SKRIPSI
PERHITUNGAN BURN UP UNTUK MENENTUKAN LAJU PEMBENTUKAN Xe-135 DAN Sm-149 KEADAAN SETIMBANG PADA
THORIUM MOLTEN SALT REACTOR – 500 DENGAN METODE SIMULASI MENGGUNAKAN MCNP 6
Disusun oleh : Lee Youri Mikhaelia
M0216045
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA Agustus 2020 commit to user
i SKRIPSI
PERHITUNGAN BURN UP UNTUK MENENTUKAN LAJU PEMBENTUKAN Xe-135 DAN Sm-149 KEADAAN SETIMBANG PADA
THORIUM MOLTEN SALT REACTOR – 500 DENGAN METODE SIMULASI MENGGUNAKAN MCNP 6
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
Disusun oleh : Lee Youri Mikhaelia
M0216045
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA Agustus 2020 commit to user
ii commit to user
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan Judul : Perhitungan Burn Up untuk Menentukan Laju Pembentukan Xe-135 dan Sm-149 Keadaan Setimbang pada Thorium Molten Salt Reactor – 500 dengan Metode Simulasi Menggunakan MCNP6
Yang ditulis oleh
Nama : Lee Youri Mikhaelia
NIM : M0216045
Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada
Hari :
Tanggal :
Dewan Penguji : 1. Ketua Penguji
Dr. Fuad Anwar, M.Si
NIP. 19700610200003 1 001 ...
2. Sekretaris Penguji
Dr. Eng. Hendri Widiyandari
NIP. 1981051820050 2 002 ...
3. Anggota Penguji I Drs. Suharyana, M.Sc
NIP. 19611217198903 1 003 ...
4. Anggota Penguji II
Dr. Azizul Khakim, S.T., M.eng.
NIP. 19711224199912 1 0001 ...
Disahkan pada tanggal ...
Oleh
Kepala Program Studi Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta
Dr. Agus Supriyanto, S.Si., M.Si NIP. 19690826 199901 1 001 commit to user
iv
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi yang saya buat dengan judul “Perhitungan Burn Up untuk Menentukan Laju Pembentukan Xe-135 dan Sm-149 Keadaan Setimbang pada Thorium Molten Salt Reactor – 500 dengan Metode Simulasi Menggunakan MCNP6” adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya. Hingga saat ini, skripsi ini tidak bersisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapat gelar kersarjanaan di Universitas Sebelas Maret ataupun Perguruan Tinggi lainnya kecuali yang telah tertulis di daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak yang telah ditulis di bagian ucapan terimakasih.
Surakarta, 30 Juli 2020
Lee Youri Mikhaelia
commit to user
v MOTTO
“I can do all this through Him who gives me strength”
~Philippians 4:13
“Be strong and courageous. Do not be afraid or terrified because of them, for the LORD your God goes with you; He will never leave you nor forsake you”
~Deuteronomy 31:6
“MANNERS MAKETH MAN”
~The Kingsman
“Great man didn’t born great, they’re grow great.
In a world full of ten, be an eleven”
~Thira Sivakorn
commit to user
vi
PERSEMBAHAN
Dengan penuh rasa syukur kepada Tuhan Yesus, hasil kerja keras dalam menempuh jenjang S1 ini saya persembahkan kepada :
1. Mamiku tercinta yang telah merawat dan membesarkan aku dengan penuh kasih. Youri sayang sama mami.
2. Mama Endah, Ibuk, Tante Nduk, Tante Lina, adik-adik dan seluruh keluargaku atas doa, dukungan, pengorbanan dan kasih sayang kalian untukku. Youri bersyukur punya kalian.
3. Pak Suharyana atas segala bimbingan, motivasi, nasehat dan segala dukungan selama ini. Terimakasih banyak bapak, semoga kelak saya sepandai dan sekeren bapak.
4. Pak Aziz yang telah memberikan banyak bantuan dan bimbingan selama ini. Terimakasih bapak.
5. Teman-temanku semuanya yang selalu siap mendukung dan memberi semangat dikala mulai sering sambat. Youri love you gaes.
commit to user
vii
PERHITUNGAN BURN UP UNTUK MENENTUKAN LAJU PEMBENTUKAN Xe-135 DAN Sm-149 KEADAAN SETIMBANG PADA
THORIUM MOLTEN SALT REACTOR – 500 DENGAN METODE SIMULASI MENGGUNAKAN MCNP 6
LEE YOURI MIKHAELIA
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Surakarta
ABSTRAK
Telah dilakukan perhitungan laju pembentukan Xe-135 dan Sm-149 pada Thorium Molten Salt Reactor – 500 (TMSR-500) menggunakan program MCNP6.
Desain yang digunakan mengacu pada desain MSR-ThorCon yang dikembangkan oleh Martingle Inc. USA. Desain yang dibuat adalah model teras penuh reaktor dan model fuel log. Model fuel log dibuat untuk meminimalkan waktu kalkulasi burn up MCNP. Hasil dari simulasi burn up MCNP berupa nilai konsentrasi dan massa Xe-135 dan Sm-149. Nilai konsentrasi Xe-135 dan Sm-149 pada keadaan setimbang adalah 8,24×1016 a/cm3 dan 6,18×1017 a/cm3. Nilai tersebut kemudian dimasukkan dalam material bahan bakar geometri teras penuh untuk menghitung faktor multiplikasi (𝑘𝑒𝑓𝑓) dan reaktivitas. Nilai 𝑘𝑒𝑓𝑓 reaktor dengan bahan bakar bersih adalah 1,01885 ± 0,00008. Asumsi teras bersih adalah kondisi Beginning of Circle (BOC). Xe-135 dan Sm-149 menyebabkan perubahan nilai 𝑘𝑒𝑓𝑓 berturut- turut menjadi (0,98454 ± 0,00008) dan (1,01285 ± 0,00008) dengan penyisipan reaktivitas sebesar (3,423 ± 0,016) Δk/k dan (0,584 ± 0,016) Δk/k. Massa Xe-135 dan Sm-149 digunakan untuk menentukan laju pembentukan nuklida tersebut.
Massa Xe-135 pada keadaan setimbang adalah 0,846 gram yang terbentuk selama 50 jam, sehingga laju pembentukan Xe-135 adalah 0,0169 gram/jam. Xe-135 adalah racun berfasa gas yang diekstrak dengan metode spray bubbling setiap 25 menit. Keadaan setimbang Sm-149 dicapai setelah 600 jam reaktor beroperasi dan terbentuk 7 gram Sm-149, sehingga laju pembentukan Sm-149 adalah 0,0117 gram/jam. Ekstraksi nuklida racun penting dilakukan untuk meningkatkan reaktivias agar reaktor dapat mempertahankan reaksi fisi berantai dengan meminimalkan penambahan material fisil.
commit to user
viii
BURN UP CALCULATION TO DETERMINE THE PRODUCTION OF EQUILIBRIUM Xe-135 AND Sm-149 IN THORIUM MOLTEN SALT
REACTOR – 500 WITH SIMULATION METHOD USING MCNP 6
LEE YOURI MIKHAELIA
Physics Department, Faculty of Mathematics and Natural Sciences Sebelas Maret University, Surakarta
ABSTRACT
Calculation of the Xe-135 and Sm-149 production in Thorium Molten Salt Reactor – 500 (TMSR-500) has been done using MCNP6 program. The design refers to the MSR-ThorCon design developed by Martingale Inc, USA. The design made is a full core model and a fuel log model. The fuel log model was created to minimize MCNP burn up calculation time. The results of the MCNP burn up simulation are the concentration and mass values of Xe-135 and Sm-149. The concentration of equilibrium Xe-135 and Sm-149 were 8,24×1016 a/cm3 dan 6,18×1017 a/cm3. This values is then inserted in the full core geometry’s fuel to calculate the multplication factor (𝑘𝑒𝑓𝑓) and reactivity. The 𝑘𝑒𝑓𝑓 value of the clean core is 1.01885 ± 0.00008. The assumption of a clean core is at the Beginning of Cycle (BOC). Xe-135 and Sm-149 cause changes in 𝑘𝑒𝑓𝑓 values respectively (0.
98454 ± 0.00008) dan (1.01285 ± 0.00008) and the excess reactivity of (3.423 ± 0.016) Δk/k and (0.584 ± 0.016) Δk/k. The mass of equilibrium Xe-135 is 0.846 grams formed during 50 hours, so that the production rate of Xe-135 is 0.0169 grams/hour. Xe-135 is a gas poison that extracted every 25 minutes with spray bubbling method. Equilibrium Sm-149 achieved after 600 hours of operation and 7 grams of Sm-149 were formed, so that the rate of Sm-149 production was 0.0117 grams/hour. Extraction of the poisons is important to increase reactivity so that the reactor can maintain the fission chain by minimizing the addition of fissile material.
commit to user
ix
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yesus Kristus, Allahku yang baik, yang senantiasa memberkati, menyertai, dan mencurahkan hikmat-Nya sehingga penulis mampu menyelesaikan penulisan Skripsi.
Skripsi yang disusun oleh penulis ini merupakan bagian persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Sains dengan diberi judul “Perhitungan Burn Up untuk Menentukan Laju Pembentukan Xe-135 dan Sm-149 Keadaan Setimbang pada Thorium Molten Salt Reactor – 500 dengan Metode Simulasi Menggunakan MCNP6”. Terselesaikannya skripsi ini dengan baik adalah suatu kebahagiaan tersendiri bagi penulis. Selama penulisan skripsi ini, penulis mendapat banyak bantuan dari berbagai pihak. Kepada seluruh pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan skripsi ini, penulis ucapkan terimakasih, terkhususnya kepada:
1. Tuhan Yesus Kristus atas segala karunia-Nya
2. Tugiyanti Wonder Family atas segala dukungan dan doa
3. Dr. Suharyana, M.Sc. selaku pembimbing 1 atas segala bimbingan dan dukungan
4. Dr. Azizul Khakim, ST., M.Eng. selaku pembimbing 2 atas segala bimbingan dan dukungan
5. Teman-temanku terutama Shofa, Santi, Dhany, Nurul, Aloysius, dan Singto atas segala bentuk dukungan
6. Keluarga Pilar Adhitakarya yang telah berjuang bersama-sama
Semoga Tuhan membalas semua jerih payah dan pengorbanan dengan balasan yang lebih baik. Penulis menyadari banyaknya kekurangan dalam penulisan skripsi ini. Meskipun demikian, penulis berharap karya ini dapat bermanfaat.
Surakarta, 30 Juli 2020
Lee Youri Mikhaelia commit to user
x
HALAMAN PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya telah diterima dalam International Conference on Physics and Its Applications (ICOPIA) dengan judul “Comparison of Boron Carbide, Gadolinium Oxide, and Hafnium as Qualified Molten Salt Reactor’s Control Rods Material” yang diselenggarakan oleh Program Studi Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret dan sedang dalam tahap publikasi serta Seminar Keselamatan Nuklir (SKN) dengan judul
“Simulation and Computation of the Formation Reactor’s Poison : Xe-135 and Sm- 149 in Thorium Molten Salt Reactor-500 with MCNP6 Code” yang diselenggarakan oleh Badan Pengawas Tenaga Nuklir (BAPETEN) Indonesia.
commit to user
xi DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ...i
HALAMAN PERSETUJUAN ...ii
HALAMAN PENGESAHAN ...iii
HALAMAN PERNYATAAN ...iv
HALAMAN MOTTO ...v
HALAMAN PERSEMBAHAN ...vi
HALAMAN ABSTRAK ...vii
HALAMAN ABSTRACT ...viii
KATA PENGANTAR ...ix
HALAMAN PUBLIKASI ...x
DAFTAR ISI ...xi
DAFTAR TABEL ...xiii
DAFTAR GAMBAR ...xiv
DAFTAR LAMPIRAN ...xv
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1. Latar Belakang ...1
1.2. Batasan Masalah ...5
1.3. Perumusan Masalah ...6
1.4. Tujuan Penelitian ...6
1.5. Manfaat ...6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...7
2.1. Interaksi Neutron dengan Materi ...7
2.2. Reaksi Fisi ...8
2.3. Produk Fisi ...9
2.4. Teori Difusi Neutron ...10
2.5. Reaktor Nuklir ...12
2.6. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir ...14
2.7. Molten Salt Reactor ...14
2.8. Thorium Molten Salt Reactor - 500 ...17
2.9. Kajian Keselamatan MSR-ThorCon ...18
2.10. Reaktivitas ...19
2.11. Racun Reaktor ...20
2.11.1. Xenon-135 ...20
2.11.2. Samarium-149 ...22
2.11.3. Racun Lainnya ...22 2.12. Burn Up ...23 commit to user
xii
2.13. Metode Komputasi...24
2.14. Monte Carlo N-Particle ...24
2.14.1. Perhitungan Kritikalitas...26
2.14.2. Perhitungan Burn Up ...27
BAB III METODE PENELITIAN ...28
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ...28
3.2. Alat dan Bahan ...28
3.3. Prosedur Penelitian ...28
3.3.1. Pembuatan Geometri dan Input Data ...30
3.3.2. Perintah Perhitungan Burn Up ...31
3.3.3. Perintah Perhitungan 𝑘𝑒𝑓𝑓 ...33
3.3.4. Perhitungan Reaktivitas dan Laju Pembentukan ...33
3.3.5. Teknik Analisis Data ...33
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ...34
4.1. Model Geometri TMSR-500 ...34
4.1.1. Model Geometri Fuel Log ...34
4.1.2. Model Geometri Teras Penuh ...35
4.1.3. Nilai 𝑘𝑒𝑓𝑓 ...36
4.2. Pengaruh Waktu Operasi Reaktor terhadap 𝑘𝑒𝑓𝑓 ...36
4.3. Xe-135 dan Sm-149 ...39
4.3.1. Isotop Xenon dan Samarium ...39
4.3.2. Xenon 135 ...41
4.3.3. Samarium 149 ...42
4.3.4. Reaktivitas Xe-135 dan Sm-149 ...44
4.3.5. Laju Pembentukan Xe-135 dan Sm-149 ...45
4.4. Inventarisasi Nuklida Hasil Fisi ...46
BAB V PENUTUP ...49
5.1. Kesimpulan ...49
5.2. Saran ...49
DAFTAR PUSTAKA ...50
LAMPIRAN ...53
commit to user
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Karakteristik TMSR-500 ...18
Tabel 2.2. Tampang lintang serapan hasil fisi bersifat racun ...23
Tabel 3.1. Data TMSR-500 ...30
Tabel 3.2. Input burn up dengan time step menyesuaikan Xe-135 ...31
Tabel 3.3. Input burn up dengan time step menyesuaikan Sm-149 ...32
Tabel 3.4. Input burn up dengan time step 2 bulan selama 4 tahun ...32
Tabel 3.5. Input burn up dengan time step 15 hari selama 1 tahun ...32
Tabel 3.6. Parameter Perintah Perhitungan 𝑘𝑒𝑓𝑓 ...33
Tabel 4.1. Nilai 𝑘𝑒𝑓𝑓 pada model teras penuh dan fuel log ...36
Tabel 4.2. Reaktivitas Xe-135 dan Sm-149 pada kondisi setimbang dan puncak ...44
Tabel 4.3. Laju pembentukan Xe-135 dan Sm-149 ...45
Tabel 4.4. Produk fisi radioaktif berfasa gas ...46
Tabel 4.5. Produk fisi radioaktif berfasa solid dan liquid ...46
commit to user
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Ilustrasi Reaksi Fisi ...8
Gambar 2.2. Distribusi nuklida hasil fisi U-23 dan Pu-239 ...9
Gambar 2.3. Desain Molten Salt Reactor ...16
Gambar 2.4. Tampang lintang MSR-ThorCon ...17
Gambar 2.5. Diagram skematik simulasi neutron dengan metode Monte Carlo...26
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ...29
Gambar 3.2. Satu Fuel Log ...30
Gambar 3.3. Konfigurasi Teras Penuh MSR-ThorCon ...31
Gambar 4.1. Proyeksi fuel log MSR-ThorCon pada koordinat bidang XY ...34
Gambar 4.2. Proyeksi teras penuh MSR-ThorCon pada koordinat bidang XY .35 Gambar 4.3. Grafik hubungan antara konsentrasi U-235 terhadap waktu selama 1 tahun ...37
Gambar 4.4. Grafik hubungan antara konsentrasi U-235 terhadap waktu selama 4 tahun ...37
Gambar 4.5. Grafik hubungan antara nilai 𝑘𝑒𝑓𝑓 terhadap waktu selama 1 tahun ...38
Gambar 4.6. Grafik hubungan antara nilai 𝑘𝑒𝑓𝑓 terhadap waktu selama 37 4 tahun ...38
Gambar 4.7. Tampang lintang serapan isotop-isotop xenon hasil reaksi fisi ...40
Gambar 4.8. Tampang lintang serapan isotop-isotop samarium hasil reaksi fisi ...40
Gambar 4.9. Profil Xe-135 pada kondisi reaktor startup, shutdown, dan restart ...41
Gambar 4.10. Profil Sm-149 pada kondisi reaktor startup, shutdown, dan restart ...43
commit to user
xv
DAFTAR LAMPIRAN
1. Perhitungan Interpolasi ...53
2. Perhitungan Reaktivitas ...54
3. Perhitungan Penurunan 𝑘𝑒𝑓𝑓 ...55
4. Perhitungan Penurunan Massa U-235 ...56
commit to user
commit to user
