Hasi/ Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 /SSN 0852 - 2979
PERPINDAHAN PANAS BAHAN BAKAR BE~CAS REAKTOR PWR PADA PENYIMPANAN SEMENTARA TIPE KERING
Kuat Heriyanto, Suryantoro, Nurokhim Pusat Teknologi Limbah Radioaktif, BATAN
ABSTRAK
PERPINDAHAN PANAS BAHAN BAKAR BEKAS REAKTOR PWR PADA PENYIMPANAN SEMENTARA TIPE KERING. Telah dilakukan pengkajian laju perpindahan panas bahan bakar bekas reactor PWR dalam penyimpanan sementara tipe kering. Pengkajian dilakukan dengan melakukan perhitungan panas bahan bakar bekas dalam system penyimpanan, pengambilan panas oleh system pendingin serta batasan perbedaan temperatur. Dari perhitungan diperoleh panas bahan bakar bekas sebesar5,95 watt per batang, panas total bahan bakar bekas dalam penyimpanan 24.161,38 dan panas yang diambil system pendingin 23.905,77 kW untuk laju masa alir sebesar2.414,24 kgIs pada perbedaan temperatur (6.T)10DC. ABSTRACT
HEAT TRANFER OF PWR REACTOR SPENT FUEL IN DRY INTERIM STORAGE.
Evaluation of heat transfer rate of PWR reactor spent fuels in dry interim storage has been done. Evaluation has been conducted by heat calculation of spent fuel in the interim storage system, heat removal by cooling system and the limit of temperature difference. From the calculation has been found the spent fuel heat is 5.95 watt per-element, total heat spent fuel in storage is 24,161.38 kW and heat recover from cooling system is23,905.77 kW kg/s on the temperature difference (6.T) 10DC.
PENDAHULUAN
Bahan bakar bekas hasil reaktor daya yang! akan disimpan lestari lebih dulu ditempatkan di penyimpanan sementara untuk pendinginan dan penurunan radionuklida. Salah satu tipe penyimpanan sementara adalah disimpan secara kering dengan media pendingin udara. Laju perpindahan panas dari bahan bakar bekas harus diketahui guna mendapatkan kondisi yang diinginkan, sehingga proses penanganannya memenuhi standar keselamatan. Untuk itu perlu dilakukan penelitian tentang laju perpindahan panas tersebut
A. BAHAN BAKAR PWR
Satang bahan bakar PWR terdiri dari tumpukan pelet dengan atmosfir helium pad a pipa zircoloy. U02 diperkaya 1 sampai 4 % sebelum iradiasi UO, dan sebelum diiradiasi U02 pelet mempunyai densitas 94 % - 95 % teoritis dengan rasio O/U = 2. Setiap batang bersusun dengan larik bujur sangkar di dalam bundel. Tabel 1 menampilkan karakteristik fisik asemblei bahan bakar tipe PWR, sedangkan gambar asembleynya ditampilkan pad a gambar 2.
flasil Penelitian dan Kegialan PTLR Tahun 2006
Tabel1 karakteristik fisik asemblei bahan bakar PWR Karakteristik fisik PWR (900MeV)
Overall assembly length (m)
4.05·9
Cross-section (em)
21.4x21.4
Fuel rod length (m)
3.851
Active fuel length (m)
3.658
Fuel rod
00
(em)0.95,0
Fuel rod array
17 x 17
Fuel rods per assembly
264
Assembly total weight (kg)
657.9
Including: Uranium weight (kg)
461 .4 U02 weight (kg) 523.4 Zircaloy weight (kg) 108.4 Hardware weight (kg) 26.1
Total metal weight (kg)
134.5
Nominal volume assembly (m3)
0.186
B. PANAS YANG DIHASILKAN BAHAN BAKAR BEKAS
ISSN 0852 - 2979
Panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas pc:lsca iradiasi perlu dipertimbangkan untuk diisolasi. Gambar 1 menunjukkan panas yang ditimbulkan oleh bahan bakar bekas untuk reaktor PWR 33.000 MW-D/MTHM. Sebagai fungsi waktu setelah bahan bakar bekas dikeluarkan dari reaktor, mula-mula hasil fisi mendominasi pad a pembangkitan panas, setelah itu hasil fisi itu meluruh setelah 60-70 tahun aksinida berada pad a output yang seimbang dalam pembangkitan panas. Produk aktivasi memberikan kontribusi 2 % dari total, keadaan ini terjadi awal dekade. Selama periode menengah (100-1000 tahun aksinida 238Pu,239Pu, 240Pu dan 241Am, sedangkan 239Pu dan 240Pu masih dominan sampai setelah 10.000 tahun dan 100.000 tahun.
---TOTAL - - FISSIOU PRODUCT - - - -ACTlUIOE+DAUGHTER - - -ACTIVATION PROOUCT IO-t 10] 102 ..--~
-
101 ;;; f.~ 10° ~ ~ bl-10,1"
:I:'" 10-2 10-]\
'\\
,
...-..•--
-"
---
- - - - -
----
.
~ --
---10'1 102 10] 10'Deca)' time after discha.rge(}'ea1"'S)
HasH Penelilian dan Kegialan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979
c.
PENYIMPANAN SEMENTARA BAHAN BAKAR BEKAS TIPE KERINGSistem penyimpanan sementara bahan bakar bekas type kering menggunakan udara sebagai media pending in. Perpindahan panas yang terjadi pada sistem tempat penyimpanan bahan bakar bekas type kering meliputi panas konveksi yang terakumulasi pada dinding, panas tempat penyirnpanan yang diambil secara konveksi oleh pending in melalui pengaliran udara dan laju massa alir yang dibutuhkan oleh udara masuk. Salah satu contoh dari penyimpanan bahan bakar bekas type kering ditampilkan pada gambar 2.
Gambar 2 Skema aliran udara penyimpanan tipe kering jenis Vault Storage
Jenis - jenis sistem penyimpanan sementara bahan bakar bekas type kering terbagi dari 4 jenis, yaitu :
1. Vault Storage
Struktur fasilitas penyimpanan ini meliputi shell beton yang besar dengan rak penyuimpanan atau lobang penyirnpanan. Canister ditumpuk 1 atau 2 tingkat. Vault Storage ada dua macam, yaitu yang menggunakan udara pending in secara konveksi paksa dan konveksi alam. Sebagai perisai adalah beton dan wadahnya (kelongsong bahan bakar dan canister). Laju dosis permukaan yang diperkenankan kurang dari 2 mrem/jam pada oermukaan gedung. Sebagai pelindung pada vault storage dengan
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979
konveksi paksa adalah canister, kelongsong dan ban~~unan, sedangkan untuk konveksi alam adalah canister dan kelongsong. Bahan bakar bekas yang disimpan cara vault storage adalah telah mengalami pendinginan 5 tahun atau lebih. Untuk menjamin keutuhan bahan bakar bekas selama penyimpanan maka dilakukan pemantauan temperatur dan temperatur udara pendingin "cask". Vault storage secara konveksi paksa dioperasikan di Wylfa-Inggris untuk bahan bakar Ma9nox dan di Moderex-Switzerland.
Vault storage secara konveksi alam dioperasikan di Inggris untuk bahan bakar LWR.
2. Drywell Storage
Struktur fasilitas penyimpanan ini meliputi pipa besi baja dan beton, dengan perisai tanah beton dan besi baja. Perlengkapan Drywell dibatasi oleh pengambilan panas dan kritikalitas. Sebagai pelindung adalah canister, kelongsong dan drywell. Bahan bakar bekas yang disimpan secara drywell storage adalah yang telah mengalami pendinginan selama 3-5 tahun atau lebih. Untuk menjamin keutuhan bahan bakar bekas selama penyimpanan maka dilakukan pemantauan temperatur permukaan canister dan drywell, temperatur dan radioaktivitas udara pending in dalam drywell storage untuk penyimpanan sedang diuji di USA.
3. Silo Storage
Struktur fasilitas penyimpanan ini meliputi silo dan plat besi baja. Diameter dalam silo 1,2 - 1,6 m dan tinggi 5,5 - 6,6 m. Bahan perisai adalah beton dan besi baja, laju dosis yang diperkenankan adalah lebih kecil dari pad a 2 mrem/jam pada permukaan luar silo. Sebagai pelindung pada penyimpanan adalah canister kelongsong dan over package (dengan aliran udara) atau (tanpa aliran udara). Bahan bakar bekas yang disimpan secara silo storage adalah yang telah mengalami pendinginan selama 5 tahun atau lebih. Untuk menjamin keutuhan bahan bakar bekas selama penyinpanan dilakukan pemantauan temperatur canister dan radioaktivitas udara dalam silo.
4. Cask Storage
Struktur fasilitas penyimpanan ini meliputi wadah (cask storage) dan bangunan penyimpanan dengan struktur "reinforce cement". Cask storage untuk bahan bakar bekas LWR di USA berukuran diameter luar 2,0 -2,5 m, tinggi 6,4 - 7,0 m dan berat
90-120 ton. Bahan perisaii terdiri dari Pb dan bahan perisai netron, besi tuang nodular dan perisai netron. Laju dosis yang diperkenankan adalah 200 mrem pada permukaan cask dan 10 mrem pada jarak 1 m pad a permukaan cask. Sebagai pelindung adalah cask
Hasi/ Pene/irian dan Kegialan PTLR Talnm 2006 ISSN 0852 - 2979
dan kelongsong bahan bakar. Bahan bakar yang disimpan secara cask storage adalah yang telah mengalami pendinginan selama 5 tahun atau lebih. Untuk menjamin keutuhan bahan bakar bekas selama penyimpanan, maka dilakukan pemantauan kebocoran cask.
METODOLOGI
A. Perpindahan Panas Secara Konduksi
Proses konduksi adalah proses dim ana panas mengalir dari daerah suhu yang lebih tinggi ke yang lebih rendah didalam satu medium (panas, gas, cair) atau antara medium-medium yang bersinggungan secara langsung. Kapasitas laju perpindahana panas secara konduksi dinyatakan dalam rumus sebagai berikut:
aT Q= -
kA---ax
Dimana : Q = laju perpindahan panas, (watt) aT
---= gradin suhu karena perpindahan panas, (oC/m)
ax
K = Konduktivitas atau kehantaran thermal benda (w/m.°C)
B. Perpindahan Panas Secara Konveksi
Proses konveksi adalah proses transfer energi dengan kerja gabungnan koduksi panas,penyimpangan energi dan gerakan mencampur. Proses konveksi terjadi pad a penyimpangan energi antara permukaan benda padat, cair maupun gas. Kapasitas laju perpindahan panas secara konveksi dinyatakan dalam hokum Newton sebagai berikut [2]:
Dimana h = koefisien perpindahan kalor konveksi (w/m2.0C) A = luas permukaan (m2)
Tw-= suhu plat (oc)
T ~= suhu fluida (oc)
C. Perpindahan Panas Secara Radiasi
Proses radiasi adalah proses perpindahan panas melalui udara atau ruang hampa dengan cara sinaran atau pancaran dari suatu benda yang menghasilkan panas.
Hasi/ Penelitian dan Kegiatan PTLR Ta/llIn2006 ISSN 0852 - 2979
Kapasitas laju perpindahan panas secara radiasi dalam ruang kurung dinyatakan dalam rumus sebgai berikut:
Q= eaA (T14-T24)
Dimana:
e
= emisitas aira = tetapan Stefan boltzaman (w/m2.k4)
A= luas permukaan (m2) T1=suhu awal (ok) T 2= suhu akhir (Ok) D. Laju massa alir
Kapasitas perpindahana panas ditentukan jU~Ja dengan laju massa alir yang terjadi dalam media/ruangan, dihitung dengan menggunakan rum us:
Qp
m = ---Cpo b.T
Dimana : Qp= Panas yang diambil system pendingin (kW) Cp = Panas jenis (kJ/kg. oK)
b.T = Selisih suhu masuk dengan suhu keluar (0C) Tabel 2. Ukuran Penyimpanan Sementara
295 195 50 23 46 28 159,2 6~1
9
11000,72 HASIL DAN PEMBAHASANTabel 3 menampilkan kandungan panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas tipe PWR per-asemblei dan per-batang. Kandungan panas bahan bakar bekas setelah 5 tahun keluar dari reaktor sebesar 1570,0 Watt peras08mblei dan 5,95 Watt per batang bahan bakar bekas, dan terus meluruh sampai 45 tahun mencapai 314,04 Watt
Hasil Penelilian dan Kegialan PTLR Tahun 2006
Tabel 3 Panas yang ditimbulkan Bahan bakar bekas tipe PWR NO. TQbbb(W /TU)QasembleiQbatana(W)(W)
1 5 3,Ox103 5,951570,2 2 15 1,1 x 103 575,74 2,18 3 25 8,5 x 1021,69444,89 45 35 7,0 x 1021,39366,38 45 6,Ox102 1,19314,04 ISSN 0852 - 2979
Pad a Tabel 4 diperlihatkan nilai kapasitas panas yang terjadi dalam penyimpanan sementara tipe kering jenis Vault Storage. Panas total bahan bakar bekas
kapasitasnya sama dengan kapasitas panas yang terakumulasi di udara Tabel 4. Laju Perpindahan Panas
Qbbb I Qp ~ 24.161,38 KW 23.905,77 K"'D Qud 24.161,38 KW Qk 255,6 KW Dimana :
Qbbb = Panas total bahan bakar bekas dalam penyimpanan
Qp = Panas tempat penyimpanan yang diambil oleh pendingin melalui pengaliran Udara
Qud = Panas yang terakumulasi di udara dari bahan bakar bekas Qk = Panas yang terakumulasi di dinding
Tabel 5. Laju Massa Alir terhadap beda temperatur No. T1 T2T2- T1Laiu massa alir (kq/s)
1.
25 3510 2414,24
2. 15 3520 1201,45
3. 25 5025 950,33
4.5. 25 6540 583,925 3530 787,64
Tabel 5 menunjukkan perbandingan kapasitas laju massa alir udara yang terjadi dalam penyimpanan terhadap beda temperatur. Laju massa alir kapasitasnya semakin kecil apabila beda temperatur semakin besar.
KESIMPULAN
1. Kandungan panas bahan bakar bekas setelah 5 tahun keluar dari reaktor sebesar 1570,0 Watt perasemblei dan 5,95i Watt per batang bahan bakar bekas, dan terus meluruh sampai 45 tahun mencapai 314,04 Watt per-asemblei atau 1,19 Watt perbatang bahan bakar.
2. Panas total bahan bakar bekas kapasitasnya sama dengan kapasitas panas yang terakumulasi di udara yaitu 24.161,38 KW.
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 /SSN 0852 - 2979
DAFT AR PUST AKA
1. KUAT HERIYANTO," Penanganan Bahan Bakar Bekas Sebelum Disimpan Lestari", Laparan Penelitian P2PLR-BA TAN 2004.
2. HOLMAN J.P," Perpindahan Kalar", Edisi keenam, Erlangga, 1991.
3. SALIMIN Z.,"Penyimpanan Bahan Bakar Bekas", Diklat Pengelalaan Limbah Radiaaktif, PTPLR,1992.
4. HERLAN M., NUROKHIM," Aspek Keselamatan Penyimpanan Bahan Bakar Bekas Sistem Basah dan Kering", Penelitian P2PLR-BATAN, 1996.
