GAS PADA TEMPERATUR SATURASI ABSTRACT ABSTRAK PENDAHULUAN. Ernita Jurusan Fisiko, FMIP A -USU

Proseding Pertemuan dan Presentasi I/miah

PPNY.BATAN. Yogyakarta 14 -15 Juti 1999 Buku I 181

PENENTUAN KOEFISIEN REAKTIVTAS

VOID TERAS

RSG-GAS PADA TEMPERATUR SATURASI

Lily Suparlina, T .A. Budiono, Tukiran, Amil Mardha PRSG-BATAN

Ernita

Jurusan Fisiko, FMIP A -USU

ABSTRAK

PENENTUAN KOEFISIEN REAKTIVITAS VOID TERAS RSG-GAS PADA TEMPERATUR SA TURASI. Te/ah di/akukan perhitungan koefisien reaktivitas void teras TWC RSG-GAS. Perhitungan di/akukan dengan menggunakan dua paket program, yaitu paket program WIMS/D4 untuk perhitungan set dan Batan-2DIFF untuk perhitungan teras. Perhitungan set di/akukan untuk teras pada temperatur operasi dan saturasi serra da/am kondisi panas, xenon setimbang. Dengan menganggap bahwa void tercampur meratadi se/uruh teras, maka void yang mu/ai terbentuk pada temperatur saturasi digambarkan dengan penurunan densitas moderator da/am setiap perhitungan set. Perhitungan tampang lintang makroskopik bahan bakar dengan fraksi bakar aktua/ di/akukan dengan menggunakan program interpo/asi /inier.. Reaktivitas void yang dika/ku/asi pada perhitungan teras mu/ai dari 5 -70 % dengan menggunakan harga buckling aksia/ sebesar 1,764£-03. Fraksi void yang terjadi pada temperatur saturasi diatas 100 °C dengan tekanan 1 bar sekitar 0,01 %, sehingga dari grafik hasi/ perhitungan' dapat ditentukan bahwa harga koefisien reaktivitas void RSG-GAS pada awa/ siklus ada/ah 1,38 x 10-3 LlpjO/o void, mempunyai perbedaan 5.3 % dibandingkan data yang berasa/ dari pemasok.

ABSTRACT

DETERMINATION OF THE VOID COEFFICIENT OF REACTIVITY FOR RSG-GAS CORE AT SATURATED TEMPERATURE. The void reactivity coefficient of TWC RSG GAS core has been calculated. Two computer codes were used to compute the coefficient namely W/MSD/4 code for cell calculation and Batan-2D/FF for core diffusion calculation. The cell calculation was conducted for normal and saturate temperatures, at hot, equilibrium xenon condition. By assuming that the void occurs

homogeneously over the core, so the arising void at saturated temperatures was expressed by the moderator_density decrease for every cell calculation. The fuel macroscopic cross section calculation was carried out

by using a linear interpolation program. Void reactivity was calculated for 5 -70 % void fraction using axial buckling value /.764£-03. The voidfraction occured at the saturate temperature above 100 °C and 1 bar pressure value was around 0.01 %, sofrom the graph, it could be determined that the void coefficient of reactivity for the RSG-GAS at the beginning of cycle was 1.38 x 10-3 /0/0 void, deviation was 5.3 % compared to the vendor data.

PENDAHULUAN

Dalam makalah ini dibahas meng~nai

penentuan koefisien void untuk teras RSG-GAS berbahan bakar oksida dengan data fraksi bakar aktual teras TWC. Penentuan' koefisien reaktivitas void ditentukan melalui perhitungan yang dilakukan dalam dua tahap, yaitu perhitungan sel dengan menggunakan paket program WlMSD/4 dan per-hitungan teras menggunakan paket program Batan-2D1FF yang telah teruji keakuratannya.. Perhitungan sel dilakukan untuk temperatur operasi, saturasi serta dalam kondisi panas xenon setimbang. Keberadaan void yang dianggap tercampur merata di seluruh teras, ditunjukkan dengan penurunan densitas pada perhitungan sel: Harga tampang lintang makroskopik dalam format CITATION yang digunakan dalam perhitungan teras untuk fraksi R SG-GAS merupakan reaktor jenis kolam

(swimming pool reactor) dengan pendingin daD moderator air ringan (H2O) daD dirancang untuk menghasilkan daya nominal sebesar 30 MW dan

14 2

fluks neutron termal Terata sebesar 2 x 10 n/cm s. Salah satu faktor penting yang mempeng-aruhi keselamatan operasi reaktor adalah parameter kinetik, sehingga parameter kinetik suatu reaktor perlu untuk diketahui. Koefisien Reaktivitas Void merupakan salah satu besaran kinetika reaktor, yang meskipun tidak besar pengaruhnya untuk reaktor fiset, tapi perlu juga untuk diketahui. Dalam reaktor riset pengaruh adanya void dapat disimulasikan dengan memasukkan udara kedalam teras.

Llily Sup~lina, dkk. ISSN 0216-3128

Proseding Pertemuan dan PresenJasi 1/miah PPNY-BATAN, Yogyakarta 14 -15 Ju/i 1999

182 Buku I

bakar aktual dilakukan dengan menggunakan program interpolasi linier. Sedangkan perhitungan reaktivitas void dilakukan dalam perhitungan teras untuk awal dan akhir siklus operasi.

TEORI

Dimana : p = probabilitas resonansi Nf = rapat atom fuel N m = kerapatan moderator I = integral resonansi

up = tampang lintang serapan

Keberadaan void akan merubith kerapatan mode-rator, akibatnya akan menganggu kesetimbangan produksi neutron, dalam hal ini koefisien reaktivitas void dapat ditulis sbb :(1)

Void merupakan gelembung-gelembung uap di moderator yang dapat mengakibatkan berkurang-nya kerapatan moderator daD keberadaanberkurang-nya dapat mengganggu aktivitas reaktor.

Adanya void di dalam teras reaktor akan merubah faktor multiplikasi effektif neutron daD merupakan gangguan reaktivitas teras reaktor. Gangguan I perubahan kecil pada keseimbangan reaksi pembelahan bahan bakar dalam teras reaktor saat dioperasikan dalam keadaan kritis pada suatu daya dapat ditunjukkan oleh perubahan reaktivitas-nya. Besar kecilnya perubahan reaktivitas ter-gantung pada lokasi void itu sendiri. Gangguan itu mengakibatkan perubahan terhadap keseimbangan produksi neutron yang ditunjukkan pada perubahan reaktivitasnya.(l)

=In(l.)~

p dTM (3)

dN_{d M- = perubahan kerapatan moderator terhadap} TM

perubahan temperatur.

Harga ~. akan semakin negatif clan semakin besar jika temperatur mendekati temperatur saturasi. Hubungan antara fraksi void dan koefisien reaktivitas void ditunjukkan pada gambar ber,ikut

_..

(2) illl: KOEFISIEN REAKTIVIT AS VOID

kiP,

Perubahan faktor multiplikasi effektif akibat adanya void dapat ditunjukkan oleh perubahan reak-tivitas Lip. Parameter yang berhubungan dengan adanya void adalah koefisien reaktivitas void yang menggambarkan sensitivitas reaktor terhadap adanya void.

Koefisien reaktivitas void didefenisikan sebagai perubahan reaktivitas dp tiap perubahan volume void dV,yang ditulis sebagai :(1

dp

dV (1)

a _v =

Gambar 1 Hubungan antara frakS'i void dengan probabi/itas la/os resonansii dan fak-tor guna lerma/.

Dimana : av = koefisien reaktivitas void (sen/cm3) dp = perubahan reaktivitas (sen)

dV = perubahan volume void (cm3) Telah disebutkan sebelumnya bahwa keberadaan void akan merubah kerapatan moderator, akibatnya akan menganggu kesetimbangan produksi neutron. Probabilitas resonansi pada tangkapan neutron dapat ditulis :(1)

Void dalarn moderator mengurangi kerapatan moderator clan berpengaruh pada probabilitas lolos resonansii clan faktor guna tennal. Perubahan dalarn kerapatan moderator mempengaruhi perbandingan jumlah atom H/U. Kerapatan moderator berkur@g

akibat dari perbandingan H/U clan void. Karena p clan f bergantung pada perbandingan H/U, maka faktor multiplikasi juga terpengaruh.(2)

p = exp[ -_{-~I (2)}

LN m up

ISSN 0216 -3128

Proseding Pertemuan dan Presentasi /lmiah

PPNY-BATAN. Yogyakarta 14 -15 Juti 1999 Buku I

LANGKAH PERHITUNGAN

Perhitungan koefisien reaktivitas void dilakukan dalam dua tahap, yaitu perhitungan sel dengan menggunakan paket program WIMS/D4 dan perhitungan teras dengan menggunakan paket program difusi Batan-2D1FF. Diagram alir untuk masing-masing program ditunjukkan pada Gambar 2 dan Gambar 3.(3)

Gambar 3. Diagram alir perhitungan teras paket program Batan-2DIFF.

XJXJXI8JX:

~II

.'XIX

K

X,,-JI

XlX.i8

XI.

J 16,3 1 42,4

I

39,S

I

28,6

I

0,0

IXIX

I

.

23,1 48,4 4S,S 3S,0 8,2

XI~

H

XI

...8129.5 46,9 37.5 ~~ I ~~~ J.Xj .IX G 0,01 17,0 9,5 26,4 9,0 22,8~ .19,7 32.9 26,7 0 34,8 'c 36,8 36,4 43,9 44,0 11,0I 0,0

IXIC

26.3 8.1 c B XI 39,2 45,9 18,4I43,3IXI

X

IC

27,9 49,4 XI ~~29,7 36,8 ;~:~ I ".:0, [X18 IX

Gambar 2. Diagram alir perhitungan paket program WIMS/D4.

Gambar 4. Konfigurasi Teras' TWC dengan frakYi bakar untuk awal dan akhir siklus. Perhitungan dilakukan untuk teras TWC

RSG-GAS yang menggunakan 40 buah elemen bakar daD 8 elemen kendali dengan harga fraksi bakar tertentu untuk masing-masing elemen bakar. Susunan teras daD harga fraksi bakar teras TWC awal daD akhir siklus ditunjukkan pada Gambar 4.

Data-data perhitungan yang dipergunakan diarnbil daTi geometri teras TWC. adalah sebagai berikut :

Llily Suparlina, dkk.

Proseding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta 14 -15 Juli 1999

184 Buku J

30 MW _{dengan fraksi bakar aktual, dilakukan dengan cara} interpolasi linier 342,953 K 341,670 K 323,290 K 432,400 K 412,540 K 389,270 K 21 buah 0,54 mm 0,38 mm 2,55 mm

Perhitungan Teras dengan Paket Pro-gram Batan-2DIFF

Untuk memperoleh harga reaktivitas yang diinginkan, basil perhitungan gel pacta paket pro-gram WIMSD/4 berupa harga tampang lintang makroskopik dengan harga fraksi bakar aktual di-gunakan dalam perhitungan tyras yang mengguna-kan paket program Batan-2D1FF dengan format CITAllON. Harga buckling aksial yang digunakan dalam perhitungan teras tersebut adalah 1,764E-O3.

Daya reaktor

Perhitungan pada temperatur normal

-Tmeat

-T clad

~ T mode_r/extra region

Perhitungan plida temperatur saturasi

-Tmeat

-Tclad

-T mode_r/extra region

Jumlah pelat elemen bakar di elemen bakar Tebal meat

-Tebal clad (kelongsong) Teba! moderator

1,50025E-O3 6,21376E-O3 3,O5937E-O2

2,OO507E-O2

HASIL DAN PEMBAHASAN

1,36127E-O3 1,72395E-04 1,26989E-05 8,81320E-05 1,15597E-04 9,31187E-O5 5,76030E-02

Setelah melalui seluruh proses perhitungan maka diperoleh basil berupa harga keff reaktivitas teras untuk masing-masing kondisi. Harga koefisien reaktivitas void dihitung terhadap harga reaktivitas teras kondisi operasi temperatur saturasi dengan menggunakan persamaan (I).

Hasil perhitungan koefisien reaktivitas void teras TWC awal siklus clan akhir siklus. ditunjukkan pada Tabell clan Tabel2.

3,30269E-O2 6,60537E-O2 Jumlah Kerapata!1 Atom Meat

NU23S (U23S) NU23S (U23S) N27 (AI) NI6 (0)

Jumlah kerapatan atom kelougsong NU3200 (Mg) N29 (Si) N63 (Cu) Nss (Mn) NS6 (Fe) NS2 (Cr) N27 (AI)

Jumlah kerapatan atommodc~rator N16 (0)

N2OO1 (H)

Jumlah kerapatan extra region N3200 (Mg) N29 (Si) N63 (Cu) Nss (Mn) NS6 (Fe) NS2 (Cr) N27 (AI) N16 (0) N2OO1 (H)

Tabel 1 Hasil perhitungan koefisien reaktivitas void untuk awal siklus.

5,58099E-O4 3,32123E-O4 9,29143E-O5 1,21 1 62E-O4 9,51386E-O5 4,lO691E-O5 3,98989E-O2 1,O1749E-O2 2,O3497E-O2 Fv (% void)

~p

(%) p. (%) av (%/% void) 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 5,946 5,117 4,428 3,648 2,746 1,701 0,488 -0,921 -2,565 -4,491 -6,761 -9,455 -16,601 -23,810 0 -0,829 -0,689 -1,459 -2,371 -3,4.16 -4629, -6,038 -7 ,682 -9,608 -11,878 -14,572 -21,718 -28,926 0 -0138, -0,138 -0,147 -0,158 -0,171 -0,185 -0,201 -0,219 -0,240 -0,264 -0,291 -0,362 -0413,

Perhitungan Sel dengan paket program

WIMSffi4

Perhitungan gel dimaksudkan untuk men-dapatkan harga tampang lintang makroskopik, yang dilakukan dalam tiga macam'kondisi yang berbeda. Langkah pertama ialah perhitungan untuk kondisi teras operasi dengan temperatur operasi normal, xenon setimbang. Dalam langkah pertama ini, void dianggap belum terjadi. Langkah ke dua , perhi-tungan untuk kondisi operasi temperatur saturasi,(4)

xenon setimbang tanpa void. Langkah ketiga per-hitungan untuk kodisi operasi temperatur saturasi dan terjadi void. Besarnya void yang dihitung untuk 5 %, -70 % dengan perbedaan 5%. Untuk men-dapatkan harga tampang lintang makroskopik sesuai

Proseding Pertemuan don Presentasi Itmiah

PPNY-BATAN, Yogyakarta 14 -15 Juti 1999 Buku I 185

Hasi! perhitungan koefisien reaktivitas void unfuk akhir siklus.

inasing-masing elemen bakar seperti ditunjukkan pada persarnaan (2) dan pada kondisi tersebut, ke-naikan temperatur pada elemen bakar kurang peng-aruhnya dibandingkan dengan kenaikan temperatur moderator. Dengan demikian untuk kondisi awal siklus koefisien reaktivitas voidnya pada fraksi yang sarna akan lebih besar reaktivitas dibandingkan dengan kondisi akhir siklus.

Tabel 2 Fv (% void) Ap (%) P (%) av (%/% void) 0 0 5 10 15 20 25 30 35

-40 45 50 60 70 2,638 1,745 1,048 0,263 -0 649_, -1,711 -2,945 -4,385 -6,067 -8,042 -10,375 -13;147 -20,520 -31,739 0 -0,893 -0,697 -1,482 -2,394 -3,456 -4,690 -6,130 -7,812 -9,787 -12,120 -14,892 -22,265 -33,484 0 -0,139 -0,139 -0,148 -0,160 -0,173 -0,188 -0,204 -0,223 -0,245 -0,269 -0,298 -0,371 -0,478 "...dd

j-_li"""w" ~M1I.1"'~"-~"'~1

Gambar 5. Grajik Reaktivitas don koejisien reak-tivitas void sebagai lungsi fraksi void untuk teras TWC awal siklus.

Dari basil perhitungan di atas, telah dibuat graflk reaktivitas void daD koefisien reaktivitas void sebagai fungsi fraksi void untuk awal daD akhir siklus, yang ditunjukkan pada Gambar 5 -8.

Perhitungan koefisien reaktivitas void ini dilakukan padatemperatur saturasi, karena kemung-kinan terbesar terjadinya void adalah pada tempe-ratur yang sangat tinggi. Pada kondisi ini, sebenar-nya telah terjadi gelembung uap pada dinding kelongsong bahan bakar. Untuk reaktor riset RSG-GAS dengan tekanan 1 bar dan temperatur diatas 1oO °c maka fraksi void pada temperatur saturasi sekitar 0,01 %.(5) Karena koefisien reaktivitas void merupakan perbandingan antara perbedaan reak-tivitas terhadap fraksi void, maka untuk RSG-GAS , harga koefisien reaktivitas void adalah 1,38 x 10-3 %/% void yang ditentukan melalui Gambar 8. Pada Gambar 5 -8 terlihat bahwa makin besar komposisi void di dalam teras reaktor, menyebabkan harga koefisien reaktivitas void bertambah. Harga koefi-sien reaktivitas void pada awal siklus dan akhir siklus tidak jauh berbeda hingga komposisi void mencapai 50 %. Setelah melampaui komposisi tersebut, maka terlihat bahwa harga koefisien reaktivitas void mulai berbeda, ditunjukkan pada Gambar 7 daD 8. Hal ini disebabkan karena adanya pengaruh perubahan densitas bahan bakar seiring dengan perubahan fraksi bakar setelah melewati satu siklus, yang besar pembakarannya berbeda untuk

Gambar 6. Grafik Reaktivitas don koefisien reak-tivitas void sebagai fungsi fraksi void untuk terasTWC akhir siklus.

Proseding Pertemuan dan Presentasi nmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta 14-15 Ju/i 1999

186 Buku I 0 .~

~

.

'-' .. ..

~

;; ~ .35 --10 0 10 20 :JI .10 50 GO 70 HI} -t. ,.uid

Gambar 7. Grafik Reaktivitas Voidsebagaifungsi Fraksi Void Teras TWCRSG-GAS.

pada elemen kendali adalah 15 pelat. Harg~ koefisien reaktivitas void sebesar -1,38 x 10.3 Ap/% void menunjukkan harga negatif. lni berarti bahwa bertambahnya void di dalam teras akan menyebab-kan bertambahnya jumlah neutron pacta teras reaktbr daD adanya kebocoran neutron.

Dengan bertambahnya void akibat kenaikan temperatur, maka kerapatan moderator semakin ber-kurang, akibatnya tampang lintang resonansi pacta teras reaktor mengalami perubahan, laju serapan bertambah. Di dalam teras RSG-GAS, sebagian serapan terjadi pacta U-238. Walaupun serapan fisi U-235 juga bertambah, namun efek ini kecil dibandingkan dengan tangkapan neutron, sebab di dalam reaktor termal sebagian besar reaksi fisi terjadi di daerah termal. Dengan demikian, efeknya berupa kenaikan serapan yang pacta akhirnya menurunkan reaktivitas sistem:

Dengan memperhatikan Gambar 8, terlihat bahwa hargakoefisien reaktivitas void yang terbesar adalah pacta awal temperatur saturasi. Makin besar fraksi void, makin berkurang kerapatan moderator, namun harga koefisien reaktivitas voidnya mengecil. Dibandingkan dengan nilai yang diberikan oleh pemasok, teras reaktor tetap aman hila terjadi void pacta awal temperatur saturasi.

-1.1111 -1.50

~ -:l.1I11

-

_~ 2.50 .0 ~ -3.1)0 -.J -: -3.511

KESIMPULAN

Dari basil perhitungan koefisien reaktivitas void pacta temperatur saturasi, dengan mengguna-kan dua paket program WIMSD/4 dan Batan-2DIFF, diperoleh koefisien reaktivitas void sebesar -1,38 x 10-3 Ap/%void. Harga ini diambil dari barns range untuk % void yang terkecil dari perhitungan. Sedangkan harga koefisien reaktivitas void yang dibuat pemasok pacta batas range tersebut adalah sebesar -1,31 x 10-3 Ap/% void. Hasil yang diper-oleh berbeda sekitar 5,3 %.

-.1.511

-5.1111

II I II 20 311 .41. 511 611 711 811

"/,, \'oi d

Gambar 8. Grafik Koefisien Reaktivitas Void seba-gai fungsi fraksi Void teras RWC RSG-GAS.

SARAN

Meskipun menggunakan data konfigurasi teras yang sarna dengan SAR, (6) dan telah meng-gunakan paket program yang telah diandalkan keakuratannya, masih terdapat perbedaan terhadap basil perhitungan pemasok sebesar 5,3 %. Penye-bab perbedaan harga tersebut antara lain karena penggunaan jumlah pelat dalam perhitungan untuk

elemen kendali sarna dengari untuk elemen bakar, yaitu 21 pelat. Pada kenyataannya, jumlah pelat

1. Untuk mendapatkan harga koefisien reaktivitas .void yang lebih baik diharapkan Untuk

per-hitungan yang akan datang dilakukan perhitung-an control rod secara terpisah daD kemudiperhitung-an dimasukkan ke dalam paket program untuk per-hitungan selanjutnya. perper-hitungan control rod supaya dilakukan diawal program yaitu pada paket program WIMS.

2. Perlu diadakan eksperimen secara langsung mengenai keberadaan void padateras ,RSG-GAS, untuk memberikan validasi pada basil-basil perhitungan selanjutnya.

Llilv SuDarlina. dkk ISSN 0216 -3128

.111

-15

-10

.25

ProsedingPertemuan don Presentasi I/miah

PPNY-BATAN, Yogyakarta 14 -15 Juti 1999 Buku I 187

reaktivitas void, bagaimana dengan pengaruh koefisien reaktivitas suhu (a:T).

DAFT AR PUST AKA

Lily Suparlina

-Pada kondisi ini data tam pang lintang yang digunakan adalah pada saar saturasi. Dengan .demikian, kenaikan suhu L1t sudah dihitung pada L1t menuju suhu saturasi. Dengan menggunakan data dengan buckhing yang sarna, dengan perkataan lain, harga keff teras yang mengguna-tan harga tampang linmengguna-tang makroskopik t saturasi merupakan awal perhitungan dengan V = 0,01 %. Untuk selanjutnya perhtitungan hanya

untuk perubahan fraksi void dengan rumus

av =!!:!!.-. Sehingga aT tidak diperhitungkan.

AV

Syarip

-Berapa % kontribusi besarnya KR V terhadap _{RSG? .}aT

1. DUDERSTADT J.J., HAMILTON L.J., "Nuclear Reactor Analysis", John Wiley and Son, NY, USA,1976.

2. H. BOCK., "Reactor Kinetics and Dynamic", Lecture notes at RTC on the Use of PC in Research Reactor Operation and Management, Bandung- Indonesia November 1991.

3. LIEM, P.H., "Development and Verification of Batan Standard Two Dimensional Mu1tigroup Neutron Diffusion Code (Batan-2DIFF)", Maka-lah seminar BAT AN, 1994.

4. pun HASTUTI E, KAMINANGA M., "Bloc-kage Channel Analysis on RSG-GAS Oxide Core and RSG-GAS Silicide Core design by usingCoolod-N Code", JAERI, April 1998. 5. NEIL E. TODREAS, MUnD S KAZIMI,

"Thermal Hydraulic Fundarilentals", Hemisphere Pub1ising Corporation, New' York 1990.

6. BADAN TENAGA ATOM NASIONAL, "Sa-fety Analysis Report", volume 1, Revisi 7,

September 1993. -Berapa aT?

Lily Suparlina

-Dari hasil desain SAR, aT = /,6/ x /0-4 LIkIk. maka kontribusi harga aT terhadap harga KRV .adalah hila kenaikan void / %, maka terjadi

keainak aTsebesar /0 %. -av=aTX/o-/.

TANYAJAWAB

Y Sardjono

-Reaktivitas p = f(kefl. kef= 1]fp e LT Lf Pacta saat anda menghitungimengukur koefisien