ANALISIS PENGARUH FRAKSI BAKAR TERHADAP FLUX NEUTRON PADA DESAIN TERAS REAKTOR RISET TIPE MTR

Transkripsi

1 96 ISSN Lily Suparlina, dkk. ANALISIS PENGARUH FRAKSI BAKAR TERHADAP FLUX NEUTRON PADA DESAIN TERAS REAKTOR RISET TIPE MTR Lily Suparlina dan Tukiran Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir BATAN Kawasan Puspiptek,gedung 80 Serpong ABSTRAK ANALISIS PENGARUH FRAKSI BAKAR TERHADAP FLUX NEUTRON PADA DESAIN TERAS REAKTOR RISET TIPE MTR.Dalam mendesain suatu reaktor riset perlu memperhitungkan beberapa efek terhadap bentuk konfigurasi teras. Salah satu hal yang cukup penting adalah pembentukan teras dengan seluruhnya bahan bakar segaratau teras setimbang dengan pembagian kelas fraksi bakar bahan bakar di dalam teras. Dalam makalah ini disajikan analisis perhitungan efek fraksi bakar terhadap fluks neutron dalam tiga konfigurasi teras reaktor yang berbeda dengan tujuan untuk mendapatkan bentuk teras yang paling optimal.bahan bakar yang digunakan adalah U9Mo-Al dengan densitas 5,2 gu/cc dengan moderator H 2 O dan D 2 O. Data kerapatan bahan bakar digunakan untuk menggenerasi tampang lintang makroskopik dengan program WIMSD-B5. Data tampang lintang tersebut digunakan sebagai salah satu input dalam perhitungan fluks neutron serta parameter teras lainnya dengan program Batan-FUEL. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa teras setimbang pada awal siklus menghasilkan fluks neutron lebih tinggi dibandingkan dengan teras awal segar. Teras reaktor yang paling optimal adalah teras A, terdiri dari 16 bahan bakar standar dan 4 bahan bakar kendali dengan fluks neutron cepat 2,16 x n/cm 2.s -1, fluks neutron epitermal sebesar 4,20 x n/cm 2.s -1 dan fluks neutron termal sebesar 5,78 x n/cm 2.s -1. Kenaikan harga fluks neutron membentuk garis linier terhadap kenaikan fraksi bakar. Kenaikan fluks neutron dari teras segar hingga teras setimbang pada Teras A untuk fluks neutron cepat, neutron epitermal dan neutron termal, masing-masing adalah 11,2 %, 11,4 %dan 15,0 %, Kata kunci :reaktor riset, teras segar, teras setimbang, fluks neutron, fraksi bakar ABSTRACT ANALYSES OF NEUTRON FLUX DUE TO FUEL BURNUP IN MTR TYPE RESEARCH REACTOR DESIGN. In designing a research reactor it is needed to take into account some effect on some core configurations. One of the important things is considered to the configuration of whole fresh fueled core or equilibrium core with fuel burnup fraction distribution. This paper presents analyses of core neutron flux calculation due to the effect of fuel burnup fraction on three different cores with the purpose to achieve the optimum core configuration. The fuel being used is U9Mo-Al with density of 5.2, H 2 O moderated and D 2 O reflected. Fuel atomic number densities were used to generate fuel macroscopic cross-section using WIMSD- B5 code.the macroscopic cross-sections were used in flux neutron and other core parameters using Batan- FUEL code. The calculation results showed that at the beginning of cycle, higher neutron flux can be provided by equilibrium core than fresh core. The Acore consists of 16 standard fuels elements and 4 controlelements is the optimum core with fast neutron flux 2,16 x n/cm 2.s -1, epithermal neutron flux 4,20 x n/cm 2.s -1 and thermal neutron flux 5,78 x n/cm 2.s -1. Linear curves were formed due to the increasing in fuel burnup. Theincreasing in neutron fluxes Core from fresh core to equillibrium core are 11.2 %, 11.4 % and 11.0 % for fast, epithermal and thermal neutron fluxes respectively.. Key words :research reactor, fresh core, equillibrium core, neutron flux, burnup PENDAHULUAN alam mendesain suatu reaktor riset perlu Dmemperhitungkan beberapa efek terhadap bentuk konfigurasi teras. Salah satu hal yang cukup penting adalah pembentukan teras dengan menggunakan seluruhnya bahan bakar segar atau teras setimbang dengan memperhitungkan pembagian kelas fraksi bakardi dalam teras.tujuan dari penelitian ini untuk memperoleh konfigurasi teras yang dapat menghasilkan fluks neutron cepat, epitermal dan termal tinggi dengan kandungan Mo 9% (U9Mo-Al) dengandensitas 5,2 gu/cc atau setaramassa uranium 450 g. Untuk mengetahui nilai fluks cepat, epitermal dan termal maksimum, telah dibuat distribusi fluks neutron radial di teras segar dan teras setimbang. Sebagai acuan, telah dilakukan kajian tentang reaktor riset di dunia pada penelitian sebelumnyaseperti Japan Material Testing Reactor (JMTR) di Jepang, Open Pool Australian Lightwater (OPAL) reaktor di Australia, High Flux Reaktor (HFR) di Petten Belanda, Chinese Advance Research Reaktor (CARR) di China dan Multipurpose Research Reaktor-30 (MPRR-30) di India (1). Rancangan teras reaktor yang digunakan ialah berbahan bakar U9Mo-Al jenis pelat dengan

2 Lily Suparlina, dkk. ISSN moderator H 2 O, reflektor D 2 O serta bahan penyerap Ag-In-Cd. Jenis bahan bakar UMo dipilih karena sifatnya yang dapat mencapai tingkat muat sampai 10gU/cc setara dengan 700 g uranium dalam satu perangkat bahan bakardan disepakati dapat digunakan untuk mengganti bahanbakar U 3 O 8 -Al dan U 3 Si 2 -Al dalam reaktor riset dengan daya dan fluks neutron tinggi (2,3,4). Metode penelitian dikerjakan dengan melakukan analisis terhadap perhitungan fluks neutron pada 3 buah teras rancangan yaitu Teras A, Teras B dan Teras C. Teras A, terdiri dari 16 buah bahan bakar standar dan 4 buah bahan bakar kendali dengan lubang air di tengah,teras B, terdiri dari 20 buah bahan bakar standar dan 4 buah bahan bakar kendali dengan lubang air di tengah dan Teras C terdiri dari 20 buah bahan bakar standar dan 5 buah bahan bakar kendali tanpa lubang air. Dasar pertimbangan konfigurasi teras dan jumlah bahan bakar di dalam teras adalah karena diasumsikan bahwa teras kompakdan kecil lebih baik dari segi fluks neutron dibanding dengan teras yang lebar dan jumlah bahan bakar banyak. Perhitungan tampang lintang makrosopik bahan bakar dilakukan dengan menggunakan paket program perhitungan sel WIMSD-B5 (5). Pencarian teras setimbang untuk mendapatkan konfigurasi teras nilai fraksi bakar pada awal dan akhir siklus sebagai fungsi panjang siklus dilakukan dengan paket program perhitungan difusi dua dimensi Batan-EQUIL dan perhitungan fluks neutron serta parameter neutronik lainnya dikerjakan dengan menggunakanpaket program Batan-FUEL yang sudah tervalidasi (6). TATA KERJA Diagram alir perhitungan keseluruhan perhitungan fluks neutron ditunjukkan pada Gambar 1. Sebelum dilakukan perhitungan teras, maka terlebih dahulu dilakukan perhitungan sel untuk menyiapkan konstanta tampang lintang dalam 4 kelompok tenaga neutron dengan paket program WIMSD-B5 ( 7 ). Paket program WIMSD- B5 merupakan paket program perhitungan sel. Paket program ini dikembangkan awalnya oleh AEE Winfrith. Paket program WIMSD termasuk keluarga WIMS, yang lain adalah WIMSE atau WIMSLWR.WIMD-4 merupakan paket program yang sudah public domain. Hasil perhitungan sel berupa: fluks dalam banyak kelompok (multigroup) untuk 3 atau 4 daerah yang mewakili sel k-inf unit sel tampang lintang makroskopis dalam few-group untuk seluruh material Gambar 1. Diagram alir perhitungan fluks neutron termal dengan WimsD-B5 dan Batan -EQUIL.

3 98 ISSN Lily Suparlina, dkk. Bahan bakar yang digunakan dalam perhitungan sel ini adalah U9Mo-Al jenis pelat dengan densitas 5,2 gu/cc. Bahan bakar standar terdiri dari 21 pelat elemen bakar dan bahan bakar kendali terdiri dari 15 pelat elemen bakar. Data kerapatan atom yang digunakan dalam perhitungan sel tersebut ditunjukkan pada Tabel 1 Tabel 1. Kerapatan atom bahan bakar U9Mo-Al 5,2 gu/cc. (8). Kerapatan Pu- U-235 U-238 Pu-240 Pu-241 ( x 1024 atom/barn cm) E E E-03 1,52359 E-56 7, E-18 Konstanta tampang lintang makroskopik bahan bakar yang merupakan output dari perhitungan WIMSD-B5 merupakan fungsi kondisi reaktor (panas, dingin, xenon setimbang dan tanpa xenon) dengan massa U g.Data tampang lintang makroskopik bahan bakar tersebut digunakan dalam perhitungan teras yang menggunakan metode difusi dua dimensi dengan model geometry X-Y dengan paket program Batan- FUEL. Paket program BATAN-FUEL merupakan paket program yang sudah teruji keakuratannya dan telah dilakukan beberapa modifikasi. Program ini terdiri dari 3 program perhitungan teras yaitu Batan-EQUIL untuk perhitungan pencarian teras setimbang, Batan-2DIFF untuk perhitungan teras 2 dimensi dan Batan-3DIFF untuk perhtiungan teras 3 dimensi yang dikembangkan dengan menggunakan metode difusi neutron banyak kelompok tenaga neutron. Didalam penelitian ini paket program Batan-FUEL yang digunakan adalah Batan-EQUIL dan Batan-2DIFF. Sebelum melakukan perhitungan teras, terlebih dahulu dibuat pemodelan teras. Teras yang dibentuk berukuran 5 x 5 yang dilengkapi dengan pembagian kelas fraksi bakar. Perhitungan teras dilakukan untuk dua kondisi teras yaitu teras segar dimana seluruh teras berisi bahan bakar segar dengan fraksi bakar 0 % dan teras setimbang dimana teras berisi bahan bakar dengan nilai fraksi bakar sesuai kelasnya. Untuk mencapai teras setimbang perlu dibuat pola pergantian (reshuffle)bahan bakar di teras, guna mengetahui nilai fraksi bakar rerata di awal siklus, fraksi bakar rerata di akhir siklus dan fraksi bakar buang maksimum di akhir siklus. Teras A menggunakan pola 4/1 dimana pada setiap awal siklus terdapat penggantian 4 bahan bakar standar dan 1 bahan bakar kendali, Teras B menggunakan pola 5/1 dimana pada setiap awal siklus terdapat penggantian 5 bahan bakar standar dan 1 bahan bakar kendali dan Teras C menggunakan pola 4/1dimana pada setiap awal siklus terdapat penggantian 4 bahan bakar standar dan 1 bahan bakar kendali. Pencarian teras setimbang dengan program difusi dua dimensi Batan-EQUIL dilakukan dalam beberapa tahap, dimulai dengan memasukkan semua bahan bakar dalam kondisi segar, kemudian dengan menggunakan pola reshuffle, Batan-EQUIL melakukan perhitungan iterasi sampai mendapatkan bentuk teras setimbang.daya reaktor yang digunakan dalam perhitungan adalah 30 MW. Panjang siklus operasi bervariasi yang digunakan sebagai salah satu input dalam perhitungan teras yaitumulai 30 sampai dengan 50 hari operasi.batasan nilai parameter teras yang digunakan disesuaikan dengan batasandesain teras pada RSG-GAS (8). Batasan tersebut ialah bahwa nilai faktor puncak daya radial maksimum di teras 1,4, reaktivitas teras di akhir siklus > 2 % Δk/k dan fraksi bakar buang maksimum dibatasi 70 %. Data susunan bahan bakar dalam teras dengan fraksi bakar hasil perhitungan Batan-EQUIL digunakan sebagai masukan pada perhitungan teras 2 dimensi yang menggunakan paket program Batan-2DIFF guna mencari nilai fluks neutron. HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam penelitian ini dipilih bentuk teras kompak dengan jumlah bahan bakar maksimum 25 bahan bakar. Dasar pertimbangan pemilihan konfigurasi teras tersebut dengan asumsi bahwa teras kompakdan kecil lebih baik dari segi fluks neutron dibanding dengan teras yang lebar dan jumlah bahan bakar banyak. Perhitungan dan analisis fluks neutron serta parameter neutronik lainnyadilakukan untuk tiga model konfigurasi yang berbeda, Hal ini dilakukan untuk mengetahui perbedaan dari masing-masing konfigurasi teras baik dari komposisi, fraksi bakar dan juga massa bahan bakar. Teras A terdiri dari 16 bahan bakar standar dan 4 bahan bakar kendali dengan satu lubang air di tengah dan empat posisi di sudut teras luar berisi air.teras B terdiri dari 20 bahan bakar standar dan 4 elemen kendalidengan lubang air di tengah dan Teras C terdiri dari 20 bahan bakar standar dan 5 elemen kendali tanpa lubang air. Pemilihan jumlah bahan bakar standar dan bahan bakar kendali dalam teras dimaksudkan agar pada setiap pergantian teras, pola pergeseran bahan bakar di teras tetap. Teras A terdiri dari 16 bahan bakar standar dan 4 bahan bakar kendali dengan 4 kelas fraksi bakar. Ini berarti pada setiap awal siklus terjadi pergeseran 4 buah bahan bakar standar dan 1 bahan bakar kendali, dimana 4 bahan bakar standar dan satu bahan bakar kendali yang sudah mencapai nilai fraksi bakar buang maksimum dikeluarkan, kemudian empat bahan bakar standar dan empat bahan bakar kendali yang masih segar masuk. Begitu pula untuk Teras B yang dibagi menjadi 4 kelas fraksi bakar dan Teras C yang dibagi menjadi 5 kelas fraksi bakar. Konfigurasi Teras setimbang

4 Lily Suparlina, dkk. ISSN Tabel 2. Hasil perhitungan dimensi diameter rotor turbin. Teras Panjang Reaktivitas Reaktivitas Faktor Fraksi Fraksi Fraksi bakar siklus lebih awal lebih akhir puncak bakar bakar buang (hari) (% Δk/k) (% Δk/k) daya rerata awal rerata akhir maksimum siklus(%) siklus(%) (%) A B C 33, , 3 8, ,84 3,033 4,98 6,90 1,13 1,17 1,21 19,83 22,03 23,37 35,80 35,54 34,63 64,,80 67,,15 69,,02 A, B, dan C dengann pembagian kelas fraksi bakar ditunjukkan pada Gambar. 2, 3 dan 4. Teras segar ialah teras dimana padaa awal sikluss seluruh bahan bakar mempunyai fraksi bakar 0 %, sedangkan teras setimbang adalah kondisi dimana semua bahan bakar bakar mempunyai nilai fraksi bakar yang berbeda sesuai dengan kelasnya. Perhitungan teras setimbang pada Teras A, B dan C, dilakukan dengan variasi panjang siklus operasi. Hasil perhitungan teras setimbang yang memenuhi batasan desain disajikan pada Tabel 2. Gambar 2. Konfigurasi teras 16-4 (Teras A) dengann kelas fraksi bakar. Gambar 3. Konfigurasi teras 20-4 (Teras B) dengann kelas fraksi bakar. Gambar 4. Konfigurasi teras 20-5 (Teras C) dengan kelas fraksi bakar. Data parameterr yang ditunjukkan padaa Tabel 2 adalah hasil perhitungan teras setimbang yang memenuhi batasan desain. Berdasarkan tabel tersebut, maka perhitungan fluks neutron dilakukan untuk Teras A dengan panjang sikluss operasi 33,33 hari, Teras B dengan panjang sikluss 40 hari dan Teras C dengan panjang siklus operasi 33,3 hari, dimana panjang siklus operasi tersebut merupakan panjang siklus yang optimum sesuai denganbatasan n yang telah ditetapkan (8). Untuk mengetahui pengaruh fraksi bakar terhadap fluks neutron teras, maka hasil perhitungan fluks neutron cepat, epitermal dan termal untuk Teras A, B dan C setimbang pada awal siklus dibandingkan dengann perhitungann fluks neutron teras segar A, B dan C yang disajikan pada Tabel 3. Perbandingan antara profil fluks neutronn cepat, epitermal dan termal di teras A, B dan C untuk kondisi teras segar dan teras setimbang ditunjukkann pada Gambar 3, Gambar 4 dan Gambar 5. Pada Gambar 3 dan Gambar 4, dimana kedua teras tersebut mempunyai lubang air di tengah, distribusi fluks neutronn termal tinggi di tengah teras. Hal ini dikarenakann dengan adanya lubang air di pusat teras, neutron yang berada di sekitarnyaa mengarah ke posisi tersebut. Jika dilihat dari kedua gambar tersebut, maka nilai fluks neutron cepat, epitermal dan termal pada kondisi teras setimbang, lebih tinggii dibanding teras segar. Jika dilihat dari Gambar 3, 4 dan 5 maka penunjukann ketiga jenis fluks yang tertinggi ada pada Gambar 3 yaitu Teras A dengan jumlah bahan bakar standar 16 dan bahan

5 100 ISSN Lily Suparlina, dkk. bakar kendali 4, baik untuk kondisi teras segar maupun teras setimbang. Tabel 3. Fluks neutron di Teras A, B dan C pada daya 30 MW untuk teras segar dan teras setimbang. TERAS A Teras Teras segar setimbang Fraksi bakar (%) 0 19,83 Fluks neutron cepat x ,06 2,16 Fluks neutron epitermal x ,92 4,20 Fluks neutron termal x ,29 5,78 TERAS B Fraksi bakar (%) 0 22,03 Fluks neutron cepat x ,77 1,87 Fluks neutron epitermal x ,39 3,67 Fluks neutron termal x ,56 4,93 TERAS C Fraksi bakar (%) 0 23,37 Fluks neutron cepat x ,91 1,88 Fluks neutron epitermal x ,73 3,76 Fluks neutron termal x ,0 1,40 Gambar 7. Distribusi fluks neutron di Teras C. Teras B yang berisi 20 bahan bakar standar dan 4 bahan bakar kendali dapat dioperasikan sampai panjang siklus 40 hari, namunn harga fluks neutron lebih kecil dari Teras A, sebab jumlah bahan bakar lebih banyak dari Teras A. Padaa Gambar 5, Teras C yang terdiri dari 20 bahan bakar standar dan 5 bahan bakar kendalimenghasilkann fluks neutron epitermal yang tinggi, sedangkann fluks neutron termalnya rendah. Hal ini disebabkan karena tidak adanya lubang air di tengah teras, sehingga fluks neutron termal kecil di tengah dan tinggi di teras bagian luar dan moderator, namunn tidak setinggi teras A dan B. Dari hasil analisiss perhitungann fluks neutron di atas, maka fluks neutron tinggi bisa dihasilkan padaa teras kecil dengan lubang air, seperti halnya Teras A padaa daya 30 MWdapat menghasilkan fluks neutronn cepat 2,16 x n/cm 2. s -1 fluks neutron epitermal sebesar 4,20 x n/cm 2.s -1 dan fluks neutronn termal sebesar 5,78 x n/cm 2.s -1. Berdasarkan hasil perbandingan ketiga bentuk konfigurasi teras diatas, makaa dengan dataa hasil perhitunganteras A dibuat grafik pengaruh fraksi bakar terhadap fluks neutron di teras seperti yang disajikan pada Gambar 6. Gambar 5. Distribusi fluks neutron di Teras A. Gambar 6. Distribusi fluks neutron di Teras B. Gambar 8. Grafik fluks neutron sebagai fungsi fraksi bakar. Kenaikan harga fluks neutronn membentuk garis linier terhadap kenaikkan fraksi bakar. Untuk Teras A, kenaikan fluks neutron antara teras segar dengan teras setimbang adalah 11,2 % untuk fluks neutron cepat dan 11,4 % untuk neutron epitermal dan 15,0 persen untuk 15,0 % untuk neutron termal.

6 Lily Suparlina, dkk. ISSN KESIMPULAN Perhitungan fluks neutron dengan paket program Batan-2DIFF menunjukkan bahwa fluks neutron cepat dan termal dapat dihasilkan dengan mendesain sebuah teras kecil dengan bahan bakar tingkat muat tinggi melalui teras setimbang dengan panjang siklus tertentu yang memenuhi batasan operasi reaktor. Dari hasil perhitungan didapat bentuk teras setimbang yang paling optimum yaitu Teras A terdiri dari 16 bahan bakar standardan 4 bahan bakar kendali. Jika Teras A dioperasikan pada daya 30 MW dengan panjang siklus operasi 30 hari, akan menghasilkan fraksi bakar rerata di awal siklus sebesar 19,83 % dengan fluks neutron cepat sebesar 2,16 x n/cm 2.s -1 fluks neutron epitermal sebesar 4,20 x n/cm 2.s -1 dan fluks neutron termal sebesar 5,78 x n/cm 2.s -1. Kenaikan harga fluks neutron dari teras segar menuju teras setimbang membentuk garis linier terhadap kenaikan fraksi bakar. Untuk Teras A, terjadi kenaikan fluks neutron sebesar 11,2 % untuk fluks neutron cepat, 11,4 % untuk neutron epitermal dan 15,0 % untuk neutron termal. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada Kementerian Riset dan Teknologi yang telah memberikan dana dalam Program Peningkatan Kemampuan Peneliti dan Perekayasa Tahun 2012 sehingga penelitian ini dapat dilakukan, karena makalah ini merupakan bagian dari penelitian yang berjudul Desain Neutronik Teras Reaktor Inovatif Berbahan Bakar Tingkat Muat Tinggi. DAFTAR PUSTAKA 1. LILY SUPARLINA, "Kajian Desain Konfigurasi Teras Reaktor Riset Untuk Persiapan Rancangan Reaktor Riset Baru di Indonesia Proseding Seminar PPI-PDIPTN, Yogyakarta Juli LILY SUPARLINA, Analisis Faktor Puncak Daya Teras U9Mo-Al 3,55 gu/cc RSG-GAS" Jurnal Teknologi Reaktor Buklir Tri Dasa Mega Volume 10 Nomor 1, Februari IMAN KUNTORO, TAGOR MALEM SEMBIRING, SURIAN PINEM, "Analisis Parameter Neutronik Teras Setimbang RSG- GAS Berbahan Bakar U9Mo Kerapatan 3,55 gu/cc, Jurnal Teknologi Reaktor Nuklir Tri Dasa Mega Volume 9 Bomor 3, Oktober ASLINA Br GINTING dkk., Kompatibilitas Matrik Al dengan Bahan Bakar Jenis UMo Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi Nuklir, P3TkN-BATAN, Bandung, Januari WIMSD-5B.12, NEA data Bank Documentation, Package ID No. 1507/4, LIEM, P.H., Development of an in-core fuel management code for searching the equilibrium core in 2-D reaktor geometry (Batan-EQUIL-2D), Atom Indonesia, DUDERSTADT, J.J, HAMILTON., L.J, Nuclear Reactor Analysis, Iohn Wiley & Sons, Inc, Michigan BATAN., The MPR-30 Safety Analysis Report revisi 10, Chapter 5 TANYAJAWAB Jati Susilo Mengapa besarnya fraksi bakar bahan bakar berpengaruh terhadap besarnya fluks neutron yang dihasilkan? Lily Suparlina Fluks neutron di teras merupakan fungsi dari daya dan volume dibagi sigma fisi. Jika fraksi bakar semakin besar, yang berarti terjadi pembakaran maka massa bahan bakar berkurang, sehingga jika dibandingkan antara fraksi bakar teras segar dengan fraksi bakar awal sklus setimbang, maka fluks neutron teras setimbang > fluks neutron teras segar. Dengan kata lain, fluks neutron akan bertambah secara linear dengan kenaikan fraksi bakar. Fraksi bakar tinggi berarti jumlah bahan bakar yang terbakar tinggi, maka massa bahan bakar berkurang. PV f φ = Elisabeth Apa pengaruhnya jika tingkat muat lebih tinggi, fraksi bakar sama terhadap fluks neutron? Lily Suparlina Fluks neutron akan berubah jika tingkat muat berubah. Jika tingkat muat lebih tinggi, maka fluks neutron lebih rendah, namun panjang siklus lebih panjang.