Asisten : Astari Rantiza/ Tanggal Praktikum : 24 Februari 2015

Transkripsi

1 MODUL FNB 1 MODUL ANALISIS KESELAMATAN PLTN Ali Akbar, Ahmad Sibaq Ulwi, Anderson, M Jiehan Lampuasa, Qiva Chandra Mahaputra, Sarah Azzahwa , 12127, , , , Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia panjaitanali@gmail.com Asisten : Astari Rantiza/ Tanggal Praktikum : 24 Februari 215 Abstrak Praktikum ini bertujuan untuk melakukan simulasi terhadap kecelakaan reaktor nuklir untuk mengetahui apa yang terjadi apabila reaktor nuklir secara tiba-tiba diberikan penurunan suplai fluks neutron. Lalu setelah itu diperkirakan reaktvitas negatif yang terjadi dan kompensasi dari reaktivitas positifnya terhadap pengurangan ini. Untuk kenaikan daya yang terjadi, perhitungan dapat dilakukan dengan persamaan point kinetic. Kecelakaan nuklir sendiri dikenal istilah ULOF dan UTOP. ULOF (unprotected loss of flow) kecelakaan akibat hilangnya daya pompa tanpa proteksi. UTOP (un protected transient over power) adalah kecelakaan kelebihan daya akibat masuknya reaktivitas positif eksternal tanpa proteksi. Praktikum ini dilakukan untuk menguji teori dan melakukan analisa terhadap suatu fenomena kecelakaan reaktor nuklir. Hal ini dilakukan untuk mencegah terjadinya kasus-kasus kecelakaan reaktor nuklir yang serupa. pada praktikum ini, analisis yang digunakan adalah kecelakaan yang pernah terjadi di chernobyl. Pada praktikum ini akan dihitung populasi Xenon yang terjadi yang dipengaruhi oleh fluks neutron. Kata kunci: Xenon, Iodine, Fluks neutron, Reaktivitas feedback. I. Pendahuluan Tujuan dari praktikum ini adalah untuk mengetahui efek yang terjadi saat suplai fluks neutron dihentikan atau diturunkan. Efek yang dilihat adalah populasi xenon dan juga daya yang dihasilkan akibat berkurangnya fluks neutron yang diberikan. Dalam kecelakaan nuklir dikenal istilah UTOP dan ULOF. UTOP (un protected transient over power) adalah kecelakaan kelebihan daya akibat masuknya reaktivitas positif eksternal tanpa proteksi. Hal ini menyebabkan kenaikan daya dan kenaikan daya ini akan menyebabkan kenaikan suhu pada bahan pendingin, kelongsong, dan bahan bakar. Kenaikan suhu ini akan menyebabkan terjadinya balikan reaktivitas negatif dari komponennya yang akan mengkompensasi reaktivitas eksternal. Sehingga kestabilan reaktor akan menjadi lebih tinggi dari kondisi normal. ULOF (unprotected loss of flow) kecelakaan akibat hilangnya daya pompa tanpa proteksi. Hal ini menyebabkan ketidakseimbangan daya dan aliran pendingin sehingga hal ini menyebabkan kenaikan suhu pendingin dan bahan bakar. Hal ini menyebabkan terjadinya balikan reaktivitas negatif yang akan menekan daya untuk turun dan hal ini menyebabkan daya menjadi turun untuk menyesuaikan dengan sirkulasi alamiahnya. Kondisi akhir dari kecelakaan ini adalah terjadinya keseimbangan reaktivitas antara reaktivitas positif akibat turunnya suhu bahan bakar dan kenaikan temperatur pendingin. Gambar 1. Evolusi pembangkit nuklir dari tahun ke tahun Dalam teori peluruhan hasil fisi uranium, dihasilkan tellurium (Te 135 ). Kemudian tellurium akan meluruh menjadi I 315. Yang dalam waktu 9,67 jam akan menjadi Xe 135. Di sisi lain, selain dari I 315, xenon juga dihasilkan oleh produk fisi yang dalam 14,1 jam akan meluruh menjadi Cs 135. Cs 135 akan menjadi unsur yang stabil untuk waktu jutaan tahun. Secara analitik, populasi xenon dapat dirumuskan sebagai berikut:

2 Populasi di dt = γ IΣ f λ I I (1) dx dt = λ II + γ X Σ f σ a,x X λ X X (2) γ I : Konstanta fisi iodine γ X : Konstanta fisi Xenon : Fluks neutron σ a,x : Cross section absorpsi xenon λ I : Konstanta peluruhan xenon λ X : Konstanta peluruhan Iodine Populasi dari iodine dan xenon dapat dihitung berdasarkan rumus: I n = I n 1 + (γ I Σ f λ I I n 1 ) t (3) X n = X n 1 (1 σ a,x t λ X t) + λ I ti n 1 + γ X Σ f t (4) ρ n = ( 1) X nσ a,x Σ a (5) ρ n : Nilai perubahan reaktivitas negatif Σ a : Luas t : Selang waktu untuk iterasi Untuk point kinetic, dapat dihitung menggunakan rumus: C = βp λλ (6) P n+1 = P n (1 + ρn β Λ t ) + λc n t (7) C n+1 = C n (1 λ t) + ( β Λ Pn ) t (8) T co n+1 = T co n + Pn P ρ co C p C t (9) ρ fb = α(t co n T ) (1) P : Power density C p C : Kapasitas panas coolant ρ fb : Rekativitas feedback ρ co : Densitas coolant Λ : Mean generation time β : Fraksi neutron tunda α : Koefisien reaktivtas feedback II. Metode Percobaan Pada praktikum ini dilakukan dua kali percobaan, yaitu percobaan untuk mensimulasikan perubahan populasi xenon dan iodine dari mulai reaktor menyala sampai stabil. Percobaan kedua adalah menyimulasikan persamaan point kinetic. Untuk simulasi populasi xenon dilakukan dari reaktor menyala sampai dua ratus jam dengan interval.1 jam. Pertama-tama dilakukan simulasi dengan menghilangkan daya (fluks neutron = ) pada saat t = 1 jam. Lalu diperhatikan grafik perubahan populasi neutron. Selanjutnya simulasi dilakukan dengan menghilangkan daya sebanyak 5%, 25%, dan 5%. Setelah itu kita dapat melihat perubahan reaktivitasnya. Untuk simulasi point kinetic, pertama-tama kita menyiapkan data reaktivitas saat t = 2 jam yang didapatkan dari percobaan pertama. Percobaan kedua dilakukan untuk melihat daya yang dihasilkan. Untuk mendapatkan nilai daya, secara berturut-turut kita harus mencari C, T co (suhu pendingin), ρ fb (reaktivitas feedback), dan ρ (reaktivitas total). Simulasi point kinetik dilakukan untuk analisa jangka pendek, sehingga dilakukan sampai waktu.1 detik dengan interval.1 detik. III. Data dan Pengolahan Data 3.1. Simulasi populasi xenon dan iodine Simulasi populasi xenon dan iodine akibat perubahan daya dari 1% menjadi 5%, 25%, 5%, dan % pada saat t = 1 jam. Simulasi dilakukan dengan interval waktu.1 jam. Untuk menghitung populasi xenon dan iodine digunakan rumus Persamaan (3) dan (4) secara berturut-turut. 8E+15 7E+15 6E+15 5E+15 4E+15 3E+15 2E+15 1E Gambar 2. Populasi iodine saat penurunan daya menjadi % (biru), 5% (kuning), 25% (abu-abu), dan 5% (oranye)

3 d(rho) Pupolasi 4.5E+15 4E E+15 3E E+15 2E E+15 1E+15 5E Gambar 3. Populasi xenon saat penurunan daya menjadi % (biru), 5% (kuning), 25% (abu-abu), dan 5% (oranye) 3.2. Point kinetic t (s) Gambar 6. Kurva daya terhadap waktu (dari Persamaan (7)) Gambar 4. Δρ (perubahan reaktivitas) saat penurunan daya menjadi % (biru), 5% (kuning), 25% (abu-abu), dan 5% (oranye) Gambar 7. Kurva temperatur pendingin terhadap waktu (dari Persamaan (9)) Gambar 5. Δρ + ρ fb (reaktivitas total) saat penurunan daya menjadi % (biru), 5% (kuning), 25% (abu-abu), dan 5% (oranye) Gambar 8. Kurva perubahan reaktivitas feedback terhadap waktu (dari Persamaan (1)) Gambar 9. Kurva reaktivitas total terhadap waktu

4 Gambar 1. Kurva jumlah neutron tunda terhadap waktu (dari Persamaan (8)) IV. Pembahasan Xenon mengalami efek osilasi saat diberikan perubahan fluks neutron. Efek osilasi yang terjadi pada xenon dalam simulasi disebabkan karena xenon memiliki penampang lintang reaksi, sehingga fluks neutron yang diberikan dapat diserap oleh xenon secara baik. Hal ini menyebabkan neutron yang diberikan lebih banyak diserap oleh xenon dibandingkan dengan batang kendali yang seharusnya menyerap neutron. Sehingga hal ini akan menimbulkan reaksi baru karena xenon merupakan unsur yang tidak stabil dan juga waktu paruhnya yang singkat. Ketidakstabilan daya yang dialami terjadi akibat perubahan fluks neutron. Nilai dari fluks neutron ini akan menyebabkan perubahan pada nilai reaktivitas eksternal dan reaktivitas feedback. Perubahan reaktivitas eksternal dan feedback terhadap waktu juga menyebabkan daya tidak stabil dan berubah-ubah terhadap waktu. Waktu optimal yang diperlukan oleh reaktor nuklir setelah dilakukan shutdown bergantung kepada jumlah fluks neutron yang dipaparkan. Pada kasus praktikum ini, dengan jumlah fluks 1.123E17 n.cm -1 jam -1, waktu optimal yang diperlukan adalah sekitar 5 jam. Hal ini disebabkan karena saat t >= 5 jam, populasi xenon dan iodine stabil. Hal ini juga berlaku juga pada reaktivitas feedback maupun reaktivitas total yang menjadi stabil pada saat reaktor dinyalakan saat t >= 5 jam. Osilasi daya pada efek xenon dapat mengakibatkan kecelakaan nuklir. Hal ini karena saat populasi xenon banyak (menanjak dengan cepat), maka reaktivitas akan menurun. Reaktivitas yang menurun ini akan menyebabkan populasi xenon berkurang. Saat populasi xenon terus berkurang, maka reaktivitas akan meningkat dengan cepat. Reaktivitas yang meningkat ini akan menyebabkan naiknya temperatur bahan bakar, selongsong, dan pendingin reaktor. Sehingga hal ini akan mengakibatkan reaktor menghasilkan energi yang sangat besar yang apabila terlalu besar akan berpotensi menyebabkan kecelakaan. Efek xenon tdak berpengaruh pada fast reactor. Hal ini disebabkan karena semua neutron terserap semua oleh batang kendali. Sedangkan pada fast reactor, semua neutron digunakan untuk reaksi selanjutnya. Kecelakaan chernobyl diawali oleh keputusan untuk menguji respon turbin generator dalam menggerakkan pompa pendingin pada saat pasokan uap ke turbin terhenti. Daya reaktor diturunkan dan salah satu turbin dimatikan. Aliran uap panas semuanya dilimpahkan pada salah satu turbin. Pendingin teras dimatikan. Lalu daya diturunkan antara 7 sampai 1 MWt. Untuk menurunkan daya lagi, maka batang kendali otomatis lokal (local automatic control rods) tidak diaktifkan dan sejumlah batang kendali otomatis (ACs) diaktifkan. Namun karena kesalahan operator dalam mengeset Acs, maka daya turun drastis sampai 3 MWt. Padahal prosedur hanya mengijinkan penurunan daya sebesar 7 sampai 1 MWt. Untuk menanggulangi hal ini, operator terus bekerja sampai akhirnya dapat menaikkan kembali daya sampai 2 MWt dengan mengangkat beberapa batang kendali. Namun sebenarnya ini masih jauh dibawah batas. Selanjutnya dinyalakan delapan pompa yang bekerja bersamaan sehingga hal ini menyebabkan beberapa pompa bekerja dibawah batas standarnya dan memicu penurunan uap. Namun percobaan terus dilakukan. Kran turbin ditutup untuk memperlambat penurunan tekanan uap. Indikasi menunjukkan bahwa reaktor harus di shutdown, namun operator tetap melanjutkan percobaan dengan 6-8 buah batang kendali diteras. Padahal prosedur tidak mengijinkan batang kendali di bawah 3 buah di teras. Percobaan dimula lagi dengan daya awal 2 MWt. Dua turbin dimatikan operator dan daya operator naik sedangkan Acs turun. Aliran air pendingin utama dkurangi sehingga terjadi kenaikan suhu air dan meningkatkan pembangkitan uap. Perintah untuk menurunkan batang kendali telah terlambat, sehingga daya reaktor naik menjadi 53 MWt dalam 3 detik

5 dan naik terus dengan drastis secara eksponensial. Hal ini menyebabkan tekanan uap yang tinggi dan menimbulkan ledakan dahsyat. Setelah ledakan pertama, disusul ledakan kedua yang disebabkan oleh masuknya udara ke teras yang menyebabkan bahan beberapa elemen bereaksi dengan oksigen dan terbakar hebat. Kecelakaan Three Miles Island (TMI 2) dimulai dengan kegagalan sisten non-nuklir sekunder dan terbukanya katup buang tekanan yang berakibat terbuangnya sejumlah pendingin reaktor. Hal ini tidak teridentifikasi oleh operator dan menyebabkan tidak teratasinya masalah ini. Indikator yang berbunyi menyebabka operator bertindak manual menghentikan pendingin darurat otomatis. Padahal sebenarnya reaktor kehilangan pendinginan (operator salah mengartikan indikator). Hal ini menyebabkan tekanan uap turun. Lalu otoritas NRC melepas 4. galon lmbah radioaktif ke sungai. Laporan menunjukkan bertambahnya rata-rata insiden kanker pada warga sekitar. Dalam insiden ini sendiri diperkirakan dilepaskan 2,5 juta curie gas mulia radioaktif dan 15 curie dari radio iodines ke udara bebas. Kecelakaan fukushima diakibatkan oleh kegagalan alat, pelelehan nuklir, dan pelepasan bahan radioaktif. Hal ini terjadi setelah gempa dan tsunami yang terjadi pada 11 Maret 211. Pada saat gempa, teras reaktor unit 4 telah dikosongkan dan unit 5 dan 6 sedang dipadamkan untuk perawatan. Unit lain secara otomatis hidup untuk mengendalikan alat elektronik dan sustem pendingin. Tsunami menyebabkan terputusnya jalur listrik dan generator berhenti beroperasi. Hal ini menyebabkan pompa kehilangan daya sehingga pemanasan meningkat karena sisa panas. dalam beberapa hari, reaktor unit 1,2, dan3 mengalami pelelehan. Saat sedang mendinginkan dan memadamkan reaktor, beberapa ledakan akibat proses kimia terjadi. Pemerintah menginstruksikan untuk menggunakan air laut untuk pendingin reaktor. Hal ini berakibat pada hancurnya reaktor, sehingga tinggi air di kolam batang kendali menurun. Hal ini menyebabkan overheating. Evakuasi dilakukan kepada penduduk dalam radius 2 km dari reaktor fukushima. Saat daya listrik mulai pulih, barulah dimungkinkan untuk terjadinya pendinginan reaktor. V. Kesimpulan Saat fluks neutron dihentikan, maka populasi iodine akan menjadi berkurang. Populasi iodine yang berkurang akan menyebabkan populasi xenon yang bertambah dan akan menurun kembali (efek osilasi). Pertambahan dan penurunan nilai ini bergantung kepada persentase penurunan fluks. Daya akan menigkat akbat efek osilasi ini karena efek osilasi akan menyebabkan menigkatnya reaktivitas. VI. Pustaka [1]. digilib.batan.go.id/ppin/.../ pdf Diakses 26 Februari 215 [2]. riagung.pdf Diakses 27 Februari 215 [3]. s/38_doc_3.pdf Diakses 27 Februari 215