Kontribusi Fisika Indonesia Vol. No., Juli 00 Analisis Neutronik Teras G-Gas Berbahan Bakar Silisida Tukiran S dan Tagor MS BPTR-PTRR Badan Tenaga Atom Nasional (BATAN) Serpong, Tangerang e-mail : tukiran@batan.go.id Abstrak Reaktor G-GAS telah memulai mengkonversi bahan bakarnya dari bahan bakar desain menggunakan UOAl menjadi bahan bakar uranium silisida USiAl dengan muatan, densitas dan pengkayaan yang sama dengan desain masing-masing 0 gr,,9 gr/cm dan 9, %. Namun untuk masa yang akan datang G-GAS direncanakan menggunakan bakan bakar uranium silisida dengan muatan, densitas dan pengkayaan masing-masing 00 gr,,gr/cm dan 9, %, karena semakin tinggi densitas bahan bakar silisida yang digunakan semakin menguntungkan bagi operasi reaktor. Dengan demikian analisis neutronik kelayakan pemakaian bahan bakar silisida dengan muatan 00 gr perlu dilakukan. Analisis dilakukan dengan menghitung parameter neutronik dan kinetik teras G-GAS dengan mengenerasi tampang lintang makroskopik bakan bakar uranium silisida muatan 00gr. Kemudian dilakukan perhitungan teras berdasarkan tampang lintang tersebut. Perhitungan konstanta kelompok dilakukan dengan paket program WIMSD/ dengan struktur energi kelompok. Hasil perhitungan konstanta kelompok digunakan untuk perhitungan parameter neutronik dan kinetik dengan program Batan-DIFF. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa bahan bakar silisida muatan 00gr layak untuk digunakan diteras G-GAS tanpa melampaui nilai batas keselamatan reaktor. Kata kunci : Silisida, Teras reaktor, G-GAS, tampang lintang Abstract G-GAS reactor has been starting to convert its fuels from original fuel, (oxide fuel UOAl) to uranium silicide fuel USiAl with loading, density and enrichment similar to those of original fuel 0 g,.9 g/cm, 9. %, respectively. For next future, the G-GAS is planning to use silicide fuel with loading, density and enrichment of 00 g,. g/cm, 9. %, respectively because the higher density of silicide fuel used, the more advantages can be achieved for reactor operation. There for, it is necessary to analyze the feasibility of using silicide fuels with 00 g loading for G-GAS core. The kinetic and neutronic parameter were calculated by generating macroscopic cross section of 00 gr silicide fuel loading. The neutronic and kinetic parameter were calculated based on the macroscopic cross section. The macroscopic cross section calculation was done by WIMSD/ code with neutron energy group. Calculation result of macroscopic cross section was used to determine neutronic and kinetic parameter using Batan-DIFF code. The result of analisis showed that the 00 gr sicilide fuel loading is feasible to be used in the G-GAS core without exceeded the safety margin. Keywords : Silicide, teras reaktor, G-GAS, tampang lintang. Pendahuluan Reaktor Serba Guna GA. Siwabessy (G-GAS) adalah reaktor riset yang menggunakan air ringan sebagai pendingin dan yang mampu menghasilkan daya termal 0 MW dan fluks rerata neutron termal, X 0 n/cm dtk. G-GAS telah beroperasi sejak Agustus 9 setelah mencapai kritis pertama pada bulan Juli 9. Desain G-GAS memungkinkan untuk melakukan pengujian bahan bakar, produksi radioisotop, analisis aktivasi neutron dan produksi silikon doping. G-GAS menggunakan bahan bakar desain uranium oksida (U O Al) dengan densitas dan pengkayaan masing-masing,9 gr/cm dan 9, %, termasuk kategori bahan bakar uranium pengkayaan rendah (LEU). G-GAS menggunakan elemen bakar dan elemen kendali tipe pelat standar yang tiap elemen masingmasing terdiri dari pelat dan pelat dan tiap pelat masing-masing mengandung 0 gr dan, gr U-. Untuk teras kerja (TWC), G-
KFI Vol. No. 00 GAS dimuati 0 elemen bakar dan elemen kendali standar dimana setiap elemen kendali dilengkapi dengan sebuah garpu yang menahan dua bilah penyerap Ag-In-Cd (0%, %, %) ). Bahan bakar uranium silisida mempunyai prospek untuk diterapkan secara luas pada reaktor riset karena rapat uraniumnya dapat dipertinggi hingga gu/cm, relatif lebih mudah difabrikasi, dan unjuk kerjanya sangat baik terhadap iradiasi dalam teras reaktor ). Disamping keuntungan di atas bahwa bahan bakar silisida mempunyai fraksi bakar yang lebih tinggi dari oksida sehingga bahan bakar silisida dapat lebih lama di teras, dan dapat memperpanjang siklus operasi akhirnya mengurangi biaya (cost-efficient). Mengingat keuntungan di atas G-GAS mulai mengkonversi bahan bakarnya dari uranium oksida ke uranium silisida. Konversi bahan bakar dilakukan secara bertahap. Pertama, dilakukan konversi dengan bahan bakar uranium silisida yang muatan, densitas, pengkayaan dan geometri yang sama kemudian dilakukan penelitian tentang perilaku atau parameter teras G-GAS. Kemudian untuk masa yang akan datang G- GAS direncanakan menggunakan bahan bakar uranium silisida dengan densitas yang lebih tinggi yaitu, gr/cm atau muatan 00 gr. Pada paper ini dibahas tentang analisis bahan bakar uranium silisida dengan muatan 00 gr yang akan digunakan di teras G-GAS. Analisis dilakukan dengan membandingkan parameter neutronik dan kinetik teras G-GAS (SAR= Safety Analysis Report) dengan hasil perhitungan yang dilakukan dengan menggunakan program WIMSD/, Batan-DIF dan Batan-EQUIL-D. Analisis dilakukan dengan mempertimbangkan keselamatan yang tinggi terhadap kesetimbangan reaktivitas dan pembatasan derajat bakar maksimum % ).. Langkah Perhitungan.. Perhitungan Sel dengan WIMSD/ Program WIMSD/ hanya mampu melakukan perhitungan transport neutron satu dimensi ), sehingga perlu dilakukan pemodelan terhadap sel teras. Pemodelan sel digunakan untuk menggenerasi konstanta kelompok makroskopik material teras. Pembangkitan konstanta kelompok dimaksudkan untuk mendapatkan harga rerata konstanta kelompok dalam satuan sel dengan cara menghomogenisasi sel tersebut. Perhitungan konstanta kelompok dilakukan untuk semua material penyususun teras. Diagram perhitungan analisis teras G-GAS berbahan bakar silisida dapat dilihat pada Gambar. Gambar. Alur perhitungan parameter neutronik dan kinetik a. Bahan Bakar Model perhitungan untuk bahan bakar adalah multi slab. Pada pemodelan ini satu elemen bahan bakar yang terdiri dari plat elemen bakar dibuat menjadi slab material yang tersusun berurut. Setiap slab terdiri dari meat, dan dengan tebal masing-masing cm; cm; dan 0,9 cm. Slab ini mempunyai panjang sesuai dengan panjang material aktif. Material lain yang di luar panjang aktif dihomogenisasi dan dinormalisasi terhadap panjang aktif yang dinamakan extra region. Pada elemen bahan bakar extra region terdiri dari bahan AlMg dan air, meat terdiri dari isotop U- dan U-, terdiri dari AlMg sedangkan terdiri dari H O. Gambar menunjukkan pemodelan bahan bakar teras G-GAS.
KFI Vol. No. 00 A extra region =,9 cm % AlMg = L extra region = 0,9 cm % H O = 0,9 A AlMg =, cm AlMg= H O = 0,9 Bahan bakar <--------------- 9 X Bahan bakar daerah ekstra 0, 0,9 0, ------- <----------------- -------------> <-----------------> <---------------> -------------> <---------------------> b. Elemen Kendali Model perhitungan untuk bahan kendali dibagi dalam dua region. Region pertama merupakan daerah aktif yang terdiri dari plat elemen bakar dibuat menjadi slab material yang tersusun berurutan. Pemodelannya serupa dengan bahan bakar, hanya berbeda pada daerah extra regionnya. Region kedua adalah region penyerap. Region ini dibagi dalam 9 slab dan extra region. Posisi batang kendali pada daerah Gambar. Pemodelan bahan bakar penyerap neutron berisi AgInCd dan SS-. Untuk mendapatkan penampang lintang makroskopik pada region ini maka dalam perhitungan region ini digabung dengan region pertama. Selanjutnya dilakukan homogenisasi hanya pada region penyerap saja (9 slab + extra region). Gambar menunjukkan pemodelan batang kendali teras G-GAS dan Gambar menunjukkan pemodelan absorber (penyerap neutron) teras G-GAS. A extra region =,90 cm % AlMg = 0,0 L extra region = 0, cm % H O = 0,9 A AlMg =,0 cm AlMg =0,0 H O = 0,9 bahan bakar <---- X bahan bakar daerah ekstra 0, 0, 0, <-------------> <-------------> <-----------------> <-----------------> <----------------> <---------------><-----------------------> Gambar. Pemodelan elemen kendali A AlMg =,0 cm A abs+ss- = 0, cm A absorber = 0,9 cm L abs+ss- = 0,9 cm L absorber = 0,0 cm L H0 = cm A extra region =,90 cm % AlMg = 0,9 L extra region = 0,9 cm % H O = 0,0 A AlMg =,999 cm bagian bahan bakar + daerah ekstra H O AlMg H O SS- Ag In cd SS- H O AlMg H O AlMg=0, HO = 0, AB <-- SOR --- R --> 0, 0, 90 0,0 90 0, 0, Gambar. Pemodelan Penyerap Elemen Kendali
KFI Vol. No. 00 c. Bahan-bahan non-fisi Untuk bahan-bahan non fisi, dimodelkan sama seperti bahan fisi dimana pada slab aktif akan diberi sedikit kandungan U-, kemudian dilakukan homogenisasi di semua daerah. Karena bahan non-fisi bukan merupakan penghasil neutron (bahan aktif) seperti uranium sedangkan program WIMSD/ berisi persamaan transport dimana harus ada neutron sebagai pemicu reaksi fisi maka bahan non-fisi dimodelkan sama seperti bahan fisi.. Perhitungan Neutronik Pencarian teras setimbang dilakukan dengan perhitungan menggunakan program Batan-EQUIL-D. Perhitungan distribusi fluks yang digunakan untuk menghitung derajat bakar pada program Batan-EQUIL-D digunakan persamaan kekritisan reaktor ). Penetapan harga mutlak fluks neutron dilakukan dengan normalisasi terhadap daya reaktor.. Perhitungan Parameter β eff Tampang lintang makroskopik teras G- GAS yang telah dihitung dengan program WIMSD/ digunakan untuk perhitungan fraksi neutron kasip efektif (β eff ) dengan program Batan- DIFF. Program Batan-DIFF dirancang untuk menyelesaikan problem nilai diri (eigenvalue) difusi neutron banyak kelompok. Kemudian modul program ADJOINT-D digunakan untuk menyelesaikan persamaan adjoint nilai diri difusi neutron banyak kelompok, dan selanjutnya digunakan solusi fluks neutron adjoint tersebut untuk menghitung parameter kinetik integral teras G-GAS seperti nilai β eff, usia neutron dan generasi neutron ). Skematik perhitungan dapat dilihat pada diagram seperti ditunjukkan oleh Gambar.. Hasil dan Pembahasan. Hasil Pembagian kelompok energi neutron dalam perhitungan sel dapat dilihat pada Tabel. Tabel. Kelompok energi dalam perhitungan sel Kelompok Range Energi Kelompok WIMSD/ KEV < E < 0 MEV, KEV < E < KEV 0, KEV < E <, KEV 0 < E < 0, KEV - - - -9 Pembagian kelompok energi neutron ini sudah lajim digunakan untuk perhitungan sel material reaktor dengan pendingin air ringan (LWR) ). Tabel parameter desain bahan bakar oksida dan silisida yang digunakan dalam analisis. Tabel. Parameter desain bahan bakar teras rsg-gas Parameter OKSIDA 0 GR SILISIDA 00 GR Tipe bahan bakar Pengkayaan U- % WT Ukuran elemen, mm Jumlah pelat Ketebalan pelat, mm Ukuran Meat bahan bakar, mm Lebar kanal pendingin, mm Tebal Material Densitas Uranium, gr U/cm Jumlah U- per elemen, gr Pelat, U O -AL 9,, X 0, X 00 /, 0, X, X 00, 0, ALMG,9 0/, Pelat, U SI -AL 9,, X 0, X 00 /, 0, X, X 00, 0, AL,MG, 00/, Konstanta kelompok yang dihasilkan oleh program WIMSD/ digunakan dalam perhitungan Batan-EQUIL- D dan Batan DIFF. Pembagian kelas derajat bakar dan PPF (power peaking factor) teras silisida dapat dilihat pada Gambar.
KFI Vol. No. 00 K BS+ BS+ PR J BS+ TF BS+ H, G, F, E, D,0 C,09,,0,0 0,, IP 0,9 0, B BS+ 0, 0,9 0,9 IP 0,9,09,0 CIP, 0, 0,9 0, 0,,0 0, 0,,,0,, IP 0,,0 0, 0, BS+, IP,0,0,,0 0,9, PN BS+ A 0,99 0, 0,9 0,9 0,9,0 0 9 RYLLIUM BLOCK REFLECTOR Gambar. Pembagian kelas derajat bakar dan ppf teras silisida K BS+ BS+ PR J BS+ TF BS+ H 0, G, 0, F 0,, E,0, D,.,0 C 0, 9, 9, 0, 0,, 0, 9,,,,0, IP,, 0,, B BS+, 0,,9,,, IP,,,, 0, 0, CIP, 9,0,, 9,0,,0,,0, 9,,,,,,0,, 9, 9,,, IP 9,,0 9,,0,, BS+ 0, IP 9, 9,0, 0, 9, 9,,, 0,,0 0, PN BS+ A,9, 9, 9,0,9,, 0,,,9,0 0 9 RYLLIUM BLOCK REFLECTOR Gambar. Distribusi fraksi bakar teras silisida kondisi BOC dan EOC
KFI Vol. No. 00 Tabel. Kesetimbangan reaktivitas teras silisida 00 gr dan oksida 0 gr Reaktivitas (%) Oksida 0 gr SAR, Oksida 0 gr, 0 MWD Silisida 00 gr, 9 MWD Dingin ke panas 0, 0, 0, Xe setimbang,,, Derajat bakar/siklus,0,9, Eksperimen,,0,0 Lebih teras 9, 9, 9, Batang kendali total -, -, -,0 PADAM -, -,0 -, Satu batang kendali terbesar,,9, Batas keselamatan (one stuck rod) -, -, -,0 Tabel. Fluks neutron pada fasilitas iradiasi Fasilitas iradiasi Fluks Neutron Teras Oksida (x 0 Neutron cm - s - ) Fluks neutron teras silisida (x 0 Neutron cm - s - ) Cepat Termal Cepat Termal IP-(G-),,,,0 IP-(E-),0,00,, IP-(D-9),09,0,9, IP-(B-),9,,,9 CIP (D-),00,90,,0 CIP (D-),99,9,0, CIP (E-),0,9,,0 CIP (E-),0,0,9, Hasil perhitungan derajat bakar teras setimbang silisida pada kondisi BOC (Beginning of Cycle) dan EOC (Ending of Cycle) dapat dilihat pada Gambar. Panjang siklus yang diperoleh pada teras silisida adalah, hari dengan daya nominal 0 MW. Kesetimbangan reaktivitas teras oksida dan silisida dapat dilihat pada Tabel. Hasil utama perhitungan Batan-EQUIL-D yang sangat tergantung pada keselamatan terhadap teras setimbang silisida adalah PPF maksimum (power peaking factor). PPF maksimum pada BOC adalah, sedangkan pada EOC adalah,. Fluks neutron cepat dan lambat pada fasilitas iradiasi hasil perhitungan Batan- DIFF dapat dilihat pada Tabel. Hasil perhitungan neutron kasip dari kelompok ke - dapat dilihat pada Tabel. Sedangkan pada Tabel adalah fraksi neutron kasip total (efektif), umur generasi neutron, umur rerata neutron serempak masing-masing diperoleh adalah β =,E-0; Λ= 9,9E-0 detik; dan l =,E-0 detik. Sehingga konstanta peluruhan neutron serempaknya adalah β/l =,9 /detik. Tabel. Fraksi neutron kasip hasil perhitungan β Teras Silisida 00 GR,E-0.E-0.E-0,99E-0 9.90E-0.9E-0 Total.9E-0 Tabel. Hasil perhitungan konstanta peluruhan neutron serempak teras rsg-gas. Parameter Oksida 0 gr Teras Silisida 00 gr β,0e-0,e-0 l(dtk),e-0,e-0 Λ(dtk),E-0 9,9E-0 β/l(/dtk),,9
KFI Vol. No. 00. Pembahasan Dari perhitungan derajat bakar terlihat bahwa tidak ada derajat bahan bakar yang melampaui batas yang telah ditetapkan yaitu sebesar %. Derajat bakar rerata bahan bakar 9, % sedangkan pada teras oksida % dengan pembagian kedalam kelas derajat bakar. Derajat bakar maksimum bahan bakar dan elemen kendali masing-masing adalah adalah, % di posisi G- dan,0 % di posisi B-. Lima elemen bakar dan satu elemen kendali yang mempunyai derajat bakar pada kelas ke delapan keluar pada akhir siklus. Kesetimbangan reaktivitas menunjukkan bahwa reaktivitas lebih teras cukup untuk digunakan untuk operasi satu siklus dan reaktivitas yang tersedia untuk eksperimen pada teras silisida,0 % sedangkan teras oksida %. Reaktivitas padam batang kendali yang merupakan faktor penentu masih cukup untuk memadamkan reaktor jika terjadi kecelakaan transien. Karena persyaratan SAR (Safety Analysis Report) menyatakan bahwa syarat batas reaktivitas padam batang kendali jika terjadi kegagalan batang kendali yang mempunyai reaktivitas terbesar masuk ke teras adalah 0, %. Dari hasil analisis diperoleh reaktivitas padam batang kendali teras silisida, %, sedangkan reaktivitas batang kendali terbesar, %, ternyata masih memenuhi persyaratan > - 0, %. Namun jika ingin lebih aman dan sama dengan kondisi SAR dapat dibuat batang kendali tambahan pada posisi tertentu di teras. Nilia PPF maksimum pada awal siklus dan akhir siklus tidak ada yang melampaui persyaratan SAR yaitu, sehingga pendingin primer tidak perlu dimodifikasi. Karena pendingin primer mampu untuk mentrasfer panas yang dihasilkan ke pendingin sekunder dan kemudian membuangnya ke lingkungan. Nilai fluks neutron yang dihasilkan pada posisi fasilitas iradiasi tidak jauh berbeda dengan teras oksida sehingga teras silisida dapat digunakan untuk mengiradiasi radioisotop seperti teras oksida dan yang menjadi unggulan teras silisida adalah panjang siklus operasi yang dihasilkan menjadi, hari sehingga dapat menghemat bahan bakar setiap siklusnya. Perhitungan parameter kinetik yaitu konstanta peluruhan neutron serempak teras G- GAS berbahan bakar silisida diperoleh dan hasilnya cukup sesuai dengan teras oksida. Dilihat dari hasil yang diperoleh jelas bahwa nilai β eff lebih besar dari teras oksida hal ini disebabkan oleh karena muatan uraniumnya lebih besar teras silisida yaitu 00 gr sedangkan teras oksida 0 gr. Fraksi neutron kasip efektif β eff sangat berhubungan dengan kontrol reaktor ) sehingga dapat dikatakan bahwa teras silisida lebih mudah mengontrolnya dari teras silisida. Kesimpulan Dari hasil analisis dapat dinyatakan bahwa teras silisida dengan muatan 00 gr dapat digunakan sebagai bahan bakar di teras G- GAS. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa tidak ada batas keselamatan yang dilampaui sehingga dapat disimpulkan bahwa pergantian bahan bakar dari oksida 0 gr ke silisida 00 gr ditinjau dari segi neutronik tidak ada masalah. Ucapan Terima Kasih Kami mengucapkan terima kasih kepada Bapak DR. Leim Peng Hong yang telah menyediakan program difusi neutron dalam bentuk yang sangat mudah dimengerti dan atas segala masukan dan diskusinya juga kami mengucapkan terima kasih yang setingitingginya. Ucapan terima kasih juga kami tujukan kepada Bapak Ir. Iman Kuntoro dan Ir. Zuhair MSc. atas segala diskusi dan masukannya. DAFTAR PUSTAKA. BATAN, Safety Analysis Report For MPR0, Rev., 9.. Bakri Arbie, Oxide to Silicide Fuel Conversion Study for Multipurpose Reactor GA. Siwabessy, Tesis S, Universitas Gajah Mada, Yogyakarta, 99.. Liem Peng Hong, Bakri Arbie, T. M. Sembiring, and Prayoto, Fuel Management Srategy For The New Equilibrium Silicide Core Design Of G-GAS, Nuclear Engineering and Design, North Holland, 99.. Liem Peng Hong, Batan-DIFF, ADJOINT- DIFF, dan PERTURB-DIFF Codes Input Manual, Batan, Jakarta 99.. Duderstadt, J.J and Hamilton, L.J, Nuclear Reactor Analysis, John Wiley & Sons, New York, 9.. Liem Peng Hong, Analisis Numerik, Komputasi Dan Pemrograman Komputer Pada Desain Neutronik Reaktor Nuklir, Diktat Kursus PLTN, Batan, 99.. Roth, M. J, Macdougall, J. D., Kemshell, P.B., The Preparation Of Input Data For WIMS, AEE Winfrith, Dorcherter, 9.. Tukiran S., dan Zuhair, Penentuan Parameter Kinetik Teras Rsg-Gas Berbahan Bakar Silisida. Proseding Seminar Teknologi Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir V, Jakarta, Maret 99.