Proposal Kunjungan Riset Kajian Desain dan Analisis Keselamatan Pebble Bed Reactor menggunakan Sistem Perangkat Lunak PEBBED Diajukan oleh Dr. Eng. Topan Setiadipura, M.Si. Pusat Teknologi dan Keselamatan Reaktor Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasional 2015
1. Latar Belakang Reaktor bertemperatur tinggi tipe Pebble Bed Reactor (PBR) merupakan salah satu desain reaktor nuklir yang menarik dari sisi keselamatan, aspek ekonomi, dan fleksibilitas desain ini untuk aplikasi kogenerasi nuklir [1]. Desain PBR memiliki sistem keselamatan melekat yang hanya bergantung pada mekanisme alamiah sehingga sistem teras reaktornya menjadi sangat sederhana. PBR menggunakan desain bahan bakar partikel berlapis,tristructural-isotopic (TRISO), sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1. Desain bahan bakar ini menjamin pengungkungan produk fisi yang sangat baik sehingga rilis zat radioaktif ke lingkungan sangat rendah dalam keadaan operasi reaktor apapun, bahkan dalam kondisi kecelakaan terparah sekalipun. Reaktor ini menggunakan grafit sebagai bahan reflektor juga matriks bahan bakar, hal ini meningkatkan keselamatan reaktor karena konduktifitas dan kapasitas panas grafit yang tinggi. Dari sisi neutronik, komposisi grafit pada reaktor ini juga meningkatkan spektrum termal neutron pada teras reaktor karena grafit memiliki kemampuan termalisasi neutron yang efektif. Sifat inert dari gas pendingin reaktor berupa helium mencegah terjadinya reaksi kimia dan fisika yang bisa merugikan performa reaktor. Fig. 1. Elemen bahan bakar bola dan partikel berlapis TRISO yang digunakan pada reaktor tipe Pebble Bed Reactor (PBR). Beberapa reaktor nuklir yang pernah di desain dengan tipe PBR dan masingmasing parameter reaktornya diberikan pada Tabel 1. Skema dari reaktor PBR dan komponen utamanya secara umum dapat dilihat dari skema reaktor HTR-10 pada Gambar 2. Table 1. Parameter Utama beberapa reaktor tipe PBR. 2
Fig. 2 Skema dan komponen utama reaktor HTR-10 [2] Desain reaktor PBR sangat cocok untuk digunakan dalam rangka memenuhi kebutuhan listrik dan panas di Indonesia. Populasi penduduk yang besar dan terdistribusi di banyak pulau memerlukan pembangkit listrik yang aman, handal, juga daya yang tidak terlalu besar. Disisi lain, potensi sumber alam di Indonesia memerlukan energi dalam bentuk panas untuk dapat dioleh lebih lanjut sehingga bisa dimanfaatkan dan memberi 3
nilai tambah bagi bangsa Indonesia. Sekitar tahun 1995, studi tentang desain PBR dan aplikasi listrik maupun kogenerasinya di Indonesia juga pengembangan perangkat lunak untuk desain dan analisis PBR telah dilakukan [3-6]. Perangkat lunak yang sempat dikembangkan saat itu, bernama BATAN-MPASS, dapat digunakan untuk analisis ekuilibrium teras PBR. Studi-studi terbaru terkait PBR [7,8] menunjukkan trend yang meningkat terhadap aplikasi PBR di Indonesia. Perangkat lunak baru untuk analisis teras PBR menggunakan metoda Monte Carlo juga dikembangkan di PTKRN-BATAN berbasis pada metoda MCPBR [9] dan telah digunakan untuk desain neutronik awal reaktor PBR [10]. Perngkat lunak ini mampu melakukan analisis sejak reaktor awal hingga equilibrium namun masih terbatas pada PBR dengan siklus Once-Through-Then- Out (OTTO). Pada tahun 2014, sebagai bagian dari kebijakan Nasional, BATAN memulai program Reaktor Daya Eksperimental (RDE) untuk mendesain, membangun, dan mengoperasikan sebuah reaktor eksperimen kecil yang menghasilkan daya listrik. Tipe dari RDE ini adalah reaktor PBR. Untuk mendukung program RDE, peningkatan kemampuan BATAN dalam melakukan desain dan analisis keselamatan reaktor tipe PBR adalah salah satu faktor penting. Salah satu lembaga riset yang unggul dalam bidang ini adalah Idaho National Laboratory (INL). Sejak tahun 2000, dibawah program Next Generation Nuclear Power plant (NGNP) dari Departement of Energy (DOE) Amerika Serikat, INL melakukan riset tentang PBR. Salah satunya adalah pengembangan perangkat lunak untuk desain dan analisis reaktor PBR bernama PEBBED [11]. Sama dengan BATAN-MPASS, PEBBED juga melakukan analisis teras ekuilibrium tanpa melalui fase awal (running-in phase). Namun, PEBBED memiliki algoritma solusi persamaan difusi yang mencakup metoda nodal (selain metoda beda hingga), juga metoda yang berbeda dalam memperoleh kondisi ekuilibrium dimana burnup diperlakukan sebagai fluida incompressible yang kemudian dapat dimodelkan dalam persamaan kontinu. Fitur lain yang unik dan menjadi keunggulan dari PEBBED adalah keberadaan metoda optimasi desain menggunakan algoritma genetik [12]. Algoritma optimasi ini sangat efektif dalam mencari desain optimum yang diinginkan. PEBBED telah digunakan untuk desan dan optimasi berbagai 4
desain PBR, juga telah diverifikasi melalui perbandingan hasil analisis dengan perangkat lunak VSOP dari Julich Jerman [13,14,15]. Memperoleh perangkat lunak PEBBED, memahami metoda yang digunakannya dan mampu untuk menggunakannya akan meningkatkan kemampuan BATAN dalam desain dan analisis keselamatan PBR. Kunjungan riset ke INL untuk mempelajari PEBBED langsung dibawah bimbingan pengembangnya adalah cara terbaik dan efektif untuk bisa mendapatkan dan menguasai perangkat lunak ini. 2. Tujuan Kunjugan Riset i. Mempelajari aspek fisis dan komputasi dari metoda desain dan analisis keselamatan PBR berdasarkan perangkat lunak PEBBED. ii. Mempelajari penggunaan perangkat lunak PEBBED dan melakukan studi kasus untuk desain dan analisis keselamatan PBR. iii. Melakukan riset awal optimasi desain PBR. 3. Dampak dan Tindak Lanjut Kunjungan Riset i. Meningkatnya pemahaman akan aspek fisis dan komputasi dari desain dan analisis keselamatan PBR. Hal ini sangat penting untuk mendukung pencapaian program pengembangan perangkat lunak untuk desain dan analisis PBR yang telah dimulai secara inter di PTKRN-BATAN. Pemahaman inipun bermanfaat dalam melakukan pendampingan dalam proses desain RDE. ii. Mampu melakukan desain dan analisis keselematan PBR (dengan siklus OTTO ataupun Multipass) menggunakan perangkat lunak PEBBED. Kemampuan ini bermanfaat secara khusus mendukung pencapaian riset desain PBR yang secara 5
internal dimulai di PTKRN-BATAN. Dalam tahap desain RDE, dengan kemampuan ini maka PTKRN-BATAN bisa berperan lebih baik dengan memberikan analisis pembanding terhadap analisis yang diberikan oleh konsultan desain RDE. iii. Semakin kuat dan meluasnya jejaring dan kolaborasi riset BATAN dengan pusatpusat keunggulan dunia khususnya di bidang desain PBR. iv. Terbukanya peluang untuk melakukan diseminasi perangkat lunak dan metoda untuk desain dan analisis PBR kepada lembaga riset dan perguruan tinggi di Indonesia. Keberadaan perangkat lunak PEBBED dapat mempercepat diseminasi ini, sementara melakukan pengembangan secara internal. Diseminasi ini sangat strategis untuk memperbanyak lembaga dan periset yang melakukan R&D terkait PBR. Hal ini akan memperkuat performa riset BATAN bahkan secara nasional dan pada akhirnya dapat mendukung pencapaian program RDE. Untuk mencapai hal-hal diatas, direncakan untuk melakukan tindak lanjut yang akan dilaksanakan setelah kunjungan riset ini yang mencakup: 1. Coaching internal di PTKRN-BATAN sebagai bentuk diseminasi perangkat lunak PEBBED secara internal. Dan lebih jauh memanfaatkan PEBBED sebagai salah satu sarana riset di PTKRN-BATAN. Untuk riset desain PBR maka PEBBED dapat langsung digunakan sebagai alat desain dan analisis keselamatan. Sedangkan untuk riset pengembangan perangkat lunak maka PEBBED menjadi salah satu perangkat lunak referensi yang menjadi objek dalam proses reverse engineering yang akan dilakukan di PTKRN-BATAN. 1
2. Memanfaatkan PEBBED dalam program RDE sebagai salah satu sarana dari Tim Imbangan BATAN khususnya terkait desain konseptual dan laporan analisis keselamatan. 3. Melakukan komunikasi kepada jejaring riset BATAN di lembaga penelitian atau perguruan tinggi untuk bisa melakukan kerjasama mengadakan diseminasi perangkat lunak PEBBED juga menawarkan kolaborasi riset terkait desain dan analisis PBR. 4. Lokasi dan Pendamping Kunjungan Riset Kunjungan riset ini akan dilakukan di Idaho National Laboratory (INL), 2525 Fremont Avenue, Idaho Falls, Amerika Serikat. Secara khusus, kunjugan riset ini akan dibimbing dan didampingi oleh Dr. Hans D Gougar, Deputy Technical Director of Advanced Reactor Technology High Temperature Reactor Technology Development Office. Dr. Gougar terlibat dalam proses pengembangan, uji, dan pemanfaatan PEBBED sejak awal. 5. Jadwal Kunjungan Riset Kunjungan riset dijadwalkan selama 4 pekan, 31 August 25 September 2015. Jadwal detail pekanan dari kunjungan riset adalah sebagai berikut : Waktu Pekan Pertama (31 August 4 Sept.) Activities Administratif. Orientasi laboratorium. Studi perangkat lunak PEBBED : Instalasi dan pengenalan umum Studi perangkat lunak PEBBED : Data nuklir dan perhitungan spektrum Studi perangkat lunak PEBBED : Perhitungan neutronik teras dan analisis burnup (1). 1
Pekan Kedua (7 11 Sept.) Pekan Ketiga (14 18 Sept.) Pekan Ketiga (21 25 Sept.) Studi perangkat lunak PEBBED : Perhitungan neutronik teras dan analisis burnup (2). Studi perangkat lunak PEBBED : Perhitungan termal hidraulik teras. Studi perangkat lunak PEBBED : Analisis transien dan kecelakaan. Studi kasus desain dan analisis kecelakaan PBR menggunakan PEBBED. Diskusi hasil studi kasus. Diskusi studi lanjutan dan rencana kolaborasi riset. Detail tanggal diatas diberikan sebagai jadwal tentatif. Jadwal diatas dapat berubah bergantung pada waktu yang diperlukan untuk proses administrasi kunjungan riset ini. Kesimpulan Kunjungan riset untuk mendapatkan dan menguasai perangkat lunak PEBBED dibawah bimbingan langsung dari pengembang awalnya di INL telah diajukan. Kunjungan riset ini dijadwalkan selama 4 pekan mencakup studi penggunaan PEBBED, pemahaman metoda yang digunakan, dan studi kasus untuk optimasi desain PBR. Secara umum, kunjungan riset ini dapat mendukung program RDE dengan meningkatkan kemampuan BATAN untuk melakukan desain dan analisis keselamatan PBR. References 1. A.C. Kadak, Int. J. Critical Infrastructures 1 (2005) 330 2. Y. Xu and K. Zuo, Nucl. Eng. Des. 218 (2002) 13 3. P.H. Liem, Ann. Nucl. Energy 21 (1994) 281 4. P.H. Liem, Ann. Nucl. Energy 23 (1996) 207 5. B. Arbie and Y.R. Akhmad, Is there a chance for commercializing the HTGR in Indonesia, High temperature gas cooled reactor technology development, IAEA- TECDOC-988 (1996). 2
6. A.N. Lasman and M.D. Isnaeni, The EOR system in DURI: Comparison between conventional and non-conventional systems, High temperature gas cooled reactor technology development, IAEA-TECDOC-988(1996). 7. Suwoto and Zuhair, Effect of latest nuclear cross section library on neutronic design calculation of RGTT200K core, Proceeding of 18 th National Seminar on Technology and Safety of NPP and Nuclear Facilities, Indonesia (2012) 502. (in Indonesian) 8. Zuhair, Suwoto, and P.I. Yazid, Jurnal Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia 14 (2013) 65. (in Indonesian) 9. T. Setiadipura, D.Irwanto, Zuhair, Preliminary Neutronic Design of High Burnup of OTTO Cycle Pebble Bed Reactors, Atom Indonesia Journal 1 (1),2015 10. T. Setiadipura and T. Obara, Ann. of Nucl. Energy 71 (2014) 313 11. W.K. Terry, H.D. Gougar, A.M. Ougouag, Direct deterministic method for neutronics analysis and computation of asymptotic burnup distribution in a recirculating pebble-bed reactor, Ann. Of Nucl. Energy 29 (2002) 1345-1364 12. H.D. Gougar, A.M. Ougouag, W.K. Terry, K.N. Ivanov, Design of PBR using genetic algorithms, Proceedings of 2 nd International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology, Beijing, China, 2004. 13. A.M. Ougouag, H.D. Gougar, W.K. Terry, Optimal moderation in the PBR for enhanced passive safety and improved fuel utilization, Proceedings of PHYSOR 2004 The Physics of Fuel Cycle and Advance Nuclear Systems: Global Developments, Chicago, US, 2004. 14. B.D. Ganapol, H.D. Gougar, A.M.Ougouag, A 2D benchmark for the verification of the PEBBED code, INL Internal Reports, INL/CON-07-13375, 2008. 15. H.D. Gougar, F. Reitsma, W. Joubert, A comparison of pebble mixing and depletion algorithms used in PBR equilibrium cycle simulations, INL Internal Report, INL/CON-09-15510, 2009. 3