ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi Ifmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU dan P2BGN -SA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2000

MODEL EVALUASI KEMAMPUAN LAPISAN PELINDUNG PADA PARTIKELBAHAN BAKAR DALAM MENAHAN TEKANAN GIAS INTERNAL

Barn bang Herutorno dan Tri Yulianto IPusat Pengernbangan Teknologi Bahan Bakar nuklir da~ Daur Ulang

ABSTRAK I

MODEL EVALUASI KEMAMPUAN LAPISAN PELINDUNG PADA PAIkTIKEL BAHAN BAKARDALAM MENAHAN TEKANAN GAS INTERNAL. Partikel bahan bakar berpelindung yang diisikan

ke dalam matrik grafit telah digunakan sebagai bahan bakar reaktor temperatur tinggi. Fungsiutama lapisan pelindung adalah menjaga nuklida hasil fisi agar tetap berada di dalam partikelbahan bakar. Oleh karena itu, keselamatan dan kine~a operasi reaktor sangat ditentukan oleh

integritas mekanik lapisan pelindung. Model perhitungan untuk mengevaluasi kemampuan lapisanpelindung dalam menahan tekanan gas internal disajikan di dalam makalah ini. Di dalam model,lapisan pelindung diasumsikan sebagai bejana tekan bentuk bola berdinding tebal dan rasioantara tekanan gas internal dengan tekanan internal yang menyeb bkan permukaan dalamdinding bejana mulai mengalami peluluhan digunakan untuk menge aluasi integritas lapisanpelindung. Berdasarkan model, evaluasi kemampuan lapisan pelindu 9 partikel bahan bakaruntuk Reaktor Uji Temperatur Tinggi (Jepang) telah dilakukan dan hasil ya menunjukkan bahwa

lapisan pelindung mampu menahan tekanan gas internal yang timbul.

ABSTRACTMODEL FOR STRENGTH EVALUATION OF COATING LAYERS 0 A FUEL PARTICLE INRESTRAINT OF INTERNAL GAS PRESSURE. Coated fuel particles contained in graphite matrixare used in high temperature reactor. The main purpose of the coating layer is to retain fissionproducts within the fuel particles. Therefore, the safety and the perfonnance of reactor operationdepend on the mechanical integrity of the coating layers. A calculation model for strengthevaluation of coating layer to restrain intemal gas pressure is presented in this paper. In themodel, coating layer is assumed as thick walled -spherical pressure vessel, and ratio of intemalgas pressure and intemal pressure caused the inner surface of pressure vessel wall begin to yield

is used to evaluate the integrity of coating layer. Based on this mOdf /' strength evaluation of

coating layers of fuel particle for High Temperature Test Reactor (Jap n) has been carried out

and the result shows that the coating layers are able to restrain the build up of intemal gas

pressure.

PENDAHULUAN

Bahan bakar untuk reaktor

temperatur tinggi (HTR -High TemperatureReactor) pada umumnya tersusun ataspartikel-partikel bahan bakar yangdikompakkan dengan matrik grafit dalambentuk bola atau pelet. Setiap partikel bahanbakar tersusun atas bahan fisil berupa bola-bola kecil (kernel) berdiameter sekitar 600

mikron dan lapisan pelindung yang berfungsimenghalangi pelepasan nuklida hasil fisi ke

sistem pendingin dan menghalangi serangankimia pendingin terhadap kernel bahanbakar. Sebagai kernel bahan bakar dapatberupa uranium dioksida -UO2, campuranuranium dan thorium dioksida -(U+ Th)O2maupun campuran UO2 dengan UC (Uranium

Carbide). Lapisan pelindung yangdikembangkan pada partikel bahan bakaruntuk HTR modern adalah tipe TRISO (Tri -

Isotropic). Lapisan pelindung ini tersusunatas tiga lapis, yaitu lapis terdalam berupalapisan pirokarbon kerapatan tinggi (InnerPyC -IPyC), lapis tengah berupa lapisan

silikon karbida ( iC) dan lapis luar berupalapisan pirokarb n kerapatan tinggi (OuterPyC -OPyC). Oi antara kernel bahan bakardengan lapisan pelindung terdalam (IPyC)terdapat lapisan buffer pirokarbon yangsangat porous. ungsi utama lapisan buffermenampung gas as hasil fisi yang terlepasdari kernel bahan bakar. Model elemen bakar

tipe prismatik d n ilustrasi tampang lintangpartikel bahan akar berpelindung TRISOdapat dilihat pad gambar 1. [1.2,3]

Berdasa an desain bahan bakarHTR di atas tam ak bahwa keselamatan dankinerja operasi r aktor sangat ditentukan olehintegritas mek nik dari masing-masinglapisan pelindung (IPyC, SiC dan OPyC).Usaha dasar ya 9 sangat diperlukan untukmeningkatkan eselamatan dan kinerjaoperasi reaktor adalah mereduksi sekecil-mung kin fraksi agal lapisan pelindung (as-fabricated) d n mencegah terhadapkegagalan sel ma iradiasi. Beberapapenyebab ut ma kegagalan lapisanpelindung sela a iradiasi telah dapatdiidentifikasi se ara baik dewasa ini. Untuk

207

ISSN 1410-1998Prosiding Presentasi l/miah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2000

iradiasi pada temperatur tinggi, kegagalanlapisan pelindung terutama disebabkan olehmigrasi kernel bahan bakar (amoeba effect)dan korosi lapisan pelindung SiC oleh nuklidahasil fisi seperti paladium. Untuk iradiasisampai derajat bakar tinggi, kegagalanterutama disebabkan oleh tegangan yangtimbul pada lapisan pelindung (pressurevessel failure) akibat tekanan gas internalyang berasal dari gas-gas hasil fisi yangterlepas dari kernel bahan bakar dan efekpenyusutan dimensi lapisan pelindung(terutama lapisan PyC) karena iradiasi netroncepat. (1.2.3)

bola berdinding tebal (thick walled -spherical

pressure vessel) yang hanya mendapattekanan dari dalam saja (tekanan atau gayadari luar diabaikan).

Perhitungan Tekanan Gas Internal

Apabila ke/i el bahan bakar yangdigunakan di dalam partikel bahan bakaradalah U02 mak gas internal yangdipertimbangkan dal m perhitungan meliputigas hasil fisi (Xe da Kr) yang terlepas darikernel bahan bakar O2 dan gas CO yangterbentuk dari hasil reaksi antara lapisanbuffer dengan oksig n bebas yang berasaldari oksigen berlebih akibat reaksi fisi yangterjadi di dalam ke el bahan bakar U02.Dengan mengasum ikan bahwa gas-gastersebut berkelakuan seperti gas ideal makabesarnya tekanan ga internal sebagai fungsiwaktu iradiasi, P(t), dapat dihitung denganpersamaan berikut :

Oalam usaha memahami konsepdesain partikel bahan bakar seperti diuraikandi alas, terutama dalam hal desain lapisanpelindung, maka!ah ini menyajikan suatumodel perhitungan untuk mengevaluasikemampuan desain lapisan pelindung dalammenahan tekanan gas internal yang timbulakibat iradiasi. Oi dalam model, lapisanpelindung diasumsikan sebagai bejana tekanbentuk bola berdinding leba! dan masing-masing lapisan pelindung tidak saling terkaitantara satu dengan yang lainnya

(independent) sehingga masing-masing!apisan pe!indung akan mendapat tekanangas internal yang sarna. Kemampuan lapisanpelindung dievaluasi berdasarkan alas rasioantara tekanan gas internal dengan tekanankritis lapisan pelindung. Lapisan pelindungdikatakan mampu menahan tekanan gasinternal (tetap memiliki integritas mekanik)apabila rasio antara tekanan gas internaldengan tekanan kritis lebih kecil dari satu.Sebagai contoh perhitungan, evaluasi telahdilakukan pada lapisan pelindung tipe TRISOdari partikel bahan bakar HTTR -Jepang(High Temperature Test Reactor). Model danhasil yang diperoleh diharapkan bermanfaatuntuk mengevaluasi keandalan disain partikelbahan bakar yang akan dikembangkan dandigunakan dalam bahan bakar HTR untukIndonesia.

~t)R P(t) = V(t)

n(t) = niP + co1)

n(t) adalah total gas plada waktu t (gr-mol), Radalah konstanta gas ideal (8,317 MPacm3/gr-mol K), T adalah temperatur (K), V(t)adalah volume ruang kosong yang terdapatdi dalam lapisan butter pada waktu t (cm3),nIp dan nco adalah jumlah gas hasil fisi yangterlepas dari kernel bahan bakar dan gas COyang terbentuk sampai waktu t (gr-mol).

Jumlah gas asil fisi (gr-mol) yangterlepas dari kernel bahan bakar dihitungdengan persamaan berikut (diasumsikanbahwa yield gas hasil fisi yang terbentuk darireaksi fisi adalah 31%)

0,31 x If' x FR x tirJI' I NA (2)

F adalah laju reaksi flsi (fisi/hari), FR adalahtotal traksi gas hasil fisi yang terlepas darikernel bahan bakar, ~r adalah lama iradiasi(hari), dan NA adal h bilangan Avogadro

(6,022171023 gr-mol-1).

Jumlah gas CO (gr-mol) yangterbentuk dari hasil reaksi antara oksigendengan lapisan buffe pirokarbon ditentukanberdasarkan jumlah a om oksigen (nox) bebasyang terlepas dari k mel bahan bakar UO2,yaitu : (3]

I nl;,=

MODEL PERHITUNGAN

Perhitungan yang diperlukan dalamevaluasi ini secara garis besar meliputiperhitungan tekanan gas internal yang timbulakibat iradiasi dan perhitungan tekananinternal yang menyebabkan permukaandalam lapisan pelindung mulai mengalamipeluluhan (tekanan kritis). Untuk melakukanperhitungan tersebut, lapisan pelindungdiasumsikan sebagai bejana tekan bentuk

208

ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU dan P2BGN -SA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2000

8500T

(3)

~

partikel bahan bakar HTTR-Jepang dalam

menahan tekanan gas internal. Data desain

dan kondisi operasi partikel bahan bakar

yang diperlukan dalam perhitungan dapat

dilihat pada tabel1.

Data pada tabel 2 adalah ringkasan

hasil perhitungan tentang jumlah gas yang

mengisi ruang kosong di dalam lapisan buffer

(gas hasil fisi yan terlepas dari kernel bahan

bakar dan gas C yang terbentuk), volume

ruang kosong di dalam lapisan buffer dan

tekanan gas inte nal yang timbul di dalam

partikel bahan b kar yang ditinjau. Dalam

evaluasi ini, total fraksi gas hasil fisi yang

terlepas dari ke el bahan bakar maupun

swelling yang t rjadi pada kernel bahan

bakar sebagai fungsi sejarah iradiasi

ditentukan den an program komputer

FASTGRASS (5). leh karena fraksi gas hasil

fisi yang terlep 5 maupun swelling yang

terjadi pada b han bakar UO2' sangat

dipengaruhi oleh temperatur operasi, yaitu

semakin besar pabila temperatur operasi

semakin tinggi aka perhitungan dilakukan

pad a temperatur operasi maksimum (1495

°C). Berdasarkan temperatur operasi

tersebut, hasil ,perhitungan tekanan gas

internal di dalam tabel 2 menunjukkan nilai

maksimum sehingga evaluasi berikutnya

akan mendapatkan hasil yang konservatif.

Data pad a tabel 3 adalah ringkasan

hasil perhitungan tekanan kritis dan rasio

antara tekanan 9 5 internal dengan tekanan

kristis untuk masing-masing lapisan

pelindung (IPyC, SiC dan OPyC) dari tipe

partikel bahan akar yang ditinjau. Dalam

perhitungan ini d asumsikan bahwa masing-

masing lapisan pelindung pada partikel

bahan bakar ada ah berdiri bebas atau tidak

saling berinteraksi sehingga masing-masing

lapisan pelindung mendapat tekanan gas

internal yang salma (tabel 2) dan tekanan

antar muka akili>at interaksi antar lapisan

pelindung dapat diabaikan. Berdasarkan

asumsi ini ~pisan pelindung akan

mendapatkan t~~anan gas internal yang

maksimum. Oleh karena data tegangan luluh

untuk masing-masing lapisan tidak ada maka

tegangan luluh dalam perhitungan tekanan

kritis diasumsikan sarna dengan kekuatan

patahnya (frac( ure strength) sehingga tekanan kritis ha il perhintungan persamaan

(5) merupakan tekanan internal yang

menyebabkan lapisan pelindung jebol.

Berdasarkan pustaka [3] besar kekuatan

patah lapisan pelindung IPyC dan OPyC

adalah160 MPalsedangkan kekuatan patah

T adalah temperatur kernel bahan bakar (K).

Sedangkan volume ruang kosong,V(t), yang terdapat di dalam lapisan buffersebagai fungsi waktu dapat ditentukanberdasarkan perbandingan densitas fabrikasilapisan buffer dengan densitas teoritis PyCkemudian dikoreksi dengan pertambahanvolume kernel bahan bakar akibat swelling.

(4)V(t) =

Vbuffer adalah volume lapisan buffer (cm3) dandV sw adalah pertambahan volume kernelbahan bakar akibat peristiwa swelling (cm3)

Perhitungan Tekanan Kritis

Untuk bejana tekan bentuk bolaberdinding tebal yang hanya mendapattekanan internal sebesar P dan tekanan dariluar bola diabaikan maka besarnya tekananinternal yang menyebabkan permukaandalam dinding bejana tekan mulai mengalamipeluluhan (yielding), P crit. adalah : (4)

Pcrit = ~ (Ro/Rlf -

3(5)(Ro I Ri}' 0" Y

Ri dan Ro adalah jari-jari dalam dan jari-jariluar bola, cry adalah tegangan luluh bahanbejana tekan.

Metoda Evaluasi

Kemampuan lapisan pelindungdalam menahan tekanan gas internal dapatdievaluasi dari besar-kecilnya rasio antaratekanan gas internal hasil perhitunganpersamaan (1) dengan tekanan kritis hasilperhitungan persamaan (5). Hal ini berarti,semakin kecil rasio antara tekanan gasinternal dengan tekanan kritis maka lapisanpelindung semakin mampu (andal) dalammenahan tekanan gas internal yang timbul.

HASIL DAN BAHASAN

Sebagai contoh penerapan modelperhitungan di atas, berikut disajikan hasilevaluasi kemampuan lapisan pelindung pada

209

( nox )log F-;f;

ISSN 1410-1998Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuk/ir VP27BDU dan P2BGN-BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2000

untuk lapisan pelindung SiC (dalam satuanMPa) adalah :

(6)0" y,SiC = 834 -88 x <I>

<I> adalah fluence netron cepat ( x 1025 m-2)

tekanan gas internal yang sarna.Kemampuan lapisan pelindung dievaluasiberdasarkan atas rasio antara tekanan gasinternal dengan tekanan kritis lapisanpelindung. Lapisan pelindung dikatakanmampu menahan tekanan gas internal (tetapmemiliki integritas mekanik) apabila rasioantara tekanan gas internal dengan tekanankritis lebih kecil dari atu.

Berdasarkan model, telah dilakukanevaluasi kemampua lapisan pelindung padapartikel bahan baka HTTR -Jepang, baikuntuk bahan bakar teras pertama maupunbahan bakar teras i i-ulang. Hasil evaluasimenunjukkan bah a lapisan pelindung(IPyC, SiC dan OP C) pada partikel bahanbakar tersebut mam u menahan tekanan gasinternal yang timbul. Dari hasil evaluasi jugatampak bahwa ke ndalan parti~~1 bahanbakar dalam mempertahankan integritasmekaniknya sangat dipengaruhi oleh desaindan keutuhan laPisa1Sic-nya.

Oleh karen penyusutan dimensilapisan pelindung PyC akibat iradiasi netroncepat juga merupakan penyebab utamakegagalan lapisan pelindung maka model

perlu dikembangkan l lebih lanjut sehinggakeandalan atau kemampuan lapisanpelindung dalam mempertahankan integritasmekaniknya selama iradiasi dapat diprediksisecara akurat. Selaiin itu efek perbedaanekspansi termal di antara lapisan pelindungjuga perlu dipertimbrngkan terutama untukkondisi transient. I

Data hasil perhitungan pada tabel 3menunjukkan bahwa rasio tekanan gasinternal dengan tekanan kritis adalah lebihkecil dari satu untuk lapisan pelindung SiCdan lebih besar dari satu untuk lapisanpelindung pirokarbon (IPyC dan OPyC). Halini berarti bahwa tekanan gas internal yangtimbul tidak akan menyebabkan kerusakanpada lapisan pelindung SiC akan tetapimenyebabkan kerusakan pada lapisanpelindung IPyC dan OPyC. Oleh karenaketiga lapisan pelindung tersebut merupakansatu kesatuan maka lapisan pelindung SiCakan menahan lapisan pelindung IPyC danOPyC sehingga integritas mekanik lapisantersebut tetap terjaga sampai iradiasiberakhir. Dalam arti lain, partikel bahan bakaryang ditinjau memiliki lapisan pelindung SiC

yang berfungsi sebagai penyangga (restraint)lapisan pelindung yang lain (IPyC danOPyC). Ditinjau dari segi keandalan partikelbahan bakar, keadaan tersebut akan sangatmenguntungkan karena selama lapisanpelindung SiC tetap utuh (dalam arti tekanangas internal tidak melampaui tekanankritisnya) maka dua lapisan yang lain (IPyCdan OPyC) juga tetap dalam keadaan utuhmeskipun tekanan gas internal telahmelampaui tekanan kritis lapisan tersebut.

Apabila dibandingkan dengan dataeksperimen, pernyataan tersebut di atasadalah sesuai karena dari hasil uji iradiasi kedua tipe partikel bahan bakar yang ditinjautidak ditemui adanya kegagalan sampaiderajat bakar yang direncanakan tercapai (33MWd/kgU untuk partikel bahan bakar teraspertama dan 70 MWd/k~U untuk partikelbahan bakar teras ulang). (

DAFTARPUSTAKA

[1]

r')l

SIMPULAN DAN SARAN

Model perhitungan untuk evaluasi

kemampuan lapisan pelindung pada partikelbahan bakar HTR dalam menahan tekanangas internal telah dikemukakan. Dalammodel, lapisan pelindung diasumsikansebagai bejana tekan bentuk bola berdindingtebal dan masing-masing lapisan pelindungtidak saling terkait antara satu dengan yang

lainnya (independent) sehingga masing-masing lapisan pelindung akan mendapat

[3]

SIMNAD, ~ ., "Fuel Element

Experience in Nuclear Power

Reactors", A erican Nuclear Society,Gordon and Breach SciencePublishers, N w York, 1971GOEDDEl, W. V. and BOKROS,J.C., "The TGR Coated ParticleFuel", Hig Temperature NuclearFuel (ed. HOLDEN, A.N.),Metallurgical Society Conferences,Vol. 42, 1966SAWA, K. And SHIOZAWA, S.,"Developmen of Coated Fuel ParticleFailure Mod I under High BurnupIrradiation", Journal of NuclearScience and Technology, Vol. 33,No.9, p. 712 720, September 1996REST, J. and HOFMAN, G.l., "DARTModel fo Irradiation-Induced

[4].

210

ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi I/miah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU dan P2BGN -BA TAN Jakarla, 22 Pebruari 2000

ditentukan oleh kekuatan yield stress daribahan pelapis tersebut

.Bagaimana hubungan perubahantemperatur terhadap yield stress aribahan pelapis tersebut.

.Sebagai fungsi temperatur kita ketahuisifat mekanik lapisan tersebut akanberubah. Bagaimana kaitannya denganmodel perhitungan tersebut

.Densitas ya 9 berbeda-beda dibuatsedemikian una mengakomodasi gas-gas tersebut Bagaimana hubungannyadengan mod I tersebut

Bambang Heruto 0

Swelling of Uranium SilicideDispersion Fuel Elements", NuclearTechnology, Vol. 126, April 1999.REST, J. and ZAWADZKI, S.A., «

FASTGRASS: A Mechanistic Modelfor the Prediction of Fission-GasBehaviour in UO2 Base Fuels DuringSteady State and TransientsConditions", NUREG/CR-O202,Argonne National Laboratory, ReportANL-78-53 (1978)

[5].

TANYAJAWAB

Endiah P.H.

.Dalam perhitungan maksimum lapisanpelindung yang beriapis-lapis dalammenahan tekanan gas internal, apakahdilakukan secara simultan sebagai fungsiderajat bakarJika dianggap bahwa garis horizontalbahan bakar spheris adalah arah radial,apakah dilakukan nodalisasi dalamperhitungan dan bagaimanakah caranya.

Barn bang Herutorno

.

.Yield Stress an bahan lapisan pelindung(PyC dan S C) memiliki tendensi naikdengan kenai an temperatur.

.Model secar langsung menggunakansifat bahan (yield stress) yang telahdievaluasi berdasarkan temperatur

operasi..Telah dimod Ikan (Iihat persamaan (4) )

Sunardi

.Ya, telah dilakukan secara simultan.Dalam arti jumlah gas hasil fisi yangterlepas dari kernel bahan bakar danbesar swelling yang terjadi pada kernelsebagai fungsi derajat bakar ditentukanterlebih dahulu (telah dihitung denganprogram FASTGRASS) kemudian barudihitung besar tekanan gas internalsebagai fungsi derajat bakar dengan

persamaan (1)..Oleh karena dalam model yang diajukan

diambil asumsi bahwa masing-masinglapisan pelindung tidak saling terkait(independent) maka nodalisasi dalamperhitungan tidak perlu dilakukan.

Tumpal P.

.Apakah jenl ! laPisan pelindung yang dievaluasi d lam makalah adalah yang

terbaik saat i i

.Bagaimana jika temperatur iradiasi

melebihi 149 C misalkan 1600oC

.Dapatkah model ini digunakan untuk

bahan bakar pentuk pelat

Bambang Heruto\no

.

Ya, lapisan tipe TRISO telah diyakiniyang terbaik.Tekanan gas internal akan naik.Dapat. MG>del perhitungan kritis(persamaan (5) ) yang digunakan adalahdiambil dari model mekanik DART yangdigunakan untuk memprediksi swellingpartikel bahan bakar dari bahan bakar

dispersi tipe pelat

Kekuatan lapisan pelindung untukmenahan tekanan gas internal sangat

211

ISSN 1410-1998Prosiding Presentasi fImiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2000

LAMPIRAN 1

-""Plug

I Fuel compact I [~~~~

LAPl.SAN PELrNDUNG OUTEf PyC ( OPyC

LAPISAN PELINDUNG SiC

rLAPISAN PELINDUNG INNER ( IPyC )

LAPISAN BUFFER PyC

KERNEL BAHAN BAKARUO2+ThO2, U2+UC )

U~2'

Gambar 1 Model elemen bakar heksagonal atau prismatik (HTTR -1 Jepang)

dan ilustrasi penampang lintang partikel bahan bakar be pelindung

TRISO.

212

ISSN1410-1998 Prosiding Presentasi //miah Daur Bahan Bakar Nuklir VP21BDU dan P2BGN -BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2000

LAMPI RAN 2

Table 1. Beberapa data utama desain dan kondisi operasi pertikel bahan bakar untuk HTTR -

Jepang yang diperlukan di dalam perhitunaan.

Tabel 3. Hasil perhitungan tekanan kritis dan rasio antara tekanan gts internal dengan tekanankritis untuk setiap lapisan pelindung. -

[Tekanan Internal Gas]

Tekanan Kritis

(Mpa)[Tekanan Kritis]

1,89079~

1,52

22,72

54,24

28,32

I-~~!

Bahan Bakar Teras ~ertama : Ii.

Lapisan Pelindung PyC Dalam -IPyC

.Lapisan Pelindung SiC

.Lapisan PelindungP~C Luar -OPyC ~

Partikel Bahan Bakar Teras Ulang:

3,20

0,81

2,88

~89,40

24,98

Lapisan Pelindung PyC Dalam -IPyC

Lapisan Pelindung SiC

Lapisanp~ndung PyC Lu~r -OPyC

213