Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

OPTIMASI PEMUATAN TARGET ISOTOP IR-192 DAN FPMDI TERAS RSG-GAS DARI SEGI NEUTRONIK

Oleh:

Sri Kuntjoro, As Natlo Lasman, Kun Sutlarso 0, Gatot PraptoriadiPusat Reaktor Serba Guna - Badan Tenaga Atom Nasional

ABSTRAKOPTIMASI PEMUATAN TARGET ISOTOP IR-l92 DAN FPM DI TERAS RSG-GAS

DARI SEGI NEUTRONIK. Telah dilakukan optimasi pemuatan target isotop 1r-l92 dan FPM(Fission Product Molybdenum) di teras RSG-GAS ditinjau dari sudut neutronik. Optimasi meli-putijumlah massa target yang dapat diiradiasi di teras RSG-GAS, posisi iradiasi untuk setiap target,reaktivitas gangguan saat iradiasi serta reaktivitas gangguan saat pemuatan atau penarikan target FPMpada kondisi reaktor beroperasi dan dilakukan dengan cara perhitungan. Perhitungan dilakukanmenggunakan paketprogram WIMS/D4dan UM2DB yangmasing-masing digunakan pada perhitungansel dan teras reaktor. Hasil yang diperoleh adalah massa 1r-l92 dan FPM yang dapat diiradiasi di terasRSG-GAS berturut-turut sebesar 720 gram dan 120 gram. Posisi iradiasi yang digunakan adalah duaposisi iradiasi pusat (C1P) untuk target FPM dan empat posisi iradiasi (IP) untuk target 1r-I92.Reaktivitas gangguan akibat adanya target-target isotop adalah 0,80 % L kJk dan perubahan reaktivitasgangguan akibat pemuatan dan penarikan target FPM saat reaktor beroperasi pada daya turon 5 MW(reduce power) adalah 0,20 % LkJk. Hasil ini menjamin reaktor tetap dapat beroperasi dengan am ansaat iradiasi maupun saat pemuatan dan penarikan target pada kondisi operasi daya ditinjau dari sudutneutronik.

ABSTRACTOPTIMIZA nON OF IR-l92 AND FPM ISOTOP TARGETS INRSG-GAS CORE FROM

NEUTRONIC ASPECT. Optimization ofisotop targets 1r-l92 and FPM irradiation in RSG-GAS core. from neutronic aspect has been done. Optimization covers determination of target amount and it's

positions in the core, change of reactivity during irradiation and loading/unloading of one FPM capsulat reduced power of 5 MW. It was carried out by calculation. Calculation has been done with W1MS/D4 and UM2DB computer programs. W1MS/D4 code was used for cell calculation, and UM2DB codewas used for reactor calculation. The results of max imum mass of radioisotop target 1r-l92 and FPM,induced reactivity, insertion or withdrawn reactivity of one FPM capsul are 720 gram, 120 gram, 0,80% LkJkand 0,20 % LkJkrespectively. TheresultsshowthattheRSG-GAS can still be operated safelyfor optimal irradiation of radioisotope production ..

PENDAHULUAN

Reaktor G.A. Siwabessy adalah reaktor nuklir tipepengkayaan rendah dengan daya nominal30 MW. Reaktorini mempunyai multiguna antara lain adalah untukmemproduksi radioisotop. Hal ini dimungkinkan karenaRSG-GAS mempunyai fluks neutron rata-rata di posisiiradiasi sekitar 2,00E+ 14 nlcm2-dtk.

Di dunia saat ini peluang pasar untuk radioisotopsangat besar. Melihat adanya peltiang terse but BAT ANsaat ini mempunyai kebijakan untukdapat memenuhinya.Dua isotop primadona menjadi andalan untukdiproduksi,yaitu isotop 1r-l92 dan isotop FPM (Fission ProductMolybdenum) sebagai hasil dari iradiasi Uranium-235dengan pengkayaan tinggi.

Adanya fluks neutron yang tinggi di posisi iradiasiRSG-GAS mempunyai keuntungan karena untuk

memperoleh radioisotop dengan aktivitas tinggi hanyadiperlukan waktu iradiasi yang pendek. Selain itu limbahsamping yang dihasilkan sebagai akibat iradiasi U-235

pengkayaan tinggi juga keci!.

Makalah ini menjelaskan cara menentukanjumlahmassa optimum dari target 1r-l92 dan FPM yang dapatdiiradiasi di teras RSG-GAS. Cara yangdilakukan adalahmelalui perhitungan. Perhitungan dilakukan menggu­nakan paket program W1MS/D4 dan UM2DB. Paket

program W1MS/D4 digunakan pada perhitungan sel danpaket program UM2DB digunakan pada perhitunganreaktor. Dari hasil perhitungan diperolehjumlah massaoptimum target yang dapat diiradiasi, reaktivitasterganggu akibat adanya target iradiasi, reaktifitas targetFPM saat pemuatan dan penarikan dari teras reaktorpadakondisi reaktor beroperasi pada daerah daya 5MW (re­duced power) serta depresi fluks neutron di setiap posisiiradiasi.

Batasan yang diambil untuk perhitungan adalahreaktivitas terganggu < 1,5 % LkJk dan reaktivitas saatpemuatan dan penarikan target FPM pada kondisi reaktorberoperasi daya 5MW < 0,30 % LkJk. Harga batas ter-

289

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan PLTNSerla Fasiliras Nllklir

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

'U LrFPMVT 'Ij!(r) <D'(r) - Lalr.l92 VT ,per) <D'(r)p = ------------ (1)

'UL'Ij! Lr<D' dV

scbut diambil agar reaktor dapat tetap beropcrasi dcnganaman selama iradiasi, pemuatan dan penarikan targetditinjau dari sudut neutronik.

dcngan;p = Nilai reaktivitas

'U = lumlah neutron yang dihasilkan setiap reaksipembelahan

= Penampang lintang fissi target FPM= Pcnampang Iintang serapan target Ir-l92= Volume target

= Fluks terganggu pada jarak ro= Setara dengan

TEOR!

Sifat fisis dari suatu teras rcaktor nuklirdinyatakandengan distribusi fluks neutron sebagai fungsi tenaga,

ruang dan waktu serta faktorperlipatan efektif(kelT). Sifatfisis terse but dihasilkan dari adanya interaksi antaraneutron dengan material-material penyusun teras reaktor.Bila terjadi gangguan pada interaksi tersebut maka akan

terjadi perubahan pada distribusi fluks neutron serta kelTteras. Gangguan dapat diakibatkan karena adanyaperubahan konfigurasi teras, perubahan komposisi bahanbakarlkendali maupun karena pemuatan material asingke teras reaktor. Untuk menganalisa gangguan tersebutdilakukan perhitungan berdasarkan teori gangguan(parturbation theory).

Gangguan reaktivitas karena adanya target Ir-192

dan FPM yang memiliki volume VT dan ditempatkansejauh rodinyatakan dalam teorigangguan sebagai berikut

Tahap kedua adalah perhitungan reaktormenggunakan paket program UM2DB. Langkah-langkah

perhitungan yang dilakukan adalah sebagai berikut;1. Membuat masukan program dengan data berupa

geometri teras, konstanta kelompok untukseluruhmaterial penyusun teras,jumlah titik perhitungan(mesh point)

2. Menghitung harga KelTdan distribusi fluks neutron teras tanpa target iradiasi

3. Menentukan posisi iradiasi target Ir-l92 danFPM

4. Memasukkan data konstanta kelompok targetiradiasi pada data masukan

5. Menghitung harga kelTdan distribusi fluks neutron teras dengan adanya target iradiasi

6. Menghitung reaktivitas teras sebelum dan sesudahadanya target Ir-192 dan FPM .

7. Membandingkan distribusi fluks neutron sebelumdan sesudah adanya target Ir-l92 dan FPM

8. Memilih satu kapsul FPM yang akan ditarik dari

Untuk memperoleh harga kelTdilakukan perhitunganreaktor menggunakan program UM2DB dengan data­data masukan berasal dari perhitungan sel menggunakanprogram WIMS/D4.

Selain gangguan reaktivitas terdapat gangguan lainyaitu gangguan pada distribusi fluks neutron. Gangguanyang terjadi berupa depresi fluks neutron disekitarposisiirasiasi target Ir-192 dan FPM. Fluks terganggu inilahyang digunakan imtuk menghitung lama iradiasi targetuntuk memperoleh aktivitas Ir-l92 dan FPM yang sesuaidengan kebutuhan.

dcngan;

IIp = perubahan reaktivitas teras karena gangguan

KelT= faktor perlipatan teras sebelum ada gangguanK'elT= faktor perlipatan teras setelah ada gangguan

TAT A KERJA

Perhitungan untuk optimasi target Ir-192 dan FPMdilakukan dalam dua tahap. Tahap pertama adalahperhitungan sel menggunakan paket program WIMS/D4. Langkah-langkah perhitungan yang dilakukan adalahsebagai berikut ; .

1.Membuat unit sel untukseluruh material penyusunteras reaktor antara lain elemen bakar, clemenkendaIi, elemen reflektor Berylium, elemen blokreflektor BeryIium, elemen dummy, elemen IP, .elemen CIP, kolom air dan lain-lain.

2. Menghitung densitas untuk setiap unsur darimaterial-material tersebut.

3. Menghitung konstanta kelompok untuk seluruhmaterial penyusun reaktorpada empat kelompokenergi neutron.

4. Membuat unit sel untuk target Ir-l92 dan FPM.5. Menghitung konstanta kelompok untuk target Ir­

192 dan FPM pada empat kelompok energi neu­tron.

(2)( 'U LrFPM- Lalr.I92) VT 'Ij!(r) <D'(r)

'UJ v 'Ij! Lr<D' dVp=

Dari persamaan di atas terlihat bahwa reaktivitas

gangguan semakinbesar bila volume target semakinbesar. Untuk volume yang sama reaktivitas gangguandapa,t bcrharga positif maupun berharga negatifbergantung bada massa target Ir-l92 dan FPM. Bilamassa target FPM» dibandingkan dengan massa targetIr-l92 maka reakti vitas gangguan akan berharga positif,tetapi bila massa Ir-l92 » dari massa FPM maka

reaktivitas gangguan berharga negatif. Selain ituraktivitasgangguan akan semakin besar bila target dimuat semakinmendekati pusat teras reaktor.

Besamya reaktivitas gangguan dapat ditentukan

dengan menghitung harga kelTteras sebelum dan sesudahadanya gangguan. Hubungan antara reaktivitas dengankelTdinyatakan dalam persamaan di bawah ini:

K' - 1 K - 1IIP = [elT ] - [elT ] (3)

K'elT Kerr

290

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselama/an PLTN Serpong, 9-10 Februari 1993Ser/a Fasilitas Nuklir PRSG, PPTKR - BATAN

teras reaktor

9. Menghitung harga ketfIan distribusi fluks neutrontanpa satu kapsul FPM dengan program UM2DB

10. Menghitung reaktivitas teras tanpa satu kapsulFPM

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil yang diperoleh dapat dilihat dari Tabel I.,Gambar I., dan Gambar 2 ..

Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa adanyatarget FPM mengakibatkan depresi fluks neutron padaposisi dim ana target FPM tersebut diiradiasi. Selamairadiasi target

Ir-l92 dan FPM daya reaktordipertahankan konstan.Oleh karenaitu depresi fluks yang terjadi akan diimbangidengan kenaikkan fluks neutron diposisi sekitar daerahdepresi. Hal inilah yang menyebabkan fluks neutron diposisi dimana target Ir-l92 berada tidak mengalamidepresi walaupun penampang lintang serapan target Ir­192 besar.

Selain itu adanya sifat penampang lintang yangberlawanan antara target Ir-l92 dan FPM yaitu Ir-l92memiliki pen am pang lintang serapan besar sedangkanFPM memiliki penampang lintang fissi besarmemberikankeuntungan tersendiri bila keduanya diiradiasi secarabersama-sama. Reaktivitas yang timbul karena adanyakedua target tersebut lebih kecil dibandingkan bila targettersebut diiradiasi sendiri-sendiri. Dengan demikianjumlah massa kedua target yang dapatdiiradiasi meningkatbila kedua target diiradiasi bersama-sama.

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil perhitungan dapat disimpulkanbeberapa hal sebagai berikut :1. Akibat iradiasi FPM terjadi depresi fluks pada posisi

target yang diiradiasi (CIP).2. Depressi fluks tersebut akan diirnbangi dengan kenaik­

kan fluks neutron diposisi sekitamya diantaranya padaposisi iradiasi (IP) dimana target Ir-l92 diiradiasi,karena selama iradiasi daya reaktor dipertahankankonstan.

3. Kenaikan fluks neutron di IP akan mengkompensasiadanyadepresi fluks karena adanya penampang lintang

serapan yang besar dari target Ir-192, sehingga piposisi tersebut depresi fluks tidak terjadi

4. Massa Ir-192 dan FPM yang dapat diiradiasi bersama­sama masing-masing sebesar720 gram dan 120 gram.

5. Reaktivitas gangguan akibat adanya target Ir-l92 danFPM sebesar 0,80 % ~1<l1(.

6. Reaktivitas gangguan akibat penarikan dan pemuatansatu kapsul FPM sebesar + 0,20 % k1k.

DAFTAR PUSTAKA

1. TAUBMAN, C.J.,The WIMS 69-Group Library Tape 166259, United Kingdom Atomic Energy Authority (1975)

2. LITTLE.Jr.W.W. and HARDIE,R. W.,2DB User's Manual-Revision I,AEC-BETTELLE NORTHWEST (1969)

291

Prosiding Seminar Tcknologi dall Kcselamalan PLTNSerla Fasilitas Nuklir

DISKUSI

BUD I SANTOSO :

1. Parameter apa yang diubah dalam optimasi ?2. Bagaimana interaksi antara core dengan fasilitas iradiasi ?3. Codes yang dipakai

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

SRI KUNTJORO :

1. Yang diubah adalah posisi iradiasi, gram FPM dan Ir-I92.

2. Secara neutronik maupun termohidrolik keberadaan fasilitas iradiasi dapat pertanggungjawabkan dari segi kese­lamatan reaktor.

3. WIMSID4 untuk perhitungan selUM2DB untuk perhitungan reaktor

IYOS SUBKI :

1. Batasan reaktor : reaktivitas , 1,5 % = 2 $ ini sangat besar.Juga 0,2 % masih dianggap besar ! Sebab bisa terjadi transien tanpa sram !.

2. Untuk menghitung reaktivitas Ir-l92 di RSG-GAS : teori gangguan tidak berlaku! Sebab : strong absorber danreaktor ber-reflektor !Sudah diverifikasi secara experimental?

SRI KUNTJORO :

1. Faktor keselamatan pada kondisi transien telah dihitung dan harga 0,30 % A k/k pada kondisi transien tetapaman yaitu suhu < suhu maksimum diijinkan, tidak terjadi SCRAM.

2. Belum, akan tetapi perhitungan dilakukan menggunakan program Diffusi dimana untuk kondisi ini Absorber kuatdan reaktor ber-reflektor solusinya berlaku.

SETIY ANT 0 :

1. Kalaujudulnya OPTIMASI , tentunya ada sederetan perhitungan yang lain, dapatkah ditunjukkan perhitungantersebut, dan dimana faktor optimumnya ?

2. Perhitungan terse but untuk daya berapa dan bagaimana dengan daya yang lain?

SRI KUNTJORO :

1. Faktoroptimum yang menjadi parameteradalah fluks neutron yang berkait dengan posisi iradiasi, reaktivitas teras,massa target isotop.

2. Dilakukan untuk daya 30 MW.

Untuk daya yang lain sebanding dengan harga sbb :

Daya (X MW)

Daya (30 MW)

292

N\0y.)

Tabel!. Hasil Perhitungan Optimasi Target Ir-I92 danFPM di teras RSG-GAS

NoObjekHarga sebelumHarga setelah adaHarga setelah adaHarga setelah ada

gangguan

Ir-l92 dan FPMIr-l92FPM

1.

Massa Ir-92 -720,00 gram720,00 gram-

2.

Massa FPM -120,00 gram -120,00 gram

3.

Reaktivitas penan - -± 0,20 % k/k -± 0,22 % k/k

kan/pemasukan satu kapsul FPM4.

Reaktivitas karena 0,80 % k/k- 1,05 % k/k1,89 % k/k

adanya target Ir-l92

-and FPM

5.

Fluks di CIP posisi 2,3E+148,49E+132,29E+148,64E+ 13

E-7

n/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtk

6.

Fluks di CIP posisi 2,33E+148,56E+132,27E+148,70E+13

D-6

n/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtk

7.

Fluks di IP posisi 1,04E+141,94E+141,85E+141,96E+14

0-7

n/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtk

8.

Fluks di IP posisi 2,00E+142,07E+142,04E+142,10E+14

E-4

n/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtk

9.

Fluks di IP posisi 1,86E+141,85E+141,82E+141,88E+14

D-9

n/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtk

10.

Fluks di IP posisi 1,86E+141,88E+141,90E+141,84 E+14

8-6

n/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtkn/cm2-dtk-

c",,\>" ..••.•05" ~.~~a~E.;~- "C1 :!

~ s·~~q:~

>;­::soC~.~

~"5":!t>

5"::s

;::~

c""~o

;:g~c,,'O~o

•....•"\>c""O"1J

~~o i;~::~~

~Lid

D~

1,2681E "12

~

r=Elemen Bakar

Elernen Kendali

Elemen Beryllium

I®I System RabbitCepat

~ Posisi IrradiasiNormal .

~"-J PusatP u sa t

GJ Posisi Irradiasi Blok Reflektor Beryllium

7,4 905E +13

1,2681 E .•12

Ge..mbar i. Pemetae..n Fluks Neutron Terme..1 (n/cm2.dtk)Teras TWC pada Daya 30 MW

--

1.2090E~-12.

~

4 ~1:,':I' •.- ,.,."

_. :.2090'i=~12.

8,1370E~13

6,6420E~13

[iElemen Bakar... -.

WElemen Kendall

N~Elemen Beryllium

\0 8.9277E~13VI

~

SystemRabbitCepat

~

Syster:nRabbitNormal

~

Posisl IrradiaslPusat

GJPosislIrradiasl

Blok Reflektor Beryllium

I, 1285E~13

1.4I04E~ 14

7.62.98E~13

1,82.14E~13

7,922.1E~13

7,2015E~13

5.7607E~13

9.2.910E~13

IP1 1.9422E~14

IP2 2.0689E~14

IP3 1,8606E~14

IP4 1.8856E~14

CI P1 8,'I901Eff3

ICIP4 8.5571E~13

1.2090E~12Gambar ~. Pemetaan Flur.:,; Neutron Termal (n/cm2.dtk)

Teras TWC bells! 2 x 4 x 15 gram FP M dan72 gram Ir-192 untuk daya 30 MW