17-1
2016
KeselamatanNuklir
2016
PEMANFAATAN CODE MVP UNTUK MEMODELKAN HIGH TEMPERATURE REACTOR (HTR-10)
Bara Wahyu Ramadhan
1, Riyatun
1, Azizul Khakim
21Prodi Fisika, FMIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta
2Bidang PRND, PPSTPIBN, Badan Pengawas Tenaga Nuklir, Jakarta [email protected]
ABSTRAK
PEMANFAATAN CODE MVP UNTUK MEMODELKAN HIGH TEMPERATURE REACTOR (HTR-10).
Telah dilakukan simulasi dari HTR–10 menggunakan code MVP dengan library JENDL – 3,3. HTR–10 merupakan reaktor berbahan bakar pebble bed, bermoderator grafit dan berpendingin gas helium rata – rata bersuhu 700o C, dengan daya 10 MW. Bahan bakar nuklir HTR–10 berbentuk bola UO2 dengan pengkayaan U–235 antara 7-17 %. Diameter bahan bakar pebble yang digunakan adalah sebesar 0,05 cm. Jumlah pebble yang digunakan adalah 27.000 yang menempati teras reaktor. Sejumlah pebble disusun secara statistical geometry. Disamping pemodelan HTR-10 dalam susunan bahan bakar pebble, disajikan juga HTR - 10 dalam bentuk bahan bakar homogen. Pada makalah ini akan disebut HTR-10 bahan bakar homogen, dan HTR-10 dengan bahan bakar pebble. Perhitungan jumlah atom penyusun teras reactor pada kedua reactor adalah sama. Pada HTR – 10 dengan bahan bakar pebble menggunakan double heterogeneity. Istilah double heterogeneity digunakan untuk mensimulasikan lapisan TRISO yang terdistribusi secara acak pada bahan bakar pebble, kemudian bahan bakar pebble juga terdistribusi secara acak pada teras reaktor. Hasil simulasi divalidasi dengan peneliti yang mensimulasikan HTR-10 dengan susunan bahan bakar sistem lattice dengan code MCNP4C. Perbedaan yang relatif kecil antara model bahan bakar heterogen dan bahan bakar homogen, memberikan keyakinan bahwa model statistical geometry cukup akurat dalam memprediksi harga keff.
Kata kunci: HTR–10, code MVP, pebble bed ABSTRACT
USE OF CODE MVP TO MODELING HIGH TEMPERATURE REACTOR (HTR – 10). Simulations on the HTR - 10 has been perfomed using MVP code with JENDL - 3.3 HTR - 10 is fueled with pebble bed reactor. Graphite moderated and helium gas -cooled with average temperature of 700o C, producing power of 10 MW. Nuclear fuel of HTR- 10 is spherical UO2 enriched U - 235 between 7-17 %. Diameter pebble fuel used was 0.05 cm. The number of pebbles used is 27,000 which occupy the reactor core. Some pebbles compiled statistical geometry. Besides modeling of HTR - 10 in the composition of the fuel pebble, also HTR fuel in the form of homogeneous fuel is simulated. This will be called HTR - 10 homogeneous fuels, and HTR - 10 fuel pebble. The calculation of the number of atoms making up the core on the second reactor is the same. In HTR – 10 fueled witht pebble used double heterogeneity. Double heterogeneity is used to simulations TRISO coating with random distribution in the fuel pebble, then fuel pebble random distribution in the reactor core. The simulation results are validated by researchers simulate the HTR - 10 with an array of fuel lattice systems with code MCNP4C. Small different of heterogen fuel model and homogeneous fuel, make sure statistical geometry model accurate in keff prediction.
Keywords: HTR–10, MVP code, pebble bed
I. PENDAHULUAN
Energi di Indonesia sebagian besar masih bergantung pada penggunaan bahan bakar fosil, batu bara dan minyak bumi. Penggunaan bahan bakar tersebut mempunyai tiga kendala yaitu makin menipisnya cadangan minyak bumi, harga bahan bakar minyak, dan pencemaran lingkungan berupa efek rumah kaca sebagai akibat pembakaran bahan bakar tersebut. Diperkirakan cadangan minyak di Indonesia hanya cukup untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri sekitar 11 tahun ke depan [1].
Dari kendala tersebut maka harus dikembangkan energi alternatif, salah satunya dari energi nuklir.
Aplikasi teknologi nuklir, khususnya zat radioaktif telah dipergunakan secara luas dalam berbagai bidang
industri, kesehatan, pertanian, peternakan, sterilisasi produk farmasi dan alat kedokteran, pengawetan bahan makanan, hidrologi dan pertambangan. Sebagai penyedia energi, maka nuklir dikembangkan untuk Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN), dimana kajian ekonomi dari energi nuklir relatif lebih murah, aman dan tidak mencemari lingkungan [2].
Salah satu jenis reaktor yang dikembangkan untuk keperluan PLTN adalah reaktor jenis High Temperature Reactor (HTR). HTR-10 yang dikembangkan di Beijing, China adalah reaktor temperatur tinggi berbahan bakar pebble bed, yaitu bahan bakar disusun menjadi partikel-partikel bola kecil dengan pelapis moderator dan reflector, dengan material grafit dan meminimalkan pemakaian
17-2
logam/metal. Reaktor ini tidak memerlukan sistem pendinginan teras secara aktif, panas sisa (residual) dapat didisipasikan dengan mekanisme pemindahan panas pasif ke atmosfir sekitarnya.
HTR–10 merupakan reaktor berbahan bakar pebble bed, bermoderator grafit dan berpendingin gas helium dengan rata – rata temperatur helium 700oC, dengan daya 10 MW. Bahan bakar nuklir HTR–10 berbentuk bola UO2 dengan pengkayaan U–235 sebesar 17 %.
Dalam teras aktif terdapat bola bahan bakar dan bola moderator dengan perbandingan jumlah 57/43 [3].
Kajian ini berusaha memberikan gambaran jika Indonesia mengembangkan Reaktor Daya Eksperimen (RDE) yang dirancang menggunakan jenis reaktor HTR–10 dengan daya operasi 10 MW. RDE adalah reaktor yang dikategorikan sebagai Reaktor Daya Non Komersial (RDNK). RDE ini merupakan reaktor daya serba guna mengingat kegunaanya disamping sebagai reaktor untuk pembangkit listrik, juga akan menjadi reaktor eksperimen [4].
Kajian netronik berdasarkan simulasi komputer sangat diperlukan pada kajian pengembangan reaktor.
Oleh karena itu tersedia cukup banyak code netronik misalnya MVP, MCNP, SCALE, dan lain sebagainya.
MVP Code merupakan code netronik berbasis metode Monte Carlo, yang dapat digunakan untuk menganalisis pergerakan partikel neutron, foton, dan lain – lainnya. MVP Code dikembangkan oleh Japan Atomic Energy Research Institute yang mengembangkan metode Monte Carlo yang digunakan untuk energi yang kontinu (MVP) dan Monte Carlo yang digunakan untuk energi diskrit pada multigrup (GMVP) [5].
Dalam analisis reaktor, salah satu besaran penting untuk menggambarkan kritikalitas reaktor adalah nilai keff. Perhitungan terhadap first criticality dari HTR–10 dilakukan oleh Seker & Colak. Perhitungan tersebut menggunakan metode Monte Carlo, kritikalitas dan reaktivitas pada batang kendali dihitung menggunakan MCNP4B [6]. Nagaya (2004) memodelkan HTR – 10 dengan MVP Code dan menganalisa first criticality menggunakan library JENDL-3.3 , ENDF/B-6.8 dan JEFF-3.0 [7]. Tipe HTR juga telah disimulasikan oleh Pratomo yang melakukan kajian tentang pengaruh pengayaan terhadap faktor multiplikasi efektif (keff) pada HTR PROTEUS menggunakan MCNP5 [8].
Oktajianto pada tahun 2014 melakukan pemodelan HTR-10 dengan variasi pengayaan dan jari – jari bahan bakar menggunakan MCNP4C [9]. Dari sejumlah penelitian simulasi HTR-10, masih banyak diperlukan informasi yang lebih dalam di berbagai sudut pandang kajian.
II. METODE
Desain HTR-10 harus dituangkan pada list program input dengan rancangan-rancangan geometri dan isi materi. Teras HTR-10 diprediksi memuat 27.000 elemen bahan bakar pebble dalam tabung berdiameter
180 cm dan ketinggian 197 cm. Elemen bakar akan dimasukkan dalam reaktor dengan pola “multi-pass”.
Bahan bakar berbentuk bola (pebble) dengan diameter 6 cm didalamnya terdapat partikel berlapis TRISO mengisi teras. Grafit digunakan sebagai material utama struktur teras yang terdiri atas reflektor atas, bawah dan sisi. Struktur teras keramik ini dikungkung oleh bejana tekan dari baja [10]. Susunan desain ini diperlihatkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Tampang Lintang HTR – 10 [11]
Gambar 1. menunjukkan tampang lintang HTR–
10 dengan tinggi reaktor Z (cm) dan jari – jari reaktor R (cm). Reaktor HTR–10 terdiri dari B4C, Carbon Bricks, reflektor atas, reflektor bawah, reflektor samping, pendingin, bahan bakar utama dan bahan bakar tiruan (dummy pebble).
Reaktor HTR – 10 yang dimodelkan mempunyai tinggi teras sebesar 381,2 cm dihitung dari dasar reaktor yang berisi bahan bakar tiruan (dummy pebble) dan bahan bakar utama. Pada model ini menggunakan jumlah pebble sebesar 27.000 sesuai dengan HTR – 10 pada umumnya. Setiap satu bahan bakar pebble berisi 250.000 lapisan TRISO. Jumlah tersebut didapat dari besarnya packing fraction yaitu 0,8 pada lapisan TRISO didalam bahan bakar pebble.
Gambar 2. Bahan bakar berbentuk Pebble [12]
17-3
Gambar 2 adalah gambaran bahan bakar HTR–10 yang berbentuk pebble. Bahan bakar tersebut mempunyai diameter 6 cm yang didalamnya terdapat lapisan partikel berlapis (TRISO). Lapisan ini mempunyai diameter 0,092 cm yang terdiri dari empat lapisan penyusun yaitu lapisan penyangga karbon berpori (porous carbon buffer), lapisan piro karbon bagian dalam (inner pyrolitic carbon, IPyC), lapisan silikon karbida (SIC) dan lapisan piro karbon bagian luar (outer pyrolitic carbon, OPyC) yang terdispersi dalam matrik grafit. Pada lapisan paling dalam terdapat bahan bakar UO2 dengan diameter 0,05 cm.
Pada model bahan bakar heterogen menggunakan double heterogenity. Double heterogeneity yang dimaksud adalah lapisan partikel TRISO yang didalam bola pebble. Kemudian bola pebble terdistribusi secara acak pada teras reactor. Double heterogeneity pada bahan bakar HTR – 10 seperti ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar 3. Double heterogeneity pada bahan bakar HTR – 10[5]
Kajian yang dilaporkan pada makalah ini adalah penggunaan dua model HTR–10 yaitu yang berasumsi bahan bakarnya homogen dan HTR–10 berbahan bakar heterogen pebble bed. HTR–10 homogen menggunakan bahan bakar homogen namun dengan komposisi yang sesuai dengan bahan bakar HTR–10.
Pada bahan bakar homogen material penyusun pebble yang dicampur dalam satu kesatuan, kemudian dikalikan sebanyak jumlah bahan bakar pebble dalam HTR–10. HTR–10 heterogen menggunakan bahan bakar pebble sesuai bahan bakar HTR–10 yang sebenarnya dengan sistem stastitical geometry.
Stastitiscal geometry diibaratkan seperti kelereng yang dimasukkan dalam gelas dengan susunan kelereng tersebut secara acak.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada gambar 4, menunjukkan tampang lintang bidang xz HTR–10 homogen. Adapun bagian –bagian yang ditampilkan adalah B4C pada bagian sisi reaktor, carbon bricks pada bagian bawah reaktor dan di bagian dalam B4C terdapat reflektor (terbagi dalam reflektor atas, reflektor samping dan reflektor bawah). Di dalam teras reaktor pada bagian atasnya terdapat ruangan yang berisi udara, ruangan ini berfungsi untuk menahan agar radiasi tidak keluar. Kemudian ruang bahan bakar utama diisi dengan bahan bakar berbentuk
homogen namun komposisinya sama dengan HTR–10 heterogen. Bahan bakar tiruan (dummy pebble) dibuat dalam bentuk padat yang berisi material grafit.
Gambar 4. Tampang lintang bidang xz HTR–10 homogen
Pada gambar 5, menunjukkan tampang lintang bidang xy HTR–10 homogen. Terdapat tiga bagian yaitu B4C, reflektor, dan teras reaktor yang berisi bahan bakar.
Gambar 5. Tampang lintang bidang xy HTR–10 homogen
17-4
Gambar 6. Tampang lintang bidang xz HTR – 10 heterogen
Gambar 7. Tampang lintang bidang xy HTR – 10 heterogen
Gambar 6 dan 7 adalah tampang lintang HTR-10 heterogen yaitu menggunakan bahan bakar yang berbentuk pebble. Desain HTR–10 heterogen sama dengan HTR–10 homogen hanya sistem penyusunan bahan bakar menggunakan statistical geometry.
Langkah awal untuk memastikan bahwa hasil simulasi ini benar dan valid, adalah melakukan validasi hasil simulasi. Referensi hasil penelitian Oktajianto, dkk, (2015) dipilih karena desain HTR-10 yang disusun sebagian besar diacu pada penelitian ini, code yang digunakan adalah MCNP4C, sedangkan penelitian ini menggunakan code MVP. Pada hasil penelitian Oktajianto, dkk, (2015) menggunakan bahan bakar pebble namun menggunakan sistem lattice.
Validasi dipilih pada pengayaan 17 %. Didapatkan bahwa perbedaan hasil penelitian dengan penelitian Oktajianto, dkk, (2015) adalah sebesar 348 p cm. Hal
itu dikarenakan MVP menggunakan lattice statistical geometry yang berbeda dengan lattice biasa.
Tabel 1. Hasil validasi nilai keff dengan U-235 17 % Validasi
nilai keff
Code keff ∆k Oktajianto,
dkk, (2015)
MCNP4C 1,04000
348 Hasil
Penelitian
MVP 1,04348
Selanjutnya dilakukan simulasi dengan variasi pengayaan U-235. Hasilnya disajikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Data hasil penelitian Tipe Bahan
Bakar
Pengayaan U-235 (%)
Keff
Homogen 17 1,05283 ± 0,00247
Heterogen 17 1,04348 ± 0,00222
Homogen 7 0.89188 ± 0,00259
Heterogen 7 0,89529 ± 0,00298 Pemilihan nilai pengkayaan 17 % dan 7 % berdasarkan ketentuan nilai pengayaan HTR – 10 yang diperbolehkan adalah 7 – 17 %. Kritikalitas dilihat dari nilai keff lebih besar pada pengkayaan 17%
dibandingkan 7%, hal ini menunjukkan kondisi reaktor pemodelan adalah benar karena suatu reaktor pada umumnya semakin besar pengayaan U–235 maka semakin besar pula nilai faktor multiplikasi efektifnya (keff). Dari Tabel 1 diperoleh bahwa reaktor HTR-10 memiliki reaktivitas lebih sebesar 4,17 %dk/k.
Faktor multiplikasi efektif merupakan rasio jumlah neutron pada suatu generasi dibanding dengan jumlah neutron pada generasi sebelumnya. Jika keff = 1 maka reaktor dalam keadaan kritis. Jika keff > 1 maka reaktor dalam keadaan superkritis. Jika keff < 1 maka reaktor dalam keadaan subkritis.
Tabel 3. Nilai reaktivitas hasil penelitian Tipe Bahan
Bakar
Pengayaan U-235 (%)
Reaktivitas
Homogen 17 0,050179
Heterogen 17 0,041668
Homogen 7 -0,12122
Heterogen 7 -0,11695
Reaktivitas lebih merupakan cadangan reaktivitas teras agar reaktor dapat beroperasi selama bebarapa lama. Dari hasil perhitungan reaktivitas HTR–10 dapat diketahui bahwa pada bahan bakar homogen serta bahan bakar heterogen dengan pengayaan U - 235 17
% bernilai positif. Kemudian pada bahan bakar heterogen dengan pengayaan U - 235 7 % nilai reaktivitas bernilai positif. Nilai reaktivitas positif menunjukkan reaktor dalam keadaan superkritis sehingga jumlah neutron yang dihasilkan lebih banyak daripada generasi sebelumnya dan dijamin
17-5
keberlangsungan reaksi berantainya. Namun saat nilai reaktivitas bernilai negetif maka reaktor dalam keadaan subkritis atau dapat dikatakan reaktor tidak dapat dioperasikan. Hal itu dikarenakan jumlah neutron yang terbentuk lebih kecil dari pada neutron pada generasi sebelumnya.
Perbedaan yang relatif kecil antara model bahan bakar heterogen dan bahan bakar homogen, memberikan keyakinan bahwa model statistical geometry cukup akurat dalam memprediksi harga keff. Untuk lebih mengetahui secara kuantitatif akurasi model statistical geometry, maka perlu dilakukan benchmark terhadap data eksperimen.
V. KESIMPULAN
Code MVP memberikan hasil simulasi dari HTR- 10 yang valid. Pemodelan terhadap HTR-10 memperoleh nilai kritikalitas keff yang masuk akal bagi keberlangsungan suatu reaktor nuklir. Perbedaan yang relatif kecil antara model bahan bakar heterogen dan bahan bakar homogen, memberikan keyakinan bahwa model statistical geometry cukup akurat dalam memprediksi harga keff. Untuk lebih mengetahui secara kuantitatif akurasi model statistical geometry, maka perlu dilakukan benchmark terhadap data eksperimen.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih ditujukan kepada Pusat Pengkajian Sistem dan Teknologi Pengawasan Instalasi dan Bahan Nuklir, khususnya Bidang Pengkajian Reaktor Non Daya, BAPETEN, yang telah memberikan workshop pemakaian code neutronik di Prodi Fisika, FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.
DAFTAR PUSTAKA
1. Alimah, S. (2008). Pemilihan Teknologi Produksi Hidrogen dengan Memanfaatkan Energi Nuklir.
Jurnal Pengembangan Energi Nuklir, 123-132.
2. Ristek. (2009). Pengenalan PLTN. Jakarta: Pusat Diseminasi Iptek Nuklir.
3. Zuhair. (2000). Analisis Perhitungan Benmark Kritikalitas Pertama Teras HTR - 10. (hal. 132- 149). Jakarta: BATAN.
4. Birmano, D. (2015). Kajian Kebutuhan SDM Reaktor Daya Eskperimental (RDE) Tahap Implementasi Proyek. Seminar Nasional XI SDM Teknologi Nuklir (hal. 180-189). Jakarta: BATAN 5. 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.
6. Seker, V & Colak. (2003). HTR - 10 Full Core First Critically Analysis with MCNP. Nuclear Engineering and Design, 263-270.
7. Nagaya, Y. (2004). Analysis of The HTR - 10 Initial Core with Monte Carlo Code MVP.
PHYSOR - Physics of Fuel Cycles and Advanced Nuclear Systems.
8. Pratomo, Y. E. (2013). Pengaruh Pengayaan Uranium terhadap Nilai Faktor Multiplikasi (Keff) Reaktor Suhu Tinggi HTR PROTEUS. Skripsi.
UNS.
9. Oktajianto, H., Setiawati, E., & Richardina, V.
(2015). Modelling HTR Pebble Bed 10 MW to Determine Criticality as A Variations of Enrichment and Radius of the Fuel With the Mopnte Carlo Code MCNP4C. International Journal of Science and Engineering (IJSE), 43-46.
10. Aziz, F dan Lasman. (2004). Analisis Pasca Kritikalitas Pertama Reaktor Temperatur Tinggi HTR - 10 China. Komputasi dalam sains dan teknologi nuklir XII, 1-17.
11. Terry, W. (2006). Evaluation of the HTR-10 Reactor as a Benchmark for Physics Code QA.
Idaho National Laboratory.
12. IAEA. (2002). Evaluation of High Temperature Gas Cooled Reactor Performance: Benchmark Analysis Related to Initial Testing of The HTTR and HTR- 10. IAEA Publication.
TANYA JAWAB DISKUSI 1. Penanya: Yanuar Wahyu Wibowo
Pertanyaan:Bagaimana Homogenisasi teras HTR-10 dilakukan dalam pemodelan ini?
Jawaban:
Homogenisasi yang dilakukan merupakan bahan bakar yang berupa pebble dicampur dengan dengan komposisi yang sama dan dalam volume teras yang sama.
2. Penanya: Febri
Pertanyaan:1. Dari data-data hasil penelitian, apakah pengkayaan 7 – 17% untuk jumlah pebble yang sama?
2. Sedangkan untuk pengkayaan 7% baik homogen maupun heterogen memiliki k
eff<1 apakah bisa dilakukan pembahasan k
effhingga mencapai kritis?
Jawaban:
