ANALISIS INJEKSI SERBUK GRAFIT UNTUK MITIGASI DEGRADASI STRUKTUR TERAS SELAMA KECELAKAAN AIR
INGRESS RGTT200K
Sumijanto
Pusat Teknologi Reaktor Dan Keselamatan Nuklir – BATAN [email protected]
ABSTRAK
ANALISIS INJEKSI SERBUK GRAFIT UNTUK MITIGASI DEGRADASI STRUKTUR TERAS SELAMA KECELAKAAN AIR INGRESS RGTT200K. Reaktor Gas Temperatur Tinggi 200 MW termal Kogenerasi (RGTT200K) adalah perangkat nuklir yang merupakan reaktor daya nuklir generasi empat, dirancang untuk pembangkit listrik serta mampu menghasilkan energi termal temperatur tinggi yang dapat dimanfaatkan dalam berbagai industri strategis nasional. Air ingress adalah peristiwa masuknya udara kedalam teras reaktor yang berpotensi menyebabkan degradasi struktur teras melalui proses oksidasi. Konsep mitigasi degradasi struktur teras dilakukan dengan menginjeksikan grafit untuk menangkap oksigen dalam udara sehingga tidak merusak struktur teras. Efektifitas injeksi grafit dianalisis menggunakan perangkat lunak ChemCAD. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan data tentang efektifitas serbuk grafit dalam mitigasi air ingress, yang akan digunakan sebagai dasar dalam pembuatan desain konseptual sistem keselamatan RGTT200K.
Hasil analisis menunjukkan bahwa injeksi serbuk grafit dalam teras reaktor mampu dengan efektif memitigasi kecelakaan air ingress terparah dengan laju alir massa serbuk grafit sebesar 0,2943 kg/detik.Degradasi grafit struktur teras reaktor dapat dicegah. Pada kondisi kecelakaan air ingress terparah terjadi peningkatan kuantitas gas pengotor CO dalam pendingin reaktor dengan laju alir massa sebesar 0.6862 kg/detik.
Kata kunci : Mitigasi, struktur teras, air ingress, RGTT200K.
ABTRACT
GRAPHITE POWDER INJECTION ANALYSIS FOR MITIGATION CORE STRUCTURE DEGRADATION DURING AIR INGRESS ACCIDENT ON RGTT200K.
High Temperature Gas Reactor 200 MW Thermal Cogeneration (RGTT200K) is a nuclear device is a four-generation nuclear power reactor, designed for power generation as well as capable of producing high-temperature thermal energy that can be utilized in a variety of national strategic industries. Water ingress is the event of air entry into the reactor core that could potentially lead to degradation of the structure of the core through the process of oxidation. Degradation mitigation concepts the core structure with the injection of graphite to capture oxygen in the air so as not to damage the structure of the core. Effectiveness of graphite injection were analyzed using the software ChemCAD. The purpose of this study was to obtain data on the effectiveness of graphite powder in mitigation water ingress, which will be used as the basis for the conceptual design of manufacturing systems RGTT200K safety. Results of the analysis showed that the injection of graphite powder in the reactor core is able to effectively mitigate severe air ingress accidents of with graphite powder mass flow rate of 0.2943 kg / sec. Degradasi graphite reactor core structure can be prevented.
On the condition of the severe air ingress accident occur increases in the quantity of gas impurities with CO in the reactor coolant mass flow rate of 0.6862 kg / sec.
Keywords: Mitigation, core structure, air ingress, RGTT200K.
PENDAHULUAN
Reaktor Gas Temperatur Tinggi 200 MW termal Kogenerasi (RGTT200K) adalah perangkat nuklir yang merupakan reaktor daya nuklir generasi empat, dirancang untuk pembangkit listrik serta mampu menghasilkan energi termal temperatur tinggi yang dapat dimanfaatkan dalam berbagai industri strategis nasional[1]. Pendingin RGTT200K menggunakan gas helium murni yang beroperasi pada temperatur 950 0C dan tekanan 5 Mpa. Instalasi reaktor RGTT200K dibangun dengan sistem modul[2]. RGTT200K didesain dengan beberapa keunggulan diantaranya adalah mempunyai efisiensi termal relatif tinggi, mampu kogenerasi dengan produksi hidrogen atau industri yang menggunakan energi termal seperti gasifikasi batubara, desalinasi air, dan enhance oil recavery (EOR), serta menggunakan sistem keselamatan pasif tingkat tinggi yaitu mampu mengamankan segala kecelakaan reaktor tanpa bantuan manusia [3]
Komponen utama teras RGTT200K yaitu moderator neutron, reflektor neutron, kelongsong elemen bahan bakar bola serta struktur bagian dalam teras didesain menggunakan bahan grafit.
Grafit mempunyai beberapa keunggulan yaitu mempunyai kapasitas panas tinggi, relatif inert, dan sangat konduktif terhadap termal. Selain hal tersebut jika terjadi kenaikan temperatur pada teras reaktor (pada kondisi kecelakaan reaktor), maka kemampuan grafit untuk menyerap neutron akan semakin meningkat sehingga grafit secara neutronik mampu membangkitkan koefisien reaktifitas negatif pada reaktor yang berperan sebagai inhernt safety [4]. Selain hal tersebut grafit juga mempunyai kapasitas panas yang relatif tinggi sehingga struktur teras yang mayoritas terbuat dari grafit dapat terhindar dari pelelehan.
Mengingat peran grafit dalam RGTT200K sangat strategis, maka integritas grafit harus selalu dapat dipertahankan pada kondisi kecelakaan apapun.
Disintegrasi grafit sebagai material komponen utama teras akan berakibat pada turunnya tingkat keandalan dan keselamatan operasi reaktor.
Injeksi serbuk grafit merupakan kandidat untuk mitigasi degradasi material komponen utama teras karena serbuk grafit akan bereaksi lebih dulu dengan oksigen dari udara.
Dalam makalah ini dianalisis efektifitas injeksi serbuk grafit kedalam pendingin reaktor untuk mitigasi oksidasi material struktur teras selama kecelakaan air ingress dalam RGTT200K.
Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan data tentang efektifitas serbuk grafit dalam menurunkan kadar oksigen dalam pendingin reaktor yang masuk akibat kecelakaan
air ingress. Implementasi data hasil penelitian ini digunakan untuk membuat desain konseptual sistem mitigasi oksidasi material struktur teras reaktor selama kecelakaan air ingress dalam RGTT200K menggunakan sistem injeksi serbuk grafit..
Analisis laju reaksi antara grafit dan oksigen dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak ChemCAD. Validasi paket program ini pada aktual desain dan operasi plan baik itu proses, instrumentasi dan teknik kendali telah dilakukan[5]. Oleh karena itu model reaksi kimia Chemcad digunakan pada penelitian ini.
Simulasi interaksi serbuk grafit dan oksigen dalam udara dipilih dengan kondisi temperatur 1200 0C tekanan 1 atsmosfir sebagai data masukan dalam ChemCAD. Laju alir massa oksigen divariasi untuk mendapatkan optimasi fraksi serbuk grafit yang efektif untuk memitigasi kecelakaan air ingress.
TEORI DAN TATA KERJA
Kecelakaan air ingress pada RGTT200K adalah peristiwa masuknya udara yang mengandung oksigen, yang terjadi setelah pecahnya pipa pendingin yang diikuti dengan penurunan tekanan pendingin sehingga udara masuk kedalam pendingin reaktor. Masuknya udara kedalam pendingin reaktor dimulai dari adanya perbedaan temperatur dan massa molekuler antara helium pendingin reaktor dan udara luar, gradien densitas, kecelakaan, pipa pecah, air ingress, sehingga terjadi oksidasi grafit, dan pelemahan struktur grafit[4]. Rute penyebab terjadinya kecelakaan air ingress sampai degradasi struktur grafit pada RGTT200K seperti ditunjukkan pada Gambar 1[6].
Degradasi struktur grafit terutama disebabkan oleh reaksi oksidasi internal dalam pori-pori grafit. Reaksi oksidasi antara oksigen dan grafit menyerang bagian dalam pori-pori struktur grafit sehingga akan melemahkan kekuatan mekanik grafit mengikuti persamaan reaksi berikut :
2C + O2 → 2CO (1) C + O2 → CO2 (2) C + CO2 → 2CO (3) 2CO + O2 → 2CO2 (4)
1. Perbedaan temperatur 2. Perbedaan massa molekuler 3. Gradien densitas
4. Kecelakaan 5. Kegagalan pipa
6. Gradien densitas mendorong aliran 7. Air ingress
8. Panas teras
9. Konduktivitas tinggi 10. Kapasitas panas tinggi 11. Temperatur tinggi 12. Oksidasi
13. Degradasi struktur 14. Peningkatan beban
15. Pelemahan struktur grafit A = Menyebabkan
B = Inisiasi C = Mempercepat
D=Menjaga/mempertahankan
Gambar 1. Rute penyebab terjadinya kecelakaan air ingress dan pelemahan struktur grafit pada RGTT200K
Oksidasi internal grafit mulai terjadi pada temperatur relatif rendah yaitu antara 500 0C s/d 700 0C dimana laju oksidasi lambat dan dikendalikan oleh kenetika reaksi[7]. Ketika oksidasi internal dominan maka hanya densitas grafit yang menurun tanpa ada perubahan bentuk luar dan perubahan ukuran grafit. Peningkatan stres lokal yang disebabkan oleh oksidasi ekternal, dimana ini terjadi ketika laju oksidasi sangat tinggi dan proses ini dikendalikan (bergantung) oleh transfer massa (defusi) oksigen dalam aliran pendingin (diffusion controlled regime) hingga sampai pada permukaan struktur grafit. Perubahan oksidasi ekternal grafit akan terjadi jika ada perubahan yang disebabkan oleh penurunan lokal area, konsentrasi beban dan stress pada permukaan yang paling kecil. Secara
umum, oksidasi grafit adalah didominasi oleh oksidasi eksternal pada temperatur lebih tinggi dari 950 0C. Sedangkan pada temperatur antara 650 0C - 950 0C kedua mekanisme kegagalan grafit secara komplek bercampur bersama sama sehingga mempercepat degradasi grafit[8].
Seperti ditunjukkan pada pertengahan Gambar 1, terlihat bahwa pelemahan struktur grafit disebabkan oleh oksidasi dan temperatur tinggi. Penyebab kondisi ini berasal dari perbedaan temperatur dan massa molekul antara bagian dalam (helium pendingin reaktor) dan bagian luar dari tangki reaktor (udara). Ketika oksigen menjadi reaktan utama, maka oksidasi grafit tidak akan terjadi tanpa adanya air ingress.
Laju oksidasi dan kegagalan struktur sangat diefektifkan / bergantung oleh kecepatan air
ingress. Temperatur tinggi pada bagian dalam reaktor secara signifikan mempercepat oksidasi grafit karena reaksi oksidasi secara eksponensial meningkat dengan temperatur sesuai dengan model persamaan reaksi Arrhenius [9].
Laju oksidasi = k exp (-E/RT) . PO2 (2)
k = Konstanta laju reaksi E = Energi aktifasi R = Tetapan gas universal T = Temperatur
PO2 = Tekanan parsial oksigen
Laju air ingress bergantung oleh dua mekanisme fisika : yaitu defusi molekuler dan perbedaan densitas yang menggerakkan aliran.
Seperti tersebut diatas, studi baru tentang air ingress setelah pipa pecah dan penurunan tekanan menunjukkan bahwa defusi molekuler dapat diabaikan terhadap perbedaan densitas yang menggerakan aliran.. Oleh sebab itu defusi molekuler tidak termasuk dalam rooting causes gambar 1.Perbedaan densitas yang menggerakkan aliran dalam postualsi kecelakaan air ingress RGTT200K dipicu oleh perbedaan densitas dari salah satu perbedaan massa molekuler atau perbedaan temperatur antara bagian dalam dan bagian luar reaktor. Pada mulanya aliran yang disebabkan oleh perbedaan densitas di bangkitkan oleh perbedaan massa molekuler antara helium (bagian dalam reaktor) dan udara (pada bagian luar reaktor). Setelah udara masuk/ mengisi bagian bawah tangki reaktor,maka perbedaan temperatur menjadi pemicu (driving force) utamanya [7].
Asumsi Kecelakaan Air Ingress
Air ingress kedalam teras RGTT200K diasumsikan diawali dengan adanya penurunan tekanan pada sistem pendingin setelah terjadi pecahnya pipa saluran pendingin sehingga reaktor scram dan tekanan pendingin menjadi atmosfirik.
Selanjutnya serangan air ingress diasumsikan dimulai dengan cepat pada 24 jam, 48jam atau 96 jam setelah penurunan tekanan [6].
Dalam kecelakaan ini total panas yang dihasilkan reaktor (setelah reaktor scram) adalah jumlah dari panas peluruhan produk fisi dan panas reaksi yang dihasilkan oleh reaksi kimia antara oksigen dan grafit. Sebagian besar dari panas yang dibangkitkan tersebut ditransfer dari teras ke RCCS (Reactor Cavity Cooling System), yang mengelilingi tangki reaktor, oleh konduksi dan radiasi didalam tangki reaktor serta oleh radiasi dan konveksi alam diluar tangki reaktor, sementara hanya sebagian dari total panas ditranfer oleh konvektif aliran udara. Dengan
RCCS yang efektif maka temperatur teras tidak akan melebihi 1200 0C [7].
Laju aliran udara yang masuk kedalam teras yang diasumsikan dari pipa pecah/retak kecil mulai ukuran 65 mm dengan laju 0.05 kg/s sampai dengan maksimal laju alir massa udara sebesar 1.4 kg/s [7].
Hasil interaksi antara oksigen yang terkandung dalam udara yang masuk kedalam teras melalui air ingress dianalisis menggunakan perangkat lunak ChemCAD dengan input data persamaan reaksi antara grafit dan oksigen, konstanta kecepatan reaksi, energi aktivasi, dan panas reaksi.
Bahan dan peralatan Utama Bahan
Bahan yang digunakan dalam analisis ini adalah data tentang karakteristik grafit, oksigen, serta persamaan reaksi antara grafit dan oksigen.
Peralatan Utama
Dalam menganalisis kebutuhan serbuk grafit untuk mitigasi degradasi struktur teras RGTT200K akibat kecelakaan air ingress, digunakan perangkat lunak ChemCAD.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil interaksi serbuk grafit dan oksigen dalam udara seperti pada Gambar 2.
Gambar 2. Hasil interaksi serbuk grafit dan oksigen dalam udara.
Simulasi interaksi serbuk grafit dan oksigen (air ingress/oksigen yang terkandung dalam udara sebesar 20%) menggunakan perangkat lunak ChemCad pada kondisi temperatur 1200 0C dan tekanan 1 atsmosfir.
Kondisi temperatur ini mensimulasikan kondisi temperatur pada kejadian kecelakaan air ingress terparah, dimana reaktor shutdown dan temperatur akan naik sampai maksimal 1200 0C, dan tekanan pendingin seimbang dengan udara luar sebesar 1 atmosfer. Laju alir serbuk grafit 1 kg/s (pada kondisi ini dipilih jumlah grafit yang berlebih sehingga dapat berinteraksi dengan semua
oksigen) dan variasi laju aliran massa udara dalam reaksi ini diasumsikan dengan laju 0.05 kg/s (mensimulasikan kondisi laju alir massa oksigen pada saat kecelakaan air ingress yaitu 0,01 kg/s) sampai dengan 2,0 kg/s (atau setera laju alir massa oksigen 0,40 kg/s). Dari Gambar 2 dapat diketahui bahwa dengan kenaikan laju alir massa oksigen yang terbawa oleh air ingress dari 0,01 kg/s hingga 0,40 kg/s menimbulkan interaksi dengan serbuk grafit yang semakin efektif, hal ini ditengarai dengan menurunnya kuantitas grafit yang keluar dari reaktor yaitu mulai dari 0,9926 hingga 0,008031 kg/s.
Kondisi ini berarti bahwa jumlah grafit yang harus diinjeksikan untuk mengatasi air ingress (merupakan selisih dari grafit yang masuk kedalam reaktor dengan grafit yang keluar dari reaktor) meningkat dengan laju dari 0,0074 kg/s hingga 0,2943 kg/s. Selain hal tersebut juga diikuti dengan kenaikan laju alir massa gas CO sebagai hasil interaksi grafit dan oksigen yang keluar dari reaktor yaitu mulai dari 0,01714 kg/s hingga 0,68621 kg/s. Indikasi keefektifan yang lain adalah kuantitas luaran gas oksigen dari reaktor yang realtif sedikit, meskipun terjadi kenaikan kuantitas. Adanya gas oksigen yang tidak habis bereaksi tersebut juga berkontribusi dalam meningkatan gas pengotor dalam pendingin reaktor mulai dari 0,000205 kg/s hingga 0,008031 kg/s yang pada akhirnya juga harus dihilangkan. Sementara hasil reaksi gas CO2 yang keluar dari reaktor terlihat relatif tidak terjadi kenaikan yang signifikan (hanya sedikit saja).
Secara keseluruhan dapat diindikasikan bahwa injeksi serbuk grafit dalam teras reaktor mampu dengan efektif memitigasi kecelakaan air ingress terparah dengan laju alir massa serbuk grafit sebesar 0,2943 kg/detik. Degradasi grafit struktur teras reaktor dapat dicegah. Pada kondisi kecelakaan air ingress terparah terjadi peningkatan kuantitas gas pengotor CO dalam pendingin reaktor dengan laju alir massa sebesar 0.6862 kg/detik.
KESIMPULAN
Injeksi serbuk grafit dalam teras reaktor mampu dengan efektif memitigasi kecelakaan air ingress terparah dengan laju alir massa serbuk grafit sebesar 0,2943 kg/detik. Degradasi grafit struktur teras reaktor dapat dicegah. Pada kondisi kecelakaan air ingress terparah terjadi peningkatan kuantitas gas pengotor CO dalam pendingin reaktor dengan laju alir massa sebesar 0.6862 kg/detik. Untuk mitigasi degradasi struktur reaktor, injeksi serbuk grafit dapat
diaplikasikan dalam desain konseptual sistem keselamatan RGTT200K.
UCAPAN TERIMA KASIH
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada khususnya Ir. Pancoko Marliadi, Drs. Ing. Djoko Irianto, Dedy Haryanto Amd, Ir Suwoto serta segenap staf BPR PTRKN BATAN pada umumnya, yang telah banyak membantu dalam pembuatan makalah ini.
DAFTAR PUSTAKA
1. Anonim, RENSTRA PTRKN BATAN 2009 – 2014.
2. Anonim “Introduction To The Pebble Bed Modular Reactor (PBMR) “ Document No.009949-185,Rev 1, 2001.
3. Zuhair “Studi Efek Fraksi Packing Triso Dalam Desain Kritikalitas RGTT200K” , Prosiding Seminar Nasional TKPFN ke 17 di Yogyakarta, ISSN 084-2910, 2011.
4. Anonim “Persyaratan Umum Disain SEN Kogenerasi” PTRKN-BATAN 2010
5. John E Edwards “Chemical Engineering In Practice” Second Edition, Chamcad Publication
6. Y.M. Ferng, C.W. Chi “CFD Investigating The Air Ingress Accident For a HTGR Simulation Of Graphite Corrosion Oxidation
“ , Nuclear Engineering And Design 248 55- 65, Taiwan, 2012
7. H. Haque “ Consequences Of Delayed Air Ingress Following A Depressurization Accident In A Hight Temperature Reactor “ Elservier, Nuclear Engineering And Design 238 3041-3046, 2008
8. Chang H. Oh. Eung Soo Kim “ Conseptual Study On Air Ingress Mitigation For VHTR
“ Elsever, Nuclear Engineering And Design 250 448-464, 2012
9. Anonim “GENERAL ATOMIC “Graphite Design Handbook”, DOE-HTGR-88111/Rev 0, 909597/0, page 3-5,3-6, 1988.
TANYA JAWAB Sudaryadi
Untuk menjaga kestabilan posisi grafit agar tidak terdegradasi bagaimana cara mengantisipasinya?
Apakah dapat direvitalisasi sendiri jika terjadi degradasi dan apakah kualitas grafit yang ada di pasaran sesuai?
Sumijanto
Agar grafit struktur reaktor tidak ikut terdegradasi maka injeksi grafit harus tepat/tidak berlebihan.
Kalau terjadi degradasi struktur reactor maka jika melampaui keselamatan kritisnya harus diganti/revitalisasi. Grafit dipasaran yang nuklir grid sudah tersedia.
Agus Nur Rachman
Peristiwa Air Ingress terjadi pada kondisi seperti apa?
Apakah ada efek samping dari penginjeksian grafit dalam teras reaktor?
Sumijanto
Air Ingress terjadi pada kondisi pipa pendingin pecah/bocor sehingga udara masuk teras dan bereaksi dengan grafit sebagai struktur utama teras RGTT200K Sehingga kekuatan grafit terdegradasi karena korosi.
Injeksi grafit menimbulkan efek samping yaitu jika tidak tepat penambahannya akan muncul sebagai debu karbon yang juga menimbulkan masalah baru dalam reaktor.
