Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bakar NukUrPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996

ISSN 1410-1998

PENGARUH BURNUP DAN DAY A TERHADAP PELEPASAN GAS FISIDARI ELEMEN DAKAR REAKTOR DAY A JENIS PWR

BERDASARKAN PERHITUNGAN DENGAN KODE FEMAXI-IV

Edy SulistyonoPusat Elemen Bakar Nltklir

ABSTRAK

Telah dilakukan analisis terhndap pengnrnh pernbahan bum up terhadap pelepasan gas fisi serta dibandingkanantara pelepasan gas fisi dengan variasi daya memnkai progrwn komputer FEMAXI-IV untllk elemen bakar jenisPWR pada kondisi steady-state. Hnsil wlnlisis mcnunjukkan bahwa pelepasan gas fisi sangat dipengaruhi olehtemperahlT bahllJl bakar, bun/up maupun dnya pada suatu elemen bakar yang diiradiasi.

ABSTRACT

Burn up dependence oj fission gas released and variation power analy.vis have been conducted usingFEMAXI-IV computer code progmm Jor Pressure Water Reactor Fuel during steady-state condition. Theanalysis result shows that/he fission ga.v reh~ase is sensitive to the Ju(~l tempemture, the increasing oj burn up andpower in the Juel element under irm(fiation (~xperiment.

PENDAHULUANTulisan ini menguraikan garis besar sistem

kode komputer yang dipakai dan pengaruh burnupserta daya pada clemen bakar reaktor daya jenisPWR berdasarkan perhitungan denganmengglmakan kode komputer FEMAXI-IV.

Pelepasan gas basil fisi dari sualu clemenbakar dapat disebabkan antara lain oleh naiknyatemperatur bahan bakar. Selain itu tekananinternal dari clemen bakar juga sangatdipengaruhi kondisi operasi selama berada padakondisi steady-state atau transient. Unlukmeramalkan kecepatan produksi gas fisi selamaproses irradiasi dapat dianalisis unjuk kerjaclemen bakar dengan menggunakan programkomputer yang sering disebut ftel rodperformance codes.

METODOLOGI

Garis Besar Sistem Kode FEMAXI-IV

Program FEMAXI-IV 5. adalah programkomputer yang disusun dengan bahasaFORTRAN-IV yang mampu meramalkan unjukkerja clemen bakar jenis L WR. baik dati unjukkerja tennal maupun mekanik pada kondisi...teady-state atau kondisi transient. Sistem analisistemperatur dihitung berdasarkan pada bentukgeometri satu dimensi silinder utuh daDdistribusi radial dati temperatur berdasarkanperbedaan letak per bagian dati bahan bakar (finite difference method ). sedangkan bentukaksial dati temperatur dihitung berdasarkan padasimpul tegak ( axial nodes ).

Salah satu model program kompuler unlllkmeramalkan prodllk gas fisi sualll elemen bakardapat menggunakan kode kompuler FEMAXI-lVI, karena model program ini berdasarkan modelhasil pengembangan dari model yang dilemllkanoleh White daD Tucker2,Hargreaves dan Collins3dan K.lto, R. lwasaki4.

Model dari program ini beranggapanbahwa bahan bakar adalah U02 dan merupakankumpulan daTi butir-butir berbentuk bulat.Mekanisme terbentuknya gas fisi yang dihasilkanberdasarkan alas difilsi atom gas, efek trappingpada intragranular gelembung, efek ~weeping,resolusi dari atom gas, daD produk atom gas dariekses kapasitas jenuh dalam bahan bakar. UkurandaD densitas daTi gelembung intra-granulardikontrol oleh temperatur bahan bakar.Gelembung intragranular diasumsikan tidakbergerak didalam model. Kumpulan atom gasyang dihasilkan berakumulasi menjadi

gelembung-gelembung.

Model Analisis Pelepasan Gas Fisi

Model analisis produk gas fisi yangdipakai dalam FEMAXI-IV adalah model phisikyang telah disederhanakan dari model yang dibuatoleh White clan Tucker clan Hargreaves andcollins3, Model diasumsikan bahwa bahan bakarmerupakan kumpulan dari butiran-butiran bentukbulat dari UO2. Gas fisi yang dihasilkan dalambutiran merupakan basil dari pergeseran daributir-butir yang terakumulasi menjadi bentuk

17,1

Pro,riding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996

gelembung, mekanisme pergeseran bisadisebabkan oleh difusi atom atau bert.1mbah luas(sweeping) oleh pertumbuhan gelembung yangsuatu ketika akan mencapai titik jenuh, sehinggaantar gelembung bisa terjadi penggabungan,membentuk ikatan seperti rantai dan kemudianmembuat alur seperti terowongan (tunnel)sehingga lepas keluar. Ukuran dan densitasbutir/gelembung dikontrol oleh temperatur elemenbakar. Gelembung intragranuler dianggap tidakbergerak di dalam model. Dalam kode komputerini, kecepatan generasi dan terbentuknya produkgas fisi dihitung berdasarkan pada bentltkgeometri satu dimensi silinder utuh (pin) dibagiatas bentuk arah aksial maks 12 segmen dansetiap segmen dibagi atas maks. 10 bagian ke arahdistribusi radial dan mengikuti beberapa asumsidan pers.'lmaan sebagai berikut :

Kecepatan Generasi

Kecepatan generasi pada segmen j ke arabaksial dan radius i ke arab radial mengikutipersamaan :

Y. rj. cr!

Er. NA

pij =

Dimana pij = kecepatan generasi produk gas fisidalam radius ij (mol/cm sec); rj = fungsi distribusidensity daTi heat generasi dalam arab radial; qi =

density panas generasi rata-rata dari arab aksialsegmen j (W/cm); Er = energi yang dihasilkan perI fisi = 2,884 x 10 -II joule (180 MeV); NA =avogadro number = 6.02 x 10 23.

Komposisi gas dihitung berdasarkan

no .Xo.Ho"10""" .'00

Tu""..kon ~o"."~o".r

XII. =

nt

(no. Xo.Kr+O,13 nr)XKr = nt

( fio .Xo.Xe + 0,87 fir)x = x.

fit

Dimana X H. = mol fraksi helium; XKr = molfraksi Krypton; Xx. = mol fraksi Xenon, no = molgas awal dalam rod bahan bakar; Dr = mol gasbasil produk gas fisi; n( = mol gas total; Xo... = mol

fraksi awal.Gambar 1. Bentllk geomctri clemen bakar

Difusi Sccara trapping

Mekanisme pergeseran butiran ataugelembung dilunjukkan pada gambar J.a. dansecara ideal model gelembung dianggap berbentukbola dilunjllkkan pada gambar J.b, dandiasumsikan bahwa bentuk dinding penyekatdalam keadaan setimbang.

(a)

Gambar 2. Bentuk Geometri untllkTermal dan mekanik

275

Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bokor NuklirPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996

(b).

lIelembung De.

IntreDrenuler...,-~ :~Y--'

~/ \

a(I .I\ .

'\ "

,/:

).\ .,

, I

}/-,

Spesifikasi peletBahan bakar : UO2.Diameter dalam (cm) : 0.0Diameter luar (cm) : 0.819Bentuk : non dished pellets

non chamfered pelletsPerkayaan U23S : 0.083Panjang pelet (cm) : 1.344Panjang (node) aksial (cm) : 80.0Berat pelet total (g) : 2197.772Ukuran butir (micron) : 5.0

~

-.-1

b h... g..,..".bu"!1VII' b..,be"t"h bol..

Gambar 3. (a) : Mekanisme terbennlknya gas.(b) : Bentuk ideal gelembung sebagai model

Persamaan difusi adalah sebagai berikut :zircaloy0.8360.95138.3800.0100.00.0291.15

b. Lain-lainBahan kelongsongDiameter dalaln kelollgsollg (cm)Diameter luar kelongsong (cm)Volum plenum alas (cm3)Volum plenum bawah (cm3)Komposisi awal gas (%) heliumnitrogen, kripton, senonTemperatur ruangan ( K )

dC

dt

d2C 2 dC= D + ,

dr r dr-gc + born + B

dengan C = konsentrasi gas atoln/sattlan volume(atom/cm3), D = koefisien difilSi (cm2/del), g =

probability dari gas alom oleh gelembungintragranular (del -I), b = probability dari gas alom

yang larut kembali dalam padalan (del .1), m =nomor atom gas per saluan volume (alon1/cm3), B= kecepatan produksi gas per &1luan volume

(atom/cm3/det).

HASIL DAN BAHASAN

Data hasil analisis terhadap elemen bakarjenis PWR pada kondisi operasi steady state padaposisi aksial nomor 3 dan burn up 33000 MWD/tdapat dilihat pad a Tabel I, Gambar 4.1 danGambar 4.2. Pada Gambar 4.1 ditunjukkan bahwaunhlk daya semakin besar semakin naik suhu padapUSc1t elemen bakar. Pada Gambar 4.2.ditunjukkan bahwa semakin besar power yangdiberikan semakin besar pula produk gas fisi.Hal ini disebabkan oleh naiknya suhu padaelemen bakar sehingga prodllksi gas fisi semakin

banyak.

Bertambah UIaS (.S-weeping) Oleh Pertumbuhan

Gelembung

Probabilitas dari pertambahan luasperrnukaan gelembung gas karena pertumbuhangas dapat dihihmg berdasarkan pers(\maan :

i-Iafg = 1 ~-

a'

3

Tabel I : Pengaruh daya terhadap distribusi suhupada pusat elemen bakar dan produk gas fisi.

(burnup = 33000 MWD/t).

Daya(w/cm)

~

dimana :ai = jari-jari gelembung setelah pertumbuhan

gelembung.ai-I = jari-jari gelembung sebclum per1umbuhan

gelembung.

~~

~~~~550,0

SUjili:~t.Elemen

Bnkar{oC}

723,50999,001167,701432,401672,002104,0024_56,6~

~~

~~~~

61,69

PENGOLAHAN DATA DENGAN PROGRAMFEMAXI-IV

DaJam pemanfaatan fasilitas program

komputer FEMAXI-IV. maka telah dilakukananaJisis terhadap clemen bakar jenis PWR padakondisi steady-state dan pengaruh perubahanburnup dan variasi daya terhadap produk gas fisi.Spesifikasi input data elemen bakar jenis PWR

276

Prosiding Presentasi /lmiah Daur Bahan Bakar NukIirPEBN-BArAN. Jakarta 18-19 Maret 1996

3000

uo~

~811

~"IJ811

~!1)

-I'20<10

1000

Pu8at Bhan BakarPermukaan Bahan Bakar

:-~ 0 200 300 400 500 600

--G--Power ( w/cm ) ..

Gambar 4. Hllbllngan antara daya terhadap suhu bahan bakar.

o'P

.rt".~r..

VI~~

~0~Po

Gambar 4.2. Hubungan antara daya tcrhadap produk gas fisi.

J I , ., ..., .

~- power 200 w/cm

00.0. power 250 w/cm-()-- power 275 w/cm--e-- power 290 w/cm

~- power 295 w/cm

--8-- power 300 w/cm

-.1:]- power 305 w/cm

_0£0- power 310 w/cm-I;},- power 315 w/cm

if'

.rlVI

.rlI)....~~0kPo

A1

6_-~/...,_.~~: ;...,...."n-

~

0 .I .I .I .I .

0 10000 10000 30000 40000 5000,

Burn.up ( MWD/t )

Gambar 4.3. Perbandingan antarn variasi daya pada pengaruhburnup terhadap produk gas fisi.

')'7'7

ProsiJing Presentasi /lmiah DOIIr Bahan Bakar NuklirPEEN-BArAN. Jakarta /8-/9Maret /996

Tabel 2. Hubungan antara burnup dan daya terhadap pelepasan gas fisi.

IiJVffl#p.. PetePa"San G~s FiSi{o/-;)U~~a,,310;lI)aviJl$::"jDay-;; 2QO I Daya 250 g~~

0,500,500,500,500,500,500,500,751,12

~~~

0,500,500,500,500,500,560,561,011.59

Daya 300

0,500,500,520,570,570,570,701,20

1_,--80

2.000

6.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

~~~~~

~~~0,5°-

~

~~~-~~!J-.:!.Q.~

0.62

~~~~~

~~~2.11

~~~~l@.l1!Q~~

2,33

Pads Gambar 4.3 dilunjllkkan bahwapelepasan gas fisi yang dihasilkan sangatdipengaruhi oleh bertambahnya power clan ataubertambahnya burnup, semakin besar burnup yangdiberikan semakin besar pelcpasan gas fisi clansemakin besar daya semakin besar pula pelepasangas fisi yang dihasilkan, sedangkan efek daripelepasan gas fisi dapat mengakibatkan tekananinternal sehingga akan terjadi external ,\1re.\'spada kelongsong, penurunan panas konduksian tara bahall bakar dall kelongsong sehillggasuhu naik pada bahall bakarnya, juga dapatberakibat terjadillya ~welling (pelepllhall) dallakan berpengaruh pada thermal conductivityturun dan sebagai akibatnya SUhl1 bahan bakarnaik.

3. R. Hargreaves and D.A. Collins, J. Br. Nucl.Energy Soc. (1976) 311-318.

4. K. Ito, R Iwasaki and Y. Iwano, J. Nucl. Sci.Technol.22 (1985) 129-138.

5. JAERI Fuel Reliability Laboratory, FEMAXI-IV: Computer Code for the Anaysis of Thermaland Mechanical Behavior of Fuel Rods, CRCResearch Institute, Inc., December 1992

6. Donald R. Olander, Fondamental Aspects ofNuclear Reactor Fuel Elements, Prepared forthe Division of Reactor Development andDemolltration Energy Research, Chap 10

(1976).

TANYAJAWABSIMPULAN

Dan basil analisis unjuk kcrja clemen bakarreaktor daya jenis PWR (Pre,..surerized /llalerReactor) pada kondisi steady .~'/a/e dapatdisimpulkan bahwa pelcpasan gas fisi sangatdipengaruhi olch temperatur bahan bakar,burnup maupun daya. Dari data dall informasiini dapat membcrikan pandangan sccarakualitatif dan dapat dijadikan bahan cvaluasiscbelum mclakukan uji coba irradiasi terlebihdahulu.

1. Endiah Puji Hastuti.Apakah program pcrhitungan FEMAXI-IV

Iclah di bench marking? .dan bagaimana

hasilnya.Bagaimana pcngaruh waktu opcrasi dan daya

Icrh:1dap prodllk gas fisi ? dan dalampcrhilungan ini apakah waktu opcrasi jugadipcrhilungkan ?

Edy Sulistyono.Program FEMAXI-IV telah dicoba dengan

data base pada program intemasional, sepertiOECD HALDEN reactor project daD StudsvikInter Ramp and Over Ramp Project. Dataterscbut berisikan pengukuran temperaturbahan bakar, internal gas pressure roddiameter dan post irradiation. Hasilnya dapatdilihat pada Gambar perbandingan antaraproduk gas fisi dari hasil perhitungan dengandata hasil ekspcrimen, (Iihat pada halaman 33Buletin PRSG TRI DASA MEGA volume 3no. I edisi bulan maret 1994)

DAFTARPUSTAKA

1. T. Nakajima, Paper presented at IAEASpecialists Meeting on Water Reactor FuelElement Performance Computer Modelling,Browness on Windem1ere, UK, 1984.

2. R.I. White and M.O. Tucker, J. Br. Nucl.Mater. 118(1983)

278

Pro"iding Pre"enta"i /lmiah Daur Bahan Bakar Nukl/rPEBN-BATAN. Jakarta J8-J9 Maret J996

power den.S'ity rendah menghasilkan produkgas fisi yang sedikit, sedangkan pada powerdensity di atas 300 W/cmm dan burn-up diatas 30.000 MWD/t terlihat bahwa produk gasfisi mengalami kenaikan yang cukup besar.

Pengaruh waktu operasi dan daya/ linear heatrating terhadap produk gas fisi adalahsenbagai berikut; waktu operasi semakinsingkat menyebabkan linear heat ratingsemakin besar dan produk gas fisi semakin

meningkat, seperti ditunjukkan pada grafikhubungan LHR terhadap produk gas fisi. Padaprogram perhitungan FEMAXI-IV tersebutwaktu operasi juga diperhitungkan dan hal inidapat dilihat pada output program.

5. Sarno.Apa alasan Saudara memilih menggunakan

code FEMA XI-IV?.Bagaimana validitas code FEMA XI-IVterhadap hasil percobaan ?.Apakah FEMA XI-IV dapat digunakan untuk

menentukan jenis produk gas fisi yangdihasilkan ?

2. Hasbullah Nasution.Mohon dijelaskan mengapa terjadi penurunan

produk fisi pada suatu burn-up tertentu, sepertidiperlihatkan pada grafik produk fisi terhadap

burn-up

Edy Sulistyono.Pada Gambar 4.3, yaitu grnfik produk fisi

terhadap burn-up terlihat terjadi penurunanproduk gas fisi pada burn-up tertentu untukLHR (power den.\"ity) 315 W/cm. Hal inikemungkinan terjadi penyimpangan, karenapada saat melakukan pcmbuatan grafik hanyamenghubungkan titik-titik yang ada tanpamelalui perhitungan persamaan garis.

EdySulistyono.Program code FEMAXI-IV dipilih, karena

dapat menganalisis secara lokal dengan cukupdetail

.Validitasnya telah terbukti, hila dibandingkandengan hasil percobaan data HALDEN reactorproject. (Iihat pada halaman 33 Buletin PRSGTRl DASA MEGA volume 3 no. 1 edisi bulanMaret 1994)

.Code FEMAXI-IV dapat digunakan untukmenentukan jenis produk gas fisi hanya padaproduk gas fisi, seperti He, Kr, Xe dan N. Halini dapat dilihat pada output fission gas

information

3. Hanni Sosiati.Mohon pada kesimpulan dibuat

pemyataan/."tatement yang jelas, yaitu sejauhmana pengaruh suhu elemen bakar, burn-updan power pada elemen bakar yang diiradiasiterhadap prodllk gas fisi.

Edy Sulistyono.Pengaruh suhu elemen bakar, burn-up dan

power terhadap produk gas fisi tclah dijclaskansecara lengkap di dalam makalah. Pada tabel 1serta Gambar 4.1 dan 4.2 dapat dilihat bahwasemakin besar power (linear heat rating) makasuhu pada PUS<1t elemen bakar scmakin tinggidan sebagai akibatnya produk gas fisi scmakinmeningkat. Demikian pula, apabila burn-upsemakin tinggi mcnycbabkan LHR (powerdensity) semakin bcsar dan terlihat pulaproduk gas fisi ccnderung semakin mcningkat.

6. Marndu Sibarani.Mohon dijclaskan tentang data input yang

digtmakan pada code komputer. karenapenjelasan di dalam makalah Saudara kurangjelas

.Apakah code FEMAXI-IV dapat digunakanuntuk elemen bakar jenis PHWR dan apa sajabat.,sannya.

Edy Sulistyono.Penjelasan tentang data input yang asli dari

komputer pada s.1at presentasi ditayangkanhanya sekilas/sesaat, tetapi penjelasan yanglebih lengkap dapat dilihat di dalam rnakalahpada bagian spesifikasi input data elemenbakar jenis PWR dan perlu kami tambahkanpula bahwa data input tersebutlah yang dapatdirubah-rubah sebagai variabelnya.

.Code FEMAXI-IV tidak dapat digunakanuntuk clemen bakar jenis PHWR, codeFEMAXI-IV tersebut hanya dapat dipakaiuntuk jcnis L WR seperti pada PWR danBWR.

4. Nurokhim.Berapa besar burn-up dan power

mempengaruhi banyaknya gas fisi ?, darisimulasi yang dilakuka dengan PWR

Edy Sulistyono.Ditinjau daTi layangan bcningan pada rumus

kecepatan produksi gas fisi serta pada Gambar4.2 dan 4.3 mcmperlihalkan bahwa pada

279

Pro,riding Presentasi Jlmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996

7. Amil Mardha

.Apakah kode FEMAXI-IV dclPcl1 digllnakanpada reaklor risel ?

.Mohon penjelasan cara perhilullgannya ? alau

dapal dilerangkan dcngan mcngglmakan alirperhilungan (flow chart)

Edy Sulistyono.Code FEMAXI-IV tidak dapat digunakan

unluk reaktor fiset, karena code FEMAXI-IVtersebul hanya digunakan untuk reaktor tipeLWR (PWR dan BWR)

.Diagram alir perhitlmgan (/low chart) dapatdilihat pada Gambar 2.5 daD 2.6

28()