OPTIMASI PEMUATAN TARGET ISOTOP IR-192 DAN FPM DI TERAS RSG-GAS DARI SEGI NEUTRONIK

(1)

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasililas Nuklir

Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN

OPTIMASI PEMUATAN TARGET ISOTOP IR-192 DAN FPM

DI TERAS RSG-GAS DARI SEGI NEUTRONIK

Oleh:

Sri Kuntjoro, As Natlo Lasman, Kun Sutlarso 0, Gatot Praptoriadi Pusat Reaktor Serba Guna - Badan Tenaga Atom Nasional

ABSTRAK

OPTIMASI PEMUATAN TARGET ISOTOP IR-l92 DAN FPM DI TERAS RSG-GAS DARI SEGI NEUTRONIK. Telah dilakukan optimasi pemuatan target isotop 1r-l92 dan FPM (Fission Product Molybdenum) di teras RSG-GAS ditinjau dari sudut neutronik. Optimasi meli-puti jumlah massa target yang dapat diiradiasi di teras RSG-GAS, posisi iradiasi untuk setiap target, reaktivitas gangguan saat iradiasi serta reaktivitas gangguan saat pemuatan atau penarikan target FPM pada kondisi reaktor beroperasi dan dilakukan dengan cara perhitungan. Perhitungan dilakukan menggunakan paketprogram WIMS/D4dan UM2DB yangmasing-masing digunakan pada perhitungan sel dan teras reaktor. Hasil yang diperoleh adalah massa 1r-l92 dan FPM yang dapat diiradiasi di teras RSG-GAS berturut-turut sebesar 720 gram dan 120 gram. Posisi iradiasi yang digunakan adalah dua posisi iradiasi pusat (C1P) untuk target FPM dan empat posisi iradiasi (IP) untuk target 1r-I92. Reaktivitas gangguan akibat adanya target-target isotop adalah 0,80 % L kJk dan perubahan reaktivitas gangguan akibat pemuatan dan penarikan target FPM saat reaktor beroperasi pada daya turon 5 MW (reduce power) adalah 0,20 % LkJk. Hasil ini menjamin reaktor tetap dapat beroperasi dengan am an saat iradiasi maupun saat pemuatan dan penarikan target pada kondisi operasi daya ditinjau dari sudut neutronik.

ABSTRACT

OPTIMIZA nON OF IR-l92 AND FPM ISOTOP TARGETS INRSG-GAS CORE FROM NEUTRONIC ASPECT. Optimization ofisotop targets 1r-l92 and FPM irradiation in RSG-GAS core . from neutronic aspect has been done. Optimization covers determination of target amount and it's positions in the core, change of reactivity during irradiation and loading/unloading of one FPM capsul at reduced power of 5 MW. It was carried out by calculation. Calculation has been done with W1MS/ D4 and UM2DB computer programs. W1MS/D4 code was used for cell calculation, and UM2DB code was used for reactor calculation. The results of max imum mass of radioisotop target 1r-l92 and FPM, induced reactivity, insertion or withdrawn reactivity of one FPM capsul are 720 gram, 120 gram, 0,80 % LkJkand 0,20 % LkJkrespectively. TheresultsshowthattheRSG-GAS can still be operated safely for optimal irradiation of radioisotope production ..

PENDAHULUAN

Reaktor G.A. Siwabessy adalah reaktor nuklir tipe pengkayaan rendah dengan daya nominal30 MW. Reaktor ini mempunyai multiguna antara lain adalah untuk memproduksi radioisotop. Hal ini dimungkinkan karena RSG-GAS mempunyai fluks neutron rata-rata di posisi iradiasi sekitar 2,00E+ 14nlcm2-dtk.

Di dunia saat ini peluang pasar untuk radioisotop sangat besar. Melihat adanya peltiang terse but BAT AN saat ini mempunyai kebijakan untukdapat memenuhinya. Dua isotop primadona menjadi andalan untukdiproduksi, yaitu isotop 1r-l92 dan isotop FPM (Fission Product Molybdenum) sebagai hasil dari iradiasi Uranium-235 dengan pengkayaan tinggi.

Adanya fluks neutron yang tinggi di posisi iradiasi RSG-GAS mempunyai keuntungan karena untuk memperoleh radioisotop dengan aktivitas tinggi hanya diperlukan waktu iradiasi yang pendek. Selain itu limbah samping yang dihasilkan sebagai akibat iradiasi U-235

pengkayaan tinggi juga keci!.

Makalah ini menjelaskan cara menentukanjumlah massa optimum dari target 1r-l92 dan FPM yang dapat diiradiasi di teras RSG-GAS. Cara yangdilakukan adalah melalui perhitungan. Perhitungan dilakukan menggu-nakan paket program W1MS/D4 dan UM2DB. Paket program W1MS/D4 digunakan pada perhitungan sel dan paket program UM2DB digunakan pada perhitungan reaktor. Dari hasil perhitungan diperolehjumlah massa optimum target yang dapat diiradiasi, reaktivitas terganggu akibat adanya target iradiasi, reaktifitas target FPM saat pemuatan dan penarikan dari teras reaktorpada kondisi reaktor beroperasi pada daerah daya 5MW (re-duced power) serta depresi fluks neutron di setiap posisi iradiasi.

Batasan yang diambil untuk perhitungan adalah reaktivitas terganggu

<

1,5% LkJk dan reaktivitas saat pemuatan dan penarikan target FPM pada kondisi reaktor beroperasi daya 5MW

<

0,30 % LkJk. Harga batas

(2)

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan PLTN Serla Fasiliras Nllklir

Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN

'U LrFPMVT'Ij!(r) <D'(r) - Lalr.l92 VT ,per) <D'(r)

p= --- (1) 'UL'Ij! Lr<D' dV

scbut diambil agar reaktor dapat tetap beropcrasi dcngan aman selama iradiasi, pemuatan dan penarikan target ditinjau dari sudut neutronik.

dcngan;

p = Nilai reaktivitas

'U = lumlah neutron yang dihasilkan setiap reaksi pembelahan

=

Penampang lintang fissi target FPM = Pcnampang Iintang serapan target Ir-l92 = Volume target

=

Fluks terganggu pada jarak ro

=

Setara dengan

TEOR!

Sifat fisis dari suatu teras rcaktor nuklirdinyatakan dengan distribusi fluks neutron sebagai fungsi tenaga, ruang dan waktu serta faktorperlipatan efektif(kelT). Sifat fisis terse but dihasilkan dari adanya interaksi antara neutron dengan material-material penyusun teras reaktor. Bila terjadi gangguan pada interaksi tersebut maka akan terjadi perubahan pada distribusi fluks neutron serta kelT teras. Gangguan dapat diakibatkan karena adanya perubahan konfigurasi teras, perubahan komposisi bahan bakarlkendali maupun karena pemuatan material asing ke teras reaktor. Untuk menganalisa gangguan tersebut dilakukan perhitungan berdasarkan teori gangguan (parturbation theory).

Gangguan reaktivitas karena adanya target Ir-192 dan FPM yang memiliki volume VT dan ditempatkan sejauh rodinyatakan dalam teorigangguan sebagai berikut

Tahap kedua adalah perhitungan reaktor menggunakan paket program UM2DB. Langkah-langkah perhitungan yang dilakukan adalah sebagai berikut;

1. Membuat masukan program dengan data berupa geometri teras, konstanta kelompok untukseluruh material penyusun teras,jumlah titik perhitungan (mesh point)

2. Menghitung harga KelTdan distribusi fluks neu tron teras tanpa target iradiasi

3. Menentukan posisi iradiasi target Ir-l92 dan FPM

4. Memasukkan data konstanta kelompok target iradiasi pada data masukan

5. Menghitung harga kelTdan distribusi fluks neu tron teras dengan adanya target iradiasi 6. Menghitung reaktivitas teras sebelum dan sesudah

adanya target Ir-192 dan FPM .

7. Membandingkan distribusi fluks neutron sebelum dan sesudah adanya target Ir-l92 dan FPM 8. Memilih satu kapsul FPM yang akan ditarik dari

Untuk memperoleh harga kelTdilakukan perhitungan reaktor menggunakan program UM2DB dengan data-data masukan berasal dari perhitungan sel menggunakan program WIMS/D4.

Selain gangguan reaktivitas terdapat gangguan lain yaitu gangguan pada distribusi fluks neutron. Gangguan yang terjadi berupa depresi fluks neutron disekitarposisi irasiasi target Ir-192 dan FPM. Fluks terganggu inilah yang digunakan imtuk menghitung lama iradiasi target untuk memperoleh aktivitas Ir-l92 dan FPM yang sesuai dengan kebutuhan.

dcngan;

IIp = perubahan reaktivitas teras karena gangguan KelT

=

faktor perlipatan teras sebelum ada gangguan K'elT= faktor perlipatan teras setelah ada gangguan

TAT A KERJA

Perhitungan untuk optimasi target Ir-192 dan FPM dilakukan dalam dua tahap. Tahap pertama adalah perhitungan sel menggunakan paket program WIMS/ D4. Langkah-langkah perhitungan yang dilakukan adalah sebagai berikut ; .

1. Membuat unit sel untukseluruh material penyusun teras reaktor antara lain elemen bakar, clemen kendaIi, elemen reflektor Berylium, elemen blok reflektor BeryIium, elemen dummy, elemen IP, . elemen CIP, kolom air dan lain-lain.

2. Menghitung densitas untuk setiap unsur dari material-material tersebut.

3. Menghitung konstanta kelompok untuk seluruh material penyusun reaktorpada empat kelompok energi neutron.

4. Membuat unit sel untuk target Ir-l92 dan FPM. 5. Menghitung konstanta kelompok untuk target

Ir-192 dan FPM pada empat kelompok energi neu-tron.

(2) ( 'U LrFPM- Lalr.I92) VT'Ij!(r) <D'(r)

'UJv'Ij! Lr<D' dV

p=

Dari persamaan di atas terlihat bahwa reaktivitas gangguan semakinbesar bila volume target semakin besar. Untuk volume yang sama reaktivitas gangguan dapa,t bcrharga positif maupun berharga negatif bergantung bada massa target Ir-l92 dan FPM. Bila massa target FPM» dibandingkan dengan massa target Ir-l92 maka reakti vitas gangguan akan berharga positif, tetapi bila massa Ir-l92 » dari massa FPM maka reaktivitas gangguan berharga negatif. Selain ituraktivitas gangguan akan semakin besar bila target dimuat semakin mendekati pusat teras reaktor.

Besamya reaktivitas gangguan dapat ditentukan dengan menghitung harga kelTteras sebelum dan sesudah adanya gangguan. Hubungan antara reaktivitas dengan kelTdinyatakan dalam persamaan di bawah ini:

K'

- 1

K

- 1

II

P

=

[elT ] - [elT ] (3) K'elT Kerr

(3)

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselama/an PLTN Serpong, 9-10 Februari 1993

Ser/a Fasilitas Nuklir PRSG, PPTKR - BATAN

teras reaktor

9. Menghitung harga ketfIan distribusi fluks neutron tanpa satu kapsul FPM dengan program UM2DB 10. Menghitung reaktivitas teras tanpa satu kapsul

FPM

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil yang diperoleh dapat dilihat dari Tabel I., Gambar I., dan Gambar 2 ..

Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa adanya target FPM mengakibatkan depresi fluks neutron pada posisi dim ana target FPM tersebut diiradiasi. Selama iradiasi target

Ir-l92 dan FPM daya reaktordipertahankan konstan. Oleh karenaitu depresi fluks yang terjadi akan diimbangi dengan kenaikkan fluks neutron diposisi sekitar daerah depresi. Hal inilah yang menyebabkan fluks neutron di posisi dimana target Ir-l92 berada tidak mengalami depresi walaupun penampang lintang serapan target Ir-192 besar.

Selain itu adanya sifat penampang lintang yang berlawanan antara target Ir-l92 dan FPM yaitu Ir-l92 memiliki pen am pang lintang serapan besar sedangkan FPM memiliki penampang lintang fissi besarmemberikan keuntungan tersendiri bila keduanya diiradiasi secara bersama-sama. Reaktivitas yang timbul karena adanya kedua target tersebut lebih kecil dibandingkan bila target tersebut diiradiasi sendiri-sendiri. Dengan demikian jumlah massa kedua target yang dapatdiiradiasi meningkat

bila kedua target diiradiasi bersama-sama.

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil perhitungan dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut :

1. Akibat iradiasi FPM terjadi depresi fluks pada posisi target yang diiradiasi (CIP).

2. Depressi fluks tersebut akan diirnbangi dengan kenaik-kan fluks neutron diposisi sekitamya diantaranya pada posisi iradiasi (IP) dimana target Ir-l92 diiradiasi, karena selama iradiasi daya reaktor dipertahankan konstan.

3. Kenaikan fluks neutron di IP akan mengkompensasi adanyadepresi fluks karena adanya penampang lintang serapan yang besar dari target Ir-192, sehingga pi posisi tersebut depresi fluks tidak terjadi

4. Massa Ir-192 dan FPM yang dapat diiradiasi bersama-sama masing-masing sebesar720 gram dan 120 gram.

5.

Reaktivitas gangguan akibat adanya target Ir-l92 dan FPM sebesar 0,80 % ~1<l1(.

6. Reaktivitas gangguan akibat penarikan dan pemuatan satu kapsul FPM sebesar

+

0,20 % k1k.

DAFTAR PUSTAKA

1. TAUBMAN, C.J.,The WIMS 69-Group Library Tape 166259, United Kingdom Atomic Energy Authority (1975)

(4)

Prosiding Seminar Tcknologi dall Kcselamalan PLTN Serla Fasilitas Nuklir

DISKUSI

BUD ISANTOSO :

1. Parameter apa yang diubah dalam optimasi ?

2. Bagaimana interaksi antara core dengan fasilitas iradiasi ? 3. Codes yang dipakai

Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN

SRI KUNTJORO :

1. Yang diubah adalah posisi iradiasi, gram FPM dan Ir-I92.

2. Secara neutronik maupun termohidrolik keberadaan fasilitas iradiasi dapat pertanggungjawabkan dari segi kese-lamatan reaktor.

3. WIMSID4 untuk perhitungan sel UM2DB untuk perhitungan reaktor

IYOS SUBKI :

1. Batasan reaktor : reaktivitas , 1,5 %

=

2 $ ini sangat besar.

Juga 0,2 % masih dianggap besar

!

Sebab bisa terjadi transien tanpa sram

!.

2. Untuk menghitung reaktivitas Ir-l92 di RSG-GAS : teori gangguan tidak berlaku! Sebab : strong absorber dan reaktor ber-reflektor

!

Sudah diverifikasi secara experimental?

SRI KUNTJORO :

1. Faktor keselamatan pada kondisi transien telah dihitung dan harga 0,30 % A k/k pada kondisi transien tetap aman yaitu suhu

<

suhu maksimum diijinkan, tidak terjadi SCRAM.

2. Belum, akan tetapi perhitungan dilakukan menggunakan program Diffusi dimana untuk kondisi ini Absorber kuat dan reaktor ber-reflektor solusinya berlaku.

SETIYANT 0 :

1. Kalaujudulnya OPTIMASI , tentunya ada sederetan perhitungan yang lain, dapatkah ditunjukkan perhitungan tersebut, dan dimana faktor optimumnya ?

2. Perhitungan terse but untuk daya berapa dan bagaimana dengan daya yang lain?

SRI KUNTJORO :

1. Faktoroptimum yang menjadi parameteradalah fluks neutron yang berkait dengan posisi iradiasi, reaktivitas teras, massa target isotop.

2. Dilakukan untuk daya 30 MW.

Untuk daya yang lain sebanding dengan harga sbb :

Daya (X MW)

Daya (30 MW)

(5)

N

\0 y.)

Tabel!. Hasil Perhitungan Optimasi Target Ir-I92 dan FPM di teras RSG-GAS

No ObjekHarga sebelumHarga setelah adaHarga setelah adaHarga setelah ada gangguan

Ir-l92 dan FPMFPM_Ir-l92

1.

Massa Ir-92 720,00 gram_{720,00 gram}

-

-2.

Massa FPM 120,00 gram120,00 gram

-

-3.

Reaktivitas penan -

±

0,20 % k/k

±

0,22 % k/k

-

-kan/pemasukan satu kapsul FPM

4.

Reaktivitas karena - 1,05 % k/k1,89 % k/k 0,80 % k/k adanya target Ir-l92

-and FPM

5.

Fluks di CIP posisi 8,49E+132,29E+148,64E+ 132,3E+14 E-7

n/cm2-dtk n/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtk

6.

Fluks di CIP posisi 8,56E+132,27E+148,70E+132,33E+14 D-6

7.

Fluks di IP posisi 1,94E+141,85E+141,96E+14 1,04E+14 0-7

8.

Fluks di IP posisi 2,07E+142,04E+142,10E+14 2,00E+14 E-4

9.

Fluks di IP posisi 1,85E+141,82E+141,88E+14 1,86E+14 D-9

10.

Fluks di IP posisi 1,88E+141,84 E+141,90E+14 1,86E+14 8-6 n/cm2-dtk n/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtk

-c",,\>

"

..• •.•0 5" ~. ~~

a~

E.;~

-

"

C1 :!

~ s·

~~

q:~

>;-::s o C

~.

~ ~

"

5" :! t> 5" ::s ;:: ~ c"

"

~ o

;:g~

c,,'O ~o •....• "\>c ""O"1J ~~ o i;

~::

~~

(6)

~

Lid

D

~

1,2681E "12

~

r=

Elemen

Bakar

Elernen

Kendali

Elemen

Beryllium

I®I

System

Cepat

Rabbit

~

Posisi

Normal

Irradiasi

.

~"-J

Pusat

P u sa

t

GJ

Posisi

Irradiasi

_{Blok Reflektor}

_Beryllium

7,4 905E +13

1,2681 E .•12

Ge..mbar

i.

Pemetae..n Fluks

Neutron

Terme..1 (n/cm2.dtk)

(7)

--1.2090E~-12.

~

4 ~1:,':I' •.- ,.,." _. :.2090'i=~12. 8,1370E~13 6,6420E~13

[i

Elemen

Bakar

...-.

W

Elemen

Kendall

N

~

Elemen

Beryllium

\0 _8.9277E~13 VI

~

System

Rabbit

Cepat

~

Syster:n

Rabbit

Normal

~

Posisl

Irradiasl

Pusat

GJ

Posisl

Irradiasl

Blok Reflektor

Beryllium

I, 1285E~13 1.4I04E~ 14 7.62.98E~13 1,82.14E~13 7,922.1E~13 7,2015E~13 5.7607E~13 9.2.910E~13