PERHITUNGAN TEBAL DAN TUTUP TANGKI REAKTOR GELEMBUNG PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe UNTUK PLTN DIINDONESIA

Transkripsi

1 PRPN- BATAN, 14 November 2013 PERHITUNGAN TEBAL DAN TUTUP TANGKI REAKTOR GELEMBUNG PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe UNTUK PLTN DIINDONESIA Putut Hery Setiawan dan Petrus Zacharias PRPN - SATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, ABSTRAK PERHITUNGAN TEBAL DAN TUTUP TANGKI REAKTOR GELEMBUNG PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TlPE PWR 1000 MWe UNTUK PL TN DIINDONESIA. Proses konversi UF6 menjadi U02 pada pabrik produksi bahan bakar nuklir melalui jalur Amonium Uranil Karbonat (AUK) dilakukan dengan menggunakan reaktor gelembung. Keluaran utama dari reaktor gelembung adalah endapan AUK, yang ditampung oleh tanki pengendap. Tangki reaktor gelembung dirancang berbentuk vertikal terdiri dari shell dan head berbentuk torispherical. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan standar ASME Sec. VII, Div.1. Data masukan berasal dari data sheet proses yang berisi spesifikasi tangki berupa dimensi, tekanan, efesiensi dan corrosion allowance (CA). Dari hasil perhitungan didapat ketebalan dinding shell sebesar 0,37 mm dan ketebalan dinding head sebesar 0,65 mm. Ketebalan ini masih masih harus ditambah dengan corrosion allowance, untuk material Hastelloy dalam suasana senyawa fluor nilai CA ditentukan sebesar mm untuk umur pabrik 25 tahun. Dengan pertimbangan perancangan yang disesuaikan dengan ketersediaan tebal pelat diindustri, maka ketebalan tangki yang digunakan adalah sebesar 4 mm. Kata kunci: tangki, ketebalan head, ketebalan shell, reaktor gelembung, elemen bakar nuklir ABSTRACT CALCULA TlON OF HEAD AND SHELL BUBBLE REACTOR TANK FOR NUCLEAR FUEL ELEMENT PLANT TYPE 1000 MWE FOR PL TN IN INDONESIA. The conversion process of UF6 to U02 in nuclear fuel production plant through AUC performed using bubble reactor. The main product of the bubble reactor is Ammonium Uranyl Carbonat (AUC), which is accommodated by the settling tank. Bubble reactor tanks are designed consisted of a vertical-shaped shell and a head shaped torispherical. The design performed by using the standard ASME Sec. VII, Div.1. Input data from the process data sheet that contains a dimensional specification tanks, pressure, efficiency and corrosion allowance (CA). From the calculation of the shell wall thickness is 0.37 mm and a wall thickness of head is 0.65 mm. Thickness is still yet to be coupled with a corrosion allowance, for Hastelloy material in an fluid service of fluorine, CA value set at 3, 175 mm for 25 year of plant. In consideration of the thickness of the tank design is used by 4 mm. Keywords: vessel, thickness of head, thickness of shell, bubble reactor, nuclear fuel element

2 PRPN - BA TAN, 14 November PENDAHULUAN Untuk mengantisipasi opsi energy listrik, PLTN dipilih sebagai salah satu pembangkitan energi di Indonesia, Batan melalui Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir telah melakukan pra studi kelayakan pendirian pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWE. Basis bahan bakar PWR (Pressurized Water Reactor) adalah uranium dioksida (U02) dalam bentuk pelet tersinter yang disusun di dalam tabung kelongsong zircalloy kedap (tertutup di kedua ujungnya). Berdasarkan pengalaman negara maju, pabrik produksi elemen bakar nuklir yang menggunakan umpan Uh dengan pengkayaan U 235 sampai 5%, memproduksi serbuk U02 melalui tiga jalur yaitu [1]: Jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK) Jalur Ammonium Diuranat (ADU) Jalur Kering Terintegrasi ( JKT ) Pilihan teknologi yang diambil adalah proses konversi melalui jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK) dan Jalur Kering Terintegrasi (JKT) yang dapat dioperasikan secara parallel atau bergantian sehingga dapat menjamin fleksibilitas dalam produksi [1]. Proses produksi bahan bakar nuklir U02 melalui jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK) melewati beberapa proses, salah satunya adalah proses pada tangki reaktor gelembung. Suhu di dalam tangki reaktor gelembung dipertahankan 60oC, karena unsur-unsur yang terdapat di dalamnya berupa NH3, UF6, CO2 dan mengandung panas sehingga suhu di dalam tangki perlu dipertahankan. Media air yang bercampur dengan gas menghasilkan gas dan endapan AUK, dimana gas sisa dialirkan ke scrubber dan endapan dalam bentuk AUK dialirkan ke settling tank. Proses terse but di atas dilakukan di dalam tangki yang disebut dengan tangki reaktor gelembung, dimana di dalam makalah ini hanya dibatasi pad a perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor gelembung yang terdapat dalam proses melalui jalur AUK. 2. TEORI Tangki (Vessel) Tangki (vessel) merupakan bejana yang digunakan untuk menyimpan fluida baik berupa liquid maupun gas. Tangki ini banyak digunakan pad a proses pengilangan minyak dan juga pada industri-industri lain, terutama industry petrokimia, obat-obatan, makanan dan juga industri yang menggunakan peralatan otomatis. Selain berfungsi sebagai media penyimpan, tangki bisa juga berfungsi sebagai pemisah (separator), penyaring (filter), ataupun sebagai pencampur bahan kimia

3 PRPN - BA TAN, 14 November 2013 Pad a umunya tangki dapat digolongkan dalam beberapa jenis: 1. Tangki berbentuk vertikal (vertical tank), 2. Tangki berbentuk horisontal (horizontal tank), 3. Tangki berbentuk bola (hemispherical tank). Tanki yang digunakan dalam perhitungan ini adalah tangki berbentuk vertikal dimana tangki tersebut berisi gas-gas CO2, NH3, UF6 dengan air yang direaksikan menjadi Ammonium Uranil Karbonat (AUK), dalam hal ini tanki digunakan sebagai reaktor. Karena bahan baku proses yang digunakan mengandung senyawa fluor, maka persyaratan material yang digunakan untuk desain peralatan adalah material harus tahan terhadap senyawa-senyawa UF6 gas dan HF. Desain harus memenuhi faktor keamanan pada operasi normal maupun transisi atau abnormal, dan untuk mencapai umur desain. Secara umum, desain vessel ini mengacu ke ASME Sec.vlll Div.1 yang tidak mengevaluasi secara rinci terhadap semua tegangan yang mungkin terjadi. Sementara kode yang ada memberikan formula untuk menghitung ketebalan dan stress komponenkomponen dasar. Vessel yang mendapat tekanan internal dan atau eksternal akan menimbulkan tegangan pada dinding shell. Tegangan ini umumnya menimbulkan tegangan triaxial, ketiga prinsip tegangan itu adalah tegangan longitudinal ( longitudinal stress), tegangan circumferential (circumferential stress), dan tegangan radial ( radial stress). Tegangan radial adalah tegangan yang dihasilkan langsung dari aksi tekanan terhadap dinding, dan menyebabkan tegangan tekan sama dengan tekanan. Untuk vessel berdiding tipis, tegangan radial ini sangat kecil dibandingkan dengan tegangan yang lain, sehingga dapat diabaikan. Jadi untuk tujuan penyederhanaan analisis, keadaan tegangan menjadi biaxial, sehingga dapat menyederhanakan metode penggabungan tekanan dibandingkan dengan tegangan triaksial. Vertical Tank Horizontal Tank Hemispherical Tank Gambar 1. Jenis-jenis tanki [5]

4 PRPN-BATAN, 14 November 2013 Komponen utama dari tangki terdiri dari : Dinding silinder tangki (Shelf) Tutup kepala tangki (head) Penyangga tangki (support) Kelengkapan tangki (accessories) Dalam makalah ini hanya difokuskan pad a perhitungan ketebalan dinding silinder tangki dan tutup kepala tangki. Standar yang digunakan dalam perhitungan ini adalah ASME Section VIII Div.l, dimana untuk perencanaan tebal silinder menggunakan UG-27. UG 27 digunakan untuk perhitungan tebal bejana karena tekanan internal, dengan persamaan sebagai berikut. Tegangan circumferential (sambungan longitudinal)[4] PR t = SE _O.6P atau P = dengan : t = Tebal tangki (mm) SF t P = Tekanan dalam (kpa) R = radius dalam shell (mm) S = Allowable stress matrl. (kpa) E = Effesiensi = 0.85 Tegangan longitudinal (sambungan circumferential)[4] P R 25 t t =._ atau P = Head (head & bottom) Head merupakan bagian tangki yang berfungsi sebagai penutup silinder (shell), baik bagian atas tangki (head) maupun bagian bawah tangki (bottom). Pada umumnya jenis penutup silinder dibagi menurut bentuk geometrisnya dan yang paling sering digunakan adalah bentuk: 1. Setengah bola (Hemispherical) head 2. Ellipsoidal head 3. Torispherical head

5 Prosiding Pertemuan /lmiah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN- BATAN, 14 November 2013 ~,,'I- "., ;;: ~ A ~.~ ~l r_i~ii r (.~-- -- t I[).- - _ Hemispherical head Ellipsoidal head Torispherical head Gambar 2. Jenis-jenis head [5] Jenis head yang digunakan dalam perhitungan ini adalah jenis tori spherical head, hal ini ditentukan berdasarkan data yang di dapat dari divisi proses, dimana untuk mendapatkan ketebalan torispherical berdasarkan ASME Section VIII Div. I UG-32[4] digunakan: O.885PL t= dengan L = diameter dalam torispherical. \--- \?J i. -FL t- R (mm) - 0 r [mm) = 0.10 hl (mm) ~ 3.5 t h2 (mm) = 0,20 H (mm) h1 ~h7 ~D Gambar 3. Dimensi torispherical head [2] 3. TATAKERJA PERHITUNGAN Perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor gelembung dilakukan berdasarkan masukan data dari divisi proses berupa data sheet yang diperlukan dalam perhitungan di antaranya adalah tekanan desain, material, tipe penutup, corrosion allowance (CA) dan efesiensi yang diperlihatkan pada Gambar dalam lampiran. Perhitungan ketebalan dinding silinder (shell) Material yang digunakan dalam perhitungan ini adalah Hastelloy dimana yield strength untuk material tersebut berkisar antara MPa dan yield yang digunakan sebesar 300 MPa[3], sedangkan Allowable stress diambil 60% dari yield stregth yaitu sebesar 180 MPa yang digunakan sebagai dasar perhitungan

6 PRPN - BA TAN, 14 November 2013 Perencanaan ketebalan dinding shell yang diatur dalam AS ME SECTION VIII DIV. 1, 2001 ayat UG-27 untuk tegangan circumferencial (sam bung an longitudinal) didapat : f- PR _,- SE - O.6P dengan : t P = = Tebal tangki (mm) Tekanan dalam desain = 3 atm atau = 304 kpa R = radius dalam shell, dimana diameter dalam shell = 370 mm S = Allowable E = Effesiensi = 0.85 stress material hastelloy = kpa (60% dari yield strength) 304 x 185 t = (0 8.5)-(V. 6.J 30.4 t= 037 mm Sedangkan untuk tegangan longitudinal (sambungan circumferential) didapat: PR t = 2SE P t = (0..85)+(0..4)304 t ;;;018 mm Dari hasil perhitungan di atas didapat ketebalan shell untuk tegangan circumferential sebesar 0.37 mm dan untuk ketebalan tegangan longitudinal sebesar = Perhitungan Head Untuk perhitungan ketebalan head berdasarkan ASME SECTION VIII DIV. 1, 2001 ayat UG-32 didapat : dengan : L = diameter dalam torispherical P L f- _, - SE - 0 '1P t = 065 mm 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Tangki reaktor gelembung berbentuk vertikal, terdiri dari shell yang berbentuk silinder dan tutup tangki berbentuk torispherical. Dari perhitungan ketebalan shell didapat nilai ketebalan untuk tegangan circumferential dan tegangan longitudinal masing-masing

7 PRPN - BA TAN, 14 November dan 0.18 mm. Untuk keamanan desain dipilih nilai ketebalan terbesar yaitu 0.37 mm yang merupakan tebal minimum shell. Sedangkan untuk head didapat ketebalan 0.65 mm. Hasil perhitungan di atas masih ditambahkan dengan faktor corrosion allowance dimana Corrosion allowance dalam desain dimaksudkan untuk mengantisipasi tingkat safety suatu equipment agar tetap reliable saat operasi. Sebenarnya tanpa diberi corrosion allowancepun suatu equipment tetap safe dipakai karena gaya atau beban yang bekerja masih di bawah nilai yield strength material yang digunakan namun untuk fluida yang mengangung fluor, bahan hastelloy akan terkorosi. Oalam perhitungan ini material Hastelloy mempunyai nilai CA untuk umur 25 tahun sebesar mm, sehingga tebal shell menjadi sebesar = 3.83 mm dan untuk pertimbangan perancangan maka ditentukan tebal pelat yang digunakan adalah 4 mm [6]. Oari hasil penentuan ketebalan maksimal termasuk nilai CA, maka dimensi head yang berbentuk torispherical dapat dilakukan dengan mengacu pada Gambar 3, yang hasilnya disajikan pada halaman berikut : \ t: 4 ~...- I - _ '". w_. w \ R = 378 f r::378._./~,~ ~ ~ 1 <D ~ <1>10=378 Gambar 4. Oimensi Torispherical Hasil Perhitungan 5. KESIMPULAN. Perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor gelembung yang berbentuk vertikal dengan dimensi yang didapat dari data sheet sistem proses dengan ketinggian total 4700 mm, dimana head bagian atas dan bawah berbentuk torispherical yang mempunyai ukuran ketinggian sesuai dengan perhitungan sebesar = 89.6 mm, sehingga ketinggian shell didapat sebesar = mm. Untuk ketebalan tangki dari hasil perhitungan didapat tiga ketebalan, dimana untuk tegangan Circumferensial = 0.37 mm, tegangan longitudinal = 0.18 mm dan ketebalan head sebesar = 0.65 mm. Oari ketiga hasil perhitungan diambil perhitungan ketebalan terbesar yaitu 0.65 mm dan dengan penambahan faktor corrosion allowance untuk material hastelloy dengan umur pemakaian 25 tahun sebesar 3.175, maka ketebalan tangki sebesar = mm. Untuk pertimbangan perancangan yang disesuaikan dengan

8 PRPN- BATAN, 14 November 2013 ketersediaan tebal pelat diindustri, maka ketebalan tangki baik untuk shell maupun untuk head dibulatkan sebesar 4 mm. 6. DAFT AR PUST AKA 1. Program Manual. "Design Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe PWR 1000 Mwe Untuk PLTN di Indonesia" Tahun Kartal Bombe Sanayi (KBS), Disk and Flange heads,torispherical Heads, ASME Section II Part 0, "Materials", Boiler and Pressure Vessel, Edition 1 Juli ASME Section VIII Div.l, "Rules for Construction of Pressure Vessel", Boiler and Pressure Vessel, Edition 1 Juli Juniarto, Yuriadi Kusumah, "Perancangan Pressure Vessel E Type Vertical", Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Mercu Buana, 20 Mei Beyond Steel Indonesia, "Tabel ukuran dan berat Plat Stainless Steel",, bloqspot. com/20 12/0 1/tabel-ukuran-berat -plat -stainless-steel. html, TANYA JAWAB Pertanyaan: 1. Pad a kesimpulan sudah terlihat masing-masing perhitungan tebal (termasuk pada abstrak). (Maradu) 2. Judul perlu diperbaiki. (Maradu) Jawaban: 1. Pada kesimpulan sudah terlihat masing-masing ketebalan yaitu pad a tabel untuk tegangan circumferential dan table terisphenical. 2. Judul akan saya perbaiki terima kasih

9 0 0 Prosiding Pertemuan I/miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - SA TAN, 14 November nit: m \ 7, LAMPIRAN,,Yo Item 20 Name I ' '/ ',,\..,. \ ~ r-- E -q: 0, I--33. Type Center Item Operating Design Emergency Shell Heads Code: II> Joint atm85 Number of Diameter atm60 Line: mbottom Heads Number 0.5 I-! Vacuum Vapor Vertical Mark in3c- in1 Size (I.D.): 4.7m 0.37 T '- 0 Temperature Corr.Allowance INo Out FtoJ Val\oe Radiography ': 0.85 Gauge Glass, Inlet Liquid Design: No. 3 Hastelloy Nozz Pressure. Required: IMatenal Out mdeg les : C G.= Weight AStress Density insulation REMARK No. Made/Relised Checked deg 60 \essel Efficiency: CRelie\oe Empty: of 1subject Content: Weight totype: Ft- mechanical Full: H2O Safety Thermocouple Le\oelContol Torisphencal Gauge Shell Hight T r. o & ~ kn/m3 kg vibration?*yes/no kg Drain Yes/No ppro\oedby Unit Description Date 5 Date4 Date 3By 2 A- C- Thickness 1Hafni Abdul Prayitno Manhole Lissa jami Skirt Steam Length 1Out min. Vent Material Base ElelK1: o~h...e.. '«/1 P ~ -, ~ rr" + ~.A._ ~