PENINGKATAN KEMAMPUAN BATANG KENDALI REAKTOR RSG-GAS DENGAN PENGGANTIAN BAHAN PENYERAP
Iman Kuntoro dan Tagor Malem Sembiring Pusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset - BATAN
ABSTRACT
THE IMPROVEMENT OF THE RSG-GAS CONTROL ROD CAPABILITY BY REPLACING THE ABSORBER MATERIAL. The utilization of silicide fuel of 3.55 g
U/cc in the RSG- GAS core without changing the number and the material of AgInCd absorber gives the shutdown margin of –1.03 % ∆ k/k, which is lower than the original design of oxide core of –2.2 % ∆ k/k. Therefore, improvement of control rod capability to compensate the core reactivity shall be done. Improvement of the capability can be done by substituting the absorber material with the stronger one which is able to provide the shutdown margin at least the same as the oxide core without adding the number of the control rods. The candidates were selected from the commonly used absorbers in MTR type research reactor such as Hf, Cd and B4C. The calculations were carried out by means of the combination of WIMS/D-4 and
Batan-2DIFF codes. For the silicide core, the calculated result shows that the B4C absorber is
the best choice as an alternative absorber to substitute the existing absorber of AgInCd since providing the shutdown margin of –2.54 %∆k/k which is higher than the original design of the oxide core one.
Key words: reactivity, absorber, control rod, RSG- GAS.
ABSTRAK
PENINGKATAN KEMAMPUAN BATANG KENDALI REAKTOR RSG-GAS DENGAN PENGGANTIAN BAHAN PENYERAP. Penggunaan bahan bakar silisida 3,55 gr
U/cm3 pada teras reaktor RSG-GAS dengan tetap mempertahankan batang kendali dengan
penyerap AgInCd menghasilkan marjin reaktivitas padam sebesar –1,03 % ∆ k/k yang lebih kecil daripada desain awal teras oksida sebesar -2,2 % ∆ k/k. Oleh karena itu , kemampuan batang kendali mengkompensasi reaktivitas teras perlu ditingkatkan. Peningkatan kemampuan batang kendali dapat dilakukan dengan cara mengganti bahan penyerap yang lebih kuat tanpa perlu menambah jumlah batang kendali, sehingga dapat menghasilkan marjin reaktivitas minimal sama dengan pada teras oksida. Pemilihan bahan penyerap dilakukan untuk bahan penyerap yang biasa digunakan di reaktor riset jenis MTR seperti Hf, Cd dan B4C. Perhitungan dilakukan dengan
kombinasi program komputer WIMS/ D-4 dan Batan-2DIFF. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa penyerap B4C merupakan pilihan terbaik sebagai bahan penyerap alternatif pengganti
AgInCd karena menghasilkan marjin reaktivitas padam teras silisida menjadi -2,54 % ∆ k/k yang nilainya lebih besar daripada desain awal teras oksida.
Kata kunci: reaktivitas, bahan penyerap, batang kendali, RSG-GAS.
PENDAHULUAN
Salah satu program utama Pusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset (P2TRR) BATAN dalam 3 tahun mendatang adalah konversi teras reaktor RSG- GAS yaitu penggantian bahan bakar dari bahan bakar oksida
(U3O8Al) densitas 2,96 gU/cm 3
ke bahan bakar silisida (U3Si2) densitas
3,55 gU/cm3. Desain teras setimbang silisida telah dilakukan oleh Liem, P.H. dkk.[1] untuk desain teras transisi menuju ter as setimbang silisida tersebut telah dilakukan oleh Arbie B. dkk.[2]. Dari penelitian tersebut disimpulkan bahwa kerapatan optimum bahan bakar silisida untuk teras reaktor RSG-GAS adalah 3,55 gU/cm3, namun dari segi keselamatan reaktivitas mengakibatkan marjin reaktivitas padam teras turun menjadi -1,03 %∆k/k. Sedangkan nilai
desain awal sebesar -2,2 %∆k/k. Perbedaan tersebut disebabkan oleh muatan
uranium teras yang lebih besar. Berdasarkan hasil tersebut di atas perlu dilakukan perubahan atau modifikasi sistem batang kendali sebagai upaya untuk menaikkan marjin reaktivitas padam minimal sama dengan nilai desain awal reaktor (bahan bakar oksida). Dengan demikian penggantian bahan bakar tidak mengurangi atau menurunkan tingkat keselamatan reaktor. Peningkatan kemampuan batang kendali dapat dilakukan dengan 2 cara yaitu pertama, dengan menambah jumlah batang kendali, dan kedua dengan mengganti bahan penyerap dengan kemampuan penyerapan yang lebih besar tanpa menambah jumlah batang kendali. Cara pertama telah dilakukan pada penelitian tahun yang lalu oleh Kuntoro, I., dan Sembiring, T.M.[3,4], yaitu dengan cara menambah batang kendali, berupa 2 buah batang kendali pengaman dengan bahan penyerap B4C dan AgInCd. Penggunaan batang
kendali pengaman ini dapat menaikkan marjin reaktivitas padam teras menjadi 3,6 %∆k/k untuk B4C dan 3.32 %∆k/k untuk AgInCd.
Penelitian ini melaksanakan cara kedua yaitu mencari bahan penyerap alternatif pengganti bahan penyerap AgInCd yang dipakai saat ini, tanpa penambahan batang kendali pengaman. Penentuan bahan penyerap alternatif pengganti AgInCd dilakukan untuk bahan penyerap yang biasa digunakan di reaktor jenis MTR yaitu Hf, Cd dan B4C. Tujuan penelitian ini adalah
mencari bahan penyerap alternatif untuk teras silisida yang memenuhi kriteria marjin reaktivitas padam desain awal, sebagai salah satu alternatif untuk modifikasi sistem batang kendali teras silisida RSG- GAS. Pemilihan bahan penyerap alternatif ditinjau dari segi neutronik saja. Perhitungan dilakukan dengan kombinasi program komputer WIMS/D- 4 untuk generasi tampang lintang dan Batan-2DIFF untuk perhitungan neutronik teras.
TEORI
Fungsi batang kendali adalah untuk mengendalikan reaktivitas teras reaktor yaitu untuk memadamkan reaktor, merubah daya reaktor dan mempertahankannya pada daya tertentu, dengan cara menyerap neutron hasil reaksi fisi di teras. Keselamatan reaktor dari segi reaktivitas ditentukan oleh kemampuan batang kendali (reaktivitas negatif) dalam mengkompensasi reaktivitas- lebih teras (positif) yang dih asilkan oleh bahan bakar reaktor. Jadi, nilai reaktivitas batang kendali harus lebih besar dari pada nilai reaktivitas teras, sehingga reaktor dapat dipadamkan kapan saja dan dalam kondisi apa
saja atau selalu menghasilkan reaktivitas padam yang negatif (subkritis) pada saat batang kendali berada pada posisi masuk di dalam teras reaktor.
Batas keselamatan reaktivitas reaktor ditentukan oleh besaran yang disebut marjin reaktivitas padam, yaitu nilai reaktivitas padam teras pada saat satu batang kendali deng an nilai reaktivitas terbesar gagal masuk ke dalam teras. Nilai batas keselamatan minimum adalah 0,5 % [5].
Cara menentukan kemampuan batang kendali adalah dengan membuat neraca reaktivitas teras sebagai berikut:
1. Hitung reaktivitas teras untuk konfigurasi tanpa batang kendali (ditarik ke atas), maka diperoleh reaktivitas- lebih teras.
2. Hitung reaktivitas teras pada konfigurasi dengan seluruh batang kendali berada pada teras (masuk), maka akan diperoleh reaktivitas padam.
3. Dengan mengurangkan hasil langkah 2 dengan hasil langkah 1, diperoleh kemampuan batang kendali yaitu harga reaktivitas batang kendali.
4. Kemudian hitung reaktivitas teras pada konfigurasi dengan salah satu batang kendali gagal masuk (di luar) secara bergantian untuk seluruh batang kendali. Perhitungan ini menghasilkan harga reaktivitas padam sebagai fungsi satu batang kendali gagal. Bila harga ini dikurangkan dengan hasil langkah 2, akan diperoleh nilai reaktivitas tiap batang kendali. Adapun nilai marjin reaktivitas padam adalah sesuai dengan definisinya yaitu harga reaktivitas padam pada saat satu batang kendali dengan reaktivitas terbesar gagal adalah nilai terkecil dari hasil hitungan langkah ke 4.
Perhitungan reaktivitas teras dilakukan dengan bantuan paket program yang menyelesaikan per samaan difusi neutron di teras reaktor. Perhitungan akan menghasilkan parameter teras berupa faktor perlipatan efektif, reaktivitas, distribusi neutron dan daya.
Pengendalian reaktivitas teras reaktor RSG-GAS dilakukan dengan sistem batang kendali yang berjumlah 8 buah dengan bahan penyerap AgInCd yang tersusun secara simetris dalam teras seperti ditunjukkan dalam Gambar 1. Pemilihan bahan penyerap alternatif pengganti AgInCd akan dilakukan dengan batasan dan kriteria sebagai berikut.
Batasan dalam penelitian ini adalah bahwa ukuran dan bentuk bahan penyerap dipertahankan sama dengan yang dipakai saat ini. Adapun kriteria pemilihan bahan penyerap alternatif untuk teras silisida adalah memenuhi batas keselamatan dan menghasilkan marjin reaktivitas padam yang lebih besar dari pada 2,2 %∆k/k. Nilai tersebut adalah harga desain RSG-GAS
dengan bahan bakar oksida. Dengan demikian penggantian bahan penyerap tidak mengurangi tingkat keselamatan reaktor.
PERHITUNGAN
Generasi Tampang Lintang
Sebelum melakukan perhitungan teras, terlebih dahulu dilakukan generasi tampang lintang atau biasa disebut konstanta kelompok. Konstanta kelompok untuk bahan teras telah tersedia, sehingga hanya perlu menggenerasi konstanta kelompok untuk bahan penyerap alternatif, Hf, Cd dan B4C. Generasi konstanta dalam 4 kelompok tenaga neutron dilakukan
dengan paket program WIMS/D- 4 [6].
Di samping tampang lintang, dalam perhitungan difusi teras diperlukan pula syarat batas berupa koefisien kehitaman bahan penyerap yang memberikan gradien fluks neutron pada batas antara penyerap dan bahan bakar. Koefisien kehitaman ditentukan berdasarkan rumus[7,8],
[
1 3 ( )]
2 ) ( 2 1 4 3 τ τ α a a E E Σ − Σ − = dengan τ = tebal penyerap (cm)En = fungsi integral eksponensial
Hasil tampang lintang serapan dan koefisien kehit aman di atas perlu dicek. Pengecekan dilakukan dengan cara menggunakan harga tersebut dalam perhitungan difusi teras Reaktor Benchmark IAEA 10 MWth [9], dengan konfigurasi seperti dilukiskan dalam Gambar 2. Perhitungan teras dilakukan dengan paket program Batan-2DIFF [10] dengan model geometri X- Y dengan 4 kelompok tenaga neutron. Kasus perhitungan yang diambil adalah penentuan nilai batang kendali total. Hasil perhitungan ini kemudian dibandingkan dengan hasil perhitungan Monte Carlo. Bila harga nilai batang kendali dari perhitungan difusi berbeda dengan hasil Monte Carlo, perhitungan difusi diulang kembali dengan merubah harga tampang lintang serapannya. Langkah ini dilakukan terus sampai diperoleh harga yang sangat mendekati. Tampang lintang serapan dan koefisien kehitaman yang diperoleh dari perhitungan terakhir ini, selanjutnya digunakan untuk perhitungan
neutronik teras reaktor RSG-GAS, untuk menentukan bahan penyerap alternatif.
Penentuan Bahan Penyerap Alternatif
Marjin reaktivitas padam teras silisida ditentukan dengan perhitungan neutronik teras seperti dalam teori, pada konfigurasi teras silisida sebagai fungsi jenis bahan penyerap dan kondisi posisi batang kendali. Perhitungan dilakukan dengan program difusi Batan-2DIFF dengan 4 kelompok tenaga neutron dengan model teras reaktor dalam geometri 2-dimensi X- Y seperti
dilukiskan dalam Gambar 1. Dengan menerapkan kriteria nilai batas marjin reaktivitas padam seperti tersebut di atas, kemudian dipilih bahan penyerap alternatif untuk batang kendali teras silisida RSG-GAS.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Generasi Tampang Lintang
Hasil generasi tampang lintang bahan penyerap yang diteliti langsung disediakan sebagai input dalam program Batan-2DIFF untuk perhitungan neutronik teras. Sedangkan hasil perhitungan validasi program Batan-2DIFF untuk menentukan koefisien kehitaman disajikan dalam Tabel 1. Harga koefisien kehitaman untuk tiap jenis bahan penyerap disajikan dalam Tabel 2.
Tabel 1 menunjukkan bahwa paket program Batan-2DIFF di dalam perhitungan nilai batang kendali total memberikan hasil yang sangat baik karena memberikan perbedaan relatif dengan perhitungan Monte Carlo yang lebih kecil dari 0,95 % untuk seluruh jenis bahan penyerap. Hasil validasi ini menunjukkan bahwa koefisien kehitaman ini dapat dipakai dalam perhitungan marjin reaktivitas padam teras reaktor RSG- GAS. Dari Tabel 2 diperoleh bahwa urutan dari yang terbesar kekuatan menyerap neutron (koefisien kehitaman) untuk seluruh jangkau tenaga neutron dari bahan yang diteliti adalah B4C, AgIn Cd , Hf dan Cd. Parameter ini memberikan petunjuk
bahan penyerap yang paling baik untuk batang kendali adalah B4C.
Efektivitas batang kendali sendiri harus dihitung secara terintegrasi dalam perhitungan neutronik teras. Koefisien ini dan konstanta kelompok lain untuk tiap bahan penyusun teras kemudian dipakai sebagai masukan dalam perhitungan neutronik teras.
Penentuan Bahan Penyerap Alternatif
Perhitungan reaktivitas teras sebagai fungsi kondisi posisi batang kendali dan jenis bahan penyerap disajikan dalam Tabel 3. Nilai reaktivitas teras terkecil dalam Tabel 3 menunjukkan harga marjin reaktivitas teras. Dari Tabel 3 kemudian dibuat neraca reaktivitas teras termasuk marjin reaktivitas padam sebagai fungsi jenis bahan seperti disajikan dalam Tabel 4. Dari Tabel tersebut di atas dapat dibahas hal- hal penting sebagai berikut:
1. Marjin reaktivitas padam teras silisida RSG- GAS yang memenuhi syarat dan kriteria adalah bila batang kendali menggunakan bahan penyerap B4C yang menghasilkan marjin reaktivitas padam paling besar yaitu –
2,54 %∆k/k atau sekitar 2,5 kali lipat lebih besar dibandingkan dengan
nilai yang dihasilkan oleh penyerap AgInCd (–0,95 %∆k/k). Hal tersebut
sebelumnya (Tabel 2), yaitu bahwa B4C memiliki nilai koefisien yang
paling besar dibanding dengan bahan penyerap lainnya untuk seluruh kelompok tenaga. Nilai marjin reaktivitas padam ini lebih besar daripada kriteria atau desain awal sebesar –2,2 %∆k/k, sehingga pengoperasian
teras silisida dengan batang kendali dengan penyerap B4C memberikan
tingkat keselamatan yang lebih tinggi, yaitu reaktor dapat dipadamkan pada kondisi setiap saat dan keadaan meskipun satu batang kendali macet (tidak dapat masuk ke dalam teras reaktor).
2. Bahan penyerap yang lain tidak memenuhi kriteria marjin reaktivitas padam.
3. Kemampuan sistem batang kendali untuk mengkompensasi reaktivitas dengan bahan penyerap B4C juga lebih besar yaitu sebesar -15,09 %∆k/k
dibandingkan dengan AgInCd sebesar -13,05 %∆k/k. Nilai reaktivitas ini
menunjukkan kemampuan batang kendali untuk memadamkan reaktor pada kondisi normal yaitu dengan memberikan kondisi subkritis pada saat seluruh batang kendali masuk ke dalam teras sebesar -5,85 %∆k/k
dan -3,81 %∆k/k.
Jadi, penggantian bahan penyerap AgInCd dengan B4C akan
menaikkan tingkat keselamatan dari segi pengendalian reaktivitas untuk reaktor RSG-GAS dengan bahan bakar silisida densitas tinggi (3,55 gU/cc). KESIMPULAN
Bahan penyerap alternatif pengganti AgInCd untuk batang kendali teras RSG-GAS berbahan bakar silisida dengan kerapatan 3,55 gr U/cm3 yang
memenuhi syarat dan kriteria adalah B4C karena kemampuan
mengkompensasi reaktor menghasilkan marjin reaktivitas padam sebesar -2,54 %∆k/k. Dengan penggantian bahan penyerap ini, program konversi
bahan bakar dari oksida 2,96 gr U/cm3 ke silisida 3,55 gr U/cm3 dapat dilakukan dengan aman tanpa penambahan jumlah batang kendali.
Selanjutnya perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui karakteristik batang kendali dalam pengoperasian reaktor RSG- GAS dengan bahan bakar uranium silisida.
DAFTAR PUSTAKA
1. LIEM, P.H. et al., Fuel Management Strategy for The New Equilibrium Silicide Core Design of RSG GAS (MPR-30), Journal of Nuclear Engineering and Design 180 (1998)
2. ARBIE B. et al., Conversion Study from Oxide to Silicide Fuel for the Indonesia 30 MW Multipurpose Reactor G.A. Siwabessy, Proceedings of the 18t h International meeting on Reduced Enrichment for Research and Test Reactor, CEA, Paris (1995)
3. KUNTORO, I., SEMBIRING, T.M. dan ZUHAIR, Modifikasi Sistem Batang Kendali Reaktor RSG-GAS untuk Teras Dengan Bahan Bakar Silisida Densitas Tinggi, Prosiding Seminar Sains dan Teknologi Nuklir Dalam Pemberdayaan Potensi Nasional, BATAN, Bandung (2000) 4. KUNTORO, I. dan SEMBIRING, T.M., Peningkatan Batang Kendali
Reaktor RSG-GAS Dengan Penambahan BKP AgInCd, Jurnal Teknologi Reaktor, 3 (1) Februari (2001)
5. BATAN, “Safety Analysis Report”, 1987, BATAN (Jakarta)
6. ASKEW, J.R., et al., A General Description Of The Code WIMS, Journal Br. Nucl. Energy Soc. 5 (1966)
7. BRETSCHER, M.M., Computing Control Rod Worths in Thermal Research Reactors, ANL/RERTR/TM-29, ANL (1997)
8. LIEM, P.H. and SEMBIRING, T.M., Validation of Batan’s Standard Neutron Diffusion Codes for Control Rod Worth Analysis, Atom Indonesia 23 (2) (1997)
9. IAEA, Research Reaktor Conversion Guide Book–Vol. 3: Analytical Verification, IEAE-TECDOC-643, Vienna, Austria (1992)
10. LIEM, P.H., Development and Verification of Batan’s Standard Two-Dimensional Multigroup Neutron Diffusion Code (Batan- 2DIFF), Atom Indonesia 20 (2) (1994)
Tabel 1. Nilai batang kendali total reaktor Benchmark IAEA 10 MWth untuk berbagai jenis bahan penyerap.
Nilai batang kendali total, % Bahan penyerap
Monte Carlo Batan-2DIFF DIFF/MC*
Ag-In-Cd 11,24 ± 0,38 11,31 1,0062
B4C 14,95 ± 0,40 14,81 0,9906
Hf 11,07 ± 0,36 11,10 1,0027
Catatan: *DIFF/MC= perbandingan hasil metode difusi dengan metode Monte Carlo
Tabel 2. Koefisien kehitaman batang kendali RSG-GAS untuk berbagai jenis bahan peny erap.
Kel, Syarat Batas
Atas, eV Hf Cd AgInCd B4C
1 1.0000E+07 5.1487E-04 2.1933E-04 6.0082E-04 1.4946E-03 2 8.2100E+05 3.5574E-03 1.7737E-03 4.1782E-03 8.2243E-03 3 5.5310E+03 1.1924E-01 2.6330E-02 9.3174E-02 1.9105E-01 4 6.2500E-01 2.9265E-01 4.6920 E-01 4.2295E-01 4.6919E-01 Catatan: Kel. = Kelompok tenaga neutron.
Tabel 3. Harga reaktivitas teras silisida reaktor RSG-GAS sebagai fungsi keadaan batang kendali.
Reaktivitas teras (%) dengan penyerap Kondisi Batang Kendali
Hf Cd AgInCd B4C
8 batang kendali di luar 9,24 9,24 9,24 9,24 8 batang kendali di dalam -3,35 -1,36 -3,81 -5,85 G-6 di luar, 7 batang kendali di dalam -1,32 0,26 -1,72 -3,44 F-8 di luar, 7 batang kendali di dalam -0,59* 0,85* -1,03* -2,54* F-5 di luar, 7 batang kendali di dalam -1,43 0,19 -1,85 -3.54 E-9 di luar, 7 batang kendali di dalam -0,74 0,71 -1.26 -2,78 D-4 di luar, 7 batang kendali di dalam -1,05 0,48 -1,64 -3,28 C-8 di luar, 7 batang kendali di dalam -1,61 0,05 -2,08 -3,83 C-5 di luar, 7 batang kendali di dalam -1,04 0,49 -1,54 -3,13 B-7 di luar, 7 batang kendali di dalam -1,54 0,08 -1,93 -3,58 *). Marjin reaktivitas padam(reaktivitas padam terkecil dengan satu batang kendali gagal).
Tabel 4. Neraca reaktivitas teras silisida RSG- GAS sebagai fungsi bahan penyerap.
Parameter, % ∆ k/k Hf Cd AgInCd B4C
Reaktivitas- lebih 9,24 9,24 9,24 9,24
Reaktivitas padam -3,35 -1,36 -3,81 -5,85
Nilai total batang kendali -12,59 -10,60 -13,05 -15,09 Nilai reaktivitas batang
kendali terbesar (pada posisi)
-2,76 (F-8) -2,21 (F-8) -2,78 (F-8) -3,31 (F-8)
BS B B B B BS B B B B B FE 2 FE 3 FE 5 FE 2 BS NS B BS FE 1 FE 3 FE 2 CE 6 IP FE 7 FE 6 FE 1 B FE 2 FE 8 CE 3 FE 4 FE 8 CE 1 FE 8 FE 7 FE 3 IP FE 6 FE 7 CE 8 FE 4 B FE 4 CE 7 FE 8 FE 6 IP FE 5 B FE 5 FE 7 CE 2 FE 6 FE 4 CE 4 FE 8 FE 3 B FE 1 FE 6 FE 7 IP CE 5 FE 3 FE 4 FE 2 B B B FE 1 FE 3 FE 5 FE 1 B B BS B BS B B B B B BS B BS B PN RS HY RS HY RS HY RS HY RS B B 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Beryllium Block Reflector A B C D E F G H J K P R T F CIP
Note : FE = Fuel Element, CE = Control Element, BE = Be Reflector Element, BS = Be Reflector Element with plug, IP = Irradiation Position, CIP = Central Irradiation Position, PNRS = Pneumatic Rabbit System, HYRS = Hydraulic Rabbit System
W W W G G G G G G G G W W W W W H2O Keterangan: G = Grafit
= Elemen Bakar Standard
= Elemen Bakar Kendali dan batang kendali = Air W
H2O = Air
