KARAKTERISTIK BAHAN BAKAR BEKAS BERBAGAI TIPE REAKTOR. Kuat Heriyanto, Nurokhim, Suryantoro Pusat Teknologi Limbah Radioaktif

Transkripsi

1 KARAKTERISTIK BAHAN BAKAR BEKAS BERBAGAI TIPE REAKTOR Kuat Heriyanto, Nurokhim, Suryantoro Pusat Teknologi Limbah Radioaktif ABSTRAK KARAKTERISTIK BAHAN BAKAR BEKAS BERBAGAI TIPE REAKTOR. Telah dilakukan studi tentang karakteristik bahan bakar bekas reaktor daya meliputi kandungan radioaktif dan panas bahan bakar bekas setelah keluar dari reaktor. 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 Pu 238, Pu239, Pu240 dan Am241, sedangkan Pu239, Pu240 masih dominan setelah tahun sampai setelah tahun. Karakteristik bahan baker bekas PWR dan BWR tidak jauh berbeda, dan sangat dipengaruhi oleh kenaikan burnup pada reaktor. ABSTRACT CHARACTERISTIC OF SPENT FUEL FROM VARIOUS REACTOR. The study of NPP spent fuel characteristic has been conducted. The focus of study was radionuclide contain, thermal heating of spent fuel after discharge from reactor. Long life actinides dominate activity for 1000 years (> 98 %) and years (> 94 %), while for extremely long period ( years) the activity will be dominated by Tc99 and Pu239. Thermal heat generated by spent fuel for years will be dominated by Pu239, Pu240 and Am241, while Pu239 and Pu240 dominate after years until years. The characteristic at PWR and BWR spent fuel are similar, and also influenced by burn. BAHAN BAKAR BAHAN BAKAR PWR Batang bahan bakar PWR terdiri dari tumpukan pelet dengan atmosfir helium pada pipa zircoloy. UO2 diperkaya 1 sampai 4 % sebelum iradiasi UO, dan sebelum diiradiasi UO2 pelet mempunyai densitas 94 % 95 % teoritis dengan rasio O/U = 2. Setiap batang bersusun dengan larik bujur sangkar di dalam bundel. Tabel 1 menampilkan karakteristik asemblei bahan bakar bekas tipe PWR. BAHAN BAKAR BWR Seperti halnya bahan bakar PWR, batang bahan bakar BWR terdiri dari tumpukan pelet dengan helium pada tabung zircoloy. Batang bahan bakar BWR dibundel menjadi bentuk bujur sangkar atau asembley seperti bahan bakar PWR, meskipun ukuran dan jumlah batang lebih sedikit dibanding asemblei PWR.

2 Tabel 1. Karakteristik fisik asemblei bahan bakar LWR Karakteristik fisik BWR PWR (900MW(e)) 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 Assembly total weight (kg) Including: Uranium weight (kg) UO2 weight (kg) Zircaloy weight (kg) Hardware weight (kg) Total metal weight (kg) Nominal volume assembly (m3) (a) asemblei PWR (b) asemblei BWR Gambar 1. Bahan bakar PWR dan BWR [1] 278

3 Gambar 2. Asemblei bahan bakar CANDU [1] BAHAN BAKAR MOX Bahan bakar Mixed uraniumplutonium Oxide relatif baru, menggunakan plutonium hasil dari recicle bahan bakar bekas. Studi kelayakan secara teknis MOX telah terbukti dapat diaplikasikan untuk PWR dan tengah dikembangkan untuk BWR Jadi batang bahan bakar dan asemblei menggunakan MOX identik strukturnya dengan PWR atau BWR. BAHAN BAKAR CANDU Bahan bakar CANDU berbeda dengan bahan bakar LWR. UO2 pelet dari CANDU mempunyai densitas lebih tinggi (97 %) dari densitas teoritis. Bahan bakar CANDU terbuat dari alam dengan ukuran butir 5 10µm. Pelet CANDU diisikan ke dalam zirkaloy4. Batang bahan bakar atau elemen diasemblei menjadi bundel bahan bakar dengan 37 elemen setiap bundelnya. KARAKTERISTIK BAHAN BAKAR BEKAS Selama iradiasi bahan bakar, beberapa material aktif uranium plutonium dirubah menjadi produk fisi atau aktinida lebih tinggi dengan cara aktivasi netron. Material struktur termasuk mengalai aktivasi netron selama proses iradiasi di dalam reaktor. Kepastian jumlah nuklida dan panas yang dihasilkan serta radioaktivitas bahan bakar tergantung oleh komposisi bahan bakar, material struktur dan burnup (fungsi flux neutron yang terintegrasi dengan lamanya radiasi). KANDUNGAN RADIOAKTIF DAN KARAKTERISTIK PELURUHAN Isotopik dan komposisi dari bahan bakar telah dimodel berdasarkan fungsi burnup. Model prediksi berdasarkan pada beberapa mekanisme, contohnya tangkapan netron dan peluruhan radioaktif yang dikombinasikan dengan analitik keseluruhan. Biasanya mekanisme dan metode yang dikombinasikan berdasarkan asumsi. Tingkat kepercayaan sangat tergantung pada kebenaran informasi sejarah bahan bakar. 279

4 Variasi radionuklida sebagai fungsi waktu setelah dikeluarkan dari reaktor terlihat pada Tabel 2. dan 3 untuk MWday/MTH 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. Materialmaterial/ radionuklida tersebut meluruh menghasilkan radionuklida yang stabil. Gambar 2 menunjukkan variasi peluruhan radioaktif dari bahan bakar bekas PWR MW D/MTH. Kontribusi terbanyak radioaktif setelah satu tahun penyimpanan termasuk empat peluruhan pemisahan (90Sr90Y, 106Ru106Rh, 137Cs137Ba dan 144Ce 144Pr), satu tambahan isotop cesium134, dan satu aksinida (Pu241). Setelah 100 tahun total aktivitas akan menurun dengan produk fisi 90Sr90Y, 137Cs dan 137Ba) meliputi 80 % dari total. Aksinida unsur panjang mendominasi aktivitas setelah 1000 tahun (>98%) dan tahun (>94 %). Nuklida yang dominan termasuk 239P, 240pu dan 241Am setelah 1000 tahun dan 237Np, 239Np, 239Pu, 240pu dan 243Am setelah tahun. Dalam waktu yang sangat ( tahun) yang dominan untuk produk fisi adalah 99Tc dan aksinida Pu239. Tabel 2. Variasi radioaktif (Ci/MTHM) untuk aktivasi dan produk fisi sebagai fungsi waktu setelah keluar dari reaktor [2]. Isotopes H3 C14 Mn54 Fe55 Co58 Co60 Ni59 Ni63 Zn65 Se79 Kr85 Sr89 Sr90 Y90 Y91 Zr93 Zr95 Nb93m Nb94 Nb95 Tc99 Time since discharge (years) E E E E E E E E1 3.91E E E E E E E E E E E E E E E1 4.72E E1 1.41E1 8.69E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E1 4.21E2 7.07E E E E E E E+0 280

5 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 Total 2.59E E E E E E1 1.22E E E2 1.08E E E E E E E E E E E E E E E E E1 1.29E E E2 5.22E E E E E E E E E E E E+3 3.0E E E1 3.15E2 1.03E E3 1.66E E E E E E E1 7.71E1 1.08E1 7.71E1 3.15E2 3.45E1 1.62E1 9.90E1 8.38E E E E1 7.24E1 1.01E1 7.24E1 3.15E2 3.44E1 6.70E2 6.36E E E E1 3.88E1 5.44E2 3.88E1 3.14E2 3.35E1 5.60E2 2.46E E E+1 Tabel 3. Variasi radioaktif (Ci/MTHM) untuk aksinida sebagai fungsi setelah keluar Reactor [2]. Time since discharge (years) Isotopes Ra226 U234 Np237 Np239 Pu238 Pu239 Pu240 Pu241 Pu242 Am241 Am243 Cm242 Cm243 Cm244 Other Total 1.71E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E5 1.69E E E E E E E E E E E E E3 2.03E E1 1.56E E E E E E E E E E1 1.99E E E E E E E E E E E E E E E E+1 281

6 Gambar 3. Radioaktivitas yang dihasilkan PWR MWd/MTHM [2] PANAS YANG DIHASILKAN BAHAN BAKAR BEKAS Panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas pasca 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 reaktor, mulamula hasil fisi mendominasi pada pembangkitan panas, setelah itu hasil fisi itu meluruh setelah 6070 tahun aksinida berada pada output yang seimbang dalam pembangkitan panas. Produk aktivasi memberikan kontribusi 2 % dari total, keadaan ini terjadi awal dekade. Selama periode menengah ( tahun aksinida 238Pu,239Pu, 240Pu dan 241Am, sedangkan 239Pu dan 240Pu masih dominan sampai setelah tahun dan tahun. 282

7 Gambar 4. Panas yang dihasilkan PWR MWd/MTHM [2] Komposisi radionuklida yang ditimbulkan bahan bakar bekas diperlihatkan pada tabel 4. Dari data data tersebut dapat dilihat bahwa sebagian besar bahan bakar bekas berupa aktinida dengan aktivitas dan daya termal yang cukup tinggi, walaupun masih jauh dari produk fisi. Semakin tinggi burnup akan menyisakan aktinida lebih sedikit dengan menghasilkan lebih banyak produk fisi. Tabel 4. Rangkuman tiga kelompok radionuklida keluaran ORIGEN2, reaktor nuklir jenis PWR dan BWR. Parameter/jenis nuklida PWR33 ( MWD) PWR50 ( MWD) BWR275 ( WD) BWR40 ( MWD) Produk Aktivasi: berat aktivitas daya termal 134,8 kg 4,716E+5 Ci 2,628 kw 134,8 kg 5.129E+05 Ci 2,841 kw 136,4 kg 7,031E+05 Ci 3,675 kw 136,4 kg 8,444E+05 Ci 4,313 kw Produk Fisi : berat aktivitas daya termal 34,02 kg 1.737E+08 Ci MW 51,4 kg 1.737E+08 Ci MW 28,34 kg 1.199E MW 41,12 kg 1.218E MW Aktinida : berat aktivitas daya termal 966 kg 4.623E ,5 kw 948,6 kg 4.895E ,3 kw 971,7 kg 3.307E+07 85,68 kw 958,9 kg 3.572E+07 93,87 kw 283

8 Tabel 5. Panas yang ditimbulkan Bahan bakar bekas tipe PWR NO. T Q bbb (W/TU) Q asemblei (W) Q batang (W) ,0 x ,1 x ,5 x ,0 x ,0 x ,2 575,74 444,89 366,38 314,04 5,95 2,18 1,69 1,39 1,19 Tabel 5 menampilkan kandungan panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas tipe PWR perasemblei dan perbatang. Kandungan panas bahan bakar bekas setelah 5 tahun keluar dari reaktor sebesar 1570,0 Watt perasemblei dan 5,95 Watt per batang bahan bakar bekas, dan terus meluruh sampai 45 tahun mencapai 314,04 Watt perasemblei atau 1,19 Watt perbatang bahan bakar. KESIMPULAN 1. Aktinide umur panjang mendominasi aktivitas 1000 tahun (> 98 %) dan tahun (>94 %), sedangkan untuk waktu yang sangat panjang ( tahun) didominasi Tc99 (produk fisi) dan Pu239 (aktinida). 2. Panas yang dihasilkan bahan bakar bekas dalam waktu tahun didominasi oleh Pu238, Pu239, Pu240 dan Am241, sedangkan Pu239, Pu 240 masih dominan setelah tahun sampai setelah tahun. 3. Semakin tinggi burnup akan menyisakan aktinida lebih sedikit dengan menghasilkan lebih banyak produk fisi. DAFTAR PUSTAKA 1. Gonyeu J., Nuclear Power Plant Around the World, IAEA, Evaluation of spent fuel as a final waste form Nurokhim, Technical report series No. 320, Viena,