PERHITVNGAN PARAMETER NEUTRONIK RSG-GAS BERBAHAN BAKAR SILlS IDA DENGAN KERAP ATAN 4,8 G Vice

Prosiding Seminar Hasi/ Penelitian P2TRR Tahun 2003

ISSN 0854-5278

PERHITVNGAN PARAMETER NEUTRONIK RSG-GAS

BERBAHAN BAKAR SILlS IDA DENGAN KERAP ATAN

4,8 G Vice

Lily Suparlina, Tagor M. Sembiring

Pusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset

-

BATAN

ABSTRAK

PERHITVNGAN PARAMETER NEVTRONIK RSG-GAS BERBAHAN BAKAR

SILISIDA DENGAN KERAP ATAN 4,8 G VIce. Dengan telah digunakannya bahan bakar silisida 2,96 glcc di teras RSG-GAS daDtelah dilakukannya beberapa penelitian mengenai penggunaan bahan bakar silisida 3,55 glcc, maka perIn dilanjutkan studi mengenai kemungkinan penggunaan ballaDbakar silisida dengan densitas yang lebih tinggi. Densitas uranium maksimum ballaDbakar silisida yang telah terkualifikasi adalah sebesar 4,8 g Vlcc. Penelitian sebelumnya menyimpulkan bahwa hila komposisi dan konfigurasi teras dipertahankan seperti kondisi teras saat ini, maka jenis kerapatan bahan bakar silisida 4,8 g U/cc tidak dapat digunakan pada teras RSG-GAS, karena batas nilai margin padam tidak terpenuhi. Oleh karenanya untuk menaikkan nilai margin padam perlu ditambahkan Batang Kendali Pengaman (BKP) di teras setimbang silisida 4,8 g U/cc. Perhitungan sel menggunakan paket program WIMS/D4 dan perhitungan teras menggunakan paket perhitungan difusi 2 dimensi Batan-EQVIL-2D. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa teras silisida 4,8 g U/cc dengan penambahan BKP, pada posisi B-3 dan G-I0, reaktor dapat dioperasikan dengan panjang siklus 1400 MWD.

kata kunci: densitas ,uranium, po/a 511 baltan bakar, silisida,BKP

ABSTRACT

THE NEVTRONICS PARAMETERS CALCVLA TION FOR SILICIDE 4.8 G VIce RSG-GAS CORE The RSG-GAS has been operated with the usage of silicide 2.06 g U/cc in the RSG-GAS core completion of study using highest density silicide 3.55 g U/cc. A further study on the possibility of higher density silicide application should be performed. The qualified maximum silicide meat density is 4.8 g VIce. The previous study concluded that if the core composition and configuration is maintained, the 4,8 g Vlcc silicide core could not be applied to the RSG-GAS core, because the minimum safety margin could notbe fulfilled. So that, to increasing the safety margin limit, there should be two safety rods (SR) installed to the equilibrium 4.8 g U/cc silicide core. The cell and core calculation was performed by WIMSID-4 and 2 dimension code Batan-EQVIL-2D, respectively. The calculation showed that core with the installed SR in B-3 and G-I0 core grid positions the reactor can be operated at the operation cycle length in the range of 1400 MWD for the equilibrium silicide core..

Keywords: density, uranium, 51!fuel element pat/em, safety control rod

PENDAHVLUAN

_{maksimum bahan bakar silisida yang}

telah dikualifikasikan adalah sebesar 4.8

g Vice. [1]. Saat ini reaktor RSG-GAS

menggunakan

bahan

bakar

silisida

pengganti

oksida

dengan

densitas

uranium sebesar 2,96 g U/ee. Penelitian

Bahan bakar silisida (U3Sh-AI)

merupakan bahan bakar yang banyak

digunakan dalam operasi reaktor riset

jenis MTR saat ini. Densitas uranium

sebelumnya [2] menyimpulkan bahwa penggunaan bahan bakar silisida dengan densitas 3,5 g Dice dapat menaikkan panjang siklus sebesar 7 (tujuh) hari daya penuh (210 MWD) dengantanpa mengubah material clan konfigurasi teras.

Melanjutkan penelitian tahun lalli, yang menyimpulkan bahwa hila komposisi clan konfigura~i teras dipertahankan seperti kondisi teras saat ini, maka jenis kerapatan bahan bakar silisida 4,8 g U/ce tidak dapat digunakan pad a teras RSG-GAS, karena batas nilai margin padam tidak terpenuhi [3]. Oleh karenanya untuk menaikkan nilai margin padam pacta teras setimbang silisida 4,8 g U/ce barns mengubah konfigurasi teras, salah satunya adalah dengan menambah batang kendali seperti yang dilakukan oleh peneliti sebelumnya [4].

Perhitungandilakukan dalam 2 (dua) tabar, pertama perhitungan sel untuk menggenerasi tampang lintang material teras dengan menggunakan program WIMSD/4 [5] clan kedua adalah perhitungan teras dengan metode difusi 2 dimensi Batan-EQUIL-2D [6]. Kajian yang dilakukan dalam per hitung an teras ini hanya ditinjau dari aspek neutroniknya saja. Program konversi teras RSG-GAS barns menghasilkan desain teras silisida setimbang yang optimal. Pacta penelitian ini, pencarian teras setimbang dilakukan dengan mengaeu pacta pola pergantian bahan bakar teras RSG-GAS saat ini yaitu pol a 511. Dengan pola tersebut, 5 buah elemen bakar standar (EB) clan 1 buah elemen bakar kendali (EK) akan dikeluarkan clan dimasukkan masing-masing pacta akhir siklus clan awal siklus teras barn. Perhitungan teras dilakukan

untuk

daya

maksimum 30 MWt dengan

variasi lama operasi 20,30,40,50 clan 60 hari.

TEOR!

Persamaan penyusutan bahan bakar

Densitas

nuklida

dalam

teras

sebagai fungsi posisi (r) clan waktu (I)

dapat

digambarkan

sebagai

vektor

densitas nuklida

N(r,t)=(N l(r,t),N2(r,t),.. ...,NK(r,t) T,...(1)

dimana k menyatakan indeks nuklida

clan jumlah nuklida adalah K. Tanda

pangkat T menunjukkan pemindahan

dari suatu matriks. Densitas nuklida

sebagai fungsi waktu dapat dinyatakan

sebagai

persamaan

diferensial

linear

orde satu

5

-N(r,t) = T«I>,O",A)N(r,t)

5t (2)

dimana <1>,cr clan A masing-masing adalah fluks neutron (fungsi energi clan posisi), tampang lintang serapan atau tangkapan clan konstanta pelurnhan. Matriks T biasanya mernpakan transmutasi matriks nuklida.

Persamaan kritikalitas reaktor

Distribusi fluks neutron yang digunakan dalam persamaan penyusutan bahan bakar . Persamaan (1) ditentukan melalui persamaan kritikalitas

M(N)<D

=

~

F(N)<D kelf

sedangkan nilai fluks neutron absolut

didapat dengan menormalisasikan

daya

reaktor.

Operator M adalah

migrasi

neutron

clan operator

yang

hilang

sedangkan operator F adalah operator

produksi neutron. Keffmenyatakan faktor

multiplikasi,

yang

mernpakan

eigenvalue dari persamaan di alas.

Prosiding Seminar Hasil Penelitian P2TRR Tahun 2003

Pemuatan daD pergeseran bahan bakar di teras

Selama pemuatan daB pergeseran bahan bakar, flux neutron diabaikan, hanya dipusatkan pada notasi matriks

Nj+' (1',0) = SjNj (I', r) + N ~;I (1',0) (4)

Dalam persamaan di atas, j daB t masing-masing menunjukkan indeks daB panjang siklus teras. N j+l (r,O) merupakan vektor densitas nuklida pada awal siklus untuk siklus teras berikutnya. Dapat diamati bahwa basil pemuatan daD pergeseran bahan bakar merupakan densitas fungsi waktu yang tidak

kontinyu. Vektor N j(r,t)

menggambarkan densitas nuklida di akhir siklus, daB Nj (,{,O) menunjukkan

densitas nuklida di awal siklus j. Matriks S j biasanya disebut sebagai matriks pergeseran, daB dengan menggunakan matriks terse but dapat dibuat strategi pemuatan daB pergeseran bahan bakar. Vektor N~I~1menunjukkan komposisi bahan bakar segar yang dimasukkan kedalam teras pada awal siklus.

Formula materna tis untuk kondisi teras setimbang Nj+l(r,t)=Nj(r,t) O:::;t:::; Sj+l= Sj semuaj (5) N~I;I(r,0)=N~1I9r,0) semuaj

METODEPERHITUNGAN

Batasan Keselamatan

Sebelum melakukan perhitungan

teras RSG-GAS, maka terlebih dahulu

perlu dipilih batasan desain dan batasan

keselamatan yang

digunakan

dalam

perhitungan teras. Batasan desain yang

dipilih adalah seluruh konfigurasi teras

dan

clemen

penyusun

teras

tidak

berubah, baik posisi dan jumlahnya.

ISSN 0854-5278

Batasan kesela.matan yang digunakan

adalah:

-

Batasan reaktivitas lebih pada

awal siklus dingin bebas xenon

10 % ~k/k

-

Marjin

reaktivitas

padam

minimum (stuck rod condition)

adalah 0,5 %~klk.

-

Faktor puneak daya (FPD) radial

maksimum adalah 1,4.

-

Reaktivitas lebih EOC dengan

xenon 2 % ~klk

Perubahan

konfigurasi

teras

dilakukan dengan

mengeluarkan dua

buah reflektor dari posisi B-3 daB G-I0.

Posisi

tersebut

diganti

dengan

penambahan 2 buah batang kendali di

posisi B-3 daB G-I0.

Selanjutnya

dilakukan perhitungan untuk mengetahui

apakah batasan keselamatan yang telah

ditetapkan di atas terpenuhi atau tidak.

Perhitungan Sel

Sebelum dilakukan perhitungan teras, maka terlebih dahulu disiapkan konstanta kelompok difusi dengan paket program WIMS-D4 [5]. Paket program ini menyiapkan konstanta kelompok dalam 4 kelompok teBaga neutron. Konstanta kelompok yang disiapkan merupakan fungsi kondisi reaktor (panas, dingin, xenon setimbang daD tanpa xenon) dan massa 235Uadalah 4,8 glee. Hal ini dibuat agar dapat dilakukan perhitungan kesetimbangan reaktivitas teras RSG-GAS.

Perhitungan Teras

Perhitungan

teras

dilakukan

dengan

bantuan

paket

program

manajemen teras Batan-EQUIL-2D [6].

Metode yang digunakan dalam paket

program

ini

adalah

metode

difusi

neutron

banyak

kelompok

dengan

geometri dua dimensi.

Dalam

perhitungan

teras,

teras

RSG-GAS dimodelkan dalam geometri

x-v

seperti yang ditunjukkan dalam

Gambar 1.

Salah satu masukan yang

terpenting dalam program Batan-EQUIL-2D ialah pola pergeseran bahan bakar. 40 buah elemen bakar clan elemen kendali dikelompokkan ke dalam 8 kelas fraksi bakar. Akibatnya pada awal siklus 5 buah elemen bakar clan 1 elemen kendali dimuatkan sesuai dengan jumlah elemen bakar bekas dengan

fraksi bakar maksimum yang

dikeluarkan dari teras. Pola pergeseran bahan bakar clan pembagian 8 kelas fraksi bakar dalam teras masing-masing ditunjukkan dalam Tabel 1 clan Gambar

1. Seluruh teras menggunakan pola manajemen bahan bakar ini sampai terbentuknya teras setimbang silisida 4,8 g U/cc.

Dalam penelitian ini, perhitungan teras dilakukan dengan variasi waktu operasi 20, 30,40, 50 clan 60 hari dengan menggunakan nilai buckling

1,7260E-03. Hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan parameter neutronik sebagai fungsi dari waktu operasi. Parameter neutronik yang dihitung adalah :

-

Harga reaktivitas lebih teras pada

saat awal siklus (BOC) dingin

bebas xenon

-

Harga reaktivitas lebih teras pada

akhir siklus (EOC) kondisi panas

dengan xenon

-

Margin padam pada awal siklus

saat BOC

-

Fraksi bakar huang maksimum

-

PPF radial maksimum

-

Harga fluks neutron pada posisi

iradiasi

Tabel I. Pola Pengelliaran daB Pergeseran Elemen Sakar di Setiap Sikllls Reaktor

RSG-GAS dengan rota 5/1

Dari Ke Dari Ke Dari Ke

H-9 F-10 F-5 F-8 C-7 B-8 H-8 C-4 F-4 F-6 C-6 G-5 H-7 F-7 F-3 C-10 C-5 0-4 H-6 0-10 E-10 B-4 C-4 0-5 H-5 E-5 E-9 G-6 C-3 H-8 H-4 F-9 E-8 0-3 B-9 C-9

G-9 E-8 E-5 A-8 B-8 keluar

G-8 keluar E-3 A-7 B-7 keluar

G-6 B-7 0-10 G-4 B-5 keluar G-5 G-8 0-8 keluar B-4 A-6 G-4 C-7 0-5 H-5 A-9 A-4 F-10 G-9 0-4 E-9 A-8 B-5 F-9 A-5 0-3 C-6 A-7 H-7 F-8 C-5 C-10 E-3 A-6 B-9 F-7 F-4 C-9 0-8 A-5 H-6

Prosiding Seminar Hasil Penelitian P2TRR Tahun 2003

ISSN 0854-5278

Keterangan: EB = Elemen Bakar Standar; EK

=

Elemen Bakar kendali; BE = Elemen

Reflektor Berilium; BS = Elemen Reflektor Berilium dengan Plug; IP = Posisi Iradiasi; CIP = Posisi Iradiasi Tengah; PNRS = Pneumatic Rabbit System; HYRS = Hydraulic Rabbit System.

Gambar I. _{Konfigurasi Teras RSG-GAS (angka dalam grid menunjllkkan kelas fraksi}

bakar)

HasH Perhitungan pengaman (BKP) dilakukan untuk

silisida dengan densitas 4, 8 g Dice [3]. Hasil perhitungan berupa parameter neutronik teras 4,8 g U/cc ditunjukkan pada Tabel 2 clan Gambar 2.

Perhitungan teras silisida tanpa BKP Perhitungan teras silisida sesuai dengan konfigurasi teras pada Gambar I (tanpa penambahan batang kendali

Tabel 2. Parameter Neutronik Teras Silisida 4,8 g U/ee tanpa BKP

Keterangan: *1 = Dengan operasi penuh 30 MWth; *2

=

reaktivitas lebih awal siklus tanpa xenon *3

=

reaktivitas lebih akhir siklus dengan xenon, *4 = marjin reaktivitas padam kondisi one

stuck tad, *5 PPF fad maksimum

205 K BS B B P _{B B B} BS B B R T , B BS B F B B B B BS B H B EB₁ EB₂ EB₃ EB₄ EB₅ EB_{1 B} B BS G B EB₃ EB₈ IP "'rn'"₇ EB₇ EB₆ B BS B F EB₂ EB "!'Ir₂ EB EB W EB EB B PN ...1. 6 8 2 7 1 RS E EB EB EB IP EB B HY 3 _....L 4 6 3 RS CIP 0 EB₅ IP EB₈ EB₄ EB B HY ----L 5 RS C EB EB "!'Ir EB EB EB EB B HY 2 7 J.. 7 6 4 3 1 RS 8 _NSBS EB₆ EB₈ "!'Ir IP EB EB B B HY 8 4 RS A B EB₁ EB₇ EB EB EB EB B BS B 4 5 3 2 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Beryllium Block Reflector

Waktu _{Panjan Pex Pex}

PPF radial

operas I Siklus. BOC .2 EOc.3 (Jps/4(%) _maksimum.5

(hari) (MWD) (%) (%)

20 600 _{18,62 13,31 9,57} 1,21

30 900 16,47 10,38 7,34 1,20

40 1200 _{13,81 6,64 4,63 1,23}

20.00 15.00

~

10.00 !/) co

~

5.00 .:;,;: co &! 0.00 -5.00 -10.00 ' 600

100.0 I!iI-reaktivitas BOG dingin bebas xenon -+- reaktivitas EOG

~ panasdenganxenon

80.0

~

~ fraksi bakar buang

.70.0

~

maksimum ~ -.- marginpadam 60.0 'in ~_~ !!1~~~lJ~ > co 50.0 U:: 90.0 40.0 900 30.0 1200 1500 1800 Panjang Siklus (MWD)

Gambar 2. Neraca Reaktivitas Teras Silisida 4,8 g U/cc tanpaBKP

Tabel 2 menunjukkan parameter neutronik teras silisida 4,8 g Vlcc clan

Gambar 2 menunjukkan grafik

parameter neutronik sebagai fungsi panjang siklus. Dari Gambar 2 terlihat bahwa hila mengggunakan batasan reaktivitas lebih teras di awal siklus 10%, maka untuk waktu operasi reactor 1500 hari, batasan ini terpenuhi, dengan harga reaktivitas lebih di akhir siklus kurang dart 2 %, sekitar 1 %, namun hila menggunakan batasan reaktivitas padam maksimum kondisi stuck rod adalah -0,5%, maka hal terse but tidak terpenuhi karena memberikan harga reaktivitas positif. Harga reaktivitas padam kondisi stuck rod akan terpenuhi jika reaktivitas lebih teras di awal siklus kurang dart

10% sekitar 8,5 %, Hamlin tidak

memenuhi batasan reaktivitas lebih di akhir siklus

Perhitungan teras silisida dengan BKP

Karena perhitungan untuk

konfigurasi teras silisida belum memeriuhi keselamatan operasi reaktor, maka dilakukan perhitungan selanjutnya yaitu dengan menambahkan batang kendali pengaman AglnCd di posisi teras B-3 clan G-I0.

Tabel 3 clan Gambar 3 menunjukkan harga parameter neutronik untuk teras silisida 4,8 g VIce dengan BKP. Dari grafik yang ditunjukkan oleh Gambar 3 dapat ditentukan bahwa batasan keselamatan akan terpenuhi hila teras silisida 4,8 glee dioperasikan dengan panjang siklus 1400 MWD alan 46,6 hari.

Tabel3. Parameter Neutronik Teras Silisida 4,8 g VIce dengan BKP

Keterangan: *I

=

Dengan operasi penuh 30 MWth; *2 = reaktivitas lebih awal siklus tanpa xenon

*3 = reaktivitas lebih akhir siklus dengan xenon, *4

=

marjin reaktivitas padam kondisi

onestucktod , *5 PPF radialmaksimum

Waktu _{operasi Panjang siklus Pox} BOC _{Pox EOC}*3 *5PPF radial

pps;4 (%) (hari) (MWD) *2(%) (%) maksimum 20 600 _{17,87 12,51 8,17 1,24} 30 900 _{16,53 9,52 5,43 1,24} 40 1200 _{12,95 5,69 2,21 1,27} 50 1500 _{9,28 0,35 -2,02 1,33}

Presiding Seminar Hasil Penelitian P2TRR Tahun 2003 20.00 15.00

;?

~ II) 10.00 1!! ':;

~

5.00 Q) 0::: -5.00 600 900 1200 Panjang Siklus (MWD) ISSN 0854-5278 90.00 80,00 .- ...-..

reaktivitas BOC dingin bebas xenon -+- reaktivitas EOC panas

dengan xenon margin padam minimum

;? 70.00 ~ "-III .>t:. 60.00

~

'iij .>t:. 50.00 ~

u.. -40-fraksi bakar buang

maksimum

. 40.00 "'.

30.00 1500

Gambar 3. Neraea Reaktivitas Teras Silisida 4,8 g Vie dengan BKP

Tabel 4. Parameter Neutronik Teras Silisida 2,96, 3,55, 4,5 g clan -+,8g Vlee

Dengan memperhatikan Tabel 4, dapat

dilihat bahwa harga parameter neutronik

lainnya seperti jumlah uranium yang

terbuang dalam satu siklus (step fraksi

bakar), fluks neutron clanPPF radial juga

memenuhi batas keselamatan. Makin

besar densitas uranium dalam bahan

bakar silisida, makin besar fraksi bakar

Teratabaik di awal siklus (BOC) maupun

pacta akhir siklus (EOC), dengan

step

fraksi bakar sekitar 8 %.

Harga PPF maksimum untuk teras

silisida 4,8 g Vice kurang daTi 1,4.

Harga

fluks

pacta

pacta

Tabel

4

menunjukkan

bahwa

acta penurunan

harga fluks termal yang relatif kecil clan

kenaikan fluks neutron cepat yang juga

kecil dibandingkan dengan teras silisida

2,96 g Vice atau 3,55 g Vice yaitu

sekitar 9 % untuk fluks nutron termal

clan3 % untuk fluks neutron cepat.

207

PARAMETER _{Si 2,969 Si 3,559 Si 4,5 9 Si 4,89}

Wee Wee Wee Wee

PanjanQsiklusoperasireactor(MWD/hari) 615/20,50 960 1270/42,3 1400/46,6 FraksibakarrerataBOC(%) 30,30 29,46 33,08 34,23 FraksibakarrerataEOC(%) 51,78 37,21 41,68 43,07 Fraksibakarhuangmaksimum(%) 56,00 66,48 73,57 75,42 ReaktivitasteraslebihBOCdinQinbebasxenon(%) 9,65 9,24 10,45 10,65 ReaktivitaslebihterasEOCpanasxenonsetimbanQ(%) 2,86 2,85 2,33 2,37 MarQinreaktivitaspadamminimum(%) -1,30 -3,89 -3,33 -3,02 PPFradialmaksimum 1,23 1,25 1,31 1,31

Fluks neutron(x 1014em-2s-1)CIP/IP8 posisi

Fluksneutrontermalrerata 2,3023 2,3214 2,1937 2,1860 Fluksneutrontermalmaksimum 2,5107 2,5462 2,4540 2,4430 Fluksneutroncepatrerata 2,0660 2,1028 2,1369 2,1360

Bila komposisi clan konfigurasi teras dipertahankan seperti kondisi teras saat ini, maka kedua jenis densitas bahan bakar silisida 4,8 g U/cc tidak dapat

digunakan pacta teras RSG-GAS, karena tidak memenuhi kriteria keselamatan.

Dengan menambahkan batang kendali pengaman (BKP) AglnCd, pacta posisi B-3 clan G-10, teras silisida 4,8 g U/ce dapat dioperasikan dengan panjang siklus 1400 MWD.. .

KESIMPULAN

DAFT AR rUST AKA

1. A. LANGUILLE, J.P. DURAND clan A. GAY, "New High Density MTR Fuel The CEA-CERCA-COGEMA Development Program", Transaction of The 2ndTopical Meeting on RRFM Bruges, Belgia 1998.

2. LIEM P.H, dkk., "Fuel Management Strategy For The New Equilibrium Silicide Core Design Of RSG GAS (MPR-30)", Journal of Nuclear Engineering and Design 180 (1998).

3. Lily SUPARLINA., "Studi Penggunaan Bahan Bakar Silisida 4,8 glee pacta Teras RSG-GAS", Prosiding Hasil Penelitian P2TRR Tahun 2002, Serpong Pebruari 2003.

4. Iman KUNTORO clan Tagor Malem Sembiring., "Kemampuan Batang Kendali Berbahan Penyerap B4C Pacta Teras Silisida RSG-GAS", Jurnal Teknologi Reaktor Nuklir Tri dasa Mega, Volume 3, Nomor 2, Juni 2001. 5. ASKEW, J.R. et aZ., A General Description Of The Code WIMS, Journal Br.

Nucl. Energy Soc. 5 (1966).

6. LIEM P.H., "Development Of An In-Core Fuel Management Code

For

Searching The Equilibrium Core In 2-D Reactor Geometry (Batan-EQUIL-20)", Atom Indonesia 23,2 (1997).

DISKUSI

Penanya : Jati Susilo Pertanyaan :

BKP itu bentuknya seperti apa? Bagaimana cara pemasangannya, apakah bisa dibuat/ diadakan

Jawaban :

Batang kendali berbentuk sama seperti batang kendali yang digunakan di teras

RSG-GAS, yaitu berbentuk garpu.