Top Banner
SIMETRI, Jurnal Ilmu Fisika Indonesia Volume 1 Nomor 1(B) Mei 2012 Studi Skenario Transmutasi Plutonium dan Aktinida Minor dengan Reaktor Termal Zuhair Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir BATAN, Indonesia; e-mail: [email protected] Intisari: Teknologi transmutasi berkembang untuk menjawab problema krusial yang berkaitan dengan keselamatan jangka panjang dari penyimpanan limbah nuklir ke dalam fasilitas bawah tanah (geological disposal). Skenario trans- mutasi plutonium dan aktinida minor dengan memanfaatkan spektrum neutron termal merupakan solusi yang perlu diinvestigasi. Makalah ini mendiskusikan skenario transmutasi plutonium dan aktinida minor dengan reaktor termal. Analisis skenario ini menunjukkan bahwa transmutasi plutonium tidak menguntungkan bila dikerjakan di reaktor air ringan (LWR) secara individual karena problema degradasi keselamatan teras khususnya koefisien void moderator, koe- fisien reaktivitas temperatur, koefisien Doppler dan reaktivitas boron. Dengan alasan serupa, yakni memburuknya karakteristik fisika teras reaktor khususnya koefisien temperatur void pendingin, umpan balik Doppler dan fraksi neu- tron kasip selain problema swelling, transmutasi aktinida minor tidak efektif jika dilakukan di LWR secara individual. Strategi untuk memecahkannya adalah dengan mengkombinasikan transmutasi di reaktor termal (LWR) dengan trans- mutasi di reaktor cepat (FR), reaktor cepat pembakar (FBuR) dan accelerator driven system (ADS). Strategi ini bisa berupa sistem yang didedikasikan untuk bekerja dalam transmutasi TRU (plutonium dan aktinida minor) yang dipilih dari strategi simbiosis dengan LWR dalam skenario dua-komponen atau bersama-sama dengan LWR dan FR dalam skema strata-ganda (multi-komponen). Kata kunci: transmutasi, plutonium, aktinida minor, reaktor termal Abstract: Transmutation technology has been developed to answer crucial problem related to long term safety of nuclear waste storage into underground facility (geological disposal). Scenario of plutonium and minor actinide transmutations utilizing thermal neutron spectrum is a solution needed to be investigated. This paper discusses a scenario of plutonium and minor actinide transmutations with thermal reactor. The analysis on this scenario indicated that plutonium transmutation is unfavorable if it is carried out individually in LWR because of core safety degradation, especially moderator void coefficient, temperature reactivity coefficient, Doppler coefficient and boron reactivity. By similar reason, i.e. deterioration in reactor core physics characteristic, especially coolant void temperature coefficient, Doppler feed-back delayed neutron fraction besides swelling problem. minor actinide transmutation is not effective if it is done individually in LWR. Strategy for solving them is by combining transmutation in reactor thermal (LWR) with that of fast reactor (FR), fast burner reactor (FBuR) and accelerator driven system (ADS). This strategy can be a system dedicated to work in TRU (plutonium and minor actinide) chosen from a symbiosis with LWR in a two-component scenario or in concert with LWR and FR in double-strata (multi-component) scheme. Keywords: transmutation, plutonium, minor actinide, thermal reactor Received : 3 Januari 2012; Accepted : 1 maret 2012 1 PENDAHULUAN E nergi nuklir menjadi energi alternatif yang sa- ngat strategis dan memainkan peranan penting dalam pemenuhan kebutuhan energi dunia masa de- pan. Energi nuklir yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) diperoleh dari satu atau lebih reaktor nuklir pembangkit listrik. Hingga Agus- tus 2008 terdapat 439 PLTN berlisensi di dunia yang sedang beroperasi di 31 negara berbeda. Keseluruhan reaktor ini, yang didominasi oleh reaktor air ringan (light water reactor, LWR), mensuplai 15% kebutuhan total energi listrik dunia. Selain menghasilkan energi listrik yang sangat be- sar, PLTN yang telah dioperasikan memproduksi lim- bah nuklir yang komposisinya diklasifikasikan sebagai limbah level tinggi (high level waste, HLW) dan lim- bah level rendah (low level waste, LLW). HLW terdiri dari produk fisi dan tangkapan radioaktif tinggi yang dihasilkan dalam bahan bakar selama operasi reak- tor, sedangkan LLW merepresentasikan limbah yang diproduksi selama operasi fasilitas nuklir seperti per- alatan yang teraktivasi, material struktur, pakaian proteksi radiasi dan residu dari pemanfaatan indus- c 2012 SIMETRI 1104-12
6

Studi Skenario Transmutasi Plutonium dan Aktinida Minor ... · PDF fileKekurang-selamatan ini dimitigasi dengan men-gubah desain perangkat agar supaya mencapai ter-malisasi spektrum

Feb 06, 2018

Download

Documents

vobao
Welcome message from author
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
Page 1: Studi Skenario Transmutasi Plutonium dan Aktinida Minor ... · PDF fileKekurang-selamatan ini dimitigasi dengan men-gubah desain perangkat agar supaya mencapai ter-malisasi spektrum

SIMETRI, Jurnal Ilmu Fisika Indonesia Volume 1 Nomor 1(B) Mei 2012

Studi Skenario Transmutasi Plutonium dan Aktinida Minordengan Reaktor Termal

Zuhair

Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir BATAN, Indonesia; e-mail: [email protected]

Intisari: Teknologi transmutasi berkembang untuk menjawab problema krusial yang berkaitan dengan keselamatan

jangka panjang dari penyimpanan limbah nuklir ke dalam fasilitas bawah tanah (geological disposal). Skenario trans-

mutasi plutonium dan aktinida minor dengan memanfaatkan spektrum neutron termal merupakan solusi yang perlu

diinvestigasi. Makalah ini mendiskusikan skenario transmutasi plutonium dan aktinida minor dengan reaktor termal.

Analisis skenario ini menunjukkan bahwa transmutasi plutonium tidak menguntungkan bila dikerjakan di reaktor air

ringan (LWR) secara individual karena problema degradasi keselamatan teras khususnya koefisien void moderator, koe-

fisien reaktivitas temperatur, koefisien Doppler dan reaktivitas boron. Dengan alasan serupa, yakni memburuknya

karakteristik fisika teras reaktor khususnya koefisien temperatur void pendingin, umpan balik Doppler dan fraksi neu-

tron kasip selain problema swelling, transmutasi aktinida minor tidak efektif jika dilakukan di LWR secara individual.

Strategi untuk memecahkannya adalah dengan mengkombinasikan transmutasi di reaktor termal (LWR) dengan trans-

mutasi di reaktor cepat (FR), reaktor cepat pembakar (FBuR) dan accelerator driven system (ADS). Strategi ini bisa

berupa sistem yang didedikasikan untuk bekerja dalam transmutasi TRU (plutonium dan aktinida minor) yang dipilih

dari strategi simbiosis dengan LWR dalam skenario dua-komponen atau bersama-sama dengan LWR dan FR dalam

skema strata-ganda (multi-komponen).

Kata kunci: transmutasi, plutonium, aktinida minor, reaktor termal

Abstract: Transmutation technology has been developed to answer crucial problem related to long term safety

of nuclear waste storage into underground facility (geological disposal). Scenario of plutonium and minor actinide

transmutations utilizing thermal neutron spectrum is a solution needed to be investigated. This paper discusses a

scenario of plutonium and minor actinide transmutations with thermal reactor. The analysis on this scenario indicated

that plutonium transmutation is unfavorable if it is carried out individually in LWR because of core safety degradation,

especially moderator void coefficient, temperature reactivity coefficient, Doppler coefficient and boron reactivity. By

similar reason, i.e. deterioration in reactor core physics characteristic, especially coolant void temperature coefficient,

Doppler feed-back delayed neutron fraction besides swelling problem. minor actinide transmutation is not effective if it is

done individually in LWR. Strategy for solving them is by combining transmutation in reactor thermal (LWR) with that

of fast reactor (FR), fast burner reactor (FBuR) and accelerator driven system (ADS). This strategy can be a system

dedicated to work in TRU (plutonium and minor actinide) chosen from a symbiosis with LWR in a two-component

scenario or in concert with LWR and FR in double-strata (multi-component) scheme.

Keywords: transmutation, plutonium, minor actinide, thermal reactor

Received : 3 Januari 2012; Accepted : 1 maret 2012

1 PENDAHULUAN

E nergi nuklir menjadi energi alternatif yang sa-ngat strategis dan memainkan peranan penting

dalam pemenuhan kebutuhan energi dunia masa de-pan. Energi nuklir yang dihasilkan oleh pembangkitlistrik tenaga nuklir (PLTN) diperoleh dari satu ataulebih reaktor nuklir pembangkit listrik. Hingga Agus-tus 2008 terdapat 439 PLTN berlisensi di dunia yangsedang beroperasi di 31 negara berbeda. Keseluruhanreaktor ini, yang didominasi oleh reaktor air ringan(light water reactor, LWR), mensuplai 15% kebutuhan

total energi listrik dunia.Selain menghasilkan energi listrik yang sangat be-

sar, PLTN yang telah dioperasikan memproduksi lim-bah nuklir yang komposisinya diklasifikasikan sebagailimbah level tinggi (high level waste, HLW) dan lim-bah level rendah (low level waste, LLW). HLW terdiridari produk fisi dan tangkapan radioaktif tinggi yangdihasilkan dalam bahan bakar selama operasi reak-tor, sedangkan LLW merepresentasikan limbah yangdiproduksi selama operasi fasilitas nuklir seperti per-alatan yang teraktivasi, material struktur, pakaianproteksi radiasi dan residu dari pemanfaatan indus-

c© 2012 SIMETRI 1104-12

Page 2: Studi Skenario Transmutasi Plutonium dan Aktinida Minor ... · PDF fileKekurang-selamatan ini dimitigasi dengan men-gubah desain perangkat agar supaya mencapai ter-malisasi spektrum

Zuhair/Studi Skenario Transmutasi Plutonium . . . SIMETRI Vol.1 No.1(B) Mei’12

tri radionuklida. HLW sering dikategorikan ke dalam 2kelompok: elemen transuranik (TRU) dan produk fisi.TRU adalah produk yang muncul dari uranium danbisa muncul dari pemanfaatan isotop thorium melaluiproses transmutasi dalam perangkat multiplikatif ope-rasional. Kontribusi radiotoksisitas berumur panjangyang paling signifikan pada limbah nuklir dihasilkanoleh TRU. Representatif untuk kategori TRU adalahisotop plutonium (plutonium, Pu) dan aktinida mi-nor (minor actinide, MA) yang terdiri dari Neptunium(Np), Americium (Am) dan Curium (Cm) [1].

Konsep transmutasi limbah nuklir diaplikasikanpada produk radioaktif yang berada dalam bahanbakar bekas PLTN berupa plutonium dan aktinida mi-nor. Makalah ini mendiskusikan skenario transmutasiplutonium dan aktinida minor dengan reaktor termal.Tinjauan komprehensif terhadap skema prinsip dasartransmutasi, yang memasukkan reaktor termal atauLWR, reaktor cepat (fast reactor, FR) dan reaktorpembakar cepat (fast burner reactor, FBuR) serta ac-celerator driven system (ADS) untuk mengidentifikasibatasan fisika dasar yang mengiringi proses transmu-tasi, juga dibahas dalam makalah ini.

2 SKENARIO TRANSMUTASIPLUTONIUM DAN AKTINIDA MINOR

Secara umum transmutasi TRU dikerjakan dengandua moda, yaitu moda homogen dan moda hetero-gen. Dalam moda homogen isotop TRU secara ho-mogen didispersikan ke dalam seluruh teras reaktorsedangkan dalam moda heterogen dilakukan iradiasi diteras reaktor yang mengoperasikan bahan bakar TRUsecara eksklusif [2].

Salah satu skenario transmutasi yang dipertim-bangkan adalah sekali-lewat (once-through): reaktordioperasikan hingga dicapai deplesi yang signifikandan bahan bakar secara langsung dibuang. Skenariolainnya adalah multi-daur-ulang: bahan bakar dikelu-arkan dari reaktor yang telah dioperasikan sekian lamauntuk didaur-ulang dan dikembalikan lagi ke dalamproses transmutasi. Dalam perspektif yang lebih luas,konsep daur bahan bakar diklasifikasikan ke dalam tigakategori sebagai berikut:

1. Daur bahan bakar sekali lewat (once through).

2. Strategi pembakaran plutonium.

3. Daur-ulang tertutup.

Dalam daur bahan bakar once-through tidak dibu-tuhkan daur-ulang bahan bakar bekas. Yang diper-lukan di sini adalah disposal langsung dari bahanbakar ke dalam repositori geologi (geological reposi-tory). Repositori geologi didefinisikan sebagai fasilitasnuklir bawah tanah di lapisan geologi stabil dengan

kedalaman ratusan atau ribuan meter sebagai tempatpenyimpanan lestari limbah nuklir yang tidak akandidaur-ulang. Strategi daur ini biasanya diaplikasikandi negara-negara tanpa posibilitas daur-ulang atauyang memperhatikan proliferasi.

Konsep daur bahan bakar lainnya, yakni strategipembakaran plutonium, memperlakukan plutoniumdiinsinerasi di dalam reaktor air ringan, dan setelahitu di dalam reaktor cepat kritis. Aktinida minor danproduk fisi secara bersamaan dipreparasi ke dalam re-positori geologi. Plutonium difabrikasi terlebih dahuludalam bentuk bahan bakar campuran oksida (mixedoxide, MOX) sebelum dibakar di dalam LWR. Keduaskema prinsip dasar ini ditampilkan dalam Gambar1(a)-(c).

Dalam konsep terakhir (daur-ulang tertutup), di-tambahkan skema yang melibatkan pembakaran ak-tinida minor. Aktinida minor secara homogen didis-tribusikan dalam reaktor cepat atau sistem reaktoryang memanfaatkan ADS. Dalam daur ini aliran lim-bah sekunder ke repositori dibatasi seperti diperli-hatkan dalam Gambar 2(a)-(f).

3 TRANSMUTASI DENGAN REAKTORTERMAL DAN ANALISIS

Teknologi transmutasi berkembang untuk menjawabproblema krusial yang berkaitan dengan keselamatanjangka panjang dari penyimpanan limbah nuklir kedalam fasilitas bawah tanah (geological disposal). Ske-nario transmutasi plutonium dan aktinida minor de-ngan memanfaatkan spektrum neutron termal meru-pakan solusi yang perlu diinvestigasi. Transmutasidengan reaktor termal secara konvensional diprediksilebih dapat menghindari problema keselamatan yangberhubungan dengan degradasi keselamatan teras aki-bat dimuatkannya aktinida minor seperti Np dan Am,namun hal ini masih memerlukan analisis lebih lan-jut yang lebih detail. Sistem spektrum neutron ter-mal sendiri meliputi LWR komersial, yaitu reaktorair bertekanan (pressurized water reaktor, PWR) danreaktor air didih (boiling water reaktor, BWR) sertareaktor tipe air berat CANDU (Canadian depteteduranium).

3.1 Transmutasi Plutonium

Transmutasi plutonium dari bahan bakar bekas ura-nium oksida dalam reaktor air ringan (LWR-UOX)secara industri dikerjakan di reaktor air ringan dalambentuk MOX. Diawali dari ekstraksi plutonium danuranium dalam bahan bakar bekas, MOX diperolehdari pemanfaatan-ulang plutonium yang dicampur de-ngan uranium (pengkayaan 235U ∼ 0, 25% − 0, 3%)dalam fabrikasi perangkat bahan bakar.

1104-13

Page 3: Studi Skenario Transmutasi Plutonium dan Aktinida Minor ... · PDF fileKekurang-selamatan ini dimitigasi dengan men-gubah desain perangkat agar supaya mencapai ter-malisasi spektrum

Zuhair/Studi Skenario Transmutasi Plutonium . . . SIMETRI Vol.1 No.1(B) Mei’12

Gambar 1: (a) Skenario daur sekali lewat (once-through), (b) Skenario daur reaktor cepat satu-komponen, (c) Skenariopembakaran Pu MOX di LWR

Plutonium yang diproses-ulang dari sekitar 5 hingga8 perangkat bahan bakar bekas UOX mempunyaifraksi bakar 40 GWd/tHM dan cukup untuk mem-produksi 1 perangkat MOX dengan kandungan Pu 5%hingga 8,2%. Uranium yang diproses-ulang telah jauhdiaplikasikan dalam beberapa perangkat uji MOX,tetapi pemanfaatannya tidak menjadi industri praksiskarena persediaan yang melimpah dari uranium susutkadar (depleted uranium, DU) dimana dari ∼ 7 tonDU dapat diproduksi 1 ton uranium diperkaya. Pe-manfatan proses-ulang ini juga tak menguntungkankarena keberadaan racun neutron (236U) dan karenaradioaktivitasnya meningkat akibat 208Tl dan 228Thsebagai pemancar y kuat yang diproduksi dari 232U(umur paro 70 tahun).

Rasio fraksi fisi plutonium dalam daur-ulang MOXyang pertama adalah sekitar 25% sementara tamba-han 10% ditransformasikan ke dalam aktinida minor[3]. Gambaran terakhir dari kekurangan utama daur-ulang plutonium di LWR yang dibentuk dari aktinidaminor adalah nuklida jumlah neutronnya mempun-yai rasio probabilitas fisi-tangkapan nol secara virtualdalam spektrum termal. Jadi meskipun mereduksimassa plutonium, inventori radiotoksik secara aktualmeningkat. Tentu saja, reduksi massa selanjutnya da-pat dicapai dengan daur-ulang ganda dari plutonium.Namun hal ini dapat dikerjakan dengan batasan padakelakuan neutronik teras dan pembatasan di insta-lasi pemrosesan-ulang dengan kualitas plutonium yangberkurang. Kualitas Pu didefinisikan sebagai fraksimassa dari isotop fisil dalam isotop Pu:

QPu = 100× m239Pu + m241Pum(Putot)

Kualitas Pu berkurang dalam generasi berikutnyadan menurun dari nilai ∼ 70 ke ∼ 45 di generasi daur-ulang ke lima dalam kisi standard LWR [4]. Karenareaktivitas plutonium rendah, pengkayaannya dalamcampuran U/Pu harus ditingkatkan dalam generasiberikutnya dan konsekuensinya mempengaruhi be-berapa karakteristik keselamatan reaktor, khususnya

koefisien void moderator dan koefisien reaktivitas tem-peratur, koefisien Doppler dan nilai reaktivitas boron.

Pengerasan spektrum dalam perangkat MOX di-anggap sebagai penyebabnya. Dalam kasus kece-lakaan kehilangan pendingin (loss of coolant accident,LOCA), fisi cepat dari isotop Pu fertil menjadi sig-nifikan. Agar nilai reaktivitas boron dijaga padabatas yang sama, konsentrasi asam borik dalam airharus ditingkatkan, namun akan memperburuk reak-tivitas void pendingin lebih lanjut. Jadi, karena nilaivoid positif, kandungan plutonium dalam perangkatMOX kisi PWR standard tidak dapat melebihi 12 wt%[5]. Kekurang-selamatan ini dimitigasi dengan men-gubah desain perangkat agar supaya mencapai ter-malisasi spektrum yang memuaskan. Kedua hal inidapat diselesaikan dengan peningkatan rasio modera-tor/bahan bakar (hingga 3,5-4) - yang disebut mod-erasi tinggi PWR (high moderation, HM-PWR) [6],atau dengan menurunkan densitas smear bahan bakarsecara radikal dari 9 g/cm3 ke 3,5 g/cm3 dengan ge-ometri kisi yang sama [7].

Metode inovatif lainnya yang telah dipresen-tasikan oleh CEA (Commissariat Energi Atomique),yang mengusulkan distribusi heterogen dari pin-pin uranium dan plutonium dalam perangkat ba-han bakar APA (advanced plutonium assembly) danperangkat CORAIL MOX, menyarankan untuk mem-pertahankan juga bentuk daya yang dapat diterima[8,9,10,11].

Posibilitas selanjutnya untuk memitigasi problemavoid adalah menaikkan fraksi 235U dalam bahan bakaragar kandungan plutonium tertentu di 4% (disebutpendekatan MIX). Di lain pihak hal ini menyebabkanbiaya fabrikasi lebih tinggi dan rasio fraksi fisi Pu lebihrendah [12].

Mengkombinasikan pendekatan desain sebelumnya,perangkat MOX yang diperkaya 235U (MOX-UE,uranium enriched) dengan moderasi lebih (over-moderated) dewasa ini sedang dikembangkan [13].Dalam kisi perangkat dengan rasio moderasi yangsedikit ditingkatkan, spektrum neutron ditermalisasi

1104-14

Page 4: Studi Skenario Transmutasi Plutonium dan Aktinida Minor ... · PDF fileKekurang-selamatan ini dimitigasi dengan men-gubah desain perangkat agar supaya mencapai ter-malisasi spektrum

Zuhair/Studi Skenario Transmutasi Plutonium . . . SIMETRI Vol.1 No.1(B) Mei’12

Gambar 2: (a) Skenario pembakaran Pu MOX di LWR dan reaktor cepat, (b) Pembakaran Pu dan daur-ulang MAheterogen di reaktor cepat, (c) Strategi dua-komponen, pembakaran TRU di ADS, (d) Strategi dua-komponen, daur-ulang Pu MOX di LWR sebelum pembakaran TRU di ADS, (e) Skenario daur-ulang bahan bakar strata-ganda (skemamulti-komponen), (f) Skenario pembakaran TRU di FBuR

dan reaktivitas void juga dijaga selama daur-ulangPu. Agar supaya mengkompensasi degradasi vektorPu (dan mematuhi batas 12% Pu), pengkayaan 235Udi bahan bakar harus ditambahkan secara gradual(hingga 3% setelah 7 daur ulang). Problema utamatambahan dengan adanya bahan bakar yang mengan-dung plutonium tinggi adalah fraksi neutron kasipmenjadi kecil sehingga memerlukan tanggapan reaktorlebih cepat pada reaktivitas dan transien daya. Dalamhal ini, potensi LWR untuk mendaur-ulang persediaanPu tingkat senjata (95% 239Pu, 5% 240Pu) tampaknyadiragukan.

Keselamatan teras reaktor dapat dibuktikan tetapterjaga untuk pemuatan hingga 30%-50% perangkatbahan bakar MOX dengan pengkayaan plutoniumsampai 5%. Pada level ini banyak plutonium dikon-

sumsi dalam perangkat MOX sebagaimana yangdiproduksi dalam UOX. Untuk MOX-UE, mensta-bilkan inventori Pu mensyaratkan bahwa 25-28% darienergi digenerasi dalam perangkat MOX. Konsumsiplutonium maksimum dalam LWR akan dicapai dalamteras MOX 100% yang kelayakannya, bagaimanapun,perlu untuk diinvestigasi. Jelaslah, karena keberadaanuranium dalam matriks U/Pu, deplesi plutonium akanberkurang. Penggunaan matriks inert sebagai peng-ganti uranium dapat meningkatkan konsumsi pluto-nium lebih tinggi namun mengorbankan umpan baliktemperatur bahan bakar.

Beberapa studi pemanfaatan thorium sebagai pen-dukung plutonium dalam bahan bakar MOX jugatelah dikerjakan yang memperlihatkan karakteristikvoid yang lebih baik. Meskipun demikian, daur ulang

1104-15

Page 5: Studi Skenario Transmutasi Plutonium dan Aktinida Minor ... · PDF fileKekurang-selamatan ini dimitigasi dengan men-gubah desain perangkat agar supaya mencapai ter-malisasi spektrum

Zuhair/Studi Skenario Transmutasi Plutonium . . . SIMETRI Vol.1 No.1(B) Mei’12

plutonium dalam LWR tidak menemui sasaran un-tuk teknologi daur ulang bahan bakar karena se-cara signifikan inventori radiotoksis dari bahan bakarbekas tidak berkurang. Jumlah aktinida minor yangdiproduksi dalam perangkat MOX adalah 3-4 kalilebih banyak daripada dalam perangkat UOX yangkonsekuensinya membutuhkan persyaratan yang lebihtinggi pada penyimpanan sementara (interim storage)dan performansi repositori jangka pendek.

3.2 Transmutasi Aktinida Minor

Strategi transmutasi yang memungkinkan untuk ak-tinida minor adalah dengan pembatasan tertentu yangditentukan oleh performa dan abilitas dari proses se-parasi kimia. Problema umum yang menyertai ak-tinida minor serupa dengan yang sudah disebutkanuntuk plutonium, yaitu memburuknya karakteristikfisika teras reaktor, khususnya koefisien temperaturvoid pendingin, umpan balik Doppler dan fraksi neu-tron kasip. Kesulitan serius tambahan adalah pro-duksi helium karena peluruhan α dari 242Cm, 244Cmdan 238Pu yang mempertinggi swelling bahan bakarserta menghasilkan tekanan udara berlebih pada pinbahan bakar. Oleh karena itu kandungan aktinida mi-nor dalam teras reaktor harus dibatasi.

3.3 Americium dan Curium

Transmutasi amercium dan curium harus beriringanbila dicapai reaksi inventori radiotoksis lebih tinggidari faktor 100 [14,15]. Lebih jauh, insinerasi curiumyang berdiri sendiri dalam fasilitas tidak dapat diper-timbangkan karena produksi panas yang sangat tinggidari 242Cm dan 244Cm yang memancarkan α dan neu-tron. Untuk memperbaikinya transmutasi curium da-pat dilakukan bersama dengan americium atau trans-mutasi curium sebagai 240Pu yang memperhitungkanpeluruhan 244Cm (umur paro 18,1 tahun) dalam peri-ode waktu 100 tahun atau lebih, dan ini masih mening-galkan 245Cm yang tak tertransmutasi.

Studi daur-ulang homogen dari americium mem-perlihatkan bahwa koefisien reaktivitas void pendi-ngin memburuk secara signifikan. Mengambil perhi-tungan batasan pada pengkayaan uranium (< 5%)atau kandungan plutonium (<∼ 12%) dalam kasusbahan bakar MOX, konsentrasi maksimum americiumdalam bahan bakar diidentifikasi sebagai 1% untukPWR standard dan 2% untuk kisi dengan moderasitinggi [16]. Hal ini berakibat pada penurunan koefisienDoppler sebesar 10% sementara koefisien temperaturmoderator berkurang 25%.

Konsumsi spesifik amercium dalam bahan bakarUOX (inventori total dari ∼ 1, 1 ton) mencapai ∼ 19kg/TWhe (produksi tahunan sekitar lima LWR-1000MWe). Menambahkan 1% Am ke dalam perangkat

MOX-UE mensyaratkan bahwa pengkayaan 235U dit-ingkatkan ∼ 2% dan kandungan Pu harus berku-rang ∼ 8%. Bila plutonium dan inventori americiumdistabilkan, 40% teras MOX-UE harus diaplikasikan.Karena rasio fisi-absorpsi untuk 241Am sangat ren-dah (virtual nol) dalam spektra termal, banyak ameri-cium (70%) dikonversi melalui 242Am ke dalam 242Cmyang secara konsekuen meluruhkan α ke dalam 238Pu,dan menghasilkan laju swelling bahan bakar yangmeningkat karena formasi dari gelembung He. Banyakopsi atraktif berkenaan dengan karakteristik neutronikteras yang dipikirkan pada daur-ulang americium het-erogen dalam perangkat terpisah yang ditempatkan disekeliling teras agar mempunyai pengaruh yang lebihrendah pada karakteristik teras.

Lain dari itu, karena laju reaksi yang rendah, in-sinerasi equilibrium dari americium di LWR mengim-plikasikan inventori bahan bakar yang sangat besar -sekitar beberapa ratus ton TRU - lebih banyak darilimbah yang dikeluarkan. Tentu saja inventori ra-diotoksis meningkat lagi karena produksi curium se-cara besar-besaran, yang bersama dengan problemareaktivitas dan swelling, mempertanyakan LWR pan-tas tidaknya untuk insinerasi MA yang efektif dalamskema skenario daur-ulang bahan bakar. Problemaswelling bahan bakar secara parsial dapat dikurangidalam spektrum neutron cepat dan membutuhkan sis-tem dengan rasio fisi-absorpsi aktinida minor yangmenguntungkan. Ini adalah hal yang tidak mungkindalam LWR standard.

4 KESIMPULAN

Studi skenario transmutasi plutonium dan aktinidaminor dengan reaktor termal telah dilakukan. Anali-sis skenario ini menunjukkan bahwa transmutasi plu-tonium tidak menguntungkan bila dikerjakan di LWRsecara individual karena problema degradasi kesela-matan teras khususnya koefisien void moderator, koe-fisien reaktivitas temperatur, koefisien Doppler danreaktivitas boron. Dengan alasan serupa, yakni mem-buruknya karakteristik fisika teras reaktor khusus-nya koefisien temperatur void pendingin, umpan ba-lik Doppler dan fraksi neutron kasip selain problemaswelling, transmutasi aktinida minor kurang efektifjika dilakukan di LWR secara individual.

Strategi untuk memecahkannya adalah denganmengkombinasikan transmutasi di reaktor termal(LWR) dengan transmutasi di reaktor cepat (FR),reaktor cepat pembakar (FBuR) dan acceleratordriven system (ADS). Strategi ini bisa berupa sistemyang didedikasikan untuk bekerja dalam transmutasiTRU (plutonium dan aktinida minor) yang dipilih daristrategi simbiosis dengan LWR dalam skenario dua-komponen atau bersama-sama dengan LWR dan FRdalam skema strata-ganda (multi-komponen).

1104-16

Page 6: Studi Skenario Transmutasi Plutonium dan Aktinida Minor ... · PDF fileKekurang-selamatan ini dimitigasi dengan men-gubah desain perangkat agar supaya mencapai ter-malisasi spektrum

Zuhair/Studi Skenario Transmutasi Plutonium . . . SIMETRI Vol.1 No.1(B) Mei’12

DAFTAR PUSTAKA

[1] ARTHUR, E., 2002, Motivation and Programs forTransmutation of Nuclear Waste, Lecture Notes: The2002 Frederic Joliot-Otto Hahn Summer School,Cadarache, France

[2] DELPECH, M., et al., 1997, Scenario of Plutonium andMinor Actinide Recycling, Proceedings of the InternationalConference on Future Nuclear Systems, GLOBAL’97

[3] , 1999, Actinide and Fission Product Partitioning andTransmutation, Status and Assessment Report,OECD/NEA

[4] HESKETH, K., et al., 1997, Multiple Recycle ofPlutonium in PWR - A Physics Code Benchmark Studyby the OECD/NEA, Proceedings of the InternationalConference on Future Nuclear Systems, GLOBAL’97

[5] BERNNAT, W., et al., 1995, PWR Benchmarks fromOECD Working Party on Physics of Plutonium Recycle,Proceedings of International Conference on Evaluation ofEmerging Nuclear Fuel Cycle Systems, GLOBAL’95, ANS,Versailles, France, September 11-14 1995

[6] KLOOSTERMAN, J., 1998, Multiple Recycling ofPlutonium in Advanced PWRs, RECOD’98

[7] DELPECH, M., 1999, Innovative Fuel Physics: InnovativeConcepts, Lecture Notes: The 1999 Frederic Joliot/OttoHahn Summer School, CEA/FZK

[8] PUILL, A. and S. ANIEL-BUCHHEIT, 1997, Full MOXCore for PWRs, Proceedings of the InternationalConference on Future Nuclear Systems, GLOBAL’97

[9] PUILL, A., et al., 1999, Mastery of the PlutoniumInventory in PWRs: The APA Concept, Proceedings of theInternational Conference on Future Nuclear Systems,

GLOBAL’99, ANS, Jackson Hole, USA, August29-September 3 1999

[10] GOLFIER, H., et al., 2001, Plutonium and Minor ActinideRecycling in PWRs with New APA Concepts, Proceedingsof the International Conference on Future Nuclearsystems, GLOBAL’01, Paris, France, September 9-13 2001

[11] VASILE, A., et al., 2003, Feasibility Studies of theCORAIL Subassembly for Pu Multi-Recycling in PWRs,Proceedings of the International Conference on FutureNuclear Systems, GLOBAL 2003, ANS, New Orleans,USA, November 16-20 2003

[12] YOUINOU, G., et al., 1999, Plutonium Management andMulti-Recycling in LWRs using an Enriched UraniumSupport, Proceedings of the International Conference onFuture Nuclear Systems, GLOBAL’99, ANS, Jackson Hole

[13] YOUINOU, G., et al., 2003, Plutonium and AmericiumMulti-Recycling in the European Pressurized Reactor(EPR) using Slightly Over-Moderated U-235 EnrichedMOX Fuel Assemblies, Proceedings of the InternationalConference on Future Nuclear systems, GLOBAL 2003,ANS, New Orleans, USA, November 16-20 2003

[14] DELPECH, M. et al., 1999, The Am and CmTransmutation, Physics and Feasibility, Proceedings of theInternational Conference on Future Nuclear Systems,GLOBAL’99, ANS, Jackson Hole, USA, August 29 -September 3 1999

[15] , 2002, Accelerator-driven Systems (ADS) and FastReactor (FR) in Advanced Nuclear Fuel Cycles, AComparative Study, OECD/NEA

[16] GRUPPELAAR, H., et al., 1998, Advanced Technologiesfor the Reduction of Nuclear Waste, Technical ReportECN-R-98-008, ECN, Petten

1104-17