REAKTOR GRAFIT BERPENDINGIN GAS (GAS COOLED REACTOR)

Transkripsi

1 REAKTOR GRAFIT BERPENDINGIN GAS (GAS COOLED REACTOR) RINGKASAN Reaktor Grafit Berpendingin Gas (Gas Cooled Reactor, GCR) adalah reaktor berbahan bakar uranium alam dengan moderator grafit dan berpendingin gas karbon dioksida (CO 2 ). PLTN tipe GCR yang pertama kali dibangun dengan skala penuh adalah Calder Hall-1 60 MWe yang mulai dioperasikan pada tahun Reaktor ini mempunyai suatu kelemahan, yaitu mahal untuk daya yang besar. Tetapi dengan pertimbangan bahwa sebagai bahan bakar dapat digunakan uranium alam, faktor keselamatan tinggi, sudah pernah dibangun dan dioperasikan serta mempunyai cukup pengalaman operasi, maka PLTN tipe ini sebenarnya layak untuk dioperasikan secara komersial. Salah satu bentuk penyempurnaan PLTN tipe GCR pernah dioperasikan di Jepang dari tahun 1996, tetapi karena faktor ekonomi pada tahun 1998 PLTN tersebut ditutup. Pada PLTN Calder Hall, sebagai bahan pelapis dan kelongsong bahan bakar digunakan logam paduan magnox dengan magnesium sebagai bahan utamanya. Oleh karena itu reaktor ini sering disebut Reaktor Magnox. URAIAN Pada sekitar tahun 60-an di Inggris telah berhasil dikembangkan suatu PLTN berbahan bakar uranium alam dengan grafit sebagai moderator dan gas karbondioksida sebagai pendinginnya. Reaktor ini disebut sebagai Reaktor Grafit Berpendingin Gas (Gas Cooled Reactor, GCR). Reaktor pertama yang berhasil dibangun dinamakan sesuai dengan lokasi reaktor, yaitu Calder Hall. Tetapi karena bahan kelongsong yang digunakan adalah paduan magnox (bahan utamanya adalah magnesium) maka kemudian reaktor ini lebih terkenal dengan nama reaktor Magnox. Sesuai dengan fakta sejarah di atas, reaktor tipe Calder Hall dianggap sebagai PLTN tipe GCR pertama yang berhasil dibangun dan dioperasikan pada tahun 1956 dengan skala penuh. Tetapi, sebenarnya pada tahun 1954 di Uni Soviet telah berhasil dioperasikan PLTN GCR berdaya 5 MWe di Obninsk, reaktor inilah yang dianggap sebagai PLTN GCR pertama di dunia. Karakteristika reaktor PLTN tipe GCR ini adalah: Bahan bakar uranium alam, oleh karena itu tidak diperlukan fasilitas pengayaan uranium. Bahan moderator adalah grafit, yang dapat diproduksi dengan mudah, dan tidak diperlukan fasilitas khusus pengolahan air berat seperti pada reaktor bermoderator air berat. Bahan pendingin gas karbon dioksida, sangat mudah diproduksi. Bahan kelongsong magnox, mudah diproduksi seperti halnya stainless-steel. Reaktivitas-berlebih rendah, kerapatan daya rendah dan kapasitas panas grafit tinggi. Hal ini membuat tingkat keselamatan GCR menjadi tinggi. PLTN tipe GCR (Magnox) berdaya 166 MWe (585 MWt) pernah dibangun di Jepang pada tahun PLTN ini diimpor dari Inggris, setelah mengalami beberapa modifikasi dan penyempurnaan agar cocok untuk negara Jepang (desain dasar adalah PLTN Calder Hall). Reaktor PLTN tipe GCR ini dioperasikan sejak tahun 1966 oleh perusahaan listrik Tokai. Setelah beroperasi selama 30 tahun, pada Maret 1998 PLTN GCR ini ditutup. 1. Konstruksi GCR Untuk menjelaskan konstruksi PLTN tipe GCR digunakan data yang diwakili oleh PLTN GCR yang dioperasikan oleh perusahaan listrik Tokai. Pada Tabel 1 ditunjukkan parameter desain reaktor, Gambar 1 memperlihatkan tampang potongan dari gedung reaktor, konstruksi reaktor ditunjukkan dalam Gambar 2. Secara garis besar konstruksi PLTN ini sama dengan PLTN Calder Hall, tetapi pada saat reaktor ini direncanakan di Jepang masyarakat sedang memperhatikan masalah keselamatan PLTN. Karena itu dilakukan modifikasi dan penyempurnaan terhadap PLTN Calder Hall yang akan dibangun di Jepang, sehingga PLTN tipe GCR yang Ensiklopedi Teknologi Nuklir -BATAN - 1/15

2 dibangun di Jepang ini sering disebut PLTN modifikasi Calder Hall. Modifikasi yang dilakukan antara lain, bentuk blok grafit diubah dari berpenampang bujur sangkar menjadi segi enam (lebih tahan gempa), bentuk bahan bakar diubah dari silinder pejal ke silinder berlubang (hollow), penambahan sistem injeksi pendingin (gas) pada kondisi darurat. Terdapat berbagai jenis reaktor tipe GCR, di antaranya ada yang memiliki bejana reaktor yang berbentuk bola (GCR Tokai) dan silinder (GCR Calder Hall). Bahan bakar ada yang berbentuk silinder pejal (GCR Calder Hall) dan silinder berlubang (GCR Tokai). Sirip pendingin bahan bakar ada yang berbentuk melingkar, herringbone (Ù) dan memanjang. Blok grafit dalam GCR ada yang berbentuk penampang bujur sangkar dan segi enam. Teras reaktor tersusun dari blok grafit sebanyak buah yang dibentuk melingkar seperti silinder dalam 10 lapisan, dua lapis blok grafit di antaranya berfungsi sebagai reflektor. Di tengah susunan grafit tersebut terdapat kanal bahan bakar dengan penampang segienam sama sisi. Kanal bahan bakar yang dikelilingi oleh tumpukan grafit diisi dengan 8 buah elemen bahan bakar yang disusun bertumpuk rapat. Pada daerah antara kanal bahan bakar terdapat kanal batang kendali berupa bahan penyerap neutron (pipa berisi boron). Deskripsi sistem pendingin GCR diperlihatkan pada Gambar 3. Pada dua sisi di sekitar bejana reaktor terdapat 4 buah pembangkit uap (berupa alat penukar panas). Pendingin reaktor, yaitu gas karbondioksida, masuk melalui lubang tengah elemen bahan bakar, bergerak dalam kanal bahan bakar ke arah atas sambil mengambil panas dari bahan bakar. Gas pendingin bergerak ke atas melalui saluran gas panas menuju bagian atas teras. Selanjutnya gas masuk ke perangkat pembangkit uap bagian atas. Setelah mentransfer energi panas ke pendingin sekunder, gas keluar dari bagian bawah pembangkit uap. Selanjutnya gas disirkulasi melalui saluran gas dingin kembali menuju bejana reaktor. Dari pembangkit uap sisi sekunder dihasilkan uap panas lanjut (superheated) bertemperatur tinggi dan rendah. Uap panas lanjut bertemperatur tinggi memasok uap ke turbin tekanan tinggi (ada 2 unit) dan uap yang bertemperatur rendah memasok uap ke turbin tekanan rendah. 2. Pengendalian Daya Reaktor Pengendalian daya reaktor dilakukan dengan batang kendali yang terbuat dari bahan penyerap neutron. Dengan menarik keluar batang kendali dari teras reaktor, akan memberikan reaktivitas reaksi fisi yang positif. Sebagai akibatnya, temperatur bahan bakar dan moderator (terbuat dari grafit) naik. Dengan naiknya temperatur bahan bakar dan moderator, saat itu juga efek Doppler bekerja dan memberikan reaktivitas reaksi fisi yang negatif pada teras. Sebagai akibat dari efek ini peningkatan daya menjadi tertekan (tidak bisa naik secara bebas). Tetapi bahan moderator grafit mempunyai kapasitas panas yang besar, sehingga kenaikan temperatur agak lambat. Sementara itu reaktivitas positif terus diberikan ke teras sehingga membuat daya reaktor naik secara perlahan. Dengan adanya fenomena di atas dengan menarik atau memasukkan batang kendali ke dalam teras, daya reaktor dapat dikendalikan dengan mudah. Untuk menyesuaikan permintaan daya listrik dan daya reaktor, yang pertama dilakukan adalah membuat temperatur gas yang keluar dari reaktor selalu tetap, yaitu dengan cara mengatur laju alir gas yang disirkulasikan di teras reaktor. Jika pada suatu saat turbin pembangkit listrik berhenti, maka pasokan uap yang menuju turbin dibypass. Pada saat itu tekanan uap panas lanjut bertekanan rendah menjadi naik. Tekanan ini digunakan oleh mekanisme sirkulasi balik pada bagian akhir turbin sehingga putaran turbin pembangkit listrik mendadak menjadi turun. Dengan kondisi di atas, sirkulasi aliran gas pendingin menurun dan temperatur gas yang keluar dari turbin meningkat. Kenaikan temperatur gas akan memicu pengendali reaktor menyisipkan batang kendali ke teras yang selanjutnya menimbulkan efek turunnya daya reaktor. 3. Elemen Bahan Bakar dan Batang Kendali Gambar 4 memperlihatkan elemen bahan bakar dari PLTN GCR Tokai. Elemen bahan bakar terdiri dari cartridge bahan bakar dan pembungkus grafit (graphite sleeve). Cartridge bahan bakar terbuat dari silinder uranium alam yang berlubang di tengahnya dan dibungkus dengan kelongsong magnox. Panjang cartridge bahan bakar 71,4 cm, diameter lubang dalam 2,37 cm dan diameter luar 4,08 cm. Pada permukaan luar cartridge bahan bakar terdapat sirip melingkar berbentuk spiral. Agar logam uranium dapat bertahan tidak mengembang (sweling) selama reaktor beroperasi, dalam pembuatannya serbuk uranium dicampur dengan besi atau aluminium. Setelah itu dilakukan Ensiklopedi Teknologi Nuklir -BATAN - 2/15

3 pemanasan pada fase beta ( o C), selanjutnya dilakukan proses aniling pada fase alpha (di bawah 662 o C). Dengan perlakuan ini butir kristal menjadi lebih kecil, arah dan posisi kristal menjadi acak dan selanjutnya muai panjang dapat ditekan. Bahan kelongsong bahan bakar terbuat dari Magnox-Al 80, yaitu terdiri dari magnesium, aluminium ditambah dengan berilium. Seperti diperlihatkan pada Gambar 5, bentuk batang kendali adalah silinder berlubang tengah yang terbuat dari boron. Motor penggerak batang kendali dan penggulung kabel diletakkan pada stand-pipe dari bejana reaktor (bejana tekan). Batang kendali digolongkan menjadi batang kendali untuk pengendalian reaktivitas besar disebut kelompok penyesuai kasar, dan untuk pengendalian reaktivitas kecil disebut kelompok penyesuai halus yang dapat digerakkan secara otomatis. Selain dua kelompok batang kendali pengatur ini, reaktor juga dilengkapi dengan kelompok batang kendali pengatur pemerataan distribusi daya, dan kelompok batang kendali pengaman yang selalu siap tersedia di luar teras. Jika pada suatu saat terjadi kelainan operasi atau kondisi yang membahayakan, semua batang kendali secara bersamaan jatuh bebas dengan cepat menyisip masuk ke dalam teras hingga reaktor mati (disebut reaktor pancung atau reaktor scram). Untuk menjaga kemungkinan, jika karena suatu hal batang kendali tidak dapat jatuh, sistem perangkat pemberhenti darurat (Emergency Shutdown Drive, ESD) dioperasikan. Sistem ini berupa bola-bola logam boron (bahan penyerap neutron) berdiameter 8 mm yang dijatuh-hamburkan ke teras untuk menghentikan reaktor. 4. Sistem keselamatan teknik 1. Motor Pony Jika pipa saluran pendingin reaktor pecah atau robek, gas karbondioksida pendingin reaktor akan bocor ke luar, dan dalam reaktor dipenuhi dengan gas bertekanan. Untuk mendinginkan gas tersebut, maka gas perlu disirkulasi dalam reaktor dengan menggunakan motor pony yang digerakkan dengan tenaga disel (Gambar 3). 2. Fasilitas injeksi gas karbondioksida darurat Jika pipa saluran gas pendingin primer pecah, katup isolasi saluran gas tertutup. Pada saat ini, agar reaktor tetap mengalami pendinginan maka gas karbondioksida disirkulasi dalam reaktor. Selain sistem ini, pada PLTN tipe GCR Tokai terdapat sistem injeksi gas karbondioksida darurat (SRU), lihat Gambar 6. PLTN GCR di Inggris juga dilengkapi dengan SRU. Jika pada suatu reaktor GCR terjadi kecelakaan kebocoran pendingin gas, gas karbon dioksida dari tangki penampung gas cair diinjeksikan ke dalam bejana reaktor. Dengan cara ini gas dalam jumlah besar yang dapat menimbulkan oksidasi dapat dihalau keluar dari bejana reaktor. Selanjutnya dengan pendinginan yang cukup kerusakan bahan bakar dapat dihindarkan. 3. Fasilitas penghalau gas Apabila saluran gas pendingin pecah, maka tekanan sistem primer dan sekunder reaktor akan naik, tetapi dapat dikendalikan. Sementara itu di dalam bangunan reaktor akan dipenuhi dengan gas radioaktif, gas ini kemudian dilewatkan melalui penyaring, setelah bersih gas tersebut dapat di buang ke lingkungan. 5. Penggantian Bahan Bakar Penggantian bahan bakar dapat dilakukan pada saat PLTN sedang beroperasi. Bahan bakar baru diangkut dari gudang penyimpanan ke ruang persiapan pengisian, selanjutnya masing-masing setiap 8 buah bahan bakar dimasukkan ke tabung magazine. Mesin bongkar muat bahan bakar, setelah mengambil tabung magazine kemudian meletakkannya di stand pipe yang berhubungan dengan reaktor. Selanjutnya mesin bongkar-muat bahan bakar memposisikan diri rata dengan reaktor dan kemudian mengambil bahan bakar bekas dan menyisipkan bahan bakar baru ke reaktor. Sebagai catatan, bahwa bahan bakar baru sebelum dimasukkan ke teras reaktor harus dipanaskan terlebih dahulu, dan bahan bakar bekas yang keluar dari teras perlu pendinginan secukupnya. Ensiklopedi Teknologi Nuklir -BATAN - 3/15

4 6. GCR dari Inggris PLTN komersial tipe GCR pertama kali yang beroperasi di Inggris adalah reaktor Calder Hall No.1. Dari PLTN Calder Hall No.1 yang beroperasi pada tahun 1956 hingga PLTN Wylfa-2 yang dioperasikan pada 1972, di Inggris telah dibangun dan dioperasikan total 26 buah PLTN tipe GCR. Pada akhir tahun 2000 terdapat 18 buah PLTN tipe GCR yang masih beroperasi, sementara itu 8 buah diantaranya sudah ditutup (didekomisioning) seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Diantara reaktor tersebut, PLTN Wylfa 2 adalah PLTN dengan daya cukup tinggi (565 MWe) yang terakhir dibuka operasionalnya. Parameter disain utama dari Wylfa-2 ditunjukkan pada Tabel 3. Menurut perencanaan PLTN di Inggris, setelah PLTN Wylfa-2 Inggris tidak berencana untuk membangun PLTN tipe Magnox. Dalam hal PLTN GCR, reaktor Magnox akan dikembangkan lagi lebih lanjut menjadi Reaktor Pendingin Gas Maju (Advanced Gas-cooled Reactor, AGR). Selain itu ada pula rencana untuk berpindah ke PLTN tipe Reaktor Air Tekan (Pressurized Water Reactor, PWR). Seperti terlihat pada Tabel 4, PLTN tipe Magnox satu demi satu ditutup. Bentuk bejana tekan PLTN GCR terdistribusi merata (1:1) antara yang berbentuk bola dan silinder. PLTN GCR Calder Hall mempunyai bejana reaktor (bejana tekan) dengan bentuk silinder, sedang bejana reaktor pada PLTN modifikasi Calder Hall, yaitu PLTN GCR Tokai, mempunyai bentuk bola. 7. GCR di luar Inggris Dalam hal reaktor moderator grafit berpendingin gas karbon dioksida (GCR) yang berbahan bakar uranium alam, negara lainnya di luar Inggris juga ikut mengembangkan. Negara yang secara representatif mengembangkan GCR adalah Perancis, yang dari tahun 1959 hingga tahun 1972 telah mengoperasikan 8 buah reaktor tipe GCR. Setelah itu semua rencana pembangunan dan pengembangan PLTN diarahkan ke Reaktor Air Tekan. Oleh karena itu pada tahun 1994 lengkaplah semua GCR ditutup tanpa ada kelanjutan pembangunan GCR dikemudian hari. Negara lain yang mengoperasikan GCR adalah Jepang (GCR tipe Inggris), Italia (GCR tipe Inggris), Sanyol (GCR tipe Perancis), masing-masing mengoperasikan satu reaktor GCR, tetapi hingga saat ini semua reaktor tersebut telah ditutup. Seperti ditunjukkan pada Tabel 5, bahwa GCR yang akan ditutup ada 11 buah termasuk 8 buah di Inggris yang telah selesai ditutup. Selain reaktor GCR yang telah disebutkan di atas, Perancis memiliki satu GCR dengan pendingin udara biasa, yaitu reaktor MARKUR G-1. Ensiklopedi Teknologi Nuklir -BATAN - 4/15