PERHITUNGAN PARAMETER KARTINI DAYA 250 kw NEUTRONIK REAKTOR ABSTRAK ABSTRACT PENDAHULUAN TEORI

(1)

PERHITUNGAN

PARAMETER

KARTINI DAYA 250 kW

NEUTRONIK

REAKTOR

Bambang Sumarsono , Triwulan Tjiptono, Edi Triono BS. P3TM-BATAN. KotakPos 1008. Yogyakarta55010

ABSTRAK

PERHITUNGAN PARAMETER NEUTRONIK REAKTOR KARTINI DAYA 150 kw. Telah dilakukan analisis perhitungan neutranik reaktor Kartini pada daya 250 kW dengan menggunakan poker program komputer. Perhitungan dilakukan dengan terlebih dahulu menganalisis data bahan bakar yang tersedia untuk kemudian dilakukan perhitungan konfigurasi bahan bakar dalam teras reaktor Kartini. Dari perhitungan konfigurasi bahan bakar dipilih kondisi yang paling baik don memungkinkan untuk keperluan kondisi operasi selanjutnya dengan diperhitungkan besaran harga reaktivitas reaktor yang harus lebih besar dari reaktivitas batang kendali pada batasan tertentu atau reaktivitas lebih teras tidak boleh melebihi batasan desain (harga reaktivitas desain = 3,43 dollar). Perhitungan parameter netronik dilakukan untuk penentuan distribusi rapat daya, pembangkitan daya maksimum, distribusi jluks neutron. Dari hasil perhitungan diperoleh jluks neutron cepat rerata = 0,618 x 10/3 neutronlcm2 detik, jluks neutron termal rerata = 0,372 x 10/3 neutronlcm2 detik dan penambahan bahan bakar yang optimal ditinjau dari segi ekonomis maupun kebutuhan operasional operasi reaktor adalah sebanyak 4 buah serlo maksimum pembangkitan daya tiap elemen bahan bakar sebesar 4,68 kW

ABSTRACT

CALCULATION OF NEUTRONIC PARAMETERS IN 250 KW POWER KARTINI REACTOR. Calculation of neutronic parameters for 250 kW Kartini reactor has been done.. Calculation was performed with analysis offuel element data by using computer code for Kartini reactor core configuration. From the calculation of fuel element configuration selected the best condition for the next operativn where the reactivity value is greater than control rod reactivity in certain boundary or core excess reactivity not greater than the design boundary (design reactivity is 3.43 dollar). Neutronic parameters calculation was performed to find power density distribution, maximum power generation, neutron flux distribution. From calculation result show that the average fast neutron flux is 6. 18E12 neutron/cm2 second..average thermal neutron flux is 3.72 E12 neutron/cm2 second and fuel element addition for the optimum operation is 4 fuel

element, and maximum power generation per element is 4.68 kW

neutronik sangat diperlukan data bahan bakar sebelum daya ditingkatkan dengan tujuan untuk mengevaluasi seberapa jauh komposisi yang ada untuk kemudian dilakukan perhitungan konfigurasi teras yang akan dapat ditentukan seberapa jauh besar reaktivitas lebih reaktor untuk dapat mencukupi pembangkitan daya hingga 250 Kw. Perhitungan parameter neutronik dilakukan setelah susunan konfigurasi ditetapkan untuk kemudian akan dihitung parameter reaktor antara lain kritikalitas, distribusi fluks neutron, distribusi rapat daya dan jumlah kebutuhan bahan bakar yang diperlukan.

PENDAHULUAN

D a~am ?nalisis konfigurasi teras reaktor scla!~ dlperhltungkan hubungan antara komposlsl

bahan yang digunakan dcngan dimensi ukuran reaktor antara lain adalah ukuran teras reaktor, reflektor, bahan bakar, tangki reaktor dsb., sehingga perpaduan antara komposisi bahan dan dimensi reaktor dapat membangkitkan daya sesuai yang dikehendaki dengan aman terkendali. Pad a peningkatan daya reaktor Kartini dari 100 Kw menjadi 250 Kw tidak akan merubah dimensi ukuran reaktor karena komponen reaktor yang lama tetap digunakan, tetapi dilakukan beberapa penyesuaian. Penyesuaian dilakukan terutama pada sistem instrumentasi reaktor, sistem pompa pendingin dan penambahan bahan bakar sehingga setelah proses kritikalitas akan diperoleh reaktivitas lebih teras yang cukup untuk peningkatan daya reaktor menjadi 250 Kw dengan pola operasi yang optimal. Pada permasalahan ini analisis dilakukan hanya pad a perhitungan neutronik untuk penentuan beberapa parameter neutronik reaktor setelah reaktor ditingkatkan pada daya 250 Kw. Dalam analisis

TEORI

Evaluasi clan perencanaan pemakaian bahan bakar selama operasi reaktor memerlukan perhitungan dari berbagai parameter reaktor yang akan mencerminkan keadaan raktor secara fisis. Manajemen teras saling tergantung antara parameter yang satu dengan yang lainnya selama dilakukan proses analisis perhitungan. Oleh karena itu perlu dilakukan suatu sistem kompromi perhitungan dengan metoda optimasi dengan bantuan peralatan

(2)

Prosiding Perlemuan dan Presenlasi l/miah P3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Ju/i 2000

226 Buku I

differennce untuk menyelesaikan persamaan difusi satu atau dua kelompok. Data-data kisi yang digunakan dalam paket program hanya sebagai fungsi ripe dan iradiasi bahan bakar. Biasanya data-data tcrscbut tclah dihitung sccara ekstcmal dan masuk dalam paket program dalam bentuk tabel atau polinomial. Berikut dituliskan diagram ~Iir analisis

optimasi managemen teras. komputer sehingga pengolahan data dapat dilakukan

secara kontinyu dan cepat untuk mencapai keadaan yang optimal dalam pengelolaan bahan bakar dalam teras reaktor

Evaluasi atau pcrencanaan operasi reaktor berisi perhitungan distribusi statis dari fluks neutron, rapat daya, reaktivitas lebih teras dan burn-up bahan bakar. Code program dapat ditulis dalam satu, dua atau tiga dimensi dengan menggunakan metoda finite

Gambar

Sistem program untuk optimasi manajemen teras

dapat mengetahui parameter neutronik reaktor pacta daya 250 kW maka dilakukan terlebih dahulu penentuan konfigurasi teras yang mengandung susunan dalam pengaturan bahan bakar yang berbeda kandungan uranium atau burn up serta sifat poison (racun) yang terdapat di dalamnya. Oleh karena keadaan yang begitu komplek untuk memperoleh parameter neutronik dalam teras reaktor maka perlu dilakukan perhitungan dengan menggunakan program komputer. Hal tersebut berkaitan dengan makin banyaknya perubahan komposisi bahan yang berubah sebagai fungsi waktu maupun daya operasi reaktor sehingga perlu dilakukan pengumpulan data data pacta suatu sistem program komputer yang acta. Untuk keperluan tersebut dilakukan suatu pengklasifikusian serta kombinasi sistem data untuk lebih memudahkan sistematika analisis proses data dan analisis perhitungan dalam pengelolaan bahan bakar di reaktor.. Dalam pelaksanaannya biasanya bagian data dapat terbagi dalam dua bagian yaitu dalam Strategi pengelolaan dalam teras

Telah ban yak strategi in core fuel management yang diterapkan pada berbagai tipe reaktor yang ada sekarang yang secara umum strategi pengelolaan bahan bakar tersebut dapat diklasiflkasikan dalam empat katagori umum pengelolaan bahan bakar.

Yang pertama adalah analisis dalam dua kelompok, on-fuelling atau off fuelling. Berikutnya klasifikasi menurut satuan bahan bakar kearah aksial. Cara pemisahan ketiga berdasarkan dipakai tidaknya radial shuffling dan pemisahan keempat berdasarkan alternatif dipakai tidaknya burnable poison. Dalam melakukan pengelolaan bahan bakar dalam teras reaktor Kartini digunakan cara pengaturan dengan penambahan beberapa bahan bakar dalam teras reaktor sehingga reaktor diharapkan dapat membangkitkan daya menjadi 250 kW dengan reaktivitas lebih yang mamPU u~tuk keperluan operasi reaktor secara optimal. Untuk

(3)

Prosiding Perlemuan dan Presenlasi llmiah

P 3TM-BA TAN, Yogyakarta 25 -26 Juti 2000 Buku I

227

proses data masukan dan yang lainnya adalah parameter data yang tersedia dalam suatu sistem library program yang begitu banyak memuat berbagai macam data yang kebanyakan data tersebut dihitung pakai program komputer yang berbeda. Dalam analisis ini perhitungan dilakukan dengan menggunakan paket program komputer TRIGAP untuk analisis satu dimensi dua kelompok dengan susurian bahan bakar pad a tiap posisi berbeda besaran bum upnya yang diatur dalam suatu susunan tertentu yang membentuk konfigurasi. perhitungan bum up dilakukan dengan mencatat dan memasukkan data dalam input program TRIGAP.

ilP(t) dihitung untuk dua nilai bum-up (to, t) clan dengan interpolasi linier diperoleh :

N('t) = N('to) +

6('tl) -6('tO)

₍₂₎

'tl- 'to

Besaran f:.P(to), po, tl dan to dapat diperoleh pada TRIGAP .LIB, dimana p dan t masuk ke subroutine Sigma sebagai variabel independen untuk semua elemen bahan bakar.

Koreksi Xenon

Sebagaimana koreksi temperatur, koreksi tampang lintang karena pengaruh Xenon dihitung untuk tiap elemen.

~X(p,'t) = ~X('t).(l-f(p)

₍₃₎

8(-r) = LlX(w)

+

_{~'tl)-~~2.('t-'to)}

₍₄₎

'tl-'tQ

(5)

Dimana :

/j.X(p,t): Koreksi Xenon terhadap konstanta-konstanta difusi 2 kelompok untuk satuan sel (DI, D2, >:aI, >:a2, >:12, v1>:j1, v2>:f2). /j.X(to) : Perbedaan tampang lintang pada daya

penuh, kesetimbangan Xenon dan zero power, tanpa xenon, t = to.

tJ.X('tl): Perbedaan tampang lintang pada daya penuh, kesetimbangan Xenon dan zero power, tanpa xenon, t = ti.

P : Daya elemen (kw).

po : Daya nominal elemen (kw). '.

Fungsi f sebanding dengan konsentrasi xenon setimbang pada daya yang diberikan. c adalah konstanta yang hanya tergantung pada konstanta nuklir mikroskopis xenon dan tampang lintang

pembelahan bahan bakar. Data tersebut telah ditabulasikan pad a Trigap.Lib untuk semua tipe bahan bakar. Juga data-data /j.X(t1) dan /j.X(to).

Koreksi Sammarium

Sebagaimana koreksi temperatur dan Xenon, koreksi Sammarium dihitung untuk masing-masing elemen secara terpisah.

PROGRAM UT AMA

Program utama Trigap berisi statement-stetement untuk pembacaan data, baik dari file library maupun file input dan statement-statement untuk pemanggilan sub program. Data-data hasil pembacaan disimpan sebagai variabel global, sebagian besar disimpan dengan statement common dan sebagian lagi dikirim ke subroutine sebagai index panggilan.

ROUTINE-ROUTINE PROGRAM

SUBROUTINE SIGMA

Subroutine Sigma berisi proses perhitungan parameter-parameter difusi antar daerah dengan menggunakan tampang lintang efektif dua kelompok untuk semua tipe dengan sistem analisis satuan set yang mengandung bahan bakar maupun non bahan bakar.

Analisis tam pang lintang berhubungan dengan besaran bum-up tiap elemen bahan bakar yang terdapat dalam library ELEM.DA T, kemudian dicocokan dengan data-data tampang lintang dua kelompok pada TRIGAP .LIB. Dalam analisis tampang lintang dilakukan koreksi tamapang lintang terhadap pengaruh suhu, daya clan tingkat keracunan Xenon maupun Samarium.

Koreksi Temperatur (Daya)

Program trigap menganggap bahwa

temperatur pendingin clan bahan bakar bervariasi linier dengan daya.

6LP(p,t) = LlP('t). (1- p/po)

₍₁₎

L\LS('t) = &('t). FLAG

₍₆₎

Sekali lagi dianggap 6' linier terhadap bum-up, maka :

Dimana 6kP (p, t): koreksi daya dari konstanta-konstanta difusi 2 kelompok untuk satuan sel (D I, D2, >::al, >::a2, >::12, vI >::/1, v2>::/l).

p : Daya elemen

po: Daya nominal elemen

t1P('t"): Beda tam pang lintang an tara daya nominal dengan zero power.

't": Bum-up

n__L__- " A__~ ril,l,

(4)

AS( ) AS( ) ~('tl)-~('to) ( )

u. 't = u. 'to + 't -'to

'tl- 'to

(7)

Dimana :

~~s : Koreksi Sammarium terhadap konstanta-konstanta difusi 2 kelompok untuk satuan sel (DI, D2, ~al, ~a2, ~12, vl~fl, v2~f2).

0 : Untuk kesetimbangan Sammarium. FLAG

Prosiding Perlemuan dan Presentasi /lmiah

228 Buku I P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juti 2000

I. Daya operasi

2. Energi yang dibebaskan, dihitung berdasarkan daya operasi dan lama operasi reaktor, dimana Energi [Mwjam]=Daya [MW] x waktu operasi [jam].

3. Konfigurasi bahan bakar dalam teras, dengan menghitung bum up bahan bakar langkah demi

langkah operasi reaktor maka bum up

terakhir

dari

bahab bakar

dapat

dihitung.

Simulasi konfigurasi pengaturan bahan bakar Untuk memperuleh konfigurasi altematif terbaik dilakukan penyusunan berbagai

konfigurasi tanpa ada penambahan atau pengurangan jumlah bahan bakar dalam. teras. Bila dilakukan penambahan bahan bakar akan dilelakkan pad a temp at ring yang paling dalam (ring B).Cara konfigurasi penentuan perubahan posisi bahan bakar dapat dilakukan dengan .cara sbb:

Konfigurasi tetap

Konfigurasi berdasarkan bum up bahan Tampang lintang rerata ring dihitung dengan

volume pembobot Vi, dimana Vi adalah volume satuan sel (zone).

}::Vi.}::i,g (9) <Lg} = -'-"!Yi- .g = \,2 L,Vi.IDi,g

{-.!.-} = ~Vi .

Dg

~

bakar.

Laju bum up bahan bakar dalam teras berbeda-beda sehingga setelah operasi reaktor, bum up bahan bakar juga berbeda. Berdasarkan variasi bum up output program TRIGAPdibuat konfigurasi sbb; a) Mengacu pada ring terurut.

a.l. Elemen bahan bakar dengan bum up tinggi didistribusikan di ring acuan, diikuti yang lebih rendah urut keluar kemudian ke ring terdalam keluar.

a.2. Bum up luar kearah dalam. Elemen bahan bakar dengan bum up terendah didistribusikan di ring acuan, diikuti yang lebih tinggi urut kcluar kemudian ring dalam.

b) Mengacu pada ring selang seling.

.Pemindahan bahan bakar '. dilakukan penggantian secara selang seling daTi dalam kearah luar dan daTi luar ke dalam.

.Konfigurasi berbasis elemen bakar

tiruan[ dummy], diletakkan pada ring terluar. .Konfigurasi berbasis batang kendali.

Batang kendali reaktor Kartini terletak di C5, C9 dan E I, masing masing dikelilingi oleh enam elemen bahan bakar. Dapat dilakukan pengaturan elemen bum up tinggi disekitar batang kendali atau elemen bum up rendah clan bum up tinggi disekitar batang kendali.

SUBROUTINE CEBIS

Subroutine Cebis memproses perhitungan kritikalitas, distribusi fluk netron, distribusi rapat daya, faktor perlipatan dan sebagainya.

SUBROTINE BURN

Subroutine Bum memproses perhitungan bum-up tiap elemen bahan bakar tiap step daya berdasarkan energi total (MW jam) yang diproduksi reaktor dan distribusi daya teras. Distribusi daya diambil dari output Cebis.

Hasil perhitungan subroutine Bum berupa bum-up untuk semua elemen bahan bakar dalam reaktor.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Simulasi penggantian, penambahan dan pengambilan bahan bakar untuk suatu tujuan mengkaji rencana penggantian bahan bakar dengan

TAT A KERJA

Perhitungan lanjut burn up bahan bakar

Oilakukan pencatatan data operasi reaktor meliputi

Bambang Sumarsono, dkk ISSN 0216-3128.

I: Untuk puncak Sammarium sesudah shud down pada periode operasi yang lama.

~('to): Beda tam pang lintang kondisi nominal dan kondisi jenuh Sm sesudah shud down. 't: Burn -up elemen

Homogcnisasi

Dcngan koreksi daya, Xenon dan

(5)

tinggi diletakkan di ring B, burn up dibawahnya di ring C kemudian yang lebih rendah di ring D,E dan F adalah merupakan konfigurasi yang baik dan hasilnya ditampilkan pada gambar 2. Bila diinginkan menempatkan burn up yang tinggi pada

daerah ring luar dapat saja dilakukan dan akan mendapatkan fluks neutron didaerah fasilitas

irradiasi yang lebih besar. Tetapi ditinjau dari segi ekonomis dan efisiensi operasi reaktor akan mengakibatkan umur bahan bakar akan lebih pendek karena reaktivitas lebih teras akan lebih rendah. Selain itu besaran parameter faktor daya puncak dan pembangkitan daya per elemen akan memberikan hasil yang kurang baik. Untuk peningkatan daya reaktor Kartini menjadi 250 kW maka bahan bakar yang lama masih dapat dipakai karena burn upnya masih cukup besar kecuali bahan bakar yang secara fisik sudah mengalami kerusakan. Kebutuhan penambahan bahan bakar ditunjukkan dalam Tabell dan distribusi rapat daya serta distribusi fluks neutron ditunjukkan pada Gambar 2.

-,.

0 ,. .I" .f: .f : 1-13 J

"

i _I

I

~!

'"~

~.--"'6",

\

{JJJI} ~ 3,1f"

/.1r

"

L-40 'j,t _{, ']wt "Jitl'-i;"}i-

_I'

I~.I

_.1

_{[ at I'..}I~.I

_.128.1

~.I'.

---aI. m. ~T rt!A

melakukan penyusunan konfigurasi dengan

menganggap tidak ada penambahan atau

pengurangan jumlah bahan bakar dalam teras. Bahan bakar yang akan diganti adalah bahan bakar dimulai yang bum up nya tinggi dan semua bahan bakar pengganti masih barn (fresh fuel). Selanjutnya dibuat konfigurasi penggantian bahan bakar

langsung yang bum upnya tinggi dengan

penggantian secara terurut dari dalam. Dari keadaan tersebut akan diperoleh reaktivitas lebih teras untuk keperluan pembangkitan rlaya dan pol a operasi reaktor yang diinginkan. Untuk mengetahui sumbangan reaktivitas tiap bahan bakar dalam teras dilakukan simulasi dcngan pcnambahan clan penggantian bahan bakar adalah penambahan di ring F untuk menggantikan posisi elemen bakar dummy dan pengambilan bahan bakar pada tiap ring. Tiap-tiap perubahan konfigurasi dilakukan running program komputer kemudian dianalisis besamya reaktivitas konfigurasi yang dibuat.

Untuk memperkirakan lama operasi hasil konfigurasi dilakukan dengan menjalankan kembali program Trigap dengan menghitung bum up setelah logging data ke file elem.dat selesai dilakukan. Kemudian dilakukan running kembali tanpa perhitungan bum-up dan diamati besamya reaktivitas teras, jika nilainya positip konfigurasi dapat digunakan dan jika nilanya terlalu besar maka perhitungan diulang dengan menambah lama operasi(MW-jam). Hasil reaktivitas reaktor pad a tabell.

Tabel 1 Penambahan bahan bakar

-,.:

0 ,.. .,.. =~~

:

_j

m

-~1 -r,a -G

,.

tlD I

.

'a.

~

""\

,,~

.2..1'-'"

~

Dalam penentuan konfigurasi terbaik adalah .-1

dengan meninjau parameter faktor daya rerata (Fp), $': .. faktor pembangkitan daya tiap elemen (Pe) clan I

harga fluks neutron didaerah fasilitas iradiasi Lazy I Susan. Dengan pengaturan konfigurasi pada bahan 11 bakar yang burn-up-nya masih rendah (kandungan [1~c112

bahan bakar masih tinggi) clan bahan bakar barn

diletakkan di ring B kemudian bahan bakar yang -j diganti diletakkan di ring C, ring D dan seterusnya I akan diperoleh konfigurasi yang baik dengan besar

faktor daya rerata Fp = 2,029 clan maksimum pembangkitan daya Pe = 4,68 Kw serta besar fluks neutron thermal di pusat teras = 5,75 x 1012 neutron/cm2 detik clan di Lazy Susan harga fluks neutron thermal = 5,862 x lOll neutron/cm2 detik. Analisis tsb. dilakukan dengan konfigurasi bum up

..~

f.:S"..j

L-J-!

~~~~ !Ii

B.' J6

,

8 24.' ~., 48;'

Jari-Jif --)1' [~] CR' JID nJX !mLGambar 2. Distribusi Fluks Neutron dan Distribusi

(6)

TANYAJAWAB

KESIMPULAN

Dari basil analisis perhitungan neutronik reaktor Kartini pada daya 250 Kw diharapkan dapat mengetahui sistem unjuk kerja reaktor tetap pada kondisi aman terkendali dengan keandalan yang tinggi. Untuk memenuhi hal tersebut telah diperhitungkan beberapa parameter keselamatan yaitu konfigurasi teras, pembangkitan daya tiap elemen, distribusi fluks neutron, distribusi rapat daya maupun reaktiyitas lebih reaktor serta kebutuhan jumlah elemen bahan bakar untuk kenaikan daya hingga 250 Kw. Dari hasil ana!isis konfigurasi bahan bakar diperlukan penambahan bahan bakar pada ring B minima! 3 buah untuk memperoleh reaktiyitas lebih yang relatif cukup untuk keperluan operasi reaktor. Diperoleh besar fluks neutron thermal daerah fasilitas iradiasi = 5,862 x lOll n/cm2 detik, fluks neutron thermal rerata teras = 3,72 X 1012 n/ cm2 detik, fluks neutron cepat rerata teras = 5,324 1012 n/ cm2 detik serta pembangkitan day a tiap elemen bahan bakar maksimum 4,68 Kw.

Suwoto

-Oari Tabel I, berapa penambahan bahan baka, barn yang optimal sehingga menghasilkan reaktivitas lebih yang optimal juga, berapa hargake/T dan densitas daya untuk operasi 250

kW dengan konfigurasi teras dengan

penambahan bahan bakar barn yang optimum

tersebut.

Bambang Sumarsono

-Penambahan bahan bakar baru yang optimal dapat diberikan sebanyak 4 buah dengan reaktivitas lebih sebesar 0,594 d61lar. Hal tersebut karena diperhilungkan pertimbangan

ekonomi dalam keadaan kritis. Jika

memungkinkan bisa dengan penambahan 6 buah bahan dengan harga reaklivilas lebih sebesar J. 0 J 2 dollar

DAFTARPUSTAKA

I. MELE.I. and RA VNIK.M; Trigap a Computer Programme for Research Reactor Calculation,IJS-DP-4238, December 1985.

2. MELE.I.

and

RA VNIK.M. , Cebis one

Dimensional Two Group Diffusion Code for Reactor Calculation, IJS-DP-3856, February

1985.

3. RA VNIK.M. et al.; Two Dimensional Flux Calculation of the Central Irradiation Chanel in