ANALISIS KECELAKAAN KEHILANGAN PENDINGIN SEKUNDER REAKTOR TIPE PIUS MENGGUNAKAN RELAP5/MOD2 Ign. Djoko Irianto* ABSTRACT ID990000033 LOSS OF SECONDARY COOLANT ACCIDENT ANALYSIS FOR PIUS TYPE REACTOR USING RELAP5/MOD2. Process Inherent Ultimate Safety (PIUS) reactor concept is a reactor concept that intrinsically based on passive safety. This reactor refer to Pressurized Water Reactor (PWR) wherein the primary system is submerged in a pool of poison water. The operating principle is to maintain the pressure balance, so that no inflow from pool to the primary system. On loss of secondary coolant accident, primary coolant temperature increases, it is followed by the increase of primary pump speed. When the upper limit is reached, the pump is tripped. Due to the pressure balance disturbance, poison water flows from pool to the primary system, then reactor shut down. This accident condition was simulated by experimental and numerical simulation using RELAP5/MOD2. Numerical simulation was done to the experimental apparatus nodalization that was set on the norm of RELAP5/MOD2. This nodalization consist of 119 volumes, 127 junctions, and 106 heat structures. Analysis was carried out using both experimental and numerical simulation results. It can be concluded that PIUS type reactor is able to anticipate loss of secondary coolant accident because its capability of self shut down. ABSTRAK ANALISIS KECELAKAAN KEHILANGAN PENDINGIN SEKUNDER REAKTOR TIPE PIUS MENGGUNAKAN RELAP5/MOD2. Konsep reaktor Process Inherent Ultimate Safety (PIUS) adalah suatu konsep reaktor yang mengutamakan sistem keselamatan pasif. Reaktor ini mengacu pada Pressurized Water Reactor (PWR) dengan sistem primer yang direndam dalam kolam air poison. Prinsip pengoperasiannya adalah menjaga kesetimbangan tekanan agar tidak ada aliran dari kolam ke sistem primer. Pada kecelakaan kehilangan pendingin sekunder, suhu pendingin primer naik yang diikiiti oleh kenaikan laju putaran pompa primer. Setelah Iaju putaran pompa primer mencapai batas maksimal, pompa akan trip (berhenti). Karena kesetimbangan tekanan terganggu, air kolam mengalir ke sistem primer, kemudian reaktor shut down. Kondisi kecelakaan ini disimulasi secara eksperimen dan secara numerik menggunakan kode komputer RELAP5/MOD2. Simulasi numerik dilakukan terhadap nodalisasi peralatan eksperimen yang disusun berdasarkan kaidah RELAP5/MOD2. Nodalisasi ini terdiri atas 119 volume, 111 junction dan 106 heat structures. Analisis dilakukan berdasarkan hasil simulasi eksperimen dan numerik. Dari kedua simulasi dapat disimpulkan bahwa reaktor tipe PIUS mampu mengantisipasi kecelakaan kehilangan pendingin sekunder dengan cara shut down secara otomatis. Pusat Pengkajian Teknologi Nuklir - BATAN 393
PENDAHULUAN Reaktor Process Inherent Ultimate Safety (PIUS) adalah suatu konsep reaktor nuklir maju yang pada hakekatnya mengutamakan sistem keselamatan pasif. Prinsip rancangan yang pokok pada reaktor ini adalah derajat keselamatannya yang tinggi dengan mengurangi tingkat intervensi operator maupun peralatan rekayasa keselamatan. Hal lain yang diperhitungkan dalam rancangan reaktor ini adalah kemampuannya untuk shut-down secara otomatis selama transien abnormal serta kemampuannya mendinginkan teras secara pasif dengan cara sirkulasi natural. Sistem reaktor ini didasarkan pada sistem reaktor air tekan {pressurized water reactor = PWR), dengan modifikasi seluruh untai sistem primer direndam di dalam kolam besar yang berisi air poison yaitu air larutan boron dingin. Sistem primer dihubungkan dengan kolam air poison pada bagian atas bejana (riser) dan bagian bawah teras melalui density lock yang terdiri atas untaian pipa paralel vertikal yang dirangkai dalam konfigurasi sarang tawon (honeycomb). Sistem primer untuk mengangkut energi panas dari teras.reaktor ke turbin pada dasamya sama dengan PWR kecuali pada bagian density lock. Prinsip operasi reaktor tipe PIUS adalah menjaga kesetimbangan tekanan sepanjang density lock antara sisi primer dan sisi kolam air poison, agar tidak terjadi aliran dari kolam air poison ke sistem primer ataupun sebaliknya melalui density lock. Kesetimbangan tekanan dalam density lock dapat dipertahankan dengan cara mengontrol laju putaran pompa primer berdasarkan distribusi suhu pada density lock bawah [1]. Pada kondisi kecelakaan kehilangan pendingin sekunder, kemampuan pendinginan reaktor menurun. Kondisi ini menyebabkan suhu pendingin primer naik dengan cepat. Karena adanya sistem kendali umpan balik pada laju putaran pompa primer, maka kenaikan suhu pendingin primer akan diikuti oleh kenaikan laju putaran pompa primer. Setelah laju putaran pompa primer mencapai batas maksimal, pompa primer akan trip (berhenti). Kejadian ini akan mengakibatkan kesetimbangan tekanan pada density lock terganggu sehingga terjadi aliran air poison dari kolam ke sistem primer, dan kemudian reaktor shut-down. Dalam penelitian sebelumnya telah dilakukan eksperimen untuk verifikasi penerapan sistem kendali umpan balik terhadap laju putaran pompa primer berdasarkan distribusi suhu pada density lock bawah [1,2]. Dalam penelitian ini, dengan menerapkan sistem kendali tersebut, dilakukan suatu simulasi kecelakaan dimana laju alir pendingin sekunder menurun secara tajam (hilang). Simulasi dilakukan melalui dua cara yaitu secara eksperimen menggunakan untai uji termohidrolika yang dilakukan di JAERI (Jepang) dan secara numerik menggunakan code komputer RELAP5/MOD2 yang dilakukan di Universitas Nagoya Jepang. 394
PERALATAN Dalam eksperimen ini digunakan untai uji termohidrolika sebagai simulasi reaktor tipe PIUS (diagram reaktor tipe PIUS ditunjukkan pada Gambar 1) dengan susunan peralatan ditunjukkan pada Gambar 2. Volume total untai primer termasuk teras reaktor adalah 0,07 m 3. Simulasi teras reaktor terdiri atas 28 batang pemanas listrik dan 61 batang bukan pemanas listrik dengan diameter luar masing-masing 10 mm. Teras dimasukkan ke dalam bejana berdiameter dalam 150 mm dan panjang 1000 mm. Daya teras maksimal adalah 28 kw. Hambatan alir {flow drag) hidrolik pada teras reaktor disimulasi dengan memasang orifis tepat di bawah saluran masuk teras. Pada bagian atas dan bawah untai primer dihubungkan ke tangki air poison melalui density lock. Masing-masing density lock terdiri atas bundel tabung berdiameter dan panjang yang sama membentuk konfigurasi sarang tawon. Density lock bawah terdiri atas 9 tabung berdiameter dalam 31 mm dan panjang 300 mm. Density lock atas terdiri atas 37 tabung yang dipasang di dalam silinder berdiameter dalam 300 mm dan diletakkan pada bagian atas tangki air poison. Ketinggian antara pusat density lock bawah dan atas adalah 3500 mm. Laju alir diukur dengan menggunakan pengukur laju alir FX1, FX2 dan FX3 masing-masing pada keluaran pompa primer, pipa penghubung tangki air poison ke density lock bawah dan pada sistem sekunder. Pengukuran suhu menggunakan termokopel yang dipasang dalam untai primer, kolam air poison, density lock bawah, dan dalam untai pendingin sekunder. EKSPERIMEN Eksperimen dilakukan pada kondisi tekanan satu atmosfir, yaitu dengan membuka pressurizer pada bagian atas bejana. Untuk menjaga kesetimbangan tekanan maka digunakan sistem kendali umpan balik terhadap laju putaran pompa primer berdasarkan pengukuran distribusi suhu pada density lock bawah. Transien yang disebabkan oleh masuknya air poison ke dalam teras reaktor disimulasi dengan menurunkan daya pemanas listrik teras reaktor hingga ke tingkat panas peluruhan. Kondisi awal eksperimen ditetapkan pada kondisi tunak operasi reaktor yang stabil pada daya teras sebesar 20 kw. Eksperimen ini diawali dengan mengurangi laju alir air umpan penukar panas atau air dalam pendingin sekunder secara manual yaitu kurang lebih 0,15 kg/dt untuk setiap 300 detik atau seperti dalam tabel berikut: 395
Waktu (detik) 0 550 850 1150 1450 Laju alir (kg/dt) 0,67114 0,50142 0,34714 0,16971 0,05914 Pengurangan laju alir pendingin sekunder akan menyebabkan kapasitas pendinginan reaktor menurun, sehingga suhu pendingin primer naik. Dengan adanya sistem kendali terhadap laju putaran pompa primer, maka kenaikan suhu pendingin primer akan diikuti oleh kenaikan laju putaran pompa primer. Batas maksimal laju putaran pompa primer ditetapkan sebesar 50 Hz. SIMULASI MENGGUNAKAN CODE KOMPUTER RELAP5/MOD2 Nodalisasi Untai Uji TermohidroHka Simulasi menggunakan kode komputer RELAP5/MOD2 diawali dengan membuat model nodalisasi seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Model nodalisasi ini mengacu pada peralatan eksperimen yaitu untai uji termohidrolika yang ada di JAERI menurut kaidah yang berlaku untuk masukan RELAP5/MOD2. Baik ukuran, bentuk maupuh keadaan sistem dalam model nodalisasi disesuaikan dengan keadaan untai uji termohidrolika yang digunakan dalam eksperimen. Berdasarkan kaidah tersebut disusun nodalisasi untuk seluruh sistem yang terdiri atas 119 volume, 127 junction dan 106 heat structure dengan 385 titik mesh. Dalam nodalisasi ini, seluruh pipa dan tangki dimodelkan sebagai bentuk silinder dan dibagi dalam beberapa volume. Semua katup, orifis dan penghubung antara dua volume dimodelkan sebagai junction. Dinding pipa, tangki, penukar panas dan teras reaktor dimodelkan sebagai heat structure. Pressurizer dan sebagian dari sistem sekunder dimodelkan sebagai time dependent volume dengan memberikan besaran masukan seperti halnya perlakuan yang diberikan dalam eksperimen. Untai sistem primer disusun mulai dari volume 100 sampai dengan volume 184 dan simulasi kolam air poison dari volume 188 sampai dengan volume 217. Untai sistem sekunder dari volume 228 sampai dengan volume 260. Bagian penukar panas yang merupakan untaian sistem primer adalah volume 116 yang dibagi menjadi 4, sedangkan yang merupakan untaian sistem sekunder adalah volume 246. Density lock bawah terdiri atas 6 batang pipa yang dimodelkan sebagai volume 206 sampai dengan volume 217 yang masing-masing dibagi 5. Density lock atas dimodelkan sebagai volume 185 sampai dengan volume 188, masing-masing dibagi menjadi 5 bagian. 396
Penetapan Besaran Masukan Awal Kondisi awal untuk simulasi numerik ditetapkan berdasarkan hasil pengukuran pada eksperimen. Karena keterbatasan pengukuran pada eksperimen, maka beberapa besaran diestimasikan sebagai berikut: 1. Diasumsikan bahwa laju alir pada setiap junction adalah sama, dan ditetapkan dari hasil eksperimen. 2. Aliran air poison dari tangki ke untai primar adalah positif, arah sebaliknya adalah negatif. Pada kondisi awal ditetapkan sebesar nol. 3. Tekanan awal setiap volume, untuk bagian pipa yang statis dihitung menggunakan rumus sebagai berikut [3]: Ap =pgh f Ap = beda tekanan, p = densitas, g = percepatan gravitasi dan hjp = koefisien kehilangan tekanan. 4. Untuk bagian pipa yang terdapat aliran, tekanan awal dihitung menggunakan persamaan berikut [3]: 128 Q = laju alir, Ap = beda tekanan, D = diameter tampang lintang aliran, u = viskisitas cairan, dan L = panjang volume. ANALISIS DAN PEMBAHASAN Simulasi kecelakaan kehilangan pendingin sekunder diawali dengan menyusun kondisi tunak reaktor yang beroperasi stabil pada daya sebesar 20 kw yang berlaku sebagai kondisi awal. Pada kondisi awal tersebut, laju putaran pompa primer diatur untuk frekuensi 38.0 Hz. Akibat berkurangnya air isian penukar panas, kemampuan pemindahan panas menurun. Hal ini menyebabkan naiknya suhu pendingin primer sehingga densitas pendingin primer menurun. Penurunan densitas ini menyebabkan pressure head pada riser menurun, yang dikompensasi dengan naiknya laju putaran pompa. Seperti halnya pada eksperimen, pada simulasi numerik pun laju putaran pompa primer maksimal ditetapkan sebesar 50 Hz. 397
Pada simulasi ini, dalam waktu 1680 detik laju putaran pompa primer naik mencapai maksimal (50 Hz). Setelah itu pompa trip sehingga laju putaran pompa menjadi nol (0 Hz) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Pada Gambar 5 ditunjukkan grafik laju alir pendingin primer terhadap waktu sebagai respon terhadap kecelakaan kehilangan pendingin sekunder. Dari 0 detik sampai dengan 1680 detik, laju alir pendingin sekunder menurun, dan laju putaran pompa sirkulasi primer maupun laju alir pendingin primer naik. Pada saat detik yang ke 1680 pompa primer trip, sehingga laju alir primer menurun drastis. Selama pompa primer berhenti, perbedaan densitas dalam air primer dan air poison menyebabkan munculnya aliran sirkulasi natural air poison dari tangki poison ke sistem primer. Hasil simulasi numerik menunjukkan bahwa setelah pompa berhenti dan laju alir primer menurun drastis, terlihat adanya laju alir primer dengan arah negatif. Hal ini dicoba diterangkan dengan menggunakan fenomena water hammer[3]. Fenomena ini mengatakan bahwa apabila dalam suatu pipa dialiri fluida dan tiba-tiba katupnya ditutup maka sebelum katup akan terjadi kenaikan tekanan, dan di sebaliknya akan terjadi tekanan negatif. Fenomena tersebut juga terjadi dalam kasus ini yaitu pompa secara tiba-tiba berhenti sehingga terjadi tekanan yang negatif pada saluran keluar dari pompa. Akibat tekanan negatif ini, air poison mengalir dari tangki poison menuju ke arah pompa. Karena pompa berhenti, air poison ini mengalir kembali ke arah riser. Dalam waktu 200 detik laju alir primer menjadi nol, sedangkan di dalam eksperimen laju alir primer yang negatif tidak terukur, hal ini disebabkan oleh adanya sedikit bocoran pada sirip-sirip pompa nyata. Karakteristik perubahan laju alir air poison dari 0 detik sampai dengan 1680 detik ditampilkan pada Gambar 6 yang menunjukkan bahwa karena adanya sistem kontrol umpan balik terhadap pompa primer, maka kesetimbangan tekanan pada density lock bawah dapat dipertahankan sehingga aliran air poison ke dalam sistem primer dapat dicegah. Akan tetapi, setelah 1680 detik pompa mengalami trip dan laju putaran pompa menjadi nol, akibatnya kesetimbangan tekanan pada density lock bawah terganggu sehingga air poison masuk ke dalam sistem primer. Ada sedikit perbedaan antara hasil simulasi numerik dan eksperimen. Pada hasil numerik, laju alir air poison tertinggi menunjukkan nilai yang lebih besar dibandingkan dengan laju alir air poison tertinggi hasil eksperimen. Laju alir air poison tertinggi hasil simulasi numerik adalah 0,45 kg/dt, sedangkan hasil eksperimen adalah 0,23 kg/dt. Hal ini disebabkan karena pada pompa nyata terdapat sedikit bocoran melalui sirip-sirip pompa, sehingga setelah pompa berhenti terdapat sirkulasi natural baik dari tangki poison maupun dari sistem primer ke riser. Lain halnya dengan simulasi numerik, setelah pompa berhenti aliran pendingin sistem primer berhenti (menjadi 0 kg/dt), sehingga aliran sirkulasi natural seluruhnya berasal dari tangki air poison. Dengan demikian dapat dimengerti bahwa hasil numerik menunjukkan nilai yang lebih tinggi. Selain itu, pada hasil numerik perubahan laju alir menunjukkan dua kali terjadi puncak, hal ini dapat diterangkan dari Gambar 5 bahwa laju alir yang berarah negatif kembali mengalir menuju ke arah riser sehingga sekali lagi terjadi puncak. 398
Karaktersitik perubahan suhu pada saluran keluar dari teras ditunjukkan pada Gambar 7. Sebelum pompa mengalami trip, simulasi secara eksperimen dan numerik menunjukkan hasil yang sama yaitu suhu pada saluran keluar teras berangsur-angsur naik. Namun pada simulasi numerik menunjukkan suhu yang lebih tinggi sehingga perbedaan suhu puncak mencapai kira-kira 2 C. KESIMPULAN Dalam penelitian ini telah dilakukan simulasi kecelakaan kehilangan pendingin sekunder pada reaktor tipe PIUS. Simulasi dilakukan dalam dua cara yaitu eksperimen menggunakan untai uji termohidrolika dan simulasi numerik menggunakan code komputer RELAP5/MOD2. Dari hasil analisis dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Akibat hilangnya air pendingin sekunder, kemampuan pembuangan panas dari sistem primer ke sistem sekunder berkurang sehingga suhu pendingin primer naik. Dengan adanya sistem kendali umpan balik terhadap laju putaran pompa, kenaikan suhu pendingin primer akan dikompensasi dengan naiknya laju putaran pompa primer. Hal ini didukung baik oleh hasil eksperimen maupun simulasi numerik. 2. Dalam kondisi kecelakaan kehilangan pendingin sekunder, reaktor akan shut-down secara otomatis yang disebabkan oleh masuknya air poison ke dalam teras reaktor. Hal ini dari sudut keselamatan reaktor mengandung makna bahwa reaktor tipe PIUS mampu mengantisipasi kemungkinan kecelakaan akibat kehilangan air pendingin sekunder atau air isian pada pembangkit uap. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Dr. Kanji Tasaka dari Universitas Nagoya Jepang yang telah membimbing penelitian ini, dan kepada Dr. Yutaka Kukita yang telah memberi izin untuk memanfaatkan fasilitas penelitian di JAERI. DAFTAR PUSTAKA 1. IGN.DJOKO IRIANTO, dkk., "Verification of The Circulation Pump Feedback Control Using Temperature Distribution in Lower Density Lock for a PIUS-Type Reactor" Annual Meeting of the AES of Japan, Nagoya, Japan, (1992) 2. IGN.DJOKO IRIANTO, <Skk." Eksperimen Termo-hidrolika untuk Pengujian operasi Stabil Reaktor Tipe PIUS" dipresentasikan pada PPI Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, Yogyakarta, April, (1995) 399
3. DAUGHERTY.R.L.dan INGERSOLL,A.C, "Fluid Mechanics With Engineering Application", Me. Graw-Hill Book Company, Inc. (1954) 4. IGN.DJOKO YR1ANTO,"Analysis of Feedback Control System of PIUS-Type Reactor Using RELAP5/MOD2", Thesis Master, Universitas Nagoya, (1994) 5. BILLA,C, D'AURIA,F., GALASSl,GM.,"Accident Management For A Loss Of Feedwater In A Pressurized Water Reactor"..Nuclear Technology, 98 June, (1992) 6. MIN LEE and JIING-HUAE WU,"An Analysis Of Feed-And-Bleed Cooling Of A Pressurized Water Reactor", Nuclear Technology, 98 June, (1992) 400
Pcndingin kolam Pcndingin sckundcr Pressurizer Density lock atas Density lockatas Tangki air poison Pcmbangkit uap Pompa primer Density lock hawah Arah aliran pcndingin primer 1 Pengukur (CR) v,,,. Kendah beda tckanan la J u P uta ran pom pa Gambar 1. Skema Reaktor Tipe PIUS Gambar 2. Diagram Alir Peralatan Eksperimen
o to Pressurizer Density lock %'.^\ atas Pendingiri»»j koiam, Sistem sekunder Tangki air poison - Pompa primer Gambar 3. Nodalisasi Untai Uji Termohidrolika Berdasarkan RELAP5/MOD2
1-40 20 Data eksperimen Data numerik V 0 Data eksperimen Data numerik 0 1000 2000 Waktu (detik) 0 1000 2000 Waktu (detik) Gambar 4. Karakteristik Laju Putaran Pompa Primer Gambar 5. Karakteristik Laju Alir Pendingin Primer
o -pa. 0.4 u 0 80 r r r- ;o.2 I 60 Data eksperimen Data numerik Data eksperimen Data numerik 40 1000 2000 Waktu (detik) 0 1000 2000 Waktu (detik) Gambar 6. Karakteristik Laju Alir Air Poison Gambar 7. Karakteristik Suhu Air Keluaran Teras Reaktor
DISKUSI ENDIAHPH Seteiah aliran pendingin sekunder hilang, temperatur primer meningkat, density lock bagian atas membuka sehingga air berat akan bercampur dengan air teras. Dapatkah dijelaskan bagaimana cara memisahkan air berat dari pendingin primer agar reaktor dapat beroperasi kembali? IGN. DJOKO I. Prinsip pengoperasian reaktor PIVS adalah menjaga kesetimbangan tekanan sepanjang density lock antara sisi primer dan sisi kolam air poison, agar tidak terjadi aliran air poison ke sistem primer atau sebaliknya melalui density lock dengan kata lain mengisolasi pendingin primer dari air poison. Kondisi start up adalah kondisi awal untuk memisahkan pendingin primer dan air poison. Dalam eksperimen ini, pada tahap awal pendingin primer dipanasi dengan pemanas listrik agar diperoleh densitas yang berbeda. Tahap selanjutnya adalah mengoperasikan pompa primer agar diperoleh kesetimbangan tekanan dalam density lock. Dalam kondisi ini pendingin primer terisolasi dari air kolam poison. NEXT PAGE(S) left BLANK 405