BASIC DESAIN PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe UNTUK PLTN DI INDONESIA: DIVISI PROSES

BASIC

DESAIN PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe

UNTUK PLTN DI INDONESIA: DIVISI PROSES

Bambang G. Susanto, Prayitno, Abdul Jami, Marliyadi P., dan Hafni Lissa Nuri

PRPN – BATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK

BASIC DESAIN PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe

UNTUK PLTN DI INDONESIA: DIVISI PROSES.

Telah dilakukan perekayasaan pada

tahapan basic desain pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN di

Indonesia melalui konversi jalur AUK (Ammonium Uranil Karbonal) dan JKT (Jalur Kering

Terintegrasi) dan dilanjutkan dengan fabrikasi. Dari hasil tahapan perekayasaan yang

telah dilakukan untuk divisi proses data teknis telah dihasilkan yaitu: informasi umum

mengenai pabrik elemen bakar nuklir; basic engineering design data; unit desain basis;

deskripsi proses; diagram alir kualitatif dan kuantitatif dan process flow diagram; neraca

massa dan energi; spesifikasi dan data sheet peralatan proses; equipment list; diagram

pipa dan instrumentasi; perhitungan ukuran pipa nominal pabrik; kelas bahan berbahaya;

keterangan katup pengendali, safety analysis function evaluation chart (SAFE Chart);

preliminary HAZOP study; data

aspek keuangan, kriteria seleksi dan aspek ekonomi

khusus untuk JKT.

Kata kunci: PWR 1000 MWe, PLTN , jalur AUK, jalur kering terintegrasi, elemen bakar

nuklir.

ABSTRACT

The design has been done at basic design steps of nuclear fuel element plant PWR type

1000 MWe for Indonesia NPP through ammonium uranyl carbonate and integrated dry

route up to fabrication step. Technical data’s obtained during the basic design steps (for

process devision only) are: general information for nuclear fuel element plant; basic

engineering design data; process description, qualitative and quantitative flow diagrams;

process flow diagram (PFD); mass and energi balance; specification and process data

sheet; equipment list; hazard material class, piping and instrumentation diagram; plant line

sizing; control description, safety analysis funtion evaluation chart (SAFE Chart),

preliminary HAZOP study; the data for financial aspect; selection criteria and economical

aspect for integrated dry route only.

1.

PENDAHULUAN

Berbagai negara pemilik PLTN yang ada di dunia, ada yang memasukkan opsi

pendirian pabrik elemen bakar nuklir setelah PLTN nya dibangun untuk menjamin

kesinambungan penyediaan bahan bakar nuklir dalam jangka panjang [1].

Undang-undang Nomor 17 tahun 2007 tentang Rencana Pembangunan Jangka

Panjang Nasional tahun 2005 - 2025 telah menegaskan bahwa pengembangan

diversifikasi energi untuk jangka panjang akan mengedepankan energi terbarukan

khususnya bioenergi, geo thermal, tenaga air, tenaga angin, tenaga surya, bahkan tenaga

nuklir dengan mempertimbangkan faktor keselamatan secara ketat [2].

Untuk mengantisipasi opsi PLTN dipilih sebagai salah satu pembangkitan energi di

Indonesia, BATAN melalui Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir telah melakukan pra studi

kelayakan pendirian pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe mulai tahun 2006

sampai tahun 2009. Kesimpulan dari pra studi kelayakan tersebut menyebutkan bahwa

pendirian pabrik elemen bakar nuklir sangat strategis dan menguntungkan bila dibangun

segera setelah PLTN pertama beroperasi di Indonesia [3].

Pada tahun 2011 BATAN melalui Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir (PRPN) telah

menindak lanjuti hasil pra studi kelayakan dengan melakukan studi lebih lanjut ke tahap

“

Basic

Desain Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN di

Indonesia”[4]. Pada tahap ini, rencana skedul pendirian pabrik elemen bakar nuklir

disesuaikan dengan kemungkinan pendiriannya setelah tahun 2025. Peralatan proses

konversi UF6

menjadi UO2

melalui jalur kering terintegrasi (JKT) dilakukan desain ulang

dengan menurunkan kapasitas menjadi 400 ton UO2/tahun, sedangkan jalur AUK

kapasitasnya tetap 710 ton UO2/tahun. Seluruh harga peralatan baik konversi maupun

fabrikasi termasuk harga gas UF

6

diperkaya sampai 5% U-235 disesuaikan melalui

estimasi

cost Index

mulai tahun 2024 yaitu ketika pabrik elemen bakar nuklir diperkirakan

mulai dikonstruksi dan mulai beroperasi tahun 2028.

Bahan bakar nuklir adalah salah satu komponen utama beroperasinya sebuah

reaktor nuklir. Fabrikasi bahan bakar nuklir adalah langkah proses paling akhir untuk

memproduksi bahan bakar uranium untuk reaktor tenaga nuklir komersial. Selama

fabrikasi, gas UF6

(biasanya diperkaya antara 3 - 5 % U-235) diubah menjadi serbuk UO2.

Proses secara kimia menjadi serbuk UO2

yang memenuhi tingkat keramik (

ceramic grade

)

dapat dilakukan melalui jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK) atau Jalur Kering

Terintegrasi (JTK) [1, 3, 5].

Bila proses konversi melalu jalur AUK, mama gas UF6

diubah menjadi uap dengan

cara pemanasan di dalam sehingga gas UF6

yang terbentuk, dan dialirkan ke dalam

larutan amonium karbonat bersama-sama dengan pereaksi gas CO

2

, gas NH

3

, dan air

sehingga terbentuk endapan senyawa kompleks AUK yang stabil dan berwarna kuning.

Reaksi pengendapan melalui jalur AUK yang terjadi :

UF

6

+ 5H

2

O + 10 NH

3

+ 3CO

2

(NH

4

)

4

UO

2

(CO

3

)

3

+ 6NH

4

F

(1)

Reaksi proses kalsinasi yang terjadi :

200

0

C

(NH4)4UO2(CO3)3

UO3

+ 3CO2

+ 4NH3

+ 2H2O

(2)

700

0

C

6UO

3

+ O

2

2U

3

O

8

+ 2O

2

(3)

Reaksi proses reduksi yang terjadi :

800

0

C

U3O8

+ 2 H2

3UO2

+ 2H2O

(4)

Proses konversi gas UF6 melalui JKT adalah sebagai berikut:

UF

6

+ 2H

2

O UO

2

F

2

+ 4HF

(5)

Serbuk uranil fluoride (UO2F2) hasil

hydrolysis

selanjutnya dikonversi menjadi UO2

dengan

mengalirkan gas H2

dan uap air panas sesuai dengan reaksi sebagai berikut:

4UO2F2

+ 2H2O + 2H2

U3O8

+ UO2

+ 8HF

(6)

U

3

O

8

+ 2H

2

3UO

2

+ 2H

2

O

(7)

Proses konversi melalui jalur JKT akan mengubah gas UF6

menjadi UO2,

dan dihasilkan

limbah yang paling sedikit sehingga disebut proses yang ramah lingkungan [5].

Pada tahap

basic

desain, pabrik yang akan didirikan mempunyai kapasitas 710 ton

UO

2

/tahun bila proses konversi UF

6

menjadi UO

2

dipilih jalur pengendapan Ammonium

Uranil Karbonat (AUK). Kapasitas konversi melalui jalur AUK ini setara dengan 5 bundel

elemen bakar nuklir/hari untuk PLTN tipe PWR kapasitas 1000 MWe [3, 4]. Namun

demikian Jalur Kering Terintegrasi (JKT) juga dipersiapkan sebagai pilihan teknologi

proses bila proses konversi melalui jalur AUK tidak beroperasi. Kapasitas produksi untuk

Jalur Kering Terintegrasi diputuskan diturunkan menjadi 400 ton UO2/tahun untuk

memperkecil biaya investasi awal [4].

2.

METODOLOGI/TAHAPAN KEGIATAN BASIC DESAIN PABRIK ELEMEN BAKAR

NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe

Kegiatan perekayasaan melalui tahapan

basic

desain pabrik elemen bakar nuklir

tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN di Indonesia dilakukan menurut format (hanya untuk

divisi proses) sebagai berikut:

1. Informasi Umum mengenai pabrik elemen bakar nuklir yang akan dibangun (untuk

tahapan sekarang ada tambahan data yang dimasukkan),

2.

Basic engineering design data

(ada tambahan data yang dimasukkan),

3. Penyiapan unit desain basis,

4. Penyusunan deskripsi proses, diagram alir kualitatif dan kuantitatif, dan

Process Fow

Diagram

(PFD),

5. Penyempurnaan diagram pipa dan instrumentasi,

6. Penyiapan indeks item peralatan/

Equipment List (

ada perubahan data

design)

,

7. Perhitungan neraca massa dan energi,

8. Penyiapan spesifikasi dan data sheet proses,

9. Revisi perhitungan ukuran pipa nominal (

Line Indeks

),

10. Penyiapan kelas material berbahaya,

11. Penyusunan Keterangan Katup Pengendali (

Control Description

),

12. Penyusunan

savety analysis function evaluation chart

,

13. Penyiapan

Preliminary HAZOP Study,

14. Penyusunan data aspek keuangan, kriteria seleksi dan aspek ekonomi.

3.

HASIL KEGIATAN BASIC DESAIN DAN PEMBAHASAN (DIVISI PROSES)

Hasil kegiatan dari

basic-

desain pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe

untuk PLTN di Indonesia khusus divisi proses adalah data teknis dan dalam makalah ini

diuraikan secara singkat sebagai berikut [6]:

3.1

Tambahan data untuk Informasi umum pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000

MWe untuk PLTN di Indonesia

Data teknis proses untuk Pabrik elemen bakar nuklir ini terdiri dari 3 unit, yaitu :

1. Unit Proses Dan Fabrikasi Elemen Bakar Nuklir terdiri dari 3 Sub Unit :



Proses konversi gas UF6

menjadi UO2

melalu Jalur Kering Terintegrasi (JKT).



Proses konversi UF6

menjadi UO2

melalui Jalur AUK

Proses Jalur Kering Terintegrsi beroperasi secara bergantian dengan Proses

Jalur AUK

2. Unit Utilitas, untuk penyiapan uap panas, air pendingin, air proses (air bebas

mineral) dan udara kering bertekanan

3. Unit Pengolahan Limbah radio aktif

Selain itu data lain yang disiapkan adalah

battery limits

yaitu batas yurisdiksi dari

pabrik elemen bakar nuklir yang akan dibangun dengan kapasitas normal diharapkan

710 ton UO2/tahun untuk jalur AUK dan 400 ton UO2/tahun untuk jalur JKT. Dengan

battery limit

itu ditunjukkan

interface

antara unit proses produksi elemen bakar nuklir

dengan unit utilitas lainnya. Untuk memperoleh gambaran

battery limit

, diperlukan

Gambar

Proses Flow Diagram

, P&ID dari pabrik elemen bakar nuklir.

3.1.1 Kondisi

Batery limit

Pabrik elemen bakar nuklir yang akan didirikan berupa suatu unit produksi yang

terintegrasi antara proses konversi dan proses fabrikasi untuk menjadi elemen bakar

nuklir.

Batery limit

hanya menerangkan dua jalur proses konversi, karena prosesnya

yang rumit dan dapat menjadi

interface

dengan proses yang lainnya (utilitas).

3.1.2

Batery limit untuk Proses Konversi gas UF6 menjadi Serbuk UO2

(diperkaya U-235 antara 3-5%) melalui jalur Ammonium Uranil Karbonat.

NO.

POSISI ARUS MASUK

POSISI ARUS KELUAR

1

Blower

(B-0201) udara tekan

Blower

(B-0201) udara ke HVAC

2.

Pompa (P-0203) untuk air utilitas

P-0209 (Pompa limbah) dari

scrubber

3.

Tangki ammonium karbonat (T-0204)

P-0210 ( Pompa Limbah cair

scrubber

)

4.

Penukar Panas (HE-0202dan 0203)

TP -0201 sd 0203(Tangki Penyimpan

produk UO2)

5

T-0201 (tangki CO2)

6

T-0202 ( Tangki UF6)

7.

T-0203 (Tangki ammonia)

8

T-0205 Hidrogen

9

T-0206 (Tangki Nitrogen)

3.1.3

Battery Limit

untuk Proses Konversi gas UF6

menjadi Serbuk UO2

(diperkaya U235

antara 3-5%) melalui Jalur Kering Terintegrasi.

NO

POSISI ARUS MASUK

POSISI ARUS KELUAR

1

Penguap T-0101 ( Tangki

Penguap UF

6

)

T-0104 (Tangki limbah Cair)

2.

HE-0101 (Penukar Panas)

T-0102A/B/C (Tangki

Penyimpan produk UO2)

3.

HE-0103 (Penukar Panas)

F-0101 (Flare)

4

HE-0104 (Penukar panas )

5.

T-0103 (Tangki HF Cair)

6.

P-0101 (Pompa

Scrubber

)

3.2

Basic Engineering Design Data

Data

engineering

dan data desain lainnya yang diperlukan untuk

basic

desain pabrik

elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe sebagai berikut:

3.2.1

Standard

dan

code

untuk

design

/konstruksi

Berbagai

standard

dan

code

yang terkait dan diperlukan selama tahap desain dan

konstruksi pabrik elemen bakar nuklir dipersiapkan sebagai acuan dan dalam makalah ini

hanya sebagian yang ditampilkan antara lain:



ASCE – American Society of Civil Engineers



ASME – American Society of Mechanical Engineers Boiler and Pressure Vessel Code:

– Section II – Materials Specification

– Section V – Non-destructive Examination

– Section VIII – Rules for Construction of Pressure Vessels

– Section IX – Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures,

Welders, Brazers, and Welding and Brazing Operators

– ASME B31.1 – Power Piping

– PTC 22 – Performance Test Code



ASNT – American Society for Non-destructive Testing



AWS – American Welding Society AWA-D-100 Welded Steel Tanks for Water Storage



EJMA – Expansion Joint Manufacturing Association



EPA – Environmental Protection Agency



HI – Hydraulic Institute



ISA – Instrument Society of America



NBS – National Bureau of Standards



NEMA – National Electrical Manufacturers Association



OSHA – Occupational Safety and Health Administration, Department of Labor



PFI – Pipe Fabrication Institute



TEMA – Tubular Exchanger Manufacturers Association



ASTM – American Society for Testing and Materials

3.2.2 Standards For Criticality



ANSI/ANS-8.1, Nuclear Criticality Safety in Operations with Fissionable Materials

Outside Reaktors.



ANSI/ANS-8.3, (ANSI N-16.2), Criticality Accident Alarm System



ANSI/ANS-8.5, (ANSI N-16.4), Use of Borosilicate-Glass Raschig Rings as a Neutron

Absorber in Solutions of Fissile Material.



ANSI/ANS-8.7, Guide for Nuclear Criticality Safety in the Storage of Fissile Materials.



ANSI/ANS-8.9, Nuclear Criticality Safety Criteria for Steel-Pipe Intersections Containing

Aqueous Solutions of Fissile Materials.



ANSI/ANS-8.10, Criteria for Nuclear Criticality Safety Controls in Operations With

Shielding and Confinement.



ANSI/ANS-8.12, Nuclear Criticality Control and Safety of Plutonium-Uranium Fuel

Mixtures Outside Reaktors.



ANSI/ANS-8.15, Nuclear Criticality Control of Special Actinide Elements.



ANSI/ANS-8.17, Criticality Safety Criteria for the Handling, Storage and Transportation

of LWR Fuel Outside Reaktors.



ANSI/ANS-8.19, Administrative Practices for Nuclear Criticality Safety.



ANSI/ANS-8.21, Use of Fixed Neutron Absorbers in Nuclear Facilities Outside Reaktors.



ANSI/ANS-8.22,

Nuclear Criticality Safety Based on Limiting and

Controlling

Moderators.



ANSI/ANS-8.23, Nuclear Criticality Accident Emergency Planning and Response.



ANSI/ANS-13.3, Dosimetry for Criticality Accidents.

3.2.3 Informasi Utilitas

Untuk menggerakkan pabrik elemen bakar nuklir baik pada saat proses

start-up

dan komissioning dan saat operasi rutin diperlukan air untuk keperluan utilitas

seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 3.2.3 di bawah ini:

Tabel 3.2.3 : Kebutuhan utilitas ( Air bebas mineral)

No

Unit yang membutuhkan air proses

Jumlah kebutuhan air (kg/jam)

1

Jalur AUK

Reaktor

Bubble Column

(RB)

39,822 kg/ jam

Scrubber (S – 02)

1143,23 kg/jam

2

Jalur JKT

Cooler

HE-03

124,860 kg/jam

Scurbber

S-01

11,08 kg/jam

3

Kebutuhan untuk

boiler water

300 kg/jam

4

Kebutuhan air untuk peletisasi dan fabrikasi

28.5990 kg/jam

Total kebutuhan untuk keperluan 8 jam/hari

1798 kg/jam = 43152 kg/hari =

43,152 m

3

/hari = 5,394 m

3

/jam,

(bekerja 8 jam per hari)

4

Faktor keamanan 20 %

6,47 m

3

/jam

5

Diambil sistem beroperasi 8 jam per hari,

kapasitas per jam ( pembulatan )

7 m

3

/jam

3.2.4

Informasi kondisi

site

(lokasi pabrik)

Informasi kondisi

site

berisi data mengenai informasi umum tentang pemilihan

lokasi pabrik, kondisi

site

, ketinggian

site

, kondisi iklim calon lokasi (data cuaca,

curah hujan, data

kegempaan calon lokasi dan lain-lain.). Dalam tahap

basic

desain pabrik elemen bakar nuklir ini,

site

yang kita pilih adalah lokasi BATAN

Serpong yang berdekatan dengan gedung 65. Di dalam gedung itu ada unit

penelitian elemen bakar eksperimental untuk reaktor daya.

3.2.5.Regulasi/peraturan yang berkenaan dengan pollusi lingkungan (udara, limbah air,

suara dan sebagainya.)

Peraturan yang berkenaan dengan polusi lingkungan (udara, limbah, air, suara dan

lain-lain) dalam desain dan konstruksi pabrik elemen bakar nuklir yang berlaku di

Indonesia dipersiapkan antara lain:

No.

Perundangan/Peraturan

Tentang

1

UU Nomor 23 Tahun 1997

Pengelolaan Lingkungan Hidup

2

PP Nomor 27 Tahun 1999

Analisis Mengenai Dampak Lingkungan

3

PP Nomor 82 Tahun 2001

Pengelolaan Kualitas Air Dan Pengendalian

Pencemaran Air.

4

PP Nomor. 85 Tahun 1999

Perubahan atas PP No. 18 Tahun 1999

Tentang Pengelolaan Limbah Bahan Berbahaya

Dan Beracun

5

PP Nomor 18 Tahun 1999

Pengelolaan Limbah Bahan Berbahaya dan

Beracun

6

PP Nomor 19 Tahun 1999

Pengendalian dan /atau Perusakan Laut

7

PP Nomor 41 Tahun 1999

Pengendalian Pencemaran Udara

8

Keputusan Menteri Negara

Lingkungan

Hidup

Nomor:

KEP-03/MENLH/1/1998

Baku Mutu Limbah Cair Bagi Kawasan Industri

3.3 Unit Desain Basis

Data unit desain basis yang dipersiapkan selama proses desain meliputi:

1. Kapasitas

normal dan kapasitas desain dan

turn down rasio

dan hasil yang

diharapkan dari produk elemen bakar nuklir.

2. Metode

test

dan prosedur

3. Aspek penyimpanan, penanganan dan keselamatan

4. Persyaratan desain pabrik elemen bakar nuklir berisi antara lain persyaratan

sistem sipil dan struktur; persyaratan desain peralatan dan pipa; persyaratan

sistem listrik; persyaratan instrumentasi dan kontrol; penyederhanaan desain;

margin desain; faktor manusia dan antar muka manusia-mesin; standardisasi;

kemampuan dapat dikonstruksi;

maintainability

.

3.4 Penyusunan Deskripsi Proses, Diagram Alir Kualitatif dan Kuantitatif, dan

Process

Flow Diagram

(PFD)

Data deskripsi proses pembuatan elemen bakar nuklir bertujuan untuk memberikan

gambaran umum cara melakukan proses konversi gas UF6

menjadi serbuk UO2,

proses pelletisasi, fabrikasi sampai perakitan elemen bakar nuklir. Deskripsi

menjelaskan seluruh tahapan proses konversi mulai dari awal yaitu ketika gas UF6

diuapkan kemudian dikonversi menjadi serbuk UO

2

. Serbuk UO

2

kemudian dilakukan

proses sintering dan dibentuk menjadi pellet. Pellet kemudian difabrikasi menjadi

elemen bakar nuklir. Data kecepatan alir per jam dari fluida yang mengalir serta

kondisi operasi (suhu, tekanan, dll.) dijelaskan dalam deskripsi ini (sudah dilaporkan

tahun 2011). Diagram alir kualitatif dan kuantitif dari pabrik elemen bakar nuklir

diperoleh berdasarkan hasil pengembangan dari diagram alir yang sama selama

tahap pra studi kelayakan yang telah selesai dilakukan tahun 2009.

3.5 Penyiapan Diagram Pipa dan Instrumentasi [6].

Diagram Pipa dan Instrumentasi di industri khususnya untuk pabrik elemen bakar

nuklir, juga dikenal sebagai diagram alir keteknikan (DAK),

flowsheets

teknik,

flowsheets

. P & ID membantu pemilik ataupun kontraktor yang akan membangun

pabrik ini sebagai sumber informasi rekayasa. Diagram ini digunakan sebagai dasar

untuk rekayasa, perancangan desain, memperkirakan, konstruksi dan operasi dari

pipa, peralatan dan instrumentasi untuk suatu proyek. Oleh karena itu P&ID harus

benar secara teknis, mudah dibaca, konsisten dan bagus penampilannya. Contoh

diagram pipa dan instrumentasi untuk pabrik elemen bakar nuklir untuk

rotary kiln

3.6 Penyiapan Indeks Item Peralatan/Equipment List [6].

Data yang dipersiapkan dalam indeks item peralatan adalah penyajian data

peralatan dalam bentuk Tabel dengan menyebutkan nama alat, kode nomor, dan fungsi

dari alat dalam proses operasi seperti misalnya indeks item untuk alat proses JKT

sebagai berikut:

Tabel 3.6 Indeks Item Peralatan/

Equipment List

[6].

Equipment No. Type of Equipment / Number Required

Size (DxLxT) m/ Power kW

Material Construction Operating Pressure / Temperature

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Reaktor(R-0101) Rotary Kiln / 2 (D 0.2xL 4.2) / 193kW

Stainless Steel SA-240 C

1.1 atm / 660°C Scrubber(S-0101) Vertical Packing

Column/ 1

(D 0.2xT 5.0) Austenitic Steel SA-212 A

1.5 atm / 30°C Heater (HE-0101) Double pipe / 3 seri (D 0.05xL 3.7) Carbon Steel 1.5 atm / 290°C Heater (HE-0102) Double pipe / 1 (D 0.05xL 3.7) Carbon Steel 1.5 atm / 110°C Cooler (HE-0103) Double pipe / 1 (D 0.05xL 3.7) Carbon Steel 1.5 atm / 200°C Condenser

(HE-0104)

Vertical Shell and Tube / 2 seri

(D 0.3xL 3.7) Carbon Steel 1.5 atm / 210°C Heater (HE-0105) Electric Heater / 1 0.34kW Nickelin coil

Compressor (C-0101)

Single-stage Reciprocating

14.5kW Carbon Steel 2.5 atm / 210°C

Flare (F-0101) Hydrogen Flare /1 (D 0.2xT 10) Carbon Steel 1.5 atm /1000°C Storage Tank

(T-0101)

Cylindrical 308C / 2 (D 0.8xT 1.6) Stainless Steel 1.5 atm / 60°C Storage Tank

(T-0102)

Cylindrical flat bottom/10

(D 0.2xL 0.1) Carbon steel 283 C 1.0 atm / 30°C Storage Tank

(T-0103)

Horizontal torispherical / 2

(D 0.9xL 9.0) Carbon steel 283 C 1.0 atm / 30°C Storage Tank

(T-0104)

Horizontal torispherical / 2

(D 0.8xL 8.0) Carbon steel 283 C 1.0 atm / 30°C Vaporizer Tank

(T-0105)

Cylindrical accessible roof/2

(D 1.2xT 2.3) Carbon steel 283 C 1.5 atm / 80°C

3.7 Perhitungan Neraca Massa dan Energi [6].

Untuk memperoleh perhitungan neraca massa dan energi telah dilakukan proses

simulasi dengan perangkat lunak

Chemcad steady state

versi 6.4.0.4941. agar diperoleh

hasil neraca massa dan energi yang lebih akurat. Keluaran dari

Chemcad steady state

6.40.0.4941 disajikan dalam bentuk tabel dan dilengkapi diagram alir per unit alat yang

sedang dihitung. Contoh hasil perhitungan neraca massa dan energi dengan proses

simulasi

Chemcad steady state versi 6.4.0.4941

untuk masing-masing alat disajikan

sebagai berikut:

Basis desain dan asumsi yang digunakan :

1.

Umpan berasal dari tangki gas UF6 dalam keadaan suhu sekitar 60

0

C dan

tekanan sekitar 19 atm

2.

1 Tahun = 300 hari operasi

3.

1 hari = 24 jam operasi



Contoh Neraca Massa dan Energi Jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK).

3.7.1 Tangki Penguap UF6

Fungsi

: Menguapkan UF6 sebanyak 120.644 kg/jam hingga bersuhu 60

o

C

Jenis

:

Cylindrical

dalam

Shell

pemanas

Kondisi Operasi : 70

o

C , 19 atm

3.8

Penyiapan spesifikasi dan data sheet proses [6].

Penentuan spesifikasi peralatan proses produksi pabrik elemen bakar nuklir dilakukan

melalui proses simulasi

Chemcad steady state

versi 6.4.0 4941 agar hasil perhitungan

lebih akurat. Proses simulasi dengan

Chemcad steady state

versi 6.4.0.4941 pada

tahapan

basic design

telah menghasilkan perhitungan spesifikasi dan data sheet yang

lebih detil dibandingkan dengan tahapan pra studi kelayakan yang selesai dikerjakan

tahun 2009 yang lalu. Contoh spesifikasi dan data sheet proses untuk jalur JKT adalah

sebagai berikut:

Out Put CCl4

Component Weight, kg/hr %

CCl4 118.32 100

Total Mass Flow 118.32 Temperature 70 ℃

Heat Flow 1069.58 kcal/hr Pressure 19 atm Out Put Uap UF6

Component Weight, kg/hr %

UF6 120.644 100

Total Mass Flow 120.644 Temperature 60 ℃

Heat Flow 2460.92 kcal/hr Pressure 1 atm

Input CCl4

Component Weight, kg/hr %

CCl4 118.32 100

Total Mass Flow 118.32 Temperature 76.5 ℃

Heat Flow 3530.50 kcal/hr Pressure 19 atm

Kristal UF6

Component Weight, kg/hr %

UF6 120.644 100

Total Mass Flow 120.644 Temperature 25 ℃

Heat Flow 0 kcal/hr Pressure 19 atm

Komponen

kg/jam

Input

Output

UF6

120,644

120,644

CCl4

118.320

118.320

Total

238.964

238.964

Komponen

kcal/jam

Input

Output

UF6

0

2460.92

CO2

3530.50

1069.58

Total

3530.50

3530.50



Spesifikasi alat Heater (HE-0101)



Proses Data Sheet Heater (HE-0101

3.9 Perhitungan ukuran pipa nominal (

Line Indeks

)

Semua sistem proses konversi yang ada di pabrik elemen bakar nuklir ini

dihubungkan dengan pipa proses untuk memindahkan sejumlah senyawa tertentu

dari suatu alat proses ke alat proses lainnya. Seluruh pipa tersebut harus dirancang

dan dihitung sedemikian rupa agar diperoleh diameter nominal dan material pipa

sesuai dengan beban aliran (debit) penurunan tekanan di dalam pipa itu. Untuk

memperoleh hasil yang maksimal maka seluruh data perhitungan diameter pipa

nominal yang ada dalam sistem proses konversi gas UF6

menjadi UO2

masing-masing melalui jalur AUK dan JKT dihitung dan Tabel 3.9 hanya menunjukkan untuk

jalur AUK:

Tabel 3.9: Hasil Perhitungan Diameter Pipa Nominal Jalur AUK.[6]

Aliran Fluida dari Aliran Fluida ke Kriteria Kec. Fluida (m/detik) Kec. Fluida Terhitung Kriteria (∆ P) , kg/cm2/ 100 m ∆ P Terhitung ( kg/cm2/ 100m) NPS Hasil Perhitungan ( inchi) : Schedule T-UF6 (T-0202) Reaktor Gelbg.(BR-0201) 15 7.04 2.0 0.0016 3” ; 40 T-CO2 (T-0201) Reaktor Gelbg. (BR-0201) 15 7.04 2,0 0.0016 3” ; 40 Reaktor Gelbng. (BR-0201) Scrubber (S-0202) 15 13.60 2,0 0.24 1,5” ; 40 Bubble Reaktor (BR-0201) Pompa (P-0204) 3 0,58 2,0 0,24 1” ; 40 Dipilih 2*) Pompa (P-0204) Settling Tank (ST-0201) 3 0,58 2,0 0,24 1” ; 40 Dipilih 1,5*) Settling Tank (ST-0201) Tangki Limbah (TL-0201) 3 0.7 2,0 0,36 0.75”: 40 Settling Tank (ST-0201) Pompa (P-0205) 3 0,42 2,0 0,4 0.5”: 40 Dipilih 2 *) Pompa (P-0205) Washing Tank (WT-0201) 3 0,42 2,0 0,4 0.5” : 40 Dipilih 1,5*) Mixer (M-0201) Washing Tank (WT-0201) 3 0.42 2,0 0,15 0.75” ; 40 Washing Tank (WT-0201) Tangki Limbah (TL-0201) 3 0,81 2,0 0,57 0.50” ; 40 Washing Tank (WT-0201) Pompa (P-0207) 3 0.35 2,0 0.26 0,50” ; 40 Dipilih 2*) Pompa (P-0207) Homogenizer (H-0201) 3 0.35 2,0 0.26 0,50” ; 40 Dipilih1,5*) Homogenizer (H-0201) Pompa (P-0208) 3 0.35 2,0 0.26 0,50” ; 40 Pompa (P-0208) Spray Dryer (SD-0201) 3 0.35 2,0 0.26 0,50”; 40 Spray Dryer (SD-0201) Filter/siklon (C-0201) 3 2,4 2.0 1,06 1,50”; 40 Scrubber (S-0202) Pompa P-09 (P-0209) 3 0.47 2,0 0.21 0,50” ; 40 Dipilih 2 *) Pompa (P-0209) Tangki Limbah (TL-0201) 3 0.47 2,0 0.21 0,50” ; 40 Dipilih 1.5*)

*) Catatan: Pipa yang terhubung dengan pompa, diameter yang terlalu kecil diperbesar sampai mendekati ukurannozzlepompa baik pada posisisuctionataudischarge.

3.10

Hazardous Material Class

Pabrik elemen bakar nuklir dalam proses operasinya menggunakan bahan baku dan

bahan pendukung dan produk yang dihasilkan termasuk kelas yang berbahaya. Produk

dari pabrik ini adalah elemen bakar nuklir sebagai produk radioaktif. Oleh karena itu

kelas bahan-bahan yang berbahaya di pabrik elemen bakar nuklir ini perlu diketahui

seperti yang disajikan dalam Tabel 3.10 berikut ini:

TABEL 3.10 :

Hazardous Material Class

Yang Dipakai dan yang Diproduksi

dalam Pabrik elemen bakar nuklir [6]

NO MATERIAL

MATERIAL CLASS

NFPA RATING HMIS RATING DOT/49CFR RATING

H F R(S) H F R(S) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 U3O8 2 1 0 2 0 0 7 2 UO2 7 3 UF6 7 4 Pellet UO2 7 5 HF 4 0 1 3 0 1 8 6 CO2 1 0 0 1 0 0 2.2 7 NH3 3 1 0 3 1 0 2.2 8 H2 0 4 0 0 4 0 2.1 9 N2 1 0 0 0 0 0 2.2 10 (NH4)2CO2 2 0 0 2 0 0 11 H2O 0 0 0 0 0 0 12 LPG 1 4 0 2.1 13 HNO3 4 0 0 3 0 0 8 14 Al(NO3)3 2 0 0 2 0 0 5.1 15 Alkohol 2 3 0 2 3 0 3 16 Zinc Stearat 0 1 0 0 1 0

3.11 Penyusunan Keterangan Katup Pengendali (

Control Description

)

Semua katup pengendali aliran dalam pabrik elemen bakar nuklir ini perlu dijelaskan

cara mengoperasikannya baik pada saat

start-up

maupun pada saat

shutdown

untuk

memberikan data teknis pengendalian pada Divisi Instrumentasi dan Kontrol. Contoh

keterangan katup pengendali adalah pada Reaktor

Bubble Column

BR-0201 baik

saat

start-up

maupun saat

shutdwn

sebagai berikut [6]:

Reaktor

Bubble Column

Br-0201

:



Start Up

Pada tahap permulaan

valve

pada jalur pipa DW-2009-1”-A1-N yaitu

valve

V-16,

V-17 dibuka,

valve

V-18, V-19 ditutup.

Valve

pada jalur pipa UF

6

-2007-2½”-IC-N

yaitu VP-13, VP-15 dibuka.

Valve

VP-16, VP-17 ditutup.

Valve

pada jalur pipa

NH3-2008-3”-A1-N yaitu V-20, V-22 dibuka,

valve

V-23, V-24 ditutup.

Valve

V-31

pada jalur pipa W-2010-2”-A1-N dibuka dan

valve

pada jalur pipa W-2013-2”-A1-N

yaitu V-33, V35 dibuka dan V-36 ditutup sepanjang operasi normal.

Electric Heater

EH-0202 dan

Electric Heater

EH-0203 dalam kondisi operasi,

setelah fluida yang melalui

electric heater

tersebut telah mencapai suhu 60

o

C,

valve

V-19 pada jalur pipa DW-2009-1”-A1-N,

valve

VP-17 pada jalur pipa

UF6-2007-2½”-IC-N dana

valve

VP-24 pada jalur pipa NH3-2008-3”-A1-N dibuka.

Valve

pada jalur pipa AUC-2011-2”-IC-N yaitu 18,20,VP21 dibuka dan

VP-22, VP-23 dalam kondisi tertutup jika pompa P-0204 A dioperasikan, sebaliknya

VP-20,VP21 dalam kondisi tertutup dan VP-22, VP-23 dalam kondisi terbuka jika

pompa P-0204 B dioperasikan.

Motor pompa P-0204A dikendalikan oleh

switch

HS-0201, motor pompa P-0204B

dikendalikan oleh

switch

HS-0202 dan dioperasikan secara bergantian ketika

level

cairan dalam dalam reaktor minimal 2 m (LAL) .

Laju massa fluida pada jalur pipa UF6-2007-2½”-IC-N, NH3-2008-3”-A1-N, dan

DW-2009-1”-A1-N dikontrol oleh FFC-0205 dan FFC-0208 dengan perbandingan

6 : 2 : 15 dengan laju massa fluida pada jalur pipa UF

6

-2007-2½”-IC-N sebagai

variabel tetap dan laju massa fluida NH3

pada jalur pipa NH3-2008-3”-A1-N dan air

bebas mineral H2O pada jalur pipa DW-2009-1”-A1-N sebagai variabel bebas yang

dikendalikan oleh bukaan

flow control valve

FCV-0205, FCV-0206 dan FCV-0207.

Temperatur dan tekanan dalam reaktor dikontrol oleh

temperature indicator control

TIC-0208,

temperature transmitter

TT-0208 dan

pressure indicator

PI-0208.

Over

pressure

dikendalikan oleh

Ven

t VT-0203.

Ketika Pompa P-0204A operasi dan P-0204B

stand by valve

VP-20, VP-21 dibuka

dan V22, V23 ditutup. Sebaliknya ketika Pompa 0204B operasi dan

P-0204A

stand by valve

VP-20, VP-21 ditutup dan VP-22, VP-23 dibuka.



Shut Down

Untuk keselamatan proses, maka ketika

shut down Valve

V-17, V-19, V-24 dan

VP-18 ditutup diikuti dengan mematikan

electric heater

EH-0202 dan EH-0203.

Selanjutnya pompa P-0204A dimatikan melalui

switch

HS-0201 atau P-0204B

dimatikan melalui

switch

HS-0202 ketika level fluida dalam reaktor mencapai 10

cm tergantung pompa mana yang saat itu dioperasikan.

Valve

V-13 pada jalur

pipa W-2010-2”-A1-N ditutup ketika suhu reaktor telah mencapai sekitar 40

o

C.

Untuk mengosongkan fluida sisa dalam reaktor dengan cara membuka

drain

VP-19.

3.12 Penyusunan

safety analysis function evaluation chart

[6]

Data teknis

Safety Analysis Function Evaluation chart (SAFE Chart)

, atau

Cause &

Effect (C&E) Table

, salah satu penetapan teknik analisis sebab akibat yang

dinyatakan dalam ISO 10418 (ISO, 2003) dan API 14C 2003 yang dapat digunakan

untuk mengidentifikasi dampak keselamatan yang tidak diharapkan dan desain

tindakan perlindungan yang diperlukan. Sebagian besar ancaman terhadap

keselamatan proses produksi melibatkan terlepasnya bahan kimia/radioaktif

ke

lingkungan. Maka analisis dan desain sistem keselamatan proses produksi

seyogyanya menitik-beratkan pada pencegahan pelepasan tersebut, penghentian

aliran bahan kimia jika terjadi kebocoran, dan meminimalkan akibat terjadinya

pelepasan bahan kimia.

Evaporator

UF6(T-0105A & T-0105B) jalur JKT adalah

sebagai berikut:

Tabel SAT-01 :

Safety Analysis Table Evaporator

UF6(T-0105A & T-0105B) [6]

Undersireable

Event

Cause

Detectable Abnormal

Condition

At Component

Overpressure

√

Block flow or restricted outlet

High Pressure

√

Inflow exceed outflow

√

Thermal expansion

√

Temperature control system

failure

√

Excess heat input

√

UF

6

cylinder leak

Under pressure

√

Withdrawal exceeds inflow

Low Pressure

√

Thermal contraction

Open outlet

√

Temperature control system

failure

Leak

√

Deterioration

Low Pressure

√

Erosion

√

Corrosion

√

Impact damage

√

Vibration

Excess

Temperature

√

Temperature control system

failure

High Temperature

√

High inlet temperature

3.13 Penyiapan

Preliminary HAZOP (Hazard and operability) Study

[6]

Studi bahaya dan Operabilitas (

HAZOP

) adalah metodologi, terstruktur sederhana

untuk mengidentifikasi, mengevaluasi dan memprioritaskan kejadian potensi bahaya

di fasilitas proses yang ada atau fasilitas baru yang diusulkan.

Tujuan utama dari

HAZOP

adalah untuk meningkatkan keselamatan personil

pabrik serta setiap wilayah penduduk terdekat dengan mengidentifikasi potensi

kecelakaan terjadi dan mengambil langkah-langkah untuk mengurangi resiko

kecelakaan tersebut.

Metodologi

HAZOP

adalah analisis keselamatan yang menggunakan dan

mendorong pemikiran yang imajinatif (atau

brainstorming)

dan pertama kali

dikembangkan oleh

Imperial Chemical Industries (ICI),

sebuah perusahaan kimia

Inggris. Hal ini dilakukan oleh tim multi-disiplin

HAZOP

dan memerlukan penggunaan

kata-kata panduan untuk merangsang

brainstorming.

Untuk fasilitas proses baru yang

diusulkan,

HAZOP

mungkin memerlukan beberapa minggu untuk melakukan studi

tersebut.

Untuk melakukan studi awal (

preliminary

)

HAZOP

pabrik elemen bakar nuklir telah

digunakan

software HAZOP

dari PRIMATECH, P-1-614-841-9800,dan data/gambar

berikut harus sudah tersedia untuk dipelajari:

1.

Piping and Instrumentation Diagram

(P&ID) untuk proses konversi jalurAUK dan

JKT.

2.

Process Flow Diagram

baik untuk jalur AUK maupun JKT.

3. Sifat-sifat bahan baku dan bahan produk akhir yang berbahaya harus dikenali dari

hazardous material class

.

4. Deskripsi proses termasuk didalamnya neraca massa dan neraca energi

5. Tata letak peralatan proses.

3.14. Penyusunan Data Aspek Keuangan, Kriteria seleksi dan Aspek ekonomi (Jalur JKT)

Data aspek keuangan berikut adalah data untuk proses JKT (proses jalur AUK

belum selesai dikerjakan) kriteria seleksi dan aspek ekonomi menyajikan nilai

investasi dan biaya produksi pabrik elemen bakar nuklir jika dibangun, dan indikator

periode pengembalian, NP, IRR, ROI, Indeks profitabilitas,

benefit cost rasio

,

penerimaan pajak dari pendirian pabrik tersebut. Data keekonomian pabrik elemen

bakar nuklir (JKT) dari hasil perhitungan adalah sebagai berikut [6,7,8,9]:

1. Periode pengembalian modal 1.39 tahun;

2. Pengembalian atas investasi ( ROI) 45,8 %;

3. Rentabilitas usaha pabrik ini

cukup baik dan menghasilkan laba sejak tahun

pertama produksi

( Th 2028) sebesar US $ 54.500.000,-

dan akumulasi

keuntungan selama 20 tahun adalah US$ 4.669.267.700,- ,

4. Nilai netto sekarang (NPV) pada

capital cost

15% menunjukkan harga positif yaitu

sebesar US$ 544.913.300,-;

5. Arus pengembalian internal (IRR) sebesar 36,01 % ;

6. Nilai indeks profitabilitas 6,62 lebih besar dari 1,0 yang mengindikasikan pabrik

sangat menarik untuk dibangun;

7.

Benefit Cost Ratio

(BCR) bernilai >1 yaitu 10,42 yang menunjukkan bahwa pabrik

akan memberikan manfaat dan layak untuk dibangun,

8. Selain itu untuk mendirikan pabrik elemen bakar nuklir

,

diperlukan total biaya

investasi permanen sebesar US$ 171.925.000,- biaya modal kerja sebesar US $

152.518.000,- serta biaya produksi sebesar US$ 617.497.508,-/tahun

4.

KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari

basic

desain pabrik elemen bakar nuklir tipe

PWR 1000 MWe untuk PLTN di Indonesia khusus divisi proses adalah diperolehnya data

teknis

basic

desain antara lain: informasi umum pabrik elemen bakar nuklir,

basic

engineering design data

;

unit desain basis

, deskripsi proses, diagram alir kualitatif dan

kuantitatif dan

process flow diagram

; neraca massa dan energi; spesifikasi dan data

sheet peralatan proses;

equipment list

; diagram pipa dan instrumentasi; perhitungan

ukuran pipa nominal pabrik; kelas bahan berbahaya; keterangan katup pengendali,

safety

analysis function evaluation chart

;

preliminary HAZOP study

; data

aspek keuangan,

kriteria seleksi dan aspek ekonomi jalur JKT.

5.

DAFTAR PUSTAKA

1. SUSANTO, B.G. dkk, “Laporan Tim Pra Studi Kelayakan Pembangunan Pabrik

Elemen Bakar Nuklir Tahun 2006”, PTBN-BATAN, Serpong 2006.

2. ANONYM, “ Undang-Undang Republik Indonesia nomor 17 Tahun 2007, Tentang

Rencana Pembangunan Jangka Panjang Nasional Tahun 2005- 2025”

3. SUSANTO , BG, dkk, “Pra Studi Kelayakan Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe

Pressurized Water Reactor

(PWR) di Indonesia”, Volume 1 dan 2, PTBN-BATAN, 5

Desember 2008.

4. SUSANTO, BG., dkk, Laporan Tahun 2011 (tahun ke 1), Desain Pabrik Elemen Bakar

Nuklir Tipe PWR 1000 MWe Untuk PLTN di Indonesia”, PRPN-BATAN Desember

2011.

5. Technical Report Series IAEA, No. 221, ”Guidebook on Quality Control of Water

Reaktor Fuel’, Vienna 1983.

6. SUSANTO, BG., dkk, Draft Laporan Tahun 2013 (tahun ke 3), Desain Pabrik Elemen

Bakar Nuklir Tipe PWR 1000 MWe Untuk PLTN di Indonesia”, PRPN-BATAN 2013.

7. NICKKICH,H., Program of Profitability Analysis 1.1 XLS. 2003

8. JOHNSON C.R., AND HEYBURN D.E., “ The Manufacture of Fuel Elements and Their

Assembly For PWR System”, Commercial Nuclear Fuel Department Lynchburg,

Virginia, 1970,

9. SEIDER W.D., SEADER J.D. and LEWIN D.L., “Product And Process Design

Principles“, Synthesis, Analysis and Evaluation, John Wiley and Sons, Inc. 2

nd

Edition,

2004.

TANYA JAWAB

Pertanyaan:

1.

Apakah pembangunan pabrikasi bersamaan dengan PLTN atau lebih dulu pabrik?

(Utomo)

2.

Lokasi pabrik apa harus dekat dengan tambang uranium? (Utomo)

3.

Apakah instalasi pabrikasi sudah dimasukkan dalam perhitungan biaya? (Maradu)

Jawaban:

1.

Biasanya PLTN dibangun terlebih dahulu kalau pabrik EBN mau didirikan atau

dipersiapkan setelah PLTN beroperasi dan EBN produksi local baru masuk teras ke-2.

2.

Lokasi pabrik tidak harus dekat tambang, karena gas UF6

yang dipakai adalah

uranium diperkaya. Lokasi dekat PLTN lebih menguntungkan ditinjau dari sisi

transportasi.

3.

Instalasi fabrikasi sudah dimasukkan dalam perhitungan biayanya. Berdasar

scale-up

dari harga pabrik, yang kemudian dilakukan perubahan

cost indeks

untuk tahun 2024.

Harga alat fabrikasi

US $ 35.000.000,-.