PENENTUAN BAHAN PENYERAP AL TERNA TIF TERAS Sll.JSmA REAKTOR RSG-GAS. Iman Kuntoro, Tagor Malem Sembiring

(1)

PEJ\'ENTUAN BAHAN PENYERAP .4LTERNATIF. (Iman Kuntoro)

PENENTUAN BAHAN PENYERAP AL TERNA TIF TERAS Sll.JSmA REAKTOR RSG-GAS

Iman Kuntoro, Tagor Malem Sembiring

'bob

ABSTRAK

PENENTUAN BAHAN PENYERAP ALTERNATIF TERAS SILISmA REAKTOR RSG-GAS.

Penentuan bahan penyerap altematif untuk teras reaktor RSG-GAS dengan bahan bakar silisida 3,55 gr U/cm3 telall dilakukan untuk meningkatkan lnaljin reaktivitas padam teras sehingga sarna dengan desain a\"al. Penggunaan penyerap AglnCd di teras silisida menghasilkan marjin re3ktivitas padaln sebesar -

1,03 %Mlk yang lebih kecil daripada desain awal teras oksida sebesar -2,2 %Aklk. Oleh karena itu perlu dicari bahan penyerap alternatif sehingga tidak perlu dilakukan penambahan juInlah batang kendali.

Bahan penyerap yang dipilih adalall yang lazim digunakan di reaktor riset jenis MTR seperti Hf, Cd dan B4C. Perhitungan parameter teras dilakukan dengan kombinasi program komputer WIMS/D-4 daD Batan- 2DIFF. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa penyerap B4C merupakan pilihan terbaik sebagai bahan penyerap altematif pengganti AgInCd karena marjin reaktivitas padam teras silisida menjadi -2,54 o/08klk yang nilainya lebih besar daripada desain awal teras oksida.

ABSTRACT

mE DETERMINATION OF mE ALTERNATIVE ABSORBER FOR SR-ICmE CORE OF RSG-GAS REACTOR The detennination of the alternative absorber for the core of RSG-GAS using silicide fuel of 3.55 g U/cm3 have been carried out to increase the shutdown margin in order to be same as the original design one. The usage of AgInCd absorber in the silicide core gives the shutdown margin of -1.03 %l:J.k/k, which is lower than the original design of oxide core of -2.2 %L\k/k. Therefore, we have to determine an alternative absorber "rithout adding tile number of the absorber. The candidates are selected from the commonly used absorbers in MTR type research reactor such as Hf, Cd and B4C. The core parameters were calculated using the combination of WIMS/D-4 and Batan-2DIFF codes. For the silicide core, tile calculated result shows that the B4C absorber is the best choice as an alternative absorber to substitute tile existing absorber of AgInCd since the shutdown margin of the silicide core become -2.54

%~k/k which is higher than the original design of the oxide core one.

PENDAHULUAN

Beberapa bahan bakar silisida (U3Si2-Al) dengan kerapatan 2,96 gU/cm3 telah dimasukkan ke dalam teras realtor RSG-GAS sebagai bagian dari prograIn konversi teras dari bahan bakar oksida (U30s-AI) ke bahan bakar silisida.

Berdasarkan basil penelitian Liem et a/. [1], kerapatan silisida yang optiInal W1tuk teras realtor RSG-GAS adalall 3,55 gU/cm3, dengan tanpa mengubah konfigurasi teras.

Akan tetapi, penggunaan bahan bakar silisida berkerapatan 3,55 gU/cm3 tersebut akan mengakibatkan marjin reaktivitas padam teras berkurang (-1,03 %M/k) dari nilai desain awal (-2,2 %!:J.kIk). Penurunan ini diakibatkan oleh muatan uranium yang lebih besar dan spektrum

neutron yang lebih kerns (harder) dibandingkan dengan spektrum teras oksida.

Upaya untuk menaikkan maljin reaktivitas padam telah dilakukan dengan cara menambah batang kendall, berupa 2 buah batang kendali pengaman [2]. Peng~aan batang kendali pengaman ini dapat menaikkan m;lrjin reaktivitas padam teras menjadi -3,6 o/~k/k. Akan tetapi pengglli1aan batang kendali pengaman memerlukan tambahan dalam sistem kendali teras. Cara lain untuk menaikkan maljin reaktivitas padam dapat dilakukan dengan mencari bahan penyerap altematif pengganti bahan penyerap AgInCd yang dipakai saat ini, tanpa penambahan batang kendali pengaman.

Penentuan bahan penyerap altematif pengganti AgInCd dilakukan untuk bahan penyerap yang lazim digunakan di reaktor jenis

...

165

(2)

PROSIDI;VG

SE.\//.\:4R HASIL PENELIT/..L... P2TRR. Tahull 2000. Hal.: 165-170

MTR yaitu Hr. Cd datI B4C, Tujuan penelitian ini adalall rnencari ballaJl penyerap altematif untuk teras silisida sehingga rnaJjin reaktivitas padatll teras dapat diltaikkall sehingga rninintal nilainya sarna dengan desain a"'al. Dalarn penelitian ini, geornetri dan dimensi ballan penyerap dipertallaJlkan Satlla dengan yang dipakai saat ini.

Perhitwlgatl dilakukan dengatI kombinasi progratll kornputer WIMS/D-4 dan Batan-2DIFF.

Kemudian, langkah kedua adllal\ melakukan perhit\U\gan lnarjin reaktivitas padam teras silisida sebagai akibat dari penggunaan baltan penyerap alternatif tersebut. Perhitungan dilakukan deng3l\

progran\ difusi Batan-2D1FF dengan 4 kelompok tenaga neutron dengan model teras reaktor yang dinyatak3l\ dal3ln G3Inbar 2 di dalam geometri 2- dimensi X-Yo Penentuan n1aljin reaktivitas pad.1m dilakukan dengan menghitung reaktivitas teras saat batang kendali yang memiliki reaktivitas terbesar berada di luar teras.

METODE PERHITUNGAN

BASIL DAN PEMBAHASAN Generasi Tampang Lintang

Sebelum melakukan perhitung3l1 teras.

terlebih dahulu dilakukan generasi konstallta kelompok dalam 4 kelompok tenaga neutIon untuk bahan penyerap alternatif, Hr, Cd dan B4C dengan paket program WIMS/D-4 [3].

Oleh karena perllitungan paraIneter marjin reaktivitas padam dilakukan dengan paket program difusi neutIon 2-dimensi Batan-2DIFF [4], maka penanganan penyerap kuat di daerah pe)'erap dilakukan dengan koefisien kehitaman untuk mengatur gradien serapan neutIon [5]. Dengan demikian perllitungan difusi dapat menentukan

marjin reaktivitas padam dengan akurat seperti yang SUdall dilakukan oleh penelitian sebelullUlya [6,7J.

Tabel 1 menunjukkan bah,va paket program Batan-2DIFF di dalam perlutungml nilai batang kendali total memberikan hasil yang sangat baik karena perbedaan relatif dengan perhitungan Monte Carlo lebih kecil dari 0,95 % untuk seluruh jenis bahan penyerap. Hasil validasi ill

menunjukkan bahwa koefisien kehitarnan ill dapat dipakai dalam perhitungan maljin reaktivitas padam teras reaktor RSG-GAS.

Seperti yang ditunjukkan dalatn Tabel 2, maljin rektivitas padam teras oksida RSG-GAS dipengarulli oleh bahan penyerap yang digunakan.

Diantara 3 buah bahan penyerap altematif yang dipilih, penyerap B4C mengIk'lsilkan maljin reaktivitas padam yang paling besar yaitu -2,49

%!!!kIk atau lebih besar 162% daripada nilai yang dihasilkan oleh penyerap AgInCd (-0,95 %M/k).

Hal tersebut sesuai dengan koefisien kehitaman penyerap B4C (Tabel 3), untuk seluruh kelompok tenaga, yang memiliki nilai yang paling besar dibanding dengan bahan penyerap lainnya.

Tabel 4 menunjukkan perbandingan maljin reaktivitas padam bahan penyerap AgInCd dan B4C untuk teras reaktor RSG-GAS berbahan bakar silisida dengan kerapatan 3,55 gU/cm3. Tabel ill menunjukkan bahwa dengan digwlakannya B4C sebagai bahan penyerap lnaka maljin reaktivitas padam teras naik menjadi -2,54 %M/k atau 147%

lebih besar daripada nilai yang dihasilkan oleh penyerap AgInCd. Nilai ini lebih besar daripada desain awal yaitu -2,2 %Aklk.

Kemudian, dilakukan validasi perhitlUlgan dengan Teras Reaktor Benchmark IAEA 10 MWth

[8], seperti yang digambarkan dalam Gambar I, untuk menentukan nilai batang kendali total.

Perhitungan teras dilakukan dengan model geometri X-Y dengan 4 kelompok tenaga neutron.

Validasi ini bertujuan untuk menguji akurasi koefisien kehitaman yang digunakan untuk bahan penyerap Hf, AgInCd dan B4C. Setelall basil perhitungan memuaskan, maka koefisien kehitalnan yang dihasilkan selanjutnya digunakan untuk teras reaktor RSG-GAS.

Penentuan Bahan Penyerap AIternatif

Bahan penyerap alternatif untuk teras silisida ditentukan dengan melakukan perhitungan neutronik teras. Pertarna adalall melakukan perhitungan marjin reaktivitas padam teras RSG- GAS dengan ballaD bakar oksida untuk setiap bahan penyerap alternatif, yaitu Hf, Cd dan B4C.

Marjin reaktivitas padam setiap ballaD penyerap tersebut kemudian dibandingkan dengan yang dihasilkan oleh AgInCd. Bahan penyerap yang mengllasilkan marjin reaktivitas padam yang terbesar dipilih sebagai bahan penyerap alternatif untuk teras silisida reaktor RSG-GAS.

KESIMPULAN

Dari beberapa calon bahan penyerap yang dipilih, B4C merupakan pilihan terbaik sebagai bahan penyerap alternatif pengganti AglnCd untuk teras RSG-GAS berbahan bakar silisida dengan kerapatan 3,55 gr U/cm3. Kesimplllan ini diambil berdasarkan pertirnbangan bahwa penyerap B4C dapat menghasiIkan maJjin reaktivitas padam teras

166

(3)

PE.'.ENTUAN

BAHA.IV PE,¥}'ER.-tP .4LTERNATIF 'Iman Kunlor,

silisida sebesar -2,54 %!J.k/k, yang nilainya lebih besar daripada desain teras oksida. Dengan demikiaIl penggantian bahan bakar dari bahan

bakar oksida 2,96 gr Vlcro3 ke silisida 3.55 gr V/cro3 dapat dilak-ukan dengall aJnan tallpa penaJnba11anjuInla11 batang kendali.

DAFTARPUSTAKA

2

3.

4

5 6.

LIEM. P .H. et al.. Fuel ,\lanagement .Strategy for The A'ew Equilibrium Silicide Core De.'iign of RSG GAS (AfPR-30). Journal of ,Vuclear Engineering and Design 180 (1998).

KUNTORO. I.. SEMBIRING. T.M.. ZUHAIR Modifikasi Sistem Batang Kendali Reaktor RSG- GAS wttuk Teras Dengan Ballan Bakar Silisida Densitas Tinggi, Prosiding Seminar Sains dan Teknologi Nuklir Dalam Pemberdayaan Potensi Nasonal. BAT AN, Bandung (2000).

ASKEW, l.R. et al., A General Descriptio/l afThe Code fVIMS, Jour/lal Br. Nucl. Energy Soc. 5 (1966).

LIEM, P.H., De\'elopme/lt a/ld Verification of Batan's .Standard T\,.o-Dimensio/lal Afultigroup Neutron Diffusion Code (Batan-2DIFF), Atom Indonesia 20 (2) (1994).

BRETSCHER M.M., Computing Control Rod fVorths in Thernlal Research Reactors, ANL/RERTRfTM-29, ANL (1997).

LIEM, P.H. , SEMBIRING, T.M., Validation of Batan 's .Standard Neutron Diffusion Codes for Co/1trol Rod Worth Analysis, Atom Indonesia 23 (2) (1997).

SEMBIRING, T.M., LIEM, P.H., Validation of Bat an-3D IFF Code on 3-D Model ofL4EA JOMWth Benchmark Core for Partially-Inserted Control Rods, Atom Indonesia 25 (2) (1999).

IAEA, Research Reactor Con\'ersion Guide Book -Vol. 3; Analytical Verification, IE4E-TECDOC- 643, Vienna, Austria (1992).

8. DISKUSI

Pertanyaan: (Slamet Wiranto)

Sara rnendukung alternatif rnengganti bahan AgInCd rnenjadi B4C, rnengingat untuk penarnbahan Batang Kendali lagi akan sangat rnenyulitkan pelaksanaan LoadlUnload elernen teras (teras terlalu penuh) B4C dari segi reaktivitas Ok, tetapi bagaimana ditinjau dari segi rnekanik rnengingat batang kendali penyerap hams berbentuk garpu/pipih ?

Ja,vaban: (Iman Kuntoro)

Secara teknis pembuatan batang kendali berbentuk garpu (pipih) dengan penyerap B4C memungkinkan penelitian dari segi mekanik, metalurgi dan teknologi proses perlu dilakukan oleh pillak yang allli di bidang tersebut.

167

(4)

PROSIDI"'G SE.\/I;~4R HASIL PE;VEUTL4N P2TRR. Tah/ln 2000, Hal.:165-170

Keterangan:

G = Grafit

D = Elemen Bakar Standard

0 = Elemen Bakar Kendali dan batang kendali

EJ = Air

=Air

Gambar 1. Konfigurasi Terns Reaktor Benchmark IABA 10 MWth

168

(5)

PE.VE.VT(TA,V B.4HA.V PENYER.4P .-tLTERN.4TIF. (Iman Kunloro)

P RT F

K BS B B B B B BS B B

J B

as

B B B B B BS B

FE:

1

FE:

3 FE

2 FE

3

I

F 4E

~

7 FE

5 FE

7 FE

1 FE

6 FE

7

H B B B BS

FE 8

'-

^I

;E

G B IP B BS B

FE 2 FE

3 FE

5 FE

2 BS NS

FE 2

rv

FE 6

FE 8

FE

1 PN

F

--

2 B RS

FE 6 FE

4 FE

8

FE' 3 FE

5 FE

,

HY

E IP B RS

CIP

HY

RS

HY

RS

D ^IP _B

FE 7 FEo

6

Ff

1

FE 7

FE 6

--

5 FE 3 FE

4 FE

2

c

-

4 B

FE 8 FE

3 FE

8 FE

7

HY

B

-

₈ IP B B RS

FE 4

FE

A B 5 B BS B

10 ⁹ 8 7 6 5 4 3 2 1

Beryllium Block Reflector

Note: FE = Fuel Element, CE = Control Element, BE = Be Reftector Element, BS = Be Reftector Element with plug, IP = Irradiation Position, CIP = Central Irradiation Position, PNRS = Pneumatic Rabbit System, HYRS = Hydraulic Rabbit System

Gambar 2. Konfigurasi Teras Reaktor RSG-GAS

I~Q

(6)

PROSIDI, "C SE,\fli~.fR BASIL PEi"EUTIAiV P2TRR, Tahull 2000. Hal: 165-170

Tabe!

Nilai batang kendali total reaktor Benchmark IAEA 10 MWth untuk berbagai jenis bal1aJl

penyerap

Tabel 2 Parnlneter teras oksida reaktor RSG-GAS sebagai fungsi ballan penyerap

Cd 9,96

-11,27

0,90 (F-8)

B4C 9,96

-15,94 -2,49

(F-8) ParaJueter. %M/k

Reaktivitas lebih Nilai total batang kendali

~

9,96 -13,79

-0,95

(F-8)

Hf 9,96

-13,31

..0,60

(F-8) Marjin reaktivitas padam

Tabe) 3 Koefisien kelutaman batang kendali RSG-GAS untuk berbagai jenis balmn penyerap

NG

_AgInCd

6.0082E-O4 4. 1 782E-O3 9.3 1 74E-O2 4.2295E-Ol Syarat Batas Atas, eV

1.OOOOE+O7 8.2100E+O5 5.5310E+O3 6. 2500E-O 1

Hf

5.1487E-O4

3.5574E-O3 1. 1 924E-O 1 2.9265E-O1

Cd 2. 1 933E-O4

1.7737E-O3 2.6330E.O2 4.6920E-Ol

B4C 1.4946E-o3 8.2243E-o3 1.9105E-ol 4.6919E-ol

2

3 4

Tabel 4

Perbandingan parameter teras silisida RSG-GAS untuk bahan penyerap AgInCd dan B4C

Parameter, %M/k

B4C

Reaktivitas lebih

Nilai total batang kendali

9,24 -15,09

-2,54

(F-8) AglnCd

9,24

-13,05 -1,03

(F-8)

I

Marjin reaktivitas padam

170