PENGARUH DAYA TERHADAP UNJUK KERJA PIN BAHAN BAKAR NUKLIR TIPE PWR PADA KONDISI STEADY STATE

Transkripsi

1 PENGARUH DAYA TERHADAP UNJUK KERJA PIN BAHAN BAKAR NUKLIR TIPE PWR PADA KONDISI STEADY STATE EDY SULISTYONO PUSAT TEKNOLOGI BAHAN BAKAR NUKLIR ( PTBN ), BATAN edysulis@batan.go.id ABSTRAK PENGARUH DAYA TERHADAP UNJUK KERJA PIN BAHAN BAKAR NUKLIR TIPE PWR PADA KONDISI STEADY STATE. Telah dilakukan analisis pengaruh daya terhadap unjuk kerja pin bahan bakar tipe Pressurized Water Reactor (PWR) dengan mengatur posisi jarak pin elemen bakar terhadap teras reaktor. Dalam rangka pengembangan teknologi bahan bakar nuklir untuk reaktor daya dan pemanfaatan fasilitas Power Ramp Test Facility ( PRTF ) telah dilakukan perencanaan, pembuatan pin untuk diuji agar mendapatkan pengakuan layak pakai dan aman dioperasikan sebelum dan selama diiradiasi di RSG-GAS. Metode analisis menggunakan program FEMAXI-V berdasarkan panas yang dihasilkan oleh pin elemen bakar pada posisi tertentu, panas yang dihasilkan dapat menentukan daya yang terbangkitkan. Daya terjauh dari posisi teras reaktor adalah 43,13 W/cm dan terdekat 129,38 W/cm. Pengaruh waktu iradiasi dan daya ( linear heat rate ) yang diberikan dapat mempengaruhi unjuk kerja pin bahan bakar terhadap proses termal. Hasil analisis menggunakan program FEMAXI-V dengan simulasi posisi pin atau daya ( linear heat rate ) pada jarak 0; 40; 60; 100; 200; 300 mm menunjukkan bahwa makin tinggi daya yang diberikan atau makin dekat posisi pin terhadap teras makin besar burnup yang dihasilkan. Bila dilihat dari temperatur yang dihasilkan di posisi pusat pelet dan posisi permukaan luar pelet kearah radial dengan variasi daya ( linear heat rate ) 43,13 W/cm; 56,25 W/cm; 77,50 W/cm; 86,25 W/cm; 107,81 W/cm dan 129,38 W/cm masih stabil kenaikkan temperatur, namun untuk waktu iradiasi 38085,6 jam terjadi peningkatan temperatur secara drastis pada linear heat rate 129,38 W/cm. Hal ini dapat mengakibatkan penurunan kualitas terhadap unjuk kerja pin bahan bakar kemungkinan disebabkan terbentuk produk gas fisi. Kata kunci : elemen bakar nuklir, pin, kelongsong, pelet I. PENDAHULUAN Dalam rangka pengembangan teknologi bahan bakar nuklir dan perluasan sarana litbang iptek nuklir. Di Serpong telah dibangun berbagai fasilitas dan instalasi nuklir antara lain Instalasi Elemen Bakar Eksperimental (IEBE) merupakan instalasi untuk pengembangan dalam pembuatan elemen bakar reaktor daya dan Reaktor Serba Guna GA Siwabessy merupakan fasilitas lengkap dan menjadi pusat kegiatan ketenaganukliran BATAN di Serpong termasuk kegiatan pengujian hasil penelitian pengembangan teknologi dalam hal pembuatan bahan bakar untuk reaktor daya maupun 1

2 Pengaruh Daya Terhadap Unjuk Kerja PIN Bahan Bakar Nuklir Tipe PWR Pada Kondisi Steady State (Edy Sulistyono) ISSN reaktor riset. Reaktor Serba Guna GAS didisain untuk beroperasi dengan daya 30 MW termal dan memiliki fluks 2,5 x n/cm 2.detik pada posisi di pusat terasnya. Berbagai fasilitas iradiasi tersedia antara lain Power Ramp Test Facility (PRTF). PRTF dimaksudkan untuk pengujian unjuk kerja bahan bakar simulasi produk elemen bakar reaktor daya berupa pin bahan bakar uji iradiasi untuk tipe Pressurized Water Reactor (PWR) yang dapat dibuat di Instalasi Elemen Bakar Ekperimen (IEBE). Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir BATAN. Agar mendapatkan pengakuan layak pakai dan aman dioperasikan di dalam reaktor perlu dilakukan analisis keselamatan terhadap fenomena fisika, mekanik dan kimia pada elemen bakar bahan uji sebelum dan sesudah di iradiasi. Untuk mengetahui fenomena tersebut dapat dilakukan dengan cara analisis terhadap bahan uji sebelum diiradiasi (uji tak merusak) dengan hasil kajian analisis paska iradiasi (uji merusak). Uji tak merusak dapat dilakukan dengan program kode komputer dan uji di fasilitas PRTF RSG-GAS sedangkan uji merusak dilakukan di fasilitas Instalasi Radio Metalurgi (IRM) PTBN paska iradiasi Salah satu contoh program analisis uji tak merusak dapat menggunakan kode komputer dan diperlukan suatu modelling elemen bakar. Program analisis yang dapat memberikan prediksi secara kualitatif, cukup detail terhadap bahan uji selama iradiasi adalah program FEMAXI-V [1] Program FEMAXI-V adalah suatu program yang mampu untuk memprediksi unjuk kerja termal dan mekanik terhadap pin bahan bakar uji selama kondisi steady-state dan transien. FEMAXI-V dapat menganalisis unjuk kerja dari pin bahan bakar secara keseluruhan sepanjang pin dan secara lokal dari sebagian kecil dari pin bahan bakar seperti terlihat dalam model geometri [2] pada Gambar 1, Gambar 2. Gambar 1 : Model Geometri Elemen Terbatas 2

3 ISSN Prosiding Seminar Pengelolaan Perangkat Nuklir Tahun 2013 PTBN-BATAN, Serpong 25 September 2013 sebelum uji iradiasi (pra iradiasi) sebagai berikut : Gambar 2 : Model Axisimetrik Elemen Terbatas ( Finite Element ) Program FEMAXI-V ini mampu menganalisis proses termal dan mekanikal baik pada pelet, kelongsong bahkan pada satu pin utuh. Atas dasar pemikiran tersebut diharapkan dapat memprediksi dan diperoleh parameter operasi terbaik atas kinerja pin elemen bakar sebagai dasar pengoperasian fasilitas PRTF aman dari segi keselamatan reaktor dan informasi kinerja elemen bakar hasil fabrikasi. II. METODOLOGI Metoda analisis pengaruh panas yang dibangkitkan dengan variasi daya ( linear heat rate/ LHR ) terhadap unjuk kerja pin bahan bakar tipe PWR pada kondisi steady state dengan tujuan untuk memprediksikan unjuk kerja elemen bakar dalam proses termal 1. Data input pin yang digunakan adalah data hasil fabrikasi pin bahan bakar uji yang dibuat di Bidang Bahan Bakar Nuklir (B3N)- PTBN atau data simulasi. Data hasil fabrikasi dapat ditunjukkan dalam Tabel Pengolahan data dengan program FEMAXI-V, 3. Simulasikan input data daya (LHR) kedalam program untuk kondisi steady state 4. Output data yang diperoleh dilakukan kajian dan analisis unjuk kerja pin hasil fabrikasi terhadap sifat termal, selanjutnya hasil kajian dapat dipakai sebagai bahan bahasan, evaluasi dan informasi perbaikan dalam pengoperasian fasilitas PRTF maupun fabrikasi elemen bakar. Tabel 1. Data hasil fabrikasi pin bahan bakar uji No Material Hasil ukur 1 Diameter Pelet 8,9 mm 2 Panjang pelet 9,4 mm 3 Diameter dish pelet 7,7 mm 4 Kedalaman dish atas pelet 0,32 mm 5 Kedalaman dish bawah pelet 0,32 mm 6 Fraksional densitas pelet 0,928 7 grain size 6,9 µm 3

4 Pengaruh Daya Terhadap Unjuk Kerja PIN Bahan Bakar Nuklir Tipe PWR Pada Kondisi Steady State (Edy Sulistyono) ISSN No Material Hasil ukur 8 Surface Rougness pelet 0,74 µm 9 Berat pelet 6,04 gram 10 Berat total pelet 205,27 gr 11 Diameter luar kelongsong 10,75 mm 12 Diameter dalam kelongsong 9,33 mm 13 Surface Rougness clad 0,30 µm 14 Panjang kelongsong 366,5 mm 15 Panjang total pin 446,3 mm 16 volume plenum 2376,4 mm 3 17 Tekanan gas He 1 bar 18 Leak test He < 10-8 mbar cc/dtk T2 = suhu air pendingin sekunder keluar kapsul, dalam O C Diperoleh hubungan antara posisi jarak kapsul ( pin ) terhadap teras dengan daya ( linear heat rate ) yang dibangkitkan ditunjukkan pada Gambar 3. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengamatan uji fungsi kemampuan yang pernah dilakukan di fasilitas PRTF diperoleh nilai suhu air pendingin masuk dan keluar kapsul, posisi kapsul dan laju alir air pendingin dalam kapsul sehingga panas terbangkitkan dalam pin dapat dihitung dengan persamaan : Q = m x c x (T2 T1) (1) dimana : Q = panas yang diambil oleh air pendingin sekunder, dalam KW m = jumlah aliran air pendingin sekunder, dalam kg/detik c = panas jenis air pendingin sekunder sebesar 4,1868 KW detik/kg o C 1] T1 = suhu air pendingin sukunder masuk kapsul, dalam o C Gambar 3. Hubungan antara jarak pin dari teras terhadap daya terbangkitkan Dari data diatas dapat diambil kesimpulan bahwa nilai daya terbangkitkan (linear heat rate) dipakai sebagai variabel dalam perhitungan analisis proses termal pada kondisi steady-state. Data masukan untuk perhitungan adalah data hasil fabrikasi pin seperti pada Tabel 1 dengan variasi linear heat rate seperti Gambar 3, mulai dari 43,13 W/cm; 56,25 W/cm; 77,50 W/cm; 86,25 W/cm; 107,81 W/cm dan 129,38 W/cm. 4

5 ISSN Prosiding Seminar Pengelolaan Perangkat Nuklir Tahun 2013 PTBN-BATAN, Serpong 25 September 2013 Hasil dari perhitungan menggunakan program FEMAXI-V bahwa pin diiradiasi dengan variasi daya terbangkitkan dengan kondisi steadystate menunjukkan terjadi peningkatan nilai burnup dapat ditunjukkan pada Gambar 4. Hasil perhitungan distribusi temperatur pada pusat pelet di node 5 dengan variasi daya yang diberikan dapat ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6 terlihat bahwa temperatur yang dibangkitkan pada pusat pelet dan pada permukaan pelet bagian luar di posisi waktu iradiasi 38085,6 jam terjadi peningkatan temperatur secara drastis pada posisi daya 129,38 W/cm. Gambar 5. Hubungan waktu terhadap temperatur pada pusat pelet Gambar 6. Hubungan waktu terhadap temperatur pada permukaan luar pelet Gambar 4 Hubungan waktu terhadap burnup Hasil perhitungan ke arah radial jarak gap antara pelet dan kelongsong pada step 117 burnup mencapai 39362,4 MWD/TUO 2 dengan waktu iradiasi yang sama yaitu 38085,6 jam terlihat untuk daya 129,38 W/cm jarak gap antara pelet dan kelongsong terjadi perubahan secara drastis atau semakin dekat jarak antara pelet dan kelongsong dapat ditunjukkan pada Gambar 7. Hal 5

6 Pengaruh Daya Terhadap Unjuk Kerja PIN Bahan Bakar Nuklir Tipe PWR Pada Kondisi Steady State (Edy Sulistyono) ISSN ini mengindikasikan bahwa dengan terjadi peningkatan temperatur dan burnup berdampak terjadinya perubahan dimensi pelet kemungkinan terjadi pemuaian pelet ( swelling pada pelet) yang disebabkan karena terbentuknya produk gas fisi. Gambar 7. Hubungan waktu terhadap jarak gap antara pelet dan kelongsong IV. KESIMPULAN Evaluasi data keluaran dari program FEMAXI-V dari data masukan pin hasil fabrikasi dengan variasi linear heat rate berturut-turut 43,13 W/cm; 56,25 W/cm; 77,50 W/cm; 86,25 W/cm; 107,81 W/cm dan 129,38 W/cm menunjukkan bahwa makin tinggi daya yang diberikan atau makin dekat posisi pin terhadap teras makin besar burn-up yang dihasilkan. Bila dilihat dari temperatur yang dihasilkan pada posisi pusat pelet dan pada permukaan luar pelet kearah radial dengan perhitungan waktu yang sama 38085,6 jam terlihat pada linear heat rate 129,38 W/cm terjadi peningkatan drastis dari 595,9 o C menjadi 1162,2 o C sekitar 195 %. Kenaikan temperatur secara drastis dapat berpengaruh terjadi pemuaian/ retakan pada pelet terbukti semakin kecil gap antara pelet dan kelongsong yang dapat berakibat terjadi interaksi antara pelet dan kelongsong yang mempengaruhi penurunan kualitas terhadap unjuk kerja pin bahan bakar. Hal ini kemungkinan disebabkan karena terbentuknya produk gas fisi dapat berakibat terjadinya swelling, creep, cracking baik pada pelet maupun kelongsong. Sedangkan pada linear heat rate 107,81 W/cm menunjukkan peningkatan cukup stabil dan aman untuk dioperasikan di PRTF. V. SARAN Makin tinggi daya yang terbangkitkan pada kondisi operasi steady-state dan dioperasikan langsung pada LHR tinggi atau dekat teras dapat berakibat terjadi lonjakkan produk gas fisi. Untuk menanggulangi hal tersebut perlu dikaji dan evaluasi terhadap 6

7 ISSN Prosiding Seminar Pengelolaan Perangkat Nuklir Tahun 2013 PTBN-BATAN, Serpong 25 September 2013 pengaruh jumlah produk gas fisi yang dihasilkan, pengaruh proses mekanik terhadap pelet dan kelongsong atau dilakukan analisis dengan simulasi kondisi operasi transien yaitu menaikan dan menurunkan daya atau pergerakan jarak antara pin dan teras pada waktu tertentu atau sistem ramp test dengan menaikkan daya dalam waktu singkat. of Fuel Rods, JAERI Fuel Reliability Laboratory CRC Research Institute, Inc, Dec EDY SULISTYONO, Analisa Unjuk Kerja Elemen Bakar Reaktor Daya Jenis LWR ( Light Water Reactor), Buletin Reaktor Serba Guna TRI DASA MEGA vol 3 no 1, Maret VI. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada bapak Tri Yulianto, bapak Eddy Indarto, bapak R.Suryadi dan anggota tim yang telah banyak membantu pekerjaan analisis VII. DAFTAR PUSTAKA 1. HARI SUDIRDJO, Uji Fungsi Power Ramp Test Facility ( PRTF) RSG-GAS Paska Perbaikan, Proseding Seminar Penelitian dan Pengelolaan Perangkat Nuklir PTAPB, Juli SUZUKI MOTOE, FEMAXI-V : A Computer Code for the Analysis of Thermal and Mechanical Behavior of Fuel Rods, JAERI, Dec ANONIM, FEMAXI-IV : A Computer Code for the Analysis of Thermal and Mechanical Behavior TANYA JAWAB Eric Johneri 1. Kesimpulan no 1 sebaiknya tidak ada disitu, justru ada di pembahasan. 2. Kesimpulan no 2 terjadi lonjakan kenapa?. ini yang harus dibahas lebih lanjut!, kalimat makin besar waktu pada abstrak maksudnya apa? Edy Sulistyono 1. Terima kasih atas usulan koreksinya. 2. Alasannya telah diuraikan pada pembahasan yaitu kemungkinan disebabkan terbentuk produk gas fisi dan terbukti terjadi perubahan dimensi pelet. Dalam kalimat makin besar waktu dan burnup salah ketik, yang benar makin besar burnup, kalimat waktu dan telah kami revisi dan terima kasih atas koreksinya. 7