GAS PADA TEMPERATUR SATURASI ABSTRACT ABSTRAK PENDAHULUAN. Ernita Jurusan Fisiko, FMIP A -USU

Transkripsi

1 Proseding Pertemuan dan Presentasi I/miah PPNY.BATAN. Yogyakarta Juti 1999 Buku I 181 PENENTUAN KOEFISIEN REAKTIVTAS GAS PADA TEMPERATUR SATURASI VOID TERAS RSG- Lily Suparlina, T.A. Budiono, Tukiran, Amil Mardha PRSG-BATAN Ernita Jurusan Fisiko, FMIP A -USU ABSTRAK PENENTUAN KOEFISIEN REAKTIVITAS VOID TERAS RSG-GAS PADA TEMPERATUR SA TURASI. Te/ah di/akukan perhitungan koefisien reaktivitas void teras TWC RSG-GAS. Perhitungan di/akukan dengan menggunakan dua paket program, yaitu paket program WIMS/D4 untuk perhitungan set dan Batan-2DIFF untuk perhitungan teras. Perhitungan set di/akukan untuk teras pada temperatur operasi dan saturasi serra da/am kondisi panas, xenon setimbang. Dengan menganggap bahwa void tercampur meratadi se/uruh teras, maka void yang mu/ai terbentuk pada temperatur saturasi digambarkan dengan penurunan densitas moderator da/am setiap perhitungan set. Perhitungan tampang lintang makroskopik bahan bakar dengan fraksi bakar aktua/ di/akukan dengan menggunakan program interpo/asi /inier.. Reaktivitas void yang dika/ku/asi pada perhitungan teras mu/ai dari 5-7 % dengan menggunakan harga buckling aksia/ sebesar 1, Fraksi void yang terjadi pada temperatur saturasi diatas 1 C dengan tekanan 1 bar sekitar,1 %, sehingga dari grafik hasi/ perhitungan' dapat ditentukan bahwa harga koefisien reaktivitas void RSG-GAS pada awa/ siklus ada/ah 1,38 x 1-3 LlpjO/o void, mempunyai perbedaan 5.3 % dibandingkan data yang berasa/ dari pemasok. ABSTRACT DETERMINATION OF THE VOID COEFFICIENT OF REACTIVITY FOR RSG-GAS CORE AT SATURATED TEMPERATURE. The void reactivity coefficient of TWC RSG GAS core has been calculated. Two computer codes were used to compute the coefficient namely W/MSD/4 code for cell calculation and Batan-2D/FF for core diffusion calculation. The cell calculation was conducted for normal and saturate temperatures, at hot, equilibrium xenon condition. By assuming that the void occurs homogeneously over the core, so the arising void at saturated temperatures was expressed by the moderator_density decrease for every cell calculation. The fuel macroscopic cross section calculation was carried out by using a linear interpolation program. Void reactivity was calculated for 5-7 % void fraction using axial buckling value / The voidfraction occured at the saturate temperature above 1 C and 1 bar pressure value was around.1 %, sofrom the graph, it could be determined that the void coefficient of reactivity for the RSG-GAS at the beginning of cycle was 1.38 x 1-3 // void, deviation was 5.3 % compared to the vendor data. PENDAHULUAN R SG-GAS merupakan reaktor jenis kolam (swimming pool reactor) dengan pendingin dad moderator air ringan (H2O) dad dirancang untuk menghasilkan daya nominal sebesar 3 MW dan 14 2 fluks neutron termal Terata sebesar 2 x 1 n/cm s. Salah satu faktor penting yang mempengaruhi keselamatan operasi reaktor adalah parameter kinetik, sehingga parameter kinetik suatu reaktor perlu untuk diketahui. Koefisien Reaktivitas Void merupakan salah satu besaran kinetika reaktor, yang meskipun tidak besar pengaruhnya untuk reaktor fiset, tapi perlu juga untuk diketahui. Dalam reaktor riset pengaruh adanya void dapat disimulasikan dengan memasukkan udara kedalam teras. ISSN Dalam makalah ini dibahas meng~nai penentuan koefisien void untuk teras RSG-GAS berbahan bakar oksida dengan data fraksi bakar aktual teras TWC. Penentuan' koefisien reaktivitas void ditentukan melalui perhitungan yang dilakukan dalam dua tahap, yaitu perhitungan sel dengan menggunakan paket program WlMSD/4 dan perhitungan teras menggunakan paket program Batan- 2D1FF yang telah teruji keakuratannya.. Perhitungan sel dilakukan untuk temperatur operasi, saturasi serta dalam kondisi panas xenon setimbang. Keberadaan void yang dianggap tercampur merata di seluruh teras, ditunjukkan dengan penurunan densitas pada perhitungan sel: Harga tampang lintang makroskopik dalam format CITATION yang digunakan dalam perhitungan teras untuk fraksi Llily Sup~lina, dkk.

2 182 Buku I Proseding Pertemuan dan PresenJasi 1/miah PPNY-BATAN, Yogyakarta Ju/i 1999 bakar aktual dilakukan dengan menggunakan program interpolasi linier. Sedangkan perhitungan reaktivitas void dilakukan dalam perhitungan teras untuk awal dan akhir siklus operasi. TEORI Void merupakan gelembung-gelembung uap di moderator yang dapat mengakibatkan berkurangnya kerapatan moderator dad keberadaannya dapat mengganggu aktivitas reaktor. Adanya void di dalam teras reaktor akan merubah faktor multiplikasi effektif neutron dad merupakan gangguan reaktivitas teras reaktor. Gangguan I perubahan kecil pada keseimbangan reaksi pembelahan bahan bakar dalam teras reaktor saat dioperasikan dalam keadaan kritis pada suatu daya dapat ditunjukkan oleh perubahan reaktivitasnya. Besar kecilnya perubahan reaktivitas tergantung pada lokasi void itu sendiri. Gangguan itu mengakibatkan perubahan terhadap keseimbangan produksi neutron yang ditunjukkan pada perubahan reaktivitasnya.(l) Dimana : p = probabilitas resonansi Nf = rapat atom fuel N m = kerapatan moderator I = integral resonansi up = tampang lintang serapan Keberadaan void akan merubith kerapatan moderator, akibatnya akan menganggu kesetimbangan produksi neutron, dalam hal ini koefisien reaktivitas void dapat ditulis sbb :(1) =In(l.)~ p dtm (3) dn d M- = perubahan kerapatan moderator terhadap TM perubahan temperatur. Harga ~. akan semakin negatif clan semakin besar jika temperatur mendekati temperatur saturasi. Hubungan antara fraksi void dan koefisien reaktivitas void ditunjukkan pada gambar ber,ikut.. illl: (2) KOEFISIEN REAKTIVIT AS VOID Perubahan faktor multiplikasi effektif akibat adanya void dapat ditunjukkan oleh perubahan reaktivitas Lip. Parameter yang berhubungan dengan adanya void adalah koefisien reaktivitas void yang menggambarkan sensitivitas reaktor terhadap adanya void. Koefisien reaktivitas void didefenisikan sebagai perubahan reaktivitas dp tiap perubahan volume void dv,yang ditulis sebagai :(1 kip, a = v dp dv (1) Dimana : av = koefisien reaktivitas void (sen/cm3) dp = perubahan reaktivitas (sen) dv = perubahan volume void (cm3) Gambar 1 Hubungan antara fraks'i void dengan probabi/itas la/os resonansii dan faktor guna lerma/. Telah disebutkan sebelumnya bahwa keberadaan void akan merubah kerapatan moderator, akibatnya akan menganggu kesetimbangan produksi neutron. Probabilitas resonansi pada tangkapan neutron dapat ditulis :(1) p = exp[ - -~I (2) LN m up Void dalarn moderator mengurangi kerapatan moderator clan berpengaruh pada probabilitas lolos resonansii clan faktor guna tennal. Perubahan dalarn kerapatan moderator mempengaruhi perbandingan jumlah atom H/U. Kerapatan moderator berkur@g akibat dari perbandingan H/U clan void. Karena p clan f bergantung pada perbandingan H/U, maka faktor multiplikasi juga terpengaruh.(2) Llily Suparlina, dkk ISSN

3 ~II X,,-JI XI. 39,2 45,9 Proseding Pertemuan dan Presentasi /lmiah PPNY-BATAN. Yogyakarta Juti 1999 Buku I LANGKAH PERHITUNGAN Perhitungan koefisien reaktivitas void dilakukan dalam dua tahap, yaitu perhitungan sel dengan menggunakan paket program WIMS/D4 dan perhitungan teras dengan menggunakan paket program difusi Batan-2D1FF. Diagram alir untuk masing-masing program ditunjukkan pada Gambar 2 dan Gambar 3.(3) Gambar 3. Diagram alir perhitungan teras paket program Batan-2DIFF. K J H G.'XIX XI~ XJXJXI8JX: I. XlX.i8 23,1 16,3 1 42,4 48,4 I 4S,S 39,SI 28,6 3S, I, 8,2 IXIX XI , ~~ I ~~~ J.Xj.IX Gambar 2. Diagram alir perhitungan paket program WIMS/D4. c B XI, 1 17, 9,5 26,4 XI ~~ 29,7 9, 22,8~.19, ,7 34,8 'c 36,8 36,4 36,8 43,9 44, ;~:~ ,I 8.1, IXIC 27,9 18,4I 43,3 49,4 IXI X IC I ".:, [X18 IX Perhitungan dilakukan untuk teras TWC RSG-GAS yang menggunakan 4 buah elemen bakar dad 8 elemen kendali dengan harga fraksi bakar tertentu untuk masing-masing elemen bakar. Susunan teras dad harga fraksi bakar teras TWC awal dad akhir siklus ditunjukkan pada Gambar 4. ISSN Gambar 4. Konfigurasi Teras' TWC dengan frakyi bakar untuk awal dan akhir siklus. Data-data perhitungan yang dipergunakan diarnbil dati geometri teras TWC. adalah sebagai berikut : Llily Suparlina, dkk.

4 184 Buku J Proseding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta Juli 1999 Daya reaktor Perhitungan pada temperatur normal -Tmeat -T clad ~ T mode_r/extra region Perhitungan plida temperatur saturasi -Tmeat -Tclad -T mode_r/extra region Jumlah pelat elemen bakar di elemen bakar Tebal meat - Tebal clad (kelongsong) Teba! moderator Jumlah Kerapata!1 Atom Meat NU23S (U23S) NU23S (U23S) N27 (AI) NI6 () Jumlah kerapatan atom kelougsong NU32 (Mg) N29 (Si) N63 (Cu) Nss (Mn) NS6 (Fe) NS2 (Cr) N27 (AI) Jumlah kerapatan atommodc~rator N16 () N2OO1 (H) Jumlah kerapatan extra region N32 (Mg) N29 (Si) N63 (Cu) Nss (Mn) NS6 (Fe) NS2 (Cr) N27 (AI) N16 () N2OO1 (H) 3 MW dengan fraksi bakar aktual, dilakukan dengan cara interpolasi linier 342,953 K 341,67 K 323,29 K 432,4 K 412,54 K 389,27 K 21 buah,54 mm,38 mm 2,55 mm 1,525E-O3 6,21376E-O3 3,O5937E-O2 2,OO57E-O2 1,36127E-O3 1,72395E-4 1,26989E-5 8,8132E-5 1,15597E-4 9,31187E-O5 5,763E-2 3,3269E-O2 6,6537E-O2 5,5899E-O4 3,32123E-O4 9,29143E-O5 1, E-O4 9,51386E-O5 4,lO691E-O5 3,98989E-O2 1,O1749E-O2 2,O3497E-O2 Perhitungan Sel dengan paket program WIMSffi4 Perhitungan gel dimaksudkan untuk mendapatkan harga tampang lintang makroskopik, yang dilakukan dalam tiga macam'kondisi yang berbeda. Langkah pertama ialah perhitungan untuk kondisi teras operasi dengan temperatur operasi normal, xenon setimbang. Dalam langkah pertama ini, void dianggap belum terjadi. Langkah ke dua, perhitungan untuk kondisi operasi temperatur saturasi,(4) xenon setimbang tanpa void. Langkah ketiga perhitungan untuk kodisi operasi temperatur saturasi dan terjadi void. Besarnya void yang dihitung untuk 5 %, -7 % dengan perbedaan 5%. Untuk mendapatkan harga tampang lintang makroskopik sesuai Perhitungan Teras dengan Paket Program Batan-2DIFF Untuk memperoleh harga reaktivitas yang diinginkan, basil perhitungan gel pacta paket program WIMSD/4 berupa harga tampang lintang makroskopik dengan harga fraksi bakar aktual digunakan dalam perhitungan tyras yang menggunakan paket program Batan-2D1FF dengan format CITAllON. Harga buckling aksial yang digunakan dalam perhitungan teras tersebut adalah 1,764E-O3. HASIL DAN PEMBAHASAN Setelah melalui seluruh proses perhitungan maka diperoleh basil berupa harga keff reaktivitas teras untuk masing-masing kondisi. Harga koefisien reaktivitas void dihitung terhadap harga reaktivitas teras kondisi operasi temperatur saturasi dengan menggunakan persamaan (I). Hasil perhitungan koefisien reaktivitas void teras TWC awal siklus clan akhir siklus. ditunjukkan pada Tabell clan Tabel2. Tabel 1 Fv (% void) Hasil perhitungan koefisien reaktivitas void untuk awal siklus. p. 5,946 5,117 4,428 3,648 2,746 1,71,488 -,921-2,565-4,491-6,761-9,455-16,61-23,81 ~p -,829 -,689-1,459-2,371-3, , -6,38-7,682-9,68-11,878-14,572-21,718-28,926 av (%/% void) -138, -,138 -,147 -,158 -,171 -,185 -,21 -,219 -,24 -,264 -,291 -, , Llily Suparlina, dkk ISSN

5 Proseding Pertemuan don Presentasi Itmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta Juti 1999 Buku I 185 Tabel 2 Fv (% void) Hasi! perhitungan koefisien reaktivitas void unfuk akhir siklus. P 2,638 1,745 1,48,263 -, 649-1,711-2,945-4,385-6,67-8,42-1,375-13;147-2,52-31,739 Ap -,893 -,697-1,482-2,394-3,456-4,69-6,13-7,812-9,787-12,12-14,892-22,265-33,484 av (%/% void) -,139 -,139 -,148 -,16 -,173 -,188 -,24 -,223 -,245 -,269 -,298 -,371 -,478 Dari basil perhitungan di atas, telah dibuat graflk reaktivitas void dad koefisien reaktivitas void sebagai fungsi fraksi void untuk awal dad akhir siklus, yang ditunjukkan pada Gambar 5-8. Perhitungan koefisien reaktivitas void ini dilakukan padatemperatur saturasi, karena kemungkinan terbesar terjadinya void adalah pada temperatur yang sangat tinggi. Pada kondisi ini, sebenarnya telah terjadi gelembung uap pada dinding kelongsong bahan bakar. Untuk reaktor riset RSG- GAS dengan tekanan 1 bar dan temperatur diatas 1oO c maka fraksi void pada temperatur saturasi sekitar,1 %.(5) Karena koefisien reaktivitas void merupakan perbandingan antara perbedaan reaktivitas terhadap fraksi void, maka untuk RSG-GAS, harga koefisien reaktivitas void adalah 1,38 x 1-3 %/% void yang ditentukan melalui Gambar 8. Pada Gambar 5-8 terlihat bahwa makin besar komposisi void di dalam teras reaktor, menyebabkan harga koefisien reaktivitas void bertambah. Harga koefisien reaktivitas void pada awal siklus dan akhir siklus tidak jauh berbeda hingga komposisi void mencapai 5 %. Setelah melampaui komposisi tersebut, maka terlihat bahwa harga koefisien reaktivitas void mulai berbeda, ditunjukkan pada Gambar 7 dad 8. Hal ini disebabkan karena adanya pengaruh perubahan densitas bahan bakar seiring dengan perubahan fraksi bakar setelah melewati satu siklus, yang besar pembakarannya berbeda untuk inasing-masing elemen bakar seperti ditunjukkan pada persarnaan (2) dan pada kondisi tersebut, kenaikan temperatur pada elemen bakar kurang pengaruhnya dibandingkan dengan kenaikan temperatur moderator. Dengan demikian untuk kondisi awal siklus koefisien reaktivitas voidnya pada fraksi yang sarna akan lebih besar reaktivitas dibandingkan dengan kondisi akhir siklus. "...dd j-_li"""w" ~M1I.1"'~"-~"'~1 Gambar 5. Grajik Reaktivitas don koejisien reaktivitas void sebagai lungsi fraksi void untuk teras TWC awal siklus. Gambar 6. Grafik Reaktivitas don koefisien reaktivitas void sebagai fungsi fraksi void untuk terastwc akhir siklus.

6 186 Buku I Proseding Pertemuan dan Presentasi nmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta Ju/i 1999 ~.'-'.... ~ ;; ~.35.~ :JI.1 5 GO 7 HI} -t.,.uid Gambar 7. Grafik Reaktivitas Voidsebagaifungsi Fraksi Void Teras TWCRSG-GAS ~ -:l.1i11 - ~ 2.5. ~ -3.1) -.J - : II I II "/,, \'oi d pada elemen kendali adalah 15 pelat. Harg~ koefisien reaktivitas void sebesar -1,38 x 1.3 Ap/% void menunjukkan harga negatif. lni berarti bahwa bertambahnya void di dalam teras akan menyebabkan bertambahnya jumlah neutron pacta teras reaktbr dad adanya kebocoran neutron. Dengan bertambahnya void akibat kenaikan temperatur, maka kerapatan moderator semakin berkurang, akibatnya tampang lintang resonansi pacta teras reaktor mengalami perubahan, laju serapan bertambah. Di dalam teras RSG-GAS, sebagian serapan terjadi pacta U-238. Walaupun serapan fisi U-235 juga bertambah, namun efek ini kecil dibandingkan dengan tangkapan neutron, sebab di dalam reaktor termal sebagian besar reaksi fisi terjadi di daerah termal. Dengan demikian, efeknya berupa kenaikan serapan yang pacta akhirnya menurunkan reaktivitas sistem: Dengan memperhatikan Gambar 8, terlihat bahwa hargakoefisien reaktivitas void yang terbesar adalah pacta awal temperatur saturasi. Makin besar fraksi void, makin berkurang kerapatan moderator, namun harga koefisien reaktivitas voidnya mengecil. Dibandingkan dengan nilai yang diberikan oleh pemasok, teras reaktor tetap aman hila terjadi void pacta awal temperatur saturasi. KESIMPULAN Dari basil perhitungan koefisien reaktivitas void pacta temperatur saturasi, dengan menggunakan dua paket program WIMSD/4 dan Batan- 2DIFF, diperoleh koefisien reaktivitas void sebesar - 1,38 x 1-3 Ap/%void. Harga ini diambil dari barns range untuk % void yang terkecil dari perhitungan. Sedangkan harga koefisien reaktivitas void yang dibuat pemasok pacta batas range tersebut adalah sebesar -1,31 x 1-3 Ap/% void. Hasil yang diperoleh berbeda sekitar 5,3 %. Gambar 8. Grafik Koefisien Reaktivitas Void sebagai fungsi fraksi Void teras RWC RSG- GAS. Meskipun menggunakan data konfigurasi teras yang sarna dengan SAR, (6) dan telah menggunakan paket program yang telah diandalkan keakuratannya, masih terdapat perbedaan terhadap basil perhitungan pemasok sebesar 5,3 %. Penyebab perbedaan harga tersebut antara lain karena penggunaan jumlah pelat dalam perhitungan untuk elemen kendali sarna dengari untuk elemen bakar, yaitu 21 pelat. Pada kenyataannya, jumlah pelat SARAN 1. Untuk mendapatkan harga koefisien reaktivitas.void yang lebih baik diharapkan Untuk perhitungan yang akan datang dilakukan perhitungan control rod secara terpisah dad kemudian dimasukkan ke dalam paket program untuk perhitungan selanjutnya. perhitungan control rod supaya dilakukan diawal program yaitu pada paket program WIMS. 2. Perlu diadakan eksperimen secara langsung mengenai keberadaan void padateras,rsg-gas, untuk memberikan validasi pada basil-basil perhitungan selanjutnya. Llilv SuDarlina. dkk ISSN

7 ProsedingPertemuan don Presentasi I/miah PPNY-BATAN, Yogyakarta Juti 1999 Buku I 187 DAFT AR PUST AKA 1. DUDERSTADT J.J., HAMILTON L.J., "Nuclear Reactor Analysis", John Wiley and Son, NY, USA, H. BOCK., "Reactor Kinetics and Dynamic", Lecture notes at RTC on the Use of PC in Research Reactor Operation and Management, Bandung- Indonesia November LIEM, P.H., "Development and Verification of Batan Standard Two Dimensional Mu1tigroup Neutron Diffusion Code (Batan-2DIFF)", Makalah seminar BAT AN, pun HASTUTI E, KAMINANGA M., "Blockage Channel Analysis on RSG-GAS Oxide Core and RSG-GAS Silicide Core design by usingcoolod-n Code", JAERI, April NEIL E. TODREAS, MUnD S KAZIMI, "Thermal Hydraulic Fundarilentals", Hemisphere Pub1ising Corporation, New' York BADAN TENAGA ATOM NASIONAL, "Safety Analysis Report", volume 1, Revisi 7, September TANYAJAWAB Y Sardjono -Reaktivitas p = f(kefl. kef= 1]fp e LT Lf Pacta saat anda menghitungimengukur koefisien reaktivitas void, bagaimana dengan pengaruh koefisien reaktivitas suhu (a:t). Lily Suparlina -Pada kondisi ini data tam pang lintang yang digunakan adalah pada saar saturasi. Dengan.demikian, kenaikan suhu L1t sudah dihitung pada L1t menuju suhu saturasi. Dengan menggunakan data dengan buckhing yang sarna, dengan perkataan lain, harga keff teras yang menggunatan harga tampang lintang makroskopik t saturasi merupakan awal perhitungan dengan V =,1 %. Untuk selanjutnya perhtitungan hanya untuk perubahan fraksi void dengan rumus av =!!:!!.-. Sehingga at tidak diperhitungkan. AV Syarip -Berapa % kontribusi besarnya KR V terhadap at RSG?. -Berapa at? Lily Suparlina -Dari hasil desain SAR, at = /,6/ x /-4 LIkIk. maka kontribusi harga at terhadap harga KRV.adalah hila kenaikan void / %, maka terjadi keainak atsebesar / %. -av=atx/o-/.