AKTIVITAS EFLUEN TRITIUM DAN C-14 DARI PENGOPERASIAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR

Transkripsi

1 102 ISSN AKTIVITAS EFLUEN TRITIUM DAN C-14 DARI PENGOPERASIAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR Pusat Teknologi dan Keselamatan Nuklir - BATAN Kawasan Puspiptek, gedung 80 Serpong pmade-u@batan.go.id ABSTRAK AKTIVITAS EFFLUEN TRITIUM DAN C-14 DARI PENGOPERASIAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR. Nuklida H-3 dan C-14 adalah salah satu nuklida produk fisi dan aktivasi yang mempunyai umur paro yang panjang yaitu 12,3 tahun untuk H-3 dan 5730 tahun untuk C-14. Karena mempunyai umur paro yang panjang akan mengakibatkan efek akumulasi dosis menjadi signifikan. Walaupun sebagai pemancar beta lemah, efek paparan langsung dari radiasi eksterna kedua radionuklida ini kecil, tetapi efek dari radiasi interna inhalasi, imersi dan ingesi cukup berarti. Selain itu, produksi tritium khususnya adalah menjadi porsi terbesar untuk lepasan rutin dari pengoperasian reaktor PLTN. Karena hal tersebut diperlukan estimasi terhadap nuklida tersebut, untuk memitigasi konsekuensi yang ditimbulkan. Estimasi dilakukan untuk pengoperasian rutin dan hanya untuk efluen ke atmosfer. Metode yang dilakukan adalah perhitungan dan estimasi dengan menggunakan parameter hasil eksperimen dan perhitungan. Estimasi dilakukan untuk 2 jenis LWR yaitu masing-masing 4 reaktor PWR dan BWR. Aktifitas efluen radionuklida H-3 dan C-14 dari Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir dipengaruhi oleh jenis reaktor, daya reaktor, durasi operasi reaktor, dan penggunaan elemen bahan reaktor sebagai sumber nuklida. Aktivitas tritium untuk daya reaktor sama yang dikeluarkan dari reaktor PWR lebih besar dibandingkan BWR. Sebaliknya untuk aktivitas C-14 lebih tinggi yang dilepaskan dari reaktor BWR dibandingkan dari reaktor PWR. Kata kunci: Tritium, C-14, PLTN, efluen. ABSTRACT THE ACTIVITIESOF TRITIUM AND C-14EFFLUENTFROM THE OPERATION OFNUCLEARPOWER PLANTS. Nuclides H-3 and C-14 is one of the fission and activation product nuclide having a longhalf life of 12.3 years (H-3) and 5730 years for the C-14. Because it hasa long half life will result in as ignificant effect of dose accumulation. Although a weak beta emitter, the effects of direct exposure to external radiation from radionuclides are both small, but the effects of internal radiation from inhalation, immersion and ingesi were significant. In addition, the production of tritiumin particularis to become the largest share release of the routine operation of nuclear power reactors. Because that is necessary to estimate these nuclides, to mitigate the consequences. Estimatimation will be made for routine operation and only for the effluent to the atmosphere. The method of calculation ands imulation is performed using the parameters of the experimental and estimation results. Estimates made for two types of LWR respectively PWR and BWR reactor 4. The result are activity of the effluent radionuclides H-3 and C-14 of thenuclear Power Plant affected by the type of reactor, the reactor power, the duration of reactor operation, and use of the material elements of the reactor as a source of nuclides. Tritium release activity in the same reactor power at PWR greater than BWR. In contrast to the C-14 activity release at BWR reactors is higher than the PWR reactors. Keywords: Tritium, C-14, NPP, effluent. PENDAHULUAN engoperasian Pembangkit Listrik Tenaga PNuklir (PLTN), selain menguntungkan karena sumbangan energi yang tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca, juga menimbulkan konsekuensi terhadap lepasan radioaktif ke lingkungan. Aktivitas radioaktif yang selalu menjadi perhatian karena digunakan sebagai indikator konsekuensi adalah produk hasil belah (fisi) terutama dari Cs- 137 dan I-131. Selain produk fisi, radionuklida yang dapat menimbulkan konsekuensi adalah dari aktivasi netron dengan bahan yang ada di reaktor seperti pendingin reaktor. Nuklida H-3 dan C-14 adalah salah satu nuklida produk fisi dan aktivasi yang mempunyai umur paro yang panjang yaitu 12,3 tahun (H-3) dan 5730 tahun untuk C-14. Karena mempunyai umur paro yang panjang akan mengakibatkan efek akumulasi dosis menjadi signifikan. Walaupun sebagai pemancar beta lemah, efek paparan langsung dari radiasi eksterna kedua radionuklida ini kecil, tetapi efek dari radiasi interna inhalasi, imersi dan ingesi cukup berarti. Selain itu, produksi tritium khususnya adalah menjadi porsi terbesar untuk lepasan rutin dari pengoperasian reaktor PLTN. Karena hal tersebut Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012

2 ISSN diperlukan estimasi terhadap nuklida tersebut, untuk memitigasi konsenuensi yang ditimbulkan. Estimasi dan eksperimen untuk mengetahui aktivitas tritium dan C-14 di reaktor riset sudah pernah dilakukan penulis sebelumnya (1). Berkaitan dengan rencana pembangunan PLTN di Indonesia, dengan difokuskan pada pembangunan reaktor air ringan, maka pada tulisan ini dilakukan analisis H-3 dan C-14 yang ke lingkungan dari pengoperasian reaktor PWR dan BWR. Tritium dihasilkan dari produk fisi tingkat 3 (ternary fission) dan aktivasi netron dengan elemen bahan yang ada di sistem pendingin seperti deutrium dari senyawa air, lithium dan boron untuk PWR, dan minus reaksi boron untuk BWR. Sedangkan C-14 dihasilkan dari hasil aktivasi dengan elemen bahan di dalam teras dan air pendingin. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memperoleh aktivitas H-3 dan C-14 di dalam reaktor dari teras sampai lepas ke lingkungan, dan memperoleh dosis radiasi yang ditimbulkan sebagai konsekuensi radiasi dari lepasnya nuklida ke lingkungan. Estimasi dilakukan untuk pengoperasian rutin dan hanya untuk efluen ke atmosfer. Metode yang dilakukan adalah perhitungan dan estimasi dengan menggunakan parameter hasil eksperimen dan perhitungan. Estimasi dilakukan untuk 2 jenis LWR yaitu masing-masing 4 reaktor PWR dan BWR dengan daya yang sama besar. Pembangkit listrik tenaga nuklir menghasilkan tritium dan melepaskannya ke atmosfer dan ke badan air. Lepasan tritium dari uap air tritium dari beberapa tapak PLTN dapat mengakibatkan curah hujan radioaktif, yang dapat mencemari badan air permukaan serta groundwater. Tritium umumnya merupakan lepasan rutin terbesar dari pembangkit listrik tenaga nuklir dan telah menyebabkan kontaminasi luas di badan air (2). Tritium dapat dihasilkan di dalam reaktor nuklir oleh lima mekanisme sebagai berikut: (a) reaksi fisi uranium, (b) reaksi penangkapan neutron dengan boron dan litium yang ditambahkan ke pendingin reaktor, (c) reaksi penangkapan neutron dengan boron dalam batang kendali, (d) aktivasi deuterium (hidrogen-2) dalam air, dan (e) neutron energi tinggi yang bereaksi dengan bahan struktural. Besarnya produksi tritium ini dipengaruhi oleh jenis reaktor, sejarah operasi, karakteristik desain, dan bahan konstruksi. Jumlah tritium dan cara di mana dilepaskan ke lingkungan juga akan dipengaruhi oleh parameter ini (3). Fungsi utama dari bahan kelongsong adalah untuk mencegah keluarnya produk fisi dari elemen bahan bakar. Produk-produk fisi bisa lepas ke pendingin primer, karena tidak ada keseragaman pada pembuatan fabrikasi, kerusakan selama pengiriman atau penanganan, atau sebagai akibat dari laju korosi yang tidak sama atau gradien suhu, terjadi pinholes pada cladding yang mengakibatkan produk fisi termasuk tritium bisa lolos ke pendingin primer. Pengalaman menunjukkan bahwa fraksi tritium yang lepas dari bahan bakar yang dilapisi dengan zirc aloy-2 secara signifikan lebih kecil dari cladding bahan bakar yang terbuat dari stainless steel. Sumber-sumber produksi H-3 di reaktor adalah (3) : - Pembelahan bahan bakar tingkat tiga - Reaksi neutron dengan detrium yang terdapat dalam air, 2 H (n,γ) 3 H - Reaksi neutron dengan boron - Reaksi neutron dengan unsur lithium sebagai impuritas dalam material 6 Li(n,γ) 3 H Dalam reaktor air bertekanan (PWR) sebagian besar tritium yang dilepaskan ke lingkungan dihasilkan oleh interaksi neutron dengan boron dan litium. Boron ini ditambahkan ke dalam air pendingin primer untuk mengontrol laju reaksi nuklir dalam bahan bakar dan litium tersebut akan ditambahkan untuk mengendalikan korosi. Tritium dapat lepas ke lingkungan berupa gas HT (Tritium Hidrogen Gas)dan sebagai HTO (tritiatedwater). Tritium bisa juga dalam bentuk organik yang berikatan dengan protein, karbohidrat atau lemak yang dinamakanorganically Bound Tritium (OBT) dan masuk lewat bahan makanan. Pathway tritium di lingkungan mengikuti Gambar 1. Sumber-sumber produksi 14 C dalam reaktor adalah (5) : - Reaksi 14 N (n,p) 14 C, dari pengotor nitrogen di bahan bakar - Reaksi 16 O (n, 3 He) 14 C, dari molekul air pendingin - Reaksi 17 O (n,α) 14 C - Reaksi 235 U (n,fissi) 14 C - Reaksi 13 C(n,γ) 14 C,bentukorganik dalam air Karbon 14, lebih dikenal sebagai C14, sebagai polutan radiologi besar dan bahaya kesehatan yang serius. Karbon 14 memiliki waktu paruh lebih dari 5000 tahun. Hal ini sebelumnya dianggap tidak menjadi ancaman serius karena C14 diproduksi di alam. Namun sudut pandang ini telah berbalik, dengan meningkatkan pemahaman mengenai kuantitas polusi isotop C14 yang dihasilkan oleh pembangkit listrik dan industri lainnya. Tritium menyumbang 12,40 %, dan 16,8 % C-14 untuk kontribusi penerimaan dosis radiasi dari operasi rutin PWR (6). Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012

3 104 ISSN Gambar 1. TATA KERJA Metodologi dan Langkah-Langkah yang Dilakukan 1. Estimasi aktivitas H-3 dan C-14 di inventori sistem pendingin PWR dan BWR dengann daya ± 1000 MWe, perhitungan dilakukan dengan menggunakan parameter eksperimen dan hasil simulasi (7,8). 2. Estimasi aktivitas H-3 dan C-14 yang terdispersi ke lingkungan dari tapak yang dipilih 3. Estimasi penerimaan dosiss dengan konversi dose coefficient untuk H-3 dan C Komparasi dengan aktivitas H-3 dan C-14 yang terdispersi, untuk PWR dan BWR lainnya, dan menghitung penerimaan dosis dengan konversi dose coefficient untuk H-3 dan C-14 HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil estimasi aktivitas H-3 dan C-14 di inventori sistem pendingin PWR dan BWR generik dan beberapa tipe reaktor dengan daya ± 1000 MWe ditampilkan pada Tabel 2; hasil estimasi untuk aktivitas H-3 dan C-14 yang lepas ke lingkungan ditampilkan pada Gambar 1, dan komparasi penerimaan dosis dengan konversi dose coefficient untuk H-3 ditampilkan pada Gambar 2 dan C-14 pada Gambar 3. Estimasi aktivitas H-3 dan C-14 di inventori sistem pendingin PWR dan BWR dengan masing masing 4 contoh reaktor PWR dan reaktor BWR yang mempunyai kapasitas ± 1000 MWe. Didalam reaktor PWR tritium dihasilkan dari ternary fission di bahan bakar yang mencapai 6-9 x Bq per MWe tahun, yang 1 % lolos ke sistem RCS (Reactor Cooling System). Tritium juga diproduksi melalui reaksi aktivasi Boron-10 dengan air pendingin yang mencapai aktivitas per tahun 2.6 Pathway tritium di lingkun ngan (4). x Bq tritium per MWe. Selain itu reaksi dengan litium menghasilkan tritium 7 x 10 8 Bq per MWe-tahun (7). Dengan asumsi tritium yang lepas dari RCS ke pengungkung 10 %, hasil perhitungann ditampilkan pada Tabel 2. Estimasi H-3 pada BWR di bahan bakar mencapai 6-9 x Bq per MWe tahun (7), yang 1 % lolos ke sistem RCS. Tritium yang dihasilkan dari reaksi aktivasi dengann deutrium mencapai 4 x 10 8 Bq per MW(e)-tahun. Tidak ada penambahan tritium dari penggunaann boron pada BWR. Hasil perhitungan terdapat padaa Tabel 3. Hasil perhitungan aktivitas tritium yang lepas ke atmosfer dari Tabel 1 dan Tabel 2, menunjukkan bahwa aktivita stritum dari reaktorr BWR lebih kecil dibandingkan reaktor PWR, karena dampak penambahan tritium dari penggunaann Boron padaa BWR tidak ada. Tritium dan emisi radionuklidaa lain berkurang, karenaa BWR dirancang untuk memproses ulang limbah cair yang dihasilkan, sehingga sangat sedikit atau tidak ada limbah cair, termasuk tritium. Karbon-14 akan terbentuk dari 2 jenis reaksi di bahan bakar yaitu : 17 O(n,α) 14 C dan 14 N(n,p) 14 C. Karbon-14 juga diproduksi di dalam pendingin reaktor dari reaksi: (a) atom oksigen di molekul air melalui reaksi 17 O(n, α) 14 C; serta reaksi (b) nitrogen terlarut dalam air melalui reaksi 14 N(n,p) 14 C, serta reaksi (c) karbon terlarut sebagai karbon dioksidadan bentuk organik di dalam air dengan reaksi 13 C(n,γ) 14 C (5,8).Hasil perhitungann aktivitas C-14 terdapat pada Tabel 3 untuk PWR dan Tabel 4 untuk BWR. Hasil perhitungan untuk tritium yang lepas ke lingkungan dari reaktor PWR dan BWR terlihatt pada Gambar 2, sedangkan aktivitas C-14 yang lepaske lingkungan untuk kedua reaktor tersebutt disajikan pada Gambar 3. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012

4 ISSN Jumlah tritium yang dilepaskan ke udara dan untuk air tergantung pada jenis reaktor, namun juga sangat bervariasi bahkan di antara reaktor dari desain umum yang sama. Dalam reaktor air bertekanan (PWR) sebagian besar tritium yang dilepaskan ke lingkungan dihasilkan oleh interaksi neutron dengan boron dan litium. Boron ini ditambahkan ke dalam air pendingin primer untuk mengontrol laju reaksi nuklir dalam bahan bakar dan litium tersebut akan ditambahkan untuk mengendalikan korosi. Hal ini bukan masalah pada reaktor air mendidih (BWR), dimana tidak ditambahkan boron atau litium ke dalam air pendingin primer. Ketika tritium yang lepas ke lingkungan, maka akan terdispersi dan terdeposisi di udara, permukaan air, tanah dan vegetasi. Tritium adalah nuklida yang sangat mobile, dan bergerak di semua sistem dilingkungan (misalnya:air minum, ikan, sayuran, rumput, hewan pemakan rumput, susu, daging dan manusia). Masyarakat yang hidup dekat dengan tempat publik akan terkena tritium melalui banyak jalur perpindahan dilingkungan. Estimasi penerimaan dosis yang diterima masyarakat sekitar dari lepasnya H-3 dan C- 14,hasil estimasi diberikan pada Gambar 4 dan Gambar 5. Gambar 2. Aktivitas H-3 yang lepas ke lingkungan dari PWR dan BWR. Tabel 1. Hasil perhitungan aktivitas tritium pada reaktor PWR Teras Bq/tahun Dari teras Aktivaside Aktivasi Reaksi Total RCS Pengungkung utrium litium boron PWR-1 (1117 MWe) 1,01E+15 1,01E+13 1,61E+10 7,82E+11 2,90E+13 3,98E+13 3,98E+12 PWR-2(930 MWe) 8,37E+14 8,37E+12 1,34E+10 6,51E+11 2,42E+13 3,32E+13 3,32E+12 PWR-3(1190 MWe) 1,07E+15 1,07E+13 1,71E+10 8,33E+11 3,09E+13 4,25E+13 4,25E+12 PWR-4(1100 MWe) 9,90E+14 9,90E+12 1,58E+10 7,70E+11 2,86E+13 3,93E+13 3,92E+12 Tabel 2. Hasil perhitungan aktivitas tritium pada reaktor BWR Teras Bq/tahun Dari teras Aktivasideutri Aktivasi Total RCS Pengungkung um litium BWR- 1 (1043 MWe) 9,38E+14 9,39E+12 1,501E+10 7,301E+11 1,01E+13 1,01E+12 BWR-2 (1251 MWe) 1,13E+15 1,13E+13 1,80 E+10 8,757E+11 1,21E+13 1,21E+12 BWR-3 (1065 MWe) 9,59E+14 9,59E+12 1,53 E+10 7,455E+11 1,03E+13 1,03E+12 BWR-4(1113 MWe) 1,01E+15 1,00E+13 1,60 E+10 7,791E+11 1,08E+13 1,08E+12 Tabel 3. Hasil perhitungan aktivitas C-14 untuk PWR Teras Bq/tahun Dari teras coolant RCS Pengungkung PWR-1 (1117 MWe) 1,21E+12 1,21E+10 4,58E+11 4,70E+11 4,70E+10 PWR-2(930 MWe) 1,01E+12 1,01E+10 3,81E+11 3,91E+11 3,91E+10 PWR-3(1190 MWe) 1,29E+12 1,29E+10 4,88E+11 5,01E+11 5,01E+10 PWR-4(1100 MWe) 1,19E+12 1,19E+10 4,51E+11 4,62E+11 4,62E+10 Tabel 4. Hasil perhitungan aktivitas C-14 untuk BWR Teras Bq/tahun Dari teras coolant RCS Pengungkung BWR-1 (1043 MWe) 1,29E+12 1,29E+10 1,01E+12 1,02E+12 1,02E+11 BWR-2(1251 MWe) 1,55E+12 1,55E+10 1,21E+12 1,22E+12 1,22E+11 BWR-3(1065 MWe) 1,32E+12 1,32E+10 1,03E+12 1,04E+12 1,04E+11 BWR-4(1113 MWe) 1,38E+12 1,38E+10 1,08E+12 1,09E+12 1,09E+11 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012

5 106 ISSN Penerimaan dosis C-14 dari ingesi, lebih besar dibandingkan dengan inhalasi, karenaa berkaitan dengan sumber kontaminan di lingkungann dan karenaa sifat akumulasi umur paro panjang, sehingga setiap pathway dan di rantai makanan C- 14 masih ada. Estimasi dosis untuk nuklida H-3 dalam bentuk HTO dan C-14 masih dalam limit dosis yang diijinkan untuk publik yaitu 1 msv/tahun. KESIMPULAN Aktifitas efluen radionuklida H-3 dan C-14 dari pembangkit listrik tenaga nuklir dipengaruhii oleh jenis reaktor, daya reaktor, durasi operasi reaktor dan penggunaan elemen bahan reaktorr sebagai sumber nuklida. Aktivitas tritium yang dikeluarkan dari reaktor PWR lebih besar dibandingkan BWR untuk daya reaktor yang sama. Sebaliknya untuk aktivitas C-14 lebih tinggi yang dilepaskan dari reaktor BWR dibandingkan dari reaktor PWR. Gambar 3. Aktivitas C-14 yang lepas ke lingkungan dari PWR dan BWR Gambar 4. Estimasi dosis (HTO dan OBT) H-3 dari PWR dan BWR. Gambar 5. Estimasi dosis C-14 dari PWR dan BWR. Penerimaan dosis dari HTO biasanya melalui inhalasi dan imersi, sedangkan bentuk OBT melalui pathway ingesi. Gambar 4 menunjukkan bahwaa penerimaann dosis dari OBT lebih besar, karena sumber tritium yang terikat berasal dari deposisi permukaan, yang juga berasal dari dispersi tritium udara yang jatuh bersamaa air hujan. DAFTAR PUSTAKA 1. PANDE, M.U. Pengaruh Dayaa dan Durasi Operasi terhadap Konsentrasi 3 H dan 14 C diair Sistem Pendingin Primer RSG-GAS, TRI DASA MEGA, ed Pebruari MAKHIJANI, A. Radioactive Rivers and Rain: Routine Releases of Tritiated Water From Nuclear Power Plants, Science for Democratic Action, Vol 16, No. 1, August (2009) 3. CHARLES L. WEAVER, M.S., ERNEST, D. HARWARD, M.S., and HAROLD T. PETERSON Jr., M. N. E. Tritium in the Environment From Nuclear Powerplants, Public Health Report, Vol. 84, No. 4, April CNSCC (Canadian Nuclear Safety Commission), Tritium releasee and Dose Consequences in Canada in 2006, Catalogue number: INFO-0793 (2007) 5. MAN-SUNG YIMA, FRANCOIS CARONB, Life cycle and management of carbon-14 from nuclear power generation, Progress in Nuclear Energy 48 (2006) PANDE, M.U..Analisis Keselamatan Radiologi pada Dispersi Radionuklida Daya PWR-1000, Presentasi Peneliti Madya, (2008) 7. CNR (Canada Nuclear Regulator),Investigation of the Environmental Fate oftritium in the Atmosphere, Minister of Public Works and Government Services Canada, Catalogue number CC172-51/2009E-- PDF, ISBN , (2009) Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012

6 ISSN DAVIS, W.Carbon-14 production in Nuclear Power Reactor, U.S. Nuclear Regulatory Commission, February 1, (1977) TANYAJAWAB Elisabeth S. - Mengapa ada perbedaan jumlah produksi H-3 dan C-14 diantara 4 reaktor PWR dan 4 reaktor BWR? Perbedaan disebabkan adanya: o Jenis reaktor, konsentrasi H-3 dan C-14 pada reaktor BWR lebih besar dibandingkan PWR. o Daya reaktor, konsentrasi H-3 dan C-14 dipengaruhi oleh daya reaktor karena berhubungan dengan reaksi fisi dan aktivasi. Puradwi - Parameter apa saja yang mempengaruhi 3 H dan 14 C? Faktor-faktor yang mempengaruhi produksi 3H dan 14C adalah: o Jika sumbernya dari reaksi fisi, yang mempengaruhi adalah factor daya reaktor, operasi reaktor jumlah bahan bakar dan burn-up o Jika sumbernya dari radiasi aktivasi, yang mempengaruhi adalah pengotor deuterium, helium, lithium dan boron serta bahanbahan pada pendingin primer. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012