386 ISSN 0216-3128 Wit/arta ANALISIS DAN PENENTUAN DISTRIBUSI FLUKS NEU TRON SALURAN TEMBUS RADIAL UNTUK PENDA YA- GUNAAN REAKTOR KARTINI Widarto Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta ABSTRAK ANALISIS DAN PENENTUAN DlSTRIBUSI FLUKS NEUTRON SALURAN TEMBUS RADIAL UNTUK PENDA YAAN REAKTOR KARTINI. Telah di/akukan ana/isis dan penentuan distribusi fiuks neutron pada saluran tembus radial reactor Kartini dengan tujuan untuk melengkapi dokumen fasi/itas eksperimen dan menjadi dasar pengembangan pendayagunaan dalam pemanfaatan reaktor Kartini. Ana/isis dan penentuan fiuks neutron di/akukan dengan menggunakan metode aktivasi neutron terhadap detector keping.emas (Au) yang dipasang di beberapa titik jari-jari tampang /intang (19 em) serta sepanjang 310 em arah radial saluran tembus.. Hasi/ perhitungan menunjukkan bahwa fiuks termal berkisar an tara (8.3 1: 0, 9). I ry n em'] S,I sampai dengan (6.81: 0,5). /07 n em'] S,I sedangkanjiuks neutron cepat berkisar antara (5,01:0,2). IrY n em'] S I sampai dengan (1.43 1: 0.6).107 n em'] S,I. Dengan metode ana/isis pencocokan kurva untuk menentukan distribusi jiuks neutron dapat disimpulkan bahwa distribusi jiuks neutron sepanjang saluran tembus radial berbentukfungsi po/inomial. ABSTRACT ANALYSIS AND DETERMINATION OF NEUTRON FLUX DISTRIBUTION ON RADIAL PIERCING BEAM PORT FOR UTILIZATION OF KARTINI RESEACH REACTOR. Analysis and determination of neutron jiux measurements on radial piercing beam port have been done as completion experimental datas document and progressing on utization of the Kartini research reactor purposes. The analysis and determination of the neutronjiux have been carried out by using Aufoils detector neutron activation analysis methode which put on the radius of cross section (19 em) and a long of radial piercing beam port (3/0 em). Based on the calculation. distribution of the thermal neutonjiux is around (8.3 1: 0.9). IrY n em'] S,I to (6.81:0.5).107 n em'] S,I and fast neutron is (5.0 1: O,2).lrY n em'] s' to (1,43 1: 0.6).107 n em'] S,I. Analyzing by means of curve fitting methodcaould be concluded that the neutronjiux distribution on radial piercing beam port has profiled as a polynomial curve. PENDAHULUAN Sebagaimana Kartini memiliki reaktor riset berbagai pada umumnya, macam fasilitas reaktor iradiasi/aktivasi neutron antara lain fasilitas iradiasi (FI) central timble (CT) dengan fluks neutron sebesar orde 1013 n cm 2der', FI Lazy Susan (LS) memiliki 40 \okasi sample dengan fluks neutron rerata sebesar 2,5xlOll n cm,2defl dan FI Pneumatic Transfer System memiliki fluks neutron sekitar 3,5x10II n cm'2derl yang biasa dimanfaatkan untuk iradiasi cuplikan umur pendek (beberapa detik). Selain ketiga FI tersebut, reactor Kartini juga dilengkapi dengan FI Coulomn Thermal, beamport arah tangensial, beamport tembus radial serta thermalizing coulomn, yang setiap fasilitas eksperimen tersebut mempunyai karakteristik yang berbeda-beda. Saluran tembus radial (radial piercing beamport) merupakan salah satu fasilitas eksperimen yang perlu dikaji terhadap berbagai karakteristik fenomena fisika yang terjadi, misalnya distribusi fluks neutron cepat ataupun lambat dan paparan radiasi sedernikian sehingga dapat diketahui baik secara kualitatif maupun kuantitatif. Sebagai langkah awal, per\u dilakukan analisis dan penentuan distribusi fluks neutron baik neutron cepat rnaupun neutron termal pad a saluran ternbus radial tersebut. Salah satu rnetode penentuan fluks neutron adalah analisis aktivasi neutron (NAA). Beberapafoil emas diletakkan pada titik-titik lokasi yang telah ditentukan di sepanjang saluran ternbus radial. Karena saluran berbentuk silinder, rnaka selain penernpatan foil berada di titik pusat, juga diletakkan pada bagian tepi untuk rnengetahui perbedaan dan karakteristik distribusi fluks neutron di berbagai titik sepanjang saluran tersebut.
- Widarto ISSN 0216-3128 387 Metode analisis pengaktifan neutron didasarkan atas reaksi (n, n dimana inti atom setiap unsur cuplikan akan menyerap neutron dan berubah menjadi radioisotop yang dapat memancarkan radiasi sinar alfa (a), beta (fj) atau gamma (n, atau dapat juga terjadi secara serentak. Pancaran sinar gamma dapat diidentifikasi dengan menggunakan spektrometri gamma, yang secara kualitatif spektrum energi sinar gamma merupakan identitas radioisotopnya, dan sekaligus untuk pencacahan (counting) sebagai data untuk penentuan fluks neutron, serta analisis dengan metode pencocokan kurva (curve fitting) untuk memperoleh fungsi distribusi fluks neutron (termal dan cepat) yang menggambarkan karakteristik fluks neutron pada saluran tembus radial tersebut. METODOLOGI PENELITIAN Tempat Penelitian Penelitian dilakukan pada saluran tembus radial reaktor Kartini yang posisinya ditunjukkan Gambar.l, dan berbentuk silinder dengan ukuran seperti ditunjukkan pada Gambar 2 (dalam bentuk dua dimensi). '~'t'*hc"~ U ":':1 ~ / Gambar 1. Penarnpang rnelintang horisontal reaktor Kartini. P erisai Reaktor (Saluran Bagian Dalam) \ (Saluran Bagian Luar)... H 1 5em Baja119\ em!---refleldor Pustek Akselerator i dan 7 em Yogyakarta, Proses Bahan 10 Juli - BATAN 2006 92 em I 203 em ': ':.:.:.:.:':.:':':.:.:.:.:.:. :1',','",'.',. "",'.,...'", Garnbar 2. Saluran tern bus radial. A~unium
-388 ISSN Tata Cara Penelitian Tahap Persia pan a. Mempersiapkan dan menimbang massafoil emas (Au) sebanyak 26 keping, yang 13 keping diantaranya dibungkus dengan cadmium (Cd). b. Membuat kerangka (Gambar 3) yang disesuaikan dengan bentuk saluran untuk memasang foil 0216-3128 Widarto emas yang akan diiradiasi cadmium dan yang tidak. baik yang terbungkus c. Memasang keping pad a kerangka pemegang dan ditandai pad a setiap posisi seperti ditunjukkan pada Gambar 4. d. Memberi kode pad a setiap foil terpasang untuk menunjukkan posisi di dalam saluran tembus radial ( Gambar 5). 22em 18 em 18 em 18 em Gambar 3. Kerangka pemegang keping. Keping Emas Berlapis Kadmiurn 2,Sem 7,Sem 8,S em 9,Sem a. Lingkarankeeil( d= 14 em) b. Lingkaran Besar (d = 18 em) Gambar 4. Posisi pemasangan foil pada kerangka. 18cm 18em 18em 18em 22 em 18em 18em 18 em Gambar 5. Posisi keping setelah diberi kode
- Wielano ISSN 0216-3128 389 Tahap Iradiasi a. Kerangka dengan foil terpasang, dimasukkan ke dalam saluran tembus radial, kemudian reaktor dioperasikan pada daya 100 kw selama 6 jam sebagai langkah pe]aksanaan iradiasi. b. Mencatat waktu tunda sampai dengan paparan radiasi sinar gamma di sekitar saluran tembus radial kurang atau sama dengan 2,5 mrad jam'l. c. Mengambil dan menyimpan kerangka pemegang foil ke tempat penyimpanan semen tara, sampai paparan radiasi gamma dapat di lakukan pencacahan. Tahap Pencacahan a. Melakukan Kalibrasi terhadap detektor HPGe. b. Menetapkan waktu pencacahan setiap keeping (100 detik). c. Melakukan pencacahan (counting) setiap foil em as dengan menggunakan detektor HPGe, Waktu tunda dicatat mulai saat reaktor dimatikan (shut down) sampai dengan dimulainya pencacahan. ANALISIS Pellelltuall DATA Fluk. Neutron Penentuan tluks neutron dilakukan secara tidak langsung dengan menggunakan metode analisis pengaktifan neutron.. Cuplikan yang digunakan adalah foil emas terbungkus cadmium untuk menentukan tluks neutron cepat (En> 0,5 ev) dan foil emas yang tidak terbungkus untuk menentukan tluks neutron total. Fluks neutron termal ( E" ~ 0,5 ev) ditentukan dari selisih antara tluks neutron total dan tluks neutron cepat. Untuk menentukan tluks neutron ditunjukkan oleh persamaan (]), dan persamaan (2) untuk menentukan tluks neutron termal. K }. m P RCd: C : tluks neutron (n cm 2s'l) luas penampang serapan makroskopis (cm'l) efisiensi detektor inti waktu paruh isotop radioaktif(s") selang waktu iradiasi (s) selang waktu tunda (s) se]ang waktu pencacahan (s) massa isotop sebelum diiradiasi (g) massajenis isotop sebelum diiradiasi (g cm'3). nilai banding kadmium cacah gamma (count per second = cps) Ketidakpastian Pengukuran Fluks Neutron Ketidakpastian penentuan tluks neutron dihitung dengan persamaan ( 5 ) sebagai berikut : Do = KLa m(]-e-~' }.2 C)e-~J p (]-e-~') {I }.m DomI dan dengan Dom= 0,0005 g, Doti = ""ta = ""te = 0,5 s. Faktor Koreksi Oalam penentuan tluks neutron dengan metode analisis pengaktifan neutron, perlu diperhatikan factor koreksi diri yang ditunjukkan pada persamaan (7) berikut (Reactor Experiment, IAEA, 1970, hal: 55-58) : (5) (6) F=GH (7) _ }.pc - K La m (1- e-~' )e-~j (] - e-~c ) rplf!rmal (I) (2) (3) dengan : G= 1- Pc (7a) [I-+- :. )) dan H (7b) sehingga tt:rmal (4) keterangan : Keterangan :
390!!!!!!!!!! ISSN 0216-3128 Widarto G H La LI I-Pc r faktor perisai diri koefisien depresi luas penampang serapan makroskopis keping luas penampang makroskopis total keping kebolehjadian bahwa neutron tidak mengalami reaksi tumbukan dengan atom-atom ketika neutron menembus keping. Untuk keping berbentuk plat tipis dengan tebal x <1 em, I-P. = 1----+-+- 3x x2 xj X ( Inx+r ), 4 6 48 2 tetapan yang besamya adalah 0,577216 g : faktor pengali sebesar 1,0056. HasH perhitungan fluks neutron memberikan sekumpulan data yaitu, (xo' OHXI' IHx2' 2~"" (x.,.). Sekumpulan data ini kemudian dianalisis dengan menggunakan metode peneocokan kurva (curve fitting) untuk menentukan distribusi fluks neutron. HASIL DAN PEMBAHASAN Basil Perhitungan HasH penentuan fluks neutron disepanjang saluran ternbus radial reaktor Kartini dapat ditunjukkan pada Tabel 1, Tabel 2. dan Tabel 3. Jarak Tabel 1. Hasil penentuan nuks neutron dan nilai banding Kadmium pada saluran tern bus radial bagian dalam. Fluks Neutron (1,65 (8,2 (3,4 (8,6 (4,3 ± Total (n cm 2s l) dari Teras (1,43 (1,17 (1,5\ Termal (5,5 (2,8 (1,33 (7,5 Kadmium (6,8 0,3).106 0,08).107 Cepat 0,4).106 0,2).107 (3,2 ± 6,1 5,2 I07 ± ±0,09).107 0,2).106 0,07).107 0,06).106 0,3).106 0,07).\ 2,9 5,7 7,4 0,5).106 0,2).107 0,5).107 (n I). cm 2s l) (R<.'d) I06 Nilai Banding Jarak Tabel2. Hasil penentuan nuks neutron dan nilai banding Kadmium pad a saluran tern bus radial bagian luar. Fluks Neutron (1,36 (1,10 Total (n cm 2s l) dari Teras (1,34 (2,5 Termal ± (1,8 (7,1 (3,9 (5,0 (5,7±0,3).105 Kadmium Cepat 0,2).106 0,05).106 0,07).106 0,06).106 (8,3 (7,8 \ ± 2,9 3,5 2,4 2,6 ± 0,3).\ 0,2).105 0,2).\ (n 0,6).105 0,9).105 cm 2s l) (RCd) 06 05 Nilai Banding Jarak dari Tabel3. Hasil penentuan nuks neutron dalam arah radial. (1,50 (2,2 (7,8 1,1 2,5 7,5 7.5 arah Letak dalam Termal radial keping(em) Fluks Nilai Banding Total ± (6,9 (7,0±0.1).105 em (8,8 (3,2 (4,5 (9,8 I,3 Cepat 1,2 0,5).107 4.7 I).107 2.5 2.4 X.O ± (Rt,,) (n0.2).106 0,6).107 I06 0,5).105 0.1 0,2).105 cm 2s l) Neutron Kadmium Yogyakarta, 10 Jull 2006
Widarto ISSN 0216-3128 391 Pemba"asan Distribusi tluks neutron yang meliputi tluks neutron total, tluks neutron termal dan tluks neutron cepat pada saluran tembus radial ditunjukkan oleh kurva pada Gambar 6., Gambar 7 dan Gambar 8. -10 9.0x107 8.0x107 ::-- 7 ~III 7.0x10 'E(J 6.0x10 7 c: -; 5.0x 107 I 4.0x107. 0 I 3.0x107 2.0x107 I.Oxl07 0.0 e... ::s Q) Z III.:.:: ::s u:: --- Distribusi Fluks Neutron Total --- Distribusi Fluks Neutron Termal -4- Distribusi Fluks Neutron Cepat 10 20 30 40 50 60 70 80 Jarak dari Teras (em) Carnbar 6. Kurva distribusi fluks neutron saluran tern bus radial bagian dalarn. '-' Q -= 2.8x106 '7'-" "I'"S 2.0x106 CJ <U r.. C ~ Z tz:: = 1.6x106 8.0x105 1.2x I06 4.0x105 2Ax I06 - Distribusi Fluks Neutron Total - Distribusi Fluks Neutron Termal -- Distribusi Fluks Neutron Cepat 90 100 110 120 130 140 150 Jarak dari Teras (em) Carnbar 7. Kurva distribusi fluks neutron saluran tern bus radial bagian luar.
- 392 ISSN 0216-3128 Widarto '" C 041 '-"... yj. = Ce 4.0x107 5.0x 9.0x = Z ~ 3.0x 2.0x107 I07 I07 6.0x107 --:- 1.0x107 7.0x107 8.0x107 0.0 Saluran Bagian Dalam (d =14 em) x = 92 em I Saluran Bagian Luar (d = 19,5 em) o 20 40 60 80 100 120 140 160 Jarak dari Teras (em) - Distribusi Fluks Neutron Total ---- Distribusi Fluks Neutron Termal - Distribusi Fluks Neutron Cepat Gambar 8. Kurva distribusi fluks neutron di saluran tern bus radial. o54 36 72sampai 18 Dari Gambar 6 terlihat bahwa semakin jauh dari teras reaktor, tluks neutron senantiasa mcngalami pelemahan. Pelemahan yang paling tajam terjadi sebelum neutron meneapai jarak 80 em dari teras dan setelah melewati jarak 130 11280 sampai em 94 pelemahan 148 130 sampai 112 tluks neutron semakin keci\. Jika diamati lebih eermat, yaitu dengan melihat kurva pada Gambar 7, pelemahan fluks neutron total, tluks neutron termal dan tluks neutron eepat berturut-turut berakhir pada jarak 129 em, 122 em dan 136 em. Setelah melewati jarak terse but, tluks neutron akan mengalami sedikit peningkatan. Prosentase pelemahan tluks neutron setiap pertambahan jarak 18 em dari teras reaktor ditunjukkan oleh Tabel 4 dan Tabel 5. Tabel 4. Pelemahan fluks neutron untuk saluran tcmbus radial bagian dalam. Interval jarak (em) Pelemahan 58.5% 51.5% 47.9% 50.0% fluks neutron Tabel5. Pelemahan fluks neutron untuk saluran tern bus radial bagian luar. Interval jarak (em) Pelemahan -21.8% 45.6% 19.1% tluks neutron Setiap pertambahan jarak 18 em dari teras reaktor, pelemahan tluks neutron total pada saluran bagian dalam berkisar antara 47,9% sampai 58.5% dengan nilai rata-rata 52% sedangkan untuk saluran bagian luar pelemahan tluks neutron total berada di bawah 47 %. Hasil ini memberikan gambaran yang lebih jelas bahwa prosentase pelemahan tluks neutron pada saluran bagian dalam lebih besar daripada prosentase pelemahan tluks neutron pada saluran bagian luar. Saluran tembus radial bagian dalam memiliki diameter 15 em. Lapisan yang menyelimuti dinding pada saluran tersebut adalah baja. Saluran tcmbus radial bagian luar memiliki diameter 19 em. Dinding
- Widarto ISSN 0216-3128 393 pada saluran ini dilapisi oleh aluminium. Perbedaan ukuran diameter dan bahan pelapis berpengaruh terhadap kebolehjadian interaksi antara neutron dengan dinding saluran. Semakin kecil diameter saluran, kebolehjadian interaksi antara neutron dengan atom-atom yang melapisi dinding saluran akan semakin besar. Dalam interaksi yang terjadi, neutron mengalami perlambatan dan penyerapan oleh dinding saluran sehingga tluk neutron mengalami pelemahan. Oleh karena saluran bagian dalam memiliki diameter yang lebih kecil daripada diameter saluran bagian luar maka tluks neutron pada saluran bagian dalam tluks neutron lebih mudah mengalami pelemahan. Tabel.5 menunjukkan bahwa tluks neutron tidak seluruhnya akan mengalami pelemahan. Pada jarak 130 em sampai dengan 148 em bernilai ( 21,8%) dimaksudkan tluks neutron tidak melemah tetapi justru mengalami peningkatan. Peningkatan tluks neutron ini terjadi karena saluran tembus radial diberi penyumbat dari bahan timbal e~;pb) yang berfungsi penahan radiasi gamma. Timbal (Glastone S, et.al, 1952, hal : 58) berturut-turut memiliki luas penampang melintang mikroskopis total, serapan dan hamburan terhadap neutron sebesar 8,5 barn, 0,2 barn dan 8,3 barn. Data ini menunjukkan bahwa timbal lebih cenderung untuk menghamburkan neutron daripada menyerap neutron. Penempatan sumbat timbal pad a saluran ternbus radial menyebabkan terjadinya hamburan balik (back scattering) sehingga tluks neutron pacta jarak 148 em 1ebih tinggi dar ipada tluks neutron padajarak 130cm..Dari hasil perhitungan menunjukkan bahwa tluks neutron termal lebih dominan daripada tluks neutron cepat. Prosentase tluks neutron termal berkisar antara 62% sampai dengan 86%. Pad a Tabel 6. dan Tabel 7 ditunjukkan fungsi distribusi fluks neutron dalam bentuk fungsi polinomial sebagai hasil pencoeokan kurva (curve filting) dari distribusi tluks neutron pada beamport reaktor Kartini. Tabel 6. Fungsi distribusi fluks neutron pada saluran tern bus radial bagian dalarn. Neutron Cepat Termal Total Distribusi Fluks Distribusi Fluks (z) = 8,21.107 6,78.107 1,4.107 - -865787,037037327z 4,20579.1 3,28319.1 06 Z + 105952,9321 73200,874477858z2 + 30078,446502081z2 06791z 2-513,688843165zJ+3,187236448i 778,8923181 1339,306127269z3 06z3 + + 3,07609933z4 6,537208506z4 Tabel7. Fungsi distribusi fluks neutron pada saluran tern bus radial bagian luar. Neutron Termal Cepat Total Distribusi Fluks F1uks Distribusi Fluks (z) = 3,82294.107-1,2116.107 5,2287.107-1.16897.106-762633,7453577z + 356779,83553663z z + 8763,717422794z2 + -5118,312761257z2 3230,4526761z2-21,719250119z3-11,145404675z3 + 9,430727027z3
394 ISSN 0216-3128 Wit/arto KESIMPULAN Kesimpulan DAN SARAN Fluks neutron pada saluran tembus radial berkisar pada orde 105 sampai dengan orde 107 n cm-2 S-I dan didominasi oleh fluks neutron termal. Pada saluran tersebut fungsi distribusi fluks neutron dinyatakan dalam bentuk polinomial yang dapat ditunjukkan pada Tabel 6 dan Table 7. Secara keseluruhan, distribusi fluks neutron sepanjang saluran tembus radial mengalami pelemahan. Sedang pad a bagian ujung mengalami sedikit peningkatan, hal ini disebabkan karena adanya hamburan neutron terhadap penyumbat timbal dalam saluran tembus radial tersebut. Saran Jumlah keping emas dan keping emas berlapis kadmium untuk menentukan fluks neutron agar lebih banyak lagi, sehingga diperoleh variasi jarak yang lebih banyak, agar data yang diperoleh semakin banyak sehingga distribusi fluks neutron dapat ditentukan lebih baik. Hasil penentuan distribusi fluks neutron ini dapat digunakan sebagai dasar untuk pengembangan pemanfaatan saluran tembus radial sebagai fasilitas iradiasi neutron. Perlunya dilakukan analisis dan penentuan laju dosis radiasi gamma untuk pengkajian dan pemanfaatan eksperimen radiografi.gamma DAFTAR PUSTAKA I. AIZAWA 0, MATSUMOTO T, WATANABE S dan OGAWA Y., Development of A Neutron Radiography System at The Mushasi Reactor, Tokyo: Rikko University, 1986. 2. AMIR HAMZAH dan ITA BUDI RADIANTI, Penentuan Faktor Perisai Diri Berbagai Keping Aktivasi Menggunakan Bentuk Spektrum Sistem Rabbit RS-I Teras RSG-GAS, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan danteknologi Nuklir Yogyakarta, 27-29 April 1993. Buku I. Halaman : 165-168, 1993. 3. CEMBER HERMAN, Pengantar Fisika Kesehatan. Edisi I (terjemahan). Semarang: IKIP Semarang, 1987. 4. GLASSTONE S dan SESONSKE A., Nue/ear Reactor Engineering, Canada : Van Nostrand Reinhold, 1967. 5. Neutron Fluence Measurements, hal: 55-58, IAEA. Viena, 1970. TANYAJAWAB Slamet Wiranto.: Apakah fluks neutron tersebut memenuhi syarat untuk eksperimen radiografi neutron? Widarto - Eksperimen radiografi neutron memerlukan fluks neutron berkisar antara IrY sid /(1 ncm,2s I, jadi fasilitas saluran tembus radial ini pada dasarnya dapat dimanfaatkan untuk eksperimen radiografi neutron. Agus Purwadi - Dari hasil penentuan fluks neutron tidak terlalu besar, mohon diberikan gambaran eksperimeneksperimen apa yang dapat di kembangkan untuk pendayagunaan reaktor Kartini. Widarto - Untuk aktivasi neutron umur panjang, eksperimen-eksperimen radiografi neutron, penentuan dosis pengawetan hasi/ pasca panen, du. Prosiding PPI PDIPTN 2006