Proseding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah
PPNY-BATAN. Yogyakarta 14 -15 Ju/i 1999 Buku I 221
AN ALISIS A W AL PENENTU AN REAKTIVIT AS
KENDALl PEMULSA REAKTOR KARTINI
BATANG
Widarto, T.W. Tjiptono, Syarip PPNY -BATAN
ABSTRAK
ANALISIS AWAL PENENTUAN REAKTIVITAS BATANG KENDALl PEMULSA REAKTOR KARTINI. Telah dilakukan analisis penentuan besarnya reaktivitas batang kendali untuk pemulsaan daya reaktor Kartini, dari operasi normal pada daya 100 kW menjadi 20 MW dalam waktu sesaat dengan tujuan untuk mendapatkan fluks neutron yang sangat tinggi sekitar orde 1014 nlcm2 detik. Analisis dilakukan berdasar alas lama waktu penyisipan batang kendali dan kinetika neutron serempak dari hasil flSi bahan bakar U235. Dari hasil perhitungan dengan kecepatan batang kendali pemulsa yang sangat tinggi, dalam waktu t = 5 milidetik untuk mencapai daya 20 MW. diperoleh harga reaktivitas p = (223 :i: 2,1) 10,.4 % yang merupakan harga reativitas ekivalen dari batang kendali pemulsa.
ABSTRACT
PRELIMINARY ANALYSIS OF PULSE CONTROL ROD REACTIVITY OF KARTINI REACTOR. Analysis to determine pulse control rod reactivity for pulsing of Kartini reactor power on normal operation from 100kW to 20 MW has been done. Purpose of the pulsi~g is to find. neutron flux around 1014 n/cm2 sec in the short time (millisecond). The analisys based on duration of control rod insertion time and prompt neutron kinetic of U235 fuel fISsion product. Furthermore,. with very fast velocity insertion of control rod, for t = 5 mollisecond to reach 20 MW power level the reactivity equivalent of the pulse control rod is p =.(223 x 2,1) 10-4 %.
dengan penambahan atau pemindahan bahan bakar, adanya moderator daD reflektor atau penyisipan bahan-bahan penyerap kuat terhadap neutron. Penyisipan bahan penyerap kuat neutron merupakan cara yang biasa dilakukan untuk pengendalian reaktor termal. Untuk maksud ini biasanya diguna-kan bahan boron atau cadmium yang mempunyai tampang lintang absorbsi sangat besar terhadap neutron termal, dalam bentuk lempengan atau ba-tang untuk kendali daya reaktor daD disebut baba-tang
kendali reaktor. Penyisipan (gerakan naik/turun) batang kendali dalam teras reaktor berfungsi untuk mengatur daya pada saat reaktor sedang dioperasi-kan, baik pada saat daya reaktor naik (startup) menuju daya tertentu maupun daya turun (shut down). Kecepatan perubahan daya reaktor dipeng-aruhi oleh kecepatan penyisipan reaktivitas yang dilakukan dengan kecepatan penyisispan batang kendali. Penyisipan batang kendali dengan kecepat-an ykecepat-ang skecepat-angat tinggi memberikkecepat-an perubahkecepat-an daya sesaat dalam bentuk pulsa. Selanjutnya dilakukan analisis penentuan reaktivitas batang kendali dengan tujuan untuk pemulsaan reaktor Kartini dari operasi daya normal 0, I MW menjadi 20 MW. Analisis dilakukan berdasar atas kecepatan penyisipan batang kendali pemulsa serta kinetika reaktor neutron serempak dari basil fisi bahan bakar U23S.
PENDAHULUAN
S etiap reaktor seperti halnya dengan sistem pembangkit tenaga lainnya memerlukan sistem kendali untuk mengatur operasi daya reaktor dengan aman. Reaktor hams dapat dioperasikan, dinaikkan
atau diturunkan serta dihentikan dayanya. Dalam keadaan darurat, operasi reaktor hams dapat dihentikan dengan cepat untuk menghindarkan kecelakaan yang mungkin terjadi. Daya reaktor (P) sebanding dengan fluks neutron (~ ataupun kera-patan neutron, maka pengaturan daya reaktor dapat tercapai dengan tara mengatur faktor perlipatan efektif (ke). Bila faktor perlipatan efektif lebih besar dari harga 1 (satu) maka reaktor super kritis (daya reaktor naik), dan untuk faktor perlipatan efektif sama dengan 1 (satu) daya reaktor tetap tidak ber-ubah, yang biasa disebut reaktor kritis, sedang hila faktor perlipatan efektif kurang dari 1 (satu) reaktor sub kritis, daya reaktor akan turun. Untuk keperluan operasi daya reaktor diperlukan sejumlah bahan bakar :'ang lebih dari massa kritisnya. Dengan sejumlah bahan bakar di dalam teras tersebut, peng-aturan faktor perlipatan efektif atau reaktivitas dapat dilakukan dengan tara merubah antara keseimbang-an kecepatkeseimbang-an produksi dengkeseimbang-an kecepatkeseimbang-an hilkeseimbang-angnya neutron dalam reaktor. Beberapa tara yang biasa dilakukan untuk mengatur reaktivitas reaktor adalah
Proseding Pertemuan don Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta /4- /5 Juli /999
222 Bukul
DASAR TEORI
akhirnya terjadi serapan atau proses reaksi fisi berikutnya. Untuk .suatu re,aktor termal, umur neutron dapat dianggap terdiri dari dua bagian yaitu waktu selama menjalani perlambat;an dari tenaga pembelahan sampai menjadi tenaga termal (l's) daD waktu selama neutron berdifusi sebagai neutron termal hingga mengalami tangkapan (serapan) terhadap inti bahan bakar U23S untuk proses pem-belahanberikutnya.: Seluruh waktu yangdiperlukan untuk perlambatan dari tenaga pembelahan sampai dengan tenaga termal dapat ditulis menurut per-samaan :Pada saat reaktor sedang mengalami opersai, terjadi reaksi fisi (pembelahan) inti bahan bakar U23S, dan lahir neutron baru. Dengan berlangsung-nya pr<;>ses reaksi ini, populasi neutron dapat berubah dengan faktor efektif ke. Jadi faktor ke merupakan perbandingan antara jumlah neutron setelah terjadi reaksi pembelahan dengan jumlah neutron sebelumnya ;
2 Its
.;v, (5)
f =
Bila rapat neutron pada awal suatu generasi adalah n, maka setelah terjadi reaksi pembelahan bahan bakar (0235) berikutnya rapat neutron menjadi ke.n. Kecepatan pertambahan rapat neutron akibat reaksi fisi tiap saWall waktu (t) dapat ditulis :
n(k -1) l .4!1 dt k -n-n
.
l (I) = =untuk; As = panjang jajak rata-rata (cm) Vt = kecepatan neutron termal rata-rata
(cm/det) { = faktor letargi
Setelah neutron mencapai tenaga tenilal, maka lamanya neutron mengalami difusi sebagai neutron termal sainpai terjadi serapan dapat ditentukan dari banyaknya neutron termal yang acta dalam reaktor dibagi dengan kecepatan produksi dari neutron termal, dan dapat ditulis :
dan
(2) Apabilapada saat: awal t = 0 rapat neutron n == no, clan nt adalah rapat neutron setelah t detik,
maka basil integral dari persamaan (2) menjadi : t'. =--L- (6)
V,
La 44.'
n, ?= no e --r
(3)
untuk La = tampang lintang serapan makroskopis Dengan demikian umur neutron seluruhnya, sejak awal kelahiran sampai dengan mengalami serapan (tangkapan) dapat ditulis :
£=£.+£/ (1)
Bila diperhatikan dari persamaan (3), maka rapat neutron selama t detik menjadi nt, yang ditentukan juga oleh besarnya faktor kelipatan efektif ke.
Untuk nt = jumlah rapat neutron setelah meng-alami reaksi fisi selama t detik. no = jumlah rapat neutron awal Me = faktor perlipatan efektif i = umur neutron
t = lama waktu penyisipanreaktivitas Terlihat bahwa rapat neutron berubah secara exponensial terhadap w'aktu. Harga if Me sering juga dinamakan periode reaktor (1), yaitu waktu yang diperlukan supaya rapat neutron berubah dengan kelipatan bilangan e, sehingga persamaan
(3) dapat ditulis :
Didefmisikan bahwa besaran reaktivitas (P) adalah
6.ke ke (8)
.~=.
P = k e t nt = no eT (4)Sehingga besaran reaktivitas p merupakan indikasi keadaan reaktor dalam keadaan super kritis, kritis atau sub kritis.
Rapat neutron sebanding dengan fluks neu-tron tft (n/cm2 det) ataupun daya yang ditimbulkan, sehingga daTi persamaan (3) dapat ditulis harga ekivalen fluks neutron:
Omur neutron f adalah waktu mulai sejak neutron dilahirkan dari reaksi pembelahan kemudian mengalami proses perlambatan (moderasi) dan difusi hingga menjadi neutron termal yang pada
ISSN 0216-3128 Widarto, dkk
Proseding Pertemuan don Presentasi Ilmiah
PPNY-BATAN, Yogyakarta 14 -15 Juli 1999 Buku I 223
4k./
t/J/ = t/JOe~
Po = clara mula-mula
ilk=e k -e (9)
atau bentuk persamaan ekivalen daya
.ik.'
~=~e~I 0
l = umur neutron (detik)
t = lama waktu penyisipan reaktivitas Untuk reaktor tennal maka dengan substitusi persamaan (7) untuk moderator air ringan Is = 10-5 detik sedang it = 2,05.10-4 detik, sehingga umur neutron adalah :
(10)
Bila ke > 1, maka harga reaktivitas p >0 berarti reaktor super kritis. Pada keadaan ini clara reaktor naik. Untuk ke = 1 maka p = 0 berarti reaktor kritis. Pada keadaan ini clara reaktor dalam keadaan konstan. Sedang untuk ke < 1 maka p < 0 berarti reaktor sub kritis, sehingga pada keadaan ini
clara reaktor turun. Untuk menentukan harga
reaktivitas p akibat dari penyisipan batang kendali, perlu ditentukan harga faktor perlipatan efektif Me = (ke- 1) yang disubstitusikan pada persamaan (8).
i = is + i, = (10-s + 2,05.10-4) detik =2,15.10-4 detik.
Apabila pada keadaan awal reaktor kritis pada daya Po = 100 kW dan akan dipulsa menjadi 20 MW (untuk mendapatkan fluks neutron sekitar orde 1014 n/cm2 detik), maka besarnya reaktivitas ditentukan oleh lama waktu sebagai fungsi kecepat-an penyisipkecepat-an (gerakkecepat-an naik/turun) dari batkecepat-ang kendalinya. Perlu ditambahkan bahwa kecepetan batang kendali yang telah selesai dirancang dapat divariasi dengan mengatur tekanan udara mampat dengan sistem elektropneumatik yang dikopelkan pada batang kendali pemulsa, sehingga lama waktu tempuh (I) dari batang kendali dapat ditentukan. Pada laporan penelitian ini diperhitungkan untuk kecepatan batang kendali sedemikian sehingga lama waktu tempuh penyisipan batang kendali 1 = 5 milidetik. Dengan
TATA KERJA
p, Llk. 2
In- = -5.10- lne
Po l (11)
substitusi persamaan (10) untuk lama waktu penyisipan t = 5 milidetik maka penyelesaian loga-ritmis persamaan (10) dapat ditulis sebagai berikut: Penyelesaian persamaan (11) untuk pemulsaan dari operasi normal sebagai daya reaktor awal Po = 0,1 MW menjadi 20 MW diperoleh harga: Me = 0,0228. Faktor perlipatan efektif ke ditentukan berdasar atas perubahan faktor perlipatan efektif L\k. = (k. -1), sehingga diperoleh harga ke = 1,0228. Sedangkan untuk harga reaktivitas pemulsa dapat ditentukan berdasar atas persamaan (8), sehingga harga p adalah :
Agar mendapatkan gambaran yang lebih jelas dalam melaksanakan pemulsaan reaktor, maka dapat dilakukan langkah-langkah sebagai berikut :
-Dilakukan pengkopelan batang kendali pemulsa daya reaktor dengan sistem penggerak pemulsa (menggunakan sistem elektro-pneumatik) sete-lah batang kendali pemulsa tersebut terpasang didalam teras reaktor.
-Reaktor dioperasikan pacta daya 100 kW
-Sistem penggerak batang kendali diatur secara otomatis untuk penyisipan (gerak naik/turun) batang kendali baik pacta saat startup (5 milidetik), daya konstan (I mili detik) dan saat shutdown (5 milidetik).-Dilakukan
picu otomatis dari sistem penggerak batang kendali pemulsa untuk pemulsaan daya reaktor, kemudian dicatat daya reaktor terpulsa. -Setelah selesai pemulsaan daya, hams diamati
bahwa reaktor telah beroperasi pada daya Qormal kembali, sehingga dapat disimpulkan bahwa reaktor telah berop~:rasi dengan aman.
Ak.
k.
= 223 X 10-4 %p=
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penyimpangan harga reaktivitas pemuJsa ini dapat ditentukan dengan deviasi standart berdasar atas perambatan raJat. Dari basil perhitungan diperoJeh harga penyimpangan (deviasi stand art) Ap = 2, I. 10-4 %, sehingga dapat ditulis :
Perhitungan untuk menentukan harga reak-tivitas untuk pemulsaan daya reaktor dapat dilakukan dengan persamaan (10) yaitu :
Untuk
At. I
P -Pe-rI -0
= daya reaktor sesaat t detik
P,
Widarto, dkk. ISSN 0216-3128
ProsedingPertemuan dan Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN. Yogy~karta 14- 15 Juli 1999
224 Buku I
p = (223 :i: 2,1) 10-4 % cadangan reaktivitas lebih teras (core exces) yang
lebih dari massa kritis pada daya maksimum 0,1 MW untuk reaktor Kartini. Besarnya harga reak-tivitas batang kendali adalah merupakan reakreak-tivitas ekivalen dari penyisipan reaktivitas yang diperlukan untuk pemulsaan daya. Pemulsaan daya reaktor yang sangat tinggi untuk mendapatkan fluks neutron yang sangat tinggi harns hanya dalarn waktu sesaat, dimaksudkan agar akumulasi pelepasan energi (panas) dari reaksi fisi relatif kecil untuk meng-hindari pelelehan bahan bakar dan reaktivitas nega-tif suhu, serta menghindari pelepasan radioaktivitas tinggi, sehingga persyaratan keselamatan operasi tetap terpenuhi. Selain itu sistem pendingin paksa dari air tangki reaktor harus tetap dijalankan .Untuk shutdown pulsa, sistem penggerak elektropneu-matik yang dikopel dengan batang kendali pemulsa dapat diatur secara otomatis sedemikian sehingga batang kendali melakukan shutdown. Pada kondisi shutdown daya reaktor akan turun secara eksponen-sial negatip, dimana sesuai dengan per-sarnaan (10) harga perlipatan efektif Me = (ke -1) < 0, sehingga harga reaktivitas p < 0 (negatit). Otomatisasi daya konstan harns diusahakan dalarn waktu yang sesingkat mungkin untuk menghindari radioaktivitas tinggi, akumulasi pelepasan energi, reaktivitas !legatif suhu serta kemungkinan pelelehan bahan bakar akibat dari akumulasi energi panas tersebut. Pada laporan penelitian ini diasumsikan bahwa otomatisasi waktu daya konstan selarna satu mili detik, kecepatan startup daD shutdown adalah sarna, maka bentuk pulsa padasaat startup, daya konstan , serta shutdown dapat dilihat pada Garnbar 2.
Perubahan daya terpulsa sesaat merupakan fungsi eksponensial dari lama waktu penyisipan batang kendali. Dari persamaan (10) dapat ditentu-kan perubahan daya setiap milidetik dalam jangka waktu t = 5 milidetik. Dengan metode perambatan ralat dilakukan pula perhitungan deviasi standart perubahan daya untuk setiap milidetik daD hasilnya disajikan pada Tabel 1. Secara gratis dapat di-tunjukkan pada Gambar 1.
Tabel Perubahan daya terpulsa sesaat dalam waktu penyisipan reaktivitas 5 millidetik. Penyisipan reaktivitas
Sesaat t (x 10-2 detili~)
Daya sesaat pt (MW)
0 (awal). (0,1 :!: 0,005) kritis awal 0,288 :!: 0,007 0,822:!: 0,0076 2 2,405 :f: 0,008 6,941 :f: 0,0087 20,033 :f: 0,009 4 5 DsyaP(MW) 201
)
10 5 0 5 6 7Gambar 1 Pemu/saan daya sesaat secara ebpo-nensia/.
Pemulsaan daya reaktor riset dimaksudkan untUk mendapatkan fluks n~utron yang sangat tinggi sekitar orde 1014 nlcm2 detik dalam waktu sesaat (milidetik). Hasil perhitungan reaktivitas batang kendalidan yang diperlukan untUk perubahan daya dari 0,1 MW menjadi 20 MW atau fluks neutron dari orde lOll nlcm2 detik menjadi 1014 nlcm2 detik dalam waktu 5 mili detik sebesar (223 :!: 2,1) 10-4 %. Agar reaktor dapat dioperasikan untUk mencapai kondisi super kritis tersebut, dalam teras reaktor perlu tersedia sejumlah bahan bakar sebagai
KESIMPULAN
Pada dasarnya reaktor Kartini dapat di-pulsakan untuk mendapatkan fluks neutron yang
sangat tinggi dalam waktu sesaat {milidetik). Untuk
Proseding Pertemuan dan Presentasi I/miah
PPNY-BATAN, Yogyakarta 14 -15 Juti 1999 Buku I 225
mencapai fluks neutron sekitar orde 1014 n/cm2 detik (sekitar daya 20 MW) dari operasi daya Po = 0,1 MW yang menpunyai fluks neutron 1011 n/cm2 detik, untuk waktu pemulsaan t = 0,05 detik, maka diperlukan reaktivitas lebih r = (223 :i: 2,1) 10-4 %, yang berarti bahwa reaktivitas tersebut merupakan reaktivitas ekivalen dari batang kendali pemulsa. Pemulsaan dilakukan dalam waktu yang sangat pendek (milidetik) dimaksudkan untuk menghindar-kan akumulasi pelepasan tenaga (panas) yang sangat tinggi agar tidak terjadi pelelehan bahan bakar teras clan reaktivitas negatif suhu, serta radioaktivitas yang sangat tinggi. Selain itu pendinginan paksa teras hams tetap dijalankan sehingga kriteria kese-lamatan
operasi pemulsaan tetap terpenuhi sesuai dengan
persyaratan operasi. Perlu diketahui bahwa dengan metode ini dapat diperhitungkan untuk me-nentukan daya yang lain misalnya 25 MW; 30 MW clan seterusnya, serta pengaturan kecepatan pemul-saan dapat diatur untuk menentukan lama waktu penyisipan reaktivitas batang kendali pemulsa.
TANYAJAWAB
Subari Santoso-Bagaimana sistem mendapatkan data (pembacaan data) apakah direkam dalam file tertentu.
-Software apa yang digunakan untuk operasional/ mendapatkan data apakah sekaligus menghitung ralatnya.
Widarto
-Data kecepatan dari simulasi batang kendali yang telah dibuat. Data kecepatan yang digunakan untuk menen-tukan lama waktu penyisipan batang kendali diambil dari perancangan simulasi sistem kendali pemulsa yang datanya diambil dengan olaf pengukur
waktu (timer).
-Operasional dari penyisipan tidak menggunakan software, tetapi menggunakan on/off elektrik.
DAFTARPUSTAKA
Supriyono-Orde milidetik apakah secara mekanik dapat dilakukan proses naik turunnya batang kendali. Widarto
-Dengan menggunakan kompresor yang dapat divariasi (hingga 5 bar), dimana jarak tempuhl panjang gerak batang kenda/i :t 38 em dapat mencapai orde mi/idetik. Untuk mendapatkan waktu tempuh 5 mi/idetik beda tekanan kom-presor be/urn mencapai 1 bar.
1. SAMUEL GLASS TONE and ALEXANDER SESONSKE, "Nuclear Reactor Engineering" Van Nastrand Reinhold Company, 450 West 33 rd Street, New York, No. Y. 10001, 1967. 2. PRAJOTO, "Dasar- Dasar Perhitungan Reaktor"
Pusat Penelitian Gama, BAT AN, 1972.
3. JOHN R. LAMARS, "Introduction to Nuclear Reactor Theory" New York University 1972.
