BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR DAN PENDINGIN Pb-Bi 3.1 Konfigurasi Teras Reaktor Spesifikasi utama dari HTTR diberikan pada tabel 3.1 di bawah ini. Reaktor terdiri dari komponen teras, sistem pendingin, dan komponen reaktor internal lainnya. Bejana tekan reaktor yang berukuran tinggi 13,2 m dan berdiameter 5,5 m berisikan teras aktif, perisai-perisai grafit, struktur penyangga teras dan lain-lainnya. [3] Table 3.1 Spesifikasi HTTR Parameter Daya Suhu Pendingin (Coolant) Keluar Suhu Pendingin (Coolant) Kedalam Tekanan Primer Pendingin Jenis Struktur Material Pendingin Bahan Bakar Pertama Kedua Pengayaan Uranium (Enrichment) Diameter Teras Jenis pertama Jenis Kedua Tinggi Teras Jenis pertama Jenis Kedua Spesifikasi 30MW 950 0 C 395 0 C 4 MPa Grafit Pb-Bi UO 2 ThO 2 3-12% 3258 mm 3858 mm 5250 mm 5950 mm -24-
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR - 25 - Table 3.1 Spesifikasi HTTR (lanjutan) Parameter Ketebalan Perisai Atas Jenis pertama Jenis kedua Samping Bawah Jenis pertama Jenis kedua Contoh Jumlah Kolom Bahan Bakar Perhitungan Pertama Perhitungan Kedua Perhitungan Ketiga Contoh Jumlah Elemen Bakar Perhitungan Pertama Perhitungan Kedua Perhitungan Ketiga Jumlah Batang Kendali Dalam teras Dalam Perisai Spesifikasi 1.16 m 1.26 m 0.99 m 1.16 m 1.26 m 18 24 30 90 120 150 7 9 HTTR adalah reaktor bermoderator grafit dan berpendingin gas helium dengan elemen-elemen bakar prismatik berupa blok-blok berbentuk heksagonal berukuran tinggi 580 mm dan lebar melintang (sisi ke sisi berhadapan) 360 mm. Teras aktif keseluruhan berukuran tinggi 2,9 m dan berdiameter 2,3 m itu terdiri kolom bahan bakar yang dikelilingi oleh kolom-kolom perisai grafit dapat ganti, kolom-kolom batang kendali dan kolom-kolom uji irradiasi. Perisai lestari mengelilingi perisai grafit dapat ganti dan dijaga kedudukannya oleh mekanisme restraint teras, seperti yang terlihat pada gambar 3.1.
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR - 26 - Gambar 3.1 Penampang Vertikal Teras HTTR Keseluruhan komponen teras aktif tersusun secara silinder. Satu kolom dalam arah aksial tersusun dari 9 komponen teras. Dua belas kolom perisai grafit dapat ganti ditempatkan bersebelahan dengan 9 batang kendali dan 3 kolom uji radiasi, keseluruhannya dikelilingi blok perisai lestari. Setiap kolom bahan bakar terdiri dari 2 blok perisai atas, 5 perangkat elemen bakar,dan 2 blok perisai bawah. [3]
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR - 27-3.1.1 Bahan bakar Satu perangkat elemen bakar terdiri dari batang-batang bahan bakar, racun dapat bakar dan sebuah blok grafit heksagonal dengan lebar melintang (sisi ke sisi berhadapan) 360 mm dan tinggi 580 mm, seperti yang terlihat pada gambar 3.2 di bawah ini. [3] Gambar 3.2 Perangkat Elemen Bakar Partikel-partikel bahan bakar terlapis jenis TRISO dengan kernel yang dirancang berisi UO 2, pengayaan rata-rata 6% wt disebar ke dalam matrik grafit dan disinter untuk mendapatkan bentuk sebuah kompak bahan bakar (fuel compact). Kompak bahan bakar tersebut diwadahi menjadi sebuah batang bahan bakar (fuel rod) yang berukuran diameter luar 34 mm dan tinggi 577 mm. Batangbatang bahan bakar dimasukan ke lubang-lubang vertikal yang dibuat pada blok grafit. Pendingin gas helium mengalir di celah-celah diantara lubang dan batang bahan bakar.
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR - 28 - Gambar 3.3 Partikel, Kompak Bahan Bakar dan burnable poison 3.1.2 Burnable poison Gambar 3.4 burnable poison Dua batang racun dapat bakar dimasukan ke dua lubang vertikal pada elemen bakar. Panjang batang racun dapat bakar 500 mm dan diameter bagian dalam 14 mm. Satu lubang yang serupa dengan lubang burnable poison pada
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR - 29 - elemen bakar dibiarkan kosong. Terdapat dua tipe batang racun dapat bakar yang terbedakan pada komposisi kemurnian boron yang digunakannya. Kedua jenis batang racun dapat bakar seperti pada gambar 3.4 di atas terdiri dari butiran racun dapat bakar pada 200 mm bagian atas dan bawah serta bagian tengahnya terdiri dari cakram grafit yang tersusun sepanjang 100 mm. [3] 3.1.3 Batang kendali Dalam reaktor terdapat 16 pasang batang kendali, 7 batang kendali terdapat di teras aktif dan 9 batang kendali terdapat di perisai grafit yang dapat diganti. Sepasang batang kendali dimasukan ke lubang-lubang kolom pemandu batang kendali. Setiap batang pengendali memiliki 10 bagian penyerap neutron yang terhubung pada kerangka batang kendali. Setiap bagian penyerap neutron berisi 5 kompak B 4 C dan C sebagai penyerap neutron. Gambar batang kendali dapat dilihat pada gambar 3.5 di bawah ini. [3] Gambar 3.5 Batang Kendali 3.1.4 Blok replaceable reflector Dua blok perisai atas dan 2 blok perisai bawah diletakan diantara elemenelemen bakar. Pengaturan saluran pendingin pada perisai atas (dengan ukuran diameter dalam 23 m) berhubungan dengan saluran pendingin pada elemen bakar
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR - 30 - (dengan ukuran diameter dalam 41 mm) dalam 1 kolom yang sama, begitu halnya dengan perisai bawah. [3] Gambar 3.6 replaceable reflector 3.1.5 Blok permanent reflector Seluruh komponen teras dikelilingi oleh 12 blok permanent reflector yang terbuat dari sejumlah besar blok poligonal grafit. Lebar melintang (sisi ke sisi berhadapan) 4250 mm, seperti terlihat pada gambar 3.6 di bawah ini. permanent reflector memiliki lubang-lubang untuk kolom uji irradiasi dan detektor neutron. Di sekeliling perisai lestari terdapat blok pelindung yang terbuat dari bahan C. [3] B 4 C / Gambar 3.7 permanent reflector
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR - 31-3.2 Karakteristik Material Teras Reaktor 3.2.1 Partikel bahan bakar Bahan bakar yang digunakan pada HTTR adalah uranium dalam bentuk persenyawaan keramik. Pada pertengahan tahun lima puluhan telah ditemukan oleh para peneliti bahwa uranium sebagai persenyawaan keramik memiliki sifat mekanika yang lebih unggul dibandingkan paduan logam yang telah diketahui. Beberapa pengujian telah menunjukan bahwa persenyawaan keramik uranium tidak banyak mengalami perubaha sifat pada suhu yang tinggi, terutama dalam bentuk uranium dioksida ( UO 2 ). Di samping itu reaktor temperatur tinggi berpendingin gas helium juga memiliki karakteristik khusus dalam bidang keselamatan terutama terkait dengan digunakannya particle bed, yaitu penyimpanan bahan bakar nuklir dalam beberapa lapisan-lapisan silikon karbida. Sebagai hasilnya ternyata gas-gas hasil fisi dapat ditahan oleh diding silikon karbida ini selama temperaturnya di bawah 1600 o C sehingga tak ada bahan-bahan fisil yang terlepas ke lingkungan. Ditunjukan pada tabel 3.2 di bawah ini susunan material pada lapisan-lapisan particle bed. [2] Tabel 3.2 Partikel Bahan Bakar Material Kernel UO 2 atau ThO 2 Mantel Lapisan Pertama Lapisan Kedua Lapisan Ketiga Lapisan Keempat PyC berkerapatan rendah PyC berkerapatan tinggi SiC PyC berkerapatan rendah 3.2.2 Material struktur Untuk bisa memperoleh kekuatan konstruksi reaktor yang diinginkan harus dipilih material struktur yang memenuhi syarat. Grafit adalah material struktur yang digunakan pada HTTR termasuk di dalamnya batang bahan bakar
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR - 32 - (graphite sleeve), blok hexagonal bahan bakar, bahan material perisai dapat ganti, dummy block bahan bakar dan perisai lestari. Beberapa keuntungan dari material struktur grafit adalah penyerap neutron yang rendah, material yang stabil dalam lingkungan radiasi dan suhu tinggi, mempunyai kekuatan mekanik yang baik dan tidak terkorosi oleh pendingin (helium), serta mempunyai sifat perpindahan panas yang baik. Kerapatan grafit yang digunakan dalam material struktur rata-rata adalah 1.77 g/cm 3. [2] 3.2.3 Moderator dan reflector Neutron yang dilepaskan oleh fisi mempunyai energi kinetik yang relatif tinggi (sekitar 2 Mev) dengan kecepatan yang sangat tinggi. Agar reaksi berantai neutron dapat terjadi, energi harus dikurangi sampai energi termik (0.025 ev). Untuk memperlambat neutron cepat sampai mencapai tingkat energi yang lebih rendah, neutron ditumbukkan pada atom-atom yang terdapat dalam bahan-bahan tertentu, yang disebut moderator. Pada HTTR moderator yang digunakan terbuat dari bahan grafit, dan begitu pula dengan perisainya. Perisai dipasang disekeliling teras reaktor dengan maksud agar neutron yang dihamburkan keluar dapat dipantulkan kembali ke teras reaktor. Dengan demikian kebocoran neutron dapat dikurangi. [2] Syarat untuk memilih dan menentukan bahan moderator dan perisai, yaitu pada tiap tumbukan terdapat kehilangan energi neutron yang besar, penampang penyerapan yang rendah, dan penampang penghamburan yang tinggi. 3.2.4 Bahan pendingin (coolant) 235 U Setiap inti atom yang mengalami pembelahan melepaskan sejumlah energi sebesar kira-kira 200 Mev, yang kemudian hampir seluruhnya keluar dalam bentuk panas. Suatu zat pendingin diperlukan untuk menghindarkan terjadinya suhu yang berlebihan dalam bejana reaktor. Kriteria suhu yang berlebihan itu ditentukan oleh beberapa faktor, yaitu suhu transformasi allotrofis pada bahan-
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR - 33 - bahan yang vital, titik didih zat pendingin, suhu melunak bahan struktur dan lainlain. [2] Pemilihan pendingin sangat menetukan karakteristik reaktor yang bersangkutan. Syarat-syarat bahan pendingin adalah konduktivitas termal yang tinggi, moderasi neutron yang rendah, titik didih yang tinggi dan titik beku yang rendah, tidak bersifat korosi atau bersifat korosi yang rendah, serta stabil dalam lingkungan radiasi dan suhu tinggi. Helium adalah bahan pendingin yang dipilih untuk HTTR, selain memenuhi syarat-syarat sebagai bahan pendingin yang baik di atas, helium memiliki level efisiensi yang tinggi dalam mentransfer panas. 3.2.5 Material batang kendali dan burnable poison Untuk menjalankan reaktor nuklir dengan baik diperlukan reaksi pembelahan berantai yang dapat dikendalikan secara teliti. Syarat utama bagi pengendalian reaktor adalah bahwa keadaan kritis dan nyaris superkritis dapat tercapai dengan lancar dan teratur. Kemudian kenaikan daya harus tercapai dengan lancar dan teratur pula, sedangkan pada tiap tingkat daya hendaknya dapat tercapai suatu keadaan yang stabil. Syarat lain bahwa tiap keadaan transien dapat dikoreksi dengan penggunaan mekanik pengendalian. Akhirnya dikehendaki pula bahwa reaktor pada tiap waktu dapat diberhentikan (shutdown) atau dapat dijalankan (startup). Pengendalian biasanya dapat dilakukan dengan mengatur banyaknya penyerapan neutron. Pengendalian penyerapan neutron dilakukan dengan mengatur posisi batang-batang pengendali terhadap teras reaktor. Syarat yang harus dimiliki batang pengendali, yaitu dapat menyerap neutron dengan mudah, mempunyai kekuatan mekanik yang cukup besar, mempunyai masa yang rendah (untuk dapat bergerak dengan cepat), tahan korosi, stabil dalam lingkungan radiasi dan suhu tinggi serta dapat memindahkan panas dengan baik. Material batang kendali dan batang racun dapat bakar yang digunakan HTTR adalah boron. Boron murni tidak mempunyai sifat seperti logam, titik
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR - 34 - leburnya sangat tinggi (2100 o C). Sebagai bahan pengendali boron digunakan dalam bentuk boron karbida ( B 4 C ). Konsentrasi boron murni pada batang kendali bernilai 31.515 wt%. Dan batang racun dapat bakar terbagi menjadi dua tipe masing-masing konsentrasi boron murni untuk tipe H-I adalah 2.22 wt% dan untuk tipe H-II adalah 2.74 wt%. 3.3 Karakteristik Pendingin Timbal-Bismut (Pb-Bi) Pendingin awal yang digunakan oleh HTGR atau dalam hal ini HTTR adalah gas Helium. Hanya saja konduktivitas dalam mentransfer panas atau kalor tidak sebaik apa bila menggunakan logam atau lelehan logam. Oleh karena itu, dalam kesempatan kali ini akan dilakukan studi mengenai penggunaan pendingin lelehan logam pada reaktor HTGR tipe HTTR ini. Pada saat ini telah banyak digunakan beberapa lelehan logam antara lain sodium (Natrium), dan juga timbalbismut (Pb-Bi). Pada studi ini digunakan pendingin lelehan logam berupa Pb-Bi karena memiliki beberapa kelebihan dibanding pendahulunya Na. Diantara keunggulan Pb-Bi, yaitu: a. titik leleh (melting point) kombinasi Pb-Bi (Lead-Bismuth) tidak lebih dari 100 o C, b. inti ini lebih berat dari pada Na sehingga kecepatan neutron tidak banyak tereduksi ketika tumbukan, c. Pb-Bi tidak reaktif seperti Na yang sangat reaktif secara kimiawi dan dapat mudah terbakar ketika bertemu dengan udara dan air, d. titik leleh (boiling point) Pb-Bi 1670 C lebih tinggi daripada Na (883 C) dengan demikian berarti reaktor dapat beroperasi pada suhu tinggi sehingga lebih efisien dalam memproduksi listrik,
BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR - 35 - e. Boiling point Pb-Bi mengurangi resiko kecelakaan kehilangan coolant karena beroperasi pada suhu jauh di bawah boiling point coolant tidak memungkinkan coolant mendidih secara tiba-tiba, f. Pb-Bi merupaakan senyawa yang berasal dari unsur berat yang sangat baik dalam menyerap radioaktifitas, g. Pb-Bi coolant beroperasi seperti cairan pada tekanan atmosfir normal h. perbandingan pendingin antara Na, Pb, dan Pb-Bi pada tabel 3.3. Tabel 3.3 Perbandingan sifat pendingin