BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Permasalahan
Semakin maraknya krisis energi yang disebabkan oleh menipisnya cadangan minyak bumi, gas dan batubara di Indonesia,membuat kita harus segera memikirkan solusi energi alternatif untuk menggantikan sumber energi dari fosil ini. Diperkirakan cadangan minyak bumi Indonesia masih ada 9.1 miliar barel dan minyak bumi ini hanya akan bertahan untuk 25 tahun ke depan. Sedangkan cadangan batubara dan gas bumi Indonesia masih tersisa untuk sekitar 110 dan 68 tahun [7].
Tabel 1.1-1 Potensi energi nasional 2006
Energi Fosil Sumber Daya Cadangan (Proven+Possible)
Produksi (per Tahun)
RASIO CAD/
PROD (tanpa eksplorasi
Tahun) Minyak Bumi 86,9 miliar barel 9,1 miliar barel 365 juta barel 25
Gas Bumi 384,7 TSCF 187 TSCF 2,77 TSCF 68
Batubara 90,5 miliar ton 18,7 miliar ton 170 juta ton 110 Coal Bed
Methane
453 TSCF - - -
Disamping itu, penggunaan energi dari fosil ini telah menimbulkan dampak efek rumah kaca, hujan asam dan pemanasan global (global warming) di bumi ini. Berikut adalah gambar dari Greenland yang telah mencair setiap
permukaan air laut akan naik dan akan menenggelamkan beberapa pulau yang dangkal [6]. Diperkirakan tahun 2050, akan sering terjadi banjir dan akan mengambil korban 100 juta jiwa jika tindakan pemakaian energi fosil ini diminimalisir atau bahkan tidak digunakan lagi.
Gambar 1.1-1 Foto Greenland dari tahun ke tahun
Gambar 1.1-2 Kenaikan air laut pada tahun 2050
Oleh karena itu, untuk menanggulangi masalah tersebut kita membutuhkan solusi energi alternatif untuk menggantikan bahan bakar fosil. Salah satu energi
alternatif itu adalah energi yang berasal dari energi nuklir.Energi nuklir adalah energi yang berasal dari reaksi nuklir (reaksi fisi dan reaksi fusi) yang berlangsung didalam reaktor dan memerlukan bahan bakar fissil1maupun fertile2. Berikut keuntungan dan kelemahan dari energi nuklir apabila kita bandingkan dengan energi yang berasal dari fosil:
Keuntungan energi nuklir :
1. Tidak menimbulkan polusi/pencemaran udara seperti pelepasan CO2 ,CO, SO2, hujan asam dan global warming.
2. Energi yang berasal dari energi nuklir menghasilkan bahan-bahan sisa padat lebih sedikit.
3. Penyediaan bahan bakarnya memerlukan penambangan yang lebih sedikit.
4. Lebih ekonomis.
5. Pemilihan letak reaktor bisa direncanakan dengan baik.
Sebaliknya, kelemahan energi nuklir adalah:
1. Menghasilkan bahan sisa radioaktif yang berumur sangat panjang sehingga harus disimpan dan diamankan untuk jangka waktu yang sangat lama.
2. Dapat melepaskan bahan-bahan radioaktif. Perlu ditambahkan bahwa pelepasannya adalah sedemikian rendahnya sehingga tidak begitu berarti apabila kita bandingkan dengan latar belakang radiasi yang sudah ada dalam alam. Pelepasan bahan-bahan radioaktif dari suatu Pusat Listrik Tenaga Batu-bara yang berasal dari radioaktivitas alam dalam batu bara dapat melebihi pelepasan radioaktif dari Pusat Listrik Tenaga Nuklir.
1Bahan fissil adalah isotop-isotop yang dapat membelah atau melakukan fisi dengan neutron thermal contohnya U233, U235, Pu239
2Bahan fertile adalah isotop yang dapat menghasilkan bahan fissil meskipun isotop ini tidak bisa tidak dapat melakukan fisi dengan neutron thermal, contohnya U238 dan Th 233
3. Dalam PLTN terdapat himpunan bahan-bahan radioaktif dalam jumlah amat besar yang harus dikungkung dalam keadaan juga. Oleh karena itu, segi-segi keselamatan yang bersangkutan dengan kemungkinan terjadinya kecelakaan dapat lebih berat dibandingkan dengan PLT-Batubara
4. Untuk tingkat daya yang sama, panas buangan dari PLTN lebih besar daripada PLT-Batubara karena efisiensi termik PLTN lebih rendah. Perlu ditambahkan bahwa jenis-jenis reaktor yang sedang dikembangkan, nantinya akan mempunyai efisiensi termik yang lebih tinggi dari PLT- Batubara.
5. Modal yang diperlukan untuk pembangunan PLTN lebih besar dan waktu pembangunannya lebih lama dibandingkan dengan PLT-Batubara
Tabel 1.1-2 Perbandingan sumber energi utama
Resources Energi Bahan Bakar per 1000 MWe
Per kg bahan bakar Plant per tahun
Fisi Nuklir 50.000 kWh 30 ton
Batu Bara 3 kWh 2.600.000 ton
Minyak Bumi 4 kWh 2.0000.000 ton
Gambar 1.1-3 Perbandingan jumlah gas efek rumah kaca yang dihasilkan oleh berbagai sumber energi
Gambar 1.1-4 Perbandingan jumlah emisi yang dikeluarkan oleh berbagai sumber energi
Gambar 1.1-5 Potensi energi Nasional
Setelah melihat perbandingan diatas kita dapat melihat bahwa nuklir memiliki dampak emisi rumah kaca paling kecil diantara sumber-sumber energi lainnya [5]. Namun ketakutan atau bahkan phobia pada kecelakaan dan limbah energi nuklir masih sangat menghantui masyarakat awam. Energi ini dianggap membahayakan karena adanya faktor limbah radioaktif yang dihasilkan dari reaksi nuklir dengan waktu paroh yang sangat panjang. Selain itu, ongkos modal dalam pembiayaan pembangunannya sangat besar yang sulit dilakukan oleh negara-negara berkembang.
Gambar 1.1-6 Peta PLTN didunia
Dari gambar 1.1.6 dapat kita lihat bahwa PLTN kebanyakan dikembangkan oleh negara – negara Eropa, Amerika, Asia Selatan dan Asia Timur. Mereka telah bergabung kedalam Generation IV International Forum (GIF). Saat ini, GIF telah beranggotakan Afrika Selatan, Brazil, Canada, Korea Selatan, Amerika Serikat, Perancis, Jepang, Switzerland, persatuan Eropa (melalui CEA– French Atomic Energy Commission). GIF ini sedang giat dalam membangun reaktor nuklir generasi IV. Reaktor nuklir generasi IV adalah reaktor yang dipandang sebagai reaktor yang menghasilkan limbah dalam jumlah yang sedikit, tingkat keselamatannya tinggi dan long live dimana reaktor ini waktu untuk pengisi ulang bahan bakar dapat mencapai 60 tahun. Generation IV International Forum (GIF) berlandaskan kepada delapan tujuan teknologi. Tujuan utamanya adalah untuk meningkatkan keselamatan atau safety dalam mengoperasikan nuklir, meningkatkan proliferation resistant3, menimimalisir limbah dan penggunaan sumber daya alam dan untuk mengurangi biaya dalam pembangunan dan pengoperasian reaktor.
Ada 6 tipe reaktor yang termasuk kedalam ke prototipe generasi IV.
Reaktor generasi IV ini akan dimulai pada tahun 2015 keatas dan sekarang kita hanya menemukan prototipenya saja. Berikut jenis- jenis reaktor generasi IV dan waktu mulai dioperasikan.
3Tingkat kesulitan suatu material untuk dapat dikonversi menjadi senjata
Tabel 1.1-3 Jenis-Jenis reaktor generasi IV
Reaktor Generasi IV Akronim
Gas Cooled Fast Reactor GFR
Lead-Cooled Fast Reactor LFR
Molten Salt Reactor MSR
Sodium- Cooled Fast Reactor SFR
Supercritical-Water Cooled Reactor SCWR
Very High Temperature Reactor VHTR
Tabel 1.1-4 Waktu pengoperasian reaktor generasi IV
Reaktor Generasi IV Waktu Pengoperasian
Gas Cooled Fast Reactor 2025
Lead-Cooled Fast Reactor 2025
Molten Salt Reactor 2025
Sodium- Cooled Fast Reactor 2015
Supercritical-Water Cooled Reactor 2025
Very High Temperature Reactor 2020
Gas Cooled Fast Reactor (GFR) termasuk kedalam jenis reaktor generasi
IV yang akan diimplementasikan pada tahun 2025. GFR adalah reaktor yang terbaik dalam hal ketahanan karena GFR mempunyai siklus bahan bakar tertutup dan GFR juga sangat bagus dalam manajemen aktinida. Selain itu, GFR yang dioperasikan pada suhu 850˚C juga mendukung dalam produksi gas hidrogen.
Total budget project dari GCFR adalah 3,6 juta UERO (50, 4 miliar rupiah) dengan kontribusi EC sebesar 2 juta UERO yang setara dengan 28 miliar rupiah.
Penelitian berjudul “Studi Desain Gas Cooled Fast Reactor yang Berpendingin Helium dan Menggunakan Uranium Alam sebagai Bahan Bakar” ini dibuat untuk menghasilkan reaktor yang memenuhi kriteria di atas.
Aspek yang akan kita kaji adalah aspek neutronik, ekonomi dan safety meskipun belum seluruh aspek di atas dikaji secara rinci dalam penelitian ini.
1.2 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk merancang sebuah reaktor cepat generasi IV tipe Gas Cooled Fast Reactor (GFR) berbahan bakar uranium alam yang memiliki masa operasi 60 tahun. Dengan memburn-up uranium alam selama 60 tahun dan membagi teras reaktor menjadi 6 region yang memiliki volume sama, dihasilkan plutonium yang akan mencukupi untuk operasi reaktor selama 15 tahun. Dengan demikian, pada waktu 15 tahun operasi berikutnya, reaktor dapat beroperasi dengan memindahkan bahan bakar dari region pertama ke region kedua, region kedua ke region ketiga, dan seterusnya, dan menambahkan uranium alam. Reaktor ini juga memiliki nilai initial excess reactivity yang relatif kecil (<10%).
Selain tujuan penelitian di atas, penulisan tugas akhir ini juga bertujuan untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan Program Sarjana di Program Studi Fisika ITB.
1.3 Batasan Masalah
Penelitian ini dilakukan pada jenis reaktor cepat GFR (Gas Cooled Fast Reactor) dengan teras berbentuk silinder, berdaya tinggi 2400 MWth,
menggunakan bahan bakar uranium alam, Helium sebagai pendingin (coolant) dan Stainless Steel 316 (SS316) sebagai bahan cladding. Analisis reaktor pada penelitian ini akan difokuskan pada analisis neutronik dari teras reaktor.
1.4 Metode Penelitian
Perhitungan desain neutronik pada penelitian ini menggunakan kode program SRAC yang dikembangkan oleh JAERI ((Japan Atomic Energy Research Institute). Program SRAC dapat melakukan perhitungan sel bahan bakar
dan burn up teras pada desain reaktor GFR yang dirancang. Hasil dari perhitungan SRAC akan diolah menjadi bentuk grafik dengan menggunakan software Microsoft Excel. Data-data lain dari GFR didapatkan dari bahan ajar fisika reaktor, jurnal-jurnal penelitan dan data-data internet.
1.5 Sistematika Penulisan
Laporan penelitian ini terdiri dari beberapa tahap pembahasan, di antaranya :
Bab I Pendahuluan, berisi latar belakang dan tujuan penelitian yang dilakukan, batasan masalah, metode penelitian dan sistematika penulisan.
Bab II Teori Dasar, membahas dasar-dasar teori yang mendukung penelitian, khususnya tentang konsep dasar desain reaktor.
Bab III Desain Teras dan Metode Perhitungan, membahas spesifikasi dan konfigurasi umum sel bahan bakar dan teras GFR yang akan dirancang.
Bab IV Perhitungan dan Analisis Desain Teras, merupakan pembahasan hasil-hasil perancangan teras yang diperoleh.
Bab V Kesimpulan dan Saran, berisi kesimpulan dan saran dari laporan penelitian ini.
Kelima bab di atas dilengkapi dengan Daftar Pustaka dan Lampiran.
