BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Fase merupakan keadaan dari suatu zat, dapat berupa padat, gas maupun cair. Dalam kehidupan sehari-hari selain aliran satu fase, kita juga temukan aliran multi fase. Aliran multi fase adalah aliran yang terjadi ketika ada beberapa fase yang mengalir secara bersamaan dalam suatu sistem aliran, misalnya dalam sistem perpipaan. Aliran dua fase merupakan salah satu bagian dari aliran multi fase, dimana aliran dua fase banyak dijumpai baik dalam kehidupan sehari-hari maupun dalam proses-proses industri, salah satunya pada reaktor nuklir. Pada pembangkit listrik tenaga nuklir aliran dua fase terjadi pada proses penghasil panas guna menghasilkan uap menggunakan tenaga uap / air untuk menggerakan turbin. Namun aliran dua fase akan menjadi masalah pada pengoperasiannya. Sejak awal komersialisasi pembangkit listrik tenaga nuklir, beberapa kecelakaan telah terjadi, salah satunya di stasiun tenaga nuklir Three Mile Island dekat Harrisburg, Pennsylvania, pada tahun 1979. Kecelakaan ini melibatkan reaktor air bertekanan yang dibangun di bawah lisensi USNRC (lisensi yang diberikan oleh Washington, Amerika Serikat, untuk pengembangan energi nuklir). Selama kecelakaan terjadi tidak ada pendinginan yang mengalir keluar dari pressurized ke dalam jaringan utama karena flooding. Konsekuensi dari kecelakaan yang terjadi adalah kerugian total reaktor dan terbuangnya sedikit bahan radioaktif. Flooding pada aliran dua fase gas-cair berlawanan arah merupakan fenomena penting dalam aplikasi industri seperti pipa panas, pemisah film, dan refluks kondensor. Perilaku sistem ini kurang dipahami meskipun bertahun-tahun penelitian. Akibatnya, desain dan penyempurnaan sistem seperti itu sering membutuhkan eksperimentasi lengkap dan penggunaan korelasi empiris murni. Selama berjalan bertahun-tahun, pendekatan ini telah memungkinkan untuk desain dan operasi dari penggunaan banyaknya sistem aliran dua fase tetapi hasilnya tidak mudah diperluas untuk aplikasi baru. 1
2 Baru-baru ini, analisis pada aliran dua fase gas-cair berlawanan arah sangat penting sehubungan dengan analisis keamanan sistem reaktor nuklir. Misalnya pada mekanisme pembuangan panas pasif pada reaktor air tekan (PWR) di pembangkit listrik tenaga nuklir ketika terjadi kebocoran pada jaringan primer. Satu hal yang penting pada mekanisme pembuangan panas pasif adalah konsep pendingin refluks. Pada konsep ini diskenariokan ketika terjadi kebocoran pada jaringan primer akan timbul suatu keadaan yang diasumsikan sebagai skenario kecelakaan yang menyebabkan hilangnya pendinginan (LOCA). Karena adanya Loss of Cooling Accident (LOCA) maka diperkirakan reaktor akan mengalami penurunan tekanan (depressurized) yang kemudian diikuti oleh timbulnya proses penguapan sehingga menciptakan uap di sisi utama dari PWR. Hal ini menyebabkan reflux condensation dimana hasil kondensasi akan berbalik, dan bisa menjadi peristiwa yang menguntungkan, dimana uap tersebut kemudian akan mengalir ke generator uap melalui pipa panas. Uap ini akan mengembun di dalam generator uap dan sebagian kondesat yang tercipta akan kembali mengalir melalui pipa panas menuju reaktor sehingga menimbulkan aliran berlawanan arah uap-air (Gambar 1.1). Kondisi seperti inilah yang diharapkan. Gambar 1.1 Kondisi saat terjadi kecelakaan pada konfigurasi perpipaan PWR Konvoi German (Seidel dkk., 2010)
3 Namun setiap aliran memiliki perilaku berbeda, keberhasilan pendinginan inti tersebut dapat terjadi apabila lapisan-lapisan aliran berlawanan arah antara uap dan kondesat memiliki kestabilitasan pada laju aliran massa uap dan air tertentu. Apabila laju aliran massa uap dinaikkan pada nilai tertentu untuk laju aliran kondesat yang diberikan maka sebagian dari kondesat akan menunjukan pembalikan aliran parsial dan akan tertahan oleh uap dengan arah aliran berlawanan sehingga menuju kembali ke generator uap. Fenomena ini dikenal sebagai pembatasan aliran berlawanan arah atau permulaan terjadinya flooding. Pada situasi ini pendinginan inti reaktor tidak dimungkinkan dari lengan panas (hot leg), tetapi mungkin dilanjutkan oleh pendingin yang dikeluarkan melalui lengan dingin (cold leg) menuju bagian atas kolom (downcomer). Untuk mempelajari fenomena flooding di pipa panas PWR, hasil dari studi CCFL di jalur aliran horizontal tidak cukup, hal ini disebabkan perilaku aliran dekat tikungan yang menghubungkan pipa horizontal dengan pipa miring menentukan karakteristik CCFL di pipa panas PWR (Ohnuki dkk., 1988). Sejumlah percobaan telah dilakukan tentang aliran berlawanan arah pada pipa panas PWR (Siddiqui ddk., 1986, Ohnuki dkk., 1988, Wongwises 1996, Navarro, 2005, Deendarlianto dkk., 2008, Murase dkk., 2009). Pada penelitian ini dilakukan percobaan dengan menggunakan skala kecil dari pipa panas PWR sebenarnya, yaitu pipa melingkar skala 1/30 th dari diameter pipa panas Konvoi Jerman. Dan yang menjadi perhatian utama adalah untuk mendapatkan hasil eksperimen mekanisme pola aliran CCFL udara dan air pada pipa horizontal dan miring (inclined). 1.2 Rumusan Masalah Selama aplikasi aliran dua fase gas-cair, fenomena refluks kondensasi sering terjadi. Munculnya aliran berlawanan arah karena kebocoran pipa pada jaringan primer akan mempengaruhi sistem. Reaktor nuklir masih tetap bekerja ketika sistem dimatikan dan membutuhkan mode pendinginan untuk menurunkan suhu. Keberhasilan pendinginan inti reaktor tergantung oleh karakteristik aliran berlawanan arah. Insiden terburuk LOCA (Lost of Coolant Accident), adalah suhu
4 nuklir meningkat tanpa sistem cadangan pendinginan karena terjadinya flooding dan membuat reactor pressure vessel (RPV) blow out. Oleh karena itu, alasan keamanan juga perlu dipertimbangkan. Penelitian ini dilakukan dengan mengamati karakteristik aliran dua fase airudara pada pipa horizontal dan pipa miring sebagai fenomena dasar untuk melakukan penyelidikan mendalam karakteristik aliran berlawanan arah. Masalah penelitian adalah : Bagaimana menggambarkan pola aliran flooding menyangkut karakteristik aliran dua fase air-udara dengan metode visualisasi pada massa laju aliran tertentu? 1.3 Batasan Masalah Untuk menyederhanakan permasalahan di atas, maka dalam penelitian ini perlu diambil batasan masalah sebagai berikut : a. Penelitian ini dilakukan dalam tekanan atmosfer b. Pipa yang digunakan sebagai seksi uji (hot leg) adalah pipa acrylic yang permukaannya dianggap licin. c. Sistem tidak dipengaruhi oleh kondisi lingkungan dan tidak terjadi perpindahan kalor (adiabatis). 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk : 1. Mengamati karakteristik aliran berlawanan arah air-udara pada bagian hot-leg dengan metode visualisasi dengan variasi laju aliran massa. 2. Memprediksi terjadinya flooding dengan variasi kecepatan superfisial air dan kecepatan superfisial udara. 3. Mengetahui korelasi empiris data CCFL dengan memakai Parameter Wallis dan membandingkan dengan studi lain.
5 1.5 Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi positif pada industri tenaga nuklir khususnya yang diperlukan untuk pengembangan PWR dalam hal mendesain keselamatan dari reaktor-reaktor nuklir. Selain itu, penelitian ini juga diharapkan dapat melengkapi penelitian sebelumnya mengenai mekanisme flooding dan menghasilkan suatu data base yang dapat digunakan untuk memprediksi terjadinya flooding dengan metode visualisasi, serta dapat memberikan manfaat, baik kepada dunia industri maupun untuk pengembangan ilmu.