131

HAMBURAN NEUTRON OLEH ZAT CAIR

R.S. Lasijo

Pusat Reaktor Atom Bandung

Armahedi Mahzar

Departemen Fisika I.T.B.dan

Marsongkohadi

Departemen Fisika I.T.B. dan Pusat Reaktor Atom Bandung

Abstrak,

Metoda hamburan neutron untuk menyelidiki gerak diffusi dan vibrasi-ro­tasi atomjmolekul dalam zat cair dibahas, untuk menjajagi kemungkinan penggu­naan Filter Detector Spectrometer dalam bidang tersebut. Analysa data eksperi­men dilakukan dengan menggunakan fungsi korelasi Van Hove dan model-modelsederhana.

Khususnya hasil-hasil eksperimen dari Natrium cair dianalysa dengan mo­del Diffusi Loncat (Jump Diffusion Model).

1. Pendahuluan.

Dengan ditingkatkannya daya reaktor TRIGA MARK II menjadi ] MW, terbuka­lah kemungkinan baru, untuk menggunakan berkas neutron guna percobaan hamburaninelastik. Untuk reaktor dengan f]uks neutron rendah, spektrometer yang paling cocokadalah "Filter Detector Spectrometer".Untuk ini, maka sebuah "Inverted Filter Spectrometer" sedang dibuat dan dalam tarafpenyelesaian.

Program penelitian dengan menggunakan Spektrometer ini, diantaranya ialah: di­namika molekul dalam kristaJ, spektroskopi molekul dalam penelitian Jogam cair.

. Kertas karya ini dimaksudkan untuk menjajagi kemungkinan peneJitian mengenailogam cair dan zat cair pada umumnya, dengan menggunakan teknik hamburan neutroninelastik.

Persoalan-persoalan dinamika dari zat cair, dapat dipecahkan dari dua arah pende­katan yakni, (a) dapat kita anggap bahwa zat cair terse but sebagai suatu zat padat yangtak teratur (disordered solid), atau (b) kit a dapat menganggap zat cair terse but sebagaigas mempat (condensed). Anggapan mana yang lebih menonjol tergantung dari suhuzat cair itu dan skala waktu observasinya.

Zat cair dibagi dalam beberapa kelas, akan tetapi dipandang dari dinamikanya ha­nya dibagi dalam dua kelas yakni, zat cair monoatomik (monoatomic liquid) dan zat

. cair molekuler (molecular liquid). Dari sudut tcoritik zat cair molokuler merupakan pro­blim benda banyak yang sulit, sedang zat cair monoatomik seperti misalnya logam ca-ir, lebih sederhana memecahkannya.

2. Metoda Hamburan Neutron.

Neutron thermis adalah partikel yang paling cocok untuk menyelidiki sistim ben­da ban yak (many-body system) seperti zat cairo

Penomena f]ukstuasi dalam zat cair dapat dikarakterisir dengan jarak korelasi

(correlation range) Ro dalam orde 1O-8cm, dan waktu korelasi (correlation time) 7Qdalam orde IO-13detik ...•Apabila perpindahan momentum dalam proses hamburan adalah 11 Q maka me-

nurut prinsip ketidak pastian, jarak interaksi atau jarak observasi A x adalah,I ..•..•..•

A x :> _ dimana Q = k - koI Q I

Sa lain dari itu, teori fluktausi mengatakan bahwa,

Dari kedua persamaan itu didapat

1

2 DQ2

Dimana D adalah koeffisien diffusi diri. Misalnya D :::=. 10-5 cm2/detik dan

0.1 < Q2 < 10 )\-2 maka waktu observasinya haruslah diantara 5 x 10-11 detikdan 5 x 1O-13detik.

Jadi fluktuasi dalam zat cair akan mempengaruhi energi dan distribusi sudut darineutron yang dihamburkan, hanya jika neutron tersebut berada dalam jarak korelasi Ro

dan waktu observasinya t b ~TO Neutron tersebut akan melihat gerak diffusi,sehingga apabila nellt ron 8atang dengan puncak yang tajam, maka puncak tersebut a­kan melebar karena ketidak pastian posisi penghambur.

Selain dari gerak diffusi, inti dari atom-atom dalam zat cair melakukan juga ge­rak vibrasi-rotasi da]am ikatan molckul. Neutron yang datang dapat pula mengamatiperpindahan energi dari/ke sistim vibrasi-rotasi tcrsebut. Ini dapat dilihat dengan ada­nya puncak-puncak inelastik pada spektrum neutron.

Maka yang kita lihat dari hasil hamburan neutron oleh zat cair adalah suatu pun­cak quasi-clastik dan beberapa puncak inclastik.

Dari pengllkuran lebar (width) puncak quasi-elastik kita akan mendapat parame­ter-parameter diffusi dan dari puncak-puncak inelastik kita akan mendapat frekwensivibrasi/rotasi sistim atom/molckul zat cair tersebut.

Larsson( I) tclah menunjukkan betapa pentingnya pemilihan encrgi dari neutrondatang untuk pcrcobaan hamburan oleh zat cairo

Misalkan resolusi alat berbentuk Gaussian dan suhu Dcbye dari sam pIc SooK.Massa dari penghambur M = 92 dan suhu dari sample adalah 293 oK dan kwadrat da-ri perpindahan momentumnya adalah Q2 = 15 )\-2 Sekarang dimisalkan ada em patbuah panjang gclombang neutron yang dipakai, yakni /-.. = 1.13)\ atau E = 64MeV dcngan resolusi t:./-../"d. = 8% " /-.. = ].5 A atau E = 36 MeV dengan re-

solusi f::,./-..//-.. = 5%, /-.. = 2.25 A atau E = 16 MeV dcngan resolusi f::,./-..//-..

= 5% dan akhirnya A. = 4 A atau E = 5 MeV dengan resoillsi t:./-..//-.. = 4%.Dari gambar-I dapat kita simpulkan bahwa tidak mungkin kita dapat memisahkan(resolve) puncak quasi-elastik kecuali apabila energi dari neutron yang datang sang­at rendah.

Kebanyakan eksperimen-eksperimen yang dilakukan untuk menentukan pelebar­an puncak quasi-elastik dilakukan dengan panjang gclombang antara 4 - 6 A Denganneutron ini dapat juga dilihat gerak vibrasi yang berenergi kurang dari 100 MeV.

Untuk ini biasanya dilakukan dengan teknik beryllium filter sebagai sumberneutron dingin atau dengan kristal berputar (rotating crystal spectrometer).

Karena neutron datang berenergi rendah maka proses "energy gain" yang dipa­kai. Untuk energy gain yang besar, faktor yang membatasi ialah faktor populasiexp (-nw/kT). Karena itu untuk sample dengan kT = 0.025 eV pengamatan energygain sebesar 0.1 - 0.15 eV tak mungkin. Dalam hal ini metoda "energy loss' dapat di­gunakan. Metoda energy loss biasanya dilakukan dengan Triple Axis Spectrometeratau dengan Filter Detector Spectrometer.

Secara ideal, sample yang dipakai haruslah suatu penghambur inkoheren karenasegala macam gerak dalam zat cair itu ada hubungannya secara sederhana dengan pe­nampang hamburan. Selain ilari itu perhitungan-perhitungan tcoritis selalu meramal­lean besarnya penampang hamburan differensial berganda inkoheren (incoherent dou­ble differential cross-section) ..

132

Akan tetapi salah satu penghambur inkoheren yang sangat baik yaitu Vanadiumsangat "corrosive" apabila dalam bentuk cair sehingga belum pemah dicoba.

Suatu approksimasi dari keadaan yang ideal ialah air. Tetapi air ini temyata sua­tu zat cair yang kompleks, karena atom hidrogennya terikat pada suatu molekul, yangjuga terikat secara lemah oleh molekul-molekul disekitamya. Tidak demikian keadaan­nya pada logam cair, karena setiap atom dikerumuni oleh atom-atom yang sarna.

Akan tetapi kebanyakan logam cair yang telah diselidiki adalah penghamburkoheren.

Sebagai contoh akan dibahas Natrium cair yang penampang hamburannya U koh1.55 barn dan uink = 1.85 barn.

3. Analisa Kata.

Data-data dari hamburan neutron oleh zat cair ada tiga macam yakni penampang

hamburan total U distribusi sudut d a dan penampang hamburan differensial berganda. d2 a dnn . Hanya akan dibicarakan data-data dari Natrium saja.d w

Sebelum kita menganalisa data-data hamburan neutron oleh zat cair baiklahkita tinjau dulu teori dasarnya yakni fungsi korelasi Van Hove dan model-model zat cdryang sederhana.

3.1. Fungsi korelasi Van Hove.

Interpretasi dari data hamburan neutron pada umumnya menggunakan formalis­me dari Van Hove(2) dimana penampang hamburan differensial berganda dapat ditulis

sebagai berikut:

d2 a b~oh

-> ->

()= '::"11 d r dt ei ( Q r - wt) G (;,t)

d n d w koh

2rrko

d2 a

b2k

->->

(d n d w) inkoh

=inkoh

_ II d; d t e1 (Q r - .wt) q, <"' )2rr

ko r,t

dimana G(r,t) dan Gs(r,t) masing-masing adalah fungsi korelasi dan fungsi korelasi diriVan Hove. Dalam limit klasiknya (G(r,t) adalah rapat kemungkinan mendapatkan par­tikel di r pada saat t apabila diketahui suatu partikel di r = 0 pada saat t = 0, sedang­

kan GgCr,t) adalah rapat kemungkinan mendapatkan partikel di r pad a saat t apabilapartikel itu sendiri diketahui di r = 0 pada saat t = O.

Tujuan suatu teori zat cair adalah menghitung fungsi-fungsi korelasi tersebut da­ri dinamika atomik/molekuler ..

Perhitungan fun~si korelasi diri Gs(r,t) lebih sederhana dan biasanya, sesuai de­ngan saran Vineyard(3) digunakan approksimasi Gauss yaitu anggapan bahwa

1 r2____ . exp [ - ---[ 2 rrf(t) ] 3/2 2 nt)

dimana r (t) adalah "width function", persimpangan kwadrat rata-rata partikeldari titik asal setelah waktu t, yang menggambarkan dinamika partikel tersebut. Un­tuk .menghitung r (t) lebih eksplisit dibuat orang beberapa model sehingga dapat

menghasilkan beberapa ramalan yang dapat dibandingkan dengan data-data eksperi­men.

133

3.2. Model-model dinamika zat cairo

Madej dittusi Vineram(3) m'lUrakan mod,] rnt rlin! sedOThana,ranr me­nganggap atom-atom hanya melakukan gerak diffusi. Dalam model ini diambil sede­mikian sehingga

r (t) ? Vo untuk

r (t) ? 2 (D I t I + c) untuk

t «TO

t» TO

dimana Vo adalah kecepatan atom, D = konstanta diffusi makroskopik, c = teta-pan yang tak tentu, sedangkan TD = periode frekwcnsi Debyc.

Lebar penuh dari puncak quasi-elastik dalam model ini adalah

Model diffusi loncat dari Singwi dan Sjolandc/4) menganggap bahwa disam­ping gerak diffusi, atom-atom zat cair juga melakukan gerak vibrasi akibat ikatanolch atom atom sekelilingnya. Dalam model ini kita mempunyai dua waktu karate-

ristik yaitu waktu rata-rata TO waktu atom dalam keadaan vibrasi, dan T Iwaktu rata-rata atom melakukan gerak diffusi antara dua gerak vibrasi. Jika 71 <<"Tdidapatkan 0

AE

TO

-2 W

(l __e_· _

I + Q2 DTO

Model diffusi loncat yang disempurnakan dari Oskotskii(S) merupakan pcrba­ikan dari model Singwi dan Sjolander diatas dengan menambahkan anggapan bahwapartikeljatom zat cair yang sedang bergetar itu juga melakukan diffusi secara lambat

dengan koeffisien diffusi Do Dalam model ini lebar puncak quasi-elastik adalah-2W

e )TO

2 D ( V? + c2 - C )

dimana e-2W adalah faktor Debye-Waller.

AE = 2!- (I + Q2Do TO7

o

Dalam hal ini Do jauhlebih kecil dari pada D.

Model diffusi tertunda dari Engelstaff dan Schofield(6) dimana r (t) di-nyatakan sebagai jumlah dari rD(t): yang menyatakan gerak diffusi dan r B(t)yang menyatakan gerak atom-atom yang terikat oleh atom-atom tetangganya. Dalammodel ini

rD (t)

r B (t) = ~ fooo dw f ( w) ( I - cos wt)M w2

dimana c = waktu·terlambatnya diffusi dan few) merupakan distribusi frekwensi.Hasil perhitungan dengan menggunakan "width function" diatas adalah

A E = y0.in2 yIDTC hQModel-model tersebut diatas dapat diuji dengan data-data hamburan inkoheien.

Perluasan dari, model-model tersebut untuk hamburan koheren tidak dibicarakan disini.

134

Selanjutnya kita akan membandingkan model-model diatas dengan hasil-hasileksperimen hamburan neutron pada Natrium cair.

3.3. Hasil-hasil eksperimen.

Cocking (7) melakukan eksperimen hamburan neutron pada Natrium· cair danmendapatkan grafik antara lebar penuh puncak q uasi-elastik b.E dengan kwadratperpindahan momentum Q2 untuk suhu-suhu 3880K, 4220K dan 4700K seperti ter­lihat pada Gambar-2 dan Gambar-3. Pada Gambar-2 hasH eksperimen telah dibanding­kan dengan model Singwi-Sjolander dalam versi loncat yang ekstrim dengan menggu­nakan e-2W yang ditentukan daTi intensitas puncak dan 'To = 2 x 10-12 detik. Jugapada Gambar-2 dibandingkan dengan model dari Oskotskii dengan menggunakan fO=5.4 x 10-12 detik dan fo = 2.4. x 10-12 detik. Ternyata model dari Oskotskiilebih coeok.

Pada gambar-3 telah dibandingkan hasH eksperimen dengan ramalan model diffu­si tertunda Engelstaff-Schofield dengan beberapa harga parameter e.

Eksperimenhamburan neutron dingin pada Natrium eair pada 3750K telah di­lakukan oleh Pandolph(8) dengan pengamatan pelebaran puncak quasi elastik untukdaerah 0.5 ~Q ~ 1.5 j;1. Hasil eksperiemen ini terlukis pada Gambar-4 dima-na telah dibandingkan ramalan model diffusi Vineyard dan ramalan model diffusi lon-cat dengan parameter fO = I x 10-12 detik, TO = 1.5 x 10-12 detik dan fo= 2 x 10-12 detik. Ternyata hasilnya cukup memuaskan.

LIQUID DINAMICS

>­t:(J)zwI­Z

3

2

1

~ 0 64 meVAE 10 meV

EO 16 meVAE 16 meV

, II •

~c 36 meVcs. E36 meV

EO 5 meVt1 E 0,4 meV

3.0 3,5 4.0 4.5o

Wave Length (A)

GAMBAR I. Ilustrasi tentang pentingnya pemilihan energi neutron masuk Eoyang tepat apabila resolusi diberikan oleh sifat-sifat alat. Tampak bahwa hanya apa­bila Eo = 16 dan 5 meV adalah puncak elastik dapat dipisahkan dan mungkin dipe­la.iari lebarnya.

135

o Osk~skii300 1$-,•.•.••••-:7'* .

To=90 1;.9J.••••••••. To=200 X1.5

~ •••'" SJ!l.gwi-Sjolander~,~

0015

001

- I-•.•...0=0005

)( ~3 0I l-e~ 0 005l-IC1W 01/I .....J<I:I 0 005

0

I0

001

D02 )( 11 IT

002 003

GAMBAR 2. Lebar paruh pun­

cak-puncak quasi-elastik yang·telah dikoreksi untuk resolusidari natrium cair untuk berba­

gai suhu dibandingkan denganramalan-ramalan :

(I) model Singwi-Sjolander de­

ngan c·-2W ditentukan daripuncak-puncak intensitas dan

TO = 2 x 10 -1 2 detik (garis pe­nuh), (2) model Oskotskii de­ngan e- 2W ditentukan dari

puncak intensitas dengan

To = 5.4 x 1O-12detik (garis

putus-putus) dan To = 2.4 x10-12 detik (garis putus-putustitik-titik).

1.00015

001

- I-•.•...0= 0 005)(

I;,,;,,'

~

0

3~ 0005e~ 1/l- It?

0

wI~ 0005<I:~ 00

136

";"//

;"/'"

'"

/.. ,",.I'

;";"/

//;"

C. 0;"

//////.

001

002 x 11/T

505

Temp. 3880 K

002 003

GAMBAR 3' Lebar paruh

puncak quasi-elastik ham-buran neutron pada natriumcair untuk berbagai suhu diban­dingkan dengan ramalan hukum

Fick( garis putus-putus) dan

model diffusi tertunda Egelstaff­Schofield (garis penuh) untuk

berbagai harga tD = Cdalam satuan " "hIT

0.8

+

simple diffusion

jump diffusion

I0,4

A E

A E

. ,0,8

•1,2

.12'To = 2 x 10 sec.

•...•W-...I

GAMBAR 4. "Lebar" dari puncak kwasi elastik dari natrium cairo

DISKUSI:

IJOS SUBKI:

I. Apakan ~rti fungsi koreksi G(r,t) dan Gs (r,t)

2. Bagaimana menurunkannya?

LASIYO:

I. Fungsi korelasi G(r,t) adalah merupakan suatu rapat kemungkinan untuk men­dapatkan suatu partikcl dititik r pada waktu t, dimana pada waktu t = 0 suatupartikel berada pada titik r = 0

Fungsi korelasi diri Gs(r,t) merupakan suatu rapat kemungkinan untuk menda­patkan suatu partikel dititik r pada waktu t, dimana partikel itu sendiri beradapada titik r = 0 pada waktu t = 0

2. Fungsi korelasi diri GS<r,t) merupakan transformasi Forier dari "hukum ham-buran", Ss (w) yang merupakan besaran yang dapat diperoleh dari ex-perimen. Secara teoritis biasanya fungsi ini dimisalkan berbentuk Gaussian de­ngan pet) "width function" ditentukan dengan menggunakan model-modelbentuk Gaussian dari G (r,t) ini merupakan approksimasi pertama. Untuk me­nyesuaikan dengan hasithasil eksperimen sering dilakukan koreksi dari bentukGaussian ini. Sedangkan G(r,t) dapat diperoleh dari Gs(r,t) dengan approksima­si pula.

DR. PARANGTOPO:

Bagaimana dapat dipisahkan spektrum vibrasi dan ratasi yang berada didalamliquid dari intensitas neutron scattering?

LASIYO:

Spektrum vibrasi dan rotasi adalah terdapat pada puncak-puncak inelastik. Ma­ka spektrum ini dapat kita pisahkan dari intensitas hamburan neutron denganmengisolir puncak elastiknya. Untuk memisahkan antara vibrasi dan rotasinyasaya sendiri belum tahu dengan pasti. Menurut hemat saya mungkin ini dapatdipisahkan.

Kepustakaan.

I. Larsson, K.E., Inelstic Scattering of Neutrons, IAEA, Vienna (1965) 3

2. Van Hove, 1., Phys. Rev. 95, (1954) 249.

3. Vineyard, G.H. Phys. Rev. 110 (1958) 999.

4. Singwi, K.S., Sjolander, A., Phys. Rev. 119, (1960) 863.

5. Oskotskii, V.S., Soviet Phys. Sol. State 5 (1963) 789.

6. Engelstaff, P.A., Schofield,P., Nucl. Sci. Engng. 12 (1962) 260.

7. Cocking, Studies of the liquid state using the inelstic scattering of slow neutrons,Dissertation University of London (1967).

8. Randolph, P.D., Neutron Inelastic scattering I, IAEA, Vienna (1968) 449.

138

INSTRUMENT ASI REAKTOR TRIGA MARK II.Beberapa Pengalaman dan Pengembangan.

Oleh:

Iyos R. Subki, RPH. lsmuntoyo, Abdurachman,Suryadi, Bakri Aribie, Martias Nurdin.

BATAN - Pusat Reaktor Atom Bandung.

Abstrak.

INSTRUMENTASI REAKTOR TRIGA MARK II. Disini dibicarakan aspek-aspek ins­trumentasi reaktor, baik yang bersifat routin yaitu berupa pengendalian dan pengaman­an, maupun yang bersifat penelitian. Beberapa pengalaman didalam analisa darikarakteristik system instrumentasi pengendalian akan dibicarakan, beserta dengan ke­simpulannya. Didalam reaktor penelitian, Instrumentasi untuk penelitian terlebih-lebihmemegang peranan sangat penting untuk meningkatkan effisiensi dan effektivitas darikemampuan kerja reaktor. Dalam bidang ini akan dibicarakan pengembangan rencanainstalasi Instrumentasi/peralatan berikutnya.

I. Pendahuluan:

Didalam suatu reaktor penelitian, kita akan membahas tiga macam sistim Instrumen-tasi yaitu :

1. Instrumentasi untuk pengendalian.

2. Instrumentasi untuk keamanan.

3. Instrumentasi untuk penelitian (Research Instrumentation).

Pada umumnya reaktor-reaktor mempunyai sistim Instrumentasi type 1 dan 2, di­mana terdapat suatu derajat interdependensi antara keduanya itu tergantung darifalsafah pengcndalian system.

Didalam Reaktor TRIGA terdapat interdependensi antara sistim pengendalian dansistim keamanan yang erat, dalam arti bahwa batas-batas keamanan dan signal-signal.pengamanan diberikan oleh sistim pengendalian. Hal ini dapat dilihat pada diagram I.Yang melukiskan sistim pengendali dari reaktor TRIGA.

Diagram skematik instrumentasi reaktor.

1. Kanal Start-up.

Merupakan kanal yang sensitip untuk neutron.

Fissioncounter

I H H ~"'''''"L-, sansltlt terhadap ---p-re--a-m-p-.- L.C.R. ~rce

+ nnth f

CDL.C.R.meter

interlock semacam logic system, yang bisa menentukan suatu tindakan :boleh atau tidak.

source interlock:

sangat penting untuk mencegah blindstart-up, yang terjadi biJasource count sangat kecil (tidak terdeteksi) --- fluktuasi count sa­ngat besar --- bahaya star-up accident (reactivity accident).

139

2. K a n a) air.

I 1-----"18-Temp.~PrObe Meter (C)

I J I 1-0G.M.

Conductivity bridge

3. Kanal Log N d-an Perioda

Rangkaian Count Rate Meter (mr/hr)

oMeter (micrombos)

Recorder log N

4. Kanal Linear

(penunjuk daya yang paling teliti)rl

c.l.c

c.i.c

S. Kana) % Daya.

un c.l.c

log N amp.

Monitor daya

-Monitor day a

RangkaianPerioda

,..III,IIII

Magnet Scramarus d-cuntuk' ba­tang-batangpengontrol.

f%ctaya

Automatic control

140

% power demand Servo Amplifier

batang per,gontrol(regulating)

Motor

Daya(Watt)

. IV< Uncompensated ion

chamber, kana! % power.

c..- I- Compensated ion chamber,kana! log N dan period a

III ~ Compensated ion chamber,kana! daya linear.

Source level

Sistim Instrumentasi untuk pengendalian dan keamanan terdiri atas :

1. Kanal neutron untuk start-up, daya linier, daya logaritma dan perioda.

~. [anal'kerad1oaktlpan air,.

3. Kanal temperatur air.

4. Kanal konduktipitas air.

5. Sistim monitor untuk sinar 'Y di reaktor hall.

Daerah yang dicakup oleh kanal neutron dapat dilihat pada gambar 1.

Kanal neutron.: Sinyal-sinyal disini diperoleh dengan satu atau lain macam detektorneutron, yang ditempatkan dekat atau dalam reaktor. Type dari detektorditentukan oleh kebesaran fluks (nv) yang harus diukur.

Mengenai batas-batas kearnanan untuk sistim reaktor TRIGA, terdiri dari :

daya lebih (excess power).

- perioda terlalu cepat.

- hilangnya penyediaan tegangan tinggi kepada peralatan.

Kesemuanya itu akan memberikan suatu signal kepada sistim pengamanan yang me­nyebabkan jatuhnya batang pengontrol keda]am reaktor. Dengan demikian mengaman­kan sistim reaktor dari keadaan abnormal.

Penelitian dan perbaikan yang konkrit terhadap sistim Instrumentasi reaktor belumpernah diadakan karena kurangnya biaya. Akan tetapi disini akan disampaikan bebempaanalisa tentang kondisi berbagai kanal pengendalian.

Hal terakhir yang penting untuk dikemukakan adalah mengenai instrumentasi penelitian,yang sudah barang tentu tidak ada dalam sistim reaktor daya, bahkan didalam reaktor pe­nelitian sering kali dilupakan. Karena itu disini kita akan bicarakan Instrumentasi penelitiandengan maksud untuk mempertinggi effisiensi reaktor TRIGA untuk berbagai penelitian.

Disamping itu dibicarakan juga beberapa perkembangan terakhir dalam Ins­trumentasi reaktor yang menyangkut penggunaan collectron pengukuran intensitasnetron dalam reaktor secara routin.

II. Sistim Pengendalian dan Keamanan.

11.1. Dasar pemikiran sistim pengendalian dan sistim keamanan reaktor.

Didalam perancangan sistim pengendalian dan sistim keamanan kita perlu me­ninjau karakteristik dinamis daripada reaktor, didalam sistim pengendalianmaka untuk reaktor yang mempunyai stabilitas intrinsik besar dapat kita meng­gunakan sistim pengendali sederhana dalam arti jumlah maupun kecepatannya.Sedangkan untuk sistim reaktor yang mempunyai koefisien reaktivitas yangpositif diperlukan sistim kendali yang cepat dan sedapatmungkin otomatis.

Didalam perancangan sistim keamanan digunakan dasar fikiran yang sam adengan diatas; yaitu untuk sistim yang mempunyai stabilitas intrinsik yangbesar, maka instrumentasi hanya diperlukan untuk mempermudah mengadakanperubahan-perubahan daya. Sedang untuk keadaan yang lain, karena perubahankoeffisien reaktivitas negatif yang lambat, maka instrumentasi harus mempunyairespons yang cepat. Jadi untuk keadaan yang kedua ini seluruh keamanan darireaktor tergantung dari sistim instrumentasi.Beberapa aturan dasar untuk mendapatkan keamanan yang maksimumadalah :

1. Instrumentasi keamanan jangan dipakai untuk maksud lain.

2. Instrumen masih bekerja meskipun reaktor dalam keadaan tidak bekerja.

142

3. Instrumen harus di-test secara routine pada interval waktu yang tertentu.4. Instrumen harus fail-safe.

Untuk Reaktor TRIGA keadaan I dan 2 tidak dipenuhi mengingat ReaktorTRIGA mempunyai intrinsik karakteristik yang besar, sehingga penggunaansistim yang independensinya besar tidak diperlukan; disamping itu karenadayanya rendah (I MW) aktivitas r sesudah shutdown tidak cukup besar untukmemungkinkan pemanasan oleh produk fissi, sehingga monitor untuk temperaturdan radiasi tidak diperlukan pada waktu shut down.

II. 2. Kerusakan pada sistim.

Dalam menentukan kerusakan pada sistim ditinjau :

1. Signal yang diterima dari kamar lonisasi yang terkompensir (CIC).

2. Rangkaian yang mengolah signal.

Dari kedua konsiderasi ini kita dapat menentukan letak kerusakan yang sebenarnya.Untuk signal yang berasal dari CIC perlu ditinjau arus ambang dari gangguansinar r terhadap rangkaian perioda.

Arus am bang dan signal r (karena kompensasi yang tidak sempurna) meng­akibatkan penunjukan perioda yang lebih kecil dari sebenarnya dan menyebabkan"Scram" yang sesungguhnya tidak perlu.

Evaluasi kwantitatip berikut membenarkan hipotesa diatas. Seandainya kom­pensasi dalam Kamar Ionisasi tidak sempurna maka dalam rangkaian akan mengalirarus gamma (background) sebesar G J.l.J.l. A dan arus netron :

in = ino exp(t/T)

Maka arus dari kamar ionisasi adalah :

ic = in - G .

Perioda pada meter adalah :

dic/dt

(I)

(2)

(3)

G

in(t)

Seandainya arus daTi rangkaian adalah {3, maka untuk menggerakkan meteran haruslah :

Tind = l' ( I - ) . (4)

(6)

ino exp (tth/T) - G = {3 ••••••••••••••••••• (5)

= l' In ({3 + G)ino

= l' [ I G

ino exp In ( (3 + G ) ]ino

Gl' ( I - -__Tind = {3 + G

143

Tabel berikut menunjukkan hubungan antara perioda yang ditunjukkan meter (Tind)dan perioda yang sesungguhnya (1') untuk berbagai arus gamma.

G Tind

0

T

0, I {3

0,91T

1,0 {3

0,5T

3,0 {3

0,25l'10,0 {3

0,09l'

Dari rangkaian yang mengolah signal kesulitan terutama terletak pada sistim "dualrecorder" yang terlalu tua.

Slide wire/potentiometer dalam log N recorder memberikan signal ke rangkaiandifferentiator dan dikirimkan ke meter perioda melalui suatu penguat.

Gangguan pada potentiometer ini mengakibatkan penunjukkan yang tidak tepat,yaitu penunjukkan terlalu kecil.

Untuk ini kita tinjau data-data pengukuran perioda dengan metoda "doubling time"dibandingkan terhadap perioda yang ditunjukkan meter.

Da ta - A

Tind

(detik)T,..(detik)

TI

(sen)r1

oK1Il11 er I~---

30

-40 1053420

Kamar lonisasi Linier dihubungkan ke i1 i1 A KeithleyKamar lonisasi Logaritma dihubungkan ke rangkaian perioda

Data - B.

Tind

(detik)1'1' .

(detik)T(detik)

(sen)

I1I11er

oK

-

343420

Kamar lonisasi log dihubungkan ke i1 i1 A Keithley.

Perioda Kamar Ionisasi Log. ternyata cocok dengan besarnya reaktipitas yang diberikan,sedang perioda oleh Kamar lonisasi Linier memberikan waktu yang lebih besar.

Ini berarti kecepatan kenaikan signal dari Kamar Ionisasi Linier lebih kecil dariKamar Ionisasi log.Kesesuaian perioda "doubling time" dengan perioda meter menunjukkan bahwa KamarIonisasi Log masih terkompensasi dengan baik.

144

III. Pengembangan Instrumentasi Reaktor.

Sebagai telah diuraikan dalam bab terdahulu kita masih menghadapi kesulitan- kesulit­an dengan sistim pengendali reaktor, khususnya dengan rangkaian perioda. Meskipundemikian hal diatas tidak merupakan kerugian yang besar, jika diingat bahwa reaktorTRIGA adalah sistim yang sangat aman,dilain pihak instrumentasi level (pengukuran daya) yang masih baik ditambah denganinstalasi collectron pada akhir akhir ini.

Untuk mengatasi kesulitan pada rangkaian perioda disebabkan oleh recorder yangsudah tua, sedang diusahakan suatu instalasi rangkaian perioda yang sarna sekali bebasdari rangkaian-rangkaian yang lain, dengan demikian rangkaian ini akan menjadi kana!pengaman sekaligus pula merupakan kanal start-up.

Jadi yang dimaksudkan dalam pengembangan terutama diarahkan pada instrumentasiuntuk penelitian dengan reaktor.

III. 1. Teori Collectron '

Collectron atau lebih dikenal dengan self powered detector dikembangkan antaralain oleh J. W. Hilborn dari Atomic Energy of Canada Ltd.Collectron ini terdiri dari dua buah silinder yang koaxial dan diantaranya dilapisidengan isolator. Elektron' yang didalam berupa meterial yang akan memancarkanZarrah {J, bila menangkap netron. Zarrah {}at au elektron ini mempunyai enersi yangcukup tinggi, hingga akan menembus isolator terse but dan akhirnya akan ditangkapoleh elektroda bagian IUar. Kalau kedua elektroda ini dihubungkan dengan suatuampere meter, maka akan terbaca arus yang akan sesuai dengan besarnya flux netron.

Untuk elektroda bagian dalam dipilih yang mempunyai waktu paruh pendek.Dengan demikian keadaan seimbangnya akandicapai dengan cepat. Beberapa.macam bahan yang dapat dipakai sebagai collectron tertua pada tabel dibawah ini,bentuk dari collectron pada gambar 2 (a, b).

Tabel:

Bahan .. Waktu Paruh. Enersi max.Kecepatan terbakar

pada flux 1013cm2/det.

Collector

2,30 menit 2,87 Mev.

3,76 menit 2,6 Mev.

4,4 menit - 42 det. 2,44 Mev.

Isola tor

0,0076%/thn.

0,012 %/bulan.

0,39 . %/thn.

MagnesiumAluminium

Nikell

Titanium

ZircaloyInconel

Stainless steel

Polystyrene

Polyethylene

Polypropylene

NylonTeflon

Berylium OxideMagnesium OxideAluminium Oxide

Silicon Oxide.

700

100014001600

2500

C

C

C

C

C

145

Rhodium pemancar 0,5 mm o.d Kabel koaxial ke am-meter.

/-~~~~-==~-=-';-=-_= --- =-~ -~ ~ ~~1~~1~~{~~~H.1;~~~~{\f?~~~~:1:~\¥0Y·

isolator

Gambar.2a.

kolektor 1,4 mm o.d

- _. - - - - - - - 1

- - - - - - - - -- I

11//1/1//11///////'+-:- :kolektor _~_ •..•

RL

111neutron datang

VII////////I////////A - - v- -isolator - - - - - - - - - 0

pemancar I~':';~;":"':.:~~~..~~':.~I:---,isolator ....

Gambar.2b.

kabel koaxial

_Ampere-meter __ .

III. 2. Instalasi Collectron.

Pengukuran flux neutron pacta setiap titik didalam reaktor untuk suatu dayatertentu akan lebih mudah dan cepat dilakukan dengan collectron.

Dengan menempatkan collectron pada suatu titik tertentu (A) didalam reaktordan kemudian ujung-ujung dari elektroda collectron dihubungkan dengan amperemeter, maka dapat diketahui besaran arus yang sesuai dengan besaran flux neutrondititik tersebut untuk suatu daya tertentu.Besaran flux neutron dititik A tersebut terlebih dahulu harus kita tentukan dengancara biasa, yaitu metoda aktivasi voil.

Pengukuran flux neutron dititik-titik lainnya yang sedikit ban yak mempunyai. kondisi yang sarna dengan titik A, cukup dengan membandingkan besaran-besaranarus yang terbaca dalam ampere meter dititik-titik terse but dengan arus dititik Adikalikan dengan besaran flux neutron dititik A.

146

<1>.I

Jadi besaran flux neutron disuatu titik :i.

= 1

dimana: besaran arus titik i

" "A(titik patokan)

<I>A - flux neutron dititik A.Pada saat ini pengukuran distribusi flux netron helum dilakukan baru sampai padapercobaan mengenai karakteristik transient dan linearitas collectron.

Dengan mengetahui karakteristik transient dan collectron, dapat ditentukanuntuk operasi-operasi yang bagaimanakah collectron dapat dipergunakan.

Percobaan-percobaan mengenai waktu transient collectron telah dilakukan padadaerah ring F dan pada posisi tengah-tengah teras pada arah vertikal.Collectron ditempatkan diantara elemen bahan bakar.

I1L3. Karakteristik Collectron.

Karakteristik collectron secara experiment dapat dilihat pada gambar-gambarberikut :

Gambar 3 Karakteristik collectron dan CIC pada saat reaktor scram dari daya100KW.Disini collectron dari CIC masing-masing dihubungkan dengan recorder.Collectron diletakkan dalam ring B.

Gambar 4. Reaktor beroperasi pada daya 50 KW, dinaikkan reaktivitinya selama5 detik, 4 kali berturut-turut selang 20 det.Collectron diletakkan dalam ring F.Kcpekaan collectron terhadap kenaikkan reaktivity sangat kurang di­bandingkan dengan CIC.Keadaan stasioner dicapai setelah waktu 3 menit.

Gambar 5 Kenaikan reaktiviti sebesar 1\0sen dari daya 50 KW diamati olehcollectron yang dihubungkan dengan reaktor. Collectron diletakkandalam ring F.Kedudukan kembali stasioner setelah 3 menit.

Gambar 6 dan 7 : Hubungan antara daya dengan arus yang ditimbulkan dalamcollectron, masing-masing pada posisi ring B dan ring F.

Sebagai kesimpulan dari percobaan-percobaan karakteristik collectron dapat disimpul­kan bahwa :

keadaan stasioner baru dapat dicapai dalam waktu 3 menit sehinggauntuk pengukuran-pengukuran yang memerlukan waktu cepat, tidak dapatdipakai.

Linieritas collectron terhadap perubahan-perubahan daya (perubahan fluxneutron) sangat memuaskan, sebagai terlihat pada gambar 6 dan 7.

147

148

(\I

"'ci

Daya

o

ARUS

o

0.5Gambar 4.

2Gambar 5.

1.5

3

2

t (menit)

4

2.5

A

20.1 0-9

10.10*9

Posisi 'collectron pada ring B

Gambar. 6.

A

50 100 150 200 250 300

Daya (KW)

40.10*9

20.10"9

Posisi collectron pada ring F

Gambar. 7.

IV. PENGEMBANGAN LEBlH LANJUT.

Perala tan-perala tan berikut sedang dalam taraf pembuatan atau sedangdalam tahap perencanaan dalam rangka penyempurnaan instrumentasi pe­nelitian.

o 100 200 300 400 500 600 700 800 900 103

paya (KW)

IV.I. Reaksi meter.Didalam operasi reaktor penelitian maupun reaktor daya, reaktivitas

dari systim perlu sekali diikuti pada waktu operasi perubahan day a,dalam hal ini dipakai reaksi meter. Prinsip kerjanya didasarkan padasuatu analog Computer yang mensimulasikan persamaan kinetis reaktor.Signal input yang diperoleh daripada reaksi meter berasal dari suatukamar ionisasi yang diletakkan disekitar teras reaktor.

150

Bentuk persamaan kinetis yang disim\l.lasikan adalah :

dn

dtAk( I - (3) - {3 n + ~AiCi + S.

~

{3i(l + Ak) n _ ~Ci../Sedangkan rangkaian dari reaksi meter seperti pada gambar dibawah ini.

a-kWII .t~y-10V Y P I

+---L---. +

XI I Y

multiplier (division mode) GAMBAR 8.

IV.2. Deteksi Pendidihm.

Deteksi Pendidihan dengan analisa spektrum.

Dalam suatu reaktor penelitian, pendidihan adalah suatu fen omena yang tidakboleh terjadi, sehingga dengan demikian awal pendidihan harus dapat dideteksi.

Pendidihan dapat menimbulkan instabilitas dan hal ini tidak diinginkan darisegi penelitian.

Salah satu cara deteksi adalah dengan mengamati perubahan pada spektrumdad "Neutron-nois" dalam reaktor.

Rangkaian dasar dari analisator spektrum ini adalah sebagai berikut :

151

X(tl Inveder

Bandpass filter

IW

BUCKING VOLTAGE

Rangkaian terdiri dari sebuah kamar ionisasi (CIC), sebuah sebuah uu-ammeterdari Keithley, dua buah invermeter (analog computer), sebuah band pass filter,sebuah rangkaian kwadratis (squarer) dan sebuah integrator (analog computer).Rangkaian diatas didasarkan atas hubungan-hubungan berikut :

Fungsi autokorelasi didefinisikan sebagai :

I/> (T) lin ~ f X(t) x (t + T )

TT+oodT .....•.•. (l)

T = interval, waktti pengukuranT = dolay time

X(t) = signal

Spektrum daya dari signal adalah :

I/> (w)

I/>(T)

f'qJ (T) -jWT dT_00 e

I r jWT- I/> (w) dw2 1T _00 e

(2a)

(2b)

Dari persamaan (I) didapat untuk T sarna dengan nol : (3)

Dari persamaan (2b) untuk T = 0 , w antara

w' _.- tow dan w' + t:.w didapat :

=_l_f

w' - t:.w

¢ (0)cI>(w) dw...........(4)

2 1T w' -.: t:.w

Ruas kanan dari persamaan (4) tidak lain daripada spektrum daya padafrekwensi : I. I

w:cI>(w)

Jadi cI>(w') '" cI>(0) '" X2 (t) = f Xz." dt.

Atau <P. (w')

Rangkaian terdiri dari sebuah kamar ionisasi (CIC), sebuah fJ. fJ.-ammeter dariKeithley, dua buah inverter (analog computer), sebuah band pass filter,sebuah rangkaian kwadratis (squarer) dan sebuah integrator (analog computer).

152

Program analisa spektrum ini masih dalam tahap pembuatan bandpass filteryang dapat dipakai dengan rangkaian diatas.

Analisa Nois Akustik.

Adanya nois karena pendidihan dapat dideteksi secara akustik dengan meng-gunakan alat-alat dibawah ini : .

elektroda pemanas (boiling generator).

mikropon bawah air.

penganalisa gelombang (wave analyzer)

sebuah integrator pasif.

Susunan alat-alat penelitian (block diagramnya) adalah sebagai berikut :/

t ...-"'-, ...-i ...-

pemanas -=- -,- ~ mikrophon I,Gelombang (nois) pendidihan karena pemanas diterima oleh mikropon dan

outputnya dimasukkan kedalam penganalisa gelombang (wave analizer) dan hasiltersebut diperbaiki dengan menggunakan sebuah integrator pasif yang ber-karak­teristik "time constant" yang tinggi (240 detik).

Dalam analisa (penelitian) perlu diperhatikan nois yang sudah ada sehingganois pendidihan yang sesungguhnya dapat diketahui. Disamping itu harus puladicari pengaruh dari aliran fluida yang mendidih, karena dari sini kemungkinanadanya resonasi didalam tanki reaktor akan menycbabkan terjadinya puncak­puncak amplitudo nois terdeteksi yang menonjol. Jarak an tara mikrophon dan pe­manas tentu harus. diperhatikan agar pengaruh magnetis dari konduktor panasdapat dicegah.

Jadi dalam penelitianjanalisa harus diperhatikan;

1. Pemasangan mikropon dan konduktor pemanas.

2. Mengalir atau tidaknya fluida.

3. Nois yang sudah ada.

4. Daya yang diberikan pada konduktor pemanas.

penganalisagelombang

integratorpasif

IV.3 Instalasi TRIGA King Furnace (TKF)

TRIGA King Furnace adalah suatu tungku pemanas dalam reaktor yang terdiriatas tabung grafit pemanas (dipanaskan dengan listrik) dan bejana aluminumsebagai kelongsong yang dirancangkan sedemikian rupa hingga dapat ditempatkanpada posisi elemen bahan bakar.

Tungku diatas memungkinkan penyelidikan material bahan bakar dalammedan radiasi neutron pada temperatur sampai 1800° C. Temperatur sampeldapat diatur dengan suatu sistim kendali dan diukur dengan pyrometer optis me­lalui cermin pemantul dibagian TKF.

Bagan daripada tungku TKF dapat dilihat pada gambar 9.Yang penting diselidiki pada berbagai komponen bahan bakar ialah kemampu­

an menyimpan produk fissi (fission product retention). Gas yang dikeJuarkanoleh bahan bakar dapat ditangkap pad~.filter "Charcoal" yang didinginkandalam nitrogen cair dan selanjutnya dicacah pada pencacah kanal banyak.

Program ini merupakan langkah yang tercepat kearah penyelidikan bahanbakar nuklir dengan reaktor penelitian, pada dewasa ini sedang diusahakan untukmemperoleh tungku TKF melalui bantuan tehnik.

153

1

OverallHeight23 Ft

J

"

~t!.:."~,{.,;.!••,f

':1"•.'~~

Temperature

monitC?ring mirror

HeaterCompressionSprings

Helium Purge Outlet

, JGas Pressure Sensor.

Gambar 9. TRIGA King furnace Schematic.

Internal Electrode

/ Co"'''"m'"' V"",

RINGKASAN:

Didalam-laporan singkat ini tclah dibicarakan masalah-masa]ah rutin maupun pe­ngembangan yang menyangkut : sistim kendali, sistim kcamanan dan instrumentasi pe­nelitian dari suatu reaktor penelitian.

Kesulitan pada kanal ncutron tclah diatasi dcngan pemasangan coJlectron untukinstrumentasi level maupun untuk pcnelitian, dilain pihak telah dirancangkan suatu kanalindependen untuk pengukuran perioda ..

Penelitian karakteristik collectron menunjukkan bahwa sistim ini sangat baik untukpengukuran daya, kalibrasi daya dan distrihusi flux neutron mengingat bahwa resolusiruang detektor ini sangat baik. Yang terakhir ini sarrgat penting untuk evaluasi bucklingdan reaktor dalam rangka pengelolaan bahan-bakar.

Pengembangan selanjutnya dibidang ini adalah dalam rangka penyempurnaaninstrumentasi penelitian yaitu reaktimeter, analisator noise, dan deteksi pendidihan, di­samping itu dalam rangka menunjang program reaktor daya diusahakan untuk memper­oleh TRIGA King Furnace guna penelitian dibidang bahan-bakar nuklir.

D AFT A R PUS l' A K A

1. THOMSON, 1'.1. and J.G. BECKERLEY :"T:1e Technology of Nuclear Reactor Safety", Vol. 1.Reactor Physics and Control, the N.I.T. Press, 1964.p.p. 286 - 295. -

2. HILBORN, JOHN W :""Selfpowered Neutron Detectors for Reactor Flux monitoring".Nucleonics, Vol. 22, No.2 Feb. 1964. p.p. 69 - 72,74.

3. DIEREKX, R; A. MARCHAL and A. van WAUWE. : ""A simplified Direct Reactivity Meter for D20 - Moderated SystemsNuclear Applications, Vol. 3 No.9 (September 1967). p.p. 532 - 539.

4. G.A. - 5143, "TRIGA MARK II Instrumentation Maintenance Mannual"

5. SCHULTZ, M.A. _"Control of Nuclear Reactions and Power Plants",Mc Graw-Hill, 1961.

6. GLOWER, DONALD D. :"Experimental Reactor Analysis and Radiation Measurement"Mc Graw-Hill, 1965.

7. TID,-7663, Light Water Moderated Research Reactors.

8. SIMNAD M. et al. :"TRIGA Research Reactor Experimental Instrumentation".IAEA Symposium on Irradiation Facilities for Research Reactors,Teheran 1972.'

9. G.A. - 371 :"Technical Foundation of TRIGA".

1O. I.A.E.A.

"Safety series No. 35, Safe Operation of Critical Assemblies and ResearchReactors", 1971 ed.

155

DISKUSI:

DR'S A M A UN:

Apakah dapat dibuat kolektron sendiri ?

IJOS SUBKI :

Lebih mudah bikin kolektron daripada proportional counter.MARSONGKOHADI :

1. Untuk mengkalibrasi kolektron apakah dipakai foil standard?

2. Jika demikian, bagaimanakah mengkalibrasi untuk daya reaktor yang tinggi,dimana foil akan menjadi besar sekali aktivitasnya atau mungkin melelehkarena panas? Apakah dapat diadakan extrapolasi dari kalibrasi padadaerah daya rendah ?

IJOS SUBKI :

1. Kolektron dikalibrasi dengan Au-foil pad a suatu posisi tertentu dalamreaktor dengan operasi pada daya rendah. Arus pada kolektron pada posisiitu diukur dengan micro-micro-ammeter.

Jadi dari sini didapat 1. = kiFaktor k adalah faktorl kalibrasi.

2. Tidak perlu lagi dikalibrasi pada daya tinggi Cukup pada daya rendahseperti telah diketahui pada ad I.

156