analisis perilaku thermal udara dalam bungkusan zat

Seminar Keselamatan Nuklir 2013 ISSN : 1412 - 3258

263

ANALISIS PERILAKU THERMAL UDARA DALAM BUNGKUSAN ZAT

RADIOAKTIF / BAHAN NUKLIR

Oleh: Azizul Khakim

Badan Pengawas Tenaga Nuklir (BAPETEN)

Jl. Gadjah Mada 8 Jakarta, Indonesia, e-mail: [email protected]

ABSTRAK

Analisis Perilaku Thermal Udara Dalam Bungkusan Zat Radioaktif / Bahan Nuklir.

Sumber panas internal maupun eksternal harus dianalisis untuk memastikan integritas

material bungkusan dan perilaku udara yang pada gilirannya adalah keselamatan material

radioaktif. Sumber panas internal berasal dari zat radioaktif maupun bahan nuklir yang

mengalami peluruhan. Sedangkan sumber panas eksternal bisa berupa api saat bungkusan

mengalami kebakaran. Perilaku udara saat bungkusan mengalami kebakaran juga perlu

mendapat perhatian. Analisis perilaku udara dalam bungkusan menggunakan code CFD

FLUENT dengan model aliran laminar. Sumber panas internal maupun eksternal dimodelkan

dengan dinding bersuhu konstan. Perpindahan panas terjadi secara radiasi dan konveksi yang

memunculkan aliran sirkulasi alam. Pada ruang yang sempit, udara dengan perbedaan

temperatur yang tinggi membentuk profil aliran anisotropik yang menimbulkan gejolak aliran

yang secara alami tak tunak.

Kata kunci: bungkusan, zat radioaktif, material nuklir, sumber panas internal, sumber panas

eksternal, CFD.

ABSTRACT

Analysis on Thermal Behavior of Air Inside a Package of Radioactive / Nuclear Material.

Internal and external heat sources should be analyzed to ensure the integrity of the package

material and fluid bahavior, that in turn, the safety of radioactive materials. The internal heat

source comes from decaying radioactive or nuclear materials. On the other hand, external heat

source could come from fire when the package is on fire. The air behavior when the package

is on fire is of great interest. The analyses of air bahavior in the package employed CFD code

FLUENT with laminar flow model. The internal and external heat sources were modeled with

a constant wall temperatures. Both radiative and convective heat transfer occured leading to a

natural circulation flow. In a narrow space, air with high temperature difference formed

anisotropic flow profile which led to a naturally unsteady flow.

Thermal analyses of the package use CFD code FLUENT.

Key word: package, radioactive material, nuclear material, internal heat source, external heat

source, CFD.

I. PENDAHULUAN

Untuk melindungi kesehatan dan

keselamatan publik, pengangkutan material

radioaktif diwadahi dalam suatu bungkusan

yang didesain, difabrikasi dan diuji secara

memadai. Persyaratan yang ditetapkan oleh

peraturan yang harus dipenuhi ketika

pengangkutan material radioaktif adalah

pengungkungan material radioaktif, perisai

radiasi dan jaminan subkritikalitas nuklir[2]

.

Bungkusan zat radioaktif atau bahan

nuklir merupakan wadah yang berfungsi

untuk melindungi zat radioaktif atau bahan

nuklir dari bahaya eksternal dan mencegah

mailto:[email protected]


264

radiasi keluar. Bungkusan juga harus dapat

melindungi zat radioaktif atau bahan nuklir

dari bahaya kebakaran dan kebanjiran.

Bungkusan harus mampu memberikan

pengendalian pada radiasi, kekritisan, dan

bahaya termal terhadap personal, properti

dan lingkungan[4,5,6]

. Perlindungan ini dapat

dicapai dengan:

a. Mewadahi bahan radioaktif

b. Mengendalikan tingkat radiasi eksternal

c. Pencegahan kekritisan, dan

d. Pencegahan kerusakan yang disebabkan

oleh sumber panas

Bungkusan zat radioaktif harus didesain

untuk dapat bertahan pada temperatur

ambien -40 C hingga 38 C untuk kondisi

normal[9]

. Fitur desain yang penting terhadap

daya tahan thermal mencakup: (a) geometri

bungkusan dan konstruksi material; dan (b)

fitur mekanik dan struktur yang mungkin

mempengaruhi perpindahan panas, seperti

sirip pendinginan, material isolator, kondisi

permukaan dari komponen bungkusan, dan

gas atau kontak fisik antar komponen

internal[9]

.

II. TEORI PERPINDAHAN PANAS

Energi panas berpindah dengan melalui

tiga cara yaitu perpindahan panas konduksi,

konveksi dan radiasi. Perpindahan panas

konduksi adalah perpindahan panas antar

molekul dalam zat padat. Sedangkan

perpindahan antara zat padat dan fluida yang

mengalir dikenal dengan perpindahan panas

konveksi. Perpindahan panas radiasi adalah

perpindahan energi panas tanpa

membutuhkan perantara. Perpindahan panas

dalam tabung bungkusan zat radioaktif /

bahan nuklir bisa melibatkan ketiga proses

perpindahan energi di atas.

Perindahan Panas Konduksi Persamaan konduksi untuk silinder yang

membangkitkan panas adalah sebagai

berikut[7,8]

:

01

q

dr

dTkr

dr

d

r (1)

Integrasi persamaan di atas, menghasilkan

02

1

2

Crq

dr

dTkr (2)

Atau

02

1

r

Cr

q

dr

dTk (3)

Pada r=0, maka dT/dr=0 sehingga C1=0.

Pers.(3) menjadi:

02

rq

dr

dTk (4)

Integrasi pers. (4) akan menghasilkan:

04

2

2

Crq

kT (5)

Pada r=0 maka T=Tmax; sehingga C2=-

kTmax. Pers. (5) menjadi:

2

max4

rq

TTk

(6)

Di mana k adalah koefisien perpindahan

panas konduksi (w/mK) yang merupakan

karakteristik dari material.

Perindahan Panas Konveksi Perpindahan panas konveksi terjadi antara

bahan solid dengan fluida bergerak[7,8]

:

fw TThq (7)

Di mana:

q" : fluks panas (w/m2)

Tw, Tf : temperatur dinding dan fluida (C)

h : koefisien perpindahan panas konveksi

(W/m2C)

Koefisien perpindahan panas konveksi

biasanya diperoleh dari hasil eksperimen

dalam bentuk bilangan Nusselt (Nu):

k

hLNu (8)

Di mana:

L : panjang karakteristik (m)

k : Koefisien perpindahan panas konduksi

fluida (w/mK)

Perindahan Panas Radiasi Perpindahan panas secara radiasi terjadi

dalam bentuk gelombang elektromagnetik

terutama daerah infra merah. Radiasi yang

dikeluarkan oleh suatu benda merupakan

konsekuensi dari agitasi termal molekul

penyusunnya. Perpindahan panas radiasi

dapat digambarkan dengan acuan yang

disebut ‘benda hitam’.

Benda hitam didefinisikan sebagai sebuah

benda yang menyerap semua radiasi yang

mengenai permukaannya. Benda hitam yang


265

sebenarnya tidak pernah ada di alam.

Spektrum emisi benda hitam pertama kali

diperkenalkan oleh Max Planck. Benda

hitam adalah benda hipotetis yang

sepenuhnya menyerap semua panjang

gelombang radiasi thermal yang

mengenainya. Energi radiasi per satuan

waktu dari benda hitam sebanding dengan

pangkat empat temperatur absolut dan dapat

dinyatakan dengan hukum Stefan-

Boltzmann[7,8]

:

ATq 4 (9)

Untuk benda selain benda hitam ideal

disebut sebagai benda abu-abu (grey body),

maka hukum Stefan-Boltzmann dinyatakan

sebagai:

ATq 4 (10)

Di mana:

q : perpindahan energi panas per satuan

waktu (W)

: konstanta Stefan-Boltzmann=

5,670310-8

W/m2K

4

T : temperatur absolut (K)

A : luas benda pemancar (m2)

: koefisien emisivitas benda; =1 untuk

benda hitam (black body); dan 0<ε<1 untuk

benda abu-abu (grey body).

Fluks panas dinyatakan sebagai: 4Tq (11)

Jika sebuah benda panas mengeluarkan

energi radiasi kepada lingkungan sekitar

yang lebih dingin, maka laju kehilangan

panas netto dapat dinyatakan sebagai:

cch ATTq 44 (12)

Di mana:

Th : temperatur absolut benda panas (K)

Tc : temperatur absolut lingkungan dingin

(K)

Ac : luas permukaan benda (m2)

Koefisien emisivitas benda () menyata-

kan panas radiasi dari benda abu-abu

(menurut hukum Stefan-Boltzmann)

dibanding dengan radiasi panas dari benda

hitam ideal dengan emisivitas =1.

Koefisien emisivitas untuk suatu benda

bergantung pada temperatur.

III. CODE CFD FLUENT

Code CFD (Computational Fluid

Dynamics) pada prinsipnya tersusun dari

persamaan Navier-Stokes sebagai field

equations[8]

. Persamaan Navier-Stokes

terdiri atas persamaan kontinuitas dan

persamaan momentum. Conjugate heat

transfer menggabungkan persamaan Navier-

Stokes dengan persamaan energy[1]

.

0

j

j

uxt

(13)

i

ijij

j

i

x

Puu

xt

u

(14)

Pers.(13) merupakan persamaan

kontinyuitas, sedangkan Pers.(14) adalah

persamaan momentum tanpa kehadiran

sumber momentum. Di mana, τij adalah

komponen stress tensor yang didefinisikan

sebagai:

ij

k

k

ijijx

us

3

22 (15)

Untuk aliran turbulen,

''

3

22 jiij

k

k

ijij uux

us

(16)

Suku terakhir Pers.(16) disebut dengan

Reynolds stress. Dan sij adalah strain tensor,

yang didefinisikan sebagai:

i

i

j

i

ijx

u

x

us

2

1 (17)

Di mana,

xj : koordinat kartesian (j=1,2,3)

P : tekanan piezometric =Ps-ρ0gmxm

δij : Kronecker delta, yang bernilai 1 jika

i=j; dan 0 untuk selain dari itu.

ui : komponen kecepatan pada arah xi

Persamaan energi dalam bentuk enthalpi

dinyatakan dalam persamaan diferensial[1]

:

h

j

i

ij

j

j

jhj

j

sx

u

x

Pu

t

P

Fhuxt

h

,

(18)

Fluks energi difusi Fh,j untuk aliran turbulen:

''

, hux

TkF j

j

jh

(19)

Di mana untuk aliran turbulen:


266

jth

t

jx

hhu

,

''

(20)

Di mana t adalah viscositas turbulen, h,t

bilangan Prandlt turbulen dan sh adalah

sumber panas. Domain penyelesaian

persamaan energi mencakup baik region

solid maupun fluida, dan memastikan bahwa

fluks panas kontinyu sepanjang antar-muka

solid dan fluida. Semua persamaan transport

lainnya diselesaikan hanya pada fluida.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Model analisis dipilih untuk dua sumber

panas, yaitu sumber panas yang berasal dari

bahan nuklir atau zat radioaktif itu sendiri

(sumber internal) maupun sumber panas dari

luar (seperti akibat kebakaran). Sumber

panas internal berasal dari panas peluruhan

zat radioaktif. Sedangkan sumber panas

eksternal berasal dari api saat terjadi

kebakaran.

1. Sumber Panas Internal

Model geometri untuk sumber internal

dalam bungkusan dapat berupa silinder

maupun bola. Analisis dilakukan untuk dua

asumsi, yaitu perpindahan panas hanya

terjadi secara radiasi (tidak ada pergerakan

fluida) dan perpindahan panas gabungan

antara radiasi dan konveksi terjadi secara

bersamaan. Pada perpindahan panas

gabungan fluida bergerak akibat menerima

panas dari dinding yang menyebabkan

densitasnya turun. Udara diasumsikan

sebagai gas ideal. Akibat perubahan densitas

udara dalam bungkusan, maka akan

menghasilkan aliran konveksi alam.

Gambar 1. Model bungkusan dan sumber

internal berbentuk silinder dan bola

Temperatur konstan pada dinding sumber

panas baik silinder maupun bola diterapkan

sebagai kondisi batas. Temperatur konstan

dinding tersebut adalah 50C. Sedangkan

temperatur udara diasumsikan berada pada

kondisi ekstrim bawah, -20 C. Dinding

bagian dalam bungkusan diterapkan kondisi

batas dinding adiabatik tanpa slip dengan

temperatur -20C.

Gambar 2. Model GAMBIT mesh udara

dalam bungkusan dan sumber panas[3]

Perhitungan dilakukan dengan mode

kondisi tunak (Steady Reynolds Averaged

Navier-Stokes) untuk kasus perpindahan

panas secara radiasi. Sedangkan untuk kasus

perpindahan panas kombinasi radiasi dan

konveksi digunakan mode URANS

(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stoke),

karena kelakuan udara diperkirakan secara

alamiah tidak tunak (naturally unsteady).

Pada kasus perpindahan panas radiasi, hanya

persamaan energi saja yang diselesaikan,

sehingga perhitungan berjalan lebih cepat.

Sedangkan pada perpindahan panas

kombinasi, semua persamaan transport

(Navier-Stokes) dikonjugasikan dengan

persamaan energi. Perhitungan perpindahan

panas ini berjalan jauh lebih lambat.

78

.3 c

m

12.82 cm

20

. cm

3.2

cm


267

B

A

C

Gambar 3. Distribusi temperatur pada

udara dengan sumber panas silinder

Udara diasumsikan sebagai gas ideal.

Untuk menyelesaikan parameter tekanan,

perhitungan menggunakan diskretisasi ruang

model orde kedua (second order).

Sedangkan untuk momentum dan energi

menggunakan orde ketiga QUICK

(Quadratic Upstream Interpolation of

Convective Kinematics). Pengkopelan

tekanan dan kecepatan menggunakan PISO

untuk simulasi URANS. Sedangkan skema

diskretisasi temporal menerapkan skema

implisit dengan step waktu 0,25 s.

B

C

A

Gambar 4. Distribusi temperatur pada udara

dengan sumber panas bola

Gambar 3 menunjukkan distribusi

temperatur di rongga terisi udara dalam

bungkusan dengan sumber panas internal

berbentuk silinder. Dalam hal ini

diasumsikan perpindahan panas hanya

terjadi secara radiasi, sehingga tidak ada

pergerakan udara. Gambar 3.A dan 3.B

memperlihatkan distribusi temperatur udara

pada bidang datar horizontal dan vertikal.

Sedangkan Gambar 3.C memperlihatkan

distribusi temperatur udara pada bidang datar

horizontal.

Gambar 4 menunjukkan distribusi

temperatur di rongga udara dalam bungkusan

dengan sumber panas internal berbentuk bola.

Dalam hal ini diasumsikan perpindahan

panas hanya terjadi secara radiasi, sehingga

tidak ada pergerakan udara. Gambar 4.A

memperlihatkan profil temperatur udara

pada bidang datar vertikal dan horizontal.

Bidang datar vertikal tersebut tepat

mengenai titik pusat bola, sedangkan bidang

datar horizontal adalah permukaan dasar dari

bungkusan, sebagaimana terlihat pada

Gambar 4.B. Pada Gambar 4.C bidang datar

horizontal tepat mengenai pusat bola.

Gambar 5 menggambarkan

perkembangan temperatur udara dalam

bungkusan dengan sumber panas berbentuk

silinder. Terlihat bahwa temperatur udara

selalu berubah, tak pernah mencapai kondisi

konstan. Kondisi seperti ini menunjukkan

bahwa fenomena ini secara alamiah tak

tunak (naturally unsteady). Hal ini

disebabkan antara lain oleh rasio volume

antara wadah (bungkusan) terhadap sumber

panas yang relatif kecil, sehingga ruang

ekspansi udara relatif sempit. Ruang yang

sempit menyebabkan aliran lebih anisotropik

yang mengarah pada gejolak kecepatan.


268

Gambar 6. Kecepatan pergerakan udara

dalam bungkusan dengan sumber silinder

Gambar 6 menggambarkan kecepatan

pergerakan udara dalam bungkusan dengan

sumber panas berbentuk silinder. Udara

dengan gradien temperatur yang tinggi di

ruang yang sempit cenderung menghasilkan

pergerakan alami yang tidak tunak.

Gambar 5. Dinamika temperatur udara

dalam bungkusan dengan sumber silinder


269

t=1s

t=3s

t=4s

t=6s

t=7s

t=8s

t=9s

Gambar 7. Dinamika temperatur udara

dalam bungkusan dengan sumber bola

Gambar 7 menggambarkan

perkembangan temperatur udara dalam

bungkusan dengan sumber panas berbentuk

bola. Terlihat bahwa temperatur udara akan

mencapai kondisi stabil pada detik ke-9.

Rasio volume yang relatif kecil antara

sumber panas dan wadah memungkinkan

perherakan udara mencapai kondisi tunak.

Hal ini juga diperlihatkan oleh parameter

kecepatan udara dalam bungkusan,

sebagaimana terlihat pada Gambar 8.

t=1s t=2s

t=3s t=6s

t=7s t=8s t=9s

Gambar 8. Kecepatan pergerakan udara

dalam bungkusan dengan sumber bola

2. Sumber Panas Eksternal

Sumber panas yang berasal dari luar

bungkusan bisa berupa api saat kebakaran.

Saat bungkusan mengalami kebakaran

dengan menerima panas sebesar q (w/m3),

maka perubahan temperatur material

bungkusan akan mengikuti formula:

qdt

dTC p

(21)

Di mana:

: densitas material bungkusan, kg/m3

Cp : kapasitas panas bungkusan, J/Kg.K

q : panas volumetric yang diterima

bungkusan, W/m3.

Persamaan di atas valid dengan asumsi

panas yang diterima oleh bungkusan tidak

ada yang ditransfer ke sistem lain. Dan,

kapasitas panas material bungkusan

dianggap konstan. Integrasi persamaan di

atas akan menghasilkan:

dtC

qdT

p

(22)

CdtC

qdT

p

(23)

Pada t=0 s maka T=300 K, sehingga

persamaan di atas menjadi:

300

tC

qtT

p (24)

Laju kenaikan temperatur bungkusan

tergantung pada besar energi panas yang

diterima dan kapasitas panas material

bungkusan. Karena persamaan tersebut


270

bersifat linear, waktu yang diperlukan

hingga tercapainya titik leleh dan laju

kenaikan temperatur tergantung dari gradien

(yaitu q/ Cp).

Gambar 9. Ilustrasi persamaan (24)

Gambar 9 memperlihatkan ilustrasi kenaikan

temperatur yang linear dan level titik leleh

material bungkusan.

Gambar 10. Perubahan temperatur udara dalam bungkusan saat kebakaran


271

Gambar 10 menggambarkan perubahan

temperatur udara dalam bungkusan saat

terjadi kebakaran dengan sumber radioaktif /

bahan nuklir berbentuk silinder. Saat

kebakaran, seluruh permukaan bungkusan

menerima panas api dari luar yang

menyebabkan udara yang dekat dengan

dinding bagian dalam temperaturnya naik.

Udara dengan temperatur lebih tinggi akan

naik ke atas. Kenaikan temperatur udara

akan merembet ke udara bagian bawahnya,

hingga seluruh udara mengalami pemanasan.

Udara dengan temperatur yang tinggi

dibagian atas akan menyebabkan naiknya

tekanan. Akibat akumulasi tekanan di bagian

atas tabung bungkusan, udara menekan ke

bagian bawah dan menyebabkan gelombang

udara ke dasar tabung. Setelah

keseimbangan temperatur dan tekanan ini

tercapai, udara berhenti bergerak,

sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 11.

Gambar 11. Pergerakan udara dalam bungkusan saat kebakaran


272

V. KESIMPULAN

Perpindahan panas dari sumber ke

bungkusan relatif kecil, dan tidak secara

signifikan mengancam integritas material

bungkusan.

Perhatian lebih perlu diberikan dalam

kondisi kecelakaan akibat kebakaran. Baik

material bungkusan maupun sumber bisa

mengalami pelelehan tergantung besarnya

api dan lamanya kebakaran.

Pada ruang yang relatif sempit, fluida

dengan perbedaan temperatur yang tinggi

membentuk profil aliran lebih anisotropik

yang menghasilkan aliran alami tak tunak.

Daftar Pustaka

1. ANSYS Inc., ANSYS FLUENT 12.0:

Theory Guide, 2009.

2. BWXT Y-12, Safety Analysis Report, Y-

12 National Security Complex, Model ES-

3100 Package with Bulk HEU Contents,

Vol.1, Sec.1-2, February 25, 2005. (1)

3. Fluent Inc., GAMBIT Tutorial Guide,

September 2004. (6)

4. IAEA, IAEA Safety Standard No. TS-R-1:

Regulation for the Safe Transport of

Radioactive Material, 2005. (2)

5. IAEA, Training Course Series 1: Safe

Transport of Radioactive Material, 4th

Edition, 2006. (3)

6. IAEA, IAEA-TECDOC-1515: Develop-

ment of Specifications for Radioactive

Waste Packages, October 2006. (4)

7. N.E. Todreas & M.S. Kazimi, Nuclear

System I: Thermal Hydraulic

Fundamental, Taylor&Francis, 1990.

8. R. Byron Bird, Warren E. Stewart and

Edwin N. Lightfoot, Transport

Phenomena, 2nd Edition, John Wiley &

Sons, 2002.

9. US Nuclear Regulatory Commission (US-

NRC), NUREG-1609: Standard Review

Plan for Transportation Packages for

Radioactive Material, March 31, 1999.

(5)

TANYA JAWAB DAN DISKUSI

1. Penanya : Endiah PH (PTRKN

BATAN)

Pertanyaan:

a) Dalam pemasukan CFD sumber

diasumsikan sebagai apa?Sumber

radiasi atau sumber panas?

b) Mengapa sumber bola memberikan

karakteristik temperatur yang stabil

dibanding apabila sumber dalam

bentuk silinder.

c) Bagaimana memasukkan panas yang

berasal dari kebakaran?

Jawaban:

a) Sumber radiasi memancarkan panas

dari peluruhan, sehingga ini menjadi

sumber panas di dalam bungkusan.

b) Sebenarnya bukan bentuknya yang

bola yang memberikan karakteristik

temperatur yang stabil, tetapi ruang

yang relatif lebih besar menciptakan

pola perubahan temperatur udara

yang stabil.

c) Pada saat kebakaran, dinding

bungkusan diterapkan kondisi batas

temperatur konstan (misal 100 C)

sehingga perpindahan panas terjadi

dari dinding bungkusan ke udara dan

sumber radiasi.

2. Penanya : Diah Hidayanti (BAPETEN)


273

Pertanyaan:

Bagaimana pengaruh bentuk dan dimensi

wadah bungkusan terhadap keselamatan

bungkusan khususnya dari aspek thermal?

Jawaban:

Bentuk dimensi bungkusan sebaiknya tidak

terlalu ketat terhadap ukuran sumber,

sehingga ada ruang yang cukup bagi sumber

untuk melepaskan panasnya ke udara dalam

bungkusan. Untuk mengurangi efek panas

saat kebakaran, sebaiknya diberi isolator

internal yang berfungsi untuk memperlambat

masuknya panas dari api ke sumber

radioaktif/bahan nuklir.

analisis perilaku thermal udara dalam bungkusan zat

Documents