STUDI KOMBINASI KISI KERNEL DAN KISI PEBBLE DALAM DESAIN RGTT200K

Transkripsi

1 Hery Adrial, dkk. ISSN STUDI KOMBINASI KISI KERNEL DAN KISI PEBBLE DALAM DESAIN RGTT200K Hery Adrial, Piping Supriatna, Zuhair Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir - BATAN ABSTRAK STUDI KOMBINASI KISI KERNEL DAN KISI PEBBLE DALAM DESAIN RGTT200K. Dalam teras RGTT200K, model kisi dapat berubah dan bahkan bervariasi dengan berubahnya posisi pebble. Hal semacam ini dapat dijumpai terutama di daerah dekat dinding bejana. Model kisi yang diterapkan juga bergantung pada prosedur bagaimana bejana RGTT200K diisi. Beberapa model kisi seperti SC, BCC, FCC, SH dan HCP acapkali digunakan dalam RGTT200K untuk menangani keacakan kernel dalam matriks grafit dan bahan bakar pebble dalam teras reaktor. Dalam makalah ini serangkaian perhitungan faktor multiplikasi reaktor (k eff ) dilakukan dengan berbagai kombinasi kisi kernel dan kisi pebble. Efek kombinasi kisi yang berimplikasi pada performa neutronik desain RGTT200K dianalisis memanfaatkan program transport Monte Carlo MCNP5 dan pustaka data nuklir energi kontinu ENDF/B-VI. Hasil perhitungan memperlihatkan bahwa, kisi pebble FCC selalu memproduksi k eff lebih besar daripada kisi pebble lainnya. Nilai k eff lebih bergantung pada kisi pebble yang dipertimbangkan dan kisi kernel hanya memberikan efek yang tidak begitu signifikan. Hasil prediksi k eff seluruh kombinasi kisi menyimpulkan bahwa apapun model kisi kernel yang dimanfaatkan, model kisi pebble BCC dan SH lebih bisa diadopsi dalam perhitungan desain RGTT200K dibandingkan model FCC. Kata-kunci: kisi kernel lattice, kisi pebble, RGTT200K, MCNP5, ENDF/B-VI ABSTRACT STUDY ON COMBINATION OF KERNEL AND PEBBLE LATTICES IN RGTT200K DESIGN. In RGTT200K core, lattice models can be changed and even varies with the changing position of pebble. This sort of thing can be found mainly in the area near the vessel wall. Lattice model applied also depends on the procedure how the RGTT200K vessel filled. Some lattice models such as SC, BCC, FCC, SH and HCP often used in the RGTT200K to treat kernel randomness in the graphite matrix and pebble fuel in the reactor core. In this paper a series of calculations of the reactor multiplication factor (k eff ) conducted with various combinations of kernel and pebble lattices. The effect of lattice combination which implies on neutronics performance of RGTT200K design is analyzed utilizing the Monte Carlo transport code MCNP5 and continuous energy nuclear data library ENDF/B-VI. The results show that, the FCC pebble lattice always produces greater k eff than any other pebble lattice. K eff value is more dependent on the pebble lattice considered and kernel lattice only provides a less significant effect. The results of k eff prediction of all lattice combinations concludes that any lattice model of kernel utilized, the BCC and SH pebble lattice models can be more adopted in the calculation of RGTT200K design compared to the FCC model. Keywords: kernel lattice, pebble lattice, RGTT200K, MCNP5, ENDF/B-VI PENDAHULUAN P rogram riset dan pengembangan reaktor temperatur tinggi (high temperature reactor, HTR) secara ekstensif sedang dikerjakan di banyak negara melalui berbagai program seperti PUMA [1], RAPHAEL [2], AREVA [3] dan lain lain. Tujuan dari program ini adalah untuk mengembangkan HTR versi demonstrasi dan komersial. Sampai sejauh ini masih terdapat dua jenis HTR, yaitu HTR prismatik dengan geometri bahan bakar berbentuk blok heksagonal dan HTR pebble-bed dengan geometri bahan bakar berbentuk bola yang disebut pebble. Selain digunakan untuk produksi listrik, HTR pebble-bed dapat pula dimanfaatkan untuk aplikasi panas proses pada temperatur tinggi seperti produksi hidrogen, desalinasi air laut, pengambilan minyak sisa (enhanced oil recovery) dan lain-lain [4]. Teras HTR pebble-bed berbentuk bejana silindris yang diisi oleh bahan bakar pebble dalam jumlah yang cukup besar (~ ) dan dialiri oleh helium yang berfungsi sebagai pendingin dalam ruang-ruang kosong di antara pebble [5-7]. Dibandingkan ukuran teras, bahan bakar pebble cukup kecil dan diperlakukan sebagai medium granular yang berisi butir-butir kernel dengan ukuran jauh lebih kecil. Fenomena tipikal material granular dapat diekspektasi melalui investigasi kisi kernel dan kisi pebble. Model kisi dalam bejana silindris dapat berubah dan bahkan bervariasi dengan berubahnya posisi pebble. Hal semacam ini dapat dijumpai

2 42 ISSN Hery Adrial, dkk. terutama di daerah dekat dinding bejana [8]. Model kisi yang diterapkan juga bergantung pada tata cara atau prosedur bagaimana bejana silindris diisi. Bila bejana silindris digoncangkan setelah diisi secara acak, pebble akan semakin berdekatan dan rapat. Dan jika hal ini terjadi dalam HTR pebble-bed, sebagai konsekuensi dari gempa bumi atau lainnya, maka faktor multiplikasi reaktor (k eff ) akan berubah karena perubahan dalam kebocoran neutron yang disebabkan oleh densitas material teras efektif. Beberapa model kisi [9] seperti SC (simple cubic), BCC (body centered cubic), FCC (face centered cubic), SH (simple hexagonal) dan HCP (hexagonal closed packed) acapkali digunakan dalam HTR pebble-bed untuk menangani keacakan kernel dalam matriks grafit dan bahan bakar pebble dalam teras reaktor. Pemilihan kisi ditujukan untuk memodelkan distribusi stokastik dari kernel dan pebble sedekat mungkin dengan geometri nyata. Serangkaian perhitungan faktor multiplikasi reaktor (k eff ) dengan kombinasi kisi kernel (SC, BCC, FCC, SH) dan kisi pebble (BCC, FCC, SH) dikerjakan dengan program transport Monte Carlo MCNP5 [10] dan pustaka data nuklir energi kontinu ENDF/B- VI [11]. Tujuan dari makalah ini adalah menganalisis efek kombinasi kisi yang berimplikasi pada performa neutronik desain RGTT200K [12]. Hasil analisis diharapkan dapat melengkapi studi-studi yang dilakukan sebelumnya [13-17]. DESKRIPSI RGTT200K Karakteristik utama RGTT200K berasal dari pemanfaatan partikel berlapis TRISO yang terdistribusi dalam bahan bakar pebble. Desain teras RGTT200K ditentukan oleh spesifikasi partikel berlapis TRISO yang menyusun bahan bakar pebble. Setiap bahan bakar pebble berdiameter 6 cm dan mempunyai dua zona material radial, yaitu zona bagian dalam dan zona bagian luar. Zona bagian dalam berisi partikel berlapis TRISO dengan kernel uranium oksida yang tersebar dalam matriks grafit dan zona bagian luar terbuat dari grafit murni dengan sebutan shell grafit. Diameter zona bagian dalam adalah 5 cm sedangkan ketebalan zona bagian luar adalah 0,5 cm. Selama operasi reaktor, bahan bakar pebble secara kontinu ditambahkan dari atas teras. Pebble akan bergerak ke bawah dan akan dikeluarkan di bagian bawah teras reaktor. Setiap bahan bakar pebble akan melewati peralatan pengukuran burnup satu persatu. Bahan bakar pebble yang telah mencapai target burn-up akan diresirkulasi ke dalam teras reaktor dan yang telah melampaui target burnup akan dikeluarkan dan diangkut ke dalam tangki penyimpanan bahan bakar bekas. Gambar 1 memperlihatkan geometri dan dimensi dari RGTT200K yang dimodelkan dalam studi ini. Teras RGTT200K berdiameter 300 cm dan tinggi 900 cm yang dikelilingi oleh reflektor. Daerah reflektor dianggap homogen untuk simplifikasi sedangkan daerah teras dipertimbangkan heterogen penuh. Tabel 1. Densitas atom partikel TRISO, matriks grafit dan shell grafit. Densitas atom Nuklida (atom/barn-cm) 235 U 1, Kernel UO U 2, O 4, B 1, Partikel B 4, TRISO Lapisan buffer C 5, Lapisan IPyC C 9, Si 4, Lapisan SiC C 4, Lapisan OPyC C 9, C 8, Matriks grafit B 9, B 3, Shell grafit C 8, B 9, B 3, Tabel 2. Densitas atom reflektor, void dan helium. Nuklida Densitas atom (atom/barn-cm) C 9, Reflektor 10 B 3, B 1, Void Helium 4 He 1, He 3, He 2, Partikel TRISO yang disusun oleh kernel UO 2 berdiameter 500 μm dengan pengkayaan 235 U 8,2 % dan empat lapisan coating: penyangga karbon (carbon buffer), karbon pirolitik bagian dalam (inner pyrolitic carbon, IPyC), silikon karbida (SiC) dan karbon pirolitik bagian luar (outer pyrolitic carbon, OPyC). Ketebalan coating dimulai dari lapisan yang paling dekat dengan kernel adalah 95 μm, 35 μm dan 40 μm. Ketebalan buffer yang sedikit lebih besar daripada biasanya (90 μm) ditinjau dari sisi strategi burn-up lebih menguntungkan karena dapat menampung lebih banyak produk fisi dalam bentuk gas. Ke empat lapisan coating pada hakekatnya berfungsi mencegah dan merintangi produk fisi metalik dan gas dari integritas struktur matriks bahan bakar. Densitas atom partikel TRISO, matriks grafit dan shell grafit diberikan dalam Tabel 1 sedangkan densitas atom reflektor, void dan helium ditampilkan dalam Tabel 2. Impuritas boron alam dalam kernel

3 Hery Adrial, dkk. ISSN bahan bakar adalah 1 ppm sedangkan dalam matriks grafit dan shell grafit adalah 0,5 ppm. MODEL KOMBINASI KISI DAN PERHITUNGAN Dalam studi ini, kombinasi kisi kernel dan kisi pebble dikerjakan untuk menganalisis efek yang ditimbulkan pada performa neutronik desain RGTT200K. Kisi kernel atau pebble biasanya dikarakterisasi oleh parameter fraksi packing yang didefinisikan sebagai rasio antara volume kernel (dalam hal ini partikel TRISO) atau pebble dengan volume total kisi dimana kernel atau pebble berada di dalamnya. Beberapa model kisi seperti SC, BCC, FCC, SH dan HCP paling sering digunakan dalam HTR pebble-bed untuk memodelkan distribusi stokastik dari kernel dalam matriks grafit dan pebble dalam teras reaktor. Kisi FCC dan HCP dikenal sebagai kisi yang paling padat di antara model kisi lainnya. Kisi FCC sering digunakan untuk menginvestigasi efek fraksi packing kernel dalam analisis HTR pebble-bed karena memiliki fraksi packing yang paling besar. Kisi SC dan SH biasanya dimanfaatkan untuk memodelkan partikel TRISO dalam matriks grafit, sedangkan kisi BCC dianggap lebih tepat untuk memodelkan bahan bakar pebble Gambar 1. Geometri dan dimensi model RGTT200K. dalam teras reaktor karena secara tipikal dijumpai di HTR pebble-bed. Komposisi berbagai model kisi dilukiskan dalam Gambar 2 dan karakteristiknya ditampilkan dalam Tabel 3. Fraksi packing kernel dan fraksi packing pebble dalam perhitungan ini dibuat tetap, masingmasing sebesar 9,344 % dan 61 %. Ini berarti terdapat kernel dalam sebuah bahan bakar pebble dan pebble dalam teras reaktor. Perhitungan faktor multiplikasi reaktor (k eff ) dilakukan dengan serangkaian kombinasi kisi kernel dan kisi pebble. Ukuran pitch (p) kisi kernel dan pebble yang ditabulasikan dalam Tabel 4 diperoleh dari hubungan geometri bola, kubik dan prismatik mengikuti persamaan: p SC p BCC 4 r * 3 (1) 3 f 8 r * 3 (2) 3 f 16 3 f p r * 3 FCC (3)

4 44 ISSN Hery Adrial, dkk. 2r 3 f p * 3 SH (4) dengan fraksi packing (f) sebesar 9,344 % dan 61% masing-masing untuk kisi kernel dan kisi pebble serta r sebesar 0,0460 cm dan 3 cm masing-masing untuk radius partikel TRISO dan pebble. Gambar 2. Komposisi berbagai model kisi. (A). Simple Cubic, (B). Face Centered Cubic, (C). Body Centered Cubic Tabel 3. Karakteristik berbagai model kisi. Model kisi Jumlah kernel atau pebble Fraksi packing maksimum SC BCC 2 0,68175 FCC 4 0,74048 SH 1 0,60459 Tabel 4. Ukuran pitch kisi kernel dan kisi pebble. Pitch kisi (cm) Model kisi Kernel Pebble SC 0, BCC 0, , FCC 0, , SH 0, Dalam perhitungan MCNP5, opsi tipikal KCODE dipilih untuk skipping 10 siklus iterasi dari total 110 siklus dengan neutron per siklus yang disimulasikan guna menghindari konvergensi sumber. Opsi tipikal KSRC dikerjakan untuk sumber neutron fisi awal yang diposisikan di pusat kernel bahan bakar. Pustaka data nuklir energi kontinu ENDF/B-VI dimanfaatkan pada temperatur kamar 300K. Interaksi neutron termal dengan grafit di bawah energi ~4 ev dipertimbangkan untuk seluruh material yang mengandung karbon dengan pustaka hamburan termal S(α,β) graph.01t. Kondisi vakum dikerjakan pada batas luar dari sistem reaktor HTR pebble-bed. HASIL PERHITUNGAN DAN ANALISIS Tujuan utama dalam desain dan operasi reaktor nuklir adalah utilisasi energi yang dilepaskan oleh reaksi berantai terkendali dari peristiwa fisi nuklir yang terus menerus dipertahankan dalam teras reaktor. Setiap reaksi fisi melepaskan energi 2-3 neutron dan ~200 MeV. Neutron yang lahir dalam peristiwa fisi biasanya kemudian akan mengalami hamburan hingga akhirnya mati dalam reaksi absorpsi atau mengalami kebocoran keluar reaktor. Sejumlah tertentu dari neutron-neutron ini akan diserap oleh nuklida fisil seperti 235 U dan 239 Pu yang menyebabkan fisi berikutnya dan menggiring kelahiran generasi baru neutron fisi dan lain-lain. Proses seperti itu, yang disebut reaksi fisi berantai, digambarkan oleh faktor multiplikasi reaktor (k eff ) dengan definisi sebagai perbandingan jumlah neutron dalam satu generasi dan jumlah neutron dalam generasi sebelumnya. Tiga estimator yang diterapkan untuk memprediksi faktor multiplikasi reaktor (k eff ) adalah estimator tumbukan yang menghitung jumlah neutron yang dihasilkan dari seluruh proses fisi dalam tumbukan, estimator serapan yang mengkalkulasi seluruh proses interaksi neutron dengan nuklida fisil, dan estimator panjang jejak yang mengestimasi seluruh proses neutron berpindah tempat di dalam material fisil pada suatu jarak tertentu. Dalam studi ini perhitungan faktor multiplikasi reaktor (k eff ) diadopsi dari kombinasi tiga estimator yang digunakan dalam MCNP5. Hasil perhitungan dirangkum dalam Tabel 5. Bahan bakar pebble dalam teras reaktor tidak dapat dimodelkan dengan kisi SC karena porositas maksimum dalam desain RGTT200K yang diokupasi oleh helium adalah 39 % dari volume total teras sedangkan fraksi packing maksimum kisi SC adalah 52,4 %. Dari Tabel 5 dapat diamati bahwa secara keseluruhan perhitungan MCNP5 menunjukkan konsistensi dengan nilai k eff yang hampir sama untuk seluruh kombinasi kisi kernel dan kisi pebble. Kisi pebble FCC selalu memproduksi k eff lebih besar daripada kisi pebble lainnya dengan bias kurang dari 3,78 %. Dapat diamati pula bahwa nilai k eff lebih bergantung pada kisi pebble yang dipertimbangkan dan kisi kernel hanya memberikan efek yang tidak begitu signifikan (rentang bias 0,02-0,40 %). Untuk perhitungan dengan seluruh model kisi kernel, tampak bahwa nilai faktor multiplikasi reaktor kisi pebble BCC sangat dekat dengan kisi pebble SH. Fraksi packing yang sedikit berbeda (BCC 61%, SH 60,459%) dianggap tidak membuat bias perhitungan menjadi berbeda jauh.

5 Hery Adrial, dkk. ISSN Tabel 5. Hasil perhitungan k eff berbagai kombinasi kisi kernel dan pebble. Kisi kernel Kisi pebble BCC FCC SH SC 1,32579±0,00126 (0,96264) (1,00000) 1,37724±0,00124 (1,00000) 1,32517±0,00118 (0,96219) (1,00000) BCC FCC SH 1,32785±0,00113 (0,96242) (1,00155) 1,33103±0,00106 (0,96718) (1,00395) 1,32851±0,00107 (0,96614) (1,00205) 1,37692±0,00126 (0,99977) 1,37619±0,00121 (0,99924) 1,37507±0,00116 (0,99842) 1,32675±0,00117 (0,96356) (1,00119) 1,32571±0,00095 (0,96332) (1,00041) 1,32628±0,00109 (0,96452) (1,00084) Kisi pebble FCC dinormalisasi satu untuk seluruh kisi kernel. Kisi kernel SC dinormalisasi satu untuk seluruh kisi pebble. Seluruh pebble yang dikandung dalam kisi FCC diposisikan di sepanjang batas datar dari sel satuan sehingga sulit memodelkan susunan yang memungkinkan dari bahan bakar pebble dan moderator pebble (jika diperlukan) karena pebblepebble yang berdekatan saling tumpang tindih secara tidak konsisten. Karena itu, walaupun packing pebble dalam teras pebble-bed diekspektasi mendekati kisi HCP namun kisi pebble BCC dan kisi pebble SH menjadi pilihan yang tepat. Kisi pebble BCC dan SH dapat menyediakan fraksi packing yang lebih dekat dengan ukuran tipikal dijumpai di reaktor pebble-bed. Hasil estimasi k eff seluruh kombinasi kisi memberi kesan model BCC dan SH lebih baik dibandingkan model FCC. KESIMPULAN Studi kombinasi kisi kernel dan kisi pebble dalam desain RGTT200K telah dilakukan melalui serangkaian perhitungan faktor multiplikasi reaktor (k eff ) dengan dengan program transport Monte Carlo MCNP5 dan pustaka data nuklir energi kontinu ENDF/B-VI. Kisi pebble FCC selalu memproduksi k eff lebih besar daripada kisi pebble lainnya. Nilai k eff lebih bergantung pada kisi pebble yang dipertimbangkan dan kisi kernel hanya memberikan efek yang tidak begitu signifikan. Hasil prediksi k eff seluruh kombinasi kisi menyimpulkan bahwa apapun model kisi kernel yang dimanfaatkan, model kisi pebble BCC dan SH lebih bisa diadopsi dalam perhitungan desain RGTT200K dibandingkan model FCC. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih kami sampaikan kepada Dr. Ir. M. Dhandhang Purwadi yang memberikan inspirasi dan motivasi untuk melakukan riset ini. Ucapan terimakasih juga kami sampaikan kepada Ir. Suwoto yang menyediakan waktu dan pikirannya untuk membantu dan mendukung kami dalam eksekusi MCNP5. DAFTAR PUSTAKA 1. J.C. KUIJPER, PUMA Plutonium and Minor Actinides Management in Thermal High- Temperature Reactors, Proceedings of the International Congress on Advances in Nuclear Power Plants, Nice France, May 13-18, V. BASINI, et al., High-Temperature Reactor Fuel Technology in RAPHAEL European Project, Proceedings of the 4-th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR2008), Washington, D.C., USA, September 28 October 1, ANTARES, The AREVA HTR-VHTR Design ( 4. K. KUGELER, H. BARNEN, Application of the High Temperature Reactor in the Energy Economy, Proceedings of a Technical Committee Meeting on High Temperature Applications of Nuclear Energy, Oarai, Japan, October, INEEL, NGNP Point Design Results of the Initial Neutronics and Thermal-Hydraulic Assessments During FY-2003, September A. KOSTER, H.D. MATZNER, D.R. NICHOLSI, PBMR Design for the Future, Nuclear Engineering and Design, 222, pp , Z. WU, D. LIN, D. ZHONG, The Design Features of the HTR-10, Nuclear Engineering and Design, 218, pp , 2002.

6 46 ISSN Hery Adrial, dkk. 8. T. ASTE, D. WEAIRE, The Pursuit of Perfect Packing, IOP Publishing Bristol, pp , MARK R. DE GUIRE, Principle of Atomic Packing, Introduction to Materials Science & Engineering, ESME, BROWN, F. B., et al., MCNP A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5, LA-UR , April 24, HENDRICKS, J. S., FRANKLE, S. C., COURT, J. D., ENDF/B-VI Data for MCNP, Los Alamos National Laboratory Report, LA , [12]. M. DHANDHANG PURWADI, Desain Koneptual Sistem Reaktor Daya Maju Kogenerasi Berbasis RGTT, Prosiding Seminar Nasional Ke-16 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Surabaya, 28 Juli [13]. MAMAN MULYAMAN, SUWOTO, ZUHAIR, Pemodelan Partikel Bahan Bakar Berlapis Dalam Kisi SC, BCC dan FCC untuk Perhitungan Faktor Multiplikasi Infinit RGTT Menggunakan Program MCNP5, Prosiding Seminar Nasional Ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Surabaya, 28 Juli [14]. SUWOTO, ZUHAIR, MAMAN MULYAMAN, Efek Model Kisi Heksagonal Dalam Perhitungan Faktor Multiplikasi Bahan Bakar RGTT, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, Yogyakarta, 20 Juli [15]. MAMAN MULYAMAN, ZUHAIR, Studi Model Teras VHTR dan GFR untuk Perhitungan Multiplikasi Reaktor, Prosiding Seminar Nasional Pengembangan Energi Nuklir II, Jakarta, 25 Juni [16]. ZUHAIR, SUWOTO, MAMAN MULYAMAN, Pemodelan Kernel Bahan Bakar dalam Kisi Matriks Grafit untuk Perhitungan Kritikalitas VHTR dengan MCNP5, Prosiding Seminar Nasional Ke-14 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Bandung, 5 November [17]. ZUHAIR, SUWOTO, Studi Pemodelan Kernel Bahan Bakar dan Perhitungan Kritikalitas Kisi Kubik Infinit VHTR, Jurnal Teknologi Reaktor Nuklir, Volume 10, No. 1, Februari TANYA JAWAB Damunir Dalam bahan bakar PEPPLE terdiri dari banyak kernel UO 2 terlapis dan karakteristik tertentu. Masing-masing lapisan SiC dan PyC mempunyai struktur tertentu pula. Bagaimana sifat sisi kristal yang anda tentukan? Kenapa bisa menjadi vessel Kristal FCC? Hery Adrial Setiap pebble bahan bakar akan terdiri dari± kernel TRISO. Kernel-kernel TRISO ini yng dimodelkan dalam bentuk SC, BCC dan FCC, SH. Antar antar area pebble juga dapat dibuat model SC, BCC, FCC dan SH. Dalam penelitian ini bentuk kernel SC, BCC, FCC dan SH lebih dapat diadopsi untuk dikombinasi dengan bentuk kisi pebble BCC dan SH disbanding model FCC.