Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitilm Sains clan Teknologi MenuJu Era Tinggal Landas Bandung, 8 -10 Oktober 1991 PPTN - BATAN ANALISIS NETRONIK TERAS KE EMPAT RSG GAS DENGAN ADANYA PENYISIPAN ELEMEN BAKAR SILISIDA Sri Kuneoro Pusat Reaktor Serba Guna - Badan Tenaga Atom Nasional ABSTRAK ANALISIS NETRONIK TERAS KE EMPAT RSG GAS DENGAN ADANYAPENYI- SIPAN ELEMEN BAKAR SILISIDA. Pada teras ke empat RSG GAS telah dilakukan penyi- sipan elemen bakar silisida untuk keperluan iradiasi uji kualifikasi produksi. Iradiasi di- lakukan dengan cara menggantikan elemen bakar oksida di posisi teras D-3 dengan elemen bakar silisida. Analisis neutronik dilakukan sebelum dan setelah iradiasi untuk mengetahui keselamatan operasi reaktor. Analisis dilakukan dengan menggunakan program IAFUEL. Hasil yang diperoleh sebelum dan sesudah iradiasi elemen bakar silisida adalah 1,059 dan 1,055 untuk faktor puncak daya lokal, 1,194 dan 1,195 untuk faktor puncak daya maksimum, 0,876 dan 0,877 untuk faktor puncak daya minimum. Perbedaan reaktivitas elemen bakar adalah sebesar -0,008%. Harga-harga tersebut menjamin bahwa reaktor tetap dapat di- operasikan dengan aman walaupun ada penyisipan elemen bakar silisida. ABSTRACT NEUTRONIC ANALYSISFOR THE FOURTH CORE RSG GASWITH INSERTION OF SILICIDE FUEL ELEMENT. Irradiation of the silicide fuel element for production quali- fication test has been done on the fourth core ofRSG GAS. This was carried out by replacing oxide fuel element in core position D-3 with silicide fuel element. Neutronic analysis was perform before and after fuel irradiation due to the reactor operation safety reason. The IAFUEL code was applied to analyze the neutronic aspect. The results found before and after irradiation of silicide fuel element were 1.059 and 1.055 for local power peaking factor (PPF), 1.194 and 1.195 for max. PPF, 0.086 and 0.877 for min. PPF. The difference ofthe fuel element reactivity was -0.008%.These values guarranted that the reactor is still safe with silicide fuel element insertion in the reactor core. PENDAHULUAN Reaktor GASiwabessy adalah reaktor riset daya tinggi (30 MW)dengan bahan bakar oksida perkayaan rendah (20% V-235). Pemanfaatan reaktor secara optimal dieapai bila reaktor telah beroperasi dengan konfigurasi teras setimbang. Konfigurasi teras setimbang tersusun atas 40 elemen bakar dan 8 elemen kendali. Elemen bakar dan elemen kendali tersebut terpola da- lam 6 kelompok kelas fraksi bakar dengan fraksi bakar rerata awal siklus sebesar 23,3% dan akhir siklus sebesar 31,3%. Pada setiap siklus operasi direneanakan panjang daur operasi se- lama 25 hari daya penuh dan pada setiap akhir siklus akan dilakukan penggantian 7 elemen bakar yang memiliki fraksi bakar sekitar 56%. Berdasarkan raneangan tersebut maka di masa yang akan datang reaktor memerlukan banyak elemen bakarfkendali. Elemen bakar pengganti akan menggunakan produksi IPBERR/PEBN. Sejauh ini fasilitas yang ter- sedia di IPBERR dapat menghasilkan elemen bakar jenis oksida (V-308-AI)dan jenis silisida (V3Si2-Al).Elemen bakar tersebut diharapkan secara bertahap akan diganti dengan elemen bakar silisida. Penggantian tersebut dikarena- kan V 3Si2merupakan elemen bakar terdispersi dengan densitas uranium tinggi (hingga 4,8 gr Viem3), memiliki volume serbuk elemen bakar yang lebih keeil dibandingkan dengan U-308, sehingga mudah untuk memproduksi V3Sig dengan densitas elemen bakar 2,96 gr Viem seperti densitas elemen bakar yang saat ini di- gunakan di RSG GAS. Konfigurasi teras setimbang dieapai seeara bertahap dan setiap tahap disebut periode teras transisi. Hingga medio Maret 1990, reaktor te- lah mencapai teras transisi ke empat dengan daya maksimum sebesar 22,13 ·MW. Dalam rangka kualifikasi produksi serta menunjang litbang elemen bakar di PEBN, maka dilakukan uji iradiasi elemen bakar silisida hasil produksi IPBERR/PEBN di teras ke empat RSG GAS. Pengujian dilakukan dengan eara mengganti- 133
12
Embed
ANALISIS NETRONIK TERAS KE EMPAT RSG GAS DENGAN …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/Energi/PPTN_91/Reak... · Hap daerah yang ditunjukkan oleh nomor ... perti ukuran
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitilm Sainsclan Teknologi MenuJu Era Tinggal Landas
Bandung, 8 -10 Oktober 1991PPTN - BATAN
ANALISIS NETRONIK TERAS KE EMPAT RSG GAS DENGANADANYA PENYISIPAN ELEMEN BAKAR SILISIDA
Sri KuneoroPusat Reaktor Serba Guna - Badan Tenaga Atom Nasional
ABSTRAKANALISIS NETRONIK TERAS KE EMPAT RSG GAS DENGAN ADANYAPENYI
SIPAN ELEMEN BAKARSILISIDA. Pada teras ke empat RSG GAS telah dilakukan penyisipan elemen bakar silisida untuk keperluan iradiasi uji kualifikasi produksi. Iradiasi dilakukan dengan cara menggantikan elemen bakar oksida di posisi teras D-3 dengan elemenbakar silisida. Analisis neutronik dilakukan sebelum dan setelah iradiasi untuk mengetahuikeselamatan operasi reaktor. Analisis dilakukan dengan menggunakan program IAFUEL.Hasil yang diperoleh sebelum dan sesudah iradiasi elemen bakar silisida adalah 1,059 dan1,055 untuk faktor puncak daya lokal, 1,194dan 1,195 untuk faktor puncak daya maksimum,0,876 dan 0,877 untuk faktor puncak daya minimum. Perbedaan reaktivitas elemen bakaradalah sebesar -0,008%. Harga-harga tersebut menjamin bahwa reaktor tetap dapat dioperasikan dengan aman walaupun ada penyisipan elemen bakar silisida.
ABSTRACTNEUTRONIC ANALYSISFOR THE FOURTH CORE RSG GASWITH INSERTION OF
SILICIDE FUEL ELEMENT. Irradiation of the silicide fuel element for production qualification test has been done on the fourth core ofRSG GAS. This was carried out by replacingoxide fuel element in core position D-3 with silicide fuel element. Neutronic analysis wasperform before and after fuel irradiation due to the reactor operation safety reason. TheIAFUEL code was applied to analyze the neutronic aspect. The results found before and afterirradiation of silicide fuel element were 1.059 and 1.055 for local power peaking factor (PPF),1.194 and 1.195 for max. PPF, 0.086 and 0.877 for min. PPF. The difference ofthe fuel elementreactivity was -0.008%.These values guarranted that the reactor is still safe with silicide fuelelement insertion in the reactor core.
PENDAHULUAN
Reaktor GASiwabessy adalah reaktor risetdaya tinggi (30MW)dengan bahan bakar oksidaperkayaan rendah (20% V-235). Pemanfaatanreaktor secara optimal dieapai bila reaktor telahberoperasi dengan konfigurasi teras setimbang.Konfigurasi teras setimbang tersusun atas 40elemen bakar dan 8 elemen kendali. Elemenbakar dan elemen kendali tersebut terpola dalam 6kelompok kelas fraksi bakar dengan fraksibakar rerata awal siklus sebesar 23,3% danakhir siklus sebesar 31,3%. Pada setiap siklusoperasi direneanakan panjang daur operasi selama 25 hari daya penuh dan pada setiap akhirsiklus akan dilakukan penggantian 7 elemenbakar yang memiliki fraksi bakar sekitar 56%.
Berdasarkan raneangan tersebut maka dimasa yang akan datang reaktor memerlukanbanyak elemen bakarfkendali. Elemen bakarpengganti akan menggunakan produksiIPBERR/PEBN. Sejauh ini fasilitas yang tersedia di IPBERR dapat menghasilkan elemenbakar jenis oksida (V-308-AI)dan jenis silisida
(V3Si2-Al).Elemen bakar tersebut diharapkansecara bertahap akan diganti dengan elemenbakar silisida. Penggantian tersebut dikarenakan V3Si2merupakan elemen bakar terdispersidengan densitas uranium tinggi (hingga 4,8 grViem3), memiliki volume serbuk elemen bakaryang lebih keeil dibandingkan dengan U-308,
sehingga mudah untuk memproduksi V3Sigdengan densitas elemen bakar 2,96 gr Viemseperti densitas elemen bakar yang saat ini digunakan di RSG GAS.
Konfigurasi teras setimbang dieapai seearabertahap dan setiap tahap disebut periode terastransisi. Hingga medio Maret 1990, reaktor telah mencapai teras transisi ke empat dengandaya maksimum sebesar 22,13 ·MW. Dalamrangka kualifikasi produksi serta menunjanglitbang elemen bakar di PEBN, maka dilakukanuji iradiasi elemen bakar silisida hasil produksiIPBERR/PEBN di teras ke empat RSG GAS.Pengujian dilakukan dengan eara mengganti-
133
--
Proceedings Seminar Reakto,. Nuk/i,. da/arn Pene/itian Sainsdan Tekrwlogi Menuju Era 1InggalIJanda.~
kan satu elemen bakar oksida di posisi teras D-3dengan elemen bakar silisida.
Penggantian satu elemen bakar oksida dengan elemen bakar silisida di teras reaktor akanmengakibatkan terjadinya perubahan terhadapdistribusi daya,distribusi fluks neb'on serta reaktivitas elemen bakar di teras reaktor tersebut.Untuk menjamin keamanan operasi reaktor,maka sebelum penggantian elemen bakar tersebut dilakukan analisis terlebih dahulu. Analisis dilakukan dari sudut netronik dan termohidraulik. Dalam makalah ini khusus dibahasanalisis dari sudut netronik.
TEORI SINGKAT
ASUlnsi perhitungan
Pada teras reaktor terjadi reaksi fisi dengan demikian terjadi suatu distribusi fluks netron dan daya reaktor. Daya reaktor teredistribusi pada setiap elemen bakar. Distriusi terjadi dalam dimensi ruang tiga dimensi. Untukmelakukan perhitungan dengan kondisi tiga dimensi sangat rumit dan memerlukan waktuyang lama. Agar masalah dapat diselesaikandalam waktu yang singkat tetapi tetap dapatmewakili kondisi tiga dimensi, maka dibuat beberapa asumsi. Asumsi yang diambil adalahsebagai berikut:1. Distribusi rapat daya dalam 3 dimensi PD
(x,y,z) di teras reaktor ditentukan sebagaiberikut;
PD (x,y,z) = PD xy(x,y)* PDz (z)
2. Perubahan distribusi daya arah aksial (PDz(z» hanya bergantung pada pemasukan/penarikan batang kendali. Perubahan tersebuttidak diperhitungkan pada masalah ini.
3. Penggantian elemen bakar hanya berpengaruh pada perubahan distribusi rapat dayaarah bidang xy(PDxy(x,y».
Dari asumsi di atas, maka distribusi dayabidang xy (PDx/x,y» dihitung untuk seluruhteras reaktor. Perhitungan dilakukan pada kondisi reaktor kritis yaitu dengan memecahkanpersamaan difusi netron dengan kondisi seluruh batang kendali posisi teratas. Perhitl.lngantersebut dilakukan menggl.lnakan programIAFUEL.
Metode perh;tungan program IAFUEL
Program IAFUEL adalah suatl.l programmenyelesaikan persamaan difl.lsineh'on dalamgeometri dua dimensi pada empat kelompokenergi netron. Persamaan difusi yang diselesaikan adalah sebagai berikut (2):
Bnndung, 8 - 10 Ohtobe,.1991PPTN - BATAN
g-1
- Dg [) ~ + T.g ~ =: (")J! II..) + ~ ~-1 (1)R
g=l, 2, ..., g-l
I.Intl.lk
C C
T.g = ~ + ~ + BZ 2])1! (2)A R
dan
0-1 g'" =: ~ T. ~ (pC (3)
g-O r
adapun setiap simbol pada persamaan-persamaan di atas adalah sebagai berikut:D = konstanta difusi, ~A = tampang lintangmakroskopik, ~R = tampang lintang removal,
B~ = keluk transversal, 1..2= fraksi netron fisi,yaitl.l perbandingan netron fisi untuk setiapkelompok energi g terhadap netron fisi total,
",8
secara matematis sebagai berikut: J =: 1,g
A = harga pribadi, '" = sumber fisi, T. ~rtam-pang lintang makroskopik untuk produksi netron, cp = fluks netron.
Persamaan di atas digunakan untuk susunan teras seperti terlihat dalam koordinatbidang sebagai berikut;
1 Z 0' Y,H-y 4 __j - -~.~---' -_.-' -I -
2II4!~--
4
3
2
4o 1 I . ~__
Ro
Gambar 1. Koordinat bidang untuk programIAFUEL
• 0. x
134
Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Pel£elitian Sains(lan Thkrwlogi Menuju Era Tinggal Landas
Dari gambar di atas dinyatakan bahwa seHap daerah yang ditunjukkan oleh nomorHornor mempunyai material sendiri, sebagaic:ontoh yaitu material 0,1,2,3,4 berturut-turutndalah material posisi iradiasi pusat, elemenhakar, elemen kendali, posisi iradiasi dan elemen reflektor. Setiap daerah dengan demikian
memiliki data D, ~a'~'" ~fyang berbeda.Persamaan (1) diselesaikan menggunakan met.odenumerik beda hingga. Selain data tersebutdi atas diperlukan pula data-data lainnya seperti ukuran teras,jumlah titik tinjauan (meshpoint) dan lain-lain. Hasil yang diperoleh antaralain adalah fluks netron di setiap titik tinjauan,maupun di setiap daerah, faktor puncak dayafierta Keffteras.
TATAKERJA
Untuk melakukan perhitungan dilakukanlangkah-Iangkah sebagai berikut:1. Siapkan konfigurasi teras ke empat untuk
kondisi teras seluruhnya berisi bahan bakarjenis oksida.
~~.Ambil data tampang lintang material untukseluruh material teras dari pustaka tampang lintang IAFUEL.
a. Siapkan masukan program IAFUEL yangterdiri dari geometri teras, lebaI' langkahsetiap titik mesh arah sumbu x dan y, kelukgeometri dan lain-lain.
4. Jalankan program IAFUEL dan akan diperoleh keluaran berupa fluks netron tiaptitik mesh sebagai fungsi kelompok energinetron, distribusi daya, keffdan lain-lain.
ii. Ambil tampang lintang makroskopik untukelemen bakar silisida.
H. Gantikan posisi elemen bakar oksida padaposisi teras D3 dengan elemen bakar silisida.
7. Lakukanhalyangsama berturut-turutsesu-'ai dengan butir 2, 3 dan 4.
HASILDAN PEMBAHASAN
Dengan 1penggunakan data tampang lintang makroskopik dan konstanta difusi untukelemen bakar oksida dan silisida seperti terlihatpada Tabel1 (Lampiran), selanjutnya dilakukan
DAFrAR PUSTAKA
Bandung, 8 -10 Oktober 1991PPTN - BATAN
perhitungan menggunakan program IAFUELuntuk masing-masing konfigurasi seperti terlihat pada Gambar 1 dan 2 (Lampiran) dandiperoleh hasil sebagai berikut:1. Distribusi faktor puncak daya untuk kon
figurasi teras ke empat dengan elemen bakar oksida dan silisida dapat dilihat padaGambaI' 3 dan 4 (Lampiran).
2. Distribusi fluks netron termal untuk konfigurasi teras ke empat dengan bahan bakaroksida dan silisida dapat dilihat pada GambaI' 5 dan 6 (Lampiran).
Dari hasil di atas terlihat bahwa terdapatperubahan-perubahan harga faktor puncak daya dan fluks netron di teras reaktor. Perubahanperubahan tersebut dapat dilihat pada Tabel 2(Lampiran). Faktor puncak daya didefinisikansebagai perbandingan antara daya di setiap elemen bakar/kendali dengan daya rata-rata terasreaktor. Daya yang dihasilkan setiap elemenbakar/kendali sebanding dengan panas yang harus diambil oleh sistem pendingin reaktor. Dengan demikian dengan mengetahui perubahanfaktor puncak daya di posisi tertentu dapat dihitung besarnya perubahan panas yang teIjadi.Perubahan panas ini merupakan masukanyangpenting pada analisis termohidraulik untukmenentukan mampu tidaknya sistem pendinginreaktor mengantisipasi perubahan tersebut.Selain itu juga diperoleh perbedaan besarnyareaktivitas elemen bakar oksida dan silisida.Perbedaan tersebut diperoleh dari selisih hargaKeff teras sebelum dan sesudah pergantianelemen bakar. Harga perbedaan reaktivitastersebut adalah 11 k/k=-0,008%.
KESIMPULAN
Dari semua pembahasan terlihat bahwaperbedaan faktor puncak daya, fluks netron serta reaktivitas elemen bakar akibat pergantianelemen bakar oksida dengan silisida sangatlahkecil. Ini berarti bahwa reaktor tetap dapat beroperasi dengan aman dengan adanya bahan bakar silisida, selain itu proses pergantian elemenbakar oksida dengan silisida secara menyeluruhdapat dilakukan secara bertahap sesuai denganprogramjangka panjang BATAN.
1. Interatom, Input Description of IAFUEL Progam, Bensberg (1986).
~:.Interatom, Concepts and Methods of MUGDI Program, for Neutronics Calculation RegardingResearch Reactor, Bensberg (1986).
a. Diktat Kuliah Fuel Managemen, Serpong (1986).
135
Proceedings Semina.r Rea.ktor Nuklir dolam Penelitian Sainsdon Tekrwlogi Menuju Era Tinggal Lamlas
DISKUSI
13andung, 8 - 10 Oktober 1991PPTN - BATAN
AceSetiadhi :1. Sekarang baru satu elemen bakar yang dimasukkan. Apakah sudah diformulasikan seandainya diganti sebagian besar atau seluruhnya ?2. Apakah dari segi teknologi maupun ekonomi elemen bakar jenis ini lebih menguntungkan darijenis oksida?Sri Kuntjoro:1. Penekanan masalah pada analisis keselamatan realttor akibat adanya satu elemen bakarsilisida.2. Ya, berdasarkan penelitian para ahli disimpulkan bahwa Uranium Silisida lebih baik dariUranium Oksida, ditinjau dari sudut teknologi maupun ekonomi.
T.Alfa :
Apakah terpikir melakukan perhitungan sel (cell calculation) silisida dengan metode transport?Sri Kuntjoro:Belum terpikirkan tetapi untuk masa yang akan datang metode ini dapat dilakukan.
Tegas Sutondo:Tujuan jtarget yang ingin dicapai adalah untuk menggantikan seluruh elemen bakar di dalamteras. Mengapa dalam perhitungan hanya ditinjau untuk satu bundel elemen bakar?Sri Kuntjoro:Target bukan untuk menggantikan seluruh elemen bakar jenis oksida dengan silisida tetapiuntuk keselamatan reaktor khususnya akibat adanya 1 elemen bakar silisida.
Rikhwan Muchsin:Berapakah harga batas dari !'J. p (reaktivitas) dimana harga tersebut sistem dianggap tidak amandan di bawah harga tersebut sistem masih dianggap aman ?Sri Kuntjoro:Reaktivitas lebih teras untuk setiap siklus ± 3%,sehingga harga tersebut merupakan batas yangtidak boleh dilampaui.
:>~f~jTlhTiJ~l/'''-1 C-8 :lWfilif/hTi5j/:B-'40 1"1.-0 IHATEH'::.;0 I BR9 0 I 9!) J J I 7 20 J, 019 0, 91!} 0, ~4(j;( 0 , (17B
RI-23':':B-3:1 I A--J2O nr;r.c··:·
,;1:)\\;
R I - zd: 11- J (j I B--:\.1
1 • O:l ?::::: ..:: .... ,'......, .
C-6l~l~H:::;"3 l!i71,.~.:::1: 2:~?:l.~i:i;
fH -24:Yh~JW;:;i J1-:nI,Ol~(::
........ ;~:I.....•,..
PNHi\
HvnA
H¥HA
0-11 I HYllJ\
13- 2 B-1
Gambar 5. Distribusi Ouks neutron tennal untuk konfigurasi teras ke empat dengan elemen bakaroksida di posisi teras 0-3 (x E+14 n/cm:<-detik).
B = BeryllJum ,5S ~ BeryllIum ntopJ;!er ttlMpa I:1I1mOal; ,BS-I- '" Beryllium st.oppt'rdellp'IH1. !3umba t , M. '" "lund III lint stopper tanpa sumba tC '" [I emeM l\end".' I I NS :::: Sumber neut.rOM , R I :::: E 1emen haluJ rFS ::: Elclllf"ti bakar nllislr.la • fll ::: E.1('m('11 bl1.knt' protllllwi PEBN
o I 1 , [)0 4,:::0 , 93 G 1, 0 8 !J~r~2,'.,,~•.(i ~ ,,? ,! 4 ~:~~ 1 I 181 1 I 04 1~.'.~~~;::B ~ I B :' H I - 13 ~'~J'~1i01j~Ij~,~;~-,1~1--;1; \\i\n'f" ~:\7 . IHYHA:::;0 , IHiA 1 I 00 B I, t 10 11 I 2 2 7 I, 03 R I, 0 11:;:;