IMPLEMENTASI PROGRAM TEMPUL UNTUK PER- HITUNGAN DISTRIBUSI SUHU RADIAL P ADA ELEMEN BAKAR REAKTOR TRIGA SETELAH PULSA

Transkripsi

1 Suwoto ISSN IMPLEMENTASI PROGRAM TEMPUL UNTUK PER- HITUNGAN DISTRIBUSI SUHU RADIAL P ADA ELEMEN BAKAR REAKTOR TRIGA SETELAH PULSA Suwoto Pusat Pengembangan Sistem Reaktor Maju -BATAl'I ABSTRAK IMPLEMENTASI PROGRAM TEMPUL UNTUK PERHITUNGAN DISTRIBUSI SUHU RADIAL PADA ELEMEN BAKAR REAKTOR TRIGA SETELAH PULSA. Program TEMPUL merupakan program satu dimensi yang dapat digunakan untuk menghitung distribusi suhu radial pada elemen bakar reaktor TRIGA sesaat setelah terjadinya pulsa. Kajian terhadap program TEMPUL dikerjakan untuk perhitungan distribusi su.hu radial pada elemen bakar TRIGA dengan menganggap ada tidaknya celah (gap) antara elemen bakar don kelongsong. Tiga ripe perhitungan distribusi suhu dilakukan dengan menganggap gap tersebut sebagai kantak langsung, gap berisi udara maupun berisi gas helium. Kanal pendingin diasumsikan berbentuk segitiga. Hasil perhitungan menunjukkan kenaikan suhu radial batang elemen bakar yang relatif tinggi pada perhitungan tanpa gap don dengan gap yang berisi helium dibanding dengan perhitungan dengan gap yang berisi udara pada detik ke-j setelah pulsa terjadi pada batang zirkonium (radius 0.3/75 cm), interface elemen bakar-kelongsong (radius /.82245). Kenaikan suhu rata-rata kelongsong T clad don T wall secara drastis terjadi pada satu detik pertama setelah pulsa hingga mencapai maksimum sekitar 500 'C pada bagian alas teras hila dilakukan perhitungan tanpa gap atau gap berisi helium. Kata kunci : reaktor TRIGA. mode operasi pu/sa dan program TEMPUL ABSTRACT IMPLEMENTATION OF TEMPUL CODE ON CALCULATION OF RADIAL TEMPERATURE DISTRIBUTION IN TRIGA FUEL ELEMENT AFTER PULSE. TEMPUL is one dimensional computer code for calculating radial fuel temperature distribution in a fuel immediately after the pulse. Implementation of TEMPUL code was performed to calculate of radial temperature distribution on TRIGA fuel element. tne gap between fuel element and cladding is treated to be in contact (without gap), gap is filled with air and gap is filled with helium gas, respectively. Equilateral triangular arrangement coolant channel is assumed. The calculated results on calculation of radial temperature distribution in TRIGA filel element immediately after the pulse occur relatively high ascending tendency in zirconium rod (radius cm) andfilel element-cladding interface (radius cm) at the first second after pulse with no gap and gap filled with helium gas treatm"ent. Rising of cladding and interface between cladding and coolant average temperature reach up to 500 'C drastically occur in the first second after the pulse. Keywords: TRIGA reactor, pulse mode and TEMPUL code PENDAHULUAN R eaktor Triga Mark II dirancang dan dilengkapi dengan instrumentasi untuk meneliti dan mengkaji pengoperasian dengan mode pulsa. Reaktor pada mulanya dibuat kritis pada daya rendah dengan batang pengendali transien (transient rod). Batang kendali transien ini dirancang sedemikian rupa sehingga secara pneumatik dapat ditarik keluar dalam waktu yang singkat. Dengan penarikan batang kendali transien tersebut secara tiba-tiba daya reaktor akan naik secara cepat pula yang mengakibatkan kenaikan pada suhu elemen bakar. Atau dengan kata lain dapat juga operasi pulsa ini dilakukan dengan penambahan reaktivitas lebih (excess reactivity). Kenaikan daya maksimum ini dapat dicapai dalam beberapa mili detik yang mengakibatkan kenaikan suhu pada elemen bakar. Untuk itulah dipandang penting untuk mengetahui karakteristik distribusi suhu elemen bakar yang terjadi setelah diberikan pulsa dengan menggunakan program TEMPUL. Program TEMPUL(') merupakan program 1- dimensi yang dapat digunakan untuk menghitung distribusi suhu radial pada elemen bakar sesaat Prosiding Pertemuan dan Presentasl IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir

2 ISSN Suwala setelah terjadinya pulsa p'ada reaktor TRIGA. Program ini telah dikembangkan untuk menganalisis kondisi pendidihan kritis dad DNB (Departure from Nucleate Boiling) pacta teras reaktor TRIGA setelah kondisi transien. Dari distribusi suhu radial awal pacta batang elemen bakar (fuel rod) setelah pulsa terjadi, yang mempunyai hubungan proporsional terhadap distribusi daya, program TEMPUL ini menghitung distribusi suhu pacta elemen bakar, suhu pacta kelongsong (cladding) bagian luar dad dalam serta suhu pendingin (bulk coolant temperature) sebagai fungsi waktu setelah terjadinya pulsa pacta teras reaktor tersebut. Program TEMPUL ini dapat juga digunakan untuk menganalisa pulsa reaktor pacta teras reaktor TRIGA yang berbeda, seperti teras campuran yang menggunakan salah satu tipe elemen bakar yang disebutkan di atas. Dengan modifikasi program dapatjuga digunakan untukjenis elemen bakar yang lain lagi. Meskipun program.tempul ini dapat digunakan secara terpisah (stand alone), namun lebih baik jika dikombinasikan dengan program PULSTRI(2). Karena program PULSTRI ini dapat menghitung suhu elemen bakar maksimum pada suatu pulsa reaktor TRIGA dengan pendekatan Fuch-Hansen adiabatik. Suhu maksimum elemen bakar yang dihasilkan oleh PULSTRI tersebut dapat digunakan sebagai data masukan awal pada program TEMPUL. Program TEMPUL ditulis oleh A. Trkov dari Nuclear Data Section IAEA dengan bahasa Fortran- 77 yang dapat bekerja baik di komputer main-frame VAX maupun personal komputer (PC). Sebagai informasi tambahan untuk menganalisis secara lengkap selama 400 detik setelah transien dibutuhkan waktu perhitungan pada komputer PC Pentium sekitar 3-4 menit. DESKRIPSI TEMPUL SINGKAT PROGRAM Program TEMPUL menyelesaikan persamaan difusi untuk perpindahan panas 1 (satu) dimensi pada geometri silinder dengan menggunakan metoda beda hingga (finite difference) sbb:. dimana }. : konduktivitas tennal (W/cm 'C), p : densitas material (g/cm), cp : kapasitas panas jenis (J/gOC), q : source strength termal volumetrik (W/CM), T : suhu (OC), r : radius (cm). Semua koefisien pacta persamaan di atas (densitas, panas jenis dan konduktivitas termal merupakan fungsi suhu dan material yang digunakan. Oalam program TEMPUL sifat-sifat tersebut diberikan dalam bentuk tabel. Pacta pendekatan adiabatik diasumsikan bahwa selama pulsa berlangsung perpindahan panas dari elemen bakar ke pendingin diabaikan. Sesuai dengan asumsi ini, distribusi suhu di dalam sebuah elemen bakar selama pulsa real<tor dan sesaat setelah pulsa berlangsung adalah proporsional terhadap distribusi daya di dalam elemen bakar. Suhu elemen bakar puncak terjadi pacta interface elemen bakar -kelongsong (batas antara elemen bakar -kelongsong) dan bukan bagian tengah seperti pacta kondisi mantap (steady state). Sehubungan dengan energi yang dilepaskan selama pulsa berlangsung, maka suhu di batang elemen bakar akan naik. Suhu tersebut akan mencapai maksimum pacta akhir pulsa ketika sebagian besar energi telah dilepaskan. Oalam sebuah model yang digunakan untuk menghitung suhu elemen bakar dan kelongsong setelah pulsa, besamya distribusi suhu pacta waktu pulsa tersebut adalah proporsional (sebanding) dengan distribusi sumber panas (source strength). Oari panas yang dibangkitkan pacta saat pulsa qo (r) (pendekatan fungsi -0) dan dengan asumsi bahwa distribusi suhu pacta sebuah batang elemen bakar sebelum pulsa berlangsung adalah seragam (T(r.t < 0) = TO), maka distribusi suhu sesaat segera setelah pulsa dapat dihitung dengan: 1=0 T(r,0) = qo(r)/ [p(r, T)cp(r, T)] + untuk t > 0 sumber panas internal adalah nol dan persamaan diferensial menjadi homogen: 1>0 ijt(r, I) V,[}.(r, T)V,T(r,I)] = p(r, T)cp(r, T) (2) V,[It(r, 7') V, T(r,I)] = p(r, 7')cp(r, 7')l ot Dua kondisi batas harus didefinisikan. Jika pusat dari sistem koordinat koinsiden (sinkron) dengan (1) Proslding Pertemuan dan Presentasl IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir

3 Suwala ISSN pusat batang elemen bakar, maka kondisi batas pertama didetinisikan sebagai: v, T(r,t)!,:o = 0 (3) Kondisi barns kedua didetinisikan oleh suhu pada bagian luar permukaan elemen bakar yang berhubungan dengan pendingin. Kondisi ini tidak dapat diterangkan secara jelas, karena suhu pada permukaan elemen bakar T wall tergantung pada suhu pendingin clan juga fluks panas jout yang melewati permukaan elemen bakar. Pada program TEMPUL penentuan krisis pendidihan didasarkan pada kurva yang digunakan oleh General Atomic seperti terlihat pada Gambar 1(3). Penentuan terjadinya krisis pendidihan didasarkan formula empiris hubungan T wall,jout clan suhu pendingin serta data eksperimen(4.s). Dua tire kanal pendingin yang digunakan pada program TEMPUL adalah masing-masing berbentuk segitiga (triangular coolant channel) clan segiempat (square coolant channel). Ada dua tipe perlakuan diterapkan pada interface an tara elemen bakar dan kelongsong. Pertama interface diperlakukan sebagai kontak sehingga tanpa adanya celah (gap) dan kedua interface diperlakukan mempunyai celah (gap) dengan jarak tertentu yang berisi gas helium atau udara pada suhu mango MODEL TERAS REAKTOR TRIGA MARK II Model teras reaktor TRIGA MARK II yang dianalisis bergeometri silinder yang berisi elemen bakar baru (fresh fuel) yang tersusun dari elemen bakar yang dipakai adalah STANDARD dengan 12 w/o U dengan pengayaan 20% (STD-12) dan empat elemen batang kendali. Elemen bakar dan balling kendali tersebut ditempatkan pada 6 (enam) cincin (ring) A sampai dengan F. Untuk susunan konfigurasi teras secara rinci dapat dilihat pada Gambar 2. Kondisi teras reaktor pada daya penuh 250 kwth. Skenario terjadinya pulsa diasumsikan sebagai berikut; keadaan suhu elemen bakar maksimum terjadi pada suhu 700 DC. Sebelum pulsa terjadi, reaktor dalam keadaan (padam) shutdown, sehingga seluruh tangki reaktor berada dalam suhu ruang. Analisa dilakukan dengan kanal pendingin dianggap berbentuk segitiga yang dikelilingi oleh elemen bakar tipe standar 12 w/o U dengan pengkayaan 20% (STD-12). Kecepatan aliran pendingin sekitar 9 cm/detik. Perhitungan distribusi suhu elemen bakar setelah pulsa dilakukan dengan 3 (tiga) perlakuan terhadap interface, yaitu: Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Juni 2002

4 r l' '14- G) 'IT I 'd "T I (:;'\ 0,wr fd) "R" \d,a.. t"; I -'. ' r., (;;;'\ pia 'd..,, @@ A (;;;'\!PP'\ rl....ca '.. r @(;;"o r':;;;:'\ {""\. r;-i\..-;,. (";;'\ \.::!..I -. f'i';:;"o y (I, I '\ C;) '0 l.;:) '" a Keterangan :. CK : Central Channel/Pneumatic Post OK : Kanal iradiasi K,V,R pp Retlektor Batang Kendali Pneumatic Post Grafit dan Air Gambar 2. Tampang lintang horisontal model teras TRIGA MARK dengan elemen bakarstandard-/2 dengan nomor identifikasinya(6). Antara elemen bakar dan kelongsong (interface) dianggap "kontak" sehingga tanpa adanya celah (gap), sehingga antara bahan-kelongsong terjadi kontak langsung. Antara elemen bakar dan kelongsong (interface) dianggap mempunyai celah (gap) yang diisi dengan udara. -Antara elemen bakar dan kelongsong (interface) dianggap mempunyai celah (gap) yang diisi dengan gas He. Parameter lainnya yang digunakan dalam perhitungan pulsa dapat dilihat pada Tabel I. Dalam makalah ini akan ditampilkan hasil perhitungan dengan tanpa gap dan gap berisi udara. Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir

5 Suwoto ISSN HASIL DAN PEMBAHASAN Dari skenario terjadinya pulsa dengan suhu elemen bakar maksimum 700 DC dan ketiga perlakukan yang diterapkan pacta interface elemen bakar dan kelongsong, telah diperoleh distribusi suhu rata-rata untuk elemen bakar Tfuel, kelongsong T clad, interface fuel-cladding Tfuel-clad, pendingin T coolant bulk, dan suhu sisi luar kelongsong Icladding T wall setelah pulsa untuk kondisi tanpa gap dan gap diisi dengan udara seperti terlihat pacta Gambar 3 dan 4. Suh\l Tw... T T,..." Td" T«hpuJ$.,1);)0 "., tro:! -- -""-" :::;:"..:'" 'P, f;i I P} 100 No -r-pa. to-,," I O.fJ '100 1 WaktiA. j (dii").",- ".,.-' Gambar 3. Suhu rata-rata elemen bakar Tfuel. kelongsong T clad, interface fuelcladding Tfuel-clad. pendingin T coolant bulk. dan suhu sisi luar cladding T wall setelah pulsa untuk kondisi tanpa gap pada ketinggian 38,1 cm. to &uhu T T T Tda9'j T_8itt\3iahpulsa " ",.,.,,. '""" 1O\X p- I ".'., -- : T-.."-.-"-- T- T- / r " """, ', '"\ ", '" \.\ "-."" ',\ " '.'",.,,',..,, '... ",.'." ;I """", 100 1Gj"-, ""'_0.:10 ooot 0.01 o.f w.ktu. t I"I unr- Gambar 4. Suhu rata-rata elemen bakar Tfuel. kelongsong T clad. interface fuelcladding Tfuel-clad. pendingin T coolant bulk. dan suhu sisi luar cladding T wall untuk kondisi gap diisi dengan udara pada ketinggian 38.1 cm.

6 ISSN Suwala Oari basil perhitungan tanpa gap antara elemen bakar dad kelongsong yang terlihat pada Gambar 3 sampai detik pertama setelah pulsa terjadi kenaikan yang sangat drastis pada T clad dan T wall hingga mencapai maksimum sekitar 500 C pada bagian alas teras. Hal ini bisa dijelaskan pula dengan adanya kenaikan distribusi suhu radial pada batang elemen bakar yang relatif sangat cepat sekali pada 1 (satu) detik pertama setelah pulsa terjadi, sehingga akan mempengaruhi suhu kelonong Tclad dan Twall. Sedangkan kenaikan suhu pendingin rata-rata terjadi setelah 1 detik pertama setelah pulsa hingga perhitungan pulsa selesai dad terjadi "spike" (pemuncakan) pada detik ke-200 pada kedua perhitungan diatas yang disebabkan oleh adanya penyerapan energi maksimum yang terjadi pada bagian alas teras reaktor oleh pendingin. Hasil serupa juga akan dijumpai hila perhitungan di alas dengan gap berisi gas helium. Sedangkan perhitungan dengan gap yang berisi udara pada suhu ruang (20 C) memberikan basil seperti terlihat pada Gambar 4 bahwa kenaikan suhu rata-rata kelongsong T clad dan suhu sisi luar kelongsong T wall tidak setinggi pada perhitungan dengan tanpa gap atau gap yang berisi helium. T clad dan T wall hanya mencapai suhu maksimum sekitar 150 C. Sedangkan kenaikan suhu pendingin rata-rata yang relatif tinggi terjadi setelah 1 detik pertama setelah pulsa hingga perhitungan pulsa selesai. Hal ini dikarenakan panas yang dibangkitkan oleh elemen bakar selama pulsa berlangsung akan diserap pendingin clan kemu'dian akan dipindahkan lagi secara konveksi alamiah panas oleh pendingin pula. Hasil perhitungan distribusi suhu radial elemen bakar dengan tanpa gap memberikan seperti tampak pacta Gambar 5. Dengan distribusi suhu radial batang elemen bakar seperti itulah akan mengakibatkan suhu rata-rata elemen bakar Tfuel, kelongsong T clad, interface fuel-cladding Tfuelclad, pendingin T coolant bulk, dan suhu sisi luar kelongsong T wall untuk kondisi tanpa gap pacta ketinggian 38, I cm (bagian teratas teras aktit) seperti telah dijelaskan di atas. Dari Gambar 5 tampak pula bahwa distribusi suhu radial batang elemen bakar hingga detik ke-1 setelah pulsa berlangsung mengalami kenaikan yang relatif cukup cepat pacta daerah batang zirkonium (radius 0 hingga 0,3175 cm) dan pada daerah sekitar radius 1,82245 cm (interface antara elemen bakar dan kelongsong) dan mengalami penurunan yang tajam pacta daerah radius sekitar 1,87706 cm (daerah antara kelongsong dan pendingin). Hasil yang hampir mirip akan diperoleh hila perhitungan menggunakan gap yang berisi gas helium. Untuk perhitungan distribusi suhu radial elemen bakar dengan gap yang berisi udara memberikan hasil yang mempunyai protil mirip dengan pehitungan tanpa gap atau gap berisi helium, seperti tampak pacta Gambar 6. Namun hingga pacta detik ke-1 setelah terjadinya pulsa kenaikan distribusi suhu radial batang elemen bakar tidak setinggi pada perhitungan dengan gap berisi helium atau tanpa gap !YJ eq'),co B' 400-2CO 1 1C:0 - () DI.trtbu81 Manu Fad!.' ng b.t,aj} baur pda r..h pdu ()A) 0.4 Radlu-. Gambar 5. Distribusi suhu radial elemen bakar setelah pulsa untuk kondi.\'i tanpa gap Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir

7 2.D Suwala ISSN /7 1M. &XI.. E45<I... I: 150 1M CI.tfltlu8i lihv rhl. llabng tiah«n baar p _at...i" dlkiudm Q.* - =!rm '."..:.'.'7'"...'-m dr pyi. A: :=,,",v.-. = l.:r.":lm1":x,;:..0;. -;;»:"",;:"A).L1L"': :'.'.""LII r.":(:. 'oft}' '1" Lr s 1 ' h...,'..., '-. ;,.J.. {,,"."')""',.A'... :aort- -..., '.-rt"\"'-,"':,"m.".. '--, -,., I...I. () 0,0 0.4 o,s 12,. I(} Gambar 6. Distribusi suhu radial elemen bakar setelah pulsa untuk kondisi gap diisi udara. Dengan adanya kenaikan suhu radial batang elemen bakar yang relatif tinggi pacta perhitu!1gan tanpa gap dan dengan gap yang berisi helium, maka akan mengakibatkan fluks panas untuk kedua perhitungan terse but akan mengalami peningkatan yang proporsional. Hal in sesuai dengan asumsi sebelumnya, bahwa distribusi suhu di dalam sebuah elemen bakar selama pulsa reaktor dan sesaat setelah pulsa berlangsung adalah proporsional terhadap disttibusi daya di dalam elemen bakar. Suhu elemen bakar puncak yang tampak pada interface elemen bakar -kelongsong (batas antara elemen bakar -kelongsong) dan bukan bagian tengah seperti pada kondisi mantap (steady state). Distribusi fluks panas sesaat setelah pulsa hingga pulsa selesai pada ketinggian (teras aktit) 38.1 cm tampak pada Gambar 7. Gambar 7. Fluks panas yang terjadi pada elemen bakar TRIGA MARK II setelah terjadinya pulsa pada ketinggian 38, I cm.

8 218 ISSN Suwoto KESIMPULAN Dengan program TEMPUL dapat ditentukan distribusi suhu radial pada elemen bakar reaktor TRIGA MARK II dad distribusi suhu rata-rata untuk elemen bakar Tfuel, kelongsong T clad, interface fuel-cladding Tfuel-clad, pendingin T coolant bulk, dad suhu sisi luar kelongsong/cladding T wall setelah pulsa untuk kondisi tanpa gap, gap diisi dengan udara dad helium. Kenaikan suhu rata:-rata kelongsongt clad dad T wall secara drastis terjadi pada 1 (satu) detik pertama setelah pulsa hingga mencapai maksimum sekitar 500 C pada bagian atas teras bila dilakukan perhitungan tanpa gap atau gap berisi helium. Kenaikan suhu pendingin ratarata terjadi setelah 1 detik pertama setelah pulsa hingga perhitungan pulsa selesai dad terjadi pemuncakan harga disekitar detik ke-200. Kenaikan suhu rata-rata kelongsong T clad dan suhu sisi luar kelongsong T wall dengan perhitungan gap berisi udara jauh dibawah perhitungan dengan gap dad gap berisi helium yang hanya mencapai suhu maksimum sekitar 150 C. Kenaikan suhu pendingin rata-rata yang relatif tinggi terjadi pada detik pertama setelah pulsa hingga perhitungan pulsa selesai. Perhitungan distribusi suhu radial elemen bakar dengan gap yang berisi helium maupun tanpa gap memberikan basil yang hampir mirip akan yang akan mempengaruhi suhu rata-rata elemen bakar Tfuel, kelongsong T clad, interface fuel-cladding Tfuel-clad, pending in T coolant bulk, dad suhl!" sisi luar cladding T wall untuk kondisi tanpa gap atau gap diisi gas He pada ketinggian 38,1 cm (bagian teratas teras aktif). Kenaikan suhu yang relatif cepat terjadi pada batang zirkonium (radius 0,3175 cm), interface elemen bakar-kelongsong (radius 1,82245). Kenaikan suhu radial batang elemen bakar yang relatif tinggi akan mengakibatkan fluks panas untuk kedua perhitungan tersebut akan mengalami peningkatan pula. Hal ini sesuai distribusi suhu di dalam sebuah elemen bakar selama pulsa reaktor dan sesaat setelah pulsa berlangsung adalah proporsional terhadap distribusi daya di dalam elemen bakar. DAFTARPUSTAKA.A. TRKOV, TEMPUL A Computer Programme for Temperature Distribution Calculations in Fuel Element After Pulse, Workshop on Nuclear Reactors -Physics, Design and Safety, ICTP, Trieste, Italy, April II -May 13, M. RA VNIK, I. MELE, B. ZEFRAN, PULSTRI A Computer Program for TRIGA Reactor Pulse Calculation, Workshop on Nuclear Reactors - Physics, Design and Safety, ICTP, Trieste, Italy, April II -May 13, Safety Analysis Report for the kw Forced Flow TRIGA MARK II Reactor, for Bangladesh Atomic Energy Commission, Dacca, Bangladesh, General Atomic, E , July L.S. TONG, J. WEISMAN, Thermal Analysis of Pressurized Water Reactors, American Nuclear Society and US. Atomic Energy Commission, M. M. El-WAKIL, Nuclear Heat Transport. An Intext Publisher, London, MELE, I. et al., "TRIGA MARK II Benchmark Experiment, Part II, Pulse Operations", Nuclear Technology, Vol. 105, p , January TANYAJAWAB Djunaidi -Mengapa dilakukan kajian terhadap operasi pulsa pada reaktor triga? Suwoto -Kajian dun eva/uasi reaktor triga dengan kondisi operasi pu/sa dimaksudkan untuk mengetahui dun mengkaji karakteristik suhu pada bahan bakar ke/ongsong don intefacenya serta pendinginnya hi/umana terjadi keadaan yang menyebabkan suhu bahan bakar dun ke/ongsong meningkat dengan cepat yang su/it untuk dikenda/ikan. Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir