STUDI PERHITUNGAN KARAKTERISTIK REAKTIVITAS AYUN PADA SISTEM SUB-KRITIK

STUDI PERHITUNGAN KARAKTERISTIK REAKTIVITAS AYUN PADA SISTEM SUB-KRITIK Marsodi *, As Natio Lasman*, RB. Wahyu*,, K. Nishihara **, T. Osugi**, K. Tsujimoto**,, Marsongkohadi*,, and Zaki Su ud ***, ABSTRAK STUDI PERHITUNGAN KARAKTERISTIK REAKTIVITAS AYUN PADA SISTEM SUB-KRITIK Studi ini dilakukan berdasarkan pada hasil perhitungan sistem transmutasi sub-kritik (ADTS). Bahan bakar sistem ini berasal dari bahan bakar sisa yang dihasilkan dalam penggunaan sumber energi nuklir jenis LWR. Sumber netron berasal dari reaksi spalasi pada target Pb-Bi yang diletakkan di tengah-tengah teras reaktor. Perhitungan ini menggunakan hasil analisa perhitungan kandungan bahan bakar sisa yang telah dilakukan oleh JAERI untuk jenis PWR. Sistem sub-kritik dengan daya sebesar 800 MWt ini terdiri dari: sumber proton akselerator dengan intensitas tinggi serta Sistem reaktor sub-kritik yang terdiri dari teras reaktor dengan bahan bakar Pu dan MA serta Target dan pendingin berupa Pb-Bi. Pada sistem ini, reaktor sub kritik menggunakan bahan bakar PU, MA, dan/atau LLEPs. Perhitungan reaktivitas ayun ini, ditujukan untuk mengetahui salah satu karakteristik mendasar dari sistem sub-kritik. Pada sistem ini dimungkinkan bahwa tenaga listrik yang dihasilkan 1/3nya dapat digunakan untuk keperluan pembangkit Proton LINAC dan 2/3nya dapat digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik komersial. ABSTRACT THE STUDY OF COMPUTATIONAL SWING REACTIVITY CHARACTERISTIC ON SUB-CRITICAL SYSTEM. The study is based on the computation on sub-critical system transmutation system (ADTS). The fuel that is used in this system was resulted from spent-fuel LWR nuclear energy. The neutron source comes from spoliation reaction on Pb-Bi target that is positioned in the middle of reactor core. This information uses analysis result from the calculation of the spent-fuel from PWR in JAERI. The sub-critical system with 800 MWt consists of: Proton accelerator source with high intensity and sub-critical reactor system that consist of reactor core with Pu and MA fuel, Target and coolant of Pb-Bi. In this system, sub-critical reactor uses Pu, MA, and /or LLFPs. The swing reactivity computation is used to determine the base characteristic of sub-critical system. In this system, it is possible to use 1/3 rd of the resulted electrical energy to create Proton-LINAC and 2/3 rd can be used for commercial electrical energy. * Badan Tenaga Nuklir Nasional ** Department of Nuclear Energy System JAERI Japan *** Physics Department - ITB

PENDAHULUAN Pada akhir abad 20 beberapa peneliti telah mengusulkan untuk melakukan penanganan limbah radioaktif dengan sistem transmutasi menggunakan reaktor subkritik. Penggunaan reaktor sub-kritik untuk tujuan transmutasi dan Energy Amplifier telah dimulai yaitu: 1. Pada tahun 1990-an, C. Bowman et al. (Los Alamos) and H. takahashi et al. (Brookhaven) mengusulkan konsep penggunaan Accelerator-Driven System (ADS) yang terdiri dari: a. Berkas proton energi tinggi dari akselerator untuk menghasilkan netron dalam sumber spallation. b. Neutron hasil reaksi spallasi digunakan untuk menjalankan sebuah reaktor sub critical: i. Reaktor thermal (C. Bowman): produksi energi dan transmutasi (ADTT, weapon-grade Pu incineration), bahan bakar U atau Th. ii Reaktor cepat (H. Takahashi, PHOENIX project, using LINAC 1.6 GeV, 104 ma) untuk insinerasi aktinida 2. Pada tahun 1994, C.Rubia (CERN) mengusulkan proyek Energy Amplifier diantaranya: i. Accelerator ( cyclotron, i.e. low current) driven, sistem produksi energi berpendingin cairan metal berbasis pada siklus bahan bakar U/Th. ii Perangkat insinerasi/transmutasi untuk Pu, MA, dan LLFP Litbang terhadap teknologi transmutasi ini mulai banyak diminati para ilmuwan terutama setelah munculnya konsep Accelerator Driven Transmutation System (ADTS). Konsep tersebut mempunyai tujuan untuk dapat merealisasikan konsep Clean Nuclear Energy System dimana ADTS diarahkan untuk menangani limbah radioaktif berbahaya yang dihasilkan dalam penggunaan sistem energi nuklir dengan prinsip penerapan sistem keselamatan pasif (inherent/ pasive safety system). Dalam implementasinya, transmutasi isotop-isotop berat seperti transuranium telah diusulkan untuk menggunakan reaktor cepat, dan isotop-isotop hasil reaksi fisi diusulkan untuk menggunakan reaktor thermal. Sedangkan usulan ADTS seperti tersebut di atas, menunjukkan bahwa beberapa isotop transuranium dan LLFPs dimungkinkan dapat ditransmutasi menggunakan ADTS, dimana isotop-isotop tersebut diletakkan pada sekitar target dalam teras reaktor sub-kritik baik dalam bentuk cairan atau padatan, kemudian diiradiasi dengan neutron hasil reaksi spallasi pada target. ADTS ini, merupakan reaktor sub-kritik dengan k eff <1, sehingga untuk melakukan reaksi terhadap bahan bakar dalam reaktor dibutuhkan bantuan (driven) dari sumber neutron hasil reaksi spallasi dimana proton yang dipercepat mempunyai energi yang cukup tinggi ketika menumbuk target dalam reaktor. Adapun prinsip kerja dari akselerator ini berdasarkan pada reaksi nuklir X 1 (p,n)x 2, dimana inti-inti atom target X 2 akan

memancarkan neutron (n) bila ditembak dengan partikel proton atau neutron yang dipercepat. Intensitas dan spektrum pancaran neutronnya tergantung antara lain pada energi kinetik partikel projektil. Sumber daya untuk akseleratornya dapat diperoleh langsung dari reaktor itu sendiri, dan sisanya dapat dipergunakan untuk produksi energi, sehingga dapat dikatakan bahwa sumber neutron berfungsi sebagai bagian dari pengendali pada reaksi pembakaran limbah (insinerasi). Sebagai studi awal, dalam penelitian ini secara khusus telah dilakukan perhitungan reaktivitas ayun pada sistem sub-kritik. Pada sistem ini, penerapan pasivesafety sistem merupakan pertimbangan utamanya disamping faktor-faktor keuntungan lainnya. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui sebagian dari karakteristik mendasar pada sistem sub-kritik dan pemeliharaan terhadap sub-kritikalitas selama sistem beroperasi. METODA PERHITUNGAN Perhitungan karakteristik reaktivitas ayun pada sistem sub-kritik di sini dilakukan menggunakan Accelerator-Driven Transmutation Reactor Analysis Code System (ATRAS)[1]. Diagram alir perhitungan yang dilakukan dapat dilihat pada gambar 1 berikut ini.

Start Generation of effective 73-groups microscopic cross section (SCALE-4) TWODANT NMTC/JAERI FSOURCE Material & fuel composition CHFUEL t = 0.01 y Materials composition BURNER Burn-up calculation t = 0.001 y t = t + t NO t = EOL YES Stop Utility Gambar 1. Diagram alir perhitungan karakteristik reaktivitas ayun pada sistem sub-kritik. Struktur perhitungan pada diagram alir Gambar 1 di atas adalah sebagai berikut, SCALE-4 merupakan sistem code perangkat lunak yang berfungsi menghasilkan penampang lintang efektif (effective cross section) di bawah 20 MeV dari NJOY- JENDL 3.2 library. Kemudian, cross section tersebut diolah melalui analisis netron transport TWODANT bersamaan dengan sumber netron tetap hasil spalasi dengan NMTC/JAERI. Analisis netron transport bersama dengan komposisi material dan

bahan bakarnya dilakukan oleh BURNER dengan mengintroduksikan perubahan bahan bakar pada akhir tiap-tiap langkah burn-up. Adapun spesifikasi pada sistem yang digunakan dalam perhitungan ini dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Spesifikasi pada sistem subkritik yang digunakan Items Daya Thermal Energi Berkas Proton Arus Proton Target Bahan Target Tinggi Diameter Teras Subcritik Tinggi Diameter Diameter Pin Rasio Pin-Pitch terhadap diameter Bahan bakar Komposisi Bahan bakar Bahan pendingin dan moderator Satuan 800 MWt. 1500 MW. 20 ma (Pb-Bi) Cair 50 Cm 50 Cm 100 Cm. 340 Cm. 0.929 Cm 1.4 (-) (Pu, MA)N ( 15 N diperkaya) 40% Pu + 60% MA Pb-Bi dan Graphite HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN Hasil perhitungan reaktivitas ayun pada sistem subkritik ditunjukkan pada Gambar 2 di bawah ini. Perhitungan ini dilakukan dengan pemuatan ulang setiap 730 hari, artinya adalah setiap perioda 730 hari dilakukan pergantian terhadap bahan bakar yang telah terbakar (tertransmutasi) dengan bahan bakar baru. Nilai burn-up rata-rata diambil untuk mengevaluasi reaktivitas ayun pada sistem sub-kritik dengan asumsi

Risalah Lokakarya Komputasi dalam gains dan Teknologi Nuklir XII, Juli 2001 bahwa ballad bakar sistem ini tidak dirubah terutama dalam hal komposisi bahan bakamya termasukjumlah kandungan plutonium dalam inert-matrix balladbakar. l_- 9.55E-01 9.50E-01 9.45E-01.. 9.40E-01... ~ 9.35E-01 ~ 9.30E-01 9.25E-01 9.20E-01 9.15E-01 '. 0 1000 2000 3000 Burn-up (days) 4000 5000 Gambar 2. K-eff pada sistem sub-kritik menggunakan model perhitungan teras 1, 2, clan4 regions. Hasil perhitungan perubahan keff pada sistem sub-kritik selama reaktor beroperasi dengan menggunakan komposisi bahan bakar sisa dari 33 GWd/t LWR setelah waktu pendinginan 5 tahun. Sebagai basil telah diperoleh nilai awal clanakhir k.eff(boc, claneoc) yang cukup berbeda untuk masing masing metoda perhitungan, dimana pada metoda perhitungan menggunakan pembagian daerah teras reaktor 1, 2 clan 4-region menghasilkan perbedaan nilai yang cukup signifikan, terutama pada evaluasi akhir siklus. Kemudian basil akhir dari evaluasi pada perhitungan karakteristik reaktivitas ayun dapat dilihat pada Tabel 2 berikut ini. Tabel 2 adalah evaluasi unjuk kerja dari basil perhitungan reaktivitas ayun pada sistem sub-kritik menggunakan model perhitungan teras 1, clan4 region.hasil evaluasi pada isotop-isotop tertentu seperti Np- 237, Pu-238, Pu-239, Am-241, and Cm-244 telah dilakukan. Akumulasi terjadi pada jenis isotop-isotop Pu-238 and Cm-244 yang kebanyakan terjadi akibat reaksi tangkapan. Kemudian penurunan terjadi padajenis isotop-isotop Np-237, Pu-239, and Am-241. Hasil perhitungan awal pada kemampuan sistem sub-kritik ditunjukkan pada Tabel 2,

Studi Perhitungan Karakteristik Reaktivitas Ayun Pada Sistem... (Marsodi, As Natio Lasman, R.B. Wahyu, etal.) Tabel 2. Unjuk kerja reaktivitas ayun pada sistem sub-kritik menggunakan model perhitungan teras I dad4 regions. BOC EOEC % iwk I-Core Region 9.4IE-OI 9.50E-OI -9.70E-OI 4-Core region 9.4IE-OI 9.38E-OI 2.93E-OI * EOEC End of Equilibrium Cycle 6.00E -{)4 5.OOE -{)4 ~ 4.00E-{)4!2).~ 3.00E-{)4 VI c: t'5 2.OOE-{)4 I I I 1. OOE -{)4 II O.OOE..00 0 1000 2000 3000 Bum-updays 4000 II I 5000 I J Gambar 3. Kerapatan isotop Pu-239 pada bahan bakar selama burn-up days menggunakan model perhitungan I dad 4-region. Gambar 3 merupakan basil perhitungan dari kerapatan isotop Pu-239 pada bahan bakar selama burn-up days menggunakan model perhitungan I dad 4-region. Hasil evaluasi menunjukkan bahwa.komposisi bahan bakar pada sistem sub-kritik dalam menangani bahan bakar sisa khususnya dari 33 GWd/t LWR sangat tergantung pada penggunaan isotop plutonium khususnya Pu-239. Isotop tersebut menjadi faktor penentu yang utama dalam mempertahankan nilai sub-kritikalitas sistem disamping sumber netron basil spalasinya.

Tabel 3. Kemampuan sistem sub-kritik dalam menangani bahan bakar sisa dari 33-GWd/t LWR. Transmutation ratio (% / y) Tsujimoto fuel HM MA 1-Region 6.22 12.2 4-Region 6.20 11.6 delta 0.02 0.6 Pada akhirnya, evaluasi kemampuan sistem sub-kritik menggunakan karakteristik reaktivitas ayun seperti di atas diperoleh hasil seperti ditunjukkan pada Tabel 3. Kedua metode perhitungan tersebut menghasilkan perbedaan transmutation ratio kurang lebih sebesar 2 % pada total bahan bakar yang dipergunakan dan 0.6 % pada MA. KESIMPULAN Dari hasil evaluasi pada perhitungan yang telah dilakukan di atas diperoleh beberapa kesimpulan terhadap karakteristik reaktivitas ayun pada sistem sub-kritik yaitu: 1. Reaktivitas pada sistem sub-kritik dapat dijaga dengan menggunakan dua cara utama yaitu a. mempertahankan komposisi bahan bakar terutama pada keberadaan jumlah isotop Pu-239 b. mengatur jumlah netron pada reaksi spalasi dalam target (yang terletak di tengah-tengah reaktor) dengan mengatur berkas proton pada akselerator yang digunakan. 2. Karakteristik reaktivitas ayun pada sistem sub-kritik ini dapat bernilai positif untuk komposisi bahan bakar tertentu seperti dalam perhitungan ini atau dengan komposisi Pu-239 yang lebih besar.

DAFTAR PUSTAKA 1. TSUJIMOTO, K., SASA, T., NISHIHARA, K., TAKIZUKA, T., TAKANO, H., Study of Accelerator-Driven System for Transmutation of High-level waste from LWR, Proceeding of 7-th International Conference on Nuclear Engineering, Tokyo, Japan, (1999), pp. 1-10 2. TAKIZUKA, T., TSUJIMOTO, K., SASA, T., NISHIHARA K., TAKANO H., Design Study of Lead-Bismuth Cooled ADS Dedicated to Nuclear Waste Transmutation, The Second Fujihara International Seminar on Advanced Nuclear Energy Systems Toward Zero Release of Radioactive Wastes, S6-3, Shizuoka, Japan, November 6-9, (2000). 3. ANDO Y., TAKANO H., Estimation of LWRs Spent Fuel Composition, JAERI Report (JAERI Research 99-004), JAERI, Japan, February (1999). 4. MUKKAIYAMA T., ET AL., Characteristics of MA Transmutation in ABR and Power reactor, Proceeding of the OECD/NEA Information Exchange Meeting on Actinide and fission product Separation and Transmutation, Mito, Japan, November 6-8, (1990), pp 326-346