BA

DA

N P

ENGAWAS TENAGA NU

KLIR

B A P E T E N 2014

SeminarKeselamatanNuklir

ProsidingSeminar Keselamatan Nuklir 2014Makalah Penyaji Oral

Bidang Instalasi dan Bahan Nuklir

ANALISIS SUBKRITIKALITAS FABRIKASI BAHAN BAKAR UMo DAN UZrAzizul Khakim Badan Pengawas Tenaga Nuklir (BAPETEN)Jl. Gadjah Mada 8 Jakarta, Indonesia e-mail: a.khakim@bapeten.go.id

ABSTRAK

ANALISIS SUBKRITIKALITAS FABRIKASI BAHAN BAKAR UMo DAN UZr. Tahap hydriding pada proses pembuatan bahan bakar UMo dan UZr memiliki potensi terjadinya kecelakaan kekritisan. Analisis terhadap harga faktor perlipatan neutron (keff) dilakukan untuk menentukan tingkat margin terhadap kondisi kritis. Perhitungan dilakukan terhadap tabung tunggal yang berisi UMo atau UZr pada kondisi voided maupun flooded. Analisis kekritisan minimum juga dilakukan untuk menentukan jumlah tabung minimum yang memungkinkan terciptanya kondisi kritis dengan mengkombinasikan konfigurasi, kondisi sekitar dan pitch optimum yang memberikan keff maksimum. Kondisi kritis minimum tercapai pada 23 jumlah tabung yang tersusun dengan konfigurasi kisi segi empat, jarak antar tabung (pitch) 4,6 cm dan terendam dalam air.

Kata Kunci: UMo dan UZr; voided; flooded; kritis minimum; konfigurasi optimum; pitch optimum

ABSTRACT

SUBCRITICALITY ANALYSIS ON UMo AND UZr FUEL FABRICATIONS. Hydriding phase of UMo and UZr fuel fabrication process potentially leads to criticality accident. Analysis on neutron multiplication factor (keff) was done to determine the level of margin toward a critical condition. Calcu-lations were done for single cylinder containing UMo or UZr at voided and flooded condition. Analysis on minimum criticality was also done to identify the minimum number of cylinders that could lead to a critical condition by combining the optimum configuration, distance between cylinders (pitch) and surrounding bulk condition that provide maximum keff. The minimum critical condition was achieved for 23 cylinders arranged in square lattice array, pitch 4.6 cm and flooded with water.

Keywords: UMo and UZr; voided; flooded; minimum criticality; optimum configuration; optimum pitch.

1. PENDAHULUANPenelitian terhadap material bahan bakar berdensitas tinggi

terus dilakukan para peneliti di seluruh dunia guna mendapat-kan umur teras yang lebih panjang. Hal ini akan berdampak po-sitif pada operasi reaktor yang lebih ekonomis, mengingat harga bahan bakar reaktor menyumbang porsi biaya operasional yang tinggi. Umur teras reaktor yang panjang dapat dicapai antara lain dengan menggunakan bahan bakar nuklir dengan pengkayaan dan densitas yang tinggi. Namun pengkayaan 235U pada material bahan bakar nuklir dibatasi tidak melebihi 20%, sesuai dengan kesepakat-an pengalihan penggunaan bahan bakar nuklir pengkayaan tinggi ke pengkayaan rendah yang dicanangkan di Amerika Serikat pada tahun 1978. Sehingga alternatif yang tersisa adalah menggunakan material yang memiliki densitas yang tinggi. Beberapa paduan uranium yang telah dan sedang dikembangkan antara lain UAlx, U6Mn, U3Fe, U3S2, U-Mo, U-Zr, UN dan lain-lain [3].

Pengalaman BUMN nasional yang telah memproduksi elemen bakar nuklir tipe plat dengan material U3O8Al dan U3Si2Al dengan densitas uranium 2,96 gU/cm3 dan telah digunakan di RSG GAS secara rutin, telah mendorong BATAN untuk melakukan peneliti-an dan pengembangan bahan bakar dispersi menggunakan paduan UMo dan UZr dalam matriks Al dengan densitas yang lebih tinggi. Paduan UMo dan UZr ini memiliki densitas uranium yang cukup tinggi, masing-masing 16,3 g/cm3 dan 17,27 g/cm3. Di samping itu logam Mo dan Zr memiliki tampang lintang serapan neutron yang rendah. Paduan uranium bersifat ulet sehingga untuk mengubah dari ingot ke serbuk tidak bisa dilakukan dengan cara mekanik

seperti yang telah digunakan dalam fabrikasi bahan bakar U3Si2 saat ini. Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka pembuatan serbuk paduan uranium dilakukan melalui proses hydriding-dehy-driding dan dilanjutkan proses milling.

Kajian keselamatan terhadap terjadinya kritikalitas bertujuan untuk menentukan kuantitas minimum dan konfigurasi tabung yang mungkin, yang mengarah pada terjadinya kekritisan. Analisis ini dilakukan dengan code MCNP5 dengan data nuklir ENDF/B-VI [1]. Code ini telah divalidasi terhadap kekritisan pertama reaktor RSG GAS dan memberikan akurasi yang sangat baik [2].

2. SPESIFIKASI DAN GEOMETRITerdapat dua tabung reaksi yang digunakan selama proses hy-

driding, yaitu tabung besar dan tabung kecil. Tabung tersebut ter-buat dari material kwarsa dan pyrex.

Tabel 1: Spesifikasi tabung reaksi

Spesifikasi Tabung besar Tabung kecil

Tinggi tabung, cm 59,5 47,2

Jari-jari luar tabung, cm 1,4 1,0

Jari-jari dalam tabung, cm 1,22 0,91

Material Kwarsa Pyrex

Pada Tabel 1 menunjukkan spesifikasi tabung besar dan tabung kecil yang dipakai sebagai wadah UMo dan UZr.

74 Analisis Subkritikalitas Fabrikasi Bahan Bakar UMo dan UZr

Tabel 2: Spesifikasi material tabung reaksi

Spesifikasi Kwarsa Pyrex

Kerapatan, g/cm3 2,648 2,23

Komposisi 4,0052 w/o B; 53,9562 w/o O; 2,8191 w/o Na; 1,1644 w/o Al; 37,722 w/o Si dan 0,3321 w/o K

Tabel 2 merinci komposisi dan densitas material tabung. Ke-rapatan UMo yang dipakai dalam perhitungan adalah 16,366 g/cm3. Dalam analisis keselamatan ini, batasan keff tidak boleh melebihi 0,95% dk/k. Untuk analisis kritikalitas tabung tunggal, kondisi ba-tas terluar meliputi 1 m radius dari pusat tabung, 1 m di atas bibir atas tabung dan 1 m di bawah dasar tabung.

Gambar 1: Model geometri MCNP5 untuk tabung terisi sebagian

Gambar 1 menunjukkan model geometri MCNP5 untuk ta-bung tunggal yang terisi sebagian dan sekelilingnya dikitari oleh udara.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1. Efek rasio H/D terhadap keff

Karena penanganan material UMo dan UZr dilakukan dalam wadah berbentuk silinder, maka perlu dilakukan analisis bentuk tabung dan efeknya terhadap harga keff, sehingga diperoleh pema-haman tentang bentuk tabung yang efektif untuk meminimalkan terjadinya kecelakaan kekritisan. Studi parametrik dilakukan ter-hadap silinder dengan volume, material dan pengkayaan konstan pada berbagai tinggi dan diameter silinder.

Gambar 2: Pengaruh rasio H/D terhadap harga keff

Rasio tinggi terhadap diameter (H/D) silinder sebagai wadah uranium memberikan keff yang berbeda. Gambar 2 menunjuk-kan efek rasio terhadap harga keff. Untuk volume yang sama, rasio H/D yang besar (silinder kurus) memberikan harga keff yang kecil. Harga keff mencapai maksimum pada rasio H/D = 1,0; dan turun secara drastis pada rasio H/D < 1,0. Harga keff pada geometri si-linder terkait dengan laju kebocoran neutron melalui permukaan. Silinder dengan rasio H/D besar mempunyai luas permukaan yang besar, sehingga laju kebocoran neutron juga lebih besar. Hal ini mengakibatkan harga keff bernilai kecil. Pada rasio H/D = 1,0 luas permukaan silinder minimum, akibatnya kebocoran neutron juga minimum. Dengan demikian, silinder yang tinggi (kurus) atau pi-pih efektif mengurangi probabilitas terjadinya kekritisan.

3.2. Subkritikalitas silinder tunggal

Gambar 3: Subkritikalitas tabung besar berisi UMo kondisi voided

Gambar 3 menunjukkan harga keff hasil perhitungan untuk tabung besar yang berisi UMo di mana tabung tersebut dikitari oleh udara (voided). Harga keff tersebut merupakan jumlah dari harga keff rata-rata dan 3σ (deviasi standar). Perhitungan dilaku-kan untuk tabung yang terisi sebagian hingga terisi penuh. Harga keff naik sangat drastis di permulaan penambahan UMo, namun kemudian bergerak landai pada harga yang hampir konstan. Hal ini berarti penambahan masa UMo, tidak meningkatkan geometri kritis bahkan menambah area kebocoran neutron.

Gambar 4: Subkritikalitas tabung kecil berisi UMo kondisi voided

Gambar 4 menunjukkan perbandingan harga keff hasil perhitu-ngan untuk tabung kecil yang sekelilingnya dikitari oleh udara bebas.

Hasil tersebut menunjukkan keduanya masih jauh di bawah ni-lai batas keff = 0,95; yang berarti baik tabung besar maupun kecil tidak akan mengarah pada kekritisan yang tak dikehendaki sekali pun tabung tersebut terisi penuh.

Seminar Keselamatan Nuklir 2014 75

Gambar 5: Subkritikalitas tabung besar berisi UMo dan UZr kondisi voided

Perbandingan harga keff antara UMo dan UZr pada tabung be-sar dan tabung kecil masing-masing diperlihatkan pada Gambar 5 dan Gambar 6 untuk kondisi sekitar berupa udara. Pada kedua grafik tersebut terlihat bahwa untuk massa yang sama, UZr mem-berikan keff yang lebih besar dari pada UMo.

Gambar 6: Subkritikalitas tabung kecil berisi UMo dan UZr kondisi voided

Gambar 7 menunjukkan harga keff tabung kecil dan besar yang berisi UMo di mana di sekelilingnya dikitari oleh air, misal-nya akibat faktor kesalahan manusia tabung tersebut dicelupkan ke dalam ember besar berisi air. Dari grafik tersebut terlihat bahwa harga keff meningkat empat kali lebih besar dari pada dikitari oleh udara (Gambar 4 dan Gambar 6).

3.3. Identifikasi kekritisan minimum

Perhitungan awal untuk mengidentifikasi kekritisan pertama dilakukan terhadap konfigurasi tabung yang tersusun membentuk kisi segi empat (square lattice) yang saling menempel atau P/D = 1,0 (P = pitch dan D = diameter tabung), sebagaimana terlihat pada Gambar 8. Pitch adalah jarak terdekat antar pusat tabung atau si-linder. Dipilihnya konfigurasi tabung yang saling menempel ini di-dasari pada pemikiran bahwa semakin besar fraksi volume bahan bakar, maka akan semain besar keff yang diperoleh. Konfigurasi tabung ini terendam di dalam air yang bertindak sebagai moderator neutron. Analisis dilakukan terhadap kisi 5×5 (25 tabung), 7×7 (49 tabung), 8×8 (64 tabung), 9×9 (81 tabung seperti Gambar 8) dan 97 tabung.

Gambar 9 menunjukkan harga keff pada berbagai jumlah ta-bung besar yang saling menempel dengan konfigurasi segi empat. Tabung tersebut terisi penuh oleh material UMo yang akan dipakai

untuk produksi elemen bakar. Dari grafik tersebut terlihat kondisi kritis dapat tercapai pada jumlah tabung 97, di mana keff = 1.

Gambar 7: Subkritikalitas tabung kecil dan besar berisi UMo pada kondisi flooded

Gambar 8: Konfigurasi tabung kisi segi empat 9×9

Gambar 9: Harga keff vs jumlah tabung dengan jarak pitch = 0 cm

76 Analisis Subkritikalitas Fabrikasi Bahan Bakar UMo dan UZr

Fraksi volume bahan bakar juga ditentukan oleh jenis konfigu-rasi tabung dalam cluster. Analisis sensitivitas dilakukan terhadap harga keff pada beberapa konfigurasi dengan 81 tabung, seperti kisi segi empat 9×9 (Gambar 8), kisi segi empat 3×27 (Gambar 10.A), kisi heksagonal (Gambar 10.B) dan kisi segi empat circular-like ar-ray (Gambar 10.C).

Gambar 10: Variasi konfigurasi untuk 81 tabung

Hasil analisis sensitivitas dirangkum pada Tabel 3. Konfigura-si circular-like array memberikan kebocoran neutron yang paling kecil, sehingga menghasilkan keff terbesar. Sebaliknya konfigurasi 27×3 array menghasilkan kebocoran neutron paling besar, sehing-ga memberikan keff terkecil. Hexagonal array menghasilkan fraksi volume moderator terendah, yang berefek pada rendahnya efek-tivitas moderator. Jadi jika dibanding 9×9 array, hexagonal array memberikan keff yg lebih rendah dari pada 9×9 array.

Tabel 3: keff pada berbagai konfigurasi untuk 81 tabung

Konfigurasi keff Standar deviasi

9 × 9 array 0,96465 0,00019

27 × 3 array 0,84227 0,00017

Circular-like array 0,97165 0,00016

Hexagonal array 0,90450 0,00017

Gambar 11: Pengaruh pitch terhadap keff pada cluster tabung dikitari udara

Gambar 11 menunjukkan perubahan harga keff terhadap pe-rubahan pitch. Perhitungan dilakukan untuk 81 tabung berisi UMo penuh yang dikitari udara dengan konfigurasi circular-like array, yang memberikan harga keff terbesar sebagaimana disajikan pada Tabel 3. Dari Gambar 11 terlihat bahwa harga keff akan turun sei-ring dengan semakin renggangnya jarak antar tabung (Pitch) yang dikitari oleh udara.

Analisis lain dilakukan terhadap kasus serupa di atas namun tabung-tabung tersebut terendam dalam air. Gambar 12 menun-jukkan karakteristik harga keff yang berbeda dari Gambar 11. Har-ga keff naik seiring dengan semakin rengggangnya pitch (fraksi volume moderator), yang mengindikasikan efek moderasi yang meningkat. Namun pada titik tertentu harga keff malah turun kembali. Hal ini terjadi karena kebocoran neutron dan penyerapan neutron oleh air lebih dominan dari pada efek moderasi. Daerah di mana harga keff meningkat seiring dengan naiknya fraksi volume moderator (pitch) disebut daerah under-moderated. Sebaliknya, rentang di mana harga keff turun dengan naiknya fraksi volume moderator disebut daerah over-moderated. Titik balik dari daerah under-moderated ke over-moderated terjadi pada pitch = 4,6 cm, di mana harga keff mencapai nilai maksimum.

Gambar 12: Pengaruh pitch terhadap keff pada cluster tabung terendam air

Tabel 4: keff pada berbagai jumlah tabung dengan pitch = 4,6 cm

Jumlah tabung keff + 3σ

17 0,92156

21 0,98648

22 0,99658

23 1,00595

25 1,02460

Untuk menentukan kondisi kritis minimum, yaitu kondisi kri-tis yang dapat dicapai dengan jumlah tabung paling sedikit, maka dua parameter yang memberikan harga keff maksimum dikombi-nasikan dalam satu model perhitungan. Sehingga perhitungan di-lakukan untuk konfigurasi circular-like array (berdasarkan Tabel 3) dengan jarak antar tabung pitch = 4,6 cm (berdasarkan Gambar 12) dimulai dengan 17 tabung berisi UMo penuh yang terendam dalam air. Hasil perhitungan disajikan pada Tabel 4. Dari tabel tersebut terlihat bahwa kritis minimum terjadi pada jumlah tabung 23, na-mun untuk memberi margin yang memadai maka diambil batas keff = 0,95, maka jumlah silinder tidak boleh melebihi 18 buah untuk menjaga agar keff < 0,95.

4. KESIMPULANPerhitungan kekritisan minimum terhadap material UMo dan

UZr dalam tabung reaksi telah dilakukan dengan code MCNP5, baik untuk skenario tabung tunggal maupun kumpulan tabung untuk mengidentifikasi kondisi minimum yang mengakibatkan kekritisan. Dari perhitungan tersebut dapat ditarik kesimpulan bahwa:1. Satu tabung besar tidak akan mencapai kondisi kritis, walau-

pun terisi penuh dan terendam dalam air yang bertindak seba-gai sebagai moderator.

Seminar Keselamatan Nuklir 2014 77

TANYA JAWAB DAN DISKUSI

1. Penanya : M. Subekti (BATAN)Pertanyaan:

a) Bagaimana kondisi bahan bakar pada saat pitch berimpitan dan air masuk karena kejadian tsunami dan gempa bumi?

Jawaban:Kondisi yang memungkinkan terjadinya kekritisan adalah ke-

tika jumlah bahan bakar lebih dari 23 tabung dengan konfigurasi circular-like array dengan pitch = 4,6 cm dan terendam dalam air. Namun demikian walaupun terendam air dan tabung saling ber-impit tidak akan terjadi kekritisan jika jumlah tabung kurang dari 97 buah.

2. Kondisi kritis minimum tercapai pada konfigurasi 23 tabung besar terisi penuh yang masing-masing berjarak 4.6  cm dan terendam air.

3. Untuk mencegah kekritisan (keff ≤ 0.95) jumlah cluster maksi-mum yang diperbolehkan adalah 18 tabung terisi penuh.

DAFTAR PUSTAKA[1] MCNP (2003); MCNP5, MCNP- A General Monte Carlo

N-Particle Transport Code, Version 5: User’s Guide; April 24,

2003.[2] Azizul Khakim (2012); Perhitungan Kritikalitas Gudang

Uranium Fasilitas Instalasi Pabrikasi Elemen Bakar Reaktor Riset (IPEBRR), Proceedings Seminar Nasional ke-18 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir; UPI-Bandung, 29 September 2012.

[3] IAEA (2011); Research Reactor Application for Materials under High Neutron Fluence, IAEA-TECDOC-1659: Proceedings of an IAEA Technical Meeting (TM-34779); IAEA, Vienna.