ANALISIS KEHILANGAN ALIRAN PENDINGIN PRIMER RSG-GAS MODA SATU JALUR

Transkripsi

1 ANALISIS KEHILANGAN ALIRAN PENDINGIN PRIMER RSG-GAS MODA SATU JALUR Sukmanto Dibyo Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir (PTRKN-BATAN) ABSTRAK ANALISIS KEHILANGAN ALIRAN PENDINGIN PRIMER RSG-GAS MODA SATU JALUR..Dalam rangka mendapatkan informasi tentang kondisi kehilangan aliran RSG-GAS moda satu jalur, maka telah dilakukan analisis menggunakan paket komputer RELAP5.Mod3. Parameter terpenting yang diamati adalah daya reaktor, transien temperatur pendingin primer dan sekunder serta temperatur pelat elemen bakar. berdasarkan data tersebut dapat diketahui karakteristik transien kehilangan aliran dalam pengoperasian moda satu jalur RSG-GAS. Dalam analisis ini reaktor dioperasikan pada daya tunak (steady-state) 15 MW, kemudian terjadi transien karena pompa sistem pendingin primer yang ada mati, sedangkan pompa sistem pendingin sekunder tetap beroperasi. Selama kondisi transien berlangsung, diperoleh data pola perubahan daya, aliran dan temperatur sistem pendingin. Hasil analisis menunjukkan bahwa temperatur pendingin primer menuju reaktor sebesar 40,2 o C dan reaktor scram oleh sistem proteksi setelah 4 detik transien akibat laju alir pendingin menurun menjadi 85 % terhadap laju alir normal. Temperatur maksimum pelat elemen bakar 106,1 o C pada detik transien ke 86, angka ini masih di bawah temperatur saturasi setempat (125,57 o C). Berdasarkan hasil analisis dapat disimpulkan bahwa kehilangan aliran RSG-GAS moda satu jalur pada daya 15 MW masih menunjukkan kondisi yang aman. Kata kunci: kehilangan aliran, moda satu jalur ABSTRACT LOSS OF PRIMARY COOLANT FLOW ANALYSIS FOR THE RSG-GAS ONE-LINE MODE. To obtain the information of Loss Of Flow RSG-GAS for the one line mode, an analysis using RELAP5.Mod3 code was carried out. The important parameters investigated were transient temperature of both primary and secondary coolant and also fuel plate temperature. Based on those parameters, the LOF transient characteristic for one-line mode operation of RSG-GAS could be found. In this analysis, the reactor was operated at the power of 15 MW (steady-state) after that transient occured due to the existing of primary cooling pump stopped while secondary cooling system was still under operation. During transient, pattern of power change, flow and cooling system temperature were obtained. Analysis result showed that the reactor coolant temperature inlet was 40,2 o C and flow decrease to 85% caused reactor scram by Loss Of Flow protection system at 4 seconds. The maximum fuel plate temperature was 106,1 o C at 86 seconds, this value was less then local saturation temperature ( o C). Based on the analysis result it could be concluded that Loss Of Flow of RSG-GAS one-line mode at the power of 15 MW indicates safe condition. Key words: LOF, one-line mode 254

2 1. PENDAHULUAN Sistem pendingin reaktor merupakan komponen penting di RSG-GAS (Reaktor Serbaguna GA Siwabessy), oleh karena itu penelusuran karakteristik sistem termohidrolika merupakan hal yang harus dilakukan dalam pengoperasian reaktor nuklir. Untuk itu, perlu suatu analisis yang berkaitan dengan operasi reaktor. Informasi tentang karakteristik reaktor sangat diperlukan seiring dengan persyaratan keselamatan yang diharapkan dari berbagai pihak. Untuk meyakinkan bahwa pengoperasian reaktor RSG-GAS adalah aman, harus dilakukan suatu analisis yang handal terhadap reaktor itu sendiri. RSG-GAS memiliki dua jalur paralel sistem pendingin yang beroperasi secara bersamaan untuk daya reaktor 30 MW. Berkenaan dengan permintaan pengguna yang cukup banyak dilayani dengan daya rendah (hanya sekitar daya 15 MW) maka diperlukan efisiensi dan penghematan. Salah satu pilihan adalah pengoperasian dengan sistem pendingin satu jalur. Sebelum pilihan tersebut dilaksanakan, maka diperlukan analisis keselamatan untuk mengetahui apakah batas keselamatan tidak terlampaui. Pada pengoperasian sistem pendingin satu jalur, kemampuan memindahkan energi kalor dari reaktor akan berkurang. Berkenaan dengan hal tersebut, maka parameter-parameter temperatur pada pelat elemen bakar, pendingin dan pembangkitan kalor juga akan berubah. Kondisi transien pendinginan reaktor diantaranya adalah kondisi yang disebabkan adanya gangguan pada sistem tersebut, misalnya gangguan yang disebabkan oleh ketidak-seimbangan antara energi yang dibangkitkan dan pembuangannya. Salah satu kondisi transien adalah LOFA (Loss Of Flow Accident) yang mana dalam hal ini pompa sistem pendingin primer yang ada mati, sedangkan sistem pendingin sekunder tetap beroperasi. Akibat kondisi tersebut temperatur pendingin reaktor naik. Pemanfaatan paket program diantaranya RELAP5.MOD3 untuk melakukan analisis, merupakan solusi yang tepat, efisien dan dapat menjawab masalah di atas. Paket program RELAP5.MOD3 dapat mengamati parameterparameter sebagai fungsi waktu yang disimulasikan sebagai kondisi transien yang terjadi dalam moda pendingin satu jalur RSG- GAS. Berdasarkan latar-belakang tersebut maka, hasil analisis ini diharapkan dapat memberikan informasi penting tentang pola transien temperatur yang terjadi pada sistem pendingin primer maupun pendingin sekunder, pola perubahan daya reaktor, aliran, temperatur curah pendingin teras serta temperatur maksimum elemen bakar dan parameter lain akibat transien. 2.TEORI 2.1 Relap5.mod3 [1] Paket RELAP5.MOD3 adalah paket komputer yang dikembangkan oleh Idaho National Engineering Laboratory melalui dukungan NRC United State. Paket ini secara luas telah dipakai untuk reaktor berpendingin air ringan dalam menganalisis perhitungan transien satu dimensi pada suatu sistem termal dan hidrolika secara komplek. RELAP5. MOD3 ini dikembangkan berdasarkan model nodalisasi/junction multi-region, dimana bagian utamanya memuat bagian volume hidrodinamika dan bagian heat structure. Heat structure dikoneksikan dengan volume hidrodinamika, energi yang ditransfer dari atau ke heat structure ditambahkan dari energi internal pada suatu volume. Sistem pada junction antar setiap volume node menggunakan persamaan konservasi momentum. Prinsip pada RELAP5.MOD3 adalah penggunaan dua fluida yakni uap, cair dan lima persamaan model hidrodinamika untuk aliran dua fasa. Lima persamaan itu adalah persamaan konservasi massa setiap fasa, persamaan konservasi momentum setiap fasa dan persamaan konservasi energi kedua fasa. Suatu energi yang ditransfer menggunakan asumsi bahwa salah satu fasa tersebut dalam keadaan saturasi. Perhitungan hidrodinamika di dalam RELAP5.MOD3 memakai formula kondisi aliran dua fasa berdasarkan model nonhomogenous. 2.2 Reaktor RSG-GAS [2] Reaktor Serba Guna G.A Siwabessy (RSG-GAS) adalah reaktor riset jenis MTR (Material Testing Reactor) yang dioperasikan dengan bahan bakar uranium pengkayaan rendah atau LEU (Low Enriched Uranium). Reaktor RSG-GAS dengan kolam terbuka dirancang untuk dapat menghasilkan panas 255

3 maksimum sebesar 30 MW dengan fluks neutron termal maksimum di dalam teras (incore) sebesar 2,5 x neutron cm -2 det -1. Teras reaktor dimoderasi dan didinginkan oleh air ringan secara konveksi paksa dengan arah aliran pendingin dari atas ke bawah (down-flow). Komponen-komponen teras disusun dalam kisi-kisi dimana di dalamnya diletakkan elemen bakar standar (EB), elemen bakar kendali, elemen berilium, dan tempat iradiasi. Pada pengoperasian reaktor dengan tingkat daya nominal 30 MW, sistem pendingin dioperasikan secara konveksi paksa yang merupakan Moda Operasi Normal. Air pendingin primer dengan tekanan absolut 1,977 bar dipompakan ke dalam teras reaktor dengan laju aliran ± 3100 m 3 /jam. Aliran pendingin sebesar tersebut akan mengambil panas yang dibangkitkan melewati gap kanal-kanal pelat EB. Panas yang berasal dari elemen bakar tersebut oleh sistem pendingin primer kemudian dilewatkan pada alat penukar panas dan selanjutnya oleh sistem pendingin sekunder dilepaskan ke atmosfir melalui menara pendingin. Diagram sistem pendingin ditunjukkan pada Gambar 1. Selain mengoperasikan reaktor dengan sistem pendinginan konveksi paksa, juga diperlukan sistem pendinginan konveksi alamiah (natural convection) untuk mengakomodasi eksperimen yang memerlukan pengoperasian reaktor pada tingkat daya yang relatif rendah. Aliran pendingin dapat mengalir karena adanya beda rapat massa air pendingin sebagai akibat pemanasan air pendingin oleh bahan bakar. 2.3 Pemodelan Model nodalisasi RSG-GAS untuk RELAP5.MOD3 disajikan di Gambar 2. Model ini membutuhkan data-data termal, hidrolika dan geometri untuk pembuatan input file. Sistem jaringan pendingin RSG-GAS disusun menjadi kelompok komponen volume, junction, katup dsb. Model ini mengacu pada kaidah yang berlaku sebagai input RELAP5.MOD3 Model RSG-GAS yang digunakan ini telah divalidasi dari hasil analisis sebelumnya [3,4,5]. Temperatur keluaran hasil simulasi, diedit dari posisi komponen yang ingin ditampilkan dengan menggunakan fasilitas minor edit card. Penurunan laju alir pendingin primer (Loss Of Flow) yang disebabkan oleh putusnya catu daya pompa primer dimodelkan sebagai time dependent volume pada komponen pompa pendingin primer. Sedangkan aliran pendingin sekunder dengan flow konstan 520 kg/det. Data penurunan laju alir primer dalam analisis ini didasarkan pada aliran yang ada akibat gaya momen inersia pompa pendingin primer ketika trip[6]. Pemodelan yang telah ada yang digunakan dalam analisis ini terdiri dari komponen volume pada pipa dan kolam reaktor, struktur kalor berada di teras dan penukar kalor. Sementara itu, junctions terletak pada batas antar volume, antar sistem belokan dan perubahan luas penampang aliran. Gambar 1. Diagram sistem pendingin 256

4 Gambar 2. Nodalisasi RSG-GAS Skenario transien kehilangan aliran Analisis kehilangan aliran pendingin (LOF) merupakan salah satu kondisi transien laju alir pendingin reaktor. Di dalam analisis moda satu jalur (salah satu jalur pendingin primer dan sekunder tidak digunakan) ini, reaktor dioperasikan pada daya 15 MW dengan langkah-langkah skenario kecelakaan sebagai berikut : Pada mulanya reaktor beroperasi dengan daya konstan 15 MW (steady-state), terjadi trip pada pompa pendingin primer karena putusnya power supply. Sementara itu air pendingin sekunder masih tetap bekerja sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1. Laju aliran pendingin primer yang menuju ke teras akan berkurang sebagai fungsi waktu. Pada saat laju alir mencapai 85% dari harga semula, atau temperatur pendingin primer menuju ke reaktor mencapai 42 o C maka sistem proteksi reaktor memberikan sinyal yang akan memicu terjadinya reaktor scram. Selang waktu antara sinyal trip dan respon batang kendali dengan delay time 0,5 detik, sedangkan waktu yang diperlukan untuk menyisipkan batang kendali sebesar 400 milidetik. Aliran pendingin primer terus berkurang sehingga tekanan aliran di bawah teras reaktor (lower plenum) lebih besar daripada tekanan diluar lower plenum. Katup sirkulasi alamiah terbuka dan terjadi perubahan arah aliran ke atas (up-flow) pada pendinginan teras reaktor. Selama keadaan transien ini berlangsung, parameter operasi seperti laju alir, temperatur curah pendingin yang melalui teras, temperatur pelat elemen bakar maupun parameter yang lain ditunjukkan dengan memilih data opsi pada minor edit Data input Dari sistem pendingin RSG-GAS, dibutuhkan data-data termal, parameter hidrolika dan geometrik termasuk data kinetika untuk diinputkan ke dalam model RSG-GAS yang ada. Input yang diperlukan menyangkut kondisi inisiasi/awal untuk semua volume (tekanan, temperatur), junctions (laju alir), struktur kalor, kinetika reaktor, daya, control variables dan logic trips [7]. Untuk struktur kalor, sebagai data input dimasukkan temperatur inisiasi yang mendekati temperatur air. Kondisi batas ditetapkan dengan time dependent volume dan time dependent junctions, daya dan sebagainya. Data LOF adalah data persentase berkurangnya aliran oleh momen inersia pompa. Dengan menggunakan data input tersebut, selanjutnya analisis kondisi steady-state maupun transien dapat dilakukan dengan paket program RELAP5.Mod3. Pendingin primer bekerja pada moda satu jalur dengan laju 448 kg/detik. Nodalisasi RSG-GAS yang telah disiapkan, sudah representatif untuk memperoleh hasil konvergensi numerik. Disamping itu juga perlu dicatat beberapa hal yakni : 257

5 Pengabaian adanya pelepasan kalor (heat loss) di sepanjang komponen pipa, sehingga dinding pipa tidak dimodelkan sebagai struktur panas. Reaktor scram disebabkan oleh sistem proteksi reaktor. Pada analisis LOF, aliran pendingin sekunder tetap bekerja dengan laju alir 530 kg/detik. Temperatur pendingin dari menara pendingin 36 o C 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil analisis pada kondisi steady-state ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar ini menunjukkan pencapaian kondisi yang mantap sebagai fungsi waktu. Sebagaimana ditunjukkan pada gambar tersebut, grafik parameter yang dipilih adalah temperatur pendingin dan daya reaktor. Parameter ini merupakan kondisi yang diacu dimana reaktor beroperasi steady-state pada moda satu jalur. Kondisi steady-state ini ditetapkan setelah diamati sampai 1800 detik. Penentuan kondisi steady-state ini untuk memperoleh angka yang dianggap realistis. Berdasarkan kondisi ini langkah selanjutnya adalah melakukan analisis transien. Kondisi steady-state hasil analisis untuk sistem pendingin moda satu jalur RSG-GAS ini adalah sebagai berikut : Daya reaktor : 15 MW. Temperatur pendingin primer ke teras reaktor: 40,2 o C Temperatur pendingin primer dari teras reaktor: 48,6 o C Temperatur pendingin sekunder ke menara pen-dingin : 39,5 o C Temperatur pendingin masuk teras pada daya 15 MW ini cukup tinggi yakni 40,2 o C akan tetapi diharapkan temperatur puncak pelat elemen bakar tidak akan melampaui temperatur jenuh pendingin pada kanal setempat. Dengan demikian kondisi yang terjadi, masih berada di bawah kriteria batas aman yang disarankan oleh LAK (Laporan Analisis Keselamatan). Gambar 4 menyajikan hasil analisis transien LOF untuk aliran pendingin primer dan aliran sirkulasi alamiah setelah katup sirkulasi alam terbuka, dalam hal ini aliran pada teras reaktor berbalik ke atas (up-flow). Akan tetapi aliran ini lambat laun berkurang seiring dengan turunnya temperatur air di kanal teras reaktor. Penyajian grafik transien berjalan mulai dari detik ke-1990 dan dimulai pemicu LOF pada detik ke 2000 yang secara bersamaan ditampilkan beberapa parameter untuk dianalisis. Di sini terdapat tiga parameter krusial yang perlu diperhatikan, di mana berkaitan dengan aspek keselamatan termohidrolika yakni, temperatur pelat sebelum/sesaat menjelang scram dan saat pembalikan arah aliran menjadi konveksi alamiah. Gambar 3. Grafik kondisi Steady-state 258

6 Gambar 4. Grafik transien LOF moda satu jalur Gambar 5. Grafik transien temperatur dan daya Pada Gambar 5 terlihat daya reaktor, temperatur pelat elemen bakar, temperatur pendingin primer dan sekunder. Tampak grafik yang perlu diuraikan di sini bahwa temperatur pelat elemen bakar bergerak naik setelah terjadi LOF yakni mencapai 106,1 o C pada detik ke 86 sejak LOF di mana angka ini masih di bawah temperatur saturasi pendingin setempat (125,57 o C), sehingga kondisi ini masih berada dalam kondisi yang aman. Kenaikan temperatur ini disebabkan oleh berkurangnya aliran pendingin primer hingga aliran berhenti sejenak, sementara itu masih ada pembangkitan kalor sisa pada teras reaktor. Namun segera setelah itu aliran balik sirkulasi alam menurunkan temperatur pelat elemen bakar dan selanjutnya lambat laun semua parameter bergerak turun. Di dalam pembahasan ini, perlu disampaikan pula bahwa meskipun temperatur pendingin masuk ke reaktor sebesar 40,2 o C namun dalam kondisi LOF tidak naik menuju temperatur 42 o C. Dalam hal ini aliran pendingin primer lebih dahulu mencapai 85% dan kemudian reaktor scram oleh jatuhnya batang kendali. Berdasarkan hasil analisis keadaan transien yang telah diuraikan di atas, maka parameter yang diinvestigasi seperti daya reaktor, aliran transien dan temperatur telah 259

7 menunjukkan kondisi yang aman untuk pengoperasian sistem pendingin moda satu jalur. 4. KESIMPULAN Hasil analisis kondisi kecelakaan kehilangan aliran untuk sistem pendingin moda satu jalur RSG-GAS pada daya reaktor 15 MW telah diperoleh. Berdasarkan hasil analisis terhadap pola karakteristik keadaan transien yang mencakup daya reaktor, aliran transien pendingin primer dan temperatur masih menunjukkan kondisi yang aman. Temperatur pelat elemen bakar masih di bawah temperatur saturasi pendingin setempat. 5. DAFTAR PUSTAKA 1. RELAP5 CODE DEVELOPMENT TEAM., RELAP5, MOD3, Code Manual, User Guide And Input Requirements, NUREG/CR-5535-V2. Idaho National Engineering Laboratory, Washington DC BATAN., Laporan Analisis Keselamatan Rsg-Ga Siwabessy, Rev.8, HUDI HASTOWO., Simulasi Transien Pendingin Sekunder Rsg-Gas Dengan Paket Relap5, Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan& Teknologi Nuklir, April SUKMANTO D., Validasi Model Steady- State Rsg-Gas Untuk Relap5.M3, Jurnal Teknologi Reaktor TDM, v.7,n.2, SUKMANTO D., Evaluasi Termal Sistem Pendingin Primer/Sekunder Rsg-Gas, Prosiding Seminar IV Tekn. & Keselamatan PLTN ENDIAH P.H., Analisis Transien Teras Kerja Silisida Rsg-Gas, Prosiding Seminar Hasil Penelitian P2TRR 2003, p ANHAR R.A., Preparasi Input Relap5. (MODUL 10), Diklat Komputer RELAP5 Code, Bapeten Oktober DISKUSI Henky PTNBR BATAN : Tadi dikatakan bahwa rugi kalor dipipa diabaikan karena beda temperatur antara pipa dan lingkungan besar. Apa tidak terbalik bila beda temperatur besar rugi kalor ke lingkungan tidak boleh diabaikan? Sukmanto : Memang; tetapi dibanding kalor yang ditransfer dari primer ke sekunder maka heatloss relatif kecil. Hadid PTNBR BATAN : Saran : 1. Korelasi-korelasi two phrase pressure drop dalam Relap5 tidak konservatif untuk analisis voids/boiling pada kondisi atmospheric. Kita bisa buat riset untuk hal ini. 2. Untuk memodelkan Delay Chamber coba bandingkan P Relap dengan pengukuran P Delay Chamber di RSG-GAS. Dicek sama atau tidak. Ubah parameter input Kf dan Kb (Flow Resistance) supaya sama. 3. Cek kondisi boiling di teras menggunakan Boundary Card saja. Sukmanto : Terima kasih Reinaldy - PTNBR BATAN : Paket RELAP5.MOD.3 adalah dibuat untuk melakukan analisis terhadap reaktor-reaktor daya dengan sistem pendingin konveksi paksa. Tetapi dalam kajian ini, dilakukan analisis untuk proses pendinginan konveksi alamiah. Kira-kira dimana/bagaimana paket program RELAP5.MOD.3 mampu membaca bahwa hitungan yang ditinjau adalah proses konveksi alamiah? Sukmanto : Untuk melakukan analisis yang bukan reaktor daya maka diatur kondisi atmospheric dengan memberi Time Dependent Volume sebesar 1 ATM pada atas kolam reaktor. RELAP melakukan analisis Transien Thermal Hydrolic Force Convection dan Natural Convection. 260