Kajian Awal Aspek Neutronik Dari Rancangan Konseptual Fasilitas ADS Berbasis Reaktor Kartini

Transkripsi

1 Kajian Awal Aspek Neutronik Dari Rancangan Konseptual Fasilitas ADS Berbasis Reaktor Kartini Bagian dari PROGRAM INSENTIF PENINGKATAN KEMAMPUAN PENELITI DAN PEREKAYASA TAHUN 2011 Tegas Sutondo Disampaikan pada Seminar Nasional TEKNOLOGI DAN APLIKASI AKSELERATOR XIV Di Yogyakarta, 13 Desember 2011

2 PENDAHULUAN TUJUAN Melakukan kajian mengenai prospek reaktor Kartini untuk digunakan sebagai fasilitas ADS skala lab / kecil dari aspek neutronik. LATAR BELAKANG Salah satu persoalan penting dari pengoperasian PLTN adalah terkait masalah penanganan limbah bahan bakar bekas yaitu produk fisi berumur panjang (LLFP) dan unsur Trans Uranium yang memiliki radiotoksisitas tinggi dan berumur panjang Kelompok aktinida minor (MA) LITBANG ADS sedang banyak dilakukan di berapa negara untuk Mentransmutasikan limbah BB (LLFP & MA) sekaligus Produksi energi / listrik ADS memiliki beberapa keunggulan dari aspek keselamatan (sistem subkritis) Dapat digunakan untuk membuat bahan fisil U 233 dari bahan fertil Th 232

3 Tabel 1. Annual production of plutonium, minor actinides and fission products from a 3000 MWth pressurized light water reactor with fuel burned to 33,000 MWD/ton (After 10 years decay)

4 Tabel 2. MA & Pu compositions of PWR spent fuel after 50 MWd/kgHM, 10 years of cooling and initially loaded with U02 enriched to 4.2 wt%. Weight Percent by Component Pu Weight Percent by Isotope Nuclide 237 Np 241 Am 242 Am 243 Am 244 Cm 245 Cm 246 Cm Waste MA Pu 239Pu 240Pu 241Pu 242Pu

5 Tabel 3. Produk Fisi Berumur Panjang

6 Gabmbar 1. Time dependence of the specific radiotoxic inventory for fission products and transuranium elements.

7 Gambar 2. Main components of an ADS transmutation facility

8 Reaksi Spalasi Tabel 4. Threshold energies of photonuclear reactions. Isotope Abundance[%] E(γ, p)[mev] E(γ, n)[mev] 206Pb Pb Pb High power proton accelerators with beam powers of up to 10 MW for cyclotrons 100 MW for linacs

9 BEBERAPA KONSEP DISAIN SISTEM ADS Gambar 3. TRANSURANICS TRANSMUTATION ON FERTILE AND INERT MATRIX LEAD-BISMUTH COOLED ADS. CIEMAT Av. Complutense, 22, Madrid (Spain),

10 Gabmar 4. Conceptual configuration of EFIT (European facility for industrial transmutation)

11 Gambar 5. ADS using low power accelerator One way coupled concept Bhabha Atomic Research Centre Trombay, Mumbai India

12 Gambar 6. Fuel cycle assumed in the fertile fuel ADS TRU transmutation studies

13 Akselerator Subcritical Assembly Target Liq. Pb/Bi or Solid Waste Sumber Neutron (PuBe, AmBe, dsb) Beam Tube Reaktor Gambar 7. Alternatif Sumber Neutron Eksternal Untuk ADS (skala lab)

14 Konsep Disain Untuk sistem ADS Berbasis Reaktor Kartini?? Teras 1 3 Kolam Tangki Reflektor Keterangan : 1. Central timble 2. Pneumatik 3. Lazy Susan 4. Beam Port tembus 5. Beam Port tangensial 6. Beam Port radial 7. Kolom termal 8.. Kolom termalisasi 9. Sub Kritik 10. Bulk Shielding Gambar 8. Tata letak fasilitas iradiasi

15 1 Inner Core berisi matriks Waste (MA) padat P-21 5 E-21 P-22 P Outer Core berisi BB TRIGA (tipe 104) Reflektor (grafit) E-27 4 Air pendingin 5 Pompa E-22 E-20 E-26 P-24 P-23 6 HE E-25 Gambar 10. Konsep Disain Model - 2 Sistem ADS Berbasis Reaktor Kartini

16 Void Elmen MA TRIGA fuel Elmen grafit Gambar 11. Model Sistem Teras ADS - 2

17 Sebagai dasar dalam Gambar kajian ini 1 digunakan Komponen data dari komposisi elmen bahan MA dari bakar bahan standar bakar bekas TRIGA PWR seperti pada Tabel 1. Model Elemen Aktinida Sebagai dasar dalam kajian ini digunakan data komposisi MA dari bahan bakar bekas PWR seperti pada Tabel 1. MA dicampurkan secara homogen dengan serbuk grafit ( C ) kemudian di padatkan sehingga membentuk padatan matriks C- MA Dimensi dari padatan C-MA ini dibuat sama dengan ukuran meat dari bahan bakar standar TRIGA tipe 104 yang digunakan pada reactor Kartini, dan selanjutnya dimasukkan ke dalam kelongsong dari SS-304 dan pada kedua ujungnya diberi grafit sebagai reflektor arah aksial sehingga membentuk elmen MA dengan ukuran yang sama dengan elmen bahan bakar TRIGA.

18 Metodologi Secara ringkas dilakukan beberapa tahap perhitungan sebagai berikut: Melakukan perhitungan rapat atom dari setiap nuklida dari komponen yang digunakan dalam sistem teras ADS yang direncanakan. Perhitungan dilakukan untuk beberapa variasi konsentrasi MA di dalam matriks C-MA. Melakukan perhitungan cell/super cell untuk menentukan tampang lintang makroskopik / few group constants untuk seluruh komponen yang ditinjau, yang akan digunakan sebagai dasar dalam perhitungan kritikalitas (k-eff). Melakukan perhitungan kritikalitas (k-eff) untuk menentukan konfigurasi teras ADS berdasarkan kriteria subkritikalitas yang ditetapkan (k-eff = 0, ) untuk beberapa variasi konsentrasi MA. Untuk perhitungan cell/super cell maupun perhitungan k-eff digunakan modul ADS-CDS yang berbasis pada program SRAC.

19 Modul ADS-CDS CDS-LIB INPUT PUBLIC-LIB PDS MACRO SRAC OUTPUT Gambar 12. Struktur Modul ADS-CDS

20 Hasil Perhitungan Tabel 5. Rapat atom dari komponen elmen MA C = 90 %, MA = 10 % C = 80%, MA = 20 % C = 70 %, MA = 30 % Komposisi Berat Atom Rapat Atom Rapat Atom Rapat Atom Fraksi Molar Fraksi Molar Fraksi Molar (#/barn cm) (#/barn cm) (#/barn cm) C E E E-02 Np E E E-02 Am Am E E E-03 Am E E E-05 Am E E E-03 Cm Cm E E E-04 Cm E E E-05 Cm E E-06

21 Tabel 5. Rapat atom dari komponen elmen MA C = 60 %, MA = 40 % C = 50 %, MA = 50 % C = 40%, MA = 60 % Komposisi Berat Atom Rapat Atom Rapat Atom Rapat Atom Fraksi Molar Fraksi Molar Fraksi Molar (#/barn cm) (#/barn cm) (#/barn cm) C E E E-02 Np E E E-02 Am Am E E E-02 Am E E E-05 Am E E E-03 Cm Cm E E E-03 Cm E E E-04 Cm E

22 Konfigurasi Teras ADS untuk Ring B berisi elmen MA (6), CT = Void channel Vs Konsentrasi MA Konsentrasi MA ( % molar) 10% 20% 30% 40% 50% Ring A VOID VOID VOID VOID VOID Ring B 6 MA 6 MA 6 MA 6 MA 6 MA Ring C 12 bb 12 bb 12 bb 12 bb 12 bb Ring D 18 bb 18 bb 18 bb 18 bb 18 bb Ring E 24 bb 24 bb 24 bb 24 bb 24 bb Ring F * 22 bb + 8 grafit 18 bb + 12 grafit 12 bb + 18 grafit 2 bb + 28 grafit 5 Grafit +25 Water Ring F ** 22 bb + 8 grafit 18 bb + 12 grafit 12 bb + 18 grafit 2 bb + 28 grafit 30 (all) Water * Dengan kavitas udara / Lazy Susan pada Bagian reflektor ** Tanpa kavitas udara / Lazy Susan pada Bagian reflektor

23 Gambar 4. Distribusi rapat daya relative pada ring sebagai fungsi konsentrasi MA Ring B C D E F MA = 10 % MA = 20 % MA = 30 % MA = 40 % MA = 50 % Gambar 13. Distribusi rapat daya relatif pada tiap ring sebagai fungsi konsentrasi MA

24 Gambar 5. Distribusi rapat daya relatif arah aksial pada teras ADS Rapat Daya Relatif Jarak Aksial (cm) Gambar 14. Distribusi rapat daya relatif arah aksial pada teras ADS

25 Kesimpulan Keberadaan elemen MA akan memberikan kontribusi kenaikan reaktivitas posistif yang cenderung semakin tinggi dengan meningkatnya konsentrasi MA. Berdasarkan model teras yang diasumsikan dan kriteria batasan subkritikalitas yang ditetapkan, maka untuk setiap konsentrasi MA dapat diperoleh variasi konfigurasi teras dengan melakukan penggantian sebagian elemen bahan bakar pada ring bagian luar. Untuk konsentrasi hingga sekitar 30 % maka rapat daya pada bagian MA masih lebih rendah dari nilai pada ring di bagian luar, dimana ring D memiliki rapat daya paling tinggi, sedang untuk konsentrasi diatas 30 % rapat daya pada bagian MA lebih tinggi dari bagian ring lainnya, Dari hasil perhitungkan disimpulkan bahwa reaktor memiliki potensi untuk digunakan sebagai fasilitas ADS skala kecil, khususnya untuk konsentrasi MA diatas 40 % dimana laju reaksi tangkapan / proses transmutasi relatif semakin tinggi.

26 SEKIAN, TERIMAKASIH..