KAJIAN KEHANDALAN MATERIAL KOMPONEN BAGIAN DALAM BEJANA TEKAN REAKTOR AIR BERTEKANAN Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir BATAN, email.: nitis@batan.go.id Kawasan PUSPIPTEK Gd. No. 80 Setu, Tangerang Selatan 15310 ABSTRAK KAJIAN KEHANDALAN MATERIAL KOMPONEN BAGIAN DALAM BEJANA TEKAN REAKTOR AIR BERTEKANAN. Komponen bagian dalam bejana tekan reaktor air bertekanan terdiri dari komponen utama dan sub-komponen yang mempunyai fungsi penting untuk keselamatan yaitu menjaga integritas geometri teras, menjaga kesejajaran dan membatasi pergeseran perangkat bahan bakar. Pengalaman dari beberapa negara diketahui bahwa sub-komponen yaitu baut, pin, dan spring adalah yang paling sering mengalami kegagalan fungsi sehingga harus diganti sebelum umur komponen dicapai. Penelitian ini mengkaji kehandalan material yang digunakan sebagai komponen bagian dalam bejana tekan reaktor air bertekanan desain Amerika (PWR) dan desain Rusia (WWER). Tujuan kajian adalah mendapatkan data base material handal terkini digunakan sebagai komponen utama dan sub-komponen bagian dalam bejana tekan PWR dan WWER. Metode yang digunakan meliputi melakukan telaah persyaratan sifat mekanik dan kandungan kimia material, melakukan identifikasi komponen utama dan sub-komponen yang mempunyai fungsi penting untuk keselamatan dan jenis materialnya, serta melakukan kajian kehandalannya dari sudut pandang pemilihan material yang digunakan. Dari kajian disarikan bahwa material handal komponen bagian dalam bejana tekan PWR dan WWER jenisnya dapat dari baja nirkarat austenit atau paduan nikel tinggi yang distabilkan dengan Ti dan/atau Nb dan dikenakan perlakukan dingin. Disimpulkan bahwa data base material handal terkini komponen utama bagian dalam bejana tekan PWR adalah Alloy X-600 dan X6CrNiNb 18-10 (1.4550), untuk WWER adalah 08Ch18N10T. Sedangkan material sub-komponen bagian dalam bejana tekan PWR adalah SA-193/479 tipe 316TiCW, Alloy X-750, dan X6CrNiMoTi 17-12-2 (1.4571), untuk WWER adalah ChN35VT(VD) dan KhN77TJuR. Kata Kunci : Kajian kehandalan, reaktor air bertekanan, bagian dalam bejana tekan. ABSTRACT MATERIAL REALIABILITY ASSESSMENT OF PRESSURIZED WATER REACTOR VESSEL INTERNAL COMPONENT. Pressurized water reactor vessel internal component consist of main component and sub-component have important function for the safety such as to maintain core geometry integrity, maintain alignment and limit fuel assembly movement. Experiences from several countries have been known that sub-component such as bolt, pin, and spring failed in function often so must be changes before component life. This research assessed the material reliability utilized as pressure vessel internal components of PWR and WWER. The aim of this assessment is to obtain newest reliable materials data base utilized as main and subcomponents of PWR and WWER. Methodology to solve the problem by assessment of mechanical and chemical compound properties requirement of the material, identification of main components and sub-components have safety important function and its materials type, and performing of reliability assessment from of material choice point of view. It could be summary that reliable materials of reactor vessel internal components of PWR and WWER are austenitic stainless steel or high nickel alloy stabilized with Ti and or Nb and treatment in cold work. It is concluded that main component newest reliable materials data base of PWR vessel internal are Alloy X- 600 and X6CrNiNb 18-10 (1.4550), for WWER is 08Ch18N10T. For sub-component Buku II hal. 518 ISSN 1410 8178
materials of PWR vessel internal are SA-193/479 Type 316TiCW, Alloy X-750, and X6CrNiMoTi 17-12-2 (1.4571), for WWER are ChN35VT(VD, and KhN77TJuR. Keywords : Reliability assessment, pressurized water reactor, reactor vessel internal. PENDAHULUAN K omponen bagian dalam bejana tekan PLTN (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir) terdiri dari komponen utama dan sub-komponen yang merupakan bagian integral dari bejana tekan. Komponen bagian dalam bejana tekan PLTN termasuk kelas keselamatan 3 dalam sistem kelas keselamatan komponen PLTN[1]. Komponen utama dan sub-komponen bagian dalam bejana tekan harus terjaga kehandalannya sepanjang umur operasi.komponen bagian dalam bejana tekan berada dalam lingkungan radiasi, terendam air pendingin, mengalami tegangan, dan vibrasi yang dapat menyebabkan komponen mengalami degradasi sehingga dapat mengakibatkan menurunnya integritas komponen. Terlebih bila material yang digunakan kurang handal atau tidak kompak dengan lingkungannya dapat menyebabkan degradasi dini komponen.dari beberapa referensi diketahui bahwa baut, pin, dan spring adalah yang paling sering mengalami kegagalan fungsi[2,3,4], sehingga seringkali harus diganti sebelum masa penggantian dicapai yang biasanya dilakukan bersamaan dengan periode 10 tahunan kegiatan inspeksi in service. Data jenis material yang digunakan untuk komponen bagian dalam bejana tekan sudah disediakan oleh pemasok teknologi (vendor) PLTN namun masih perlu dikaji kehandalannya sebelum PLTN dibangun, tujuannya adalah agar PLTN yang dibangun benar-benar handal dari segi pemilihan material yang digunakan sehingga penggantian komponen dapat dilakukan sesuai dengan skedul yang telah ditentukan oleh vendor. Makalah ini akan mengkaji kehandalan material yang digunakan sebagai komponen utama dan sub-komponen bagian dalam bejana tekan PLTN tipe reaktor air bertekanan desain Amerika (PWR = Pressurized Water Reactor) dan reaktor air bertekanan desain Rusia (WWER= Water Water Power Reactor). Tujuan utama kajian adalah mendapatkan data base material handal terkini yang digunakan sebagai komponen utama dan subkomponen bagian dalam bejana tekan PLTN tipe PWR dan WWER. Data base ini sangat penting dimiliki oleh suatu negara yang mempunyai program PLTN, mengingat teknologi material berkembang dengan cepat dari dekade ke dekade. Hal yang sama juga dilakukan oleh negara-negara yang saat ini sudah mengoperasikan PLTN. Tujuan kedua adalah menyiapkan SDM-BATAN sebagai pendukung teknik apabila suatu saat Indonesia membangun PLTN. Metode penelitian yang digunakan dengan melakukan telaah persyaratan sifat mekanik dan kandungan kimia material komponen bagian dalam bejana tekan, melakukan identifikasi komponen yang mempunyai fungsi penting untuk keselamatan dan jenis materialnya, serta melakukan kajian/bahasan kehandalannya dari sudut pandang pemilihan material yang digunakan. Kajian kehandalan material komponen bagian dalam bejana tekan reaktor air bertekanan adalah merupakan kelanjutan dari kajian yang telah dilakukan sebelumnya yaitu mengenai strategi kajian integritas komponen bagian dalam bejana tekan reaktor daya PWR. Diharapkan apabila Indonesia segera membangun PLTN tipe PWR, apakah desain Amerika atau Rusia maka hasil kajian ini dapat digunakan sebagai acuan/referensi untuk pembangunan PLTN pertama di Indonesia. PERSYARATAN SIFAT MEKANIK DAN KANDUNGAN KIMIA Material yang digunakan untuk komponen bagian dalam bejana tekan PWR dan WWERberbeda. Untuk PWR digunakan baja nirkarat austenit yang tidak distabilkan, dan paduan dengan kandungan nikel tinggi (high nickel alloy). Sedangkan material untuk komponen bagian dalam WWER digunakan baja nirkarat austenit yang distabilkan dengan Ti (titanium). Paduan dengan kandungan nikel tinggi jarang digunakan untuk komponen bagian dalam WWER, kecuali untuk sub-komponen spring yang dibuat dari paduan dengan kandungan nikel lebih dari 50% (% berat) [1,3,4]. Sifat mekanik yang penting diketahui untuk material yang digunakan sebagai komponen bagian dalam bejana tekan adalah kuat luluh (σy) dan kuat tariknya (σy), meskipun secara spesifik tidak disebutkan batasan minimal atau maksimalnya. Untuk PWR, kuat luluhnya (σy) 205 MPa dan kuat tariknya (σs) 515 MPa. Untuk WWER, kuat luluhnya (σy) 196 MPa dan kuat tariknya (σs) 490 MPa. Kandungan kimia secara eksplisit tidak disebutkan didalam standar [6,7] ataupun referensi lainnya karena sudah jelas disebutkan jenis material yang digunakan yaitu baja nirkarat austenit yang tidak distabilkan (untuk PWR) dan distabilkan dengan Ti (untuk WWER) serta paduan dengan kandungan nikel tinggi [1,2,3,4]. Namun material yang ISSN 1410 8178 Buku II hal. 519
digunakan untuk komponen bagian dalam bejana tekan harus memenuhi persyaratan umum yaitu ketahanan terhadap korosi, ketangguhan patah, keuletan, ketahanan terhadap fatik, dan kekuatan yang memadahi dalam lingkungan PWR dan WWER [1,3,4]. Hal ini berarti bahwa kandungan C (karbon), Ni (nikel), dan Cr (krom) sudah tertentu menurut jenis dan tipe material yang digunakan. Karena secara umum persyaratannya tidak berbeda, sehingga tidak dapat dilakukan pembandingan persyaratan antara PWR dan WWER. KOMPONEN FUNGSI KESELAMATAN DAN JENIS MATERIALNYA Komponen utama bagian dalam bejana tekan dikelompokkan menjadi 3 bagian, yaitu: struktur teras bagian atas (upper core structure), struktur yang mengelilingi teras seperti core barrel/core shroud, thermal shield, dan struktur pendukung teras bagian bawah (lower core support structure). Secara umum komponen-komponen utama tersebut mempunyai fungsi penting untuk keselamatan yaitu: 1). Menjaga integritas geometri teras, 2). Menjaga kesejajaran perangkat bahan bakar, 3). Membatasi pergeseran perangkat bahan bakar. Gambar 1. Komponen bagian dalam bejana tekan PWR (desain Westinghouse) [2]. Termasuk kedalam komponen fungsi keselamatan adalah: pelat teras bawah, kolomkolom pendukung bagian bawah, nosel core barrel, pendukung radial, baffle & former, pelat pendukung di bagian atas, dan pelat teras di bagian atas. Sedangkan sub-komponen yaitu baut, pin, dan spring [2,3,7]. Baut, dan pin berfungsi sebagai konektor pengunci antara 2 komponen yang disatukan sehingga menguatkan posisi komponen. Sedangkan spring berada pada batang pengarah benda uji yang akan diiradiasi di dalam kapsul iradiasi sehingga memudahkan penempatan benda uji pada posisinya, dan spring ini merupakan bagian tidak terpisahkan dari sub-komponen bagian dalam bejana tekan PWR. Gambaran umum komponen bagian dalam bejana tekan PWR ditampilkan pada Gambar 1. HASIL DAN PEMBAHASAN Sifat mekanik dan kandungan kimia material yang digunakan sebagai komponen utama dan sub-komponen bagian dalam bejana tekan, komponen fungsi keselamatan dan jenis material untuk PLTN PWR dan WWER telah diperoleh. Komposisi kimia dan sifat mekanik material komponen bagian dalam bejana tekan PLTN PWR dan WWER berturut-turut ditampilkan pada Tabel 1 dan Tabel 2. Dari sudut pandang jenis material yang digunakan untuk komponen utama dan subkomponen bagian dalam bejana tekan, maka baja nirkarat austenit yang distabilkan maupun yang tidak distabilkan dan paduan dengan kandungan nikel tinggi (high nickel alloy) memenuhi persyaratan umum sebagai material komponen bagian dalam bejana tekan PWR dan WWER (Tabel 1). Untuk PLTN PWR yang beroperasi di Amerika, Inggris dan Perancis, material yang digunakan untuk komponen utama dan subkomponen menggunakan baja nirkarat austenit yang tidak distabilkan dengan Ti maupun Nb (Niobium), yaitu SA-182 Grade F304, SA-240 tipe 304, Z3CN 18-10 tipe 304LN, dan SA-479 tipe 304. Meskipun jenis material tersebut memenuhi persyaratan umum, namun ada kelemahannya. Baja nirkarat austenit yang tidak distabilkan dan mengandung karbon lebih dari 0,03% (% berat) ketika proses pembuatan dan pemanasan di dalam tungku pada suhu sekitar 450 0 C-850 0 C akan terjadi reaksi pengendapan karena kelarutan karbon didalam baja nirkarat austenit, sehingga terbentuk logam komplek dengan Cr menjadi kromium karbida (Cr 23 C 6 ) yang mengendap pada batas butir dan mengakibat tidak tahan terhadap intergranular stress corrosion cracking (IGSCC) [3]. Material SA-193/479 tipe 316CW yang mendapat perlakuan cold work lebih banyak digunakan sebagai material sub-komponen seperti baut, pin dan spring. Material tipe ini lebih tahan terhadap IGSCC. Namun material tersebut kurang tahan untuk menerima beban siklik atau vibrasi yang cukup lama. Pada beberapa negara telah ditemukan kasus retak pada baut, pin, dan spring yang disebabkan kelelahan material (fatik) karena adanya beban vibrasi yang berlangsung lama [3,4,8], seperti ditampilkan pada Gambar 2. Buku II hal. 520 ISSN 1410 8178
Komponen Reaktor PWR: Komponen Utama WWER: Komponen Utama PWR: (Baut, pin, spring) WWER (Baut, pin, spring) Tabel 1. Material komponen bagian dalam bejana tekan PWR dan WWER [3,4] Material Komposisi kimia (% berat) C Ni Cr Ti Mo Nb SA-182 Grade F304 (Amerika, Inggris) 0,04-0,08 8,0-11,0 18,0-20,0 - - - SA-240, Tipe 304 (Amerika, Inggris) 0,04-0,08 8,0-10,5 18,0-20,0 - - - Alloy X-600 (Amerika, Perancis) 0,10 72 14,0-17,0 2,25-2,75 - - Z3CN18-10, Tipe 304LN (Perancis) 0,04 9,0-10,0 19,0-20,0 - - - X6CrNiNb18-10 (1.4550)-(Jerman) 0,04 9,0-12,0 17,0-19,0 - - 0,65 08Ch18N10T - (Rusia) 0,08 9,0-11,0 17,0-19,0 5C - - 14Kh17N2 - (Rusia) 0,11-0,17 1,5-2,5 16,0-18,0 - - - SA-479, Tipe 304 - (Amerika) 0,08 8,0-10,5 18,0-20,0 - - - SA-193/479, Tipe 316CW (Amerika, Inggris, Perancis) 0,04-0,08 10,0-14,0 16,0-18,0-2,0-3,0 - Alloy X-750 (Amerika, Inggris, Perancis) 0,08 70 14,0-17,0 2,25-2,75-0,7-1,2 X6CrNiMoTi17-12-2CW 0,06 10,5-13,5 16,5-18,5 0,07 2,0-2,5 - (1.4571)-(Jerman) ChN35VT(VD) - (Rusia) 0,12 34,0-38,0 14,0-16,0 1,1-1,5 - - KhN77TjuR - (Rusia) 0,06 50 19,0-22,0 2,3-2,7 - - Tabel 2. Sifat mekanik material komponen bagian dalam bejana tekan PWR dan WWER [3,4] Komponen Reaktor PWR : Komponen Utama WWER : Komponen Utama PWR : Sub-komponen (Baut, pin, spring) WWER : Sub-komponen (Baut, pin, spring) Material Sifat mekanik pada suhu ruang ( 0 C) σ Y, (MPa) σ S, (MPa) SA-182 Grade F304 - (Amerika, Inggris) 205 515 SA-240, Tipe 304 - (Amerika, Inggris) 205 515 Alloy X-600 - (Amerika, Perancis) 445 730 Z3CN18-10, Tipe 304LN - (Perancis) 210 520 X6CrNiNb18-10 - (1.4550)-(Jerman) 215 525 08Ch18N10T - (Rusia) 196 490 14Kh17N2 - (Rusia) 835 1080 SA-479, Tipe 304 - (Amerika) 415-620 586 SA-193/479, Tipe 316CW (Amerika, Inggris, Perancis) Alloy X-750 - (Amerika, Inggris, Perancis) X6CrNiMoTi17-12-2CW - (1.4571)- (Jerman) 450-620 655 427 695 230 535 ChN35VT(VD) - (Rusia) 490 835 KhN77TjuR - (Rusia) 620 1226 Keterangan : σy = kuat luluh (yield strength) material pada suhu ruang, MPa σs = kuat tarik (tensile strength) material pada suhu ruang, MPa ISSN 1410 8178 Buku II hal. 521
Gambar 2. Tabung pengarah batang kendali dan lokasisplit pin yang sering gagal (desain Westinghouse) [2] Untuk penggunaan material baja nirkarat austenit SA-193/479 tipe 316CW sebaiknya dimodifikasi dengan penambahan Ti sebagai unsur penstabil sehingga menjadi SA-193/479 tipe 316TiCW. Pemakaian SA-193/479 tipe 316TiCW lebih menguntungkan karena selain lebih tahan terhadap IGSCC juga mempunyai ketahanan terhadap fatik yang lebih baik dan 316TiCW mempunyai sifat melindungi terhadap keausan mekanik yang berlebihan dengan terbentuknya lapisan titanium karbida yang homogen pada permukaan logam sehingga mengakibatkan umur baut, pin, dan spring lebih lama. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: penambahan titanium sebagai elemen paduan pada baja nirkarat austenit mempuyai tujuan untuk menstabilkan karbida. Ti dengan karbon membentuk titanium karbida yang stabil dan sulit larut didalam baja nirkarat austenit sehingga dapat meminimalkan terjadinya korosi batas butir [9]. Material paduan dengan kandungan nikel tinggi ( 70%), yaitu Alloy X-600 dan Alloy X-750 meskipun jenis paduan ini tahan terhadap wear (keausan) namun rentan terhadap penggetasan IGSCC dalam lingkungan radiasi yang disebabkan karena kandungan nikelnya yang tinggi. Oleh karena itu paduan dengan bahan dasar nikel tinggi distabilkan dengan penambahan Ti sebanyak 2,25 2,75 (% berat) dengan tujuan untuk memperbaiki sifat Alloy X-600 dan X-750 sehingga lebih tahan terhadap IGSCC dan mempunyai umur pakai yang lebih lama. Khusus untuk alloy X-750 selain distabilkan dengan Ti juga ditambahkan Nb sebagai unsur penstabil lainnya yang berfungsi untuk meminimalkan problem korosi yang disebabkan tegangan (stress corrosion). Penambahan Nb dapat meningkatkan kekuatan baja nirkarat austenit khususnya pada suhu tinggi. Dibandingkan dengan Alloy X-750, pemakaian Alloy X-600 masih terbatas [8], karena Alloy X-600 tidak mengandung Nb sehingga kehandalannya dianggap masih kurang dibandingkan dengan Alloy X-750 yang distabilkan dengan Ti dan Nb. Material X6CrNiNb18-10 (1.4550) adalah jenis baja nirkarat austenit yang telah distabilkan dengan Nb (niobium) dan X6CrNiMoTi17-12-2 (1.4571) distabilkan dengan Ti. Kedua material tersebut digunakan di Jerman [3]. Tujuan X6CrNiNb 18-10 (1.4550) distabilkan dengan Nb adalah untuk meminimalkan problem korosi tegangan. Sedangkan tujuan X6CrNiMoTi17-12-2 distabilkan dengan Ti adalah untuk melindungi terhadap keausan mekanik dan meningkatkan ketahanan terhadap IGSCC. Untuk PLTN WWER yang beroperasi di Rusia, material yang digunakan untukkomponen utama adalah jenis baja nirkarat austenit, ada yang distabilkan dengan Ti yaitu 08Ch18N10T dan ada yang tidak distabilkan dengan Ti maupun Nb yaitu 14Kh17N2. Dari segi kehandalan, baja nirkarat austenit 08Ch18N10T yang distabilkan dengan Ti lebih handal sebagai material komponen utama WWER dibandingkan dengan 14Kh17N2. Karena adanya Ti didalam baja nirkarat austenit 08Ch18N10T akan meningkatkan ketahanan terhadap IGSCC dan melindungi terhadap keausan mekanik. Material untuk sub-komponen PLTN WWER (baut, pin, dan spring) adalah dari jenis paduan nikel tinggi yaitu ChN35VT(VD) dengan kandungan Ni (34,0%-38,0% berat) dan KhN77TJuR ( 50% berat).kedua material tersebut distabilkan dengan Ti. Seperti pada PLTN PWR, penambahan Ti kedalam paduan nikel tinggi adalah agar material tersebut lebih tahan terhadap IGSCC, sehingga umur sub-komponen dapat lebih lama. Karena paduan nikel tinggi sangat rentan terhadap IGSCC terlebih didalam lingkungan radiasi. KESIMPULAN Dari kajian dapat disarikan bahwa material untuk komponen bagian dalam bejana tekan PWR dan WWER jenisnya dapat dari baja nirkarat austenit ataupun paduan nikel tinggi. Namun kedua jenis material tersebut harus distabilkan dengan Ti dan/atau Nb dan dikenakan perlakuan dingin pada proses pembuatannya sehingga material-material tersebut benar-benar handal, yaitu tahan terhadap beban siklik atau vibrasi yang lama, tahan terhadap keausan mekanik, dan tahan terhadap IGSCC sehingga umur komponen dapat lama sesuai dengan desain. Disimpulkan bahwa data base material handal untuk komponen utama bagian dalam bejana tekan PWR adalah: Alloy X-600 danx6crninb 18- Buku II hal. 522 ISSN 1410 8178
10 (1.4550), untukwwer adalah 08Ch18N10T. Sedangkan material sub-komponen bagian dalam bejana tekan PWR adalah SA-193/479 Tipe 316TiCW, Alloy X-750, dan X6CrNiMoTi 17-12- 2CW (1.4571), untuk WWER adalah ChN35VT(VD) dan KhN77TJuR. Material-material tersebut dapat digunakan sebagai referensi material komponen bagian dalam bejana tekan tipe PWR atau WWER jika dalam waktu dekat Indonesia membangun PLTN. DAFTAR PUSTAKA 1. ANONIM, Standard Safety Analysis Report for Advanced Power Reactor (APR) 1400, Korean Hydro And Nuclear Power Company. 2. SHAH,V.N. et.all., Aging and Life Extension of major Light water Reactor Components, Elsevier, 1993. 3. IAEA, Assessment and Management of Ageing of Major Nuclear Power Plant Components Important to Safety: PWR Vessel Internals, TECDOC-1557, Vienna, 2007 Update. 4. PETREQUIN, P. et.all., General Review of Reactor Vessel Internals: Pressurised Water Reactors, Including WWER, Study Contract COSU CT94-074, 1997. 5. ANONIM, Code of Federal Regulations, Volume 10 Energy, Part 1 To 50, January 1, 1998. 6. ASME Boiler And Pressure Vessel Code, Rules For Construction Of Nuclear Facility Components, Section III, Division 1 Subsection NB, Class 1 Components, 2007. 7. ASME Boiler And Pressure Vessel Code, Core Support Structure, Section III, Division 1 Subsection NG, 2007. 8. U.S.N.R.C, Cracking of Reactor Vessel Internal Baffle Former Bolts in Foreign Plant, SR- 561/2000, 1998. 9. ANONIM, Effect of Alloying Elements In Steel, Bureau Veritas Certification UK. ISSN 1410 8178 Buku II hal. 523