STUDI TI GKAT RADIOAKTIVITAS DA PA AS PELURUHA BAHA BAKAR BEKAS REAKTOR AIR RI GA SEBAGAI FU GSI WAKTU

Transkripsi

1 Pusat Teknologi Limbah RadioaktifBATA ISSN Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan TeknologiRISTEK STUDI TI GKAT RADIOAKTIVITAS DA PA AS PELURUHA BAHA BAKAR BEKAS REAKTOR AIR RI GA SEBAGAI FU GSI WAKTU ABSTRAK Kuat Heriyanto, urokhim Pusat Teknologi Limbah RadioaktifBATAN STUDI TI GKAT RADIOAKTIVITAS DA PA AS PELURUHA BAHA BAKAR BEKAS REAKTOR AIR RI GA SEBAGAI FU GSI WAKTU. Telah dilakukan studi tentang karakteristik bahan bakar bekas reaktor air ringan meliputi kandungan radioaktivitas dan panas bahan bakar bekas setelah keluar dari reactor sebagai fungsi waktu. Dua jenis reaktor air ringan PWR dan BWR digunakan sebagai contoh dalam studi, masingmasing beroperasi dengan burnup bahan bakar mencapai dan MWD/MTHM. Sampai 100 tahun penyimpanan aktivitas bahan bakar bekas didominasi oleh produk hasil belah (>82 %). Aktinida umur panjang mendominasi aktivitas setelah 1000 tahun (> 98 %) dan tahun (>94 %), sedangkan untuk waktu yang sangat panjang ( tahun) dua radionuklida Pu239 (aktinida) dan Tc99 (produk fisi) mendominasi hampir 50 % dari aktivitas total. Panas peluruhan yang dikeluarkan bahan bakar bekas sampai 50 tahun didominasi produk hasil belah dan sesudah itu oleh aktinida. Panas peluruhan tiap perangkat bahan bakar bekas PWR dan BWR sebesar 6766 W dan 2262 W, 636 W dan 292 W, 173 W dan 79 W, dan 36 W dan 16 W masingmasing untuk waktu penyimpanan berturutturut 1, 10, 100 dan 1000 tahun. ABSTRACT STUDY OF RADIOACTIVITY A D DECAY HEAT VALUE OF LIGHT WATER REACTOR SPE T FUEL AS TIME FU CTIO. Study of radioactivity and decay heat of light water reactor spent fuel as time fungtion has been conducted. Two types of light water reactors PWR and BWR has been used as an example in the study, each reactor operates with burnup and MWD/MTHM. Until 100 years storage the activity of spent fuel are dominated by fission product (> 82 %). Long life actinides dominate activity after 1000 years (> 98 %) and years (> 94 %), while for extremely long period ( years) two radio nuclides Pu239 (actinide) an Tc99 (fission product) dominate almost 50 % from the total activity. The decay heat generated from PWR and BWR spent fuel are 6766 W and 2262 W, 636 W and 292 W, 173 W and 79 W, and 36 W and 16 W for each on storage periodes 1, 10, 100 and 1000 years respectvely. PE DAHULUA Pengoperasian Pembangkit Listrik Tenaga Niklir (PLTN) menimbulkan bahan bakar bekas yang harus dikelola agar aman bagi manusia dan lingkungan. Unsur radioaktif dalam bahan bakar tetap dijaga utuh dalam kelongsongnya agar tidak terlepas ke lingkungan dan panas yang ditimbulkan dapat dijaga agar tidak melebihi batas yang diijinkan.untuk itu perlu perlakuan khusus, yaitu bahan bakar bekas disimpan dalam penyimpanan sementara baik tipe basah maupun kering. Agar penanganan bahan bakar bekas optimal,diperlukan data awal tentang bahan bakar bekas diantaranya : tipe reaktor, peluruhan radioaktivitas dan panas peluruhan. BAHA BAKAR PWR Batang bahan bakar PWR terdiri dari kelongsong berupa pipa zircaloy yang diisi dengan tumpukan pelet bahan bakar. Ruang (gap) antara pellet diisi gas helium. UO2 diperkaya 1 4 %, dan sebelum diiradiasi UO2 pelet mempunyai densitas % teoritis dengan rasio O/U = 2. Setiap batang disusun dengan matriks bujur sangkar (17 x 17) di dalam perangkat bahan bakar. Tabel 1 menampilkan data fisik perangkat bahan bakar reaktor air ringan. BAHA BAKAR BWR Seperti halnya bahan bakar PWR, Batang bahan bakar BWR terdiri dari kelongsong berupa pipa zircaloy yang diisi dengan tumpukan pelet bahan bakar, dimana ruang (gap) antara pellet diisi gas helium, meskipun ukuran dan jumlah batang lebih sedikit dibanding perangkat PWR (8 x 8). KARAKTERISTIK BAHA BAKAR BEKAS Selama iradiasi bahan bakar matrial fisik uranium/plutonium berubah menjadi produk fisi, aktinida dan anak luruhnya serta produk aktivasi neutron. Jumlah nuklida dan panas yang dihasilkan serta radioaktivitas bahan bakar tergantung oleh komposisi bahan bakar, material struktur dan burnup (fungsi flux neutron dalam teras reaktor). 109

2 Pusat Teknologi Limbah RadioaktifBATA ISSN Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan TeknologiRISTEK Komposisi Isotop dari bahan bakar telah dimodel berdasarkan fungsi burup. Model prediksi berdasarkan pada beberapa mekanisme, contohnya tangkapan netron dan peluruhan radioaktif. Mekanisme dan metodeyangdigunakan berdasarkan beberapa asumsi dengan tingkat kepercayaan yang sangat tergantung pada kebenaran informasi sejarah bahan bakar. HASIL DA PEMBAHASA KA DU GA RADIOAKTIF DA KARAKTERISTIK PELURUHA Aktivitas radionuklida sebagai fungsi waktu setelah dikeluarkan dari reaktor terlihat pada Tabel 2. dan Tabel 3 untuk MWD/MTHM bahan bakar PWR. Sebagai contoh aktinida, produk fisi dan aktivasi berkontribusi lebih dari 0,1 % dari total aktivitas dalam unit Ci. Produk aktivasi termasuk pengotor dari material struktur dengan nmor atom rendah, aktinida termasuk isotop berat nomor atom lebih tinggi dari 90. Radionuklida tersebut meluruh menghasilkan radionuklida yang stabil. Gambar 2 menunjukkan variasi peluruhan bahan radioaktif dari bahan bakar bekas PWR MWD/MTHM. Kontribusi terbanyak radionuklida setelah satu tahun penyimpanan termasuk empat peluruhan pemisahan (Sr90)(Y90), (Ru106)(Rh 106), (Cs137)(Ba137) dan (Ce144)(Pr 144), satu tambahan isotop Cs134, dan satu aktsinida Pu241. Setelah 100 tahun total aktivitas akan menurun dengan produk fisi (Sr90)(Y90), 137Cs dan 137Ba meliputi 80 % dari total. Aktinida umur panjang mendominasi aktivitas setelah 1000 tahun (>98%) dan tahun (>94 %). Nuklida yang dominan termasuk 239P, 240pu dan 241Am setelah 1000 tahun dan Np237, Np239, Pu 239, Pu240dan Am243 setelah tahun. Dalam waktu yang sangat ( tahun) yang dominan untuk produk fisi adalah Tc99 dan aktinida Pu239. PA AS YA G DITIMBULKA BAHA BAKAR BEKAS Panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas paska iradiasi perlu dipertimbangkan untuk diisolasi. Gambar 4 menunjukkan panas yang ditimbulkan oleh bahan bakar bekas untuk reaktor PWR MWD/MTHM. Sebagai fungsi waktu setelah bahan bakar bekas dikeluarkan dari reactor. Mulamula hasil fisi mendominasi pada pembangkitan panas, setelah itu hasil fisi itu meluruh setelah 6070 tahun aktinida berada pada output yang seimbang dalam pembangkitan panas. Produk aktivasi memberikan kontribusi 2 % dari total, keadaan ini terjadi awal dekade. Selama periode menengah ( tahun aktinida Pu238, Pu238, Pu240 dan Am241, sedangkan Pu239 dan Pu240 masih dominan sampai setelah tahun dan tahun. Komposisi radionuklida yang ditimbulkan bahan bakar bekas diperlihatkan pada Tabel 4. Dari data data tersebut dapat dilihat bahwa sebagian besar bahan bakar bekas mengandung aktinida dengan aktivitas dan daya termal yang cukup tinggi, walaupun masih jauh lebih rendah dari pada produk fisi. Semakin tinggi burnup akan menyisakan aktinida lebih sedikit dengan menghasilkan lebih banyak produk fisi. Tabel 5 menampilkan kandungan panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas tipe PWR dan BWR. Panas peluruhan tiap perangkat bahan bakar bekas PWR dan BWR sebesar 6766 W dan 2262 W, 636 W dan 292 W, 173 W dan 79 W, dan 36 W dan 16 W untuk waktu penyimpanan 1, 10, 100 dan 1000 tahun. KESIMPULA Aktinida umur panjang mendominasi aktivitas 1000 tahun (> 98 %) dan tahun (>94 %), sedangkan untuk waktu yang sangat panjang ( tahun) didominasi Tc99 (produk fisi) dan Pu239 (aktinida). Panas yang dihasilkan bahan bakar bekas dalam waktu tahun didominasi oleh Pu238, Pu239, Pu240 dan Am241, sedangkan Pu239, Pu240 masih dominan setelah tahun sampai setelah tahun. Semakin tinggi burnup akan menyisakan aktinida lebih sedikit dengan menghasilkan lebih banyak produk fisi. 110

3 Pusat Teknologi Limbah RadioaktifBATA ISSN Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan TeknologiRISTEK Tabel 1. Data fisik perangkat bahan bakar reaktor air ringan[1] KARAKTER FISIK BWR (600 MWe) PWR (900 MWe) x x x 8 17 x Overall assembly length (m) Crosssection (cm) Fuel rod length (m) Active fuel length (m) Fuel rod OD (cm) Fuel rod array Fuel rods per assembly / perangkat Assembly total weight (kg) Including: Uranium weight (kg) UO2 weight (kg) Zircaloy weight (kg) Hardware weight (kg) Metal weight total (kg) ominal volume assembly (m3) (a) Perangkat PWR (b) Perangkat BWR Gambar 1. Perangkat bahan bakar PWR dan BWR[2] Tabel 2. Aktivitas radioaktif (Ci/MTHM) radionuklida hasil aktivasi dan produk fisi Sebagai fungsi waktu setelah bahan baker keluar dari reaktor[3] Isotop H3 C14 Mn54 Fe55 Co58 Co60 Ni59 Ni63 Zn65 Se79 Kr85 Sr89 Sr90 Waktu Setelah Keluar Reaktor (tahun) ,69E+2 4,64E+2 2,97E+0 1,55E+0 1,55E+0 1,53E+0 1,38E+0 4,63E1 3,91E+2 4,28E+3 3,89E+2 1,92E+2 6,97E+3 2,12E+3 5,15E+0 5,15+0 5,15E+0 5,11E+0 4,72E+0 2,17E+0 6,97E+2 6,52E+2 3,31E+2 3,76E1 4,72E+1 3,67E1 1,41E1 8,69E+3 4,85E+3 1,44E+1 5,72E+3 7,08E+4 5,72E+4 6,71E+3 111

4 Pusat Teknologi Limbah RadioaktifBATA ISSN Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan TeknologiRISTEK Isotop Y90 Y91 Zr93 Zr95 Nb93m Nb94 Nb95 Tc99 Ru103 Ru106 Rh106 Pd107 Ag110m Sn119m Sn126 Sb125 Sb126 Sb126m Te125m I129 Cs134 Cs135 Cs137 Ba137m Ce144 Pr144 Pr144m Pm147 Sm151 Eu154 Eu155 Other Subtotal A.P F.P Waktu Setelah Keluar Reaktor (tahun) ,08E+4 5,72E+4 6,71E+3 1,49E+4 1,93E+0 1,93E+0 1,93E+0 1,93E+0 1,92E+0 1,84E+0 3,14E+4 1,83E+0 1,83E+0 1,75E+0 1,24E+0 9,10E1 4,21E2 7,07E+4 1,31E+1 1,31E+1 1,30E+1 1,30E+1 1,26E+1 9,43E+0 2,59E+3 2,68E+5 5,50E+2 2,68E+5 5,50E+2 1,12E1 1,12E1 1,11E1 1,52E+3 2,14E+3 7,76E1 7,76E1 7,76E1 7,71E1 7,24E1 3,88E1 1,22E+4 1,29E+3 1,08E1 1,01E1 5,44E2 7,71E1 7,24E1 3,88E1 2,98E+3 3,14E+2 3,15E2 3,15E2 3,15E2 3,15E2 3,15E2 3,14E2 1,08E+5 5,22E+3 3,45E1 3,44E1 3,35E1 1,01E+5 8,21E+4 1,03E+4 9,56E+4 7,77E+4 9,71E3 4,51E+5 1,49E+2 4,51E+5 1,49E+2 5,41E+3 1,79E+0 1,02E+5 9,48E+3 3,55E+2 3,31E+2 1,66E+2 1,62E1 9,69E+3 4,69E+3 3,32E+0 5,62E+3 1,60E+3 6,81E+3 3,80E+1 8,70E+0 9,90E1 6,70E2 5,60E2 1,95E+4 2,16E+6 2,.18E+6 3,48E+3 3,0E+5 3,07E+5 3,40E+2 3,36E+4 3,39E+4 8,38E+0 1,92E+1 2,76E+1 6,36E+0 1,86E+1 2,49E+1 2,46E+0 1,42E+1 1,67E+1 Tabel 3. Aktivitas radioaktif (Ci/MTHM) untuk aktinida sebagai fungsi waktu setelah bahan bakar keluar reactor[3] Isotop Ra226 U234 Np237 Np239 Pu238 Pu239 Pu240 Pu241 Pu242 Am241 Am243 Cm242 Cm243 Cm244 Other Waktu Setelah Keluar Reaktor (tahun) E5 3.12E3 1.34E1 1.07E E E E E1 1.18E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+1 112

5 Pusat Teknologi Limbah RadioaktifBATA ISSN Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan TeknologiRISTEK 1.E+07 1.E+06 Produk fisi Aktinida & anak luruhnya Produk aktivasi CURI Gambar 2. Peluruhan bahan Radioaktif yang dihasilkan PWR MWD/MTHM[3] 1.E+07 1.E+06 Produk fisi Aktinida & anak luruhnya Produk aktivasi CURIE Gambar 3. Peluruhan bahan Radioaktif yang dihasilkan BWR27500 MWD/MTHM[3] 113

6 Pusat Teknologi Limbah RadioaktifBATA ISSN Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan TeknologiRISTEK Tabel 4. Rangkuman tiga kelompok radionuklida bahan bakar bekas reaktor nuklir jenis PWR dan BWR. Parameter/jenis nuklida Produk Aktivasi: berat aktivitas daya termal Produk Fisi : berat aktivitas daya termal Aktinida : berat aktivitas daya termal PWR33 ( WD) 134,8 kg 4,716E+5 Ci 2,628 kw 34,02 kg 1.737E+08 Ci MW 966 kg 4.623E ,5 kw BWR275 ( WD) 136,4 kg 7,031E+05 Ci 3,675 kw 28,34 kg 1.199E MW 971,7 kg 3.307E+07 85,68 kw P roduk fis i Aktin id a & a n a k lu ru h n ya P roduk ak tivas i WATT 1.E01 1.E02 1.E03 1.E04 Gambar 4. Peluruhan Panas yang ditimbulkan PWR MWD/MTHM[3] Tabel 5. Panas yang ditimbulkan Bahan bakar bekas tipe PWR Lama Panas peluruhan bahan bakar bekas penyimpanan PWR BWR (tahun) W/MTHM W/perangkat W/MTHM W/perangkat 1 1,03E ,30 7,07E , ,67E ,41 9,11E , ,63E ,98 2,46E+02 78, ,48E+01 36,03 4,99E+01 15, ,35E+01 8,89 1,26E+01 4, ,05E+00 0,69 9,51E01 0,30 114

7 Pusat Teknologi Limbah RadioaktifBATA ISSN Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan TeknologiRISTEK Produk fisi Aktinida & anak luruhnya Produk aktivasi WATT 1.E01 1.E02 1.E03 1.E04 Gambar 5. Peluruhan Panas yang ditimbulkan BWR27500 MWD/MTHM [3] PUSTAKA 1. NUROHIM, THAMZIL LAS, Evaluasi Komposisi Limbah Tru Dalam Bahan Bakar Bekas Reaktor Nuklir, BAPETEN, GONYEAU J.,The Virtual Nuclear Tourist: Nukclear Power Plant Around the world (on line). www. Nuclear tourist.com, April IAEA, Evaluation of spent fuel as final waste form, technical report series no. 320, Viena, TA YA JAWAB Purwantara, ST. Pertanyaan Apa yang termasuk produk Aktinida dan Aktivasi? Jawab Yang termasuk produk Atinida adalah sisa Pembakaran Uranium dengan unsur nomor atom diatas 92, contoh Am, Wp, Cm. Sedangkan yang termasuk produk aktivasi adalah kelongsong bahan bakar. 115