PRE ESTIMATE OF GRAPHITE THERMAL COLUMN RADIOAKTIVE WASTE FOR KARTINI REACTOR YOGYAKARTA DECOMMISSIONING PLAN

Surabaya, 25 Pebruari 2012

C - 62

PRAKIRAAN LIMBAH RADIOAKTIF GRAPHITE THERMAL COLUMN PADA PERENCANAAN DEKOMISIONING REAKTOR KARTINI,

YOGYAKARTA

PRE ESTIMATE OF GRAPHITE THERMAL COLUMN RADIOAKTIVE WASTE FOR KARTINI REACTOR YOGYAKARTA

DECOMMISSIONING PLAN Mulyono Daryoko

Pusat Teknologi Limbah Radioaktif, BATAN Kawasan Puspiptek, Gedung 50, Serpong, 15310, Tangsel

Email: mdaryoko@yahoo.com

Abstrak-Telah dilakukan prakiraan limbah radioaktif graphite thermal column pada

perencanaan dekomisioning reaktor Kartini, Yogyakarta. Reaktor Kartini, Yogyakarta sudah berumur lebih dari 40 tahun. Cepat atau lambat reaktor tersebut pasti akan didekomisioning. Sebelum dilakukan dekomisioning, salah satu hal yang krusial yang harus dilakukan adalah memprakirakan limbah radioaktif pada saat dilaksanakan dekomisioning nanti. Data ini diperlukan untuk prakiraan perhitungan dana yang harus disiapkan. Graphite thermal column .adalah salah satu bagian limbah radioaktif padat reaktor yang signifikan. Limbah radioaktif graphite thermal column terjadi karena reaksi aktivasi selama pengoperasian reaktor. Analisis inventarisasi limbah tersebut dilakukan melalui data inventarisasi radionuklida yang terkandung di dalamnya, yang kemudian bisa dipetakan kandungan limbah radioaktifnya. Inventarisasi radionuklida diperkirakan dari data-data primer reaktor Kartini, dan didukung dengan data-data sekunder dari berbagai pustaka. Dari studi ini disimpulkan bahwa kandungan radionuklida yang terkandung di dalam graphite thermal column reaktor Kartini, Yogyakarta, setelah 5 tahun shut down adalah H-3, C-14, Fe-55, Co-60, Ni-59 dan Ni-63, dengan aktivitas masing-masing 6,35x106 Bq; 1,59x107 Bq; 4,33x105 Bq; 9,31x104 Bq; 1,07x107 Bq; dan 1,73x106 Bq. Pada penyimpanan sampai 30 tahun, radionuklida yang dominan adalah H-3, Fe-55 dan Co-60, sedangkan hanya H-3 saja yang masih dominan sampai penyimpanan 50 tahun. Limbah radioaktif graphite thermal column tersebut termasuk limbah aktivitas rendah yang aktivitasnya kurang lebih 7,32 Bq/g dan jumlahnya 4,8 ton.

Kata kunci: graphite thermal column, reaktor Kartini, limbah radioaktif

Abstract.The pre estimate of graphite thermal column radioactive waste for Kartini reactor

Yogyakarta decommissioning plan, has been conducted. The age of Kartini reactor is more than 40 years, therefore the reactor certainly will be decommissioned sooner or later. Before being decommissioned, one important thing that should be done is the inventory analysis of its radioactive waste. The data of the inventory analysis is needed to calculate the needed budget. The most significant solid radioactive waste is the graphite thermal column. This radioactive waste emerged because of the activation reaction when the reactor was being operated. The inventory analysis of the radioactive waste can be done through the inventory of radionuclide contained in the radioactive waste, thus the radioactive waste composition could be known. The inventory of the radionuclide could be predicted from the primary data of Kartini reactor, and also from the secondary data from the literature. This study concluded that the radionuclide contained in the graphite thermal column of Kartini reactor, Yogyakarta, after being shut down for 5 years is H-3, C-14, Fe-55, Co-60, Ni-59 and Ni-63, with each activity is 6,35x106 Bq; 1,59x107 Bq; 4,33x105 Bq; 9,31x104 Bq; 1,07x107 Bq; and 1,73x106 Bq. If it is being stored for 30 years, the dominant radionuclide is H-3, Fe-55 dan Co-60 and only H-3 is still dominant until it is being stored for 50 years. The graphite thermal column radioactive waste is the low activity waste with less than 7,32 Bq/g in activity and 4,8 ton in amount.

Surabaya, 25 Pebruari 2012

C - 63

PENDAHULUAN

Reaksi netron dengan bahan bakar nuklir akan menghasilkan tiga kelompok radionuklida, yaitu produk aktivasi, aktinida, dan produk fisi yang terdiri dari nuklida hasil pembelahan bahan fisil (U-235 dan Pu-239) termasuk nuklida hasil peluruhannya [Daryoko, M., and Gunandjar, 2003; IAEA, 2002].

Unsur-unsur kimia yang terdapat pada komponen-komponen di sekitar reaktor, seperti beton, reflektor, graphite thermal column, biological shielding, lazy susan, bellow, beam port, fuel rack, grid, sistem pendingin primer, juga mengalami reaksi aktivasi, sehingga komponen-komponen tersebut menjadi radioaktif. Pada Tabel 1 [IAEA, 2002] disajikan nuklida awal yang teraktivasi dan hasil aktivasinya. Disamping terjadinya reaksi aktivasi, komponen-komponen tersebut juga bisa terkontaminasi radionuklida-radionuklida yang berasal dari reaksi aktivasi, hasil fisi maupun aktinida bahan bakar uranium [Daryoko, M., and Saryati, 2007; IAEA, 2002].

Di bawah ini dijelaskan kemungkinan terjadinya radionuklida pada komponen graphite thermal column Kartini, Yogyakarta. Gambaran graphite thermal column ini seperti terlihat pada Gambar 1. Radionuklida pada graphite thermal column bekas terjadi dari 2 sumber sebagai berikut:

1. Aktivasi graphite thermal column.

Hasil aktivasi graphite thermal column dan pengotor-pengotornya adalah: H-3, C-14, Cl-35, Ca-40, Fe-55, Co-60, Ni-59 dan Ni-63 [IAEA, 2002].

2. Kontaminasi dari produk fisi.

Kontaminasi hasil fisi secara umum ada 2 macam: loose contamination, yaitu

kontaminasi yang hanya terjadi pada

permukaan luar dan mudah

didekontaminasi, dan fixed

contamination yang lebih sulit untuk dilakukan dekontaminmasi. Yang terjadi pada graphite thermal column biasanya hanya loose contamination, sehingga pengaruhnya tidak signifikan [Daryoko, M., and Saryati, 2007].

Bilamana inventarisasi radionuklida pada graphite thermal column tersebut telah diketahui, dan masing-masing diketahui aktivitasnya maka kemudian limbah radioaktif pada komponen tersebut bisa dipetakan, termasuk akan diketahui juga apakah limbah tersebut limbah radioaktif tingkat sangat rendah, tingkat rendah, sedang atau tinggi atau termasuk dalam batasan di bawah clearance level (bukan limbah radioaktif).

Penelitian ini mencoba menganalisis kandungan radionuklida pada bahan graphite thermal column bekas, dan

kemudian menganalisis limbah

radioaktifnya.

METODOLOGI

Inventarisasi radionuklida pada komponen graphite thermal column dianalisis berdasarkan data-data sekunder dari pustaka yang dikombinasikan dengan data-data primer dari graphite thermal column pada reaktor Kartini. Data-data tersebut meliputi data- data nuklida awal yang teraktivasi dan hasil aktivasinya (Tabel 1), data umur paroh dan prosentase dari nuklida yang teraktivasi dari nuklida induknya (Tabel 1), data komposisi elemen graphite thermal column (Tabel 2), data cross-section, data berat graphite thermal column pada suatu reaktor (Tabel 3), dan data aktivitas komponen

Surabaya, 25 Pebruari 2012

C - 64

graphite thermal column dari reaktor yang diperbandingkan dengan daya, EFPY (effective full power years), dan lama (tahun) setelah shut down yang tertentu (Tabel 4). Setelah inventarisasi radionuklida pada graphite thermal column tersebut telah diketahui, dan masing-masing diketahui aktivitasnya maka kemudian limbah radioaktif pada komponen tersebut bisa dipetakan. Disamping itu dari umur paroh masing-masing nuklida penyusun graphite thermal column tersebut akan bisa diperkirakan berapa waktu limbah tersebut masih didominasi oleh radionuklida-radionuklida penyusunnya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Data yang digunakan untuk perhitungan analisis radionuklida dari graphite thermal column dapat dilihat pada Tabel 1, Tabel 2, Tabel 3, dan Tabel 4. Dari Tabel 1 dan Tabel 2, maka reaksi-reaksi aktivasinya adalah Li-6(n,α)H-3, C-13(n,γ)C-14,N-14(n,p)C-14, Ca-40(n,γ)Ca-41, Fe-54(n,γ)Fe-55, Co-59(n,γ)Co-60, Ni-58(n,γ)Ni-59 dan. Ni-62(n,γ)Ni-63.

Aktivitas radionuklida dari komponen-komponen di sekitar reaktor adalah:

1. Berbanding langsung dengan berat komponen

2. Berbanding langsung dengan daya reaktor

Surabaya, 25 Pebruari 2012

C - 65

3. Berbanding langsung dengan

effective full power years (EFPY) 4. Berbanding terbalik (tahun) dengan

waktu setelah shut down.

Prosentase dari elemen radionuklida di dalam komponen tergantung kepada:

1. Prosentase kandungan masing-masing elemen di dalam komponen 2. A cross section

Tabel 1. Reaksi aktivasi yang penting [IAEA, 2002] Nuklida induk Reaksi nuklir Radionuklida turunan Prinsip emisi Umur paruh radionuklida turunan(th)

Limpahan nuklida induk dalam elemen (%) Li-6 n,α H-3 β- 12.3 7.5 C-13 n, γ C-14 β- 5730 1.1 N-14 n, p C-14 β- 5730 99.6 Na-23 n,2n Na-22 β+, EC 2.6 100 Na-23 γ,n Na-22 β+, EC 2.6 100 Cl-35 n, γ Cl-36 β- (β+, EC) 301000 75.8 K-39 n, p Ar-39 β- 269 93.3 Ca-40 n, γ Ca-41 EC 103000 96.9 Fe-54 n, p Mn-54 EC, γ 0.86 5.9 Mn-55 n,2n Mn-54 EC, γ 0.86 100

Fe-54 n, γ Fe-55 EC, X 2.7 5.9

Ni-58 n, γ Ni-59 EC, X 76000 68.3

Ni-62 n, γ Ni-63 β- 100 3.6

Co-59 n, γ Co-60 β-, γ 5.3 100

Zn-64 n, γ Zn-65 EC, β+ 0.67 48.6

Zr-92 n, γ Zr-93 β- 1500000 17.1

Mo-92 n, γ Mo-93 EC, X 3500 14.8

Nb-93 n, γ Nb-93m IT, X 15.8 100

Nb-93 n, γ Nb-94 β-, γ 20000 100

Mo-94 n, p Nb-94 β-, γ 20000 9.3

Mo-98 n, γ Tc-99 β- 213000 24.1

Ag-107 n, γ Ag-108m EC, γ 130 51.8

Ag-109 n, γ Ag-110m β-, γ 0.68 48.2

Sn-124 n, γ Sb-125 β-, γ 2.76 5.8

Ba-132 n, γ Ba-133 EC, X, γ 10.5 0.1

Eu-151 n, γ Eu-152 EC, X, β-, γ 13.5 47.8

Eu-153 n, γ Eu-154 β-, γ, X 8.6 52.2

Eu-154 n, γ Eu-155 β-, γ, X 4.76 0

Surabaya, 25 Pebruari 2012

C - 66

Tabel 2. Prinsip komposisi elemen [IAEA, 2002]

Bahan penyusun Elemen Konsentrasi (ppm)

Graphite Lithium 0,1 Carbon 106 Nitrogen 4 Chlorine 4,3 Calcium 41 Iron 4,3 Cobalt 0,012 Nickel 3,65 Niobium 1 Silver 0,01 Tin 0,05 Barium 1 Samarium 0,02 Europium 6 x 10-4 Mercury 0,04 Uranium 0,1

Tabel 3. Berat dari bahan radioaktif pada GCR (G2 or G3) [Daryoko, M., and Saryati, 2007]

Zone Principal materials Weight (t)

Reactor block Graphite 1180

Steel 1450

Concrete 1050

Cooling circuit steel 2000

Tabel 4. Inventarisasi radionuklida pada reactor tipe Edf GCR (St. Laurent-2) [Daryoko,M., and Saryati, 2007]

Components Radioactivity (Bq)

Reactor pressure vessel (steel) 8.3 E+15

Internal Structures (steel) 4.5 E+16

Moderator (graphite) 4.4 E+14

Reflector (graphite) 1.5 E+14

Biological shield 2.2 E+13

Total 4.4 E+16

Assumptions : 355 MW (th), 26 years of irradiation, 5 years after shutdown

3. Prosentase dari abundance of parent nuclides in parent element Berdasarkan asumsi-asumsi dan data-data di atas, yang pertama bisa diketahui adalah prosentase radionuklida-radionuklida pada komponen graphite thermal column, yakni H-3 18%, C-14 45,1%, Cl-35 dan Ca-40

mendekati 0%, Fe-55 1,2%, Co-60 0,5%, Ni-59 20,3% dan Ni-63 4,9%.

Pada Tabel 3 menunjukkan data berat graphite thermal column pada reaktor EdF GCR (daya reaktor 355 MW, 10 EFPY) adalah 1180 ton, waktu setelah shut down adalah 5 tahun dan aktivitasnya (Tabel 4)

Surabaya, 25 Pebruari 2012

C - 67

adalah 4,4 x 1014 Bq. Data reaktor Kartini daya 0,25 MW, EFPY 0,28 dan berat graphite thermal columnnya 4,806 ton dan waktu setelah shut down 5 tahun, maka aktivitas radionuklida pada komponen graphite thermal column adalah:

H-3 = 4,8/1180 x 18% x 0,25/355 x 0,28/10 x 5/5 x 4,4.1014 Bq = 6,35 x 106 Bq C-14 = 4,8/1180 x 26,1% x 0,25/355 x 0,28/10 x 5/5 x 4,4.1014 Bq = 9,21 x 106 Bq C-14 = 4,8/1180 x 19,0% x 0,25/355 x 0,28/10 x 5/5 x 4,4.1014 Bq = 6,70 x 106 Bq Fe-55 = 4,8/1180 x 1,2% x 0,25/355 x 0,28/10 x 5/5 x 4,4.1014 Bq = 4,23 x 105 Bq Co-60 = 4,8/1180 x 0,5 % x 0,25/355 x 0,28/10 x 5/5 x 4,4.1014 Bq = 9,31 x 104 Bq Ni-59 = 4,8/1180 x 30,3% x 0,25/355 x 0,28/10 x 5/5 x 4,4.1014 Bq = 1,07 x 107 Bq Ni-63 = 4,8/1180 x 4,9% x 0,25/355 x 0,28/10 x 5/5 x 4,4.1014 Bq = 1,73 x 106 Bq Berikutnya pada Gambar 2 bisa dilihat aktivitas masing-masing radionuklida setelah shut down. Pada Gambar 2 bisa dilihat bahwa pada penyimpanan sampai 10 tahun, radionuklida yang dominan adalah H-3, Fe-55 dan Co-60. H-3 masih dominan sampai penyimpanan 50 tahun.

Gambar 2. Peluruhan radionuklida pada graphite thermal column setelah shut down

Dari aktivitas-aktivitas radionuklida maka jumlah aktivitas keseluruhan adalah 3,51x107Bq atau aktivitas jenisnya adalah 7,30 Bq/g. Ini berarti bahwa limbah radioaktif graphite thermal column tersebut termasuk limbah aktivitas rendah, dan jumlahnya kurang lebih 4,8 ton.

KESIMPULAN

Kandungan radionuklida yang terkandung di dalam graphite thermal column reaktor Kartini, Yogyakarta, setelah 5 tahun shut down adalah H-3, C-14, Fe-55,

Co-60, Ni-59 dan Ni-63, dengan aktivitas masing-masing adalah 6,35x106 Bq; 1,59x107 Bq; 4,33x105 Bq; 9,31x104 Bq; 1,07x107Bq; dan 1,73x106 Bq. Pada penyimpanan sampai 30 tahun, radionuklida yang dominan adalah Fe-55 dan Co-60 dan Ba-133. Co-60 dan Ba-133 masih dominan sampai penyimpanan 50 tahun. Limbah radioaktif graphite thermal column tersebut termasuk limbah aktivitas rendah yang aktivitasnya kurang lebih 7,32 Bq/g dan jumlahnya kurang lebih 4,8 ton.

1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08 1.00E+09 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 A kt iv it as , B q

Tahun setelah shut down, Tahun

H-3 C-14 Fe-55 Co-60 Ni-59 Ni-63

Surabaya, 25 Pebruari 2012

C - 68

DAFTAR PUSTAKA

Daryoko, M., and Saryati (2007). Radiological Characterization analysis of Graphite Reflector for Waste Management Policy, IICCS, MIPA, UGM.

Daryoko, M., and Gunandjar (2003). Inventarisasi Radionuklida dalam Komponen Nuklir, Jurnal Teknologi Pengolahan Limbah, ISSN 1410-9565, Volume 6 Nomor 1, Jakarta.

International Atomic Energy Agency (2002). Radiological Characterization of Shut Down Nuclear Reactor for Decommissioning Purposes, IAEA-TRS No. 389, Vienna.

International Atomic Energy Agency (2002). Radiological Characterization of Shut Down Nuclear Reactor for Decommissioning Purposes, IAEA-TRS No. 389,Vienna.