KARAKTERISTIK BAHAN BAKAR BEKAS BERBAGAI TIPE REAKTOR. Kuat Heriyanto, Nurokhim, Suryantoro Pusat Teknologi Limbah Radioaktif

Kuat Heriyanto, Nurokhim, Suryantoro Pusat Teknologi Limbah Radioaktif

ABSTRAK

KARAKTERISTIK BAHAN BAKAR BEKAS BERBAGAI TIPE REAKTOR. Telah dilakukan studi tentang karakteristik bahan bakar bekas reaktor daya meliputi kandungan radioaktif dan panas bahan bakar bekas setelah keluar dari reaktor. Aktinida umur panjang mendominasi aktivitas 1000 tahun (> 98 %) dan 10.000 tahun (>94 %), sedangkan untuk waktu yang sangat panjang (100.000 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. Karakteristik bahan baker bekas PWR dan BWR tidak jauh berbeda, dan sangat dipengaruhi oleh kenaikan burnup pada reaktor.

ABSTRACT

CHARACTERISTIC OF SPENT FUEL FROM VARIOUS REACTOR. The study of NPP spent fuel characteristic has been conducted. The focus of study was radionuclide contain, thermal heating of spent fuel after discharge from reactor. Long life actinides dominate activity for 1000 years (> 98 %) and 10.000 years (> 94 %), while for extremely long period (100.000 years) the activity will be dominated by Tc-99 and Pu-239. Thermal heat generated by spent fuel for 100-1000 years will be dominated by Pu-239, Pu-240 and Am-241, while Pu-239 and Pu-240 dominate after 10.000 years until 100.000 years. The characteristic at PWR and BWR spent fuel are similar, and also influenced by burn.

BAHAN BAKAR BAHAN BAKAR PWR

Batang bahan bakar PWR terdiri dari tumpukan pelet dengan atmosfir helium pada pipa zircoloy. UO2 diperkaya 1 sampai 4 % sebelum iradiasi UO, dan sebelum diiradiasi UO2 pelet mempunyai densitas 94 % – 95 % teoritis dengan rasio O/U = 2.

Setiap batang bersusun dengan larik bujur sangkar di dalam bundel. Tabel 1 menampilkan karakteristik asemblei bahan bakar bekas tipe PWR.

BAHAN BAKAR BWR

Seperti halnya bahan bakar PWR, batang bahan bakar BWR terdiri dari tumpukan pelet dengan helium pada tabung zircoloy. Batang bahan bakar BWR dibundel menjadi bentuk bujur sangkar atau asembley seperti bahan bakar PWR, meskipun ukuran dan jumlah batang lebih sedikit dibanding asemblei PWR.

Tabel 1. Karakteristik fisik asemblei bahan bakar LWR

Karakteristik fisik BWR PWR (900MW(e)) Overall assembly length (m)

Cross-section (cm) Fuel rod length (m) Active fuel length (m) Fuel rod OD (cm) Fuel rod array

Fuel rods per assembly Assembly total weight (kg) Including:

Uranium weight (kg) UO2 weight (kg) Zircaloy weight (kg) Hardware weight (kg) Total metal weight (kg)

Nominal volume assembly (m3)

4.470 13.9 x 13.9 4.064 3.759 1.252 8 x 8 63 319.9 183.3 208.0 103.3 8.6 111.9 0.0864

4.059 21.4 x 21.4 3.851 3.658 0.950 17 x 17 264 657.9 461.4 523.4 108.4 26.1 134.5 0.186

(a) asemblei PWR (b) asemblei BWR Gambar 1. Bahan bakar PWR dan BWR [1]

Gambar 2. Asemblei bahan bakar CANDU [1]

BAHAN BAKAR MOX

Bahan bakar Mixed uranium-plutonium Oxide relatif baru, menggunakan plutonium hasil dari recicle bahan bakar bekas. Studi kelayakan secara teknis MOX telah terbukti dapat diaplikasikan untuk PWR dan tengah dikembangkan untuk BWR Jadi batang bahan bakar dan asemblei menggunakan MOX identik strukturnya dengan PWR atau BWR.

BAHAN BAKAR CANDU

Bahan bakar CANDU berbeda dengan bahan bakar LWR. UO2 pelet dari CANDU mempunyai densitas lebih tinggi (97 %) dari densitas teoritis. Bahan bakar CANDU terbuat dari alam dengan ukuran butir 5- 10µm. Pelet CANDU diisikan ke dalam zirkaloy-4. Batang bahan bakar atau elemen diasemblei menjadi bundel bahan bakar dengan 37 elemen setiap bundelnya.

KARAKTERISTIK BAHAN BAKAR BEKAS

Selama iradiasi bahan bakar , beberapa material aktif uranium plutonium dirubah menjadi produk fisi atau aktinida lebih tinggi dengan cara aktivasi netron.

Material struktur termasuk mengalai aktivasi netron selama proses iradiasi di dalam reaktor. Kepastian jumlah nuklida dan panas yang dihasilkan serta radioaktivitas bahan bakar tergantung oleh komposisi bahan bakar, material struktur dan burnup (fungsi flux neutron yang terintegrasi dengan lamanya radiasi).

KANDUNGAN RADIOAKTIF DAN KARAKTERISTIK PELURUHAN

Isotopik dan komposisi dari bahan bakar telah dimodel berdasarkan fungsi burnup. Model prediksi berdasarkan pada beberapa mekanisme, contohnya tangkapan netron dan peluruhan radioaktif yang dikombinasikan dengan analitik keseluruhan.

Biasanya mekanisme dan metode yang dikombinasikan berdasarkan asumsi. Tingkat kepercayaan sangat tergantung pada kebenaran informasi sejarah bahan bakar.

Variasi radionuklida sebagai fungsi waktu setelah dikeluarkan dari reaktor terlihat pada Tabel 2. dan 3 untuk 33.000 MW-day/MTH bahan bakar PWR. Sebagai contoh aktinida, produk fisi dan aktivasi berkontribusi lebih dari 0,1 % dari total aktivitas dalam unit Ci.

Produk aktivasi termasuk pengotor dari material struktur dengan nmor atom rendah, aktinida termasuk isotop berat nomor atom lebih tinggi dari 90. Material- material/ radionuklida tersebut meluruh menghasilkan radionuklida yang stabil. Gambar 2 menunjukkan variasi peluruhan radioaktif dari bahan bakar bekas PWR 33.000 MW- D/MTH. Kontribusi terbanyak radioaktif setelah satu tahun penyimpanan termasuk empat peluruhan pemisahan (90Sr-90Y, 106Ru-106Rh, 137Cs-137Ba dan 144Ce- 144Pr), satu tambahan isotop cesium-134, dan satu aksinida (Pu-241). Setelah 100 tahun total aktivitas akan menurun dengan produk fisi 90Sr-90Y, 137Cs dan 137Ba) meliputi 80 % dari total.

Aksinida unsur panjang mendominasi aktivitas setelah 1000 tahun (>98%) dan 10.000 tahun (>94 %). Nuklida yang dominan termasuk 239P, 240pu dan 241Am setelah 1000 tahun dan 237Np, 239Np, 239Pu, 240pu dan 243Am setelah 10.000 tahun. Dalam waktu yang sangat (100.000 tahun) yang dominan untuk produk fisi adalah 99Tc dan aksinida Pu-239.

Tabel 2. Variasi radioaktif (Ci/MTHM) untuk aktivasi dan produk fisi sebagai fungsi waktu setelah keluar dari reaktor [2].

Time since discharge (years) Isotopes

1 10 100 1000 10 000 100 000

H-3 C-14 Mn-54 Fe-55 Co-58 Co-60 Ni-59 Ni-63 Zn-65 Se-79 Kr-85 Sr-89 Sr-90 Y-90 Y-91 Zr-93 Zr-95 Nb-93m Nb-94 Nb-95 Tc-99

7.69E+2 1.55E+0 3.91E+2 4.28E+3 1.92E+2 6.97E+3 5.15E+0 6.97E+2 4.72E+1 -

8.69E+3 5.72E+3 7.08E+4 7.08E+4 1.49E+4 1.93E+0 3.14E+4 -

-

7.07E+4 1.31E+1

4.64E+2 1.55E+0 -

3.89E+2 -

2.12E+3 5.15+0 6.52E+2 -

-

4.85E+3 -

5.72E+4 5.72E+4 -

1.93E+0 -

- - -

1.31E+1

2.97E+0 1.53E+0 -

- - -

5.15E+0 3.31E+2 -

-

1.44E+1 -

6.71E+3 6.71E+3 -

1.93E+0 -

- - -

1.30E+1 -

1.38E+0 -

- - -

5.11E+0 3.76E-1 -

- - - - - -

1.93E+0 -

1.83E+0 1.24E+0 -

1.30E+1 -

4.63E-1 -

- - -

4.72E+0 -

-

3.67E-1 -

- - - -

1.92E+0 -

1.83E+0 9.10E-1 -

1.26E+1 - - - - - -

2.17E+0 -

-

1.41E-1 -

- - - -

1.84E+0 -

1.75E+0 4.21E-2 -

9.43E+0

Ru-103 Ru-106 Rh-106 Pd-107 Ag-110m Sn-119m Sn-126 Sb-125 Sb-126 Sb-126m Te-125m I-129 Cs-134 Cs-135 Cs-137 Ba-137m Ce-144 Pr-144 Pr-144m Pm-147 Sm-151 Eu-154 Eu-155 Other Subtotal A.P F.P Total

2.59E+3 2.68E+5 2.68E+5 -

1.52E+3 2.14E+3 7.76E-1 1.22E+4 -

-

2.98E+3 3.15E-2 1.08E+5 -

1.01E+5 9.56E+4 4.51E+5 4.51E+5 5.41E+3 1.02E+5 3.55E+2 9.69E+3 5.62E+3 6.81E+3 1.95E+4 2.16E+6 2..18E+6

-

5.50E+2 5.50E+2 -

- -

7.76E-1 1.29E+3 -

-

3.14E+2 3.15E-2 5.22E+3 -

8.21E+4 7.77E+4 1.49E+2 1.49E+2 1.79E+0 9.48E+3 3.31E+2 4.69E+3 1.60E+3 3.80E+1 3.48E+3 3.0E+5 3.07E+5

- - - - - -

7.76E-1 -

- - -

3.15E-2 -

-

1.03E+4 9.71E3 - - - -

1.66E+2 3.32E+0 -

8.70E+0 3.40E+2 3.36E+4 3.39E+4

- - -

1.12E-1 -

-

7.71E-1 -

1.08E-1 7.71E-1 -

3.15E-2 -

3.45E-1 -

- - - - -

1.62E-1 -

-

9.90E-1 8.38E+0 1.92E+1 2.76E+1

- - -

1.12E-1 -

-

7.24E-1 -

1.01E-1 7.24E-1 -

3.15E-2 -

3.44E-1 -

- - - - - - - -

6.70E-2 6.36E+0 1.86E+1 2.49E+1

- - -

1.11E-1 -

-

3.88E-1 -

5.44E-2 3.88E-1 -

3.14E-2 -

3.35E-1 -

- - - - - - - -

5.60E-2 2.46E+0 1.42E+1 1.67E+1 Tabel 3. Variasi radioaktif (Ci/MTHM) untuk aksinida sebagai fungsi setelah

keluar Reactor [2].

Time since discharge (years) Isotopes

1 10 100 1000 10 000 100 000

Ra-226 U-234 Np-237 Np-239 Pu-238 Pu-239 Pu-240 Pu-241 Pu-242 Am-241 Am-243 Cm-242 Cm-243 Cm-244 Other Total

- - -

1.71E+1 2.45E+3 3.13E+2 5.26E+2 1.20E+5 -

3.08E+2 1.71E+1 1.04E+4 2.06E+1 1.86E+3 2.74E+2 1.36E+5

- - -

1.71E+1 2.33E+3 3.13E+2 5.27E+2 7.76E+4 -

1.69E+3 1.71E+1 5.72E+0 1.66E+1 1.32E+3 2.60E+1 8.39E+4

2.66E-5 -

-

1.69E+1 1.15E+3 3.12E+2 5.26E+2 1.02E+3 -

3.75E+3 1.69E+1 3.78E+0 1.86E+0 4.21E+1 1.56E+1 6.85E+3

3.12E-3 2.03E+0 9.99E-1 1.56E+1 1.08E+3 3.05E+2 4.78E+2 -

1.72E+0 8.93E+2 1.56E+1 -

- -

2.68E+0 1.72E+3

1.34E-1 1.99E+0 1.18E+0 6.68E+0 -

2.37E+2 1.84E+2 -

1.69E+0 -

6.68E+0 -

- -

4.30E+0 4.44E+2

1.07E+0 1.61E+0 1.14E+0 -

-

1.80E+1 -

-

1.44E+0 -

- - - -

1.68E+1 3.90E+1

Gambar 3. Radioaktivitas yang dihasilkan PWR 33 000 MW-d/MTHM [2]

PANAS YANG DIHASILKAN BAHAN BAKAR BEKAS

Panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas pasca iradiasi perlu dipertimbangkan untuk diisolasi. Gambar 4 menunjukkan panas yang ditimbulkan oleh bahan bakar bekas untuk reaktor PWR 33.000 MW-D/MTHM. Sebagai fungsi waktu setelah bahan bakar bekas dikeluarkan dari reaktor, mula-mula hasil fisi mendominasi pada pembangkitan panas, setelah itu hasil fisi itu meluruh setelah 60-70 tahun aksinida berada pada output yang seimbang dalam pembangkitan panas. Produk aktivasi memberikan kontribusi 2 % dari total, keadaan ini terjadi awal dekade. Selama periode menengah (100-1000 tahun aksinida 238Pu,239Pu, 240Pu dan 241Am, sedangkan 239Pu dan 240Pu masih dominan sampai setelah 10.000 tahun dan 100.000 tahun.

Gambar 4. Panas yang dihasilkan PWR 33 000 MW-d/MTHM [2]

Komposisi radionuklida yang ditimbulkan bahan bakar bekas diperlihatkan pada tabel 4. Dari data – data tersebut dapat dilihat bahwa sebagian besar bahan bakar bekas berupa aktinida dengan aktivitas dan daya termal yang cukup tinggi , walaupun masih jauh dari produk fisi. Semakin tinggi burnup akan menyisakan aktinida lebih sedikit dengan menghasilkan lebih banyak produk fisi.

Tabel 4. Rangkuman tiga kelompok radionuklida keluaran ORIGEN2 , reaktor nuklir jenis PWR dan BWR.

Parameter/jenis nuklida

PWR33 (33.000 MWD)

PWR50 (50.000 MWD)

BWR275 (27.5000 WD)

BWR40 (40.000 MWD)

Produk Aktivasi:

- berat - aktivitas - daya termal Produk Fisi : - berat - aktivitas - daya termal Aktinida : - berat - aktivitas - daya termal

134,8 kg 4,716E+5 Ci 2,628 kW

34,02 kg 1.737E+08 Ci 2.069 MW

966 kg 4.623E+07 119,5 kW

134,8 kg 5.129E+05 Ci 2,841 kW

51,4 kg 1.737E+08 Ci 2.044 MW

948,6 kg 4.895E+07 128,3 kW

136,4 kg 7,031E+05 Ci 3,675 kW

28,34 kg 1.199E+08 1.424 MW

971,7 kg 3.307E+07 85,68 kW

136,4 kg 8,444E+05 Ci 4,313 kW

41,12 kg 1.218E+08 1.434 MW

958,9 kg 3.572E+07 93,87 kW

Tabel 5. Panas yang ditimbulkan Bahan bakar bekas tipe PWR NO. T Q_bbb (W/TU) Q_asemblei (W) Q_batang (W)

1 2 3 4 5

5 15 25 35 45

3,0 x 10³ 1,1 x 10³ 8,5 x 10² 7,0 x 10² 6,0 x 10²

1570,2 575,74 444,89 366,38 314,04

5,95 2,18 1,69 1,39 1,19

Tabel 5 menampilkan kandungan panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas tipe PWR per-asemblei dan per-batang. Kandungan panas bahan bakar bekas setelah 5 tahun keluar dari reaktor sebesar 1570,0 Watt perasemblei dan 5,95 Watt per

batang bahan bakar bekas, dan terus meluruh sampai 45 tahun mencapai 314,04 Watt per-asemblei atau 1,19 Watt perbatang bahan bakar.

KESIMPULAN

1. Aktinide umur panjang mendominasi aktivitas 1000 tahun (> 98 %) dan 10.000 tahun (>94 %), sedangkan untuk waktu yang sangat panjang (100.000 tahun) didominasi Tc-99 (produk fisi) dan Pu-239 (aktinida).

2. 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.

3. Semakin tinggi burnup akan menyisakan aktinida lebih sedikit dengan menghasilkan lebih banyak produk fisi.

DAFTAR PUSTAKA

1. Gonyeu J., Nuclear Power Plant Around the World, 2006.

2. IAEA, “Evaluation of spent fuel as a final waste form Nurokhim”, Technical report series No. 320, Viena, 1991.