Kajian Awal Aspek Neutronik Dari Rancangan Konseptual Fasilitas ADS Berbasis Reaktor Kartini

Kajian Awal Aspek Neutronik Dari Rancangan Konseptual Fasilitas ADS

Berbasis Reaktor Kartini

Bagian dari

PROGRAM INSENTIF PENINGKATAN KEMAMPUAN PENELITI DAN PEREKAYASA TAHUN 2011

Tegas Sutondo

Disampaikan pada Seminar Nasional

TEKNOLOGI DAN APLIKASI AKSELERATOR XIV Di Yogyakarta, 13 Desember 2011

PENDAHULUAN

TUJUAN

Melakukan kajian mengenai prospek reaktor Kartini untuk digunakan sebagai fasilitas ADS skala lab / kecil dari aspek neutronik.

LATAR BELAKANG

 Salah satu persoalan penting dari pengoperasian PLTN adalah terkait masalah penanganan limbah bahan bakar bekas yaitu produk fisi berumur panjang (LLFP) dan unsur Trans Uranium yang memiliki radiotoksisitas tinggi dan berumur panjang

→ Kelompok aktinida minor (MA)

 LITBANG ADS sedang banyak dilakukan di berapa negara untuk

Mentransmutasikan limbah BB (LLFP & MA) sekaligus Produksi energi / listrik

 ADS memiliki beberapa keunggulan dari aspek keselamatan (sistem subkritis)

 Dapat digunakan untuk membuat bahan fisil U²³³ dari bahan fertil Th²³²

Tabel 1. Annual production of plutonium, minor actinides and fission products from a 3000 MWth pressurized light water reactor with fuel burned to 33,000 MWD/ton (After 10 years decay)

Tabel 2. MA & Pu compositions of PWR spent fuel after 50 MWd/kgHM, 10 years of cooling and initially loaded with U02 enriched to 4.2 wt%.

Weight Percent by Component Nuclide

237Np

241Am

242Am

243Am

244Cm

245Cm

246Cm

Waste MA 49.816 34.911 0.143 11.042

3.721 0.323 0.045

Pu Weight Percent by Isotope 238Pu

239Pu 240Pu 241Pu 242Pu

3.18 56.35 26.62 8.02 5.83

Tabel 3. Produk Fisi Berumur Panjang

Gabmbar 1. Time dependence of the specific radiotoxic inventory for fission products and transuranium elements.

Gambar 2. Main components of an ADS transmutation facility

Isotope Abundance[%] E(γ , p)[MeV] E(γ , n)[MeV]

206Pb 24.1 7.25 8.09

207Pb 22.1 7.49 6.74

208Pb 52.4 8.01 7.37

Tabel 4. Threshold energies of photonuclear reactions.

High power proton accelerators with beam powers of up to

 10 MW for cyclotrons

 100 MW for linacs

Reaksi Spalasi

BEBERAPA KONSEP DISAIN SISTEM ADS

Gambar 3. TRANSURANICS TRANSMUTATION ON FERTILE AND INERT MATRIX

LEAD-BISMUTH COOLED ADS. CIEMAT Av. Complutense, 22, 28040 Madrid (Spain),

Gabmar 4. Conceptual configuration of EFIT (European facility for industrial transmutation)

Gambar 5. ADS using low power accelerator One way coupled concept Bhabha Atomic Research Centre

Trombay, Mumbai 400085 India

Gambar 6. Fuel cycle assumed in the fertile fuel ADS TRU transmutation studies

Akselerator

Beam Tube Reaktor Subcritical Assembly

Target

Liq. Pb/Bi or Solid Waste

Sumber Neutron (PuBe, AmBe, dsb)

Gambar 7. Alternatif Sumber Neutron Eksternal Untuk ADS

(skala lab)

Gambar 8. Tata letak fasilitas iradiasi

Keterangan : 1. Central timble 2. Pneumatik 3. Lazy Susan

4. Beam Port tembus 5. Beam Port tangensial 6. Beam Port radial 7. Kolom termal

8. . Kolom termalisasi 9. Sub Kritik

10. Bulk Shielding

Tangki

Reflektor

5

Teras

9

1 0

7

4 1

2

3 6

Kolam 8

Konsep Disain Untuk sistem ADS Berbasis Reaktor Kartini ??

E-25 E-22E-26

E-21

E-20

E-27 P-20

P-21

P-22

P-23 P-24

Inner Core berisi matriks Waste (MA) padat

1

Outer Core berisi BB TRIGA (tipe 104) 2

Reflektor (grafit) 3

Air pendingin 4

Pompa 5

6 HE

1 2 3 4

5

6

Gambar 10. Konsep Disain Model - 2

Sistem ADS Berbasis Reaktor Kartini

Void

Elmen MA TRIGA fuel Elmen grafit

Gambar 11. Model Sistem Teras ADS - 2

Model Elemen Aktinida

 Sebagai dasar dalam kajian ini digunakan data komposisi MA dari bahan bakar bekas PWR seperti pada Tabel 1.

 MA dicampurkan secara homogen dengan serbuk grafit ( C ) kemudian di padatkan sehingga membentuk padatan matriks C- MA

 Dimensi dari padatan C-MA ini dibuat sama dengan ukuran meat dari bahan bakar standar TRIGA tipe 104 yang digunakan pada reactor Kartini, dan selanjutnya dimasukkan ke dalam kelongsong dari SS-304 dan pada kedua ujungnya diberi grafit sebagai reflektor arah aksial sehingga membentuk elmen MA dengan ukuran yang sama dengan elmen bahan bakar TRIGA.

Sebagai dasar dalam kajian ini digunakan data komposisi MA dari bahan bakar bekas PWR seperti pada Tabel 1.

Sebagai dasar dalam kajian ini digunakan data komposisi MA dari bahan bakar bekas PWR seperti pada Tabel 1.Gambar 1 Komponen dari elmen bahan bakar standar TRIGAGambar 1 Komponen dari elmen bahan bakar standar TRIGAGambar 1 Komponen dari elmen bahan bakar standar TRIGAGambar 1 Komponen dari elmen bahan bakar standar TRIGA

Metodologi

Secara ringkas dilakukan beberapa tahap perhitungan sebagai berikut:

• Melakukan perhitungan rapat atom dari setiap nuklida dari komponen yang digunakan dalam sistem teras ADS yang direncanakan. Perhitungan dilakukan untuk beberapa variasi konsentrasi MA di dalam matriks C-MA.

• Melakukan perhitungan cell/super cell untuk menentukan tampang lintang

makroskopik / few group constants untuk seluruh komponen yang ditinjau, yang akan digunakan sebagai dasar dalam perhitungan kritikalitas (k-eff).

• Melakukan perhitungan kritikalitas (k-eff) untuk menentukan konfigurasi teras ADS berdasarkan kriteria subkritikalitas yang ditetapkan (k-eff = 0,980 – 0.985) untuk beberapa variasi konsentrasi MA.

• Untuk perhitungan cell/super cell maupun perhitungan k-eff digunakan modul ADS-CDS yang berbasis pada program SRAC.

Gambar 12. Struktur Modul ADS-CDS Modul ADS-CDS

INPUT

CDS-LIB

 PUBLIC-LIB

 PDS

 MACRO

SRAC OUTPUT

Hasil Perhitungan

Berat Atom Rapat Atom Rapat Atom Rapat Atom

(#/barn cm) (#/barn cm) (#/barn cm)

C 12.011 0.9000 7.2206E-02 0.8000 6.4183E-02 0.7000 5.6160E-02

Np 237.000 0.0498 3.9967E-03 0.0996 7.9933E-03 0.1494 1.1990E-02 Am

Am-241 241.000 0.0349 2.8009E-03 0.0698 5.6017E-03 0.1047 8.4026E-03 Am-242 242.000 0.0001 1.1473E-05 0.0003 2.2945E-05 0.0004 3.4418E-05 Am-243 243.000 0.0110 8.8572E-04 0.0221 1.7714E-03 0.0331 2.6572E-03 Cm

Cm-244 244.000 0.0037 2.9853E-04 0.0074 5.9706E-04 0.0112 8.9559E-04 Cm-245 245.000 0.0003 2.5914E-05 0.0006 5.1828E-05 0.0010 7.7741E-05

Cm-246 246.000 0.0000 0.0001 6.3019E-07 0.0001 1.6205E-06

Komposisi

C = 90 %, MA = 10 % C = 80%, MA = 20 % C = 70 %, MA = 30 %

Fraksi Molar Fraksi Molar Fraksi Molar

Tabel 5. Rapat atom dari komponen elmen MA

Berat Atom Rapat Atom Rapat Atom Rapat Atom (#/barn cm) (#/barn cm) (#/barn cm) C 12.011 0.6000 4.8137E-02 0.5000 4.0114E-02 0.4000 3.2091E-02 Np 237.000 0.1993 1.5987E-02 0.2491 1.9983E-02 0.2989 2.3980E-02 Am

Am-241 241.000 0.1396 1.1203E-02 0.1746 1.4004E-02 0.2095 1.6805E-02 Am-242 242.000 0.0006 4.5891E-05 0.0007 5.7363E-05 0.0009 6.8836E-05 Am-243 243.000 0.0442 3.5429E-03 0.0552 4.4286E-03 0.0662 5.3143E-03 Cm

Cm-244 244.000 0.0149 1.1941E-03 0.0186 1.4927E-03 0.0223 1.7912E-03 Cm-245 245.000 0.0013 1.0366E-04 0.0016 1.2957E-04 0.0019 1.5548E-04 Cm-246 246.000 0.0002 3.3610E-06 0.0002 0.0005

Komposisi

C = 60 %, MA = 40 % C = 50 %, MA = 50 % C = 40%, MA = 60 % Fraksi Molar Fraksi Molar Fraksi Molar

Tabel 5. Rapat atom dari komponen elmen MA

Konfigurasi Teras ADS untuk Ring B berisi elmen MA (6) , CT = Void channel Vs Konsentrasi MA

Konsentrasi MA ( % molar)

Ring A VOID VOID VOID VOID VOID

Ring B 6 MA 6 MA 6 MA 6 MA 6 MA

Ring C 12 bb 12 bb 12 bb 12 bb 12 bb

Ring D 18 bb 18 bb 18 bb 18 bb 18 bb

Ring E 24 bb 24 bb 24 bb 24 bb 24 bb

Ring F * 22 bb + 8 grafit 18 bb + 12 grafit 12 bb + 18 grafit 2 bb + 28 grafit 5 Grafit +25 Water Ring F ** 22 bb + 8 grafit 18 bb + 12 grafit 12 bb + 18 grafit 2 bb + 28 grafit 30 (all) Water

** → Tanpa kavitas udara / Lazy Susan pada Bagian reflektor

10% 20% 30% 40% 50%

* → Dengan kavitas udara / Lazy Susan pada Bagian reflektor

MA = 10 % MA = 20 % MA = 30 % MA = 40 % MA = 50 % Ring B C D E F

Gambar 13. Distribusi rapat daya relatif pada tiap ring sebagai fungsi konsentrasi MA

Gambar 4. Distribusi rapat daya relative pada ring sebagai fungsi konsentrasi MA

0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Jarak Aksial (cm)

Rapat Daya Relatif

Gambar 5. Distribusi rapat daya relatif arah aksial pada teras ADS Gambar 5. Distribusi rapat daya relatif arah aksial pada teras ADS Gambar 5. Distribusi rapat daya relatif arah aksial pada teras ADS

Gambar 14. Distribusi rapat daya relatif arah aksial pada teras ADS

Kesimpulan

 Keberadaan elemen MA akan memberikan kontribusi kenaikan reaktivitas

posistif yang cenderung semakin tinggi dengan meningkatnya konsentrasi MA.

 Berdasarkan model teras yang diasumsikan dan kriteria batasan subkritikalitas yang ditetapkan, maka untuk setiap konsentrasi MA dapat diperoleh variasi konfigurasi teras dengan melakukan penggantian sebagian elemen bahan bakar pada ring bagian luar.

 Untuk konsentrasi hingga sekitar 30 % maka rapat daya pada bagian MA masih lebih rendah dari nilai pada ring di bagian luar, dimana ring D memiliki rapat daya paling tinggi, sedang untuk konsentrasi diatas 30 % rapat daya pada bagian MA lebih tinggi dari bagian ring lainnya,

 Dari hasil perhitungkan disimpulkan bahwa reaktor memiliki potensi untuk digunakan sebagai fasilitas ADS skala kecil, khususnya untuk konsentrasi MA diatas 40 % dimana laju reaksi tangkapan / proses transmutasi relatif semakin tinggi.

SEKIAN,

TERIMAKASIH..