ANALISIS PERHITUNGAN KOEFISIEN REAKTIVITAS DOPPLER PARTIKEL TRISO REAKTOR TEMPERATUR TINGGI

dokumen-dokumen yang mirip
Studi Sensitivitas Ketinggian Teras Reaktor dalam Desain Htr Pebble Bed

STUDI SENSITIVITAS KETINGGIAN TERAS REAKTOR DALAM DESAIN HTR PEBBLE BED ABSTRAK

Studi Kritikalitas VHTR Prismatik Sebagai Fungsi Radius Bahan Bakar Kompak dan Kernel (Fajar Arianto, Suwoto, Zuhair)

ANALISIS PERHITUNGAN KOEFISIEN REAKTIVITAS TEMPERATUR BAHAN BAKAR DAN MODERATOR TERAS RGTT200K

STUDI OPTIMASI MODERASI NEUTRON DALAM TERAS HTR PEBBLE BED

STUDI KOMBINASI KISI KERNEL DAN KISI PEBBLE DALAM DESAIN RGTT200K

PENGOLAHAN DATA NUKLIR TEMPERATUR TINGGI UNTUK PUSTAKA ENERGI NEUTRON KONTINU PROGRAM MCNP/MCNPX

EFEK FRAKSI PEBBLE DALAM PERHITUNGAN KOEFISIEN REAKTIVITAS DOPPLER RGTT200K

EVALUASI TINGKAT KESELAMATAN HIGH TEMPERATURE REACTOR 10 MW DITINJAU DARI NILAI SHUTDOWN MARGIN.

PEMODELAN NEUTRONIK BAHAN BAKAR HTR. Topan Setiadipura *

STUDI PEMODELAN DAN PERHITUNGAN TRANSPORT MONTE CARLO DALAM TERAS HTR PEBBLE BED. Zuhair Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir BATAN.

PERHITUNGAN REAKTIVITAS UMPAN BALIK AKIBAT KOMPAKSI BAHAN BAKAR DAN KEBOCORAN YANG DISEBABKAN OLEH GEMPA PADA HTR-10 DENGAN CODE MVP

STUDI MODEL BENCHMARK MCNP6 DALAM PERHITUNGAN REAKTIVITAS BATANG KENDALI HTR-10

J. Sains Dasar (2012) 1(1) 7-17 STUDI PERHITUNGAN HTR PEBBLE-BED DENGAN BERBAGAI MODEL KISI KERNEL DAN KISI PEBBLE

PENGARUH JENIS MATERIAL REFLEKTOR TERHADAP FAKTOR KELIPATAN EFEKTIF REAKTOR TEMPERATUR TINGGI PROTEUS

STUDI PERFORMA TERAS INISIAL HTR PEBBLE BED DENGAN BAHAN BAKAR PLUTONIUM OKSIDA

Investigasi Kritikalitas HTR (High Temperature Reactor) Pebble Bed Sebagai Fungsi Radius dan Pengkayaan Bahan Bakar Kernel

PERHITUNGAN INTEGRAL RESONANSI PADA BAHAN BAKAR REAKTOR HTGR BERBENTUK BOLA DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM VSOP

INVESTIGASI PARAMETER BAHAN BAKAR PEBBLE DALAM PERHITUNGAN TERAS THORIUM RGTT200K

OPTIMASI GEOMETRI TERAS REAKTOR DAN KOMPOSISI BAHAN BAKAR BERBENTUK BOLA PADA DESAIN HIGH TEMPERATURE FAST REACTOR (HTFR).

ANALISIS KORELASI RESONANCE INTEGRAL DAN TEMPERATUR KELUARAN PAKET PROGRAM V.S.O.P PADA REAKTOR HTGR PEBBLE BED

PEMODELAN TERAS UNTUK ANALISIS PERHITUNGAN KONSTANTA MULTIPLIKASI REAKTOR HTR-PROTEUS

EFEK MODEL KISI HEKSAGONAL DALAM PERHITUNGAN FAKTOR MULTIPLIKASI BAHAN BAKAR RGTT

Analisis Distribusi Suhu Aksial Teras Dan Penentuan k eff PLTN Pebble Bed Modular Reactor (PMBR) 10 MWE Menggunakan Metode MCNP 5

Studi Efek Geometri Terhadap Performa Bahan Bakar Pebble Bed Reactor

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

PENGARUH TEMPERATUR TAMPANG LINTANG HAMBURAN NEUTRON TERMAL S(, ) GRAFIT PADA PERHITUNGAN KRITIKALITAS RGTT200K

ANALISIS SENSITIVITAS KETEBALAN REFLEKTOR GRAFIT TERAS RGTT200K MENGGUNAKAN PERHITUNGAN MONTE CARLO

PROSES PEMBANGKITAN DATA NUKLIR ENERGI KONTINU TEMPERATUR TINGGI DENGAN PROGRAM SIGACE

BAB III KARAKTERISTIK DESAIN HTTR DAN PENDINGIN Pb-Bi

Analisis Neutronik pada Gas Cooled Fast Reactor (GCFR) dengan Variasi Bahan Pendingin (He, CO 2, N 2 )

PENGKAJIAN METODA PENGOLAHAN DATA NUKLIR UNTUK PERHITUNGAN NEUTRONIK HTGR Suwoto

ANALISIS EFEK KECELAKAAN WATER INGRESS

ANALISIS KOEFISIEN REAKTIVITAS TEMPERATUR MODERATOR PWR DENGAN WIMS-ANL

Analisis Perhitungan Benchmark Keselamatan Kritikalitas Larutan Uranil Nitrat di Teras Slab 280T STACY

PENGEMBANGAN ANTARMUKA KONVERSI FILE DATA NUKLIR TEREVALUASI PADA RENTANG SUHU TERTENTU UNTUK APLIKASI MCNP. D. Andiwijayakusuma *

Studi Model Heksagonal MCNP5 Dalam Perhitungan Benchmark Fisika Teras HTR-10

Studi Model Teras Reaktor Generasi IV dengan Spektrum Neutron Cepat dalam Perhitungan Multiplikasi Neutron

ANALISIS KESELAMATAN KRITIKALITAS LARUTAN URANIL NITRAT DENGAN MCNP5

EFEK IMPURITAS BORON PADA KERNEL BAHAN BAKAR HTGR PEBBLE BED. Hery Adrial Pusat Teknologi dan Keselamatan Reaktor Nuklir - BATAN

DESAIN TERAS DAN BAHAN BAKAR PLTN JENIS HTR-PBMR PADA DAYA 50 MWe DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM SRAC2006

Studi Perhitungan Benchmark Kritikalitas Teras Metalik dan MOX di FCA

Sigma Epsilon, ISSN

ANALISIS PENGARUH TEMPERATUR TERHADAP DEGRADASI GRAFIT OLEH AIR INGRESS PADA TERAS RGTT200K.

I. PENDAHULUAN. Telah dilakukan beberapa riset reaktor nuklir diantaranya di Serpong

ANALISIS NILAI KOEFISIEN REAKTIVITAS SUHU BAHAN BAKAR DAN MODERATOR PADA HTR-10

DISTRIBUSI FLUKS NEUTRON SEBAGAI FUNGSI BURN-UP BAHAN BAKAR PADA REAKTOR KARTINI

PENGEMBANGAN SISTEM ANALISIS KETIDAKPASTIAN PROBABILISTIK DARI DATA NUKLIR UNTUK SIMULASI DAN ANALISIS NEUTRONIK

ANALISIS PERHITUNGAN DISTRIBUSI TEMPERATUR TERAS DAN REFLEKTOR REAKTOR DAYA EKSPERIMENTAL

PERHITUNGAN REAKTIVITAS UMPAN BALIK AKIBAT KOMPAKSI BAHAN BAKAR DAN WATER INGRESS YANG DISEBABKAN OLEH GEMPA PADA HTR-10 DENGAN CODE MVP

Sigma Epsilon, ISSN

diajukan oleh : IRMA PERMATA SARI J2D005176

PERHITUNGAN BENCHMARK NILAI REAKTIVITAS ELEMEN KENDALI REAKTOR TEMPERATUR TINGGI HTR-10. Ferhat Aziz *

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Geometri Aqueous Homogeneous Reactor (AHR) Geometri AHR dibuat dengan menggunakan software Visual Editor (vised).

BAB I PENDAHULUAN BAB I PENDAHULUAN. 1.1 Latar Belakang Masalah

DAFTAR ISI. HALAMAN JUDUL... i. PERNYATAAN BEBAS PLAGIARISME... ii. HALAMAN PENGESAHAN... iii. HALAMAN TUGAS... iv. KATA PENGANTAR...

KOEFISIEN REAKTIVITAS TEMPERATUR BAHAN BAKAR REAKTOR KARTINI. Budi Rohman

PENENTUAN FRAKSI BAKAR PELAT ELEMEN BAKAR UJI DENGAN ORIGEN2. Kadarusmanto, Purwadi, Endang Susilowati


BAB I PENDAHULUAN. I.1. Latar Belakang

III.3. Material Fisil dan Fertil III.4. Persamaan Diferensial Bateman III.5. Efek Umpan Balik Reaktivitas Suhu dan Void III.6.

BAB I PENDAHULUAN. Latar Belakang

OPTIMASI DIMENSI BAHAN BAKAR UNTUK REAKTOR BERBAHAN BAKAR UO 2 DENGAN MODERATOR DAN PENDINGIN AIR RINGAN (H 2 O)

Disusun oleh: SUSANTI M SKRIPSI

PENGARUH BAHAN BAKAR UN-PuN, UC-PuC DAN MOX TERHADAP NILAI BREEDING RATIO PADA REAKTOR PEMBIAK CEPAT

BAB IV DATA DAN ANALISIS HASIL PERHITUNGAN DESAIN HTTR

BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang

SIMULASI KRITIKALITAS DAN BURN-UP

STUDI DAN INVESTIGASI AWAL KONSEP DESAIN REAKTOR GENERASI IV

ANALISIS PASCA-KRITIKALITAS PERTAMA REAKTOR TEMPERATUR TINGGI HTR-10 CHINA. FERHAT AZIZ DAN AS NATIO LASMAN *

VERIFIKASI DISTRIBUSI FAKTOR PUNCAK DAYA RADIAL TERAS 60 BOC REAKTOR RSG-GAS

BAB III DESAIN REAKTOR DAN METODE PERHITUNGAN

Studi Desain Neutronik Perangkat Kritik Reaktor Temperatur Tinggi Berbahan Bakar Bola

STUDI DAN KAJIAN DATA NUKLIR REAKTOR GENERASI-IV DENGAN SPEKTRUM NEUTRON CEPAT

STUDI PARAMETER REAKTOR BERBAHAN BAKAR UO 2 DENGAN MODERATOR H 2 O DAN PENDINGIN H 2 O

ANALISIS LAJU DOSIS NEUTRON TERAS RGTT200K DENGAN MCNP5. Suwoto dan Zuhair

PERHITUNGAN DEFLESI BAHAN BAKAR TERAS PWR

DESAIN TERAS DAN BAHAN BAKAR PLTN JENIS PEBBLE BED MODULAR REACTOR (PBMR) DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM SRAC.

STUDI PARAMETER BURNUP SEL BAHAN BAKAR BERBASIS THORIUM NITRIDE PADA REAKTOR CEPAT BERPENDINGIN HELIUM

BAB III DAUR ULANG PLUTONIUM DAN AKTINIDA MINOR PADA BWR BERBAHAN BAKAR THORIUM

Analisis Neutronik Super Critical Water Reactor (SCWR) dengan Variasi Bahan Bakar (UN-PuN, UC-PuC dan MOX)

Diterima editor 10 Agustus 2010 Disetujui untuk dipublikasi 28 September 2010

ANALISIS PENGARUH WATER INGRESS TERHADAP PERTUMBUHAN GAS CO DAN H 2 DALAM PENDINGIN RGTT200K ABSTRAK

ANALISIS PASCA-KRITIKALITAS PERTAMA REAKTOR TEMPERATUR TINGGI HTR-10 CHINA. Ferhat Aziz dan As Natio Lasman *

PENGEMBANGAN KODE UNTUK ANALISIS KETIDAKPASTIAN PROBABILISTIK PARAMETER INPUT PADA PERHITUNGAN BURN-UP

ANALISIS PERHITUNGAN KOEFISIEN KEHITAMAN PADA PERANGKAT KRITIS HITACHI TRAINING REACTOR MENGGUNAKAN BATAN-2DIFF 1

PEMODELAN SISTEM KONVERSI ENERGI RGTT200K UNTUK MEMPEROLEH KINERJA YANG OPTIMUM ABSTRAK

ANALISIS KEKRITISAN TERAS REAKTOR NUKLIR CEPAT DAN TERMAL TERKOPEL BERDASARKAN PADA LETAK SUMBER NEUTRONNYA

ANALISIS NEUTRONIK PADA REAKTOR CEPAT DENGAN VARIASI BAHAN BAKAR (UN-PuN, UC-PuC DAN MOX)

KAJIAN PERKEMBANGAN PLTN GENERASI IV

Analisis Termal Hidrolik Gas Cooled Fast Reactor (GCFR)

DESAIN TERAS SUPERCRITICAL WATER COOLED FAST BREEDER REACTOR

MODUL 2 ANALISIS KESELAMATAN PLTN

ANALISIS KOEFFISIEN REAKTIVITAS TERAS RSG-GAS BERBAHAN BAKAR U 3 Si 2 -Al 4,8gU/cc DENGAN KAWAT KADMIUM MENGGUNAKAN SRAC ABSTRAK

PROSES PENGOLAHAN DATA NUKLIR UNTUK PEMBEN- TUKAN TAMPANG LINTANG STAINLESS STEEL

ANALISA KESELAMATAN REAKTOR CEPAT DENGAN DAUR ULANG AKTINIDA. Mohammad Taufik *

PEMODELAN DOSIS NEUTRON DAN GAMMA DI REAKTOR TRIGA 2000 DENGAN METODE MONTE CARLO MCNP5

ANALISIS KUAT SUMBER NEUTRON DAN PERHITUNGAN LAJU DOSIS NEUTRON TERAS AWAL RDE

BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang

BAB I PENDAHULUAN. Semakin maraknya krisis energi yang disebabkan oleh menipisnya

Transkripsi:

Analisis Perhitungan Koefisien Reaktivitas Doppler Partikel TRISO Reaktor Temperatur Tinggi (Zuhair, Suwoto, Ign. Djoko Irianto) ANALISIS PERHITUNGAN KOEFISIEN REAKTIVITAS DOPPLER PARTIKEL TRISO REAKTOR TEMPERATUR TINGGI Zuhair, Suwoto, Ign. Djoko Irianto Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir (PTRKN) BATAN Kawasan Puspiptek, Gedung No. 80, Serpong Tangerang 15310 Tel: (021) 75609, Faks: (021) 7560913, Email: zuhairbasjmeleh@yahoo.com Masuk: 14 Januari 2011 Direvisi: 15 Februari 2011 Diterima: 1 April 2011 ABSTRAK ANALISIS PERHITUNGAN KOEFISIEN REAKTIVITAS DOPPLER PARTIKEL TRISO REAKTOR TEMPERATUR TINGGI. Salah satu aspek keselamatan melekat HTR didasarkan pada koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator yang negatif. Koefisien temperatur bahan bakar dikenal dengan sebutan koefisien reaktivitas Doppler. Makalah ini mendiskusikan perhitungan koefisien reaktivitas Doppler partikel TRISO dalam matriks grafit dengan program transport Monte Carlo MCNP5 dan pustaka tampang lintang energi kontinu ENDF/B-VII. Partikel TRISO dimodelkan dengan kisi BCC dimana kernel dan keempat lapisan coating disimulasikan secara eksplisit. Serangkaian perhitungan dikerjakan dengan fraksi packing TRISO yang berbeda dan temperatur kernel, TF, yang berbeda pula. Temperatur matriks grafit, TM, dijaga konstan pada 00K. Hasil perhitungan memperlihatkan semakin tinggi temperatur bahan bakar, semakin rendah nilai kritikalitas (k) partikel TRISO. Dengan bertambahnya temperatur bahan bakar, reaktivitas partikel TRISO menurun untuk seluruh fraksi packing TRISO yang dipertimbangkan. Hasil perhitungan juga memperlihatkan koefisien reaktivitas Doppler menurun dengan naiknya temperatur bahan bakar dan meningkat dengan bertambahnya fraksi packing TRISO. Dapat disimpulkan bahwa, pemilihan fraksi packing TRISO dan temperatur operasi merupakan opsi penting dalam analisis desain keselamatan melekat reaktor temperatur tinggi. Kata kunci: koefisien reaktivitas Doppler, partikel TRISO, BCC, MCNP5, ENDF/B-VII ABSTRACT ANALYSIS ON THE CALCULATION OF DOPPLER REACTIVITY COEFFISIENT FOR TRISO PARTICLE OF HIGH TEMPERATURE REACTOR. One of HTR inherent safety aspects is based on the negative fuel and moderator temperature reactivity coefficients. Fuel temperature coefficient is known as the Doppler reactivity coefficient. This paper discusses the calculation of the Doppler reactivity coefficient for TRISO particles in graphite matrix with MCNP5 Monte Carlo transport code and ENDF/B-VII continuous energy cross section library. TRISO particles are modeled as BCC lattice where the kernel and four coating layers are simulated explicitly. A series of calculations were done with different TRISO packing fraction and different temperature of the kernel, TF. Temperature graphite matrix, TM, is kept constant at 00K. The calculation results show the higher the fuel temperature, the lower value of TRISO particles criticality (k). The increasing temperature of fuel, TRISO particle reactivity decreases for all considered TRISO packing fraction. The calculation results show also the Doppler reactivity coefficient decreases with rising of fuel temperature and increases with increasing of TRISO packing fraction. It can be concluded that the choice of TRISO packing fraction and operational temperature are important option in inherent safety design analysis of high temperature reactor. Keywords: Doppler reactivity coefficient, TRISO particle, BCC, MCNP5, ENDF/B-VI 1

Jurnal Pengembangan Energi Nuklir Vol. 13 No. 1, Juni 2011 1. PENDAHULUAN Reaktor temperatur tinggi (HTR) adalah reaktor nuklir berpendingin gas temperatur tinggi, bermoderator grafit dengan spektrum neutron termal dan temperatur outlet teras yang bisa mencapai 1000 C. Pengakuan yang terus bertambah atas karakteristik uniknya meliputi keselamatan melekat (inherent safety), fleksibilitas daur bahan bakar dan efisiensi termal yang tinggi, membuat HTR muncul sebagai kandidat untuk pasar pembangkit listrik di masa depan [1]. Keselamatan melekat HTR didasarkan pada tingginya kapasitas termal grafit dan kemampuan struktur grafit dalam teras untuk mentransfer panas ke permukaan luar reaktor dengan konduksi dan radiasi dalam kondisi tidak adanya pendingin, juga pada koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator yang negatif. Koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar dan moderator adalah dua koefisien temperatur yang paling dominan dalam sistem reaktor nuklir. Koefisien temperatur bahan bakar mempunyai efek yang lebih besar daripada koefisien temperatur moderator untuk berbagai jenis reaktor. Koefisien temperatur bahan bakar secara umum dipertimbangkan menjadi lebih penting daripada koefisien temperatur moderator karena temperatur bahan bakar segera meningkat menyusul kenaikan daya reaktor. Dalam kejadian insersi reaktivitas positif yang besar, temperatur moderator tidak dapat menangani kenaikan daya dalam hitungan detik, tetapi koefisien temperatur dapat menstabilkan daya reaktor dengan insersi reaktivitas negatif secara cepat. Koefisien temperatur bahan bakar dikenal dengan sebutan koefisien reaktivitas Doppler [2]. Fenomena efek Doppler disebabkan oleh pelebaran resonansi akibat gerak termal nuklida. Jika inti bergerak menjauh dari neutron, kecepatan (dan energi) neutron harus lebih besar dari energi tertentu untuk mengalami absorpsi resonansi. Demikian pula, jika inti bergerak mendekati neutron, neutron membutuhkan energi kurang dari energi tertentu tadi untuk diserap. Isotop 238 U dan 240 Pu merupakan dua nuklida dalam jumlah besar di bahan bakar beberapa reaktor dengan puncak resonansi besar yang mendominasi efek Doppler. Makalah ini mendiskusikan perhitungan koefisien reaktivitas Doppler partikel TRISO dalam matriks grafit dengan program transport Monte Carlo MCNP5 [3]. Program MCNP5 telah diaplikasikan secara luas untuk problema transport radiasi dan khususnya untuk perhitungan fisika reaktor nuklir. Partikel TRISO dimodelkan dengan kisi BCC [4] (body centered-cubic) dimana kernel dan keempat lapisan coating disimulasikan secara eksplisit. Serangkaian perhitungan dikerjakan dengan fraksi packing TRISO (TRISO Packing Fraction, TPF) yang berbeda dan temperatur kernel, T F, yang berbeda pula. Temperatur matriks grafit, TM, dijaga konstan pada 00K. Efek rasio atom moderator-bahan bakar (M/F) pada kritikalitas dan kelakuan koefisien reaktivitas Doppler yang dihitung dianalisis dengan memanfaatkan pustaka tampang lintang energi kontinu ENDF/B-VII [5]. 2. DESKRIPSI PARTIKEL TRISO Partikel TRISO, yang skema geometriknya diperlihatkan dalam Gambar 1, adalah basis konsep reaktor temperatur tinggi HTR. Partikel ini digunakan baik dalam desain HTR tipe blok prismatik maupun HTR tipe pebble-bed. Dalam makalah ini, desain geometrik partikel TRISO serupa dengan desain partikel TRISO HTR-10 [6] Cina seperti diberikan dalam Tabel 1. 2

Analisis Perhitungan Koefisien Reaktivitas Doppler Partikel TRISO Reaktor Temperatur Tinggi (Zuhair, Suwoto, Ign. Djoko Irianto) Gambar 1. Skema Geometrik Partikel TRISO Tabel 1. Desain Geometrik Partikel TRISO Material Radius luar (cm) Densitas (g/cm 3 ) Kernel UO2 0,0250 10,4 Lapisan penyangga Grafit 0,0340 1,1 Lapisan IPyC Grafit pirolitik 0,0380 1,9 Lapisan SiC Silikon karbida 0,0415 3,18 Lapisan OPyC Grafit pirolitik 0,0455 1,9 Partikel TRISO terdiri atas kernel bahan bakar UO2 berdiameter 250 m dan berpengkayaan 235 U 17% yang dikelilingi oleh empat lapisan coating: lapisan penyangga karbon, lapisan pirokarbon dalam (IPyC, inner pyrolitic carbon), lapisan silikon karbida (SiC) dan lapisan pirokarbon luar (OPyC, outer pyrolitic carbon). Masing-masing lapisan mempunyai ketebalan dan densitas tertentu. Setiap lapisan coating memiliki fungsi spesifik dalam unjuk kerja bahan bakar, namun pada dasarnya keempat lapisan berfungsi mencegah terjadinya pelepasan produk fisi dalam bentuk gas maupun metalik dan menjaga integritas struktur selama kondisi normal maupun kecelakaan. Densitas atom partikel TRISO dan matriks grafit (Tabel 2 dan 3) dihitung dengan memasukkan faktor pengkayaan 235 U dan mengadopsi data berat atom 235 U= 235,0439; 238 U= 238,0299; 16 O= 15,9997; C=,0111; 28 Si= 28,0855. Impuritas boron alam dalam bahan bakar dan grafit adalah 1,3 ppm. Tabel 2. Densitas Atom Partikel TRISO Isotop Densitas atom (atom/barn.cm) Kernel 235 U 3,992701 10-3 238 U 1,924805 10-2 16 O 4,648151 10-2 10 B 1,840667 10-8 11 B 7,455633 10-8 Lapisan penyangga C 5,515175 10-2 Lapisan IPyC C 9,526211 10-2 Lapisan SiC C 4,772396 10-2 28 Si 4,772396 10-2 Lapisan OPyC C 9,526211 10-2 3

Jurnal Pengembangan Energi Nuklir Vol. 13 No. 1, Juni 2011 Tabel 3. Densitas Atom Matriks Grafit Densitas atom Isotop (atom/barn.cm) Matriks grafit C 8,673866 10-2 10 B 1,717425 10-8 11 B 6,956441 10-8 3. PERHITUNGAN REAKTIVITAS DOPPLER Perhitungan reaktivitas Doppler dimulai dengan memodelkan sel satuan partikel TRISO. Dalam program deterministik, perhitungan sel satuan umumnya digunakan untuk menentukan spektrum fluks neutron yang kemudian dimanfaatkan untuk mengkondensasi jumlah kelompok energi tampang lintang. Program transport Monte Carlo MCNP5 tidak membutuhkan kondensasi karena memanfatkan tampang lintang energi kontinu. Dalam MCNP5, problema transport neutron diselesaikan secara stokastik dengan mengakumulasi histori neutron. Pergerakan neutron secara langsung disimulasikan dengan probabilitas proses interaksi. Neutron mengalami beberapa interaksi dengan material seperti hamburan elastik atau inelastik sampai akhirnya diserap dalam reaksi (n, ) atau reaksi fisi. Gambar 2. Kisi BCC Partikel TRISO Dalam teras reaktor yang besar dimana kebocoran neutron yang keluar dari teras adalah kecil, perhitungan reaktivitas Doppler partikel TRISO dapat mempersembahkan estimasi yang baik dari karakteristik teras. Setiap kernel dengan keempat lapisan coating disimulasikan secara eksplisit. Sel satuan partikel TRISO dalam matriks grafit dimodelkan dengan kisi BCC seperti diperlihatkan dalam Gambar 2. Dalam kisi BCC terdapat dua buah partikel TRISO yang terdiri dari satu buah ditempatkan di pusat kisi dan satu buah lainnya terbagi menjadi 8 bagian yang berada di delapan titik sudut kisi kubik. Analisis perhitungan reaktivitas Doppler partikel TRISO dipresentasikan dengan fraksi packing TRISO yang berbeda pada berbagai temperatur kernel, TF, yang berbeda pula. Temperatur matriks grafit, TM, dipertahankan konstan pada 00K. Fraksi packing TRISO didefinisikan sebagai fraksi volum partikel TRISO dalam matriks grafit [7], VTRISO TPF = (1) V MATRIKS 4

Analisis Perhitungan Koefisien Reaktivitas Doppler Partikel TRISO Reaktor Temperatur Tinggi (Zuhair, Suwoto, Ign. Djoko Irianto) dengan VTRISO dan VMATRIKS masing-masing adalah volum partikel TRISO dan matriks grafit. Dengan menentukan fraksi packing TRISO maka didapatkan volum matriks grafit dan dihitung ukuran pitch kisi BCC yang digunakan dalam perhitungan. Fraksi packing TRISO memfasilitasi perubahan rasio atom moderator-bahan bakar (M/F) dalam partikel TRISO. Rasio atom M/F mempunyai pengaruh yang cukup signifikan dalam performa neutronik teras HTR. Dari fraksi packing TRISO yang dipilih dapat diperoleh rasio atom M/F mengikuti persamaan [8], M TPF MTRISO + (1 TPF) MMATRIKS = (2) F TPF F TRISO dimana, 4 Vcoating n MTRISO = N V n=1 TRISO C atom coating n (3) dengan V fuel F atom F TRISO = N fuel (4) V Vcoating n TRISO dan C atom Ncoating n masing-masing adalah volum dan densitas atom grafit lapisan N F atom coating ke-n, sedangkan V fuel dan fuel masing-masing adalah volum dan densitas atom kernel bahan bakar ( 235 U + 238 U). M MATRIKS adalah densitas atom matriks grafit. Spesifikasi geometrik sel satuan partikel TRISO dalam perhitungan MCNP5 disajikan dalam Tabel 4. Tabel 4. Spesifikasi Geometrik Sel Satuan Partikel TRISO TPF (%) Pitch kisi BCC (cm) Rasio atom M/F 1 0,428985 2243,29 5 0,250872 443,32 10 0,199117 218,32 15 0,173945 143,32 20 0,158040 105,82 25 0,146711 83,32 30 0,138060 68,32 35 0,131145 57,61 Koefisien reaktivitas Doppler didefinisikan sebagai perubahan reaktivitas per derajat temperatur bahan bakar. Koefisien reaktivitas Doppler partikel TRISO dapat dihitung dari persamaan [9], α D T F Δρ = ΔT F ρt = T F,2 F, 1 ρ T T F,1 F,2 (5) dengan ρ T F,1 TF,1 dan T F, 2 dan T F,2 masing-masing adalah reaktivitas pada temperatur bahan bakar. Besaran reaktivitas ( ), didefinisikan sebagai, k 1 ρ = (6) k dengan k adalah kritikalitas. 5

Jurnal Pengembangan Energi Nuklir Vol. 13 No. 1, Juni 2011 4. HASIL PERHITUNGAN DAN DISKUSI Sebanyak 5.000 histori neutron per siklus dengan total 100 siklus aktif disimulasikan dan menghasilkan deviasi standar dalam kritikalitas lebih kecil dari 0,1%. Skipping 10 siklus dikerjakan untuk menghindari konvergensi sumber. Sumber neutron fisi awal dilokasikan pada pusat kisi partikel TRISO. Data hamburan termal S(α,β) graph.01t diaplikasikan untuk mempertimbangkan efek binding yang mempengaruhi interaksi neutron termal dengan seluruh material yang mengandung grafit pada energi di bawah ~4 ev. Kondisi batas reflektif digunakan di seluruh enam permukaan sisi dari sel satuan partikel TRISO. Pustaka data tampang lintang energi neutron kontinyu untuk temperatur 300-1800K diderivasi dari pemrosesan menggunakan modul ACER dalam program pengolah data NJOY99.304 [10]. TPF (%) Tabel 5. Kritikalitas Partikel TRISO dalam Matriks Grafit Nilai kritikalitas (k) pada temperatur bahan bakar (TF): 300K 600K 900K 00K 1500K 1800K 1 1,765±0,00063 1,75314±0,00063 1,74278±0,00079 1,73264±0,00070 1,72289±0,00073 1,71338±0,00074 5 1,57242±0,00107 1,53237±0,00107 1,50478±0,00099 1,47915±0,000 1,46335±0,00114 1,45496±0,00108 10 1,37477±0,00108 1,32619±0,00109 1,28753±0,001 1,25689±0,00104 1,23643±0,00115 1,22701±0,00111 15 1,25895±0,00105 1,21567±0,00101 1,17983±0,00096 1,14634±0,00102 1,11881±0,00107 1,09559±0,00105 20 1,19163±0,00100 1,14978±0,00103 1,11555±0,00093 1,07785±0,00116 1,059±0,00099 1,02906±0,00111 25 1,14523±0,00103 1,10258±0,00097 1,06389±0,00096 1,02878±0,00095 1,00089±0,00098 0,97698±0,00094 30 1,299±0,00089 1,08037±0,00092 1,04199±0,00092 1,00738±0,00089 0,97617±0,00089 0,94754±0,00088 35 1,109±0,00078 1,06614±0,00099 1,02782±0,00075 0,99295±0,00078 0,96134±0,00081 0,93245±0,00083 Hasil perhitungan kritikalitas partikel TRISO dalam matriks grafit dirangkum dalam Tabel 5. Untuk seluruh kasus yang dipertimbangkan, nilai kritikalitas (k) cenderung berkurang dengan bertambahnya fraksi packing TRISO. Hal ini sebagai konsekuensi dari rasio atom moderator-bahan bakar (M/F) yang makin rendah. Isotop 235 U yang jumlahnya banyak dalam partikel TRISO tidak membuat nilai kritikalitas (k) menjadi tinggi, tetapi justru sebaliknya. Moderasi neutron yang kurang baik karena rasio atom M/F yang rendah memberi efek dominan yang membuat kritikalitas mengecil. Untuk seluruh perhitungan tampak pula kecenderungan semakin tinggi temperatur bahan bakar (TF) semakin rendah nilai kritikalitas (k) partikel TRISO (Gambar 3). Reaktivitas memperlihatkan kelakuan yang sama sebagaimana kritikalitas, yaitu dengan bertambahnya temperatur, reaktivitas partikel TRISO menurun untuk seluruh fraksi packing TRISO. Fraksi packing TRISO HTR tipe pebble-bed bervariasi antara 5 hingga 10% sedangkan dalam kasus HTR tipe blok prismatik, fraksi packing TRISO sekitar 30%. Berkurangnya reaktivitas partikel TRISO disebabkan oleh pelebaran resonansi isotop 238 U karena agitasi termal yang meningkat dari nuklida yang menjauhi neutron. Kenaikan temperatur membuat nuklida bervibrasi lebih cepat dalam struktur kisinya, melebarkan jangkauan energi neutron yang secara resonansi diserap dalam bahan bakar. U235 c Dalam teras berbahan bakar uranium, rasio tangkapan-fisi 235 U ( σ / U 235 f ) tetap konstan untuk seluruh jelajah temperatur, namun ketika temperatur bahan bakar naik, menyebabkan 238U mengabsorpsi neutron jauh lebih banyak daripada proses fisi. Implikasinya tangkapan radiatif 238 U meningkat dan pada akhirnya dapat ditemui bahwa rasio tangkapan 238 U-fisi 235 U ( / menurun. U 238 c U 235 f ) makin bertambah yang mendorong reaktivitas 6

Analisis Perhitungan Koefisien Reaktivitas Doppler Partikel TRISO Reaktor Temperatur Tinggi (Zuhair, Suwoto, Ign. Djoko Irianto) 0.5 0.4 0.3 T F =300K T F =600K T F =900K T F =00K T F =1500K T F =1800K 0.5 0.4 0.3 Reaktivitas ) 0.2 0.1 0.2 0.1 0.0 0.0-0.1 0 5 10 15 20 25 30 35 Fraksi Packing TRISO (%) Gambar 3. Reaktivitas Partikel TRISO sebagai Fungsi Fraksi Packing dan Temperatur Kernel Bahan Bakar -0.1 Hasil perhitungan koefisien reaktivitas Doppler partikel TRISO dirangkum dalam Tabel 6. Tabel ini mendemonstrasikan koefisien reaktivitas Doppler yang menurun dengan meningkatnya temperatur. Tabel ini juga menunjukkan kelakuan reaktivitas Doppler yang lebih halus dengan penurunan relatif cukup kecil (< 3,0 10-7 k/k/k) untuk temperatur di atas 900K pada fraksi packing TRISO 1%. Efek Doppler menggenerasi umpan balik reaktivitas sebesar -1,29 10-5 hingga -1,21 10-4 k/k/k pada kondisi dingin (cold) dan hanya - 1,09 10-5 hingga -1,10 10-4 k/k/k pada temperatur operasional 1500 K. Tabel 6. Koefisien Reaktivitas Doppler Partikel TRISO Koefisien reaktivitas Doppler( D T F, k/k/k) pada temperatur bahan bakar (TF): TPF (%) 300-600K 600-900K 900-00K 00-1500K 1500-1800K 1-1,29 10-5 -1,13 10-5 -1, 10-5 -1,09 10-5 -1,07 10-5 5-5,54 10-5 -3,99 10-5 -3,84 10-5 -2,43 10-5 -1,31 10-5 10-8,88 10-5 -7,55 10-5 -6,31 10-5 -4,39 10-5 -2,07 10-5 15-9,43 10-5 -8,33 10-5 -8,25 10-5 -7,16 10-5 -6,31 10-5 20-1,02 10-4 -8,90 10-5 -1,05 10-4 -7,81 10-5 -6,85 10-5 25-1,13 10-4 -1,10 10-4 -1,07 10-4 -9,03 10-5 -8,15 10-5 30-1,17 10-4 -1,14 10-4 -1,10 10-4 -1,06 10-4 -1,03 10-4 35-1,21 10-4 -1,17 10-4 -1,14 10-4 -1,10 10-4 -1,07 10-4 Dari Tabel 6 dapat diobservasi pula, nilai koefisien reaktivitas Doppler meningkat dengan bertambahnya fraksi packing TRISO yang menjelaskan mengapa koefisien reaktivitas Doppler teras HTR prismatik (-1,17 10-4 hingga -1,03 10-4 k/k/k) lebih besar daripada teras HTR pebble-bed (-5,54 10-5 hingga -1,31 10-5 k/k/k). Isotop 238 U dalam inventori bahan bakar yang besar karena fraksi packing yang besar membuat koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar menjadi lebih negatif lagi. 7

Jurnal Pengembangan Energi Nuklir Vol. 13 No. 1, Juni 2011 5. KESIMPULAN Analisis perhitungan koefisien reaktivitas Dopler partikel TRISO reaktor temperatur tinggi telah dilakukan dengan program transport Monte Carlo MCNP5 dan pustaka data nuklir energi kontinu ENDF.B-VII. Hasil perhitungan memperlihatkan bahwa semakin tinggi temperatur bahan bakar, semakin rendah nilai kritikalitas (k) partikel TRISO. Bertambahnya temperatur bahan bakar akan menurunkan reaktivitas partikel TRISO menurun untuk seluruh fraksi packing TRISO yang dipertimbangkan. Koefisien reaktivitas Doppler menurun dengan meningkatnya temperatur bahan bakar dan bertambahnya fraksi packing TRISO. Pemilihan fraksi packing TRISO dan temperatur operasi merupakan opsi penting dalam analisis desain keselamatan melekat reaktor temperatur tinggi. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih kami sampaikan kepada Dr. Ir. M. Dhandhang Purwadi yang memberikan inspirasi dan motivasi untuk melakukan riset ini. Ucapan terimakasih juga kami sampaikan kepada Dr. June Mellawati dan Ir. Edwaren Liun yang menyediakan waktu, pikiran dan saran dalam perbaikan makalah ini. Dukungan dan saran yang amat berarti dari rekan-rekan di Bidang Pengembangan Reaktor-PTRKN BATAN, sangat kami hargai. DAFTAR PUSTAKA [1]. INEEL, NGPG Point Design-Results of the Initial Neutronics and Thermal-Hydraulic Assessment During FY-03, INEEL, September 2003. [2]. U.S. Department of Energy, DOE Fundamentals Handbook, Nuclear Physics and Reactor Theory, DOE-HDBK-1019/1-93, U.S. Department of Energy, Washington D.C. 20585, January 1993. [3]. BROWN, F.B, et al., MCNP A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5, LA-UR-03-1987, April 24, 2003. [4]., Body Centered Cubic, http://departments.kings.edu/chemlab/animation/ bcc.html, 7 Januari, 2011. [5]. CHADWICK, M.B., OBLOZINSKY, P., HERMAN, M. et al., "ENDF/B-VII: Next Generation Evaluated Nuclear Data Library for Nuclear Science and Technology", Nuclear Data Sheets, Vol. 107, pp. 2931-3060, 2006. [6]. XING JING and YULIANG SUN, Results on Benchmark Problem of the HTR-10 Initial Core, Third Research Coordination Meeting of the IAEA CRP-5, Oarai, Japan, 2001. [7]. BECKER, B., On the Influence of the Resonance Scattering Treatment in Monte Carlo Codes on High Temperature Reactor Characteristics, Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) Dissertation, Institut fuer Kernenergetik und Energiesysteme, Universitaet Stuttgart, Juni 2010. [8]. LEWIS III, T. G., Analysis of TRU-Fueled VHTR Prismatic Core Performance Domains, Master of Science Thesis, Texas A&M University, December 2007. [9]. STACEY, W.M., Nuclear Reactor Physics, Wiley-VCH, Book 2-Edition, July 2007. [10]. MC FARLANE, R.E., MUIR, D. M., NJOY99.0: Code System for Producing Pointwise and Multigroup Neutron and Photon Cross Sections from ENDF/B Data, LANL, PSR-480, 2000. 8