur air kolam seperti ini, maka pengoperasian sistem pendingin kolam secara manual dapat dimatikan. Gambar 6. Grafik Penurunan Temperatur Air Kolam Reaktor 169

10 Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 2010, Oktober 2010 ( ) KESIMPULAN Pendingin kolam reaktor yang dimodelkan sebagai volume (node) dan struktur kalor pada RELAP5 berhasil menganalisis karakteristika penyerapan kalor sisa di kolam reaktor RSG-GAS. Dengan model yang dibuat tersebut, maka penurunan temperatur air kolam berlangsung sampai detik dengan laju penurunan temperatur air kolam adalah 0,004 K/detik yang berarti penurunan ini cukup memberikan waktu lebih singkat, sehingga kegiatan lain yang terkait dengan kolam reaktor dapat direncanakan dengan baik. Kondisi setelah proses penyerapan kalor adalah kembalinya temperatur semula yaitu sama dengan temperatur sebelum reaktor dioperasikan. DAFTAR PUSTAKA 1. BATAN, Safety Analysis Report, Multi Purpose Research Reactor GAS, Rev.8, AEP S.C, DJUNAIDI, Degradasi Kemampuan Sistem Pendingin Darurat, Kolam Reaktor JNA 10/20/30 Seminar Nasional III SDM Teknologi Nuklir Yogyakarta, November 2007 ISSN SUKMANTO D, Pemodelan Sistem Pendingin Kolam JNA RSG-GAS Menggunakan RELAP5, Sigma Epsilon Vol. 10 No. 3 Agustus RELAP5 Code Development Team, RELAP5.Mod3. Code Manual, User Guide and Input Requirements, NUREG/CR-5535-V2. Idaho National Engineering Laboratory, Washington DC LAMPIRAN = ANALYSIS OF POOL_COOLING_SYSTEM RSGGAS SUKMANTODIBYO new transnt * INPUT CHECK OR RUN OPTION 101 run * 101 inp-chk 102 si si *===================================================== * TIME STEP CONTROL CARD * EndTime Min.TStep Max.TStep Ctrl.Opt. Mnr.Edt Mjr.Edt. Restrt. 170

11 Simulasi Pemodelan Termohidrolika Sistem Pendingin Kolam RSG-GAS (Sukmanto Dibyo) * *===================================================== * Minor Edit Request 326 mflowj * B 330 tempf * C kolam tempf * D kolam tempf * E in 334 tempf * F out_ 335 tempf * G in _ *===================================================== * TRIPS AND LOGICAL TRIPS * VarCode Parmtr rltnship VarCode Parmtr Add.Cnstnt Latch 501 time 0 gt null l -1.0 *initiation 502 time 0 gt null l -1.0 *initiation *===================================================== * COMPONENT NO jnapump tmdpjun * Time FlowF. FlowG VelJ *============================================ DISKUSI ELFRIDA SARAGI 1. Bila pendinginan primer mati, dengan kecepatan berapa aliran pendingin dialirkan ke kolam agar bahan bakar tidak melting? 2. Kenapa menggunakan Relap apakah lebih akurat (sudah cukup) menggunakan Relap? 171

12 Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 2010, Oktober 2010 ( ) 3. Diwaktu mensimulasikan menggunakan Relap tidak membutuhkan harga koefisien konveksinya. SUKMANTO DIBYO 1. Temp. Kolam adalah 321 K, dan aliran pendingin sebesar 28 kg/sekon sesuai dengan data pengukuran. 2. Relap5 mampu melakukan analisis transient dan mampu menampilkan karakteristik termohidrolik fungsi waktu. 3. Koefisien konveksi tidak ditampilkan disini akan tetapi transfer panas dari air kolam ke pendingin telah di verifikasi antara hasil pemodelan dengan data pengukuran. DAFTAR RIWAYAT HIDUP Nama : Sukmanto Dibyo Tempat & Tanggal Lahir : Cepu, Pendidikan : S-2 Teknik Kimia ITB Riwayat Pekerjaan : - Pegawai PRSG BATAN (sd. 2006) - Pegawai PTRKN BATAN (sd.sekarang) Makalah : Simulasi Pemodelan Termohidrolika Sistem Pendingin Kolam RSG GAS 172