Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan PLTNSerla Fasililas Nuklir

Serpong. 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR - BATAN

PENENTUAN SIFAT NETRONIK ELEMEN BAKAR 1/4 ,1/2, DAN3/4 DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM TRIGAP

Oleh:

Edi Trijono Budisantoso, Bambang Sumarsono, Tcgas SutondoPusat Penelitian Nuklir Y ogyakarta - Badan Tenaga Atom Nasional

ABSTRAKElemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4 adalah elemen-elemen bakar yang mempunyai kandungan UZrH

sebanyak 1/1, 1/2 dan 3/4 dari elemen bakar STANDAR dengan sisa ruang volume lainnya digantikandengan Grafit. Di dalam makalah ini dilaporkan hasil pengamatan sifat netronik elemen bakar di atasdengan menggunakan program TRIGAP. Pengamatan dilakukan dengan menghitung reaktivitasnyasebagai fungsi posisi di teras rektor dan fungsi fraksi bakamya. Dari hasil perhitungan reaktivitasnyadapat disimpulkan secara keseluruhan bahwa , elemen bakar yang mempunyai kandungan Uraniumjauh lebih kecil dari elemen bakar mayoritas di teras akan memberikan reaktivitas positifpada posisi­posisi teras tertentu saja, sedangkan elemen bakar yang mempunyai kandungan Uranium yang. sarnadengan elemen bakar mayoritas di teras akan memberikan reaktivitas positif pada sembarang posisidi teras reaktor.

ABSTRACTFuel element 1/4, 1/2 and 3/4 are three of different types of TRIG A fuels having U-ZrH volume

fraction of 1/4, 1/2 and 3/4 to that of ST ANDARD fuel respectively. The remaining space in the fuelis accupied by Graphite. This paper reports the neutronic behavior of the above fuels, evaluated usingTRIGAP code. The evaluation is taken by calculating their contributed reactivity for various burn upfractions and their position in the core. It is then concleded that the fuel clement with much less ofUranium contents then that of the majority fuels in the core, will in fact give the positive reactivityat only certain core position, while the fuel element with the same Uranium contents to that ofmajorityfuels in the core will give the positive reactivity for any of core position.

I. PENDAHULUAN.

Reaktor KARTINI adalah reaktor riset tipe TRIGAMARK II yang mempunyai bahan bakar U-ZrH. Ragamelemen bakar yang tersedia untuk reaktor riset tipeTRIGA MARK II bermacam-macam, yaitu :

a). Elemen bakar FLIP yaitu elemen bakar U-ZrHdengan be rat elemen Uranium 8.5 % yang diper­kaya 70 %.

b). Elemen bakar STANDAR yaitu elemen bakr U­ZrH dengan be rat elemen Uraniun1 8.5 % atau12 % yang diperkaya 20 %.

c). Elemen bakar LEU yaitu elemen bakar U-ZrHdengan berat elemen Uranium 20 % yang diper­kaya 20 %.

Aplikasi jenis elemen-elemen bakar diatas ditentukanpola pengisian teras dan aktivitas reaktomya. Pola terasreaktor KAR TINI direncana menggunakan elemen bakardari satujenis, yaitu tipe STANDAR 8.5 %. Dari elemen­elemen bakar jenis ST ANDAR 8.5 % ada elemen bakar .yang digunakan untukpercobaan pengukuran masa kritisreaktor, yaitu clemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4. Elemenbakar tersebut adalah elemen bakar yang mempunyai

isian U-ZrH sebanyak 1/4, 1/2 dan 3/4 fraksi volumeelemen bakar STANDAR8.5 % dari faksi volume sisanyadiisi dengangrafit. Dimensi fisiknya sarna dengan dimensifisik elemen bakar STANDAR 8.5 % lainnya dan dapatditempatkan pada sembarangposisi diteras reaktor. Dalammakalah ini dipelajari sifat elemen bakar diatas dandibandingkan dengan sifat elemen bakar ST ANDAR.Pengamatan sifat elemen bakar dilakukan denganmengamati reaktivitasnya pada tiap-tiap posisi di terasreaktor yang dihitung untuk berbagai tingkat fraksibakar, dari permulaan sampai fraksi bakar maksimum.Reaktivitas elemen bakar pada masing-masing posisiditeras reaktor ditentukan dengan menggunakan pro­gram TRIGAP dengan cara menghitungperbedaan faktormultiplikasi netron (K) oleh adanyaelemen bakar yangbersangkutan terhadap elemen air. Hasil pengamatanreaktivitas masing-masing jenis elemen bakar padaberbagai posisi di teras reaktor dijabarkan dalam bentukgrafik yang kemudian dievaluasi untuk memperolehposisi-posisi optimum dari maasing-masingjenis elemenbakar.

132

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan PLTNSerla Fasilitas Nuklir

II. DASAR TEORT.

A. Dcskriosl Elcmcn Bakar.Elemen bakar reaktor KARTINI adalah elemen

bakar ST ANDAR 8.5 %. Kelongsong elemen bakaradalah Aluminum untuk tipe 102 atas Stainless steeluntuk tipe 104. Pada ujung atas dan ujung bawah darimasing-masing elemen bakarterhadap Grafit sepanjang

10 em berfungsi sebagai reflektor aksial. Elemen bakar1/4, 1/2 dan 3/4 adalah e1emen bakar STANDAR 8.5 %tipe 102 dengan isian U-ZrH sebanyak 1/4, 1/2 dan 3/4dari pada isian elemen bakar ST ANDAR umumnyadengan rongga yang terjadi diisi dengan Grafit.Perbandingan elemen bakar ST ANDAR dengan elemenbakar 1/4, 1/2, dan 3/4 dapat dilihat pada gambar 1dibawah ini

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR-BATAN

dengan ketentuanp = reaktivitas elemen bakar dalam dollar.

K, = faktor multiplikasi netron teras pada keadaanada elemen bakaryang diamati pada posisinya.

~ = faktor multiplikasi netron teras padil keadaanposisi tempat elemen bakar berisi air.

0.007 = harga ~.fT untuk reaktor KARTINI.

Dengan menggunakan program TRIGAP, harga Kreaktor untuk berbagai konfigurasi teras dapat dihitung,sehingga dapat dikoleksi data K reaktor untuk berbagaiposisi elemen bakar yang diamati dalam reaktor dalamberbagai tingkat fraksi bakarnya. Berdasarkan padakoleksi data K rektor, dapat dihitung reaktivitas elemenbakar yang bersangkutan sebagai fungsi posisi di dalamteras reaktordan sebagai fungsi fraksi bakamya. Berdasar-

ELEMEN BAKAR

~

~STANDAR10

38.110-- - 1/424.3 em

9.524.3 em

ELEMEN = 190.0 grISOTOP = 38.0 grUZrH = 2235.3 gr

ELEMEN = 47.5 grISOTOP = 9.5 grUZrH = 558.8 gr

19.5

14.8

19 em

28.6 em

= UZrH

19.5

14.8f

1/2

3/4

ELEMEN = 95.0 grISOTOP = 19.0 grUZrH = 1117.7 gr

ELEMEN = 142.5 grISOTOP = 28.5 grUZrH = 1676.5 gr

= Grafit reflektor aksial

Gambar I Dcskripsi isian elemen bakar STANDAR dan elemen bakar 1/4, 1/2,3/4

B. Sifat Netronlk Elemen Bakar 1/4. 112 dan 3/4

Sifat nctronik elemen bakar dievaluasi denganmenghitung faktor multiplikasi nctron (K) yang terjadipada elemen bakar. Elemen bakar dianggapmenguntungkan terhadap operasi reaktor apabila dapatmeningkatkan K dan dianggap merugikan apabilamengurangi harga K reaktor. Hubungan an tara K denganreaktivitas elemcn bakar difommlasikan sebagai, 2)

( KI - I )P = -------------

KI * 0.001

(~-1)

~ * 0.007

kan pada data reaktivitas elemen bakar diatas, dapatdilakukan pemetaan posisi elemen-elemen bakar yangmenguntungkan terhadap operasi reaktor.

C. Formulasl clemen bakar 1/4. 1/2 dan 3/4 dalamTRTGAP

TRlGAP adalah program untuk menyelesaikanpersamaan difusi neutron seeara numerikdalam koordinatsilinder satu dimensi zone homogenisasi kearah ruji-rujiuntuk 2 kelompok energi netron. Homogenisasi zoneuntuk berbagai elemen teras dilakukan denganmenggunakan formulasi, I)

133

Prosiding Seminar Tekn%gi dall Kese/amalan PLTNSerla Fasi/ilas Nuklir

Serpong. 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR - BATAN

1

< ------ >= seperkoefisien difusi individu clemen terasD didalam terhomogenisasi untuk kelompok g.a

dengan ketentuan< L > = tampang lintang makroskopis rerata didalama

zone terhomogenisasi untuk kelompok g.= tampang lintang makroskopis individuelemen

teras di dalam suatu zone terhomogenisasi un­tuk kelompok g.

= fraksi volume individu elemen teras didalam

suatu zone terhomogenisasi.

< L > = L V. L.g -------~--_:~LV. --------I

1< -------- >

Da

L.'a

V.I

L [ V. / D. ]= ------_:_--_:&_-----

LV. I

g = 1,2

g = 1,2

(2)

(3)

dianggap sebanding dengan fraksi volume U-ZrH yangada pada masing clemen bakar dikalikan dengan koreksitemperatur, Xenon dan Samarium elemen bakarSTANDAR. Dengan berdasar pada formulasi-formulasidiatas maka parameter difusi clemen bakar 1/4, 1/2 dan3/4 dapat dipcrrsiapkan didalam program TRI GAP denganberpangkal pada parameter difusi clemen bakarST ANDARdan elemen Grafit. Parameterdifusi elemen­

elemen teras di dalam program TRIGAP disusun dalampustakadata TRIGAP .LIB sebagai fungsi fraksi bakamya.Di dalam program TRIGAP, elemen-elemen terasdiindentifikasi dengan menggunakan kode bila integerdengan deskripsi seperti pada tabell. Pada tabel tersebut,elemen bakar 1/4,1/2 dan 3/4 dan fasilitas irradiasi putar(Lazy Susan) diidenfikasi dengan nomor kode tertentuyang merupakan nomor-nomor kode yang ditambahkanpada program TRIGAP untuk melengkapi program dalammenentukan parameter teras reaktor KARTINI.

Elemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4 tidak terdapat didalam TRIGAP. Untuk menyatakan elemen bakartersebut, dibuat suatu anggapan bahwa clemen bakartersebut merupakan eampuran homogen antara Grafitdengan UZrH dengan fraksi volume Grafit dan UZrHyang sudah tertentu sesuai dengan deskripsi clemenbakamya. Parameter difusi clemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4 adalah merupakan rerata parameter difusi elemenbakar STAND AR dengan parameter difusi Grafit denganformulasi sebagai berikut,

D.'a

= koefisien difusi individuelemen teras didalam

suatu zone i terhomogenisasi untuk kelompokg.

D. Batasan Fraksi Bakar Untuk Masin!!-masin!!Elcmcn Bakar.Didalam TRIGAP fraksi bakar per clemen ditentukandengan formulasi

fraksi daya • encrgi • daya rerata zone • volume zoneF.B.Ie I. = ••••-- ------••-••-------.-.-. --.--•••---.-••-••--••---- •••-••••••

daya reaktor· jml el bakar dalam zone

dengan ketentuanfraksi daya adalah bagian daya yang dihasilkanolehjenis clemen bakaryang bersangkutan diban­ding dengan daya total dalam zone homogenisasidan energi adalah Mega Watt Jam reaktor.

L =XLsm +(l-X)L f g=I,2 (4)ax a groaTabel 1. Kode dan deskripsi clemen dalam TRIGAP.LIB

Dax

= seper koefisien difusi elemen bakar X.

dengan ketentuan

Lax = tampang lintang makroskopis el.bakarkelompok g

Lsm a = tam pang lintang makroskopis el.bakar STDkelompok g

Larufa = tampang lintang makroskopis el.bakar Grafitkelompok g

1

Da

1 (I-X)---------+ ------------D D

sma grofa

g = 1.2 (5)

NO KODE DESKRIPSI ELEMEN1

Elemen bakar FLIP2

Elemen balmr LEU3

Elemen bakar ST ANDAR

4Pipa aluminum berisi air (rod guide tube)

5Pipa aluminum berisi udara (void channel)

6Elemen bakar dummy (Grafit)

7Elemen Berilium (sumberNetron)

8Ujung pneumatik (fasililas irradiasi pus.1t)

9Kolom Irradiasi

10

Reflektor Grafit

IIAir pendingin reaktor

12Fasilitas Irradiasi Putar (Lazy Susan)

13

Elemen bakar 1/414

Elemen bakar 1/215

Elemen bakar 3/4

X = 1/4, 1/2,3/4 sesuai dengan deskripsi el.bakar

Koreksi temperatur, Xenon, dan Samarium padaprogram TRIGAP diformulasikan untuk parameter-pa­rameter difusi elemen bakamya saja, sedangkan para­meter-parameter difusi elemen non elemen bakar tidakmengalami koreksi, sehingga koreksi temperatur, Xe­non, dan Samarium pada elemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4

TabeI 2. Batas fraksi bakar maksimum di dalam TRIGAP.LIB

Jenis clemen batas fraksi bakar%

MWHFLIP

34.1058844.8000LEU

40.4340817.7000

STANDAR 12%

--STANDAR 8.5%

52.6540392.9289ELEMEN 1/4

52.654098.2323ELEMEN 1/2

52.6540196.4644ELEMEN 3/4

52.6540294.6966

134

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan PLTNSerta Fasililas Nuklir

Karena elemen bakar 1/4, 1/2 dan 3/4 mempunyai

rapat atom U-235 yang sarna dengan elemen bakarST ANDAR 8.5 % tetapi mempunyaijumlah atom 1/4,1/2 dan 3/4 daripada elemen-elemen bakar ST ANDAR 8.5%, maka fraksi dayanya dan batas fraksi bakarnyaditentukan sebanding dengan perbandingan jumlahatomnya. Apabila ditabelkan, maka batas fraksi bakardidalam TRIGAP untuk bermaeam-maeam elemen bakar

terlihat pada tabel 2.

III. PERSIAPAN DATA DAN HASIL PERHITU­

NGAN TRIGAP.Untuk menentukan reaktivitas elemen bakar,

diperlukan data faktor multiplikasi netron (K) reaktorpada berbagai susunan teras yang ditentukan denganmenggunakan program TRIGAP dengan kriteria sbb :1). Dibuat satu konfigurasi teras dengan seluruh elemen

bakar baru pada suatau konfigurasi seusai dengankonfigurasi reaktor KARTINI pada tgl 23/11/1990seperti terlihat pada gambar 2.

2). Ditentukan harga K pada kondisi awal yaitu denganmenggantikan tempat satu elemen bakar pada suatuzone dengan kolam air. Harga K tersebut ditentukanuntuk masing-masing zone.

3). Dibuat batasan-batasan fraksi bakar untuk elemenbakar yang diamati seperti pada tabel 3.

4). Susunan teras diubah dengan eara mengganti satuelemen bakar pada suatu zone dengan elemen bakaryang diamati sifatnya, kemudian ditentukan harga Kreaktor. Cara ini diulang untuk zone-zone lainnya,kemudian prosedur ini diulang dengan mengubahtingkat fraksi bakar daripada elemen bakar yangdiamati sifatnya. Tingkat-tingkat fraksi bakardipero­leh dari batasan yang ada pada tabel3.

5). Di dalam mengumpulkan besaran K untuk berbagaisusunan teras, dibuat daya reaktorpada program TRI­GAP pada tingkat minimum (0.01 KW) sehinggayang terhitung adalah harga K reaktor dengan tanpabanyak pengaruh reaktivitas negatifsuhu dan Xenon.

Serpong, 9-10 Februar/1993PRSG. PPTKR -BA.TA.N

Dan hasil perhitungan TRIGAP dengan berdasarkanpada kriteria diatas dapat ditabelkan harga K untukbermaeam-maeam kondisi teras, seperti pada tabel 4.

IV. PEMBAHASAN

Dari hasil perhitungan reaktivitas denganmenggunakan persamaan (1) terhadap data faktormuItiplikasi netron, dapat diperoleh data reaktivitaselemen bakar sebagai fungsi posisinya diteras dan fraksi

bakarnya. Sebagai elemen pembanding terhadapreaktivitas elemen bakar didalam reaktor adalahreaktivitas elemen air reaktor. hasil perhitungan

reaktivitas elemen bakar 1/4, 1/2,3/4 dan elemen bakarSTAND AR, disusun dalam bentukgrafikpada gambar 3.Dengan mempelajari grafik-grafik tersebut danmembandingkannya satu terhadap yang lainnya, akandiperoleh perbandingan sifat elemen-elemen bakar sbb,1). elemen bakar ST ANDAR memberikan reaktivitas

positifpada hampir seluruh posisinya diteras reaktoruntuk berbagai tingkat fraksi bakar.

2). elemen bakar 3/4 memberikan reakti vitas positifpadaseluruh posisinya di teras reaktor, apabila fraksi ba­karnya lebih keeil dari 3/4 maksimumm. Pada tingkatfraksi bakar daripada 3/4 maksimum, hanya akanmemberikan reaktivitas positifpada posisi ring B atauring F saja.

3). elemen bakar 1/2 memberikan reaktivitas positifpada seluruh posisi teras apabila fraksi bakarnya dibawah 1/2 fraksi bakar maksimum. Pada fraksi bakardiatas 1/2 maksimum akan memberikan reaktivitas

positif ring B atau ring F saja.4). elemen bakar 1/4 memberikan reaktivitas positif

pada ring B atau ring F apabila fraksi bakarnya lebihkecil atau sama <,lengan 1/2 fraksi bakar maksimum.Pada fraksi bakar yang lebih tinggi,elemen bakar 1/4hanya memberikan rcaktivitas positifpada posisi ringF saja. Pada keadaan baru elemen 1/4 dapat mengha­silkan reaktivitas positifpada posisi ring B,C, dan F.

Tabel 3. Batasan fraksi bakar daripada elemen-elemen bakar yangdiamati sifat nctroniknya

SPESIFlKASI JENIS ELEMEN

• TANDAR 8.5 %

ELEMEN 1/4ELEMEN 1/2ELEMEN 3/4

KODE ELEMEN

3131415

NO ELEMEN

9890148514871486

TINGKAT F.B.

MWHMWHMWHMWH

0

0000

1/4 maks

98.232224.558049.116173.6741

1/2 maks

196.464449.116148.2322147.3483

3/4 maks

294.696673.6741147.3483221.0224

maks

392.928998.2322196.4644294.6966

135

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan PLmSerla Fasililas Nuklir

V. KESTMPULAN.

Dari perbandingan reaktivitas dari masing-masingelemen bakardiatas secara keseluruhan dapat disimpulkanbahwa elemen bakar yang mempunyai kandungan bahanfisil jauh lebih kecil daripada kandungan bahan fisilelemen bakar mayoritas di teras akan memberikan

Serpol1g. 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR - BATAN

rcaktivitas positif pada posisi-posisi tertcntu saja,sedangkan elemen bakar yang mempunyai kandunganbahan fisil sarna dengan elemen bakar mayoritas di terasakan memberikan reaktivitas posistif pada sembarangposisi diteras reaktor.

VI. RUJUKAN.1. I. Mele, M. Ravnik, TRIGAP A Computer Programme Package For Research Reactor calculation. IJS-DP-4238,

Desember 1985.

2. K.S. Ram, R. Ramanna, Basic Nuclear Engineering Copyright 1977, Wiley Eastern Limited.

DISKUSI

SETIY ANTO :

Ada bahan bakar yang dapat memberikan reaktivitas maksimum pada posisi terluar dan terdalam. lelaskan kenapademikian !

EDI TRIJONO :

Hal tersebut terjadi oleh karena adanya perbedaan angka kebocoran neutron (L(' L,) yang terjadi pada masing-masingzone.

BAMBANG HERUTOMO :

Bagaimana pengaruh bahan bakar 1/2, 1/4,3/4, standart terhadap "core excess reactivity". Kondisi atau variasi yang

bagaimana yang sangat menguntungkan terhadap susunan bahan bakar tersebut dalam teras R.A Kartini.

EDITRIJONO:

Elemen bakar standart selalu menambah "core excess reactivity" di dalam setiap posisinya. Sedangkan untuk elemenbakar 1/4, 1/2 atau 3/4 menurut perhitungan saya tidak selalu menambah "core excess reactivity" hanya pada posisitertentu saja akan menambah "core excess reactivity".

RPH ISMUNTOYO :

1. Masalah apa yang dihadapi sehingga diadakan perhitungan konsentrasi V Zr H 1/4, 1/2, 3/42. Mengapa dipilih V Zr H berharga V Zr H 1,65

EDI TRIJONO :

1. Untuk meningkatkan optimasi penggunaan elemen-elemen bakar yang ada pada reaktor KARTINI gunamenghasilkan unjuk kerja operasi reaktor yang paling baik.

2. Yang kami maksud U Zr H dalam makalah kami adalah U Zr HU6

136

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR - BATAN

Gambar 2. Konfigurasi teras reaktor KARTINI tgl 23 Nov 199 dengan no elemen 1486,1487 dan 1485dihapuskan dari ring F16, F21, dan F30.

137

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamaran PLTNSerra Fasililas Nuklir

Tabel 4. Faktor perlipatan netrom (K) teras reaktor

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

Dihitung dengan menggunakan TRIGAP pada konfigurasi teras tgl 23/11/1990 dcngan salah satu posisi elemenbakar pada satu zone diganti dengan elemen yang diamati sifat netroniknya.

TemDat elemen air K terasB

1.0185410C

1.0200150D

1.0219430E

1.0228160F

1.0229640

Tempat el K reaktor dgn el. bakar 1/4 pada tingkat F.B.bakar 1/4

01/4 maks1/2 maks3/4 maksmaksB

1.01952201.0191640 .1.01884001.01849701.0181390C

1.02027201.01997401.01970401.01942001.0191200D

1.0i162501.02146001.02124201.02105101.0208490E

1.02278201.02266001.02254901.02243201.0223080F

1.02344001.02336501.02329401.02322101.0231420

Tempat elakar 1/2BCDE

_0_1.02136401.02186201.02275801.0234250

K reaktor dgn el. bakar 1/2 pada tingkat F.B.1/4 maks 1/2 maks 3/4 maks1.0206540 1.0200100 1.01933001.0212660 1.0207300 1.02016301.0223540 1.0219930 1.02160901.0232780 '1.0230550 1.0228230

maks

1.01861301.01956701.02121001.0225780

Tempat el K reaktor dgn el. bakar 3/4 pada tingkat F.B.bakar 3/4

01/4 maks1/2 maks3/4 maksmaks

B1.0231900. 1.02213101.02117101.02015701.0190860

C1.02343701.02255001.02174901.02090401.0200100

D1.02388201.02327901.02273801.02216801.0215700

E1.02426501.02389601.02356501.02321401.0228470

F1.02448201.02425901.02404901.02382601.0235920

Tempat el

bakar STDBCDE

o

1.02500101.02500101.02500101.0250010

K reaktor dgn el. bakar STANDAR pada tingkat F.B.

1/4 maks 1/2 maks 3/4 maks

1.0235970 1.0223250 1.02978001.0238270 1.0227630 1.02164101.0242020 1.0234820 1.02272501.0245120 1.0240700 1.0236070

138

maks

1.01955501.02045801.02192801.0231150

/

.;

A

f:91KTIVITAS ELEl-EN BAKFR STANDPRO

RIN3

REAKTIVITAS ELEMEN ~AKAR 1/4O.I~

O.1!:O.CQ

U1a:>-O.Ot

::;:"a:0.0::1 ~

0.00

REAKTIVITAS ELB.g~ BAKFR 3/4

IIY F.B 0.5~,~,(J/f.B 0.75

~.BMX"---------------_/A

RIr..G

REfI<T I V ITAS B..B1ErJ 8A<ffi 1/2

r·7O10 . .,o.ee

o. ~e0.420.::16

H!

>-0.21!

::C.;:!I

;:"a:0,'"

wcr:0.07

0."0

O.J~o.:)~o.ze0.2:-'U10.2:0

a:>-

D.le

>O.1Z

j-"o.oe

a:wcr:o.a.c 0.00

RIN3A o

RIr..G

Gambar 3. Grafik Reaktifitas elemen-elemen bakar reaktor KARTINI sebagai fungsi posisi dan fungsi fraksibakamya.

Prosiding Seminar Teknofogi dan Kesefamatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - SATAN

PENGKAJIAN ASPEK THERMAL REAKTOR DAYA JENIS PWR

Oleh:

R. Indrawanto, Saiful Sujalmo, Endang SusilowatiPusat Reaktor Serba Guna - Badan Tenaga Atom Nasional

ABSTRAK

Pengkajian aspek termal reaktor dayajenis PWR sangat diperlukan untuk mendukung programBAT AN di dalam persiapan pembangunan PL TN yang pertama di INDONESIA.

Melalui makalah ini telah dikaji parameter disain PLTN jenis PWR (Pressurized Water Reactor)dengan daya 600 MWe. HasH pengkajian menunjukkan pada daya tersebut reaktor membutuhkanbahan bakar U02 sebanyak 94,33 ton. Laju pending in primer 56484 m3/jam, suhu pusat bahan bakar1965,2 °C dan DNBR = 1,86.

ABSTRACT

The thermal investigation on Pressurized Water Reactor is very important to support BAT AN'Sprograms in preparation of the first Nuclear Power Plant Construction in Indonesia. In this paper, it hasbeen in vestigated that design parameters ofthe PWR with the power of 600 MWe. Investigation resultsshow that the U02 Consumption forthePWR is 94,33 tons. Primary cooling flow rate is 56484 m3lhour,the Centre fuel element temperature is 1965,2 °C and DNBR is 1,86.

I. PENDAHULUAN

Dalam rangka persiapan program pembangunanPLTN yang pertama di Indonesia, BATAN bersama­

sarna dengan BPPT dan PLN telah mengirim tenaga ahliuntuk mengikuti partisipasi disain di General Electricdan Westinghouse. Salah satu partisipasi lokal yangdilakukan PRSG, ialah dengan melakukan pengkajianaspek thermal PLTN jenis PWR dengan daya 600 MWe.Reaktor daya jenis PWR pada saat ini merupakan yangterbanyak dioperasikan di dunia. Reaktor ini mengguna­kan air sebagai pendingin terasnya dan temperatur kerjapendingin berkisar antara 290°C sampai 325°C. Padakondisi tersebut tidak diperkenankan terjadi pendidihanpada teras reaktor. Untuk mencapai kondisi tersebut te­kanan kerja pendingin berkisar dari 2000 sampai 2400Psi. Adapun diagram alir PWRsecara skematis ditunjuk­kan dalam gambar 1.

Karena sifat air yang "incompressible" maka bilaterjadi perubahan volume yang kecil akan mengakibatkanperubahan besar pada tekanan pendingin primer. Jikatekanan pendingin primer turon akan terjadi penguapandi teras dan dapat mengakibatkan rusaknya beberapabahan bakar karena terjadinya "burn out". Untukmence­gah terjadinya kejadian ini, maka sistem p'endingin primerPWR dilengkapi dengan pressurizer. Adapun kegunaandari alat tersebut untuk mempertahankan tekanan pendi­ngin primerpada batas keselamatan yang telahditentukan.

Bahan bakar yang digunakan adalah dalam bentuk

senyawa U02 dengan pengayaan U23Ssebesar 2% - 3%.Bentuk U02 merupakan pH-pil kecil dengan diameter 1em, panjang 2 cm dan disebut pellet serta dimasukkandalam kelongsong yang terbuat dari bahan "zircaloy".Melalui makalah ini dikaji parameter disain PLTN jenisPWR (pressurized Water Reactor) dengan daya 600 MW

MWe. Diharapkan hasil pengkajian dapat digunakan se­bagai studi perbandingan terhadap parameterdisain reak­tor sejenis, yang mung kin akan dipilih dikemudian hari.Dengan menggunakan beberapa asumsi parameter PWRyang sudah baku dan dengan rumus-rumus dari beberapaliteratur dapat ditentukan parameter disain.

Sebagai bahan perbandingan dari hasil perhitungandigunakan data parameter disain PWR Tomari. Darihasil perhitungan didapat banyaknya bundel bahan bakar(17xI7) 128 bundel, sedangkan untuk PWR Tomaridengandaya579MWe(14xI4) 121 bundel,panjangseti­ap elemen bakar 3,56 m sedangkan untuk PWR Tomari2,46 m, laju pending in primer 39.163 ton/jam dan untukPWR Tomari 30.000 ton/jam. Dari hasil perhitungan ter­Iihat parameter disain yang diperoleh untuk PWR dengandaya 600 MW e mendekati parameter disain PWR Tomariyang telah operasional.

II. TEOR!II-I. PERHITUNGAN KARAKTERISTIK TERAS

Dalam pengkajian perancangan teras reaktor dayajenis air bertekanan diasumsikan sebagai berikut :

- Daya elektrik = 600 MW- Effisiensi sistem (11) = 33 %- Faktor titik panas total (F) = 2,575- Fluks neutron termal rerata (<P) =3.1013n/cm2.det- Laju pendingin primer = 4,87 m/det- Suhu pendingin primer masuk = 290°C- Suhu pending in primer keluar = 322°C- Tekanan pending in primer = 2200 Psi- Ukuran batang elemen bakar

- diameter luar = 1,07 cm- tebal kelongsong = 0,062 cm- tebal gap = 0,007 cm

140

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

- densitas U02- Pengkayaan bahan bakar

= 10,5 g/cm3

=3,2 %

Laju panas linier maks (qmaksI)

= qlllrnaksX luas penampang pellet= 355,44 W/Cm

600Q = Panas terbangkit dalam teras = -termis ..... (1)

h .= 62303,016.106 BTU/

jam

Laju panas linier rata-rata q.t= laju panas linier maks/F= 139,04 W/Cm

dim ana D Hp = Selisih entalphi keluaran pendinginprimer clan masukan pendingin primer

= 87,03 . 106 Lb/jam = 15,69 m3/det.

Kecepatan pendingin primer =Q

Ll Hp......... (2)

Panjang total bahan bakarpanas total terbangkit (Q)

laju panas linier rata-rata= 13,70 . 104 m

panjang setiap b. bakar = panjang total/jumlah b. bakar= 3,70 m

15,69 m3/detikLuas area aliran pendingin =

Laju pendingin primer= 3,22 m2

Yolume U02/bahan bakar= cp pellet x panjang setiap bahan bakar= 248,49 Cm3

Luas satu bundel b. bakar jenis PWR (B) = 492,4 cm2•Berat U02/bahan bakarBerat U02 total

= 2609,14 g= 88,17 ton

Luas penampang b.bakar/bundcl (D)= II/4.d2 x jml. b.bakar/bundel= 237,27 Cm2

Luas pendingin sctiap bundel (C) = B - D= 255,13 Cm2

Jumlah bundcl b. bakar = 3,22 mlC2

= 128 bundel

Jumlah b. bakar (N) = jml bundel x jml b.bakar/bundel= 36992

rap at day a volumetrik : qlll= G . Nf • oro' F (3)aT = 0,8862 f (T) 0fo • (To/T)O,5

Tin p primer + TOUIP primerdengan T = ---------- = 306°C

2

f(T) = 0,93 (lihat Gbr 4-3 El. Wakil)

oro = 577,1 barn (appendix B El. Wakil)aT = 341,22 barn = 341,22. 10.24 Cm3

Gr = 180 Mev/fission (besar energi tiap pembelahan)

Jika diambil pengayaan U02 = 3,2 % maka didapat :Nf = 7,115 . 102° inti atom/Cm3

dengan bcsaran tersebut di atas dihitung daya panas vo­lumetrik

dengan rumus no. 3 diperolch :qlll = 203 W /Cm3

qlll maks = F . qlll

dim ana F ialah faktor titik panas total sebesar 2,575qlll maks = 522,72 W/Cm3

Luas total teras reaktor= Jumlah perangkat b.bakar x luassetiap bundel b bakar jenis PWR= 6,3 m2

Diameter equivalent teras (R)=-J 4 x luas total teras reaktor

IT

= 2,83 m

11-2.Pcrhitunl!an dlstrlbusl suhu bahan bakarDalam perhitungan diambil empat buah bahan bakar

yang disusun secara square pitch dengan jarak pitch =1,32 Cm

clan saluran pendingin yang ditinjau ialah Aluas saluran A = 0,85 Cm2 dengan laju alir = 278 gr/detBesarnya koefisien perpinclahan panas dapat dihitungdengan rumus "Dittus boelter".h = 0,148 (1+10.2 T + 10.5T) yO,8BTU/feet2 hroF ..... (1)

D°,2

T. + TOUI ° FIn

T=2

Y = laju alir pendingin feet/jamD = Diameter equvalent saluran (feet)

S2 _ ITa2

= 2 x ITa

141

Prosiding Seminar Tekn%gi dan Kese/amatan PLTNSerta Fasililas Nllklir

h = 6285,26 BTU/fcet2 hr of= 1,99 W/Cm2 °C

Kedudukan suhu selongsong maksimum dapat dihitungdengan rumus :

H HZe = - tan-· ------- (2)

II Cp m (-1/2 - [1/ h (R + b)]

Serpong. 9-10 Febmari 1993PRSG. PPTKR - BATAN

suhu permukaan pellet Tm2 = TCw + D TG= 546,28 °C

qlll d2penurunan suhu bahan bakar = f:.T M= ---­

16 K(U02)=1418,89°C

suhu pusat bahan bakar TMI= !!.T M+ TM2= 1965,2 °C

laju panas per satuan luas qll = laju panas linier makskelJlmg elemen bakar

= 121,72 watt/Cm2

dimana :

H ialah tinggi bahan bakar = 389 Cmm laju alir pending in yang melewati saluran pendingin

= 278 gr/det

Ze = 95,14 CmR ialah jari-jari bahan bakarb ialah tebal kelongsong

pada posisi tersebut suhu pendinginqlll maks Vf

Tb =Tbo + --- [1 +sin (-)]II mG Cp H

dimana Vfialah Volume U02 = 63,24 Cm3qIII maks = 522,72 W/Cm3Z= 95,14 CmTbo = 290 °C

Tb = 296,88 °C

........... (3)

Distribusi suhu bahan bakar ditunjukkan dalam lampir­an 2.

II-3. Pcrhltnn{!an llnks Panas kritlsSalah satu parameter keselamatan yang harus dipenuhidalam suatu pereneanaan thermis PLTN jenis PWR atauBWRjIuks panas kritis.Fluks panas kritis merupakan batasan yang tidak bolehdilampaui dalam operasi nom1al suatu PLTN.Untuk menentukan besaran ini harus dihitung DNBR,pengertian DNBR ialah perbandingan fluks panas kritisyang dihitung dengan korelasi denganjIuks panas kritisyang dibangkitkan pada posisi tertentu. Untuk PLTNjenis PWRjIuks panas kritis dihitung dcngan korelasi"Bernath" dan berlaku kriteria pereneanaan untuk PWRdengan DNBR minimum 1,3 atau harus lebih besar dari1,3.KorelasijIuks panas kritis untuk subcooled boiling di­hitung dengan korelasi Bernath.

qll = he (Twe- TJ (1)Twe= 102,6 In P - (97,2P/P + 15) - 0,45 V +32 (2)

penurunan suhu pada lapisan film!!.T = qll / h = 61,16 °C

suhu permukaan luar kelongsongTel = 296,88 + 61,16 = 358 °C

Fluks panas rata-rata lewat kelongsongdiameter luar

'lell = ------------x qlldiameter luar - tebal kelongsong

'lell= 130,24 W/Cm2

P = 2198,5 PsiV = 4,87 mldet = 15,58 feet/detT = 654 02 OF

we '

D 48 Vh = 10,890 [ e ] + --e D +D. DO.6

e I e

D = 2 X S2- lla2 / llac

= 0,046 feet

Dj = 2 lla = 0,09 feethe = 17166,38 BTU/hrfeet2 OF

.......... (3)

........... (4)

penurunan suhu pada kelongsong

'lell x tebal kelongsong!!.TeI= -------- =47,49°C

Kke,suhu kelongsong dalam TeZ = Tel + d Te

= 405,49 °C

Fluks panas rata-rata lewat gapdiameter luar - tebal Kel

~II = X 'lelldiameter pellet - tebal gap

= 140,8 W/em2penurunansuhulewatgap

gall 140,8!!.T = -=--= 140;79

& ~c 0,0024

Jika diketahui suhu kelongsong maksimumTo=269,88 °C = 566,38 OFDengan menggunakan runms (1) besamya fluks panaskritis pada posisi tersebut :

q;1 = 1504392,9 BTU/hr feet = 474,57 W/Cm2DNBR = 'lell/q = 3,8pada outlet Tb = 322 °C = 611,6 OF.Jika tekanan diasumsikan penurunan tekanan pada teras= 12,5 Psi

'lell= 17166,38 (653,44 - 611,6)= 718241,34 BTU/hr feet2 = 266,57 W/Cm2

DNBR = 226,57 /121,72 = 1,86

142

Prosiding Seminar Tekn%gi dan Kese/amatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

11-4. Pcrhitun2:an Pcmban2:kit VaDDalam perhitungan pembangkit uap direncanakanmenggunakan dua buah steam generator (pembangkituap) dengan kapasitas masing-masing 909 MW.Untuk membangkitkan listrik sebesar 600 MWe, keduakeluaran dari masing-masing pembangkit uap digabungdan masukke dalam turbin tekanan tinggi dengan tekanan

(P,) = 838 Psi dan suhu'(TSl) 265°C. Jika direncanakansuhu pendingan sekunder masuk pembangkituap dengan

suhu (Ts) = 245°C, laju aliran uap ke turbin dihitungdengan rurnus :LAUT = Daya Elektrik x 10.050 / (~ - H) (1)

dimana :

H2 ialah enthalphi uap jenuh yang masuk turbin padasuhu 265°C, dan tekanan 838 Psi

HI ialah enthalphi pending in sekunder yang masuk kepembangkit pada suhu 245°C

LAUT = 8.881446,7 Ib/hr = 4440,7 ton/jam

Luas perpindahan panas setiap pembangkit uap dihitungdengan rum us :

S = Qc (hi - h2) / U.LMTD (2)

dimana :~t. - ~t

LMTD = In ou'

In [~tj~tou,]~tin = 613 - 487,8 = 125,2Mou. =554 - 452,8 = 101,2LMTD = 112,78

h2 = entalphi masukan pendingin sekundcrhi = entalphi keluaran pendingin sekunderU = koefisien perpindahan panas total steam generator

= dalam perencanaan diambil harga U = 750 BtulfeetOF

Qc = Laju alir pendingin primer ke setiap steam genera­tor

T613 OF

509

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

Jika menggunakan 2 buah pembangkit uap laju alir pen­dingin primer yang masuk ke setiap pembangkit uap

Qc = 87,03 X 106/2 = 43.515.000 Ib/hrS = 21606 m2

Mengenai detail disain dari pembangkit uap yang meli­puti panjang pipa, banyak pipa, spacing, penyangga,bajJles, perhitungan kecepatan dan rugi tekanan akandikerjakan oleh pabrik pembangkit uap.

III. HasH dan PembahasanDari hasil perhitungan laju alir pendingin primer

yang melewati teras didapat

LA = 56484 m3/jampp

Laju alir ini tidak memperhitungkan adanya aliran by-pass yang mengurangi laju alir di teras.Adanya aliran bypass ini disebabkan toleransi dalam fa­brikasi pemasangan bundel bahan bakardalam bejana te­kan.

Aliran bypass ini disebabkan :- ada ruang (gap) antara baffle dan outlet nozzle- ada gap di antara bundel bahan bakar- ada gap dalam control rod atau control rod thimble- ada gap antara baffle dan baret

Besamya aliran bypass kira-kira 4-8 % dari lajualirpen­dingin primer total dan tergantung dari ukuran toleransiperencanaan.Dari hasil perhitungan distribusi suhu bahan bakardidapat

suhu pusat bahan bakar (TM) = 1965 °C. Untuk bahanbakar U02 titik lelehnya bergantung pada bum up. Padaumumnya PLTN yang menggunakan bahan bakar U02

temperatumya harus di bawah 2482,22 °C.Berdasarkan hasil perhitungan fluks panas kritis padasuhu kelongsong maximum didapat harga DNBR = 3,8harga ini masih jauh di atas ketentuan DNBR minimumuntuk PWR > 1,3

, IV. KcsimnulanBerdasarkan hasil pengkajian aspek termal dapat

disimpulkan bahwa karakteristik disain yang diperolehdari perhitungan dapat digunakan sebagai dasarperenca­naan reaktor daya PWR dengan daya termal 1818 MW.Tentu saja perhitungan ini harus disempumakan denganmenggunakan program COBRA IV-Cdanjuga dilengka­pi dengan analisis kecelakaan dalam kondisi LOCA.

V. ACUAN1. Erik S. Pederson "Nuclear Power" Volume I, "Nuclear Power Plant Design" Ann Arbor Science Publishers Inc,

1980.

2. M.M. EI-Wakil "Nuclear Heat Transport" Ther American Nuclear Society La Grange Park, Illinois, 1978.3. Ridwan Muhammad MSc, PhD, "Pengantar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuclear"4. Joel Weisman "Elemens of Nuclear Reactor Design" Robert E. Krieger Publishing Company Inc. Krieger Drive,

Malabar Florida.

143

Prosiditlg Semitlar Tektlologi dati Kese/amatatl PLTNSerta Fasililas Nuk/ir

T ABEL 1PERBANDINGAN PARAMETER DISAIN

Serpotlg, 9-10 Februari /993PRSG, PPTKR - BATAN

PWRTOMARI

di Jepang

Daya thermalDaya listrikTemp. keluaran terasTemp masukan terasTekanan uap pada pembangkit uapUkuran bundel bahan bakarJumlah bundel bahan bakar

Laju pendingin primerLuas perpindahan panas pembangkit uapPanjang bahan bakar ilktifDiameter teras

Laju panas linier rata-rataLaju panas linier maksimum

1650 MWe579 MWe323 °C288 0 C838 Psi

14x14121

20.200 m3fjam4780 m2

3,66 m2,46 m

204 WfCm473 WfCm

144

PWR HASIL

pengkajian

1818 MW600 MW322 °C290 °C838 Psi

17x17128

56.484 m3fjam

4501,46 m2

3,7 m2,83 m

139,04 WfCm355,44 WfCm

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

....•. "\-

145

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR - BATAN

~~Po-.•...

~~j

~se

bI)co

P.:f

is

~

....:

•...co

E-i

-S

~

co

C)§ 0U

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan PLTNSerla Fasililas Nuklir

1965,2 -

- •.. RADIUS OF PIN

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

. CLADJNG

-r- GA S GAP

-':=aJ fu~l )

. COOLANT

358

Gambar 2. Temperature distribution in fuel pin

146

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNSerla Fasililas Nuklir

Gambar 3

147

Serpong. 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR -BATAN

1

.J

:.1·

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamaran PLTNSerra Fasililas Nuklir

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - SATAN

1.'oWCI' Hcnc!.al"!; nud NlIelcnr StClI!}! Sllppl)' SYSt<":III~;

o II ~ ~ II

\ . fl 1\ ~ (,,,,,,,,1 ,,,d

I~l'

l:%·-IJ>II.--. ~I--·II;·II~~:.\,_._'-- l'L'1\lll,i Iuti

.. ,-.-

.. ,- ._,Core SII P\1Ui'Ibaird

..•.-.-.-- ('UI': Sill Ulld

(,"'r.: SlIppUi'I- ..•, :\\s<:l1\hl)'

Gambar 4. Cross-sectional vies of a pressurized-water reactor (Courtesy of Combustion Engineering, Inc.)

148