ANALISIS BATAS REAKTIVITAS SAMPEL EKSPERIMEN PADA REAKTOR KARTINI

Transkripsi

1 380 ISSN Tegas SUlondo, dkk. ANALISIS BATAS REAKTIVITAS SAMPEL EKSPERIMEN PADA REAKTOR KARTINI Tegas Sutondo Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan- BATAN, Yogyakarta Nita Yulianti FMIPA - UNY, Yogyakarta ABSTRAK ANALISIS BATAS REAKTIVITAS SAMPEL EKSPERIMEN PADA REAKTOR KARTINI Telah dilakukan analisis balas reaktivilas positif maksimum dari sampel eksperimen pada teras reaktor Kartini. Analisis tersebut didasarkan pada kemampuan sistem shutdown reaktor Kartini, dengan mempertimbangkan faktor susutan dan burn up bahan bakar. Nilai reaktivitas batang kendali ditentukan berdasarkan hasil eksperimen, untuk konjigurasi teras terakhir (Agustus 2005), dengan)umlah elemen bahan bakar sebanyak 69 buah. Program TRIGAP telah digunakan sebagai dasar dalam analisis ini. Berdasarkan nilai batas minimum marlin padam yang diteapkan maka disimpulkan bahwa batas maksimum toleransi sistem pengendali reaktivitas terhadap penambahan reaktivitas positif yang berasal dari pemasukan sampel eksperimen ke dalam teras sebesar 0,325 $ atau sekitar 211 pcm. Nialai batas tersebut cukup konservatif dan dapat digunakan sebagai batas keselamatan reaktivitas dalam kaitannya dengan revisi dokumen Laporan Analisis Keselamatan (LAK) reaktor Kartini. Kala kunci: Reaktor Karlini, Reaktivitas, Sampel eksperimen, Sistem shutdown, Mar)in padam, Neraca reaktivitas, Laporan analisis keselamatan. ABSTRACT ANALYSIS OF REACTIVITY L1L1MT OF EXPERIMENTAL SAMPELS OF KARTINI REAKTOR. A calculation analysi.f to determine the maximum limit of reactivity insertion of experimental sample jilr Kartini reaktor has been carried out. The analysis was based on the ability of Karlini reaktor's shuldown system, taking into account the depletion and burn up factors. The control rod worths was determined based on the experimenfor the latest core pattern (AUgU.fl2005), with 69 filel elements. A TRIGAI' code has!>eell utilized jilr this analysis. Based upon the minimum limit of sill/tdown margin spesijied. it is cone/uded Ihm the maximum tolerable of positive reactivity insertion of experimental sample is 0,325 $ or around 211 pcii/. The limiting value is conservative enough and can be used as safety limit of reactivity, in relation to the updating the Safety Analyses Report (SAR) document of Kartini reactor. Keywords: Kartini Reactor, Reactivity. Experimental sample, Shutdown system, Shutdown margin. Reactivity balance, Safety analysis report. PENDAHULUAN Salah satu faktor penting untuk menjamin keselamatan operasi dari suatu reaktor adalah ketersediaan reaktivitas negatif dari sistem pengendali reaktivitas secara cukup, hal ini dimaksudkan untuk mengkompensasi seluruh komponen reaktivitas positif yang ada selama reaktor beroperasi dan sesaat menyusul terjadinya trip(l]. Sistem pengendali reaktivitas reaktor umumnya menggunakan bahan yang dapat secara efektif menyerap neutron, dalam bentuk batang kendall Nilai reaktivitas dari batang kendali selain tergantung dari jenis material yang digunakan, juga tergantung dari beberapa faktor, seperti densitas, bentuk geometri, ukuran serta letak/posisi di dalam teras reaktor. Selain itu, nilai reaktivitas dari batang kendali juga berubah dengan tingkat susutan atom penyerap yang digunakan, serta tingkat fraksi bakar (burn up) dari bahan bakar. Berdasarkan hal tersebut, perlu dilakukan evaluasi ulang mengenai kemampuan sistem shutdown pada reaktor Kartini, dengan mempertimbangkan faktor burn up setelah dioperasikan lebih dari 25 tahun. Untuk selanjutnya dapat ditentukan batas toleransi terhadap kemungkinan terjadinya penambahan reaktivitas positif akibat pemasukan sampel eksperimen ke dalam teras.

2 Tegas Sutondo, dkk. ISSN Dokumen ini menyajikan metoda dan hasil evaluasi tersebut yang diharapkan dapat digunakan sebagai batas t~rhadap reaktivitas positif dari sampel eksperimen yang akan dimasukkan di dalam teras reaktor Kartini. Selain itu juga dapat digunakan untuk melengkapi materi dari dokumen Laporan Analisis Keselamatan dari reaktor Kartini,. khususnya yang terkait dengan kemampuan pengendalian reaktivitas sebagaimana tercantum pada bab XVII.C, yaitu tentang Kondisi Satas untuk Operasi yang Aman. Sebagai dasar dalam evaluasi tersebut, digunakan program komputer TRIGAP yang dirancang untuk perhitungan statik maupun diplesi untuk reaktor jenis TRIGA seperti reaktor Kartini. TRI GAP adalah program difusi 2 kelompok, I dimensi yang dirancang untuk perhitungan statik maupun diplesi, serta pengelojaan bahan bakar di dajam teras (in core fuel management). Gambar 1 memperlihatkan skema struktur program TRIGAP [21. DASAR TEORI Si[}'tem Pengendali Reaktivita[}' Reaktor Kartini Sistem pengendali reaktivitas reaktor Kartini terdiri dari 3 buah batang kendali yaitu batang Pengaman, Kompensasi, dan batang Pengatur. Satang pengaman berfungsi untuk memadamkan secara cepat operasi reaktor bila terjadi penyimpangan dari beberapa parameter teras yang melampaui batas toleransi yang telah ditetapkan (setting point). Pemadaman dilakukan dengan melepaskan batang kendali tersebut secara otomatis dari sistem pemegangnya (scram), sehingga jatuh bebas masuk ke dalam teras reaktor. Oleh karenanya pada setiap pengoperasian reaktor, batang pengaman selalu ditarik keluar di atas teras (fully out). Satang kompensasi berfungsi untuk mengubah tingkat daya secara lebih cepat (kasar) pada saat start up sedang batang pengatur berfungsi untuk mengendalikan tingkat daya secara halus. Satang pengaman dan batang kompensasi, ditempatkan pada ring C, sedang batang pengatur berukuran lebih kecil, dan ditempatkan di ring E. Tabel I memuat spesifikasi dari ke tiga batang kendali tersebut, dimana nilai reaktivitas dari ke 3 batang kendali tersebut ditentukan dari hasil eksperimen berdasarkan konfigurasi teras bulan Agustus 2005 seperti pada Gambar 2. INPUT DATA (frigap.inp) ELEM DA T SIGMA Zone averaged Sech'on~ Cro~~ TRIGAP.UB BURN. OUT CEBIS J -D Power Di~tribution CEBIS.OUT BURN Burn-up Increa~e for Each FUel Element NO Gambar I. Skema struktur program TRIGAP.

3 382 ISSN Tegas Swanda, dkk. Tabell. Spesifikasi Komponen Batang KendaH Reaktor KartinLIJI Batang Kendali Pengaman Kompensasi Pengatur Diameter IUar (em) Bentuk fisik Bahan penyerap Lokasi Reaktivitas Gambar 2. Konfigurasi Teras Reaktor Kartini Agustus Reaktivitas Lebill Teras (Core Excess Of Reactivity) Setiap reaktor nuklir selalu di disain memiliki tambahan reaktivitas di atas nilai reaktivitas minimum yang diperlukan agar reaktor dapat kritis pada tingkat daya nominalnya untuk jangka waktu tertentu. Tambahan reaktivitas terse but disebut sebagai reaktivitas lebih dari teras (core excess of reactivity) yang diperlukan antara lain untuk mengkompensasi terjadinya proses penyusutan atom U-235 (burnup), serta timbulnya beberapa komponen reaktivitas negatif selama reaktor beroperasi. -Komponen reaktivitas negatif tersebut antara lain berasal dari terbentuknya unsur hasil belah (fission products), terutama xenon dan samarium, serta pengaruh kenaikan suhu di dalam teras reaktor yang semuanya berdampak pada penurunan reaktivitas reaktor. Besarnya reaktivitas lebih dari teras reaktor sebanding dengan jumlah muatan elemen bakar di dalam teras reaktor, yang dalam hal ini dibatasi oleh kemampuan pemadaman (shutdown) dad sistem pengendali reaktivitas yang ada, yang pada umumnya berupa batang kendali. Komponen Reaktivitas Positif Lainnya Selain yang berasal dari muatan bahan bakar, penambahan reaktivitas positif bisa terjadi selama Prosidlng PPI - PDlPTN 2006

4 Tegas Sutondo, dkk. ISSN reaktor beroperasi, antara lain akibat pemasukan sampel eksperimen tertentu, yang bisa menimbulkan kenaikan reaktivitas. Kenaikan reaktivitas teras dapat juga muncul sesaat menyusul terjadinya trip di mana seluruh batang kendali lepas dari pemegangnya dan jatuh bebas ke dalam reaktor, akibat terlampauinya batas selling dari salah satu parameter sistcm proteksi reaktor. Faktor penyebabnya antara lain pengaruh penurunan suhu moderator dan bahan bakar, penurunan fraksi void, dan terjadinya perubahan distribusi fluks atau daya dan Xenon pada arah aksial dari bagian bawah ke bagian atas teras reaktor yang lazim disebut sebagai Reactivity Redistribution Factor (RRF), yang semuanya akan memberikan kredit terhadap kenaikan reaktivitas teras! 1]. Marjin Padam (Shutdown Margin) Agar supaya operasi reaktor dapat dipadamkan setiap saat, dari sembarang tingkat daya, maka diperlukan sejumlah reaktivitas negatif yang mampu mengkompensasi seluruh komponen reaktivitas positif seperti telah dijelaskan di atas. Reaktivitas negatif tersebut disediakan oleh sistem pengendali reaktivitas, yang dalam hal ini bisa berupa batang kendali. Kemampuan pemadaman operasi reaktor dari sistem pengendalian reaktivitas tersebut umumnya diukur dengan suatu parameter yang disebut dengan Marjin Padam (Shutdown Margin) yang didefinisikan sebagai selisih antara total reaktivitas batang kendali yang ada, terhadap total komponen reaktivitas posistif yang perlu dikompensasi, dengan menganggap satu batang kendali dengan reaktivitas terbesar berada di luar teras (fully out) dan tidak berfungsi.li) Besamya marjin padam minimum yang ditetapkan dari suatu reaktor disebut sebagai marjin padam disain (MPD) atau Design Shutdown Margin yang mencerminkan besamya cadangan reaktivitas negatif yang masih tersedia diluar batas minimum yang dibutuhkan untuk memadamkan operasi reaktor. Untuk reaktor Kartini ditetapkan besamya nilai MPD sebesar 500 pcm atau = 0,769 $. Pada kenyataannya, sistem pengendali reaktivitas selalu didisain memiliki marjin pad am yang lebih besar dari batas minimum disain (MPD) yang ditetapkan, yang disebut sebagai marjin padam yang tersedia (MPr) atau Available Shutdown Margin. Selisih antara MPr dan MPD mencerminkan batas toleransi terhadap kemungkinan terjadinya penambahan reaktivitas positif ke dalam teras secara tak terduga, sewaktu reaktor beroperasi pada tingkat daya penuh, misal akibat pemasukan sampel eksperimen yang berakibat terjadinya kenaikan reaktivitas (RS). Dengan demikian batas reaktivitas positif sampel eksperimen dapat dinyatakan sebagai : (I) Secara umum, nilai M?, dapat ditentukan melalui persamaan neraca reaktivitas seperti pada persamaan berikut ini: III dengan P(N-I) CD RL RV RRF M~ = P(N-I) - (CD + RL + RV + RRF) (2) Reaktivitas dari total batang kendali dikurangi dengan reaktivitas batang kendali yang diasumsikan macet (batang pengaman) Reaktivitas cacat daya Reaktivitas lebih Reaktivitas akibat perubahan fraksi void Reaktivitas akibat faktor redistribusi Untuk kondisi di mana daya reaktor cukup kecil, dan tanpa terjadi pembentukan gelembung di bagian teras reaktor (seperti pada reaktor Kartini), maka komponen reaktivitas void = O. Demikian pula bila panjang aktif teras relatif pendek seperti pada reaktor Kartini, maka komponen reaktivitas RRF dapat diabaikan, sehingga persamaan 1 menjadi: MP,. = P(N-I) - (CD + RL) Agar diperoleh perk iraan hasil perhitungan yang konservatif, maka komponen reaktivitas dari batang kendali dikurangi 10% sebagai faktor koreksi terhadap ketelitian hasil pengukuran, sedang untuk komponen CD dan RL ditambah dengan 10% untuk faktor koreksi terhadap ketelitian hasil perhitungan. Besamya reaktivitas CD dapat ditentukan dari persamaan berikut: dengan ko dan kl masing-masing faktor multiplikasi efektif pada daya nol (Po) dan daya PI untuk kondisi tanpa batang kendali (All Rods Out). Nilai reaktivitas RL dapat ditentukan dari persamaan: (3) (4) (5) Prosiding PPI PDIPTN 2006

5 ~" 384 ISSN Tegas SUlondo, dkk. Bila dikehendaki nilai dalam satuan dollars ($) maka persamaan 3 dan 4 dibagi dengan fraksi neutron kasip efektif (/3eJJ) dari reaktor yang ditinjau. Untuk reaktor Kartini nilai /3e11= 0,0065.[4] METODOLOGI Sebelum melakukan perhitungan komponen reaktivitas positif CD dan RL maka perlu dilakukan simulasi pengaturan konfigurasi elemen bahan bakar di dalam teras sedemikian rupa sehingga dihasilkan reaktivitas teras yang maksimal. Simulasi tersebut dilakukan untuk menjamin bahwa setiap pertukaran posisi elemen bahan bakar (reshuflling) di dalam teras diperkirakan tidak akan melebihi nilai reaktivitas tersebut. Simulasi perhitungan tersebut dilakukan menggunakan paket program TRIGAP dengan mengamati nilai kejj yang terbesar. Selanjutnya, konfigurasi teras yang teroptimasikan tersebut digunakan sebagai dasar dalam perhitungan komponen reaktivitas CD dan RL. Selanjutnya dilakukan beberapa tahap perhitungan sebagai berikut: I. Perhitungan kejj pada daya nol untuk menentukan reaktivitas lebih teras pada kondisi dingin tanpa xenon (cold, zero power). 2. Perhitungan keft pad a daya 100 kw, dengan xenon dalam kondisi equilibrium. 3. Berdasarkan persamaan 4 dan 5, dihitung komponen reaktivitas CD dan RL sehingga besarnya marjin padam yang tersedia (MPT) dapat ditentukan berdasarkan persamaan Selanjutnya berdasarkan hasil evaluasi MPT tersebut, dan nilai MPD yang telah ditetapkan untuk reaktor Kartini, maka besarnya batas reaktivitas positif sampel eksperimen dapat ditentukan berdasarkan persamaan I.HASIL DAN PEMBAHASAN Perhitungan simulasi optimasi konfigurasi elemen bahan bakar telah dilakukan dengan cara pertukaran posisi elemen bakar yang ada di dalam teras (reshu.fjle), untuk mendapatkan nilai faktor multiplikasi (kejj) yang terbesar. Tabel 2 memperlihatkan konfigurasi teras reaktor Kartini setelah dilakukan simulasi optimasi. Berdasarkan konfigurasi tersebut, selanjutnya dilakukan perhitungan nilai keftpada tingkat daya nol (kl) dan 100 kw (k2), sehingga dapat ditentukan nilai komponen reaktivitas CD dan RL seperti ditunjukkan pad a Tabel 3. Ring-Ḇ C Tabel2. Konfigurasi teras reaktor Kartini teroptimasikan. Nomor Identifikasi Elemen Bahan Bakar D E F Tabel3. HasH Perhitungan kef/' RL dan CD Untuk Konfigurasi Teroptimasikan. RL RL (pcm).,.,<"" ". :::,.~.....,::.~~.; Daya ~ 1, RL ($) = 0 kw (pcm) CD ~, Daya = In(k = 11k 1002) kw I51?;5._.~!fo 752. ' >0\ 1, }89 ~ k2

6 Tegas Sutondo, dkk. ISSN Selanjutnya berdasarkan nilai reaktivitas batang kendali pada Tabel 1 dan komponen reaktivitas RL dan CD pada Tabel 3 dan dengan memasukkan faktor koreksi untuk ketiga komponen reaktivitas tersebut sebesar 10 %, maka dapat ditentukan nilai marjin pad am yang tersedia (MPr) dapat ditentukan yaitu: MPr = 0,9(2, ,711)-1,1 (1,577+0,752) 1,094 $ atau = 711 pem. Nilai MPr tersebut masih 0,325 $ atau sekitar 211 pem diatas batas disain (MP/) yang ditetapkan sebgesar 500 pem atau = 0,769 $. Kelebihan reaktivitas batang kendali tersebut dapat digunakan sebagai batas maksimum penambahan reaktivitas positif diluar komponen reaktivitas yang telah diperhitungkan di atas yang dalam hal ini bisa bcrasal dari dampak dari pemasukan sam pel cksperimcn (RS), ke dalam teras. Mengingat nilai reaktiivitas dari batang kendali yang digunakan ditentukan berdasarkan hasil eksperimen yang mana sangat sensitif baik terhadap jumlah muatan, tingkat burn up serta konfigurasi bahan bakar di dalam teras, maka untuk setiap terjadi perubahan jumlah dan konfigurasi teras perlu dilakukan evaluasi ulang terhadap nilai marjin padam tersebut. Dengan demikian nilai batas reaktivitas positif sampel eksperimen tersebut juga dapat berubah sesuai dengan kondisi jumlah muatan dan konfigurasi teras. Demikian pula untuk tingkat daya nominal yang lain, maka besarnya nilai komponen eaeat daya (CD) juga akan berubah, sehingga akan berpengaruh terhadap nilai marjin padam yang tersedia. KESIMPULAN Telah dilakukan analisis batas reaktivitas positifmaksimum dari sampel eksperimen pada teras reaktor Kartini, berdasarkan pada kemampuan sistem pengendalian raktivitas reaktor Kartini, dengan mempertimbangkan faktor susutan danburn up bahan bakar. Nilai reaktivitas batang kendali diperoleh dari hasil eksperimen, berdasarkan konfigurasi teras terakhir (Agustus 2005), dengan jumlah elemen bahan bakar sebanyak 69 buah. Pengaruh reaktivitas umpan balik (feedback) dari void dan faktor redistribusi (RRF) diabaikan dalam analisis ini, mengingat pengaruhnya sangat keci!. Serdasarkan nilai batas minimum marjin padam yang diteapkan (MP/) sebesar 500 pem atau = 0,769 $ maka marjin padam yang tersedia masih lebih besar 0,325 $ atau sekitar 211 pem diatas batas disain tersebut. Kelebihan tersebut dapat digunakan sebagai batas maksimum penambahan reaktivitas positif yang berasal dari dampak pemasukan sampel eksperimen (RS) ke dalam teras sebagai bagian dari dokumen Laporan Analisis Keselamatan dari reaktor Kartini. Nilai batas tersebut dapat berubah tergantung dari beberapa faktor, seperti jumlah muatan bahan bakar, konfigurasi teras, tingkat daya, dan burn up. DAFTAR PUSTAKA I. TEGAS SUTONDO, HERI SISWONO, MASDlN, Analisis Perhitungan Shutdown Margin dan Trip Reactivity Reaktor AP600 pada Mode Operasi Daya Rendah, Prosiding Pertemuan dan Presentasi I1miah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, Yogyakarta Mei I. MELE, M. RAVNIK, TRICAP - A Computer Programme For Research Reaktor Calculations, J. Stefan Institute, Ljubilana, Yugoslavia, Dec., Laporan Tri Wu/an Operasi Reaktor Kartini, Periode Oktober - Desember 2005, P3TM SATAN. 4. SAMUEL GLASSTONE and ALEXANDER SESONSKE, Nuclear Reactor Engineering" Van Nostrand Reinhold Company, 1980, Chapter 2. halaman 192. TANYAJAWAB Agus Purwadi - Apakah metoda analisis ini berlaku semua reaktor nuklir fisi saja? Apakah ada reneana untuk dipakai kelak di PL TN? Tegas Sutondo Metoda analisis yang digunakan adalah didasarkan pada neraca reaktivitas antara komponen reaktivitas negatif yang tersedia dengan reaktivitas positif yang harus dikendalikan. Metoda ini lazim digunakanpada analisis shutdown margin pada suatu reaktor fisi, termasuk PLTN. Yogyakarta. 10 Juli 2006