ANALISIS PENINGKATAN FRAKSI BAKAR BUANG UNTUK EFISIENSI PENGGUNAAN BAHAN BAKAR U 3 Si 2 -Al 2,96 gu/cc DI TERAS RSG-GAS

Transkripsi

1 176 ISSN Lily Suparlina ANALISIS PENINGKATAN FRAKSI BAKAR BUANG UNTUK EFISIENSI PENGGUNAAN BAHAN BAKAR U 3 Si 2 -Al 2,96 gu/cc DI TERAS RSG-GAS Lily suparlina Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir BATAN, lilyrsg@batan.go.id ABSTRAK ANALISIS PENINGKATAN FRAKSI BAKAR BUANG UNTUK EFISIENSI PENGGUNAAN BAHAN BAKAR U 3 Si 2 -Al 2,96 gu/cc di TERAS RSG-GAS. RSG-GAS telah memulai program konversi penggunaan bahan bakar dari U 3 O 8 -Al ke U 3 Si 2 -Al sejak tahun Saat ini RSG - GAS telah mencapai teras ke 70 dengan panjang siklus rerata 615 MWD dan fraksi bakar buang 54,16%. Dalam rangka efisiensi penggunaan bahan bakar di teras reaktor, maka direncanakan mengoperasikan reaktor dengan siklus operasi yang lebih panjang sampai batasan fraksi bakar buang yang diijinkan 60 %. Sebelum hal ini dilakukan, maka perlu dikaji terlebih dahulu bagaimana karakteristik neutronik dari teras tersebut. Telah dilakukan perhitungan teras dengan perpanjangan siklus operasi mulai 650 MWD sampai dengan 700 MWD dengan rentang 10 MWD. Perhitungan sel dilakukan dengan menggunakan paket program WIMSD-B5 dan perhitungan teras dilakukan dengan Batan-EQUIL, Batan-2DIFF dan Batan-3DIFF. Hasil analisis menunjukkan bahwa terjadi perubahan langkah kritis dari langkah ke 4 menjadi langkah ke 5 mulai panjang siklus 690 MWD. Nilai parameter neutronik untuk setiap siklus yakni reaktivitas lebih awal dan akhir siklus, reaktivitas padam minimum dan faktor puncak daya memenuhi kriteria keselamatan. Panjang siklus yang dianjurkan untuk mendapatkan fraksi bakar buang maksimum 60% adalah 690 MWD. Kata kunci : Kekritisan, reaktivitas, fraksi bakar buang ABSTRACT ANALYSIS OF EXTENDED DISCHARGED BURN-UP FOR THE USAGE OF U3Si2-Al 2,96 gu/cc FUEL EFFICIENCY IN RSG-GAS REACTOR CORE. Since 1999 RSG-GAS started its conversion program from the usage of U 3 O 8 -Al to U 3 Si 2 -Al. Presently, RSG-GAS has achieved the 70 th core for the average of 615 MWD cycle length and 54.16% average of discharged burn-up. Due to effiency in the usage of fuel in reactor core, it is planned to extend the reactor operation until the permitted discharged burn-up 60%. Before it s performed, a study of neutronics characteristic is needed. A calculation of cycle length extended from 650 MWD to 700 MWD has been carried out. Cell calculation has been done using WIMSD-B5 code and the core calculation using Batan-EQUIL, Batan-2DIFF dan Batan-3DIFF. The analysisi results showed that there is critical step change from step 4 to step 5 since 690 MWD cycle length. The neutronics parameter values for each cycle, i.e. core excess reactivity at beginning of cycle and end of cycle, minimum shut down reactivity, and power peaking factor meet the safety criteria. The recommended cycle length to achieve the maximum discharged burn-up of 60% is 690 MWD Keywords : Criticality, reactivity, discharged burn-up PENDAHULUAN R eaktor Serba Guna - G.A. Siwabessy (RSG- GAS) merupakan reaktor penelitian dan uji material (Material Testing Reactor, MTR) yang mencapai kritikalitas pertama pada bulan Juli tahun Reaktor RSG-GAS menggunakan bahan bakar uranium oksida U3O8-Al pengkayaan U 235 rendah 19,75% berat dengan densitas 2,96 gu/cc, menggunakan H 2 O sebagai pendingin dan moderator dengan daya nominal 30 MW (termal). Menurut desain, RSG-GAS dapat dioperasikan dengan panjang siklus operasi 25 hari pada operasi penuh daya nominal atau 750 Mega Watt Day (MWD). Pola pergantian bahan bakar yang digunakan adalah pola 6/1 dan 6/2, fraksi bakar rerata bahan bakar di dalam teras adalah 23,3% U 235 pada awal siklus dan 31,3% U 235 pada akhir siklus, dibagi dalam 7 kelas fraksi bakar dan fraksi bakar buang maksimum adalah 54,16% [1]. Sejak tahun 1999 telah dimulai program konversi teras reaktor RSG-GAS dari bahan bakar

2 Lily Suparlina ISSN oksida (U 3 O 8 -Al) ke silisida (U 3 Si 2 -Al) dengan kerapatan uranium dalam meat yang sama yaitu 2,96 g U/cc. Konversi teras RSG-GAS dilakukan dengan cara mengoperasikan teras campuran oksida-silisida. Diperlukan 10 siklus operasi untuk mendapatkan teras silisida penuh. Teras silisida penuh dicapai di teras ke-45 pada Agustus Dalam Safety Analysis Report (SAR) RSG-GAS revisi 9 [2], dinyatakan bahwa teras setimbang silisida RSG- GAS dapat dioperasikan dengan panjang siklus 615 MWD dengan fraksi bakar rerata di awal siklus 23,8% dan 30,3% di akhir siklus, setara dengan pemakaian 6,2 %. Alasan utama digunakannya bahan bakar dispersi U3Si2-Al dikarenakan densitas uranium di dalam bahan bakar dispersi U3Si2-Al dapat mencapai sekitar 6 gu/cc sedangkan dalam bahan bakar dispersi U3O8-Al ada keterbatasan densitas uranium, yaitu maksimum sekitar 3,2 gu/cc [3]. Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa unjuk kerja iradiasi bahan bakar dispersi U3Si2-Al lebih baik dibandingkan U3O8-Al antara lain memiliki : kompabilitas dengan aluminium dan pendingin, konduktivitas yang relatif baik, batas blister yang baik (515 o C) Saat ini RSG-GAS telah beroperasi selama 23 tahun dan mencapai teras ke 70. Pola pergantian bahan bakar yang digunakan adalah pola 5/1 yang dibagi dalam 8 kelas fraksi bakar dan mencapai fraksi bakar buang maksimum 54,16%. Sejalan dengan hal tersebut, operator RSG-GAS juga berkeinginan untuk meningkatkan daya guna bahan bakar melalui peningkatan derajat bakar buang (discharge burnup) bahan bakar sampai dengan 60 % tanpa harus mengorbankan kinerja dan keselamatan operasi reaktor. Peningkatan derajat bakar berarti pengurangan biaya operasi untuk pembelian bahan bakar baru dan penyimpanan bahan bakar bekas. Dalam penelitian ini dilakukan analisis terhadap hasil perhitungan parameter neutronik teras silisida untuk mengetahui panjang siklus operasi reaktor yang dimungkinkan untuk mencapai fraksi bakar buang maksimum 60%, dengan persyaratan operasi yang sesuai dengan kriteria keselamatan. Perhitungan parameter neutronik dilakukan untuk teras silisida dengan variasi panjang operasi MWD dengan rentang 10 MWD. Perhitungan pustaka tampang lintang makroskopik bahan bakar dan bahan lainnya dilakukan dengan paket program WIMS/D-B5 [4]. Perhitungan teras dilakukan dengan paket program perhitungan teras yang menggunakan metode difusi multi kelompok yang telah tervalidasi yaitu Batan-EQUIL2D dan Batan-2DIFF untuk perhitungan 2 dimensi ke arah radial serta Batan- 3DIFF untuk perhitungan 3 dimensi ke arah aksial. TEORI Persamaan Penyusutan Bahan Bakar Densitas nuklida dalam teras sebagai fungsi posisi (r) dan waktu (t) dapat digambarkan sebagai vektor densitas nuklida N(r,t) = [N 1 (r,t), N 2 (r,t),.., N K (r,t) T, (1) dimana k menyatakan indeks nuklida dan jumlah nuklida adalah K. Tanda pangkat T menunjukkan pemindahan dari suatu matriks. Densitas nuklida sebagai fungsi waktu dapat dinyatakan sebagai persamaan diferensial linear orde satu δ N( r, t) = T ( Φ, σ, λ) N ( r, t) (2) δ t dimana Φ, σ dan λ masing-masing adalah fluks neutron (fungsi energi dan posisi), tampang lintang serapan atau tangkapan dan konstanta peluruhan. Matriks T biasanya merupakan transmutasi matriks nuklida. Teori Kekritisan Di dalam teras reaktor terjadi reaksi berantai yang mengakibatkan dihasilkannya/hilangnya neutron dalam jumlah tertentu. Secara umum perubahan neutron akibat reaksi berantai dapat dirumuskan dengan apa yang disebut dengan faktor perlipatan (k). Harga faktor perlipatan tersebut dapat digunakan sebagai parameter suatu teras reaktor apakah dalam keadaan subkritis, kritis atau superkritis. Untuk teras reaktor dengan batasan yang tak berhingga perubahan jumlah neutron akibat reaksi berantai ditunjukkan dengan faktor perlipatan tak terhingga (k ). Harga faktor perlipatan tak terhingga secara umum dapat ditunjukkan dengan rumus sebagai berikut [5]. k = ηt f p ε (3) disini, k =faktor perlipatan tak terhingga, η T = rasio regenerasi neutron, f = faktor guna neutron thermal, p = keboleh jadian bebas resonansi, ε = faktor fisi neutron cepat. Sedangkan untuk teras reaktor yang mempunyai batasan-batasan tertentu, nilai kekritisan ditunjukkan dengan faktor perlipatan effektive (k eff ) seperti ditunjukkan dengan rumus dibawah ini. k eff = k P P (4) T f

3 178 ISSN Lily Suparlina dengan P T dan P F adalah ketidak bocoran neutron thermal (%) dan ketidak bocoran neutron cepat (%). Sedangkan P T P F adalah suatu besaran yang menunjukkan ketidak bocoran neutron keluar teras reaktor yang biasanya kurang dari 100%. Agar suatu teras dapat dikatakan kritis maka syarat yang harus dipenuhi adalah jika harga faktor perlipatan effektif tersebut harus sama dengan satu (k eff = 1). Batasan Keselamatan Sebelum melakukan perhitungan teras RSG- GAS, maka terlebih dahulu perlu dipilih batasan desain dan batasan keselamatan yang digunakan dalam perhitungan teras. Batasan keselamatan yang digunakan adalah: Marjin reaktivitas padam minimum (stuck rod condition) adalah 0,5 % k/k. Faktor puncak daya (FPD) radial maksimum adalah 1,4. Tersedianya reaktivitas lebih yang cukup untuk satu siklus Tersedianya reaktivitas lebih akhir siklus untuk eksperimen METODOLOGI Perhitungan Sel Sebelum dilakukan perhitungan teras, maka terlebih dahulu disiapkan konstanta kelompok difusi dengan paket program WIMS/D-B5. Paket program ini menyiapkan konstanta kelompok difusi neutron dalam 4 kelompok tenaga neutron dengan menggunakan pustaka ENDF-6. Syarat batas yang digunakan adalah 10 MeV; 0,821 MeV; 5,52 kev dan 0,625 ev. Disamping sebagai fungsi tenaga neutron, konstanta kelompok difusi yang dibangkitkan dinyatakan dalam fungsi jenis elemen bahan bakar, berat uranium, fungsi kondisi reaktor (panas, dingin, xenon setimbang, tanpa xenon dan tanpa samarium) dan massa 235 U (2,96 g/cc). Data desain teras RSG-GAS ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1. Data desain Teras kerja RSG-GAS. Umum Tipe Reaktor Tipe kolam Tipe elemen bakar Silisida pengkayaan rendah Sistem pendinginan Konveksi paksa Moderator/pendingin H 2 0 Reflektor Be & H 2 0 Daya nominal (MW) 30 Karakteristik teras Jumlah elemen bakar 40 Jumlah elemen kendali 8 Jumlah penyerap tipe garpu (pasang) 8 Panjang siklus pada daya nominal (hari) 20,50 Fraksi bakar rerata awal siklus (% hilangnya 235 U) Fraksi bakar rerata akhir siklus (% hilangnya 235 U) 30,19 Fraksi bakar buang maksimum pada akhir siklus 55,63 (% hilangnya 235 U) Fuel/Control Elements Dimensi elemen bakar/kendali (mm) Ketebalan pelat bakar (mm) 1.3 Lebar kanal pendingin (mm) 2.55 Jumlah pelat per elemen bakar 21 Jumlah pelat per elemen kendali 15 Material kelongsong bahan bakar AlMg 2 Ketebalan kelongsong bahan bakar (mm) 0.38 Dimensi Fuel Meat (mm) Material Fuel Meat U 3 Si 2 Al Pengkayaan U-235 (w/o) DensitasUranium dalam Meat (g/cm 3 ) 2.96 Muatan U-235 per elemen bakar (g) 250 Muatan U-235 per elemen kendali (g) Material penyerap Ag-In-Cd Ketebalan bahan penyerap (mm) 3.38 Material kelongsong penyerap (mm) SS-321 Ketebalan kelongsong penyerap (mm) 0.85

4 Lily Suparlina ISSN Perhitungan Teras Untuk melakukan perhitungan teras maka diperlukan data distribusi fraksi bakar dari elemen bakar teras. Perhitungan fraksi bakar teras dilakukan melalui pencarian teras setimbang untuk setiap panjang siklus operasi dengan paket program Batan- EQUIL2D [6]. Paket program Batan-EQUIL2D melakukan pencarian teras setimbang dengan menghitung semua bahan bakar di awal dalam kondisi segar. Salah satu masukan yang terpenting dalam program Batan-EQUIL-2D ialah pola pergeseran bahan bakar yang ditunjukkan pada Tabel 2. Pada tabel tersebut ditunjukkan bahwa ada 5 buah elemen bakar standar dan satu elemen bakar kendali pada posisi teras tertentu dikeluarkan karena sudah mencapai fraksi bakar buang maksimum dan diganti dengan bahan bakar segar. Dengan mengikuti pola pergeseran bahan bakar (reshuffle) 5/1 tersebut, maka fraksi bakar bahan bakar dalam teras dikelompokkan ke dalam 8 kelas fraksi bakar dan tersusun seperti pada Gambar 1. Pencarian teras setimbang ini dilakukan dengan variasi panjang operasi yaitu 650 MWD. 660 MWD, 670 MWD, 680 MWD, 690 MWD dan 700 MWD. Tabel 2. Pola Pengeluaran dan Pergeseran Elemen Bakar di Setiap Siklus Reaktor RSG-GAS dengan Pola 5/1. [8] Dari Ke Dari Ke Dari Ke H-9 F-10 F-5 F-8 C-7 B-8 H-8 C-4 F-4 F-6 C-6 G-5 H-7 F-7 F-3 C-10 C-5 D-4 H-6 D-10 E-10 B-4 C-4 D-5 H-5 E-5 E-9 G-6 C-3 H-8 H-4 F-9 E-8 D-3 B-9 C-9 G-9 E-8 E-5 A-8 B-8 keluar G-8 keluar E-3 A-7 B-7 keluar G-6 B-7 D-10 G-4 B-5 keluar G-5 G-8 D-8 keluar B-4 A-6 G-4 C-7 D-5 H-5 A-9 A-4 F-10 G-9 D-4 E-9 A-8 B-5 F-9 A-5 D-3 C-6 A-7 H-7 F-8 C-5 C-10 E-3 A-6 B-9 F-7 F-4 C-9 D-8 A-5 H-6 F-6 keluar C-8 F-5 A-4 E-10 Gambar 1. Konfigurasi Teras RSG-GAS (angka dalam grid menunjukkan kelas fraksi bakar).

5 180 ISSN Lily Suparlina Perhitungan kritikalitas teras dan parameter neutronik lainnya seperti reaktivitas lebih di awal siklus untuk kondisi dingin bebas xenon dan akhir siklus untuk kondisi xenon setimbang serta distribusi faktor puncak daya radial dan penentuan langkah kritikalitas di teras saat pemuatan bahan bakar dilakukan dengan paket program Batan- 2DIFF sedangkan perhitungan reaktivitas padam minimum untuk kondisi stuck rod dilakukan dengan paket program perhitungan difusi 3 dimensi Batan- 3DIFF yang tervalidasi [7]. Reaktivitas padam minimum adalah nilai reaktivitas negatif teras yang disyaratkan agar teras tetap aman dan dapat dipadamkan dalam kondisi apapun, meski satu batang kendali dengan nilai reaktivitas terbesar gagal masuk. HASIL DAN PEMBAHASAN Perhitungan teras yang dilakukan dengan menggunakan paket program Batan-EQUIL menghasilkan susunan fraksi bakar untuk konfigurasi teras setimbang. Data fraksi bakar tersebut digunakan dalam semua perhitungan teras Batan- 2DIFF untuk awal dan akhir siklus dan perhitungan reaktivitas batang kendali dengan paket program Batan-3DIFF. Data reaktivitas lebih serta reaktivitas padam minimum dan reaktivitas padam untuk kondisi satu batang kendali gagal masuk (stuck rod), dilakukan di awal siklus. Reaktivitas lebih akhir siklus dengan kondisi xenon setimbang dilakukan di akhir siklus dengan memasukkan nilai pembakaran selama satu siklus. Reaktivitas lebih adalah reaktivitas yang diperlukan agar reaktor dioperasikan sesuai dengan panjang siklus yang diinginkan, sedang reaktivitas padam adalah reaktivitas yang diperlukan untuk memadamkan reaktor, sehingga reaktor dapat subkritis meskipun satu batang kendali gagal masuk. Harga reaktivitas (ρ) teras selama satu siklus dan nilai faktor puncak daya maksimum (FPD) radial ditunjukkan pada Tabel 3. Semua panjang siklus pada tabel di atas, mempunyai reaktivitas lebih awal siklus yang cukup untuk keperluan operasi reaktor. Kecuali untuk panjang siklus 615 MWD, nilai reaktivitas lebih teras di akhir siklus < 2 % k/k, sehingga jika diperlukan pemasukan target yang memerlukan reaktivitas positif, maka perlu dimasukkan juga target yang memberikan reaktivitas negatif sebagai penyeimbang. Besarnya reaktivitas teras yang dapat dimanfaatkan dalam satu siklus menjadi lebih besar, akibat dari diperpanjangnya masa operasi reaktor dari 20,5 hari menjadi 23,3 hari yaitu dari 1,45 % k/k pada panjang siklus 615 MWD menjadi 2 % k/k pada panjang siklus 700 MWD yang berarti masa irradiasi target di teras reaktor juga bisa diperpanjang. Reaktivitas padam minimum yang dihasilkan pada akhir siklus juga memenuhi syarat kondisi stuck rod karena lebih kecil dari -0,5 % k/k sehingga reaktor dapat dioperasikan dengan aman. Harga faktor puncak daya maksimum yang dihasilkan untuk setiap teras juga memenuhi syarat, karena lebih kecil dari syarat batas 1,4. Dalam setiap memulai awal siklus operasi, perlu diketahui pada langkah pemuatan bahan bakar ke berapa reaktor akan kritis, oleh karena itu dalam paket program ini juga telah disempurnakan dengan tersedianya data langkah kritikalitas saat pemuatan bahan bakar ke dalam teras seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Pada gambar tersebut terlihat bahwa untuk operasi reaktor dengan panjang siklus sampai 680 MWD, reaktor akan kritis pada langkah ke 4 (empat) sedangkan untuk panjang siklus operasi 690 MWD dan 700 MWD reaktor akan kritis pada langkah ke 5 pemuatan bahan bakar teras. Hal ini disebabkan karena massa uranium dalam bahan bakar lebih banyak berkurang Panjang Siklus (MWD) Tabel 3. Nilai Reaktivitas Teras (ρ) dan Faktor Puncak daya Maksimum. ρ Lebih Awal Siklus Bebas Xenon (% k/k) ρ Lebih Akhir Siklus Xe setimbang (% k/k) ρ Padam Minimum (% k/k) ρ dalam Satu Siklus (% k/k) Faktor Puncak Daya Maksimum 615 [2] 8,79 2,74-1,29 1,45 1, ,19 1,91-1,87 1,66 1, ,02 1,66-2,05 1,73 1, ,84 1,41-2,22 1,80 1, ,99 1,15-2,39 1,87 1, ,47 0,94-2,57 1,89 1, ,29 0,63-2,75 2,00 1,28

6 Lily Suparlina ISSN Gambar 2. Langkah Kritikalitas Saat Pemuatan Bahan Bakar. Tabel 4. Data Elemen Bakar dengan Fraksi bakar Buang Maksimum (%). Panjang siklus (MWD) B 8 / EBS 51,73 52,47 53,21 53,95 54,61 55,41 B 5 / EBS 52,10 52,85 53,60 54,35 55,00 55,82 D 8 / EBS 52,20 52,93 53,65 54,38 55,01 55,83 G 8 / EBS 53,45 53,24 54,01 54,79 55,49 56,24 F 6 / EBS 53,94 54,70 55,45 56,21 56,87 57,71 B 7/ EBK 56,67 57,44 58,21 58,97 59,65 60,49 Pada akhir siklus operasi terdapat 5 buah elemen bakar standar (EBS) dan 1 elemen bakar kendali (EBK) yang mencapai fraksi bakar maksimum. Tabel 4 menunjukkan data fraksi bakar buang untuk setiap panjang siklus Dari Tabel di atas, dapat dilihat, bahwa elemen bakar yang mencapai fraksi bakar buang maksimum adalah elemen bakar kendali. Jika yang akan digunakan data fraksi bakar buang maksimum adalah 60 %, maka panjang siklus operasi dapat diperpanjang sampai 690 MWD. KESIMPULAN Dari hasil analisis mengenai perpanjangan siklus operasi untuk efisiensi bahan bakar, maka siklus operasi dapat diperpanjang sampai 690 MWD dengan langkah kritis pemuatan bahan bakar pada langkah ke 5. Fraksi bakar buang maksimum yang dicapai dengan panjang siklus 690 MWD kurang dari 60 %. Parameter neutronik seperti reaktivitas lebih teras awal dan akhir siklus serta reaktivitas padam kondisi stuck rod dan nilai faktor puncak daya maksimum memenuhi kriteria keselamatan. DAFTAR PUSTAKA 1. BATAN, Safety Analysis Report RSG-GAS, volume 7, BATAN, Safety Analysis Report RSG-GAS, volume 9, TRAVELLI A., Status and Progress of the RERTR Program in the Year 2000, Presented at the 2000 International Meeting on Reduced Enrichment for Research and Test Reactor, Las Vegas, 2000.

7 182 ISSN Lily Suparlina 4. ASKEW J.R. et al., A General Description of the Code WIMS, Journal Br. Nucl. 5. Energy Soc. 5 (1966).JOHN. R. LAMARSH, Introduction to Nuclear Engineering, New York, LIEM P.H., Development Of An In-Core Fuel Management Code For Searching The Equilibrium Core In 2-D Reactor Geometry (Batan-EQUIL-2D), Atom Indonesia 23, 2, LIEM P.H, et all., Batan-2DIFF and -3DIFF Diffusion Codes Validation On Kyoto University Critical Assembly (KUCA), Atom Indonesia Vol 24 No. 1, Januari LIEM P.H, et all., Fuel Management Strategy For The New Equilibrium Silicide Core Design Of RSG GAS (MPR-30), Journal of Nuclear Engineering and Design 180, TANYA JAWAB Pudjianto MS Apakah perhitungan fraksi bakar ini dapat dilakukan dengan program Keno yang berbasis montecarlo? Lily Suparlina Perhitungan fraksi bakar dapat juga dilakukan dengan Keno dengan bantuan Origen dalam menghitung densitas atom yang diperlukan dalam perhitungan. Sukmanto D. Apa yang dimaksud dengan pola 5/1? Lily Suparlina Pola 5/1 adalah pola pergantian bahan bakar di teras, dimana 5 buah bahan bakar standar dan 1 bahan bakar elemen dengan fraksi bakar buang maksimum dikeluarkan, kemudian dimasukkan lagi 5 bahan bakar standar dan 5 bahan bakar elemen segar dengan mengikuti pola dalam tabel pola pergeseran bahan bakar.