1"'!"os/(llIIg .\"l'lIlfIlOr Ilus" 1\:ndIfJO!1 1)2 rUN/,,1/11/1 ::(){)~

DESAIN TERAS SETIMBANG RSG-GAS BERBAHAN BAKAR TINGKATMUA T TINGGI U-MO

T.M. Sembi ring, T. Taryo dan I. Kuntoro

Pusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset-Batan

ABSTRAK

DESAIN TERAS SETIMBANG RSG-GAS BERBAHAN BAKAR TIl\'GKAT MUAT

TINGGI U-MO. Konversi teras reaktor RSG-GAS dari bahan bakar oksida ke silisida dengankerapatan uranium dalam mea! sebesar 2,96 g cm-3 telah berhasil dilaksanakan. Untuk

Illengantisipasi penggunaan bahan bakar U-ivlo menggantikan bahan bakar silisida untuk reaktor

riset, studi awal penggunaan bahan bakar U-Mo di reaktor RSG-GAS perlu dimulai. Penelitian

ini berkaitan dengan aspek neutronik teras setimbang 1l10libdenum sebagai fungsi kerapatan

uranium dan kandungan molibdenum. Tujuan penelitian ini adalah memperoleh kerapatan

uranium dalam mea! yang optimal untuk bahan bakar molibdenum yang digunakan di reaktor

RSG-GAS. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan kombinasi paket program WIMSD­

58 dan 8atan-EQUIL-2D. Hasil perhitungan menunjukkan kerapatan uranium dalam mea!sebesar 3,55 g cm-3 dan mengandung 6 w/o dan 9 w/o 1l10libdenum, U-6Mo-AI dan U-9Mo-AL

dapat diusulkan sebagai kandidat pengganti bahan bakar silisida clan dapat digunakan dalam

teras setimbang reaktor RSG-GAS karena teras tersebut memenuhi kriteria keselamatan tanpamengurangi kemampuan pemanfaatan reaktor.

f(ata kll/lci: Reaktor RSG-GAS. balulII bakar /1/olibde/lll/1/

ABSTRACT

DESIGN OF THE EQUILIBRIUM RSG-GAS CORE USING THE HIGH URANIUMDENSITY FUEL OF U-MO. The RSG-GAS reactor core conversion from oxide to silicide

fuel with the uranium meat density of 2.96 g cm·3 has been successfully implemented. To

anticipate the use of U-Mo fuel instead the silicide fuel for research reactors_ the preliminary

study on the utilization of U-Mo fuel for RSG-GAS reactor is considered to start. This present

work deals with the neutronic aspects of the equilibrium molybdenum core as a function of

uranium density and molybdenum content. The objective of this present work is to obtain anoptimum uranium meat density of molybdenum fuel for RSG-GAS reactor. Calculations are

carried out using combination of WIMSD-5B ancl Batan-EQUIL-2D codes. The calculated

results showed the U-Mo fuel with uranium meat density of 3.55 g cm'3 and contains 6 w/o and9 w/o Mo, U-6Mo-AI and U-9Mo-AI fuels, can be proposed as the candidate to instead the

silicide fuel and can be used in the equilibrium RSG-GAS reactor core because the cores meet

the safety criteria without decreasing utilization capabilities.

f(ey-words: RSG-GAS reactor, tlze lIlo(rbde/llllllfllei

PENDAHULUAN

Pada awalnya Reaktor Serba Guna G.A. Siwabessy, reaktor RSG-GAS,

menggunakan bahan bakar uranium oksida (U30s-AI) berpengkayaan rendah dengan

kerapatan uran ium dalam meat sebesar 2,96 g cm-3. Sete lah d ioperasikan menggunakan

teras campuran uranium oksida dan uranium silisida (U3Si2-AI) dengan kerapatan

uranium dalam meat yang sama, teras silisida setimbang reaktor RSG-GAS dicapai

pada bulan Oktober 2002.

379

I~~N OS5·1-527S/)esmJ} Ii!rus Sl'{lIl1bUl1g

li'lgor .\/.')'(,1l1brrmg

Stud i yang mcnda lam tentang pcnggunaan bahan bakar si Iisida d i reaktor RSG­

GAS menggunakan kerapatan uranium dalam meal sebesar 3,55 - 4,8 g em-3 telah

d ilakukan [1-2] _ Berdasarkan stud i sebe lum nya, kerapatan uran ium dalam meal yang

optimal untuk reaktor RSG-GAS adalah 3,55 g em-3 dan dengan tcras ini diperolch

kenaikan panjang siklus operasi yang signifikan sebesar 50% dibanding tcras silisida

saat ini [I]. Tujuan utama konversi teras reaktor RSG-GAS adalah untuk menaikkan

panjang siklus operasi dan untuk memenuhi kcandalan serta pcmanfaatan reaktor.

Untuk antisipasi penggunaan bahan bakar reaktor riset jenis moIibdenum (U­

Mo) yang sedang dalam tahap kualifikasi. maka studi awal pemanfaatan bahan bakar U­

Mo di reaktor RSG-GAS perlu dimulai. Penclitian ini berkaitan dengan aspck neutronik

teras setimbang molibdenum sebagai fungsi kerapatan uranium dalam meal dan

kandungan Mo. Tujuan penelitian ini adalah untuk I1lcmpcroleh kerapatan uranium

dalam meal bahan bakar U-ivl0 yang optimal untuk teras sctimbang reaktor RSG-GAS.

Kriteria keselamatan. seperti margin padam dan faktor puneak daya. dan unjuk kelja

neutronik t'asilitas iradiasi juga dievaluasi dalam penelitian ini.

Se luruh perh itungan teras d ilakukan menggunakan paket program metode d ifusi

neutron banyak kelompok dalam dua-dimensi, Batan-EQUIL-2D [3] untuk meperoleh

teras setimbang U-Mo_ Perhitungan sel bahan bakar U-Mo dilakukan dengan paket

program WI MS 0-5 8 untuk menggenerasi konstanta d it'usi neutron. Kriteria

keselamatan dan unjuk kelja reaktor yang sama dengan teras saat ini dipakai sebagai

batasan desain.

DESKRIPSI REAKTOR RSG-GAS

Reaktor RSG-GAS adalah reaktor serbaguna jenis kolam-terbuka. Reaktor

RSG-GAS mempunyai daya nominal 30 MWth menggunakan 40 clemen bakar standar

(E8, tcrdiri dari 21 pelat bahan bakar), 8 clemen bakar kendal i (EK, terdiri dari 15 pelat

bahan bakar) dan 8 penyerap Ag-In-Cd yang disusun di dalam lOx 10 posisi kisi teras

seperti yang ditunjukkan dalam Gambar I. Berilium dan air ringan masing-masing

digunakan scbagai rcflcktor dan sebagai pendingin dan moderator.

GambaI' I menunjukkan bahwa reaktor RSG-GAS mempunyai 8 (delapan) buah

posisi iradiasi (lP), 4 (em pat) buah posisi untuk hydraulic rabbil system (HYRS) dan I

(satu) buah posisi pneumatic rabbit .~)'stelll (PNRS). Posisi tcrsebut digunakan untuk

380

PrrHlding St'JI/;1I0r //osll/)cJle!i/l(/!/ P 2lRN/(,11/111 JO()~

ISSN (JS~·I·~27S

produksi isotop, uji material dan aktivasi neutron. Reaktor RSG-GAS juga memiliki 6

(enam) buah tabung berkas.

rada saat 1111, reaktor RSG-GAS l11enggunakan bahan bakar silisida

berpengkayaan 19,75 w/o dengan kerapatan uranium dalam meat sebesar 2,96 g cm·3.

Dengan kerapatan uranium tersebut maka berat 235U dalam satu perangkat EB dan EK

masing-masing adalah sebesar 250 g dan 178,6 g. Teras setimbang saat ini dibagi atas

delapan kelas fraksi bakar dengan selisih fraksi bakar rerata (average burn-up sfep)

l11endekati 7% (hilangnya 235U).

Teras setimbang saat ini dapat dioperasikan sebesar 625 MWD dalam satu siklus

operasi dengan fluks neutron terl11al rerata di IP atau di clr sebesar ~2 x 1014 neutron s·

1 ·2 d d . I.cm pa a aya nomll1a .

K

BS 8BP8,88S83

R -T-.--I---

J

88S8F

888B8S3

~------_.B i 55

I S [8 E8 ES ES fB EB,'I 1:' 3 4 5 \

-r---- .---

G

8E8EB

IP I EK ::8 E63, 8

"tff';-~~

--F

E8 EBEK E8,.,, 3 ,B ?S-- 6 8 :' 7

I

E

E8

I E,' IEO

] E66 ;p

E8I H'

,, 3B I "5- IP _

__ L--_0

E8,p

E8

I£8

EKE88

H"(

5B ,

....;..5 "-C

E8 EOEKEBE8EO:'8EOB

H'

2

) )8,3, "S...;.. -B

8SE8E8EK,p

E8E88

BH'

NS

B88 8, RS

"""'-

I--

A

8E8E8E8E8E8E88

8S,, 74532

10

,87654Blok Reflektor Berilium

Nole: 81;; = ElcJ11cn l3erilillJ11:/JS = ElcJ11cn 13eriliuJ11 dcngan pcnlltllp:/P = Irradialion Posilioll.

P,VRS'!fY!?S = Pnelll1lalic/ !fydralilic Rabbil Syslel1l:

Gambar 1. Konfigurasi teras reaktor RSG-GAS dengan kelas fraksi bakar

METODE PERI-IITUNGAN

Generasi tampang lintang l11akroskopis bahan bakar U-Mo dilakukan dengan

paket program pcrhitungan sel WIMSD-5B [4] I11cnggunakan Pustaka Data Nuklir

WIMS '1986' [5] dalam sistcm paket program MTR_PC V2.6 [6]. Tampang

lintang yang disiapkan sebanyak 4 (el11pat) kelompok tenaga neutron dengan syarat

batas tenaga neutron masing-masing 10 MeV, 0,821 MeV, 5,531 keV, 0.625 eV dan 10·

381

fJeWI111 Fer(/.\ Si.'I/111bul1g

J~lg(J" .\/.\'t'lIIblrll1g

5 cY. Tampang lintang yang disiapkan tcrscbut dinyatakan sebagai fungsi fraksi bakar

(% hilangnya 235U), kcrapatan uranium dalam meat, kandungan Mo. tcmpcratur dan

racun hasil belah (Xe dan Sm). Kumpulan tam pang lintang disusun dalam bentuk

pustaka yang sesuai dengan format input paket program perhitungan teras.

Teras RSG-GAS dimodelkan oalam geomctri 2-dimcnsi X- Y. Perhitungan teras

di lakukan dengan paket program metode d ifusi neutron banyak-ke 10m pok Batan­

EQUIL-2D dengan koreksi buckling ke arah aksial yang diperolch dari hasil

perhitungan 3-dimensi. Koefisien kehitaman (blackness coefficient), CJ.(DB). untuk

setiap kelompok tenaga neutron digunakan dalam kasus perhitungan margin padam

untuk mengoreksi serapan yang kuat pada penyerap Ag-In-Cd.

Dalam dcsain teras setimbang bahan bakar U-1\10 digunakan kritcria bcrikut ini:

a. Tidak ada modifikasi dalam rcaktor, teras dan elemen bakar. lumlah posisi

iradiasi dan unjuk f~lsilitas iradiasi hanls dipertahankan.

b. Skcma pcmuatan/pcrgeseran bahan bakar sama dengan teras saat ini, yang unluk

lebihjclasnya dapat dilihal dalam Pustaka [I].

c. Balas margin padam 0.5 %L\k/k.

d. Batas rcaktivitas Icbih pada kondisi akhir sikills (EOC). panas dan kondisi Xe

dan Sm sctimbang. adalah scbesar 1,0 %L\k/k. Rcaktivitas lebih ini digunakan

untuk kegiatan eksperiman, Xc-m'erride dan pengisian-pengosongan tabung

berkas.

c. Batas maksimum nilai I~lktor puncak daya (FPO) kc arah radial scbcsar 1.4

Tabel 1 menunjukkan 6 (cnam) jcnis bahan bakar U-i'vlo yang menjadi perhatian

dalam penelitian ini. Parameter kerapatan uranium dalam meat 3,55 g em,3 sampai

dengan 4,45 g em-3 dan kandungan Mo sebcsar 6 w/o dan 9 w/o yang menjadi rcntang

survei parameter penelitian ini. Pemilihan kandungan Mo sebesar 6 w/o dan 9 w/o

dilakukan karena proses kualitikasi bahan bakar U-Mo saat ini dilakukan untuk kedua

nilai kandungan tersebut.

382

/'f'(}SIt!il1g .\'(,lI/inor Ilusil 1\'1It'/ol011 P2lRNFO/1I1!1 :00../

Tabcl I. I<arakteristik bahan bakar yang mcnjadi objck pcnclitian

No. Jenis Bahan

Kandungan I

LabelKerapatan uraniumMassa 235U 9 I

BakarMo, w/o dalam meat, 9 cm·3

' I

1

U3Si2-AI -ISi300I 3.55 3002

U-x%Mo-AI 6I 6Mo300 3.553003

U-x%Mo-AI 9I 9Mo300 3.553004

U-x%Mo-AI 6I 6Mo350 4.153505

U-x%Mo-AI 9I 9Mo350 I 4.15350I

6U-x%Mo-AI 6I 6Mo375 I 4.45375----J7

U-x%Mo-AI 9I 9Mo375 4.45375I

J

HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar 2 mcnunjukkan beberapa parameter yang penting untuk teras setimbang

6M0300. bahan bakar jenis U-Mo dengan kandungan 6 w/o Mo dan 300 g 235U dalam

satu perangkat elemen bakar standar. sebagai fungsi panjang siklus, reaktivitas lebih

awal siklus (BOC), pad a saat dingin dan be bas Xe dan Sm, reaktivitas lebih EOC dan

margin padam yang dipcroleh pada saat satu batang kendali bcreaktivitas tcrbesar gagal

dimasukkan penuh. Garis horizontal dalam Gambar 2 mcwakili batas dcsain yang

ditetapkan.

20.00

15.00

:'::';

-'"

"'" 10.00~'"

~~ 5.00x'"'"

cr:

0.00

-+- BOC

___ EOC

----Ir- Margin Padam

margin padam

-5.00

15 20 25

panjang Siklu5 (hari)

30 35

Gambar 2.Reaktivitas (%L\k/k) vs. panjan¥,~iklus opcrasi (hari) untuk teras

U-6Mo 300 g J)U

Prosedur yang diterapkan untuk scluruh jenis bahan bakar 1l10libdcnull1 adalah

diperolchnya panjang siklus operasi seoptimal mungkin. Scperti ditunjukkan dalam

383

n~'Sllil1 It'un .<·;('!J1Nht111g

TogoI' .\1 Scmhlr1l1g

GambaI' 2, panjang siklus operasi yang optimal untuk teras 6Mo300 adalah 32.5 hari

pada daya pcnuh (fid! jJ01\'er day, fpd) dengan fraksi bakar buang maksimum sebesar

69.4%. Walaupun tidak clitunjukkan dalam laporan penelitian ini, untuk teras 9Mo300

panjang siklus optimalnya aclalah 32 hari (fpcl) clengan fraksi bakar buang maksimum

sebesar 68.5 %.

Akan tetapi, teras setimbang 6Mo350, 9 Mo350, 6 Mo400 clan 9Mo400 untuk

RSG-GAS tidak clapat cliperoleh, karena salah satu kriteria desain yang ditetapkan tidak

dipenuhi. Misalnya untuk teras 6Mo350. seperti yang clitunjukkan Gambar 3. pad a

panjang siklus 45 hari batas margin padam clipenuhi akan tetapi rektivitas lebih pacla

EOC kurang clari batas clesain yang clitetapkan yaitu 1% f...k/k. Dengan clemikian

pembahasan hasil clifokuskan pacla teras 6Mo300 clan 9Mo300.

1600

14,00

12.00

:::: 10.00"'""'"

~ 8.00'"ra

.~ 6.00£;.><

~ 4.00et::

2.00

0.00

-+- BOC

....•.......EOC

---,k- Margin Padam

margin padam-2.00

25 30 35

Panjang Sikfus (hari)

40 45

GambaI' 3. Reaktivitas (%f...k/k) vs. panjang siklus (hari) teras U-6Mo 350 g 235U

Tabel 2 menunjukkan bahwa reaktivitas lebih BOC teras 6Mo300 clan 9Mo300

lebih tinggi clibancling teras Si300 clalam rentang 2,6% - 3,7%. Konclisi 1111

menyebabkan margin padam dan reaktivitas EOC masing-masing Icbih rendah 30% clan

lebih tinggi 18% jika clibanding teras silisida. Hal ini disebabkan karena laju perubahan

reaktivitas lebih sebagai fungsi panjang siklus untuk teras teras molibdenum, 6M0300

dan 9Mo300, sepcrti yang ditunjukkan GambaI' 4, Icbih rendah clibancling teras silisicla

Si300 pada panjang siklus lebih besar dari 29 hari.

384

j>U)'\fdl!1g St'lIIlI1{/r //11.\"//\'/1I'://1/(1I1 /':; INNla!lflll _)(}(J.I

Tabel 2. Parameter teras setimbang molybdenum

Parameter SatuanBatasSi3006Mo3009Mo300

Panjang siklus operasi

hari> 3032,532,532

Reaktivitas BOC (dingin tanpa

%i3.klk-9,249,589,48

Xe dan Sm)Reaktivitas EOC (panas dengan

%i3.klk>1,01,071,271,25

Xe dan Sm) Margin Padam

%c.klk>0,51,030,720,84

Faktor Puncak Daya Maksimum

-::0:1,41,281,251,25ke Arah Radial

Sedangkan untuk parameter FPD maksimum ke arah radial untuk teras molibdenum

teljadi perubahan sebesar 2% jika dibanding teras silisida.

12.00

10.00

- ~--~<1 8.00~ 0(/)

ro.•...> 6.00.•...

~ro(l)CY 4.00

2.00

15

20 25

-+- 6Mo300

- -a - Si300

30 35

Panjang siklus operasi (hari)

Gambar 4 Perbandingan laju pengurangan reaktivitas di teras Si300 dan 6Mo300

Tabel 3 menunjukkan tingkat fluks neutron termal rerata (::0: 0.625 eV) pad a

fasilitas iradiasi terpilih untuk teras molibdenum lebih kecil dalam rentang 0, 1%- 2,3%

jika dibanding teras silisida. Sebaliknya, untuk tluks neutron cepat (:2: 0.625 eV) lebih

tinggi dalam rentang 0,4% -0.7%jika dibanding teras silisida.

385

/1eS£l111 J'er(ls .\'t.'llm!'.mg{(lgU/" .\I.<;eJ1/I.}J!"/I1~

Tabel 3. Fluks neutron termal rerata (::; 0.625 eV) di posisi iradiasi terseleksi

Posisi Kisi

Si300

Fasilitas(Acuan)6Mo3009Mo300

Teras In cm-2 sec,1)Posisi Iradiasi (IP)

8-61.97 x 1014-1.0%-1.1%

Posisi Iradiasi (IP)

0-72.42 x 1014-0.1%-0.1%

Posisi Iradiasi (IP)

E-62.45 x 1014-0.2%-0.2%

Posisi Iradiasi (IP)

G-72.02 x 1014-2.0%-2.3%

Hydraulic Rabbit System

8-17.32x1013-1.2%-1.5%

Hydraulic Rabbit System

0-18.28 x 1013-0.9%-1.2%

Pneumatic Rabbit System

E-18.19x1013-0.7%-0.9%

KESIi\IPULAN

Teras RSG-GAS berbahan bakar U-!'vIo dengan kerapatan uranium dalam /Ileal

sebesar 3.55 g cm,3 dengan kandungan ivlo sebesar 6 wlo dan 9 \\'/0. U-6ivlo-AI dan U­

9\10-1\1, clapat diusulkan sebagai kandidat pengganti bahan bakar silisida dan

digunakan dalam teras reaktor RSG-GAS karena mcmenuhi kriteria keselamatan tanpa

mengurangi kemampuan pemanj~latan reaktor.

PUSTAKA

[II LlEM. P.I--I., et aI., Fuel Management Strategy for the New Equilibrium Silicide

Core Design of RSG GAS (MPR-30). Nuclear Engineering and Design 180 (1998).p. 207-219.

12] SUPARLlNA, L. and Sembi ring. T.i'vl.. The RSG-GAS Core j'vlanagement with 4.5

and ,+.8 g U/cc Silicide Fuel, Indonesian Journal of Nuclear Science andTechnology. Vol. IV. Special Ed. :..I (2003) (in Indonesian)

[3] LI [j'vl. P.II .. Development of an In-Core Fuel Management Code for Searching the

Equilibrium Core In 2-D Reactor Geometry (Batan-EQUIL-2D). Atom Indonesia23, 2 (1997).

[4] Answer Software Service AEA Technology, WIMSD-5B: Determenistic Code

System for Reactor-Lattice Calculations, Winfrith. Unitecl Kingdom (1999).

[5 J HALSALL, M.J. and TAUBMAN, C.1., The' 1986' WIMS Nuclear Data Libarry,

United Kingdom Atomic Energy Agency, Winfrith, United Kingdom (1986).

[6] VILLARINO, E.A., !'vITR_PC v2.6 System, INVAP, Argentina.

386

/'ros/(I!ng Sl'IJ//IWr l/usIlIJellelrtW!1 P :;JRR/,111/111 :e()(U

DISKUSI

1. Pcnanya: Lily Suparlina

Pertanyaan :

Untuk densitas yang sama, apakah ada perbcdaan dalam nilai-nilai paramcter

neutronik dibanding silisida

Jawaban:

Pengaruh kandungan Mo mCl11berikan perbedaan yang sangat keeil. Misal untuk

panjang siklus operasi teras, 6Mo I11cl11berikan hasil 32,5 hari scdangkan 9Mo

membcrikan hasil 30 hari

2. Pcnanya: Jati Susilo

Pcrtanyaan :

Alasan penggunaan 13B U-Mo adalah karcna pengolahan limbah di AS, bagailllana

jika BB bekas di re-eksport ke negara selain USA atau bahkan direprossesing

sendiri?

Jawaban :

Kalau kebijakan rccksport hanya salah satu alasan. Jadi pcnggunaan U3Si2 (bahan

bakar "aat ini) sudah eukup untuk teras RSG-GAS. Tanpa U-i"vlo pun kita sudah

eukup untuk operasi reaktor

3. Pcnanya: IV1. Imron

PertaDyaan :

Bagaimana U-Mo Icbih baik dari yang lainnya (silisida)?

Jawaban :

Dari sisi opcrasi U-jvlo relatif sama dcngan U3Si2. U-Mo lebih baik karena dapat

difabrikasi sal11pai dengan 109 U/ee sedangkan U3Si2-AI 5,2 gU/ee

387