KAJIAN AWAL ASPEK NEUTRONIK DARI RANCANGAN KONSEPTUAL FASILITAS ADS BERBASIS REAKTOR KARTINI

KAJIAN AWAL ASPEK NEUTRONIK DARI RANCANGAN

KONSEPTUAL FASILITAS ADS BERBASIS REAKTOR KARTINI

Tegas Sutondo

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB) BATAN JL. Babarsari, Kotak Pos 6101 ykbb, Yogyakarta 55281

Email : tegas_s@batan.go.id

ABSTRAK

KAJIAN AWAL ASPEK NEUTRONIK DARI RANCANGAN KONSEPTUAL FASILITAS ADS BERBASIS REAKTOR KARTINI. Telah dilakukan suatu kajian aspek neutronik tahap awal terhadap suatu rancangan konseptual fasilitas ADS skala kecil berbasis reaktor Kartini. Studi ini dimaksudkan untuk mengkaji tentang potensi reaktor Kartini digunakan sebagai fasilitas eksperimen transmutasi limbah PLTN skala kecil dari aspek neutronik. Untuk maksud tersebut, digunakan program SRAC sebagai dasar perhitungan. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa keberadaan unsur aktinida minor (MA) akan memberikan reaktivitas positif yang nilainya semakin besar dengan meningkatnya konsentrasi MA. Berdasarkan kriteria subkritikalitas yang ditetapkan, dan dengan mempertimbangkan faktor distribusi daya di dalam teras, serta tingkat kontribusi reaktivitas dari elemen MA disimpulkan bahwa reaktor Kartini cukup potensial untuk digunakan sebagai sarana eksperimen ADS khususnya pada konsentrasi MA antara 30 hingga 50 % pada campuran matriks C-MA yang diasumsikan.

Kata kunci: Kajian, neutronik, rancangan, konseptual ADS, reaktor, Kartini

ABSTRACT

PRELIMINARY STUDI ON NEUTRONIK ASPECT OF A CONCEPTUAL DESIGN OF THE KARTINI REACTOR BASE ADS FACILITY. A preliminary study on neutronic aspect of a conceptual design of ADS facility with the basis of Kartini Reaktor, has been performed. The study was intended to see the feasibility from neutronic point of view of Kartini reactor, to be used as a small scale of NPP’s waste transmutation experimental facility. A SRAC code was used as the basis of calculations. The results indicate that the presence of minor actinides (MA) will give a possitive reactivity, which tends to increase with the increase of MA consentrations. Based on the defined critetia of subcriticality and by considering the core power distributions and the level of reactivity contribution of MA element, it is concluded that Kartini reactor is potential enough to be used as an ADS experimental facility, mainly for MA concentration between 30 to 50 % of the assumed micture of C-MA matrix.

Keyword : Preliminary, study, neutrnic, conceptual, design, ADS, Kartini, reactor.

PENDAHULUAN

alah satu permasalahan utama dari pengoperasian PLTN adalah masalah penanganan limbah dari bahan bakar bekas (spent

fuel), yang dalam hal ini berupa nuklida produk fisi

maupun produk aktivasi yang berbahaya dan berumur panjang. Nuklida tersebut dikategorikan sebagai sampah tingkat tinggi (high level waste) yang memiliki radiotoksisitas tinggi dan berumur panjang. Dari nuklida berbahaya tersebut, ada beberapa nuklida yang dianggap paling penting dianggap berbahaya baik dari aspek radiotoksisitasnya maupun umur paruhnya, yaitu yang termasuk kelompok aktinida minor (MA). Tabel 1 memuat data kandungan beberapa nuklida dalam kelompok MA dan plutonium pada bahan bakar bekas PLTN.

Beberapa negara sedang melakukan LITBANG untuk mengupayakan agar nuklida berbahaya tersebut dibakar melalui proses transmutasi, sehingga selain akan menghasilkan energi juga dapat memperpendek umur paruh serta menurunkan tingkat radiotoksisitasnya. Proses pembakaran tersebut bisa dilakukan di dalam reaktor / PLTN atau pada suatu fasilitas ADS (Accelerator

Driven Subcritical System).

Proses pembakaran limbah bahan bakar bekas, khususnya MA melalui fasilitas ADS sedang dikembangkan di beberapa negara, dengan beberapa tujuan antara lain:

1. Mentransmutasikan produk fisi berumur panjang dan MA

2. Menghasilkan listrik dan atau panas untuk digunakan pada industri.

3. Memproduksi bahan fisil dengan mengiradiasi bahan fertil untuk selanjutnya digunakan pada

S

reaktor kritis/PLTN atau sistem subkritis berikutnya. Dalam sistem ADS teras reaktor yang berisi bahan fisil atau fertil dan limbah (produk fisi atau MA) yang akan ditransmutasikan dibuat dalam kondisi subkritis, sehingga tidak diperlukan sistem pengendali reaktivitas seperti pada reaktor kritis. Dalam hal ini proses reaksi fisi atau transmutasi dikendalikan oleh akselerator proton (cyclotron atau linac) dengan energi tinggi yang akan menghasilkan neutron melalui reaksi spalasi dengan inti atom target seperti Pb. Gambar 1 memperlihatkan skema prinsip dari sistem ADS yang digunakan untuk transmutasi limbah bahan bakar bekas PLTN sekaligus sebagai pembangkit listrik, sedang Tabel 2 memuat data

parameter akselerator yang diperlukan pada 3 macam disain ADS.

Makalah ini menyajikan hasil kegiatan kajian dari aspek neutronik suatu rancangan konseptual sistem ADS berbasis reaktor Kartini, yang merupakan bagian dari kegiatan program PIPKPP tahun 2011 yang mencakup antara lain :

1. Pemodelan sistem teras dan elemen aktinida minor (MA) yang akan dijadikan sebagai dasar kajian.

2. Perhitungan k-eff untuk mendapatkan

konfigurasi teras berdasarkan kriteria subkritikalitas yang ditetapkan untuk beberapa variasi konsentrasi MA. Serta melakukan evaluasi untuk menentukan kelayakannya.

Tabel 1. Kandungan MA dan produk fisi berumur panjang dari bahan bakar bekas PWR (UO2) dengan

pengayaan 4,2 wt% dengan burnup 50 MWd/kgHM setelah masa pendinginan 10 tahun .[1]

Persen Berat tiap Komponen Persen Berat Pu tiap Isotop

Nuclide Waste MA 238Pu 3.18 237 Np 49.816 239Pu 56.35 241 Am 34.911 240Pu 26.62 242 Am 0.143 241Pu 8.02 243 Am 11.042 242Pu 5.83 244 Cm 3.721 245 Cm 0.323 246 Cm 0.045

Tabel 2. Beberapa persyaratan teknis akselerator untuk 3 disain ADS. [3]

Parameter Fasilitas ADS skala _{kecil / Demo} (MYRRHA)

Fasilitas ADS skala Industri dengan teras

subkritik tunggal (EFIT)

Fasilitas ADS skala Industri dengan teras

subkritik ganda (ATW)

Beam Energy [GeV] 0.6 0.8 1.0

Beam Power [MW] 1.5 16 45

Beam current [mA] 2.5 20 45

Uncontrolled Beamloss < 1 W/m < 1 W/m < 1 W/m

Fractional beamloss at

full energy (ppm/m) < 0.7 < 0.06 < 0.02 Model Elemen Aktinida

Sebagai dasar dalam kajian ini digunakan data komposisi 3 nuklida MA dari bahan bakar bekas PWR seperti dimuat pada Tabel 1, yang telah

stabil baik dari aspek kimia maupun sifat fisisnya, sehingga tidak menimbulkan permasalahan baru terkait radioaktivitas akibat pengaruh reaksi dengan neutron.

TRIGA [4]. Gambar 2 memperlihatkan komponen dari bahan bakar standar TRIGA.

Gambar 2. Komponen dari elemen bahan bakar

standar TRIGA.

Model Sistem Teras ADS

Model teras yang digunakan berbasis pada ukuran teras reaktor Kartini seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dengan elemen MA berada di bagian tengah dan dikelilingi oleh sejumlah bahan bakar TRIGA pada bagian luarnya. Gambar 4 memperlihatkan skema dari sistem ADS tersebut. Gambar 5 memperlihatkan posisi dari elemen MA yang ditempatkan pada ring B (6 buah) sedang ring

A (pusat teras) dalam studi ini berisi elemen void (udara), yang dapat digunakan untuk menempatkan sumber neutron isotopik seperti Am-Be atau Pu-Be, dsb atau target spalasi bila menggunakan akselerator. Gambar 3 memperlihatkan model dari sistem teras ADS Berbasis Reaktor Kartini yang dijadikan obyek studi. Sistem teras tersebut, terdiri dari beberapa komponen utama yaitu elemen bahan bakar, elemen MA dan komponen non bahan bakar seperti elemen grafit, elemen void dan air sebagai pendingin.

Gambar 3. Penampang vertikal teras reaktor

Kartini.

Gambar 5. Posisi Elemen MA di dalam Teras ADS Berbasis Reaktor Kartini.

METODOLOGI

Dalam kajian aspek neutronik ini dilakukan serangkaian kegiatan sebagai berikut:

1. Melakukan perhitungan rapat atom dari setiap nuklida yang digunakan dalam sistem teras ADS yang direncanakan. Perhitungan dilakukan untuk beberapa variasi konsentrasi MA di dalam matriks C-MA.

2. Melakukan perhitungan cell/super cell untuk menentukan tampang lintang makroskopik /

nuclear group constants, untuk seluruh

komponen yang ditinjau, yang akan digunakan sebagai dasar dalam perhitungan kritikalitas (k-eff).

3. Melakukan perhitungan kritikalitas (k-eff) untuk menentukan konfigurasi teras ADS untuk beberapa variasi konsentrasi MA yang ditinjau menggunakan model teras yang direncanakan. 4. Melakukan perhitungan menggunakan program

MCNP untuk validasi terhadap hasil perhitungan neutronik untuk model teras hipotesis tanpa elemen aktinida.

5. Melakukan perhitungan k-eff untuk model teras ADS yang direncanakan untuk mendapatkan konfifgurasi teras berdasarkan tingkat subkritikalitas yang ditetapkan.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Tabel 3 hingga 6 memuat hasil perhitungan

teras ADS untuk beberapa variasi konsentrasi MA yang ditinjau menggunakan model teras yang direncanakan. Berdasarkan kriteria subkritikalitas (k-eff) yang ditetapkan yaitu antara 0,980 sampai maksimum 0,985 diperoleh hasil seperti ditunjukkan pada Tabel 7. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa keberadaan elemen C-MA akan memberikan kontribusi terhadap kenaikan reaktivitas teras, yang akan semakin besar dengan meningkatnya konsentrasi MA, sehingga perlu dilakukan pengurangan / penggantian elemen bahan bakar TRIGA pada ring F dengan elemen grafit ataupun kanal air yang lebih banyak.

Dari hasil perhitungan juga terlihat bahwa untuk konsentrasi MA = 50 %, maka untuk mendapatkan nilai k-eff sesuai dengan kriteria yang ditetapkan, bisa dilakukan dengan menggantikan seluruh posisi pada ring F dengan air (tanpa elemen bahan bakar maupun elemen grafit). Gambar 5 memperlihatkan distribusi rapat daya pada setiap ring B hingga ring F untuk beberapa variasi konsentrasi MA. Terlihat adanya kecenderungan kenaikan rapat daya pada ring B (yang berisi MA) dengan meningkatnya konsentrasi MA. Untuk konsentrasi MA hingga 30 % maka rapat daya pada ring B masih lebih rendah dari rapat daya pada ring diluarnya, dimana nilai tertinggi terjadi pada ring D.

Untuk konsentrasi MA sebesar 40 % maka rapat daya pada ring B telah melampaui nilai pada ring di luarnya namun masih belum terlalu tinggi perbedaannya terhadap nilai pada ring D yaitu

Distribusi rapat daya relatif pada arah aksial untuk seluruh konsentrasi MA yang sama besarnya seperti

ditunjukkan pada Gambar 5.

Tabel 3. Data komposisi dari komponen bahan bakar TRIGA tipe 104. Elemen Bahan bakar

Berat Atom Fraksi Berat Rapat Atom _{(#/barn cm)} TRIGA 104 Matrix U Zr H1.65 1.0 r = 5.99 g/cc U-total 238.029 0.0850 1.2882E-03 U-234 234.040 0.0002 _2.5313E-06 U-235 235.043 0.0169 _2.5909E-04 U-238 238.050 0.0679 1.0297E-03 Zr 91.224 0.8983 _3.6745E-02 H 1.000 0.0167 _6.0387E-02 Zr rod 91.224 1.0 4.2252E-02

Keterangan : # = jumlah atom

Tabel 4. Data komposisi dari komponen kelongsong bahan bakar. Fuel Clad (SS-304)

Berat Atom Fraksi Berat Rapat Atom

ρ = 7.89 g/cc (#/barn cm)

Chromium 52.000 6.967E-01 1.7362E-02

Iron 55.845 6.967E-01 5.9281E-02

Nickel 58.693 9.250E-02 7.4887E-03

Manganese 54.938 2.000E-02 1.7299E-03

C-12 12.000 8.000E-04 3.1678E-04

Tabel 5. Data komposisi dari komponen elemen non-bahan bakar.

Elemen _{Berat Atom Fraksi Berat} Rapat Atom

Non Bahan Bakar (#/barn cm)

Kanal Air H2O (T = 27 o_C) 18.000 0.1 3.3342E-02 H 1.000 8.889E-01 6.6682E-02 O 16.000 8.889E-01 3.3341E-02 Elemen Void Udara N 14.007 0.811 4.1844E-05 O 16.000 0.189 8.5369E-06 Al 26.982 1.0 6.0266E-02 Elemen Grafit C 12.011 1.0 8.0228E-02 Al 26.982 1.0 6.0266E-02

Tabel 6. Komposisi dan rapat atom dari komponen elemen MA. Komposisi Berat Atom C = 90 %, MA = 10 % C = 80%, MA = 20 % C = 70%, MA = 30 % Fraksi Molar Rapat Atom (#/barn cm) Fraksi Molar Rapat Atom (#/barn cm) Fraksi Molar Rapat Atom (#/barn cm)

C 12.011 0.9000 7.2206E-02 0.8000 6.4183E-02 0.7000 5.6160E-02

Np 237.000 0.0498 3.9967E-03 0.0996 7.9933E-03 0.1494 1.1990E-02

Am

Am-241 241.000 0.0349 2.8009E-03 0.0698 5.6017E-03 0.1047 8.4026E-03

Am-242 242.000 0.0001 1.1473E-05 0.0003 2.2945E-05 0.0004 3.4418E-05

Am-243 243.000 0.0110 8.8572E-04 0.0221 1.7714E-03 0.0331 2.6572E-03

Cm

Cm-244 244.000 0.0037 2.9853E-04 0.0074 5.9706E-04 0.0112 8.9559E-04

Cm-245 245.000 0.0003 2.5914E-05 0.0006 5.1828E-05 0.0010 7.7741E-05

Al 26.982 1.000 6.0266E-02 1.000 6.0266E-02 1.000 6.0266E-02

C 12.011 0.6000 4.8137E-02 0.5000 4.0114E-02 0.4000 3.2091E-02

Np 237.000 0.1993 1.5987E-02 0.2491 1.9983E-02 0.2989 2.3980E-02

Am

Am-241 241.000 0.1396 1.1203E-02 0.1746 1.4004E-02 0.2095 1.6805E-02

Am-242 242.000 0.0006 4.5891E-05 0.0007 5.7363E-05 0.0009 6.8836E-05

Am-243 243.000 0.0442 3.5429E-03 0.0552 4.4286E-03 0.0662 5.3143E-03

Cm

Cm-244 244.000 0.0149 1.1941E-03 0.0186 1.4927E-03 0.0223 1.7912E-03

Cm-245 245.000 0.0013 1.0366E-04 0.0016 1.2957E-04 0.0019 1.5548E-04

Al 26.982 1.000 6.0266E-02 1.000 6.0266E-02 1.000 6.0266E-02

Tabel 7. Konfigurasi sistem teras ADS untuk beberapa variasi konsentrasi MA. Konsentrasi MA

( % molar) 10% 20% 30% 40% 50%

Ring A VOID VOID VOID VOID VOID

Ring B 6 MA 6 MA 6 MA 6 MA 6 MA

Ring C 12 bb 12 bb 12 bb 12 bb 12 bb

Ring D 18 bb 18 bb 18 bb 18 bb 18 bb

Gambar 5. Distribusi rapat daya relatif pada ring sebagai fungsi konsentrasi MA. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Jarak Aksial (cm) R a p a t D a y a R e la ti f

Gambar 6. Distribusi rapat daya relatif arah aksial pada teras ADS.

KESIMPULAN

Telah dilakukan pemodelan dari rancangan konseptual sistem teras ADS berbasis reaktor Kartini dengan ring B berisi elemen C-MA dan ring A

(central thimble) berupa elemen void. Hasil

perhitungan menunjukkan bahwa keberadaan elemen C-MA akan memberikan kontribusi terhadap kenaikan reaktivitas posistif yang cenderung semakin tinggi dengan meningkatnya konsentrasi MA. Hasil perhitungan juga menunjukkan bahwa untuk konsentrasi hingga sekitar 30 % maka rapat daya pada bagian elemen C-MA masih lebih rendah dari nilai pada ring di bagian luar, dimana ring D memiliki rapat daya paling tinggi, sedang untuk konsentrasi diatas 30 % rapat daya pada bagian elemen C-MA menjadi lebih tinggi dari bagian ring lainnya, sehingga selain dapat mengurangi jumlah muatan bahan bakar juga laju proses transmutasi MA akan semakin besar. Disimpulkan bahwa dengan melakukan penggantian sebagian elemen bahan bakar pada ring bagian luar dapat diperoleh beberapa variasi konfigurasi teras yang memenuhi kriteria

subkritikalitas yang ditetapkan dan teras reaktor Kartini cukup berpotensi untuk digunakan sebagai fasilitas eksperimen ADS khususnya untuk konsentrasi MA antara 40 hingga 50 %, di mana laju reaksi transmutasi pada bagian elemen C-MA cukup tinggi.

DAFTAR PUSTAKA

1. JASON R. HAAS, BROCK E. PALEN, AND

CRYSTAL L. THRALL, Thorium-Based

Mixed-Oxide Fuel for the Consumption of Transuranic Elements in Pressurized Water Reactors, HTP Global Technologies,

http://www.mlds-networks.com/~brockp/papers/FinalDesignRepo rt2_ners442.pdf

2. H. CONDÉ, Introduction to ADS For Waste Incineration and Energy Production, Dept. of Neutron Research, Uppsala University, Box 525, SE-751 20 Uppsala, Sweden,

MA = 10 % MA = 20 % MA = 30 % MA = 40 % MA = 50 % Ring B C D E F

3. H. AÏT ABDERRAHIM, ET AL, Accelerator and Target Technology for Accelerator Driven Transmutation and Energy Production, http://science.energy.gov/~/media/hep/pdf/files/ pdfs/ADS_Wh

4. IAEA NUCLEAR ENERGY SERIES No.

NF-T-4.6, Status Of Minor Actinide Fuel

Development, NTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY VIENNA, 2009, http://www.iaea.org/Publications/index.html

5. L.H. BAETSLE, Application of Partitioning/Transmutation of Radioactive Materials in Radioactive Waste Management, Nuclear Research Centre of Belgium Sck/Cen, Mol, Belgium, Workshop on Hybrid Nuclear Systems for Energy Production, Utilisation of Actinides and Transmutation of Long-lived Radioactive Waste Trieste, 3 – 7 September 2001.

6. A. BROLLY, P. V ́RTES, Concept of a Small-scale Accelerator Driven System for Nuclear Waste Transmutation Part 1. Target Optimization, Reactor Analysis Department, KFKI Atomic Energy Research Institute, P.O.Box 49, H-1525 Budapest, Hungary, Fax.: +36 1 3959293

7. TRIGA FUELS, General Atomics, http://www.ga-esi.com/triga/products/fuel.php 8. H. BOCK, ET.AL, The Fuel Situation at

Research Reactors, in Vienna, Jan 1, 2004 http://www.euronuclear.org/meetings/rrfm2004/ Presentations/4-4_Boeck.pdf

9. The Hendrix Group, Inc., Chemical Compositions of Stainless Steels, July 28, 2005 10. KEISUKE OKUMURA, ET.AL, SRAC (Ver.

2002) ;The comprehensive neutronics calculation code system, department of Nuclear Energy System, Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI) Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken, 319-1195, Japan, 2002.

TANYA JAWAB

Saefurrochman

¾ ADS mampu mereduksi umur paruh hingga berapa persen?

Tegas Sutondo

9 Berdasarkan hasil eksperimen yang dilakukan

di JAERI untuk desain teras ADS dengan daya 820 MW maka tiap tahun mentransmutasikan limbah (MA) sebanyak 250 kg/tahun yang setara dengan jumlah MA yang dihasilkan oleh 10 PLTN (LWR).

Edi Trijono

1. Dalam konsep Reaktor Kartini sebagai basis litbang ADS, apakah Reaktor Kartini masih mempunyai eksistensi sebagai reaktor kritis yang dapat beroperasi untuk pelayanan praktikum fisika reaktor dan pelayanan NAA?

2. Kebijakan Indonesia dan BATAN khususnya

hingga seharusnya tidak melaksanakan litbang

secondary refrocessing sehingga tidak

mengenal yang namanya limbah HLW (High

Level Wastes). Kajian ADS untuk transmutasi

limbah adalah merupakan bagian litbang teknologi secondary refrocessing sehingga yang saya tanyakan adalah bagaimana serapan kajian ADS bagi masyarakat?

Tegas Sutondo

1. Berdasarkan model desain yang digunakan pada konsep ini, maka reaktor Kartini tetap dapat difungsikan sebagai reaktor kritis yang dapat beroperasi seperti biasa. Mengingat keberadaan elemen MA akan memberikan tambahan reaktivitas (+) maka dapat mengurangi jumlah bahan TRIGA yang diperlukan.

2. Kajian ADS ini bisa dimanfaatkan dari aspek scientific/ilmu pengetahuan mengenai perilaku dan karakteristik dari aspek neutroniknya dan mengenai prospek aplikasinya bila suatu saat ada keinginan/penambahan kebijakan terkait penanganan limbah bahan – bahan bekas dimasa yang akan datang.