Simulasi Fenomena LOCA di Teras Reaktor Melalui Pemodelan Eksperimental. (II). Rancang Bangun Untai Uji Termohidraulika BETA

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V. ISSN No.: 1410-0533

Serpong. 28 Juni 2000 - ..

ID0200253 Simulasi Fenomena LOCA di Teras Reaktor Melalui Pemodelan

Eksperimental. (II). Rancang Bangun Untai Uji Termohidraulika BETA

Oleh : Khairul H. Anhar R. A, Dedy H, Joko P, Ismu Handoyo, Edy Surname-

A B S T R A K

SIMULASI FENOMENA LOCA DI TERAS REAKTOR MELALUI PEMODELAN EKSPERIMENTAL. (II). RANCANG BANGUN UNTAI UJI TERMOHIDRAULIKA BETA. Untuk memahami karakteristik termohidraulika proses pembasahan kembali (rewetting) saat teras rektor nuklir mengalami penggenangan kembali (reflooding), telah dilakukan rancang bangun Untai Uji

Termohidraulika BETA. Pada makalah ini akan ditunjukkan hasil fabrikasi herucz dokumentasi foto-foto instalasi lengkap dan komponen utama Untai Uji BETA yang terdiri dari: kanal uji yang memuat bundel uji, pemanas mula, pompa sirkulasi, dan penukar panas untuk membuang panas ke sistem sekunder. Kanal uji dibuat transparan oar/ kwarsa untuk memudahkan visualisasi menggunakan kamera video. Bundel uji terdiri dari satu sampai empat batang pemanas dengan daya panas total 8 kW. Sistem perpipaan aigunakan tabung SS 316 dengan ukuran ³A inc. Penukar kalor merupakan jenis lawan arah kapasitas 70 kW, luas permukaan 2,06 m.³ Pompa sirkulasi merupakan pompa sentrifugal yang laju alirnya dapat divariasikan hingga 50 li/menit. Pemanas mula mempunyai daya maksimum 50 kW.

ABSTRACT

SIMULATION OF LOCA PHENOMENA IN REACTOR CORE THROUGH EXPERIMENTAL MODELISATION (1) THE FFABRICATION OF BETA THERMOHYDROULICA TEST LOOP. To simulate the thermohydraulic charasteristics of rewetting process of a nuclear core reactor during reflooding following lost of coolant accident, the fabrication of BETA Thermohydraulic Test Loop had been coducted. The documentation of complete installation and the main component of the BETA Test Loop will be shown in this paper. The main components of the loop are the test section containing the test bundle, pre-heater, circulation pump, and the heat exchangpi for heat sink to the secondary system The loop is designed for pressure of 10 bar and temperature of 180 0 C. The Test Section is made by transparance material, i.e. quarts, for facility visualisation by video camera. The Test Bundle is composed by one to four heated rods with a total thermal power of 8 kW. The piping system is made by SS 316 tube of V*' diameter.

The heat exchanger is counter flow type, the capacity of 70 kW with the surface of 2.06m². The circulation pump is a centrifugal pump type with the variable flow rate up to 50 It/minute. The pre-heater has a maximum power of 50 kW.

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000

ISSN No. : 1410-0533 P2TKN-BATAN

P E N D A H U L U A N

Untuk menjamin tingkat keamanan, operasi, seburah P L T N biasanya m e n e r a p k a n konsep k e a m a n a n yang sangat andal. Untuk tujuan tersebut, berbagai postulasi y a n g akan menyebabkan ketidakamanan mulai dari tingkat operasi yang a b n o r m a l , pencegahan terjadinya kecelakaan hingga penanggulangan akibat kecelakaan telah mulai diujikan pada tingkat p e r a n c a n g a n . Konsep k e a m a n a n d e n g a n melengkapi pencegahan pelepasan zat radioaktif ke lingkungan pada berbagai tingkatan, kungkungan materi fisi secara fisik y a n g berlapis {multiple barriers) dan pengendalian keamanan alami dari teras merupakan persyaratan baku bagi sebuah P L T N yang modern. Pengelolaan kecelakaan yang m e m b e r i k a n gambaran jenis kecelakaan pada PLTN serta cara mengatasinya perlu diidentifikasi dari sejak konsep awal.

Dari aspek termohidraulika, kondisi kecelakaan kehilangan air pendingin primer merupakan topik penelitian yang penting mengingat bahwa kondisi tersebut termasuk kondisi k e c e l a k a a n terparah yang dipostulasikan. F e n o m e n a transien selama kecelakaan kehilangan air pendingin sangat kompleks yang dipengaruhi oleh banyak parameter seperti luas, letak dan arah kebocoran, kondisi operasi ataupun perilaku sistem keselamatannya.

Teras reaktor yang mengalami kekeringan akibat kecelakaan kehilangan pendingin kemudian dialiri air kembali (refiooding) oleh sistem injeksi keselamatan, m e r u p a k a n salah satu kejadian yang dipostulasikan dalam sistem keselamatan suatu P L T N jenis air t e k a n . Integritas teras dan ketahanan selongsong bahan bakar merupakan sasaran u t a m a y a n g diamankan dalam sistem tersebut, sehingga p e m a h a m a n aspek termohidraulika menjadi sangat penting. Usaha p e m a h a m a n secara rinci dari gejala y a n g terlibat dalam proses tersebut telah dirintis oleh beoerapa peneliti [1], akan tetapi dilandasi oleh ketersediaan informasi untuk masalah ini yang m a s i h terbatas, akan dilakukan eksperimen lain dengan disain eksperimen yang b e r b e d a . Karya tulis ini akan menguraikan salah satu bagian penelitian tentang refiooding yaitu : tahapan penyelesaian rancang bangun Untai Uji Termohidraulika BETA. Perhitungan Dasar Disain Untai BETA telah diberikan sebelumnya [2].

Prosiding Presentasi Ilmiah rekrologl Keselamatan Nuklir-V ISSN No.: 1410-0533

Serpong. 2 8 Juni 2000 P2TKNSATAN

T E O R I

P e r p i n d a h a n P a n a s p a d a B u n d e l Uji

Bundel uji merupakan sumber panas dari Untai Uji Termohidraulika "Beta' untuk mensimulasikan bahan bakar. Perhitungan daya bundel uji dapat diperoleh m e n g g u n a k a n teori kalor yang diterima sama dengan kalor yang diserap.

Q = m . C p . A t .

Proses perpindahan kalor dari batang pemanas ke air pendingin terjadi secara konduksi dan konveksi. Secara matematis laju kalor konduksi dapat ditulis sebagai berikut:

qk = k.A. d T / d r ( 1 )

Persamaan diatas dapat diturunkan untuk memperoleh nilai beda temperatur permukaan dalam dan luar bidang pemanas ,yaitu :

• T = Tj - T⁰. CL" ( R o2- R2) + CL" R² In R, (2)

4 k 2 k R0

dimana :

q^k = laju kalor Konduksi

A = luas penampang perpindahan kalor dT/dr = gradien temperatur arah radial R „ = jari-jari luar pemanas

R, = jari-jari dalam pemanas T0 = temperatur luar pemanas

T| = temperatur dalam pemanas * k = koefisien perpindahan kalor konduksi

q" = fluks kalor yang dibangkitakan batang pemanas

Proses perpindahan kalor konveksi merupakan proses transport energi d e n g a n kerja gabungan antara konduksi kalor, penyimpanan energi dan g e r a k a n m e n c a m p u r . Laju perpindahan kalor secara konveksi antara suatu p e r m u k a a n d e n g a n fluida dapat ditentukan dengan hubungan sebagai b e r i k u t :

qc = hc. A . A T (3)

dimana :

qc = laju perpindahan kalor A = luas perpindahan kalor

h^c = koefisien perpindahan kalor konveksi

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V- Serpong, 28 Juni 2000

ISSN NO. : U10-0533 P2TKN-8ATAN

AT = beda temperatur permukaan dan temperatur fluida

Harga h^c ditentukan oleh beberapa faktor pengoperasian (geometri kanal, laju alir pendingin, tlux panas, suhu sistem) dan sifat-sifat fisika (kekentalan, panas jenis, konduktivitas termal). Di dalam praktek harga hc diberikan oleh bilangan tak berdimensi yang mencakup konduktivitas termal fluida dan diameter ekivalen saluran. Bilangan tak berdimensi tersebut (bilangan Nusselt, Nu) dapat dinyatakan dengan bilangan tak berdimensi lain yaitu bilangan Reynold (Re) d a n bilangan Prandtl (Pr), sehingga :

N u = f ( R e , P r ) . . . ( 4 ) Untuk aliran air sejajar bundel bahan bakar (silindris) korelasi diberikan

oleh Weisman [3]:

N u = C . R e0 B. P r0 3 (5)

dengan :

C = 0 , 0 2 4 P/D - 0 , 0 2 4 (6) (konfigurasi segi empat)

N u = h.De'k (7)

Re = __e-_0__.. (8)

M-

Pr = C^ji = v / a k

dimana :

D . = diameter ekivalen saluran Cp = panas jenis

U = viskositas dinamik v = viskositas kinema'tik a = difusivitas termal

k = konduktivitas termal fluida

P E R P I N D A H A N K A L O R P A D A P E N U K A R K A L O R

Penukar kalor dipergunakan untuk m e m b u a n g kalor yang berasal dari sistem primer ke sistem sekunder. Untuk melakukan perhitungan koefisien perpindahan kalor, terlebih dahulu dihitung harga U dengan menggunakan metoda LMTD (Log Mean Temperature Difference). Laju perpindahan kalor diberikan oleh persamaan sebagai b e r i k u t :

q = U A (T panas - T dingin)

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000

ISSN No. : 1410-0533 P2TKN-BA TAN

Kalor yang diterima dan dilepas per satuan waktu adal3h : q = m^p. c^{p p} ( T^{p m} - T^{p k}) = m^s. C^{p s} ( T^{5 k} - T^SJ

Untuk alat penukar panas jenis shell and tube dengan aliran banyak laluan atau aliran fluida silang persamaan perpindahan panas diberikan oleh : q = U . A . F . Tm

dimana :

U = koefisien perpindahan kalor global A = luas permukaan perpindahan kalor F = faktor koreksi untuk aliran banyak laluan T^m = L M T D (beda temperatur rata-rata logaritmik) indeks : p=primer, m=masuk, k=keluar, s=sekunder

Dengan mengetahui harga q A , F dan T^m dapat dihitung harga U total.

Harga U total dapat juga dihitung dengan cara mencari harga koefisiens perpindahan kalor masing-masing medium dalam penukar kalor, sbb:

h

^cp

A

ⁱ

ht hcs

d i m a n a :

hcp = Koefisien perpindahan kalor konveksi sisi primer h c = Koefisien perpindahan kalor konveksi sisi sekunder Untuk sisi primer dan sekunder berlaku :

Nu = bilangan Nusselt = h ^ De/k A , = Luas permukaan luar tabung A = Luas permukaan dalam tabung

Untuk sisi primer (saluran dalam tabung bundar) berlaku persamaan Ditus-Boelter sebagai b e r i k u t :

Nu = 0.023 Re 0 8 P r0 3

Untuk sisi sekunder (aliran melintang tabung silindris /tegak lurus) bedaki k o r e l a s i : Nu = 0,33 C F ( Gm D / p )0 6 P rw

dimana :

Nu = bilangan Nusselt yang didasarkan pada diameter luar tabung.

G^m = kecepatan massa pada p e n a m p a n g terkecil

F = faktor y a n g berharga 1 unuk barisan 10 tabung atau lebih

C = koefisien empiris yang biasanya diambil 1 untuk 1,25 < P/D < 1,25

jsiaing Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nukllr-V"

ierpong, 21 Juni 2000

/ S S N No.: 14100533 P2TKN-BATAN

T A T A K E R J A

Setelah perhitungan disain diselesaikan, tahapan fabrikasi telah dapat dilakukan. Bahan dan spesifikasi masing-masing komponen dibeli sesuai dengan yang telah ditetapkan dalam perhitungan disain.

Pada saat fabrikasi, secara paralel dirancang diagram alir proses dan data letak setiap komponen utama. Dalam hal ini kondisi lapangan (terutama luas dan ketersediaan sumber pendingin) menjadi bahan perhitungan penting.

Setelah semua komponen siap, dilakukan instalasi dengan cara kerja sebagai berikut:

• Membuat kerangka instalasi Beta lengkap dengan penyangga.

• Pemasangan Budel Uji. Pada pemasangan bundel uji yang pertama dilakukan adalah menentukan letak (koordinat tiga dimensi) bundel uji, kemudian memasang flanges atas dan bawah bundel uji, kemudian diatur sesuai penyangga (support).

• Memasang pre heater.Pada bagian bawah pre-heater dilapisi isolator berupa packing yang berfungsi sebagai isolator panas maupun isolator listrik (supaya tidak ada kebocoran arus listrik ke rangka). Pre-heater ini diberi klem dan dimungkinkan untuk memudahkan dalam perawatan pre- heater.

• Memasang Pompa sirkulasi. Pada bagian bawah pompa ini diberi penyangga dan packing yang disesuaikan dengan letak pre-heater dan perpipaannya.

• Memasang tangki reservoir. Lubang masukan dan keluaran tangki ini disesuaikan juga dengan letak pompa dan supiai air masukan.

• Memasang Penukar kalor. Pada pemasangan penukar kalor disesuaikan dengan Bundel uji.

• Memasang sistem perpipaan yaitu. Perpipaan mulai dari penukar kalor- bundel uji-preheater- pompa sirkulasi-tangki reservoir.

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000

ISSN No. : U10-0533 P2TKN-BATAN

HASIL D A N P E M B A H A S A N

Hasil y a r g diperoleh adalah berupa fabrikasi Untai Uji Termohidraulika BETA

G a m b a r lengkap Untai Uji Termohidraulika BETA ditampilkan pada gambar 1 a b e r i k u t .

G a m b a r . l a . Untai Uji Termohidraulika BETA.

G a m b a r 1b. Foto Untai Uji Termohidraulika Beta K o m p o n e n utama untai uji BETA.

Presiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nukllr-V Serpong, 28 Juni 2000

ISSN No.: 1410-0533 P2TKN-BATAN

1 . B u n d e l Uji

Bundel Uji terdiri atas: satu sampai empat batang p e m a n a s , tabung kwarsa dan fiens penutup bagian atas dan b a w a h . Kwarsa dipilili karena transparan sehingga m e m u n g k i n k a n dilakukannya visualisasi f e n o m e n a , serta m a m p u menahan tekanan d a n temperatur disain, yaitu 10 bar dan 180°C. Dimensi kwarsa adalah diameter luar 50 m m , panjang 950 m m dan tebal sekitar 2 m m . Flens penutup bagian atas d a n bawah semuanya terbuat dari stainless steel.

G a m b a r 3 memperlihatkan potongan Bagian Uji.

Batang p e m a n a s , tergantung pada konfigurasi, berjumlah satu s a m p a i dengan empat b u a h . Apabila dipergunakan satu buah, batang pemanasa diletakan ditengah bagian uji. Komfigurasi sederhana ini dipergunakan untuk mempelajari lenomena dasar reweeting pada permukaan silinder.

Jika dikendaki mempelajari reweeting pada sebuah bundel bahan bakar, dipakai empat buah batang p e m a n a s .

Ada dua konfigurasi y a n g dapat dipelajari disini dengari dua jarak batang pemanas yang b e r b e d a , yaitu: 18 m m dan 28,3 m m .

Batang p e m a n a s tersusun atas lilitan kawat pemanas dan kelongsong (lihat gambar4). K a w a t p s m a n a s dipakai supercantal (Fe 7 0 % , Cr 2 5 % - A I 5%) diameter 0,6 m m . Besar t a h a n a n lilitan dalam satu batang pemanas adalah 27 O h m , sehingga daya masing-masing pemanas sekitar 1,7 kW.Diameter gulungan sekitar 8 m m . Lilitan ini d i m a s u k a n ke dalam kelongsong yang terbuat dari stainless sleel (seamless) dengan diameter luar 9,5 mm. Setiap pemanas dilengkapi dengan dua buah termokopel tipe K y a n g menempel dari bagian dalam. Untuk m e n g u k u r tempelatur fluida, Bagian Uji dilengkapi dengan termokopel yang dipasang pada sebuah tabung stainless steel. Lampiran menunjukan detil batang pemanas.

Gambar 5 memperlihatkan posisi bagian uji. G a m b a r 6 adalah foto batang pemanas. G a m b a r 7 adalah salah satu konfigurasi model bundel uji.

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong. 28 Juni 2000

ISSN No. : U10-0533 P2TKN-BATAN

G a m b a r 3. Bundel Uji

Temui opt 1 Tntnp Kelon(MDf Itlonponj

G a m b a r 4. Batang u j i .

G a m b a r 5. Foto Bagian Uji.

r residing Presentasi linilah Teknolngl Keselamatan Nuklir-V Serpong. 28 Juni 2000

ISSN No.: 1410-0533 P2TKN-BATAN

G a m b a r 6. F o t o B a t a n g U j i

«7.6 IH 13!

PENAMPANG LINTANG BENDA UJI

G a m b a r 2 e . P e n a m p a n g l i n t a n g B u n d e l U j i

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nukllr-V Serpong, 28 Juni 2000

ISi>N No. ; M ( 0 - 0 6 1 3 P2TKN-BATAN

2. Pre-heater

Pemanas mula mempunyai sepuluh pemanas listrik, masing-masing berkapasitas sekitar 4,5 k W ditempatkan sedemikian rupa sehingga diharapkan temperatur fluida yang diperoleh akan s e r a g a m . Pre-heater dimaksudkan untuk mengkondisikan tempelatur fluida masuk ke Bagian Uji

Foto hasil fabrikasi pre heater ditunjukkan pada gambar 8 berikut •

G a m b a r 3. Foto pre-heater.

3. Penukar kalor

Penukar kalor berfungsi sebagai pendingin air Penukar kalor merupakan jenis spiral dengan kapasitas 70 kW, luas permukaan 2,06 m². Air panas mengalir dalam tabung ukuran 1 inehi yang di buat melingkar (bentuk spiral). Sementara itu, air pendingin mengalir di luar tabung dalam sebuah tangki berdiameter 500 m m dari bagian bawah keluar di bagian atas. Foto hasil fabrikasi Penukar kalor ditunjukkan paaa gambar 9 b e r i k u t :

G a m b a r 3. Foto Penukar Kalor.

••siding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nukllr-V gerpong, 26 Juni 2000

ISSN No.: 1410-0533 P2TKN-BATAN

K E S I M P U L A N

c Fabrikasi tiap-tiap komponen Untai Uji Termohidraulika BETA telah dilakukan, yaitu: kerangka instalasi, bundel uji, pre-heater, tangki reservoar dan penukar kalor

• Komponen utama dan sistem perpipaan telah dipasang, sehingga Untai Uji Termohidraulika siap digunakan.

D A F T A R P U S T A K A

1. Muhadi Ayub Wasito, "Studi Eksperimental Proses Quenching Berkas Pipa Panas Sebagai Pemodelan Refiooding Teras Reaktor Nuklir, Mesin Vol XII No 1, B a n d u n g , 1 9 9 5 .

2. Khirul H dkk. "Simulasi Fenomena Loca di Teras Reaktor Melalui Pemodelan Eksperimental. (I). Perhitungan Dasar Desain Untai Uji Termohidraulika BETA", P2TKN-Serpong, 1998

3. El Wakil, "Nuclear Heat Transport", USA, 1987

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V.

Serpong, 28 Juni 1000

ISSN No. : U10-0S33 P2TKN-BATAN

C A M B A K I . D I M E N S I P E M A N A S

2. P o s i s i t e r m o K o p e l p a d a k e l o n g s o n g

C A . M H A R L P O S I S I 1 fcRMOKOrRI. I ' A I I A K t L O N C S O S G

3. T u t u p k e l o n g s o n g

GAMBAR i. TliTUP KtLONGSONC

4. D u d u k a n t e r m o k o p e l p a d a d i n d i n g d a l a m k e l o n g s o n g

ttii r*» 'i lummftf I M n « ItaN

A C

U "

G A M B A R 4 . D U D U K A N T E K M O K O P I I L P A D A D I N D I N G D A L A M K E I X > N « S O N # : ;