PENGARUH PEMBANGKITAN DAYA PADA TEMPERATUR PERMUKAAN BAHAN BAKAR DAN FLUIDA TERAS REAKTOR

Transkripsi

1 Volume 2 No.1 Januar 2017 Webste : Emal : barometer_ftusk@staff.unska.ac.d PENGARUH PEMBANGKITAN DAYA PADA TEMPERATUR PERMUKAAN BAHAN BAKAR DAN FLUIDA TERAS REAKTOR Adolf Ash Supryanto Lab Fska Program Stud Teknk Mekatronka, Polteknk Ennerng Indorama, Purwakarta adolf@pe.ac.d I N F O A R T I K E L Dterma : 10 November 2016 Drevs : 15 Desember 2016 Dsetuu : 21 Januar 2017 Kata Kunc : Bahan bakar, teras reaktor, pembangktan daya, Fluent, sub-buluh, dstrbus temperatur. A B S T R A K Dalam merancang suatu reaktor nuklr terdapat beberapa faktor yang harus dperhtungkan dantaranya sfat neutronk, mekank, termohdrolka, manaemen bahan bakar dan sfat-sfat yang lannya. Pada peneltan n telah dpelaar aspek termohdrolka teras reaktor mengena temperatur permukaan bahan bakar dan fluda. Telah dlakukan pemodelan susunan teras reaktor dan reflektor berbentuk heksagonal. Berkutnya, dasumskan bahwa pembangktan dayanya tetap pada 250 kwatt dan 375 kwatt untuk masng-masng bahan bakar. Data pengamatan dperoleh dar dstrbus temperatur pada permukaan bahan bakar dan fluda, khususnya pada sub-buluh tengan, pnggr dan pook. Pengeraan model teras reaktor dlakukan dengan paket program Fluent Vers 4.25 yang ada d Laboratorum Termodnamka PAU-IR ITB. Hasl yang dperoleh menunukkan bahwa teras reaktor yang dmodelkan memlk temperatur bahan bakar dan fluda rendah I. PENDAHULUAN Reaktor Trga Mark II yang berada d Bandung berdasarkan fungsnya termasuk ens reaktor peneltan, dmana neutron hasl belah dmanfaatkan untuk berbaga peneltan, rradas dan produks radosotop [1-2]. Produks radosotop terutama Fsson Product Molybdenum (FPM) dadkan prortas utama dar pendayagunaan reaktor dmasa mendatang [3-4]. Ddalam setap penggunaan reaktor nuklr selalu mengandung bahaya potensal dengan terakumulasnya zat-zat radoaktf sebaga hasl reaks belah yang terad pada reaktor nuklr [5-6]. Oleh karena tu pembangunan reaktor nuklr dan pengoperasannya harus dlakukan dengan menerapkan persyaratan keselamatan yang sangat ketat. Salah satu aspek keselamatan yang terpentng adalah aspek termohdrolka, sehngga ddalam perancangan dan analsanya dtuntut suatu keteltan yang sangat tngg. Informas tentang aspek termodhrolka dar kaan ekspermen mash sangat terbatas. Oleh tu, kaan teortk sangat dperlukan untuk menunuang kaan ekspermen. Dar kaan teortk dapat dketahu tentang dstrbus temperatur sepanang bahan bakar serta temperatur dan kecepatan alran fluda pendngn pada setap tempat, sehngga hal tersebut dapat mempredks tngkat paparan radas pada permukaan fluda dalam tangk. Data n secara ekspermen sangat sult dlakukan. Semakn menngkatnya umlah peneltan yang memanfaatkan sumber radas neutron untuk kaan bahan materal dengan kaedah tdak merusak bahan (Non-Destructve Testng, NDT) dan umlah permntaan akan produks radosotop, maka beberapa reaktor ngn menngkatkan fluks neutron yang lebh tngg sehngga mencapa daya operas beberapa puluh MW. Teortknya, pusat reaktor dapat doperaskan dan menghaslkan tngkat fluks neutron berapa saa, namun mengngat aspek keselamatan reaktor maka pengoperasan reaktor harus dbatas sehngga daya tertentu saa. Pengoperasan reaktor pada daya tngg dengan sstem pembuangan panas yang tdak sesua menyebabkan temperatur bahan bakar dan alran fluda akan melampau batas keselamatan. Beberapa faktor keselamatan yang membatas pengoperasan reaktor Trga Mark II dantaranya adalah temperatur maksmum bahan bakar pada teras reaktor hanya 750oC [7] dan sstem pendngn prmer drancang untuk reaktor beroperas pada daya sehngga 1 MW. Untuk menngkatkan daya menad 2 MW, dalam peneltan n akan dlakukan modfkas terhadap susunan bahan bakar d teras reaktor dar susunan bentuk semula lngkaran menad bentuk susunan heksagonal dengan umlah bahan bakar sebanyak 121 batang sepert yang dtunukkan dalam Gambar 1. Dar hasl peneltan n dharapkan dperoleh data-data tambahan dalam usaha untuk menngkatkan pengoperasan reaktor Trga Mark II menad 2 MW. Dalam melakukan kaan aspek termohdrolka terhadap reaktor rset, dalam peneltan n, dgunakan paket program Fluent Vers 4-25 yang dmlk oleh Laboratorum Termodnamka, PAU-IR, Insttut Teknolog Bandung, Bandung. Dalam peneltan n hanya dbatas pada aspek termohdrolkanya saa. Dengan pertmbangan adanya faktor smetr darpada susunan bahan bakar teras reaktor yang dka maka pembuatan modelnya hanya mencakup seperduabelas 19

2 Supryanto / Pengaruh Pembangktan Daya / Barometer, Volume 2 No.1, Januar 2017, (1/12) dar susunan bahan bahar teras reaktor saa. Selanutnya kaan akan dlakukan untuk menentukan dstrbus temperatur permukaan bahan bakar dan temperatur fluda pendngn. Dstrbus temperatur tersebut hanya dfokuskan pada daerah subbuluh, pnggr dan pook. Nla temperatur dperoleh dengan cara mereratakan nla temperatur pada masng-masng sub-buluk, pnggr dan pook. Tensor stress dberkan oleh: v v v = 2 x x 3 x dengan = vskostas Persamaan Konservas Energ ( h) ( v h) T k h' J t x x x x ' p p v v sh t x x dengan T = temperatur J = fluks speses K = konduktvtas termal campuran S = sumber ' (3) (4) Gambar 1 Penampang susunan heksagonal bahan bakar d dalam II. TEORI Fluent vers 4.25 adalah suatu program paket komputer yang berguna untuk memodelkan alran fluda, transfer panas dan reaks kma. Dalam peneltan n, Fluent vers 4.25 dgunakan untuk memodelkan alran fluda dalam teras reaktor susunan heksagonal. A. Persamaan Pengendal Persamaan-persamaan dasar yang dgunakan dalam paket program Fluent Vers 4-25 untuk menyelesakan aspek termohdrolk sstem teras reaktor adalah [8-10]: Persamaan konservas massa (v ) = Sm (1) t x dengan = denstas fluda x = arak dalam arah v = komponen kecepatan dalam arah S m = sumber lan Persamaan konservas momentum ( v ) ( vv ) p t x x x dengan p = tekanan statk g = percepatan graftas F = gaya luar = tensor stress + g + F (2) Paket program Fluent Vers 4-25 dalam menyelesakan persamaan-persamaan d atas uga melbatkan faktor turbulens (k-) pada korelas tegangan Reynolds. u u ' ' uu 2 t k x x 3 (5) dengan u = komponen kecepatan rata-rata k = energ knetk turbulen t = vskostas turbulen = delta kroneker. = 1, 2, 3; = 1, 2, 3 Formula turbulens untuk energ entalp: ' t h uh ' x h B. Konds Batas Konds batas yang dgunakan dalam penggunaan paket program Fluent Vers 4-25 adalah masukkan, smetr dan dndng. 1. Masukkan Batasan masukkan adalah batasan alran fluda yang masuk kedalam teras reaktor dengan kecepatan, temperatur dan besaran fss yang dketahu. Besaran-besaran fss fluda, dalam peneltan n adalah ar, adalah: Denstas, = 9, kg/m 3 Vskostas, = 2, kg/m-s Konduktvtas panas, k = 6, watt/m-k Panas ens, c p = 4, Joule/kg-K 2. Smetr Batasan smetr adalah batasan bdang smetr dmana graden normal sama dengan nol untuk semua varabel kecual komponen normal kecepatan. Kecepatan normal akan hlang pada batasan smetr. (6) 20

3 Supryanto / Pengaruh Pembangktan Daya / Barometer, Volume 2 No.1, Januar 2017, Dndng Pada batasan dndng komponen kecepatan normal dpaksa sama dengan nol, dan harga fluks skalar dplh tetap. Pada batasan dndng pembangktan panas dnyatakan oleh: T ' " w T w q k h ( T ) (7) n dengan " q w = pembangktan panas k = konduktvtas termal fluda T = temperatur w = dndng n= arak dar dndng ke ttk nodal dekat dndng = cukup auh dar dndng B. Teras Reaktor Pemodelan teras reaktor dbuat 1 / 12-nya saa karena adanya faktor smetr dengan bentuk dan ukuran sepert yang dtunukkan dalam Gambar 3. Selanutnya peneltan hanya dbatas untuk sub-buluh, pnggr dan pook sepert yang dtunukkan dalam Gambar 3a tampak dar atas, sementara Gambar 3b vsualsas geometr teras reaktor model 3-dmens. Graft 8,8 cm Pembangktan panas dar dndng untuk alran turbulen dnyatakan dengan formula log-low sebaga berkut: T k n 1 q" y dengan Pr ln Pr t 1 1 Pr t 4 A Pr Ey y Pr Prt " q w = pembangktan panas sn 4 k = konduktvtas termal fluda T= T w - T f W = dndng F = fluda Pr = blangan Prandtl = konstanta von-karman (0,24) A = konstanta van-drest (26) E = konstanta emprs (9,81) y + = konstanta arak dar dndng (11,225) Proses penyelesan persamaan-persamaan tersebut d atas yang dlakukan oleh paket program Fluent Vers 4-25 dapat meruuk kepada Nazar dkk, 1998 [11]. (8) Bahan bakar 38,1 cm Graft 8,8 cm 3,76 cm Gambar 2 Model bahan bakar reaktor dar teras reaktor. Sub-buluh pnggr (a) Sub-buluh Sub-buluh pook Fluda keluar (b) III. METODE PENELITIAN A. Bahan Bakar Reaktor Dalam peneltan n dplh model bahan bakar reaktor dengan susunan sepert yang dtunukkan dalam Gambar 2. Jumlah semua bahan bakar reaktor ada 121 batang. Untuk lebh mendekatkan ukuran sebenarnya dar bahan bakar reaktor Trga Mark II, maka ukuran dameter dan panang bahan bakar reaktor masng-masng yang dbuat adalah 3,76 dan 38,1 cm. Selongsong bahan bakar tersebut terbuat dar stanless steel yang dapt pada ss bawah dan atas oleh graft dengan dameter yang sama, tetap panang yang berbeda yatu 8,8 cm. Daya yang dbangktkan oleh setap bahan bakar reaktor dasumskan sama dan terdstrbus merata sepanang bagan bahan bakar tersebut. Bagan luar dar bahan bakar adalah tdak aktf dan dasumskan sebag dndng adabatk. x y z Fluda masuk Gambar 3. Geometr 1 / 12 teras reactor. (a) tampak dar atas dan (b) vsualsas geometr model 3-dmens. 21

4 Temperatur, K Supryanto / Pengaruh Pembangktan Daya / Barometer, Volume 2 No.1, Januar 2017, Fluda pendngn bergerak sepanang sumbu-x arah vertkal, masuk dar bawah dan keluar ke atas dalam teras reaktor. Untuk memudahkan untuk menalankan paket program Fluent Vers 4-25, dbuatlah grd dengan 14 nodal arah sumbu-x, 18 nodal arah sumbu-y dan 29 nodal arah sumbu-z. Sumbu-x adalah arah vertkal dan pembagan sel volume atur sepert yang dtunukkan dalam Tabel 1. Seterusnya dalam pembahasan sel volume atur dalam sumbu-x dgant dengan poss. Tabel 1 Sel volume atur dalam sumbu-x. No. Jarak dalam Jumlah sel Poss sumbu-x (cm) volume atur 1 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ 12 pnggr dan. Temperatur permukaan bahan bakar terus menngkat dengan menngkatnya poss sampa dengan poss 10 menad 317,6 o K pada sub-buluh pook dan 342,8 o K pada sub-buluh pnggr dan. Menngkatnya temperatur permukaan bakar tersebut terhadap menngkatnya poss dsebabkan fluda yang melewat bahan bakar mendapat tambahan panas secara terus-menerus sehngga fluda tdak dapat menyerap panas lebh banyak dar permukaan bahan bakar. Temperatur pemukaan bahan bakar pada sub-buluh pook lebh rendah darpada sub-buluh pnggr dan. Hal n karena volume fluda yang melewat sub-buluh pook lebh besar sehngga fluda dapat menyerap panas lebh banyak yang menyebabkan temperatur bahan bakar semakn berkurang. Terakhr temperatur permukaan bahan bakar turun kembal karena fluda melewat graft yang pembangktan dayanya sama dengan 0 watt/m 2. C. Data Masukkan Dalam peneltan n data masukan kecepatan, temperatur dan tekanan alran fluda masuk dbuat tetap masng-masng dengan nla 2 m/s, 305 o K dan 1 atm. Demkan uga pembangktan panas untuk graft datur sama dengan 0 watt/m 2. Sedangkan untuk bagan bahan bakar, pembangktan daya dhtung menurut perhtungan sebaga berkut: W = P watt/m Bb. A 2 (9) Dengan: W = pembangktan daya P = daya Bb = bahan bakar A = luas selubung bahan bakar Pembangktan daya pada bahan bakar datur untuk dua harga daya P yang berbeda yatu 250 dan 375 kwatt. Jka harga daya P tersebut dmasukkan kedalam persamaan 9, maka dperoleh harga pembangktan daya W masngmasng sebesar 4, dan 6, watt/m 2. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada peneltan n dbuat reaktor beroperas pada pembangktan daya yang berbeda yatu masng-masng sebesar 4, watt/m 2 untuk Kasus I dan 6, watt/m 2 untuk Kasus II. A. Dstrbus Temperatur Bahan Bakar Dstrbus temperatur permukaan bahan bakar sepanang poss dalam arah sumbu-x dengan pembangktan daya 4, watt/m 2 dtunukkan dalam Gambar 4. Pada awal masuknya fluda kedalam teras reaktor temperatur permukaan bahan bakar adalah konstan 305 K sepert yang dtunukkan dalam poss 1 dan 2 dalam Gambar 4 karena fluda melewat graft dengan pembangktan daya 0 watt/m 2. Kemudan pada poss 3 temperatur permukaan bahan bakar mula nak menad 315,7 o K pada sub-buluh pook dan 336,9 o K pada sub-buluh pnggr pook Poss Gambar 4 Dstrbus temperatur permukaan bahan bakar dengan pembangktan daya 4, watt/m 2. Gambar 5 adalah dstrbus temperatur permukaan bahan bakar dengan pembangktan daya 6, watt/m 2. Dstrbus temperatur permukaan bahan bakar pada Gambar 5 memlk kecenderungan yang sama dengan dstrbus temperatur permukaan bahan bakar pada Gambar 4. Temperatur permukaan bahan bakar terus menngkat dengan menngkatnya poss yatu dar poss 3 sehngga 10. Namun temperatur permukaan bahan bakar pada masng-masng sub-buluh pada Gambar 5 lebh tngg darpada Gambar 4. Hal n karena semakn besar pembangktan daya maka semakn besar uga temperatur permukaan bahan bakar. Temperatur permukaan bahan bakar tertngg yang dperoleh adalah 361,5 o K pada subbuluh. Antarksawan dkk pada 2000 telah melakukan perhtungan terhadap temperatur bahan bakar teras reaktor dan mereka memperoleh hasl 134,7 o C [4]. Kemudan, Sudatm pada tahun 2011 melakukan kaan mengena temperatur permukaan kelongsong bahan bakar dan ddapat 138 o C [7]. Sedangkan dalam kaan n dperoleh temperatur bahan bakar tertngg adalah 361,5 o K pada sub buluh pnggr dan, sehngga boleh dkatakan temperatur permukaan bahan bakar tersebut mash dalam katagor aman untuk mengoperaskan reaktor dengan pembangktan daya 6, watt/m 2. 22

5 Temperatur, K Temperatur, K Temperatur, K Supryanto / Pengaruh Pembangktan Daya / Barometer, Volume 2 No.1, Januar 2017, pnggr pook Poss Gambar 5 Dstrbus temperatur permukaan bahan bakar dengan pembangktan daya 6, watt/m pnggr pook dan 305,3 o K. Temperatur fluda terus menngkat dengan menngkatnya poss sampa dengan poss 10 masngmasng pada sub-buluh, pnggr dan pook menad 313,1 K, 309,5 K dan K. Menngkatnya temperatur fluda tersebut terhadap menngkatnya poss dsebabkan terakumulasnaya panas bahan bakar yang dberkan ke fluda. Terakhr temperatur fluda tdak nak lag karena fluda melewat graft yang pembangktan dayanya sama dengan 0 watt/m 2, sepert yang dtunukkan dalam poss 11 dan 12 pada Gambar 6. Gambar 7 adalah dstrbus temperatur fluda dengan pembangktan daya 6, watt/m 2. Dstrbus temperatur fluda pada Gambar 7 memlk kecenderungan yang sama dengan dstrbus temperatur fluda pada Gambar 6. Temperatur fluda terus menngkat dengan menngkatnya poss yatu dar poss 3 sehngga 10. Namun temperatur fluda pada masng-masng sub-buluh pada Gambar 7 lebh tngg darpada Gambar 6. Hal n karena semakn menngkat pembangktan daya semakn menngkat uga temperatur fluda. Temperatur fluda tertngg adalah 318 o K pada sub-buluh. 310 Poss Gambar 6 Dstrbus temperatur fluda dengan pembangktan daya 4, watt/m pnggr pook Poss Gambar 7 Dstrbus temperatur fluda dengan pembangktan daya 6, watt/m 2. B. Dstrbus Temperatur Fluda Dstrbus temperatur fluda sepanang poss dalam arah sumbu-x dengan pembangktan daya 4, watt/m 2 dtunukkan dalam Gambar 6. Pada awal masuknya fluda kedalam teras reaktor temperatur fluda adalah konstan 305 o K sepert yang dtunukkan dalam poss 1 dan 2 dalam Gambar 6 karena fluda melewat graft dengan pembangktan daya 0 watt/m 2. Kemudan pada poss 3 temperatur fluda mula nak masng-masng pada subbuluh, pnggr dan pook menad 306,2 o K, 305,7 o K V. KESIMPULAN Hasl kaan yang telah dlakukan terhadap model teras reaktor dengan memasukkan kecepatan, temperatur dan tekanan fluda konstan masng-masng 0,2 m/s 2, 305 K dan 1,5 atm serta varas pembangktan panas 4,59 watt/m 2 dan 6,89 watt/m 2 dperoleh kesmpulan bahwa temperatur permukaan bahan bakar pada poss 1 dan 2 adalah tetap 305 o K karena fluda melewat graft, temperatur permukaan bahan bakar pada poss 3 sampa dengan 10 mengalam kenakkan secara lner dan temperatur permukaan bahan bakar pada poss 11 dan 12 turun lag karena fluda melewat graft. Hasl temperatur permukaan bahan bakar yang dperoleh mash dalam katagor aman untuk mengoperaskan reaktor dengan pembangktan daya 6, watt/m 2. DAFTAR PUSTAKA [1] Sudatm, K.A., Hastut, E.P., Wdodo, S. dan Nazar, R. Analss Konveks Alam Teras Reaktor Trga Berbahan Bakar Tpe Pelat Menggunakan Coolod-N2. Jurnal Teknolog Reaktor Nuklr, Vol. 17, No. 2, 2015, pp [2] Mandala, G.A. Smulas Modfkas Reaktor Trga 2000 Bandung dengan Bahan Bakar Jens Pelat. Semnar Nasonal VI SDM Teknolog Nuklr, Yogyakarta, 2010, pp [3] Rosyd, M., Hdayat, N. dan Jumar. Smulator Reaktor Kartn Sebaga Alat Peraga Ooperas Reaktor Peneltan Tpe Trga Mark II. Semnar Nasonal IX SDM Teknolog Nuklr, Yogyakarta, 2013, pp [4] Antarksawan, A. R., Alq, Puradw dan Handoyo, I. Evaluas Dsan Sstem Pendngn Reaktor Trga Mark II Bandung Daya 2 MW. Prosdng Presentas Ilmah 23

6 Supryanto / Pengaruh Pembangktan Daya / Barometer, Volume 2 No.1, Januar 2017, Teknolog Keselamatan Nuklr-V, Serpong, 2000, pp [5] A. Suwono. Pendekatan Model Meda Berpor Subbuluh dalam Analss Termodnamka Berkas Bahan Bakar Reaktor Nuklr, PPTKR-BATAN, Serpong, [6] M. A. Waskto dkk. Rencana stud Karakterstk Termohdrolk Sub-buluh dalam Berkas Bahan Bakar Reaktor pada unta U Nlo I. PPTKR-BATAN, Serpong, [7] Sudatm, K.A. Pengaruh Nla Bakar terhadap Integrtas Kelongsong Elemen Bakar Trga Jurnal Teknolog Reaktor Nuklr, Vol. 13 No. 3, 2011, pp [8] Anonm. Pre-BFC User s Gude. Verson 4.2, Fluent Inc., Lebanon, NH USA, [9] Anonm. Fluent Tutoral Gude. Verson 4.2, Fluent Inc., Lebanon, NH USA, [10] Anonm. Computatonal Added Desgn, Fluent User s Gude. Verson 4.2, Fluent Inc., Lebanon, NH USA, [11] Nazar, R., Suwono, A. dan Soelaman, T. A. F. Ka Teortk Aspek Termohdrolk Reaktor Rset pada Daya 2 MW. Jurnal Teknk Mesn, ITB, Vol. XIII-1, 1998, pp