analisis batas reaktivitas sampel eksperimen p ada reaktor...

380 ISSN 0216 -3128 Tegas SUlondo, dkk.

ANALISIS BATAS REAKTIVITAS SAMPEL EKSPERIMENPADA REAKTOR KARTINI

Tegas SutondoPusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan- BATAN, Yogyakarta

Nita YuliantiFMIPA - UNY, Yogyakarta

ABSTRAK

ANALISIS BATAS REAKTIVITAS SAMPEL EKSPERIMEN PADA REAKTOR KARTINI Telah dilakukan

analisis balas reaktivilas positif maksimum dari sampel eksperimen pada teras reaktor Kartini. Analisis

tersebut didasarkan pada kemampuan sistem shutdown reaktor Kartini, dengan mempertimbangkan faktorsusutan dan burn up bahan bakar. Nilai reaktivitas batang kendali ditentukan berdasarkan hasileksperimen, untuk konjigurasi teras terakhir (Agustus 2005), dengan)umlah elemen bahan bakar sebanyak69 buah. Program TRIGAP telah digunakan sebagai dasar dalam analisis ini. Berdasarkan nilai batasminimum marlin padam yang diteapkan maka disimpulkan bahwa batas maksimum toleransi sistem

pengendali reaktivitas terhadap penambahan reaktivitas positif yang berasal dari pemasukan sampeleksperimen ke dalam teras sebesar 0,325 $ atau sekitar 211 pcm. Nialai batas tersebut cukup konservatifdan dapat digunakan sebagai batas keselamatan reaktivitas dalam kaitannya dengan revisi dokumenLaporan Analisis Keselamatan (LAK) reaktor Kartini.

Kala kunci: Reaktor Karlini, Reaktivitas, Sampel eksperimen, Sistem shutdown, Mar)in padam, Neracareaktivitas, Laporan analisis keselamatan.

ABSTRACT

ANALYSIS OF REACTIVITY L1L1MT OF EXPERIMENTAL SAMPELS OF KARTINI REAKTOR. A

calculation analysi.f to determine the maximum limit of reactivity insertion of experimental sample jilrKartini reaktor has been carried out. The analysis was based on the ability of Karlini reaktor's shUldown

system, taking into account the depletion and burn up factors. The control rod worths was determined basedon the experimenfor the latest core pattern (AUgU.fl2005), with 69 filel elements. A TRIGAI' code has !>eell

utilized jilr this analysis. Based upon the minimum limit of sill/tdown margin spesijied. it is cone/uded Ihmthe maximum tolerable of positive reactivity insertion of experimental sample is 0,325 $ or around 211 pCII/.The limiting value is conservative enough and can be used as safety limit of reactivity, in relation to theupdating the Safety Analyses Report (SAR) document of Kartini reactor.

Keywords: Kartini Reactor, Reactivity. Experimental sample, Shutdown system, Shutdown margin.Reactivity balance, Safety analysis report.

PENDAHULUAN

Salah satu faktor penting untuk menjaminkeselamatan operasi dari suatu reaktor adalahketersediaan reaktivitas negatif dari sistem pengendali reaktivitas secara cukup, hal ini dimaksudkanuntuk mengkompensasi seluruh komponen reaktivitas positif yang ada selama reaktor beroperasidan sesaat menyusul terjadinya trip(l].

Sistem pengendali reaktivitas reaktorumumnya menggunakan bahan yang dapat secaraefektif menyerap neutron, dalam bentuk batangkendalL Nilai reaktivitas dari batang kendali selaintergantung dari jenis material yang digunakan, juga

tergantung dari beberapa faktor, seperti densitas,bentuk geometri, ukuran serta letak/posisi di dalamteras reaktor. Selain itu, nilai reaktivitas dari batangkendali juga berubah dengan tingkat susutan atompenyerap yang digunakan, serta tingkat fraksi bakar(burn up) dari bahan bakar.

Berdasarkan hal tersebut, perlu dilakukan

evaluasi ulang mengenai kemampuan sistemshutdown pada reaktor Kartini, dengan mempertimbangkan faktor burn up setelah dioperasikanlebih dari 25 tahun. Untuk selanjutnya dapatditentukan batas toleransi terhadap kemungkinanterjadinya penambahan reaktivitas positif akibatpemasukan sampel eksperimen ke dalam teras.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Tegas Sutondo, dkk. ISSN 0216 - 3128 381

Dokumen ini menyajikan metoda dan hasilevaluasi tersebut yang diharapkan dapat digunakansebagai batas t~rhadap reaktivitas positif dari sampeleksperimen yang akan dimasukkan di dalam terasreaktor Kartini. Selain itu juga dapat digunakanuntuk melengkapi materi dari dokumen LaporanAnalisis Keselamatan dari reaktor Kartini,. khususnya yang terkait dengan kemampuan pengendalianreaktivitas sebagaimana tercantum pada bab XVII.C,yaitu tentang Kondisi Satas untuk Operasi yangAman.

Sebagai dasar dalam evaluasi tersebut, digunakan program komputer TRIGAP yang dirancanguntuk perhitungan statik maupun diplesi untukreaktor jenis TRIGA seperti reaktor Kartini. TRIGAP adalah program difusi 2 kelompok, I dimensiyang dirancang untuk perhitungan statik maupundiplesi, serta pengeloJaan bahan bakar di daJam teras(in core fuel management). Gambar 1 memperlihatkan skema struktur program TRIGAP [21.

DASAR TEORI

Si[}'tem Pengendali Reaktivita[}' ReaktorKartini

Sistem pengendali reaktivitas reaktor Kartiniterdiri dari 3 buah batang kendali yaitu batangPengaman, Kompensasi, dan batang Pengatur.Satang pengaman berfungsi untuk memadamkansecara cepat operasi reaktor bila terjadipenyimpangan dari beberapa parameter teras yangmelampaui batas toleransi yang telah ditetapkan(setting point). Pemadaman dilakukan denganmelepaskan batang kendali tersebut secara otomatis

dari sistem pemegangnya (scram), sehingga jatuhbebas masuk ke dalam teras reaktor. Oleh

karenanya pada setiap pengoperasian reaktor, batangpengaman selalu ditarik keluar di atas teras (fullyout). Satang kompensasi berfungsi untuk mengubahtingkat daya secara lebih cepat (kasar) pada saatstart up sedang batang pengatur berfungsi untukmengendalikan tingkat daya secara halus. Satangpengaman dan batang kompensasi, ditempatkan padaring C, sedang batang pengatur berukuran lebihkecil, dan ditempatkan di ring E. Tabel I memuatspesifikasi dari ke tiga batang kendali tersebut,dimana nilai reaktivitas dari ke 3 batang kendalitersebut ditentukan dari hasil eksperimen berdasarkan konfigurasi teras bulan Agustus 2005seperti pada Gambar 2.

ELEM DA T

BURN. OUT

BURN

Burn-up Increa~e forEach FUel Element

NO

INPUT DATA

(fRIGAP.INP)

SIGMA

Zone averaged Cro~~Sech'on~

CEBISJ -D Power Di~tribution

TRIGAP .UB

CEBIS.OUT

Gambar I. Skema struktur program TRIGAP.



382 ISSN 0216 - 3128

Tabell. Spesifikasi Komponen Batang KendaH Reaktor KartinLIJI

Tegas Swanda, dkk.

BatangKendali

Pengaman

Kompensasi

Pengatur

Diameter

IUar (em)

Bentukfisik

Bahan

penyerapLokasi

Reaktivitas

Gambar 2. Konfigurasi Teras Reaktor Kartini Agustus 2005.

Reaktivitas Lebill Teras (Core Excess OfReactivity)

Setiap reaktor nuklir selalu di disain memilikitambahan reaktivitas di atas nilai reaktivitas mini

mum yang diperlukan agar reaktor dapat kritis padatingkat daya nominalnya untuk jangka waktu tertentu. Tambahan reaktivitas terse but disebut sebagaireaktivitas lebih dari teras (core excess of reactivity)yang diperlukan antara lain untuk mengkompensasiterjadinya proses penyusutan atom U-235 (burnup),serta timbulnya beberapa komponen reaktivitasnegatif selama reaktor beroperasi.· -Komponenreaktivitas negatif tersebut antara lain berasal dariterbentuknya unsur hasil belah (fission products),

terutama xenon dan samarium, serta pengaruhkenaikan suhu di dalam teras reaktor yang semuanyaberdampak pada penurunan reaktivitas reaktor.

Besarnya reaktivitas lebih dari teras reaktorsebanding dengan jumlah muatan elemen bakar didalam teras reaktor, yang dalam hal ini dibatasi olehkemampuan pemadaman (shutdown) dad sistempengendali reaktivitas yang ada, yang pada umumnya berupa batang kendali.

Komponen Reaktivitas Positif Lainnya

Selain yang berasal dari muatan bahan bakar,penambahan reaktivitas positif bisa terjadi selama

Prosidlng PPI - PDlPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN



(5)

(4)

(I)

M~ = P(N-I) - (CD + RL + RV + RRF) (2)

(3)

Reaktivitas dari total batang kendalidikurangi dengan reaktivitas batangkendali yang diasumsikan macet (batang pengaman)

Reaktivitas cacat daya

Reaktivitas lebih

Reaktivitas akibat perubahan fraksi void

Reaktivitas akibat faktor redistribusi

MP,. = P(N-I) - (CD + RL)

Agar diperoleh perk iraan hasil perhitunganyang konservatif, maka komponen reaktivitas daribatang kendali dikurangi 10% sebagai faktor koreksiterhadap ketelitian hasil pengukuran, sedang untukkomponen CD dan RL ditambah dengan 10% untukfaktor koreksi terhadap ketelitian hasil perhitungan.

Besamya reaktivitas CD dapat ditentukan daripersamaan berikut:

dengan ko dan kl masing-masing faktor multiplikasiefektif pada daya nol (Po) dan daya PI untuk kondisitanpa batang kendali (All Rods Out). Nilaireaktivitas RL dapat ditentukan dari persamaan:

Dengan demikian batas reaktivitas positif sampeleksperimen dapat dinyatakan sebagai :

Untuk kondisi di mana daya reaktor cukup kecil, dantanpa terjadi pembentukan gelembung di bagianteras reaktor (seperti pada reaktor Kartini), makakomponen reaktivitas void = O. Demikian pula bilapanjang aktif teras relatif pendek seperti padareaktor Kartini, maka komponen reaktivitas RRFdapat diabaikan, sehingga persamaan 1 menjadi:

Secara umum, nilai M?, dapat ditentukan melaluipersamaan neraca reaktivitas seperti pada persamaanberikut ini: III

dengan

CD

RL

RV

RRF

P(N-I)

Marjin Padam (Shutdown Margin)

Agar supaya operasi reaktor dapat dipadamkan setiap saat, dari sembarang tingkat daya, makadiperlukan sejumlah reaktivitas negatif yang mampumengkompensasi seluruh komponen reaktivitaspositif seperti telah dijelaskan di atas. Reaktivitasnegatif tersebut disediakan oleh sistem pengendalireaktivitas, yang dalam hal ini bisa berupa batangkendali.

reaktor beroperasi, antara lain akibat pemasukansampel eksperimen tertentu, yang bisa menimbulkankenaikan reaktivitas. Kenaikan reaktivitas teras

dapat juga muncul sesaat menyusul terjadinya trip dimana seluruh batang kendali lepas dari pemegangnya dan jatuh bebas ke dalam reaktor, akibatterlampauinya batas selling dari salah satu parametersistcm proteksi reaktor. Faktor penyebabnya antaralain pengaruh penurunan suhu moderator dan bahanbakar, penurunan fraksi void, dan terjadinyaperubahan distribusi fluks atau daya dan Xenon padaarah aksial dari bagian bawah ke bagian atas terasreaktor yang lazim disebut sebagai ReactivityRedistribution Factor (RRF), yang semuanya akanmemberikan kredit terhadap kenaikan reaktivitasteras! 1].

Kemampuan pemadaman operasi reaktor darisistem pengendalian reaktivitas tersebut umumnyadiukur dengan suatu parameter yang disebut denganMarjin Padam (Shutdown Margin) yang didefinisikan sebagai selisih antara total reaktivitas batangkendali yang ada, terhadap total komponen reaktivitas posistif yang perlu dikompensasi, denganmenganggap satu batang kendali dengan reaktivitasterbesar berada di luar teras (fully out) dan tidakberfungsi.lI)

Besamya marjin padam minimum yangditetapkan dari suatu reaktor disebut sebagai marjinpadam disain (MPD) atau Design Shutdown Marginyang mencerminkan besamya cadangan reaktivitasnegatif yang masih tersedia diluar batas minimumyang dibutuhkan untuk memadamkan operasireaktor. Untuk reaktor Kartini ditetapkan besamyanilai MPD sebesar 500 pcm atau = 0,769 $. Padakenyataannya, sistem pengendali reaktivitas selaludidisain memiliki marjin pad am yang lebih besardari batas minimum disain (MPD) yang ditetapkan,yang disebut sebagai marjin padam yang tersedia(MPr) atau Available Shutdown Margin. Selisihantara MPr dan MPD mencerminkan batas toleransiterhadap kemungkinan terjadinya penambahanreaktivitas positif ke dalam teras secara tak terduga,sewaktu reaktor beroperasi pada tingkat daya penuh,misal akibat pemasukan sampel eksperimen yangberakibat terjadinya kenaikan reaktivitas (RS).

Prosiding PPI • PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN


384 ISSN 0216 - 3128 Tegas SUlondo, dkk.

Bila dikehendaki nilai dalam satuan dollars ($) maka

persamaan 3 dan 4 dibagi dengan fraksi neutron

kasip efektif (/3eJJ) dari reaktor yang ditinjau. Untukreaktor Kartini nilai /3e11= 0,0065.[4]

METODOLOGI

Sebelum melakukan perhitungan komponenreaktivitas positif CD dan RL maka perlu dilakukansimulasi pengaturan konfigurasi elemen bahan bakardi dalam teras sedemikian rupa sehingga dihasilkanreaktivitas teras yang maksimal. Simulasi tersebutdilakukan untuk menjamin bahwa setiap pertukaranposisi elemen bahan bakar (reshuflling) di dalamteras diperkirakan tidak akan melebihi nilaireaktivitas tersebut. Simulasi perhitungan tersebutdilakukan menggunakan paket program TRIGAPdengan mengamati nilai keJJ yang terbesar. Selanjutnya, konfigurasi teras yang teroptimasikan tersebutdigunakan sebagai dasar dalam perhitungan komponen reaktivitas CD dan RL.

Selanjutnya dilakukan beberapa tahap perhitungan sebagai berikut:

I. Perhitungan keJJ pada daya nol untuk menentukanreaktivitas lebih teras pada kondisi dingin tanpaxenon (cold, zero power).

2. Perhitungan kefT pad a daya 100 kW, denganxenon dalam kondisi equilibrium.

3. Berdasarkan persamaan 4 dan 5, dihitungkomponen reaktivitas CD dan RL sehinggabesarnya marjin padam yang tersedia (MPT)

dapat ditentukan berdasarkan persamaan 3.

4. Selanjutnya berdasarkan hasil evaluasi MPT

tersebut, dan nilai MPD yang telah ditetapkanuntuk reaktor Kartini, maka besarnya batasreaktivitas positif sampel eksperimen dapatditentukan berdasarkan persamaan I

.HASIL DAN PEMBAHASAN

Perhitungan simulasi optimasi konfigurasielemen bahan bakar telah dilakukan dengan carapertukaran posisi elemen bakar yang ada di dalamteras (reshu.fJle), untuk mendapatkan nilai faktormultiplikasi (keJJ) yang terbesar. Tabel 2 memperlihatkan konfigurasi teras reaktor Kartini setelahdilakukan simulasi optimasi.

Berdasarkan konfigurasi tersebut, selanjutnyadilakukan perhitungan nilai kefTpada tingkat dayanol (kl) dan 100 kW (k2), sehingga dapat ditentukannilai komponen reaktivitas CD dan RL sepertiditunjukkan pad a Tabel 3.

Tabel2. Konfigurasi teras reaktor Kartini teroptimasikan.

Ring-B-C

D

E

F

Nomor Identifikasi Elemen Bahan Bakar

9639-9870

9640--9889

98869978

9892

9996

9988

9883

9354

9542

Tabel3. HasH Perhitungan kef/' RL dan CD Untuk Konfigurasi Teroptimasikan.

Daya = 0 kW Daya = 100 kWCD = In(k 11k 2)

k 1

RLRLk2

RLRL

(pcm)~ ($) (pcm)($)(pcm)($)

., •••. ,<"" ".

I51?;5._.~

:::,.~ ....•. .,:: .~~.;.1,0152~

2 331 ~,1,0049.03}89 ~!fo 75210251,577~..••• ' >0\

~"




Selanjutnya berdasarkan nilai reaktivitasbatang kendali pada Tabel 1 dan komponenreaktivitas RL dan CD pada Tabel 3 dan denganmemasukkan faktor koreksi untuk ketiga komponenreaktivitas tersebut sebesar 10 %, maka dapatditentukan nilai marjin pad am yang tersedia (MPr)dapat ditentukan yaitu:

MPr = 0,9(2,351 + 1,711)-1,1 (1,577+0,752)

1,094 $ atau = 711 pem.

Nilai MPr tersebut masih 0,325 $ atau sekitar 211pem diatas batas disain (MP/) yang ditetapkansebgesar 500 pem atau = 0,769 $. Kelebihanreaktivitas batang kendali tersebut dapat digunakansebagai batas maksimum penambahan reaktivitaspositif diluar komponen reaktivitas yang telahdiperhitungkan di atas yang dalam hal ini bisabcrasal dari dampak dari pemasukan sam pelcksperimcn (RS), ke dalam teras.

Mengingat nilai reaktiivitas dari batangkendali yang digunakan ditentukan berdasarkan hasileksperimen yang mana sangat sensitif baik terhadapjumlah muatan, tingkat burn up serta konfigurasibahan bakar di dalam teras, maka untuk setiapterjadi perubahan jumlah dan konfigurasi teras perludilakukan evaluasi ulang terhadap nilai marjinpadam tersebut. Dengan demikian nilai batasreaktivitas positif sampel eksperimen tersebut jugadapat berubah sesuai dengan kondisi jumlah muatandan konfigurasi teras. Demikian pula untuk tingkatdaya nominal yang lain, maka besarnya nilaikomponen eaeat daya (CD) juga akan berubah,sehingga akan berpengaruh terhadap nilai marjinpadam yang tersedia.

KESIMPULAN

Telah dilakukan analisis batas reaktivitas

positifmaksimum dari sampel eksperimen pada terasreaktor Kartini, berdasarkan pada kemampuansistem pengendalian raktivitas reaktor Kartini,dengan mempertimbangkan faktor susutan danburnup bahan bakar. Nilai reaktivitas batang kendalidiperoleh dari hasil eksperimen, berdasarkankonfigurasi teras terakhir (Agustus 2005), denganjumlah elemen bahan bakar sebanyak 69 buah.Pengaruh reaktivitas umpan balik (feedback) darivoid dan faktor redistribusi (RRF) diabaikan dalamanalisis ini, mengingat pengaruhnya sangat keci!.Serdasarkan nilai batas minimum marjin padamyang diteapkan (MP/) sebesar 500 pem atau = 0,769$ maka marjin padam yang tersedia masih lebihbesar 0,325 $ atau sekitar 211 pem diatas batas

disain tersebut. Kelebihan tersebut dapat digunakansebagai batas maksimum penambahan reaktivitaspositif yang berasal dari dampak pemasukan sampeleksperimen (RS) ke dalam teras sebagai bagian daridokumen Laporan Analisis Keselamatan dari reaktorKartini. Nilai batas tersebut dapat berubahtergantung dari beberapa faktor, seperti jumlahmuatan bahan bakar, konfigurasi teras, tingkat daya,dan burn up.

DAFTAR PUSTAKA

I. TEGAS SUTONDO, HERI SISWONO,MASDlN, Analisis Perhitungan ShutdownMargin dan Trip Reactivity Reaktor AP600pada Mode Operasi Daya Rendah, ProsidingPertemuan dan Presentasi I1miah Penelitian

Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir,Yogyakarta 26-27 Mei 1998.

2. I. MELE, M. RAVNIK, TRICAP - A ComputerProgramme For Research Reaktor Calculations, J. Stefan Institute, Ljubilana, Yugoslavia, Dec., 1985.

3. Laporan Tri Wu/an Operasi Reaktor Kartini,Periode Oktober - Desember 2005, P3TM SATAN.

4. SAMUEL GLASSTONE and ALEXANDER

SESONSKE, Nuclear Reactor Engineering"Van Nostrand Reinhold Company, 1980,Chapter 2. halaman 192.

TANYAJAWAB

Agus Purwadi

- Apakah metoda analisis ini berlaku semua reaktornuklir fisi saja? Apakah ada reneana untukdipakai kelak di PLTN?

Tegas Sutondo

Metoda analisis yang digunakan adalahdidasarkan pada neraca reaktivitas antarakomponen reaktivitas negatif yang tersediadengan reaktivitas positif yang harusdikendalikan. Metoda ini lazim digunakanpadaanalisis shutdown margin pada suatu reaktor fisi,termasuk PLTN.


Yogyakarta. 10 Juli 2006

analisis batas reaktivitas sampel eksperimen p ada reaktor...

Documents