-
APLIKASI KHUSUS SISTEM KONTROL
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR
Disusun Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah
Aplikasi Khusus Sistem Kontrol
Disusun oleh:
M. Ameer Hakim 105060307111005
Haris Setyawan 105060300111028
Wirangga Luvianca 115060300111029
Yudhanto Iman N 115060307111017
Syahriel Yahya 115060307111035
Wildan Wahyu R 115060300111063
Ardyanto Dwi K 115060300111022
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
MALANG
2013
-
KATA PENGANTAR
Puji syukur penyusun panjatkan kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang
Maha
Esa yang telah memberikan rahmat serta hidayah-Nya sehingga
penyusunan
makalah ini dapat diselesaikan dengan baik. Makalah ini disusun
untuk memenuhi
Tugas Mata Kuliah Aplikasi Khusus Sistem Kontrol. Bersama dengan
makalah ini
penyusun turut membuat presentasi.
Terima kasih penulis sampaikan kepada dosen Pengampu mata
kuliah
Aplikasi Khusus Sistem Kontrol dan semua pihak yang telah
membantu kelancaran
penyusunan makalah ini.
Demikian makalah ini disusun agar dapat memenuhi tugas mata
kuliah
Aplikasi Khusus Sistem Kontrol. Penyusun juga berharap agar
makalah ini dapat
menambah refrensi pembaca mengenai pengendalian reaktor fisi
nukir.
Malang, 28 April 2014
Penyusun.
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 1
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR
1. Pendahuluan
Dalam ruang reaktor, proses fisi adalah tubrukan neutron
yang
menghasilkan energi, yaitu tenaga panas yang sebanding dengan
fluks neutron dan
makroskopik fisi. Saat reaktor beroperasi, penampang makroskopik
menurun
sebanding jumlah fisi nuklida yang menurun. Namun, selama
periode dasarnya
singkat, penampang tetap konstan, dan kekuatan diasumsikan
berubah hanya
dengan fluks neutron. Dalam kebanyakan situasi reaktor dikontrol
dengan
memvariasikan fluks neutron. Diantara metode umum yang tersedia,
penyisipan
dan penarikan penyerap neutron yang paling umum digunakan dalam
reaktor daya.
Bahan yang digunakan sebagai penyerap kontrol memiliki penampang
penyerapan
yang besar, seperti boron , kadmium atau hafnium. Peredam yang
kuat dalam inti
bersaing dengan bahan fisil untuk neutron. Dengan kata lain,
neutron yang diserap
oleh kontroler tidak lagi tersedia untuk menginduksi fisi,
sehingga mengurangi
daya.
2. Nuklir
Nuklir adalah suatu tinjauan terhadap bagian atomik dari benda
(tinjauan
atomik). Sesuatu yang berkaitan dengan nuklir behubungan dengan
atom. Atom
disebut sebagai bagian terkecil dari suatu benda, meski atom
terdiri atas proton,
neutron, dan elektron.
Nuklir adalah benda tergolong baru, sehingga jumlahnya sedikit
teknologi
manusia yang mampu menguak rahasia nuklir. Sebenarnya dengan
logika
sederhana kita bisa berpikir bahwa setiap benda tersusun atas
atom (nuklir), dengan
kata lain kita bisa merekayasa semua benda yang ada di bumi
dengan merubah
struktur atom (proton, neutron, elektron). Teknologi nuklir
manusia zaman
sekarang lebih banyak berkaitan dengan energi. melalui fusi
(hidrogen) atau fisi
(uranium). jadi paradigma bahwa nuklir adalah bom itu
diakibatkan banyaknya
propaganda dan besarnya pemberitaan media yang berkaitan dengan
nuklir. Hal ini
disebabkan teknologi nuklir yang kita miliki sudah cukup untuk
membuat benda
(bom) yang memiliki daya ledak sangat besar.
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 2
Gambar 1. Komponen Atom
Energi Nuklir adalah energi yang dihasilkan dengan mengendalikan
reaksi
nuklir. Energi nuklir merupakan salah satu sumber energi di alam
ini yang diketahui
manusia bagaimana mengubahnya menjadi energi panas dan listrik.
Sejauh ini,
energi nuklir adalah sumber energi yang yang paling padat dari
semua sumber
energi di alam ini yang bisa dikembangkan manusia. Artinya, kita
dapat
mengekstrak lebih banyak panas dan listrik dari jumlah yang
diberikan
dibandingkan sumber lainnnya dengan jumlah yang setara. Sebagai
pembanding, 1
kg batu bara dan uranium yang sama - sama berasal dari perut
bumi. Jika
mengekstrak energi listrik dari 1 kg batubara, kita dapat
menyalakan lampu bohlam
100W selama 4 hari. Dengan 1 kg uranium, dapat menyalakan bohlam
paling
sedikit selama 180 tahun.
Dalam fisika nuklir, sebuah reaksi nuklir adalah sebuah proses
di mana dua
nuklir atau partikel nuklir bertubrukan, untuk memproduksi hasil
yang berbeda dari
produk awal. Pada prinsipnya sebuah reaksi dapat melibatkan
lebih dari dua partikel
yang bertubrukan, tetapi kejadian tersebut sangat jarang. Bila
partikel-partikel
tersebut bertabrakan dan berpisah tanpa berubah (kecuali mungkin
dalam level
energi), proses ini disebut tabrakan dan bukan sebuah reaksi.
Secara umum, energi
nuklir dapat dihasilkan melalui dua macam mekanisme, yaitu
pembelahan inti atau
reaksi fisi dan penggabungan beberapa inti melalui reaksi fusi.
Reaksi fusi nuklir
adalah reaksi peleburan dua atau lebih inti atom menjadi atom
baru dan
menghasilkan energi, juga dikenal sebagai reaksi yang bersih.
Reaksi fisi nuklir
adalah reaksi pembelahan inti atom akibat tubrukan inti atom
lainnya, dan
menghasilkan energi dan atom baru yang bermassa lebih kecil,
serta radiasi
elektromagnetik. Reaksi fusi juga menghasilkan radiasi sinar
alfa, beta dan gamma
yang sangat berbahaya bagi manusia.
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 3
Contoh reaksi fusi nuklir adalah reaksi yang terjadi di hampir
semua inti
bintang di alam semesta. Senjata bom hidrogen juga memanfaatkan
prinsip reaksi
fusi tak terkendali.
Contoh reaksi fisi adalah ledakan senjata nuklir dan pembangkit
listrik
tenaga nuklir. Unsur yang sering digunakan dalam reaksi fisi
nuklir adalah
Plutonium dan Uranium (terutama Plutonium-239, Uranium-235),
sedangkan
dalam reaksi fusi nuklir adalah Lithium dan Hidrogen (terutama
Lithium-6,
Deuterium, Tritium).
2.1 Uranium- 238
Uranium ditemukan oleh Martin Heinrich Klaproth , seorang
kimiawan
Jerman , dalam bijih-bijih uranium mineral (terutama campuran
uranium oksida)
pada 1789 .
Gambar 2. Penampang Uranium-238
Uranium adalah unsur kimia metalik putih keperakan dalam seri
aktinida
dari tabel periodik, dengan simbol U dan nomor atom 92. Sebuah
atom uranium
memiliki 92 proton dan 92 elektron, dimana 6 adalah elektron
valensi. Uranium
lemah radioaktif karena semua isotop tidak stabil (dengan waktu
paruh dari 6 isotop
alami dikenal, U-233 sampai dengan U - 238, bervariasi antara 69
tahun dan 4
milyar tahun) . Isotop yang paling umum dari uranium adalah
uranium-238 (yang
memiliki 146 neutron dan menyumbang hampir 99,3 % dari uranium
yang
ditemukan di alam) dan uranium-235 (yang memiliki 143 neutron,
akuntansi untuk
0,7 % dari elemen yang ditemukan secara alami). Uranium memiliki
berat atom
kedua tertinggi dari unsur-unsur primordial terjadi, lebih
ringan daripada
plutonium dengan kepadatan sekitar 70% lebih tinggi dari timbal,
tapi tidak padat
seperti emas atau tungsten. Hal ini terjadi secara alami dalam
konsentrasi rendah
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 4
beberapa bagian per juta dalam tanah, batuan dan air, dan
komersial diekstrak dari
mineral uranium - bearing seperti uraninit .
Di alam, uranium ditemukan seperti uranium-238 (99, 2739-99,
2752%),
uranium-235 (0,7198 - 0,7202%), dan jumlah yang sangat kecil
dari uranium-234
(0,0050-0,0059%) Uranium meluruh. Perlahan-lahan dengan
memancarkan
partikel alpha. Waktu paruh uranium-238 adalah sekitar
4470000000 tahun dan
bahwa uranium-235 adalah 704 juta tahun, berguna dalam
berpacaran usia Bumi.
Banyak menggunakan kontemporer uranium mengeksploitasi sifat
unik
nuklirnya. Uranium-235 memiliki perbedaan menjadi hanya terjadi
secara alami
isotop fisil. Uranium-238 adalah fisi oleh neutron cepat, dan
subur, yang berarti
dapat ditransmutasikan untuk fisil plutonium-239 dalam reaktor
nuklir. Lain isotop
fisil, uranium-233, dapat diproduksi dari torium alam dan juga
penting dalam
teknologi nuklir. Sementara uranium-238 memiliki probabilitas
kecil untuk fisi
spontan atau bahkan diinduksi fisi dengan neutron cepat,
uranium-235 dan untuk
tingkat yang lebih rendah uranium-233 memiliki fisi yang jauh
lebih tinggi
penampang neutron untuk lambat. Pada konsentrasi yang cukup ,
isotop
memelihara reaksi berantai nuklir berkelanjutan. Ini
menghasilkan panas dalam
reaktor nuklir, dan menghasilkan bahan fisil untuk senjata
nuklir.
3. Proses Fisi
Reaksi fisi adalah proses reaksi nuklir yang terjadi karena inti
atom terbelah
menjadi partikel-partikel inti yang lebih ringan karena
tertumbuk oleh partikel inti
lain. Reaksi fisi merupakan reaksi nuklir eksotermis yang akan
menghasilkan
partikel inti yang lebih ringan (sering disebut produk fisi),
beberapa partikel
neutron, gelombang elektromagnetik dalam bentuk radiasi sinar
gamma, dan
sejumlah energi.
Pada Gambar c melukiskan proses reaksi fisi dari inti atom
uranium-235
yang tertumbuk oleh sebuah neutron dengan kecepatan rendah
(neutron kecepatan
rendah sering disebut sebagai neutron termal). Reaksi fisi
uranium-235
menghasilkan produk fisi berupa barium-141 dan kripton-92, tiga
buah neutron
cepat (masing-masing neutron memiliki energi kinetik ~2 MeV),
dan sejumlah
energi.
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 5
Gambar 3. Reaksi Fisi Nuklir
Produk fisi dari reaksi fisi uranium-235 bisa saja tidak berupa
barium-141
dan kripton-92, tetapi barium-144 dan kripton-90, atau
zirkonium-94 dan telurium-
139.
Reaksi fisi uranium-235 sangat terkenal karena reaksi nuklir ini
mendasari
beroperasinya reaktor nuklir yang banyak beroperasi di Dunia.
Selain reaksi fisi
uranium-235, masih banyak unsur lain yang dapat berfisi. Pada
dasarnya semua
isotop unsur dalam golongan aktinida yang mempunyai jumlah
neutron ganjil pada
intinya dapat berfisi. Isotop aktinida yang dapat berfisi
tersebut antara lain adalah
plutonium-241, kurium-243, uranium-232, kalifornium-241,
Amerisium-242,
kalifornium-251, kurium-245, plutonium-239, uranium-233,
kurium-247, uranium-
235.
Isotop yang dapat berfisi disebut sebagai bahan fisil (fissile
material). Dari
sekian banyak bahan fisil, empat bahan fisil uranium-233,
uranium-235, plutonium-
239, plutonium-241 mempunyai arti penting karena sudah
diterapkan dalam proses
reaksi nuklir di reaktor nuklir. Uranium-235, plutonium-239 dan
plutonium-241
digunakan dalam bahan bakar reaktor termal dan reaktor pembiak
yang
memanfaatkan daur bahan bakar uranium, sedangkan uranium-233
digunakan
dalam reaktor yang memanfaatkan daur bahan bakar thorium.
Reaksi fisi uranium-235 tidak akan terjadi dengan begitu saja,
terdapat
beberapa prasyarat kondisi yang harus dipenuhi agar reaksi fisi
uranium-235 terjadi.
Salah satu prasyarat yang harus dipenuhi adalah kecepatan atau
energi kinetik
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 6
neutron yang menumbuknya. Neutron dengan kecepatan rendah
(energi kinetiknya
rendah) mempunyai probabilitas yang lebih tinggi untuk
menimbulkan reaksi fisi
pada uranium-235 dibandingkan degan neutron dengan energi
kinetik yang lebih
tinggi.
Dari reaksi fisi uranium-235 dihasilkan 2 hingga 3 buah neutron
dengan
energi ~2 MeV. Sesuai gambar di atas, energi neutron hasil fisi
setinggi ~2 MeV
sangat kecil untuk menimbulkan reaksi fisi jika menumbuk inti
atom uranium-235
yang lain.
3.1 Reaksi Fisi Berantai
Reaksi fisi berantai sangat penting dalam mewujudkan pemanfaatan
energi
hasil reaksi fisi dalam sebuah reaktor nuklir. Jika kontinuitas
reaksi fisi dalam
reaktor nuklir terhenti maka dapat berhentinya produksi energi,
sehingga produksi
energi menjadi diskontinu, suatu kondisi yang tidak
diinginkan.
Gambar 4. Rantai Radioaktif dari Uranium
Pada awalnya sebuah neutron menumbuk inti uranium-235 (U-235)
dan
menimbulkan reaksi yang menghasilkan produk fisi (Ba-141 dan
Kr-92) serta 3
buah neutron. Dua dari tiga neutron hasil reaksi fisi itu
kemudian menumbuk inti
U-235 lainnya dan menimbulkan reaksi fisi berikutnya (reaksi
fisi generasi kedua).
Neutron hasil fisi dari reaksi fisi kedua ini diharapkan akan
menimbulkan reaksi fisi
berikutnya (reaksi fisi generasi ketiga), dan selanjutnya kan
terjadi reaksi fisi dari
generasi ke generasi secara kontinu. Persoalan dalam mewujudkan
reaksi fisi
berantai timbul karena untuk mewujudkan reaksi fisi U-235
diperlukan neutron
lambat, sedangkan neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi U-235
adalah neutron
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 7
cepat yang sangat sulit untuk memicu reaksi fisi generasi ke
generasi. Dalam
reaktor nuklir, persoalan ketersediaan neutron lambat dengan
energi kinetik rendah
diwujudkan dengan menyediakan medium yang bertugas
memperlambat
(memoderasi) kecepatan neutron, yaitu berupa air. Dengan adanya
air sebagai
moderator neutron, maka neutron cepat yang dihasilkan dari
reaksi fisi U-235
diperlambat kecepatannya sehingga dapat digunakan untuk
melangsungkan reaksi
fisi berantai dari generasi ke generasi. Bila suatu saat air
sebagai bahan moderator
menghilang dari dalam reaktor nuklir (oleh karena suatu sebab,
misalnya
kecelakaan) maka dengan sendirinya reaksi fisi berantai terhenti
dan produksi
energi juga berhenti dengan sendirinya.
Satu buah neutron lambat (disebut juga neutron termal) dalam
reaktor nuklir
akan menimbulkan reaksi fisi U-235 yang menghasilkan energi
panas ~200 MeV
(~8,9 x 10-18 kWh). Ini berarti bahwa sebuah neutron lambat
setara dengan ~8,9 x
10-18 kWh. Apabila dari generasi ke generasi jumlah neutron
termal dapat
dikendalikan sesuai dengan kebutuhan energi, maka realisasi
pengendalian reaksi
fisi dapat terwujud. Proses pengendalian reaksi fisi berantai
ini terjadi dalam sebuah
reaktor nuklir. Keberlangsungan reaksi fisi berantai dalam
reaktor nuklir sangat
labil, sedikit saja kecelakaan yang menguapkan moderator (berupa
air), maka reaksi
fisi berantai terhenti, demikian pula dengan pembangkitan
energi.
Reaksi fisi berantai dapat pula dilangsungkan dalam waktu sangat
cepat
dengan pelipatan jumlah reaksi yang sangat tinggi, dengan cara
ini pembangkitan
energi meningkat sangat besar dalam waktu yang sangat singkat.
Hasilnya adalah
sebuah ledakan nuklir yang dahsyat. Mewujudkan suatu ledakan
nuklir dengan
uranium-235 tidaklah mudah, harus dilakukan upaya ketersediaan
dan peningkatan
jumlah neutron dengan energi kinetik yang cocok dalam jumlah
besar dalam waktu
sesingkat-singkatnya.
4. Metode Pengendalian Reaktor
4.1 Control Rods
Perubahan reaktivitas disebabkan oleh gerakan kontrol batang
disebut
control rod worth. Efek maksimum dari kontrol batang ialah
penyisipan reaktivitas
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 8
paling negatif di lokasi dimana fluks reaktor memiliki nilai
maksimum. Batang
kendali (control rod) digunakan untuk:
Pengontrolan perubahan reaktivitas untuk menurunkan atau
meninggikan daya reaktor agar tetap pada periode yang stabil.
Kontrol
rod didefinisikan sebagai besarnya reaktivitas yang diperlukan
untuk
memberikan periode pengamatan.
Menjaga dan menjauhkan nilai kritis reaktor dengan
mengontrol
perubahan dari reaktor selamawaktu operasi. Kontrol rod
mengukur
perubahan faktor multiplikasi neutron yang dapat dikontrol.
Batang kendali dapat dimasukkan sepenuhnya atau sebagian. Dalam
salah
satu dari dua kasus yaitu fluks neutron yang terganggu dan daya
reaktor berubah.
Berikut dua bagian untuk mengatasi efek penyisipan batang
kendali dan penarikan
laju fisi, akibat distribusi fluks reaktor dan perubahan daya
yang dihasilkan.
4.1.1. Pengaruh Dimasukkan Batang Kendali Sepenuhnya pada
Fluks
Neutron di Reaktor Thermal
Bahan yang digunakan untuk batang kendali bervariasi tergantung
pada
desain reaktor. Umumnya, bahan batang kendali harus memiliki
daya serap yang
tinggi serta mampu bertahan lama dalam reaktor ( tidak terbakar
terlalu cepat ).
Sebuah batang kendali yang menyerap neutron pada semua kejadian
bagian
dasarnya adalah disebut sebagai "black" absorber dan
menghasilkan depresi fluks
besar (lihat Gambar 1). Sedangkan "grey" absorber menyerap hanya
sebagian kecil
dari insiden neutron.
Gambar 5. Efek Kontrol Rod pada perubahan fluks
Sementara itu grey absorber dan black absorber memberikan
efek
reaktivitas yang berbeda, batang abu-abu sering lebih memberikan
efek peredam
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 9
karena menyebabkan depresi fluks yang lebih kecil di sekitar
batang kendali. Hal
ini mengarah pada fluks neutron yang dihasilkan datar dan
distribusi lebih merata
di seluruh inti. Saat keadaan neutron termal umumnya kerapatan
fluks berada
puncak di tengah reaktor, di sinilah batang kendali dengan
efisiensi tinggi
umumnya ditempatkan.
Sebuah reaktor silinder dalam keadaan kritis dengan kontrol
batang kendali
dijelaskan oleh persamaan difusi neutron satu kecepatan:
Hasil faktor perkalian sama dengan kesatuan , diberikan
oleh:
Jika batang kendali dapat menyerap sepenuhnya saat dimasukkan ke
dalam
inti fluks, fluks neutron akan berubah seperti ditunjukkan pada
Gambar 1 karena
penyerapan neutron tinggi di batang. Distribusi fluks dapat
dituliskan sebagai.
Ketika kontrol batang kendali dimasukkan ke faktor perkalian,
maka:
Diamati bahwa perubahan inti tekuk dengan batang penyisipan
kendali dan
perubahan faktor perkalian akan memberikan reaktivitas.
Nilai batang kendali, pw, didefinisi, adalah sama dengan
besarnya ini
perubahan reaktivitas
Dalam rangka untuk mendapatkan kontrol batang yang bernilai
sesuai,
Persamaan harus diselesaikan untuk mendapatkan tekuk untuk kedua
kasus. Dalam
inisialisasi kritis reaktor tanpa batang kendali tekuk
diberikan
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 10
Namun, perhitungan tekuk ketika batang kendali dimasukkan cukup
sulit
karena geometri yang rumit dan karena adanya penyerap yang kuat
cenderung
untuk merusak fluks sehingga pendekatan difusi ini tidak
berlaku. Dalam hal ini ,
solusi dapat diperoleh dengan asumsi bahwa d merupakan jarak
diekstrapolasi dan
bahwa fluks memenuhi syarat batas pada permukaan kontrol
batang
Hasil akhir untuk jarak ekstrapolasi dan batang kendali yang
sesuai adalah
(melalui derivasi)
dimana mana a dalah jari-jari batang kendali , R diekstrapolasi
radius inti
silinder dan H adalah tingginya ekstrapolasi , adalah difusi
koefisien dan
adalah penampang makroskopik. Penampang dan koefisien difusi
adalah bahan
yang mengelilingi batang kendali yang diasumsikan penyerap hitam
(black
absorber).
4.1.2. Nilai Kontrol Rods pada Reakto Cepat
Bahan yang paling menjanjikan untuk digunakan sebagai penyerap
kontrol
pada reaktor cepat adalah boron-karbida (B4C) diperkaya 10B,
karena tidak seperti
bahan lainnya, penyerapan penampang untuk boron masih signifikan
pada tinggi
energi neutron. Meskipun jauh lebih tinggi daripada bahan lain,
penyerapan
penampang boron pada energi yang besar dalam reaktor cepat (0.1
MeV sampai 0,4
MeV) hanya 0,27 b. Oleh karena itu, penyerapan neutron dapat
bebas dilakukan
dalam kandungan medium boron dengan besar kepadatan atom boron
adalah 0,087
x 1024 atom/cm3 dan kepadatan dari B4C adalah 2 g/cm3 memberi =
42,6 cm. Ini
jauh lebih besar dari diameter ukuran kontrol batang yang
digunakan dalam reaktor
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 11
cepat yang berarti bahwa fluks neutron dalam batang kendali
kurang lebih sama
seperti di sekitarnya. Oleh karena itu boron yang terkandung
dalam batang dapat
diasumsikan seragam dengan distribusi dalam reaktor. Asumsi ini
hanya akan
mempengaruhi perhitungan faktor penggunaan bahan bakar dalam
menentukan
nilai batang kendali layak.
Dalam desain reaktor yang sebenarnya, batang kendali layak
dihitung
menggunakan komputer kode dan pendekatan Multigrup. Berikut ini
adalah satu
estimasi yang disederhanakan untuk perkiraan kontrol batang
kendali dalam reaktor
cepat. Faktor perkalian untuk reaktor cepat diberikan oleh
Karena reaksi di reaktor cepat merata memiliki efek hanya pada
faktor
pemanfaatan bahan bakar, nilai batang kendali untuk
mengurangi
didapatkan
4.1.3. Dampak Sebagian Control Rod Tersisip pada Fluks Neutron
di
Reaktor Thermal
Pada saat start-up reaktor, semua atau sebagian besar, batang
kendali
sepenuhnya dimasukkan. Setelah start-up, mereka ditarik secara
perlahan untuk
menjaga reaktor kritis sebagai bahan bakar yang dikonsumsi dan
produk fisi
menumpuk. Oleh karena itu, perlu untuk mengetahui nilai batang
kendali layak
sebagai fungsi penyisipan jarak. Satu pendekatan kelompok yang
digunakan untuk
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 12
menggambarkan Perhitungan batang kendali layak untuk batang
dimasukkan
sebagian dalam reaktor thermal.
Untuk reaktor silinder:
pw (x): nilai dari satu atau lebih batang kendali yang
dimasukkan pada
jarak x sejajar dengan sumbu dari inti reaktor dengan tinggi
total H
pw (H): nilai dari batang kendali dimasukkan sepenuhnya.
Gambar 6. Integral batang kendali bernilai seperti yang
diberikan oleh Persamaan pw (x)
Efek yang tepat dari kontrol batang pada reaktivitas dapat
ditentukan secara
percobaan. Misalnya, batang kendali dapat ditarik dalam nilai
kecil yang bertahap,
dan perubahan reaktivitas ditentukan untuk setiap kenaikan
penarikan. Dengan
memplot hasil reaktivitas terhadap posisi batang, grafik mirip
dengan yang
ditunjukkan pada Gambar 2 diperoleh. Grafik menggambarkan bagian
integral
batang kendali senilai dari berbagai macam penarikan batang.
Integral batang
kendali bernilai mewakili reaktivitas bernilai total batang pada
saat itu tingkat
penarikan tertentu
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 13
Gambar 7. Diferensial batang kendali bernilai seperti yang
diberikan oleh Persamaan.
Pada kemiringan kurva, dan karenanya jumlah reaktivitas
dimasukkan per
unit penarikan, sangat besar bila batang kontrol tengah keluar
dari inti. Hal ini
karena fluks neutron maksimum dekat dengan pusat inti , sehingga
tingkat
penyerapan neutron juga terbesar di daerah ini. Jika lereng dari
kurva untuk batang
senilai integral dalam Gambar 2, hasilnya adalah nilai untuk
laju perubahan batang
kendali layak sebagai fungsi posisi. Gambar Diferensial nilai
batang kendali layak,
ditunjukkan pada Gambar 3. Di bagian bawah inti ada beberapa
neutron sehingga
gerakan batang memiliki pengaruh yang kecil, sehingga perubahan
batang senilai
lebih dari jarak hampir konstan. Sebagai batang yang dekat pusat
inti efeknya
menjadi lebih besar, dan perubahan batang senilai per jarak
menjadi signifikan.
Pada pusat inti, nilai batang diferensial paling besar dan
bervariasi sedikit dengan
gerak batang. Dari pusat inti ke atas, nilai batang per jarak
adalah kebalikan dari
nilai batang per jarak dari pusat ke bawah.
Nilai integral batang yang diberikan adalah penjumlahan dari
seluruh batang
diferensial bernilai sampai ke titik penarikan dan juga daerah
di bawah diferensial
batang senilai kurva pada setiap posisi penarikan yang
diberikan. Perbedaan kontrol
batang kendali layak diperoleh sebagai turunan dari
4.2. Chemical Shim (Bahan Kimia Penyerap)
Air reaktor dikelola dan didinginkan merupakan bagian
pngendalian, selain
untuk mengontrol sistem batang, dengan memvariasikan konsentrasi
borat acid
(H3BO3) dalam pendingin. Ini disebut chemical shim. Karena
respon terhadap
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 14
perubahan konsentrasi pelarut tidak secepat diperoleh oleh
penyisipan batang
kendali, bahan chemical shim tidak dapat digunakan untuk
mengontrol reaktivitas
insersi besar. Oleh karena itu selalu digunakan bersama dengan
sistem batang
kendali. Dalam reaktor terdapat dua sistem kontrol:
Batang kendali digunakan untuk memberikan kontrol reaktivitas
untuk
shutdown yang cepat, dan kompensasi reaktivitas varians
karena
perubahan suhu.
Chemical shim digunakan untuk menjaga reaktor kritis selama
xenon
transien, dan untuk mengimbangi menipisnya bahan bakar dan
penumpukan fisi produk selama masa hidup reaktor.
Penggunaan chemical shim mengurangi jumlah batang kendali
yang
diperlukan dalam reaktor. Karena sistem kontrol batang yang
mahal, adanya
penurunan jumlah batang kendali mengurangi total biaya reaktor.
Chemical shim
hampir merata di inti dan dengan demikian kurang distribusi
perturbasi daya
konsentrasi asam borat berubah. Chemical shim dalam reaktor
termal terutama
mempengaruhi termal (bahan bakar) faktor pemanfaatan. Oleh
karena itu, chemical
shim dapat dihitung dari hubungan
Dengan memasukkan Persamaan nilai
reaktivitas disederhanakan menjadi
Konsentrasi asam borat biasanya ditentukan dalam satuan ppm
(parts per
million) air,maka ppm mewakili 1 g boron per 106 g air. Oleh
karena itu, jika C
mewakili konsentrasi dalam ppm, maka rasio dari massa boron
terhadap massa air
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 15
didapatkan
maka persamaan pw nilai dari chemical shim menjadi
5. FISSION PRODUCT POISONING (PRODUK RACUN FISI)
Produk fisi dan produk peluruhan menyerap neutron sampai batas
tertentu.
Akumulasi peredam parasit selama operasi reaktor cenderung
mengurangi faktor
multiplikasi neutron.
Akumulasi di antara semua bahan non-fisi selama operasi reaktor,
dua bahan
yang terpenting untuk reaktor termal: 135Xe and 149Sm (dengan
besar thermal
neutron penyerapan penampang). Karena penampang penyerapan
menurun dengan
cepat dengan meningkatkan energi neutron, efek keracunan tidak
terlalu penting
dalam reaktor cepat. Perubahan faktor multiplikasi neutron
dengan bahan racun
hadir dalam reaktor termal dibahas sebagai berikut.
Neutron faktor multiplikasi ditulis sebagai
Dimana P merupakan kedudukan termal dan kecepatan neutron
dari
probabilitas non-kebocoran. Jika bahan racun (penyerap kuat)
ditambahkan:
Probabilitas non-kebocoran berubah sedikit karena berbanding
terbalik
dengan
2 = 1/3
Pesatnya Faktor fisi tetap tidak berubah, =
Faktor reproduksi tidak berubah karena hanya fungsi dari sifat
bahan bakar
( = v/
)
Resonansi probabilitas p dapat berubah tergantung pada penampang
bahan
keracunan (lihat Gambar 4).
Faktor penggunaan bahan bakar berbanding terbalik dengan
penampang
penyerapan dan dengan demikian perubahan drastis.
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 16
Gambar 8. Penampang Radioaktif untuk 135Xe and 149Sm
Efek dari bahan racun pada perubahan reaktivitas
Karena probabilitas non-kebocoran tidak berubah secara
signifikan dengan
penambahan bahan racun, P/P ~ 1 dan persamaan di atas tereduksi
menjadi
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 17
Jika total penampang penyerapan , maka
5.1. Xenon Poisoning
5.1.1. Produksi dan Penghapusan 135Xe Selama Operasi Reaktor
Xenon-135 (135Xe) adalah racun produk fisi yang menjadi
perhatian dan
memiliki dampak yang luar biasa pada operasi reaktor nuklir.
Maka diperlukan
untuk mengetahui produksi dan tingkat removal untuk memprediksi
bagaimana
reaktor akan menanggapi perubahan tingkat daya. Xenon-135 adalah
peredam non-
l/v (lihat Gambar 4) dengan neutron termal menangkap radiasi
(penyerapan parasit)
penampang 2.6 x l06 b.
Gambar 9. Produksi 135Xe dalam Reaktor Termal
Tellurium-135 (135Te) rantai peluruhan adalah metode produksi
primer dari
135Xe, namun dapat diproduksi langsung dari fisi (lihat Gambar
5). Hasil fisi 135Xe
adalah sekitar 0,3%, dan sekitar 6% untuk 135Te. 135Xe merupakan
produk
peluruhan dari 135I yang dibentuk oleh fisi dan oleh peluruhan
135Te. Telurium-
135 adalah produk fisi, tetapi juga dapat terbentuk dari
peluruhan dari 135Sb (juga
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 18
merupakan produk fisi). Hampir 95% dari semua 135Xe dihasilkan
selama operasi
reaktor berasal dari pembusukan 135I.
Untuk yi mewakili hasil fraksi isotop i (fraksi fragmen fisi
yang
menjadi isotop i), dan = f menjadi tingkat produksi isotop
i,
dan mengikuti skema pembusukan pada Gambar 5.
Waktu pembusukan dari 135Sb dan 135Te sangat pendek. Dengan
demikian, kita bisa mengasumsikan bahwa semua 135Sb dan
135Te
adalah 135I dengan mendefinisikan
Nuklida terakhir dalam rantai peluruhan memiliki waktu paruh
yang
sangat panjang. Dengan demikian, nuklida stabil dapat diambil
dari
analisis dan dapat menyederhanakan rantai peluruhan sebagai
berikut
Dalam kasus reaktor termal homogen konsentrasi yodium dapat
ditentukan sebagai
Dengan asumsi yang sama, perubahan konsentrasi xenon dapat
ditentukan oleh:
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 19
Pada kondisi mapan perubahan tingkat konsentrasi kedua
nuklida
adalah konstan (setelah reaktor telah beroperasi selama
beberapa
waktu, konsentrasi kesetimbangan dicapai), sehingga dengan
menetapkan persamaan sama dengan nol konsentrasi
kesetimbangan
dapat diperoleh.
Konsentrasi kesetimbangan 135I
Penyerapan penampang untuk 135I sangat kecil di wilayah energi
panas
(lihat Gambar 6) sehingga persamaan di atas dapat
disederhanakan
dengan mengabaikan tingkat penyerapan. Konsentrasi
kesetimbangan
135I sebanding dengan laju reaksi fisi dan tingkat daya.
Konsentrasi kesetimbangan 135Xe
Konsentrasi kesetimbangan 135Xe meningkatkan dengan daya
karena
pembilang sebanding dengan laju reaksi fisi. Karena fluks termal
dalam
penyebut melebihi 1012 neutron/cm2 sec maka fluks menjadi
dominan.
Dengan demikian, hampir 1015 neutron/cm2 sec konsentrasi
135Xe
mendekati nilai batas.
Reaktivitas setara efek keracunan kesetimbangan xenon
(dengan
mengabaikan kehadiran bahan kontrol) dapat ditulis dalam bentuk
berikut.
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 20
Gambar 9. Penampang Radiasi untuk 135I
dimana
Untuk menggambarkan perubahan reaktivitas akibat akumulasi
xenon,
maka dihitung reaktor termal homogen berbahan bakar with 2 %
235U pada
Dengan menggunakan data ini, persamaan sebelumnya dapat ditulis
ulang
dalam bentuk yang disederhanakan berikut
Untuk nilai fluks l015 neutrons/cm2s, nilai keracunan dapat
diabaikan (-6 x
10-4). Untuk fluks yang sepuluh kali lebih tinggi, keracunan
masih rendah yaitu -
0.005, atau 0,5% dari seluruh neutron termal yang diserap oleh
seluruh
kesetimbangan xenon. Namun, untuk fluks lebih besar dari 1016
neutrons/cm2s nilai
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 21
keracunan meningkat pesat, seperti ditunjukkan pada Gambar 7.
dan nilai batas
diperoleh untuk fluks 1019 neutrons/cm2s. Keseimbangan 135I dan
konsentrasi 135Xe
sebagai fungsi dari fluks neutronyang diilustrasikan pada Gambar
8.
Gambar 10. Reaktivitas setara keseimbangan konsentrasi 135Xe
untuk reaktor termal
5.1.2. Xenon Poisioning Setelah Reaktor Shutdown
Ketika reaktor shutdown, fluks neutron pada dasarnya berkurang
hingga nol
dan 135Xe bukan lagi produk dari fisi atau tidak dapat lagi
dihapus oleh bahan
penyerap. Mekanisme produksi yang tersisa adalah pembusukan dari
135I yang
berada di inti pada saat shutdown. Mekanisme penghapusan untuk
135I ialah
pembusukan. Oleh karena itu, jika ts adalah waktu setelah
shutdown, maka
perubahan tingkat konsentrasi xenon dapat ditulis dalam
persamaan tereduksi
berikut.
Solusi untuk Persamaan memberikan
konsentrasi xenon selama waktu setelah reaktor shutdown
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 22
Gambar 11. Konsentrasi kesetimbangan dari 135I dan 135Xe sebagai
fungsi dari fluks neutron
Waktu dimana konsentrasi maksimum dapat dicapai oleh pengaturan
sama
dengan nol
Karena tingkat peluruhan 135I lebih cepat daripada laju
peluruhan 135Xe, pada
puncak 135Xe. Nilai puncak tercapai ketika yang di sekitar 10
sampai
11 jam untuk reaktor termal. Produksi xenon dari pembusukan
yodium lebih lama
dari penghapusan xenon oleh pembusukan. Hal ini menyebabkan
konsentrasi 135Xe
berkurang. Konsentrasi 135I saat shutdown juga lebih besar untuk
fluks yang lebih
besar sebelum shutdown yang juga mempengaruhi konsentrasi puncak
135Xe.
Gambar 9 mengilustrasikan perubahan konsentrasi relatif 135Xe
saat pemadaman
reaktor sebagai fungsi fluks neutron dan waktu setelah shutdown.
Hal ini dapat
dilihat bahwa puncak konsentrasi 135Xe dicapai sekitar 10 jam
setelah shutdown,
konsentrasi akan menurun pada tingkat yang dikontrol saat
peluruhan 135I dan C.
Menurut Contoh perhitungan yang diberikan dapat menggambarkan
akumulasi
xenon setelah reaktor ditutup dan menjelaskan Gambar 9 waktu
setelah Shutdown.
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 23
Gambar 12. Konsentrasi relatif 135Xe (Xe / Xeo) setelah reaktor
ditutup sebagai fungsi dari
fluks neutron.
5.2. Samarium Poisioning
5.2.1. Produksi dan Penghapusan 149Sm selama Operasi Reaktor
Racun produk fisi yang memiliki pengaruh paling signifikan
terhadap
operasi reaktor, selain 135Xe adalah samarium -149 (149Sm). Efek
yang dihasilkan
secara signifikan berbeda dari 135Xe. Samarium- 149 memiliki
radiasi termal
neutron dengan penampang penangkapan 4,1 x 104 b ( lihat Gambar
10 ).
Dihasilkan dari pembusukan dari 149Nd yang merupakan fragmen
fisi seperti
ditunjukkan pada Gambar 10. Saat pembusukan 149Nd cukup cepat
dibandingkan
149Pm, dapat diasumsikan bahwa 149Pm diproduksi langsung dari
reaksi fisi dengan
hasil YPm.
Laju perubahan konsentrasi kemudian ditentukan oleh persamaan
berikut
Pm - konsentrasi 149Pm
- peluruhan radioaktif konstanta 149Pm
Gambar 10. Produksi 149Sm dalam reaktor termal
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 24
Samarium-149 adalah isotop stabil dan sehingga hanya dihapus
oleh
penangkap radiasi neutron.
dimana
Sm - konsentrasi 149Sm
- peluruhan konstan radioktif 149Sm
- penyerapan thermal neutron penampang 149Sm
Pemecahan untuk menghasilkan kesetimbangan konsentrasi
kesetimbangan
dari dua isotop
Dapat dilihat dari persamaan diatas, bahwa konsentrasi
kesetimbangan
149Sm bebas pada fluks neutron dan tingkat daya tertentu. Dengan
perubahan
tingkat daya , konsentrasi keseimbangan 149Sm mencapai nilai
transien/ peralihan
dan segera kembali ke nilai aslinya.
5.2.2. Samarium Poisoning Setelah Reaktor Shutdown
Setelah reaktor dimatikan maka 149Sm mengurangi produksi
sesuai
Memecahkan persamaan diferensial sederhana diatas memberikan
hubungan untuk konsentrasi samarium sebagai fungsi waktu setelah
dimatikan
dimana Smo dan Pmo adalah konsentrasi saat shutdown. Karena
149Sm adalah isotop
stabil , tidak dapat dihapus oleh pembusukan, yang membuat
perilakunya setelah
reaktor shutdown yang sangat berbeda dari 135Xe, yang
diilustrasikan pada Gambar
10. Kesetimbangan tercapai setelah sekitar 20 hari (500 jam).
Konsentrasi induk
149Sm dasarnya konstan selama reaktor operasi (karena bukan efek
negatif
radioaktif). Ketika reaktor shutdown, konsentrasi meningkat dari
akumulasi
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 25
pembusukan 149Pm. Peningkatan setelah penutupan tergantung pada
tingkat daya
sebelum reaktor shutdown. Konsentrasi 149Sm tidak mencapai
puncaknya seperti
135Xe, melainkan meningkat perlahan ke nilai maksimum dari Smo +
Pmo. Setelah
shutdown, jika reaktor dioperasikan lagi, 149Sm terbakar dan
konsentrasi kembali
ke nilai kesetimbangan. Samarium poisoning adalah benda yang
lebih kecil bila
dibandingkan dengan xenon poisoning.
Gambar 13. 149Sm meningkat sebagai fungsi waktu setelah
penutupan
6. Dampak Radiasi Nuklir
Kecelakaan nuklir yang disebabkan oleh energi yang terlalu besar
seringkali
sangat berbahaya. Dalam sejarahnya, insiden pertama yang
melibatkan paparan
radiasi fatal. Marie Curie meninggal karena anemia aplastik yang
dihasilkan dari
paparan nuklir tingkat tinggi. Dua peneliti Amerika, Harry
Daghlian dan Louis
Slotin, meninggal karena salah penanganan massa plutonium. Tidak
seperti senjata
konvensional, cahaya yang kuat, panas, dan daya ledak bukan
satu-satunya
komponen mematikan senjata nuklir. Sekitar setengah dari korban
meninggal di
Hiroshima dan Nagasaki meninggal setelah dua sampai lima tahun
setelah paparan
radiasi dari bom atom.
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 26
Radiologi dan kecelakaan nuklir kebanyakan melibatkan tenaga
nuklir sipil.
Yang paling umum adalah paparan nuklir untuk karyawannya akibat
kebocoran
nuklir. Kebocoran nuklir adalah istilah yang mengacu pada bahaya
serius dalam
pelepasan bahan nuklir ke lingkungan. Yang paling terkenal
adalah kasus Three
Mile Island di Pennsylvania dan Chernobyl di Ukraina. reaktor
Militer mengalami
hal yang sama adalah kecelakaan Windscale di Inggris dan SL-1 di
Amerika
Serikat.
Kecelakaan militer biasanya melibatkan hilangnya senjata nuklir
atau bahan
peledak yang tidak diharapkan. Percobaan Puri Bravo pada tahun
1954 untuk
menghasilkan ledakan yang tak terduga, yang terkontaminasi pulau
terdekat,
sebuah kapal nelayan berbendera Jepang (dengan satu kematian),
dan
meningkatkan kekhawatiran tentang kontaminasi ikan di Jepang.
Pada tahun 1950
sampai 1970-an, beberapa bom nuklir yang hilang dari kapal selam
dan pesawat,
beberapa di antaranya belum pernah ditemukan. Selama 20 tahun
terakhir telah
begitu berkurang kasus itu.
Dampak radiasi pun bermacam-macam, ada yang bisa dirasakan
seketika
dan ada yang baru muncul dalam jangka panjang.
a. Rambut
Efek paparan radioaktif membuat rambut akan menghilang
dengan
cepat bila terkena radiasi di 200 Rems atau lebih. Rems
merupakan satuan
dari kekuatan radioaktif.
b. Otak
Sel-sel otak tidak akan rusak secara langsung kecuali
terkena
radiasi berkekuatan 5000 Rems atau lebih. Seperti halnya
jantung, radiasi
membunuh sel-sel saraf dan pembuluh darah dan dapat
menyebabkan
kejang dan kematian mendadak.
c. Kelenjar Gondok
Kelenjar tiroid sangat rentan terhadap yodium radioaktif.
Dalam
jumlah tertentu, yodium radioaktif dapat menghancurkan sebagian
atau
seluruh bagian teroid.
d. Sistem Peredaran Darah
Ketika seseorang terkena radiasi sekitar 100 Rems, jumlah
limfosit
darah akan berkurang, sehingga korban lebih rentan terhadap
infeksi.
Gejala awal mirip seperti penyakit flu. Menurut data saat
terjadi ledakan
Nagasaki dan Hiroshima, menunjukan gejala dapat bertahan
selama
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 27
sepuluh tahun dan mungkin memiliki risiko jangka panjang
seperti
leukimia dan limfoma.
e. Jantung
Jika seseorang terkena radiasi berkekuatan 1000 sampai 5000
Rems akan mengakibatkan kerusakan langsung pada pembuluh darah
dan
dapat menyebabkan gagal jantung dan kematian mendadak.
f. Saluran Pencernaan
Radiasi dengan kekuatan 200 Rems akan menyebabkan kerusakan
pada lapisan saluran usus dan dapat menyebabkan mual, muntah dan
diare
berdarah.
g. Saluran Reproduksi
Radiasi akan merusak saluran reproduksi cukup dengan
kekuatan
di bawah 200 Rems. Dalam jangka panjang, korban radiasi akan
mengalami kemandulan.
-
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 28
SUMBER REFERENSI
Jevremovic, Tatjana. 2005. Nuclear Principles in Engineering.
New York:
Springer Science Business Media, Inc.
whatisnuclear.com, diakses pada 23 April 2014.
www.youtube.com/how-nuclear-energy-work,s diakses pada 23 April
2014.