PREDIKSI SWELLING AKIBAT IRADIASI PADA DISAIN PELAT BAHAN BA.KAR SILISIDA UNTUK RSG-GAS

Transkripsi

1 PREDIKSI SWELLING AKIBAT IRADIASI PADA DISAIN PELAT BAHAN BA.KAR SILISIDA UNTUK RSG-GAS S II Bambang Herutomo, Haryono Setyo Wibowo, Basuki Agung Pujanto P2TBDU-BATAN; Kawasan PUSPIPTEK. Serpong. Tangerang ABSTRAK PREDIKSI SWELLING AKIBAT IRADIASI PADA DISAIN PELAT BAHAN BAKAR SIL/SIDA UNTUK RSG-GAS. Perl1itungan telah dilakukan untuk memprediksi perilaku swelling akibat iradiasi pada dis:ain petal bahan baker dispelsi silisida (U3Siz-AI) untuk RSG-GAS. Bahan baker silisida ini dimal<sudkan sebagai pengganti bahan baker oksida (U30s-AI) yang digunakan RSG- GAS seat ini (falam usaha meningkatkan kinetja operasi den penggunaan bahan baker. Perl1itungan dilakukan dengan menggunakan program komputer DART untuk operasi kondisi mantap pede dalya nominal 30 MWt sampai derajat. baker bahan baker maksimum (100 % if35 terbakar). Hasil perl1itungan menunjukkan bahwa swelling (AVN) maksimum yang dialami partikel bahan baker (U3Si2) adalah sebesar 92 %. Swelling bahan baker ini menyebabkan kenaikan volume (AVN) daging bahan baker (U3Siz-AI) sebesar 19 % atau penambahan ketebalan (AtIf) petal bahan baker sebesar 8 %. Swelling yang tetjadi pede bahan baker juga menyebabkan penurunan konduktivitas panas daging bahan baker sebesar 33 %. Hasi/ perl1itungan mel'1unjukkan bahwa untuk level daya RSG-GAS yang ditinjau, perilaku swelling bahan baker sangat dipengaruhi oleh temperatur, yaitu laju swelling meningkat apabi/a temperatur bahan bakar semakin tinggi. ABSTRACT PREDICTION OF IRRADIA TION-INDUCED SWELLING OF SILICIDE FUEL PLA TE DESIGN FOR RSG-GAS. The calculation has been done to predict irradiation-induced swelling behavior of the silicide fue~1 plate design (U3Siz-AI) for RSG-GAS. This silicide fuel is intended to subtitute the oxide fuel (U30s-AI) currently being used in RSG-GAS in order to improve the operation's perfonnance and the fuel utilization. The calculation has been perfonned using DART computer code for steady state operation at nominal power level of 30 MWt until the fuel reaches the maximum burnup (100 % U235 burned). The calculation results showed that the maximum swelling (LiVN) of the fuel particle (U3Si2) was about 92 %. This fuel swelling increases the volume (LiVN) of the fuel meat (U3Siz-AI) up to 19 % or increases the thickness (Litlt) of the fuel plate up to 8 %. The fuel swelling also decreases the thennal conductivity of the fuel meat up to 33 %. The calculation results indicated that, for a given power level in RSG-GAS, the fuel swelling behavic,r was strongly influenced by temperature, i.e., the swelling rate increases as the temperature rises. PENDAHULU.A~N B ahan bakar uranium silisida dalarn bentuk U3Siz merupakan alternatif terpilih saat ini dalarn pengembangan bahan bakar dispersi pengkayaan rendah untuk Reaktor Penelitian clan Uji (RERTR- Reduced Enriched Research and Test Reactor). Keunggulan bahan bakar ini adalah memiliki densitas yang tinggi, yaitu 12,2 gr/cm3, sehingga pemuatan uranium di dalarn daging bahan bakar (lite! meat) U3Siz-Al dapat mencapai 5,2 gr/cm3, Selain itu, bahan bakar ini memiliki sifat termomekanik dan watak iradiasi (stabilitas dimensi) yang cukup baik. Penggunaan bahan bakar U3Siz-AI untuk reaktor penelitian dengan tingkat muat uranium sampai 4,8 gr/cm3 telah mendapatkan lisensi dari US-NRC (United States -Nuclear Regulatory Commission) pada bulan Juli [1,2,3] Melihat keunggulan bahan bakar silisida di atas, B. Arbie ill. telah metakukan studi yang intensif dari segi netronik dan termohidrolik. Sturn tersebut bertujuan untuk mengkonversi bahan bakar yang digunakan RSG-GAS saat ini, yaitu dari U3Og- Al dengan tingkat muat uranium sebesar 2,96 gr/cm3 menjadi U3Si2-AI dengan tingkat muat uranium sebesar 3,55 gr/cm3. Dengan bahan bakar silisida ini siklus operasi reaktor dapat diperpanjang dari sekitar 25 hari daya penuh menjadi sekitar 33 hari daya penuh dan derajat bakar rata-rata yang dicapai

2 Prosiding Pertemuan dan Presentasi I/miah P3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999 Buku II 249 bahan bakar akan naik dati sekitar 54 % U235 terbakar menjadi sekitar 70% U235 terbakar. Melalui konversi ini diharapkan mampu meningkatkan kinerja dan keselamatan operasi RSG-GAS serta ekonomis dalam konsumsi bahan bakar. [4] Agar penggunaan bahan bakar silisida tersebut memiliki tingkat keandalan (keselamatan) yang tinggi maka perilaku iradiasinya di dalam teras RSG-GAS perlu diketahui dan dipahami. Seperti diketahui, iradiasi akan berdampak terhadap penambahan ketebalan pelat bahan bakar apabila daging bahan bakar mengalami swelling sebagai akibat akumulasi elemen-elemen produk fisi di dalam partikel bahan bakar. Selain secara langsung proporsional dengan kenaikan derajat bakar, besar swelling juga dipengaruhi oleh perubahan struktur mikro bahan bakar akibat iradiasi. Untuk bahan bakar dispersi U3Si2-Al, swelling juga dapat disebabkan oleh rasa baru aluminida yang terbentuk dati basil reaksi antara bahan bakar (U3Siv dengan matrik aluminium. [5] Makalah ini menyajikan prediksi perilaku swelling akibat iradiasi disain pelat bahan bakar silisida yang akan digunakan RSG-GAS. Prediksi berdasarkan basil perhitungan program komputer DART untuk kondisi operasi mantap (steady state) pada daya nominal 30 MWt sampai derajat bakar bahan bakar mencapai maksirnum (100 % U235 terbakar). Makalah ini juga menyajikan efek swelling yang terjadi pada bahan bakar terhadap perubahan konduktivitas panas daging bahan bakar (fuel meat). METODE Program Komputer DART Oleh karena uji iradiasi dan pasca iradiasi memiliki tingkat kesulitan yang tinggi serta memerlukan waktu, tenaga dad biaya yang besar maka penggunaan kode komputer merupakan cara yang sederhana dan cepat untuk memprediksi perilaku swelling akibat iradiasi dari suatu disain bahan bakar. Salah satu kode komputer yang mampu memprediksi perilaku swelling akibat iradiasi bahan bakar dispersi silisida CU3Si2-AI) adalah DART (Dispersion Analysis Research Tool) yang dikembangkan oleh J. Rest dari ANL (Argonne National Laboratory), USA. Kode komputer ini telah divalidasi dengan data perilaku swelling partikel bahan bakar U3Si2 yang diiradiasi di HFIR - ORNL. DART mengimplementasikan model termo-mekanik dalam memprediksi swelling akibat iradiasi pacta bahan bakar dispersi alumipium, baik untuk operasi mantap (steady state) maupun transient. DART menghitung swelling akibat produk fisi padat dan gelembung gas fisi sebagai suatu fungsi morfologi ballad bakar. Efek rekristalisasi, yaitu terbentuknya butiran halus (subgrain) di dalam partikel ballad bakar akibat iradiasi, serta efek rasa barn aluminida yang terbentuk dari basil reaksi antara bahan bakar U3Si2 dengan matrik aluminium terhadap kenaikan laju swelling juga diperhitungkan. Selain itu, DART juga mcnghitung efek swelling bahan bakar terhadap perubahan konduktivitas panas total daging bahan bakar. Uraian model matematis dad teknik penyelesaian yang digunakan DART secara lengkap dapat dilihat di dalam referensi [5]. Dalam melakukan perhitungan, DART menggunakan pendekatan dengan menganggap partikel bahan bakar berbentuk bola yang dikelilingi oleh lapisan bola tebal (spherical shel/) matrik aluminium yang terikat dengan pembungkus luar kelongsong aluminium. Pendekatan ini memperlakukan bola sebelah dalam sebagai yang mengalami deformasi mekanik dad lapisan bola luar (pembungkus) sebagai yang mengalami deformasi plastis sempurna. Dengan model ini penambahan tebal pelat bahan bakar mulai terjadi apabila pori fabrikasi telah tertutup semua oleh tambahan volume partikel bahan bakar akibat swelling. Asumsi lain yang dipakai adalah partikel bahan bakar dianggap berukuran sarna dad memiliki bentuk yang seragam (bola, sperik); efek swelling matrik aluminium diabaikan; tidak acta perubahan kekuatan tarik pacta aluminium; serta pengaruh mulur (creep) pacta bahan bakar dad matrik tidak diperhitungkan di dalam program. Data Asupan Untuk memprediksi perilaku swelling akibat iradiasi dengan program DART terhadap disain pelat bahan bakar silisida yang akan digunakan RSG-GAS, pacta kesempatan ini, perhitungan hanya dilakukan untuk kondisi operasi mantap (steady state) pacta daya nominal 30 MWt sampai derajat bakar mencapai maksimum (100 % U235 terbakar). Oleh karena terdapat variasi pembangkitan daya di dalam teras maka sebagai referensi perhitungan dilakukan pacta daya linier rata-rata dad daya linier maksimum yang dibangkitkan bahan bakar di dalam teras RSG-GAS. Daya linier tersebut berturut-turut adalah 3,3 W/cm (0,1 kw/ft) dad 12,7 W/cm (0,4 kw/ft). Sedangkan temperatur operasi bahan bakar yang digunakan adalah 100 C dad 200 c yang merupakan representasi rentang temperatur operasi baian bakar RSG-GAS (temperatur rata-rata dad temperatur maksimum yang diijinkan). Oleh karena ukuran partikel bahan bakar sangat kecil (orde mikron) dad memiliki daya hantar panas relatifbaik maka efek distribusi temperatur di dalam partikel bahan bakar telah diabaikan dalam perhitungan. Data disain bahan bakar silisida dad Bambang Herutomo, dkl<

3 '00;1% 250 Buku II Prosiding Perlemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999 kondisi operasi yang digunakan dalam perhitungan dapat dilihat pada tabel 1. Data-data yang berkaitan dengan sifat-sifat material bahan bakar dan matrik aluminium serta besaran fisika lainnya diambil dari data-data yang telah digunakan untuk validasi program DART dalam memprediksi perilaku swelling bahan bakar dispersi U3Si2-AI yang telah diiradiasi di HFIR- ORNL. [6] Tabel 1: Data disain elemen bakar silisida dan kondisi operasi yang digunakan dalam perhitungan. [4] uisain Elemen Bakar : Tipe elemen bakar : Box Jumlah pelat bahan bakar per elemen : 21 t'anjang pelat bahan bakar : 62,5 cm Lebar pelat bahan bakar : 7,075cm Tebal pelat bahan bakar : 0,13 cm Jarak antara dua pelat bahan bakar (tebal: 0,2557 cm IKanal pendingin)i panjang aktif bahan bakar : 60 cm Lebar aktif bahan bakar : 6,275 cm ITebal aktif bahan bakar : 0,054 cm!tebal kelongsong : 0,038 cm i Material bahan bakar : Dispersi U3Si2-AI It'engkayaan : 19,75 % U-235 i I ingkat muat uranium : 3,55 gr/cm3 Porositas daging bahan bakar : 10 % (1) Ukuran partikel bahan bakar (diameter) : 0,0065 cm (2) "'orositas partikel bahan bak:ar : 0,0 % (1) I\ondisi Operasi : Daya linier rata-rata yang dibangkitkan: 3,3 W/cm bahan bakar ~aktor aksial (FNZ) : 1,6 Faktor Radial (FNR) : 2,42 lemperatur rata-rata bahan bakar : 100 C (3) i'emperatur maksimum bahan bakar yg: 200 C (4) diijinkan Tekanan Dendinain masuk kana! : 2 bar (1) diasumsikan diambil harga rata-rata ukuran partikel bahan bakar (40 ~m -90 ~m) pembulatan berdasarkan basil perhitungan dalam referensi [4] SSAR RSG-GAS HASIL DAN B,I\HASAN Hasil perhitungan DART tentang swelling akibat akumulasi produk fisi dati bahan bakar silisida (U3Siz) yang diiradiasi di dalam teras RSG- GAS menunjukkan perilaku yang menarik seperti terlihat pada gambar 1, yaitu mula-mula swelling naik secara perlahan-1ahan dengan kenaikan densitas fisi (derajat bakar) dad kemudian, setelah mencapai densitas fisi tertentu (tergantung daya clan temperatur operasi bahan bakar), swelling naik tajam dengan kenaikan densitas fisi. Fenomena ini terjadi karena peristiwa rekristalisasi, yaitu terbentuknya butir-butir halus (sub-grain) yang berdiameter sekitar 0,5 ~m (asumsi yang digunakan DART) akibat pengaruh iradiasi di dalam partikel bahan bakar U3Si2. Dengan butir-butir halus tersebut, pengendapan dan pertumbuhan gelembung-gelembungas di barns butir menjadi semakin cepat sehingga laju swelling naik tajam. ~""O% s i ~60""! I, 40"",.. ~.. ~ 2Oi!% o~ --;- 3-' I ""- IOOC.'"'"'c.m..~o, ' " 3 "." ~,-." '",cm, ",,"t; D; t27wlcl!i,100oc D: 121Wlcm;~oC _,,8 ;~"",-"-'- 0 ""&,. ' ) _..As; P.,,;....ahan B...,.. '0" ""'RI' Gambar 1.. Perilaku swelling akibat produk./isi bahan bakar U3Si2 (efek aluminida diabaikan) dalam pelat bahan bakar RSG-GAS. Proses rekristalisasi mulai terjadi apabila energi per inti cukup untuk membentuk permukaanpermukaan batas butir dengan membuat suatu volume yang bebas regangan dengan basil akhir berupa penurunan energi bebas material. Restrukturisasi ini menyebabkan terbentuknya suatu jaringan yang rapat menyerupai batas butir baru. Pacta jaringan ini gelembung-gelembung gas mengendap dan menbentuk node di batas butir yang kemudian saling sambung antar node membentuk suatu terowongan halus. Selanjutnya, atom-atom gas basil belah yang mencapai batas butir akan dialirkan melalui terowongan tersebut dan diendapkan dalam bentuk gelembung gas di daerah yang memiliki ikatan antar butir paling lemah' yaitu di pojok butir (grain-edge). Dengan kenaikan densitas fisi, pembentukan dan pertumbuhan gelembung gas akan semakin cepat sehingga populasi dan ukuran gelembung gas bertambah yang berakibat terhadap kenaikan laju swelling. [6] Hasil pengamatan uji pasca-iradiasi menunjukkan bahwa swelling bahan bakar yang terjadi pacta daerah densitas fisi sebelum rekristalisasi didominasi oleh akumulasi produk fisi padat dan keberadaan gelembung-gelembung gas fisi tidak teramati (kalaupun acta ukurannya sangat kecil di bawah batas resolusi SEM, yaitu berdiameter kurang dari 0,04 J.1m). Sedangkan pacta daerah densitas fisi setelah rekristalisasi, swelling didominasi oleh akumulasi gelembung-gelembung gas fisi yang tersebar merata dan memiliki ukuran hampir seragam. [5] Pacta gambar 1 juga terlihat bahwa rekristalisasi terjadi pacta densitas fisi yang berbeda-

4 Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999 Buku II 251 beda, tergantung pacta daya dad temperatur operasi bahan bakar. Untuk temperatur yang sarna, rekristalisasi akan terjadi lebih awal (pada densitas fisi lebih rendah) pacta bahan bakar yang dioperasikan pacta daya yang lebih rendah apabila dibandingkan dengan bahan bakar yang dioperasikan pacta daya yang lebih tinggi. Sedangkan pacta daya yang sarna, rekristalisasi akan terjadi pacta densitas fisi yang lebih rendah apabila temperatur bahan bakar semakin tinggi. Untuk bahan bakar dispersi UJSi2-AI, swelling juga terjadi akibat rasa baru aluminida (UAIJ) yang terbentuk dari hasil reaksi antara bahan bakar UJSi2 dengan matrik aluminium. Kecepatan penetrasi pembentukan aluminida ke dalam bahan bakar UJSi2 dikendalikan oleh proses difusi sehingga sangat dipengaruhi oleh temperatur. Kecepatan penetrasi semakin tinggi dengan kenaikan temperatur dan melarnbat apabila penetrasi semakin dalarn seperti diperlihatkan pacta garnbar 2. Oleh karena aluminida memiliki densitas yang lebih rendah dibandingkan bahan bakar UJSi2 maka pembentukan aluminida tersebut akan menyebabkan kenaikan volume (swelling) bahan bakar. Prediksi swelling bahan bakar yang disebabkan oleh aluminida sebagai fungsi densitas fisi untuk kasus yang ditinjau dapat dilihat pacta gambar 3. dengan aluminium, rekristalisasi tetap terjadi yang ditunjukkan oleh keberadaan gelembung-gelembung gas fisi. [5] Gambar 3: Swelling akibat aluminida dalam bahan bakar UjSi1 dalam pelat bahan bakar RSG-GAS. Oleh karena laju swelling pada lapis an aluminida lebih rendah dibandingkan laju swelling pada bagian bahan bakar sebelah dalam (U3Siz) maka lapisan aluminida tersebut akan bertindak sebagai penahan terhadap laju swelling pada bagian bahan bakar sebelah dalam, atau dengan kata lain, tekanan hidrostatik di dalam bahan bakar akan naik. Hal ini menyebabkan terjadi penurunan laju swelling akibat akumulasi gelembung-gelembung gas fisi seperti terlihat pada gambar 4. )11;+00 OD 1D.JD 30 4D 5D sji ~it..fioi P.,1iceiBohon Bokw x 1~fllikm' Gambar 2: Kedalaman penetrasi aluminida dalam bahan bakar U3Sh dalam pelot bahan bakar RSG-GAS. Hasil pengamatan struktur mikro pasta iradiasi mengungkapkan bahwa proses rekristalisasi tidak terjadi pacta lapisan aluminida yang terbentuk sebelum densitas fisi mencapai harga ambang untuk terjadi rekristalisasi dan keberadaan gelembunggelembung gas fisi jugatidak teramati dengan SEM. Sedangkan pacta bagian sebelah dalam lapisan, yaitu bagian bahan bakar U3Siz yang belum bereaksi 0,0 1J! 2J! 3J! ,0 _FISIPaftll<el_llak_..'o"lIsIo:rn' Gambar 4: Efek aluminida terhadap perilaku swelling akibat produk fisi dalam bahan bakar U3Si2 dalam pelat bahan bakar RSG-GAS Secara keseluruhan, swelling yang dialami bahan bakar U3Si2 di dalam matrik aluminium merupakan jumlahan dati swelling akibat produk fisi ( padat clan gelembung gas) clan swelling akibat aluminida. Pada gambar 5 dapat dilihat total swelling yang terjadi pada bahan bakar U3Si2 untuk kondisi operasi yang ditinjau. Dari gambar tersebut terlihat bahwa pada temperatur tinggi (200 C), Bambang Herutomo. dkk

5 252 Buku 11 Prosiding Perlemuan dan Presentasi IImiah P3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999 tidak terdapat perbedaan swelling yang signifikan (kurva kelihatan berirnpit) antara bahan bakar yang dioperasikan pada daya rata-rata (3,3 W/crn) dengan bahan bakar yang dioperasikan pada daya rnaksirnurn (12,7 W/crn). Sedangkan pada ternperatur rendah (100 DC), terjadi perbedaan swelling yang sernakin lama sernakin lebar antara bahan bakar yang dioperasikan pada daya rata-rata dengan bahan bakar yang dioperasikan pada daya rnaksirnurn. Hal ini disebabkan pada ternperatur tinggi, swelling akibat alurninida lebih dorninan dibandingkan swelling akibat akurnulasi produk fisi (padat dan gelernbung gas). Sedangkan pada ternperatur rendah, swelling akibat akurnulasi gelernbung-gelernbun gas yang terjadi setelah rekristalisasi lebih dorninan. Gambar 6: Total swelling daging bahan bakar U~i2-AI dalam pelat bahan bakar RSG- GAS De..'" 100" ;;: ~iso.. j 5 ~60~ i ~ ~.0.. )0'1;.3;3 WfcmlOOoC..~.:3;3Wfcm.200oC -c.. c ~'1~J.Wfcm.l00oC o:121.wfcm,@oc ;1'"10:..' 0." ~..-G--. D...,.!'_C D "!""a""..aa 20 3" ", 0.. o,o~ As' P,"'"eI B".. Bakor, ",o"tisjk:m' '" oensu.. FIs! PO""OIOah3nSakar..lo"fist'Cln' Gambar 5: Total swelling bahan bakar U3Si2 dalam pelat bahan bakar RSG-GAS Selanjutnya, swelling yang terjadi pada bahan bakar U3Siz tersebut akan menekan matrik aluminium clan matrik tersebut akan mengalir menutup pori-pori fabrikasi yang ada di dalam daging bahan bakar. Apabila pori-pori fabrikasi yang ada telah tertutup semua maka daging bahan bakar akan.mengalami ekspansi volume (swelling) seperti yang terlihat dalam gambar 6. Oleh karena bahan bakar yang ditinjau berbentuk pelat tipis maka tekanan ke arab tebal akan jauh lebih rendah dibandingkan tekanan ke arab panjang clan lebar pelat sehingga swelling y~g terjadi pada daging bahan bakar dapat dianggap hanya akan menambah ketebalan pelat saja. Penambahan ketebalan daging bahan bakar dengan sendirinya akan menambah ketebalan pelat bahan bakar. Dengan teknik kesebandingan, penambahan tebal yang terjadi pada pelat bahan bakar dapat ditentukan dari penambahan ketebalan daging bahan bakar tersebut. Prediksi perubahan tebal pelat bahan bakar sebagai fungsi densitas fisi dapat dilihat pada gambar 7. '.. 1 " D Gambar 7: Penambahan tebal pelat bahan bakar silisida untuk RSG-GAS Akumulasi produk fisi (padat dan gelembung gas) dan pembentukan aluminida di dalam bahan bakar serta penutupan pori fabrikasi menyebabkan konduktivitas panas daging bahan bakar berubah dari kondisi awal. Perubahan tersebut dimulai dengan kenaikan konduktivitas panas yang diakibatkan oleh penutupan pori fabrikasi sebagai respon terhadap swelling yang terjadi pacta bahan bakar; kemudian konduktivitas panas turun dengan kenaikan densitas fisi. Penurunan konduktivitas panas tersebut terjadi karena fraksi volume matrik aluminium berkurang sebagai akibat terns berlanjutnya proses swelling pacta bahan bakar. Prediksi perubahan konduktivitas panas daging bahan bakar sebagai fungsi densitas fisi dapat dilihat pacta gambar s. Pacta tabel 2 dapat dilihat ringkasan hasil perhitungan swelling yang dialami partikel bahan bakar apabila derajat bakar mencapai maksimum (100 % U23S terbakar atau 5,72 x 1021 fisi/cm3) serta efeknya terhadap kenaikan volume daging bahan bakar dan penambahan ketebalan pelat bahan bakar. Tabel juga menyajikan perubahan konduktivitas panas daging bahan bakar yang terjadi sebagai akibat swelling bahan bakar tersebut... Teknologi Pros~s

6 Prosiding Perlemuan dan Presentasi ttmiah P3TM-BA TAN, Yogyakarla Juti 1999 Buku II 253 ~ toga t "... r! ci... m ~l~... d...10'1 ~-;.'!~~ ".'" j"_.o~ v..~..?..~ ~.~, :~";.:; ::::; :~:~ Melihat basil perhitungan di atas, studi lebih lanjut untuk mengkaji efek swelling dad perubahan daya hantar panas terhadap kinerja iradiasi dad integritas mekanik kelongsong bahan bakar perlu dilakukan dalam waktu dekat di masa mendatang. :. :, 20. i 0 X I.: 3;3W/cm,l00oC.: 3;3 W/cm.200oCI,,: 12,7 W/crn, l00oc lo:12.7w/crn200oc GO Jo ':"0 ---:;:;.:. ':0',' _IS -_.1 Beh., Bak_.s1e"lIoI/em' Gambar 8: Perubahan konduktivitas panas daging bahan bakar U3SirA/ da/am pe/at bahan bakar RSG-GAS KESIMPULAN DAN SARAN Perilaku swelling disain pelat bahan bakar silisida CU3Si2-AI) yang akan digunakan RSG-GAS telah diprediksi dengan baik. Berdasarkan basil perhitungan DART yang dilakukan untuk operasi kondisi mantap pada daya nominal 30 MWt sampai derajat bakar mencapai maksimum (100 % U23S terbakar atau 5,72 x 1021 fisi/cm3) didapat bahwa swelling tertinggi (A V N) yang dialami partikel bahan bakar CU3Siv adalah sekitar 92 %. Swelling sebesar ini terjadi apabila bahan bakar dioperasikan pada temperatur 200 C, baik untuk bahan bakar yang dioperasikan pada daya linier rata-rata (3,3 W/cm) maupun pada daya linier tertinggi (12,7 W/cm). Swelling yang terjadi pada bahan bakar terse but menyebabkan kenaikan volume (A V N) daging bahan bakar CU3Si2-AI) sekitar 19 % atau penambahan ketebalan (Atlt) pelat bahan bakar sekitar 8 %. Selain itu, swelling yang terjadi telah menurunkan konduktivitas panas (Ak/k) daging bahan bakar sekitar 33 %. Hasil perhitungan juga menunjukkan bahwa untuk level daya RSG-GAS yang ditinjau, perilaku swelling bahan bakar sangat dipengaruhi oleh temperatur. DAFTAR PUSTAKA 1. SNELGROVE, J.L., et.al., "The Use of U3Si2 Dispersed in Aluminium in Plate Type Fuel Elements for Research and Test Reactor", ANL/RERTRnM-ll, ANONIM, "Safety Evaluation Report Related to The Evaluation of Low Enriched Uranium Silicide-Aluminium Dispersion Fuel for Use in Non Power Reactors", US-NRC, NUREG-13l3, July COPELAND, G.L., et.al., "Performance of Low- Enriched U3Si2-Aluminium Dispersion Fuel Elements in The Oak Ridge Research Reactor", ANURERTRfTM-1O, ARBIE, B., et.al., "Conversion Study from Oxide to Silicide Fuel for The Indonesian 30 MW Multipurpose Reactor G.A. Siwabessy", Paper to be presented to the 18th International Meeting on Reduced Enrichment for Research Reactor, Paris, france, Sept REST, J., "The DART Dispersion Analysis Research Tool: A Mechanistic Model for Predicting Fission-Product Induced Swelling of Aluminium Dispersion Fuels", ANL-95/36, REST, J., HOFMAN, G.L., "Dynamics of Irradiation-Induced Grain Subdivision and Swelling in U3Si2 and UO2 Fuels", Journal of Nuclear materials, 210(1994) REST, J., "GRASS-SST: A Comprehensive Mechanistic Model for the Prediction of Fission- Gas Behavior in UO2-Base Fuels during Steady- State and Transient Conditions", NUREG/CR Vol.I, ANL-78-53, PUJANTO, A.B., dkk., "Prediksi Perilaku Swelling Akibat Iradiasi Bahan Bakar Dispersi Silisida U3Si2", Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir IV, Jakarta, Desmber TANYA JAWAB H. Suntoko : ~ Kenapa dapat terjadi porositas (Buble) dalam bahan bakar? Mohon penjelasan.

7 254 ~ Buku II Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BA TAN, Yogyakarta Juli <>- Buble (Porositas) yang terbentuk di dalam bahan bakar (U~i2l terutama disebabkan oleh akumulasi gas-gas hasil belah (Xe, Kr). Seperti diketahui gas-gas tersebut adalah "inert " sehingga tidak larut (bereaksi) dengan bahan bakar UjSi2 dan kumpulan atom-atom gas tersebut akan menyebabkan terbentuknya buble di dalam bahan bakar. Meniek Rachmawati :» Dengan pertimbangan apa anda mengambil referensi perhitungan pada daya linier rata-rata dan daya linier maksimum.» Prediksi swelling dari pelat bahan bakar silisida telah dapat dilakukan. Disini swelling sampai menurunkan konduktivitas panas 33%. Berapa kondisi swelling daripada pelat yang masih dapat diterima? -<>- Untuk mengetahui 'swelling" maksimum yang mungkin terjadi pada pelat bahan bakar yang ditinjau. -<>- Untuk mengetahui seberapa besar "swelling" yang terjadi pada pelat bahan bakar yang masih diijinkan perlu evaluasi lebih lanjut baik dari segi termohidrolik maupun design mekanikal dari pelat bahan bakar tersebut. Dari studi awal yang telah dilakukan, 'swelling" yang terjadi seperti yang disajikan dalam makalah tidak menyebabkan perubahan yang signifikan terhadap kinerja termohidrolik (kondisi mantap -steady state). Darwis Isnaini : )- pengaruh apa saja yang dapat menyebabkan swelling pada bahan bakar?» Fenomena apa yang menyebabkan,perubahan konduktivitas panas daging bahan bakar pada suhu 100. dan 200.C terjadi pada panjang yang berbeda? -<>- "swelling" yang terjadi pada hahan bakar Silisida (UjSi2l terutama disebabkan oleh akumulasi nuklida-nuklida hasil belah (gas, padat) dan terbentuknya fasa baru Aluminida dari hasil reaksi bahan bakar UjSi2 dengan matrik aluminium. -<>- Dari hasil perhitungan terlihat bahwa laju "swelling" bahan bakar UjSi2 tersebut lebih besar apabila temperatur operasi bahan bakar semakin tinggi. Kondisi ini terjadi karena pada temperatur tinggi, laju reaksi pembentukan Aluminida (UAI.J semakin besar dan proses rekristalisasi terjadi lebih awal (pada densitas fisi yang yang lebih rendah). Dengan semakin besarnya laju "swelling" maka proses penutupan porisitas daging bahan bakar (hasil fabrikasi) akan terjadi lebih awal juga (pada densitas fisi yang lebih rendah). Tundjung Indrati :» Apa saja yang memberikan konstruksi efek swelling pacta bahan bakar Silisida?» Bagaimana pengaruh konduktivitas bhan bakar reaktor secara keseluruhan?» Secara teknis (bukan komputasi), bagaimana cara mengukur swelling? -{>- Hasil-hasil perhitungan menunjukkan bahwa temperatur operasi bahan bakar merupakan kontribusi utama terhadap besar 'swelling" yang terjadi pada bahan bakar. Hal ini dapat dilihat pada gambar-5 makalah ini yang menunjukkan bahwa 'swelling" yang terjadi pada temperatur 200.C tidak menunjukkan perbedaan untuk level daya linier yang ditinjau. -{>-"Swelling" yang terjadi pada bahan bakar (U3Si2Y dengan sendirinya akan menurunkan daya hantar panas bahan bakar tersebut yang disebabkan oleh terbentuknya gelembung-gelembungas hasil belah di dalam bahan bakar. Sedangkan perubahan konduktivitas panas daging bahan bakar (U 3Sh + Matrik Ai) akan tergantung pada proses penutupan porositas daging bahan bakar (hasil fabrikasi). Sebelum porositas daging bahan bakar tertutup sementara (akibat swelling partikel bahan bakar) maka daya hantar panas daging bahan bakar akan naik dengan naiknya derajat bakar (densitas fisi). Akan tetapi. setelah porositas fabrikasi tersebut tertutup semuanya, daya hantar panas daging bahan bakar akan turun secara periahan-lahan yang disebabkan oleh penurunan daya hantar panas partikel bahan bakar U 3Sh (adanya gelembung-gelembung gas). -{>- Pengukuran dilakukan pada pelat bahan bakar yang telah diiradiasi dengan metoda uarchimedean Immersion u.