REACTOR SAFETY SYSTEMS AND SAFETY CLASSIFICATION Puradwi I.W. Bidang Analisis Risiko dan Mitigasi Sistem P2TKN-BATAN NATIONAL BASIC PROFESSIONAL TRAINING COURSE ON NUCLEAR SAFETY PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN BADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL 2004
TIU : - MEMAHAMI SISTEM KESELAMATAN PADA REAKTOR DAYA DAN RISET; - MEMAHAMI KLASIFIKASI KESELAMATAN STRUKTUR, KOMPONEN DAN SISTEM PADA INSTALASI NUKLIR. TIK : - PEMAHAMAN PENGETAHUAN DASAR TENTANG SISTEM KESELAMATAN PADA REAKTOR DAYA DAN RISET; - INSTRUMENTASI DAN KENDALI - SISTEM PROTEKSI REAKTOR - SISTEM KESELAMATAN REAKTOR DAYA (PWR DAN BWR) - SISTEM KESELAMATAN REAKTOR RISET - PEMAHAMAN PRINSIP DASAR KLASIFIKASI KESELAMATAN STRUKTUR, KOMPONEN DAN SISTEM PADA INSTALASI NUKLIR; - BAHAN PENGETAHUAN DASAR UNTUK PEMAHAMAN BIDANG KESELAMATAN REAKTOR NUKLIR LEBIH LANJUT
I. PENDAHULUAN Falsafah dan Pendekatan keselamatan secara umum keselamatan reaktor nuklir: 1) Tujuan keselamatan : a. Umum; b. Teknis c. Proteksi radiasi. 2) Fungsi keselamatan dasar : a. Kendali reaktivitas b. Pemindahan panas dari teras reactor C. Pengungkungan material radioaktif
PENDAHULUAN (1) 3) Penerapan konsep pertahanan berlapis ; Strategi yang efektif; Implementasi penghalang ganda Pendekatan umum keselamatan dalam rancangan reaktor nuklir : Deterministik (konservatif, kejadian postulasi, BDBA) Probabilistik (keandalan tinggi)
PENDAHULUAN (2) Tujuan Keselamatan Umum : Proteksi Menjaga pertahanan yang efektif Tujuan proteksi radiasi : Paparan radiasi dibawah batas yang diijinkan Paparan radiasi dicapai serendah mungkin Menjamin mitigasi konsekuensi kecelakaan Tujuan keselamatan teknis : Mencegah kecelakaan Mitigasi konsekuensi kecelakaan Probabilitas kejadian kecelakaan yang mungkin adalah rendah Konsekuensi radiologis dari kecelakaan yang mungkin adalah minor dan dibawah batas yang diijinkan
PENDAHULUAN (3) Fungsi keselamatan dasar : Sistem kendali dan Sistem proteksi reaktor; Sistem pendingin reaktor dan ; Sistem pengungkungan radioaktif.
PENDAHULUAN (4) Pemisah uap Turbin tekanan rendah Pembangkit listrik Pembangkit uap Batang kendali Pressurizer Turbin tekanan tinggi Pipa by pass turbin Pemanas air umpan Kondensor Pemanas air umpan Pompa sirkulasi Air laut Ke Pembangkit uap yang lain Pompa air umpan Teras reaktor Bejana tekan reaktor Pompa pendingin primer Pompa kondensat Gambar 1.a. Gambaran umum tentang reaktor daya jenis PWR
PENDAHULUAN (5) Bejana reaktor Pengering uap Pemisah uap dan air Pipa uap utama Teras reaktor Pipa air umpan Pompa Jet Pemisah uap Turbin tekanan rendah Pembangkit listrik Difuser Pompa sirkulasi Turbin tekanan tinggi Pipa by pass turbin Pemanas air umpan Kondensor Pemanas air umpan Pompa sirkulasi Air laut Batang kendali Pompa air umpan Pompa kondensat Gambar 1.b. Gambaran umum tentang reaktor daya jenis BWR
PENDAHULUAN (6) 1 2 Matrik dan kelongsong bahan bakar Sistem pendingin primer/ pembatas tekanan 3 Pengungkung Gambar 2. Penahan fisik berlapis sebagai penghalang ganda dalam instalasi pembangkit listrik tenaga nuklir.
PENDAHULUAN (7) Tabel 1. Konsep pertahanan berlapis dan implementasi LEVEL TUJUAN MAKSUD DAN IMPLEMENTASI 1 Mencegah kegagalan dan operasi tidak normal 2 Kendali operasi tidak normal dan deteksi kegagalan 3 Pengendalian kecelakaan dalam batas disain 4 Pengendalian kondisi kecelakaan parah instalasi termasuk pencegahan dari perluasan kejadian dan mitigasi konsekuensi 5 Mitigasi konsekuensi radiologis pelepasan material radioaktif yang signifikan Disain konservatif dan berkualitas tinggi dalam konstruksi dan operasi Pengendalian, pembatasan, dan sistem proteksi serta ciri-ciri pemantauan lain Ciri-ciri keselamatan terekayasa, dan prosedur kecelakaan Ukuran-ukuran pilihan dan manajemen kecelakaan Tanggap kedaruratan di luar kawasan instalasi nuklir SUKSES Operasi berjalan normal Kegagalan terdeteksi, konsekuensi dapat diterima untuk kejadian operasional terantisipasi Konsekuensi kecelakaan dapat diterima sesuai dasar disain Kerusakan teras terbatasi dan integritas pengungkungan terjaga Pelepasan radioaktif kecelakaan terbatasi
PENDAHULUAN (8) Tabel 2. Strategi dalam implementasi konsep pertahanan belapis dalam pengoperasian Level Strategi Implementasi dalam pengoperasian 1. Pencegahan Organisasi instalasi, pemilihan staf dan pelatihan Prosedur operasi normal Spesifikasi teknis 2. Pemantauan Program pengujian berkala Program pemeliharaan preventif Deteksi insiden dan analisis 3. Mitigasi Prosedur insiden dan kecelakaan 4. Manajemen kecelakaan Prosedur kecelakaan diluar batas rancangan Rencana kedaruratan internal (terkait dengan rencana kedaruratan eksternal) 5. Tanggap kedaruratan Rencana kedaruratan eksternal
II. SISTEM KESELAMATAN REAKTOR DAYA PWR DAN BWR SESUAI FUNGSI KESELAMATAN DASAR SHUT DOWN (PEMADAMAN REAKTOR) PENDINGINAN (normal, abnormal, kecelakaan) PENGUNGKUNGAN SISTEM INSTRUMENTASI DAN KENDALI Sistem operasi reaktor Sistem proteksi reaktor : Sistem shut down Sistem yang berefek ke pengungkung : sistem pendingin teras darurat; isolasi pengungkung; pengurangan tekanan pengungkung; sumber catu daya darurat; penyaringan udara.
Sistem instrumentasi dan kendali Catu Daya Darurat Aktuator Sistem Operasi Reaktor Aktuator Sistem Proteksi Reaktor Instalasi Reaktor Catu Daya Darurat Sirkuit Sistem Kendali Operasi Reaktor Instrumentasi Sistem Operasi Reaktor Instrumentasi Sistem Proteksi Sirkuit Logika Sistem Proteksi Reaktor Tayangan (display) Catu Daya Darurat Operator Gambar 3. Instrumentasi di dalam sistem operasi reaktor dan sistem proteksi reaktor [digambar ulang dari nuclear power reaktor instrumentation sistems, handbookvol2,1974].
Sistem instrumentasi dan kendali (1) 1. Shut down Bagian sistem proteksi reaktor Implementasi kendali reaktivitas (pengurangan) Penyisipan batang kendali dan atau larutan boron Tindakan keselamatan kondisi tidak normal : perubahan reaktivitas/distribusi daya perubahan pembangkitan panas/pendinginan perubahan tekanan / pengumpulan pendingin Kriteria keselamatan terkait : - DNBR minimum (departure from nucleate boiling ratio) - integritas kelongsong bahan bakar - entalpi bahan bakar / pembangkitan panas - tekanan sistem pembatas tekanan pendingin reaktor.
Sistem instrumentasi dan kendali (2) BWR Tekanan reaktor naik Level air reaktor turun Jumlah neutron naik Piranti pemantau neutron tidak bekerja Tekanan bejana pengungkung reaktor naik Katup isolasi uap utama menutup Katup penghenti uap utama turbin menutup Katup kendali turbin menutup secara cepat Radioaktivitas dalam jalur uap utama naik Level air naik pd el.sis.tek. Mek. btng kendali Penambahan percepatan seismik Shut down manual oleh operator Sinyal shut down reaktor bekerja Semua batang kendali tersisipkan ke teras reaktor Batang kendali menyerap neutron & daya reaktor turun secara tajam Reaksi berantai berhenti Jumlah neutron naik PWR Laju perubahan dalam jumlah neutron naik Pendingin primer mendidih Daya termal > kapasitas pendinginan p.primer Tekanan reaktor naik Tekanan reaktor turun Aliran pendingin primer berkurang Katup penghenti uap utama turbin menutup Level air di pembangkit uap turun Level air pressurizer turun Penambahan percepatan seismik Sistem pendingin teras darurat bekerja Shut down manual oleh operator Gambar 4. Skema kondisi transien operasi terantisipasi dengan tindakan keselamatan shut down reaktor.
Sistem instrumentasi dan kendali (3) 2. Pendingin SIK di PWR Operasi normal untuk mengetahui perubahan pada : daya reaktor daya pembangkitan listrik. sistem pendingin primer : tekanan dan level air pressurizer dan atau temperatur (sisi masuk/dingin dan keluar/panas ), laju alir (sisi keluar pembangkit uap dan sisi dingin maupun sisi panas bejana tekan) sistem pendingin sekunder (pembangkit uap) : level air, laju alir uap dan tekanan dalam pipa uap utama turbin untuk memantau tekanan keluaran dari turbin tekanan tinggi. Kondisi tidak normal dan atau kecelakaan untuk : sistem proteksi reaktor dan sistem fasilitas keselamatan terekayasa (ECCS dan sistem pengungkungan).
Blok Diagram Sistem Proteksi Reaktor Sinyal trip fluk kisaran daya Sinyal trip tekanan tinggi pressurizer Sinyal trip manual Sinyal trip sitem injeksi keselamatan Sinyal trip fluk neutron Sinyal trip fluk kisaran sumber Sinyal trip fluk kisaran daya menengah-tinggi Sinyal trip fluk kisaran daya rendah Sinyal trip level air pressurizer tinggi Sinyal trip turbin pembangkit listrik Saling kunci (interlock) Matrik Logika Sinyal trip laju lir pendingin reaktor rendah Trip Reaktor Sinyal trip tekanan pressurizer rendah Sinyal trip pompa pendingin reaktor kehilangan catu daya Sinyal trip pompa pendingin reaktor karena tegangan rendah Trerata T Trip T karena Daya berlebih Reset beda flux Trerata T Tekanan pendingin reaktor Trip T karena Temperatur berlebih
Sistem instrumentasi dan kendali (4) Intrumentasi di teras reaktor ; Di luar teras (bagian luar bejana tekan) detektor kisaran sumber neutron pemantau start up detektor kisaran daya menengah pemantau selama start up s/d operasi normal detektor kisaran daya pemantau selama operasi normal Di dalam teras Sistem kendali daya reaktor batang kendali larutan Boron tekanan sistem primer level air pembangkit uap tekanan turbin pada sistem sekunder. SIK pada ECCS dan fasilitas pengungkungan reaktor : terpisah dari SIK yang lain. Sistem instrumentasi dan kendali pemantauan tingkat radiasi.
Pompa sirkulasi utama : beda tekanan masuk dan keluar serta jumlah rotasi, laju alir dan temperatur pendingin; Sistem instrumentasi dan kendali (5) SIK di BWR Operasi normal untuk mengetahui perubahan pada : daya reaktor : kisaran sumber selama start up, kisaran menengah, kisaran daya; daya pembangkitan listrik; Bejana tekan reaktor umpan; Pembangkit uap Turbin Penggerak B.Kendali : tekanan, level air, temperatur dan kemungkinan adanya kebocoran di bagian flange, laju alir uap dan air : level air, laju alir uap dan tekanan dalam pipa uap utama; : tekanan keluaran dari turbin tekanan tinggi; : beda tekanan air dengan tekanan dalam reaktor;
Sistem instrumentasi dan kendali (6) Kendali reaktivitas Kendali tekanan teras Kendali daya Kendali level air : temperature, posisi batang kendali, tekanan luaran pompa air penggerak batang kendali, tekanan nitrogen pada akumulator pancung reaktor, level air pada volume bejana sistem penyedia tekanan air penambahan; : katup kendali uap dan katup bypass turbin : kendali posisi/penyisipan batang kendali, kendali laju alir pompa sirkulasi : kendali air umpan Kondisi tidak normal dan atau kecelakaan untuk : sistem proteksi reaktor (Shut down) sistem fasilitas keselamatan terekayasa (ECCS dan sistem pengungkungan). Sistem instrumentasi dan kendali pemantauan tingkat radiasi.
Sistem instrumentasi dan kendali (7) Kecelakaan Terpostulasi : Kriteria terkait kejadian dan perlu dikonfirmasi pada rancangan PLTN: Tidak ada keraguan terhadap teras meleleh / kerusakan teras yang serius; Tidak ada kerusakan berlanjut atau kedua; Penghalang fisik berfungsi sesuai rancangan; Sesuai maksud keselamatan menjaga agar dalam proses kejadian kecelakaan : Teras tidak rusak dan dapat didinginkan secara penuh; Entalpi bahan bakar tidak melewati batas spesifikasi; Tekanan pembatas tekanan pendingin reaktor tidak melewati batas; Tekanan bejana pengungkung < tekanan maksimum; Tidak ada paparan radiasi yang serius ke masyarakat.
Sistem instrumentasi dan kendali (8) Tabel 3. Kumpulan kecelakaan yang dapat terjadi dan diasumsikan dalam rancangan No. Tipe kecelakaan PWR Kejadian awal BWR 1. Kehilangan pendinginan atau perubahan pendinginan teras yang sangat serius 2. Perubahan cepat daya reaktor atau pemasukan reaktivitas positif secara tidak normal LOCA (loss of coolant accident) LOFA (loss of flow accident) pompa pendingin reaktor trip pipa air umpan utama pecah pipa uap utama pecah LOCA LOFA pompa pendingin reaktor trip - pengeluaran batang kendali dari teras - pengeluaran batang kendali dari teras 3. Pelepasan material radioaktif ke lingkungan secara tidak normal 4. Ketidaknormalan perubahan tekanan pengungkung reaktor atau atmosfir reaktor kegagalan f. pembuangan gas radioaktif tabung pembangkit uap pecah perangkat bahan bakar jatuh LOCA pengeluaran batang kendali dari teras LOCA Pembangkitan gas dapat bakar kegagalan f. pembuangan gas radioaktif perangkat bahan bakar jatuh LOCA pengeluaran batang kendali dari teras LOCA Pembangkitan gas dapat bakar Pembangkitan beban dinamik
Sistem instrumentasi dan kendali (9) 3. Pengungkung Tujuan : Proteksi lingkungan Menurunkan tingkat kebocoran s/d terendah Komponen utama di PWR: Bejana pengungkung Sistem penyemprotan Sistem pembersih udara Komponen utama di BWR: Bejana pengungkung Sistem penyemprotan Sistem pengendali gas dapat bakar Sistem pembersih udara Kolam penekan
Sistem Pendingin Teras Darurat (ECCS) Kecelakaan : kondisi operasi tidak normal dan tidak terantisipasi sistem proteksi reaktor Kecelakaan dasar rancangan (DBA): diperkirakan dalam rancangan di daftar sebagai PIE Untuk penyetelan kondisi batas struktur, sistem dan komponen penting untuk keselamatan Respon salah satu PIE : Permulaan tindakan keselamatan otomatis Mencegah kecelakaan berlanjut Memitigasi konsekuensi kecelakaan Waktu yang cepat *Manual : pertimbangan waktu cukup dan prosedur memadai
ECCS (1) Sistem dirancang : Menghadapi PIE seperti LOCA Mitigasi konsekuensi kecelakaan Mendinginkan teras Meminimalkan kerusakan bahan bakar Membatasi pelepasan produk fisi Menjamin untuk : Membatasi temperatur kelongsong Membatasi reaksi kimia yang mungkin Perubahan geometrik tidak mengurangi efektifitas pendinginan Cukup waktu Implementasi : Temperatur kelongsong < batas maksimum kelongsong Tebal lapisan film oksida pada kelongsong terbatasi Pembangkitan hidrogen terbatasi perpindahan panas sisa tidak terganggu untuk waktu cukup lama
ECCS (2) PWR Tangki air injeksi Larutan asam boron Akumulator Bejana tekan reaktor Bejana pengungkung reaktor Pompa injeksi tekanan tinggi Pompa injeksi tekanan rendah Wadah pensirkulasi ulang pada bejana pengungkung Gambar 5. Sistem pendinginan teras darurat sebagai sistem keselamatan terekayasa pada PWR (digambar ulang dari [5]).
ECCS (3) BWR Tanki ppenyimpan kondensat Bejana tekan reaktor Tanki Katup keselamatan relief uap utama Pompa penyemprot tekanan tinggi 1 2 3 4 Bejana pengungkung reaktor Pompa penyemprot tekanan rendah Bat ang ken dali Pompa injeksi pendingin tekanan rendah Air kolam penekan Gambar 6. Sistem pendinginan teras darurat sebagai sistem keselamatan terekayasa pada BWR (digambar ulang dari [5]).
III. KLASIFIKASI KESELAMATAN STRUKTUR, SISTEM DAN KOMPONEN (SSK) Diidentifikasi dan diklasifikasi berdasar : fungsi keselamatan keselamatan instalasi Dirancang, dikonstruksi dan dijaga kualitasnya sesuai kelas keselamatan Metodologi klasifikasi : Deteministik dan Probabilistik Keputusan pakar keteknikan Pertimbangan : Fungsi keselamatan SSK Konsekuensi kegagalan SSK Keandalan SSK Waktu yang menyertai PIE Tujuan mencapai : keselamatan proteksi radiasi dan keselamatan teknis.
Klasifikasi Keselamatan SSK (1) Fungsi keselamatan proteksi radiasi SSK Menjamin paparan radiasi tetap rendah dan dibawah batasan Mampu memitigasi penyebaran paparan radiasi Fungsi keselamatan teknis SSK Mencegah kecelakaan dengan derajat kepercayaan yang tinggi Menjamin bahwa konsekuensi radiologis jika ada minor dan dibawah batasan Menjamin bahwa tidak ada konsekuensi radiologis yang serius Menjamin bahwa sangat jarang terjadi suatu kecelakaan parah Prinsip Klasifikasi Kelas Keselamatan SSK : Kelas keselamatan 1: fungsi saat diperlukan tindakan keselamatan menjaga integritas pembatas tekanan pendingin reaktor (dikelompokkan (k)); melaksanakan shut down reaktor setelah reaktor mengalami LOCA mengijinkan pendinginan yang dapat diterima teras reaktor (dikelompokkan (d)). * Persyaratan rancangan : - bersifat membatasi - kelas keselamatan paling tinggi untuk komponen-komponen PLTN - acuan dari code standar seperti ASME Bab III, bagian 1, sub bab NB.
Klasifikasi Keselamatan SSK (2) Kelas Keselamatan 2 : Fungsi : memitigasi konsekuensi kecelakaan atau sebab produk fisi dalam teras ke lingkungan : penting : mencegah dari perkembangan kondisi kejadian operasi yang terantisipasi ke kondisi kecelakaan Lain : kegagalannya dapat berakibat menghasilkan pelepasan produk fisi Pertimbangan : Konsekuensi kegagalan dipertimbangkan setelah kegagalan awal fungsi keselamatan lain. *Persyaratan Rancangan : - bersifat membatasi seperti pada kelas keselamatan 1 - ditujukan untuk komponen PLTN - acuan code standar seperti ASME Bab III, bagian 1, sub bab NC.
Klasifikasi Keselamatan SSK (3) Kelas Keselamatan 3 : - Fungsi : mendukung kelas keselamatan 1, 2 dan 3 lain - Pertimbangan : konsekuensi kegagalan tidak akan menyebabkan kenaikan langsung paparan radiasi *Persyaratan rancangan : - bersifat membatasi seperti pada kelas keselamatan 2 - menyerupai kelas keselamatan 4 dengan tambahan terkait dengan keselamatan - acuan code standar seperti ASME Bab III, bagian 1, sub bab ND. Kelas Keselamatan 4 : - Fungsi : membatasi pelepasan radioaktif dibawah batasan selama kondisi operasi - Pertimbangan : konsekuensi kegagalan tidak akan menghasilkan paparan yang melewati batasan *Persyaratan Rancangan : - code dan standar tertinggi untuk instalasi pembangkit tenaga listrik non nuklir terkait keselamatan - Contoh : code dan standar ANSI/ASME untuk pipa bertekanan B31.
Klasifikasi Keselamatan SSK (3) k d 1 k(1) n2 4 Kelas Keselamatan SSK 2 c e1 f s g r q p o n1 m 3 i h e2 b a l Gambar 7. Matrik Kelas keselamatan SSK sesuai fungsi keselamatan.
IV. Sistem Keselamatan Reaktor Riset Fungsi reaktor riset : Digunakan : pembangkitan dan penggunaan fluk neutron serta radiasi pengion Dimanfaatkan : Penelitian, Irradiasi (misal : radioisotop), Pendidikan Keselamatan : Tercapai tujuan umum keselamatan Melengkapi sistem pertahanan yang efektif Implementasi Prinsip Pertahanan Berlapis : Pencegahan Proteksi Mitigasi
Sistem Keselamatan Reaktor Pencegahan : pemilihan material bermutu sesuai fungsi keselamatan, pendekatan perancangan konservatif; Sifat keselamatan diri (inheren safety) Proteksi : Sistem pancung (scram) secara manual maupun otomatis. Sistem proteksi reaktor sebagai bagian sistem instrumentasi dan kendali reaktor dan sistem peringatan dini/alarm Instrumentasi dan kendali : sensor-sensor dan kanal pengukuran parameter operasi Parameter operasi : fluk neutron, temperatur bahan bakar, pendingin primer, level ketinggian air kolam reaktor; Air kolam reaktor : pendingin reaktor kondisi normal perisai radiasi dan pengungkung material radioaktif bersama tangki reaktor, beton kolam dan sistem ventilasi serta gedung reaktor; Kelengkapan sistem keselamatan teknis (engineered safety features) : Tujuan : mitigasi konsekuensi kecelakaan Sistem : ECCS (contoh TRIGA 2000 Bandung untuk menghadapi kejadian LOCA) Sistem Pemindahan Panas atau Panas Peluruhan; Sistem Penjagaan Integritas Kolam Reaktor; Sistem Penjagaan Fungsi Pengungkungan (Safety Enclosure) contoh di RGS-GAS; Sistem Pemadaman (Shut Down) Reaktor, Pemantauan, Sistem Kendali dan Penyediaan Catu daya Listrik Darurat. Keselamatan Radiologis Proteksi radiasi : perisai biologi, ventilasi dan tekanan negatif, tebal gedung reaktor sebagai perisai dan pengungkung, pemantau radiasi. Pencegah/penghambat laju paparan gas dari dalam kolam reaktor : difuser, lapisan air hangat.
V. PENUTUP Tujuan dan fungsi keselamatan dasar harus dicapai instalasi PLTN maupun reaktor riset Sistem keselamatan reaktor daya maupun riset sangat penting mencapai maksud tersebut Pemakaian SSK sesuai klasifikasi keselamatan sebagai: - jaminan implentasi konsep pertahanan berlapis - penghalang ganda yang andal - fungsi keselamatan sesuai tujuan keselamatan. Bahan diklat ini diharapkan dapat memenuhi maksud dan tujuan diklat.