22.sofia,b173-178,rev

Prosiding Seminar Nasional ke-16 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir ISSN : 0854 - 2910Hal. 173-178

173

KAJIAN TERHADAP PENGARUH PENAMBAHAN HIDROGEN PADA PWSCC KOMPONENBEJANA TEKAN REAKTOR PWR

Sofia L. Butarbutar, Geni Rina Sunaryo dan Febrianto

Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir - BATANKawasan PUSPIPTEK Gd. 80, Serpong, Tangerang Selatan, 15310

Email: [email protected]

ABSTRAK

KAJIAN TERHADAP PENGARUH PENAMBAHAN HIDROGEN PADA PWSCC KOMPONENBEJANA TEKAN REAKTOR PWR. Bejana tekan reaktor ditempatkan pada peringkat tertinggi dalam halkeselamatan karena berperan sebagai penghalang lepasnya produk fisi, sehingga perlu dijaga integritasstrukturnya. Salah satu jenis degradasi yang dapat mengancam keandalannya adalah Primary Water StressCorrosion Cracking (PWSCC). Salah satu metoda yang dilakukan untuk menekan PWSCC adalah denganmengendalikan pendingin primer, dengan cara menginjeksikan hidrogen yang bertujuan untuk menekan salahsatu produk radiolisis yang dapat menyebabkan Electrochemical Corrosion Potential (ECP) meningkat sertamemitigasi inisiasi dan laju pertumbuhan PWSCC. Jumlah penginjeksian hidrogen ke dalam pendinginreaktor saat ini adalah 25-50 cc/kg. Tetapi penambahan hidrogen ini juga mengakibatkan meningkatnyapaparan radiasi. Metode yang digunakan dalam penulisan makalah ini adalah kajian dari 5 literatur. Diketahuibahwa hidrogen diinjeksikan ke dalam pendingin primer untuk menekan produk radiolisis dan dengan carademikian mengendalikan jumlah dissolved oxygen. Dengan berkurangnya konsentrasi oksigen dalam airpendingin maka nilai ECP juga akan menurun, hal ini dikarenakan semakin sedikitnya produk radiolisis yangterbentuk. Penginjeksian hidrogen dalam jumlah kecil dapat memperlama waktu inisiasi retak. Meskipunpenambahan hidrogen sukses dalam menurunkan laju korosi, namun memberikan efek samping denganmeningkatnya paparan radiasi. Peningkatan ini disebabkan perubahan bentuk oksida dari Fe2O3 (hematit)menjadi Fe3O4 (magnetit) akibat penambahan hidrogen. Salah satu metode untuk menurunkan laju paparanradiasi dan korosi adalah Injeksi Zinc, seperti yang telah diterapkan di reaktor BWR. Oleh karena itu, perludilakukan studi lebih lanjut untuk memahami efektivitas injeksi zinc dalam menurunkan laju paparan radiasidan korosi yang disebabkan oleh injeksi hidrogen pada reaktor PWR.

Kata kunci: hidrogen, PWSCC, PWR, ECP

ABSTRACT

ASSESSMENT OF HYDROGEN INJECTION EFFECT ON PWSCC OF PWR PRESSURE VESSELCOMPONENT. Reactor pressure vessel placed on the first rank regarding on safety due to its role as afission product release confinement, so it need to focus at integrity of the structure. Kind of degradation thatcan affect its reliability is Primary Water Stress Corrosion Cracking (PWSCC). One of method which can beapplicated to supress PWSCC is to control primary cooling water by injecting hydrogen in order to suppressone of radiolysis product which can increasing Electrochemical Corrosion Potential (ECP) and alsomitigating PWSCC initiation and growth. The level of hydrogen that injected to the primary water for now onis 25-50 cc/kg. But the hydrogen injection also resulting radiation exposure increasing. The method in thispaper is assessing 5 literature. It is known that hydrogen injected to the primary water in order to supressradiolysis product, thereby control the dissolved oxygen level. Decreasing of oxygen level on the primarywater resulting ECP decreasing, this is because fewless radiolysis product formed. It is known that low levelhydrogen delay crack initiation. Hydrogen injection is success on decreasing corrosion rate, but contributeon side effect due to increasing of radiation exposure. This increasing resulted due to changing of oxydeFe2O3 (hematite) into Fe3O4 (magnetite) with hydrogen injection. Method which can be applied to decreasethe radiation exposure and minimize corrosion is Zinc Injection, as have been applied in BWR. That is why itneed to know more about the efectivity of zinc injection to decrease the dose rate and minimize corrosion onPWR as a side effect of hydrogen injection.

Key words: hydrogen, PWSCC, PWR, ECP

PENDAHULUAN

Bejana tekan reaktor PWR merupakankomponen pressure boundary yang paling pentingterkait perannya dalam memainkan fungsi

keselamatan, yakni sebagai penghalang lepasnyaproduk fisi. Oleh karena itu perlu dijaga integritasstruktur materialnya sehingga diharapkan dapatdioperasikan sesuai dengan umur disainnya. [1]

Kajian Terhadap Pengaruh Penambahan Hidrogen Pada PWSCC.........(Sofia L. Butarbutar dkk.)

174

Pada disain PWR Amerika dan Eropa, Alloy600 digunakan sebagai material komponenbejana tekan. Alloy 600 merupakan paduandengan kandungan nikel tinggi yang memberikanketahanan yang baik terhadap korosi, akan tetapitelah ditemukan bahwa komponen-komponentersebut di atas rentan terhadap PWSCC,dikarenakan komponen tersebut terekspos olehtemperatur tinggi. Penyebab tersebut dapatdipahami karena bejana tekan reaktor tersebutdikondisikan beroperasi pada temperatur dantekanan tinggi. PWSCC merupakan suatufenomena korosi pada paduan nikel, khususnyaAlloy 600. Fenomena ini dapat terjadi apabila tigaaspek: tegangan tarik tinggi, lingkungan yangagresif, dan mikrostruktur yang rentan hadirsecara bersamaan.[2]

PWSCC dapat diminimasi atau ditekandengan cara meminimasi salah satu aspektersebut, yaitu lingkungan. Aspek lingkungandalam hal ini adalah air yang digunakan sebagaipendingin primer pada reaktor tipe PWR harusdikendalikan karena berkaitan dengan masalahkorosi. Salah satu metoda pengelolaan kimia airsisi primer yang dapat menekan PWSCC adalahpenambahan hidrogen atau injeksi hidrogen.Hidrogen yang ditambahkan dapat menekankandungan oksigen terlarut yang dapatmenyebabkan Electrochemical CorrosionPotential (ECP) meningkat, dengan demikiandapat menekan proses korosi, sehingga integritasstruktur material komponen dan keselamatanoperasi reaktor tetap terjaga.[3]

Makalah ini bertujuan untuk mengkajipengaruh penambahan hidrogen terhadap PWSCCdan terhadap penurunan nilai ECP, sehinggadapat diketahui penambahan hidrogen yangoptimal dalam menekan korosi dan laju dosispada PWR.

TINJAUAN PUSTAKA

PWSCC pada komponen bejana tekan reaktor

Paduan nikel digunakan sebagai materialkonstruksi pada PWR, dan semenjak dua puluhlima tahun terakhir mengalami PWSCC. Lokasiterjadinya PWSCC terdapat di base metal ofinstrument nozzles, heater thermal sleeves, nozzlepenetrations CRDM, pressurizer instrumentpenetrations dan hot leg penetrations.[4]

Paduan nikel tinggi seperti Alloy 600 rentanterhadap PWSCC[5], apalagi material tersebutterekspos oleh air bertemperatur tinggi sepertiyang terdapat di bejana tekan. Komposisi kimiadari Alloy 600 dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Komposisi Material Alloy 600[6]

Unsur Kadar

C < 0,15%

Cr 14 – 17 %

Cu < 0,5%

Fe 6-10%

Mn <1%

Ni >72%

Si <0.5%

S 0,015%

PWSCC pada komponen alloy 600 dapatterjadi apabila secara simultan terdapat kehadirankerentanan material, lingkungan yang agresif dantegangan tarik yang tinggi. Denganmengendalikan atau meminimasi salah satu dariaspek diatas dapat menekan terjadinya PWSCC.Inisiasi dan propagasi PWSCC itu sendiri sangatsensitif terhadap temperatur dan kerentananmaterial.

Kimia air primer reaktor PWR

Reaktor tipe PWR dan BWR sangatlahberbeda apabila ditinjau dari sistem pendingin.Sistem pendingin pada reaktor BWR hanya satuuntai dimana air reaktor dibiarkan mendidih diteras reaktor dan produk radiasi akan terbawakeseluruh sistem, sedangkan pada reaktor PWRpendingin terdiri dua untai sistem, sehinggaproduk radiasi akan terkungkung di sistem primer.Pada reaktor PWR produk yang teraktivasi tidaksampai terbawa ke sistem sekunder sehingga padareaktor PWR fokus penanganan produkteraktivasi ini lebih banyak pada sisi pendinginprimer, oleh karena itu penting untuk melakukankontrol kimia air. Hal ini dikarenakan kimia airmempunyai peran yang penting dalammenentukan integritas komponen reaktor,kelongsong bahan bakar dan meminimalkan lajupaparan radiasi.[7]

Pendingin primer PWR dikendalikan secarakimia dengan penambahan asam borat, LiOH danhidrogen. Boron ditambahkan sebagai chemicalshim (kompensasi kimia) untuk mengendalikanneutron, dan lithium digunakan untukmengendalikan pH sistem pada batas tertentuuntuk menekan korosi material struktur.Pengaturan pH dilakukan dengan penambahanLiOH (lithium hidroksida) yang dikombinasikandengan asam borat. Reaktor PWRdirekomendasikan untuk dioperasikan padarentang pH antara 6,9 dan 7,4 dengan konsentrasilithium sekitar 2,2 – 3,5 ppm. Hidrogenditambahkan untuk menekan pembentukan spesipengoksida dari hasil radiolisis pendingin air.


175

Injeksi hidrogen

Sebagian besar PWR yang beroperasisekarang ini menambahkan hidrogen ke dalampendingin primer untuk mengendalikan korosidan radiolisis, dan telah berhasil selama beberapadekade.[8] Metode ini bertujuan menekan produkradiolisis seperti hidrogen peroksida, yangmerupakan pengoksidasi tinggi, yang dapatmerusak bahan bakar dan material struktur.

Jumlah hidrogen dispesifikasikan dalampanduan kimia air primer PWR sekitar 25–35 cm3

hidrogen per kg air. Level hidrogen yang lebihrendah dipercaya cukup untuk menekan produkpengoksidasi dalam air primer PWRs. Hidrogensebagai parameter kimia sirkuit primermempunyai pengaruh yang paling besar terhadapretak.

Pengoptimasian konsentrasi hidrogen sepertihalnya pengendalian pH, merupakan suatupendekatan yang menjanjikan dalam memeliharakeandalan PLTN terhadap aging karena sangatbermanfaat terhadap integritas material. Terdapatperbedaan pada beberapa negara dalam halpenambahan hidrogen ke dalam air pendinginreaktor, Amerika menetapkan rentangpenambahan hidrogen sebesar 25-50 cc/kg, Rusiasebesar 30-60 cc/kg, dan Jepang sebesar 25-35cc/kg.[9]

Radiolisis air

Air merupakan lingkungan yang agresifterhadap logam. Oleh karena reaktor dioperasikanpada temperatur dan tekanan tinggi, sehinggaproduk radiolisis banyak terjadi seperti O2 danH2O2 akibatnya air reaktor bersifat oksidatif,sebagai akibat penyerapan energi radiasi olehmolekul air. Dari adanya produk-produk radikalini, terutama dengan adanya ion oksigen, menjadipemicu adanya proses korosi pada material dipendingin ataupun di teras.

Dalam radiolisis pendingin, reaksi pentingsebagai berikut, sangat dipengaruhi olehtemperatur. [10]

OH+H2 → H+H2O (1)OH+H2O2→ HO2 + H2O (2)

Pada reaksi (1) penambahan hidrogen mendorongrekombinasi oksigen yang dihasilkan olehradiolisis air, sedangkan reaksi (2) merupakandekomposisi pendingin. Dalam pendingin PWR,jumlah H2 yang cukup, mampu menekankonsentrasi O2, yaitu dengan cara mengikatoksigen menjadi H2O sehingga dapat mencegahmasalah terkait korosi. Ketidakhadiran oksigenoleh karena penambahan hidrogen danrekombinasi radiolitik bertujuan untuk mencegahberbagai masalah korosi.

Electrochemical Corrosion Potential (ECP)

ECP adalah pengukuran reaksi oksidasireduksi (redoks) yang terjadi pada permukaanlogam. Reaksi ini bergantung secara langsungpada konsentrasi oksigen, hidrogen, dan hidrogenperoksida dalam air. Pengukuran ECP dibuatuntuk menentukan bilamana propagasi SCC akanterjadi. Pada prakteknya, jika ECP menurun dibawah – 230 mVSHE, laju pertumbuhan tidaksignifikan. Apabila di atas– 230 mVSHE, lajupertumbuhan retak meningkat seiringmeningkatnya ECP.[11]

METODOLOGI

Pada makalah ini telah dilakukan kajian pustakadari lima literatur. Literatur tersebut diperolehmelalui buku dan internet.

PEMBAHASAN

Pengaruh hidrogen terhadap ECP

Radiolisis air yang melewati teras reaktormenghasilkan konsentrasi spesi radikal bebasdalam jumlah besar seperti H2, O2, H2O2.

Terbentuknya produk radiolisis tersebut dapatmeningkatkan potensial elektro kimia sampaibeberapa ratus milivolt, sehingga dapatdisimpulkan bahwa nilai ECP bergantung padakonsentrasi radikal bebas yang terbentuk. NilaiECP harus dijaga serendah mungkin, dengan caramencegah kehadiran spesi pengoksidasi. Untukmenekan terbentuknya spesi pengoksida ini,berbagai negara telah menggunakan metodeinjeksi hidrogen ke dalam air pendingin reaktor.Berbagai penelitian telah dilakukan untukmengetahui optimasi penambahan hidrogen kedalam air pendingin. Konsentrasi hidrogen yangrendah sekitar < 5cc/kg sudah dapat menekanradiolisis atau sebagai penangkap oksigen danspesi pengoksidasi lainnya, pernyataan ini dapatdilihat pada Gambar 3. Pada konsentrasi 5 cc/kghidrogen, kecepatan pertumbuhan retak semakinmeningkat, sampai pada konsentrasi di atas 35cc/kg mulai melambat. Sedangkan untuk inisiasiretak, hidrogen pada konsentrasi < 5 cc/kg akanmemperlama waktu terjadinya awal retak.

Pengaruh hidrogen terhadap PWSCC

Tujuan penambahan hidrogen adalah untukmemitigasi PWSCC dan mencegah lajupertumbuhan retak. Penambahan konsentrasihidrogen ke dalam pendingin primer dapatmenurunkan waktu inisiasi PWSCC, sepertiterlihat pada Gambar 1. Penambahan hidrogenmempunyai pengaruh yang berbeda terhadapinisiasi dan pertumbuhan retak. Berdasarkanpemahaman dari Gambar 1. waktu inisiasi retak


176

semakin berkurang secara kontinyu denganbertambahnya jumlah hidrogen yang diinjeksikan,dengan kata lain bahwa hidrogen dalam jumlahbanyak dapat mempercepat terjadinya retak.Sementara itu, pertumbuhan retak mencapaimaksimum pada konsentrasi hidrogen sekitar 25ml/kg dan selanjutnya kecepatan pertumbuhanretak berkurang.

Gambar 1. Hubungan inisiasi retak terhadapkonsentrasi hidrogen [12].

Meskipun aplikasi penambahan konsentrasihidrogen pada PWR sekitar 25 sampai 50 cc/kg,akan tetapi dari Gambar 1 dapat dilihat bahwapenambahan sekitar 5 cc/kg dapat memperlamawaktu inisiasi dan mencegah pertumbuhan retak.Selain itu seperti telah dijelaskan sebelumnyabahwa reaksi radiolisis sudah dapat ditekandengan menambahkan hidrogen sebanyak 5 cc/kg.

Pengaruh hidrogen pada pertumbuhan retakakan maksimum di sekitar pita kesetimbanganNi/NiO seperti tampak pada Gambar 2. puncakpertumbuhan retak berada pada konsentrasihidrogen sebesar 25 cc/kg. Selanjutnyapertumbuhan akan melambat sampai padakonsentrasi 50 cc/kg, dan terlihat relatif konstanpada konsentrasi > 50 cc/kg.

Gambar 2. Hubungan laju pertumbuhan retak terhadapkonsentrasi hidrogen [9].

Optimasi konsentrasi hidrogen

Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnyabahwa hidrogen ditambahkan ke dalam pendinginprimer untuk menekan radiolisis dan dengan carademikian mengendalikan jumlah oksigen terlarut,yang mana sangat penting untuk meminimasikorosi material struktur. Secara garis besar jumlahinjeksi hidrogen ke dalam air pendingindiharapkan rendah.[13] Karena dengan konsentrasiyang rendah maka kelarutan nikel bertambah,sehingga dapat mengurangi Ni dan dengandemikian mengurangi generasi Co-58 yangmerupakan hasil aktivasi Ni. Karena apabilakelarutan nikel berkurang berarti akanmeningkatkkan laju korosi paduan nikel danberakibat pada kenaikan deposit bahan bakar,akan mempengaruhi laju dosis pada plant.

Seperti telah disinggung pada teori bahwapendingin primer PWR dikendalikan secara kimiadengan penambahan asam borat, LiOH danhidrogen, maka hubungan ini dapat dilihat padaGambar 3.

Gambar 3. Perbandingan pengaruh hidrogen padainisiasi dan propagasi PWSCC pada Alloy

600MA [11]

Injeksi hidrogen ke dalam pendingin sangatbergantung secara signifikan pada temperatur, halini dapat dilihat bahwa semakin tinggitempearatur (sebagai fungsi kandungan boron)maka jumlah hidrogen yang dibutuhkan semakinrendah. Pada temperatur mendekati temperaturoperasi, hidrogen yang dibutuhkan hanya sekitar< 2 cc/kg. Pada gambar tersebut, jumlah hidrogensecara signifikan berkurang dengan semakintingginya temperatur dan hanya berubah sedikitterhadap kenaikan boron yang signifikan.

Optimasi level DH oleh karena itu menjadisuatu ukuran penting untuk mengendalikan lajudosis pada PWRs, dan tambahan ukuran kendalilain seperti optimasi pH. Karena apabila tidakditentukan konsentrasi yang tepat makapenambahan hidrogen hanya akan sukses dalammenurunkan laju korosi, namun akan memberikan


177

efek samping dengan meningkatnya paparanradiasi. Peningkatan paparan radiasi inidisebabkan karena perubahan bentuk oksida dariFe2O3 (hematit) menjadi Fe3O4 (magnetit) denganpenambahan hidrogen. Salah satu metode untukmenurunkan laju paparan radiasi dan korosiadalah injeksi zinc, seperti yang telah diterapkandi reaktor BWR. Oleh karena itu, perlu dilakukanstudi lebih lanjut untuk memahami efektivitasinjeksi zinc dalam menurunkan laju paparanradiasi dan korosi yang disebabkan oleh injeksihidrogen pada reaktor tipe PWR.[14]

KESIMPULAN DAN SARAN

Dalam kimia air pendingin reaktor PWR,optimasi penambahan hidrogen merupakan salahsatu parameter penting selain pengendalian pH.Penambahan hidrogen sekitar 25 – 50 cc/kgmerupakan suatu upaya pengendalian dari sisiaspek lingkungan yang dapat secara langsungmenekan terjadinya PWSCC. [7,12]

Penambahan hidrogen dapat menekan produkradiolisis yang terbentuk oleh karena air beradapada lingkungan ber temperatur tinggi.Konsentrasi hidrogen yang rendah sekitar <5cc/kg sudah dapat menekan radiolisis atausebagai penangkap oksigen dan spesipengoksidasi lainnya, selain itu dapatmemperlama waktu inisiasi dan mencegahpertumbuhan retak.

Konsentrasi hidrogen harus dijaga pada levelyang rendah, karena dengan konsentrasi yangrendah maka kelarutan nikel bertambah, sehinggadapat mengurangi Ni dan dengan demikianmengurangi generasi Co-58 yang merupakan hasilaktivasi Ni. Karena apabila kelarutan nikelberkurang berarti akan meningkatkkan laju korosipaduan nikel dan berakibat pada kenaikan depositbahan bakar, akan mempengaruhi laju dosis padaplant.Meskipun penambahan hidrogen sukses dalammenurunkan laju korosi, namun memberikan efeksamping dengan meningkatnya paparan radiasi.Oleh karena itu, perlu dilakukan studi lebih lanjutuntuk memahami efektivitas injeksi zinc dalammenurunkan laju paparan radiasi dan korosi yangdisebabkan oleh injeksi hidrogen pada reaktor tipePWR.[14]

DAFTAR PUSTAKA

1. IAEA-TECDOC-1120, Assessment andmanagement of ageing of major nuclearpower plant components important to safety:

2. PWR pressure vessels, IAEA VIENNA 19993. SHAH, V.N., WARE, A.G., PORTER,

A.M., Assessment of Pressurized WaterReactor Control Rod Drive Mechanism

Nozzle Cracking, Rep. NUREG/CR-6245,USNRC, Washington, DC (1994).

4. A. Molander: Radiolysis studies at Studsvik5. concerning influence of DH in PWR

environment. International Workshop onOptimization of Dissolved HydrogenContent in PWR Primary Coolant. TohukuUniversity, Sendai, Japan, July, (2007).

6. USNRC, Crack Growth Rates andMetallographic Examinations of Alloy 600and Alloy 82/182 from Field Componentsand Laboratory Materials Tested in PWREnvironments

7. Young Sik Kim, In Gyu Park, PowerEngineering Research Institute, The Role OfMicrostructural Variables in Primary WaterStress Corrosion Cracking of Inconel 600

8. Matweb, Special Metal of Inconel 6009. KFC05Sr02_Primary Coolant Chemistry.doc

r10 5/26/2004 “Chapter 5 Primary CoolantChemistry”

10. HSE Nuclear Directorate, Step 3 ReactorChemistry Assessment Of TheWestinghouse AP1000 Division 6Assessment Report No. AR 09/035

11. Technical Update EPRI, Assessment of theEffect of Elevated Reactor CoolantHydrogen on the Performance of PWR Zr-Based Alloys, December 2006

12. Alaleh Pakravan, Materials Science andEngineering University of Toronto, StressCorrosion Crack Nucleation in Alloy 600and the Effect of Surface Modification

13. Anders Molander, ElectrochemicalMeasurements in Nuclear PowerEnvironments, Studsvik Nuclear AB, SE-61182 Nyköping, Sweden

14. Molander A, Jenssen A, Norring K, KönigM and Andersson P-O. Comparison ofPWSCC initiation and crack growth data forAlloy 600. International Conference onWater Chemistry of Nuclear ReactorSystems. Berlin, September 15 – 18, 2008.

15. Hideki TAKIGUCHI, et. al, Optimization ofDissolved Hydrogen Concentration forControl of Primary Coolant Radiolysis inPressurized Water Reactors, Journal ofNUCLEAR SCIENCE andTECHNOLOGY, Vol. 41, No. 5, p. 601–609(May 2004)

16. H. Kawamura et.al, The Effect of ZincAddition to Simulated PWR Primary Wateron the PWSCC Resistance, Crack GrowthRate and Surface Oxide FilmsCharacteristics of Prefilmed Alloy 600, San.Diego Ca, CORROSION 98


178

TANYA JAWAB

Pertanyaan :1. Selain hidrogen, apa saja yang dapat

mempengaruhi PWSCC?

(Juni CH, PTNBR BATAN)

2. Bagaimana pengaruhnya terhadap kegetasanmaterial akibat penambahan hidrogen?

3. Pada kadar berapa hidrogen agar kegetasanAlloy masih di toleransi?

(Rasito, PTNBR BATAN)

Jawaban :1. LiOH, Zinc Injection, Asam Borat.2. Karena banyaknya hidrogen yang

ditambahkan junlahnya kecil < 5 cc/kgsehingga belum terjadi kegetasan material.

3. Penggetasan hidrogen akan terjadi apabilakonsentrasi hidrogen tinggi, namun tidakhanya kandungan hidrogen akan tetapi jugadipengaruhi oleh tegangan yang diaplikasikanserta komposisi dan mikrostruktur darikomponen tersebut.

22.sofia,b173-178,rev

Documents