ANALISIS OPTIMASI PENDINGIN PADA TABUNG TARGET FPM

Transkripsi

1 52 ISSN Endiah Puji Hastuti, dkk. ANALISIS OPTIMASI PENDINGIN PADA TABUNG TARGET FPM Endiah Puji Hastuti, Darwis, Asnul Sufmawan P2TRR - BATAN ABSTRAK ANALISIS OPTIMASI PENDINGIN PADA TABUNG TARGET FPM. Telah dilakukan analisis keselamatan akibat kekurangan pendingin pada tabung target yang dilapisi U-235 dengan massa 3 gr pengayaan tinggi 93,3% untuk prduksi radiistp Fissin Prduct Mlybdenum (FPM). Analisis dilakukan berdasarkan simulasi dengan asumsi bahwa letak tabung target tidak knsentris, akibatnya terdapat bidang yang mengalami kekurangan pendingin. Analisis dilakukan dengan menggunakan prgram COBRA IVi, mulai kndisi pendinginan nrmal hingga dry ut. Hasil analisis menunjukkan bahwa target yang hanya didinginkan dengan 1% pendingin akibat psisi yang tidak terpusat (incncentric) menyebabkan terlampauinya marjin keselamatan terhadap akhir pendidihan inti, dengan kndisi dua fase. Kata kunci : tabung target, dry ut, COBRA IVi. ABSTRACT COOLANT OPTIMATION ANALYSIS OF THE FPM CYLINDER TARGET. Safety analysis f the FPM cylinder target that cated by 3 gr U-235 with high enrichment f 93.3%, due t insufficient clant, was cmpleted. The purpse f the target t prduce Fissin Prduct Mlybdenum (FPM). The analysis prepared base n simulatin with assumptin that cylinder target is in cncentric psitin, as a cnsequence there is a area that has insufficient clant. Using COBRA IVi cde analysis the thermal hydraulic characteristic, by clant variatin frm nrmal cling until dry ut cnditin were carried ut. The analysis shw that the target cled by 1% clant due t incncentric psitin vilates the DNBR safety margin, with tw fase flw. Key wrds : cylinder target, dry ut, COBRA IVi. PENDAHULUAN F issin Prduct Mlybdenum (FPM) merupakan prduk radiistp 99 M yang diperleh dari hasil belahan prses iradiasi uranium di dalam teras reaktr. Target FPM adalah tabung baja yang di dalamnya dilapiskan U-235 berpengayaan tinggi dengan metda electrplatting sehingga membentuk lapisan film tipis. Adanya lapisan uranium ini mengakibatkan pembangkitan panas yang cukup tinggi di dalam tabung tersebut sehingga pen-dinginan harus mencukupi. Analisis keselamatan termhidrlika pada tabung pembangkit panas di RSG GAS sebagai fungsi berat U-235 yang dilapiskan telah dikejakan leh beberapa peneliti [1,2,3] dan hasil penelitian tersebut telah cukup mendukung pembuatan Lapran Analisis Keselamatan FPM [4]. Dalam penelitian tersebut analisis baru dilakukan sebatas kndisi aliran nrmal, menggunakan pendinginan yang cukup pada stringer berisi 4 tabung. Hal yang belum diperhitungkan adalah apabila tabung tidak men-dapat pendinginan yang memadai, dimana hal ini kemungkinan dapat melampaui marjin keselamatan yang diijinkan. Untuk melengkapi hasil analisis tersebut, berikut ini diuraikan hasil analisis karak-teristik termhidrlika tabung target apabila terjadi kekurangan pendingin, menggunakan stringer yang saat ini digunakan yaitu berisi 3 tabung. Kekurangan pendingin dapat terjadi apabila tabung tidak didinginkan secara cukup. Hal ini dapat juga terjadi pada suatu titik singgung apabila letak tabung target tidak knsentris. Analisis dilakukan pada daya nminal 30 MW dengan berat U-235 sebesar 3 gram. Hiptesis yang ingin dibukti-kan adalah apabila suatu dinding lgam yang mempunyai sumber panas dan panas tersebut tidak dapat dipindahkan dengan sempuma maka akan terjadi pemanasan lkal.

2 53 ISSN Endiah Puji Hastuti, dkk. Analisis dilakukan dengan memvariasi besar-nya laju alir yang mendinginkan tabung dari kndisi nrmal hingga tingkat "dry ut', menggunakan prgram perhitungan COBRA-IVi. TEORI Paket Prgram COBRA-IVi COBRA-IVi adalah prgram perhitungan termhidrlika untuk menganalisis kndisi tunak dan transien pada reaktr berbahan bakar tipe silinder/batang (rd), dengan metda analisis sub kanal. Persamaan kekekalan aliran dan energi diselesaikan dengan teknik persamaan beda hingga (finite difference) pada subchannel cntrl vlume. Temperatur bagian dalam silinder dihitung dengan persamaan knduksi panas [5]. Prgram COBRA-IVi digunakan untuk menghitung temperatur pendingin, kelngsng dan permukaan dalam dinding tabung, input prgram ini adalah : 1. Input sifat-sifat termhidrlika pendingin, yang memuat keterangan tentang tekanan jenuh, temperatur jenuh, vlume jenis, entalpi, visksitas, tegangan muka dan knduktivitas panas pendingin. 2. Input sifat-sifat termal target, yang memuat keterangan berkaitan dengan hantaran panas dalam target, seperti knduktivitas panas, panas jenis dan densitas target. 3. Input fluks panas di psisi aksial, fluks panas pada target FPM berasal dari fluks panas gamma dan fluks panas fissi. 4. Input gemetri subkanal, memuat keterangan tentang target subkanal, perimeter basah dan panas, lebar celah antara subkanal yang berbatasan dan lebar celah diantaranya. Analisis perhitungan termhidrlika pada tabung target menggunakan paket prgram COBRA IV-1 dilakukan dengan memdelkan tabung target dan kanal pendingin yang mengelilinginya sebagai kanal anulus. Perhitungan termhidrlika dilakukan dengan beberapa asumsi yaitu: 1. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan hasil pengukuran laju alir pendingin di psisi E Pembangkitan panas di dalam target berasal dari hasil panas fisi U-235 seberat 3 gr dan panas gamma berasal dari material penyusun target. 3. Massa U-235 dianggap terdistribusi merata sepanjang target dengan pembangkitan panas sepanjang target aktif mengikuti distribusi fluks aksial. 4. Perhitungan suhu pendingin, suhu kelngsng, rerugi tekanan dan marjin terhadap rasi akhir pendidihan inti minimum (MDNBR=Minimum Departure frm Nucleate Biling Rati) dilakukan pada kndisi tunak. 5. Analisis tidak memperhitungkan adanya kemungkinan tambahan panas yang berasal dari reaksi antara UO 2 dan air di dalam tabung target. 6. Analisis menggunakan data faktr puncak daya aksial maksimum dan suhu maksimum di sisi masuk stringer target. Data Masukan Data masukan yang digunakan dalam analisis ditunjukkan dalam Tabel 1. Skenari Kejadian Dianggap bahwa tabung target FPM bergeser dari kedudukannya karena penempatan yang tidak sempurna, dari psisi semula knsentris menjadi tidak knsentris, sehingga terjadi titik singgung antara tabung dan pengarah. Akibatnya terdapat bidang yang tidak didinginkan dengan sempurna, jika hal ini berlangsung terus maka akan terjadi kndisi "dry ut" dimana seluruh pendingin akan menguap. Pemdelan Dan Asumsi

3 Endiah Puji Hastuti, dkk. ISSN Gambar 1. Gambar tampang lintang atas tabung FPM. Tabel 1. Data masukan target FPM. PARAMETER Data Dimensi a. Luas kanal b. Perimeter panas c. Perimeter basah d. Panjang FPM aktif e. Jarak dari pusat titik kanal ke titik pusat kanal didekatnya f. Jarak antar dinding pipa g. Diameter pipa Knduktivitas Termal a. Helium b. Uranium c. Aluminium Densitas a. Helium b. Uranium c. Aluminium Panas Spesifik a. Helium b. Uranium c. Aluminium SI 5,458 cm 2 2,369 cm 2 5,919 cm 45,72 cm 2,40 cm 0,282 cm 3,00 cm 0,141 W/(mK) 2,424 W/(mK) 1,765 W/(mK) 0, gr/cm 3 18,7 gr/cm 3 2,699 gr/cm 3 5, J/(kgK) 123,51 J/(kgK) 0, J/(kgK)

4 55 ISSN Endiah Puji Hastuti, dkk. Data Operasi Reaktr Suhu inlet Laju alir (LA) pada psisi E-7 Fluks panas 44,5 C 43 m 3 /jam 10,5213 KW Dse rate pada daya 30 MW, rad/jam 1, Vlume uranium, cm 3 1,4675 Fluks panas (E+14), n/cm 2.det 0,6929 Pembangkitan daya, W/cc 86,60 LA di dalam target FPM, 10 6 lb/h.ft 2 /kg/jam.m 2 100% [6,7] 25% 10% 5% 5,932/28,9600 1,483/7,2400 0,593/2,8950 0,2965/1,4475 HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis dilakukan dengan mengevaluasi prses perpindahan panas dari tabung target ke pendingin pada kndisi (1) pendinginan nrmal yaitu lebar kanal pendingin tetap dan (2) tanpa ada aliran karena kanal pendingin tertutup. Analisis dilakukan dengan menggunakan paket prgram COBRA IV-i dengan data tingkat muat maksimum 3 gr dan fluks neutrn 2 l 0 14 n/cm 2 det. Analisis akibat bergesernya letak tabung yang mengakibatkan sebagian tabung target kurang dialiri leh air pendingin secara sempurna, disimulasi dengan mengurangi laju alir di dalam kanal pendingin. Hasil perhitungan marjin keselamatan pada prgram COBRA IV-i adalah batasan terhadap akhir pendidihan inti, dimana terdapat errr/penyimpang-an antara hasil eksperimen dan krelasi sebesar 30% [8] maka untuk marjin DNBR = 1, digunakan batasan DNBR dari hasil perhitungan harus 1,5. Untuk mengetahui pengaruh kanal yang tidak dialiri pendingin dilakukan dengan cara memvariasi laju alir pendingin secara ttal di dalam stringer. Dimana pengurangan laju alir ini juga berdampak pada berkurangnya laju alir pendingin di dalam kanal yang mengelilingi tabung target. Variasi laju alir pendingin dilakukan masing-masing sebesar 100%, 25%, 10% dan 1%, sedangkan parameter lainnya tidak diubah. Pengamatan dilakukan terhadap kecepatan dan suhu pendingin di dalam kanal pendingin yang mendinginkan tabung target, ada/tidaknya fraksi vid, suhu maksimum pendingin, suhu maksimum kelngsng tabung, suhu maksimum di permukaan lapisan U-235 (1P), suhu di pusat tabung (2P) dan MDNBR. Hasil perhitungan yang diamati ditampilkan di dalam Tabel 2. Tabel tersebut menam-pilkan nilai maksimum dari seluruh parameter termhidrlika. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa: 1. Pada pendinginan nrmal atau 100% yaitu sebesar 1,617 kg/s, kecepatan pendingin di sisi masuk kanal adalah sebesar 8,12 m/s. Dengan laju alir dan kecepatan pendingin sebesar ini fasa pendingin masih berbentuk fluida, hal ini ditunjukkan pula leh suhu pendingin di sisi keluar kanal dan suhu kelngsng tabung target masing-masing sebesar 66,78 C dan 95,33 C. Suhu di dalam tabung target di lapisan U- 235(1P) adalah sebesar 194,39 C. Marjin terhadap akhir pendidihan inti yang merupakan batas keselamatan adalah 8,635, hal ini menunjukkan bahwa pendingin mampu memindahkan panas yang dibangkitkan leh tabung target. 2. Apabila dianggap laju pendingin hanya 25% saja dari nminalnya atau sebesar 0,404 kg/s maka kecepatan pendinginpun menurun menjadi 2,03 m/s. Akibatnya suhu pendingin keluar kanal dan suhu kelngsng meningkat, masing-masing menjadi 80,27 C dan 160,72 C. Suhu pendi-ngin ini belum menyebabkan

5 Endiah Puji Hastuti, dkk. ISSN terbentuknya fraksi vid, akan tetapi telah terjadi pendidihan inti. Tabung yang hanya didinginkan dengan 25% laju alir ini mengakibatkan peningkatan suhu di dalam tabung target 1P menjadi 259,78 C. Akibatnya nilai batas keselamatan MDNBR berkurang pula menjadi 5,388. Marjin ini masih memenuhi batas keselamatan yang ditetapkan di atas. 3. Simulasi selanjutnya adalah apabila tabung target hanya didinginkan dengan laju alir pendingin sebesar 10% atau 0,162 kg/s, menyebabkan kecepatan pendingin semakin berkurang hingga menjadi 0,81 m/s. Suhu keluar kanal, suhu kelngsng, suhu 1P dan suhu 2P masing-masing adalah 107,18, C, 162,05 C, 261,11 C dan 603,11 C. Batas keselamatan MDNBR sebesar 4,096. Suhu jenuh belum terlewati (120 C). Hasil perhitungan ini menunjukkan bahwa apabila pendingin yang mendinginkan tabung target hanya 10%, belum melampaui batas keselamatan yang ditetapkan atau dengan kata lain target masih selamat. Keadaan tabung taget yang menempel atau tidak terdinginkan dianalisis dengan pendekatan laju alir pendingin hanya tersisa 1% atau 0,004 kg/s, hal ini menyebabkan kecepatan pendingin hanya 0,01 m/s. Suhu keluar kanal, suhu kelngsng, suhu 1P dan suhu 2P masing-masing adalah 137,34 C, 421,33 C, 520,39 C dan 862,39 C. Suhu pen-dingin telah melewati suhu jenuh, dan akibat debit yang sangat rendah dan suhu kelngsng yang cukup tinggi ini menyebabkan terbentuknya fraksi vid hingga mencapai 99,9% atau dapat dikatakan telah terbentuk lapisan film yang mengelilingi tabung target. Akan tetapi suhu kelngsng tabung target ini belum melampaui titik leleh tabung target yang terbuat dari SS. Terbentuknya fraksi vid yang mencapai 99,9% ini telah mengakibatkan terlam-pauinya batas keselamatan yang diijinkan. Distri-busi suhu pendingin, suhu kelngsng, dan suhu di permukaan lapisan dalam U-235 (1P) sepanjang arah aksial untuk setiap variasi laju alir ditampilkan pada Gambar 2 s/d Gambar 4. Input dan utput prgram perhitungan ini menggunakan sistem Inggris dan sistem internatinal sehingga keduanya diberikan pada Tabel 2. Tabel 2. Rangkuman hasil perhitungan parameter termhidrlika target FPM. PARAMETER LA = 100% LA = 25% LA = 10% LA = 1% Laju massa rerata, ,932 / 28,96 1,438 / 7,241 0,593 / 2,895 0,059 / 0,288 lb/h.ft 2 /kg/jam.m 2 LA pendingin di dalam kanal, 3,5657 / 1,617 0,8914 / 0,404 0,3566 / 0,162 0,0089 / 0,004 lb/s/kg/s, kg/jam.m 2 Kecepatan pendingin di kanal, ft/s/m/det Suhu pendingin keluar kanal, F/ C 26,6488 / 8,12 6,6622 / 2,03 2,6649 / 0,81 0,0357 / 0,01 120,20 / 66,78 144,49 / 80,27 192,93 / 107,18 247,22 / 137,34 Suhu maks. Kelngsng, F/ C 171,6 / 95,33 289,3 / 160,72 291,7 / 162,05 758,4 / 421,33 Suhu maks. Disperse U-235 (1P), F/ C 349,9 / 194,39 467,6 / 259,78 470,0 / 261,11 936,7 / 520,39 MDNBR 8,635 5,388 4,096 0 Fraksi vid, % ,9

6 57 ISSN Endiah Puji Hastuti, dkk. Gambar 2. Distribusi suhu pendingin di dalam kanal. Gambar 3. Distribusi suhu kelngsng tabung target FPM. Gambar 4. Temperatur permukaan lapisan dalam U-235 (1P). KESIMPULAN/SARAN Hasil analisis keselamatan tabung FPM yang diiradiasi pada daya 30 MW dan fluks neutrn

7 Endiah Puji Hastuti, dkk. ISSN sebesar 2 l0 14 n/cm 2 det. Diperleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Tabung target masih mampu didinginkan dengan laju alir pendingin sebesar 10% dari nilai nminalnya atau 0,162 kg/det. 2. Batasan keselamatan terhadap DNBR terlampaui apabila tabung target hanya didinginkan dengan 1% laju alir atau 0,004 kg/det. Tabung target terlapisi leh lapisan film (fraksi vid 99,9%). Suhu maksimum kelngsng tabung target mencapai 421 C, suhu sebesar ini belum melampaui titik leleh material pembentuk tabung target SS. 6. Kelmpk Tetmhidrlika PRSG, Pengukuran Distribusi Laju Alir Teras 10 GA Siwabesy, N.Ident. RSG/EFT/93/03/T10.01/P. 7. M.D. ISNAINI dkk., Prsedur Pengukuran Laju Alir Pada Stringer Iradiasi Berpengarah 3 Pipa, N Ident TRR.TR ENDIAH PUJI HASTUTI dkk., Analisis Keselamatan Termhidrlika Target FPM di Teras RSG-GAS, N. Ident.: TRR.TR , Rev.0, P2TRR-BATAN, Desember SARAN Adanya kemungkinan marjin keselamatan yang melampaui batas ini perlu dihindari dengan cara memberi spacer pada stringer. DAFTAR PUSTAKA 1. SUROSO, Optimasi Iradiasi Target M- 99 di Teras RSG-GAS, Prsiding Simpsium Fisika Nasinal XVIII, April 2000 : HUDI HASTOWO, SUKMANTO DIBYO, Perpindahan Panas Pada Target FPM di Reaktr MPR-30, Seminar Teknlgi Reaktr dan PLTN, Bandung, 2-4 September, WINTER DEWAYATNA, Analisis Keselamat-an Target FPM di Dalam Teras Reaktr RSG-GAS. 4. NN, Analisis Keselamatan Iradiasi Target FPM di Teras RSG-GAS, Analisis, N. Ident. : RSGOF1-FPM, Rev. 1, Pusat Reaktr Serbaguna, Januari C.L. WHEELER, et. al., Cbra-IVi: An Interim Versin f Cbra fr Thernal- Hydraulic Analysis f Rd Bundle Nuclear Fuel Elements and Cres. TANYA JAWAB VIS. Wardhani Mengapa harus diasumsikan bahwa letak tabung target tidak knsentric? Apakah memang letaknya demikian? Apakah prgram COBRA IVi adalh prgram untuk analisis keselamatan saja? Kegunaan yang lain untuk apa saja? Inputan prgram COBRA Ivi apa saja misalnya? Endiah Puji Hastuti Asumsi ini dilakukan untuk mensimulasi kndisi bagian tabung yang kekurangan pendingin, letaknya seharusnya knsentris. COBRA-IVi adalah prgram perhitungan termhidrlika untuk menganalisis kndisi terak dan transien pada reaktr berbahan bakar tipe silindris dengan metde analisis sub kanal, cnth penggunaan : analisis sub kanal PLTN jenis PWR. Input prgram dapat dilihat pada bagian teri dari makalah ini.