Prosiding Presentasi /lmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN, Jakarta /8-/9Maret /996

ISSN 1410-1998

PENENTUAN DISTRIDUSI gURU DAHANDAKAR DAN KELONGSONG REAKTOR DAY A JPSR

SudarmonoPusat Reaktor Serna Guoa

ABSTRAK

Dalarn rangka efisiensi penggunaan bahan bakar dalarn bentuk senyawa U~. Japan Atomic Energy ResearchInstitute telah menggembangkan suatu konsep reaktor daya tipe JAER/ Passive Safety Reactor (JPSR). Dalarnpengkajian dari segi keselarnatan pel1goperasian reaktor, penentuan distribusi subu bahan bakar dan kelongsong disubkanal terpanas (typical cell dan thimble cell) penting untuk dilakukan. Penentuan distribusi suhu dilakukandengan menggunakan Program COBRA-IV-I dengan pemodelan 1/4 bagian teras simetris yang dibagi secara radialmenjadi 50 subkanal dan 40 node aksial. Karakteristik nuks panas, akhir pendidiban inti, ental pi dan fraksi lompongjuga telah dilakukan. Hasil maksimllm s\lhu pusat bahan bakar, permukaan bahan bakar dan kelongsong di typicalcell yaitu masing-masing sebesar 1620,4 °C, 722,8 °C dan 348,6 °C pada ketinggian 1,922 m dan 2,196 m. Lebib jauhpada kondisi tidak tunak didapat basil maksimum Sllhu pusat bahan bakar dan kelongsong yaitu sebesar 2015,28 °Cdan 550 °C di typical cell pada elevasi 2,379 m yang terjadi 3,1 detik setelah pompa pendingin utama gagal.

ABSTRACT

In order to utilize offuel rod efficiency, a concept of JAERI Passive Safety Reactor (JPSR) has been developedin Japan Atomic Energy Research Institute. In the JPSR design, VO] are adopted as a fuel rod. The temperaturedistribution in the fuel rod and cladding in the hottest channel is a potential limiting design constraint of the JPSR.In the present detennination, temperature distribution of the fuel rod and cladding for JPSR were perfonned usingCOBRA-IV-I to evaluate the safety margin of the present JPSR design. In this method, the whole core was representedby the 1/4 sector and divided into 50 subchannels and 40 axial nodes. The temperature became maximum at theelevation of 1.922 and 2.196 m in the typical cell under operating condition. The maximum temperature in the centerof the fuel rod, suiface of the fuel rod and cladding were 1620.4 'C, 722.8 'C and 348.6 'C. The maximum results oftemperature in the center of the fuel rod and cladding were 2015.28 'C and 550 'C which were observed at 3.1second in the typical cell.

Blasius daD paket RELAP 4. Karakteristiktermohidrolik meliputi fluks panas, akhirpendidihan inti, enthaJpi daD fraksi lompong.Lebih jauh karakteristik suhu pusat bahan bakar,suhu ke)ongsong, entalpi, suhu pendingin, lajualir, tluks massa, fraksi lompong daD kuaIitaskesetimbangan pada sub kana) terpanas daJamkondisi transient juga telah dilakukan denganmenggunakan program COBRA-IV-I yangdikopel dengan kore)asi W-3 untuk mengevaluasikeselamatan dalam pengoperasian reaktor JPSR.

PENDAHULUAN

Dalam rangka efisiensi penggunaan bahanbakar UO2 dengan bentuk silinder pada reaktordaya. Japan Atomic Energie Research Institute(JAERI) telah mengembangkan suatu konsepreaktor daya tipe JAERI Passive Safety Reactor(JPSR). Pembangkitan energi konsep JPSR lebihbanyak dibatasi oleh keadaan tennalnya. Keadaanoperasi teras JPSR daD kinerja sistem elemenbakar selalu dimonitor dengan penempataninstrumentasi yang tepat. Demikian juga dalampemanfaatan energi yang dibangkitkan dalamreaktor JPSR, sistem perpindahan panasnyadirancang sedemikian mpa, sehingga lajupengambilan panasnya adalah sebesar-bes.'1myauntuk menghindari kemsakan elemen bakar(pecah/meleleh). Dengan demikian, penen-tuandistribusi suhu bahan bakar dan kelongsong disubkanal terpanas adalah penting untukdilakukan. Penentuan distribusi suhu dilakukandengan menggunakan program COBRA-IV-I,termasuk didalamnya meliputi korelasi-korelasitllermohidraulik subcool void. bulk void model.rod friction coefficient daD heat transfer denganmenggunakan masing-masing adalah Levy. EPRI.

DESKRIPSI KONSEP JAERI PASSIVESAFETY REACTOR.

Dalam konsep JPSR digunakan bahan bakardalam bentuk senyawa UO2, dengan pengayaan20/0-3%, yang berbentuk pellet, bentuk silinderkecil dengan diameter 0,0095 mm daD panjang3,66 m yang dimasukan dalam kelongsong yangterbuat dari bahan Zirca//oy. Teras konsep JPSRberisikan 145 perangkat elemen bakar, untuk tiap-tiap perangkat elemen bakar berisikan 264 bahanbakar daD 24 batang kendali. Bejana tekan reaktorJPSR ditunjukan pada Gambar 1. Gambar 2menunjukkan konfigurasi perangkat elemen

Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bokor NuklirPEEN-BArAN. Jakarta /8-/9 Maret /996

bakar dan teras. Teras JPSR model LWR terdiridari 2 untai pressurized Water reactor (PWR),dengan densitas daya teras dikurangi sampaisebesar 75% dibanding pada konven-sionalPWR. Konfigurasi perangkat clemen bakartermasuk control rod thimbles daD an instru-mentation thimble adalah sarna seperti padakonvensional PWR. yaitu dengan modelperangkat clemen bakar 17 x 17. Untuk meng-kompensasi reaktivitas lebih akibat eleminasi darisistem pengatur kimiawi, maka batang kendalicluster perlu dipasang pada semua perangkatclemen bakar. Sebagai pengganti sistempendingin darurat, JPSR menggunakan sistempasif. Sistem pasif terdiri dari dua akumulator,dua sistem injeksi secara gravitasi daD dua CMT( Core make up tank ). Teras reaktor JPSRdirancang bangun dengan koefisien rapatreaktivitas besar, sehingga larutan boron dapatdieliminasi daD laju pembangkitan panas bersifatlinier rendah. Hal ini digunakan untukmemperkecil efek Doppler karena perubahandensitas fluida. Demikian juga sistem tekananJPSR dibuat 1,5 kali lebih besar daTi sistemtekanan konvensional PWR.

radial diperoleh berdasarkan perhitunganneutronik yaitu dengan nilai faktor puncak dayaradial akibat efek batang kendali jatuh yaitusebesar 1,616, enginering hot channel factorsebesar 1,03, nuclear uncertainty faktor sebesar1,05 dan faktor puncak daya radial Terata batangbahan bakar terpanas untuk batang bahan bakarterpanas didalam perangkat terpanas yaitu sebesar1,2 sehingga didapat basil faktor puncak dayaradial dalam batang bahan bakar terpanas F(r)yaitu sebesar [F(r)] = 2,097. SubkanaJ 1 dan 6pada Gambar 3b adalah subkanaJ terpanas.Subkanal 6 dinamakan thimble cell yangdikelilingi oleh sebuah batang kendali, dua buahbatang bahan bakar, daD satu batang bahan bakarterpanas. Subkanal 1 dinamakan typical cell yangdikelilingi 3 batang bahan bakar dan satu batangbahan bakar terpanas. Dalam perhitungan,besarnya faktor puncak daya aksial sebesar 1,29juga ditentukan daTi perhitungan neutronik.

12.611\18

pip.

detektor (11

Don

0.

.,1

batanqkenclali (24)

lahan' baker Uo. (254)'anjanq efektif (355 Call

,- -Jarak (pitch) 215 --

Konfigurasi perangkatelemen bakar

Gambar I. Bejana tekan reaktor JPSR

TATA KERJA

Pemodelan

Membuat pemode!an nodal subkana! denganmembagi teras menjadi 1/4 bagian teras yangsimetris dan dibagi da!am 50 sub kana! daD 40nodal secara aksia!. Gambar 3a daD 3b masing-masing ada!ah skematik nodal daD faktorpuncak daya radial. Gambar 4 ada!ah nodalaksia!, lokasi grid spacer daD distribusi dayaaksia! yang digunakan sebagai data masukanpaket program. Besamya faktor puncak daya

Konfigurasi teras

Gambar 2. konfigurasi perangkat elemen bakardan konfigurasi teras

232

Prosiding Presentasi Jlmiah Daur Bahan Bakor NuklirPEBN-BA TAN. Jakarta 18-19 Maret J 996

Konduktivitas tennal bahan bakarParameter-parameter geometri

A. Data masukan konduktivitas tennal diperolehdengan formulasi sebagai berikut :

B.KOO2 (T) = KOO2 (fo){I+CI(f-To)+C2(f-To)2 +C3(f-To)J

dimana :KUO2 (To) adalah konduktivitas termal bahanbakar pada suhu 1898 of, yaitu sebesar 2,89Btu/hr.ft. of, Cl, C2 daD C3 adalah konstantayang besamya masing-masing adalah -3,7379 x10.4; 2,3302 x 10.7 daD -2,9043 x 10-11.

c.

Koefisien perpindahan panas celah antara bahanbakar daD kelongsong (bpp).

D.

Data masukan koefisien perpindahan panasgap antara bahan bakar daD kelongsong diperolehdari model TRAC-PFI dengan menggunakanformulasi sebagai berikut :

E.

Panjang kana! pendingin yaitu sebes.'lr 3,66meter.Luas tampang lintang aliran untuk semuakana! pendingin di typical cell, thimble cell,side cell daD perangkat elemen bakarmasing-masing sebesar 0,1362 in2;O,1184in2;O,1184 in2 daD 37,58 in2.Perimeter kering untuk setiap kanal, ditypical cell, thimble cell, side cell danperangkat elemen bakar masing-masingsebesar 1,175 in, 0,881 in, 0,588 in daD310,2 in.Perimeter basah untuk setiap kana I di typicalcell, thimble cell, side cell dan perangkatelemen bakar masing-masing sebesar 1,175in; 1,258 in; 1,084 in daD 347,9 in.Lebar gap antara batang bahan bakar daDdinding perangkat elemen bakar, lebar gapantara dun batang bahan bakar ,dan lebargap antara dua perangkat batang bahanbakar adalah masing-masing sebes.'lr 0,093in, 0,122 in daD 0,0315 in.

hgllp = h... + hk,"llak + hrad

dimana koefisien perpindahan panas gas (~),koefisien perpindahan panas kODiak (hkootalc), daDkoefisien perpindahan panas (hrad) adalah masing-masing sebesar 2743,5 w/m2k; 0 w/m2.k, daD 71,7w/m2.k. Sehingga hgap diperoleh sebesar 495,8Btu/hr.ft2. of.

".snlle,.....13 12 I 11 ,.

~~~~~II' 20 tl 11 17 '8 151.37 (1.41' (1.18) ".85) (0.83) «1.84' (1.401

27

(1.18)

(i/4 baqian tara.'-.(1.351

Julliah sub kenai

Ifaktor dayal

Gambar 3.a. Skematik nodal model 1/4 bagian

teras dan faktor radial Gambar 3.b. Skematik nodal radial clan faktorpuncak radial

Koefisien campuran turbulenKondisi awal

Berdasarkan sensitivitas studi oleh Reddydan Fighetti (10), koefisien carnpuran turbulenpengaruhnya dorninan pada trek kondisi aliranlokal. Dalarn perhitungan ini, ia sebesar 0,038adalah sarna seperti yang digunakan pada analisiskeselamatan reaktor daya Takaharna no.3 daD 4.

Data In.'lsukan kondisi awal yang digunakandalam program COBRA-IV-I adalah sistemtekanan, sultu pendingin, laju aliran massapendingin, dan fluks panas permukaan rerata yangmasing-masing sebesar 2269,2 Psi, 545,3 of,1,678 Mlb/hr.ft2, daD 0,4433 MWt/m2.

233

Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN, Jakarta 18-19 Maret 1996

dari barns maksimum yang diijinkan yaitu sebesar2840 °C 9.r .,,"u,.. W"d 'P"" (Of )

J.",',;~ ".d. KII""""" (Of)388, "'"

32025 tYpIcal

""

........\2705 , .

..

.""""."...

...;

..

228,,_1

.,'"'"

'.830 I"

.,"i

1~725

u0-.QI~OO..Q

~1000roU2

5.500 I

.E-t 0' ..

0 1 2 3 4

E1evasi (103 mm)

/0lt5

Gambar 5. Hasil T pusat BB vs elevasi/p04575

~

I !c- ~:~ J I n 0 0on 1)pI~1 001'0 I .~ ThO_...N.d..bl.1 0 0,5 t,o t,5 on ..' "...(40 node) F..",p.n...dq&' 600 """"""."."Q .'.Gambar 4. Nodal aksial, lokasi grid spacer, ~ , ""'"

Distribusi day a aksial 3 10 ~'.""'.'

I . ho

I Ok e .Kore aSJ termo Jdro I Q) 200

0.

Korelasi termohidrolik yang digunakan ~ -,-- --masing-masing adalah model sub cool void, model 0, 0 1 2

bulk void, Koejisien rod friction, Blasius, Korelasi E 1 eva s i

perpindahan panas, Kecepatan aliran secara aksialdaD Korelasi tluks panas kritis dengan masing-

masing yaitu Levy, EPRl, Blasius, RELAP-4 _1- "-~ ..~Package, (U(j) + U(i»/2 daD korelasi W-3o -~=J=~:~Dengau nili1i koefisien spacer loss, tahanan aliransilang, faktor momentum aliran silang, faktormomentum turbulen adalah masing-masingsebesar 1; 0,5; 0,5 daD 00

~~~~~

3 4(101 mm)

~Gambar

6. Hasil T permukaan BB vs elevasi

typO... ...,, Th!~:~"..'.'..~

BASIL DAN BAHASAN

Hasil yang diperoleh pada kondisi tunak(steady state) untuk suhu PU&1t bahan bakar, suhuperrnukaan bahan bakar, dan suhu kelongsongbahan bakar terhadap elevasi di typical cell danthimble cell dengan menggunakan programCOBRA-IV-I adalah seperti ditunjukkan padaGambar 5,Gambar 6 dan Gambar 7.

-u0-J50

0\ JOOJ::0 250tn01 200J::0 150r-iQ) too~

500

Eot 0,1 ...0 1 2 3 4.

Elevasi (103 mm)

Gambar 7. Hasil T kelongsong BB vs elevasi

Hasil karakteristik fluks panas, akhirpendidihan inti, daD enthalpi yang diperolehdengan menggunakan program COBRA IV-Iditunjukkan pada Gambar 8, Gambar 9, danGambar 10. Untuk distribusi fraksi lompong disepanjang aksial batang bahan bakar terpanastidak terjadi. Hasil maksimum fluks panas ditypical cell yaitu sebesar 0,8367 Mw I m2 padaelevasi 1,922 m. Hasil maksimum yang diper-

Hasil suhu maksimum masing-masing ditypical cell yaitu sebesar 1620,4 °C,722,8 °C dan348,6 °C pada ketinggian 1,922 dan 2,196 m.Hasil yang diperoleh di thimble cell yaitu sebesar

1620,S °C, 723,17 °C daD 348,7 °C padaketinggian 1,922 m daD 2,105 m. Besar suhumaksimum yang diperoleh masih jauh lebih kecil

234

~

Prosiding Presentasi /lmiah Dour Bahan Bakar NuklirPEBN-BArAN.Jakarta 18-19Maret 1996

oleh di thimble cell yaitu sebeSc1r 0,8350 Mw Im2 pada elevasi 1,922 m. Hasil minimum akhirpendidihan inti di typical cell yaitu sebesar2,602 pada 1,922 m. Hasil minimum yangdiperoleh di thimble cell yaitu sebesar 2,694pada elevasi 1,922 m. Hasil ini masih jauhlebih besar daTi batas minimum yang diijinkanyaitu 1,3 pada konvensional PWR daD jugabasil maksimum enthalpi di typical cell sepertiyang ditunjukkan pada Gambar 10 yaitu sebesar1517,61 Kj/Kg pada elevasi 3,660 m. Hasilmaksimum yang diperoleh di thimble cell yaitusebesar 1523,54 Kj/Kg pada elevasi 3,660 m.

Gambar 11, menunjukkan pemodelan yangdigunakan pada analisis kondisi tidak tunakJPSR dengan program RETRAN 02/MOD3.Detail inforrnasi pemodelan yang digunakandijelaskan pada Pustaka8. Garnbar 12 menunjuk-kan basil norrnalisasi laju aIir pendingin rnasukteras dan norrnalisasi daya teras reaktor yangdiperoleh dengan program RETRAN-Q2 padakondisi tidak tunak. Laju aIiran pendingin rnasukteras berkurang sangat cepat setelah kejadianakibat rendahnya momen inersia canned-motorpump. Daya teras juga berkurang sangat cepatakibat penyisipan densitas reaktivitas negatifsegera setelah kejadian. Hasil norrnalisasi di atasdigunakan sebagai data rnasukan di dalamProgram COBRA-IV-I. Selarna kondisi tidaktunak bertambahnya tekanan di dalam sistempendingin utama adalah kecil, yaitu kurang daripada 0,2 MPa, akibat besamya ukuran sistemtekanan. Demikian juga perubahan suhu masukteras juga kecil selama selang waktu 10 detik,sehinggga data masukkan untuk parametertekanan dan suhu pendingin masuk terasdianggap konstan.

-..a

f: 0-m 0cd

~ 0,PIm~ o.~roof

f2.0 1234

Elevasi (103 rnm)

Gambar 8. Hasil fluks panas vs elevasi

Hasil ental pi, suhu pendingin, lajualir ,aliran massa, fraksi lompong, daD kualitaskesetimbangan yang terjadi di sub kanal terpanasditunjukkan pada Gambar 13a sampai denganGambar 13f. Hasil tersebut menunjukkan bahwabeSc'lrnya entalpi di subkanal bertambah akibattidak adanya kesesuaian antara daya danpendingin, dan suhu pendingin menjadi jenuhsetelah 1,88 detik. Hasil kualitas kesetimbangandan fraksi lompong yang diperoleh juga semakinbeSc'lr.

~~Q

Hasil tersebut lebih jauh menunjukkan bahwasuhu pusat bahan bakar daD suhu kelongsongmaksimum berada pada elevasi 2,379 m di typicalcell yaitu sebesar 2015,28 °C daD 550 °C yangterjadi 3,1 detik setelah pompa pendingin ut.'\magagal, seperti di tunjukkan pada Gambar 14a daD14b.

0 1000 21100 )000 4000

Elevasi (rom)

Gambar 9. Hasil DNBR vs elevasi

SIMPULAN

Hasil maksimum suhu pusat bahan bakardaD kelongsong pada kondisi tunak yaitu sebesar1620,4 °C daD 348,6 °C di typical cell. Padakondisi tidak tunak ( pompa pendingin utarnagagal ) diperoleh besamya suhu pusat bahan bakardan kelongsong yaitu sebesar 2015,28 °C daD 550°C yang terjadi 3,1 detik pada elevasi 2,379 m ditypical cell. Hal ini disebabkan oleh selainpengaruh injeksi pendingin dari core make uptank (CMT) yang cukup juga akibat laju

Gambar 10. Hasil Entalpi vs elevasi

235

Prosiding Presentasi /lmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEEN-BATAN. Jakarta 18-J9Maret 1996

IU>.IU 1.0't1

~\~ ~ Laju alir

Daya

00 2 4 6 8 10

Waktu (detik)

Gambar 11. Pemodelan yang digunakan Gambar 12. Hasil normalisasi laju alir dan daya

Waktu (detik)

Gambar 13a. Hasil entalpi vs waktu Gambar 13b. Hasil T pendingin vs waktu

-toa '000. , I .., Typic" e"In 2500 EJev. 2.37Dm

b'~ 2000-: 1500

Inas 1000fa~ 5001

~.rot.-i..c

-(J) d.f~.

I.'~b' Typical can

~ d .fll Elev. 2.379m-\.01

-r-i 11:18r-Iro

11.111

~onro 0.118~

0.004

Waktu (detik)Waktu (detik)

Gambar 13c. basil Laju alir vs waktu Gambar 13d. hasil aliran mas&'} vs waktu

236

~otj

H°ri...III

':JonIII

.-i

-riWIIIW

°ri

0.8

0.6

0.402

Prosiding Presentasi /lmiah Dour Bahan Bokor NuklirPEBN-BATAN. Jakarta /8-/9 Maret /996

Gambar 13e. Hasil Fraksi void vs waktu Gambar 13f. Hasil Kwalitas kesetimbangan vswaktu

u~

tJI~0111tJI~0r-iG)~~

c

~ loon

500

., .I ." , L-0 I 2 :I 4 & .7 ..10

Waktu (detik).Gambar 14a. Hasil T PUSc'lt BB vs Waktu Gambar 14b. Hasil T kelongsong BB vs waktu

237

:!!Ion. ---,...~U0 T. M.k..2015.28~ E'.v. 2.379 m

...t.leh 3,1 d.tlk.Q :"1100 'dl lYple.1 eell

.,.Q ~

~ \IG Ir,on! ..In. .;j .00 ..

Pro,riding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bokor NuklirPEBN-BATAN. Jakarta /8-/9 Maret /996

pembangkitan panas linier dalam konsep JPSRlebih rendah dari pada konvensional PWR,sehingga tidak terjadi keruSc1kan baik di bahanbakar dan kelongsong selama pengoperasian terasJPSR pada kondisi tunak daD tidak tunak.

7. Le Tourneau,B. W.et al., "Critical Heat Fluxand Pressurized Water Reactor Design with aLow- Water-Volume-Fraction Lattice",EPRI-NP-1833, (1981).

.Araya,F., et al., "Analysis of complete loss-of-flow accident for design of JAERI PassiveSafety Reactor JPSR.", J.Nucl.Sci. Technol.tobe publised.

.Todreas, N. E., Kazimi, M., "Thermal-Hydraulic Fundament-1Is".

10. Reddy, D.G., Et al.,"Parametric study of CHFData, Volume 2. A Generalized SubchannelCHF Correlation for PWR and BWR FuelAssembblies", EPRI-NP-2609, Vol.2,(1983).

8

DAFfAR PUSTAKA

1 9

2.

3.TANYA JAWAB

4.

5.

Y.MURAO, Et al., "Conceptual Design ofJPSR, Safety Reactor (JPSR)", JAERI- Tokai-mum, Japan +81(292)82-6120.Iwamura. T.Et al., "Thermal-HydraulicFeassibility Study of a Double-Flat-Core TypeHCLWR", Annual M. Dallas,(1990).Wheeler,C.L.et al., "COBRA-IV-I", BNWL-1962,( 1976).Iwamura. T.Et al., "Evaluation of DNBRunder Operational and Accident Conditionsfor Double-Flat-Core Type HCLWR",J.Nucl.Sci. Technol.,28[I],45,(1991).Bowring,R. W., "WSC-2 : A SubchannelDryout Correlation for Water -CooledClusters over the Pressure R."1nges 3.4-15.9Mpa(500-2300 Psi a)", AEEW-R983,(1979).Daile Donne,M. Et al., "Critical Heat FluxCorrelation for Triangular Arrays of RodBundles with Tight Lattices, Including theSpiral Spacer Effect", Nucl. Technol.,71,111,(1985).

1. Amil Mardhan:.Apakah yang anda hitung itu untuk satu bahan

bakar saja ?.Apakah dengan variasi bahan bakar ?

6.

Soedarmono:.Untuk beberapa bahan bakar di dalam 1/2

perangkat elemen bakar terpanas pada kondisitunak laju alir.

.Untuk kondisi tidak tunak laju alir, yangdihitung hanya pada kanal terpanas. YaituTypical Cell daD Thimble Cell.

238