PERHITUNGAN REAKTIVITAS BATANG KENDALI HTR-10 DENGAN MENGGUNAKAN SCALE

PERHITUNGAN REAKTIVITAS BATANG KENDALI HTR-10 DENGAN

MENGGUNAKAN SCALE

Agus Waluyo, Azizul Khakim

BAPETEN, Jln Gadjah Mada no 8, Jakarta Pusat

email: a.waluyo@bapeten.go.id

ABSTRAK

PERHITUNGAN REAKTIVITAS BATANG KENDALI HTR-10 DENGAN MENGGUNAKAN SCALE. HTR-10 adalah salah satu jenis reaktor HTGR yang saat ini menjadi referensi untuk pembangunan reaktor HTGR di beberapa negara. Banyak hal yang menjadi penelitian yang dilakukan terkait dengan reaktor HTR-10. Salah satu topik penelitian yang saat ini banyak dilakukan terkait HTR-10 adalah perhitungan reaktivitas batang kendali HTR-10. Penelitian terkait dengan nilai reaktivitas batang kendali ini sangat penting karena terkait dengan keselamatan, yaitu kemampuan batang kendali dalam memadamkan reaktor pada kondisi normal maupun kecelakaan. Penelitian ini menggunakan SCALE dalam rangka melakukan perhitungan nilai reaktivitas batang kendali. Dari hasil perhitungan menggunakan SCALE didapat hasil untuk nilai reaktivitas batang kendali adalah 0,16 Δk/k dan shut down margin adalah 0.134 Δk/k .

Kata kunci: HTR-10,reaktivitas, batang kendali, SCALE ABSTRACT

CALCULATION REACTIVITY OF HTR-10 CONTROL RODS USING SCALE. HTR-10 is one type of HTGR reactor that is become reference for HTGR reactor construction in several countries. Many research conducted related to the HTR-10 reactor. One of the research topics that is currently being done in relation to HTR-10 is the calculation of reactivity of HTR-10 control rods. Research related to reactivity of the control rod is very important because it is related to safety, namely the ability of the control rod to shut down the reactor under normal or accidents conditions. In this study using SCALE to calculate the control rod reactivity of HTR-10. From the calculation using SCALE, the results for the control rod reactivity are 0,16 Δk/k and shut down margin is 0,134 Δk/k.

Keyword: HTR-10, reactivity, control rods, SCALE PENDAHULUAN

HTR-10 adalah salah satu jenis reaktor HTGR yang saat ini menjadi referensi untuk pembangunan reaktor jenis HTGR di beberapa negara, salah satunya adalah Indonesia. Saat ini banyak penelitian yang dilakukan terkait dengan HTGR, karena HTGR saat ini menjadi salah satu pilihan reaktor yang akan dibangun di masa mendatang karena mempunyai beberapa keunggulan yang antara lain: mempunyai efisiensi thermal yang lebih tinggi apabila dibanding dengan PWR maupun BWR, sedangkan dari segi keselamatan HTGR juga mempunyai beberapa keunggulan yang antara lain HTGR mempunyai moderator dan reflektor dari graphite dimana graphite ini mempunyai kemampuan memindahkan panas dengan konduksi maupun konveksi ke luar teras walaupun tidak ada pendingin yang masuk ke teras dan juga HTGR mempunyai koefisen reaktivitas bahan bakar dan moderator negatif.

Ada tiga prinsip keselamatan terkait dengan pengoperasian suatu reaktor nuklir, yaitu kemampuan untuk memindahkan panas dari teras reaktor, kemampuan untuk memadamkan teras reaktor dan yang terakhir adalah kemampuan untuk mengungkung zat radioaktif di dalam teras reaktor. Oleh karena dalam penelitian ini akan dilakukan analisis perhitungan reaktivitas batang kendali. Nilai reaktivitas batang kendali ini sangat penting karena akan menggambarkan kemampuan batang kendali dalam memadamkan reaktor sehingga nilai reaktivitas batang kendali ini menjadi persyaratan dalam mendesain suatu reaktor. Analisis kemampuan batang kendali dalam memadamkan reaktor biasanya dilakukan dengan mengasumsikan bahwa batang kendali yang paling reaktif (yang mempunyai reaktivitas paling besar) gagal untuk dimasukkan ke dalam teras. Nilai kemampuan batang kendali memadamkan teras reaktor dengan mengasumsikan salah satu batang kendali gagal ini biasanya dikenal dengan istilah shut down margin. Dalam reaktor HTR 10 mempunyai 10

batang kendali, oleh karena itu dalam analisis ini akan dihitung nilai reaktivitas masing-masing batang kendali lalu dicari nilai reaktivitas batang kendali yang paling besar. Setelah itu dihitung berapa nilai shut down margin dari batang kendali dari HTR 10 tersebut.

DESKRIPSI HTR-10

Reaktor HTR-10 merupakan salah satu jenis HTGR yang mana bahan bakar berupa

pebble bed. HTR-10 mempunyai beberapa komponen yang antara lain bejana tekan, batang

kendali, sistem penggerak batang kendali, small ball absorber, sistem pemuatan dan pengeluaran bahan bakar.

Teras aktif HTR-10 dikelilingi oleh reflektor graphite. Reflektor graphite sendiri dikategorikan menjadi reflektor atas, reflektor samping dan reflektor bawah. Bagian bawah dari teras reaktor berbentuk kerucut yang mana terhubung dengan tabung yang berfungsi untuk mengeluarkan bahan bakar. Pada reflektor bagian samping terdapat 20 kanal yang berada dekat teras aktif, 20 kanal tersebut terdiri dari 10 kanal batang kendali, 7 kanal untuk bola-bola penyerap, dan 3 kanal disediakan untuk kanal iradiasi. Sedangkan sisi bagian luar reflektor terdapat 20 kanal pendingin helium. Gambar tampang lintang secara horizontal dari HTR-10 yang menunjukkan posisi kanal untuk batang kendali maupun kanal pendingin helium ditunjukkan pada Gambar.1, sedangkan untuk tampang lintang secara vertikal dari HTR-10 ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 1. Tampang lintang horizontal teras HTR-10[1]

Bahan bakar yang digunakan oleh HTR-10 adalah bola pebble yang mempunyai diameter 6 cm yang dilapisi dengan coated particle. Karakteristik bahan bakar pebble bed HTR-10 dapat dilihat pada Tabel 1 sedangkan deskripsi dari bahan bakar pebble bed dapat dilihat pada Gambar 3.

HTR-10 mempunyai 10 batang kendali yang diletakkan di reflektor samping. Batang kendali dari HTR-10 ini menggunakan Boron Carbide (B4C) sebagai penyerap neutron. Setiap batang kendali berisi 5 segmen dalam bentuk cincin (lima) B4C yang dipasang antara lengan stainless steel bagian dalam dan luar. Segmen-segmen tersebut dihubungkan dengan sambungan metal. Diameter dalam dan luar dari cincin B4C adalah 60 mm dan 105 mm, sedangkan panjang tiap segmen adalah 487 mm. Panjang untuk tiap sambungan dari batang kendali adalah 36 mm. Tabel 2 berikut ini menunjukkan deskripsi material dari batang kendali, sedangkan gambar dari batang kendali ditunjukkan pada Gambar 3

Gambar 2 Tampang lintang vertikal teras HTR-10[1] Tabel 1 Deskripsi dari bahan bakar HTR-10[2]

Tabel 2 Material penyusun batang kendali HTR-10[3] Diameter kanal batang kendali/koordinat radial

kanal dari pusat:

13 cm/102,1 cm Panjang secara aksial dan material penyusun

dari bawah keatas

45/487/36/487/36/487/36/487/36/487/23 (487 mm adalah pajang dari segmen B4C, lainnya adalah stainless steel)

Deskripsi area radial dan ketebalan dari batang kendali

27,5(void)/2(ss)/0,5(void)/ 22,5 (B4C)/0,5 (void)/2 (ss) Densitas boron karbida dalam batang kendali 1,7 g/cm3

Koordinat aksial ujung batang kendali bagian bawah ketika ditarik secara penuh

119,2 cm Koordinat aksial ujung batang kendali bagian

bawah ketika dimasukkan secara penuh

394,2 cm Struktur logam batang kendali adalah sebagai

berikut:

1) Stainless steel penutup B4C mempunyai densitas:

2) Sambungan metal bagian atas dan bawah diasumsikan hanya Fe pada region 27,5,,<R<55mm dengan densitas atom:

7,9 g/cm3 _{dengan komposisi material;} adalah : Cr-18%, Fe-68,1 %, Ni-10%, Si-1%. Mn-2%, C-0,1%, Ti-0,8%

0,04 cm-1

Gambar 3 Deskripsi dari batang kendali HTR-10[4] Teeori Dasar

Perhitungan reaktivitas di dalam reaktor sangat penting untuk pengendalian daya pada suatu reaktor. Selain itu perhitungan reaktivitas batang kendali sangat penting untuk mengetahu kemampuan batang kendali dalam memadamkan reaktor. Reaktivitas dari batang kendali ini erat hubungannya dengan parameter fisik reaktor seperti perubahan temperatur yang dihasilkan dari perubahan laju alir dari pendingin dan juga posisi dari batang kendali di dalam teras. Besarnya reaktivitas yang ada di teras akan mempengaruhi besarnya fluks neutron dan daya reaktor. Oleh karena itu perhitungan reaktivitas batang kendali harus dilakukan sebelum reaktor beroperasi dan harus seakurat mungkin[3].

Hubungan reaktivitas dengan faktor multiplikasi dinyatakan dalam persamaan: 𝜌𝜌 =𝑘𝑘 − 1_{𝑘𝑘 … … … . . (1)}

Nilia reaktivitas adalah nilai yang tidak berdimensi. Untuk memudahkan di dalam mendeklarasikan nilai reaktivitas biasnya digunakan unit Δk/k atau %Δk/k dan pcm (percent mili rho)

Ketika perubahan reaktivitas (Δρ) di definisikan sebagai perubahan reaktivitas, perubahan reaktivitas tersebut dinyatakan dalam persamaan:

∆𝜌𝜌 =𝑘𝑘𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒−2−𝑘𝑘𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒−1

𝑘𝑘𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒−2𝑥𝑥𝑘𝑘𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒−1………..(2)

METODOLOGI

Perhitungan reaktivitas batang kendali HTR10 ini dilakukan dengan menggunakan program SCALE. Ada beberapa langkah yang perlu dilakukan dalam melakukan perhitungan reaktivitas batang kendali HTR-10, antara lain; menyusun material penyusun reaktor ke SCALE. Parameter-parameter material yang perlu dimasukkan ke dalam SCALE adalah densitas (dalam gram/cc. atau densitas atom) dan juga temperatur dari material tersebut. Langkah selanjutnya adalah memodelkan geometri reaktor HTR-10 [5]. Gamba.r4 Dan Gambar 5 menunjukkan pemodelan HTR-10 dengan menggunakan SCALE.

Gambar 4 Pemodelan teras reaktor HTR-10 dengan SCALE (tampang lintang secara horizontal)

Gambar 5 Pemodelan teras reaktor HTR-10 dengan SCALE (tampang lintang secara vertikal)

Dari hasil perhitungan, didapatkan hasil seperti Tabel 3. Tabel 3 Menunjukkan harga Keff untuk seluruh batang kendali HTR-10 untuk berbagai posisi ketinggian di teras. Dari Tabel 3 dibuat grafik reaktivitas total untuk seluruh batang kendali di teras. Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa nilai reaktivitas total untuk seluruh batang kendali di HTR-10 adalah 0,16 Δk/k. Sehingga setiap batang kendali HTR-10 mempunyai reaktivitas 0,016 Δk/k.

Tabel 3 harga Keff untuk seluruh batang kendali HTR-10 Posisi K eff Reaktivitas

20 0,84794 0 40 0,85605 -0,0111727 60 0,87379 -0,034889 80 0,89867 -0,0665732 100 0,92594 -0,0993451 115 0,9435 -0,1194453 130 0,95866 -0,136206 145 0,96946 -0,1478267 160 0,97656 -0,1553261 175 0,98114 -0,1601062

Gambar 6 Kurva S reaktivitas batang kendali reaktor HTR-10 dengan menggunakan SCALE Nilai reaktivitas batang kendali hasil perhitungan dari SCALE apabila dibandingkan dengan nilai reaktiitas batang kendali HTR-10 sedikit ada perbedaan. Di dalam referensi[4] reaktivitas untuk seluruh batang kendali HTR-10 adalah 0,14 Δk/k. Perbedaan antara hasil perhitungan dengan menggunakan SCALE dengan hasil eksperimen adalah sekitar 14,28 %. Perbedaan ini kemungkinan disebabkan karena data material yang dimasukkan ke dalam program SCALE sedikit berbeda dengan data material yang sebenarnya pada HTR-10. Dan banyak penyederhanaan geometri HTR-10 ketika dimodelkan dengan menggunakan SCALE.

-0.18 -0.16 -0.14 -0.12 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 re akt iv itas (Δ k/ k)

Untuk mengetahui shut down margin dari batang kendali HTR-10, perlu mengetahu excess reactivity dari HTR-10. Dari hasil perhitungan menggunakan SCALE, K-eff pada saat seluruh batang kendali ditarik adalah 1,0103 sehingga excess reactivity adalah 0,01019 Δk/k. Nilai dari excess reactivity ini akan tergantung pada berapa ketinggian bahan bakar pebble dalam teras. Dalam penelitian ini ketinggian teras yang dipakai adalah ketinggian teras pada saat kekritisan pertama.

Dari excess reactivity, maka dapat dihitung untuk shut down margin untuk HTR-10. Shut down margin untuk HTR-10 adalah sebagai berikut:

SDM= ρtotal Batang kendali- ρ Batang kendali gagal masuk-ρ excess = (0,16-0,016-0,01019) SDM= 0.134 Δk/k

KESIMPULAN

Hasil perhitungan dengan menggunakan program SCALE, nilai reaktivitas untuk HTR-10 batang kendali adalah 0,16 Δk/k dengan perbedaan dengan nilai reaktivitas batang kendali hasil eksperimen 14,28 %. Dan Shut down margin adalah 0,134 Δk/k.

UCAPAN TERIMA KASIH,

Kami mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada manajemen P2STPIBN yang telah memberikan fasilitas dan dukungan untuk melakukan kajian keselamatan HTGR. Tidak lupa kami ucapkan terima kasih kepada seluruh staf P2STPIBN yang telah memberikan masukan dan perbaikan terhadap hasil kajian ini.

DAFTAR PUSTAKA,

[1] W. K. Terry Soon Sam Kim Leland M Montierth Joshua J Cogliati Abderrafi M Ougouag, W. K. Terry, S. Sam Kim, L. M. Montierth, J. J. Cogliati, and A. M.

Ougouag, “Evaluation of the HTR-10 Reactor as a Benchmark for Physics Code QA PHYSOR-2006, ANS Topical Meeting on Reactor Physics Evaluation of the HTR-10 Reactor as a Benchmark for Physics Code QA,” 2006.

[2] IAEA, Evaluation of High Temperature Gas Cooled Reactor Performance: Benchmark

Analysis Related to the PBMR-400, PBMM. GT-MHR. HTR-10 and the ASTRA Critical Facility, 1st ed. Vienna: IAEA, 2013.

[3] H. Adrial, Suwoto, A. Hamzah, and Zuhair, “Control Rod Reactivity Analysis of One Stuck Rod Condition in 10 MWth Experimental Reactor Conceptual Design (RDE-10 MWth) on First Full Core,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 1198, no. 2, 2019.

[4] IAEA, “the High Temperature Gas Cooled Reactor Test,” no. March 1993, 2000. [5] ORNL, “Scale : A Comprehensive Modeling and Simulation Suite for Nuclear Safety

Analysis and Design,” Ornl/Tm-2005/39, no. June, 2011. DISKUSI/TANYA JAWAB :

1. PERTANYAAN :

Apakah jenis material batang kendali mempengaruhi koefisien reaktifitas? JAWABAN :