KAJIAN PENGARUH PENEMPATAN INSTRUMENTED FUEL ELEMENT PADA PENGUKURAN SUHU ELEMEN BAKAR REAKTOR KARTINI
Budi Rohman, Daddy Setiawan
Pusat Pengkajian Sistem dan Teknologi Pengawasan Instalasi dan Bahan Nuklir Badan Pengawas Tenaga Nuklir (BAPETEN)
ABSTRAK
KAJIAN PENGARUH PENEMPATAN INSTRUMENTED FUEL ELEMENT PADA PENGUKURAN SUHU ELEMEN BAKAR REAKTOR KARTINI. Guna menjamin keselamatan operasi reaktor nuklir, diterapkan kondisi dan batas operasi (KBO) yang meliputi berbagai macam parameter keselamatan yang merupakan batasan untuk operasi yang selamat serta telah memperhitungan margin yang memadai. Salah satu KBO yang diterapkan di Reaktor Kartini adalah suhu elemen bakar yang dipantau menggunakan Instrumented Fuel Element (IFE). IFE lazimnya dipasang di kanal panas sehingga memberikan hasil pengukuran elemen bakar tertinggi. Tulisan ini menyajikan prediksi suhu elemen bakar pada daya nominal dan daya lebih guna mengetahui besar penyimpangan hasil pengukuran suhu elemen bakar yang mungkin ditimbulkan oleh kesalahan penempatan posisi IFE. Perhitungan dilakukan menggunakan program PARET/ANL, yang memberikan hasil bahwa apabila IFE ditempatkan pada posisi yang salah, asalkan masih berada di ring B, akan memberikan penyimpangan hasil pengukuran maksimal 2.6 % lebih rendah dari pada suhu elemen bakar maksimum.
Kata Kunci : Reaktor Kartini, Instrumented Fuel Element, suhu elemen bakar, PARET/ANL.
ABSTRACT
REGULATORY ASSESSMENT ON THE EFFECT OF INSTRUMENTED FUEL ELEMENT POSITION TO THE MEASUREMENT OF FUEL TEMPERATURE OF KARTINI REACTOR. In order to ensure the safe operation of nuclear reactors, it is customarily for regulatory bodies to require operating organizations to apply limiting condition for safe operation (LCO) for the operating reactors. LCO covers important safety parameters which are applied as limits in reactor operation and has accounted for adequate safety margins.
One of the elements of LCO applied to Kartini Reactor is fuel element temperature which is monitored using Instrumented Fuel Element (IFE). IFE is typically positioned in the hot channel so as to provide the highest fuel element temperature measurement. This paper presents the prediction of the temperatures of fuel element at nominal power and over-power to determine the deviation in temperature measurement as a result of incorrect positioning of IFE. The calculation is performed using PARET code, which gives result that in case the IFE is positioned incorrectly, as long as it is still in B-ring, it will give a maximum deviation of the measurement result of 2.6% lower than the actual maximum fuel temperature.
Keywords: Kartini Reactor, Instrumented Fuel Element, fuel temperature, PARET/ANL
.1. Pendahuluan
Reaktor Kartini merupakan reaktor penelitian yang berlokasi di Yogyakarta yang dioperasikan oleh Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB), Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN). Reaktor Kartini
dimanfaatkan untuk pendidikan dan pelatihan, penelitian dasar dalam bidang fisika dan teknologi reaktor, serta iradiasi.
Guna menjamin keselamatan operasi, pada reaktor Kartini diterapkan Batasan dan Kondisi Operasi (BKO), di
mana salah satu unsurnya adalah Kondisi dan Batas Operasi (KBO) yang meliputi berbagai macam parameter keselamatan penting yang nilai-nilainya merupakan batasan untuk operasi yang selamat serta telah memperhitungan margin keselamatan yang memadai.
Salah satu unsur KBO yang diterapkan di Reaktor Kartini adalah suhu elemen bakar yang dipantau menggunakan Instrumented Fuel Element (IFE), yakni elemen bakar yang diperlengkapi dengan termokopel.
Karena ditujukan untuk memantau keselamatan elemen bakar, IFE lazimnya ditempatkan di posisi yang menurut perhitungan fisika reaktor merupakan kanal panas (hot channel), sehingga memberikan hasil pengukuran suhu elemen bakar maksimum.
Berdasarkan konfigurasi teras yang tertera di Laporan Analisis Keselamatan (LAK) Reaktor Kartini[1], IFE dipasang di posisi B1.
Meskipun IFE dipasang pada posisi yang telah ditentukan berdasarkan perhitungan fisika reaktor, terdapat banyak hal yang dapat menyebabkan IFE terpasang di tempat yang bukan merupakan kanal panas. Hal ini dapat terjadi misalnya karena telah bergesernya lokasi kanal panas, ataupun
dari hasil perhitungan lain yang menggunakan asumsi yang berbeda.
Tujuan kajian ini adalah untuk memperoleh prediksi suhu elemen bakar Reaktor Kartini pada posisi kanal panas dan kanal dengan pembangkitan daya terendah di ring B pada daya nominal 100 kW dan daya lebih 110 kW. Kajian perlu dilakukan guna mengetahui besarnya penyimpangan maksimum hasil pengukuran suhu elemen bakar dalam hal IFE ditempatkan di kanal dengan pembangkitan daya terendah di ring B.
2. Metode Perhitungan
Perhitungan suhu elemen bakar reaktor Kartini dilakukan dengan menggunakan program komputer PARET/ANL. Perhitungan dilakukan pada daya nominal 100 kW serta daya lebih 110 kW.
Perhitungan dilakukan dengan asumsi suhu pendingin masuk teras sebesar 35 oC, yang merupakan batas atas temperatur masuk tangki reaktor dari sistem primer sebagaimana disebutkan dalam Bab XVII: Batasan dan Kondisi Operasi LAK Reaktor Kartini [1]. Waktu total perhitungan diambil 100 detik yang merupakan rentang waktu maksimum dalam perhitungan dengan program PARET versi yang dipakai. Parameter hasil
perhitungan dianggap representatif kalau nilainya sudah stabil.
3. Deskripsi Reaktor Kartini
Reaktor Kartini merupakan reaktor jenis TRIGA Mark II tipe kolam terbuka dengan desain daya 250 kW[1]. Berdasarkan izin dari BAPETEN, reaktor Kartini dioperasikan dengan daya nominal 100 kW. Kisi reaktor Kartini berbentuk anular yang terdiri atas 91 lubang masing-masing dengan diameter 3.823 cm seperti dapat dilihat di Gambar 1 yang diisi dengan elemen
bakar, batang kendali, tabung iradiasi, serta elemen grafit. Teras reaktor memiliki ketinggian 58 cm dan dilingkupi oleh reflektor grafit berbentuk silinder dengan diameter dalam 45.7 cm. Teras dan reflektor ditopang oleh struktur penyangga yang dipasang di dasar tangki. Teras dan reflektor ini terendam dalam air setinggi 4.9 m. Dimensi kisi teras reaktor Kartini, yang diperoleh dari desain reaktor TRIGA Mark II, dicantumkan di Tabel 1.
Tabel 1. Dimensi kisi reaktor TRIGA Mark II[2].
Ring Radius [cm]
A 0.000
B 4.054
C 7.981
D 11.946 E 15.916 F 19.888
Dalam konfigurasi saat ini, teras reaktor Kartini memuat 67 elemen bakar tipe 104 dan 2 elemen bakar tipe 204 (Instrumented Fuel Element/IFE) yang ditempatkan di posisi B1 dan F29 serta 3 batang kendali yang terbuat dari serbuk B4C di dalam kelongsong aluminium yang menempati posisi C5, C9, dan E1. Komposisi elemen bakar kedua tipe ini sama, yakni bahan bakar
(meat) adalah U-ZrH1.65 dengan kandungan uranium 8.5 % berat dengan pengkayaan 20 %. Elemen bakar ini berada di dalam kelongsong berbentuk tabung yang terbuat dari SS-304. Di antara bahan bakar dengan kelongsong terdapat celah (gap) yang diisi dengan He. Dimensi utama elemen bakar tipe104 dapat dilihat di Tabel 2.
Tabel 2. Dimensi elemen bakar tipe 104 [1, 2, 3]
Panjang total [cm] 72.24
Diameter meat bahan bakar [cm] 36.3
Panjang aktif [cm] 38.1
Reflektor, grafit, panjang bawah [cm] 9.39 atas [cm] 6.6 Kelongsong, diameter luar [cm] 3.75 tebal [cm] 0.51
Posisi di tengah-tengah teras adalah central thimble. Posisi di ring terluar selain yang berisi elemen bakar berisi tabung pneumatik, sumber neutron, atau elemen bakar tiruan dummy.
Teras reaktor didinginkan oleh air yang ada di dalam tangki reaktor dengan mode sirkulasi alam. Air tangki ini selanjutnya disirkulasikan melalui sistem pendingin primer, di mana panasnya ditransfer ke sistem pendingin sekunder melalui alat penukar panas.
4. Program PARET
PARET merupakan program komputer yang menggabungkan kemampuan perhitungan termal, hidrodinamik, dan kinetika titik[4].
Teras dapat dimodelkan dalam satu sampai dengan empat daerah yang berlainan. Tiap-tiap daerah dapat memiliki parameter pembangkitan daya, laju alir massa pendingin, dan hidrolika yang berlainan. Daerah tersebut
diwakili dengan dengan satu elemen bakar berbentuk silinder atau plat dengan kanal pendingin yang berhubungan dengannya. Elemen bakar dapat dibagi hingga 21 bagian aksial dengan perpindahan panas pada masing- masing bagian dihitung secara konduksi satu dimensi. Persamaan hidrodinamik juga diselesaikan secara satu dimensi pada masing-masing kanal pendingin tiap node waktu. Perpindahan panas dapat terjadi secara konveksi alam atau paksa, pendidihan inti, transisi, atau pendidihan film stabil. Air pendingin dapat mencakup fasa cair sub-dingin, rezim dua fasa, dan fasa uap lewat- panas. Program ini juga memiliki kemampuan untuk perhitungan pembalikan arah aliran air pendingin.
Selain itu, program ini juga dapat menghitung void yang timbul dalam pendidihan sub-dingin.
5. Pemodelan Reaktor Kartini dalam PARET
Susunan teras reaktor Kartini yang dimodelkan adalah konfigurasi seperti yang diuraikan di LAK Reaktor Kartini Bab V: Reaktor[1] seperti dapat dilihat di Gambar 1. Dalam konfigurasi ini terdapat 69 elemen bakar dan 3 posisi batang kendali. Distribusi neutron diambil dari perhitungan neutronik menggunakan program MCNP5. Untuk menyederhanakan pemodelan kanal
pendingin, posisi selain yang berisi elemen bakar atau batang kendali dianggap berisi batang grafit dummy dengan diameter sama dengan elemen bakar.
Bagian teras reaktor Kartini yang dianalisis dalam kajian ini adalah kanal panas yang dalam perhitungan neutronik yang digunakan pada kajian ini terletak di posisi B2, serta B6 yang merupakan posisi dengan pembangkitan daya paling rendah di ring B.
Gambar 1. Konfigurasi teras reaktor Kartini[1].
5.1. Pemodelan Kanal Pendingin Seperti sudah disebut di atas, susunan elemen bakar dan elemen lain dalam teras reaktor Kartini berbentuk anular. Dengan bentuk yang demikian maka luasan aliran pendingin menjadi berlainan dari satu ring ke ring yang
lain. Pada pemodelan dalam PARET, susunan elemen bakar ini didekati dengan kisi (lattice) triangular, yakni tiap-tiap kanal terdiri dari sekelompok tiga batang elemen bakar dengan aliran pendingin di antaranya.
Teras reaktor Kartini memiliki bentuk simetri dalam 1/6 bagian seperti dapat dilihat di Gambar 1. Susunan kanal dengan kisi triangular untuk 1/6 bagian teras tersebut dapat dilihat di Gambar 2. Jarak antar elemen bakar (pitch) dihitung dengan merata-ratakan jarak antara dua pusat elemen bakar pada ruas-ruas garis seperti digambarkan di Gambar 2. Dengan alasan simetri ini, pitch yang dihitung untuk 1/6 bagian teras dapat dianggap mewakili seluruh teras. Dengan berdasar pada geometri teras reaktor sebagaimana telah diuraikan di atas, diperoleh dimensi untuk kisi triangular pendekatan reaktor Kartini (lihat Gambar 3) sebagai berikut:
Pitch (P) = 4.068
cm
Luas aliran kanal = 2.754 cm2
5.2. Pemodelan Elemen Bakar 5.2.1. Arah aksial
Elemen bakar reaktor dibagi menjadi 21 daerah aksial dan 21 titik node. Fluks neutron di masing-masing titik node merupakan fluks neutron relatif yang didefinisikan sebagai perbandingan antara fluks neutron setempat dengan fluks neutron rata-rata teras. Distribusi fluks neutron ini diwakili oleh distribusi pembangkitan daya dalam setiap sel elemen bakar.
Pembagian elemen bakar dan kanal pendingin pada arah aksial dapat dilihat di Gambar 4.
Gambar 2. Kisi triangular elemen bakar dalam 1/6 bagian teras.
Gambar 3. Kanal pendingin dengan kisi triangular.
Gambar 4. Pemodelan elemen bakar arah aksial.
5.2.2. Arah radial
Susunan elemen bakar reaktor dari dalam ke luar meliputi daging bahan bakar (fuel meat), celah yang berisi He, dan kelongsong yang dibuat dari SS-304. Elemen bakar ini dimodelkan dalam 3 zona atau bagian
sesuai dengan material penyusunnya sebagaimana digambarkan di Gambar 5.
Pembagian node radial untuk masing- masing bagian adalah sebagai berikut:
Bahan bakar (meat) : 5
Gap : 2
Kelongsong : 2
Sifat-sifat termal elemen bakar yang digunakan dalam perhitungan ini dapat dilihat di Tabel 3.
Gambar 5. Pemodelan elemen bakar arah radial.
Tabel 3. Sifat termal elemen bakar.
Material k Cp volumetrik
[W/(m.oC)] [J/(m3.oC)]
Bhn. bakar[5] 18 2.04×106+4.17×103T
Gap (He) 0.84201[6] 666.34[7]
Clad SS-304[8] 10.59+1.495×10-2T 3.438×106+1442T
5.3. Distribusi Fluks Neutron
Distribusi fluks neutron yang digunakan dalam analisis ini didasarkan pada konfigurasi teras sebagaimana dijelaskan di atas dan dihitung dengan program MCNP5. Dalam pemodelan di MCNP, komposisi elemen bakar yang digunakan adalah komposisi elemen bakar segar tanpa memperhitungkan
fraksi bakar. Dalam pemodelan ini ketiga batang kendali dianggap ditarik ke atas seluruhnya sehingga posisinya di teras digantikan oleh air, dan posisi tabung pneumatik dianggap sebagai ruang hampa..
Dalam perhitungan ini elemen bakar aktif dibagi menjadi 15 daerah aksial. Dalam input untuk perhitungan
di program PARET elemen bakar dibagi menjadi 21 daerah aksial sebagaimana dijelaskan di atas di mana nilai fluks neutron untuk masing-masing titik dihitung dengan membangkitkan persamaan polinomial berdasarkan distribusi fluks neutron sebagaimana dihitung oleh MCNP. Dari perhitungan dengan MCNP dengan menerapkan asumsi-asumsi sebagaimana dijelaskan di atas, diperoleh distribusi neutron
dengan faktor puncak daya (Power Peaking Factor [PPF]) total sebesar 1.88 untuk kanal panas pada posisi B2, dan 1.81 untuk posisi B6 yang merupakan kanal dengan pembangkitan daya terendah di ring B. Distribusi fluks neutron yang berasal dari perhitungan dengan MCNP dan pendekatan yang digunakan sebagai input untuk program PARET baik untuk kanal panas maupun posisi B6 dapat dilihat di Gambar 6.
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Hot Ch (MCNP) B6 (MCNP) Hot Ch (PARET) B6 (PARET) Relative Neutron Flux
Height from Lower End of Active Fuel [cm]
Gambar 6. Distribusi fluks neutron.
6. Hasil Perhitungan dan Pembahasan
Perhitungan dengan program PARET memberikan prediksi suhu elemen bakar pada kanal panas (yang menurut perhitungan neutronik sebagaimana dijelaskan di atas berada pada posisi B2) serta B6 yang
merupakan kanal dengan pembangkitan daya terendah untuk ring B. Nilai suhu elemen bakar dapat dilihat di Tabel 4.
Perhitungan dilakukan pada dua kanal tersebut, karena mereka sudah mewakili kanal-kanal dengan perbedaan paling ekstrem pada fluks neutron dan pembangkitan daya di ring B.
Dari hasil perhitungan terlihat bahwa untuk daya nominal 100 kW, suhu elemen bakar di kanal panas adalah 135.9 oC, sedangkan di posisi B6 adalah 132.6 oC, atau terdapat perbedaan sebesar 2.5 %. Sedangkan untuk daya lebih 110 kW, suhu elemen bakar di kanal panas adalah 143 oC, sedangkan di posisi B6 adalah 139.4 oC, atau terdapat perbedaan sebesar 2.6 %.
Perhitungan ini memperlihatkan bahwa suhu di kanal panas lebih tinggi dari pada suhu di kanal lain dengan
pembangkitan daya lebih rendah. Ini disebabkan karena fluks neutron di kanal panas lebih tinggi dari pada kanal- kanal lain dengan pembangkitan daya lebih yang rendah.
Hasil perhitungan ini memperlihatkan bahwa apabila IFE ditempatkan di posisi yang salah, atau ekstrimnya di posisi dengan pembangkitan daya terendah tetapi tetap di ring B, memberikan hasil penguikuran 2.5 s/d 2.6 % lebih rendah dari pada suhu maksimum.
Tabel 4. Suhu elemen bakar pada daya nominal dan daya lebih.
P Suhu elemen bakar [oC] Perbedaan
[kW] Knl. panas B6 [%]
100 135.9 132.6 2.5
110 143.0 139.4 2.6
7. Kesimpulan
Berdasarkan hasil perhitungan ini dapat disimpulkan bahwa dalam hal IFE ditempatkan pada posisi yang salah, asalkan tetap di ring B, akan memberikan penyimpangan hasil pengukuran maksimal 2.6 % lebih rendah dari pada suhu elemen bakar maksimum.
8. Daftar Pustaka
[1] Badan Tenaga Nuklir Nasional (2008). Laporan Analisis
Keselamatan Reaktor Kartini Rev.
7. Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB)-BATAN, Yogyakarta.
[2] Ravnik, M., Description of TRIGA Reactor
(www.rcp.ijs.si/ric/description- a.html).
[3] Villa, M., et. al., The New Area Monitoring System and The Fuel Database of The TRIGA Mark II Reactor in Vienna.
[4] Woodruff, W.L. (1982). A User Guide for the Current ANL Version of the PARET Code. Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois.
[5] Simnad, M.T. (1980). The U-ZrHx
Alloy: Its Properties and Use in TRIGA Fuel. General Atomic.
[6] Huda, M.Q., et. Al., Investigation of Thermohydraulic Parameters during Natural Convection Cooling of TRIGA Reactor.
[7] Candalino, Robert W. (2006).
Engineering Analysis of Low Enriched Uranium Fuel Using Improved Zirconium Hydride Cross Sections. Texas A&M University.
[8] Incropera, Frank P., et. al. (1996).
Introduction to Heat Transfer. John Wiley & Sons.
