EVALUASI TINGKAT KESELAMATAN HIGH TEMPERATURE REACTOR 10 MW DITINJAU DARI NILAI SHUTDOWN MARGIN Rizki Budi Rahayu 1, Riyatun 1, Azizul Khakim 2 1 Prodi Fisika, FMIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta 2 Bidang PRND, PPSTPIBN, Badan Pengawas Tenaga Nuklir, Jakarta e-mail: rizkibudirahayu007@gmail.com ABSTRAK Telah dilakukan simulasi HTR-10 dengan metode berbasis Monte Carlo menggunakan perangkat lunak kode MVP. Tujuan simulasi ini untuk menentukan nilai shutdown margin dari variasi batang kendali serta melakukan kajian status keamanan HTR-10 jika ditinjau dari nilai shutdown marginnya. HTR-10 merupakan jenis reaktor yang berbahan bakar pebble dengan lapisan TRISO. Bahan bakar HTR-10 adalah uranium oksida (UO 2 ). Pengayaan 235 U di dalam UO 2 sebesar 17%. Moderator dan reflektor bermaterial grafit. Pendingin HTR-10 bermaterial gas helium. Batang kendali HTR-10 bermaterial boron karbida dengan tinggi 258,764 cm dan berdiameter 13 cm. Simulasi dilakukan menggunakan variasi batang kendali dengan posisi fully up dan fully down untuk dikaji nilai nya. Dari nilai kemudian dapat dihitung nilai reaktivitas dan shutdown margin. Hasil penelitian menunjukkan nilai SDM sebesar 4,24 % k/k. Kata kunci : HTR-10, kode MVP, reaktivitas, shutdown margin ABSTRACT Neutronic simulation of HTR-10 has been performed with Monte Carlo based method of MVP Code. The purpose of this simulation is to determine the shutdown margin value from control rod variation and to assess about safety state of HTR- 10 if in term of shutdown margin value. HTR-10 is fueled with pebble with TRISO layer. Pebble bed of HTR-10 is a Uranium oxide (UO 2 ). Enrichment of 235U in the UO2 fuel is 17%. Graphit isi a material of Moderator and reflector. Helium gas is a material coolant of HTR-10. Control rod HTR-10 have a Boron Carbide material, control rod height is 258.764 cm dan diameter is 13 cm. simulation are performed using fully up and fully down control rod variation to assess value. From value, and then can be calculation of reactivity and shutdown margin value. From the result can be observed that SDM value about 4.24 % k/k. Keyword : HTR-10, MVP Code, reactivity, shutdown margin 1
2 PENDAHULUAN Meningkatnya permintaan akan energi yang bersih dan efisien di dunia sangat tinggi. Implementasi teknologi baru yang dapat digunakan adalah pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Salah satu tujuan penerapan PLTN untuk mengurangi pengoperasian dan pemeliharaan guna membantu mengimbangi ekonomi dunia [2]. Untuk dapat mencapai salah satu tujuan tersebut adalah dengan memanfaatkan energi dari reaktor nuklir. Salah satu jenis reaktor yang dapat dimanfaatkan energinya adalah High Temperature Reactor (HTR). HTR diklasifikasikan oleh International Atomic Energy Agency (IAEA) sebagai reaktor generasi ke-iv. Reaktor Gen IV ini tidak hanya memiliki keselamatan pasif tetapi juga mempunyai keselamatan inheren [1]. High Temperature Reactor (HTR) merupakan jenis reaktor berpendingin gas helium. Salah satu jenis HTR adalah HTR-10 yang dioperasikan dengan daya 10 MW. Pengoperasian HTR 10 pertama kali di Intitute of Nuclear Energy Technology (INET), Tsinghua University, China. Suhu rerata helium inlet dan outlet adalah 250 o C dan 700 o C. HTR 10 mempunyai diameter teras 1,8 m dan ketinggian rata-rata teras adalah 1,97 m yang berisi sekitar 27.000 pebbles [5]. Bahan bakar HTR-10 berbentuk pebble yang di dalamnya berisi lapisan TRISO. Salah satu komponen utama HTR-10 adalah batang kendali. Batang kendali berfungsi untuk mengendalikan reaksi fisi di dalam reaktor. HTR-10 mempunyai 10 batang kendali, dimana masingmasing batang kendali terdiri dari lima segmen cincin B 4 C (Boron carbide). Batang kendali terletak diantara bagian sisi dalam dan luar stainless steel reflektor. Ukuran diameter bagian dalam dan luar cincin adalah 6 cm dan 10,5 cm [3]. HTR-10 didesain dengan tingkat keselamatan yang tinggi. Ketika dalam kondisi darurat, reaktor harus dipadamkan dengan cara menjatuhkan batang kendali ke dalam teras. Untuk mengetahui jarak dari kondisi kritis ke kondisi subkritis sebagai batas ketika batang
3 kendali dijatuhkan, maka diperlukan nilai shutdown margin. Shutdown margin (SDM) dapat didefinisikan sebagai pengurangan antara reaktivitas total batang kendali dengan reaktivitas lebih. Nilai SDM akan bervariasi untuk tiap-tiap reaktor. Nilai batas minimum SDM reaktor riset sekitar 0,5 %. Nilai SDM yang diperoleh dari penelitian ini, harus lebih besar sama dengan nilai minimum desain yang yang ditetapkan (SDM 0,5 % [6]. Penentuan nilai SDM dilakukan saat posisi batang kendali fully up dan fully down. Dalam pengkajian neutronik, pemanfaatan simulasi komputer mutlak diperlukan. Tersedia cukup banyak kode neutronik, diantaranya kode MCNP, kode MORSE, kode MVP, dan sebagainya. Kode MVP merupakan metode berbasis Monte Carlo, yang didasarkan pada model energi kontinu. Kode MVP dikembangkan oleh Japan Atomic Energy Research Institute, yang dapat digunakan untuk menganalisis gerakan suatu partikel, baik neutron, foton, dan lain-lain [4]. METODE PENELITIAN Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode simulasi HTR-10 menggunakan software kode MVP. Parameter HTR-10 mengacu pada penelitian Terry et al. (2006) seperti yang ditunjukkan pada tabel 1. Tabel 1. Parameter HTR-10 Tahap pertama adalah pembuatan geometri reaktor dan input material penyusun HTR-10. Geometri HTR-10 berbentuk silinder yang terdiri dari beberapa komponen, diantaranya reflektor. top cavity, teras reaktor, pendingin, dummy moderator, batang kendali dan carbon bricks. Geometri HTR-10 untuk batang kendali fully down dan fully up dapat ditampilkan
4 menggunakan CGVIEW seperti yang terlihat pada Gambar 1 dan 2. (a) (a) (b) Gambar 1. Geometri HTR-10 dengan posisi batang kendali fully down, (a) Bidang XZ (b) Bidang XY (b) Gambar 2. Geometri HTR-10 dengan posisi batang kendali fully up, (a) Bidang XZ (b) Bidang XY Berdasarkan Gambar 1, nomor (1) merupakan lapisan boron karbida (B 4 C) yang mengelilingi reflektor, nomor (2) adalah reflektor, nomor (3) adalah top cavity, nomor (4) adalah teras berisi pebble bahan bakar, nomor (5) adalah batang kendali, nomor (6) adalah pendingin gas helium, nomor 7 adalah dummy moderator, nomor (8) adalah carbon
5 bricks, nomor (9) adalah void, dan nomor (10 a, b, c) adalah iradiator. Tahap selanjutnya adalah running program. Hasil running menunjukkan nilai saat batang kendali fully up dan fully down. Dari nilai yang diperoleh, dapat dilakukan perhitungan nilai reaktivitas dan perhitungan SDM. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil running simulasi dengan variasi batang kendali fully up dan fully down adalah nilai yang ditampilkan pada tabel 2. Tabel 2 terlihat bahwa saat batang kendali fully down berada pada kondisi subkritis yang mana kondisi tersebut menuju ke sistem pemadaman reaktor. Sedangkan, ketika posisi batang kendali fully up, kondisi reaktor adalah superkritis sehingga reaktivitasnya bernilai positif. Agar reaktor berada pada kondisi kritis dan dapat melakukan reaksi fisi, maka perlu dilakukan penambahan material, misalnya penambahan material di dalam teras. Tabel 2. batang kendali fully down dan fully up Posisi Batang Kendali Fully down 0,950984 Fully up 1,060020 Kemampuan suatu reaktor untuk menuju sistem pemadaman dapat diketahui melalui parameter SDM. Nilai SDM dari batang kendali fully up dan fully down diperoleh nilai sebesar 4,24 % k/k. Nilai yang diperoleh dari hasil kalkulasi melebihi batas minimum yang ditetapkan. KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwa dari nilai yang telah diperoleh, maka hasil kalkulasi nilai SDM HTR-10 dari variasi batang kendali fully up dan fully down sebesar 4,24 % k/k. Status keamanan HTR-10 jika ditinjau dari nilai shutdown margin, dapat dikatakan aman untuk sistem pemadaman reaktor. Hal tersebut dikarenakan nilai SDM yang diperoleh melebihi batas minimum nilai SDM yang ditetapkan. Akan tetapi dari segi sistem shutdown reaktornya, belum dapat dikatakan
6 aman jika menuju sistem pemadaman reaktor saat terjadi kondisi darurat. Hal tersebut dikarenakan hanya menggunakan salah satu dari tiga sistem pemadaman reaktor yaitu batang kendali. Physics of Fuel Cycles and Advanced Nuclear systems, April, 25-29, 2004. [6] Sutondo, T., & Yulianti, N., Analisis batas reaktivitas sampel eksperimen pada reaktor kartini. Prosiding PPI PDIPTN Pustek Akselerator dan Proses Bahan, Juli, 380-385, 2006. DAFTAR PUSTAKA [1] Abdullah, A. G., & Su ud, Z., Analisis kecelakaan reaktor akibat kegagalan sistem pembuangan panas pada reaktor nuklir generasi IV, Jurnal Pendidikan Fisika Indonesia, 8, 106-114, 2012. [2] Hugo, J. V., & Gertman, D. I., A method to select human system interfaces for Nuclear power plant,. Journal Nuclear Engineering and technology, 48, 87-97, 2015. [3] IAEA, The high temperature gas cooled reactor test module core physics benchmarks, IAEA Publication, 2003. [4] JAERI, MVP/GMVP II : General purpose monte carlo codes for neutron and photon transport calculations based on continuous energy and multigroup methods, Tokyo: Japan Atomic Energy Research Institute, 2005. [5] Nagaya, Y., Okumura, k., Mori, T., & Nakazato, W., Analysis of the HTR-10 initial core with a Monte Carlo code MVP, Journal