PERHITUNGAN NEUTRONIK DESAIN TERAS SETIMBANG UNTUK MENDUKUNG TERBENTUKNYA TERAS REAKTOR RISET INOVATIF

(1)

PERHITUNGAN NEUTRONIK DESAIN TERAS SETIMBANG

UNTUK MENDUKUNG TERBENTUKNYA TERAS REAKTOR

RISET INOVATIF

Tukiran S, Tagor MS

Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir-BATAN Gd. 80 Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang

E-mail: ptrkn@batan.go.id

ABSTRAK

PERHITUNGAN NEUTRONIK DESAIN TERAS SETIMBANG UNTUK MENDUKUNG TERBENTUKNYA TERAS REAKTOR RISET INOVATIF. Reaktor riset berbahan bakar Umo (Uranium

Molibdenum) saat ini belum ada di dunia, masih dalam penelitian. Reaktor riset berbahan bakar Umo sangat menjanjikan karena dapat didesain untuk densitas tinggi sehingga diharapkan dapat menghasilkan panjang siklus dan fluks neutron yang tinggi. Untuk mendukung terbentuknya teras reaktor riset inovatif maka didesain suatu teras setimbang reaktor riset berbahan bakar Umo yang terdiri dari 24 bahan bakar dan 6 batang kendali dan merupakan teras kompak yang mempunyai fasilitas iradiasi di pinggir teras. Kerapatan dan muatan bahan bakar Umo masing-masing 7,0 g U/cc dan 590 gram. Data tampang lintang makroskopik teras digenerasi dengan menggunakan program WIMSB/5 dengan tampang lintang mikroskopik terbaru ENDF7 dengan model multi slab. Data tampang lintang digunakan dalam perhitungan teras setimbang dengan program Batan-Equil-2DIFF dengan model 2 dimensi teras penuh. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa panjang siklus operasi yang diperoleh pada teras setimbang dengan daya 50 MW selama 30 hari dengan fraksi bakar maksimum 58,24 %. Nilai ini jauh dari batas keselamatan yang telah ditetapkan untuk bahan bakar Umo yang dapat dibakar hingga 75 %, sedangkan fluks neutron termal rerata yang dihasilkan di teras sekitar 3,5E14 n/cm2s

Kata kunci : desain neutronik, teras setimbang, bahan bakar Umo, RRI

ABSTRACT

CALCULATION OF NEUTRONIC DESIGN OF THE EQULIBRIUM CORE FOR SUPPORTING THE INNOVATIFE RESEARCH REACTOR. Research reactor in the world which use Umo (Uranium

Molibdenum) as fuel is not yet available, it is still in research. Umo fuel in the research reactor has many advantages because it can be designed with higher fuel density so it is hoped that the operation cycle length and flux neutron in the core were higher. For supporting the core of innovatife research reactor, it was designed a core used Umo fuel consist of 26 fuel elements and 6 control elements in compact core configuration with 8 irradiation positions at the edge of the core. Density of Umo fuel is 7.0 gU/cc with 590 gram of fuel loading. The macroscopic cross section data of material core was generated by WIMSD/5 with the newest microscopic cross section ENDF7 with multi slab model. Macroscopic cross section data is used to calculated the equilibrium core by Batan-Equil-2DIFF code with 2 dimensions full core model. The result of calculation showed that equilibrium core was achieved at 50 MW of power the operation cycle length was 30 days with maximum discharge burn up of fuel 56.24 %. This value is far from safety limit for Umo fuel is 75 %. Meanwhile, the average neutron flux in the core around 3.5E14 n/cm2s.

Key words: neutronic design , equilibrium core, Umo fuel, RRI

PENDAHULUAN

ada saat ini Indonesia memiliki 3 (tiga) reaktor riset, masing masing adalah reaktor TRIGA MARK II di Bandung, reaktor ini pada awalnya memiliki daya 250KW yang dibangun oleh General Atomic dan beroperasi pada tahun 1965. Daya reaktor TRIGA MARK II ditingkatkan menjadi 1MW pada tahun 1971 dan ditingkatkan menjadi 2MW pada tahun 2000 dengan kemampuan tenaga ahli dari BATAN. Reaktor Kartini Yogyakarta adalah reaktor yang dibangun oleh tenaga ahli dari BATAN, merupakan pindahan dari reaktor Bandung.

Reaktor dengan daya 100KW ini kritis dan dioperasikan pertama kali pada tahun 1979. Kedua reaktor ini berbahan bakar tipe rod jenis UzrH. Reaktor RSG GA Siwabessy adalah tipe reaktor Serba Guna yang dibangun di Serpong yang merupakan reaktor riset yang cukup besar dan maju, dengan daya 30MW. Sesuai dengan kebijakan penggunaan bahan bakar LEU dengan pengayaan rendah ≤ 20%, maka RSG GA Siwabessy mulai kritis dan dioperasikan pertama kali pada bulan Juli 1987 menggunakan bahan bakar tipe pelat jenis U3O2Al,

yang kemudian diganti dengan U3Si2Al dengan

tingkat muat yang sama 2,96 g U/cc buatan PT

(2)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 19 Juli 2011 BANTEK sejak 1990. RSG-GAS digunakan untuk

berbagai keperluan, antara lain untuk keperluan produksi radioisotop, Neutron difraktometer untuk pengujian ilmu bahan, NTD (Neutron Transmutation doping), AAN (analisis aktivasi neutron), uji bahan bakar, reaktor pendidikan dan latihan bagi operator dan berbagai keperluan lainnya[1].

Ketiga reaktor riset di atas sudah beroperasi lama sehingga usianya sudah tua sehingga perlu dipikirkan regenerasi reaktor riset innovatif (RRI) yang lebih baik lagi sesuai dengan kebutuhan dimasa yang akan datang. Untuk mendukung terbentuknya desain teras reaktor inovatif maka dilakukan beberapa kajian dan perhitungan seperti kajian jenis bahan bakar, ukurannya dan ketebalannya. Demikian juga dengan batang kendali yang digunakan, sehingga dapat memudahkan untuk mendesin suatu teras reactor riset.

Dalam penelitian ini dibahas perhitungan neutronik desain teras setimbang reaktor riset berbahan bakar Umo (Uranium molybdenum) . Perhitungan ini dilakukan untuk mendukung terbentuknya desain teras reaktor riset inovatif di Indonesia. Berdasarkan kajian terdahulu bahwa bahan bakar Umo sangat menjanjikan dimasa yang akan datang disamping dapat dikemas pada densitas tinggi, daya hantar termalnya sangat baik dan saat ini masih di teliti di dunia[2]. Desain teras reaktor riset baru yang dilakukan merupakan desain teras kompak dimana semua fasilitas iradiasinya di pinggir teras. Jumlah bahan bakar dan batang kendali masing-masing 24 dan 6 buah. Tiap perangkat bahan bakar tediri dari 21 pelat dan elemen kendali 15 pelat. Muatan uranium pada setiap perangkat bahan bakar 590 gram dengan pengkayaan U-235 19,75 % dan desitasnya 7,0 %.

Untuk mendesain teras reaktor dilakukan generasi sel untuk menghasilkan tampang lintang elemen teras ataupun material teras reaktor secara keseluruhan. Program yang digunakan untuk generasi tampang lintang material teras reaktor riset adalah WIMSB/5 dengan pustaka tampang lintang terbaru ENDF7 yang telah diverifikasi dengan baik dan banyak digunakan di dalam bidang nuklir untuk generasi tampang lintang makroskopik, sedangkan perhitungan teras setimbang digunakan dengan program Batan-equil-2DIFF

PROGRAM WIMSB/5 DAN

BATAN-EQUIL-2DIFF

Program WIMSB/5

WIMSB/5 adalah suatu program untuk aplikasi disain reaktor yang dikembangkan oleh United Kingdom Atomic Energy Authority, England. Secara garis besar program ini terbagi atas tiga kelompok besar yaitu perhitungan banyak kelompok, transport utama dan blok edit[3).

Pada bagian pertama dihitung spektrum neutron dalam geometri sederhana dengan kelompok yang bersesuaian dengan pustaka program dan digunakan juga untuk meringkas jumlah kelompok tenaga menjadi sedikit kelompok (few groups). Pada bagian kedua diselesaikan persamaan transport sedikit kelompok tetapi dengan model ruang yang lebih detail. Pada bagian edit dilakukan beberapa koreksi atas hasil yang sebelumnya. Keluaran program WIMSB/5 adalah fluks persatuan volum dan fluks tiap titik mesh, koefisien difusi, tampang lintang makroskopik pembelahan, serapan, transport, hamburan, υ-fisi dan spektrum neutron hasil pembelahan.

Program BATAN-EQUIL-2DIFF

Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah merupakan paket program Batan-EQUIL-2D yang menyelesaikan persamaan difusi neutron dengan banyak kelompok tenaga dalam geometri 2-D. Paket program ini menggunakan modul Batan-2DIFF4] dalam menyelesaikan persamaan difusi neutron.

Paket program Batan-2DIFF telah diuji keakuratannya melalui beberapa kegiatan verifikasi dan validasi. Verifikasi dengan paket program 2DBUM[4] telah dilakukan dengan perbedaan relatif untuk penentuan faktor perlipatan efektif dan fluks neutron berkisar antara 10-4% sampai dengan 10-3%.

Validasi paket program Batan-2DIFF dengan teras reaktor MTR hipotesis berdaya 10 MW telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya[5]. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa perbedaan hasil Batan-2DIFF dengan paket program yang dimiliki lembaga penelitian lain, misal ANL (Argonne National Laboratory), relatif sangat kecil. Begitu juga validasi dengan eksperimen kekritisan di perangkat kritis Universitas Kyoto (Kyoto University Critical Assembly, KUCA) telah dilakukan[6].

Validasi paket program Batan-EQUIL-2D dengan hasil eksperimen teras pertama reaktor RSG-GAS juga telah dilakukan. Teras pertama dipilih karena seluruh bahan bakar yang digunakan masih segar sehingga keakuratan data nuklida penyusun bahan bakar dapat dijamin. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa dalam penentuan kritis pertama hanya ada perbedaan relatif sebesar 0,2%. Sedangkan untuk penentuan keff teras penuh dan reaktivitas

padam masing-masing memiliki perbedaan relatif mutlak sebesar 1,3 dan 1,7%. Hal ini menunjukkan bahwa konstanta kelompok difusi dan penyelesaian perhitungan teras oleh program Batan-EQUIL-2D sangat akurat.

Teras reaktor terdiri dari grid-grid yang membentuk matrik 10x10. Pada teras aktif, grid teras akan membentuk matrik 10x10 yang digunakan sebagai tempat elemen bakar, elemen kendali, elemen reflektor, fasilitas iradiasi (IP). Air ringan (H2O) sebagai pendingin dialirkan melalui

(3)

komponen-komponen teras untuk mengambil panas dan dibuang melalui sistim pendingin sekunder. Teras reaktor riset berbahan bakar Umo dapat dilihat pada Gambar 1.

DESKRIPSI TERAS REAKTOR RISET

UMO

1. Elemen Bakar

Elemen bakar teras reaktor riset didesain menggunakan elemen bakar Umo berbentuk plat jenis MTR dengan pengkayaan uranium (U-235) 19,75 % dan kerapatannya 7,0 g.cm-3. Setiap elemen bakar terdiri dari 21 plat dengan ukuran panjang 625

mm , lebar 70,75 mm, sedangkan plat bahan bakar aktif mempunyai ukuran tebal 1,30 mm, panjang 600 mm , lebar 62,75 mm. Plat yang digunakan terbuat dari bahan AlMg. Tiap elemen bakar rata-rata mengandung 590 gram uranium. Elemen bakar Umo dapat dilihat pada Gambar 2. Pada kondisi teras kerja (Teras Setimbang) jumlah elemen bakar 24 buah elemen dan kendali 6 buah serta distribusi burn-up (fraksi bakar) terdiri atas 6 kelompok dengan burn-up rerata awal siklus 23,2 % dan rerata akhir siklus 38,3 %. Pada setiap siklus akan diadakan pergantian 5 elemen bakar dan 1 elemen kendali yang fraksi bakarnya sekitar 65 %.

2. Teras Reaktor

Gambar 1. Konfigurasi teras reaktor riset barbahan bakar Umo

2.3 4.5 80. 50 2. 55 1. 30 0. 38 62.75 70.75 81. 0 76.1 77.1

(4)

Yogyakarta, 19 Juli 2011

3. 3. Elemen Kendali

2.3 4.5 80. 50 1. 30 62.75 70.75 1.1 0. 38 1. 62 2. 55 81. 0 76.1 77.1 2.2 65.0 5. 08 3. 38

Gambar 3. Elemen kendali teras reaktor riset (satuan mm). Batang kendali yang digunakan pada teras

reaktor riset ini terbuat dari bahan AgInCd (85%,10%,5%) dengan bentuk garpu (fork-type) dan dibungkus dengan baja tahan karat (Stainless Steel). Setiap elemen kendali terdiri dari 15 plat elemen bakar dan 2 bilah penyerap neutron (blade). Dalam pengoperasiannya teras reaktor menggunakan 6 batang kendali yang terdiri atas 5 Shim rod dan 1 Reg.rod. Batang kendali ini ditempatkan pada posisi tertentu di dalam teras reaktor. Bentuk elemen kendali teras reaktor riset Umo dapat dilihat pada Gambar 3.

TATA KERJA

Perhitungan neutronik desain teras setimbang dilakukan pada daya nominal 50 MWt dan xenon setimbang. Tahapan perhitungan dapat dijelaskan sebagai berikut:

Program WIMSB/5 hanya mampu melakukan perhitungan transport neutron satu dimensi, sehingga perlu dilakukan pemodelan terhadap sel-sel teras. Pemodelan sel digunakan untuk perhitungan pembangkitan konstanta kelompok. Pembangkitan konstanta kelompok dimaksudkan untuk mendapatkan harga rerata konstanta kelompok dalam suatu sel dengan cara menghomogenkan sel tersebut.

Perhitungan konstanta kelompok dilakukan untuk semua material penyusun teras dalam kondisi seperti di atas.

a. Bahan Bakar

Model perhitungan untuk bahan bakar adalah multi slab. Pada pemodelan ini satu elemen bahan bakar yang terdiri dari 21 plat elemen bakar dibuat menjadi 21 slab material yang tersusun berurut. Setiap slab terdiri dari meat, kelongsong dan moderator dengan tebal masing-masing: 0,027 cm; 0,038 cm; dan 0,1925 cm. Slab ini mempunyai panjang sesuai dengan panjang material aktip. Material lain yang di luar panjang aktip dihomogenisasi dan dinormalisir terhadap panjang aktip dan dinamakan "extra region". Pada elemen bahan bakar extra region terdiri dari bahan AlMg2

dan air, sedangkan "meat" terdiri dari 235 dan U-238, kelongsong terdiri dari AlMg2 dan moderator

terdiri dari H2O.

b. Elemen Kendali

Model perhitungan untuk bahan kendali dibagi dalam dua region. Region pertama merupakan daerah aktip yang terdiri dari 15 plat elemen bakar dibuat menjadi 15 slab material yang tersusun berurutan. Pemodelannya sama dengan bahan bakar, hanya

(5)

Tabel 1. Data desain Teras kerja Reaktor Riset U9Mo[7] Umum

Tipe Reaktor Tipe elemen bakar Sistem pendinginan Moderator/pendingin Reflector

Daya nominal (MW)

Tipe kolam

Uranium Molibdenum (U9Mo) Konveksi paksa

H20 Be & H20 50 Karakteristik teras

Jumlah elemen bakar Jumlah elemen kendali

Jumlah penyerap tipe garpu (pasang) Panjang siklus pada daya nominal (hari)

Fraksi bakar rerata awal siklus (% hilangnya235U) Fraksi bakar rerata akhir siklus (% hilangnya 235U) Fraksi bakar rerata pada akhir siklus (% hilangnya 235U)

24 6 6 30 25.3 38.9 64,24 Fuel/Control Elements

Dimensi elemen bakar/kendali (mm) Ketebalan pelat bakar (mm) Lebar kanal pendingin (mm) Jumlah pelat per elemen bakar Jumlah pelat per elemen kendali Material kelongsong bshsn bakar Ketebalan kelongsong bshsn bakar (mm) Dimensi Fuel Meat (mm)

Material Fuel Meat Pengkayaan U-235 (w/o)

DensitasUranium dalam Meat (g/cm3) Muatan U-235 per elemen bakar (g) Muatan U-235 per elemen kendali (g) Material penyerap

Ketebalan bahan penyerap (mm) Material kelongsong penyerap (mm) Ketebalan kelongsong penyerap (mm)

77.1x81x600 1.3 2.55 21 15 AlMg2 0.38 0.54x62.75x600 U2Si3Al 19.75 7,0 5900 178.6 Ag-In-Cd 3.38 SS-321 0.85 berbeda pada daerah extra regionnya. Region kedua

adalah region penyerap. Region ini dibagi dalam 9 slab dan 1 extra region. Posisi batang kendali pada daerah penyerap neutron berisi AgInCd dan SS-321. Untuk mendapatkan penampang lintang makroskopik pada region ini maka dalam perhitungan region ini digabung dengan region pertama.

c. Bahan-Bahan non-fisi

Untuk bahan-bahan non fisi, dimodelkan sama seperti bahan fisi dimana pada slab aktip akan diberi sedikit kandungan U-235, kemudian dilakukan homogenisasi di semua daerah seperti Tabel 2.

Setelah diketahui bentuk reaktor maka proses penyiapan data tampang lintang merupakan langkah yang sangat penting yang harus dikerjakan. Proses penyiapan data tampang lintang makroskopik dapat dilakukan dengan menggenerasi tampang lintang material pembentuk teras reakor dengan paket program WIMSB/5. Program ini telah banyak digunakan orang untuk menghasilkan tampang lintang khususnya di Eropa. Dalam makalah ini

dilakukan penyiapan data tampang lintang teras reaktor riset berbahan bakar Umo dengan muatan uranium 590 gU.

Dalam penyiapan data tampang lintang, bahan bakar yang digunakan adalah tipe pelat dimodel dengan muti slab seperti Gambar 4. Komposisi bahan bakar adalah Umo dengan pengkayaan 19,75 % dan dihitung berdasarkan komposisi unsur penyusunnya. Data penting lainnya dapat dilihat pada Tabel 1. Model multi slab dan komposisi bahan bakar ini digunakan sebagai masukan pada progranm WIMSB/5. Daerah bahan bakar dan pendingin dihomogenisasi sehingga sehingga diperoleh kisi homogen.

Untuk perhitungan parameter kisi digunakan metode DSN (direct scattering neutron) dengan energi neutron dibagi menjadi 4 group, titik mesh 138. Geometri sel terdiri dari 4 material yaitu bahan bakar, kelongsong, pendingin dan ekstra region. Geometri sel digenerasi sebagai fungsi 17 step derajat bakar. Parameter kisi dihitung dalam kondisi : 1. Hot Xe dan Sm setimbang (IFS4).

(6)

Tabel 1. Data desain Teras kerja Reaktor Riset U9Mo[7]

Umum Tipe Reaktor Tipe elemen bakar Sistem pendinginan

Moderator/pendingin

Reflector

Daya nominal (MW)

Tipe kolam

Uranium Molibdenum (U9Mo) Konveksi paksa

H20 Be & H20 50

Karakteristik teras

Jumlah elemen bakar Jumlah elemen kendali

Jumlah penyerap tipe garpu (pasang) Panjang siklus pada daya nominal (hari)

Fraksi bakar rerata awal siklus (% hilangnya235U) Fraksi bakar rerata akhir siklus (% hilangnya 235U) Fraksi bakar rerata pada akhir siklus (% hilangnya 235U)

24 6 6 30 25.3 38.9 64,24 Fuel/Control Elements

Dimensi elemen bakar/kendali (mm) Ketebalan pelat bakar (mm) Lebar kanal pendingin (mm) Jumlah pelat per elemen bakar Jumlah pelat per elemen kendali Material kelongsong bshsn bakar Ketebalan kelongsong bshsn bakar (mm) Dimensi Fuel Meat (mm)

Material Fuel Meat Pengkayaan U-235 (w/o)

DensitasUranium dalam Meat (g/cm3)

Muatan U-235 per elemen bakar (g) Muatan U-235 per elemen kendali (g) Material penyerap

Ketebalan bahan penyerap (mm) Material kelongsong penyerap (mm) Ketebalan kelongsong penyerap (mm)

77.1x81x600 1.3 2.55 21 15 AlMg2 0.38 0.54x62.75x600 U2Si3Al 19.75 7,0 5900 178.6 Ag-In-Cd 3.38 SS-321 0.85

2. Hot, bebas Xe dan Sm setimbang (IFS3) 3. Cold, bebas Xe dan Sm setimbang (IFS2) 4. Cold, bebas Xe dan Sm (IFS1)

Dari hasil perhitungan sel diperoleh library bahan bakar dengan kondisi seperti di atas.

Selanjutnya perhitungan teras dilakukan dengan menggunakan program BATAN-EQUIL-2DIFF. Konfigurasi bahan bakar teras dan kelas fraksi bakar seperti gambar 1, dihitung panjang siklus serta parameter keselamatan teras reaktor riset berbahan bakar UMo seperti tabel 4.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Perhitungan Sel

Hasil perhitungan densitas bahan bakar dapat dilihat pada Tabel 2, sedangkan Perhitungan sel perangkat bahan bakar yang dilakukan dengan menggunakan program WIMSD/5 dengan model multi slab seperti Gambar 4 . Setelah selesai perhitungan sel disusun librari bahan bakar dalam file LIBMO590.IAF yang digunakan untuk perhitungan teras dengan metode difusi dalam program Batan-Equil. Librari yang dihasilkan mengandung data

tampang lintang bahan bakar Umo dengan muatan 590 gram dalam berbagai kondisi seperti: Xe dan Sm setimbang (IFS4); Hot, bebas Xe dan Sm setimbang (IFS3); Cold, bebas Xe dan Sm setimbang (IFS2) dan cold, bebas Xe dan Sm (IFS1). Hasil yang diperoleh dari perhitungan WIMSD/5 adalah sebagai berikut:

Dari hasil perhitungan sel bahwa k-inf yang diperoleh sebesar 1,58. Hal ini menunjukkan bahwa bahan bakar mempunyai reaktivitas lebih sehingga dapat dibakar hingga 75 % menyebabkan k-inf turun menjadi 1,11 selama 367 hari. Buckling aksial bahan bakar juga turun dengan turunnya jumlah uranium pada bahan bakar.

Perhitungan Teras

Gambar 5 menunjukkan hasil perhitungan teras dengan menggunakan program Batan-equil diperoleh panjang siklus operasi 30 hari dengan fraksi maksimum 58,24 % . Hasil ini menunjukkan bahwa batas keselamatan tidak dilampaui dimana batas fraksi buang bahan bakar Umo menurut referensi yang ada adalah 75 %. Margin reaktivitas padam sekitar -2,01 hal ini menyatakan bahwa teras Umo

(7)

Tabel 2. Perhitungan komposisi material Umo

Konstanta Meat:

Avo 0.602214 rho U9Mo 17 panjang 6,275

BA U35 235.0439 rho Al 2.7 Tebal 0,054

BA U38 238.0508 enrich 0.1975 Tinggi 60

BA Al 26.98154 rho Mo 10.2 Jumlah 21

BA Mo 95.94 Jumlah pelat

237.4569308 594 Rho U 17.67252747

Berat U35 per elemen

bakar (gr) 350 400 450 590

Volume meat (cc) 20.331 20.331 20.331 20.331

Massa U35 per pelat (gr) 16.667 19.048 21.429 28.095

Massa U38 per pelat (gr) 67.722 77.396 87.071 114.159

Massa uranium per pelat (gr) 84.388 96.444 108.499 142.254

% Mo 0.09 0.09 0.09 0.09

% U 0.91 0.91 0.91 0.91

Massa U-Mo 92.734 105.982 119.230 156.323

Massa Mo 8.346 9.538 10.731 14.069

Volume U-Mo 5.455 6.234 7.014 9.195

Fraksi vol U-Mo 0.268 0.307 0.345 0.452

Fraksi porositas 0.1 0.1 0.1 0.1

Fraksi vol Al dalam meat 0.632 0.593 0.555 0.448

Volume Al 12.843 12.064 11.284 9.102

Massa Al dalam meat (gr) 34.676 32.572 30.468 24.576

Massa U-Mo-Al 127.410 138.554 149.698 180.900

Densitas:

Densitas U-Mo-Al dalam meat 6.27 6.81 7.36 8.90

Densitas uranium dalam meat 4.15 4.74 5.34 7.00

Densitas U-Mo dalam meat 4.56 5.21 5.86 7.69

Fraksi Berat:

U-35 dalam U-Mo-Al 0.1308 0.1375 0.1431 0.1553

U-38 dalam U-Mo-Al 0.5315 0.5586 0.5816 0.6311

Mo dalam U-Mo-Al 0.0655 0.0688 0.0717 0.0778

Al dalam U-Mo-Al 0.2722 0.2351 0.2035 0.1359

Densitas atom (meat, atom/cc):

U-35 2.10035E-03 2.40040E-03 2.70045E-03 3.54059E-03

U-38 8.42653E-03 9.63032E-03 1.08341E-02 1.42047E-02

Mo 2.57677E-03 2.94488E-03 3.31298E-03 4.34369E-03

Al 3.80674E-02 3.57576E-02 3.34477E-02 2.69802E-02

Mo dengan WIMS-D/4 3.18450E-03 3.63943E-03 4.09436E-03 5.36816E-03

Massa heavy metal /pelat, gr 84.388 96.444 108.499 142.254

Massa heavy metal di teras,gr 81012.65823 92585.89512 104159.132 136564.1953 Massa heavy metal di teras,ton 0.081012658 0.092585895 0.104159132 0.136564195

POWERC 370.3125 324.0234375 288.0208333 366.128178

dengan bahan bakar 24 dan batang kendali 6

adalah sangat aman jika dioperasikan

selama 30 hari full power day. Tabel 4

menunjukkan hasil perhitungan besarnya

perubahan harga reaktivitas dan panjang

siklus operasi untuk teras Umo

dibandingkan dengan model teras silisida

RSG-GAS. Dari tabel tersebut dapat

diketahui bahwa dengan adanya perubahan

komposisi dan susunan material didalam

(8)

teras akan mengakibatkan perubahan faktor

perlipatan effektif, reaktivitas dan panjang

waktu operasi. Susunan konfigurasi bahan

bakar sangat menentukan dalam penentuan

parameter neutronik teras setimbang bahan

bakar Umo. Perubahan penempatan bahan

bakar segar dari pinggir ke tengah teras

mengakibatkan bertambah besarnya nilai

reaktivitas lebih teras dan menaikkan

lamanya waktu operasi. Hal tersebut karena

kemampuan bahan bakar segar untuk

bereaksi fisi yang lebih besar dari pada

bahan bakar lama, dan juga karena letaknya

yang ditengah teras mendukung

kemungkinan berinteraksi dengan neutron

yang lebih banyak. Sebaliknya perubahan

penempatan bahan bakar segar dari tengah

ke pinggir dan bahan bakar ber-kelas fraksi

bakar tinggi ke tengah teras mengakibatkan

semakin menurunnya harga reaktivitas lebih

teras dan lamanya waktu operasi teras,

seperti perubahan yang ditunjukkan dari

teras setimbang berbahan bakar UMo

Gambar 4. Model generasi sel multi slab Tabel 3. Hasil perhitungan sel dengan WIMSD/5

BU K-inf hari Buckling

0.00 0% 1.58E+00 0 1.05E-02 0.11 0.1% 1.57E+00 0.46 9.34E-03 0.62 0.6% 1.57E+00 2.66 9.25E-03 5.03 5% 1.54E+00 21.66 8.76E-03 10.96 11% 1.52E+00 47.66 8.31E-03 17.01 17% 1.49E+00 74.66 7.83E-03 23.16 23% 1.46E+00 102.66 7.30E-03 28.99 29% 1.43E+00 129.66 6.78E-03 35.04 35% 1.40E+00 158.26 6.21E-03 40.96 41% 1.37E+00 186.86 5.60E-03 46.90 47% 1.34E+00 216.16 4.94E-03 53.00 53% 1.30E+00 247.02 4.20E-03 60.02 60% 1.25E+00 283.7 3.22E-03 68.11 68% 1.18E+00 327.72 1.87E-03 74.99 75% 1.11E+00 367.159 4.14E-04 82.10 82% 1.01E+00 410.66 -1.59E-03 90.00 90% 8.49E-01 464.96 -5.00E-03

(9)

Tabel 4. Hasil perhitungan Teras Umo dan Silisida Parameter Umo7,0 gU/cc Silisida 5,2 gU/cc Silisida 4,8 gU/cc

Panjang siklus operasi (MWD) 1500 1200 1000

Jumlah elemen bahan bakar 24 24 24

Jumlah elemen kendali 6 8 8

Massa uranium dalam teras awal silus (gram) 11720.62 11035.90 10212.70

Fraksi bakar rerata BOC (%) 29,003 15,39 14,44

Fraksi bakar rerata EOC (%) 39,208 26,27 24,71

Fraksi bakar buang maksimum (%) 58,23 46,96 43,26

Faktor puncak daya radial maksimum 1,37 1,23 1,23

Reaktivitas lebih teras BOC dingin bebas xenon 11,87 10,35 9,92

Reaktivitas lebih teras EOC panas xenon setimbang 3,32 1,98 1,85

Margin reaktivitas padam (%) -2,01 -1,72 -2,07

Kondisi dingin panas 0,46 0,45 0,45

Xenon setimbang 3,69 3,57 3,67

Perubahan fraksi bakar satu siklus 10,205 10,88 10,25

Reaktivitas untuk eksperimen 2,0 1,5 2,0

Nilai reaktivitas total batang kendali (%) 12,32 16,94 16,08

Fluks neutron termal rerata n/cm2s 3,51E14 1,81E14 1,75E14

Gambar 5. Hubungan reaktivitas dengan panjang siklus

KESIMPULAN

Desain neutronik teras setimbang reaktor riset baru berbahan bakar Umo sebagai pengganti reaktor yang akan habis masa pakainya telah berhasil dilakukan dengan panjang siklus operasi 30 hari dan daya 1500 MWD dengan fraksi buang 58,24%. Besar fluks neutron rerata yang diperoleh diteras 3,5 x1014 n/cm2. Hasil yang diperoleh ini sangat tergantung pada konfigurasi teras reaktor yang diadopsi dan juga pengaturan perpindahan bahan bahan di teras (in-core fuel management). Namun jika ingin meningkatkan nilai fluks neutron lagi, kami menyarankan untuk menggunakan reflektor D2O

tetapi penangannya lebih rumit dari rektor yang tanpa D2O.

DAFTAR PUSTAKA

1. http://digilib.batan.go.id/ebook.com

2. IAEA Staff Report, “Addressing the Global Shortage of Beneficial Radiation Sources”, New IAEA Publication Features Recommended Practices for Research Reactor Operators, 4 November 2008

3. IAEA, Nuclear Energy Series, “Optimization of Research Reactor Availability and Reliability : Recommended Practice” 2003

4. VICTOR MOUROGOV, “The Need for Innovative Nuclear Reactor and Fuel Cycle -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 600 900 1200 1500 1800 Panjang Siklus (MWD) R e a kt ivi ta s (% ) 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 F ra ksi Ba ka r (% )

reaktivitas BOC dingin bebas xenon reaktivitas EOC panas dengan xenon fraksi bakar buang maksimum margin padam minimum

(10)

Yogyakarta, 19 Juli 2011 Systems”, The Uranium Institute, Twenty Fifth

Annual International Symposium, (2000)

5. ANSTO OPAL reactor progress_files ANSTO OPAL reactor progress.htm

6. C.G. SEO, C.S. LEE, B.C. LEE, and H.T. CHAE, “ Conceptual Neutronic Design of an advanced Hanaro Reactor Using The U3SI2 and

U-MO Fuel”, Korea Atomic Energy Research Institute 150 Dukjin-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-353, Korea.

TANYA JAWAB

Sukamto dibyo

- Apakah distribusi daya aksial sudah dihitung?

- Apakah elemen kontrolnya, control rod?control plate?

Tukiran

• Sudah, tapi tidak ditampilkan dalam makalah ini. Elemen controlnya berbentuk pelat, control rod hanya istilah saja.

Boybul

- Berapa bahan bakar yang di butuhkan untuk mencapai daya 50 MW, dan berapa brun up maksimal yang dapat dicapai?

- Kelongsong bahan bakar yang dipakai dalam desain apa?

Tukiran

• Jumlah bahan bakar 24 buah sudah dapat mencapai daya 50 MW, brun up maksimum 58,24%

• Kelongsong yang digunakan adalah AlMg2 Epung

- Kemungkinan fluks berorde 1015 ? - Arah beam tube?

Tukiran

• Jika fluks neutron thermal naik 1 orde misalnya dari 1014 menjadi 1015 maka dilakukan dengan penggantian reflector misalnya dengan D2O .

• Arah beam tube akan di desain kea rah radial 2 buah dan ke arah aksial 5 buah. Hal ini telah di tuliskan pada UCD-RRI.