ANALISIS PARAMETER NEUTRONIK TERAS SETIMBANG RSG-GAS BERBAHAN BAKAR U3Sb-AI MENGGUNAKAN SRAC

Transkripsi

1 Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, M.Eng) ANALISIS PARAMETER NEUTRONIK TERAS SETIMBANG RSG-GAS BERBAHAN BAKAR U3Sb-AI MENGGUNAKAN SRAC Jati Susilo Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir, SATAN, Jakarta ABSTRAK ANALISIS PARAMETER NEUTRONIK TERAS SETIMBANG RSG-GAS BERBAHAN BAKAR U3SirAI MENGGUNAKAN SRAC. Oi masa yang akan datang, teras RSG-GAS diharapkan dapat menggunakan bahan bakar U3Si2-AI kerapatan tinggi, karena dapat memperpanjang siklus operasi dan menaikkan fraksi bakar buang bahan bakar. Oalam penelitian ini, dilakukan perhitungan kembali parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 2,96 guice, 3,55 gu/cc dan 4,8 gu/cc dengan paket program SRAC (Standar Reactor Analysis Code). Perhitungan tersebut dilakukan dengan berbasis pada data desain (SAR) dan data operasi teras RSG-GAS. Hasil perhitungan validasi parameter neutronik menggunakan paket program SRAC tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan baik dengan nilai data desain (SAR) maupun data operasi teras RSG-GAS. Selain itu, dilakukan juga analisis terhadap reaktivitas batang kendali teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan tinggi. Hasil analisis menunjukkan bahwa agar teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 4,8 gu/cc dapat memenuhi kriteria keselamatan, maka perlu ditambahkan kawat kadmium dengan diameter minimum 0,7 mm pad a tiap ujung pelat bahan bakar. Untuk reaktivitas xenon, perhitungan validasi paket program XenSam terhadap data ekperimen teras ke-45 RSG-GAS pada daya 18 MW tidak menunjukkan perbedaan nilai yang signifikan. Setelah itu, dilakukan perhitungan reaktivitas xenon teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Sb-AI kerapatan 2,96 guice, 3,55 gu/cc dan 4,8 gulcc pad a daya 15 MW dan 30 MW. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa kenaikan kerapatan bahan bakar U3Sb-AI tidak menimbulkan perbedaan nilai yang signifikan pada reaktivitas xenon setimbang, tetapi menghasilkan reaktivitas puncak xenon yang semakin kecil, sedangkan kenaikan daya akan mengakibatkan kenaikan reaktivitas puncak xenon yang cukup signifikan. Selain reaktivitas batang kendali dan reaktivitas xenon, penelitian tentang pola pemuatan bahan bakar teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Sb-AI kerapatan 3,55 gu/cc juga telah dilakukan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa teras setimbang RSG-GAS dapat mencapai fraksi bakar buang yang optimal jika menggunakan pola pemuatan 7/1-7 dengan total 56 bahan bakar. Pola 7/1-7 berarti bahwa setiap siklus operasi dilakukan penggantian 7 bahan bakar dan 1 elemen kendali dengan pembagian 7 kelas bahan bakar. Oari analisis keseluruhan kegiatan penelitian tersebut dapat disimpulkan bahwa teras RSG-GAS siap untuk dilakukan penggantian bahan bakar U3Sb-AI dengan kerapatan yang lebih tinggi (3,55 gu/cc atau 4,8 gu/cc). Kata kunci: Parameter Neutronik, RSG-GAS. U3Si2-AI, SRAC ABSTRACT ANALYSIS OF NEUTRONIC PARAMETER FOR EQUILIBRIUM CORE OF THE RSG-GAS FUELLED U3Sh-AI USING SRAC COMPUTER CODE. In the future, RSG-GAS core is expected to use the U3Si2-AI fuel high density, to make longer cycle operation and to increase the fuel discharge burn-up of RSG-GAS core. In this research, recalculation of neutronic parameter for equilibrium core of RSG-GAS fueled U3Si2-AI with 2.96 guice, 3.55 gu/cc and 4.8 gu/cc density had been done using SRAC (Standard reactor Analysis Code) computer code. The calculation was performed based on design data (SAR) and experimental data of RSG-GAS. Validation of the calculation showed no significant different value between design data (SAR) and experimental data of RSG-GAS. Beside, the calculation of control rod reactivity of the RSG-GAS fuelled U3Sb-AI with 4.8 gu/cc density had been also done. The calculation result showed that to fulfill safety criteria, addition of a cadmium wire with minimum diameter of about 0.7 mm at the end of the fuel plate is needed. Concerning the xenon reactivity, the calculation of equilibrium xenon, peak of xenon, and decay of xenon had been done using XenSam computer code. The validation of the calculation to experiment data of 45th RSG-GAS core at the 18 MW power level showed no significant different of reactivity parameter value. The calculation also carried out for the equilibrium core of RSG-GAS fuelled U3Si2-AI with 2.96 guice, 3.55 gu/cc and 4.80 gu/cc density at the power level 15 MW and 30 MW. Those calculation results showed that increasing in the U3Si2-AI fuel density have no significant different value of 73

2 Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN equilibrium xenon reactivity, but caused decreasing peak value of xenon reactivity. Increasing the power operation of core increased significantly the peak value of xenon reactivity. Research concerning fuel loading pattern also carried out for equilibrium core of RSG-GAS fuelled U3Si2-AI with 3,55 gulcc density. The calculation result showed that the equilibrium core of RSG-GAS had the most effective and optimum of fuel discharge burn-up if it uses 7/1-7 fuel loading pattern. The meaning of 7/1-7 fuel loading pattern is for each cycle operation, change of 7 standard fuel elements and 1 control element with 7 fuels class burn-up in the core is performed. From all of the research activity, it can be concluded that the RSG-GAS core is ready to use U3Si2-AIfuel with more high density of the fuel (3,55 gulcc or 4.80 gu/cc). Keywords: Neutronic Parameter, RSG-GAS, U3Sb-AI, SRAC BABI PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Oalam perkembangannya, teras RSG-GAS telah mengalami perubahan jenis bahan bakar yang digunakan yaitu dari U30a-AI menjadi U3Si2-AI dengan kerapatan yang sama (2,96 gu/cc). Oari data hasil perhitungan dan pengukuran terhadap parameter neutronik teras RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 2,96 gu/cc tersebut menunjukkan performa yang memenuhi kriteria keselamatan. Parameter neutronik yang dimaksud antara lain reaktivitas lebih, reaktivitas batang kendali, reaktivitas xenon dan lain-lain. Sedangkan penggunaan bahan bakar U3Si2-AI kerapatan tinggi pada teras RSG-GAS sedang dalam tahap penelitian. Perkembangan penggunaan bahan bakar jenis uranium silisida (U3Si2-AI) kerapatan tinggi telah mengalami kemajuan pada beberapa reaktor riset[1]. Oi Indonesia, juga telah dilakukan uji iradiasi terhadap beberapa pelat bahan bakar U3SirAI kerapatan 4,80 gu/cc dan 5,20 gu/cc di dalam teras reaktor RSG-GAS. Oi masa yang akan datang, bahan bakar U3Si2-AI kerapatan tinggi tersebut diharapkan dapat digunakan pad a teras RSG-GAS. Hal tersebut karena penggunaan bahan bakar kerapatan tinggi pada teras RSG-GAS akan menghasilkan siklus operasi reaktor yang lebih panjang dan fraksi bakar buang bahan bakar yang lebih tinggi[2]. Perhitungan parameter neutronik teras RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan tinggi telah dilakukan oleh beberapa peneliti sebelumnya. Perhitungan tersebut dilakukan dengan paket program SATAN-2/30IFF[3] yaitu paket program komputer yang menggunakan teori difusi sebagai perhitungan distribusi neutron di dalam teras. Sedangkan generasi tampang lintang kisi sel bahan bakarnya menggunakan paket program WIMS/04 yang berdasar pada teori transport neutron dengan pendekatan metode SN dalam pemecahan persamaan Soltzman. Oalam penelitian ini dilakukan perhitungan kembali parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI menggunakan paket program SRAC (Standard Reactor Analysis Code)[4]. Sedangkan untuk generasi tampang lintang kisi sel bahan bakar digunakan paket program SRAC modul PIJ yang berdasarkan pada teori transport dengan pendekatan metode probabilitas tumbukan neutron dalam pemecahan persamaan Soltzman. Perhitungan parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS dilakukan dengan berbasis pad a nilai data desain (Safety Analysis Report)[5,6] dan data eksperimen(7]. Kemudian, agar teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan tinggi dapat memenuhi kriteria keselamatan, maka dilakukan penelitian reaktivitas batang kendali dengan penambahan kawat kadmium dalam berbagai diameter pada sisi tiap-tiap pelat bahan bakarnya. Selain perubahan jenis bahan bakar, teras reaktor RSG-GAS juga telah mengalami perubahan pola pemuatan bahan bakar, yaitu pada pembagian kelompok fraksi bakar bahan bakarnya dari 7 kelas menjadi 8 kelas fraksi bakar dengan jumlah total bahan bakar di dalam teras tetap (48 bahan bakar). Perubahan pembagian kelas fraksi bakar bahan bakar tersebut mengakibatkan penurunan panjang siklus operasi reaktor. Hal tersebut menunjukkan bahwa pola pemuatan bahan bakar yang digunakan pad a teras RSG-GAS sa at ini belum optimal. Oleh karena itu perlu juga dilakukan penelitian tentang pola pemuatan bahan bakar pad a teras setimbang RSG-GAS agar dapat menghasilkan panjang siklus operasi yang optimal. Untuk mengetahui karakteristik reaktivitas xenon, maka dilakukan perhitungan 74

3 Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, M.Eng) reaktivitas xenon saat setimbang, puncak xenon, dan peluruhan xenon serta waktu mati reaktor dengan paket program XenSam. Validasi dilakukan terhadap data ekperimen teras ke-45 RSG-GAS pad a daya 18 MW. Setelah itu perhitungan reaktivitas xenon juga dilakukan terhadap teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Siz-AI kerapatan 2,96 guice, 3,55 gu/cc dan 4,8 gu/cc pada daya 15 MW dan 30 MW Permasalahan Dalam penelitian ini, teras setimbang RSG-GAS diasumsikan menggunakan bahan bakar U3Siz-AI kerapatan tinggi (3,55 gu/cc atau 4,8gU/cc). Sedangkan dimensi bahan bakar, jumlah batang kendali, jumlah dan posisi iradiasi Central Irradiation Position/Irradiation Position (CIP/IP) serta material lain di luar teras TWC (typical working core) RSG-GAS tidak mengalami perubahan (tetap). Penggunaan bahan bakar U3Si2-AI dengan kerapatan yang lebih tinggi pada teras RSG-GAS akan menyebabkan perubahan parameter-parameter neutronik teras. Untuk itu, analisis parameter neutronik teras ditinjau dari aspek keselamatan dan aspek efisiensi penggunaan bahan bakar perlu dilakukan. Dari aspek keselamatan perlu dilakukan penelitian reaktivitas batang kendali teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan tinggi. Dengan demikian teras reaktor yang akan dioperasikan dengan kondisi tertentu dipastikan dapat dipadamkan dengan batang kendali yang ada. Kriteria keselamatan yang harus dipenuhi adalah nilai reaktivitas batang kendali terbesar saat kondisi "one stuck rod' bernilai negatif8,9j. Sedangkan parameter neutronik yang berkaitan dengan efisiensi penggunaan bahan bakar adalah panjang siklus operasi dan fraksi bakar buang bahan bakar yang optimal. Untuk itu, perlu juga dilakukan analisis pola pemuatan bahan bakar yang akan diterapkan pad a teras RSG-GAS. Perhitungan parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan tinggi tersebut dilakukan menggunakan paket program SRAC dengan berbasis pada data desain (SAR) dan data pengukuran (hasil eksperimen) sebagai acuan Tujuan Tujuan penelitian adalah memperoleh data parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Siz-AI kerapatan 3,55 gu/cc dan 4,80 gu/cc menggunakan paket program SRAC. Khusus untuk reaktivitas xenon, perhitungan dilakukan dengan paket program XenSam. Analisis menyeluruh hasil perhitungan dilakukan terhadap panjang siklus operasi, fraksi bakar buang bahan bakar, reaktivitas batang kendali, dan reaktivitas xenon. Sehingga dari hasil analisis tersebut dapat diketahui bahwa teras RSG-GAS menggunakan bahan bakar kerapatan tinggi dapat beroperasi secara aman dengan memenuhi kriteria keselamatan dan menghasilkan pembakaran bahan bakar yang optimal. BAB II MANAJEMEN BAHAN BAKAR TERAS REAKTOR DENGAN PAKET PROGRAM SRAC Salah satu kegiatan manajemen bahan bakar (in-core fuel management) di teras reaktor adalah penentuan pola pemuatan bahan bakar yang disertai dengan pengukuran/perhitungan parameter neutronik untuk mengetahui karakteristik teras terse but. Parameter neutronik merupakan besaran yang menunjukkan kelakuan neutron di dalam teras reaktor baik dalam keadaan statis maupun dinamis. Beberapa besaran tersebut antara lain faktor multiplikasi, reaktivitas lebih, reaktivitas batang kendali, reaktivitas xenon, koefisien reaktivitas, umur/waktu generasi neutron serempak, fluks neutron dan lain-lain[8.9j. Sedangkan pola pemuatan bahan bakar akan menentukan panjang siklus operasi, fraksi bakar buang bahan bakar, power peaking factor, dan lain-lain[8,9j. Terhadap nilai parameter neutronik teras reaktor tersebut, dapat dilakukan verifikasi dengan menggunakan berbagai paket program komputer. Berdasarkan teori penyelesaian problema neutron di dalam teras, maka terdapat paket program CITATION yang berdasarkan pad a teori difusi neutron, MCNP yang berdasarkan pad a teori probabilitas tumbukan neutron, dan paket program SRAC memuat beberapa modul perhitungan yang berdasarkan teori difusi neutron dan transport neutron. Berikut ini akan dijelaskan definisi tiap-tiap parameter neutronik teras, pola pemuatan 75

4 Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN bahan bakar teras setimbang, deskripsi umum paket program SRAC dan diskripsi umum teras RSG-GAS Parameter Neutronik Teras Reaktor Dalam makalah ini, yang dimaksud dengan reaktivitas lebih, reaktivitas padam, reaktivitas total, reaktivitas kondisi one stuck rod, reaktivitas xenon, dll. adalah sebagai berikut: Reaktivitas lebih (excess reactivity) Pex yaitu reaktivitas teras saat semua batang kendali berada di luar teras reaktor (fully-up). Reaktivitas padam (shutdown reactivity) Psm yaitu reaktivitas teras saat semua batang kendali berada di dalam teras reaktor (fully-down). Sedangkan marjin reaktivitas padam adalah batasan nilai reaktivitas terbesar saat seluruh batang kendali berada di dalam teras reaktor, nilai yang tercantum dalam SAR (Safety Analysis Report) RSG GAS adalah sebesar -2,2%t.k1k. Reaktivitas total (total control rod worth) adalah nilai reaktivitas lebih teras dikurangi dengan reaktivitas padam. Reaktivitas saat one stuck rod yaitu reaktivitas teras saat seharusnya semua batang kendali berada di dalam teras reaktor, tetapi satu batang kendali terbesar gagal masuk ke dalam teras reaktor. Batasan yang harus dipenuhi saat satu batang kendali terbesar gagal masuk ke dalam teras reaktor adalah reaktivitas teras harus negatif «-0,5 %t.k/k). Kurva S batang kendali (reaktivitas batang kendali) yaitu nilai reaktivitas teras saat terjadi perubahan seluruh posisi bank batang kendali dari fully-up hingga fully-down. Jika posisi batang kendali adalah Zb. Sedangkan tinggi teras aktif adalah Z, maka kurva S batang kendali menggambarkan perubahan nilai reaktivitas teras terhadap nilai Zb/Z. Reaktivitas xenon yaitu reaktivitas negatif yang ditimbulkan oleh terbentuknya hasil fisi (fission product) yang berupa isotop-isotop atom Iodine (I), atom xenon (Xe), atom promethium (Pm) dan atom samarium (Sm). Terutama untuk atom 135Xedan 149Sm yang merupakan inti atom dengan tampang lintang serapan terhadap neutron termal yang sangat besar yaitu sekitar 2,65x1 06 barns dan 5,85x1 04 barns bila dibandingkan dengan tampang lintang fisi 235Uyang hanya 584,4 barns Pola Pemuatan Bahan Bakar Teras Setimbang Pola pemuatan bahan bakar menentukan berapa jumlah bahan bakar yang harus dig anti pada tiap-tiap siklus operasi, posisi perpindahan bahan bakar dan jumlah siklus operasi yang diperlukan oleh setiap bahan bakar untuk berada di dalam teras. Dengan menentukan pola pemuatan bahan bakar yang tepat, maka akan diperoleh panjang siklus operasi yang optimal dan fraksi bakar buang bahan bakar yang tinggi. Teras setimbang didefinisikan sebagai suatu bentuk teras reaktor dengan pola pemuatan, pola penempatan bahan bakar tetap, serta penggantian bahan bakar nuklirnya kontinyu, di mana sejumlah bahan bakar di posisi tertentu yang masing-masing telah mencapai fraksi bakar buang dikeluarkan, bahan bakar segar dengan pengkayaan tetap dimuatkan ke dalam teras pad a posisi yang tetap (telah ditentukan)110j Diskripsi Umum Teras RSG-GAS Seperti disebutkan sebelumnya bahwa teras kerja (Typical Working Core, TWC) RSG-GAS terdiri dari 40 elemen bahan bakar dan 8 elemen kendali, 4 posisi Iradiation Potition (IP), 4 posisi Central Iradiation Potition (CIP) dan 8 elemen berillium. Sehingga keseluruhan terdapat 64 grid. Elemen bahan bakar seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 1 tersusun dari 21 pelat bahan bakar dengan gengkayaan 19,75 wt% dan kerapatan uranium sebesar 2,96 gu/cc atau masa nominal U 35 tiap elemen bahan bakar adalah 250 g. Penampang elemen kendali seperti yang ditunjukkan pad a Gambar 2, pad a dasarnya sama dengan elemen bahan bakar. Hanya saja 3 pelat bahan bakar pada kedua sisi terluar elemen kendali dipindahkan untuk ruang pergerakan bilah penyerap. Bahan penyerap terbuat dari AglnCd dengan perbandingan be rat 80%: 15%:5%, dan elemen kendali tersusun dari 15 pelat 76

5 i Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, M.Eng) AglnCd dengan perbandingan berat 80%:15%:5%, dan elemen kendali tersusun dari 15 pelat bahan bakar. Panjang aktif elemen bahan bakar sama dengan elemen kendali yaitu 60 em. Konfigurasi teras setimbang RSG-GAS ditunjukkan pada Gambar 3. Pada desain awal, teras setimbang RSG-GAS menggunakan bahan bakar U308-AI kerapatan 2,96 gu/ee, kemudian dilakukan penggantian bahan bakar menjadi jenis U3Si2-AI dengan kerapatan dan jumlah bahan bakar (40 elemen bahan bakar standar dan 8 elemen kendali) tetap. Tabel 1 menunjukkan nilai parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS pada desain awal dan desain teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI. Perubahan nilai parameter neutronik terjadi pada panjang siklus operasi, rata-rata fraksi bakar sa at BOC/EOC, dan ratarata besarnya fraksi bakar buang bahan bakar Gambar 1. Elemen bahan bakar standar teras RSG-GAS 65.0 :JhJ ~ ~II r---i ~ 2.3 I I ~c' -I~ Gambar 2. Elemen batang kendali teras RSG-GAS 77

6 Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN H20 K I Be I Be I ~ I Be I Be I Be I Be I Be I Be I Be J I ",- I ",_ I T H G F E D c B A Be Block Reflector Shroud Gambar 3. Konfigurasi teras setimbang RSG-GAS Tabel1. Desain parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS ) npa r tanpa Xe -13,86-1,75 9,16 2,08 U3Si2-AI 2, ,7-14,5 25, ,0 32,6 31,3 30 Data SARI5,6] Parameter Satuan %b.k/k gu/cc %235U MW hari U3Os-AI 23,3 53,7-5,3-2,2 9,2 2,0 Marjin reaktivitas padam 78

7 Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, M.Eng) 2.4. Diskripsi Umum Paket Program SRAC Paket program SRAC (Standard Reactor Analisys Code) merupakan paket program komputer yang dapat digunakan untuk menganalisis parameter neutronik berbagai macam jenis dan bentuk teras reaktor. Paket program tersebut dikembangkan oleh JAERI (Japan Atomic Energy Research Intitute), Jepang. Di dalam paket program SRAC tersusun dari 5 modul perhitungan yang dapat digunakan sebagai persiapan tabel data tampang lintang makroskopik yaitu PIJ, ANISN, TWOTRAN, TUD dan CITATION, serta 2 opsi paket program perhitungan pembakaran yaitu ASMBURN dan COREBN/HIST. Data pustaka tampang lintang dalam paket program SRAC adalah ENDF/B-IV, ENDF/B-V, ENDF/B-VI, JENDL-2, JENDL 3.1, JENDL-3.2, dan JENDL-3.3. Sedangkan struktur energi neutron terdiri dari 107 kelompok energi yang dibagi dalam energi cepat 61 kelompok dan energi thermal 46 kelompok. Secara umum input pad a paket program SRAC dibagi menjadi penentuan load module, general control, input untuk salah satu modul di atas, dan input bagian penentuan material serta input untuk opsi perhitungan burn-up[4] Diagram Alir Perhitungan Dengan Paket Program SRAC Struktur sistem paket program SRAC ditunjukkan pada Gambar 4. Secara garis besar alur perhitungan adalah dari beberapa pustaka tampang lintang umum (Public Library) ditentukan salah satu sebagai user library, dengan suatu perhitungan menggunakan salah satu modul di atas maka akan diperoleh data-data tam pang lintang makroskopik tiap kelompok energi, spektrum fluks neutron, tampang lintang makroskopik tiap detail energi dan tampang lintang mikroskopik yang masing-masing tersimpan dalam direktori MACRO, FLUX, MACROWRK dan MICREF. Data-data tersebut dapat digunakan dalam perhitungan lainnya baik dengan modul yang sama maupun dengan modul lainnya. Selain itu, data tampang lintang makroskopik tiap kelompok energi yang tersimpan dalam direktori MACRO juga dapat digunakan untuk perhitungan pad a tingkat selanjutnya yang menggunakan paket program ASMBURN maupun COREBN/HIST. 79

8 Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN FASTP THERMALP MCROSS FASTU THERMALU UMCROSS SRAC Proses Sebelumnya PIJ (Probabilitas Tumbukan) ANISN (Sn Transport 1 Dimensi) TWOTRAN (Sn Transport 2 Dimensi) TUD (Difusi 1 Dimensi) CITATION (Difusi Multi Dimensi) MACRO FLUX MACROWRK MICREF PDS File Tampang Lintang Makroskopik Group Fluks Neutron Tampang Lintang Makroskopik Detail Tampang Lintang Mikroskopik (MACROIN) ASMBURN (Probabilitas Tumbukan + Burn-Up) WORKPDS FLUX PDS File COREBN (Difusi Multi Dimensi + Burn-Up) Gambar 4. Diagram alir perhitungan parameter neutronik teras dengan paket program SRAC BAB III METODOLOGI PERHITUNGAN TERAS RSG-GAS Dalam penelitian ini, dilakukan perhitungan parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS dengan paket program SRAC. Perhitungan tersebut dilakukan dengan berbasis pada data desain (SAR) dan data pengukuran operasi teras RSG-GAS. Selain itu, khusus untuk reaktivitas xenon, perhitungan dilakukan dengan paket program XenSam. Analisis parameter neutronik teras RSG-GAS berbahan bakar U3SirAI kerapatan tinggi dilakukan terhadap aspek keselamatan neutronik dan panjang siklus operasi. Berikut ini akan dijelaskan tata cara/urutan perhitungan parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS Pemodelan Bagian-Bagian Teras RSG-GAS Persiapan pembuatan input dalam perhitungan parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS terdiri dari pemodelan kisi sel bahan bakar, pemodelan elemen bahan bakar, 80

9 Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, MEng) pemodelan elemen kendali, pemodelan bagian teras lainnya, serta pemodelan teras reaktor. Data yang diperlukan dalam melakukan pemodelan antara lain bentuk dan ukuran geometri, komposisi isotop penyusun material, suhu material dan lain-lain Kisi Sel Bahan Bakar Pemodelan kisi sel bahan bakar dilakukan dalam 2 bentuk yaitu kisi sel 1 dan kisi sel 2. Dimana masing-masing merupakan pemodelan kisi sel bahan bakar yang disertai dengan side plate dan pemodelan yang tanpa disertai dengan side plate. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, kisi sel 1 terdiri dari meat bahan bakar jenis U30a-AI atau U3Siz-AI dengan panjang 62,75 mm dan lebar 0,54 mm, ~T I '5 K~at w ffi W Q 3 Gambar 6. Pemodelan kisi sel bahan bakar tanpa side plate Kelongsong AIMgz dengan ketebalan 0,38 mm panjang 71,5 mm, moderator dengan jarak 1,275 mm, dan rak bahan bakar dengan panjang 4,5 mm lebar 3,85 mm. Sedangkan kisi sel 2 seperti yang terlihat pada Gambar 6 terdiri dari meat bahan bakar, kelongsong dan moderator tanpa rak bahan bakar (side plate) Pemodelan Elemen Bahan Bakar Standar Dan Batang Kendali Perhitungan tam pang lintang makroskopik elemen bahan bakar standar dan elemen batang kendali teras RSG-GAS juga dilakukan dengan modul PIJ. Pemodelan dilakukan masing-masing terhadap % bagian dalam bentuk geometri 2 dimensi. Elemen bahan bakar standar seperti ditunjukkan pad a Gambar 7 dimodelkan dengan membagi kedalam beberapa mesh arah sumbu X dan sumbu Y. Untuk pembagian daerah material, dikelompokkan menjadi 4 nomor, yaitu no.1 = moderator, no.2 = side plate, no.3 = kisi sel 2, noa = kisi sel I 3 4 Gambar 7. Pemodelan ~ bagian elemen bahan bakar 81

10 Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN Seperti terlihat pad a Gambar 8, material penyusun elemen batang kendali yang dimodelkan ~ bagian dibagi menjadi 5 unsur yaitu 1=air, 2=side plate, 3=rumah penyerap, 4=bahan penyerap, 5=kisi sel 1 bahan bakar. Pad a sa at batang kendali dalam kondisi fullyup, maka material 3 dan 4 digantikan dengan air (1). ~ 1 1 1t 31! Gambar 8. Pemodelan y,; bagian elemen batang kendali Pemodelan Bagian Teras Lainnya Untuk memperoleh tam pang lintang makroskopik bagian teras lainnya (material non bahan bakar) dilakukan pemodelan teras ke-1 RSG-GAS dalam bentuk geometri 2 dimensi. Seperti yang ditunjukkan pad a Gambar 9, teras ke-1 RSG-GAS dibagi dalam 17 jenis material yang berbeda, antara lain; 1. Elemen bahan bakar, 2. Elemen kendali, 3. Bahan penyerap, 4. Dummy element, 5. Elemen berillium dengan plug, 6. Element berillium, 7. AIplug, 8. PNRS, 9. HYRA, 10. Shroud reaktor, 11. Reflektor blok berillium 1, 12. Reflektor blok berillium 2, 13. moderator air ringan 14. Reflektor air ringan dan 15. Shroud reflektor serta 16. PRTF-J7, dan 17. PRTF-K7. Perhitungan teras tersebut dilakukan dengan modul CITATION. Selain itu, material non bahan bakar lainnya adalah material bagian atas bahan bakar (Top of Fuel) dan bagian bawah bahan bakar (Bottom of Fuel) yang dimodelkan seperti dapat dilihat pada Gambar 10. Material bagian atas dan bagian bawah tersebut tersusun dari aluminium dan air dengan persen perbandingan berat yang berbeda-beda. 82

11 Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, M.Eng) ~5 14 1~[2I!]00 ' Gl1iTTY1iTTY Gambar 9. Pemodelan bagian-bagian non bahan bakar pada teras RSG-GAS 2 ~ Standard Fuel Element I ,95 16,5 16,5 600,0 16,5 Bottom of FE Fuel Element Top of FE Gambar 10. Pemodelan bagian non bahan bakar arah aksial Pemodelan Teras Reaktor Pemodelan teras reaktor dilakukan dalam bentuk geometri 2 dan 3 dimensi. Pemodelan teras reaktor dalam bentuk gemometri 2 dimensi dapat dilihat pada Gambar 3. Sedangkan pembagian mesh pad a arah sumbu Z ditunjukkan pada Gambar 11. Angka pad a kolom paling kanan dari atas ke bawah menunjukkan jarak tiap-tiap mesh dalam unit em untuk arah sumbu Z. Pada Gambar 11 juga dapat dilihat posisi masing-masing material yang dihitung dari mesh paling atas. Misalnya, untuk elemen bahan bakar dan elemen kendali, maka posisi arah sumbu Z adalah -5. Dan seterusnya, demikian juga untuk materiallainnya. 83

12 Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN (-3) () Beryllium : Standard Element Fuel... _.. I, (-7) (-5) I (-4) Shroud 0,45 (-5) (0) (-1)110,0 Core (-4) (-3) (( )(-4)., c-- (-2)(-"1) ) 1\-1-3 tu). Beryllium Block fo) \ Reflector.-L I{UJ 1 & 2 \. 1m f-- Element Ref/. 1,50 ~2,55 f-- 1,65 m2,20 2,805 4,50 1,15 5,395 10,0 2,745 Shroud l.jl ~1,65 i"so f-- R-Z 1,65 Gambar 11. Pemodelan arah aksial teras RSG-GAS 3.2. Perhitungan Parameter Neutronik Teras Setimbang RSG-GAS Perhitungan parameter neutronik yang meliputi reaktivitas lebih, reaktivitas batang kendali, dan panjang siklus operasi, teras setimbang RSG-GAS dilakukan dengan paket program SRAG. Sedangkan perhitungan reaktivitas xenon, dilakukan dengan paket program XenSam. Masing-masing perhitungan akan dijelaskan sebagai berikut Perhitungan Reaktivitas Lebih Teras Setimbang RSG-GAS Seperti disebutkan sebelumnya bahwa perhitungan reaktivitas lebih dan panjang siklus operasi teras setimbang RSG-GAS dilakukan dengan berbasis pad a data desain (SAR) dan data eksperimen. Urutan perhitungan reaktivitas teras tersebut adalah sebagai berikut: (1) Validasi hasil perhitungan parameter neutronik teras terhadap nilai data desain teras setimbang RSG-GAS (SAR-Oksida dan SAR-Silisida). (2) Perhitungan teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3SirAI kerapatan 2,96 guice, 3,55 gu/cc dan 4,8 gu/cc dengan syarat nilai reaktivitas saat EOG (End of Cycle) sama dengan perhitungan sebelumnya (1). Perhitungan (1) dan (2) dilakukan dengan modul GOREBN/HIST. (3) Validasi hasil perhitungan dengan data pengukuran operasi teras ke-45 RSG-GAS. (4) Perhitungan teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 2,96 guice, 3,55 gu/cc dan 4,8 gu/cc dengan syarat nilai reaktivitas saat EOG sama 84

13 Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, M.Eng) dengan perhitungan sebelumnya (3). Perhitungan (3) dan (4) tersebut dilakukan dengan modul ASMBURN Perhitungan Reaktivitas Batang Kendali Teras RSG-GAS Setelah diperoleh distribusi burn-up bahan bakar hasil perhitungan teras diatas, kemudian dilakukan perhitungan reaktivitas batang kendali teras RSG-GAS dengan urutan: (1) Validasi hasil perhitungan dengan hasil pengukuran reaktivitas batang kendali teras ke-1 RSG-GAS. (2) Perhitungan reaktivitas batang kendali teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 2,96 guice, 3,55 gu/cc dan 4,8 gu/cc. (3) Perhitungan reaktivitas batang kendali teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 4,8 gu/cc yang bahan bakarnya telah ditambah kawat kadmium dalam berbagai diameter. Perhitungan (1), (2) dan (3) dilakukan dengan modul CITATION Perhitungan Reaktivitas Xenon Teras RSG-GAS Perhitungan reaktivitas xenon dilakukan dengan paket program XenSam. Paket program XenSam adalah suatu paket program komputer yang di buat oleh R. Nabbi dari Jerman dengan menggunakan bahasa pemrograman Fortran 77[11J. Input data yang diperlukan untuk menghitung reaktivitas xenon dengan menggunakan paket program XenSam adalah 1. Nilai y (prosen jumlah atom yang dihasilkan per fisi) untuk atom I dan Xe 2. Nilai A (konstanta peluruhan) untuk atom I dan Xe. 3. Tampang lintang mikroskopis serapan Xe. 4. Faktor p yaitu persen pembagian antara tampang lintang mikroskopis atom Xe dengan tam pang lintang makroskopis serapan. 5. Daya reaktor (MW). 6. Faktor 0 yaitu fluks termal dibagi dengan daya reaktor. 7. Tampang lintang makroskopis fisi (L) 8. Waktu operasi reaktor (jam) dan waktu pemadaman (jam). 9. Time step (detik) yang dikehendaki. Dalam perhitungan reaktivitas xenon, sebagai inputan paket program XenSam yang berupa nilai y, ~si, Labs, Gabs, dan J untuk masing-masing bahan bakar silisdia didapatkan dari keluaran hasil perhitungan teras setimbang RSG-GAS dengan menggunakan paket program SRAC-ASMBURN. Nilai inputan tersebut ditunjukkan pad a Tabel 2. Sedangkan nilai A merupakan konstanta peluruhan yang nilainya sama untuk semua teras, yang juga ditunjukkan pad a Tabel 2. Kondisi perhitungan reaktivitas Xe dan Sm diasumsikan teras RSG-GAS beroperasi selama 48 jam dengan waktu padam selama 72 jam. Hasil keluaran perhitungan reaktivitas xenon dengan paket program XenSam tersebut berupa nilai reaktivitas xenon untuk kondisi xenon setimbang, puncak xenon dan peluruhan xenon sebagai fungsi waktu dan daya operasi. Perhitungan dilakukan terhadap kondisi teras sebagai berikut: (1) Teras ke-45 RSG-GAS pad a daya 18 MW. Hasil perhitungan dibandingkan dengan data eksperimen. (2) Teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 2,96 gu/cc 3,55 gu/cc dan 4,8 gu/cc pada daya 15MW dan 30MW. Perhitungan dilakukan dalam waktu operasi 48 jam dan waktu shutdown 72 jam. 85

14 Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN Tabel 2. Data inputan untuk perhitungan reaktivitas xenon untuk teras RSG-GAS Xe 8m Pm Teras RSG-GAS U3Si2-AI112] Parameter Labs Lrissi APm A8m cra Axe n/(cm2det) 2,7663E-03 6,3000E-02 2,1145E-10 1,0768E-02 AI y' [i 3,7700E+06 1,0906E-02 cm-1 5,5669E-03 2,8500E-05 2,0940E-05 3,0000E-06 1,0000E-20 9,077E+04 8m Xe 4,7079E+13 der1 % 8,7150E+04 barn 2,7764E+06 1,0891 3,0394E-10 1,1938E-02 1,0000E-20 3,0886E-03 2,0940E-05 3,0000E-06 6,3134E-02 5,9569E-03 2,8500E-05 3,5979E+13 7,2574E+04 2,4420E-10 2,8810E-03 3,5140E+06 6,3030E-02 1,1459E-02 1,0804E-02 3,55 5,7987E-03 4,2611E+13 4,8Unit gu/cc No 2,96 gu/cc 3.3. Penentuan Pola Pemuatan Bahan Bakar Untuk memperoleh panjang siklus operasi teras setimbang RSG-GAS yang optimal maka dilakukan penentukan pola pemuatan bahan bakar yang tepat. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 12-16, teras aktif RSG-GAS terdiri dari 64 kisi yaitu kolum horizontal dari kanan ke kiri kisi ditunjukkan dengan no. 3 S.d. no.10, dan kolum vertikal dari bawah ke atas kisi ditunjukkan dengan huruf A s.d H. Selain bahan bakar, juga terdapat 8 kisi yang digunakan untuk iradiasi yaitu 4 IP (B-6, 0-9, E-4, G-7), dan 4 CIP (06, 07, E6, E7). Jumlah elemen batang kendali adalah tetap sebanyak 8 kisi. Sedangkan jumlah elemen bahan bakar dan elemen berrylium bergantung pada pola pemuatan yang digunakan. Sehingga pola pemuatan bahan bakar teras setimbang RSG-GAS yang memungkinkan antara lain pola pemuatan 5/1-8 (teras A), pola pemuatan 6/1-7 (teras B), pola pemuatan 6/1 8 (teras C) dan pol a pemuatan 7/1-7 (teras 0). Secara umum pola pemuatan terse but dapat disimbulkan dengan huruf x/y-z. Huruf x dan y adalah jumlah elemen bahan bakar dan jumlah elemen kendali yang dilakukan penggantian pada tiap-tiap siklus operasi. Sedangkan huruf z adalah jumlah pembagian kelas fraksi bakar di dalam teras. Masing-masing pola pemuatan bahan bakar yang digunakan tersebut akan dijelaskan di bawah. Urutan penempatan/perpindahan bahan bakar setiap teras mengikuti alur sesuai dengan nomor yang tertera pada setiap kisi bahan bakar seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 12 s.d Gambar 16. Yaitu, bahan bakar FE > FE > FE > FE > FE 5.1, bahan bakar FE > FE > FE > FE > FE 5.2 dst Teras A (Pola pemuatan 5/1-8) Gambar 12 menunjukkan susunan teras A yaitu teras setimbang RSG-GAS dengan pola pemuatan 5/1-8. Teras A tersebut mempunyai 40 elemen bahan bakar dan 8 elemen batang kendali dengan jumlah total 48 bahan bakar. Karena terdapat 8 kelas fraksi bakar, maka setiap bahan bakar akan berada di dalam teras selama 8 siklus operasi. Selain bahan bakar, pada teras tersebut juga terdapat 8 elemen berillium yang terletak diposisi A-10, A-3, B-10, B-3, G-10, G-3, H-10 dan H-3. Untuk jumlah dan posisi iradiasi CIP/IP adalah tetap. 86

15 Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, M.Eng) H CE FE4.2 FE3.5 FE6.5 FE4.3 CIP CE4 CE5 CE6 CE CIP Be Be FE 1.1 G F E D C B A Gambar 12. Konfigurasi teras setimbang RSG-GAS dengan po/a pemuatan 5/1-8 (Teras A) Teras B (Po/a pemuatan 6/1-7) Gambar 13 menunjukkan susunan teras B yaitu teras dengan pola pemuatan 6/1-7. Karena dilakukan pembagian 7 kelompok (kelas) fraksi bakar bahan bakar, maka seharusnya seluruh bahan bakar berada didalam teras selama 7 siklus. Akan tetapi, karena jumlah total bahan bakar di dalam teras adalah 48, maka dilakukan strategi pemuatan seperti berikut ini. Elemen batang kendali dengan jumlah tetap yaitu 8, maka akan berada dalam teras selama 8 siklus. Kemudian, dari 6 elemen bahan bakar yang dimuatkan pada setiap siklus operasi, 2 di antaranya hanya berada di dalam teras selama 6 siklus. Sedangkan 4 lainnya selama 7 siklus. Oleh karena itu jumlah elemen bahan bakar kelompok fraksi bakar no.1 s.d. no.6 adalah sebanyak 7 bahan bakar, sedangkan kelompok fraksi bakar ke-7 adalah sebanyak 6 bahan bakar. H FE2.5 CE7IP FE6.2 FE4.2 FE4.3 CIP CE6 CE5 CE CIP Be Be G F E D C B A Gambar 13. Konfigurasi teras setimbang RSG-GAS dengan po/a pemuatan 6/1-7 (Teras B) 87

16 Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN Teras C (Pola pemuatan 6/1-8) Gambar 14 menunjukkan susunan teras C yaitu teras dengan pola pemuatan 6/1-8. Karena setiap bahan bakar berada di dalam teras selama 8 siklus, maka teras tersebut mempunyai 48 elemen bahan bakar dan 8 elemen batang kendali atau jumlah total bahan bakar adalah 56. Pada teras B tersebut dilakukan pengurangan sebanyak 8 elemen berillium. Posisi elemen berillium yang semula terletak pad a A-10, A-3, B-10, B-3, G-10, G-3, H-10 dan H-3. digantikan dengan bahan bakar. Untuk jumlah dan posisi iradiasi CIP/IP adalah tetap H G :':CIP::' :::CJP::: :- Ip :-: ::::lp:::: FE4.2 FE2.5 :-CIP::: CE6 CE4 CE1 cip FE 1.4 :.:IP: FE 5.5 H'~:: F E D C B A Gambar 14. Konfigurasi teras setimbang RSG-GAS dengan po/a pemuatan 6/1-8 (Teras C) Teras 0 (Pola pemuatan 7/1-7) Gambar 15 menunjukkan susunan teras 0 yaitu teras setimbang RSG-GAS yang menggunakan pola pemuatan 7/1-7. Pad a dasarnya bahan bakar dilakukan pembagian menjadi 7 kelompok fraksi bakar. Jumlah total bahan bakar yang berada di dalam teras adalah sebanyak 56 yang terdiri dari 48 elemen bahan bakar dan 8 elemen batang kendali. Untuk itu, elemen bahan bakar dibagi menjadi 7 kelompok fraksi bakar. Kkelompok fraksi bakar no.1 s.d. no.6 mempunyai jumlah bahan bakar sebanyak 7 unit. Kelompok fraksi bakar no.7 adalah sebanyak 6 unit bahan bakar. Pada saat penggantian bahan bakar, maka yang dikeluarkan dari dalam teras adalah 6 elemen bahan bakar dari kelompok ke-7 dan 1 elemen bahan bakar dari kelompok ke-6. Untuk seluruh elemen batang kendali akan berada di dalam teras sama selama 8 siklus operasi. 88

17 Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, M.Eng) H - CIP - CE4IP FE4.2 FE4.5 FE4.7 FE2.6 FE5.3 FE4.6 CE7 CE1 CE5 CE CIP FE 1.6 G F E D C B A Gambar 15. Konfigurasi teras setimbang RSG-GAS dengan pola pemuatan 7/1-7 (Teras OJ BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Parameter Neutronik Teras Setimbang RSG-GAS Tabel 3 menunjukkan perbandingan parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS pada daya 30 MW yang berbasis pad a data desain (SAR). Dari tabel tersebut dapat diketahui hash validasi paket program SRAC modul COREBN terhadap parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U30a-AI dan U3Si2-AI kerapatan 2,96 gu/cc. Hasil perhitungan menggunakan SRAC-COREBN menunjukkan bahwa dengan panjang siklus yang sama, maka tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan terhadap nilai kedua data desain, yaitu reaktivitas lebih (O,15%Llk/k dan 0,43%Llk/k), reaktivitas padam (-1,41%Llk/k dan -0,89%Llk/k) nilai total batang kendali (-0,35%Llk/k dan -2,55%Llk/k) maupun fraksi bakar buang (0,17% 2 5U dan 1,06% 235U).Untuk nilai reaktivitas batang kendali saat one stuck rod menunjukkan masih memenuhi kriteria keselamatan baik pada data desain (-2,2%Llk/k dan 1,75%Llk/k) maupun hash perhitungan (-0,67%Llk/k dan -2,69%Llk/k). 89

18 Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN Tabel 3. Perbandingan parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS pada daya 30 MW yang berbasis pad a data desain U3Oa-AI 64,70 - %Llklk 235U Parameter 48,5 10,49-13,86-14,15-16,41 2,08 2,00 2,27-1,75-0,67-2,69-4,70-3,89-5,59 2,96 9,16 9,05 8,73 56,00 53,53 54,94 32,60 32,95 33,20 45, ,70 25,14 26,33-15,10 59,87 69,20 76,76 2,35 2,47-1,01 9,55 U3Oa-AI U3Si2-AI 64,03 71,62 36,34-13,46-0,71-3,28 3,55 39,85 31,72 1,28 4,8 Data SAR[5,6] 23,30 31,30 Perhitungan Satuan gu/cc hari - - SRAC-COREBN -2,20-5,30 2,00-14,50 53,70 BOC 9,20 Reserve reactivity Selain itu, Tabel 3 juga menunjukkan hasil perhitungan parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 3,55 guicc dan 4,8 gu/cc. Seperti yang telah diketahui sebelumnya bahwa semakin tinggi kerapatan bahan bakar U3Si2-AI yang digunakan pada teras RSG-GAS, maka akan menghasilkan panjang siklus operasi yang semakin lama dan fraksi bakar buang yang semakin besar. Tetapi disisi lain, juga akan mengakibatkan reaktivitas lebih teras yang semakin besar. Sehingga kriteria keselamatan untuk teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 4,8 gu/cc tidak terpenuhi. Hal tersebut disebabkan karena reaktivitas batang kendali teras saat 'one stuck rod' bernilai positif. Tabel 4. Perbandingan parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS pada daya 15 MW yang berbasis pada data operasi 46,82 21,36 COREBN 42,48 10,758 4,80 8,134 42,91 12,226 54,60 95,45 70,08 26,86 3,55 57,56 34,15 34,05 2,962,96 42,48 8,116 7,826 45,98 37,12 22,08 28,06 - ASMBURN 8,150 42,48 21,23 27,81 47,16 ASMBURN[15j 27,91 Satuan % %Llk/k Teras gu/cc hari 235U Setimbang Eksp. Teras_45[13,14] Tabel 4 menunjukkan parameter neutronik teras ke-45 RSG-GAS hasil perhitungan dengan SRAC-ASMBURN dan data eksperimen/pengukuran. Hasil perhitungan reaktivitas lebih teras dengan modul ASMBURN tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan. Dengan berbasis hasil validasi tersebut, kemudian dilakukan perhitungan teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3SirAI kerapatan 2,96 guice, 3,55 gu/cc dan 4,8 gu/cc. Seperti halnya hasil perhitungan sebelumnya di atas, hasil perhitungan dengan modul ASMBURN juga menunjukkan nilai panjang siklus dan reaktivitas lebih yang semakin besar dengan semakin tingginya kerapatan bahan bakar U3Si2-AI yang digunakan. 90

19 Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, M.Eng) Tabel 5 menunjukkan perbandingan parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 3,55 gu/cc & 4,8 gu/cc hasil perhitungan antara paket program COREBN dan BATAN-2DIFF. Dari tabel tersebut dapat diketahui bahwa panjang siklus operasi teras RSG-GAS U3Si2-AI kerapatan 3,55 gu/cc dan 4,8 gu/cc hasil perhitungan kedua paket program komputer tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan, yaitu masing-masing dengan selisih 0,5 hari dan 1,9 hari. Demikian ju~a untuk fraksi bakar saat BOC/EOC den~an perbedaan masing-masing sebesar 0,48% 35U/O,65% 235U dan 2,11 % 235U/2,24% 2 5U. Reaktivitas lebih teras saat BOC, dingin, tanpa xenon hanya mengalami perbedaan 0,31 %.t.k/k dan 0,16%.t.k/k untuk RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI masing-masing dengan kerapatan 3,55 gu/cc dan 4,80 gu/cc. Untuk reaktivitas batang kendali saat one stuck rod, hasil perhitungan kedua paket program komputer menunjukkan nilai yang positiv pada RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 4,80 gu/cc. Tabel 5. Perbandingan hash perhitungan parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 3,55 gu/cc & 4,8 gu/cc - - %.t.k/k 235U SRAC- Parameter COREBN 32,5 76,76 36,34 45,31 10,49 COREBN 2,47 48,5-13,05-13,46 9,24-1,03-3,81-1,01 3,55 BATAN- 1,07 2,37 46,6 4,8 43,07 10,65 2DIFF[16] SRAC- 34,23 75,42 1,28 40,5 71,1 32,2 2DIFF[17] - 71,62 31,72 39,85Satuan gu/cc Nilai hari 69,20 2,35-15,10 64,03-3,28-0,71 BOC 9,55 Reserve reactivity 4.2. Reaktivitas Satang Kendali Teras RSG-GAS Tabel 6 menunjukkan perbandingan nilai reaktivitas batang kendali teras ke-1 RSG GAS antara data eksperimen dan hasil perhitungan dengan SRAC-CITATION. Dari Tabel 5 dapat diketahui bahwa nilai reaktivitas teras ke-1 RSG-GAS dengan kondisi batang kendali seluruhnya di atas, seluruhnya di bawah dan posisi kalibrasi terhadap satu batang kendali, tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan antara data eksperimen dan hasil perhitungan dan SRAC-CITATION. 91

20 Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN AS Tabel6. Perbandingan nilai reaktivitas batang kendali teras ke-1 RSG-GAS[18] -17,80 1, , , , , , , , JENDL.3.3 1, ,995 0,943 0, ,79 0, , , , , , , k-eff % ~k/k 1,088735Data - C/E k-eff 0,9997 0,998 Eksp. SRAC-CITATION JENDL.3.2 1,000 C/E 1,000 16,54 0,929 bank dalam mm) J DA06/C-8 Tabel7. Perbandingan hasil perhitungan reaktivitas batang kendali teras ke-1 RSG-GAS pada beberapa code Nama/letak 1, ,00812 SRACMCNP[19] 1, , , , , , , , , , , BATAN-3DiW2O] 0, , batang 0,9961,008 0,995 C/E 0,997 0,998 k-eff ± 0, , , , ,9997 1,007 1,005 0, , , ,998 kendali 1,000 0, , , Eksp. J DA06/C-8 92

21 Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, M.Eng) Tabel 7 menunjukkan perbandingan hasil perhitungan kekritisan teras dengan masing-masing posisi batang kendali. Dari tabel tersebut dapat diketahui bahwa hasil perhitungan pada SRAC code dan SATAN-3Diff code menghasilkan nilai faktor multiplikasi efekktive teras yang sedikit lebih kecil dari data pengukuran. Sedangkan pada MCNP code menunjukkan nilai yang sedikit lebih besar. Hal tersebut kemungkinan disebabkan karena SRAC code dan SATAN -3Diff code merupakan paket program yang bersifat deterministik. Sedangkan MCNP code merupakan paket program yang bersifat probabilistik. Gambar 16 menunjukkan perubahan reaktivitas batang kendali terhadap posisi bank (Zb/Z) pada teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI. Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa reaktivitas batang kendali mempunyai bentuk yang menyerupai huruf "S" atau sering disebut dengan kurva S batang kendali. Sentuk kurva tersebut sangat konsiten untuk teras setimbang RSG-GAS dengan kenaikan kerapatan bahan bakar U3Si2-AI yaitu dari 2,96 guice, 3,55 gu/cc dan 4,8 gu/cc. Hal tersebut disebabkan karena pengaruh perubahan fluks thermal yang serupa untuk ketiga bahan bakar. Yaitu pad a posisi di tengah teras terjadi perubahan fluks yang relatif besar. Sedangkan di bagian atas dan bawah teras hanya terjadi perubahan fluks yang relatif kecil. 15 I I I I +- I I - 2,96 gu/cc: I, I I I I ' I -. ':1 55 gu/.cc -, -, _ V, I -A- 4,80 gu/cc I Posisi Batang Kendali Z(B) / Tinggi Teras Z Gambar 16. Pengaruh tingkat muat bahan bakar terhadap profil aksial reaktivitas batang kendali teras setimbang RSG-GAS Tabel 8 menunjukkan perbandingan hasil perhitungan reaktivitas teras setimbang RSG-GAS saat kondisi batang kendali 'one stuck rod antara nilai yang berbasis data desain (SAR) dengan data operasi teras RSG-GAS. Dari tabel tersebut dapat diketahui bahwa hasil perhitungan yang berbasis pada data operasi menunjukkan nilai yang lebih besar dibandingkan dengan yang berbasis data desain. Untuk teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3SiTAI kerapatan 2,96 gu/cc masih memenuhi kriteria keselamatan. Sedangkan teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3SiTAI kerapatan 3,55 gu/cc dan 4,8 gu/cc tidak memenuhi kriteria keselamatan. Untuk itu, kemudian dilakukan penelitian tentang reaktivitas batang kendali teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3SiTAI kerapatan 4,8 gu/cc dengan penambahan kawat kadmium pada sisi tiap pelat bahan bakar, seperti yang akan ditunjukkan pada Tabel 8 di bawah. 93

22 Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN Tabel 8. Reaktivitas teras setimbang RSG-GAS sa at kondisi one stuck rod batang kendali (% llk/k) -1,35-1,20-1,31-1,12-1,13-0,98 4,01 4,32 4,80gU/cc 3,95-0,71 3,73-0,82-2,27-0,13-1,19 3,84-0,84 3,69-1,54-0,95 4,11-2,48-0,35-1,05 3,89 U3SirAI U3Si2-AI 2,96gU/cc 3,55gU/cc 0,69 0,59 0,66 0,54 0,65 0,83 1,18 0,48 0,58 1,04 0,68 1,28-2,69-3,13-3,02-3,81-4,68-4,47-2,83-3,63 (SRAC-COREBN) U3Si2-AI Berbasis Berbasis (SRAC-CITATION)121J SARdata operasi Beberapa penelitian tentang reaktivitas batang kendali juga telah dilakukan sebelumnya, antara lain dengan cara penambahan batang kendali pengaman (BKP)116]dan penyampuran racun dapat bakar Gd203122]. Oalam penelitian ini, dilakukan perhitungan reaktivitas batang kendali teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 4,8 gu/cc dengan penambahan kawat kadmium. Perubahan reaktivitas teras dengan kondisi batang kendali 'one stuck rod terhadap besarnya diameter kawat kadmium dapat dilihat pada Tabel 9. Oari tabel tersebut dapat diketahui bahwa teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 4,8 gu/cc dapat dioperasikan secara aman dengan memenuhi kriteria keselamatan, jika ditambahkan kawat kadmium pada tiap sisi pelat bahan bakarnya minimal dengan diameter 0,7 mm. Tabel 9. Perubahan reaktivitas batang kendali (% llk/k) pengaruh besarnya diameter kawat kadmium[23] li (d1-0,78 11,98 Tanpa (d3=0,85mm) -1,73-1,29-1,34 7,35-1,14-1,57-1,47-3,12-0,43-0,55-0,30-0,03-0,28-0,19-1,91-0,01 =0,55mm) -2,57-3,20-2,48-3,04-2,68-3,25-2,29-2,91-2,41-3,00-2,02-2,82 6,42 5,91-2,04-2,60-1,63-2,15 (d4=0,95mm) -4,22-4,67 0,26 (d2=0,7mm) 4,25 3,84 4,51 4,13 4,07 4,12 3,89 8,35 2,54 Cd Kondisi Batang Reaktivitas batang kendali 4.3. Reaktivitas Negatif Xenon Teras Setimbang RSG-GAS Tabel 10 menunjukkan perbandingan reaktivitas negatif xenon antara data hasil pengukuran (ekperimen) yang telah ada dan nilai hasil perhitungan dengan paket program XenSam. Oari tabel tersebut dapat diketahui bahwa perhitungan reaktivitas xenon setimbang dan peluruhan xenon dengan paket program XenSam tidak menunjukkan perbedaaan harga yang signifikan dibandingkan dengan hasil pengukuran. Oemikian juga untuk lamanya waktu mati reaktor juga menunjukkan nilai yang hampir sama. 94

23 Analisis parameter neutronik teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar... (Jati Susilo, MEng) Tabel 10. Perbandingan reaktivitas negatif xenon hasil perhitungan dan pengukuran pada teras ke-45 RSG-GAS pada daya 18 MW[12] 65,65 12,248 PengukuranPerhitungan$ (ekstrapolasi) 4,058 48,00 20,07 0,7550,760 65,65 9,824,060 48,00 20,22 10,47 12,791 jam Unit $ Perbandingan hasil perhitungan reaktivitas xenon negatif setimbang, puncak xenon, dan peluruhan xenon teras setimbang RSG-GAS berbahan bakar U3Si2-AI kerapatan 2,96 guice, 3,55 gu/cc dan 4,80 gu/cc pad a daya 15 MW dan 30 MW ditunjukkan pada Tabel 11 dan Gambar 17. Dari tabel dan gambar tersebut dapat diketahui bahwa pada daya yang sama (15MW) kenaikan kerapatan bahan bakar U3SirAI dari 2,96 gu/cc menjadi 3,55gU/cc dan 4,8gU/cc akan mengakibatkan sedikit penurunan pad a nilai reaktivitas negatif xenon setimbang yaitu sekitar 0,075% dan 0,214%. Setelah mencapai xenon setimbang yaitu operasi teras selama 48 jam, kemudian dilakukan pemadaman teras reaktor. Sesaat setelah reaktor padam, terdapat perbedaan yang menyolok pad a reaktivitas negatif sa at puncak xenon. Semakin tinggi kerapatan bahan bakar justru akan menyebabkan reaktivitas negatif puncak xenon yang semakin kecil, yaitu dari 9,533% menjadi 8,163% dan 6,345%. Setelah mencapai puncak, maka akan terjadi peluruhan atom Xe hingga mencapai kondisi mendekati jenuh pada saat yang sama yaitu sekitar 72 jam setelah teras shut-down atau dengan kata lain reaktivitas xenon menunjukkan nilai yang hampir sama. Tabel11. Perbandingan reaktivitas negatif xenon teras setimbang RSG-GAS[12] 31,84-19,63-2,96 9,63 0,52 14,98 18,41 0,75 4,80 2,98 15,25 0,33 3,55 2,88 2,73 3,16 3,11 8,25 6,41 11,63 1,01 0,45 1,20 Daya 2,96 - teras 15 Unit MW Parameter DayagU/cc jam teras % 30 MW 95