Analisis Termohidrolika Elemen akar Uji U-Mo/Al dan U-Zr/Al di RSG-GAS Menggunakan COOLOD-N, NATCON dan CFD-D (Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti) ANALISIS TERMOHIDROLIKA ELEMEN AKAR UJI U-Mo/Al DAN U-Zr/Al DI RSG-GAS MENGGUNAKAN COOLOD-N, NATCON DAN CFD-D Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir (PTRKN)-ATAN Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan, 50 e-mail: endiah@batan.go.id; subekti@batan.go.id (Naskah diterima: Desember 0, disetujui: Januari 0) ASTRAK ANALISIS TERMOHIDROLIKA ELEMEN AKAR UJI U-Mo/Al dan U-Zr/Al di RSG-GAS MENGGUNAKAN COOLOD-N, NATCON dan CFD-D. Pusat Teknologi ahan akar Nuklir PTN-ATAN melalui litbang bahan bakar densitas tinggi menggunakan uranium pengayaan rendah (<0% U 5 ), merencanakan uji iradiasi elemen bakar uji (EU) U-Mo dan U-Zr/Al di RSG-GAS. Posisi iradiasi G- dipilih dengan pertimbangan akan memberikan dampak perubahan reaktivitas minimum. Analisis keselamatan termohidrolika pada kondisi tunak (steady state) dan konveksi alam dilakukan pada daya 0 MW dan daya operasional 5 MW. Program komputasi satu dimensi COOLOD-N dan NATCON masing masing digunakan untuk menghitung parameter termohidrolika pada kondisi konveksi paksa dan konveksi alam, sedangkan program komputasi dinamika fluida tiga dimensi (CFD-D) FLUENT untuk memberikan visualisasi parameter termohidrolika. Hasil verifikasi perhitungan FLUENT dengan COOLOD-N diperoleh deviasi antara,% hingga,9%. atas keselamatan EU U-Mo/Al dan U-Zr/Al yang diiradiasi pada daya 5 MW maupun 0 MW memenuhi batas keselamatan sesuai dengan yang dipersyaratkan di dalam Laporan Analisis Keselamatan RSG-GAS. Kata kunci: elemen bakar uji, pelat elemen bakar U-Mo/Al, pelat elemen bakar U-Zr/Al, COOLOD-N,NATCON, CFD-D FLUENT. ASTRACT THERMALHYDRAULIC ANALYSIS of U-Mo/Al and U-Zr/Al EXPERIMENTAL FUEL ELEMENT in RSG-GAS Y USING COOLOD-N, NATCON and CFD-D.The Center for Nuclear Fuel Technology ATAN through research and development of low-enriched uranium fuel (<0% U5) has a plan for irradiating experimental fuel element plates of U-Mo and U-Zr/Al in RSG-GAS. G- irradiation position is therefore selected with a consideration to give minimum reactivity changes. Thermal hydraulics safety analysis at steady state and free convection is performed on the power of 0 MW and 5 MW. One-dimensional computational programs, COOLOD-N and NATCON, are used to calculate thermal hydraulics parameters in conditions of forced and free convection, while three-dimensional computational fluid dynamic FLUENT is used to provide visualization of thermal hydraulics parameters. The comparison of
Urania Vol. 9 No., Februari 0 : COOLOD-N and FLUENT calculation results shows a deviation between.% to.9%. Safety margin of U-Mo and U-Zr/Al irradiated at 5 MW and 0 MW meet the safety margin required in the RSG-GAS Safety Analysis Report. Keywords: experimental fuel element, U-Mo/Al fuel element plate, U-Zr/Al fuel element plate, COOLOD-N, NATCON, CFD-D FLUENT. PENDAHULUAN Penggunaan bahan bakar berpengayaan rendah sesuai dengan program RERTR (Reduced Enrichment for Research and Testing Reactor), yang dicanangkan untuk mengganti penggunaan bahan bakar uranium pengayaan tinggi (> 9% U 5 ) dengan uranium pengayaan rendah (< 0% U 5 ) [], mendorong litbang bahan bakar tingkat muat uranium tinggi di berbagai negara untuk utilisasi reaktor. Keuntungan penggunaan bahan bakar dengan tingkat muat uranium tinggi adalah meningkatnya performance (kinerja) reaktor. Diantara berbagai jenis paduan (alloy) yang memenuhi penambahan tingkat muat adalah penambahan unsur molybdenumdan unsur zircaloy. Terdapat beberapa metode pembuatan serbuk bahan bakar uranium molybdenum (UMo), diantaranya metode atomisasi yang teknologinya telah dikuasai oleh Korea Selatan, dan metode hydridemilling-dehydride []. Perkembangan fabrikasi bahan bakar paduan UMo di beberapa negara telah mencapai tingkat muat antara hingga prosen berat molybdenum []. Peningkatan tingkat muat uranium di dalam bahan bakar reaktor riset berpengayaan rendah juga dilakukan dengan membuat paduan uranium zirkonium, paduan bahan ini selain memiliki keuntungan fitur keselamatan yang unik yaitu koefisien prompt reaktivitas temperatur negatif, juga berpotensi menambah tingkat muat uranium di dalam bahan bakar reaktor. Litbang bahan bakar U-Zr di dalam teknologi reaktor TRIGA telah mencapai 5 prosen berat uranium (wt-%u) atau setara dengan, gu/cm, menggunakan uranium pengayaan rendah []. Seiring dengan kemajuan litbang bahan bakar tingkat muat tinggi dunia, PTN-ATAN telah menyelesaikan pembuatan pelat elemen bakar uji (EU) U-Mo/Al dan U-Zr/Al berukuran mini menggunakan uranium deplesi. Kedua EU tersebut direncanakan untuk diiradiasi secara bersamaan di dalam satu bundel elemen bakar. Rencana uji panas EU di dalam teras reaktor RSG GAS memerlukan analisis keselamatan yang tepat, mengingat penambahan tingkat muat berpengaruh pada sifat termal bahan bakar, selain akan menambah reaktivitas teras reaktor. Paper ini bertujuan untuk menganalisis keselamatan teras maupun elemen bakar yang diiradiasi dengan memperhatikan letak kupon EU mini ini sepanjang arah aksial pelat elemen bakar, letak di dalam bundel elemen bakar dan posisi iradiasi di teras, yang dilakukan sinergi dengan analisis neutronik. Mengingat bahwa scope (ruang lingkup) penelitian ini begitu luas maka paper ini dibatasi pada analisis termohidrolika dua EU U-Mo/Al dan U-Zr/Al pada kondisi operasi normal steady-state (tunak) dan konveksi alam. Analisis dilakukan dengan menggunakan program perhitungan satu dimensi COOLOD-N untuk operasi normal kondisi tunak, NATCON untuk konveksi alam dan program komputasi dinamika fluida tiga dimensi (CFD-D) FLUENT untuk pembanding sekaligus memberikan visualisasi karakteristika termohidrolika di dalam pelat uji.
Analisis Termohidrolika Elemen akar Uji U-Mo/Al dan U-Zr/Al di RSG-GAS Menggunakan COOLOD-N, NATCON dan CFD-D (Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti) TATA KERJA Elemen bakar uji U-Mo/Al dan U-Zr/Al Elemen bakar uji U-Mo/Al dengan tingkat muat gu/cm dan U-Zr/Al dengan tingkat muat 5,gU/cm dipilih sesuai dengan UCD (user criteria document) reaktor riset inovatif yang sedang dalam tahap litbang desain konseptual, untuk mengantisipasi perkembangan bahan bakar reaktor riset kedepan [5]. PTN telah membuat serbuk U-Mo dan U-Zr dengan metode hydriding-dehydriding-milling, yang selanjutnya didispersikan ke dalam serbuk matrik aluminium dan dibentuk menjadi inti elemen bakar (IE) U-Mo/Al dan U-Zr/Al dengan cara kompaksi. Selanjutnya IE U-Mo/Al atau U-Zr/Al bersama frame dan cover AlMg dibentuk menjadi pelat elemen bakar (PE) dengan teknik pengerolan panas dan dingin []. PE U-Mo/Al ( buah) dan U-Zr/Al ( buah) dirakit ke dalam elemen bakar uji (EU) dengan cara menyisipkan masing-masing PE pada alur, 5 dan serta, dan 0, sedang 5 alur lainnya berisi pelat AlMg dummy yang dirakit dengan rol gencet. EU U-Mo/Al dan U-Zr/Al direncanakan dikenai uji iradiasi di RSG-GAS, dimensi pelat EU ditunjukkan pada Tabel. Tabel. Dimensi PE U-Mo/Aldan U-Zr/Al Dimensi PE Dimensi Meat Panjan 5 ± 0, Panjang ± 50 g, mm,mm Lebar, 0,5 ± 0,5 Lebar, ± 5 mm mm Tebal,, ± 0,0 Tebal, ± 0, mm mm Tebal Kelong song, AlMg/ AlMgSi ), mm > 0,5 Posisi kupon elemen bakar uji U-Mo/Al dan U-Zr/Al EU berisi uranium akan memberikan reaktivitas positif sehingga pemilihan posisi iradiasi di teras RSG-GAS dilakukan melalui perhitungan neutronik, dimana posisi terpilih adalah yang memberikan penambahan reaktivitas teras terkecil. Penempatan kupon pelat EU di dalam stringer diatur sedemikian rupa sehingga memenuhi keselamatan dari aspek neutronik dan termohidrolik. Hasil perhitungan neutronik menunjukkan bahwa posisi iradiasi terpilih adalah G- seperti ditunjukkan pada Gambar, sedangkan posisi PE U-Mo/Al dan U-Zr/Al di dalam stringer ditunjukkan pada Gambar []. K J H G F E D C A S P S R T F S S 5 S NS 0 IP 9 IP Posisi iradiasi CIP IP 5 5 5 IP 5 eryllium lock Reflector Catatan : E = Elemen akar, EK = Elemen Kendali, E = Elemen e Reflektor, S = Elemen e Reflector dengan plug, IP = Posisi Iradiasi, CIP = Posisi Iradiasi Central, PNRS = Pneumatic Rabbit System, HYRS = Hydraulic Rabbit System (kelas fraksi bakar dalam baris ke-) Gambar. Posisi iradiasi U-Mo/Al dan U-Zr/Al di teras RSG-GAS. 5 S S S PN RS HY RS HY RS HY RS HY RS
0,5,0,0 Urania Vol. 9 No., Februari 0 :.5.,0 0,5 5 PE U-Mo/Al PE U-Zr/Al Aluminium,5 0,.,0 Gambar. Posisi PE U-Mo/Al dan U-Zr/Al di dalam EU. Program perhitungan Analisis ini menggunakan (tiga) program komputasi masing-masing adalah COOLOD-N yang merupakan program komputasi termohidrolika dimensi yang dikembangkan untuk menganalisis termohidrolika teras reaktor riset untuk elemen bakar tipe MTR pada kondisi tunak [9]. NATCON merupakan program komputasi untuk analisis termohidrolika dalam keadaan tunak untuk bahan bakar nuklir jenis pelat dalam sebuah reaktor riset yang didinginkan secara konveksi alami [0]. FLUENT adalah program perhitungan dinamika fluida dimensi (CFD-D = computational fluid dynamic dimension) berbasis volume hingga (finite volume) yang mampu memprediksi dan menganalisis fenomena dinamika aliran fluida secara teliti dan memberikan visualisasi yang baik []. Ketiga program komputasi tersebut digunakan untuk memberikan hasil analisis keselamatan yang sinergis. Pemodelan dan input program Analisis EU dilakukan pada posisi teras G. Target iradiasi ditempatkan pada kanal ini dengan distribusi fluks neutron pada posisi aksial maksimum. Input data yang digunakan dalam perhitungan keselamatan ditunjukkan pada Tabel.
Analisis Termohidrolika Elemen akar Uji U-Mo/Al dan U-Zr/Al di RSG-GAS Menggunakan COOLOD-N, NATCON dan CFD-D (Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti) Tabel. Data masukan perhitungan termohidrolika kanal EU U-Mo/Al dan U-Zr/Al di dalam teras RSG-GAS posisi G. Parameter Nilai Kanal Pembangkitan panas di teras reaktor, MW 0,000 Tekanan pendingin ke teras, kg/cm,00 Temperatur pendingin masuk ke teras, C,500 Laju alir pendingin ke teras, kg/det. 00,000 Laju alir pendingin min. per elemen bakar, m /jam,50 Faktor-faktor puncak daya : Faktor puncak daya radial, FR, Fcool, Ffilm,00 Fhflx,00 Fkelongsong, Fbond, F meat,000 Faktor puncak daya aksial, FA,5 Sifat termal bahan bakar U-Mo/Al dan U-Zr/Al ahan bakar U-Mo/Al dan U-Zr/Al dengan tingkat muat gu/cm dan 5, gu/cm akan memiliki persamaan sifat termal dengan bahan bakar silisida, yaitu konduktivitas dan densitas bahan bakar bergantung pada fraksi volume bahan bakar dalam U-Mo/Al dan U-Zr/Al. Selain itu, konduktivitas dan densitas juga bergantung pada porositas bahan bakar untuk menampung gas produk fisi pada awal proses iradiasi. Nilai spesifik dan konduktivitas bahan bakar U-Mo/Al dan U-Zr/Al diperoleh dari literatur []. Panas spesifik bahan bakar U-Mo/Al dan U-Zr/Al memiliki nilai yang relatif konstan pada 0,55 J/gK []. eberapa variasi konduktivitas termal meat bahan bakar ditentukan oleh jenis perlakuan fabrikasi bahan bakar. Selain itu, konduktivitas meat bahan bakar juga ditentukan oleh burn-up (fraksi bakar). Laju swelling dan reaksi matriks bahan bakar akan menurunkan konduktivitas termal meat bahan bakar. Tabel menampilkan parameter termal EU. Tabel. Parameter termal EU dibandingkan dengan bakan bakar uranium silisida. Parameter USi/Al U-Mo/Al U-Zr/Al Kelongsong, g/cm 5,,(Porositas %),0 (Porositas %),00 Cp, J/g C 0, 0,55 0,55 0,9 k, W/cm C,00 0,5 0,5 0,0 0,0,0 HASIL DAN PEMAHASAN Pembangkitan panas total perpelat EU sangat kecil, sehingga analisis keselamatan yang dipilih dari aspek termohidrolika hanya terkait dengan kondisi operasi RSG-GAS, yaitu konveksi paksa kondisi tunak dan konveksi alam. Hasil perhitungan termohidrolika dimensi konveksi paksa (daya tinggi) dilakukan pada kondisi tunak dengan daya reaktor 0 MW sesuai batasan Laporan Analisis Keselamatan (LAK) RSG-GAS dan daya 5 MW sesuai daya operasionalnya, sedangkan program komputasional dimensi FLUENT digunakan untuk memberikan hasil perhitungan yang lebih detil. Analisis juga dilakukan dalam perhitungan termohidrolika konveksi alam (daya rendah) dimana sistem pendingin primer sengaja tidak dioperasikan. 5
Urania Vol. 9 No., Februari 0 : Verifikasi FLUENT Program perhitungan termohidrolika COOLOD-N, NATCON serta perhitungan distribusi laju alir CAUDVAP telah terverifikasi dan digunakan untuk menganalisis keselamatan teras RSG- GAS [], sehingga program FLUENT dapat diverifikasi dengan program-program tersebut. Verifikasi dilakukan terhadap obyek yang sama yaitu bahan bakar USi/Al pada daya 0 MW. Hasil perhitungan temperatur pendingin kondisi tunak menggunakan FLUENT yang diverifikasi dengan hasil pengukuran dan perhitungan pembanding menggunakan COLOOD-N ditunjukkan dalam Tabel. Hasil perhitungan dengan basis input temperatur dan pembangkitan panas yang sama menunjukkan deviasi sebesar,95% dan,%. Perbandingan antara FLUENT dan CAUDVAP serta LAK RSG GAS untuk perhitungan laju alir ditunjukkan dalam Tabel 5. FLUENT mempunyai kesesuaian yang sangat baik tanpa ada deviasi dengan hasil yang diberikan oleh LAK, bahkan dapat memberikan informasi lebih detil mengenai profil aliran di sepanjang pelat hingga pipa luaran elemen bakar (Gambar ). erdasarkan data tersebut terbukti bahwa FLUENT terverifikasi dengan baik. Tabel. Hasil perhitungan FLUENT pada kondisi tunak elemen bakar RSG-GAS menggunakan bahan bakar USi/Al pada daya 0 MW. Parameter FLUENT LAK Temperatur Air Masukan(input) 0,5 C (E) 0,5 C (E) Temperatur Air Luaran 5,0 C (E) 50,5 C (Teras) 5, C (E)* Temperatur Air maksimum 5,0 C (E) Tabel 5. Hasil perhitungan kecepatan aliran FLUENT pada kondisi operasi elemen bakar RSG- GAS menggunakan bahan bakar USi/Al pada daya 0 MW. Posisi Aliran Distribusi kecepatan aliran FLUENT CAUDVAP LAK Celah pelat, m/s, m/s, m/s awah celah pelat, m/s - - Fitting bawah 5,9 m/s - - Pipa luaran elemen bakar,5 m/s - - Gambar menunjukkan visualisasi hasil perhitungan distribusi temperatur di dalam satu elemen bakar USi/Al pada daya 0 MW menggunakan program perhitungan FLUENT.
Analisis Termohidrolika Elemen akar Uji U-Mo/Al dan U-Zr/Al di RSG-GAS Menggunakan COOLOD-N, NATCON dan CFD-D (Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti) Gambar. Hasil perhitungan distribusi temperatur dalam elemen bakar RSG-GAS menggunakan bahan bakar USi/Al pada daya 0 MW. Analisis termohidrolika kondisi tunak konveksi paksa Tabel dan Gambar memperlihatkan hasil perhitungan distribusi temperatur kondisi tunak EU U-Mo/Al dan U-Zr/Al pada daya tinggi 0 MW menggunakan FLUENT dan COOLOD-N. Hasil perhitungan temperatur antara FLUENT dan COOLOD-N yang diberikan pada Tabel memberikan deviasi antara,% hingga,9%. Perbedaan terbesar terjadi dalam perhitungan temperatur kelongsong. Perhitungan dimensi COOLOD-N menggunakan seluruh pendingin yang masuk dalam subkanal untuk mendinginkan dinding kelongsong dengan lebar.5 mm, sedangkan lebar meat hanya sebesar 5 mm. Perhitungan FLUENT memperhitungkan kondisi interior D dimana hanya bagian pendingin air yang dekat dengan lebar meat saja yang efektif mendinginkan kelongsong. Gambar menunjukkan hasil perhitungan temperatur di zona kelongsong langsung menurun (COLOOD-N), sedangkan dengan FLUENT lebih tinggi. Tabel. Parameter Kritikal Hasil perhitungan distribusi temperatur kondisi tunak EU U-Mo/Al dan U-Zr/Al pada daya tinggi 0 MW. USi/Al (0 MW) U-Mo/Al (0 MW) U-Zr/Al (0 MW) atas Tair masukan, C,50,50,50,50 T meat, C, 9,, 50,00,09,5 Tkelongsong, C 5,9,0 5, 50,00 5,0, Tair lmaksimum, C 5,5 5, 50,5,0, Kecepatan pendingin, m/s,5,5,5 5,00 Marjin terhadap instabilitas aliran, S (-),0,, - Densitas Daya, W/cm.0 0.0.9.00 Keterangan: Hasil perhitungan FLUENT, Hasil perhitungan COOLOD-N. 5, (TON)
Temperatur (Celsius) Urania Vol. 9 No., Februari 0 : 50 00 50 T. tengah bahan bakar USi/Al-COOLOD-N UMo/Al COOLOD-N U-Zr/Al COOLOD-N UMo/Al-FLUENT UZr/Al FLUENT 00 T. kelongsong bahan bakar 50 T. air pendingin 0 0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.05 0.0 0.0 Jarak dari tengah bahan bakar (mm) Gambar. Perbandingan hasil perhitungan distribusi temperatur arah radial USi/Al, U-Mo/Al dan U-Zr/Al dengan COOLOD-N dan FLUENT. Hasil perhitungan COOLOD-N pada Tabel menampilkan perbandingan profil termohidrolika kedua pelat EU U-Mo/Al dan U-Zr/Al pada daya 0 MW dan Tabel. 5 MW yang dilengkapi dengan nilai pembanding elemen bakar USi/Al,9 gu/cm pada daya 0 MW dan nilai batas sesuai LAK RSG-GAS. Perbandingan hasil perhitungan COOLOD-N bahan bakar U-Mo/Al dan U-Zr/Al pada daya tinggi 0 MW dan 5 MW. Parameter Kritikal USi/Al (0 MW) U-Mo/Al U-Zr/Al atas Tair masukan, C,50,50,50,50 T meat, C,,09,5 5,,9 50,00 Tkelongsong, C 5,9 5,0,,,9 50,00 Tair lmaksimum, C 5,5,0, 5,, 5,9 (TON) Kecepatan pendingin, m/s,5,5,5 5,00 Marjin terhadap instabilitas aliran, S (-),0,,,0 9,0 - Densitas Daya 0 MW, W/cm Densitas Daya 5 MW, W/cm.0.05 0.0 5.0.9.90,5.00 5.50 Keterangan: Hasil perhitungan daya 0 MW,. Hasil perhitungan daya 5 MW. Gambar 5 dan masing-masing memperlihatkan profil temperatur di sepanjang kanal pelat, baik yang berisi EU U-Mo/Al dan U-Zr/Al maupun pelat dummy paduan aluminium pada daya 0 MW. Dalam pemodelan COOLOD-N,
Temperatur [ o C] T-Coolant [ o C] Temperatur [ o C] T-Coolant [ o C] Analisis Termohidrolika Elemen akar Uji U-Mo/Al dan U-Zr/Al di RSG-GAS Menggunakan COOLOD-N, NATCON dan CFD-D (Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti) perpindahan panas dari pelat elemen bakar ke pendingin di hitung dari inlet hingga outlet subkanal bahan bakar, meskipun pembangkitan panas hanya berasal dari PE. Konduktivitas U-Mo/Al lebih kecil daripada USi/Al, hal ini menyebabkan perpindahan panas dari tengah meat bahan bakar ke kelongsong lebih rendah sehingga temperatur kelongsong EU U-Mo/Al menjadi lebih panas. Temperatur meat maupun kelongsong turun secara drastis di ujung bawah PE dari nilai maksimumnya karena pembangkitan panas fisi berakhir, selanjutnya temperature meat mendekati temperatur inlet, sedangkan temperatur pendingin relatif konstan sesuai temperatur maksimum yang dicapai. Fenomena yang sama terjadi pada EU U-Zr/Al, meskipun demikian temperatur meat maupun kelongsong kedua EU ini masih memenuhi batas yang ditetapkan, demikian pula dengan batas keselamatan terhadap instabilitas aliran. Tabel juga menampilkan nilai parameter termohidrolika pada daya 5 MW. Nilai ini memberikan kepercayaan bahwa insersi kedua EU pada daya operasional RSG- GAS 5 MW aman, karena nilai seluruh parameter jauh di bawah batas yang dipersyaratkan. 00T-meat [,09 C] 0 T-clad 0 T-coolant 0 0 00 U-Mo/Al, Daya 0 MWt 0 0 0 0 9 5 5 Posisi Vertikal [cm] 5 Gambar 5. Distribusi temperatur di dalam kanal EU U-Mo/Al, daya 0 MW. 00 0 0 0 0 00 0 0 0 T-meat [,5 C] T-clad T-coolant U-Zr/Al, Daya 0 MWt 0 9 5 5 Posisi Vertikal [cm] 5 Gambar. Distribusi temperatur di dalam kanal EUU-Zr/Al, daya 0 MW. 9
Urania Vol. 9 No., Februari 0 : Hasil perhitungan FLUENT memberikan visualisasi karakteristik termohidrolika di dalam EU dan pendingin subkanal seperti ditunjukkan pada Gambar, dan 9. Gambar-gambar tersebut memperlihatkan lebih jauh hasil perhitungan terhadap distribusi temperatur aksial dalam air pendingin, kelongsong dan bahan bakar U-Mo/Al dan U-Zr/Al pada posisi di tengah EU pada daya reaktor 0 MW. Air Pendingin, T=,50 C Cladding Air Pendingin TAir=5, C TClad=,0 C TU-Mo=9, C (a) PE U-Mo/Al Air Pendingin, T=,5 C Cladding Air Pendingin TAir=50,5 C TClad=5, C TU-Zr=, C (b) PE U-Zr/Al Gambar. Distribusi temperatur aksial air pendingin, kelongsong dan bahan bakar U-Mo/Al dan U-Zr/Al pada posisi di tengah EU pada daya reaktor 0 MW. 0
Analisis Termohidrolika Elemen akar Uji U-Mo/Al dan U-Zr/Al di RSG-GAS Menggunakan COOLOD-N, NATCON dan CFD-D (Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti) U-Mo U-Zr Gambar. Perbandingan distribusi temperatur di dalam pelat EU.,50 C,50 C 5, C 5, C 50,0 C 9, C 9,5 C, C U-Mo,9 C,9 C U-Zr Gambar 9. Distribusi temperatur horizontal pendingin air yang menempel pada kelongsong U-Mo/Al dan U-Zr/Al pada daya reaktor 0 MW. Tampak jelas pada Gambar 9 profil temperatur di dalam pelat EU turun secara drastis di dalam pelat dummy paduan aluminium. Peningkatan sifat termal bahan bakar sebagai fungsi tingkat muat uranium menyebabkan temperatur bahan bakar dan kelongsong kedua pelat EU ini lebih tinggi daripada USi/Al, meskipun demikian karena daya yang dibangkitkan pelat EU berukuran mini persatuan luas, berada jauh di bawah batas yang diizinkan seperti ditunjukkan pada Tabel, maka insersi ini masih aman. Kedua EU ini memiliki temperatur meat dan kelongsong yang cukup tinggi, dibandingkan dengan bahan bakar USi/Al pada daya yang sama, tetapi temperatur air meningkat sedikit karena panas yang dipindahkan oleh air sangat kecil. Total volume target iradiasi dalam pelat EU adalah (,5 x 5 x 0,0) cm =, cm, sehingga panas yang dipindahkan oleh pendingin air dalam meat U-Mo/Al dan U-Zr/Al adalah 99, W dan 0,05 W. atas keselamatan terhadap temperatur maupun instabilitas aliran (S), baik pada
Temperatur (oc) Heat flux (W/m) Urania Vol. 9 No., Februari 0 : daya 0 MW maupun 5 MW masih terpenuhi. Analisis termohidrolika kondisi tunak konveksi alam Dalam analisis kondisi tunak konveksi alam, digunakan perhitungan termohidrolika NATCON pada % daya nominal atau 00 kw. Tabel menampilkan parameter kritikal perbandingan hasil perhitungan NATCON pada bahan bakar USi/Al, U-Mo/Al dan U-Zr/Al dengan batasan kondisi operasi RSG-GAS, sementara Gambar 0 dan menunjukkan karakteristik temperatur bahan bakar. atas keselamatan diukur dari perbedaan temperatur pendingin air TON yang masih mencukupi. Hasil perhitungan dalam analisis moda konveksi alam EU U-Mo/Al menunjukkan bahwa temperatur meat, kelongsong, dan pendingin air luaran lebih rendah dari pada temperatur bahan bakar USi/Al. Hal ini disebabkan karena pembangkitan panas dalam bentuk kupon jauh lebih kecil daripada USi/Al dalam bentuk pelat utuh, meskipun konduktivitasnya lebih rendah. Temperatur terjadinya awal pendidihan inti (TON= temperature onset of nucleate boiling) berada jauh di atas temperatur kelongsong bahan bakar, tidak terjadi pendidihan inti pada ketiga jenis bahan bakar tersebut, sehingga insersi EU U-Mo/Al dan U-Zr/Al dapat dilakukan pada moda konveksi alam secara bersamaan. erdasarkan data tersebut dapat disimpulkan bahwa iradiasi EU ini memenuhi persyaratan keselamatan dalam kondisi tunak konveksi alam. Tabel. Hasil perhitungan NATCON temperatur kondisi tunak konveksi alam EU U-Mo/Al dan U-Zr/Al daya 00 kw. Parameter Kritikal USi/Al U-Mo/Al U-Zr/Al atas Tair masukan, C,50,50,50,50 T meat, C 5,,95,0,5 Tkelongsong, C 5,,55,9, Tair luaran, C,0, 5,9 5,90 ( TON), C 5,0 5,9 - (TON) Kecepatan pendingin, m/s 0,00 0,00 0,00 0,05 Daya Reaktor, kw 00 00 00 5 0 0 00 0 0 0 0 0 T. ON dan T. Jenuh Heat fluks T. Kelongsong dan T bahan bakar T. air pendingin 0 0 0 0 0 50 0 Tinggi bahan bakar (cm) 5000 0000 5000 0000 5000 0000 5000 0-5000 Gambar 0. Karakteristik termohidrolika EU U-Mo/Al moda konveksi alam.
Temperatur (oc) Heat flux (kw/m) Analisis Termohidrolika Elemen akar Uji U-Mo/Al dan U-Zr/Al di RSG-GAS Menggunakan COOLOD-N, NATCON dan CFD-D (Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti) 0 0000 0 5000 00 Heat fluks T. ON dan T. Jenuh 0000 0 5000 0 0 0 0 T. kelongsong dan T. bahan bakar T. air pendingin 0 0 0 0 0 50 0 Tinggi bahan bakar (cm) 0000 5000 0-5000 Gambar. Karakteristik termohidrolika EU U-Zr/Al moda konveksi alam. SIMPULAN Dari hasil analisis keselamatan termohidrolika dapat disimpulkan bahwa iradiasi pelat EU U-Mo/Al dan U-Zr/Al yang dilaksanakan secara bersamaan di dalam stringer elemen bakar dummy dapat dilaksanakan pada daya 0 MW maupun 5 MW pada moda operasi kondisi tunak. Iradiasi juga dapat dilaksanakan pada moda operasi konveksi alam, dan batas keselamatan yang dihasilkan pada kedua moda ini masih memenuhi LAK RSG-GAS. UCAPAN TERIMAKASIH Terima kasih kami sampaikan kepada rekan-rekan anggota tim penyusunan LAK atas sumbangan input, diskusi serta masukan yang konstruktif. DAFTAR PUSTAKA. IAEA. (90). Research Reactor Core Conversion From The Use Of Highly Enriched Uranium To The Use Of Low Enriched Uranium Fuels Guide ook. IAEA-TECDOC-, Vienna.. Lee,S.H., Park J.M. and Kim C.K. (005).Thermophysical Properties of U- Mo/Al Alloy Dispersion Fuel Meats. Korea Research Institute of Standards and Science, ECTP.. CREASY J.T. (0).Thermal Properties of Uranium-Molybdenum Alloys: Phase Decomposition Effects of Heat Treatments. Master of Science Thesis, Texas A&M University, Texas.. GA.TECHNOLOGIES,INC. (99). Uranium-Zirconium Hydride TRIGA-LEU Fuel. Research Reactor Core Conversion Guidebook,Vol. : Fuels, IAEA-TECDOC-. 5. Endiah P.H. Dkk. (00). Dokumen Teknis PTRKN 00: User Criteria Document (UCD) Reaktor Riset Inovatif. ATAN-RKN-C-00-0-00, PTRKN- ATAN.. Supardjo, Agoeng K., Aslina.G. (0). Pembuatan Pelat Elemen akar Mini
Urania Vol. 9 No., Februari 0 : UMo-Al Dengan Densitas Uranium dan gu/cm. Jurnal Teknologi ahan Nuklir, (), 0-.. Aslina.G., Masrukan, Husna A.H.M. (00). Pengaruh Temperatur Terhadap Sifat Termal Paduan U-Zr Dengan variasi kandungan Zr. Jurnal Urania (), -.. PRSG-ATAN. (00). Laporan Analisis Keselamatan RSG-GAS Revisi 0, Volume, Jakarta. 9. Kaminaga. (99). COOLOD-N: A Computer Code for the Analysis of Steady State Thermal Hydraulics in Plate Type Research Reactor. JAERI-JAPAN. 0. R. S. Smith dan W. L. Woodruff. A Computer Code, NATCON, for The Analyses of Steady-State Thermal- Hydraulics and Safety Margins in Plat- Type Research Reactors Cooled by Natural Convection. ANL/RERTR/TM-, Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois.. Fluent Incorporated. (99). CFD Modelling of Turbulent Flows. Fluids Review, TRN-9-00.. Praptoriadi G., et al. (995). Thermohydraulics enchmark Test for The RSG-GAS Working Core During Steady State Condition. Workshop on Computational for Nuclear Science and Technology, ATAN, January -5, Jakarta.