PENINGKATAN KEMAMPUAN BATANG KENDALI REAKTOR RSG-GAS DENGAN PENGGANTIAN BAHAN PENYERAP

Transkripsi

1 PENINKATAN KEMAMPUAN ATAN KENDALI REAKTOR RS-AS DENAN PENANTIAN AHAN PENYERAP Iman Kuntoro dan Tagor Malem Sembiring Pusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset - ATAN ASTRACT THE IMPROVEMENT OF THE RS-AS CONTROL ROD CAPAILITY Y REPLACIN THE ASORER MATERIAL. The utilization of silicide fuel of. g U/cc in the RS-AS core without changing the number and the material of AgInCd absorber gives the shutdown margin of.0 % k/k, which is lower than the original design of oxide core of. % k/k. Therefore, improvement of control rod capability to compensate the core reactivity shall be done. Improvement of the capability can be done by substituting the absorber material with the stronger one which is able to provide the shutdown margin at least the same as the oxide core without adding the number of the control rods. The candidates were selected from the commonly used absorbers in MTR type research reactor such as Hf, Cd and C. The calculations were carried out by means of the combination of IMS/D- and atan-diff codes. For the silicide core, the calculated result shows that the C absorber is the best choice as an alternative absorber to substitute the existing absorber of AgInCd since providing the shutdown margin of. % k/k which is higher than the original design of the oxide core one. Key words: reactivity, absorber, control rod, RS-AS. ASTRAK PENINKATAN KEMAMPUAN ATAN KENDALI REAKTOR RS-AS DENAN PENANTIAN AHAN PENYERAP. Penggunaan bahan bakar silisida, gr U/cm pada teras reaktor RS-AS dengan tetap mempertahankan batang kendali dengan penyerap AgInCd menghasilkan marjin reaktivitas padam sebesar,0 % k/k yang lebih kecil daripada desain awal teras oksida sebesar -, % k/k. Oleh karena itu, kemampuan batang kendali mengkompensasi reaktivitas teras perlu ditingkatkan. Peningkatan kemampuan batang kendali dapat dilakukan dengan cara mengganti bahan penyerap yang lebih kuat tanpa perlu menambah jumlah batang kendali, sehingga dapat menghasilkan marjin reaktivitas minimal sama dengan pada teras oksida. Pemilihan bahan penyerap dilakukan untuk bahan penyerap yang biasa digunakan di reaktor riset jenis MTR seperti Hf, Cd dan C. Perhitungan dilakukan dengan kombinasi program komputer IMS/D- dan atan-diff. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa penyerap C merupakan pilihan terbaik sebagai bahan penyerap alternatif pengganti AgInCd karena menghasilkan marjin reaktivitas padam teras silisida menjadi -, % k/k yang nilainya lebih besar daripada desain awal teras oksida. Kata kunci: reaktivitas, bahan penyerap, batang kendali, RS-AS. PENDAHULUAN Salah satu program utama Pusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset (PTRR) ATAN dalam tahun mendatang adalah konversi teras reaktor RS-AS yaitu penggantian bahan bakar dari bahan bakar oksida

2 (U O Al) densitas,9 gu/cm ke bahan bakar silisida (U Si ) densitas, gu/cm. Desain teras setimbang silisida telah dilakukan oleh Liem, P.H. dkk.[] untuk desain teras transisi menuju ter as setimbang silisida tersebut telah dilakukan oleh Arbie. dkk.[]. Dari penelitian tersebut disimpulkan bahwa kerapatan optimum bahan bakar silisida untuk teras reaktor RS-AS adalah, gu/cm, namun dari segi keselamatan reaktivitas mengakibatkan marjin reaktivitas padam teras turun menjadi -,0 % k/k. Sedangkan nilai desain awal sebesar -, % k/k. Perbedaan tersebut disebabkan oleh muatan uranium teras yang lebih besar. erdasarkan hasil tersebut di atas perlu dilakukan perubahan atau modifikasi sistem batang kendali sebagai upaya untuk menaikkan marjin reaktivitas padam minimal sama dengan nilai desain awal reaktor (bahan bakar oksida). Dengan demikian penggantian bahan bakar tidak mengurangi atau menurunkan tingkat keselamatan reaktor. Peningkatan kemampuan batang kendali dapat dilakukan dengan cara yaitu pertama, dengan menambah jumlah batang kendali, dan kedua dengan mengganti bahan penyerap dengan kemampuan penyerapan yang lebih besar tanpa menambah jumlah batang kendali. Cara pertama telah dilakukan pada penelitian tahun yang lalu oleh Kuntoro, I., dan Sembiring, T.M.[,], yaitu dengan cara menambah batang kendali, berupa buah batang kendali pengaman dengan bahan penyerap C dan AgInCd. Penggunaan batang kendali pengaman ini dapat menaikkan marjin reaktivitas padam teras menjadi, % k/k untuk C dan. % k/k untuk AgInCd. Penelitian ini melaksanakan cara kedua yaitu mencari bahan penyerap alternatif pengganti bahan penyerap AgInCd yang dipakai saat ini, tanpa penambahan batang kendali pengaman. Penentuan bahan penyerap alternatif pengganti AgInCd dilakukan untuk bahan penyerap yang biasa digunakan di reaktor jenis MTR yaitu Hf, Cd dan C. Tujuan penelitian ini adalah mencari bahan penyerap alternatif untuk teras silisida yang memenuhi kriteria marjin reaktivitas padam desain awal, sebagai salah satu alternatif untuk modifikasi sistem batang kendali teras silisida RS-AS. Pemilihan bahan penyerap alternatif ditinjau dari segi neutronik saja. Perhitungan dilakukan dengan kombinasi program komputer IMS/D- untuk generasi tampang lintang dan atan-diff untuk perhitungan neutronik teras. TEORI Fungsi batang kendali adalah untuk mengendalikan reaktivitas teras reaktor yaitu untuk memadamkan reaktor, merubah daya reaktor dan mempertahankannya pada daya tertentu, dengan cara menyerap neutron hasil reaksi fisi di teras. Keselamatan reaktor dari segi reaktivitas ditentukan oleh kemampuan batang kendali (reaktivitas negatif) dalam mengkompensasi reaktivitas-lebih teras (positif) yang dih asilkan oleh bahan bakar reaktor. Jadi, nilai reaktivitas batang kendali harus lebih besar dari pada nilai reaktivitas teras, sehingga reaktor dapat dipadamkan kapan saja dan dalam kondisi apa

3 saja atau selalu menghasilkan reaktivitas padam yang negatif (subkritis) pada saat batang kendali berada pada posisi masuk di dalam teras reaktor. atas keselamatan reaktivitas reaktor ditentukan oleh besaran yang disebut marjin reaktivitas padam, yaitu nilai reaktivitas padam teras pada saat satu batang kendali deng an nilai reaktivitas terbesar gagal masuk ke dalam teras. Nilai batas keselamatan minimum adalah 0, % []. Cara menentukan kemampuan batang kendali adalah dengan membuat neraca reaktivitas teras sebagai berikut:. Hitung reaktivitas teras untuk konfigurasi tanpa batang kendali (ditarik ke atas), maka diperoleh reaktivitas-lebih teras.. Hitung reaktivitas teras pada konfigurasi dengan seluruh batang kendali berada pada teras (masuk), maka akan diperoleh reaktivitas padam.. Dengan mengurangkan hasil langkah dengan hasil langkah, diperoleh kemampuan batang kendali yaitu harga reaktivitas batang kendali.. Kemudian hitung reaktivitas teras pada konfigurasi dengan salah satu batang kendali gagal masuk (di luar) secara bergantian untuk seluruh batang kendali. Perhitungan ini menghasilkan harga reaktivitas padam sebagai fungsi satu batang kendali gagal. ila harga ini dikurangkan dengan hasil langkah, akan diperoleh nilai reaktivitas tiap batang kendali. Adapun nilai marjin reaktivitas padam adalah sesuai dengan definisinya yaitu harga reaktivitas padam pada saat satu batang kendali dengan reaktivitas terbesar gagal adalah nilai terkecil dari hasil hitungan langkah ke. Perhitungan reaktivitas teras dilakukan dengan bantuan paket program yang menyelesaikan per samaan difusi neutron di teras reaktor. Perhitungan akan menghasilkan parameter teras berupa faktor perlipatan efektif, reaktivitas, distribusi neutron dan daya. Pengendalian reaktivitas teras reaktor RS-AS dilakukan dengan sistem batang kendali yang berjumlah buah dengan bahan penyerap AgInCd yang tersusun secara simetris dalam teras seperti ditunjukkan dalam ambar. Pemilihan bahan penyerap alternatif pengganti AgInCd akan dilakukan dengan batasan dan kriteria sebagai berikut. atasan dalam penelitian ini adalah bahwa ukuran dan bentuk bahan penyerap dipertahankan sama dengan yang dipakai saat ini. Adapun kriteria pemilihan bahan penyerap alternatif untuk teras silisida adalah memenuhi batas keselamatan dan menghasilkan marjin reaktivitas padam yang lebih besar dari pada, % k/k. Nilai tersebut adalah harga desain RS-AS dengan bahan bakar oksida. Dengan demikian penggantian bahan penyerap tidak mengurangi tingkat keselamatan reaktor.

4 PERHITUNAN enerasi Tampang Lintang Sebelum melakukan perhitungan teras, terlebih dahulu dilakukan generasi tampang lintang atau biasa disebut konstanta kelompok. Konstanta kelompok untuk bahan teras telah tersedia, sehingga hanya perlu menggenerasi konstanta kelompok untuk bahan penyerap alternatif, Hf, Cd dan C. enerasi konstanta dalam kelompok tenaga neutron dilakukan dengan paket program IMS/D- []. Di samping tampang lintang, dalam perhitungan difusi teras diperlukan pula syarat batas berupa koefisien kehitaman bahan penyerap yang memberikan gradien fluks neutron pada batas antara penyerap dan bahan bakar. Koefisien kehitaman ditentukan berdasarkan rumus[,], dengan τ E n = tebal penyerap (cm) = fungsi integral eksponensial E( Σ α = τ ) [ E ( Σ τ) ] a a Hasil tampang lintang serapan dan koefisien kehit aman di atas perlu dicek. Pengecekan dilakukan dengan cara menggunakan harga tersebut dalam perhitungan difusi teras Reaktor enchmark IAEA 0 Mth [9], dengan konfigurasi seperti dilukiskan dalam ambar. Perhitungan teras dilakukan dengan paket program atan-diff [0] dengan model geometri X-Y dengan kelompok tenaga neutron. Kasus perhitungan yang diambil adalah penentuan nilai batang kendali total. Hasil perhitungan ini kemudian dibandingkan dengan hasil perhitungan Monte Carlo. ila harga nilai batang kendali dari perhitungan difusi berbeda dengan hasil Monte Carlo, perhitungan difusi diulang kembali dengan merubah harga tampang lintang serapannya. Langkah ini dilakukan terus sampai diperoleh harga yang sangat mendekati. Tampang lintang serapan dan koefisien kehitaman yang diperoleh dari perhitungan terakhir ini, selanjutnya digunakan untuk perhitungan neutronik teras reaktor RS-AS, untuk menentukan bahan penyerap alternatif. Penentuan ahan Penyerap Alternatif Marjin reaktivitas padam teras silisida ditentukan dengan perhitungan neutronik teras seperti dalam teori, pada konfigurasi teras silisida sebagai fungsi jenis bahan penyerap dan kondisi posisi batang kendali. Perhitungan dilakukan dengan program difusi atan-diff dengan kelompok tenaga neutron dengan model teras reaktor dalam geometri -dimensi X-Y seperti

5 dilukiskan dalam ambar. Dengan menerapkan kriteria nilai batas marjin reaktivitas padam seperti tersebut di atas, kemudian dipilih bahan penyerap alternatif untuk batang kendali teras silisida RS-AS. HASIL DAN PEMAHASAN enerasi Tampang Lintang Hasil generasi tampang lintang bahan penyerap yang diteliti langsung disediakan sebagai input dalam program atan-diff untuk perhitungan neutronik teras. Sedangkan hasil perhitungan validasi program atan-diff untuk menentukan koefisien kehitaman disajikan dalam Tabel. Harga koefisien kehitaman untuk tiap jenis bahan penyerap disajikan dalam Tabel. Tabel menunjukkan bahwa paket program atan-diff di dalam perhitungan nilai batang kendali total memberikan hasil yang sangat baik karena memberikan perbedaan relatif dengan perhitungan Monte Carlo yang lebih kecil dari 0,9 % untuk seluruh jenis bahan penyerap. Hasil validasi ini menunjukkan bahwa koefisien kehitaman ini dapat dipakai dalam perhitungan marjin reaktivitas padam teras reaktor RS-AS. Dari Tabel diperoleh bahwa urutan dari yang terbesar kekuatan menyerap neutron (koefisien kehitaman) untuk seluruh jangkau tenaga neutron dari bahan yang diteliti adalah C, AgIn Cd, Hf dan Cd. Parameter ini memberikan petunjuk bahan penyerap yang paling baik untuk batang kendali adalah C. Efektivitas batang kendali sendiri harus dihitung secara terintegrasi dalam perhitungan neutronik teras. Koefisien ini dan konstanta kelompok lain untuk tiap bahan penyusun teras kemudian dipakai sebagai masukan dalam perhitungan neutronik teras. Penentuan ahan Penyerap Alternatif Perhitungan reaktivitas teras sebagai fungsi kondisi posisi batang kendali dan jenis bahan penyerap disajikan dalam Tabel. Nilai reaktivitas teras terkecil dalam Tabel menunjukkan harga marjin reaktivitas teras. Dari Tabel kemudian dibuat neraca reaktivitas teras termasuk marjin reaktivitas padam sebagai fungsi jenis bahan seperti disajikan dalam Tabel. Dari Tabel tersebut di atas dapat dibahas hal-hal penting sebagai berikut:. Marjin reaktivitas padam teras silisida RS-AS yang memenuhi syarat dan kriteria adalah bila batang kendali menggunakan bahan penyerap C yang menghasilkan marjin reaktivitas padam paling besar yaitu, % k/k atau sekitar, kali lipat lebih besar dibandingkan dengan nilai yang dihasilkan oleh penyerap AgInCd ( 0,9 % k/k). Hal tersebut sesuai dengan indikasi dari perhitungan koefisien kehitaman penyerap 9

6 sebelumnya (Tabel ), yaitu bahwa C memiliki nilai koefisien yang paling besar dibanding dengan bahan penyerap lainnya untuk seluruh kelompok tenaga. Nilai marjin reaktivitas padam ini lebih besar daripada kriteria atau desain awal sebesar, % k/k, sehingga pengoperasian teras silisida dengan batang kendali dengan penyerap C memberikan tingkat keselamatan yang lebih tinggi, yaitu reaktor dapat dipadamkan pada kondisi setiap saat dan keadaan meskipun satu batang kendali macet (tidak dapat masuk ke dalam teras reaktor).. ahan penyerap yang lain tidak memenuhi kriteria marjin reaktivitas padam.. Kemampuan sistem batang kendali untuk mengkompensasi reaktivitas dengan bahan penyerap C juga lebih besar yaitu sebesar -,09 % k/k dibandingkan dengan AgInCd sebesar -,0 % k/k. Nilai reaktivitas ini menunjukkan kemampuan batang kendali untuk memadamkan reaktor pada kondisi normal yaitu dengan memberikan kondisi subkritis pada saat seluruh batang kendali masuk ke dalam teras sebesar -, % k/k dan -, % k/k. Jadi, penggantian bahan penyerap AgInCd dengan C akan menaikkan tingkat keselamatan dari segi pengendalian reaktivitas untuk reaktor RS-AS dengan bahan bakar silisida densitas tinggi (, gu/cc). KESIMPULAN ahan penyerap alternatif pengganti AgInCd untuk batang kendali teras RS-AS berbahan bakar silisida dengan kerapatan, gr U/cm yang memenuhi syarat dan kriteria adalah C karena kemampuan mengkompensasi reaktor menghasilkan marjin reaktivitas padam sebesar -, % k/k. Dengan penggantian bahan penyerap ini, program konversi bahan bakar dari oksida,9 gr U/cm ke silisida, gr U/cm dapat dilakukan dengan aman tanpa penambahan jumlah batang kendali. Selanjutnya perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui karakteristik batang kendali dalam pengoperasian reaktor RS-AS dengan bahan bakar uranium silisida. 0

7 DAFTAR PUSTAKA. LIEM, P.H. et al., Fuel Management Strategy for The New Equilibrium Silicide Core Design of RS AS (MPR-0), Journal of Nuclear Engineering and Design 0 (99). ARIE. et al., Conversion Study from Oxide to Silicide Fuel for the Indonesia 0 M Multipurpose Reactor.A. Siwabessy, Proceedings of the th International meeting on Reduced Enrichment for Research and Test Reactor, A, Paris (99). KUNTORO, I., SEMIRIN, T.M. dan ZUHAIR, Modifikasi Sistem atang Kendali Reaktor RS-AS untuk Teras Dengan ahan akar Silisida Densitas Tinggi, Prosiding Seminar Sains dan Teknologi Nuklir Dalam Pemberdayaan Potensi Nasional, ATAN, andung (000). KUNTORO, I. dan SEMIRIN, T.M., Peningkatan atang Kendali Reaktor RS-AS Dengan Penambahan KP AgInCd, Jurnal Teknologi Reaktor, () Februari (00). ATAN, Safety Analysis Report, 9, ATAN (Jakarta). ASKE, J.R., et al., A eneral Description Of The Code IMS, Journal r. Nucl. Energy Soc. (9). RETSCHER, M.M., Computing Control Rod orths in Thermal Research Reactors, ANL/RERTR/TM-9, ANL (99). LIEM, P.H. and SEMIRIN, T.M., Validation of atan s Standard Neutron Diffusion Codes for Control Rod orth Analysis, Atom Indonesia () (99) 9. IAEA, Research Reaktor Conversion uide ook Vol. : Analytical Verification, IEAE-TECDOC-, Vienna, Austria (99) 0. LIEM, P.H., Development and Verification of atan s Standard Two- Dimensional Multigroup Neutron Diffusion Code (atan-diff), Atom Indonesia 0 () (99)

8 Tabel. Nilai batang kendali total reaktor enchmark IAEA 0 Mth untuk berbagai jenis bahan penyerap. ahan penyerap Nilai batang kendali total, % Monte Carlo atan-diff DIFF/MC* Ag-In-Cd, ± 0,,,00 C,9 ± 0,0, 0,990 Hf,0 ± 0,,0,00 Catatan: *DIFF/MC= perbandingan hasil metode difusi dengan metode Monte Carlo Tabel. Koefisien kehitaman batang kendali RS-AS untuk berbagai jenis bahan peny erap. Kel, Syarat atas Atas, ev Hf Cd AgInCd C.0000E+0.E-0.9E-0.00E-0.9E-0.00E+0.E-0.E-0.E-0.E-0.0E+0.9E-0.0E-0 9.E-0.90E-0.00E-0.9E-0.90E-0.9E-0.99E-0 Catatan: Kel. = Kelompok tenaga neutron. Tabel. Harga reaktivitas teras silisida reaktor RS-AS sebagai fungsi keadaan batang kendali. Kondisi atang Kendali Reaktivitas teras (%) dengan penyerap Hf Cd AgInCd C batang kendali di luar 9, 9, 9, 9, batang kendali di dalam -, -, -, -, - di luar, batang kendali di dalam -, 0, -, -, F- di luar, batang kendali di dalam -0,9* 0,* -,0* -,* F- di luar, batang kendali di dalam -, 0,9 -, -. E-9 di luar, batang kendali di dalam -0, 0, -. -, D- di luar, batang kendali di dalam -,0 0, -, -, C- di luar, batang kendali di dalam -, 0,0 -,0 -, C- di luar, batang kendali di dalam -,0 0,9 -, -, - di luar, batang kendali di dalam -, 0,0 -,9 -, *). Marjin reaktivitas padam(reaktivitas padam terkecil dengan satu batang kendali gagal).

9 Tabel. Neraca reaktivitas teras silisida RS-AS sebagai fungsi bahan penyerap. Parameter, % k/k Hf Cd AgInCd C Reaktivitas-lebih 9, 9, 9, 9, Reaktivitas padam -, -, -, -, Nilai total batang kendali -,9-0,0 -,0 -,09 Nilai reaktivitas batang kendali terbesar (pada posisi) -, (F-) -, (F-) -, (F-) -, (F-) Marjin reaktivitas padam -0,9 0, -,0 -,

10 K J S P S R T S F S H S IP S F PN RS E D IP CIP IP HY RS HY RS C HY RS S NS IP HY RS A S 0 9 eryllium lock Reflector Note : = Fuel Element, = Control Element, E = e Reflector Element, S = e Reflector Element with plug, IP = Irradiation Position, CIP = Central Irradiation Position, PNRS = Pneumatic Rabbit System, HYRS = Hydraulic Rabb System ambar. Konfigurasi Teras Reaktor RS-AS.

11 HO Keterangan: = rafit = Air = Elemen akar Standard = Elemen akar Kendali dan batang kendali HO = Air ambar. Konfigurasi Teras Reaktor enchmark IAEA 0 Mth.