1 I.1. Latar Belakang
Memperoleh energi yang terjangkau untuk rumah tangga dan industri adalah aktivitas utama pada masa ini dimana fisi nuklir memainkan peran yang sangat penting. Para insinyur dan ilmuwan dalam bidang energi telah menyadari teknologi nuklir saat ini mempunyai masalah dalam hal keterjangkauan. Usaha pencarian untuk teknologi reaktor berbasis fisi nuklir masa depan telah membuat munculnya komunitas nuklir internasional yang terdiri atas inventor dan entepreneur yang tertarik pada reaktor nuklir berbahan bakar garam lebur (MSR).
Molten Salt Reactor (MSR) adalah desain reaktor maju (Generasi IV) yang menggunakan bahan bakar dalam bentuk garam lebur. Keuntungan desain MSR dalam aspek keselamatan, kemampuan passive shutdown, kemampuan operasi reaktor dalam tekanan rendah, pendinginnya yang stabil dan kemampuan skalabilitas untuk berbagai output daya adalah faktor-faktor yang membuat reaktor lelehan garam (MSR) sangat atraktif bagi komunitas teknik nuklir dunia.
[1, 2, 3]
Pada reaktor lelehan garam (MSR), garam lebur (molten salt) yang terdiri dari campuran garam flouride PuF3-UF4-LiF-BeF2, tidak hanya digunakan sebagai pendingin tetapi berfungsi juga sebagai medium pembawa bahan bakar.
Komposisi mol bahan bakar MSR dapat diatur sesuai dengan karakteristik netronik yang diharapkan. Unsur-unsur aktinium (Th, U, Pu) masing-masing dapat diatur komposisi isotopnya. Sedangkan untuk material moderator, MSR biasanya menggunakan grafit (C-12) sebagai material moderatornya. [2]
Penggunaan bahan bakar dalam bentuk garam lebur pada desain MSR dilakukan untuk memperoleh beberapa keunggulan. Keunggulan-keunggulan MSR secara implisit jika dibandingkan dengan desain reaktor konvensional
2
berbahan bakar padat seperti Light Water Reactor (LWR) standar industri diantaranya [1, 2]:
1. Keselamatan
a. Desain MSR tidak memungkinkan terjadinya meltdown b. MSR tidak melepas gas radioaktif dalam jumlah yang besar c. Reaktivitas di teras reaktor akan menurun saat terjadi overheating d. Reaktor dapat dioperasikan pada tekanan rendah sehingga
mengeliminasi kemungkinan kecelakaan yang bersifat ekspansif yang melepaskan material radioaktif dari teras.
2. Limbah
a. MSR menghasilkan limbah lebih sedikit
b. Limbah radioaktif yang dihasilkan relatif berumur pendek c. Produk fisi yang dihasilkan diekstrak secara on line.
3. Efisiensi
a. Mempunyai efisiensi yang tinggi karena temperatur dalam teras reaktor bisa mencapai suhu yang tinggi
b. Mempunyai nilai burn up yang tinggi.
4. Bahan bakar
a. Memungkinkan reaktor dioperasikan pada suhu tinggi, karena garam lebur baru akan mendidih pada suhu 1430 °C pada terkanan atmosferik sedangkan moderator grafit mampu bertahan hingga suhu 3000 °C b. Memungkinkan peningkatan efisiensi termodinamik dan penggunaan
reaktor sebagai sumber kalor proses endotermik
c. Bahan bakar leburan garam menjadi padat pada suhu rendah, sehingga bahan bakar leburan garam dapat berfungsi sebagai pengungkung material radiaktif pada saat transportasi atau saat tidak digunakan di reaktor
d. Memungkinkan dilakukan reprosesing bahan bakar saat reaktor beroperasi (on line), sehingga memungkinkan dilakukan ekstraksi
3
produk fisi untuk memperbaiki reaktifitas reaktor sekaligus penambahan material fisil secara on line hanya sesuai kebutuhan e. Memungkinkan pengaturan komposisi bahan bakar fisil dan fertil
secara optimum untuk pembiakan.
5. Fleksibilitas siklus bahan bakar
a. Bisa menggunakan spent fuel atau bekas senjata nuklir untuk dijadikan bahan bakar
b. Thorium sangat melimpah di alam c. Risiko proliferasi nuklir sangat kecil.
Salah satu pengembangan terbaru pada riset desain MSR adalah pengembangan desain reaktor Molten Salt Reactor Transatomic Power (MSR- TAP) oleh Perusahaan Transatomic Power Corporation. MSR-TAP adalah modifikasi desain dan pengembangan lanjut dari konsep desain MSR yang ada.
MSR-TAP memiliki beberapa keunggulan daripada MSR pada umumnya yaitu diantaranya dapat menggunakan bahan bakar pengayaan uranium yang rendah sebesar 1,8% U-235 dan mampu menggunakan spent nuclear fuel (SNF) atau bahan bakar nuklir sisa untuk menjalankan reaktor. Campuran garam bahan bakar yang dipakai jika dibandingkan dengan MSR pada umumnya juga berbeda, yaitu apabila MSR umumnya menggunakan bahan bakar larutan LiF-BeF2-ThF4-UF4, maka MSR-TAP menggunakan bahan bakar larutan LiF-BeF2-UF4 tanpa menggunakan thorium. Dengan rendahnya pengayaan yang dipakai oleh MSR- TAP maka dapat menurunkan risiko proliferasi saat digunakan menjadi reaktor nuklir komersial. Satu perbedaan krusial desain MSR-TAP dengan MSR lainnya adalah material moderator yang digunakan yaitu zirkonium hidrat (ZrH4) dimana MSR lain menggunakan material grafit. [4]
Karena itu, untuk mengetahui lebih lanjut tentang MSR-TAP, dilakukan penelitian dengan judul: Analisis Optimasi Komposisi Bahan Bakar Terhadap Moderator Pada Kekritisan Reaktor Lelehan Garam Bermoderator Zirkonium Hidrat Dengan Tipe Kisi Segi Enam. Dikarenakan terbatasnya data-data yang ada mengenai MSR-TAP terutama dalam hal geometri,
4
Penelitian ini ditujukan untuk menganalisis secara netronik desain teras MSR-TAP dengan basis bahan bakar LiF-BeF2-UF4, supaya diketahui parameter desain optimumnya dan di sisi lain tetap memenuhi standar keselamatan yang disyaratkan.
I.2. Perumusan Masalah
Desain teras reaktor nuklir sangat berpengaruh terhadap performa dari reaktor nuklir saat beroperasi. Baik dari segi geometri, dimensi, sampai parameter-parameter netronik dan termohidrolik. Agar sebuah reaktor nuklir dapat beroperasi dengan baik, maka perlu dilakukan analisis pada desain teras reaktor nuklir.
Penelitian ini meninjau kinerja netronik dan kinerja keselamatan yaitu reaktivitas void dari MSR-TAP. Kinerja netronik dan reaktivitas void sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya adalah, pengayaan bahan bakar, fraksi bahan bakar dalam campuran bahan bakar dan dimensi diameter moderator.
Karena itu dalam penelitian ini ingin diketahui pengaruh pengayaan bahan bakar, fraksi bahan bakar dan dimensi diameter moderator terhadap nilai keff dan koefisien reaktivitas void pada MSR-TAP. Parameter-parameter netronik yang menjadi indikator keberhasilan desain adalah 1<keff<1,0065 dan 𝛼𝑉𝑜𝑖𝑑 < 0.
Untuk mendapatkan desain optimal yang memenuhi syarat, maka dilakukan analisis netronik dengan parameter-parameter netronik yang divariasikan. Proses ini menggunakan metode pendekatan probabilistik yaitu metode Monte Carlo yang digunakan pada program Monte Carlo N-Particle ver. 5 (MCNP5). Variasi parameter diproses dalam program MCNP5 dan hasilnya diolah menggunakan program Microsoft Excel 2013 untuk mendapatkan desain yang memiliki parameter terbaik.
I.3. Batasan Penelitian
Batasan-batasan yang digunakan pada penelitian ini adalah:
5
1. Analisis hanya pada parameter netronik dalam teras.
2. Geometri desain teras reaktor dibuat tetap kecuali diameter silinder moderator.
3. Analisis dibatasi pada material fisil U-235 berpengayaan rendah pada rentang 1,8%, 4,5%, 4,8% dan 5,7%, variasi ukuran geometri diameter silinder moderator pada rentang 1 cm sampai 6 cm dengan selisih 1 cm dan persentase mol uranium (UF4) pada campuran garam bahan bakar adalah 15%, 20%, 25%, 30%. Sedangkan parameter lain tetap.
4. Reaktor berada pada kondisi non-online refueling.
5. Bahan bakar berupa material fisil U-235 pada kondisi baru dengan pendekatan kalkulasi secara statis yang berarti tanpa produk fisi.
6. Suhu seluruh komponen teras diasumsikan homogen.
7. Perubahan densitas struktur reaktor non-bahan bakar diabaikan.
8. Tidak dilakukan pencarian nilai conversion ratio (CR) dan koefisien reaktivitas suhu dikarenakan keterbatasan program yang dipakai.
9. Penelitian dilakukan dengan program MCNP5 dan data diolah menggunakan Microsoft Excel 2013.
I.3. Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah :
1. Menentukan parameter-parameter netronik teras paling optimum yaitu perbandingan fraksi mol uranium (UF4) pada campuran garam bahan bakar terhadap variasi diameter silinder moderator pada desain MSR- TAP yang memenuhi syarat 1 < keff < 1,0065 dan memiliki koefisien reaktivitas void negatif..
2. Menguji kebenaran klaim MSR-TAP dapat menggunakan bahan bakar dengan tingkat pengayaan sebesar 1,8% di dalam Technical Whitepaper MSR-TAP.
3. Menentukan tingkat pengayaan terbaik untuk pengoperasian awal MSR- TAP yang memenuhi syarat dan memenuhi prinsip keselamatan melekat.
6 I.4. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut:
1. Sebagai acuan awal analisis netronik dan keselamatan pada desain teras MSR-TAP.
2. Mengetahui pengaruh komposisi bahan bakar-moderator pada kritikalitas MSR-TAP.
