BAB IV DATA DAN ANALISIS HASIL PERHITUNGAN DESAIN HTTR

(1)

-36-

BAB IV

DATA DAN ANALISIS

HASIL PERHITUNGAN DESAIN HTTR

4.1 Parameter Desain Teras Reaktor

4.1.1 Komposisi bahan bakar pada teras reaktor

Dalam pendesainan reaktor ini pertama kali dilakukan perhitungan densitas untuk masing-masing nuklida dari komposisi material teras reaktor, meliputi komposisi kompak bahan bakar (kernel, lapisan mantel partikel bahan bakar, matrik), homogenisasi kompak bahan bakar, racun dapat bakar, komposisi batang bahan bakar (graphite sleeve), blok hexagonal bahan bakar, blok perisai dapat ganti, blok grafit bahan bakar (dummy block) dan permanent reflector, serta blok pandu batang kendali.

Tabel 4.1.1 Kerapatan Atom Pada Kompak Bahan Bakar Kernel Uranium (3.4%-9.9% ) Satuan: (n/cm/barn)

Pengayaan Uranium

Nuklida 3.4(wt%) 3.9(wt%) 4.3(wt%) 4.8(wt%) 5.2(wt%) 5.9(wt%)

235U 8.2367E-4 9.5638E-4 1.6429E-3 1.3627E-3 1.4522E-3 1.6357E-3

238U 2.3280E-2 2.3038E-2 2.3008E-2 2.2834E-2 2.2750E-2 2.2586E-2 Kernel

O 4.8168E-2 4.7948E-2 4.8102E-2 4.7993E-2 4.8004E-2 4.8044E-2

Pengayaan Uranium

235U 1.7149E-3 1.8163E-3 1.9460E-3 2.1085E-3 2.4773E-3 2.5912E-3

238U 2.2455E-2 2.2325E-2 2.2291E-2 2.2246E-2 2.1812E-2 2.1740E-2 Kernel

O 4.7939E-2 4.7883E-2 4.8073E-2 4.8309E-2 4.8179E-2 4.8262E-2

Tabel 4.1.2 Kerapatan Atom Pada Kompak Bahan Bakar Kernel Uranium (3%-12%) Satuan: (n/cm/barn)

Pengayaan Uranium

Nuklida 3.0 (wt%) 3.5(wt%) 4.0 (wt%) 4.5(wt%) 5.0(wt%) 5.5(wt%)

235U 6.2321E-4 7.2707E-4 8.3093E-4 9.3479E-4 1.0386E-3 1.1425E-3

238U 1.9896E-2 1.9794E-2 1.9691E-2 1.9588E-2 1.9485E-2 1.9383E-2 Kernel

O 3.6174E-2 3.6175E-2 3.6177E-2 3.6179E-2 3.6181E-2 3.6182E-2

(2)

Pengayaan Uranium Nuklida 6.0(wt%) 6.5(wt%) 7.0(wt%) 7.5(wt%) 8.0(wt%) 9.0(wt%)

235U 1.2464E-3 1.3502E-3 1.4541E-3 1.5579E-3 1.6618E-3 1.8694E-3

238U 1.9280E-2 1.9177E-2 1.9075E-2 1.8972E-2 1.8869E-2 1.8664E-2 Kernel

O 3.6184E-2 3.6186E-2 3.6188E-2 3.6189E-2 3.6191E-2 3.6195E-2

Pengayaan Uranium

Nuklida 10.0(wt%) 11.0(wt%) 12.0(wt%)

235U 2.0771E-3 2.2848E-3 2.4925E-3

238U 1.8459E-2 1.8253E-2 1.8048E-2 Kernel

O 3.6198E-2 3.6202E-2 3.6205E-2

Tabel 4.1.3 Kerapatan Atom Pada Kompak Bahan Bakar Kernel Thorium (3%-12%) Satuan: (n/cm/barn)

Pengayaan Thorium

Nuklida 3.0 (wt%) 3.5(wt%) 4.0 (wt%) 4.5(wt%) 5.0(wt%) 5.5(wt%) U-233 6.0411E-4 7.0480E-4 8.0549E-4 9.0618E-4 1.0069E-3 1.1076E-3 Th-232 1.9617E-2 1.9516E-2 1.9415E-2 1.9314E-2 1.9213E-2 1.9112E-2 Kernel

O₂ 4.0443E-2 4.0442E-2 4.0441E-2 4.0440E-2 4.0439E-2 4.0439E-2

Pengayaan Thorium

Nuklida 6.0(wt%) 6.5(wt%) 7.0(wt%) 7.5(wt%) 8.0(wt%) 9.0(wt%) U-233 1.2082E-3 1.3089E-3 1.4096E-3 1.5103E-3 1.6110E-3 1.8124E-3 Th-232 1.9011E-2 1.8910E-2 1.8809E-2 1.8708E-2 1.8606E-2 1.8404E-2 Kernel

O2 4.0438E-2 4.0437E-2 4.0436E-2 4.0436E-2 4.0435E-2 4.0433E-2

Pengayaan Thorium

Nuklida 10.0(wt%) 11.0(wt%) 12.0(wt%)

235U 2.0138E-3 2.2152E-3 2.4166E-3

238U 1.8202E-2 1.8000E-2 1.7798E-2 Kernel

O 4.0432E-2 4.0430E-2 4.0429E-2

Tabel 4.2.1 Kerapatan Atom Pada Homogenisasi Kompak Bahan Bakar Uranium (3.4%-9.9%) Satuan: (n/cm/barn)

Pengayaan Uranium

235U 6.6509E-5 7.6887E-5 8.5358E-5 9.5663E-5 1.2049E-4 1.3448E-4

238U 1.8659E-3 1.8396E-3 1.8362E-3 1.8366E-3 1.8229E-3 1.7983E-3 O 3.8607E-3 3.8291E-3 3.8392E-3 3.8605E-3 3.8468E-3 3.8255E-3

Pengayaan Uranium

235U 1.4041E-4 1.4899E-4 1.5793E-4 1.7296E-4 1.9780E-4 2.0843E-4

238U 1.7822E-3 1.7790E-3 1.7583E-3 1.7771E-3 1.7004E-3 1.7105E-3 O 3.8052E-3 3.8159E-3 3.7924E-3 3.8596E-3 3.7564E-3 3.7979E-3

(3)

Tabel 4.2.2 Kerapatan Atom Pada Homogenisasi Kompak Bahan Bakar Uranium (3%-12%) Satuan: (n/cm/barn)

Pengayaan Uranium

Nuklida 3.0 (wt%) 3.5(wt%) 4.0 (wt%) 4.5(wt%) 5.0(wt%) 5.5(wt%)

235U

1.5722E-4 1.8342E-4 2.0962E-4 2.3582E-4 2.6202E-4 2.8822E-4

238U

5.0193E-3 4.9934E-3 4.9675E-3 4.9415E-3 4.9156E-3 4.8897E-3 Kernel

O 9.1255E-3 9.1260E-3 9.1264E-3 9.1269E-3 9.1273E-3 9.1278E-3

Pengayaan Uranium

235U

3.1442E-4 3.4062E-4 3.6682E-4 3.9302E-4 4.1921E-4 4.7161E-4

238U

4.8638E-3 4.8379E-3 4.8120E-3 4.7861E-3 4.7602E-3 4.7084E-3 Kernel

O 9.1282E-3 9.1287E-3 9.1291E-3 9.1295E-3 9.1300E-3 9.1309E-3

Pengayaan Uranium

Nuklida 10.0(wt%) 11.0(wt%) 12.0(wt%)

235U

5.2400E-4 5.7639E-4 6.2878E-4

238U

4.6566E-3 4.6048E-3 4.5529E-3 Kernel

O 9.1318E-3 9.1327E-3 9.1335E-3

Tabel 4.2.3 Kerapatan Atom Pada Homogenisasi Kompak Bahan Bakar Thorium (3%-12%) Satuan: (n/cm/barn)

Pengayaan Thorium

Nuklida 3.0 (wt%) 3.5(wt%) 4.0 (wt%) 4.5(wt%) 5.0(wt%) 5.5(wt%) U-233 1.5240E-4 1.7780E-4 2.0320E-4 2.2860E-4 2.5400E-4 2.7940E-4 Th-232 4.9488E-3 4.9234E-3 4.8979E-3 4.8724E-3 4.8469E-3 4.8214E-3 Kernel

O2 1.0202E-2 1.0202E-2 1.0202E-2 1.0202E-2 1.0202E-2 1.0202E-2

Pengayaan Thorium

Nuklida 6.0(wt%) 6.5(wt%) 7.0(wt%) 7.5(wt%) 8.0(wt%) 9.0(wt%) U-233 3.0481E-4 3.3021E-4 3.5561E-4 3.8101E-4 4.0641E-4 4.5722E-4 Th-232 4.7959E-3 4.7704E-3 4.7449E-3 4.7194E-3 4.6939E-3 4.6429E-3 Kernel

O2 1.0201E-2 1.0201E-2 1.0201E-2 1.0201E-2 1.0201E-2 1.0200E-2

Pengayaan Thorium

Nuklida 10.0(wt%) 11.0(wt%) 12.0(wt%)

235U

5.0802E-4 5.5882E-4 6.0963E-4

238U

4.5919E-3 4.5409E-3 4.4899E-3 Kernel

O 1.0200E-2 1.0199E-2 1.0199E-2

(4)

4.1.2 Pengaturan elemen bahan bakar, batang kendali dan racun dapat bakar

Pengaturan material di dalam teras reaktor memegang peranan penting.

Teras reaktor HTTR disusun oleh 15 macam pengayaan elemen bahan bakar masing-masing 3 wt% terendah dan yang tertinggi 12 wt%. Elemen bahan bakar diatur sedemikian rupa sehingga hasil perhitungan desain reaktor sesuai dengan yang diharapkan.

Keseluruhan komponen teras aktif tersusun secara silinder. Terlihat pada gambar 4.1, satu kolom dalam arah aksial tersusun dari 9 layer teras. Setiap kolom bahan bakar terdiri dari 2 blok perisai atas, 5 perangkat elemen bahan bakar, dan 2 blok perisai bawah. Dalam arah radial terbagi dalam 4 zona bahan bakar, zona pertama, kedua dan keempat terdiri dari masing-masing 6 kolom bahan bakar dan zona ketiga terdiri dari 12 kolom bahan bakar.

Elemen bahan bakar dengan pengayaan tertinggi ditempatkan pada bagian teratas dan terluar dari kolom bahan bakar pada teras reaktor untuk menghasilkan distribusi suhu yang merata. Pada tabel 4.9 di bawah dapat dilihat pengaturan elemen bahan bakar beserta tipe racun dapat bakar yang digunakannya.

(a) (b)

Gambar 4.1 Teras Dilihat Secara Radial (a) dan Aksial (b)

(5)

Table 4.3.1 Pengaturan Elemen Bakar Uranium dan Thorium (a)

No. Zona Bahan Bakar Posisi Blok Bahan

Bakar dari atas

1 2 3 4

1

Pengayaan Uranium (wt%) Jumlah Batang Bahan Bakar Tipe Racun Dapat Bakar

6.7 33 H-I

7.9 33 H-I

9.4 31 H-I

9.9 31 H-I 2

5.2 33 H-II

6.3 33 H-II

7.2 31 H-II

7.9 31 H-II 3

4.3 33 H-II

5.2 33 H-II

5.9 31 H-II

6.3 31 H-II 4

3.4 33 H-I

3.9 33 H-I

4.3 31 H-I

4.8 31 H-I 5

3.4 33 H-I

3.9 33 H-I

4.3 31 H-I

4.8 31 H-I No. Zona Bahan Bakar Posisi Blok Bahan

Bakar dari atas

1 2 3 4

1

Pengayaan Thorium (wt%) Jumlah Batang Bahan Bakar Tipe Racun Dapat Bakar

6.7 33 H-I

7.9 33 H-I

9.4 31 H-I

9.9 31 H-I 2

5.2 33 H-II

6.3 33 H-II

7.2 31 H-II

7.9 31 H-II 3

4.3 33 H-II

5.2 33 H-II

5.9 31 H-II

6.3 31 H-II 4

3.4 33 H-I

3.9 33 H-I

4.3 31 H-I

4.8 31 H-I 5

3.4 33 H-I

3.9 33 H-I

4.3 31 H-I

4.8 31 H-I

(6)

Table 4.3.2 Pengaturan Elemen Bakar Uranium dan Thorium (b) No. Zona Bahan Bakar Posisi Blok Bahan

Bakar dari atas

1 2 3 4

1

9 33 H-I

10 33 H-I

11 31 H-I

12 31 H-I 2

5.5 33 H-I

7 33 H-II

7.5 31 H-II

8 31 H-II 3

5 33 H-I

5.5 33 H-II

6 31 H-II

6.5 31 H-II 4

3 33 H-I

3.5 33 H-I

4 31 H-I

4.5 31 H-I 5

3 33 H-I

3.5 33 H-I

4 31 H-I

4.5 31 H-I No. Zona Bahan Bakar Posisi Blok Bahan

Bakar dari atas

1 2 3 4

1

9 33 H-I

10 33 H-I

11 31 H-I

12 31 H-I 2

5.5 33 H-I

7 33 H-II

7.5 31 H-II

8 31 H-II 3

5 33 H-I

5.5 33 H-II

6 31 H-II

6.5 31 H-II 4

3 33 H-I

3.5 33 H-I

4 31 H-I

4.5 31 H-I 5

3 33 H-I

3.5 33 H-I

4 31 H-I

4.5 31 H-I

(7)

4.1.3 Pembagian region dan mesh

Untuk mempermudah perhitungan parameter reaktor dan untuk mendekati keadaan real reaktor, maka dilakukan diskritisasi ruang geometri teras. Teras dibagi menjadi beberapa region. Region merupakan daerah-daerah pada teras reaktor yang memiliki karakteristik tertentu sesuai dengan material penyusunnya.

Pembagian region berdasarkan pada sistem koordinat yang digunakan dengan lebar yang bervariasi sesuai dengan pendesainan. Selanjutnya region-region tersebut dibagi menjadi beberapa mesh. Di dalam mesh inilah perhitungan parameter reaktor dilakukan, dengan tetap memperhitungkan keintegralan sistem.

Sistem koordinat yang digunakan adalah sistem koordinat silinder tiga dimensi θ- R – Z, pada tabel di bawah ini dapat dilihat pembagian region dan mesh pada teras reaktor.

Tabel 4.4 Pembagian Teras Reaktor Arah θ

Region 1 Region 2 Region 3 Region 4 Region 5 Region 6

∑

^Mesh 1 1 1 1 1 1

Sudut (rad) 0.1309 0.1309 0.0873 0.0436 0.2618 0.0436 Region 7 Region 8 Region 9 Region 10 Region 11 Region 12

∑

^Mesh 1 1 1 1 1 1

∑

^Mesh 1 1 1 1 1 1

∑

^Mesh 1 1 1 1 1 1

∑

^Mesh 1 1 1 1 1 1

∑

^Mesh 1 1 1 1 1 1

∑

^Mesh 1 1 1 1 1 1

Sudut (rad) 0.1309 0.1309 0.0873 0.0436 0.0436 0.0436

(8)

∑

^Mesh 1 1 1 1 1 1

∑

^Mesh 1 1 1 1 1 1

Sudut (rad) 0.0436 0.2618 0.0436 0.0873 0.1309 0.1309

Tabel 4.5.1 Pembagian Teras Reaktor Arah R (a)

∑

^Mesh 2 3 3 3 3 5

Radial (cm) 18.901 31.100 32.38000 32.58000 32.65 51.200 Tabel 4.5.2 Pembagian Teras Reaktor Arah R (b)

∑

^Mesh 2 3 3 3 3 5

Radial (cm) 28.901 41.100 42.38000 42.58000 42.65 61.200 Tabel 4.6.1 Pembagian Teras Reaktor Arah Z (a)

Region 1

Region 2

Region 3

Region 4

Region 5

Region 6

Region 7

∑

^Mesh 4 4 4 4 4 4 4

Aksial (cm) 116.0 58.00 58.00 58.000 58.00 58.00 116.0 Tabel 4.6.2 Pembagian Teras Reaktor Arah Z (b)

Region 1

Region 2

Region 3

Region 4

Region 5

Region 6

Region 7

∑

^Mesh 4 4 4 4 4 4 4

Aksial (cm) 126.0 68.00 68.00 68.000 68.00 68.00 126.0

4.2 Analisis Hasil Perhitungan Desain Teras Reaktor

4.2.1 Kekritisan pertama reaktor (HTTR - first criticality dan excess reactivity )

Pengisian bahan bakar pada teras, diawali dengan pengisian 18 kolom bahan bakar (thin annular core), 19 kolom bahan bakar, 20 kolom bahan bakar, 21 kolom bahan bakar dilanjutkan sampai 24 kolom bahan bakar (thick annular core) dan kemudian 30 kolom bahan bakar (fully-loaded core).

(9)

Gambar 4.2 Penomoran Pengisian Elemen Bahan Bakar

Dalam pengisian bahan bakar terdapat tiga (3) macam cara. Pertama, pengisian dimulai dari tepi reaktor (zona ke-4 dan ke-3) searah putaran jam kemudian ke bagian dalam teras reaktor (zona ke-2) sampai pada zona ke-1.

Kedua, sebaliknya dari bagian dalam teras reaktor (zona ke-1) searah putaran jam sampai ke tepi teras reaktor (zona ke-4 dan ke-3). Dan ketiga, dengan mengkombinasikan kedua cara di atas, dimulai dari tepi luar (zona ke-4 dan ke-3) terus langsung ke zona 1, dan terakhir baru diisi zona ke-2.

Pemilihan cara pengisian bahan bakar menentukan jumlah kolom bahan bakar yang menyebabkan kekritisan pertama. Pada perhitungan ini dipilih cara pengisian yang pertama karena berdasarkan referensi, cara pengisian ini menghasilkan peningkatan harga ekses reaktivitas yang smooth. Kolom bahan bakar yang belum terisi oleh bahan bakar pertama kali diisi oleh dummy block bahan bakar yang akan tergantikan semuanya ketika teras diisi 30 kolom bahan bakar. Demikian pula dengan kolom batang kendali ketika terangkat penuh hanya berisi selongsong batang kendali.

Perhitungan dilakukan untuk menentukan jumlah kolom bahan bakar yang menyebabkan kekritisan pertama (HTTR – First Criticality) dan juga untuk menentukan harga ekses reaktifitasnya (HTTR – Excess Reactivity) saat kekritisan pertama dicapai, dilanjutkan dengan perhitungan burn-up teras reaktor

(10)

untuk setiap kolom bahan bakar yang dihitung. Perhitungan dilakukan dengan assumsi keadaan batang kendali terangkat penuh (fully withdraw) dari teras reaktor serta tekanan helium pada 1 atm. Beberapa model teras reaktor setelah diisi bahan bakar seperti terlihat gambar 4.3 sampai gambar 4.5 dibawah ini.

Gambar 4.3 Penampang Horizontal Model Teras 18 Kolom Bahan Bakar

Gambar 4.4 Penampang Horizontal Model Teras 24 Kolom Bahan Bakar

(11)

Gambar 4.5 Penampang Horizontal Model Teras 30 Kolom Bahan Bakar HTTR adalah reaktor yang didesain sebagai reaktor termal yang kritis, maka faktor multiplikasi efektif haruslah lebih besar dari satu (k-eff >1) dan demikian seterusnya selama masa reaktor beroperasi. Keff > 1 terjadi ketika jumlah neutron pada suatu generasi lebih banyak dari jumlah neutron pada generasi sebelumnya. Neutron-neutron akan tercipta akibat dari reaksi fisi, dan akan bergerak di dalam reaktor hingga pada akhirnya berkurang atau musnah karena proses leakage, capture dan scattering yang menyebabkan turunnya harga k-eff. Proses ini akan berlangsung sesuai masa operasi reaktor yang telah ditentukan.

Parameter neutronik lain yang sangat terkait dengan faktor multiplikasi efektif adalah harga ekses reaktivitasnya. Harga ini menunjukan tingkat kereaktifan reaktor. Harga ekses reaktivitas yang negatif menunjukan bahwa reaktor dalam keadaan subkritis berarti jumlah neutron pada suatu generasi akan lebih sedikit dibandingkan dengan jumlah neutron pada generasi sebelumnya, dan reaksi fisi yang terjadi dalam reaktor akan tereduksi seiring dengan waktu.

Sedangkan untuk reaktivitas yang bernilai positif menunjukan bahwa reaktor

(12)

dalam keadaan superkritis berarti jumlah neutron pada suatu generasi lebih banyak dibandingkan dengan jumlah neutron pada generasi sebelumnya sehingga reaksi yang terjadi akan terus bertambah seiring dengan waktu. Semakin kecil nilai ekses reaktivitasnya (mendekati nol) semakin tinggi tingkat keselamatan reaktor dan hal inilah yang diharapkan.

4.2.2 Burn Up Teras HTTR

Untuk menganalisa keadaan teras reaktor selama masa beroperasi dilakukan perhitungan burn-up, dengan perioda burn-up selama 660 hari. Hasil perhitungan ditunjukan pada tabel 4.7 di bawah ini.

Hasil A

Tabel 4.7.1 Bahan Bakar Uranium dan Thorium (a)*

*(Versi Awal hanya diganti pendinginnya dengan Timbal-Bismut)

18 kolom bahan bakar Thorium 18 kolom bahan bakar Uranium No. Periode K-EFF Reaktifitas No. Tahun K-EFF Reaktifitas

1 0 0.8852616 -0.1296096 1 0 0.7871464 -0.2704117 2 1 0.8596211 -0.1633032 2 1 0.8166834 -0.2244647 3 2 0.8513385 -0.1746209 3 2 0.8115042 -0.2322795 4 3 0.8436120 -0.1853791 4 3 0.8062507 -0.240309 5 4 0.8359016 -0.1963131 5 4 0.8005410 -0.2491553 6 5 0.8278157 -0.2079984 6 5 0.7938360 -0.259706 7 6 0.8189146 -0.2211286 7 6 0.7855781 -0.2729479

24 kolom bahan bakar Thorium 24 kolom bahan bakar Uranium No. Periode K-EFF Reaktifitas No. Tahun K-EFF Reaktifitas

1 0 0.9846758 -0.0155627 1 0 0.8731105 -0.1453304 2 1 0.9560574 -0.0459623 2 1 0.9099801 -0.0989251 3 2 0.9472779 -0.0556564 3 2 0.9050470 -0.104915 4 3 0.9392258 -0.0647067 4 3 0.9000919 -0.1109977 5 4 0.9312419 -0.0738348 5 4 0.8945811 -0.1178416 6 5 0.9228109 -0.0836456 6 5 0.8877717 -0.1264157 7 6 0.9133521 -0.094868 7 6 0.8789273 -0.1377505

30 kolom bahan bakar Thorium 30 kolom bahan bakar Uranium No. Periode K-EFF Reaktifitas No. Tahun K-EFF Reaktifitas

1 0 1.0468790 0.0447798 1 0 0.9269850 -0.0787661 2 1 1.0159020 0.0156531 2 1 0.9697750 -0.031167 3 2 1.0068140 0.0067679 3 2 0.9653391 -0.0359054 4 3 0.9986520 -0.0013498 4 3 0.9609054 -0.0406852 5 4 0.9905593 -0.0095307 5 4 0.9556435 -0.0464153 6 5 0.9817811 -0.018557 6 5 0.9484515 -0.0543502 7 6 0.9715217 -0.0293131 7 6 0.9383626 -0.0656861

(13)

K-eff Bahan Bakar Thorium dan Uranium

0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1

0 1 2 3 4 5 6 7

Periode

K-eff

18 kolom Th-232 24 kolom Th-232 30 kolom Th-232 18 kolom U-235 24 kolom U-235 30 kolom U-235

Gambar 4.6 Grafik Faktor Multiplikasi Efektif Teras HTTR (kasus A)

Reaktivitas Bahan Bakar Thorium dan Uranium

-0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1

0 1 2 3 4 5 6 7

Periode

reaktivitas (% Δk/k)

18 kolom th-232 24 kolom Th-232 30 kolom Th-232 18 kolom U-235 24 kolom U-235 30 kolom U-235

Gambar 4.7 Grafik Reaktivitas Teras HTTR (kasus A)

(14)

Hasil B

Tabel 4.7.2 Bahan Bakar Uranium dan Thorium (b)*

*(perubahan ukuran arah R (radial) dan Z (Aksial))

18 kolom bahan bakar Uranium 18 kolom bahan bakar Thorium No. Periode K-EFF Reaktivitas No. Tahun K-EFF Reaktivitas

1 0 8.5040E-1 -1.7591E-1 1 0 1.0206E+0 2.0230E-2 2 1 9.2697E-1 -7.8778E-2 2 1 1.0117E+0 1.1523E-2 3 2 9.2301E-1 -8.3409E-2 3 2 1.0066E+0 6.5646E-3 4 3 9.1959E-1 -8.7444E-2 4 3 1.0027E+0 2.6529E-3 5 4 9.1619E-1 -9.1477E-2 5 4 9.9916E-1 -8.3670E-4 6 5 9.1273E-1 -9.5614E-2 6 5 9.9590E-1 -4.1216E-3 7 6 9.0922E-1 -9.9845E-2 7 6 9.9274E-1 -7.3134E-3

1 0 9.2361E-1 -8.2708E-2 1 0 1.1173E+0 1.0499E-1 2 1 1.0128E+0 1.2628E-2 2 1 1.1074E+0 9.7021E-2 3 2 1.0085E+0 8.4313E-3 3 2 1.1019E+0 9.2461E-2 4 3 1.0047E+0 4.7266E-3 4 3 1.0975E+0 8.8862E-2 5 4 1.0010E+0 9.9401E-4 5 4 1.0937E+0 8.5632E-2 6 5 9.9716E-1 -2.8449E-3 6 5 1.0900E+0 8.2577E-2 7 6 9.9327E-1 -6.7774E-3 7 6 1.0865E+0 7.9602E-2

1 0 9.8200E-1 -1.8334E-2 1 0 1.1152E+0 1.0329E-1 2 1 1.0313E+0 3.0316E-2 2 1 1.0836E+0 7.7176E-2 3 2 1.0273E+0 2.6596E-2 3 2 1.0748E+0 6.9571E-2 4 3 1.0235E+0 2.2958E-2 4 3 1.0669E+0 6.2686E-2 5 4 1.0190E+0 1.8636E-2 5 4 1.0591E+0 5.5823E-2 6 5 1.0127E+0 1.2540E-2 6 5 1.0508E+0 4.8340E-2 7 6 1.0036E+0 3.5702E-3 7 6 1.0411E+0 3.9471E-2

(15)

K-Eff Bahan Bakar Uranium dan Thorium

7.00E-01 8.00E-01 9.00E-01 1.00E+00 1.10E+00 1.20E+00

0 1 2 3 4 5 6 7

Periode

K-Eff

18 kolom U-235 24 kolom U-235 30 kolom U-235 18 kolom Th-232 24 kolom Th-232 30 kolom Th-232

Gambar 4.8 Grafik Faktor Multiplikasi Efektif Teras HTTR

Reaktivitas Bahan Bakar Uranium dan Thorium

-2.00E-01 -1.50E-01 -1.00E-01 -5.00E-02 0.00E+00 5.00E-02 1.00E-01 1.50E-01

0 1 2 3 4 5 6 7

Periode

Reaktivitas (% Δk/k)

Gambar 4.9 Grafik Reaktivitas Teras HTTR

(16)

Hasil C

Tabel 4.7.3 Bahan Bakar Uranium dan Thorium (c)*

*(perubahan pengayaan Uranium dan Thorium)

1 0 8.5040E-1 -1.7591E-1 1 0 1.0206E+0 2.0230E-2 2 1 9.2697E-1 -7.8778E-2 2 1 1.0117E+0 1.1523E-2 3 2 9.2301E-1 -8.3409E-2 3 2 1.0066E+0 6.5646E-3 4 3 9.1959E-1 -8.7444E-2 4 3 1.0027E+0 2.6529E-3 5 4 9.1619E-1 -9.1477E-2 5 4 9.9916E-1 -8.3670E-4 6 5 9.1273E-1 -9.5614E-2 6 5 9.9590E-1 -4.1216E-3 7 6 9.0922E-1 -9.9845E-2 7 6 9.9274E-1 -7.3134E-3

1 0 9.2361E-1 -8.2708E-2 1 0 1.1173E+0 1.0499E-1 2 1 1.0128E+0 1.2628E-2 2 1 1.1074E+0 9.7021E-2 3 2 1.0085E+0 8.4313E-3 3 2 1.1019E+0 9.2461E-2 4 3 1.0047E+0 4.7266E-3 4 3 1.0975E+0 8.8862E-2 5 4 1.0010E+0 9.9401E-4 5 4 1.0937E+0 8.5632E-2 6 5 9.9716E-1 -2.8449E-3 6 5 1.0900E+0 8.2577E-2 7 6 9.9327E-1 -6.7774E-3 7 6 1.0865E+0 7.9602E-2

30 kolom bahan bakar Uranium 30 kolom bahan bakar Uranium No. Periode K-EFF Reaktivitas No. Tahun K-EFF Reaktivitas

1 0 9.6954E-1 -3.1414E-2 1 0 1.1815E+0 1.5365E-1 2 1 1.0697E+0 6.5158E-2 2 1 1.1709E+0 1.4593E-1 3 2 1.0653E+0 6.1312E-2 3 2 1.1649E+0 1.4157E-1 4 3 1.0614E+0 5.7838E-2 4 3 1.1602E+0 1.3811E-1 5 4 1.0574E+0 5.4302E-2 5 4 1.1560E+0 1.3498E-1 6 5 1.0534E+0 5.0652E-2 6 5 1.1521E+0 1.3200E-1 7 6 1.0492E+0 4.6894E-2 7 6 1.1482E+0 1.2910E-1

(17)

K-Eff Bahan Bakar Uranium dan Thorium

7.00E-01 8.00E-01 9.00E-01 1.00E+00 1.10E+00 1.20E+00 1.30E+00

0 1 2 3 4 5 6 7

Periode

K-eff

Gambar 4.10 Grafik Faktor Multiplikasi Efektif Teras HTTR

Reaktivitas Bahan Bakar Uranium dan Thorium

-2.00E-01 -1.50E-01 -1.00E-01 -5.00E-02 0.00E+00 5.00E-02 1.00E-01 1.50E-01 2.00E-01

0 1 2 3 4 5 6 7

Periode

Reaktivitas (% Δk/k)

Gambar 4.11Grafik Reaktivitas Teras HTTR

Parameter pertama dan utama untuk mendapatkan desain reaktor adalah faktor multiplikasi (k-eff). Ciri reaktor yang memenuhi standar yaitu mempunyai harga faktor multiplikasi yang hampir sama selama operasinya, dan karena reaktor yang didesain merupakan reaktor termal yang kritis, maka nilai faktor multiplikasinya harus lebih besar dari 1 (keff >1) selama masa operasinya. Selain

(18)

itu, penentuan kekritisan reaktor juga ditentukan oleh harga reaktivitasnya.

Denganya dapat menentukan apakah reaktor kritis, sub-kritis atau super-kritis.

Karena reaktivitas dan faktor multiplikasi saling berhubungan maka bentuk grafiknya tidak jauh berbeda dengan grafik faktor multiplikasi.

Gambar grafik di atas yang diperoleh dari burnup teras reaktor. Dari gambar grafik faktor multiplikasi (4.6, 4.8, dan 4.10) dan gambar grafik reaktivitas (4.7, 4.9, dan 4.11) diperoleh dua tipe grafik yang dihasilkan. Hal ini dipengaruhi dari bahan bakar yang digunakan.

Pada reaktor yang menggunakan bahan bakar uranium, sebagai contoh hasil 30 kolom bahan bakar uranium pada grafik 4.10 dan 4.11, memiliki harga k- eff dan ekses reaktifitas yang mula-mula naik pada awal reaktor diaktifkan hingga titik balik maksimum k-eff 1.0697 dan 0.065 (%Δk/k) pada periode pertama (110 hari) kemudian menurun hingga periode keenam (660). Akan tetapi, mengalami perubahan menurun yang smooth sehingga pada akhir periode tetap memiliki nilai faktor multiplikasi lebih besar dari 1 (keff >1). Alasan grafik yang didapatkan menurun disebabkan oleh efek pembakaran burnable poison.

Sementara nilai k-eff yang tetap di atas 1 disebabkan jumlah neutron yang dihasilkan masih lebih besar dibanding dengan jumlah neutron yang mengalami leakage, capture dan scattering, walaupun perbandingan neutron yang dihasilkan dengan yang tiga hal ini terus mengalami penurunan.

Sementara reaktor yang menggunakan bahan bakar thorium memiliki grafik yang hampir mirip dengan bahan bakar uranium hanya saja pada thorium grafiknya tidak pernah mengalami kenaikan sejak reaktor dioperasikan. Sebagai contoh, hasil burnup teras reaktor 30 kolom bahan bakar thorium pada grafik 4.8 dan 4.9 memiliki harga k-eff dan ekses reaktifitas yang cenderung terus menurun dari periode nol (1.1152 dan 0.10 (%Δk/k)) hingga keenam (1.0411 dan 0.039(%Δk/k)). Kecenderungan disebabkan karena dengan berkurangnya moderator neutron hasil fisi termoderasi lebih kecil, sehingga jumlah neutron termal yang ditangkap oleh U-233 dan kemudian menghasilkan fisi jadi berkurang

(19)

hingga efek lanjutnya nilai kritikalitas bahan bakar menurun. Berkurangnya fisi membuat U-233 lebih tahan didalam teras hingga membuat teras lebih tahan.

Dari grafik di atas terlihat bahwa nilai k-eff dan reaktivitas bahan bakar thorium selalu lebih besar dari pada bahan bakar uranium. Hal ini disebabkan bahwa nilai cross section fission bahan bakar material fisil U-233 sedikit lebih besar dibandingkan dengan U-235, sehingga reaksi fisi yang dilakukan U-233 cenderung lebih cepat yang menyebabkan ketersediaan jumlah neutron yang dihasilkan dari fisi lebih besar. Hal inilah menjadi alasan pemanfaatan thorium untuk reaktor jangka panjang.

Begitu pula dengan teras yang lain mengalami pola grafik yang sama.

Reaktor didesain untuk beroperasi selama 660 hari dengan ekses reaktifitas yang menurun sesuai dengan waktu beroperasi teras reaktor. K-eff menurun seiring dengan waktu karena reaksi yang terjadi di teras reaktor dan kebocoran-kebocoran neutron lain yang mungkin terjadi. Seperti yang pernah disebutkan sebelumnya, neutron-neutron akan tercipta akibat dari reaksi fisi, dan akan bergerak di dalam reaktor hingga pada akhirnya berkurang atau musnah karena proses leakage, capture dan scattering yang menyebabkan turunnya harga k-eff. Proses ini akan berlangsung sesuai masa operasi reaktor yang telah ditentukan.

Dari keseluruhan grafik yang diperoleh, menunjukkan bahwa untuk meningkatkan nilai dari faktor multipilikasi (k-eff) dan reaktivitas salah satu caranya adalah dengan meningkatkan besar nilai pengayaan (enrichment) bahan bakar yang digunakan. Akan tetapi, dalam hal besar nilai pengayaan memiliki keterbatasan yang disebabkan kesulitan untuk memproduksi bahan bakar reaktor pada persenan pengayaan yang besar, selain itu juga ada aturan yang melarang pengayaan hingga di atas 20% karena hal ini dapat digunakan sebagai senjata nuklir.

(20)

4.2.3 Distribusi daya teras HTTR

Untuk menjaga keselamatan reaktor, sangat penting mengontrol peningkatan suhu bahan bakar hal ini berarti terkait dengan pengaturan distribusi daya (power distribution) yang tentunya tidak lepas dari pengaturan letak pengayaan bahan bakar pada teras reaktor.

Telah dihitung distribusi daya rata-rata arah radial dan aksial teras reaktor pada awal diaktifkan (beginning of life) dengan 18, 24 dan 30 kolom bahan bakar.

Data hasil perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.8.1, 4. 8.2, 4.9.1 dan 4.9.2 di bawah ini.

Distribusi Daya Arah Radial

Tabel 4.8.1 Distribusi Daya Arah Radial Bahan Bakar Thorium Beginning of Life

18 Kolom Bahan Bakar 24 Kolom Bahan Bakar 30 Kolom Bahan Bakar Mesh

Power Density (Watt/cc) Power Density (Watt/cc) Power Density (Watt/cc) 1 2.310524E-23 3.726298E-23 4.982310E-23 2 2.925068E-23 4.514352E-23 4.648328E-23 3 3.945144E-23 5.621327E-23 2.949001E+00 4 5.564940E-23 6.556562E-23 3.021261E+00 5 7.096463E-23 6.452260E-23 3.255740E+00 6 9.192638E-23 4.273602E+00 4.074780E+00 7 1.091789E-22 4.229488E+00 3.926937E+00 8 1.025749E-22 4.076081E+00 3.491472E+00

9 6.600217E+00 3.657149E+00 2.929521E+00

10 5.872048E+00 3.250159E+00 2.455245E+00 11 5.970730E+00 3.149062E+00 2.320708E+00 12 8.394416E-23 4.954586E-23 3.355202E-23 13 7.489620E-23 4.364786E-23 2.969606E-23 14 5.542266E-23 3.226656E-23 2.196679E-23 15 3.592287E-23 2.098457E-23 1.427821E-23 16 2.159829E-23 1.267503E-23 8.615916E-24 17 1.247180E-23 7.350348E-24 4.991709E-24 18 6.527495E-24 3.859352E-24 2.619013E-24

19 2.315444E-24 1.371419E-24 9.302779E-25

(21)

Tabel 4.8.2 Distribusi Daya Arah Radial Bahan Bakar Uranium Beginning of Life

18 Kolom Bahan Bakar 24 Kolom Bahan Bakar 30 Kolom Bahan Bakar Mesh

Power Density (Watt/cc) Power Density (Watt/cc) Power Density (Watt/cc) 1 3.225394E-23 4.515523E-23 5.552984E-23 2 4.061912E-23 5.438682E-23 5.052719E-23 3 5.428503E-23 6.697035E-23 2.817515E+00 4 7.533313E-23 7.629890E-23 2.870857E+00 5 9.459566E-23 7.277863E-23 3.163926E+00 6 1.200844E-22 4.543204E+00 4.112410E+00 7 1.377303E-22 4.292953E+00 3.996805E+00 8 1.238200E-22 4.004238E+00 3.519955E+00

9 6.653550E+00 3.504203E+00 2.862888E+00

10 5.694159E+00 3.133003E+00 2.428582E+00 11 6.095285E+00 3.245005E+00 2.447896E+00 12 1.021738E-22 5.615814E-23 4.200567E-23 13 9.530314E-23 5.199652E-23 3.877881E-23 14 7.248332E-23 3.942767E-23 2.935887E-23 15 4.802964E-23 2.608359E-23 1.940130E-23 16 2.938430E-23 1.594181E-23 1.184943E-23 17 1.717919E-23 9.314750E-24 6.920648E-24

18 9.064158E-24 4.913088E-24 3.649416E-24

19 3.228400E-24 1.749630E-24 1.299460E-24

Nilai

power density arah radial dihitung dengan merata-ratakan nilai power density 54 mesh arah θ (satu putaran) dan 28 mesh arah z dalam satu mesh arah radial, dilanjutkan sampai 18 mesh arah radial selanjutnya. Grafik perhitungan distribusi daya terdapat pada gambar 4.12 dan 4.13 di bawah ini.

(22)

Distribusi Daya arah radial 18,24,30 kolom Thorium

0.00E+00 1.00E+00 2.00E+00 3.00E+00 4.00E+00 5.00E+00 6.00E+00 7.00E+00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Mesh Power Density (watt/cc)

18 kolom Thorium 24 kolom Thorium 30 kolom Thorium Gambar 4.12 Grafik Distribusi Daya Arah Radial Teras 18, 24 dan 30

Kolom Bahan Bakar Thorium

Distribusi Daya Arah Radial 30,24,18 kolom Uranium

-2.00E+00 0.00E+00 2.00E+00 4.00E+00 6.00E+00 8.00E+00

0 5 10 15 20

Mesh

Power density (Watt/cc)

30 kolom 24 kolom 18 kolom

Gambar 4.13 Grafik Distribusi Daya Arah Radial Teras 18, 24 dan 30 Kolom Bahan Bakar Uranium

Dalam arah radial, teras reaktor terbagi menjadi 6 region yang masing- masing terdiri dari region 1 berisi blok selongsong batang kendali, region 2 berisi dummy block bahan bakar untuk teras dengan 18 dan 24 kolom bahan bakar sedangkan untuk 30 kolom bahan bakar berisi elemen bahan bakar, region 3 dan 4 berisi elemen bahan bakar dengan pengayaan bahan bakar meningkat dari pusat

(23)

reaktor ke tepi reaktor, region 5 dan 6 berisi replaceable reflector dan permanent reflector, lihat tabel 4.3. Konfigurasi ini menghasilkan distribusi daya arah radial, seperti ditunjukan pada grafik 4.12 dan 4.13 di atas. Bentuk grafik distribusi daya dibuat se-flat mungkin untuk mengatur kemerataan suhu bahan bakar dalam arah radial.

Grafik di atas memiliki bentuk yang berbeda antara 18, 24, dan 30 kolom, karena distribusi daya dipengaruhi oleh enrichment (pengayaan) bahan bakar yang berbeda antara 18, 24, dan 30 kolom. Hal ini terjadi karena pengayaan bahan bakar berkaitan dengan cross section macroscopic reaction (penampang lintang makroskopik reaksi) dan fluks neuton.

Distribusi Daya Arah Aksial

Tabel 4.9.1 Distribusi Daya Arah Aksial Bahan Bakar Thorium Beginning of Life

18 Kolom 24 Kolom 30 Kolom Nomor Layer

Teras Reaktor Power Density (Watt/cc)

Power Density (Watt/cc)

1 6.33E-23 6.56E-23 6.90E-23 2 1.84E+01 1.79E+01 1.77E+01 3 1.13E+01 1.16E+01 1.20E+01 4 4.67E+00 4.84E+00 4.85E+00 5 1.33E+00 1.33E+00 1.15E+00 6 3.56E-01 3.39E-01 2.72E-01 7 1.12E-24 1.12E-24 1.01E-24

(24)

Distribusi Daya Arah Aksial 18,24,30 kolom Thorium

0.00E+00 2.50E+00 5.00E+00 7.50E+00 1.00E+01 1.25E+01 1.50E+01 1.75E+01 2.00E+01

0 2 4 6 8

Nomor LayerTeras Reaktor

Power Density (Watt/cc)

Gambar 4.14 Grafik Distribusi Daya Arah Aksial Teras 18, 24 dan 30 Kolom Bahan Bakar Thorium

Tabel 4.9.2 Distribusi Daya Arah Aksial Bahan Bakar Uranium Beginning of Life

18 Kolom 24 Kolom 30 Kolom Nomor Layer

Teras Reaktor Power Density (Watt/cc)

Power Density (Watt/cc)

1 5.90E-23 5.64E-23 6.89E-23 2 1.49E+01 1.48E+01 1.52E+01 3 1.23E+01 1.26E+01 1.24E+01 4 6.22E+00 6.22E+00 6.07E+00 5 2.01E+00 1.84E+00 1.79E+00

6 ^6.08E-01 5.53E-01 5.26E-01

7 ^2.32E-24 2.18E-24 2.38E-24

(25)

Distribusi Daya Arah Aksial 18,24,30 kolom Uranium

0.00E+00 2.00E+00 4.00E+00 6.00E+00 8.00E+00 1.00E+01 1.20E+01 1.40E+01 1.60E+01 1.80E+01

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Layer Teras Reaktor

Power Density (Watt/cc)

Gambar 4.15 Grafik Distribusi Daya Arah Aksial Teras 18, 24 dan 30 Kolom Bahan Bakar Uranium

Dalam arah aksial, teras reaktor terbagi menjadi 7 layer yang masing- masing terdiri dari, layer 1 berisi 2 blok perisai dapat ganti bagian atas, layer 2, 3, 4, 5 dan 6 berisi bahan bakar dengan pengayaan bahan bakar yang semakin menurun dari layer bahan bakar atas ke layer bahan bakar paling bawah, lihat pengaturan elemen bakar pada tabel 4.3 di atas. Kemudian layer 7 berisi 2 blok replaceable reflector bagian bawah. Konfigurasi ini menghasilkan distribusi daya arah aksial, seperti ditunjukan pada grafik 4.14 dan 4.15 di atas. Bentuk grafik distribusi daya untuk layer bahan bakar dibuat berbentuk eksponensial menurun.

Pada layer bahan bakar ke-5 dan ke-6 dibuat pengayaan bahan bakar yang sama karena power density menurun dari layer ke-5 ke layer ke-6 disebabkan juga oleh neutron leakage ke perisai dapat ganti bagian bawah.

Analisa penempatan elemen bahan bakar dengan pengayaan tertinggi ditempatkan pada bagian teratas dan terluar dari kolom bahan bakar pada teras reaktor salah satunya dimaksudkan untuk antisipasi kecelakkaan reaktor, karena konduktifitas panas radial ke arah luar.

Daya reaktor sebanding dengan fluks neutron, maka pengaturan daya reaktor dapat tercapai dengan pengaturan faktor multiplikasi efektif. Kalau faktor

(26)

multiplikasi efektif dibuat lebih besar daripada satu, maka reaktor akan superkritis dan daya reaktor akan naik. Kalau faktor multiplikasi efektif diatur sama dengan satu, reaktor kritis dan daya rektor tetap tidak berubah. Sedangkan kalau faktor multiplikasi efektif dibuat lebih kecil daripada satu, maka reaktor akan subkritis dan daya reaktor akan turun.

Oleh karena itu, agar reaktor dapat dinaikan dayanya, dalam teras reaktor perlu tersedia sejumlah bahan bakar yang lebih dari masa kritisnya. Kemudian, faktor multiplikasi efektif atau reaktivitas diatur dengan jalan merubah keseimbangan antara kecepatan produksi dan kecepatan hilangnya neutron dalam reaktor. Beberapa cara yang biasa dipakai untuk mengatur reaktifitas reaktor adalah penambahan atau pemindahan bahan bakar, moderator atau reflektor, atau bahan-bahan penyerap neutron. Cara pengendalian dengan penambahan atau pemindahan bahan penyerap neutron merupakan cara yang paling banyak dipakai untuk pengendalian reaktor termik.