PERHITUNGAN MCNP5 DALAM EKSPERIMEN BENCH MARK KESELAMATAN KRITIKALITAS REAKTOR SHEBA-II

Transkripsi

1 Zullair, dkk. ISSN PERHITUNGAN MCNP5 DALAM EKSPERIMEN BENCH MARK KESELAMATAN KRITIKALITAS REAKTOR SHEBA-II Zuhair, Suwoto Pusa/ Teknologi Reak/or dan Keselama/an Nuklir - BATAN ABSTRAK PERHITUNGAN MCNP5 DALAM EKSPERIMEN BENCHMARK KESELAMATAN KRITlKALlTAS REAKTOR SHEBA-II. Terjadinya kecelakaan kritikali/as laru/anjisil seperti uranil sulfa/ [UO~04J. uranil nitrat [UO}(NOJJJ. plutonium nitrat [PU(NOJJ4J. dan lain-lain memi/iki probabi/i/as yang tinggi. Oleh karena itu banyak fasi/itas kritik dibangun untuk memenuhi kebutuhan s/udi fenomena kecelakaan kritikalitas pada laru/anjisil. Perangkat Ledakan Energi Tinggi Larutan SHEBA-II (Solution High Energy Burs/ Assembly-II) adalah salah satu perangka/ kritik yang didesain untuk menginvestigasi keselamatan kritikalitas ins/alasi pemrosesan ulang bahan bakar reaktor nuklir. Perangkat tidak berejlektor dan saa/ ini sedang dioperasikan di fasi/i/as eksperimen kritik Los Alamos. Makalah ini membahas spesijikasi model benchmark dalam eksperimen keselamatan kritikalitas reaktor SHEBA-II dan mendiskusikan prediksi kritikali/as (kei# hasil perhitungan dengan program transport Monte Carlo MCNPS. Eksperimen benchmark keselamatan kritikalitas SHEBA-II dikerjakan dengan laru/an bahan bakar uranil jluorida (U02F JJ berpengkayaan 5% dengan konsentrasi 978 gull. Kondisi kritis dicapai pada level larutan 44.8 cm dan temperatur 20 e. Dalam perhitungan kritikalitas. SHEBA-II dimodelkan terdiri atas si/inder stainless steel SS304L yang terisolasi atau terpisahkan dengan tabung stainless steel pusa/ kosong berisi udara. Prediksi MCNP5 dengan pustaka /ampang lintang energi kontinu ENDF/B-VI. yakni I. 0067± cukup dekat dengan data eksperimen (ke!f I). Dari hasil ini dapa/ disimpulkan bahwa MCNP5 superior dibandingkan program Monte Carlo lainnya seperti APOLLO-2/MORET-4. TRIPOLl-4. MONK-7/MONK-8 dan KENO yang memberikan estimasi dengan bias perhitungan lebih dari I%. Ka/a kunci: kritikalitas. keffi larutan uraniljluorida. SHEBA-II. MCNP5 ABSTRACT MCNP5 CALCULATION ON CRITICALITY SAFETY BENCHMARK EXPERIMENT FOR SHEBA-II REACTOR. The criticality accident of jissile solution such as uranyl sulphate [UO~04J. uranyl nitrate [U02(NOjhl. plutonium nitrate [Pu(NOJJ41. e/c has high probability to occur. Therefore. many critical facilities have been built to fu/jill the need of the study of criticality accident phenomena on jissile solution. Solution High Energy Burst Assembly-II (SHEBA-II) is a critical assembly designed to investigate criticality safety of nuclear reactor fuel reprocessing installation. The assembly has no rejlector and currently. it is operated at Los Alamos critical experiment facility. This paper explains benchmark model specijication in SHEBA-II reactor criticality safety experiment and discusses the criticality prediction (kej of calculation result with MCNPS Monte Carlo transport code. SHEBA-II benchmark experiment criticality safety is carried out by S%-enriched (U02F JJ uranyl jluoride fuel solution at a concentration of 978 gull. Critical condition was reached at solution level of 44.8 cm and temperature of 20 0e. In criticality calculation. SI/EBA-II was modeled as stainless steel SS304L cylinder which is isolated or separated from empty central stainless steel tube. MCNPS prediction with continuous energy cross-section library ENDF/B-VI. i.e ± was found to be close enough with experimental data (ke!f I). From this result. it can be concluded that MCNP5 is superior compared to other Monte Carlo code such as APOLLO-2/MORET-4. TRIPOLl-4. MONK-7/MONK-8 and KENO which gave estimation with bias calculations of more than I%. Keywords: criticality. keffi uranyljluoride solution. SHEBA-II. MCNPS PENDAHULUAN Untuk bakar separasi nuklir, bahan kimia bakar dalambekas fasilitas reaktor daurdilarut kan dalam larutan asam. Terjadinya kecelakaan bahan kritikalitas larutan fisil yang terbentuk seperti uranil sulfat [UOZS04], uranil nitrat [UOZ(N03)Z], plutonium nitrat [PU(N03)4], dan lain-lain memiliki probabilitas yang tinggi. Oleh karena itu ban yak fasilitas kritik dibangun untuk memenuhi kebutuhan studi fenomena kecelakaan kritikalitas pada larutan fisil. Prosiding PPI - PDIPTN 200G

2 310 ISSN Zuhair, dkk. Perangkat Ledakan Energi Tinggi Larutan SHEBA-II (Solution High Energy Burst Assembly II)[IJ adalah salah satu perangkat kritik yang didesain untuk menginvestigasi keselamatan kritikalitas dalam instalasi pemrosesan ulang uranium dan plutonium yang terkandung dalam bahan bakar bekas reaktor nuklir. Studi keselamatan kritikalitas larutan uranil fluorida (U02F2) di reaktor SHEBA-II dalam makalah ini dimaksudkan untuk melengkapi studi keselamatan kritikalitas larutan uranil nitrat[2.3.4], plutonium-uranium nitrat[s.6]dan uranil sulfat(7) yang telah dilakukan sebelumnya menggunakan perhitungan transport Monte Carlo MCNP-4B!8] dan MCNP-4C.!9] Makalah ini membahas spesifikasi model benchmark dalam eksperimen keselamatan kritikalitas reaktor SHEBA-II dan mendiskusikan komparasi prediksi kritikalitas (keff) hasil perhitungan MCNP5[1oJ dengan data eksperimen dan perhitungan Monte Carlo lainnya. Program MCNP5 dipilih karena merupakan pengembangan program MCNP versi terbaru dan dikenal luas sebagai salah satu program paling popular dan powerful dalam analisis kritikalitas reaktor dengan berbagai tipe bahan bakar, spektrum energi dan geometri. Pustaka data nuklir energi kontinu ENDF/B-VI[II] dimanfaatkan untuk melengkapi perhitungan kritikalitas. DESKRIPSI SHEBA-II SHEBA-II adalah perangkat kritik yang didesain untuk menginvestigasi keselamatan kritikalitas instalasi pemrosesan ulang bahan bakar reaktor nuklir. Eksperimen benchmark keselamatan kritikalitas SHEBA-II[12J dikerjakan dengan larutan bahan bakar uranil fluorida (U02F2) berpengkayaan 5% dengan konsentrasi 978 gull. Kondisi kritis dicapai pada level larutan 44,8 em dan temperatur 20 C. SHEBA-II saat ini sedang dioperasikan di fasilitas eksperimen kritik Los Alamos dan merupakan perangkat yang tidak bereflektor. Seeara skematik reaktor SHEBA-II diperlihatkan dalam Gambar 1. Perangkat ini terdiri atas bejana perangkat silindris (CA V, cylindrical assembly vessel) dan tangki penyimpan larutan bahan bakar. UnCltc"" coto Gambar 1. Skematik perangkat kritik SHEBA-II. Prosidlng PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan BATAN

3 Zuhair, dkk. ISSN I Diagram bejana CA V diperlihatkan dalam Gambar 2. Bejana CAV memiliki diameter 20 inei, tinggi 30 inei dan terbuat dari stainless steel 304L. Di pusat pelat dasar denmgan tebal 1,125 inei terdapat lubang untuk pergerakan batang kendali pengaman (safety rod). Lubang ini memiliki dinding berdiameter 2,5 inei, panjang 30,875 inci dengan tebal 0,25 inci. Sebelum reaktor dioperasikan, larutan bahan bakar dimasukkan ke dalam bejana perangkat silindris CA V dengan pompa melalui lubang berbentuk pipa di dasar bejana yang terletak sekitar 6 inci dari pusat bejana. Pipa stainless steel 304L ini memiliki diameter luar 0,5 inci dan tebal dindingnya 0,035 inci. Dua pipa saluran stainless steel 304L berdiameter 10 inei dengan tebal dinding 0,035 inei juga diletakkan di dasar bejana. Termokopel berbentuk tabung stainless steel 316 berdiameter luar 0,25 inci diletakkan I inei dari sisi luar dan 10 inci di atas dasar CA V. Reaktivitas teras dikendalikan dengan mengatur level atau ketinggian larutan bahan bakar dalam bejana perangkat silindris CA V. Batang kendali pengaman dimasukkan ke dalam tabung sepanjang aksis pusat bejana CA V untuk memancung (shutdown) reaktor dengan cepat. Batang kendali ini terbuat dari resin epoksi yang mengandung 30% boron alam (borated epoxy resin), 20 inci di bagian atasnya diselimuti oleh stainless steel berdiameter luar 1,9 inci dengan tebal dinding 0,065 inci. Sisa 20 inci di bagian bawahnya, yang meneapai dasar bejana CAV, tidak berisi apa-apa. Posisi teratas batang kendali pengaman ditentukan dengan kenop mekanik yang tidak bergerak. Jarak tertentu dari dasar bejana ke dasar bagian poison dari batang kendali pengaman ketika batang tersebut ditarik ke atas adalah 48,1 em. SHEBA-II ditempatkan dalam ruangan berdinding logam dengan ukuran 20 ft x 20 ft x 20 ft dimana dindingnya memiliki tebal 1/8 inci, seperti diperlihatkan dalam Gambar 3. Bejana CA V berada sekitar 3 ft dari dinding terdekat. Jarak lainnya dan beton di ruangan bawah tanah di bawah perangkat kritik dapat dilihat dalam Gambar ini. Dalam eksperimen kritikalitas, sumber neutron diposisikandekat bejana CA V dan detektor neutron diletakkan sedemikian rupa sehingga garis pandangnya ke sumber akan melintasi larutan. Sebelum eksperimen dilakukan, laju eaeahan (counting rates) detektor neutron ditentukan. Caeahan pertama ini digunakan sebagai eaeahan referensi atau aeuan. Multiplikasi sistem didefinisikan sebagai perbandingan antara laju eaeahan dengan volum larutan yang ditambahkan dan laju eaeahan inisial (awal). Setiap larutan ditambahkan ke dalam perangkat, metode multiplikasi invers lalu diaplikasikan untuk mendapatkan estimasi makin baik dari ketinggian kritis larutan. Dua detektor He3 digunakan untuk memonitor daya reaktor. Ketinggian larutan ditentukan dengan memanfaatkan instrumentasi, seperti meter aliran-massa, detektor level ultrasonik dan lain-lain. 1~ 1/4 HI.10 JO...1I8 in. Gambar 2. Bejana perangkat kritik (CA V) SHEBA-II

4 312 ISSN Zuhair, dkk. r -"'--SHEMg..anry 1 T14' 41J2" -SHEIII" "",\! ('hwa yft""s ot fiti..,.: steel wll\ ir!9$.aton) Gambar 3. Reaktor SHEBA-II. SPESIFIKASI MODEL BENCHMARK Dalam perhitungan kritikalitas 3-D dengan program transport Monte Carlo MCNP5, reaktor SHEBA-II dimodelkan terdiri atas silinder stainless I b'''''. steel SS304L yang terisolasi atau terpisahkan dengan tabung 'stainless steel kosong berisi udara yang terletak di tengah silinder. Model benchmark SHEBA-II dan dimensinya diperlihatkan dalarn Garnbar 4 dan Tabel I. L.. (,11 1~ T Gambar 4. Model benchmark SHEBA-II. Yogyakarta. 10 Juli 2006

5 Zu IlIIir, tlkk. ISSN Tabell. Daerah U02F2+H2O SS304L. 76,5175 Material 2, ,28 31,7175 Udara 2,54 1,905 24,4475 (em) 25,40 Tinggi 3,175 44,8 Jari-jari 25,40 24,4475 3,175 2,54 - luar dalam Bahan bakar Dimensi SHEBA-II. Dcnsitas atom larutan yang dihasilkan dari dcnsitas larutan 2,092 glcm3, densitas uranium 0,9783 glcm3, pengkayaan U235 4,9977% dan asiditas as am fluorida (HF) 0,25M diberikan dalam Tabel 2. Persen berat (wt%) yang digunakan untuk SS304L adalah Mn = 2, Ni = 9, Cr = 18 dan Fe = 71 sedangkan udara diasumsikan terdiri atas 70% atom N dan 30% atom a pada densitas 0,00122 glcm3 Densitas atom batang kendali pengaman diperoleh dari densitas batang kendali sebesar 1,49 glcm3 dan komposisinya seperti diberikan dalam Tabel3. (7,8419 Larutan (U02F2+H20+O,25M Udara SS304L bahan glcm3) bakar HF) a U'236 U 238 U'234 U'235 Fe Ni F Tabel 2. Densitas atom isotop dalam larutan uranil Iluorida (U02F2), stainless steel dan udara. 5,1035 5,6179 3,5214 3,2967 6,0038 1,5092 7,2418 1,6348 1,7192 2,3508 6,7855 Densitas 1,2377 1,2085 Material X x x 10'3 10,5 10'5 10' atom xx ,6 10'3 Isotop (atom/barn-em) a Mn Cr NH Tabel 3. Densitas atom batang kendali pengaman. a HCIC B11 BIO Persen5, ,6 2,9135 2,6 17,8 2,3147 1, ,5051 5, berat 6 x(wt%) xdensitas 10'2 10' Isotop (atom/barn-em) atom Proslding PPI - PDIPTN 2006 Yogyakarta, 10 Jull 2006

6 -3/4 ISSN HASIL PERHITUNGAN DAN ANA LISIS Problema benchmark kritikalitas reaktor SHEBA-II diselesaikan MCNP5 dengan melakukan skipping 10 siklus pertama dari running 250 siklus total untuk 3000 neutron fisi dalam setiap siklusnya. Sebanyak 7,2 x 105 histori neutron aktif dan 3 x 104 histori neutron tak aktif yang disimulasikan ini akan memberikan akurasi perhitungan yang cukup baik. Sejumlah sumber neutron fisi awal stabil ditempatkan dalam larutan uranil fluorida secara distributif. Dalam analisis ini, pustaka data nuklir energi kontinu ENDF/B-VI dimanfaatkan untuk seluruh isotop kecuali 24Cr, 2liFe dan 28Ni. Data nuklir 24Cr dan 28Ni diambil dari pustaka ENDF/B-V sedangkan 26Fe dari RMCCS. Seluruh perhitungan dikerjakan dalam tempertatur kamar. Data hamburan termal S(u,P) dimasukkan dalam perhitungan untuk melengkapi konsiderasi model interaksi neutron dengan hidrogen dalam larutan secara utuh dan akurat pad a energi di bawah - 4eV. Kondisi vakum dikenakan pada batas luar dari sistem SHEBA-II ZlIhair. dkk. Eksperimen benchmark keselamatan kritika (itas mencapai kondisi kritis pada level larutan 44,8 cm dan temperatur 20 C. Pengukuran ketinggian kritis, dimensi bejana perangkat silindris CAV, parameter larutan seperti temperatur dan asiditas larutan diperkirakan menjadi sumber bias antara perhitungan dan data eksperimen. Ketidak-tentuan yang diakibatkan oleh beberapa efek di atas tidak akan mempengaruhi nilai faktor multiplikasi yang telah dihitung. Estimasi yang dibuat untuk mengetahui efek kuantitas lainnya seperti impuritas bahan bakar, posisi batang kendali pengaman dan termokopel serta pengabaian material struktur di sekitar bejana CA V dalam model benchmark tidak akan memperburuk prediksi kritikalitas secara signifikan. Secara umum, efek-efek ini terlalu kecil «0,29%) untuk dipertimbangkan sebagai bias perhitungan bila dibandingkan dengan simpangan baku perhitungan MCNP5.. Hasil perhitungan MCNP5 dalam eksperimcll benchmark keselamatan kritikalitas reaktor SHEBA II dan. komparasinya dengan perhitungan Montc Carlo lainnyal13] diberikan dalam Tabel 4. Tabel4. Hasil perhitungan MCNPS dan komparasinya dengan perhitungan Monte Carlo lainnya. 1,01111,11% ± 0,0010 KENO VI. /,01% 1,0101± 27 1,41% 1,05% 1,0141 0,67% APOLLO-21 TRIPOLl-4 MONK-71 ],0067 1,0105 ENDF/B-VI kelompok MCNP5 ± 0,0010 MONK-8 Dapat diamati di sini, prediksi kritikalitas MCNP5 dengan pustaka tampang Iintang ENDF/B VI, yakni I,0067±0,00 I0, cukup dekat dengan data eksperimen (keff = I). Hasil ini menunjukkan bahwa MCNP5 superior dibandingkan program Monte Carlo lainnya seperti APOLLO-2/MORET-4, TRIPOLl-4, MONK-7/MONK-8 dan KENO yang memberikan estimasi dengan bias perhitungan lebih dari 1%. KESIMPULAN Studi perhitungan MCNP5 dalam eksperimen benchmark keselamatan kritikalitas reaktor SHEBA II dengan larutan bahan bakar uranil fluorida (U02F2) berpengkayaan 5% dan konsentrasi 978 gull telah dilakukan. Prediksi kritikalitas MCNP5 dengan pustaka tampang lintang ENDF/B-VI cukup dekat dengan data eksperimen (kerf I). Secara umum dapat disimpulkan bahwa MCNP5 superior dibandingkan program Monte Carlo lainnya seperti APOLLO 2/MORET-4, TRIPOLl-4, MONK-7/MONK-8 dan KENO. UCAP AN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih kami sampaikan kepada Ir. Suhamo, M.Sc. atas perhatiannya dalam memberikan saran untuk perbaikan makalah ini. DAFT AR PUST AKA I. K.B. BUTTERFIELD, The SHEBA Experiment, ANS Transactions, Vol. 70, June ZUHAIR, SUWOTO, TUMPAL PANDI ANGAN, Perhitungan Kritikalitas Monte Carlo Yogyakarta, 10 Jull 2006

7 Zuhair, dkk. ISSN di Fasilitas Eksperimen Superkritis TRACY, Prosiding Seminar Nasional Ke-11 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Malang, 15 September ZUHAIR, SUWOTO, TAGOR M. SEM BIRING, Perhitungan Transport Monte Carlo Dalam Keselamatan Kritikalitas Teras Silindris STACY, Prosiding Seminar Nasional Ke-II Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Malang, 15 September ZUHAIR, SUWOTO, SUHARNO, Analisis Perhitungan Benchmark Keselamatan Kritikalitas Larutan Uranil Nitrat di Teras Slab 280T STACY dengan MCNP-4C, Jurnal Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia, Vol. VI, No.2, Agustus ZUHAIR, SUWOTO, TUMPAL PANDI ANGAN, Analisis Kritikalitas Perangkat Kritik Berbahan Bakar Larutan Plutonium-Uranium Nitrat Dengan Gadolinium dan Boron, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, Yogyakarta, 13 Juli ZUHAIR, SUWOTO, Analisis Kritikalitas Kisi Bahan Bakar MOX dalam Larutan Plutonium Uranium Nitrat, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan 8 Jllii dan Teknologi Nuklir, Yogyakarta, 7. HERY ADRIAL, ZUHAIR, Studi Kritikalitas Desain Perangkat Subkritik Berbahan Bakar Larulan Uranil Sulfat, Prosiding Seminar Nasional Ke-II Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Malang, 15 September M 8. J.F. BRIESMEISTER, ed., MCNP - A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4B, LA M, J.F. BRIESMEISTER, ed., MCNP - A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4C, LA M, April F.B. BROWN, et ai., MCNP - A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5, LA-UR , April 24, II. J.S. HENDRICKS, S.C. FRANKLE, J.D. COURT, ENDF/B-VI Data for MCNP, Los Alamos National Laboratory Report, LA-12891, R.J. LABAUVE and J.L. SAPIR, SHEBA-II as a Criticality Safety Benchmark Experiment, The Fifth International Conference on Nuclear Criticality, Albuquerque, New Mexico, USA, September 17-21, ALl NOURI, NIGEL SMITH, BENEDICTE ROQUE and ISABELLE GUIMIER, Benchmark Review of JEF-2.2 Library for Criticality Analysis, /conferences/ A324.pdf. TANYA JAWAB Hasnel Sofyan - Apa perbedaan perhitllngan MCNP5 dengan Monte Carlo lainnya? Mohon penjclasan. Zuhair - Perbedaan perhitungan MCN P5 dengan program Monte Carlo lainnya lebih ditekankan pada penanganan geometri dan data nuklirnya yang dipergunakan dalam perhitungan. Karena perhitungan Benchmark berdasarkan geometri yang sudah ditentukan. maka penanganan data nuklir menjadi lebih dominan yang menyebabkan perbedaan hasil perhitungan. MCNP5 memanfaatkan pustaka data nuk/ir ENDF/B-VI. sedang Monte Carlo lainnya menggunakan data nuklir dari eropa seperti JEF dan lainnya.