STUDI TERMAL HIDRAULIC DESAIN PWR BERDAYA KECIL BERUMUR PANJANG DENGAN BAHAN BAKAR (TH,U)O 2 ABSTRAK. Topan Setiadipura, Arya Adhyaksa Waskita *

(1)

Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (39-49)

STUDI TERMAL HIDRAULIC DESAIN PWR BERDAYA KECIL BERUMUR PANJANG DENGAN BAHAN BAKAR (TH,U)O2ABSTRAK

Topan Setiadipura, Arya Adhyaksa Waskita*

ABSTRAK

STUDI TERMAL HIDRAULIC DESAIN PWR BERDAYA KECIL BERUMUR PANJANG DENGAN BAHAN BAKAR (TH,U)O2. Telah dilakukan studi netronik desain reaktor termal tipe PWR

berbahan bakar (Th,U)O2 dengan daya kecil yang mampu beroperasi dengan masa refueling 10 tahun.

Diperoleh desain optimal dengan geometri teras berbentuk silinder dengan diameter 100cm dan tinggi 200cm dengan rapat daya 16,8 W/cc. NIlai reaktivitas lebih desain optimal ini adalah 0.7% yang diharapkan memberikan aspek keamanan yang bagus. Bahan bakar yang digunakan adalah (Th,U)O2

dengan pengayaan U-233 bervariasi antara 7.5%w/o hingga 16%w/o, juga penambahan Pa-231 hingga maksimal 15% dari nuklida berat. Untuk melihat pengaruh konfigurasi desain teras dimana pengayaan yang lebih tinggi disimpan lebih luar, yang diharapkan mampu memberikan aspek termal yang baik, pada tulisan ini dilakukan studi termal hidraulik satu kanal terhadap design reactor untuk region tertentu. Perhitungan dilakukan dengan metoda beda hingga memanfaatkan data daya raktor yang dihasilkan pada perhitungan sebelumnya.Selain menghitung temperature pendingin dilakukan juga perhitungan temperature struktur dan pusat bahan bakar dan membandingkannya dengan nilai yang merupakan batasan fisis bahan. Perhitungan juga menghasilkan rapat massa pendingin sepanjang kanal, dan kecepatan pendingin sepanjang kanal.

Kata-kata kunci: thorium, (Th,U)O2, PWR, termal hidraulik.

ABSTRACT

THERMAL HYDRAULIC DESIGN STUDY OF SMALL LONG-LIVE PWR WITH (TH,U)O2 FUEL Neutronik Design study of small long-live PWR with (Th,U)O2 which able to operate

10 year critically without refueling. The optimum design achieved is a cylindrical core reactor with 100cm in diameter and 200cm in heights with power density 16,8 W/cc. Excess reactivity of the optimal design is 0.7% which is hope to give a good safety aspect. The core using a (Th,U)O2 fuel with U-233

enrichment from 7.5% to 16%, also added with Pa-231 to maximum 15% of heavy nuclide. To investigate the effect of core configuration where the higher enrichment put more outside, to give a good thermal hydraulic aspect, in this single channel thermal hydraulic analysis for certain regions is run. The calculation using finite difference method with power density input from early calculation. Besides calculating the coolant temperature, others important parameters like centerline fuel temperature and cladding surface temperature are also calculated which can be compare to the physical limitation. The calculation also resulting a density of the coolant and its velocity along the channel.

(2)

PENDAHULUAN

Studi desain teras reaktor PWR dengan daya kecil dan mampu beroperasi secara kritis selama 10 tahun telah dilakukan. Penelitian yang sebelumnya terbatas pada sisi neutronik khususnya untuk memperoleh reaktivitas lebih yang optimal. Analisa termal hidraulik sangatlah penting bagi sebuah desain teras reaktor, karena pada prinsipnya batasan dari performa teras reaktor banyak dipengaruhi oleh parameter-parameter termal hidraulik. Temperatur fluida pendingin sepanjang kanal, temperatur permukaan struktur dan temperatur pusat aksial bahan bakar adalah diantara parameter yang penting untuk dianalisa untuk memastikan bahwa parameter-parameter tadi masih dibawah batasan fisis material terkait ataupun batasan operasional yang diinginkan.

Spesifikasi umum dari teras reaktor yang akan kita analisa dapat dilihat pada table berikut

Parameter Spesifikasi

Daya (Thermal) 20 MWt Periode Refueling 10 Year Bahan Bakar (Th,U,Pa)O₂ Struktur Zircalloy (Zr) Pendingin Light Water (H2O) Pengayaan U-233 7.5w/o-16w/o U-233 Smear Density 90 %

Fuel Volume Fraction 60%

Pin Cell Type Rectangular Cell Cladding thickness 0.07

Pin pitch 1,4

Dengan konfigurasi teras

Arah Region I Region II Region III Region IV Region V Region VI Region VII Teras Aktif (cm) Jlh Mesh 7 7 7 7 7 7 3 Radial (r) _Lebar_(cm)₁₀_{10 7 7 6 5 5}50 Jlh Mesh 7 7 7 7 7 7 3 Axial (z) _Lebar_(cm)_{25 20 20 10 10 10 5}100

(3)

METODA PERHITUNGAN

Untuk dapat melakukan analisa termal hidraulik kanal tunggal terhadap teras reaktor yang telah didesain dikembangkan sebuah kode computer Pada tahap awal pengembangan kode computer termal hidraulik ini persamaan hidrodimamika dan termodinamika yang menggambarkan aliran satu dimensi didiskritisasi dan diselesaikan secara eksplisit secara bertahap sepanjang kanal, dengan memberikan input sifat pendingin ketika memasuki kanal, tentunya dengan melakukan partisi secara aksial terhadap bahan bakar. Iluatrasi dari kanal yang kita analisa pada penelitian ini digambarkan sebagai berikut

Tinggi bahan bakar = 95cm Jejari bahan bakar = 0.612cm Tebal struktur = 0.07cm

Pitch, jarak antara pusat bahan bakar = 1.4cm

Input yang utama adalah temperatur dan tekanan pendingin ketika memasuki kanal selain input lain yang menunjukkan karakteristik fisis fluida pendingin. Dengan melakukan analisa kesetimbangan energi dimana panas yang diterima oleh fluida pendingin sepanjang partisi dz sama dengan panas yang dihasilkan dalam partisi terebut. Panas yang dihasilkan pada partisi tersebut didapat dari informasi rapat daya.

( )

z q dT

(4)

sehinggga dengan diskritisasi diperoleh persamaan

(

1

)

1

2

+ +

+

∆

+

=

i i p i i i

q

wc

z

T

w : kecepatan alir massa,g/s cp : specific heat,J/g

o C

Selanjutnya dilakukan perhitungan penurunan tekanan yang merupakan kontribusi dari tiga hal yaitu adanya friksi, dari sisi hidrostatik karena adanya daya gravitasi, dan juga dari factor bentuk dari kanal. Ketiga factor tadi diberikan oleh rumus-rumus berikut

∑

=

∆

=

∆

=

∆

i z i i form i i i i h i i z i h i f i i i

u

K

p

z

g

p

f

u

D

z

p

2 /

)

(Re

2

2 2

ρ

h

D

=diameter hidraulik. i

f

(Re

) = faktor friksi fanning i

Re

= bilangan Reynolds.

i

z

u = kecepatan fluida pendingin 2

i

z

u

=kuadrat kecepatan rata-rata fluida pendingin.

K = faktor friksi bentuk, yang menyatakan efek dari bentuk penampang kanal maka tekanan fluida yang dialamai fluida pendingin untuk partisi selanjutnya adalah form i h i f i i i p p p p p₊₁ = −∆ −∆ −∆

Setelah mengetahui temperatur dan tekanan pada partisi tertentu maka rapat massa dari pendingin dengan T dan p tertentu dicari melalui tabel yang diperoleh dari persamaan keadaan air.

Lalu dengan ketiga parameter yang dimiliki kita menghitung beberapa parameter termaljhidraulik fluida pendingin. Pertama adalah bilangan Reynolds yang menunjukkan karakteristik dari aliran fluida

(5)

µ

ρ

i z h i

D

u

i 1 1

Re

₊

=

+

Bilangan Nusselt diperoleh dari korelasi Dittus-Boelter berikut 8 . 0 4 . 0 1 =0.023Pr Re + i Nu

di mana Pr adalah bilangan Prandt yang diberikan oleh persamaan berikut

k c/

Pr=

µ

Setelah itu, baru kita dapat menghitung koefisien konveksi dari fluida pendingin yang diberikan oleh persamaan berikut

1 1 + +









=

i h fluida i

Nu

D

k

h

Selanjutnya perhitungan dilakukan untuk menghitung temperatur struktur elemen bakar dan juga termperatur di titik tengah bahan bakar. Persamaan yang digunakan untuk keduanya adalah sebagai berikut

1 1 1 1 + + +

+

=

+ s i i S

h

q

T

i

untuk temperatur permukaan struktur, dan untuk temperatur pusat bahan bakar

(

)

_



_









+

=

+ + + + C F s F C C G F F F i i CL

t

r

h

r

k

t

h

k

r

q

T

i i 1 1

1

2

1 1

π

Lalu, dari laju aliran yang konstan kita dapat menentukan kecepatan fluida pendingin untuk tiap partisi

c z i u A kons w i1 1 tan + + = =

ρ

sehingga didapatkan c i z A w u i 1 1 + = +

ρ

(6)

Mulai

Input Data (Geometri, Material )

File q dari perhitungan neutronik

Hitung Temperatur Pendingin

Hitung Penurunan Tekanan

Tentukan Rapat Massa Pendingin

Tabel Termodinamika

Hitung Koefisien konveksi

Hitung Temperatur Cladding dan Pusat Bahan Bakar

Hitung Kecepatan Alir Fluida

Simpan Hasil

Ujung Kanal?

YA Tidak

(7)

HASIL PERHITUNGAN DAN DISKUSI

Alur perhitungan diatas dilakukan dengan input rapat daya dari perhitungan desain teras reaktor optimal. Diperoleh temperatur pendingin, permukaan struktur,serta temperatur pusat bahan bakar. Perhitungan dilakukan untuk bagian teras paling dalam (region no.1) dan bagian paling luar (region no.6).

Distribusi Temperatur Tahun Pertama

0.00E+00 5.00E+01 1.00E+02 1.50E+02 2.00E+02 2.50E+02 3.00E+02 3.50E+02 4.00E+02 4.50E+02 5.00E+02 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 MEsh Ax ia l Tem p e rat ur Tclad1 Tcoolant1 Tcoolant6 Tclad6

Distribusi Temperatur Tahun #5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 1 8 ₁₅ ₂₂ ₂₉ ₃₆ ₄₃ ₅₀ ₅₇ ₆₄ ₇₁ ₇₈ MEsh Axial Te m pe ra tu r Tcoolant1 Tclad1 Tcoolant6 Tclad6

(8)

Distribusi Temperatur Tahun #10 0 100 200 300 400 500 1 8 ₁₅ ₂₂ ₂₉ ₃₆ ₄₃ ₅₀ ₅₇ ₆₄ ₇₁ ₇₈ Mesh Axial Te mpe ra tur Tcoolant1 Tclad1 Tcoolant6 Tclad6

Distribusi daya Pusat Elemen Bakar

0 100 200 300 400 500 600 1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 MEsh Axial T e m p er at u r thn1reg1 thn5reg1 thn10reg1 thn1reg6 thn5reg6 thn10reg6

Dari hasil perhitungan diatas terlihat bahwa untuk region yang sama nilai temperatur antara struktur dan pendingin tidak terlalu besar, meskipun tentu temperatur struktur lebih besar. Begitupun temperatur yang dihasilkan teras tidak banyak berubah dari awal siklus hingga akhirnya. Perbedaan sangat terlihat ketika dibandingkan antara temperatur region pertama dan region ke-6 yang memang di lapisan paling luar dari teras, hal ini menunjukkan bahwa memang perbedaan arah radial jauh lebih signifikan dari pada perbedaan temperatur arah aksial. Data temperatur rata-rata dan maksimum untuk region 1 adalah sebagai berikut

(9)

Tahun Pertama

Region1 Tpendingin Tstruktur Tpusat Rerata 367.662 369.729 473.102

Maks 435.146 436.123 544.545

Tahun #5

Tpendingin Tstruktur Tpusat

Rerata 367.853 369.925 473.587

Maks 435.535 436.482 546.271

Tahun #10

Rerata 368.997 371.082 475.004

Maks 435.898 436.826 547.504

Sedangkan untuk region 6

Tahun Pertama Region6

Rerata 326.2893 327.0827 370.777

Maks 350.2408 350.5371 401.7916

Tahun #5

Rerata 325.8934 326.6828 370.3255

Maks 325.8934 326.6828 370.3255

Tahun #10

Rerata 325.3897 326.1678 369.2994

Maks 325.3897 326.1678 369.2994

Dengan perhitungan distribusi temperatur teras reaktor maka bias diketahui apakah temperatur dalam teras melebihi batas fisis materialnya atau tidak. Selain itu kode komputer termal ini dapat digunakan untuk melakukan survey terhadap parameter tertentu dan melihat akibatnya terhadap distribusi temperatur, yang hal ini merupakan informasi penting dalam merancang teras reaktor.

(10)

KESIMPULAN

Perhitungan kode computer untuk mengetahui distribusi temperatur telah dilakukan terhadap desain reaktor PWR kecil dengan waktu operasi 10 tahun. Dengan melakukan perhitung terhadap region paling dalam yang akan mempunyai temperatur paling tinggi untuk tiga waktu yaitu ketika awal, pertengahan, dan akhir siklus maka hasil analisa termal awal menunjukkan bahwa temperatur teras tidak banyak berubah selama siklus operasinya, juga diketahui bahwa temperatur antara permukaan struktur dan pendingin tidak terlalu besar. Parameter survey terhadap beberapa parameter dengan kode komputer ini dapat memberikan pemahaman yang baik terhadap sistem termal teras reaktor.

DAFTAR PUSTAKA

1. J.J.DUDERSTADT, L.J.HAMILTON, “ Nuclear Reactor Analysis”,John Wiley & Sons, 1976.

2. L.S.TONG, J WEISMAN, “ Thermal Analysis of Presurrized Water Reactor”,ANS,1979.

3. http://hp.vector.co.jp/authors/VA030090/.

DISKUSI

UTAJA

1. Efisiensi 1/3, dipengaruhi oleh sistem turbin. Bagaimanakah komentar? 2. Seberapa jauh harga fluks panas dari DNB?

TOPAN

1. Meskipun efisiensi sangat tergantung pada panas di heat exchanger (penukar panas), namun tetap dipengaruhi setiap proses transfer panas mulai dari bahan-bahan, struktur/cladding, juga konveksi ke pendingin. Pada penelitian/pengembangan itu hanya memperlihatkan sistem kanal tunggal, tanpa melihat bagian lain.

(11)

2. Untuk pengembangan tahap ini belum bisa kita jawab, diharapkan ke depan setelah dilakukan analisa untuk seluruh teras, masalah itu bisa kita tangani lebih lanjut.

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

1. Nama : Topan Setiadipura

2. Tempat/Tanggal Lahir : Jakarta, 5 Juni 1980

3. Instansi : PPIN - BATAN

4. Pekerjaan / Jabatan : Staf Bidang Komputasi 5. Riwayat Pendidikan :

• S1 Fisika ITB thn 2003 • S2 Fisika ITB thn 2005 6. Pengalaman Kerja :

• Pusat Mikroelektronika PAU ITB (2005-2006) • BATAN ( 2006- Sekarang )