PERHITUNGAN REAKTIVITAS UMPAN BALIK AKIBAT KOMPAKSI BAHAN BAKAR DAN KEBOCORAN YANG DISEBABKAN OLEH GEMPA PADA HTR-10 DENGAN CODE MVP Uswatun Chasanah 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: uswachasa13@gmail.com ABSTRAK Telah dilakukan simulasi HTR-10 terkait perubahan nilai reaktvitas akibat kompaksi bahan bakar dan kebocoran menggunakan kode MVP. Bahan bakar yang digunakan tipe pebble bed berlapis TRISO dengan pengayaan U-235 17%. Pada kompaksi bahan bakar yang divariasikan adalah Packing Fraction (FP) pada teras reaktor. FP merupakan perbandingan antara jumlah volum dari seluruh bahan bakar dan volum total teras. Interval kenaikan sebesar 0,025 dari kondisi awal FP 0,85 hingga 0,95. Hasil penelitian menunjukkan semakin terkompaksi maka reaktivitas semakin bergeser ke arah positif. Pada variasi kebocoran reaktor disimulasikan dengan mengganti material pendingin helium dengan air (H 2 O). Presentase kebocoran divariasikan dari 0% hingga 100% dengan interval 25%. Semakin teras terendam, nilai reaktivitas juga semakin naik. Dari kedua kecelakaan tersebut membuat reaktor berada dalam keadaan superkritis (k eff >1). Kondisi tersebut membuat HTR-10 secara inheren tidak stabil. Apabila terjadi panas berlebih dapat mengakibatkan kecelakaan yang fatal. Kata kunci : HTR-10, kode MVP, reaktivitas, FP, superkritis ABSTRACT HTR-10 simulation has been done related to changes in reactvity value due to fuel compaction and water ingress using MVP code. The fuel used is TRISO-coated pebble bed type with 17% U-235 enrichment. In the fuel compaction that is varied is Packing Fraction (FP) on the reactor core. FP is the ratio between the total volume of all fuels and the total volume of terraces. The increase interval of 0.025 from the initial condition of FP 0.85 to 0.95. The results showed the more compacted the reactivity increasingly shifted toward the positive. In the water ingress variation the reactor is simulated by replacing the helium cooling material with water (H 2 O). The leak percentage is varied from 0% to 100% with a 25% interval. The more precentace of water ingress, the value of reactivity is also increasing. From both accidents the reactor is in a supercritical state (keff> 1). The condition makes HTR-10 inherently unstable. In case of overheating can result in fatal accidents. Keywords: HTR-10, MVP code, reactivity, FP, supercritical
PENDAHULUAN Penggunaan energi dari hasil pembelahan fisi banyak dimanfaatkan sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Perkembangan dari PLTN telah mencapai generasi ke IV. Pada generasi ini, merupakan pengembangan teknologi reaktor yang disebut dengan reaktor maju (advanced reactor) [1]. High Temperature Reactor (HTR) adalah salah satu bentuk pengembangan dari reaktor maju. HTR merupakan reaktor berpendingin helium dan grafit sebagai moderatornya. Bahan bakarnya adalah material fisil uranium dioksida (UO 2 ), yang dilapisi bahan keramik tahan suhu tinggi. konsep dari bahan bakar HTR dimaksudkan untuk mendapatkan satuan bahan yang sekecil mungkin yang mampu mengungkung produk fisi. Agar dapat mengungkung produk fisi ini, digunakan partikel yang berlapis pada bahan bakarnya. Material berlapis yang digunakan jenis Tri Structural Isotropic (TRISO) dengan komposisi utama SiC. Keramik SiC ini mampu dipilih karena mampu bertahan pada suhu tinggi [2]. HTR-10 selalu terikat dengan karakteristik uniknya yang meliputi keselamatan melekat (inherent safety), fleksibilitas daur bahan bakar dan efisiensi termal yang tinggi, membuat HTR muncul sebagai kandidat untuk pembangkit listrik di masa depan. Karena keunikannya, pengkajian mengenai HTR-10 semakin marak dilakukan. Perbandingan antara jumlah pebble bahan bakar dan pebble moderator adalah 57/43 [3]. Menurut peraturan BAPETEN nomor 3 pasal 16 tentang desain reaktor daya harus memenuhi beberapa kriteria. Kriteria tersebut diantaranya meliputi aspek keselamatan, keandalan, dan mutu sesuai dengan peraturan perundangundangan, code dan standar. Reaktivitas merupakan besaran yang menyatakan seberapa besar nilai kekritisan suatu reaktor [4]. Nilai reaktivitas bergantung pada nilai kritikalitas reaktor, sedangkan nilai kritikalitas berkaitan dengan laju reaksi. Perubahan reaktivitas dipengaruhi oleh faktor internal dan eksternal. Faktor internal diantaranya adalah malfungsi reaktor, kegagalan aliran pendingin, reaksi kimia isotermis, serta kecelakaan terkait keamanan. Faktor eksternal yang dapat terjadi antara lain adalah kegempaan, letusan gunung berapi, maupun kesalahan teknis yang disebabkan oleh faktor manusia. Salah satu penyebab perubahan reaktivitas reaktor adalah gempa. Kecelakaan yang timbul akibat adanya gempa adalah kompaksi bahan bakar dan kebocoran. Saat bahan bakar terkompaksi, dengan massa yang sama, volum dari keseluruhan sistem bahan bakar berubah menjadi lebih kecil, sehingga kerapatannya menjadi lebih besar. Perubahan kerapatan ini
akan berpengaruh terhadap kekritisan reaktor, sehingga nilai reaktivitas juga akan berubah. Faktor keselamatan lain yang perlu diperhatikan adalah kebocoran. Potensi bahaya yang disebabkan oleh masuknya air ke sirkuit utama reaktor harus dievaluasi secara mendalam. Neutron yang menembus melewati moderator menyebabkan reaktivitas positif. Fenomena masuknya air merupakan kecelakaan yang fatal dan sangat penting untuk dikaji pada reaktor suhu tinggi [5]. Pemodelan komputer diperlukan guna mengembangkan kajian tentang reaktor. Keuntungan dari pemodelan adalah untuk memudahkan dalam perancangan dengan atau tanpa penelitian secara langsung. Code MVP merupakan software berbasis Monte Carlo yang dikembangkan oleh Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI). Pada bahan bakar HTR-10 yang berupa pebble bed dimasukkan pada teras secara acak tanpa menggunakan susunan tertentu. Code MVP dipilih karena mampu melakukan pemodelan secara acak dengan menggunakan lattice tipe statistical geometry [6]. Oleh karena itu, code MVP dipilih untuk melakukan simulasi rektivitas umpan balik (feedback reactivity) akibat kompaksi bahan bakar dan kebocoran. METODE PENELITIAN Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode simulasi HTR-10 menggunakan kode MVP. Parameter HTR-10 mengacu pada data dari IAEA. Tabel 2.1. Parameter Desain HTR-10 (IAEA, 2003) Parameter Nilai Satuan Daya termal 10 MW Volum teras aktif 15 M 3 Power density rata-rata 2 MW/m 3 Tekanan helium 3 MPa primer Suhu helium inlet 250-300 o C Suhu helium outlet 700-900 o C Massa helium per detik 4,3-3,2 kg/s Bahan bakar UO 2 - Pengayaan U-235 17 % Diameter bahan bakar 60 Mm Jumlah bahan bakar 27.000 Buah Rata-rata burn-up 80.000 MW/dt Agar terjadi reaksi fisi, maka harus ada interaksi antara inti Uranium dengan neutron. Probabilitas terbesar agar terjadi reaksi fisi adalah saat neutron dalam kondisi termal. Dalam simulasi, sumber neutron harus ditempatkan pada titik dimana terdapat material Uranium. Pada penelitian, sumber neutron pemicu reaksi fisi didefinisikan pada koordinat X=0 Y=90 dan sepanjang garis Z dari titik 258,182 hingga 399,3585. Jumlah partikel neutron mula-mula yang digunakan untuk simulasi adalah 30.000. Siklus aktif yang digunakan sebanyak 200 siklus dan 30 skip siklus, sehingga total siklus yang disimulasikan ada 230 siklus. Artinya terdapat 6.900.000 neutron yang disimulasikan dalam penelitian ini.
HASIL DAN PEMBAHASAN Kondisi normal HTR-10 diasumsikan mempunyai Packing Fraction 0,85 pada terasnya. Nilai keff pada keadaan ini adalah (1,05512 ± 0,000342). Variasi pertama adalah kompaksi bahan bakar. Perubahan kerapatan ini akan berpengaruh terhadap kekritisan reaktor, sehingga nilai reaktivitas juga akan berubah. Gambar 3.1. Kompaksi dengan FP 0,95 Kompaksi bahan bakar disimulasikan dengan merapatnya struktur bahan bakar di dalam teras. Tinggi teras terjadi penurunan dari kondisi normal, yang ditunjukkan oleh Gambar 3.1. dengan nilai kompaksi maksimum yaitu 0,95. Karena kerapatannya berubah, maka perbandingan volum total bahan bakar dan volum teras menjadi semakin besar. Packing Fraction dari bahan bakar mengalami peningkatan. Pada kondisi normal FP dari HTR-10 adalah 0,85. Pada saat terkompaksi, HTR-10 disimulasikan dengan kenaikan FP per 0,025 dari FP 0,85 hingga 0,95 yang dianggap sebagai kompaksi maksimum. Tabel 3.1. Variasi Kompaksi Bahan Bakar FP k eff ρ 0,875 1,06043(±0,00036) 0,056986 0,90 1,06222(±0,00034) 0,058575 0,925 1,06468(±0,00038) 0,060751 0,95 1,06611(±0,00037) 0,062010 Hasil tersebut menunjukkan bahwa semakin banyak neutron yang dihasilkan. Semakin kerapatannya bertambah, maka ruang kosong dalam teras yang terisi oleh Helium menjadi semakin sedikit. Helium yang berperan sebagai pendingin, semakin berkurang kemampuannya dalam mendinginkan reaktor dibandingkan dengan kondisi yang tidak terkompaksi. Interaksi antara uranium dan neutron menjadi semakin bertambah, sehingga jumlah neutron yang dihasilkan juga semakin banyak. Kondisi ini akan meningkatkan laju reaksi, serta meningkatkan daya reaktor. Semakin besar laju reaksi maka nilai kritikalitasnya juga semakin besar. Kecelakaan kebocoran (water ingress) cukup menyumbangkan nilai reaktivitas yang besar. Hal ini dikarenakan air (H 2 O) yang masuk ke dalam teras berinteraksi dengan neutron. Gambar 3.2. menunjukkan teras HTR-10 terendam air seluruhnya. Air merupakan moderator yang baik untuk mengubah spektrum neutron. Neutron termal yang dihasilkan dari interaksi tersebut menjadi lebih banyak dari generasi sebelumnya, sehingga reaksi fisi yang terjadi juga semakin meningkat. Peningkatan jumlah reaksi tentu akan
menaikkan laju reaksi. Laju reaksi berkaitan dengan daya dan temperatur reaktor. Pada kondisi kebocoran, teras reaktor menjadi semakin panas. Akibatnya nilai kritikalitas semakin besar dan nilai reaktivitas bergeser kearah positif. Hasil ini ditunjukkan oleh Tabel 3.2. Gambar 3.2. Presentase kebocoran teras 100% Tabel 3.2. Variasi Tingkat Kebocoran pada Teras Presen tase(%) k eff ρ 25 1,24450(±0,000347) 0,1964644 50 1,38290(±0,000307) 0,2768819 75 1,43904(±0,000307) 0,3050922 100 1,45750(±0,000267) 0,3138936 Kenaikan reaktivitas tidak dapat diimbangi oleh sifat keselamatan melekat (inherent safety) yang dimiliki reaktor, sehingga diperlukan mekanisme keselamatan aktif seperti batang kendali untuk menurunkan nilai reaktivitas. Untuk menjaga HTR dalam keadaan aman, reaktivitas umpan balik total harus bernilai negatif. Apabila kondisi tersebut tidak tercapai, maka perlu dilakukan pengubahan komposisi bahan bakar untuk mengantisipasi keadaan fatal yang mungkin terjadi. Memanfaatkan lapisan tipis SiC pada permukaan bahan bakar pebble merupakan salah satu cara untuk mengurangi dampak kecelakaan water ingress. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa pada kedua variasi kecelakaan mengakibatkan pergeseran nilai k eff ke arah positif. Pada kompaksi bahan bakar, semakin terkompaksi ditunjukkan oleh nilai FP yang semakin besar. Semakin terkompaksi maka reaktivitasnya jua semakin besar. Pada variasi kebocoran, semakin terasterendam air maka nilai k eff semakin besar. Perubahan nilai k eff terjadi cukup signifikan. Hal ini menunjukkan bahwa kecelakaan yang ditimbulkan oleh masuknya air pada sistem reaktor berakibat sangat fatal dan perlu dievaluasi secara mendalam. DAFTAR PUSTAKA [1]Aziz, F., dkk. Design Study of Modular Lead-Bismuth Cooled Fast Reactors with Nitride Fuel, Kontribusi Fisika Indonesia Vol. 13 No.4, Oktober 2002. [2]Verkerk, E.C. Dynamics of the pebble bed nuclear reactor in the direct brayton cycle; Ph.D. Thesis. Delft University of Technology; 2000. [3]Jing et al., (2002). Prediction Calculations and Experiments for
the First Criticality of the 10 MW High Temperature Gas-cooled Reactor Test Module. Nuclear Engineering and Design, 218, pp. 43-49 [4]Doe. (1993). Nuclear Physics and Reactor Theory. Amerika: U. S. Departement of Energy. [5]Lohnert, G. H., 1992. The Consequences of Kebocoran into the Primary Circuit of an HTR- Module from Design Basis Accident to Hypothetical Postulates. Nucl. Eng. Des. 134, 159 176. [6]JAERI. (2005). MVP/GMVP II : General Purpose Monte Carlo Codes for Neutons and Photon Transport Calculations based on Continious Energy and Multigroup Methods. Tokyo: Japan Atomic Energy Reseach Institute.