PENGARUH KOMPOSISI ISOTOP DAN DENSITAS BAHAN BAKAR TERHADAP PARAMETER KRITIKALITAS DAN KINETIK PWR AP1000

(1)

PENGARUH KOMPOSISI ISOTOP DAN DENSITAS BAHAN BAKAR TERHADAP PARAMETER KRITIKALITAS DAN KINETIK PWR AP1000

Tagor Malem Sembiring¹, Surian Pinem²

1 Pusat Kajian Sistem Energi Nuklir (PKSEN-BATAN), Jalan Kuningan Barat, Mampang Prapatan, Jakarta 12710

2 Pusat Teknologi dan Keselamatan Reaktor Nuklir, Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan 15310

ABSTRAK

PENGARUH KOMPOSISI ISOTOP DAN DENSITAS BAHAN BAKAR TERHADAP PARAMETER KRITIKALITAS DAN KINETIK PWR AP1000. Makalah ini menyajikan penelitian pengaruh komposisi isotop dan densitas bahan bakar pada parameter kritikalitas (keff) dan parameter kinetik di teras PWR AP1000. Bahan bakar PWR pada saat ini banyak difabrikasi dari hasil downblending uranium weapon-grade, sehingga keberadaan nuklida U- 234 dan U-236 perlu dianalisis. Kajian U.S DOE menunjukkan jika massa UO2 per batang bahan bakar dipakai sebagai acuan, nilai densitas UO2 berbeda dengan yang dinyatakan dalam desain. Seluruh komposisi nuklida dihitung berdasarkan prosentase berat untuk tiap densitas bahan bakar. Perhitungan teras dilakukan dengan MCNP6.1 dengan model geometri 3-dimensi XYZ yang detail. Teras AP1000 yang dipilih adalah teras pertama di awal siklus dengan kondisi dengan (1574 ppm) dan tanpa boron. Analisis dilakukan dengan membandingkan dengan kondisi acuan, tanpa nuklida U-234 dan U-236 serta densitas 10,467 g/cm³. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa efek keberadaan U-234 dan U-236 dan densitas UO2 memberikan dampak yang signifikan pada keff teras dengan perubahan reaktivitas maksimum sebesar 369,9 pcm. Tidak ditemukan dampak yang signifikan pada parameter kinetik akibat perubahan komposisi dan densitas bahan bakar untuk reaktor AP1000.

Kata kunci: PWR AP-1000, MCNP6.1, parameter kinetik, kritikalitas, UO2

ABSTRACT

INFLUENCE OF FUEL ISOTOPES COMPOSITION AND DENSITY ON THE CRITICALITY AND KINETIC PARAMETERS OF THE AP1000 PWR. This paper showed a research work of the influence of the fuel isotopes and density on the criticality (keff) and kinetics parameters of the AP1000 PWR. The PWR fuel is fabricated by downblending of the weapon-grade uranium, currently, so the presence of U-234 dan U236 nuclides should be analyzed. The review from the US-DOE showed that if we use the mass of UO2 per fuel rod length data as the reference, the density of UO2 is difference with the design value. All nuclide compositions were determined based on weight percentage of each fuel density.

The core calculations were carried out using MCNP6.1 code with a detail 3-dimension XYZ geometry model. The first core in the beginning of cycle with (1574 ppm) or without boron of the AP1000 is chosen. The analysis was carried out by comparing the core calculation results with the reference condition, without 2 nuclides and density of 10.467 g/cm³. The calculation results showed that the effects of the presence of U-234 and U-236 nuclides and the density of UO2 have a significant impact on the keff with the maximum reactivity of 369.9 pcm. There were no significant impacts on kinetic parameters due to changes in the composition and density of fuel for the AP1000 reactor.

Keyword: AP1000 PWR, MCNP6.1, kinetic parameter, criticality, UO2

PENDAHULUAN

Reaktor PWR AP1000 desain Westinghouse merupakan generasi baru reaktor daya PWR (Presssurized Water Reactor), generation III+, kelas 1000 MW (elektrik).

Penyederhanaan dalam desain dan operasi mengurangi biaya (cost) pembangunannya, disamping peningkatan sistem keselamatan pasif, sehingga desain ini memiliki kelebihan dibanding generasi PWR sebelumnya [1]. Keunggulan keselamatan pasif di reaktor AP1000 telah membuat banyak negara tertarik untuk membangunnya [2]. Reaktor PWR AP1000 pertama telah beroperasi komersil di Unit-1 Sanmen (Tiongkok) pada tanggal 30 Juni 2018.

(2)

Keunggulan PLTN jenis PWR AP1000 perlu dikaji dan dianalisis sebelum menentukan pilihan dari beberapa jenis PWR lanjut (advance) yang telah didesain, seperti PWR EPR, yang juga telah beroperasi komersil di Tiongkok [2].

Kajian US-DOE (Departement of Energy) menunjukkan bahwa komposisi nuklida dan densitas bahan bakar mempengaruhi parameter kritikaitas teras PWR [3]. Saat ini bahan bakar reaktor daya difabrikasi dari hasil downblending uranium weapon-grade, sehingga komposisi nuklida U-234 dan U-236 terdapat dalam bahan bakar segarnya. Kehadiran nuklida U-234 dan U-236 memberi kontribusi reaktivitas sebesar 80 pcm [3].US-DOE menemukan bahwa densitas dari hasil penyataan desain dan jika dihitung dari data massa UO2 per perangkat bahan bakar akan terdapat perbedaan sebesar 1%. Meskipun kecil tetapi kontribusinya terhadap reaktivitas juga perlu dihitung.

Makalah ini menyajikan perubahan parameter kritikalitas (reaktivitas teras) dan kinetika reaktor AP1000 akibat perubahan komposisi nuklida dan densitas bahan bakar.

Diasumsikan hal yang sama dengan kajian US-DOE akan muncul dalam desain reaktor AP1000. Kedua parameter tersebut sangat penting dalam pengendalian reaktor, yaitu jumlah konsentrasi boron yang diperlukan untuk mencapai kondisi kritis dan jumlah batang kendali. Tujuan penelitian ini adalah untuk menentukan pengaruh perubahan tersebut dalam parameter kritikalitas dan kinetika reaktor AP1000.

Analisis dilakukan dengan paket program MCNP6.1 dengan data nuklir ENDF/B-VII.1 [4,5]. Validasi MCNP yang akurat dalam perhitungan kritikalitas dan parameter kinetik teras PWR telah ditunjukkan dalam penelitian sebelumnya [6-10]. Akurasi data nuklir ENDF/B- VII.1 juga telah ditunjukkan dalam kajian untuk reaktor PWR [5,7,11]. Kondisi teras AP1000 yang dipilih untuk studi ini adalah teras pertama di awal siklus. Kondisi saat tanpa boron dengan boron kritis (designed value) dipakai untuk melihat besarnya dampak perubahan parameter bahan bakar tersebut. Data desain AP1000 yang dipakai dalam penelitian ini diambil dari AP1000 Design Control Document Rev. 19 [12].

DESKRIPSI SINGKAT PWR AP1000

Daya termal sebesar 3400 MW reaktor AP1000 dibangkitkan dari 157 perangkat bahan bakar yang tersusun seperti Gambar 1 dan 2 [6,12]. Gambar 1 menyajikan komposisi perangkat bahan bakar yang menggunakan PYREX dan IFBA untuk mengendalikan reaktivitas lebih teras di awal siklus. Jenis dan pengelompokan batang kendali di teras awal disajikan di Gambar 2.

112I 112I 24P

72I 24P

72I 112I 112I

12P88I 24P

28I 12P

24P 88I 24P 28I

88I 24P

88I 88I9P 24P

72I 24P

72I 9P 24P 88I

88I 24P

88I

88I9P 24P

72I 24P

72I 9P 24P 88I

88I 24P

88I

112I 24P 112I

28I 24P

24P 28I

88I 24P

24P 88I

88I 24P

88I

112I 24P 112I

28I 24P

24P 28I

88I 24P

24P 88I

88I 24P

88I 112I 24P

44I 24P 112I

24P 44I

88I 24P

88I

112I 112I

112I 24P

44I 24P 112I

24P 44I

88I 24P

88I

112I 112I

112I 28I 24P 28I 112I

44I 24P

24P 44I

88I 24P

88I

112I 28I 24P 28I 112I

44I 24P

24P 44I

88I 24P

88I 112I

112I 24P 112I 112I

28I 23P

28I 24P

28I

112I

112I 24P 112I 112I

28I 23P

28I 24P

28I 112I 112I 24P

72I 24P

72I 112I 112I 88I9P 12P

88I 9P 88I

88I9P 12P 88I 9P

88I 2.35%

3.40%

4.45%

Enrichment

## P Number of PYREX rods

## I Number of IFBA rods

Gambar 1. Konfigurasi teras pertama AP1000 [6,12]

(3)

SD4 MB SD4

MB M1 MD A0 MD M1 MB

SD2 SD3 SD1 SD1 SD3 SD2

SD4 A0 MA MD MA A0 SD4

M2 SD1 SD3 SD3 SD1

M2 SD1 SD3 SD3 SD1 M2

MC A0 M1 A0 MC

M2 SD2 SD2 M2

SD4 MB SD4

M2

Bank

MA MSHIM Control Gray Bank AO AO Control Bank

MB MSHIM Control Gray Bank SD1 Shutdown Bank 1 MC MSHIM Control Gray Bank SD2 Shutdown Bank 2 MD MSHIM Control Gray Bank SD3 Shutdown Bank 3 M1 MSHIM Control Black Bank SD4 Shutdown Bank 4 M2 MSHIM Control Black Bank

Gambar 2. Konfigurasi teras pertama AP1000 dengan batang kendali [6,12]

Bahan bakar AP1000 menggunakan 3 jenis pengkayaan UO2 yaitu 2,35 %, 3,4% dan 4,45%. Bahan bakar, PYREX dan IFBA disusun dalam perangkat bahan bakar 17 × 17.

Tabel 1 menyajikan beberapa data desain AP1000 yang digunakan dalam penelitian ini [6,12]. Data detail dapat dilihat dalam Pustaka [12].

Tabel 1. Desain reaktor AP1000

Parameter Nilai

Daya reaktor:

Daya termal, MW 3400

Daya elektrik, MW 1117

Panas yang dibangkitkan di bahan bakar, % 97,4 Teras aktif:

Tinggi bahan bakar aktif di teras pertama, cm 426,7

Diameter ekivalen, cm 304

Perangkat bahan bakar:

Susunan 1 (satu) perangkat 17×17

Jumlah perangkat dalam satu teras 157

Material bahan bakar UO2 (sintered)

Pengkayaan U-235,w% 2,35, 3,40 dan 4,45

Jumlah batang (rod) bahan bakar 264

Jumlah tabung pengarah/instrument guide thimbles 24/1 Batang bahan bakar:

Jumlah di teras 41.448

Diameter luar , cm 0,94996

(4)

Diameter celah, cm 0,01651

Tebal kelongsong, cm 0.05715

Panjang batang bahan bakar aktif, cm 426,72

Pelet bahan bakar::

Material UO2

Densitas (% teoritis) (nominal) 95,5%

Diameter, cm 0,81915

Massa UO2 per batang bahan bakar, g/cm 5,4467

METODOLOGI

Perhitungan parameter kritikalitas teras AP1000 untuk pengaruh komposisi nukida dan densitas bahan bakar dilakukan dengan:

1. Teras AP1000 yang dipilih adalah teras pertama dengan 3 jenis pengkayaan (Gambar 1) pada kondisi CZP (cold zero power), dingin (293 K) dan daya rendah (zero power).

2. Teras AP1000 dimodelkan secara detail dalam 3-dimensi XYZ seperti dilakukan dalam penelitian sebelumnya [6].

3. Perhitungan komposisi nuklida (isotop) penyusun bahan bakar disusun seperti Tabel 2.

Nilai W dihitung untuk tiga jenis pengkayaan, 2,35 w/o, 3,4 w/o dan 4,45 w/o.

Tabel 2. Persamaan nuklida pengkayaan rendah [3]

Isotop Persamaan

U-234 0,007731 × W^1,0837

U-235 W

U-236 0,0046 × W

U-238 sisanya

Catatan : W = % berat U-235

4. Perhitungan densitas UO2 dilakukan dengan massa UO2 per batang bahan bakar di Tabel 1, yaitu 4,4467 g/cm. Jika dihitung volume total batang bahan bakar, dengan panjang 426,72 cm dan jari-jari 0,409575 cm, maka densitas UO2 menjadi 10,297 g/cm³. Nilai ini 1,62% lebih kecil dibanding nilai berdasarkan 95,5% teotitis, 10,467 g/cm³. 5. Perhitungan kritikalitas, keff, dengan MCNP6.1 dilakukan untuk pengaruh komposisi U-

234 dan U-236 dibandingkan dengan tanpa 2 nuklida ini. Acuan nilai keff yang tanpa 2 nuklida, U234 dan U-236, diambil dari penelitian Kuntoro, I. dkk [11].

6. Perhitungan keff akibat perubahan denistas UO2 dilakukan untuk densitas 10,297 g/cm³. Hasil perhitungan dibandingkan dengan densitas 10,467 g/cm³ [11]

7. Langkah 5 dan 6 dilakukan untuk 2 kondisi boron, yaitu tanpa boron (0 ppm) dan dengan boron (1574 ppm). Kondisi dengan boron, 1574 ppm, dimabil dari data desain AP1000 sebagai konsentrasi boron kritis untuk CZP pada awal siklus [12]. Khusus, untuk perhitungan parameter kinetik, teras hanya pada kondisi dengan boron.

Perhitungan kritikalitas, keff, teras AP1000 dengan MCNP6.1 dilakukan dengan jumlah neutron sebanyak 100.000 (10⁵) per siklus. Sejumlah 100 siklus dilompati sebelum perhitungan keff dimulai dari total 600 siklus yang digunakan. Sumber neutron diatur posisinya dengan kartu (card) ksrc yang terdistribusi ke arah aksial dan radial. Jumlah posisi sumber neutron adalah 340 titik. Parameter kinetik, yaitu parameter neutron kasip, dihitung dengan kartu KOPTS. Hamburan neutron termal S(α,β) untuk H2O pada temperatur 293 K dipilih dalam perhitungan ini. Khusus untuk perhitungan parameter kinetik, parameter yang dihitung adalah β^eff dan ℓ (μs)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil perhitungan keff akibat perubahan komposisi nuklida dan densitas bahan bakar akan disajikan terlebih dahulu. Tabel 3 menyajikan efek nuklida U-234 dan U-236 pada nilai keff teras AP1000 pada kondisi tanpa boron (0 ppm) dan dengan boron (1574 ppm).

Tampak jelas bahwa efek nuklida U-234 dan U-236 dapat mencapai 216,4 pcm pada saat dengan boron. Efeknya berkurang pada saat tanpa boron yaitu 178, 6 pcm. Nilai perubahan

(5)

sebesar 178,6 pcm dan 216 pcm ini setara dengan nilai 1 grup batang kendali MSHIM Gray (all bank), MC (Gambar 2), 139 pcm (awal siklus) dan 218 pcm (akhir siklus) untuk kondisi HZP [12]. Hal ini menunjukkan bahwa pengaruh keberadaan 2 nuklida U-234 dan U-236 cukup signifikan dalam kritikalitas. Jika dilihat dari konsentrasi boron, perbedaan 178,6 pcm dan 216,4 pcm masing-masing setara dengan 35,72 ppm dan 43,28 ppm (dengan asumsi koefisein boron minimum 5 pcm/ppm) [12]. Besarnya pengaruh konsentrasi boron sebesar 43,28 ppm adalah 60% dari selisih konsentrasi boron dari kondisi cold ke hot [12].

Tabel 3 juga menunjukkan bahwa saat ada boron, kehadiran nuklida U-234 dan U- 236 memberikan efek 37,8 pcm lebih besar dibanding bahan bakar yang tidak mengandung 2 nuklida tersebut. Ini menjukkan interaksi neutronik dengan adanya boron lebih sensitif tehadap perubahan yang terjadi di bahan bakar. Hal ini juga ditunjukkan pada Tabel 4, perubahan densitas 1,62% dapat menyebabkan perbedaan kritikalitas sebesar 264 pcm diantara 2 kondisi densitas tersebut.

Efek perubahan densitas untuk kondisi teras tanpa dan dengan boron masing- masing adalah 105,9 pcm dan 369,9 pcm. Seperti dinyatakan di atas, nilai ini melebihi dari nilai 1 grup batang kendali MSHIM Gray (all bank) yang terbesar, MD (Gambar 2), 312 pcm (awal siklus) untuk kondisi HZP [12]. Dengan demikian perubahan keff AP1000 akibat densitas UO2, ΔρΔρ^UO2, berada dalam rentang 622.94 pcm/g/cm³ – 2175,88 pcm/g/cm³.

Tabel 3. Efek nuklida U-234 dan U-236 pada keff teras AP1000 Konsentrasi

boron, ppm

Tanpa U-234 dan U-236

Dengan U-234 dan U-236

Δρ, pcm keff

0 1,21015±0,00010 1,20754±0,00010 178,6 1574 0,98138±0,00010 0,97930±0,00009 216,4

Tabel 4. Efek densitas UO2 pada keff teras AP1000 Konsentrasi

boron, ppm

10,467 g/cm³ 10,297 g/cm³ Δρ, pcm

keff

0 1,21015±0,00010 1,20860±0,00013 105,9 1574 0,98138±0,00010 0,97783±0,00010 369,9

Tabel 5 menyajikan hasil perhitungan parameter kinetik AP1000, β^eff dan ℓ (μs), untuk efek hadirnya nuklida U-234 dan U-236 serta perubahan densitas UO2. Hal yang sama pada parameter kritikalitas, parameter β^eff lebih berpengaruh pada perubahan densitas dibanding perubahan komposisi nuklida. Efek perubahan densitas sebesar 1,60%

sedangkan efek kehadiran nuklida sebesar 0,67%. Hal ini dikarenakan pada kejadian perubahan densitas, maka komposisi U-235 dan U-238 berubah sehingga terjadi pergeseran fluks neutron lebih ke termal sehingga menaikkan nilai β^eff.

Tabel 6 menunjukkan nilai ℓ akan naik 1,91% dengan hadirnya nuklida U-234 dan U- 236. Kenaikan nilai ℓ akan lebih tinggi lagi dengan berurangnya densitas UO² yaitu 3,38%.

Meskipun demikian dalam aspek kendali perubahan sebesar ini tidak memberikan dampak pada kendali neutron. Seperti disinggung sebelumnya, penyebab ini berkaitan dengan perubahan fluks thermal neutron akibat perubahan densitas memiliki pengaruh yang lebih besar.

.

Table 5. Hasil perhitungan β^effand ℓ untuk AP1000 Parameter Desain Tanpa

U-234 dan U236

Dengan U-234 dan U236 β^eff 0,0075 0,00695±0,00013

(-7,33%)^a

0,00690±0,00013 (-8,00%)^a

ℓ, μs 19.8 19.53±0.04

(-1,36%)^a

19,91±0,04 (0,55%)^a Desain Densitas Densitas

(6)

10,467 g/cm³ 10,297 g/cm³ β^eff 0.0075 0,00695±0,00013

(-7,33%)^a

0,00707±0.00014 (-5,73%)^a

ℓ, μs 19.8 19,53±0,04

(-1,36%)^a

20,20±0,04 (2,02%)^a Catatan : ^a Perbedaan relatif dengan nilai desain

KESIMPULAN

Hasil penelitian menunjukkan bahwa parameter kritikalitas sangat sensitif dengan perubahan komposisi nuklida penyusun bahan bakar dan densitas bahan bakar dibanding paraeter kinetik. Perubahan reaktivitas maksimum akibat perubahan densitas UO2 dan perubahan komposisi nuklida masing-masing sebesar 369,9 pcm dan 216,4 pcm. Harga perubahan reaktivitas per perubahan densitas maksimum sebesar 2175,88 pcm/gcm³. Perubahan pada parameter kinetik, β^eff dan ℓ, akibat hadirnya nuklida U-234 dan U-236 serta perubahan densitas tidak signifikan.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penelitian ini dilakukan di PKSEN-BATAN dalam kegiatan DIPA PKSEN Tahun Anggaran 2018.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. SCHULZ T.L., "Westinghouse AP1000 Advanced Passive Plant", Nucl Eng Des. Vol.

236, pp. 1547-57 (2006).

[2]. CUMMINS, W.E, MATZIE, R., "Design Evolution of PWRs: Shippingport to Generation III+", Prog Nucl Energy, Vol. 102, pp 9-37 (2018).

[3] GODFREY, A.T., "VERA core physics benchmark progression problem specifications" (2014)

[4]. GOORLEY, T., JAMES, M. , BOOTH, T. , BROWN, F., BULL, J. , COX, L.J. , et al.

"Features of MCNP6", Ann Nucl Energy, Vol 87, pp 772-83 (2016)

[5]. KAHLER, A.C., MACFARLANE, R.E., MOSTELLER, R.D., KIEDROWSKI, B.C., FRANKLE, S.C., CHADWICK, M.B., et al, "ENDF / B-VII . 1 Neutron Cross Section Data Testing with Critical Assembly Benchmarks and Reactor Experiments", Nucl Data Sheets, Vol. 112, pp. 2997–3036 (2011).

[6]. SEMBIRING, T.M., Analysis of the 3-Dimensional Core Model for Evaluation of Criticality Parameters of the Advanced PWR 100 MW Class", Tri Dasa Mega, Vol 13, pp 78-95 (2011).

[7]. SEMBIRING, T.M., SUSILO, J. , PINEM., S.,"Evaluation of the AP1000 Delayed Neutron Parameters using MCNP6". J Phys Conf Ser. 962, 012030 (2018) .

[8]. BÉCARES, V., PÉREZ-MARTÍN, S., VÁZQUEZ-ANTOLÍN, M., VILLAMARÍN, D, MARTÍN-FUERTES, F., GONZÁLEZ-ROMERO, E.M., et al., "Review and Comparison of Effective Delayed Neutron Fraction Calculation Methods with Monte Carlo Codes". Ann Nucl Energy, Vol 65, pp 402- 10 (2014).

[9]. PERRET, G., BLAISE, P., MESSAOUDI, N., GESLOT, B., WAGEMANS, J., BAETEN, P, et al., "Validation of Monte-Carlo Methods for Generation Time and Delayed Neutron Fraction Predictions", Ann Nucl Energy, Vol 97, pp 165-70 (2016)..

[10]. VASILIEV, A., FERROUKHI, H., PECCHIA, M., PAUTZ, A,"Localized Neutron Flux Assessment and Verification Studies using MCNPX PWR Full Core Model", Ann Nucl Energy, Vol 92, pp 317-32 (2016).

[11]. KUNTORO, I., SEMBIRING, T.M., SUSILO, J., SUNARYO, G.R., "Effects of the Application of the New Nuclear Data Library ENDF/B to the Criticality Analysis of AP1000 ", J Phys Conf Ser. 962, 012059 (2018)

[12]. WESTINGHOUSE, "AP1000 Design Control Document. AP1000 Design Control Document", (2009).