STRUKTUR ATOM URANIUM
Sejatinya segala unsur yang ada di alam terbentuk dari kumpulan atom – atom. Saat ini ada 92 jenis atom yang telah didefinisikan. Inti dari suatu atom terdiri atas proton yang bersifat positif dan neutron yang bersifat netral. Di sekitar intinya terdapat elektron yang mengelilingi, biasanya berjumlah sama dengan proton dan terikat dengan gaya elektromagnetiknya.
Unsur uranium memiliki jumlah proton 92 buah atau dengan kata lain nomor atom uranium adalah 92. Namun di alam terdapat 3 jenis unsur yang memiliki jumlah proton 92 buah, masing – masing memiliki jumlah neutron sebanyak 142, 143, dan 148. Unsur yang memiliki 143 neutron disebut Uranium-235, sedangkan yang memiliki 148 buah neutron disebut Uranium-238. Suatu atom yang memiliki nomer atom sama namun jumlah neutron berbeda disebut isotop.
REAKSI FISI URANIUM
Reaksi fisi terjadi pada saat neutron menumbuk Uranium-235 dan saat itu pula atom Uranium akan terbagi menjadi 2 atom bermassa lebih kecil yaitu Kr dan Br. Saat terjadi reaksi fisi juga akan dihasilkan energi panas yang sangat besar. Dalam aplikasi di PLTN, energi hasil reaksi fisi ini dijadikan sumber panas untuk menghasilkan uap air, kemudian uap air akan memutar turbin dan membuat generator menghasilkan listrik.
Gambar 1 Proses terjadinya reaksi fisi SIKLUS RANKINE
Siklus Rankine dapat digambarkan dalam salib sumbu – sumbu T dan Entapli (S). Begitu pula dapat digambarkan dalam diagram alir. Panas yang masuk serta yang diubah menjadi kerja dapat dicari dari diagram T – S.
Gambar 3 Diagram blok siklus uap pada mesin pembangkit daya (turbin) sederhana
Keterangan gambar 2 :
1 – 2 : Air dipanaskan dari suhu masuk sampai suhu jenuh pada tekanan kerja (tekanan tetap).
2 – 3 : Air pada temperatur jenuh berubah menjadi uap jenuh (superheated). 3 – 4 : Uap jenuh berekspansi pada turbin uap. Sebagian uap mengembun.
4 – 5 : Campuran uap dan air melalui kondensor , kemudian uap mengalami pengembunan
5 – 1 : Air kondensat dipompa masuk ke pembangkit uap Panas yang masuk = Luasan A – 1 – 2 – 3 – B
Kerja yang dihasilkan = Luasan 1 – 2 – 3 – 4 – 5
Harga panas yang masuk dan kerja yang diperoleh dapat dicari dari harga enthalpi masing – masing titik.
Panas masuk : h3 – h1 Panas keluar : h4 – h5 Kerja masuk : h1 – h5 Kerja keluar : h3 – h4
Efisiensi Kerja = Kerja keluar−Panas masukKerjamasuk
Harga efisiensi dipengaruhi garis 2 – 3 dan 4 – 5. Semakin tinggi garis 2 – 3 (makin tinggi tekanan) dan makin rendah garis 4 – 5 (makin rendah tekanan vakum) akan semakin tinggi efisiensi.
PRINSIP KERJA PLTN
Gambar 4 Skema PLTN
Dua jenis PLTN yang banyak digunakan di dunia adalah jenis reaktor air tekan / RAT (Pressurized Water Reactor/PWR) dan reaktor air didih / RAD (Boiling Water Reactor / BWR), yang skemanya bisa kita lihat di Gambar 5 dan 6.
Gambar 5 Skema cara kerja reaktor air tekan
Pada PLTN jenis RAT, kita bisa melihat bahwa uap yang kemudian akan masuk ke turbin ternyata dihasilkan di steam generator (SG) atau pembangkit uap. Jadi di sini yang bertindak sebagai boiler adalah SG.
caranya dengan mempertahankan tekanan air tetap tinggi. Agar tujuan ini tercapai digunakan komponen yang disebut pressurizer (PRZ).
Ciri khas PLTN jenis PWR :
1. PWR mempunyai dua aliran pendingin yang terpisah, yaitu air untuk mendinginkan reaktor (istilahnya adalahsistem pendingin primer) dan air yang akan menjadi uap untuk memutar turbin (istilahnya adalah sistem pendingin sekunder).
2. Proses pendidihan air terjadi di SG, di mana energi ditransfer dari pendingin primer ke pendingin sekunder.
3. Pada sistem pendingin primer tidak terjadi pendidihan karena tekanan dijaga tetap tinggi oleh PRZ.
4. Batang kendali yang mengatur berlangsungnya reaksi fisi terletak di bagian atas bejana reaktor.
Gambar 6 Skema cara kerja reaktor air didih
bertindak sebagai boiler ya bejana reaktornya itu sendiri. Energi yang dihasilkan dari reaksi fisi akan digunakan secara langsung untuk mendidihkan air dan uap yang dihasilkan dari bejana reaktor akan langsung dialirkan menuju ke turbin.
Ciri khas dari reaktor ini adalah:
1. Hanya ada satu jenis aliran pendingin.
2. Proses pendidihan berlangsung di dalam bejana reaktor.
3. Karena terjadi pendidihan pada sistem pendingin maka tekanan pendingin lebih rendah daripada PLTN jenis PWR.
4. Karena uap akan mengumpul di bagian atas bejana, maka batang kendali ditempatkan di bagian bawah bejana reaktor.
Pada THE FORT SAINT VRAIN HTGR (indirect cycle HTGR) yang bekerja pada tekanan 24000 psia dan suhu superheater maupun reheater 1000 F. Efisiensi tenaga mencapai 39,4 %. Efisiensi ini cukup tinggi dibanding jenis PLTN lain. Reaktor ini menerapkan regenerasi. Reheater maupun superheater.
JENIS – JENIS STEAM TURBIN
Pada Prinsipnya Steam turbin berfungsi sebagai penggerak generator Listrik, Pompa, Kompresor dan sebaginya atau kerennya disebut prime mover. Fungsi utamanya sama dengan Motor yaitu menggerakan sesuatu. Yang membedakan antara Steam turbine dan motor adalah, sumber energi yang digunakan. Motor menggunakan Listrik, sedangkan Steam turbine mengunakan energi yang tersimpan pada steam yang berupa tekanan dan panas, untuk menghasilkan energi gerak. Pemanfaatan energi ini dilakukan dengan mengurangi tekanan pada steam. Misalkan dari steam dengan Tekanan 42 kg/cm2.G pada temperatur 370 deg C menjadi 17 kg/cm2.G.
1. Turbin Condensing, turbin akan mengambil energi dari steam hingga steam tersebut siap mengembun pada tekanan atmosperik. Karena pada turbin tidak diperbolehkan adanya cairan maka keuaran turbin di desain untuk sedikit vakum atau dibawah atmosperik.
2. Turbin Back Pressure, Turbin ini akan menghasilkan tekanan exhaust lebih besar dari atmosperik.
Secara Fisik Turbin condensing memiliki ukuran yang besar dibandingkan dengan turbin backpressure untuk keluaran output yang sama besarnya. Turbin backpressure biasanya banyak menggunakan alat yang berputar pada kecepatan tinggi.
Perpaduan dari kedua tipe ini sering dinamakan extracting turbin atau induction turbin. Prinsip kerja dari sistem ini cukup berbeda. Extracting turbin akan mengeluarkan steam pada kondisi intermediet sehingga bisa digunakan kembali untuk peralatan lain, sehingga penggunaan turbin jenis ini adalah untuk meningkatkan efisiensi penggunaan energi dengan menghindari digunakannya reducing valve yang tidak efisien karena penggunaan valve berarti membuang energi tanpa menggunakannya terlebih dahulu. Sebaliknya dengan Induction turbin, Induction turbin ini akan menggunakan Steam yang berasal dari peralatan lain yang masih memiliki tekanan dan temperatur yang masih memadai. Steam akan masuk pada stage yang memiliki tekanan steam mendekati dengan steam yang akan masuk, kemudian akan di mixing di dalam turbin sehingga meningkatkan jumlah steam yang masuk kedalam turbin.
Untuk turbine impuls, dimana:
Atau untuk turbin reaksi, efisiensi dapat dinyatakan dengan:
Tetapi masih ada kerugian lain yang menyangkut bentuk dari sudu turbin, batasan tekni, sehingga efisiensi turbin dipengaruhi pula oleh daya turbin. Secara keseluruhan efisiensi turbine dapat digambarkan pada gambar (7) berikut.
Akibat adanya efisiensi turbine uap, maka efisiensi PLTN akan lebih rendah dari efisiensi siklus rankinenya.
Tekanan jenuh primer dapat diketahui dari tabel dengan melihat harga suhu Th. Tekanan operasi primer, harus lebih tinggi dari tekanan jenuhnya. Tabel dari tekanan jenuh dan suhu jenuh baik primer maupun sekunder tertera pada tabel (2) berikut:
0,8. Harga efisiensi total PLTN dengan siklus rankine dengan regenerasi berkisar pada harga 30%.
KESIMPULAN
