BAB I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Aliran dua fasa berlawanan arah, banyak dijumpai pada aplikasi reaktor nuklir, jaringan pipa, minyak dan gas. Aliran dua fasa ini juga memiliki karakteristik yang merugikan yaitu perubahan tekanan yang biasanya mendadak dan osilasi yang cukup besar sehingga di sebagian industri aliran dua fase ini tidak diinginkan. Meski demikian fenomena aliran ini dapat dimanfaatkan pada Pressurized Water Reactor (PWR) di pembangkit listrik tenaga nuklir. Steam regenerator pada reaktor tersebut mentransfer kalor dari pendingin primer (primary coolant) yaitu air bertekanan 15 MPa ke pendingin sekunder (secondary coolant), yaitu air atau uap bertekanan sekitar 7 MPa. Cairan pendingin primer dipanaskan di dalam inti dan dilewatkan melalui pembangkit uap (steam generator), dimana cairan tersebut mentransfer kalor ke cairan pendingin sekunder untuk membangkitkan uap. Uap tersebut kemudian menggerakan turbin yang menggerakan generator listrik. Uap diembunkan ini kemudian di kembalikan ke pembangkit uap sebagai air masuk (feedwater). Gambar 1.1, merupakan gambar skematis dari PWR. 1
Gambar 1.1 gambar skematis dari reaktor tipe PWR (http://www.nucleartourist.com/images/pwr-cycle.gif, Februari 2015) Pipa Hot leg, yaitu pipa yang menyambungkan antara reactor pressure vessel (RPV) dan pembangkit uap (steam generator,sg). Pipa tersebut merupakan kombinasi bagian horizontal, dan belokan (elbow) tunggal atau banyak, dan bagian miring atau vertikal tergantung dari pembuat reaktor (Deendarlianto, dkk.,2012 dari Kawaji, dkk 1989).. Pada sekenario kecelakaan secara hipotesis pada PWR, untuk menjamin pembuangan kalor peluruhan yang bissa diandalkan dari inti reaktor, juga dalam kondisi kerusakan komponen maka strategi darurat harus dipetakan. Salah satu mekanisme pembuangan kalor pasif yang penting adalah cara pendinginan reflux. ( Deendarlianto, dkk., 2012). Pada kondisi sekenario loss-of-coolant-accident (LOCA), yang disebabkan oleh kebocoran pada posisi manapun dari saluran cairan primer, akan mengakibatkan terbentuknya uap pada PWR pada saluran primer. Sehingga uap yang terbentuk mengalir ke hot leg lalu menuju pembangkit uap dan menuju keatas melawan arah cairan pendingin hasil kondensasi uap yang turun, dan sebagian uap tersebut akan mengembun di dalam pembangkit uap dan mengalir kembali menuju PWR. Gambar 1.2. 2
menunjukan aliran uap yang terbentuk melawan aliran air dari kondensasi uap. Gambar 1.2. Aliran berlawanan arah, uap-air dari kondensasi uap pada hot leg PWR saat terjadi LOCA (Wongwises,1996) Pada pembangkit uap, terjadi proses pengembunan uap. Uap yang mengembun mengalir kembali melalui hot leg menuju reaktor, menghasilkan aliran berlawanan arah antara aliran uap dan air. Keberhasilan dari pendinginan inti pada beberapa skenario bergantung pada karakter dari aliran berlawanan arah ini (Deendarlianto, dkk.,2012). Sangat penting menjaga cairan pendingin yang diinjeksikan mencukupi dan mampu menembus ke dalam inti. Namun, aliran berlawanan arah dari air dan uap hanya stabil untuk rentang laju aliran massa uap dan air tertentu. Untuk laju aliran massa kondensat yang diberikan, sebagian kondensat akan menunjukan pembalikan arah aliran dan akan tertahan oleh uap yang arah alirannya berlawanan sehingga akan kembali ke pembangkit uap, jika laju aliran massa uap yang terus dinaikkan hingga nilai tertentu. Fenomena tersebut dinamakan Counter-current flow limitation (CCFL) atau permulaan flooding (onset of flooding). Jika laju aliran uap terus ditambah 3
sampai titik tertentu, maka kondensat tidak akan bisa mengalir ke PWR sehingga cara pendinginan reflux berhenti. Sehingga pendinginan reaktor dari hot leg berhenti, namun dapat tetap terjadi pendinginan dari cairan pendingin yang berasal dari cold leg. Gambar 1.3 Konfigurasi pemipaan PWR Konvoi German dan jalur aliran kondensasi reflux (Seidel dkk., 2010) Pada reaktor PWR Konvoi Jerman, hot leg disusun oleh sebuah bagian horisontal, sebuah belokan dan sebuah bagian yang miring seperti pada gambar 1.2. Sedangkan hot leg dari reaktor CANDU memiliki bagian horizontal, vertikal, dan pipa miring saling digabung menggunakan belokan dari berbagai sudut. (Deendarlianto., dkk.,2012 dari Kawaji., dkk 1989). 4
Terdapat sejumlah cara untuk mengetahui karakteristik fluida, seringkali melibatkan pengolahan dari seperangkat data yang besar dari tiga-dimensional, multivariasi, dan bergantung pada waktu. Data ini diambil menggunakan metode eksperimen atau menggunakan komputasi (misalnya dengan simulasi menggunakan software CFD). Pada metode eksperimental, urutan diagnosa dari gambar-optik dua dimensi memberikan data yang merepresentasikan nilai skalar atau vektor, yang biasanya merupakan fungsi waktu. Dari gambaran tersebut selanjutnya dilakukan analisa dengan pendekatan grafis, biasanya dengan bantuan software dan hardware yang canggih. Pada metode numeris, hasil data aliran dapat diproses untuk mengungkap karakteristik penting aliran untuk banyak dimensi (Montoya., 2010 dari Ohnuki, dkk., 1988). Karaketeristik aliran pada hot leg dapat diketahui dengan dengan mengetahui tebal lapisan film di sepanjang hot leg. Salah satu cara untuk mengetahui tebal lapisan film tersebut diantaranya adalah dengan dua kawat paralel yang dipasang vertikal melalui bagian tengah pipa. Ketinggian fluida akan terukur dengan perbedaan konduktifitas dari air diantara kedua kawat tersebut, yang kemudian sinyal yang dihasilkan dipasang melalui jembatan Wheatstone, frequency amplifier, sinyal itu kemudian di tangkap oleh data akuisisi (Wongwises.,1996 dan Petritsch dan Mewes.,1998). Sedangkan cara yang lain adalah dengan mengambil dengan kamera video berkecepatan tinggi perilaku dari aliran, kemudan dari gambar tersebut diproses, metode ini disebut juga Digital Image processing. Metode untuk mengetahui karakteristik fenomena batas aliran berlawanan arah (Counter current flow limitation) dengan menggunakan metode eksperimen dengan teknik Digital Image processing sendiri telah dibuat oleh Montoya (2010). Digital Image processing mengacu pada penggunaan komputer digital untuk memproses gambar digital. Jika suatu gambar didefinisikan sebagai fungsi dua dimensi f(x,y), dan x,y adalah 5
koordinat ruang dan besarnya nilai f pada pasangan koordinat (x,y) adalah intensitas tingkat keabu-abuan dari gambar pada titik koordinat tersebut. Ketika nlai, x,y, dan f semuanya berhingga yang besarnya berbeda satu sama lain, maka gambar tersebut dikatakan sebagai gambar digital. Selama beberapa dekade telah dilakukan banyak eksperimen maupun studi teoritis untuk aliran dua fasa untuk memahami mekanisme flooding dan membuat desain yang aman untuk reaktor nuklir. Sementara ini, hanya sedikit studi yang dilakukan untuk memahami permasalahan pada aliran dua fasa bagian hot leg reaktor tipe PWR. Sehingga penelitian lebih lanjut masih diperlukan utuk mengetahui pola aliran dua fasa pada reaktor tipe PWR. 1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan uraian tersebut maka masalah utama yang akan dikaji pada penelitian ini adalah menggambarkan fenomena aliran berlawanan arah di hot leg dalam bentuk gambar digital yang siap di analisis. Permasalahan ini dapat diuraikan menjadi : 1. Bagaimanakah memvisualisasi jenis dan karakteristik visual dari aliran berlawanan arah di hot leg? 2. Bagimanakah mengolah data visual dalam bentuk video menjadi data gambar yang dapat dianalisis menggunakan metode Image processing? 6
1.3. Asumsi dan Batasan Masalah 1.3.1. Asumsi sebagai berikut: Untuk menyederhanakan masalah di atas maka perlu diambil asumsi, 1. Eksperimen di lakukan pada tekanan lingkungan 1 atmosfer. 2. Pipa hot leg dan seluruh saluran bersifat licin. Gesekan dengan permukaan dalam pipa diabaikan. 3. Rugi rugi pada aliran sepanjang dari flow meter air dan rotameter udara hingga mencapai hot leg diabaikan. 4. Sistem tidak terpengaruh kondisi lingkungan, tidak ada perpindahan kalor yang terjadi. Sistem bersifat adiabatik. 1.3.2. Batasan Masalah Untuk menyederhanakan permasalahan tersebut, maka diambil batasan sebagai berikut sebagai berikut : 1. Metode untuk mengetahui kondisi onset of flooding menggunakan teknik Image processing. 2. Air yang digunakan adalah air biasa yang disediakan oleh pengelola sumber air UGM. 3. Debit fasa cair yang diamati berkisar antara 0,1 sampai 2 liter per menit (lpm). 7
4. Debit fasa gas yang diamati berkisar antara 0 hingga mencapai onset of flooding. Bergantung pada konfigurasi alat. 1.4. Tujuan Penelitian Adapun tujuan penelitian ini adalah : 1. Memvisualisasi jenis dan karakteristik aliran berlawanan arah di hot leg reaktor nuklir tipe PWR. 2. Mengolah data visual dalam bentuk video menjadi data gambar Image processing. 1.5. Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini yang diharapkan adalah : 1. Untuk menambah data yang berhubungan dengan aliran stratified, onset of flooding, zero penetration untuk menggambarkan pola-aliran berlawanan arah (counter-current) 2. Untuk mengukur parameter seperti debit udara air, drop tekanan, liquid hold up, dan tebal film yang akan digunakan untuk validasi pemodelan mekanistik CCFL pada pipa hot leg. 8