J. Tek. Reaktor. Nukl. Vol. 10 No. 3, Oktober 2008, Hal. 126-135 ISSN 1411 240X ANALISIS TRANSIEN ALIRAN PENDINGIN SMALL SIMPLE AND SAFE REACTOR TANPA POSTULASI KECELAKAAN Enjang Ruhiat, Andang Widi Harto, Alexander Agung Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada Jl. Grafika 2, Yogyakarta 55281 ABSTRAK Telah dilakukan analisis transient aliran pendingin pada sistem primer Small Simple And Safe Reactor (SSSSR) tanpa postulasi kecelakaan. Dalam penelitian ini digunakan program simulasi Simulink. Reaktor ini menggunakan konsep integral di mana teras dan alat penukar kalor berada dalam satu bejana. Analisis dilakukan dengan pendekatan kuasistatik yang mengkopling persamaan kinetika reaktor titik dan termal hidrolik untuk mengevaluasi masih dapat terjadinya aliran pendingin secara alami ketika perubahan daya terjadi yang dilakukan melalui penyisipan dan penarikan batang kendali. Hasil analisis menunjukkan bahwa sirkualsi pendingin secara alami pada SSSR masih dapat terjadi ketika daya mengalami perubahan pada rentang antara 74% sampai dengan 125% daya nominal, di mana laju alir mengalami perubahan pada rentang antara 840 kg/s sampai dengan 908 kg/s. Ketika transient aliran pendingin terjadi, proses pengambilan panas dari teras masih dapat berlangsung secara efektif serta batasan termal tidak terlampaui. Kata kunci: analisis transient aliran, SSSR, aliran sirkulasi alam, loop primer, kondisi normal. ABSTRACT A coolant flow transient analysis of Small Simple and Safe Reactor (SSSR) primary coolant loop without any postulated accidents has been performed. The simulation was performed by using Simulink. The reactor uses the integral concept where core and heat exchanger are located in a vessel. Analysis was conducted by quasi-static approximation of coupled point kinetics and thermal hydraulics to evaluate the natural circulation ability when the power change occurs due to control rod insertion and withdrawal. The result indicates that natural circulation cooling on SSSR still can be achieved when the reactor power change in the range between 74% and 125% of nominal power, where coolant flowrate change in the range between 840 kg/s and 908 kg/s. When the coolant flow transient occur heat removal proces still can be achieved efectively and thermal design margin is not exceeded. Keywords: flow transient analysis, SSSR, natural circulation flow, primary loop, normal condition. PENDAHULUAN Masalah pemenuhan kebutuhan energi di negara kita salah satunya ditandai dengan masih rendahnya rasio elektrifikasi yaitu sekitar 60% [1]. Hampir 40% penduduk yang belum dapat memanfaatkan energi listrik tersebut berada di wilayah-wilayah terpencil. Pada wilayah tersebut, umumnya belum terdapat jaringan listrik terpusat sehingga reaktor nuklir berdaya kecil merupakan solusi tepat untuk wilayah terpencil Indonesia [2]. Small Simple and Safe Reactor (SSSR) merupakan reaktor nuklir tipe LWR berdaya rendah (50 MWth). Simplifikasi desain SSSR meliputi penggunaan sirkulasi alam (natural circulation) untuk fluida primer pendingin reaktor. Peningkatan keselamatan dilakukan dengan meningkatkan margin keselamatan, yaitu menurunkan densitas daya menjadi kurang dari separuh dari densitas daya PWR sekarang yaitu sekitar 21 kw/l serta menurunkan tekanan operasi menjadi sekitar 4,6163 MPa. 126
ISSN 1411 240X Analisis Transien Aliran Pendingin... (Enjang Ruhiat) Peningkatan keselamatan dilakukan dengan penggunaan desain integral, yaitu teras reaktor dan alat penukar kalor diletakkan dalam satu bejana. Hal ini dimaksudkan untuk mengurangi peluang terjadinya Loss of Coolant Accident (LOCA) [3] berskala besar. Penggunaan sirkulasi pendingin secara alami di samping sebagai penyederhanaan juga dimaksudkan untuk meningkatkan keselamatan, yaitu dengan mereduksi peluang Loss of Flow Accident (LOFA) yang disebabkan oleh kegagalan pompa sirkulasi. Dalam penelitian ini dianalisis unjuk kerja sistem primer reaktor pada kondisi normal, yaitu mengamati pengaruh perubahan daya terhadap kestabilan aliran sirkulasi alam dan pengaruhnya terhadap suhu pendingin, kelongsong, dan bahan bakar. Metode yang digunakan adalah aplikasi Matlab-Simulink untuk memodelkan sistem yang dianlisis. Persamaan kinetika reaktor titik dan termal hidrolik dengan pendekatan kuasistatik dikopel dan dipecahkan secara serempak. METODE PERHITUNGAN 1. Skematik SSSR ditunjukkan dalam Gambar 1 dan data teras ditunjukkan dalam Tabel 21 16 17 14 15 22 13 20 26 9 23 27 10 11 12 18 19 8 6 25 3 2 5 1 4 7 24 Gambar 1. Diagram skematik SSSR 127
J. Tek. Reaktor. Nukl. Vol. 10 No. 3, Oktober 2008, Hal. 126-135 ISSN 1411 240X 1. Teras reaktor 2. Reflektor 3. Penyangga atas 4. Penyangga bawah 5. Perisai radiasi 6. Downcomer 7. Pengarah aliran bawah 8. Pengarah batang kendali 9. Chimney 10. Alat penukar kalor utama Keterangan : 11. Alat penukar kalor reaktor padam 12. Selubung teras dan pemisah aliran 13. Pemanas listrik 14. Ruang uap 15. Bejana reaktor 16. Tangki air bertekanan 17. Penyangga reaktor atas 18. Isolator gas 19. Perisai beton 20. MPWPS (Multi Purpose Water Pool System) 21. Kondenser pasif 22. Katup isolasi gas 23. Pengungkung (Containtment) 24. Saluran air bawah 25. Katup masukan pendingin darurat 26. Katup keluaran pendingin darurat 27. Penyangga reaktor bagian tengah dan penyekat ruang isolator gas 128 Daya termal Tabel 1. Data teras SSSR Parameter Dimensi 50 MWth Mass flowrate 900 kg/s Faktor pemuncakkan aliran pendingin 1,2 Tekanan operasi 46,16 bar Faktor pemuncakkan daya radial 1,2 Faktor pemuncakkan daya aksial 1,57 Jumlah assembly 121 Jumlah batang bahan bakar per assembly 54 Tebal reflektor aksial Tebal reflektor radial Tebal reflektor ekstrpolasi Tinggi teras aktif (L C ) Tinggi teras ekstrapolasi (L' C ) 20 cm 20 cm 22,0608910 cm 140 cm 144,121782 cm Jari-jari teras (R C ) 72,5 Jari-jari teras ekstrapolasi (R' C ) Diameter pin Jarak pitch (S) Wetted Perimeter (P) 74,5608910 cm 12 mm 13 mm 20,42 mm Tampang lintang saluran (A c ) 16,63 mm 2 Diameter ekuivalen (D e ) Panjang ekstrpolasi 3,25 mm 2,06089108 cm
ISSN 1411 240X Analisis Transien Aliran Pendingin... (Enjang Ruhiat) Luas total bahan bakar 7389,77990 cm 2 Luas aliran teras 9123,21648 cm 2 Jari-jari pelet (R F ) 5,5 mm Tebal gap (δ G ) 0,1 mm Tebal kelongsong (δ C ) 0,4 mm Suhu masukan 254 0 C Suhu keluaran (T keluaran /T saturasi ) 259 0 C Entalpi cair saturasi (hl) 1129,86468 kj/kg Entalpi uap saturasi (hg) 2797,19204 kj/kg Entalpi penguapan (hfg) 1667,32735 kj/kg Densitas UO 2 (ρ F ) 10970 kg/m 3 Konduktivitas termal pelet (k F ) 6,0585 W/mK Massa total pelet (M F ) 9,54.10 3 kg Koefisien perpindahan panas gap (U G ) 5678 W/m 2 K Konduktivitas termal kelongsong 17,31 W/mK Dalam penelitian ini digunakan aplikasi Matlab-Simulink untuk memodelkan sistem yang dianlisis. Persamaan kinetika reaktor titik dan termal hidrolik dengan pendekatan kuasistatik dikopel dan dipecahkan secara serempak. Dalam hal ini nilai parameter termal hidrolik yang diperhitungkan adalah nilai reratanya, sesuai dengan pendekatan kinetika reaktor titik. Tabel 2 menunjukkan dimensi komponen sistem primer dan Gambar 2 menunjukkan diagram model perhitungan teras SSSR. Tabel 2. Dimensi komponen sistem primer Komponen Tinggi (m) Diameter ekuivalen (m) Reflektor atas 0,2 0,00326 Penyangga teras atas 0,2 0,00326 Chimney 5,836 0,12776 Struktur atas HE 0,5440 0,54401 Struktur bawah HE 0,5440 0,54401 Downcomer 1,7481 0,12 Penyangga atas perisai termal 0,2 0,09 Perisai termal 1,8 0,09 Penyangga bawah perisai termal 0,2 0,09 Penyangga teras bawah 0,2 0,0032 Reflektor bawah 0,200 0,0032 Heat exchanger 3,000 0,0236 129
J. Tek. Reaktor. Nukl. Vol. 10 No. 3, Oktober 2008, Hal. 126-135 ISSN 1411 240X Gambar 2. Model sistem dalam simulasi HASIL DAN PEMBAHASAN Simulasi Penyisipan Batang Kendali Pada simulasi penyisipan batang kendali diasumsikan pada keadaan awal, reaktor berada pada kondisi kritis dengan parameter seperti ditunjukkan dalam Tabel 3. Tabel 3. Kondisi awal pada simulasi penyisipan batang kendali Parameter Besaran Daya nominal (full power) yaitu (MWt) 50 Laju alir pendingin (kg/s) 900 Suhu rerata pendingin (K) 530,49 Suhu rerata kelongsong bagian luar (K) 539,38 Suhu rerata kelongsong bagian dalam (K) 542,85 Suhu rerata pelet bahan bahan bakar (K) 606,54 Suhu rerata maksimum (pusat) bahan bakar (K) 642,4 Posisi batang kendali dari bagian atas teras (cm) 0 Pada t = 0 batang kendali disispkan ke dalam teras reaktor sejauh 25 cm dari atas teras. Penyisipan batang kendali dilakukan dengan kecepatan berbeda yaitu 0,5, 1, 2,5, dan 5 mm/s. Simulasi dilakukan untuk kondisi transien selama 900 s. Hasil yang diperoleh dapat dilihat pada Gambar 3, 4, dan 5. 130
ISSN 1411 240X Analisis Transien Aliran Pendingin... (Enjang Ruhiat) Gambar 3. Perubahan daya dan reaktivitas pada simulasi penyisipan batang kendali Gambar 4. Perubahan suhu rerata teras pada simulasi penyisipan batang kendali 131
J. Tek. Reaktor. Nukl. Vol. 10 No. 3, Oktober 2008, Hal. 126-135 ISSN 1411 240X Gambar 5. Perubahan MDNBR, kualitas uap keluaran teras, pressure drop, laju alir pendingin pada simulasi penyisipan batang kendali. Penyisipan batang kendali sejauh 25 cm menghasilkan perubahan reaktivitas sebesar - 9.72354.10-4 k/k dan penurunan daya menjadi 37,2 MWt dalam waktu 900 s. Umpan balik reaktivitas positif memberikan pengurangan reaktivitas negatif batang kendali, sehingga reaktivitas total menjadi nol dan daya reaktor berada pada kondisi kesetimbangan yang baru. Pada kondisi transien perlu diestimasi juga fluks kalor DNB dan nilai MDNBR. Nilai fluks kalor DNB diestimasi dengan korelasi Levitan-Lantsman [4]. Pada saat daya mengalami penurunan, nilai MDNBR mengalami kenaikan. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 5. Kenaikan nilai MDNBR ini menunjukkan fluks kalor semakin jauh dari fluks kalor DNB. Ketika daya turun hingga 37,2 MWt kualitas uap keluaran teras turun hingga 1,28%. Penurunan kualitas uap ini berakibat pada penurunan beda densitas pendingin antara komponen zona dua fase dan satu fase, akibatnya driving force aliran sirkulasi alam mengalami penurunan dan laju alir pendingin mengalami penurunan sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 5. Laju alir pendingin turun hingga 840 kg/s. Profil penurunan laju alir sesuai dengan penurunan daya reaktor. Sirkulasi alam masih dapat terjadi ketika daya turun hingga sekitar 37 MWt atau sekitar 74% dari daya nominal dengan laju alir sekitar 840 kg/s atau 93% laju alir pada daya nominal. Simulasi Penarikan Batang Kendali Pada simulasi penarikan batang kendali diasumsikan pada keadaan awal reaktor berada pada kondisi kritis dengan parameter seperti pada Tabel 4. 132
ISSN 1411 240X Analisis Transien Aliran Pendingin... (Enjang Ruhiat) Tabel 4. Kondisi awal pada simulasi penarikan batang kendali Parameter Besaran Daya nominal (full power) yaitu (MWth) 50 Laju alir pendingin (kg/s) 900 Suhu rerata pendingin (K) 530,49 Suhu rerata kelongsong bagian luar (K) 539,38 Suhu rerata kelongsong bagian dalam (K) 542,85 Suhu rerata pelet bahan bahan bakar adalah (K) 606,54 Suhu rerata maksimum (pusat) bahan bakar (K) 642,4 Posisi batang kendali dari bagian atas teras (cm) 5 Pada t = 0 batang kendali ditarik dari posisi 25 cm dari atas teras, hingga keluar teras. Penarikan batang kendali juga dilakukan dengan kecepatan berbeda sebagaimana pada simulasi penyisipan batang kendali. Berdasarkan Gambar 6, penarikan batang kendali menghasilkan perubahan reaktivitas sebesar 4,905.10-4 k/k selama 900 s mengakibatkan daya naik menjadi sekitar 62,6 MWt. Pengaruh kenaikan daya terhadap kenaikan suhu rerata pendingin, kelongsong, dan bahan bakar dapat dilihat pada Gambar 7. Ketika daya mengalami kenaikan terbesar hingga 62,6 MWt atau sekitar 125% daya nominal, suhu rerata pendingin hanya mengalami kenaikan 0,18 K. Suhu rerata kelongsong bagian luar dan dalam mengalami kenaikan masing-masing 1,8 K dan 2,3 K. Gambar 6. Perubahan daya dan reaktivitas pada simulasi penarikan batang kendali 133
J. Tek. Reaktor. Nukl. Vol. 10 No. 3, Oktober 2008, Hal. 126-135 ISSN 1411 240X Gambar 7. Perubahan suhu rerata teras pada simulasi penarikan batang kendali Ketika daya reaktor mengalami kenaikan hingga 125% daya nominal, nilai MDNBR masih sekitar 16,6 sehingga reaktor masih selamat. Pada Gambar 8 dapat dilihat bahwa laju alir pendingin mengalami kenaikan sekitar 7,8 kg/s dari nilai nominal pada selang waktu antara 0 sampai dengan sekitar 200 s. Selanjutnya setelah selang waktu tersebut hingga sekitar 500 s laju alir pendingin mengalami penurunan. Setelah selang waktu tersebut nilai laju alir pendingin mulai stabil pada nilai sekitar 902 kg/s. Gambar 8. Perubahan MDNBR, kualitas uap keluaran teras, pressure drop, laju alir pendingin pada simulasi penarikan batang kendali 134
ISSN 1411 240X Analisis Transien Aliran Pendingin... (Enjang Ruhiat) Sedangkan untuk pressure drop terjadi sedikit fluktuasi pada selang waktu antara 0 sampai dengan sekitar 80 s. Setelah selang waktu tersebut nilai pressure drop total stabil pada nilai sekitar 0 Pa sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 8. Dengan demikian berdasarkan hasil simulasi di atas sirkulasi alam masih dapat terjadi ketika daya mengalami kenaikan sampai dengan 125% daya nominal dan proses pengambilan panas oleh pendingin masih dapat berlangsung secara efektif dan batasan termal tidak terlampaui. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan dari penelitian ini adalah sirkulasi pendingin secara alami pada SSSR dapat diperoleh ketika daya mengalami perubahan pada rentang antara 74% sampai dengan 125% daya nominal, dan proses pengambilan panas dari teras masih dapat berlangsung secara efektif serta batasan termal tidak terlampaui. DAFTAR PUSTAKA 1. PERDANAHARI, E., Peran dan Prospek PLTN dalam Kebijakan Energi Nasional, Prosiding Seminar Nasional ke-12 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Yogyakarta, 2006. 2. HARTO, A.W., Desain Neutronik Teras Reaktor Tipe Small Simple Safe Reactor (SSSR), Prosiding Seminar Nasional ke-12 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Yogyakarta, 2006. 3. EL-WAKIL, M.M., Nuclear Heat Transport, American Nuclear Society, La Grange Park, USA, 1978 4. ANGLART, HENRYK, Thermal-Hydraulic Analysis of Two-Phase Flows in Heated Channel, Lecture No. 8, Lectures on Applied Reactor Technology and Nuclear Power Safety, Nuclear Reactor Technology Division Department of Energy Technology Kungle Tekniska Högskolan, Sweden, Spring 2005. 135