PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan DESAIN DAN KONSTRVKSI BAGIAN VJI HEATING-OJ Ismu Handoyo, Joko Prasetio W, Kiswanta, Edy Sumarno, Ainur Rosidi, M. Juarsa Laboratorium Termohidrolika Eksperimental Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir Gd.80 Kawasan PUSPIPTEK Serpong Tangerang /53/0 ABSTRAK DESAIN DAN KONSTRUKSI BAGIAN UJI HeaTiNG-01. Untuk memenuhi kebutuhan penelitian perpindahan panas pada celah sempit anulus dan sekaligus pelaksanaan tugas pengembangan pada bidang operasi fasilitas, telah didesain dan dikonstruksi bagian uji yang diberinama Bagian Uji HeaTiNG-O1. Bagian uji tersebut akan mengalami perlakuan panas pada temperatur tinggi, yakni hingga 900 C. Sehingga pemilihan bahan material untuk bagian uji harus sesuai dengan spesifikasinya. Bahan utama yang terdiri dari SS316, tabung gelas kuarsa, dan baja karbon merupakan dasar konstruksi. Tiga batang panas berbentuk silinder berbahan SS316 dengan 3 variasi diameter luar yaitu 40 mm, 39 mm dan 37 mm telah dikonstruksi untuk mevariasikan 3 macam ukuran geometri celah anulus, yaitu 0,5 mm, 1,0 mm dan 2,0 mm. Konstruksi telah dilakukan dan telah diuji selama eksperimen. Kata kunci: bagain uji, konstruksi, HeaTiNG-01. ABSTRACT CONSTRUCTION AND DESIGN ON HeaTiNG-01 TEST SECTION. To fulfill a needed for research on heat transfer in annulus narrow gap and also to perform the development duties in facility operation division, a test section named by Hea TiNG-01 has been designed and constructed. The test section will be work in high temperature condition, almost 90ifc. Then, the selection of material must be appropriate to their specification. The main materials of the test section consisting from SS316 material, quartz glass tube, carbon steel as a basic construction. Three. heated rod with cylindrical form made from SS316 cylinder with three variations of outer diameter, respectively 40 mm, 39 mm and 37 mm has been constructing to make three variations of gap sizes, respectively 0.5 mm, 1.0 mm and 2.0 mm. Construction has been done and it has been tested during experiment. Keywords: test section, construction, HeaTiNG-Ot. PENDAHULUAN Da'am rangka meningkatkan penguatan kelembagaan, dalam hal ini laboratorium termohidrolika eksperimental yang berada di bawah Bidang Operasi Fasilitas pada Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir, memiliki tugas untuk melakukan pengoperasian, perbaikan, perawatan dan pengembangan, fasilitas termohidrolika. Fasilitas termohidrolika terbagi dalam dua kategori, yang pertama adalah fasilitas dengan skala besar yang ditujukan untuk memahami keadaan umum selama kecelakaan di PLTN melalui simulasi eksperimental. Sekain itu fasilitas skala besar dapat digunakan pengujian kemampuan suatu alat yang akan diperasikan pad a tekanan dan temperatur tinggi. Fasilitas penelitian skala besar terdiri dari Untau Uji Termohidrolika Reaktor Modifikasi-I (UUTR Mod-\), Untai Uji Korosi (Primray Loop), Untai Uji Komponen (Test Component Rig) dan Emergency Cooling Water System (ECWS). Sedangkan fasilitas dengan skala kecil adalah peralatan eksperimen ditujukan untuk meneliti keadaan kecelakaan khusllsnya untuk memahami fenomena yang terjadi secara loka!. Fasilitas penelitian berskala kecil ini terdiri dari, Untai Uji BETA (UUB), Bagian Uji yang terdiri dari QUEEN-I dan QUEEN-II untuk simulasi kecelakaan reaktor pada keadaan Post-LOCA, 430 ISSN 1410-8178 Ismu Handoyo, dkk.
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan termasuk Sarana Eksperimental Kondensasi Uap (SEKONOEN). Sehingga untuk melayani kebutuhan penelitian terkait simulasi keeelekaan parah, maka mulai tahun 2007 dibuat bagian uji untuk penelitian dan memahami fenomena perpindahan panas pada keadaan keeelakaan parah, khususnya yang terjadi diantara lelehan teras dan dinding bejana reaktor yang membentuk eelah sempit. Penelitian perpindahan panas pada eelah sempit untuk geometri anulus merupakan tahap awal dalam rangkaian penelitian sejenis dengan geometri berbeda (pelat dan setengah bola) selama kurun waktu 2007 hingga 2009, yang dibiayai melalui OIPA KNRT. Penelitian dilakukan untuk memahami karaklteristik perpindahan panas pada eelah sempit. Sehinga, mulai tahun 2007 telah dikonstruksi alat eksperimen untuk penelitian perpindahan panas pada eelah sempit berbentuk anulus, dan dinamakan HeaTiNG-OI (Heat Transfer in Narrow Gap). Bagian uji HeaTiNg-Ol ini diraneang untuk mampu dioperasikan pada temperatur tinggi (sampai 900 C) selama eksperimen, namun dengan tekanan atmosfer dan temperatur air pendingin yang digunakan pada temperatur saturasi. Tulisan ini akan menjelaskan desain dan konstruksi bagian uji HeaTiNG-O\. TEORI Untuk membuat desain alat yang mampu dioperasikan pada temperatur tinggi (hingga 900 C), maka perlu dipikirkan bahan-bahan yang akan digunakan memiliki spesifikasi yang sesuai dengan kondisi yang ditetapkan dalam eksperimen, yakni dengan temperatur 900 C. Selain itu ada bagian yang terpenting dalam alat eksperimen yang akan dibuat, yaitu bagian yang bersifat tranparan untuk tujuan pengamatan selama eksperimen berlangsung. Sedangkan pemanasan dilakukan melalui sumber panas, yang memanaskan bagian uji seeara radiasi. Sehingga berdasarkan penearian data teknisl'], diperoleh spesifikasi bahan yang akan digunakan untuk membuat bagian uji, sebagai berikut: Tabel 1. Bahan-bahan utama untuk pembuatan Bagian Uji HeaTiNG-O 1 Titik Massa Jenis Bahan I Leleh Cl Jenis fk!!lm3 IKeterangan Stein less Steel 316 (SS3161 Gelas kuarsa Grafoil Carbon Steel 1610 2000 1537 Untuk uji utama Visualisasi Paekin Penooan bagian Setelah penentuan bahan yang akan digunakan untuk bagian uji HeaTiNG-OI, maka tahapan berikutnya adalah menentukan desain yang akan dibuat. Oesain dasar adalah bagaimana membentuk eelah sempit berbentuk annulus. Yang dimasud anulus adalah ruang yang terbentuk diantara 2 silinder yang memiliki pusat sarna, yaitu antara bagian luar silinder dan bagian dalam silinder seperti yang dijelaskan pada Gambar 1. TAT A KERJA Gambar 1. Celah Anulus Desain Alat!2] Silinder bagian dalam merupakan bagian uji utama dengan bahan SS316, sedangkan silinder bagian luar merupakan bahan transparan yang digunakan untuk visualisasi terhadap fenomena yang terjadi pada bagian anulus selama eksperimen berlangsung. Silinder bagian dalam akan dipanaskan hingga temperatur maksimal, yaitu 900 C. Pemanasan dilakukan melalui eara radiasi dari sumber panas di sekeliling silinder dalam, sehingga silinder luar selain berfungsi untuk visualisasi juga untuk melewatkan panas seeara radiasi menuju bagian dalam silinder. Tabung gelas kuarsa, yang memiliki temperatur leleh tinggi dipilih sebagai silinder bagian luar. Parameter ukuran eelah untuk penelitian perpindahan panas pada eelah sempit anulus telah ditetapkan, yaitu 0,5 mm, 1,0 mm dan 2,0 mm. Sehingga berdasarkan beberapa pertimbangan, khususnya ketersediaan bahan kuarsa dan kemudahan dalam desain, maka diputuskan bahwa untuk mevariasikan eelah, maka silinder bagian dalam (silinder SS316) dibuat tiga buah dengan 3 perbedaan diameter luar dan silinder bagian luar (tabung gelas kuarsa) hanya disediakan satu. Sehingga berdasarkan bahan kuarsa yang tersedia dipasaran, diperoleh data geometeri untuk 3 variasi eelah anulus (diperlihatkan pad a Tabel 2). Ismu Handoyo, dkk. ISSN 1410-8178 431
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan 5. 98. 3. 6. 7. 2. 10. 11. 12 13 4. KETERANGAN TC-04 TC-05 TC-06 TC-07 TC-03 TC-01 Boiler Termokopel TC-02,11,12 Katup Inlet/outlet Heater Plenumtefton (250 (550 (150 (0 (350 (450 atas mm) (atas) (50mm) 1. 20. 21 23. 22 26. 25. 18. 17. 16. 15. 24. 19. 14. Keramk Satang Tabung TC-09, TC-08 Termokopa Keluaran Beanng TC-10 Termokopel Inlet/outlet Plenum (650 (900 panas 13, gelas luncur bawah pemanas air (bawah) 14 mm) tipe kabel kuarsa, (750 K mm) OD: 45mm,ID 41 mm Gambar 2. Oesain Bagian Uji HeaTiNG-OJ KETERANGAN DAN PENAMAAN TERMOKOPEL TC-01 ( 0 mm, btik puncak batang panas) 3. 56 7. 8. 910 11 12. 14. 13 2. TC-09C TC-10(900mm) TC-02B TC-02C TC-09B TC-02A TC-03 TC-04 TC-05 TC-06 TC-07 TC-08 TC-09P. (550 (150 (250 (350 (450 (650 (750 (50 mm) mm, 3 3 posisiroolai12(0) poslsiradial posisi rooiai12(0) 12(0) 120") Gambar 3, Oesain Satang Panas 432 ISSN 1410-8178 Ismu Handoyo, dkk.
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan ProsesBahan 8 2,0 0,5 1,0 celah [mm] Ukuran Tabel 2. Ukuran celah dan diameter batang panas kuarsa 00 SS316 silinder IDgelas 40 [mm] tabung 37 39 Catatan : ID = diameteram, 00 = diameter luar Berdasarkan kebutuhan penelitian, panjang tabung gelas kuarsa yang diperlukan adalah 1000 mm (I meter), dan panjang batang panas (silinder dalam, SS316) adalah 1100 mm. Silinder bagian dalam (dapat disebutkan sebagai batang panas), akan dipasangi flange yang akan ditt:mpatkan pada flange yang terletak dipenopang bagian uji. Sedangkan tabung gelas kuarsa akan diikat oleh keping yang bagian tengahnya dilubang sesuai dengan kebutuhan, dalam hal ini tabung gelas kuarsa terlebih dahulu diikat oleh cincin SS316, sehingga ketika keping logam dikencangkan dengan flange penopang, gelas kuarsa tidak pecah. Kemudian diantara cincin SS316 akan dipasangi bahan sekat berupa grafoil bubuk yang elastis dan mampu bertahan pada tempertaur tinggi. Oiantara keping logam dan cincin SS316 dipasang packing berbentung ring (0 ring) untuk menghindari kebocoran air pendingin yang akan mengalir ke bagian dalam anulus. Berdasarkan pertimbangan-pertimbangan tersebut maka mulai dibuat desain bagian uji HeaTiNG-OI seperti pada Gambar 2 dan Gambar 3. Konstruksi Alat Komponen Peralatan Eksperimen bagian uji HeaTiNG-OI terdiri dari 2 bagian pokok, yaitu komponen utama dan komponen pendukung. Uraian komponen bagian uji HeaTiNG-OI, seperti digambarkan pada desain dalam Gambar 2 dan lampiran, komponen utama (Bagian Uji HeaTiNG 01)adalah sebagai berikut: a. Plenum atas (tempat menampung air) dengan diameter 300 mm dibuat dari pelat SS316 dengan ketebalan 3 mm dan disambung dengan pipa SS316 dengan diameter 3 inch, kemudian dilas dengan flange yang akan dipasang pada bagian penopang (Gambar 2). b. Boiler (tempat pendidihan air pendingin). Boiler dibuat dari pelat SS316 dengan ketebal 3 mm, berbentuk siilinder (diameter = 200.mm) dengan bagian bawah berkerucut dengan lubang keluaran air pada bagian dasarnya (diameter = 50 mm). Boiler dipasangi heater dengan daya 2000 Watt dan 2 termokopel untuk mengukur temperatur air (Gambar 2). c. Tabung gelas kuarsa dengan ukuran p=iooo mm, 00 = 45mm, 10=41 mm (Gambar 2). d. Satang panas (heated rod) yang merupakan simulasi debris untuk geometri anulus, material yang digunakan adalah SS316 dengan panjang 1000 mm dan bagian panas aktifnya (heated length) 800 mm. Batang panas dibuat dari tube SS316 dengan diameter luar 41 mm dan tebal ± II mm. Untuk memvariasikan ukuran celah, tube SS316 digerus pada bagian luarnya hingga diameter luar menjadi 40, 39 dan 37 mm. Kemudain tube SS316 yang telah digerus, masing-masing dilubangi pada bagian silindernya sebanyak 14 buah dengan diameter 3 mm untuk dipasangi termokopel. Bagian atas tube ditutup dengan penutup SS316 dan bagian bawah dilas dengan blind flange dengan ukuran 228 mm (Gambar 3). e. Penomoran dan pemasangan termokopel dimulai dari titik tertinggi (puncak) dari batang panas. Titik ke-o adalah puncak batang pemanas, kemudian 50 mm kebawahnya dipasang 3 titik termokopel yang dipasang secara radial, I buah termokopel dipasang setiap 100 mm ke bawah dan kemudian terdapat 3 termokopel lagi yang dipasang secara radial pada titik ke 750 mm dari atas (Iihat Gambar 3). Komponen Pendukung 1. Komponen elektrik. 2. Komponen Instrumentasi. 3. Semi-silinder keramik pemanas yang dapat dibuka dan ditutup seperti pada Gambar 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Setelah konstruksi dilakukan, diperoleh bagian uji HeaTiNG-OI seperti foto pada Gambar 5. Konstruksi dilaksanakan selama kurun waktu 10 bulan, dimulai dari kriteria desain, desain awal, pemilihan bahan atau material dan desain detail (Iihat lampiran). Tahap berikutnya adalah konstruksi. Konstruksi ini telah diuji melalui eksperimen yang dilakukan sebanyak 8 kali untuk tiga variasi temperatur batang panas, dari 6500C, 7500C dan 9000C. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa desain dan konstrkusi bagian uji HeaTiNG 01 telah memenuhi kriteria yang diharapkan selama eksperimen. Tidak terjadi tabung gelas kuarsa yang pecah membuktikan bahwa ekspansi termal kaca telah diantisipasi melalui desain celah antara gelas kuarsa dengan cincin SS316 yang diisi oleh grafoil. Kebocoran dari plenum atas tidak terjadi, karena telah diantisipasi melalui pemasangan packing 0 ring tipe Viton. Namun perlu diperhatikan bahwa, setelah dilakukan eksperimen sebanyak 3 kali 0 ring perlu diganti. Hal tersebut dilakukan untuk mencegah agar kebocoran dapat dihindari. Ismu Handoyo, dkk. ISSN 1410-8178 433
PRO SIDING SEMINAR NASIONAL Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan POSISI TERTUTUP POSISI TERBUKA Garnbar 4. Posisi tutup dan buka pernanas kerarnik Batang dipanaskan & tabung gelas kuarsa support Kabellistril< Kabel termokopel (14 bh) Garnbar 5. Foto Bagian Uji HeaTiNG-Ol[2] KESIMPULAN Oesain dan konstruksi bagian uji HeaTiNG-O I telah dilakukan. Penentuan bahan untuk bagian uji perlu dilakukan dan disesuaikan dengan syarat yang diinginkan untuyk eksperirnen, khususnya kernarnpuan bahan pada ternperatur tinggi. Hasil konstruksi telah teruji rnelalui eksperirnen pada ternperatur tinggi (900 C), bagian uji telah rnernenuhi kriteria yang diinginkan untuk penelitian perpindahan panas pad a celah sernpit anulus. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terirnakasih disarnpaikan kepada pihak-pihak yang telah rnernbantu dalarn kegiatan ini, kepada ternan-ternan di Sub Bidang Termohidrolika. Kepada Ka. BOFa, Bp. Ari Satrnoko atas saran dan diskusi teknisnya 434 ISSN 1410-8178 Isrnu Handoyo, dkk
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Terimakasih atas dukungan dana dari D1PA KNRT T.A. 2007 untuk Program InsentifRiset Dasar. DAFTAR PUSTAKA I. FRANK P. INCROPERA & DAVID P. DE WITT, "Fundamental of Heat Transfer", John Wiley & Sons, Inc., 1981. 2. MUL YA JUARSA, "Studi Perpindahan Panas pada Celah Sempit (Geometri Celah Anulus)", Laporan Akhir Program Insentif Riset Dasar KNRT,2007. Ismu Handoyo, dkk. ISSN 1410-8178 435