Optimasi Ukuran Teras Reaktor Cepat Berpendingin Gas dengan Uranium Alam sebagai Bahan Bakar

Transkripsi

1 Optimasi Ukuran Teras Reaktor Cepat Berpendinin Gas denan Uranium Alam sebaai Bahan Bakar Dora Andris*, Dian Fitriyani, Feriska Handayani Irka Jurusan Fisika Universitas Andalas ABSTRAK Optimasi ukuran teras reaktor cepat berpendinin as denan uranium alam sebaai bahan bakar telah dilakukan. Optimasi ukuran teras dilakukan untuk model teras silinder dua dimensi R-Z pada volume 8 m 3, 14 m 3 dan 20 m 3. Setiap volume dibuat lima model ukuran teras denan menvariasikan tini dan diameter teras. Diameter teras untuk setiap model ukuran teras dibai menjadi 10 reion. Perhitunan dilakukan denan simulasi komputasi denan proram SRAC. Reaktor ini menunakan stratei shufflin arah radial aar reaktor dapat beroperasi denan bahan bakar uranium alam. Setelah 10 tahun periode burn up, bahan bakar di-shufflin secara radial dari reion 1 ke reion 2, reion 2 ke reion 3, beitu seterusnya sampai bahan bakar di reion 9 di-shufflin ke reion 10 sehina bahan bakar reion 10 dikeluarkan dari teras reaktor dan bahan bakar baru ditempatkan di reion 1. Hasil perhitunan menunjukkan bahwa untuk teras denan volume 8 m 3 dan 14 m 3 diperoleh nilai k eff antara 0,95 sampai 1,05 (reaktor berada dalam keadaan kritis) dan untuk volume 20 m 3 k eff 1,05 (keadaan superkritis) denan ayunan reaktivitas ±0,05. Teras denan model palin pipih pada volume 8 m 3 merupakan model yan direkomendasikan untuk desain reaktor karena menhasilkan kinerja neutronik reaktor yan optimal dibandinkan model lain. Kata kunci: ukuran teras reaktor, uranium alam, SRAC, stratei shufflin ABSTRACT The optimization of core size as cooled fast reactor with natural uranium fuel has been done. It was applied to core model cylinder two dimensions R-Z on volume 8 m 3, 14 m 3 and 20 m 3. Each volume was made to five core size models with variation of heiht and core diameter. For each model, core diameter was divided into 10 reions. Calculation was conducted by simulation of computation with SRAC proram. This reactor was used shufflin stratey in radial direction in order to make reactor operated with input natural uranium fuel. After 10 years burn up period, fuel from first reion was radially shuffled to second reion, from second reion to third reion and so on until fuel from 9 th reion shuffled to 10 th reion, and then fuel from 10 th reion was carried out from reactor core and fresh uranium input to the first reion. The result of calculation show that for core with volume 8 m 3 and 14 m 3, k eff value between 0.95 until 1.05 (reached critical situation), while on volume 20 m 3 k eff 1.05 (achieved supercritical situation) with reactivity swin ±0.05. Core with most thin model on volume 8 m 3 is recommended for reactor desin because it s the most produce optimal core of reactor than others. Keywords: reactor core size, natural uranium, SRAC, shufflin stratey I. PENDAHULUAN Eneri berbasis bahan fosil merupakan sumber eneri utama yan diunakan penduduk dunia hina saat ini. Bahan fosil seperti minyak dan as bumi merupakan sumber daya alam yan tidak dapat diperbaharui sehina ketersediaannya semakin berkuran karena penunaan eneri terus meninkat seirin pesatnya kemajuan teknoloi. Untuk menanulani kondisi tersebut, dibutuhkan sumber eneri alternatif yan cukup memadai untuk memenuhi kebutuhan eneri yan terus meninkat, salah satunya eneri nuklir. Eneri nuklir dapat diperoleh dari reaksi fisi pada sebuah reaktor. Untuk melakukan reaksi fisi dibutuhkan bahan fisil yaitu bahan yan mudah berfisi seperti U-233 dan U-235 yan hanya terdapat 0,72% di alam dan 99,28% merupakan bahan fertil. Bahan fertil merupakan bahan yan berpotensi untuk diubah menjadi bahan fisil denan tankapan neutron cepat bereneri sekitar 1 MeV. Reaktor enerasi IV merupakan reaktor yan sedan dikembankan oleh para ilmuwan yan dapat memenuhi kondisi tankapan neutron cepat tersebut. Gas Cooled Fast Reactor (GCFR) merupakan salah satu jenis reaktor enerasi IV. Reaktor ini memanfaatkan spektrum cepat dari neutron untuk menubah bahan fertil menjadi fisil dan menunakan pendinin berupa helium (He). Keunulan dari penunaan helium adalah dapat beroperasi pada suhu yan tini sekitar 850 o C sebaai pendukun produktivitas as hidroen dan terbaik dalam hal ketahanan karena mempunyai siklus bahan 21

2 ISSN Jurnal Fisika Unand Vol. 5, No. 1, Januari 2016 bakar tertutup. Penembanan desain GCFR telah banyak dilakukan, salah satunya denan memanfaatkan uranium alam sebaai bahan bakar menunakan stratei shufflin arah radial (Irka, 2011). Keuntunan penunaan uranium alam sebaai bahan bakar dikarenakan uranium alam tidak perlu diperkaya sehina lebih ekonomis (Yanti, 2009). Desain GCFR berpendinin as helium masih terus dikembankan aar dapat memenuhi tujuan utamanya. Berbaai komponen pada desain GCFR masih perlu dilakukan optimasi. Penoptimalan desain reaktor sanatlah kompleks sehina perlu dilakukan pendekatan, salah satunya melalui simulasi komputasi. Pada penelitian ini dilakukan simulasi dalam penoptimalan ukuran teras reaktor berbentuk silinder pada GCFR. Geometri silinder sampai saat ini merupakan bentuk yan palin optimal jika ditinjau dari faktor kebocoran neutron dan aliran pendinin (Drajat, 2011). Ukuran tini dan diameter teras reaktor berpenaruh terhadap reaktivitas teras. Semakin tini ukuran teras maka semakin besar reaktivitas terasnya (Utami, 2013). Untuk itu, perlu dilakukan kombinasi ukuran diameter dan tini teras yan tepat sehina dapat menhasilkan perbandinan ukuran diameter dan tini teras yan optimal. Penoptimalan ini ditinjau dari aspek neutronik di dalam teras reaktor yan meliputi faktor multiplikasi efektif (k eff ) dan faktor multiplikasi infinitif (k inf ). Analisis neutronik adalah pembahasan menenai populasi neutron, fluks neutron, distribusi neutron dan hal-hal yan berhubunan denan perilaku neutron dalam teras reaktor. Di dalam teras reaktor terjadi reaksi fisi secara berantai. Reaksi fisi adalah reaksi pembelahan inti berat yan bersifat fisil seperti U-235 atau Pu-239 menjadi inti yan lebih rinan massanya yan disertai denan pelepasan eneri. Setiap reaksi fisi menhasilkan eneri yan besarnya sekitar 200 MeV. Reaksi fisi sulit terjadi secara spontan. Reaksi fisi terjadi bila inti berat ditumbuk oleh sebuah neutron. Partikel neutron yan telah menumbuk inti berat seperti U-235 atau Pu-239 akan memproduksi (2-3) neutron yan baru. Neutron ini dapat menumbuk kembali inti berat seperti U-235 atau Pu-239 untuk membentuk reaksi fisi berikutnya. Reaksi ini dikendalikan dalam sebuah reaktor, karena neutron yan ditankap adalah neutron cepat maka reaktor yan diunakan jua reaktor cepat. Pada reaktor cepat dimunkinkan menunakan bahan fertil dari uranium alam secara lebih efektif. Neutron yan dihasilkan dari reaktor cepat bereaksi denan bahan fertil (U-238) untuk menhasilkan bahan fisil baru (Pu-239) (Haryani, 2013). Di dalam reaktor nuklir, neutron bererak secara difusi sehina dalam analisis dibutuhkan persamaan difusi multirup yan ditunjukkan pada Persamaan 1 (Duderstadt dan Hamilton, 1976): 1 G G D t r, t s t 1 1 Secara matematis, faktor multiplikasi efektif ditunjukkan pada Persamaan 2: jumlah neutron pada satu enerasi k (2) jumlah neutron pada enerasi sebelumnya Nilai faktor multiplikasi infinitif dapat dicari menunakan Persamaan 3: k f dimana η adalah jumlah neutron fisi yan dihasilkan per jumlah neutron yan diserap dan f adalah probabilitas bersyarat bila neutron terserap, maka neutron akan di serap ke dalam bahan bakar. II. METODE Perancanan GCFR ini dilakukan melalui simulasi komputasi kode SRAC yan dikembankan oleh JAERI (Japan Atomic Enery Research Institute). Stratei shufflin yan diunakan dalam penelitian ini bertujuan untuk menoperasikan reaktor menunakan bahan bakar uranium alam. Uranium alam yan akan diunakan untuk bahan bakar reaktor terlebih dahulu dibakar dalam janka waktu tertentu sehina menhasilkan bahan bakar fisil yan dapat berfisi di dalam reaktor. t S (1) (3) 22

3 2.1 Spesifikasi Umum Desain Reaktor Spesifikasi umum desain reaktor yan diunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 1. Pada penelitian ini, parameter yan divariasikan adalah volume, tini dan diameter teras dimana volume yan diunakan terdiri dari 3 ukuran. Ukuran tini dan diameter teras dilakukan sebanyak 5 variasi untuk masin-masin volume teras. Berdasarkan variasi ini akan dihasilkan 5 model ukuran teras yan dimulai dari model teras tini sampai model teras pipih seperti yan dapat dilihat pada Tabel 2. Parameter Tabel 1 Spesifikasi umum desain reaktor Deskripsi Daya (MWth) 550 Tipe pin cell Cylinder cell Geometri teras 2-D Cylinder Jumlah reion bervolume sama dalam arah radial 10 reion Periode refuelin 10 tahun Bahan bakar (fuel) UN dan PuN Struktur (claddin) SS316 Pendinin (coolant) Helium Fraksi bahan bakar 65% Fraksi struktur 10% Fraksi pendinin 25% Diameter pin/pitch 1,4 cm Lebar reflektor 50 cm Tabel 2 Variasi ukuran teras aktif reaktor Model ukuran teras Volume teras (m 3 ) Diameter (cm) Tini (cm) 1a 191, ,8071 1b 203, ,8071 1c 8 216, ,8071 1d 246, ,3035 1e 276, ,0043 2a 235, ,2680 2b 247, ,2680 2c , ,2680 2d 291, ,2194 2e 321, ,7919 3a 268, ,2525 3b 280, ,2525 3c , ,2525 3d 324, ,3225 3e 354, ,0180 Variasi diameter dan tini teras yan diunakan pada Tabel 2 merupakan variasi yan mempertahankan volume. Lima variasi tersebut dilakukan denan cara membuat ukuran tini dan diameter teras sama untuk volume yan tetap. Selajutnya ditambahkan kelipatan 30 cm untuk 2 variasi diameter dan 2 variasi tini teras. Hasil dari variasi nantinya berjumlah 5 variasi untuk 1 volume. 2.2 Prosedur Perhitunan Menunakan SRAC Data nuklir yan diunakan pada penelitian ini adalah data nuklida dari JENDL-3.2, SRAC melakukan perhitunan dan menhasilkan data penampan lintan makroskopik dari masin-masin material teras reaktor. Data makroskopik akan diunakan untuk perhitunan teras reaktor yan menhasilkan banyak parameter. Untuk penelitian parameter yan dianalisi adalah faktor multiplikasi efektif dan faktor multiplikasi infinitif. Untuk diaram alir perhitunan dapat dilihat pada Gambar 1. 23

4 ISSN Jurnal Fisika Unand Vol. 5, No. 1, Januari 2016 Gambar 1 Diaram alir perhitunan menunakan SRAC III. HASIL DAN DISKUSI 3.1 Faktor Multiplikasi Efektif (k eff ) Untuk memperoleh kondisi reaktor dalam keadaan kritis (k eff 1) pada penelitian ini dilakukan variasi diameter dan tini teras untuk setiap volume teras yan diunakan. Nilai k eff untuk seluruh model ukuran teras ditunjukkan pada Gambar 2, Gambar 3 dan Gambar 4. Nilai k eff untuk semua model ukuran teras masih berada dalam interval kekritisan reaktor (k eff = 0,95-1,05) selama 10 tahun periode burn up kecuali model ukuran teras pada volume 20 m 3 berada pada kondisi superkritis. Nilai k eff yan terbaik untuk semua model ukuran teras pada masin-masin volume adalah model teras denan diameter yan lebih besar (1e dan 2e) kecuali pada volume 20 m 3. Pada volume 20 m 3 model terbaik adalah model ukuran teras denan diameter yan lebih kecil (3a) dibandinkan model lain karena volume 20 m 3 menhasilkan kondisi superkritis. Hal ini sejalan denan stratei shufflin arah radial yan diunakan sehina semakin besar diameter teras maka ukuran meshnya semakin besar dan mempertini reaktivitas neutron dalam teras reaktor. Kondisi ini menyebabkan nilai k eff semakin besar pada volume yan lebih besar sehina mencapai kondisi superkritis. Untuk variasi diameter dan tini teras yan menhasilkan kinerja reaktor yan optimal dari semua model ukuran teras adalah model 1e (volume 8 m 3 ), terlihat dari nilai k eff yan berada dalam kondisi kritis dan dapat mempertahankan kekritisan pada teras reaktor selama 10 tahun periode burn up. 24

5 Gambar 2 Hubunan k eff denan periode burn up untuk volume 8 m 3 Gambar 3 Hubunan k eff denan periode burn up untuk volume 14 m 3 Gambar 4 Hubunan k eff denan periode burn up untuk volume 20 m Faktor Multiplikasi Infinitif (k inf ) Faktor multiplikasi infinitif (k inf ) merupakan nilai faktor multiplikasi takhina, dimana nilai ini didapatkan denan menasumsikan ukuran pin bahan bakar takhina. Faktor multiplikasi infinitif untuk ketia volume teras yan diunakan dapat dilihat pada Gambar 5, Gambar 6 dan Gambar 7. Nilai k inf pada semua model ukuran teras untuk setiap volume teras dalam 10 tahun pertama periode burn up masih kecil. Hal ini dikarenakan jumlah Pu-239 pada awal periode burn up masih sedikit sehina neutron yan dihasilkan dari reaksi fisi hanya bersumber dari bahan fisil U-235. Penaruh model ukuran teras terhadap k inf sebandin denan besarnya diameter teras yan diunakan. Semakin besar diameter teras yan diunakan, maka semakin besar kemunkinan terjadinya reaksi neutron denan bahan bakar di dalam teras. Kondisi ini sejalan 25

6 ISSN Jurnal Fisika Unand Vol. 5, No. 1, Januari 2016 denan pembaian reion arah radial yan diunakan. Dalam pembaian mesh, setiap reion dibai menjadi 2 mesh sedankan setiap diameter teras dibai menjadi 10 reion denan volume yan sama. Hasilnya semakin besar diameter yan diunakan, menakibatkan ukuran meshnya semakin besar dan mempertini reaktivitas neutron di dalam teras reaktor. Gambar 5 Hubunan k inf denan burn up untuk volume 8 m 3 Gambar 6 Hubunan k inf denan burn up untuk volume 14 m 3 Gambar 7 Hubunan k inf denan burn up untuk volume 20 m 3 26

7 IV. KESIMPULAN Setelah melakukan perancanan, perhitunan dan analisa dari hasil yan diperoleh, dapat diambil kesimpulan bahwa nilai k eff untuk volume 8 m 3 dan 14 m 3 berada dalam kondisi kritis sedankan untuk volume 20 m 3 sudah melewati keadaan kritis. Untuk perbandinan diameter dan tini teras yan palin baik diunakan dalam perancanan reaktor cepat GCFR pada penelitian ini adalah model teras palin pipih (1e) pada volume 8 m 3. DAFTAR PUSTAKA Drajat, R.Z., Analisis Termalhidrolik Gas Cooled Fast Reactor (GCFR), Skripsi S1, Institut Teknoloi Bandun, Duderstadt, J.J. dan Hamilton, L.J., 1976, Nuclear Reactor Analysis (John Wiley & Sons, Inc., Canada), hal Haryani, N., 2013, Penaruh Variasi Bahan Pendinin Jenis Loam Cair Terhadap Kinerja Termalhidrolik Pada Reaktor Cepat, Jurnal Fisika Unand, Vol 2, No.3, Jurusan Fisika FMIPA Unand, hal Irka, F.H., Studi Desain Reaktor Cepat Berpendinin Gas Denan Bahan Bakar Uranium Alam Menunakan Stratei Shufflin Arah Radial, Tesis S2, Institut Teknoloi Bandun, Utami, R. dan Yulianti, Y., 2013, Desain Raktor Air Superkritis (Super Critical Water Reactor) Denan Bahan Bakar Thorium, Jurnal Ilmu Dasar, Vol 14, No.1, Universitas Lampun, hal 1-6. Yanti, M., Studi Desain Gas Cooled Fast Reactor yan Berpendinin Helium dan Menunakan Uranium Alam sebaai Bahan Bakar, Skripsi S1, Institut Teknoloi Bandun,