PERHITUNGAN PARAMETER NEUTRONIK REAKTOR …ansn.bapeten.go.id/files/43105/2489.pdf · differennce untuk menyelesaikan persamaan difusi satu atau dua kelompok. ... konstanta difusi

PERHITUNGAN PARAMETERKARTINI DAYA 250 kW

NEUTRONIK REAKTOR

Bambang Sumarsono , Triwulan Tjiptono, Edi Triono BS.P3TM-BATAN. KotakPos 1008. Yogyakarta55010

ABSTRAKPERHITUNGAN PARAMETER NEUTRONIK REAKTOR KARTINI DAYA 150 kw. Telah dilakukananalisis perhitungan neutranik reaktor Kartini pada daya 250 kW dengan menggunakan poker programkomputer. Perhitungan dilakukan dengan terlebih dahulu menganalisis data bahan bakar yang tersediauntuk kemudian dilakukan perhitungan konfigurasi bahan bakar dalam teras reaktor Kartini. Dariperhitungan konfigurasi bahan bakar dipilih kondisi yang paling baik don memungkinkan untuk keperluankondisi operasi selanjutnya dengan diperhitungkan besaran harga reaktivitas reaktor yang harus lebih besardari reaktivitas batang kendali pada batasan tertentu atau reaktivitas lebih teras tidak boleh melebihibatasan desain (harga reaktivitas desain = 3,43 dollar). Perhitungan parameter netronik dilakukan untukpenentuan distribusi rapat daya, pembangkitan daya maksimum, distribusi jluks neutron. Dari hasilperhitungan diperoleh jluks neutron cepat rerata = 0,618 x 10/3 neutronlcm2 detik, jluks neutron termalrerata = 0,372 x 10/3 neutronlcm2 detik dan penambahan bahan bakar yang optimal ditinjau dari segi

ekonomis maupun kebutuhan operasional operasi reaktor adalah sebanyak 4 buah serlo maksimumpembangkitan daya tiap elemen bahan bakar sebesar 4,68 kW

ABSTRACTCALCULATION OF NEUTRONIC PARAMETERS IN 250 KW POWER KARTINI REACTOR.Calculation of neutronic parameters for 250 kW Kartini reactor has been done.. Calculation was performedwith analysis offuel element data by using computer code for Kartini reactor core configuration. From thecalculation of fuel element configuration selected the best condition for the next operativn where thereactivity value is greater than control rod reactivity in certain boundary or core excess reactivity notgreater than the design boundary (design reactivity is 3.43 dollar). Neutronic parameters calculation wasperformed to find power density distribution, maximum power generation, neutron flux distribution. Fromcalculation result show that the average fast neutron flux is 6. 18E12 neutron/cm2 second..average thermalneutron flux is 3.72 E12 neutron/cm2 second and fuel element addition for the optimum operation is 4 fuelelement, and maximum power generation per element is 4.68 kW

neutronik sangat diperlukan data bahan bakarsebelum daya ditingkatkan dengan tujuan untukmengevaluasi seberapa jauh komposisi yang adauntuk kemudian dilakukan perhitungan konfigurasiteras yang akan dapat ditentukan seberapa jauh besarreaktivitas lebih reaktor untuk dapat mencukupipembangkitan daya hingga 250 Kw. Perhitunganparameter neutronik dilakukan setelah susunankonfigurasi ditetapkan untuk kemudian akan dihitungparameter reaktor antara lain kritikalitas, distribusifluks neutron, distribusi rapat daya dan jumlahkebutuhan bahan bakar yang diperlukan.

PENDAHULUAN

D a~am ?nalisis konfigurasi teras reaktor scla!~

dlperhltungkan hubungan antara komposlsl

bahan yang digunakan dcngan dimensi ukuranreaktor antara lain adalah ukuran teras reaktor,reflektor, bahan bakar, tangki reaktor dsb., sehinggaperpaduan antara komposisi bahan dan dimensireaktor dapat membangkitkan daya sesuai yangdikehendaki dengan aman terkendali. Pad apeningkatan daya reaktor Kartini dari 100 Kwmenjadi 250 Kw tidak akan merubah dimensi ukuranreaktor karena komponen reaktor yang lama tetapdigunakan, tetapi dilakukan beberapa penyesuaian.Penyesuaian dilakukan terutama pada sisteminstrumentasi reaktor, sistem pompa pendingin danpenambahan bahan bakar sehingga setelah proseskritikalitas akan diperoleh reaktivitas lebih teras yangcukup untuk peningkatan daya reaktor menjadi 250Kw dengan pola operasi yang optimal. Padapermasalahan ini analisis dilakukan hanya pad aperhitungan neutronik untuk penentuan beberapaparameter neutronik reaktor setelah reaktorditingkatkan pada daya 250 Kw. Dalam analisis

TEORI

Evaluasi clan perencanaan pemakaian bahan

bakar selama operasi reaktor memerlukan

perhitungan dari berbagai parameter reaktor yang

akan mencerminkan keadaan raktor secara fisis.

Manajemen teras saling tergantung antara parameter

yang satu dengan yang lainnya selama dilakukan

proses analisis perhitungan. Oleh karena itu perlu

dilakukan suatu sistem kompromi perhitungan

dengan metoda optimasi dengan bantuan peralatan

ISSN 0216-3128 Bambang Sumarsono, dkk.

Prosiding Perlemuan dan Presenlasi l/miahP3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Ju/i 2000226 Buku I

differennce untuk menyelesaikan persamaan difusisatu atau dua kelompok. Data-data kisi yangdigunakan dalam paket program hanya sebagaifungsi ripe dan iradiasi bahan bakar. Biasanya data-data tcrscbut tclah dihitung sccara ekstcmal danmasuk dalam paket program dalam bentuk tabel ataupolinomial. Berikut dituliskan diagram ~Iir analisisoptimasi managemen teras.

komputer sehingga pengolahan data dapat dilakukansecara kontinyu dan cepat untuk mencapai keadaanyang optimal dalam pengelolaan bahan bakar dalamteras reaktor

Evaluasi atau pcrencanaan operasi reaktorberisi perhitungan distribusi statis dari fluks neutron,rapat daya, reaktivitas lebih teras dan burn-up bahanbakar. Code program dapat ditulis dalam satu, duaatau tiga dimensi dengan menggunakan metoda finite

Gambar Sistem program untuk optimasi manajemen teras

dapat mengetahui parameter neutronik reaktor pactadaya 250 kW maka dilakukan terlebih dahulupenentuan konfigurasi teras yang mengandungsusunan dalam pengaturan bahan bakar yangberbeda kandungan uranium atau burn up serta sifatpoison (racun) yang terdapat di dalamnya. Olehkarena keadaan yang begitu komplek untukmemperoleh parameter neutronik dalam terasreaktor maka perlu dilakukan perhitungan denganmenggunakan program komputer. Hal tersebutberkaitan dengan makin banyaknya perubahankomposisi bahan yang berubah sebagai fungsiwaktu maupun daya operasi reaktor sehingga perludilakukan pengumpulan data data pacta suatu sistemprogram komputer yang acta. Untuk keperluantersebut dilakukan suatu pengklasifikusian sertakombinasi sistem data untuk lebih memudahkansistematika analisis proses data dan analisisperhitungan dalam pengelolaan bahan bakar direaktor.. Dalam pelaksanaannya biasanya bagiandata dapat terbagi dalam dua bagian yaitu dalam

Strategi pengelolaan dalam teras

Telah ban yak strategi in core fuelmanagement yang diterapkan pada berbagai tipereaktor yang ada sekarang yang secara umumstrategi pengelolaan bahan bakar tersebut dapatdiklasiflkasikan dalam empat katagori umumpengelolaan bahan bakar.

Yang pertama adalah analisis dalam duakelompok, on-fuelling atau off fuelling. Berikutnyaklasifikasi menurut satuan bahan bakar kearahaksial. Cara pemisahan ketiga berdasarkan dipakaitidaknya radial shuffling dan pemisahan keempatberdasarkan alternatif dipakai tidaknya burnablepoison. Dalam melakukan pengelolaan bahan bakardalam teras reaktor Kartini digunakan carapengaturan dengan penambahan beberapa bahanbakar dalam teras reaktor sehingga reaktordiharapkan dapat membangkitkan daya menjadi250 kW dengan reaktivitas lebih yang mamPU u~tukkeperluan operasi reaktor secara optimal. Untuk

Bambang Sumarsono, dkk ISSN 0216-3128.

Prosiding Perlemuan dan Presenlasi llmiahP 3TM-BA TAN, Yogyakarta 25 -26 Juti 2000 Buku I 227

proses data masukan dan yang lainnya adalahparameter data yang tersedia dalam suatu sistemlibrary program yang begitu banyak memuatberbagai macam data yang kebanyakan data tersebutdihitung pakai program komputer yang berbeda.Dalam analisis ini perhitungan dilakukan denganmenggunakan paket program komputer TRIGAPuntuk analisis satu dimensi dua kelompok dengansusurian bahan bakar pad a tiap posisi berbedabesaran bum upnya yang diatur dalam suatususunan tertentu yang membentuk konfigurasi.perhitungan bum up dilakukan dengan mencatat danmemasukkan data dalam input program TRIGAP.

ilP(t) dihitung untuk dua nilai bum-up (to, t) clandengan interpolasi linier diperoleh :

N('t) = N('to) + (2)6('tl) -6('tO)

'tl- 'to

Besaran f:.P(to), po, tl dan to dapat diperoleh padaTRIGAP .LIB, dimana p dan t masuk ke subroutineSigma sebagai variabel independen untuk semuaelemen bahan bakar.

Koreksi Xenon

Sebagaimana koreksi temperatur, koreksi tampanglintang karena pengaruh Xenon dihitung untuk tiapelemen.

~X(p,'t) = ~X('t).(l-f(p) (3)

8(-r) = LlX(w) + ~'tl)-~~2.('t-'to) (4)'tl-'tQ

(5)

Dimana :/j.X(p,t): Koreksi Xenon terhadap konstanta-

konstanta difusi 2 kelompok untuk satuansel (DI, D2, >:aI, >:a2, >:12, v1>:j1, v2>:f2).

/j.X(to) : Perbedaan tampang lintang pada dayapenuh, kesetimbangan Xenon dan zeropower, tanpa xenon, t = to.

tJ.X('tl): Perbedaan tampang lintang pada dayapenuh, kesetimbangan Xenon dan zeropower, tanpa xenon, t = ti.

P : Daya elemen (kw).po : Daya nominal elemen (kw). '.

Fungsi f sebanding dengan konsentrasi xenonsetimbang pada daya yang diberikan. c adalahkonstanta yang hanya tergantung pada konstantanuklir mikroskopis xenon dan tampang lintangpembelahan bahan bakar. Data tersebut telahditabulasikan pad a Trigap.Lib untuk semua tipebahan bakar. Juga data-data /j.X(t1) dan /j.X(to).

Koreksi Sammarium

Sebagaimana koreksi temperatur dan Xenon,koreksi Sammarium dihitung untuk masing-masingelemen secara terpisah.

PROGRAM UT AMA

Program utama Trigap berisi statement-stetement untuk pembacaan data, baik dari filelibrary maupun file input dan statement-statementuntuk pemanggilan sub program. Data-data hasilpembacaan disimpan sebagai variabel global,sebagian besar disimpan dengan statement commondan sebagian lagi dikirim ke subroutine sebagaiindex panggilan.

ROUTINE-ROUTINE PROGRAM

SUBROUTINE SIGMA

Subroutine Sigma berisi proses perhitunganparameter-parameter difusi antar daerah denganmenggunakan tampang lintang efektif dua kelompokuntuk semua tipe dengan sistem analisis satuan setyang mengandung bahan bakar maupun non bahanbakar.

Analisis tam pang lintang berhubungandengan besaran bum-up tiap elemen bahan bakaryang terdapat dalam library ELEM.DA T, kemudiandicocokan dengan data-data tampang lintang duakelompok pada TRIGAP .LIB. Dalam analisistampang lintang dilakukan koreksi tamapang lintangterhadap pengaruh suhu, daya clan tingkat keracunanXenon maupun Samarium.

Koreksi Temperatur (Daya)

Program trigap menganggap bahwatemperatur pendingin clan bahan bakar bervariasilinier dengan daya.

6LP(p,t) = LlP('t). (1- p/po) (1)

L\LS('t) = &('t). FLAG (6)

Sekali lagi dianggap 6' linier terhadap bum-up, maka :

Dimana 6kP (p, t): koreksi daya dari konstanta-konstanta difusi 2 kelompok untuk satuan sel (D I,D2, >::al, >::a2, >::12, vI >::/1, v2>::/l).p : Daya elemenpo: Daya nominal element1P('t"): Beda tam pang lintang an tara daya nominal

dengan zero power.'t": Bum-up

n__L__- " A__~ ril,l,ISSN 0216-3128 Bambang Sumarsono, dkk.

AS ( ) AS ( ) ~('tl)-~('to) ( )u. 't = u. 'to + 't -'to

'tl- 'to(7)

Dimana :

~~s : Koreksi Sammarium terhadap konstanta-konstanta difusi 2 kelompok untuk satuansel (DI, D2, ~al, ~a2, ~12, vl~fl, v2~f2).

0 : Untuk kesetimbangan Sammarium.

FLAG

Prosiding Perlemuan dan Presentasi /lmiah228 Buku I P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juti 2000

I. Daya operasi

2. Energi yang dibebaskan, dihitung berdasarkandaya operasi dan lama operasi reaktor, dimanaEnergi [Mwjam]=Daya [MW] x waktu operasi[jam].

3. Konfigurasi bahan bakar dalam teras, denganmenghitung bum up bahan bakar langkah demilangkah operasi reaktor maka bum upterakhir dari bahab bakar dapatdihitung.

Simulasi konfigurasi pengaturan bahan bakar

Untuk memperuleh konfigurasi altematifterbaik dilakukan penyusunan berbagai

konfigurasi tanpa ada penambahan ataupengurangan jumlah bahan bakar dalam. teras. Biladilakukan penambahan bahan bakar akan dilelakkanpad a temp at ring yang paling dalam (ring B).Carakonfigurasi penentuan perubahan posisi bahanbakar dapat dilakukan dengan .cara sbb:

Konfigurasi tetap

Konfigurasi berdasarkan bum up bahanTampang lintang rerata ring dihitung dengan

volume pembobot Vi, dimana Vi adalah volumesatuan sel (zone).

}::Vi.}::i,g (9)<Lg} = -'-"!Yi- .g = \,2

L,Vi.IDi,g{-.!.-} = ~Vi .Dg ~

bakar.Laju bum up bahan bakar dalam teras berbeda-bedasehingga setelah operasi reaktor, bum up bahanbakar juga berbeda. Berdasarkan variasi bum upoutput program TRIGAPdibuat konfigurasi sbb;a) Mengacu pada ring terurut.a.l. Elemen bahan bakar dengan bum up tinggi

didistribusikan di ring acuan, diikuti yang lebihrendah urut keluar kemudian ke ring terdalamkeluar.

a.2. Bum up luar kearah dalam. Elemen bahan bakardengan bum up terendah didistribusikan di ringacuan, diikuti yang lebih tinggi urut kcluarkemudian ring dalam.

b) Mengacu pada ring selang seling..Pemindahan bahan bakar '. dilakukan

penggantian secara selang seling daTi dalamkearah luar dan daTi luar ke dalam.

.Konfigurasi berbasis elemen bakartiruan[ dummy], diletakkan pada ring terluar.

.Konfigurasi berbasis batang kendali.

Batang kendali reaktor Kartini terletak di C5,C9 dan E I, masing masing dikelilingi oleh enamelemen bahan bakar. Dapat dilakukan pengaturanelemen bum up tinggi disekitar batang kendali atauelemen bum up rendah clan bum up tinggi disekitarbatang kendali.

SUBROUTINE CEBIS

Subroutine Cebis memproses perhitungankritikalitas, distribusi fluk netron, distribusi rapatdaya, faktor perlipatan dan sebagainya.

SUBROTINE BURN

Subroutine Bum memproses perhitunganbum-up tiap elemen bahan bakar tiap step dayaberdasarkan energi total (MW jam) yang diproduksireaktor dan distribusi daya teras. Distribusi dayadiambil dari output Cebis.

Hasil perhitungan subroutine Bum berupabum-up untuk semua elemen bahan bakar dalamreaktor.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Simulasi penggantian, penambahan danpengambilan bahan bakar untuk suatu tujuanmengkaji rencana penggantian bahan bakar dengan

TAT A KERJA

Perhitungan lanjut burn up bahan bakar

Oilakukan pencatatan data operasi reaktor

meliputi

Bambang Sumarsono, dkk ISSN 0216-3128.

I: Untuk puncak Sammarium sesudahshud down pada periode operasiyang lama.

~('to): Beda tam pang lintang kondisi nominal dankondisi jenuh Sm sesudah shud down.

't: Burn -up elemen

Homogcnisasi

Dcngan koreksi daya, Xenon danSammarium, tampang lintang terkoreksi ditulis :

tinggi diletakkan di ring B, burn up dibawahnya diring C kemudian yang lebih rendah di ring D,E danF adalah merupakan konfigurasi yang baik danhasilnya ditampilkan pada gambar 2. Biladiinginkan menempatkan burn up yang tinggi padadaerah ring luar dapat saja dilakukan dan akanmendapatkan fluks neutron didaerah fasilitasirradiasi yang lebih besar. Tetapi ditinjau dari segiekonomis dan efisiensi operasi reaktor akanmengakibatkan umur bahan bakar akan lebih pendekkarena reaktivitas lebih teras akan lebih rendah.Selain itu besaran parameter faktor daya puncak danpembangkitan daya per elemen akan memberikanhasil yang kurang baik. Untuk peningkatan dayareaktor Kartini menjadi 250 kW maka bahan bakaryang lama masih dapat dipakai karena burn upnyamasih cukup besar kecuali bahan bakar yang secarafisik sudah mengalami kerusakan. Kebutuhanpenambahan bahan bakar ditunjukkan dalam Tabelldan distribusi rapat daya serta distribusi fluksneutron ditunjukkan pada Gambar 2.

-,.0 ,..I".f:.f :1-13

J

"

i _I

I

~!'"~~.--"'6",

\{JJJI} ~ 3,1f"

/.1r "

L-40 'j,t i- I~.I I~.I ~.I'.I' .1 .128.1, ']wt "Jitl'-i;" [ at I'.. ---

aI. m. ~T rt!A

melakukan penyusunan konfigurasi denganmenganggap tidak ada penambahan ataupengurangan jumlah bahan bakar dalam teras.Bahan bakar yang akan diganti adalah bahan bakardimulai yang bum up nya tinggi dan semua bahanbakar pengganti masih barn (fresh fuel). Selanjutnyadibuat konfigurasi penggantian bahan bakarlangsung yang bum upnya tinggi denganpenggantian secara terurut dari dalam. Dari keadaantersebut akan diperoleh reaktivitas lebih teras untukkeperluan pembangkitan rlaya dan pol a operasireaktor yang diinginkan. Untuk mengetahuisumbangan reaktivitas tiap bahan bakar dalam terasdilakukan simulasi dcngan pcnambahan clanpenggantian bahan bakar adalah penambahan diring F untuk menggantikan posisi elemen bakardummy dan pengambilan bahan bakar pada tiapring. Tiap-tiap perubahan konfigurasi dilakukanrunning program komputer kemudian dianalisisbesamya reaktivitas konfigurasi yang dibuat.

Untuk memperkirakan lama operasi hasilkonfigurasi dilakukan dengan menjalankankembali program Trigap dengan menghitung bumup setelah logging data ke file elem.dat selesaidilakukan. Kemudian dilakukan running kembalitanpa perhitungan bum-up dan diamati besamyareaktivitas teras, jika nilainya positip konfigurasidapat digunakan dan jika nilanya terlalu besar makaperhitungan diulang dengan menambah lamaoperasi(MW-jam). Hasil reaktivitas reaktor pad atabell.

Tabel 1 Penambahan bahan bakar

-,.:0 ,...,..

=~~

: jm-~1-r,a-G

,.

tlDI. 'a.

~

""\,,~.2..1'- '"

~

Dalam penentuan konfigurasi terbaik adalah .-1dengan meninjau parameter faktor daya rerata (Fp), $': ..

faktor pembangkitan daya tiap elemen (Pe) clan Iharga fluks neutron didaerah fasilitas iradiasi Lazy ISusan. Dengan pengaturan konfigurasi pada bahan 11bakar yang burn-up-nya masih rendah (kandungan [1~c112bahan bakar masih tinggi) clan bahan bakar barndiletakkan di ring B kemudian bahan bakar yang -jdiganti diletakkan di ring C, ring D dan seterusnya I

akan diperoleh konfigurasi yang baik dengan besarfaktor daya rerata Fp = 2,029 clan maksimumpembangkitan daya Pe = 4,68 Kw serta besar fluksneutron thermal di pusat teras = 5,75 x 1012neutron/cm2 detik clan di Lazy Susan harga fluksneutron thermal = 5,862 x lOll neutron/cm2 detik.Analisis tsb. dilakukan dengan konfigurasi bum up

..~f.:S"..j

L-J-! ~~~~ !IiB.' J6,8 24.' ~., 48;'

Jari-Jif --)1' [~]

CR' JID nJX !mLGambar

2. Distribusi Fluks Neutron dan Distribusirap at daya

TANYAJAWABKESIMPULAN

Dari basil analisis perhitungan neutronikreaktor Kartini pada daya 250 Kw diharapkan dapatmengetahui sistem unjuk kerja reaktor tetap padakondisi aman terkendali dengan keandalan yangtinggi. Untuk memenuhi hal tersebut telahdiperhitungkan beberapa parameter keselamatanyaitu konfigurasi teras, pembangkitan daya tiapelemen, distribusi fluks neutron, distribusi rapatdaya maupun reaktiyitas lebih reaktor sertakebutuhan jumlah elemen bahan bakar untukkenaikan daya hingga 250 Kw. Dari hasil ana!isiskonfigurasi bahan bakar diperlukan penambahanbahan bakar pada ring B minima! 3 buah untukmemperoleh reaktiyitas lebih yang relatif cukupuntuk keperluan operasi reaktor. Diperoleh besarfluks neutron thermal daerah fasilitas iradiasi =

5,862 x lOll n/cm2 detik, fluks neutron thermalrerata teras = 3,72 X 1012 n/ cm2 detik, fluks neutroncepat rerata teras = 5,324 1012 n/ cm2 detik serta

pembangkitan day a tiap elemen bahan bakarmaksimum 4,68 Kw.

Suwoto

-Oari Tabel I, berapa penambahan bahan baka,barn yang optimal sehingga menghasilkanreaktivitas lebih yang optimal juga, berapahargake/T dan densitas daya untuk operasi 250kW dengan konfigurasi teras denganpenambahan bahan bakar barn yang optimumtersebut.

Bambang Sumarsono

-Penambahan bahan bakar baru yang optimaldapat diberikan sebanyak 4 buah denganreaktivitas lebih sebesar 0,594 d61lar. Haltersebut karena diperhilungkan pertimbanganekonomi dalam keadaan kritis. Jikamemungkinkan bisa dengan penambahan 6buah bahan dengan harga reaklivilas lebihsebesar J. 0 J 2 dollarDAFTARPUSTAKA

I. MELE.I. and RA VNIK.M; Trigap a

Computer Programme for Research Reactor

Calculation,IJS-DP-4238, December 1985.

2. MELE.I. and RA VNIK.M. , Cebis oneDimensional Two Group Diffusion Code for

Reactor Calculation, IJS-DP-3856, February

1985.

3. RA VNIK.M. et al.; Two Dimensional Flux

Calculation of the Central Irradiation Chanel in

TRIGA Reactor.IJS-DP

Bambang Sumarsono, dkk ISSN 0216-3128.

LAMPIRAN

, \, ( F~.\~F\~ ~~ C6 i\ G7 J(2t6b'G

~.G4

~'Gl

~~9637

95989876X99G39877

99 .G5

~

~

'\:1:

.

~98

72 01

96~'988

G

GG9PN

.

G90G

Gambar 3. Konfigurasi teras reaktor