Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007 1 STUDI AWAL PENDINGINAN PADA BATANG PEMANAS BERTEMPERATUR TINGGI MENGGUNAKAN BAGIAN UJI QUEEN-II Mulya Juarsa, Puradwi I.W. Pusat Teknologi reaktor dan Keselamatan Nuklir PTRKN Gd.80 Kawasan PUSPIPTEK Tangerang 15310 BANTEN email: [email protected]ABSTRAK STUDI AWAL PADA PENDINGINAN BATANG PEMANAS BERTEMPERATUR TINGGI MENGGUNAKAN BAGIAN UJI QUEEN-II. Pengamatan untuk memahami pendinginan pada peristiwa pasca LOCA merupakan langkah awal untuk menganalisis perpindahan panas pendidihan. Rewetting yang timbul pada pendinginan batang pemanas bertemperatur tinggi merupakan fenomena yang juga timbul pada proses penggenangan kembali teras reaktor setelah LOCA, dimana temperatur pembungkus bahan bakar masih bertemperatur tinggi. Bagian uji QUEEN-II telah dikonstruksi dan diuji untuk penelitian perpindahan panas pendidihan transien pada eksperimen pendinginan pasca LOCA. Pengujian dilakukan dengan memanaskan batang pemanas hingga mencapai temperatur hampir 900 o C, kemudian didinginkan baik secara radiasi maupun didinginkan dengan air bertemperatur 85 o C. Fenomena rewetting yang terjadi pada proses pendinginan dengan air diindikasikan dengan timbulnya rejim didih film yang memperlambat laju aliran pendinginan. Kecepatan rata-rata rewetting yang diperoleh adalah 9,68 mm/detik pada laju aliran air 15,76 mm/detik. Kata kunci: temperatur, rewetting, pendinginan. ABSTRACT PRELIMINARY STUDY ON HIGH TEMPERATURE HEATED ROD COOLING USING QUEEN-II TEST SECTION. An Observation to understand cooling process in Post-LOCA event is a preliminary step to analyze boiling heat transfer. Rewetting which appears during cooling on high temperature heated rod is a phenomenon which also appears in reflooding process on reactor core after LOCA, where cladding fuel temperature is still high. The QUEEN-II test section was constructed and tested for research on transient boiling heat transfer on cooling experiment during Post-LOCA. Testing has been done by heated-up the rod until 900 o C, and then cooling down by radiation and also by water with temperature of 85 o C. Rewetting phenomena which occurs on cooling process by water is indicated by film boiling regime which slows down the water flow rate. Rewetting average velocity is 9.68 mm/s for water flow rate of 15.67 mm/s. Key Words: temperature, rewetting, cooling.
12
Embed
STUDI AWAL PENDINGINAN PADA BATANG PEMANAS … · quenching [3,4] untuk menghitung kecepatan rewetting dengan menggunakan bagian uji QUEEN-I [4]. Meskipun capaian temperatur maksimal
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
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
1
STUDI AWAL PENDINGINAN PADA BATANG PEMANAS BERTEMPERATUR TINGGI MENGGUNAKAN BAGIAN UJI QUEEN-II
Mulya Juarsa, Puradwi I.W.
Pusat Teknologi reaktor dan Keselamatan Nuklir PTRKN Gd.80 Kawasan PUSPIPTEK Tangerang 15310 BANTEN
ABSTRAK STUDI AWAL PADA PENDINGINAN BATANG PEMANAS BERTEMPERATUR TINGGI MENGGUNAKAN BAGIAN UJI QUEEN-II. Pengamatan untuk memahami pendinginan pada peristiwa pasca LOCA merupakan langkah awal untuk menganalisis perpindahan panas pendidihan. Rewetting yang timbul pada pendinginan batang pemanas bertemperatur tinggi merupakan fenomena yang juga timbul pada proses penggenangan kembali teras reaktor setelah LOCA, dimana temperatur pembungkus bahan bakar masih bertemperatur tinggi. Bagian uji QUEEN-II telah dikonstruksi dan diuji untuk penelitian perpindahan panas pendidihan transien pada eksperimen pendinginan pasca LOCA. Pengujian dilakukan dengan memanaskan batang pemanas hingga mencapai temperatur hampir 900oC, kemudian didinginkan baik secara radiasi maupun didinginkan dengan air bertemperatur 85oC. Fenomena rewetting yang terjadi pada proses pendinginan dengan air diindikasikan dengan timbulnya rejim didih film yang memperlambat laju aliran pendinginan. Kecepatan rata-rata rewetting yang diperoleh adalah 9,68 mm/detik pada laju aliran air 15,76 mm/detik. Kata kunci: temperatur, rewetting, pendinginan.
ABSTRACT PRELIMINARY STUDY ON HIGH TEMPERATURE HEATED ROD COOLING USING QUEEN-II TEST SECTION. An Observation to understand cooling process in Post-LOCA event is a preliminary step to analyze boiling heat transfer. Rewetting which appears during cooling on high temperature heated rod is a phenomenon which also appears in reflooding process on reactor core after LOCA, where cladding fuel temperature is still high. The QUEEN-II test section was constructed and tested for research on transient boiling heat transfer on cooling experiment during Post-LOCA. Testing has been done by heated-up the rod until 900oC, and then cooling down by radiation and also by water with temperature of 85oC. Rewetting phenomena which occurs on cooling process by water is indicated by film boiling regime which slows down the water flow rate. Rewetting average velocity is 9.68 mm/s for water flow rate of 15.67 mm/s. Key Words: temperature, rewetting, cooling.
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
2
PENDAHULUAN
Dalam pengoperasian Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) dimungkinkan
terjadinya kecelakan berdasarkan prediksi yang ditentukan selama rancangan desainnya.
Salah satunya adalah kecelakaan kehilangan air pendingin (Loss-Of-Coolant Accident,
LOCA) yang merupakan jenis peristiwa kecelakaan yang dipostulasikan dan menjadi dasar
desain (Desain Basic Accident, DBA) pada sistem keselamatan PLTN. Saat terjadinya
LOCA, di mana teras kekurangan air akibat bocornya salah satu dan atau kedua pipa
pendingin primer pada reaktornya akan mengakibatkan naiknya temperatur permukaan
kelongsong bahan bakar yang diakibatkan oleh panas peluruhan yang masih tinggi,
meskipun reaktor telah mengalami shutdown, sehingga sistem pendingin teras darurat
(emergency core cooling sistem, ECCS) akan bekerja secara otomatis [1]. Proses dari
terjadi kebocoran hingga terendamnya kelongsong bahan bakar merupkan peristiwa Post-
LOCA (pasca LOCA) yang terdiri dari tahapan pengosongan (blowdown), pengisian
kembali (refill) dan penggenangan kembali (reflooding). Peristiwa melelehnya teras jika
reflooding gagal mendinginkann teras termasuk kategori kecelakaan parah yang dapat
dianggap bagian akhir Post-LOCA. Pada reaktor air tekan (Pressurized Water Reactor,
PWR), proses pendinginan bahan bakar di dalam teras dilakukan dengan menggenangi
teras dari bagian bawahnya (bottom reflooding) dengan mengoperasikan pompa ECCS.
Fenomena yang muncul selama periode pendinginan salah satunya adalah terlihatnya
fluktuasi temperatur cladding pada bahan bakar yang timbul mulai awal penggenangan
hingga tenggelamnya seluruh bahan bakar oleh air, dimana temperatur maksimal cladding
akan mencapai 930oC [2], seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1 berdasarkan
kelayakan analisisnya.
Pemahaman Post-LOCA seperti disebut di atas telah dilakukan sejak tahun 2003
hingga tahun 2005 oleh penulis melalui penelitian tentang fenomena rewetting selama
quenching [3,4] untuk menghitung kecepatan rewetting dengan menggunakan bagian uji
QUEEN-I [4]. Meskipun capaian temperatur maksimal pada batang pemamanas hanya
600oC. Hasil penelitian menggunakan bagian uji QUEEN-I menunjukkan dan
membuktikan adanya pembagian rejim pendidihan selama pendinginan berlangsung.
Sedangkan, eksperimen menggunakan bagian uji QUEEN-II (alat eksperimen baru) pada
tahun 2006 dengan kondisi temperatur batang pemanas mencapai hampir 900oC memiliki
keadaan yang cukup berbeda. Sehingga, pernjelasan terkait hasil pengamatan pada
fenomena rewetting yang timbul menjadi bahan diskusi yang menarik.
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
3
0 50 100 150 200 250 300 350
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Waktu, t [detik]
Kriteria keputusan (1.200oC)
Temperatur menurun akibatCladding terendam kembali
Perubahan temperatur akibat fluktuasialiran pendingin di dalam reaktor
ECCS beroperasi
Bahan bakar terendam
Terjadinya Kebocoran
Temperaturpuncak,
930oC
Tem
pera
tur T
ube
Cla
ddin
gBa
han
Bak
ar,
T [o C
]
Gambar 1. Perubahan temperatur kelongsong bahan bakar pasca LOCA[2]
TEORI
Selama quenching pada temperatur permukaan suatu batang pemanas yang
bertemperatur tinggi (di atas temperatur saturasi air pendinginnya), batang pemanas tidak
akan serta merta dapat ditenggelamkan dan dibasahi oleh air pendingin, dikarenakan ketika
air akan menyentuh permukaan batang pemanas, penguapan terjadi sehingga
permukaannya tetap kering. Selanjutnya, peristiwa kontaknya air dengan permukaan
terjadi secara berulang, sembari batang pemanas mengalami penurunan temperatur dan
pada saat tertentu air akhirnya dapat membasahi permukaan batang pemanas. Pada bagian
di mana terjadi kontak antara air dan permukaan kelongsong disebut sebagai batas basah
(quenching front) atau rewetting, titik ini membatasi daerah kering dan daerah basah.
Dengan kata lain “rewetting” dapat pula diartikan bahwa permukaan kelongsong untuk
pertama kalinya terbasahi kembali setelah sebelumnya kering akibat LOCA. Sedangkan
istilah, quenching dapat berarti lebih umum, yaitu terjadinya pendinginan secara cepat oleh
fluida pada dinding yang awalnya bertemperatur tinggi, dan lebih sering disebut peristiwa
penenggelaman mendadak benda panas dalam suatu media pendingin.
Pendingin yang dimaksud adalah penurunan panas pada batang pemanas oleh
media pendingin dengan beda temperatur yang lebih rendah. Pendinginan disertai proses
pendidihan apabila temperatur batang pemanas memiliki temperatur di atas temperatur
saturasi air. Proses pendinginan terjadi dengan mekanisme perpindahan panas pendidihan
yang dimulai dari rejim didih film kemudian rejim didih transisi di mana temperatur
minimum didih film (minimum film boiling) tercapai, kemudian pendidihan berakhir pada
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
4
rejim didih inti sesaat setelah harga maksimum dari fluks kalor tercapai. Proses reflooding
dideskripsikan pada Gambar 2 yang menunjukkan aliran dan rejim perpindahan panas yang
diamati termasuk fenomena rewetting. Arah aliran pada Gambar 2 adalah menuju ke atas
secara konveksi paksa. Rejim pendidihan dari bagian bawah tersusun sebagai berikut: didih
inti, didih transisi dan didih film. Tq = Tmfb, merupakan temperatur batas basah atau
temperatur didih film minimum yang memisahkan rejim didih transisi dan rejim didih film.
Gambar 2. Proses reflooding dari bawah [5]
Berbeda dengan pendidihan kolam (pool boiling) rejim perpindahan panas pada
pendidihan aliran (flow boiling) ditentukan oleh berbagai variabel: laju alir massa, jenis
fluida, geometri sistem, fluks panas dan distribusi aliran [6]. Beberapa studi eksperimental
terkait rewetting yang timbul pada penggenangan dari bawah (bottom refolding)
diperlihatkan pada table 1.
Tabel 1. Beberapa studi eksperimental terkait rewetting yang timbul pada penggenangan dari bawah (bottom refolding) [7].
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
11
Selama proses pendinginan dengan air, femonena pendidihan yang muncul sangat
menarik. Gambar 9 menjelaskan kurva pola penurunan temperatur secara transien, jika
diperhatikan pada salah satu garis (misal TC4), nampak adanya beberapa sloop penurunan
temperatur. Sloop tersebut diawali oleh radiasi dari detik ke-6 hingga detik ke-56.
Kemudian sloop rewetting, dari detik ke-56 sampai detik ke-64, sloop ini dikatakan
sebagai area rejim didih film, kemudian disusul pada sloop ketiga, area didih transisi dan
didih inti, dari detik ke-64 hingga detik ke-160. Keadaan ini sangat berbeda dengan riset
terdahulu dengan menggunakan bagian uji QUEEN-I pada temperatur awal 600oC.
Terbentuknya rejim didih film, didih transisi dan didih inti jelas terlihat selama
eksperimen berlangsung. Kurva pada gambar 9 menunjukkan temperatur transien selama
proses pendinginan bottom reflooding pada temperatur awal batang pemanas 876oC.
Rewetting terjadi secara berturut-turut dari arah bawah ke atas dan terjadi pada temperatur
yang berbeda sepanjang arah vertikal batang pemanas. Rewetting pada TC8, terjadi pada
detik ke-38 dan pada temperatur 250oC. Pada TC1, rewetting terjadi pada temperatur
385oC di detik ke-100. Kecepatan rata-rata rewetting dapat dihitung berdasarkan waktu
ketika rewetting terjadi pada TC8 dan TC1, diperoleh nilai kecepatan rata-rata rewetting
adalah 9,68 mm/detik. Jika dibandindingka dengan laju aliran air pada operasi dingin
(tanpa pemanasan Batang pemanas), yaitu 15,67 mm/detik, dengan kecepatan aliran
selama proses pendinginan, maka terjadi hambatan akibat timbulnya didih film.
Temperatur MFB terjadi pada selang temperatur 250oC – 700oC.
KESIMPULAN
Telah diperoleh hasil studi awal proses pendinginan batang pemanas bertemperatur
tinggi (876oC) pada bagian uji QUEEN-II yang telah desain pada tahun 2004 dan
dikonstruksi pada tahun 2005. Selama tahun 2006, fokus kegiatan adalah memahami
karakteristik temperatur transien selama pendinginan. Adapun kesimpulan hasil penelitian
awal ini adalah :
- Tercapainya temperatur pemanasan hingga hampir mencapai 900oC (realistik, 876oC).
- Pemahan penurunan temperatur transien secara radiasi (tanpa air pendingin) untuk
temperatur awal 850oC, baik yang melalui tabung kuarsa maupun tanpa tabung kuarsa.
Hasil ini membuktikan bahwa desain dan konstruksi QUEEN-II mampu beroperasi
sesuai dengan yang direncanakan.
Proceeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Reaktor, Yogyakarata 10 Juli 2007
12
- Pemahan penurunan temperatur transien selama pendinginan dengan air bertemperatur
85oC pada temperatur awal 876oC. Konstruksi tabung kuarsa terbukti mampu
mengalami proses pendinginan yang ekstrim.
- Kecepatan rata-rata prewetting adalah 9,68 mm/detik pada laju aliran air 15,67
mm/detik (1,562 lpm). Meskipun memiliki geometri yang berbeda, penelitian No.1,
No.2 dan No.10 (Tabel 1.) hasilnya mendekati hasil pengamatan pada eksperimen ini.
- Rejim pendidihan yang teramati adalah rejim didih film, didih transisi dan didih inti.
Dengan diperolehnya data dan validasi kemampuan bagian uji QUEEN-II pada eksperimen
awal ini, maka penelitian dengan variasi laju aliran dan variasi tempearur awal batang
pemanas dapat dilakukan pada tahun-tahun berikutnya.
UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih yang tak terhingga, disampaikan kepada Dr. Ir. Anhar Riza
Antariksawan yang telah membimbing penulis selama melakukan desian hingga pengujian
bagian uji QUEEN-II. Kepada rekan-rekan sub bidang termohidrolika BOFa PTRKN saya
mengucapkan beribu terimakasih atas bantuan dan dukungannya.
DAFTAR PUSTAKA
1. J.M. BROUGHTON et al., “A Scenario on The Three Mile Island Unit 2 Accident,” Nuclear Technology, Vol. 87, No. 1, 1989.
2. AGENCY OF NATURAL RESOURCES AND ENERGY, MITI-JAPAN, “Hopes to Make Safe More Secured” How the Safety of NPP is Secured in Policy Terms, Serial Publication of NPP Safety Demonstration /Analysis, Tokyo-Japan, 2001.
3. KHAIRUL HANDONO dkk., “Eksperimental Reflooding Pada Untai Uji BETA: Karakterisasi dan Eksperimen Awal”, Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir VI, Serpong 2001.
4. MULYA JUARSA dkk, “Studi Eksperimental Rejim Pendidihan Selama Proses Quenching pada Bundel Pemanas “QUEEN”, Prosiding Seminar ke-IX Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Jakarta, 2003.
5. CARBAJO, J.J., “A Study On The Rewetting Temperature”, Nuclear Engineering and Design, Vol, 84 page 21 – 52, 1984.
6. N.E. TODREAS and M.S. KAZIMI, “Nuclear Sistem I: Thermal Hydraulic Fundamentals”, Hemisphere Publishing, 1st ed., 1990.
7. A.K. SAXENA et al., “Experimental Studies on Rewetting of Hot Vertical Annular Channel”, Nuclear Engineering and Design,Vol. 208, page 283 – 303, 2001.