documentp1

Sigma Epsilon ISSN 0853-9103

Vol.13 No. 4 November 2009

90

STUDI SIKLUS PENDINGIN SEKUNDER REAKTOR GARAM CAIR PADA TEMPERATUR TINGGI

Oleh

Sri Sudadiyo Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir - BATAN

ABSTRAK

STUDI SIKLUS PENDINGIN SEKUNDER REAKTOR GARAM CAIR PADA TEMPERATUR TINGGI. Dari sudut pandang sistem energi dan lingkungan, konsep Reaktor Garam Cair (Molten Salt Reactor / MSR) sebagai salah satu jenis reaktor nuklir generasi IV yang mempunyai kemampuan baik untuk alat pembangkit listrik. Dalam MSR, panas dari bahan bakar diserap helium melalui alat penukar kalor. Helium digunakan sebagai fluida kerja dalam siklus pendingin sekunder atau siklus tertutup turbin dari instalasi PLTN tipe MSR. Helium dengan temperatur 973 K diekspansikan melalui turbin agar menghasilkan kerja yang bermanfaat untuk memutar kompresor dan generator listrik. Dari hasil perhitungan diperoleh efisiensi termal 44,5 %, rasio tekanan optimum 2,4 %, dan rasio temperatur 16,5 %, sehingga sistem turbin helium ini layak diaplikasikan dalam instalasi MSR.

Kata kunci: MSR, turbin, helium

ABSTRACT

STUDY ON CYCLE OF SECONDARY COOLANT OF MOLTEN SALT REACTOR WITH HIGH TEMPERATURE. From the viewpoint of energy system and environment, the concept for Molten Salt Reactor (MSR) is as the one of types of generation-IV nuclear reactor which has good potential for electricity generation device. Within MSR, the heat from fuel was absorbed by helium through the heat exchanger. Helium is employed for working fluid in secondary coolant cycle or turbine closed cycle of PLTN installation with MSR type. Helium with temperature of 973 K was expanded via turbine in order to get the work which useful in running compressor and electricity generator. From the calculation result was yielded thermal efficiency of 44,5 %, pressure ratio of 2,4 %, and temperature ratio of 16,5, so that this system of helium turbine will properly be applied for MSR installation. Keywords: MSR, turbine, helium

PENDAHULUAN

Konsep Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) yang menggunakan reaktor nuklir generasi lanjut atau generasi IV memiliki spesifikasi antara lain bahan bakar lebih efisien, limbah nuklir rendah, tahan terhadap penyebaran bahan nuklir berbahaya, merupakan sumber energi tahan lama, mempunyai nilai ekonomis sehingga dapat bersaing dengan sistem pembangkit daya jenis lain, handal dan aman karena kemungkinan kerusakan teras reaktor sangat kecil sekali serta tidak memerlukan daerah tertentu sehingga dapat diletakkan berdampingan dengan pemukiman penduduk[1]. Reaktor Garam Cair (Molten Salt Reactor / MSR), seperti terlihat pada Gambar 1[2], adalah salah satu dari enam jenis teknologi reaktor nuklir generasi IV dengan daya listrik keluaran hingga 1000 MWe. Instalasi PLTN dengan sistem MSR ini menggunakan bahan bakar uranium fluoride dan natrium cair yang bersirkulasi melalui kanal-kanal struktur teras dengan inti grafit untuk memproduksi netron termal (thermal neutron). Keseluruhan inti reaktor dirancang dari bahan bukan logam (non

metal) terutama grafit, sehingga temperatur yang sangat tinggi sekalipun dapat diterima di dalam sistem ini. Jumlah grafit yang besar di dalam MSR ini memiliki kapasitas panas sedemikian tinggi sehingga dapat menyerap semua energi panas dari produk fisi tanpa menimbulkan masalah terjadinya pelelehan inti. Bahan bakar uranium fluoride disirkulasikan melalui sebuah alat penukar kalor intermediet (Intermediate Heat Exchanger / IHX) dan kemudian dipompakan kembali ke teras reaktor. Dalam IHX, panas yang dihasilkan dari bahan bakar cair diserap oleh pendingin garam natrium cair. Garam cair panas yang diperoleh dialirkan melalui alat penukar kalor (Heat Exchanger / HX) untuk selanjutnya dipompakan kedalam IHX lagi. Dalam HX, panas dari pendingin garam cair ditransfer ke helium dalam siklus tertutup turbin gas.

Siklus tertutup turbin gas ini merupakan sistem pendingin sekunder pada PLTN jenis MSR dengan komponen utama yaitu turbin, kompresor, recuperator, pre-cooler, dan intercooler, dan media kerja yang digunakan adalah gas helium. Untuk proses yang dianggap ideal maka proses dalam kompresor dan proses dalam turbin dianggap



91

isentropik yaitu tidak ada kerugian panas karena entropi tidak berubah akibat gesekan, dan penurunan tekanan melalui penukar kalor dihitung. Efisiensi thermal dari siklus tertutup turbin gas ini akan meningkat karena perbandingan tekanan ditingkatkan. Dalam sistem pendingin sekunder ini, kompresor dan turbin diletakkan pada satu poros dimana sebagian besar kerja yang dihasilkan oleh

turbin akan digunakan untuk memutar kompresor dan selebihnya untuk menggerakkan generator listrik. Studi lebih lanjut tentang siklus tertutup turbin gas pada sistem pendingin sekunder untuk PLTN jenis MSR dengan kondisi kerja pada temperatur tinggi akan dilakukan dalam memperbaiki efisiensi termal yang dihasilkan.

Gambar 1. Instalasi PLTN tipe MSR[2]

METODOLOGI

Model yang dikembangkan untuk perhitungan siklus tertutup turbin gas helium dalam sistem pendingin sekunder pada instalasi PLTN tipe MSR dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari berbagai parameter seperti rasio tekanan, temperatur kerja, dan rasio panas spesifik terhadap unjuk kerja dari siklus tertutup tersebut, sehingga dapat diprediksi peningkatan unjuk kerja dari siklus tertutup turbin gas sebagai sistem pendingin sekunder dalam instalasi PLTN tipe MSR. Diskusi berikut ini dapat memberikan gambaran bahwa sistem pendingin sekunder pada MSR mempunyai kemampuan dalam perbaikan efisiensi termal hingga mencapai beberapa persen. Gambar 2 menampilkan siklus tertutup turbin helium untuk diaplikasikan pada sistem pendingin sekunder dalam MSR dengan daya keluaran sebesar 1000 MWe berikut berbagai komponen utamanya[3].

Gambar 2. Skematik siklus tertutup pendingin

sekunder dari MSR[3]



92

40

41

42

43

44

45

5 15 25

RasioTekanan

Efisiens

iTermal

[%]

Dalam HX, temperatur helium dapat mencapai 973 K dengan tekanan 0,5 MPa. Helium panas ini diekspansikan kedalam turbin untuk memproduksi kerja poros yang dapat dipakai untuk memutar kompresor dan generator listrik. Kerja poros per satuan waktu per satuan massa helium dihitung berdasarkan beda entalpi dari kondisi masuk dan kondisi keluar turbin. Efisiensi termal siklus tertutup turbin helium diperoleh dari beda antara kerja turbin dan kerja kompresor dibagi dengan jumlah panas yang diberikan dan dikalikan 100 %.

HASIL DAN DISKUSI

Dari studi yang telah dilakukan, diperoleh beberapa hasil perhitungan untuk mengetahui unjuk kerja dari siklus pendingin sekunder terhadap pengaruh dari berbagai macam parameter, seperti rasio tekanan kompresor, temperatur, rasio panas spesifik, dan lain sebagainya pada siklus tertutup turbin helium dengan temperatur tinggi dalam instalasi PLTN tipe MSR, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2. Siklus tertutup dari model pendingin sekunder ini menggunakan fluida kerja gas helium sebagai media pengambil panas antara kompresor dan turbin dengan harga perbandingan panas jenis sebesar 1,66. Alasan utama memakai helium adalah karena gas tersebut merupakan fluida kerja yang sangat bagus untuk siklus pendingin sekunder karena tidak menimbulkan korosi, tidak dapat terbakar, dan juga mempunyai sifat panas yang bagus. Dalam instalasi PLTN tipe MSR ini, gas helium dipanaskan dalam HX hingga mencapai temperatur 973 K pada tekanan kerja sekitar 0,5 MPa, kemudian diekspansikan melalui turbin untuk memperoleh kerja poros per satuan waktu yang akan dimanfaatkan untuk memutar kompresor dan sisa daya yang berguna untuk menggerakkan generator listrik.

Peningkatan dalam perbandingan tekanan kompresor dapat menaikkan efisiensi termal siklus tertutup turbin helium dan dapat juga meningkatkan suhu keluar kompresor. Jika temperatur masuk turbin (Turbine Inlet Temperature / TIT) tetap karena dibatasi oleh kondisi material, kenaikan rasio tekanan kompresor dapat menurunkan kerja spesifik siklus sehingga membutuhkan aliran gas helium yang lebih banyak untuk dapat menghasilkan kerja keluaran per satuan waktu dengan nilai yang sama. Apabila kompresor bekerja pada beda tekanan yang lebih besar akan dapat menurunkan efisiensi adiabatik proses sehingga dapat membuat siklus aktual menjadi kurang efisien. Siklus tertutup turbin helium dengan temperatur tinggi dalam instalasi PLTN tipe MSR

dapat memberikan keuntungan dalam perbaikan efisiensi termal dari sistem secara keseluruhan dengan menganggap bahwa proses melalui alat penukar kalor termasuk recuperator, pre-cooler, intercooler tidak mengalami penurunan tekanan atau tekanannya tetap. Gambar 3 menunjukkan bahwa efisiensi termal optimum dari siklus tertutup untuk sistem pendingin sekunder dalam MSR ini adalah sekitar 44 % yang terjadi pada rasio tekanan sebesar 15 dan penurunan tekanan dalam alat penukar kalor sebesar kira-kira 13,8 kPa, dimana setiap titik dalam kurva tersebut ditentukan pada rasio tekanan optimum untuk kondisi kerja tertentu.

Gambar 3. Kurva efisiensi termal terhadap rasio tekanan pada kondisi TIT 973 K

Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan,

dapat diketahui bahwa rasio tekanan optimum tersebut tidak begitu mempunyai pengaruh terhadap penurunan tekanan melalui alat penukar kalor (seperti recuperator, pre-cooler, dan intercooler). Begitu juga diperoleh bahwa siklus dengan temperatur maksimum mempunyai pengaruh besar terhadap efisiensi termal keseluruhan. Kenaikan TIT harus diikuti dengan perbaikan rancangan rotor turbin termasuk material, bentuk, dan dimensinya. Dalam Gambar 3 juga diilustrasikan bahwa efisiensi termal dari siklus tertutup turbin helium dalam MSR akan meningkat dari 40,3 % hingga mencapai nilai maksimum diatas 44 % dimana sekitar 49,4 % dari kerja poros per satuan waktu per satuan massa yang diproduksi tersebut akan dipakai untuk menggerakkan kompresor dan selebihnya digunakan untuk menjalankan generator listrik. Perbaikan efisiensi termal dari siklus pendingin sekunder dapat dilakukan dengan merancang rotor turbin hingga mampu beroperasi pada temperatur kerja diatas 1273 K. Gambar 4 menunjukkan bahwa dalam proses isentropik, seperti dalam turbin dan kompresor, perbandingan TIT terhadap temperatur masuk kompresor (Compressor Inlet Temperature / CIT) akan mempengaruhi efisiensi termal dari



93

30

40

50

60

3 3.5 4 4.5 5

TIT/CIT

Efisiens

iTermal

[%]

600

800

1000

1200

800 1000 1200 1400 1600

TIT[K]

TemperaturK

erja

IHX

[K]

0

0.004

0.008

0.012

0.016

0.02

0.024

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Posisi[TanpaDimensi]

Rasio

Tekan

an[T

anpa

Dim

ensi]nn

n

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Rasio

Tem

peratur[Ta

npaDim

ensi]

RasioTekanan RasioTemperatur

40

45

50

55

80 85 90 95 100

EfisiensiTurbin[%]

Efisiens

iTermal

[%]

siklus tertutup turbin helium karena daya yang diproduksi oleh turbin merupakan perkalian antara laju aliran massa helium dan beda enthalpi sebagai fungsi temperatur melalui proses tersebut.

Gambar 4. Efisiensi termal siklus pendingin sekunder sebagai fungsi TIT/CIT

Peningkatan dalam TIT secara jelas

menghasilkan perbaikan efisiensi termal siklus pendingin sekunder dari instalasi PLTN tipe MSR, tetapi persyaratan untuk recuperator menjadi lebih ditekankan pada kondisi operasi yang sama. Gambar 5 memperlihatkan hasil perhitungan temperatur maksimum yang dialami oleh recuperator untuk konfigurasi poros tunggal vertikal pada berbagai perubahan TIT. Gambar 6 menampilkan hasil simulasi efisiensi adiabatik dari turbin yang sangat berpengaruh pada peningkatan efisiensi termal dari siklus pendingin sekunder dengan mengaplikasikan turbin helium. Terlihat bahwa apabila efisiensi adiabatik turbin naik, maka efisiensi termal juga akan diperbaiki menjadi lebih baik atau lebih tinggi.

Gambar 5. Pengaruh TIT pada alat penukar kalor

Gambar 6. Efisiensi turbin versus efisiensi termal pendingin sekunder dalam MSR

Seperti terlihat pada Gambar 2, konfigurasi

siklus tertutup turbin helium pada sistem MSR ini merupakan poros tunggal dengan posisi vertikal dimana turbin, kompresor, dan generator listrik diletakkan. Poros ini ditumpu oleh bantalan jenis journal yang mempunyai putaran sesuai dengan putaran hasil kerja turbin. Semakin baik unjuk kerja bantalan, semakin baik kerja yang dihasilkan turbin, dan semakin tinggi efisiensi termal siklus keseluruhan. Unjuk kerja bantalan (bearing) ditentukan dengan mengetahui perbandingan dari distribusi tekanan dan temperatur dalam celah diantara dua pelat dari journal bearing, seperti diilustrasikan pada Gambar 7. Dari Gambar 7 tersebut dapat diketahui bahwa rasio tekanan tertinggi dengan nilai dibawah 0,024 (dibawah 2,4 %) dan rasio temperatur sekitar 0.165 (kira-kira 16,5 %). Dari kedua harga tersebut dapat dikatakan bahwa kondisi kerja bantalan dan poros adalah stabil dan aman.

Gambar 7. Variasi perbandingan distribusi tekanan dan temperatur dalam bantalan



94

KESIMPULAN

Studi dari siklus tertutup turbin helium untuk sistem pendingin sekunder dalam instalasi PLTN tipe MSR telah didiskusikan. Pada kondisi kerja dengan TIT setinggi 973 K diperoleh efisiensi termal siklus pendingin sekunder atau siklus tertutup turbin helium adalah 44,5 % untuk rasio tekanan sebesar 15. Konfigurasi peletakkan turbin dan kompresor yang digunakan adalah poros tunggal dengan arah vertikal sehingga kerja yang diproduksi turbin dapat langsung digunakan untuk memutar kompresor. Dari diskusi diatas juga dapat ditarik kesimpulan bahwa bantalan sebagai pendukung poros dapat bekerja dengan aman.

UCAPAN TERIMA KASIH

Kegiatan Penelitian ini merupakan bagian kerja di Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir (PTRKN) tahun 2008. Terima kasih kami sampaikan kepada rekan-rekan di Bidang Pengembangan Reaktor (BPR) yang telah membantu dalam penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. ANONYMOUS, PLTN Generasi ke 4. 2. ABRAMS, B., A Technology Roadmap for

Generation IV Nuclear Energy Systems, U.S. DOE Nuclear Energy Research Advisory Committee and the Generation IV International Forum (http://gif.inel.gov/roadmap/pdfs/gen_iv_roadmap.pdf), 2002.

3. SUDADIYO, S., Pemodelan Poros dan Bantalan Sistem Turbin Gas Pada Reaktor Garam Cair Menggunakan Metode Elemen Hingga, Majalah Ilmiah Sigma Epsilon, Vol.13, No.2, Hal.44-48, ISSN: 0853-9103, PTRKN-BATAN, Mei 2009.

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 300 /GrayImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 1200 /MonoImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False

/Description > /Namespace [ (Adobe) (Common) (1.0) ] /OtherNamespaces [ > /FormElements false /GenerateStructure true /IncludeBookmarks false /IncludeHyperlinks false /IncludeInteractive false /IncludeLayers false /IncludeProfiles true /MultimediaHandling /UseObjectSettings /Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (2.0) ] /PDFXOutputIntentProfileSelector /NA /PreserveEditing true /UntaggedCMYKHandling /LeaveUntagged /UntaggedRGBHandling /LeaveUntagged /UseDocumentBleed false >> ]>> setdistillerparams> setpagedevice

documentp1

Documents