SIMULASI PENGUJIAN KEKUATAN MEKANIK WADAH BAHAN BAKAR PADA BULK SHIELDING REAKTOR KARTINI MENGGUNAKAN CATIA V5 R20 Dedy Haryanto Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir-BATAN Email : ptrkn@batan.go.id Tri Nugroho, Umar Sahiful Hidayat, Taxwim, Puradwi I.W ABSTRAK SIMULASI PENGUJIAN KEKUATAN MEKANIK WADAH BAHAN BAKAR PADA BULK SHIELDING REAKTOR KARTINI MENGGUNAKAN CATIA V5 R20. Fasilitas wadah bahan bakar pada bulk shielding berfungsi sebagai penyimpan bahan bakar sementara. Wadah bahan bakar tersebut terbuat dari material paduan aluminium (alloy 43) dan strukturnya dari baja karbon atau Carbon Steel ASTM A36. Untuk mengetahui kekuatan wadah tersebut khususnya jika terjadi gaya dari luar seperti gempa bumi/seismik maka perlu dilakukan pengujian kekuatan mekanik. Pengujian dilakukan secara simulasi menggunakan software CATIA V5 R20, meliputi pengujian tegangan mekanik dan pengujian translational displacement. Karena material wadah dan struktur berbeda maka simulasi pengujian dilakukan secara terpisah pada masing-masing bagian. Hasil pengujian didapatkan tegangan mekanik terbesar pada wadah bahan bakar sebesar 2,02 x 104 N/m 2 dan pada struktur wadah bahan bakar sebesar 6,99 x 106 N/m 2. Hasil tersebut masih lebih kecil jika dibandingkan dengan yield strength masing-masing material yang digunakan dan berada pada daerah elastis material. Hasil pengujian translational displacement terbesar wadah bahan bakar sebesar 1,18 x 10-6 mm dan pada struktur wadah bahan bakar sebesar 0,105 mm tidak mengakibatkan perubahan bentuk. Dengan demikian wadah bahan bakar pada bulk shielding yang terdiri dari wadah dan struktur aman untuk menerima tekanan pengoperasian ketika digunakan. Kata kunci : Wadah bahan bakar, bulk shielding, pengujian kekuatan mekanik ABSTRACT SIMULATION OF MECHANICAL STRENGTH TESTING FOR THE FUEL CONTAINERS IN BULK SHIELDING AT KARTINI REACTOR USING CATIA V5R20. Fuel container facility at bulk shielding serves as a temporary fuel storage. The fuel container made of aluminum alloy (alloy 43) material and structure made of carbon steel ASTM A36. To know the strength of the container especially if outside force like an earthquake/seismic occurs, so the testing of mechanical strength need to be done. Testing was carried out by simulations using CATIA V5 R20 software. covers mechanical stress and translational displacement testing. Since the materials for container and structure were different, so simulation of testing performed separately.the test results obtained the greatest mechanical stress on the fuel container is 2.02 x 10 4 N/m 2 and the structure of the fuel container is 6.99 x 10 6 N/m 2. These results are less than the yield strength values of the container and structure materials, and is in elastic region of the materials. The test results of the largest translational displacement of the fuel container is 1.18 x 10-6 mm and the structure of the fuel container is 0.105 mm, and have no changes in shape. Thefore the fuel container on the bulk shielding consist of the container and structure are secure to have the pressure of the operation when used. Key words: fuel containers, bulk shielding, mechanical strength testing Dedy Haryanto, dkk. ISSN 1410 8178 Buku II hal. 435
PENDAHULUAN R eaktor Kartini di Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan mempunyai fasilitas bulk shielding yang berfungsi sebagai kolam penyimpan bahan bakar sementara. Sejak pertama di isi air tahun 1979 s/d Agustus 2008 (29 tahun) belum pernah dikeringkan. Pada tahun 2008 diambil kebijakan untuk membuat pemisah antara kolam penyimpan bahan bakar dengan dinding biological shielding, caranya dengan membuat wadah bahan bakar dari material paduan aluminium (Aluminium alloy 43) dengan ukuran kurang lebih setengah dari ukuran bulk shielding. Wadah bahan bakar juga berfungsi sebagai perisai radiasi sumber radiasi dari teras reaktor sekaligus dipergunakan untuk penyimpanan bahan bakar bekas di bulk shielding [1]. Untuk menyakinkan bahwa wadah bahan bakar aman bagi pekerja, telah dilakukan kajian keselamatan radiologi dan telah dilakukan pengukuran paparan radiasi setiap reaktor beroperasi. Hasilnya tidak ada batas kondisi operasi yang dilanggar. Disamping dilakukan kajian keselamatan radiologi, juga dilakukan pengujian secara simulasi untuk mengetahui kekuatan mekanik pada wadah tersebut. Pengujian secara simulasi tersebut menggunakan software CATIA V5 R20 [2]. Dengan melakukan simulasi pengujian dapat diketahui kekuatan mekanik akibat tekanan operasi reaktor dan kemungkinan gaya dari luar seperti beban seismik/gempa bumi. Makalah ini membahas tentang kekuatan mekanik wadah bahan bakar termasuk strukturnya. Simulasi pengujian kekuatan mekanik pada wadah dan struktur bertujuan untuk mengetahui besar tegangan mekanik dan translational displacement yang timbul akibat beban tekanan pengoperasian. Simulasi pengujian meliputi tegangan mekanik dan translational displacement yang terjadi pada wadah bahan bakar yang dibuat dari paduan Aluminium (aluminium alloy 43) dan struktur wadah bahan bakar pada bulk shielding yang dibuat dari baja karbon atau ASTM (American Society for Testing and Materials ) A36 akibat pembebanan berupa tekanan. Pengujian secara simulasi untuk wadah dan strukturnya dilakukan secara terpisah karena material yang digunakan berbeda. Simulasi pengujian dilakukan melalui pembuatan model 3- dimensi dengan mengacu pada desain wadah dan struktur wadah. Hasil simulasi pengujian dapat diperoleh besar tegangan mekanik dan translational displacement pada kedua obyek tersebut. Besarannya tegangan mekanik yang terjadi diharapkan tidak melebihi yield strength paduan Aluminium (aluminium alloy 43) dan Carbon Steel ASTM A36 dan translational displacement yang terjadi tidak mengakibatkan perubahan bentuk. DISKRIPSI WADAH BAHAN BAKAR Wadah bahan bakar pada bulk shielding merupakan kolam penyimpan bahan bakar sementara sekaligus sebagai fasilitas iradasi jika diperlukan (berada dekat dengan thermalizing coloumn). Wadah bahan bakar ini diperkuat dengan menggunakan struktur. Fasilitas ini dibuat untuk tujuan memastikan bahwa biological shielding kolam reaktor tetap kering dengan melakukan isolasi air dari bulk shielding terhadap biological shielding. Desain wadah bahan bakar dibuat dari paduan aluminium (aluminium alloy 43) dengan ukuran 1120 mm x 2300 mm x 3740 mm, dan tebal 3 mm ditampilkan pada Gambar 1. Gambar 1. Desain wadah bahan bakar [1] Gambar 2. Desain struktur wadah bahan bakar [1] Struktur wadah berfungsi untuk memperkokoh posisi wadah dibuat dari carbon steel ASTM A36 tipe I beam (besi I) dan UNP (besi U). Buku II hal. 436 ISSN 1410 8178 Dedy Haryanto, dkk
Ukuran struktur 2430 mm x 1425 mm x 3800 mm. Desain struktur wadah ditampilkan pada Gambar 2 dan gabungan antara wadah dan strukturnya ditampilkan pada Gambar 3. Wadah bahan bakar dan strukturnya yang sudah dikonstruksi atau digabungkan menjadi satu dimasukkan kedalam bulk shielding ditampilkan pada Gambar 4. Wadah bahan bakar dibuat dari paduan aluminium sedangkan struktur wadah dibuat dari carbon steel ASTM A36 dengan sifat mekanik pada temperatur 25 C ditampilkan pada Tabel 1. TATA KERJA Tahapan yang dilakukan dalam melakukan simulasi pengujian kekuatan mekanik wadah bahan bakar adalah sebagai berikut : Pembuatan model 3-dimensi. Pada tahapan ini model 3-dimensi dibuat menggunakan software CATIA V5 R20 dengan mengacu pada disain wadah dan struktur wadah. Model yang dihasilkan dalam bentuk 3-dimensi sehingga pengujian dapat dilakukan terhadap model tersebut. Model wadah dan struktur wadah dilengkapi dengan sifat-sifat mekanik dari material yang digunakan sebagai data masukan meliputi young s modulus, density, thermal expansion dan yield strength serta poisson ratio seperti terlihat pada Gambar 5. Gambar 3. Wadah bahan bakar dan strukturnya Sifat mekanik paduan aluminium Gambar4. Wadah bahan bakar dan strukturnya didalam bulk shielding [3] Tabel 1. Sifat mekanik material Paduan Aluminium (aluminium alloy 43) [4] Density (kg/m 3 ) = 2710 Poisson s Ratio = 0,346 Young Modulus (N/m 2 ) = 7x10 10 Yield Strength (N/m 2 ) = 9,5x10 7 Thermal Expansion (/K) = 2,36x10 5 Carbon Steel ASTM A36 [5] Density (kg/m 3 ) = 7860 Poisson s Ratio = 0,266 Young Modulus (N/m 2 ) = 2x10 11 Yield Strength (N/m 2 ) = 2,5x10 8 Thermal Expansion (/K) = 1,17x10 5 Sifat mekanik Carbon Steel ASTM A36 Gambar 5. Data masukan berupa sifat mekanik material Pembebanan Data pembebanan berupa tekanan yang mensimulasikan tekanan hidrostatik diasumsikan tersebar merata pada dinding bagian dalam wadah. Sedangkan pembebanan pada struktur adalah tekanan hidrostatik dan berat wadah bahan bakar. Masukan data simulasi beban terlihat pada Gambar 6. Dedy Haryanto, dkk. ISSN 1410 8178 Buku II hal. 437
Gambar 6. Data masukan berupa beban tekanan hidrostatik Restraint Restraint mensimulasikan model 3-dimensi pada kondisi statis sebenarnya. Restraint ditempatkan pada sisi luar bagian depan, belakang, samping kanan dan kiri serta bagian bawah dari wadah. Restraint tersebut mensimulasikan struktur yang memegang bagian-bagian wadah. Sedangkan restraint pada struktur pada bagian bawah, belakang, samping kanan dan kiri yang mensimulasikan lantai dan dinding-dinding yang memegang bagian dari struktur. Restraint harus diberikan pada model karena tanpa adanya restraint maka pengujian secara simulasi tidak dapat dilakukan. Simulasi pengujian kekuatan mekanik Pengujian kekuatan mekanik meliputi pengujian tegangan mekanik dan translational displacement menggunakan model 3-dimensi yang telah diperoleh. Besaran tersebut dibandingkan dengan kekuatan material yang digunakan pada disain wadah dan struktur wadah bahan bakar sehingga dapat diketahui kekuatan mekanik dan keamanannya ketika digunakan. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Perhitungan Simulasi pengujian kekuatan mekanik meliputi pengujian tegangan mekanik dan pengujian translational displacement. Kedua pengujian tersebut dilakukan terhadap wadah dan struktur wadah secara terpisah. Pengujian kekuatan mekanik wadah bahan bakar Beban tekanan pada wadah bahan bakar berupa tekanan hidrostatik yang menekan kesegala arah. Besar beban tekanan tersebut dapat dihitung menggunakan persamaan [6] p 2 g h N m (1) dimana; p= tekanan (N/m 2 ) ρ= densitas (kg/m 3 ) g= percepatan gravitasi (m/s 2 ) h= kedalaman (m) Dengan menggunakan persamaan diatas, maka besarnya tekanan maksimal yang mengenai dinding bagian dalam (diasumsikan merata) pada wadah dapat dihitung yaitu : p = 1000 (kg/m 3 ) x 10 (m/s 2 ) x 3,740 (m) = 37400 (N/m 2 ) Tekanan hidrostatik sebesar 37400 N/m 2 merupakan beban yang harus ditanggung oleh dinding bagian dalam wadah, sedangkan seluruh dinding bagian luar ditahan menggunakan struktur wadah berupa besi U dan besi I. Hasil simulasi pengujian tegangan mekanik wadah bahan bakar ditampilkan pada Gambar 7. Dari Gambar 7 terlihat bahwa hampir seluruh bagian wadah mengalami tegangan mekanik sebesar 1,82 x 10 4 N/m 2 sampai dengan 2,02 x 10 4 N/m 2, hal tersebut diperlihatkan dengan warna merah. Pengujian translational displacement bertujuan untuk mengetahui perpindahan elemen yang terjadi pada wadah bahan bakar akibat adanya tekanan sebesar 37400 N/m 2 pada dinding bagian dalam wadah bahan bakar dan tumpuan pada dinding bagian luar yang dilakukan oleh struktur. Hasil simulasi pengujian menggunakan software CATIA V5 R20 ditampilkan pada Gambar 8. Gambar 7. Hasil simulasi pengujian tegangan mekanik pada wadah bahan bakar Buku II hal. 438 ISSN 1410 8178 Dedy Haryanto, dkk
Gambar 8. Hasil simulasi pengujian Translational Displacement pada wadah bahan bakar Dari Gambar 8 terlihat bahwa besarnya translational displacement pada seluruh dinding bagian luar bak sebesar 0 (nol) mm yang diperlihatkan dengan warna biru. Hal ini terjadi karena seluruh dinding bagian luar wadah ditahan oleh struktur besi U dan besi I. Sedangkan pada dinding bagian dalam translational displacement besarnya antara 1,07 x 10-6 mm - 1,18 x 10-6 mm diperlihatkan dengan warna merah. Translational displacement maksimal yang terjadi masih dapat diterima karena hal tersebut tidak mengakibatkan perubahan bentuk pada wadah bahan bakar Pengujian kekuatan mekanik struktur wadah bahan bakar Beban yang harus ditanggung oleh struktur bagian bawah berupa berat air dan berat wadah bahan bakar dapat dihitung dengan persamaan [6] : w m g (2) w V g (3) dimana ; w = tekanan (N/m 2 ) m = masa (kg) ρ = densitas (kg/m 3 ) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) V = volume (m 3 ) Dengan menggunakan software CATIA V5 R20, persamaan diatas dapat dihitung sehingga besarnya masa dan volume wadah dapat diketahui, seperti ditampilkan pada Gambar 9 Dengan menggunakan persamaan (2) dan (3) dapat dihitung berat wadah dan berat air sebagai berikut : Berat wadah : W b m g 205,889 10 2058,89 N Berat air W a m g W a 1000 0,076 10 760N Berat wadah dan air Wtot = 2058,89 + 760 = 2818,89 N. Gambar 9. Hasil perhitungan masa dan volume wadah menggunakan software CATIA V5 R20 Struktur bagian bawah terdiri dari 4 buah struktur sehingga masing-masing struktur bagian bawah menerima beban kearah bawah sebesar : W struk 2818,89 :4 704,7225 N Besar tekanan yang mengenai dinding struktur bagian dalam sebesar tekanan hidrostatik dan di asumsikan merata sebesar 37400 N/m 2. Sedangkan restraint terjadi pada bagian belakang, samping kanan dan kiri serta bagian bawah dari bagian sisi struktur mensimulasikan posisi struktur yang menempel pada dinding beton pada ketiga sisinya. Hasil simulasi pengujian tegangan mekanik pada struktur wadah bahan bakar ditampilkan pada Gambar 10. Dedy Haryanto, dkk. ISSN 1410 8178 Buku II hal. 439
Gambar 10. Hasil simulasi pengujian tegangan mekanik pada struktur wadah bahan bakar Gambar 11. Hasil simulasi pengujian translational displacement pada struktur wadah bahan bakar Hasil tersebut menunjukkan bahwa tegangan mekanik terbesar terjadi pada bagian tengah struktur yang tidak menempel pada dinding beton. Besar tegangan mekanik yang terjadi antara 2,33 x 10 6 N/m 2 (warna biru muda) sampai dengan 6,99 x 10 6 N/m 2 (warna kuning). Sedangkan translational displacement pada struktur yang terjadi ditampilkan pada Gambar 11. Hasil perhitungan translational displacement menggunakan software CATIA V5 R20 menunjukkan translational displacement terjadi pada bagian tengah struktur yang tidak menempel pada dinding beton. Besarnya translational displacement bervariasi (ditunjukkan dengan warna), displacement terbesar terjadi pada bagian tengah dari struktur paling atas, yaitu sebesar 0,105 mm (warna merah). Pembahasan Hasil pengujian secara simulasi menggunakan software CATIA V5 R20 besar tegangan mekanik yang terjadi pada bak sebesar 1,82 x 10 4 N/m 2 sampai dengan 2,02 x 10 4 N/m 2 pada seluruh permukaan. Hal ini disebabkan karena seluruh permukaan dinding luar ditumpu oleh struktur akibatnya tegangan mekanik membesar terjadi pada hampir seluruh permukaan bak. Tetapi tegangan mekanik terbesar yang terjadi masih jauh dibawah yield strength paduan aluminium sebesar 9,5 x 10 7 N/m 2 dan masih berada didaerah elastis material paduan aluminium. Sedangkan tegangan mekanik yang terjadi pada struktur bak antara 2,33 x 10 6 N/m 2 (warna biru muda) sampai dengan 6,99 x 10 6 N/m 2 (warna kuning) terjadi pada sisi yang tidak bertumpu (menempel) dinding beton dibagian Buku II hal. 440 ISSN 1410 8178 Dedy Haryanto, dkk
atas. Jika dibandingkan dengan yield strength material Carbon Steel ASTM A36 yang digunakan sebesar 2,5 x 10 8 N/m 2 tegangan mekanik yang timbul masih lebih kecil dan masih berada didaerah elatis material. Sehingga jika beban berupa tekanan dihilangkan maka wadah dan struktur wadah bahan bakar akan kembali ke bentuk semula. Hasil pengujian translational displacement terbesar pada wadah sebesar 1,18 x 10-6 mm terjadi pada dinding bagian dalam dan relatif sangat kecil. Dinding bagian luar tidak mengalami displacement karena bertumpu pada struktur bulk shielding. Sedangkan pada struktur translational displacement terbesar sebesar 0,105 mm pada bagian tengah atas, hal ini menunjukkan bahwa pada bagian tersebut merupakan bagian terlemah dari struktur. Translational displacement sebesar 0,105 mm relatif sangat kecil jika dibandingkan dengan dimensi struktur sehingga displacement yang terjadi tidak mengakibatkan perubahan bentuk pada struktur. Pada wadah dan struktur bahan bakar tidak terjadi perubahan bentuk karena tegangan mekaniknya masih dibawah yield strength dari masing-masing material yang digunakan dan translational displacement yang terjadi relatif kecil sehingga tidak merubah bentuk. Untuk memperjelas translational displacement yang terjadi pada wadah dan strukturnya, maka hasil simulasi pengujian translational displacement diperlihatkan dengan perbesaran 5000 kali ditampilkan pada Gambar 12. Gambar 12. Hasil simulasi pengujian translational displacement dengan perbesaran 5000 kali Pada perbesaran 5000 kali seperti terlihat pada Gambar 12 wadah tidak mengalami perubahan bentuk karena kelima sisi kecuali bagian atas dari bak ditumpu oleh struktur. Sedangkan pada struktur wadah terlihat mengalami perubahan bentuk pada bagian atas sisi yang tidak bertumpu pada dinding beton. Tetapi translational displacement yang terjadi pada struktur terbesar 0,105 mm dan hal ini tidak memberikan risiko yang berarti. Dengan demikian fasilitas wadah bahan bakar pada bulk shielding yang terdiri dari wadah bahan bakar dari material paduan aluminium dan struktur wadah dari material carbon steel ASTM A36 aman untuk menerima tekanan pengoperasian ketika digunakan. KESIMPULAN Tegangan mekanik terbesar yang timbul pada wadah sebesar 1,82 x 10 4 N/m 2 sampai dengan 2,02 x 10 4 N/m 2 terjadi pada hampir seluruh permukaan. Sedangkan pada struktur wadah sebesar 2,33 x 10 6 N/m 2 sampai dengan 6,99 x 10 6 N/m 2. Tegangan mekanik tersebut lebih kecil dari yield strength material paduan aluminium (aluminium alloy 43) yaitu 9,5 x 10 7 N/m 2 dan Carbon Steel ASTM A36 yaitu 2,5 x 10 8 N/m 2, serta masih didaerah elastis untuk masing-masing material. Translational displacement pada wadah sebesar 1,18 x 10-6 mm pada dinding dalam dan pada struktur wadah sebesar 0,105 mm tidak mengakibatkan perubahan bentuk pada kedua bagian wadah bahan bakar pada bulk shielding. Sehingga fasilitas wadah bahan bakar pada bulk shielding yang terdiri dari wadah dan struktur aman untuk menerima tekanan pengoperasian ketika digunakan. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terimakasih kami sampaikan kepada para staff Bidang Reaktor di PTAPB- Yogyakarta yang telah menyampaikan data-data dan diskusi yang diperlukan untuk menyelesaikan makalah ini. DAFTAR PUSTAKA 1. PURADWI I. W., dkk., Aspek Keselamatan Termalhidarulika Tempat Penyimpanan Bahan Bakar Di Bulk Shielding, Dok.Lap.Teknis- PTAPB No. PTAPB-4.016/2012. 2. Mhd. DAUD PINEM,S.T., CATIA Si Jago Desain Tiga Dimensi, Kawah Media, Jl. H. Montong No. 57, Ciganjur-Jagakarsa, Jakarta Selatan 12630, 2009. 3. SRI NITISWATI, Dokumentasi pribadi, Inspeksi Reaktor Kartini tahun 2009 4. ABDUL HAFIZH dkk, Aluminium Murni dan Paduannya, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor, 2009 5. http://www.wikipedia.org/wiki/astm A36_steel Dedy Haryanto, dkk. ISSN 1410 8178 Buku II hal. 441
6. F. W. SEARS dan M. W. ZEMANSKY, Fisika Dasar untuk Universitas 1, Jakarta New York, Pebruari 1985. Deddy Haryanto Simulasi catia ini belum mempertimbangkan faktor usia bahan namun hal ini dapat diatasi dengan merubah yield strength yang diasumsikan menurun/berubah karena usia atau pengaruh lingkungan TANYA JAWAB Kussigit Apakah simulasi Latia ini mempertimbangkan faktor usia bahan? Buku II hal. 442 ISSN 1410 8178 Dedy Haryanto, dkk