AKTIVITAS EFLUEN TRITIUM DAN C-14 DARI PENGOPERASIAN
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR
Pande Made Udiyani
Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir - BATAN Kawasan Puspiptek, gedung 80 Serpong
Email : pmade-u@batan.go.id
ABSTRAK
AKTIVITAS EFFLUEN TRITIUM DAN C-14 DARI PENGOPERASIAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR. Nuklida H-3 dan C-14 adalah salah satu nuklida produk fisi dan aktivasi yang
mempunyai umur paro yang panjang yaitu 12,3 tahun untuk H-3 dan 5730 tahun untuk C-14. Karena mempunyai umur paro yang panjang akan mengakibatkan efek akumulasi dosis menjadi signifikan. Walaupun sebagai pemancar beta lemah, efek paparan langsung dari radiasi eksterna kedua radionuklida ini kecil, tetapi efek dari radiasi interna inhalasi, imersi dan ingesi cukup berarti. Selain itu, produksi tritium khususnya adalah menjadi porsi terbesar untuk lepasan rutin dari pengoperasian reaktor PLTN. Karena hal tersebut diperlukan estimasi terhadap nuklida tersebut, untuk memitigasi konsekuensi yang ditimbulkan. Estimasi dilakukan untuk pengoperasian rutin dan hanya untuk efluen ke atmosfer. Metode yang dilakukan adalah perhitungan dan estimasi dengan menggunakan parameter hasil eksperimen dan perhitungan. Estimasi dilakukan untuk 2 jenis LWR yaitu masing-masing 4 reaktor PWR dan BWR. Aktifitas efluen radionuklida H-3 dan C-14 dari Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir dipengaruhi oleh jenis reaktor, daya reaktor, durasi operasi reaktor, dan penggunaan elemen bahan reaktor sebagai sumber nuklida. Aktivitas tritium untuk daya reaktor sama yang dikeluarkan dari reaktor PWR lebih besar dibandingkan BWR. Sebaliknya untuk aktivitas C-14 lebih tinggi yang dilepaskan dari reaktor BWR dibandingkan dari reaktor PWR.
Kata kunci: Tritium, C-14, PLTN, efluen.
ABSTRACT
THE ACTIVITIESOF TRITIUM AND C-14EFFLUENTFROM THE OPERATION OFNUCLEARPOWER PLANTS. Nuclides H-3 and C-14 is one of the fission and activation product nuclide
having a longhalf life of 12.3 years (H-3) and 5730 years for the C-14. Because it hasa long half life will result in as ignificant effect of dose accumulation. Although a weak beta emitter, the effects of direct exposure to external radiation from radionuclides are both small, but the effects of internal radiation from inhalation, immersion and ingesi were significant. In addition, the production of tritiumin particularis to become the largest share release of the routine operation of nuclear power reactors. Because that is necessary to estimate these nuclides, to mitigate the consequences. Estimatimation will be made for routine operation and only for the effluent to the atmosphere. The method of calculation ands imulation is performed using the parameters of the experimental and estimation results. Estimates made for two types of LWR respectively PWR and BWR reactor 4. The result are activity of the effluent radionuclides H-3 and C-14 of theNuclear Power Plant affected by the type of reactor, the reactor power, the duration of reactor operation, and use of the material elements of the reactor as a source of nuclides. Tritium release activity in the same reactor power at PWR greater than BWR. In contrast to the C-14 activity release at BWR reactors is higher than the PWR reactors.
Keywords: Tritium, C-14, NPP, effluent.
PENDAHULUAN
engoperasian Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN), selain menguntungkan karena sumbangan energi yang tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca, juga menimbulkan konsekuensi terhadap lepasan radioaktif ke lingkungan. Aktivitas radioaktif yang selalu menjadi perhatian karena digunakan sebagai indikator konsekuensi adalah produk hasil belah (fisi) terutama dari Cs-137 dan I-131. Selain produk fisi, radionuklida yang dapat menimbulkan konsekuensi adalah dari aktivasi netron dengan bahan yang ada di reaktor
seperti pendingin reaktor. Nuklida H-3 dan C-14 adalah salah satu nuklida produk fisi dan aktivasi yang mempunyai umur paro yang panjang yaitu 12,3 tahun (H-3) dan 5730 tahun untuk C-14. Karena mempunyai umur paro yang panjang akan mengakibatkan efek akumulasi dosis menjadi signifikan. Walaupun sebagai pemancar beta lemah, efek paparan langsung dari radiasi eksterna kedua radionuklida ini kecil, tetapi efek dari radiasi interna inhalasi, imersi dan ingesi cukup berarti. Selain itu, produksi tritium khususnya adalah menjadi porsi terbesar untuk lepasan rutin dari pengoperasian reaktor PLTN. Karena hal tersebut
diperlukan estimasi terhadap nuklida tersebut, untuk memitigasi konsenuensi yang ditimbulkan.
Estimasi dan eksperimen untuk mengetahui aktivitas tritium dan C-14 di reaktor riset sudah pernah dilakukan penulis sebelumnya(1). Berkaitan dengan rencana pembangunan PLTN di Indonesia, dengan difokuskan pada pembangunan reaktor air ringan, maka pada tulisan ini dilakukan analisis H-3 dan C-14 yang ke lingkungan dari pengoperasian reaktor PWR dan BWR. Tritium dihasilkan dari produk fisi tingkat 3 (ternary
fission) dan aktivasi netron dengan elemen bahan
yang ada di sistem pendingin seperti deutrium dari senyawa air, lithium dan boron untuk PWR, dan minus reaksi boron untuk BWR. Sedangkan C-14 dihasilkan dari hasil aktivasi dengan elemen bahan di dalam teras dan air pendingin.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memperoleh aktivitas H-3 dan C-14 di dalam reaktor dari teras sampai lepas ke lingkungan, dan memperoleh dosis radiasi yang ditimbulkan sebagai konsekuensi radiasi dari lepasnya nuklida ke lingkungan. Estimasi dilakukan untuk pengoperasian rutin dan hanya untuk efluen ke atmosfer. Metode yang dilakukan adalah perhitungan dan estimasi dengan menggunakan parameter hasil eksperimen dan perhitungan. Estimasi dilakukan untuk 2 jenis LWR yaitu masing-masing 4 reaktor PWR dan BWR dengan daya yang sama besar.
Pembangkit listrik tenaga nuklir menghasilkan tritium dan melepaskannya ke atmosfer dan ke badan air. Lepasan tritium dari uap air tritium dari beberapa tapak PLTN dapat mengakibatkan curah hujan radioaktif, yang dapat mencemari badan air permukaan serta groundwater. Tritium umumnya merupakan lepasan rutin terbesar dari pembangkit listrik tenaga nuklir dan telah menyebabkan kontaminasi luas di badan air(2).
Tritium dapat dihasilkan di dalam reaktor nuklir oleh lima mekanisme sebagai berikut: (a) reaksi fisi uranium, (b) reaksi penangkapan neutron dengan boron dan litium yang ditambahkan ke pendingin reaktor, (c) reaksi penangkapan neutron dengan boron dalam batang kendali, (d) aktivasi deuterium (hidrogen-2) dalam air, dan (e) neutron energi tinggi yang bereaksi dengan bahan struktural. Besarnya produksi tritium ini dipengaruhi oleh jenis reaktor, sejarah operasi, karakteristik desain, dan bahan konstruksi. Jumlah tritium dan cara di mana dilepaskan ke lingkungan juga akan dipengaruhi oleh parameter ini(3).
Fungsi utama dari bahan kelongsong adalah untuk mencegah keluarnya produk fisi dari elemen bahan bakar. Produk-produk fisi bisa lepas ke pendingin primer, karena tidak ada keseragaman pada pembuatan fabrikasi, kerusakan selama pengiriman atau penanganan, atau sebagai akibat
dari laju korosi yang tidak sama atau gradien suhu, terjadi pinholes pada cladding yang mengakibatkan produk fisi termasuk tritium bisa lolos ke pendingin primer. Pengalaman menunjukkan bahwa fraksi tritium yang lepas dari bahan bakar yang dilapisi dengan zirc aloy-2 secara signifikan lebih kecil dari
cladding bahan bakar yang terbuat dari stainless
steel.
Sumber-sumber produksi H-3 di reaktor adalah(3):
- Pembelahan bahan bakar tingkat tiga
- Reaksi neutron dengan detrium yang terdapat dalam air, 2H (n,γ) 3H
- Reaksi neutron dengan boron
- Reaksi neutron dengan unsur lithium sebagai impuritas dalam material6Li(n,γ) 3H
Dalam reaktor air bertekanan (PWR) sebagian besar tritium yang dilepaskan ke lingkungan dihasilkan oleh interaksi neutron dengan boron dan litium. Boron ini ditambahkan ke dalam air pendingin primer untuk mengontrol laju reaksi nuklir dalam bahan bakar dan litium tersebut akan ditambahkan untuk mengendalikan korosi.
Tritium dapat lepas ke lingkungan berupa gas HT (Tritium Hidrogen Gas)dan sebagai HTO (tritiatedwater). Tritium bisa juga dalam bentuk organik yang berikatan dengan protein, karbohidrat atau lemak yang dinamakanOrganically Bound
Tritium (OBT) dan masuk lewat bahan makanan. Pathway tritium di lingkungan mengikuti Gambar
1.
Sumber-sumber produksi 14C dalam reaktor adalah(5):
- Reaksi 14N (n,p) 14C, dari pengotor nitrogen di bahan bakar
- Reaksi 16O (n,3He) 14C, dari molekul air pendingin
- Reaksi 17O (n,α) 14C - Reaksi 235 U (n,fissi) 14C
- Reaksi 13C(n,γ)14C,bentukorganik dalam air Karbon 14, lebih dikenal sebagai C14, sebagai polutan radiologi besar dan bahaya kesehatan yang serius. Karbon 14 memiliki waktu paruh lebih dari 5000 tahun. Hal ini sebelumnya dianggap tidak menjadi ancaman serius karena C14 diproduksi di alam. Namun sudut pandang ini telah berbalik, dengan meningkatkan pemahaman mengenai kuantitas polusi isotop C14 yang dihasilkan oleh pembangkit listrik dan industri lainnya.
Tritium menyumbang 12,40 %, dan 16,8 % C-14 untuk kontribusi penerimaan dosis radiasi dari operasi rutin PWR(6).
TAT
Meto
Dilak
1. Es sis ± me sim 2. Es ke 3. Es do 4. Ko ter me doHAS
invent dan b MWe untuk lingku komp coeffi dan C invent masin BWR Didal ternar 10 11 B RCS diprod air peTA KERJA
odologi dan
kukan
stimasi aktivi stem pendingi 1000 MWe, enggunakan p mulasi(7,8). stimasi aktivit e lingkungan d stimasi pener ose coefficient omparasi deng rdispersi, untu enghitung pen ose coefficientSIL DAN P
Hasil estim tori sistem pe beberapa tipe e ditampilkan k aktivitas H ungan ditam parasi penerim cient untuk H C-14 pada Gam Estimasi tori sistem pe ng masing 4 c R yang memp am reaktor ry fission di b Bq per MWe– (Reactor C duksi melalui endingin yangA
n Langkah
itas H-3 dan in PWR dan perhitungan parameter eks tas H-3 dan C-dari tapak yanrimaan dosis t untuk H-3 da gan aktivitas uk PWR dan nerimaan dos t untuk H-3 da
PEMBAHA
masi aktivitas endingin PWR e reaktor den n pada Tabel H-3 dan C-1 mpilkan padamaan dosis den H-3 ditampilk mbar 3. aktivitas H endingin PWR contoh reakto punyai kapasi PWR tritium bahan bakar ya –tahun, yang Cooling Syste reaksi aktiva mencapai akt Gambar 1.
h-Langkah
C-14 di inv BWR dengan dilakukan d sperimen dan -14 yang terdi ng dipilih s dengan ko an C-14 H-3 dan C-14 BWR lainny sis dengan ko an C-14ASAN
s H-3 dan C-R dan BWC-R g ngan daya ± l 2; hasil es 14 yang lep Gambar 1 ngan konvers kan pada Gam-3 dan C-1 R dan BWR d r PWR dan r itas ± 1000 m dihasilkan ang mencapai 1 % lolos ke em). Tritium si Boron-10 d tivitas per tah
Pathway tritiu
yang
ventori n daya dengan n hasil ispersi onversi 4 yang ya, dan onversi -14 di generik 1000 stimasi as ke , dan si dose mbar 2 14 di dengan reaktor MWe. n dari i 6-9 x sistem juga dengan un 2.6 um di lingkun x 1010 Bq dengan litiu MWe-tahun dari RCS k ditampilkan di bahan ba tahun(7), ya yang diha deutrium m Tidak ada boron pada Tabel 3. Ha lepas ke a menunjukka BWR lebih karena da penggunaan dan emisi BWR diran cair yang d tidak ada limKa reaksi di b 14N(n,p)14C pendingin r molekul air (b) nitroge 14N(n,p)14C karbon diok dengan rea aktivitas C-dan Tabel 4 Ha ke lingkung pada Gamb lepaske ling disajikan pa ngan (4). tritium per um menghasil n(7). Dengan a e pengungkun n pada Tabel 2 akar mencapai ng 1 % lolos asilkan dari mencapai 4 x penambahan BWR. Hasil asil perhitung atmosfer dari an bahwa ak h kecil diba ampak pen n Boron pada radionuklida ncang untuk dihasilkan, seh
mbah cair, term arbon-14 akan bahan bakar . Karbon-14 reaktor dari re melalui reaks en terlarut d , serta reaksi ksidadan ben aksi 13C(n,γ) -14 terdapat p 4 untuk BWR. asil perhitunga gan dari reakt bar 2, sedang gkungan untu ada Gambar 3 MWe. Sela kan tritium 7 asumsi tritium ng 10 %, hasi 2. Estimasi H-i 6-9 x 10 11 B s ke sistem R reaksi akti 108 Bq per M tritium dari perhitungan gan aktivitas i Tabel 1 d ktivita stritum andingkan re nambahan t a BWR tidak a lain berku memproses u hingga sanga masuk tritium n terbentuk yaitu : 17O juga diprodu eaksi: (a) ato si 17O(n, α)14C dalam air m (c) karbon te ntuk organik )14C(5,8).Hasil pada Tabel 3 an untuk tritiu or PWR dan gkan aktivita uk kedua rea . in itu reaksi x 108 Bq per m yang lepas il perhitungan -3 pada BWR Bq per MWe – RCS. Tritium vasi dengan MW(e)-tahun. i penggunaan terdapat pada tritium yang dan Tabel 2, m dari reaktor eaktor PWR, tritium dari ada. Tritium urang, karena ulang limbah t sedikit atau m. dari 2 jenis O(n,α)14C dan uksi di dalam m oksigen di C; serta reaksi melalui reaksi rlarut sebagai di dalam air perhitungan 3 untuk PWR um yang lepas BWR terlihat s C-14 yang aktor tersebut i r s n R – m n . n a g , r , i m a h u s n m i i i i r n R s t g t
Jumlah tritium yang dilepaskan ke udara dan untuk air tergantung pada jenis reaktor, namun juga sangat bervariasi bahkan di antara reaktor dari desain umum yang sama. Dalam reaktor air bertekanan (PWR) sebagian besar tritium yang dilepaskan ke lingkungan dihasilkan oleh interaksi neutron dengan boron dan litium. Boron ini ditambahkan ke dalam air pendingin primer untuk mengontrol laju reaksi nuklir dalam bahan bakar dan litium tersebut akan ditambahkan untuk mengendalikan korosi. Hal ini bukan masalah pada reaktor air mendidih (BWR), dimana tidak ditambahkan boron atau litium ke dalam air pendingin primer.
Ketika tritium yang lepas ke lingkungan, maka akan terdispersi dan terdeposisi di udara, permukaan air, tanah dan vegetasi. Tritium adalah nuklida yang sangat mobile, dan bergerak di semua sistem dilingkungan (misalnya:air minum, ikan, sayuran, rumput, hewan pemakan rumput, susu, daging dan manusia). Masyarakat yang hidup dekat dengan tempat publik akan terkena tritium melalui banyak jalur perpindahan dilingkungan.
Estimasi penerimaan dosis yang diterima masyarakat sekitar dari lepasnya H-3 dan C-14,hasil estimasi diberikan pada Gambar 4 dan Gambar 5.
Gambar 2. Aktivitas H-3 yang lepas ke lingkungan dari PWR dan BWR.
Tabel 1. Hasil perhitungan aktivitas tritium pada reaktor PWR
Reaktor Teras Bq/tahun
Aktivitas H-3 (Bq/tahun)Reactor Cooling System (RCS)
Pengungkung Dari teras Aktivaside
utrium Aktivasi litium Reaksi boron Total RCS
PWR-1 (1117 MWe) 1,01E+15 1,01E+13 1,61E+10 7,82E+11 2,90E+13 3,98E+13 3,98E+12 PWR-2(930 MWe) 8,37E+14 8,37E+12 1,34E+10 6,51E+11 2,42E+13 3,32E+13 3,32E+12 PWR-3(1190 MWe) 1,07E+15 1,07E+13 1,71E+10 8,33E+11 3,09E+13 4,25E+13 4,25E+12 PWR-4(1100 MWe) 9,90E+14 9,90E+12 1,58E+10 7,70E+11 2,86E+13 3,93E+13 3,92E+12 Tabel 2. Hasil perhitungan aktivitas tritium pada reaktor BWR
Reaktor Teras Bq/tahun
Aktivitas H-3 (Bq/tahun)Reactor Cooling System (RCS)
Pengungkung Dari teras Aktivasideutri
um Aktivasi litium Total RCS
BWR- 1 (1043 MWe) 9,38E+14 9,39E+12 1,501E+10 7,301E+11 1,01E+13 1,01E+12 BWR-2 (1251 MWe) 1,13E+15 1,13E+13 1,80 E+10 8,757E+11 1,21E+13 1,21E+12 BWR-3 (1065 MWe) 9,59E+14 9,59E+12 1,53 E+10 7,455E+11 1,03E+13 1,03E+12 BWR-4(1113 MWe) 1,01E+15 1,00E+13 1,60 E+10 7,791E+11 1,08E+13 1,08E+12 Tabel 3. Hasil perhitungan aktivitas C-14 untuk PWR
Reaktor Teras Bq/tahun Aktivitas H-3 (Bq/tahun)Reactor Cooling System (RCS) Dari teras Pengungkung
coolant RCS
PWR-1 (1117 MWe) 1,21E+12 1,21E+10 4,58E+11 4,70E+11 4,70E+10
PWR-2(930 MWe) 1,01E+12 1,01E+10 3,81E+11 3,91E+11 3,91E+10
PWR-3(1190 MWe) 1,29E+12 1,29E+10 4,88E+11 5,01E+11 5,01E+10
PWR-4(1100 MWe) 1,19E+12 1,19E+10 4,51E+11 4,62E+11 4,62E+10 Tabel 4. Hasil perhitungan aktivitas C-14 untuk BWR
Reaktor Teras Bq/tahun Aktivitas H-3 (Bq/tahun)Reactor Cooling System (RCS) Dari teras Pengungkung
coolant RCS
BWR-1 (1043 MWe) 1,29E+12 1,29E+10 1,01E+12 1,02E+12 1,02E+11
BWR-2(1251 MWe) 1,55E+12 1,55E+10 1,21E+12 1,22E+12 1,22E+11
BWR-3(1065 MWe) 1,32E+12 1,32E+10 1,03E+12 1,04E+12 1,04E+11
Gamb Gamb Gamb melalu melalu bahwa karen depos tritium bar 3. Aktivit lingkun bar 4. Estima dari PW bar 5. Estima BWR. Penerimaa ui inhalasi dan ui pathway i a penerimaan a sumber tri sisi permukaan m udara yang j tas C-14 ngan dari PW asi dosis (HT WR dan BWR asi dosis C-1 an dosis da n imersi, seda ingesi. Gamb n dosis dari itium yang t n, yang juga b jatuh bersama yang lepas WR dan BWR TO dan OBT R. 14 dari PWR ari HTO bia angkan bentuk bar 4 menunj OBT lebih terikat berasa berasal dari di a air hujan. s ke T) H-3 R dan asanya k OBT ukkan besar, al dari ispersi Pen besar diba berkaitan de dan karena sehingga se 14 masih a dalam bent dosis yang mSv/tahun.
KESIMP
Ak dari pemba oleh jenis reaktor dan sebagai sum dikeluarkan dibandingka Sebaliknya dilepaskan reaktor PWRDAFTAR
1. PAND Operas 14C diA TRI D 2. MAKH Rain: From Democ (2009) 3. CHAR HARW PETER Enviro Public 1999. 4. CNSC Comm Conse numbe 5. MAN-Life cy nuclea Energy 6. PAND Radiol Daya (2008) 7. CNR Regula Fate o Public Canad PDF, I nerimaan dos andingkan d engan sumber a sifat akumu etiap pathway ada. Estimasi tuk HTO dan g diijinkanPULAN
ktifitas efluen angkit listrik reaktor, day n penggunaa mber nuklida n dari reak an BWR untu untuk aktivit dari reaktor R.R PUSTAK
DE, M.U. Pe si Reaktor te Air Sistem Pe DASA MEGA, HIJANI, A. Routine Rel Nuclear Po cratic Action ) RLES L. WEA WARD, M.S RSON Jr., M onment From c Health Repo C (Canadi mission), Trit quences in C er: INFO-0793 -SUNG YIMA ycle and mana ar power geney 48 (2006) 2– DE, M.U.
logi pada Disp PWR-1000, P ) (C ator),Investiga fTritium in th c Works an da, Catalogue ISBN 978-1-1 sis C-14 dari dengan inha r kontaminan d ulasi umur p dan di rantai dosis untuk n C-14 masih untuk publ radionuklida H tenaga nuklir ya reaktor, d an elemen b a. Aktivitas ktor PWR uk daya reakto tas C-14 lebih BWR diban
KA
engaruh Daya rhadap Konse endingin Prime , ed Pebruari 2 Radioactive leases of Tri ower Plants, n, Vol 16, N AVER, M.S., S., and H M. N. E. Tr m Nuclear ort, Vol. 84, an Nucle tium release Canada in 200 3 (2007) A, FRANCOI agement of ca eration, Progre –36 .Analisis persi Radionu Presentasi Pen Canada ation of the E he Atmospher nd Governme number CC17 100-13928-9, ( ingesi, lebih alasi, karena di lingkungan paro panjang, i makanan C-nuklida H-3 h dalam limit lik yaitu 1 H-3 dan C-14 r dipengaruhi durasi operasi ahan reaktor tritium yang lebih besar or yang sama. h tinggi yang ndingkan dari a dan Durasi entrasi3H dan er RSG-GAS, 2010 Rivers and itiated Water Science for o. 1, August ERNEST, D. HAROLD T. ritium in the Powerplants, No. 4, April ear Safety e and Dose 06, Catalogue IS CARONB, arbon-14 from ess in Nuclear Keselamatan uklida Reaktor neliti Madya, Nuclear Environmental e, Minister of ent Services 72-51/2009E-(2009) h a n , -3 t 4 i i r g r . g i i n , d r r t . . e , l y e e , m r n r , r l f s-8. DAVIS, W.Carbon-14 production in Nuclear Power Reactor, U.S. Nuclear Regulatory Commission, February 1, (1977)
TANYAJAWAB
Elisabeth S.
- Mengapa ada perbedaan jumlah produksi H-3 dan C-14 diantara 4 reaktor PWR dan 4 reaktor BWR?
Pande Made Udiyani
• Perbedaan disebabkan adanya:
o Jenis reaktor, konsentrasi H-3 dan C-14
pada reaktor BWR lebih besar dibandingkan PWR.
o Daya reaktor, konsentrasi H-3 dan C-14
dipengaruhi oleh daya reaktor karena
berhubungan dengan reaksi fisi dan aktivasi.
Puradwi
- Parameter apa saja yang mempengaruhi 3H dan
14C?
Pande Made Udiyani
• Faktor-faktor yang mempengaruhi produksi
3H dan 14C adalah:
o Jika sumbernya dari reaksi fisi, yang
mempengaruhi adalah factor daya reaktor, operasi reaktor jumlah bahan bakar dan burn-up
o Jika sumbernya dari radiasi aktivasi, yang
mempengaruhi adalah pengotor deuterium, helium, lithium dan boron serta bahan-bahan pada pendingin primer.
