BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Reaktor Kartini merupakan reaktor nuklir tipe TRIGA Mark II (Training Research and Isotop Production by General Atomic) yang mempunyai daya maksimum 250 kw dan beroperasi dengan daya 100 kw. Reaktor ini menggunakan bahan bakar UZrH (Uranium Zirkonium Hidrida) dengan uranium diperkaya 20%. Secara keseluruhan uranium per elemen terdapat 8,5 w / o dari berat total Uranium Zirkonium Hidrida, dengan massa U 235 berkisar antara 37-39 gram. Bahan bakar ini berbentuk silinder dengan kelongsong SS304 atau alumunium dengan ukuran panjang keseluruhan 75 cm, diameter luar 3,7 cm. Gambar 1. 1. Reaktor Kartini tampak samping
Bahan bakar tersusun dalam teras atau core yang ditempatkan di dalam tangki alumunium berisi air sebagai pendingin dengan diameter 197 cm dan tinggi 612 cm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.1. Konfigurasi bahan bakar dalam teras reaktor dapat dilihat pada Gambar 1.2. Gambar 1.2. Teras reaktor dengan bahan bakar silinder Reaktor dilengkapi dengan dua tingkat sistem pendinginan untuk memindahkan kalor yang timbul akibat reaksi fisi pada bahan bakar nuklir, sistem pendingin tersebut yaitu sistem pendinginan primer dan sekunder. Sistem pendingin primer adalah sirkulasi air dari tangki reaktor menuju alat penukar panas dan kembali ke tangki reaktor sedangkan sistem pendingin sekunder adalah sirkulasi air dari menara pendingin dipompakan ke alat penukar panas kemudian kembali ke menara pendingin. Skema pendinginan tersebut dapat dilihat pada Gambar 1.3. Reaktor Kartini saat ini memiliki bahan bakar tipe TRIGA terpasang di teras untuk operasi reaktor sebanyak 69 buah. Fresh fuel tersimpan dalam gudang bahan bakar baru sebanyak 2 buah dan irradiated fuel berada di Bulk Shielding 2
sebanyak 6 buah. Dengan kondisi ini Reaktor Kartini hanya memiliki 2 bahan bakar baru sebagai tambahan apabila reaktor sudah tidak dapat mencapai kritis. Berdasarkan perhitungan nilai faktor perlipatan neutron menggunakan program TRIGAP diperoleh hasil bahwa ketersediaan bahan bakar di Reaktor Kartini untuk mencapai kondisi kritis hanya sampai tahun 2022 dengan asumsi jam operasi 720 jam/ tahun dan daya 100 kw. Sementara apabila menggunakan asumsi jam operasi 360 jam/ tahun dan daya 100 kw dapat mencapai hingga tahun 2031. Sementara General Atomic sebagai produsen bahan bakar reaktor TRIGA (UzrH) mempertimbangkan akan menghentikan produksi bahan bakar tersebut. Gambar 1. 3. Skema sistem pendingin Reaktor Kartini Terkait kondisi tersebut maka diperlukan langkah guna mengantisipasi ketersediaan bahan bakar untuk operasi Reaktor Kartini di masa depan yaitu dengan opsi memodifikasi teras Reaktor Kartini yang saat ini menggunakan bahan bakar Triga tipe silinder menjadi teras reaktor dengan bahan bakar plat U 3 Si 2 -Al. Penggunaan bahan bakar U 3 Si 2 -Al atau UMo-Al dengan pengayaan rendah yang 3
berbentuk plat pada banyak reaktor di Eropa, Amerika maupun Asia telah sukses digunakan baik dari konversi bahan bakar U 3 Si 2 -Al atau UMo-Al pengayaan tinggi ke rendah ataupun berasal dari reaktor baru. Ditinjau dari aspek neutronik, bahan bakar berbentuk plat memiliki kerapatan fluks neutron yang lebih besar dengan jumlah massa uranium yang sama jika dibandingkan bahan bakar bentuk silinder. Di sisi lain Indonesia telah dapat memproduksi bahan bakar plat sendiri (U 3 O 8 ) yang digunakan untuk Reaktor GA. Siwabessy Serpong dan telah sukses dipakai untuk operasi. Dalam memodifikasi teras reaktor menggunakan bahan bakar plat terdapat adanya perubahan yang berdampak besar sehingga diperlukan analisis/ kajian terkait keselamatan reaktor. Salah satu hal terkait keselamatan reaktor adalah pendinginan bahan bakar dari kalor yang timbul dari reaksi fisi di teras reaktor. 92U 235 + 0 n 1 X + Y + 2-3 n + e (200 MeV) Analisis diawali dari aspek neutronik dengan membuat simulasi menggunakan program MCNP (Monte Carlo N-Particle Transport Code) untuk mendapatkan distribusi neutron, panas dan perhitungan kekritisan di teras reaktor. Desain geometri dan jumlah bahan bakar plat yang digunakan sebagai dasar perhitungan menggunakan MCNP yang disesuaikan dengan ukuran teras Reaktor Kartini. Hasil dari distribusi fluks kalor akan diambil sebagai input data untuk analisis thermohidrolik menggunakan CFD. Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu cara pemecahan perhitungan numerik pada aliran fluida yang berasal dari model matematika yang sulit atau tidak bisa diselesaikan dengan cara perhitungan analitik. Dengan CFD diharapkan akan mendapatkan informasi data pendinginan reaktor dengan bahan bakar plat. 4
1.2. Rumusan Masalah Dalam penelitian ini akan dilakukan analisis thermohidrolik Reaktor Kartini dengan bahan bakar plat. Analisis dilakukan menggunakan simulasi CFD Ansys Fluent untuk mendapatkan informasi medan aliran dan distribusi temperatur bagian bahan bakar plat pada bagian celah sempit. Gambar 1.4. Celah sempit pada bahan bakar plat 1.3. Pembatasan Masalah Pada penelitian ini terdapat pembatasan masalah meliputi: 1. Desain bentuk, ukuran geometri dan konfigurasi bahan bakar plat yang akan dianalisis mengikuti desain dari aspek neutronik. 2. Model yang disimulasikan tidak memperhitungkan pengaruh perangkat bahan bakar lain di sekitarnya. 5
1.4. Tujuan Penelitian Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian adalah untuk mengetahui karakteristik pendinginan pada desain bahan bakar baru Reaktor Kartini tipe plat berdasarkan perhitungan secara numerik. 1.5. Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat sebagai analisis awal pada aspek thermohidrolik dari desain bahan bakar plat di Reaktor Kartini untuk memberikan gambaran informasi distribusi temperatur di sekitar bahan bakar plat sehingga dapat mendukung analisis thermohidrolik. 6