Prosiding Perlemuan datI Presenlasi /lmiahP3TM-BATAN, Yogyakarla 2.5 -: 26 Juti 2000]70 Buku I

ANALISIS KEKRITISAN PERANGKA TSUBKRITIK YANG DIMODIFIKASI UNTUKLITBANG REAKTOR SUHU TINGGI.

REAKTORFASILITAS

Syarip, Tri WuJan Tjiptono, Tegas SutondoPI/sat Penelitian Dan Pengembangan Teknologi Majl/ BAT..tN

ABSTRAKANALISIS KEKRITISAN PERANGKAT REAKTOR SUBKRITIK YANG DIMODIFIKASI UNTUKFASILITAS LITBANG REAKTOR SUHU TINGGI.. Te/ah dilakukan s/udi kekri/isan dari perangkatreaktor subkri/ik sistem uranium a/am -air ringall (V-H..O) yang ada di P3TM-BA7i1N Yogyakarta untukkemungkinan dimodifikasi melljadi sis/em uranium alam -graft/. Studi ini dimalcsudkan untuk menggunakansistem tersebut sebagai sarana penelitian dasar pengkajian karakteristik statik dan kinetik sistem reaktorsuhu tinggi (RST) di mana bahan bakar RST terse but sedallg dikemballgkan di P3TM. Metode analisis yangdigunakan adalah dengan melakukan perhi/ullgan neutronik dellgall balltuall paket program IVIMSD/4 ulltukmellentukan faktor perlipatan lIeutron (k,) untuk beberapa konfigurasi sistem reaktor dengan bahall bakarV-Alamo Hasil perhitungan menulljukkall bahwa untuk model sistem reaktor : V-He-H]O. memberikan nilaik.f = 1.0474 don un/uk sistem V-He-He memberikall nilai k'f = 1.4666. Sedangkanjika digunakan bahan

moderator Grafit dengan pendingin yang sarna (sistem V-C-H]O dan V-C-He) masing-masing memberikannilai k'f = 0.787 dan 0.4211. Berdasar hasil analisis /ersebut dapat disimpulkan bahwa modifikasi darisistem V-H]O menjadi V-C-H]O, secara neutronik dapat terpenuhi serlo paling aman, murah dall pl'pktiskarena pendingin H]O paling mudah penanganannya.

ABSTRACTCRITIC4LITY ANALYSIS OF TilE U-//1O SUBCRIT/CAL ASSEMBLY MODIFIED FOR R & D OFTHE HIGH TEMPERATURE REACTOR. A criticality ana./ysis of the natural uranium -light water sub-critical assembly available at the P31M-BATAN Yogyakarta, converted into a natural uranium -graphitesystelJl has been performed. The purpose of this study is to provide the research facility on the basic staticand kinetics studies for the high temperature reactor (HTR) in which the HTR fuel system is underdevelopment at the P3TM For the purpose of this study, a neutronic calculation was performed usingWIMSD/4 code, to determine the neutron multiplication factor for various fuel configurations of the sub-critical assemblies. The results show that the effective neutron multiplication factor (k.; for V-Be-H2O andV-He-He systems are ./,0474 and 1,4666 respectively, while for the graphite moderated systems with coolantsof H2O or He (V-C-H2O and V.C-He) systems, the corresponding k./are 0,787 and 0.42././ respectively. The

results conclude that the modification of V-H2O to V-C-H2O system is neutronically quite feasible, safe,cheap and practical, and in addition, the treatment of H2O is relatively easy.

dengan melakukan perhitungan neutronik untukmenentukan faktor perlipatan neutron (tingkatsubkritikalitas) pad a beberapa konfigurasi sistemreaktor subkritik dengan bantuan paket programWIMSD/4 [I].

Diharapkan dari analisis ini dapa.t diperolehsuatu sistem reaktor subkritik yang dapat dipakaiuntuk melakukan eksperimen clan pengukuranparameter-parameter fisis statik suatu RST, dansebagai alat untuk pengujian sifat neutronik darielemen bakar RST yang dikembangkan oleh P3TM.Pada tahap berikutnya dapat dikembangkan untuklandasan pembuatan perangkat kritis RST.

PENDAHULUANP erangkat reaktor subkritik sistem uranium alam -

air yang ada di P3TM BATAN Yogyakarta saat

ini dioperasikan dengan menggunakan sumberneutron yang berasal dari salah satu beamportreaktor Kartini. Dengan adanya rencana programpenelitian dan pengembangan reaktor suhu tinggi(RST), maka fasilitas reaktor subkritik tersebutdapat dimodifikasi sedemikian sehingga dapatberperan sebagai wahana untuk penelitian dasar /eksperimen pengukuran parameter statikakarakteristik RST.

Modifikasi yang dilakukan adalah mengubahsistem subkritik uranium alam -air ringan menjadisistem subkritik uranium alam -grafit, oleh karenaire diperlukan perhitungan dan analisis tingkatsubkritikalitas dari sistem tersebut. Metode yangdapat digunakan untuk analisis tersebut adalah

DASARTEORISistem Reaktor Subkritik

Perangkat reaktor subkritik merupakan

susunan bahan bakar nuklir dan bahan moderator,

Syarip. dkk ISSN 0216-3128.

Pros;d;ng Pertemuan dan Presentas; IIm;ahP3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Jut; 2000 Buku I 171

dengan volume yang cukup kecil sehingga reaksiinti berantai dalam sistem ini tidak dapatdipertahankan tanpa bantuan sumber neutron dariluar. Sumber neutron luar ini akan mengkompensasikehilangan neutron yang diserap oleh bahan bakarclan bocor ke luar sistem sehingga akan diperolehdistribusi neutron yang stationer di dalam sistem.Melalui penggunaan perangkat reaktol subkritikdengan sumber neutron yang stasioner, maka

beberapa besaran fisis yang sangat penting dalamfisika reaktor dapat diukur seperti didalam reaktorkritis. Keuntungan perangkat subkritik dibandingdengan perangkat reaktor kritis yaitu tidakdiperlukan sistem pengendali sehingga menjadilebih sederhana clan sebagian besar besaran-besaranfisika reaktor dapat diukur juga dengan perangkatsubkritik.

(1)-Vg

Perhitungan reaktor pada paket programWIMS/D4 didasarkan pada teori transport.Persamaan transport multikelompok mel1lpakansuatu set persamaan yang dapat dituliskan sebagaiberikut [2) :

yang telah dimumikan dengan alat penukar ion(demineralizer) setinggi 1,3 meter. '.

Bahan bakar reaktor subkritik adalah uraniumalam dengan kadar U238 = 99,3 % dan U23S = 0,7 %di dalam kelongsong silinder dengan diameter 32,9mm dan tinggi 125 mm, Berat satu bahan bakaradalah 1,687 kg. Elemen-elemen bahan bakardimasukkan ke dalam tabung pipa aluminium,diameter tabung adalah 38 mm, tebal 2 mm danpanjang 1500 mm. Pada kepala tabung (bagian atas)terdapat 2 buah lubang masing-masing berdiameter10 mm digunakan untuk tempat memasukkan kawatpenggantung. Bagian dinding dan dasar tabungterdapat lubang-lubang untuk memperlancarjalannya air masuk/keluar tabung pada saatpemasukan/pengeluaran bahan bakar dari tangki.

Pada setiap tabung pipa aluminium diisikan10 buah elemen bahan bakar. Sebanyak 178 tabung-tabung bahan bakar dimasukan tangki reaktor. Tigaset kisi bahan bakar dengan masing-masing jaraklubang 4,5 dan 6 cm digunakan untuk menempatkantabung-tabung bahan bakar sedangkan set kisidengan jarak lubang adalah 6 cm, dengan demikiandidapat jarak antar bahan bakar adalah 6 cm.Modifikasi yang dilakukan .

Elemen-elemen bahan bakar dimasukan kedalam blok-heksagonal grafit pada lubang yangdisediakan dan direncanakan setiap blok heksagonalgrafit ukuran sisi 20 cm dan panjang 60 cm berisi 7atau 9 lubang. Konfigurasi kisi-kisi bahan bakardapat disusun berbentuk heksagonal, silinder ataubentuk lainnya sesuai kebutuhan eksperimen.

Pemasukan dan pengeluaran bahan bakardilakukan pada tiap-tiap lubang setelah terlebihdahulu dimasukkan ke dalam kelongsong aluminiumdi mana tiap kelongsong maksimum dapat memuat10 elemen bahan bakar. Jumlah bahan bakar yangdipasang didalam tangki reaktor dapat mcncapai 178batang dengan berat uranium :I: 3,5 ton. Secaraumum gambaran dari modifikasi perangkat reaktorsubkritik tersebut dilukiskan pad a Gambar I.

di mana v jumlah neutron tiap fisi, La tampanglintang serapan dan f adalah faktor penggunaantermal. Sistem pada kondisi subkritik apabila hargakef lebih kecil dari satu, yang berarti populasineutron di dalam sistem reaktor cenderung menurun.

Deskripsi Perangkat Reaktor Subkritik

Susunan teras reaktor subkritik yang saat iniada di P3TM BA TAN Yogyakarta terdiri dari bahanbakar uranium dan moderator air dalam bentuksilinder. larak kisi an tar bahan bakar mempunyaiberbagai kemungkinan, baik menggunakan plat-platkisi tetap maupun menggunakan sistempenggantung. Komponen-komponen perangkatreaktor subkritik an tara lain (terdiri dari): tangkireaktor, reflektor, penggantung, plat penggantung,tiang-tiang penyangga, motor dan dudukan reflektordan lain-lain.

Tangki reaktor terbuat dari aluminium tebal 4mm dalam bentuk silinder dengan diameter 1,5meter dan tinggi 1,54 meter. Tangki diisi air (H2O)

ISSN 0216-3128 Syarip, dkk

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IlmiahP3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Juli 2000172 Buku I

Gambar 1. Konfigurasi perangkat reaktor subkritik

Hal Data Tipe daTi pehitungan reaktor Transfer Informasi dari langkahsebelumnya

ripe

Reaktor 3erkas-berkas data evaluasiI evaluation data file)

Pemrosesan tampanglintang

Karakteristik kisi (komposisi +

geometri

IPustaka

multigrup (mikroskopis)

IProgr8m/Code kisi

I'-.arakteristik teras (geometri + polapemuatan bahan .]Dakar I

Pustaka ban yak kelompok (

akroskopis)

Program/CodebfrusltIBD, 3DB dll)

iK.r

,<1>( r ,E},P{ r ):Strategi bum-up

IBum-up

IPoia

pemuatan~embali

B(r)

Pemuatan kembali

Gambar 2. Diagramuntuk perhitungan reaktor (Kulikowska, 1990)

.~~Syarip, dkk ISSN 0216-3128.

Prosiding Pertemuan don Presentasi I/miahP3TM-BATAN, Yogyakarta 25-:::26 Juti 2000 173Buku I

MET ODE PERHITUNGAN DANANALISISDeskripsi Paket Program WIMSD/4

WIMSD/4 adalah program WIMS yangsudah mengalami modifikasi sehingga dapat diaksesdalam PC. \' IIMS adalah paket program yangdikembangkan oleh UK Atomic EnergyEstablishment di Winfrith untuk perhitunganreaktor. Paket program WIMSD merupakan alatyang sudah biasa digunakan dalam menyiapkankonstanta group untuk analisis neutronik reaktorTRlGA maupun MTR.

Diagram di atas menunjukkan langkah-langkah proses perhitungan reaktor dengan paketprogram WIMS. Pemakai harus menyiapkankarakteristik kisi ( geometri clan komposisi).Karakteristik geometri berupa informasi tentangdimensi pin/kisi ( ukuran diameter elemen bahanbakar, tebal lapisan moderator/pendingin untukperhitungan model pin (satu elemen bakar) atauukuran dimensi annulus clan susunan elemen bakar

untuk perhitungan model cluster ( perangkat bahanbakar). Karakteristik komposisi berupa infonI1asiten tang kode material, nomor Massa material (BeratMolekul), suhu ~K), fraksi atom dalam material (umumnya dinyatakan dalam % berat molekul).Semua data terse but sebagai data masukan.

Data masukan program WIMS dibagimenjadi 3 bagian sebagai berikut [3,4,S).

1. Prelude Data, pada bagian ini ditulis dataten tang karakteristik dimensi

2. Main Data, pada bagian ini ditulis statemenuntuk data geometri, data komposisi material,kartu kendali untuk proses-proses perhitungantam pang lintang dan penyelesaian flux, bumup,perhitungan siklus bahan bakar, perhitunganmulticell, perubahan kartu SEQUENCE (pemilihan routine untuk persamaan transport),

3. Edit data, dalam bagian ini dituliskan statemenuntuk editing data untuk perhitungan kebocoranclan kendali kendali fraksj bakar.

Sedangkan model sistem reaktor uranium alamdengan moderator grafit dan pendingin air maupunhelium meberikan faktor perlipatan efektip berhargalebih kecil dari satu yang berarti sistem tersebutmerupakan reaktor subkritis.

Secara teoretisl2] ukuran kemampuan bahanuntuk memperlambat atau memoderasi neutronbiasanya dinyatakan dari nilai 'daya perlambatan'(c,Ls ) yaitu perkalian dari tam pang lintang

hamburan Ls dengan kehilangan energi logarithmikrerata tiap tumbukan ~ dari bahan tersebut.Sedangkan efisiensi dari bahan dalam prosesperlambatan neutron dinyatakan sebagai 'moderatingratio' (asla.)~ , yaitu rasio daya perlambatan dengantampang lintang serapan a.. Hasil perhitungantersebut di atas membuktikan bahwa berilium dangrafit merupakan moderator yang sangat baik, danberilium lebih baik dari grafit. Hal ini juga sesuaidengan data sifat moderasi dari bahan-bahanterse but yaitu bahwa moderator neutron yang baikharus mempunyai daya perlambatan yang tinggi clanmoderating ratio yang baik. Walaupun demikiansecara teknis maupun ekonomis penangananberilium cukup rumit clan mahal, oleh karena itupilihan kepada penggunaan grafit lebihmenguntungkan. Demikian pula penggunaan airmumi sebagai pendingin lebih menguntungkandibandingkan dengan helium, karena air sangatmelimpah clan murah serta mudah penangananya.

Berdasar hasil di atas maka ditinjau dari segineutronik perangkat subkritik dapat dijadikanpengkat kritis dengan model moderator berilium danpending in gas helium atau air. Dari segi ekonomipemakaian air sebagai pendingin adalah palingmemungkinkan, terlebih dalam hal ini barn dalam

HASIL PERHITUNGAN DANPEMBAHASAN

perhitungan dilakukan dengan beberapamodel konfigurasi sistem reaktor yaitu sistemreaktor menggunakan bahan bakar uranium alamdengan variasi moderator berilium dan grafit sertavariasi pendingin air dan gas helium. Modelkonfigurasi sistem reaktor tersebut adalah : U-Be-H2O, U-Be-He, U-C-H2O., clan U-C-He.

Contoh data masukan code WIMSD/4 untuksistem perangkat subkritik dengan bahan bakaruranium alam, moderator grafit dan pendingin airringan disajikan pada Lampiran I. Data tersebutadalah untuk 4 kelompok energi neutron yaitu :kelompok neutron termal 0 eV < E < 0,625 eV,kelompok neutron epitermal 0.625 eV < E < 4 eV,kelompok neutron resonan 4 eV < E < 9,118 keV,

dan kelompok neutron cepat dengan energi 9,118keY < E < 10 MeV. Jumlah daerah 45 buah dibagidalam 5 bagian (ring), clan jumlah material 4 buah.

Hasil perhitungan menunjukkan bahwa untukmodel sistem reaktor : U*Be-H2O, memberikan nilaik.f = 1,0474 clan untuk sistem U-Be-He memberikannilai k.f = 1,4666. Sedangkan jika digunakan bahanmoderator grafit dengan pendingin yang sarna(sistem U-C-H2O dan U-C-He) masing-masingmemberikan nilai k.f = 0,787 dan 0,4211.

Hasil perhitungan terse but di atasmenunjukkan bahwa model sistem reaktor uraniumalam dengan moderator berilium dan pendinginhelium maupun air masing-masing memberikanfaktor perlipatan efektip lebih besar dari satu, yangberarti sistem tersebut menjadi sistem reaktor kritis.

ISSN 0216-3128 Syarip,di"<1<,

PERANGKA T REAKTOR SUBKRITIKDENGAN REAKTOR KARTIN,I, PPBMIBATAN Yogyakarta 1984. .

taraf eksperimen.

Dalam studi ini belum sampai pad aperhitungan bum-up bahan bakar, analisis dibatasipacta lingkaran kotak besar (Iihat Gambar I), yaitubaru dilakukan analisis neutronik untuk memperolehinformasi tentang kemungkinan penggunaanperangkat subkritik yang acta di P3TM dijadikansebagai sarana eksperimen menuju reaktor suhutinggi. Selain itu faktor bum-up bahan bakar pactareaktor subkritik bukan sesuatu hal yang dominan.Diharapkan dengan fasilitas subkritik ini dapatmenjadi sarana pendukung yaitu sebagai tempat ujineutronik dari prototip bahan bakar suhu tinggi hasilpenelitian dan pengembangan bahan bakar kernelyang dilakukan di P3TM BATAN Yogyakarta.

KESIMPULAN

Berdasarkan uraian hasil anal is is di atas

dapat disimpulkan bahwa modiflkasi dari sistem U-

H2O menjadi U-C-H2O secara neutronik dapat

terpenuhi serta paling aman, murah dan praktis

karena pending in H2O paling mudah

penanganannya. Tingkat subkritikalitas dari sistem

uranium alam -grafit tersebut adalah antara 0,4211

dan 0,787. Dari hasil perhitungan terse but dapat

disimpulkan pula bahwa perangkat subkritik

uranium alam -air ringan yang ada di P3Tm

BAT AN Yogyakarta dapat dijadikan perangkat

kritis dengan model moderator berilium dan

pendingin air atau gas helium.

DAFTARPUSTAKA1. KULIKOWSKA, T, Lattice Cell Calculation,

Slowing Down Theory and Computer Codes

WIMS, Workshop on Reactor Physics forApplication in Nuclear Technology, 1990.

2. DUDERSTADT, J.J. & HAMILTON, L.J.,

Nuclear Reactor Analysis, John Wiley & Sons,

Inc., 1976.

3. KULIKOWSKA, T, Unit-Cell E.nd Super-Cell

Homogenisation, Workshop on Nuclear

Reaction Data and Nuclear Reactors,

H4.SMR/92 1-2, IAEA-ICTP, 1996.

4. BAMBANG SUMARSONO, Aplikasi Program

WIMS Untuk Perhitungan Parameter Reaktor

Kartini Dengan Metode Pin-Cell dan Cluster,

Prosiding Penelitian Dasar IPTEK Nuklir,

Yogyakarta,1995.

5. TRIWULAN TJIPTONO, Studi Kritikalitas

Bundel Elemen Bakar Dengan Komposisi UO2-

BeO, UO2-C, UC dan UC2 Untuk Teras

Reaktor Temperatur Tinggi, Jumal Teknologi

Reaktor Nuklir TRI DASA MEGA, Vol.-I, No.

I, Oktober 1999.

6. BUKU LAPORAN PENGKOPELAN

TANYAJAWABSudardjo.Mengapa bentuk perangkat untuk bahan bakar

berbentuk segi enam?, Bagaimana jikabentuknya silinder (Iingkaran) seperti bent ukbahan bakamya sendiri. Mana yang lebihmenguntungkan dari segi neutronik ataupengendalian kekritisan.

-Jika U-C-H2O lebih baik dari U-Be-H2Osebagai moderator dari segi ekonomi ? Jika kefU-Be-H2O = 1,0474 dan U-C-H2O = 0,787,

mana yang lebih ekonomis dari segipenambahan bahan bakar agar cepat kritis ?

Syarip-Dipilih ben/uk perangka/ hexagonal agar bisa

diisi bahan bakar lebih banyak denganhomogeni/as madera/or yang lebih baikdibanding ben/uk perangka/ silinder, (Darisegi neu/ronik ben/uk hexagonal lebihmengun/ungkan),

-Dari segi neu/ronik/penambahan bahan bokor,yang lebih ekonomis adalah sis/em U-Be-He.

Dewita-Oayanya tidak ada alias = 0 bagaimana bisa

menjadi penghasil panas?-Oimana korelasi reaktor suhu tinggi dengan

reaktor subkritis ?

Syarip-Memang sis/em yang dianalisis /idak dirancang

un/uk penghasil panas, /e/api sebagai sis/empenguji HTR dari segi neu/ronik.

-Korelasi reak/or suhu /inggi dengan reak/orsubkri/is adalah dari segi neu/ronnik dankine/ika reak/or.

Soeleman-Berapa daya yang bisa dioptimasikan bila hanya

dibebani bahan bakar 3,5 ton.

-Penggunaan reaktor kritis dengan bahan bakarU alam, apakah menguntungkan ?dibandingkan dengan U diperkaya. ",

-Bila U alam yang efektif modurasi danpendinginnya adalah 020 ?

Syarip-Daya nol, a/au daya rendah orde I -10 kW

-Dari segi /eknis mengun/ungkan karena /idakmemerlukan perkayaan dengan U-235.

.Memang benar jika yang diinginkan adalahsis/em reak/or P WT/B WR.

Syarip, dkk ISSN 0216-3128.

LAMPIRAN 1

Contoh data masukan code WIMSD/4 untuk sistemperangkat subkritik dengan bahan bakar uraniumalam, moderator grafit dan pendingin air ringan.

.CELL 7

SEQUENCE INGROUP 4NMESH 105NREGION 45 5NMATERIAL 4PRECUTlNITIA TE.AN1'IULUS I 1.645 IANNULUS 2 1.9 2ANNULUS 3 2.2 3ANNULUS 4 2.25 2ANNULUS 5 5.75 4ANNULUS 6 5.775 2ANNULUS 7 6.075 3ANNULUS 8 6.1 2ANNULUS 9 9.39 IANNULUS 1010.64 2ANNULUS II 10.94 3ANNULUS 1210.9652ANNULUS 13 14.4654ANNULUS 14 14.4902ANNULUS 1514.7903ANNULUS 16 14.9902ANNULUS 17 18.280 IANNULUS 18 18.4802ANNULUS 1918.78 3ANNULUS 20 18.805 2ANNULUS 21 22.3054ANNULUS 2222.3302ANNULUS 23 22.6303ANNULUS 24 22.885 2ANNULUS 25 26.385 IANNULUS 26 26.640 2ANNULUS 2726.9603ANNULUS 2826.985 2ANNULUS 29 30.485 4ANNULUS 3030.5102ANNULUS 3130.8103ANNULUS 3231.0952ANNULUS 33 34.595 IANNULUS 34 34.860 2ANNULUS 35 35.1603ANNULUS 3635.1852ANNULUS 37 38.685 4ANNULUS 3838.7102ANNULUS 3939.0103ANNULUS 40 39.265 2ANNULUS 41 42.555 1ANNUIJUS 4242.8102ANNULUS 4343.1103ANNULUS 4443.1352

ANNULUS 45 44.885 4.ARRAY III 0.0 '.ARRAY 11 87.1ARRAY 21 1616.535ARRA Y 3 1 2424.740ARRAY 4 1 32 32.950ARRAY514040.910ROD SUB 1 1 1.645 1RODSUB 121.9002RODSUB 2 1 1.645 1RODSUB 2 2 1.900 2RODSUB 3 1 1.645 1RODSUB 32 1.9002RODSUB 4 1 1.645 1RODSUB 4 2 1.900 2RODSUB 5 1 1.645 1RODSUB 5 2 1.900 2DANCOFF 0.6192271110.619227111"MATERIAL 1 10.6300.0001235.4 0.6931E-2$

2238.40.878322160.1185283239.11.000000E-19MATERIAL 2 2.69820 300.000 2271.0000MATERIAL 3 1.00000 300,000 3 4001 0.1111160.8889MATERIAL 4 1.62000 300.000 3 12,1.0000MESH 3 1 2 1 5 1 2 1 6 1 2 1 5 1 2 1 6 1 :7. 1 5 1 2 ]6121512$

16121512161213FEWGROUPS 14284569BUCKLING 2.5E-5 1.5E-4BEGINCLEAKAGE 5THERMAL 2.BUCKLING 2.5E-5 1.5E-4BEGINC.EOF