STUDI TINGKA T RADIOAKTIVIT AS DAN PANAS PELURUHAN BAHAN BAKAR BEKAS REAKTOR AIR RINGAN SEBAGAI FUNGSI W AKTU

(1)

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VI Pusat Teknologi Limbah RadioaktifBATAN

Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-RISTEK

ISSN 1410-6086

STUDI TINGKA T RADIOAKTIVIT

AS DAN PANAS PELURUHAN

BAHAN BAKAR BEKAS

REAKTOR

AIR RINGAN SEBAGAI FUNGSI W AKTU

Kuat Heriyanto, Nurokhim

Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BA TAN

ABSTRAK

STUDI TlNGKAT RADIOAKTIVITAS DAN PANAS PELURUHAN BAHAN

BAKAR BEKAS REAKTOR AIR RINGAN SEBAGAI FUNGSI WAKTU. Telah dilakukan studi tentang karakteristik bahan bakar bekas reaktor air ringan meliputi kandungan radioaktivitas dan panas bahan bakar bekas setelah keluar dari reactor sebagai fungsi waktu. Dua jwis reaktor air ringan PWR dan BWR digunakan sebagai contoh dalam studi, masing-masing beroperasi dengan bum-up bahan bakar mencapai 33000 dan 27500 MWD/MTHM. Sampai 100 tahun penyimpanan aktivitas bahan bakar bekas didominasi oleh produk hasil belah (>82%). Aktinida umur panjang mendominasi aktivitas setelah 1000 tahun (> 98%) dan 10.000 tahun (>94%), sedangkan untuk waktu yang sangat panjang (100.000 tahun) dua radionuklida Pu-239 (aktinida) dan Tc-99 (produk fisi) mendominasi hampir 50% dari aktivitas total. Panas peluruhan yang dikeluarkan bahan bakar bekas sampai 50 tahun didominasi produk hasil belah dan sesudah itu oleh aktinida. Panas peluruhan tiap perangkat bahan bakar bekas PWR dan BWR sebesar 6766 W dan 2262 W, 636 W dan 292 W, 173 W dan 79 W, dan 36 W dan 16 W masing-masing untuk waktu penyimpanan berturut-turut 1, 10, 100 dan 1000 tahun.

ABSTRACT

STUDY OF RADIOACTIVITY AND DECAY HEAT VALUE OF LIGHT WATER REACTOR SPENT FUEL AS TIME FUNCTION. Study of radioactivity and decay heat of light water reactor spent fuel as timefungtion has been conducted. Two types of light water reactors - PWR and BWR - has been used as an example in the study, each reactor operates with burn-up 33000 and 27500 MWD/MTHM. Until 100 years storage the activity of spent fuel are dominated by fission product (> 82 %). Long life actinides

dominate activity after 1000 years (> 98 %) and 10.000 years (> 94 %), while for extremely long period (/00.000 years) two radio nuclides Pu-239 (actinide) an Tc-99 (fission product) dominate almost 50 %from the total activity. The decay heat generated from PWR and BWR spent fuel are 6766 Wand 2262 W. 636 W and 292 W. 173 Wand 79 W. and 36 Wand 16 W for each on storage periodes I, 10, 100 and 1000 years respectvely.

PENDAHULUAN

Pengoperasian . pembangkit Listrik Tenaga NikIir (PL TN) menimbulkan bahan bakar bekas yang harus dikelola agar aman bagi manusia dan lingkungan. Unsur radioaktif dalam bahan bakar tetap dijaga utuh dalam kelongsongnya agar tidak terlepas ke lingkungan dan panas yang ditimbulkan dapat dijaga agar tidak melebihi batas yang diijinkan.Untuk itu perlu perlakuan khusus, yaitu bahan bakar bekas disimpan dalam penyimpanan sementara baik tipe basah maupun kering. Agar

penanganan bahan bakar bekas

optimal,diperlukan data awal tentang bahan bakar bekas diantaranya : tipe reaktor, peluruhan radioaktivitas dan panas peluruhan.

BAHAN BAKAR PWR

Batang bahan bakar PWR terdiri dari kelongsong berupa pipa zircaloy yang diisi dengan tumpukan pelet bahan bakar. Ruang

U02 pelet mempunyai densitas 94 - 95 % teoritis dengan rasio O/U

=

2. Setiap batang disusun dengan matriks bujur sangkar (17 x 17) di dalam perangkat bahan bakar. Tabel I menampilkan data fisik perangkat bahan bakar reaktor air ringan.

BAHAN BAKAR BWR

Seperti halnya bahan bakar PWR, Batang bahan bakar BWR terdiri dari kelongsong berupa pipa zircaloy yang diisi dengan tumpukan pelet bahan bakar, dimana ruang (gap) antara pellet diisi gas helium, meskipun ukuran dan jumlah batang lebih sedikit dibanding perangkat PWR (8 x 8).

KARAKTERISTIK BAHAN BAKAR

BEKAS

Selama iradiasi bahan bakar matrial fisik uranium/plutonium berubah menjadi produk fisi, aktinida dan anak luruhnya serta produk aktivasi neutron. lumlah nuklida dan panas yang dihasilkan serta radioaktivitas bahan bakar tergantung oleh komposisi

(2)

Pusat Teknologi Limbah RadioaktifBATAN

ISSN 1410-6086

Komposisi Isotop dari bahan bakar telah dimodel berdasarkan fungsi bur-up.

Model prediksi berdasarkan pada beberapa mekanisme, contohnya tangkapan netron dan peluruhan radioaktif. Mekanisme dan metodeyangdigunakan berdasarkan beberapa asumsi dengan tingkat kepercayaan yang sangat tergantung pada kebenaran informasi sejarah bahan bakar.

HASIL DAN PEMBAHASAN

KANDUNGAN RADIOAKTIF DAN

KARAKTERISTIK PELURUHAN

Aktivitas radionuklida sebagai fungsi waktu setelah dikeluarkan dari reaktor terlihat pad a Tabel 2. dan Tabel 3 untuk 33.000 MWD/MTHM bahan bakar PWR. Sebagai contoh aktinida, produk fisi dan aktivasi berkontribusi lebih dari 0,1 % dari total aktivitas dalam unit Ci.

Prod uk aktivasi termasuk pengotor dari material struktur dengan nmor atom rendah, aktinida termasuk isotop berat ncmor atom lebih tinggi dari 90.

Radionuklida tersebut meluruh

menghasilkan radionuklida yang stabil. Gambar 2 menunjukkan variasi peluruhan bahan radioaktif dari bahan bakar bekas PWR 33.000 MWD/MTHM. Kontribusi terbanyak radionuklida setelah satu tahun penyimpanan termasuk empat peluruhan pemisahan (Sr-90)-(Y -90),

(Ru-I06)-(Rh-106), (Cs-137)-(Ba-137) dan (Ce-144)-(Pr-144), satu tambahan isotop Cs-134, dan satu aktsinida Pu-241. Setelah 100 tahun total aktivitas akan menurun dengan produk fisi (Sr-90)-(Y-90), 137Cs dan 137Ba meliputi 80 % dari total.

Aktinida umur panjang mendominasi aktivitas setelah 1000 tahun (>98%) dan

10.000 tahun (>94 %). Nuklida yang dominan termasuk 239P, 240pu dan 241Am setelah 1000 tahun dan Np-237, Np-239, Pu-239, Pu-240dan Am-243 setelah 10.000 tahun. Dalam waktu yang sangat (l00.000 tahun) yang dominan untuk produk fisi adalah Tc-99 dan aktinida Pu-239.

PANAS YANG DITIMBULKAN BAHAN

BAKAR BEKAS

Panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas paska iradiasi perlu dipertimbangkan

untuk diisolasi. Gambar 4 menunjukkan

panas yang ditimbulkan oleh bahan bakar bekas untuk reaktor PWR 33.000 MWD/MTHM. Sebagai fungsi waktu setelah bahan bakar bekas dikeluarkan dari reactor. Mula-mula hasil fisi mendominasi pada pembangkitan panas, setelah itu hasil fisi itu meluruh setelah 60-70 tahun aktinida berada pada output yang seimbang dalam pembangkitan panas. Prod uk aktivasi memberikan kontribusi 2 % dari total, keadaan ini terjadi awal dekade. Selama peri ode menengah (100-1000 tahun aktinida Pu-23 8, Pu-23 8, Pu-240 dan Am-241, sedangkan Pu-239 dan Pu-240 masih dominan sampai setelah 10.000 tahun dan 100.000 tahun.

Komposisi radionuklida yang ditimbulkan bahan bakar bekas diperlihatkan pad a Tabel 4. Dari data - data terse but dapat dilihat bahwa sebagian besar bahan bakar bekas mengandung aktinida dengan aktivitas dan daya termal yang cukup tinggi , walaupun masih jauh lebih rendah dari pada produk fisi. Semakin tinggi burn-up akan menyisakan aktinida lebih sedikit dengan menghasilkan lebih banyak produk fisi. Tabel 5 menampilkan kandungan panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas tipe PWR dan BWR. Panas peluruhan tiap perangkat bahan bakar bekas PWR dan BWR sebesar 6766 W dan 2262 W, 636 W dan 292 W, 173 W dan 79 W, dan 36 W dan 16 W untuk waktu penyimpanan I, 10, 100 dan 1000 tahun.

KESIMPULAN

Aktinida umur panjang mendominasi aktivitas 1000 tahun (> 98 %) dan 10.000 tahun (>94 %), sedangkan untuk waktu yang sangat panjang (l00.000 tahun) didominasi Tc-99 (produk fisi) dan Pu-239 (aktinida).

Panas yang dihasilkan bahan bakar bekas dalam waktu 100-1000 tahun didominasi oleh Pu-238, Pu-239, Pu-240 dan Am-241, sedangkan Pu-239, Pu-240 masih dominan setelah 10.000 tahun sampai setelah 100.000 tahun.

Semakin tinggi burnup akan

menyisakan aktinida lebih sedikit dengan menghasilkan lebih ban yak produk fisi.

(3)

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VI Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN

Pusat Penelitian llmu Pengetahuan dan Teknologi-RISTEK

TabeI

1.

Data fisik perangkat bahan bakar reaktor air ringan[ I]

ISSN 1410-6086

KARAKTER PWR (900 MWe)FISIK BWR (600 MWe)

Overall assembly length (m)

4.470 4.059

Cross-section (em)

13.9 x 13.9 21.4x21.4

Fuel rod length (m)

4.064 3.851

Active fuel length (m)

3.759 3.658

Fuel rod OD (em)

1.252 0.950

Fuel rod array

8x8 17 x 17

Fuel rods per assembly / perangkat

63 264

Assembly total weight (kg)

319.9 657.9

Including: Uranium weight (kg)

183.3 461.4 U02 weight (kg) 208.0 523.4 Zircaloy weight (kg) 103.3 108.4 Hardware weight (kg) 8.6 26.1

Metal weight total (kg)

111.9 134.5

Nominal volume assembly (m3)

0.0864 0.186

(a) Perangkat PWR (b) Perangkat BWR

Gambar 1. Perangkat bahan bakar PWR dan BWR[2]

Tabel 2. Aktivitas radioakti[ (Ci/MTHM) radionuklida hasil aktivasi dan produk fisi Sebagai fungsi waktu setelah bahan baker keluar dari reaktor[3]

Isotop

Waktu Setelah Keluar Reaktor (tahun) 1

10

.

100 1000

100 000

10 000

H-3

7,69E+22,97E+0---4,64£+2

C-14 1,55£+04,63E-I1,53E+01,38E+01,55£+0

-Mn-54 3,91£+2 - ----Fe-55 4,28E+33,89£+2 --- -Co-58 1,92E+2 -

----Co-60 6,97E+32,12E+3

---

-Ni-59 5,15E+05,15E+05,IIE+04,72E+02,17E+05,15+0

Ni-63

6,97E+23,31E+23,76E-I--6,52E+2

Zn-65 4,72E+ I ---- -Se-79 ---3,67E-I-_1,41E-I Kr-85

8,69E+3---4,85E+31,44E+1

Sr-89 5,72E+3

---

-Sr-90 7,08E+46,71E+35,72E+4

(4)

--Pusat Tekn%gi Limbah Radioaktif-BATAN

Pusat Pene/itian Ilmu Pengetahuan dan Tekn%gi-RISTEK

ISSN 1410-6086

Isotop

Waktu Setelah Keluar Reaktor (tahun) I 10

100 1000

10 000

100 000

Y-90

7,08E+4---6,7IE+35,72E+4 Y-91

1,49E+4 ---Zr-93

1,93E+01,93E+01,92E+01,93E+01,93E+01,84E+0 Zr-95

3,14E+4-

-

-- -Nb-93m

- --_1,83E+01,83E+0_1,75E+0 Nb-94

-_{9, lOE-I}--1,24E+0_{4,21 E-2} Nb-95

7,07E+4----

-Tc-99_Ru-I03 2,59E+ 31,3IE+I1,30E+I1,26E+19,43E+01,3IE+I1,30E+I

-

----Ru-I06 2,68E+55,50E+2

----Rh-106 2,68E+55,50E+2 - --Pd-107

- --_1,12E-I1,12E-I_{1,1 IE-I} Ag-IIOm

1,52E+3 ---Sn-119m

2,14E+3---

--Sn-126 7,76E-I7,7IE-I7,24E-I7, 76E- I7,76E-I3,88E- I

Sb-125

1,22E+4----1,29E+3 S b-126

-_5,44E-2-1,08E-I_1,0IE-I -Sb-126m

--7,7IE-I_7,24E-I-_3,88E-I Te-125m

2,98E+ 3----3,14E+2

1-129 3,15E-23, I 5E-23,15E-23,15E-23,15E-23,14E-2

Cs-134

1,08E+55,22E+ 3 ----Cs-135

- --3,45E-I_3,44E-I_{3,35E- I} Cs-137

1,0IE+5---8,2IE+41,03E+4 Ba-137m

9,56E+4

-

9,71E3--7,77E+4

Ce-144 4,5IE+51,49E+2

----Pr-144 4,5IE+51,49E+2 ----Pr-144m 5,4IE+31,79E+0

--

--Pm-147 1,02E+59,48E+ 3

--Sm-151 3,55E+21,62E-I3,31 E+21,66E+2

--Eu-154 9,69E+34,69E+ 33,32E+0

---Eu-155 5,62E+31,60E+3

-

---Other 6,8IE+39,90E-I8,70E+06,70E-23,80E+ I5,60E-2

Subtotal A.P

1,95E+48,38E+06,36E+03,48E+33,40E+22,46E+0 F.P

2, I6E+63,36E+41,86E+I3,OE+51,92E+I1,42E+I Total

2,.18E+62,76E+12,49E+ ]3,39E+43,07E+51,67E+ ]

Tabel 3. Aktivitas radioaktif (Ci/MTHM) untuk aktinida sebagai fungsi waktu setelah bahan bakar keluar reactor[3]

Isotop

Waktu Setelah Keluar Reaktor (tahun)

1

10

100 1000

10 000

100 000

Ra-226

-

2.66E-5_3.12E-3

-

_1.34E-1_1.07E+0 U-234

-

2.03E+O

--

_1.61E+O_1.99E+0 Np-237

- --

9.99E-1_1.18E+0_1.14E+0 Np-239

1.71E+16.68E+O1.56E+l1.69E+1I.7IE+1

-Pu-238

2.45E+ 3

--

1.08E+ 32.33E+31.15E+3 Pu-239

3.13E+23.05E+22.37E+23.12E+23.13E+21.80E+1 Pu-240

5.26E+24.78E+2-5.26E+25.27E+21.84E+2 Pu-241

1.20E+5

---

7.76E+41.02E+3 Pu-242

-

-I.72E+O 1.69E+01.44E+O Am-241

3.08E+23.75E+38.93E+2

-

-1.69E+3 Am-243

1.71E+16.68E+O1.56E+11.69E+1I.7IE+1

-Cm-242

1.04E+45.72E+O

-

-3.78E+0 -Cm-243

2.06E+1---1.86E+O1.66E+1 Cm-244

1.86E+34.2IE+l-

-

1.32E+3 -Other

2.74E+22.68E+04.30E+O2.60E+l1.56E+11.68E+\ Total

(5)

Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-RiSTEK

1.E+07 1.E+03 1.E+02 1.E+01 ISSN 1410-6086 --Total - - Produk fisi

- - •Aktinida&anak luruhnya - - • Produk aktivasi

1.E+OO

1 10 100

J

T AHUN

1000 10000 100000

Gambar 2. Peluruhan bahan Radioaktifyang dihasilkan PWR 33 000 MWD/MTHM[3]

---_.

__._--~---_._-,-~---_.

-.--.--.--.---.-.---

..---.--....---.---.- ..

---.-.---1.E+07

--LlWH11-L~lUil

--Total 1.E+06

~'i4JJl1111

- - Produk fisi - - .Aktinida&anak luruhnya

1.E+05 -r

-I ., I~ 1LJlr

- - • Produk aktivasi

I

~

_I

••

E+04!'

~IJ

1IIII11

I

i

1111111'

.I~, ~

j

I 1.E+03 ~ I I 1.E+02 ~ I III11I1 I I I I

"->1,1l1111~

r

II I 1.E+01 ~ I IIIII1II1 I I1IIIII I I I 1.E+00 . 1 10 100100010000100000

I

TAHUN

(6)

Pusat Tekn%gi Limbah Radioaktif-BATAN

Pusat Pene/itian I/mu Pengetahuan dan Tekn%gi-R/STEK

IS SN 1410-6086

Tabel 4. Rangkuman tiga kelompok radionuklida bahan bakar bekas reaktor nuklir

jenis PWR dan BWR. Parameter/jenis PWR33BWR275 nuklida

(33.000 WO)_{(27.5000 WO)}

Produk Aktivasi: - berat

134,8 kg 136,4 kg - aktivitas 4,716E+5 Ci7,03IE+05 Ci - daya termal 2,628 kW 3,675 kW

Produk Fisi : - berat

34,02 kg 28,34 kg - aktivitas 1.737E+08 Ci1.199E+08 - daya termal 2.069 MW 1.424 MW Aktinida : - berat 966 kg 971,7 kg - aktivitas 4.623E+07 3.307E+07 - daya termal 119,5kW 85,68 kW 100 1000 10000 100000 I

I

T AHT TN

1---··---Gambar 4. Peluruhan Panas yang ditimbulkan PWR 33000 MWO/MTHM[3]

1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 1.E-01 1.E-02 1.E-03 1.E-04 --Total - - Produk fisi .'-... _f..-io-.

- - 'Aktinida & anak luruhn

ya - - .Produk aktivasi ••••

-~

- - ••.• r.,

r

t--

-,-

-"

r- _

I •. _I _I

t"-I

!

1,

j

I

"'

I I t---~, i

t~

I

Ill.

l_

~

1'"

I

L___

~~LLL.

10

Tabel 5. Panas yang ditimbulkan Bahan bakar bekas tipe PWR

Lama Panas peluruhan bahan bakar bekas

penyimpanan PWR BWR (tahun) W/MTHM W/peranqkatW/peranqkatW/MTHM 1 1,03E+047,07E+036766,302261,63 10 9,67E+029,11 E+02291,53636,41 100 2,63E+022,46E+02172,9878,54 1000 5,48E+0136,034,99E+0115,98 10000 1,35E+01 8,89 1,26E+01 4,02 100000 1,05E+00 0,699,51 E-010,30

(7)

ISSN 1410-6086 1.E-04 1 I

.ll-

_1-....L--L....

LLlT

--Total _- _- _{Produk fisi}

-...

- •• Aktinida&anak luruhnya

••....•

t-..

_"'"' ..• - - - Produk aktivasi

---

..

-

.1'-

-..

-.

-

..

-:;-~

'1Ir:o-.

---

\

-

..

--

-

..•. ...• ""

\

•...•.•••...

"-,

""'1'-~

_1\

"

,

~

,

f-

..

_

1-_

.'\"- .•.

~.

~

I i I

r-- __

_1-.

I~'

II I I j., 1.E+05 1. E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1. E+OO 1.E-01 1. E-02 1. E-03 10 1000 10000 100000

Gambar 5. Peluruhan Panas yang ditimbulkan BWR27500 MWD/MTHM [3]

PUST AKA

I. NUROHIM, THAMZIL LAS,

"Evaluasi Komposisi Limbah Tru Dalam Bahan Bakar Bekas Reaktor Nuklir", BAPETEN,2003

2. GONYEAU J.,The Virtual Nuclear Tourist: Nukclear Power Plant Around

TANYAJAWAB

the world (on line). http:// www. Nuclear tourist.com, April 2008. 3. IAEA,"Evaluation of spent fuel as final

waste form", technical report series no. 320, Viena, 1991.

Purwantara, ST. Pertanvaan

Apa yang termasuk produk Aktinida dan Aktivasi? Jawab

Yang termasuk produk Atinida adalah sisa Pembakaran Uranium dengan unsur nomor atom diatas 92, contoh Am, Wp, Cm. Sedangkan yang termasuk produk aktivasi adalah kelongsong bahan bakar.