343
EVALUASI KESELAMATAN HTR-10 KETIKA TERJADI KECELAKAAN KOMPAKSI BAHAN BAKAR DENGAN KODE MVP
Uswatun Chasanah1, Riyatun1, Suharyana1, Azizul Khakim2
1Group Riset Nuklir dan Radiasi, FMIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta
2Bidang PRND, PPSTPIBN, Badan Pengawas Tenaga Nuklir, Jakarta e-mail: [email protected]
ABSTRAK
Telah dilakukan simulasi HTR-10 menggunakan kode MVP, terkait keselamatan HTR-10 akibat kompaksi bahan bakar.
Monte Carlo Visual Program (MVP) merupakan software berbasis Monte Carlo yang dikembangkan oleh Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI). Kode MVP dipilih karena mampu melakukan pemodelan secara acak dengan menggunakan lattice type statistical geometry. Simulasi dilakukan dengan menggunakan data library JENDL- 3,3. Bahan bakar HTR-10 adalah UO2 berlapis TRISO dan terdistribusi secara acak di dalam pebble. Susunan bahan bakar pebble bed dimungkinkan terkompaksi apabila terjadi getaran yang kuat mengguncang teras reaktor, misalnya diakibatkan oleh gempa bumi. Kompaksi bahan bakar ditandai dengan nilai Packing Fraction (FP) yang merupakan perbandingan antara jumlah volume seluruh bahan bakar dan volume teras, disimulasikan dari FP 85% hingga 95%
dengan interval 2,5%. Hasil simulasi menunjukkan bahwa semakin terkompaksi, maka nilai kritikalitas semakin meningkat. Pada kondisi tanpa batang kendali (fully up) hasil variasi kompaksi bahan bakar menyebabkan HTR-10 berada dalam keadaan superkritis dengan nilai keff dari 1,05852 hingga 1,06674. Reaktor berada dalam keadaan superkritis dengan kenaikan nilai reaktivitas 0,7% yaitu dari 0,055285 hingga 0,062564. Simulasi berikutnya adalah memasukkan batang kendali, pada keadaan tercelup penuh (fully down) reaktor dapat berada dalam kondisi subkritis.
Pada simulasi ini dihasilkan nilai shutdown margin diatas 0,5 % dk/k. Dari hasil simulasi disimpulkan bahwa reaktor menuju superkrtis jika terjadi kompaksi bahan bakar pada semua variasi Packing Fraction. Dengan memasukkan semua batang kendali maka reaktivitas menjadi negatif dan nilai SDM memperlihatkan reaktor berada dalam kondisi aman apabila terjadi kecelakaan tersebut.
Kata kunci : HTR-10, kode MVP, Packing Fraction, shutdown margin
ABSTRACT
HTR-10 simulation has been performed using MVP code, related to safety of HTR-10 due to fuel compaction. The Monte Carlo Visual Program (MVP) is a Monte Carlo based software developed by Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI). The MVP code was chosen because it was able to do random modeling using statistical geometry type lattice. The simulation is done using JENDL-3,3 data library. The HTR-10 fuel is TRISO-coated UO2 and is randomly distributed inside the ball (pebble). The pebble bed fuel arrangement is possible to be compacted in case of strong vibrations rocking the reactor core, for example, caused by an earthquake. Fuel compaction is marked by the value of Packing Fraction (FP) which is the ratio between the total volume of fuel and the core volume, from FP 85% to 95%
with 2.5% intervals. Simulation results show that the more compacted, then the value of criticality is increasing. In a fully fueled compact condition variation, the HTR-10 is in a supercritical state with a keff value of 1.05852 to 1.06674.
The reactor is in a supercritical state with an increase in reactivity value from 0.055285 to 0.062564 or by 0.7%. The next simulation is to enter the control rod, in a fully-dormed state the reactor can be in subcritical condition. This simulation resulted in a shutdown margin value above 0.5% dk / k. From the simulation results it is concluded that the reactor is going to supercritical in case of fuel compaction in all variations of Packing Fraction. By entering all the control rods the reactivity becomes negative and the human resource value shows the reactor in a safe condition in case of the accident.
Keywords: HTR-10, MVP code, Packing Fraction, shutdown margin
I. PENDAHULUAN
Perkembangan dari Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) di dunia telah mencapai generasi ke IV, dimana pengembangan teknologi reaktor disebut dengan reaktor maju (advanced reaktor) [1]. Salah satu tipe reaktor maju adalah High Temperature Reaktor (HTR).
HTR merupakan reaktor berpendingin helium dan grafit sebagai moderatornya. Bahan bakarnya adalah material fisil uranium dioksida (UO2), yang dilapisi bahan
keramik tahan suhu tinggi. Konsep dari bahan bakar HTR dimaksudkan untuk mendapatkan satuan bahan yang sekecil mungkin dan mampu mengungkung produk fisi yang dihasilkan. Agar dapat mengungkung produk fisi ini, digunakan partikel yang berlapis pada bahan bakar UO2. Material berlapis yang digunakan jenis Tri Structural Isotropic (TRISO) dengan komposisi utama SiC. Keramik SiC ini dipilih karena mampu bertahan pada suhu tinggi [2]. Perbandingan
344 antara jumlah pebble bahan bakar dan pebble moderator adalah 57/43 [3]. Bahan bakar pebble bed HTR-10 dimasukkan pada teras secara acak tanpa menggunakan susunan tertentu.
HTR-10 selalu terikat dengan karakteristik uniknya yang meliputi keselamatan melekat (inherent safety), fleksibilitas daur bahan bakar dan efisiensi termal yang tinggi, membuat HTR muncul sebagai kandidat untuk pembangkit listrik di masa depan.
Karena keunikannya, pengkajian mengenai HTR-10 semakin marak dilakukan. Menurut peraturan BAPETEN No 3 pasal 16 tentang desain reaktor daya harus memenuhi beberapa kriteria. Kriteria tersebut diantaranya meliputi aspek keselamatan, keandalan, dan mutu sesuai dengan peraturan perundang-undangan, code dan standar [4].
Reaktivitas merupakan besaran yang menyatakan seberapa besar nilai kekritisan suatu reaktor [5]. Nilai reaktivitas bergantung pada nilai kritikalitas reaktor, sedangkan nilai kritikalitas berkaitan dengan laju reaksi.
Perubahan reaktivitas dipengaruhi oleh faktor internal dan eksternal. Faktor internal diantaranya adalah malfungsi reaktor, kegagalan aliran pendingin, reaksi kimia isotermis, serta kecelakaan terkait keamanan.
Faktor eksternal yang dapat terjadi antara lain adalah kegempaan, letusan gunung berapi, maupun kesalahan teknis yang disebabkan oleh faktor manusia.
Salah satu penyebab perubahan reaktivitas reaktor adalah gempa. Kecelakaan yang timbul akibat adanya gempa adalah kompaksi bahan bakar. Saat bahan bakar terkompaksi, dengan massa yang sama, volume dari keseluruhan sistem bahan bakar berubah menjadi lebih kecil, sehingga kerapatan massanya menjadi lebih besar. Perubahan kerapatan massa ini akan berpengaruh terhadap kekritisan reaktor, sehingga nilai reaktivitas juga akan berubah.
Untuk mengatasi kondisi reaktor yang berada dalam keadaan darurat, maka batang kendali akan dimasukkan untuk mengontrol nilai reaktivitasnya.
Untuk mengetahui jarak dari kondisi kritis ke kondisi subkritis sebagai batas ketika batang kendali dimasukkan, maka diperlukan nilai shutdown margin (SDM) yang didefinisikan sebagai pengurangan antara reaktivitas total batang kendali dengan reaktivitas lebih.
Nilai SDM minimum untuk reaktor riset adalah 0,5 % dk/k [6].
(1)
Pemodelan komputer diperlukan guna mengembangkan kajian tentang reaktor. Keuntungan dari pemodelan adalah untuk memudahkan dalam perancangan dengan atau tanpa penelitian secara langsung. Code MVP merupakan software berbasis Monte Carlo yang dikembangkan oleh Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI). Code MVP dipilih karena mampu melakukan pemodelan secara acak seperti di HTR-10, dengan menggunakan lattice tipe statistical geometry [7]. Code MVP juga melakukan simulasi reaktivitas umpan balik (feedback reactivity) akibat kompaksi bahan bakar.
II. METODE PENELITIAN
Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode simulasi HTR-10 menggunakan code MVP. Material yang digunakan dalam simulasi mengacu pada data library JENDL-3,3. Inputan utama dalam kode MVP meliputi kontrol data, cross section, geometri, pendefinisian sumber serta inputan CGView.
Inputan CGView ini berfungsi untuk mengatur koordinat pada saat menampilkan visual 2 dimensi dari program yang telah dibuat.
Gambar 1. Tampang lintang dari HTR-10 [8]
Parameter lainnya terdapat pada Tabel 1.
Tabel 1. Parameter Desain HTR-10 [5]
Parameter Nilai Satuan
Daya termal 10 MW
Volum teras aktif 15 m3
Power density rata-rata 2 MW/m3 Tekanan helium primer 3 MPa Suhu helium inlet 250-300 oC Suhu helium outlet 700-900 oC Massa helium per detik 4,3-3,2 kg/s Bahan bakar
Densitas Buffer Densitas IpyC Densitas SiC Densitas OpyC Pengayaan 235U Densitas UO2
UO2
1,10 1,80 3,18 1,90 17 10,40
- g/cm3 g/cm3 g/cm3 g/cm3 g/cm3 g/cm3
Diameter teras 180 cm
Diameter batang kendali 13 cm Diameter bahan bakar 60 mm Jumlah bahan bakar 27.000 Buah Rata-rata burn-up 80.000 MWd/ton
Parameter HTR-10 mengacu pada penelitian Terry, 2006 serta spesifikasi data HTR-10 dari IAEA.
Keterangan dari Gambar 1 adalah sebagai berikut : a. Top cavity, merupakan rongga antara fuel pebble
dengan reflektor yang berisi udara. Ukuran top cavity adalah tinggi 98,758 cm dan jari jari 90 cm
345 b. Teras reactor, berisi bahan bakar Uranium yang
diperkaya 17%. Uranium ini dilapisi oleh lapisan TRISO yang tersusun secara acak di dalam pebble bed. Pebble bahan bakar di dalam teras berjumlah 27.000 terdistribusi dengan Packing Fraction 85%.
c. Dummy pebble, merupakan pebble berisi grafit yang dihomogenkan dengan diameter 60 mm. Dummy pebble ini berfungsi sebagai moderator
d. Batang kendali, berperan sebagai penyerap neutron dan mengendalikan reaktivitas reaktor. Material batang kendali adalah boronated carbon. Batang kendali akan jatuh pada ruang batang kendali jika system reaktor memerlukannya.
e. Reflektor sebagai pemantul netron terletak mengelilingi teras reaktor, dengan material grafit terdiri dari 3 bagian yaitu reflektor atas, samping dan bawah.
f. Lapisan boronated carbon merupakan lapisan paling luar yang menyelimuti sistem HTR-10 dengan ketebalan 28,2 cm pada bagian samping dan 40 cm pada bagian atasnya.
g. Aliran pendingin berisi yang gas helium, dimana terdapat 20 saluran pendingin yang mengelilingi teras.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Kondisi normal HTR-10 diasumsikan mempunyai Packing Fraction 85% pada terasnya. Nilai keff pada keadaan ini adalah (1,05521 ± 0,00287).
Variasi simulasi yang dilakukan adalah kompaksi bahan bakar, dengan nilai Packing Fraction dari kondisi normal 85% hingga 95% dengan interval 2,5%.
Gambar 2. Kompaksi dengan Packing Fraction 95%
kondisi batang kendali Fully up.
Pada kondisi normal tinggi teras 141,1765 cm diameter 180 cm. Saat terjadi kompaksi bahan bakar, maka tinggi teras untuk tempat bahan bakar mengalami penurunan. Kondisi terkompaksi maksimum dengan nilai Packing Fraction 95% dengan perubahan tinggi teras menjadi 126,316 cm yang ditunjukkan oleh Gambar 2. dengan nilai kompaksi maksimum yaitu 95%. Karena volum bahan bakar tetap sedangkan volum teras mengalami penurunan, sehingga kerapatannya
bertambah. Kerapatan ini sebanding dengan nilai Packing Fraction.
Tabel 2. Nilai keff saat terkompaksi kondisi batang kendali fully up
FP keff ρ
85% 1,05852 ± 0,001341 0,055285 87,5% 1,05887 ± 0,001091 0,055597 90% 1,06237 ± 0,001329 0,058708 92,5% 1,06373 ± 0,001180 0,059912 95% 1,06674 ± 0,001357 0,062564
Hasil tersebut menunjukkan bahwa nilai keff
semakin besar ketika FP makin besar, dari 1,05852 sampai 1,06674. Nilai ini menunjukkan bahwa semakin banyak neutron yang dihasilkan pada generasi berikutnya. Hal ini dapat dijelaskan dengan pemikiran bahwa ruang kosong diantara pebble dalam teras makin sedikit. Biasanya ruang kosong ini diisi gas helium berperan sebagai pendingin, semakin berkurang kemampuannya dalam mendinginkan reaktor dibandingkan dengan kondisi yang tidak terkompaksi.
Interaksi antara uranium dan neutron menjadi semakin bertambah, sehingga jumlah neutron yang dihasilkan akibat reaksi pembelahan inti Uranium juga semakin banyak. Kondisi ini akan meningkatkan laju reaksi, serta meningkatkan daya reaktor. Semakin besar laju reaksi maka nilai kritikalitasnya juga semakin besar.
Kenaikan nilai keff dapat dilihat pada Tabel 2. Kenaikan nilai keff ini sebanding dengan kenaikan nilai reaktivitas.
Semakin besar nilai keff maka semakin besar pula nilai reaktivitas.
Gambar 3. Spektrum Neutron pada Variasi Kompaksi Bahan Bakar batang kendali fully up
Salah satu faktor yang mempengaruhi naiknya nilai kritikalitas ini adalah meningkatnya jumlah neutron termal saat terjadi kompaksi bahan bakar.
Peningkatan jumlah neutron termal ini ditunjukkan oleh Gambar 3. Pada warna biru merupakan spektrum neutron pada saat kondisi normal, sedangkan warna merah merupakan kondisi ketika HTR-10 terkompaksi maksimum, yaitu 95%. Pada energi neutron termal yaitu sekitar 0,025 eV terjadi kenaikan jumlah neutron termal.
Neutron termal ini mempunyai probabilitas tertinggi untuk terjadinya reaksi fisi. Berdasarkan 6 faktor yang mempengaruhi nilai keff, yang berpengaruh pada kondisi ini adalah faktor kemungkinan ketidakbocoran neutron
346 termal serta faktor pemakaian neutron termal. Karena produksi neutron yang meningkat, maka semakin banyak pula neutron yang terpakai untuk reaksi fisi selanjutnya. Kondisi ini akan meningkatkan laju reaksi.
Semakin besar laju reaksi maka nilai kritikalitasnya juga semakin besar. Kenaikan nilai keff pada variasi kompaksi bahan bakar tidak terlalu signifikan.
Reaktor berada dalam keadaan superkritis dengan kenaikan nilai keff dari 1,05852 hingga 1,06674.
Reaktivitas umpan balik HTR-10 bernilai positif dengan kenaikan nilai reaktivitas dari 0,055285 hingga 0,062564 atau sebesar 0,7%.
Karena reaktor berada dalam kondisi superkritis, maka diperlukan mekanisme pengendalian reaktivitas.
Keselamatan aktif yang dapat dilakukan adalah menurunkan batang kendali. Batang kendali ini berfungsi untuk mengontrol populasi neutron. Ketika batang kendali masuk sepenuhnya (fully down) ditunjukkan oleh gambar 4.
Gambar 4. Kompaksi dengan Packing Fraction 95%
kondisi batang kendali fully down
Gambar 5. merupakan spektrum neutron dengan nilai Packing Fraction 95%. Warna biru menunjukkan batang kendali pada kondisi fully up, sedangkan warna merah menunjukkan batang kendali pada keadaan fully down. Pada grafik yang berwarna merah terjadi pergeseran spektrum ke arah kanan di daerah neutron termal. Pergeseran ini menunjukkan bahwa spektrum bergeser pada keadaan yang semakin tidak termal dibandingkan dengan kondisi ketika batang kendali fully up. Selain itu, jumlah populasi neutron pada garis yang berwarna merah juga mengalami penurunan. Penurunan jumlah populasi neutron inilah yang mempengaruhi nilai reaktivitas. Penurunan jumlah neutron ini dikarenakan ketika batang kendali dimasukkan, maka sebagian neutron akan diserap oleh material batang kendali yang komponen utamanya adalah boron.
Gambar 5. Spektrum neutron FP 95% pada keadaan batang kendali fully up dan fully down
Saat reaktor berada dalam keadaan batang kendali fully down nilai kritikalitasnya turun dan berada dalam kondisi subkritis. Sistem keselamatan aktif dengan menggunakan batang kendali telah mampu mengontrol reaktivitas dan membuat reaktor berada dalam kondisi subkritis. Tabel 3. Menunjukkan SDM dari kompaksi bahan bakar bernilai diatas 0,5 % dk/k yang merupakan batas minimum untuk menuju sistem pemadaman reaktor.
Tabel 3. Nilai keff saat terkompaksi kondisi batang kendali fully down
FP
(%) keff
SDM (%
dk/k)
Kategori keamanan
85 0,925064 ± 0,00152 6,13 Memenuhi 87,5 0,932789 ± 0,00141 5,55 Memenuhi 90 0,939367 ± 0,00133 5,01 Memenuhi 92,5 0,949346 ± 0,00127 4,22 Memenuhi 95 0,953551 ± 0,00128 3,86 Memenuhi
IV. KESIMPULAN
Pada variasi kompaksi bahan bakar, semakin teras reaktor terkompaksi, maka nilai kritikalitas semakin mengalami kenaikan. Reaktor berada dalam keadaan superkritis dengan kenaikan nilai keff dari 1,05852 hingga 1,06674. Terjadi kenaikan nilai reaktivitas dari 0,055285 hingga 0,062564 atau sebesar 0,7%. Penurunan batang kendali menurunkan nilai keff. Nilai keff keadaan fully up dan fully down digunakan untuk menghitung SDM. Nilai SDM berada diatas 0,5
% dk/k sehingga reaktor aman menuju proses pemadaman apabila terjadi kecelakaan kompaksi bahan bakar.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Aziz, F., dkk. Design Study of Modular Lead- Bismuth Cooled Fast Reaktors with Nitride Fuel, Kontribusi Fisika Indonesia Vol. 13 No.4, Oktober 2002.
[2] Verkerk, E.C. Dynamics of the pebble bed nuclear reaktor in the direct brayton cycle; Ph.D. Thesis.
Delft University of Technology; 2000.
[3] Jing et al., (2002). Prediction Calculations and Experiments for the First Criticality of the 10 MW High Temperature Gas-cooled Reaktor Test
347 Module. Nuclear Engineering and Design, 218, pp.
43-49
[4] ----, Peraturan Kepala Badan Pengawas Tenaga Nuklir Nasional Nomor 3 pasal 8 dan 16 tahun 2011, tentang Ketentuan Keselamatan Reaktor Daya, Jakarta.
[5] Doe. (1993). Nuclear Physics and Reaktor Theory.
Amerika: U. S. Departement of Energy.
[6] Sutondo, T., & Yulianti, N. (2006). Analisis Batas Reaktivitas Sampel Eksperimen pada Reaktor Kartini. Prosiding PPI – PDIPTN Pustek Akselerator dan Prose Bahan, Juli, 380-385.
[7] JAERI. (2005). MVP/GMVP II : General Purpose Monte Carlo Codes for Neutons and Photon Transport Calculations based on Continious Energy and Multigroup Methods. Tokyo: Japan Atomic Energy Reseach Institute.
[8] Terry, W. (2006). Evaluation of the HTR - 10 Reaktor as a Benchmark for Physics Code QA.
Idaho National Library.
![Tabel 1. Parameter Desain HTR-10 [5]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3296808.3792664/2.892.462.789.679.1040/tabel-parameter-desain-htr.webp)
