PENGUKURAN DAYA REAKTOR KART!NI BERDASARKANANALISIS THERMOHIDROLIK TERAS

Syarip. Bambang Supardiyono. Y. Sardjono

Pusa~ Peneli~ian Nuklir Yogyakar~a

ABSTRAK

Telah dilakukan pengukuran daya ~ermal reak~or Kar~iniberdasarkan perbedaan suhu pusa~ bahan bakar ra~a-ra~adengan suhu air pendingin di seki~arnya. Pada ~ingka~ dayareak~or yang di~unjukkan oleh panel sis~em kendali sebesar50 kW dan 100 kW. hasil pengukuran memberikan harga yangcukup sesuai. yai~u dengan ~ak~or penyimpangan + 17 %. Suhu

pusa~ bahan bakar maximum gada kondisi ~ingka~ daya ~ersebu~masing-masing adalah 76.57 C dan 104.54 C.

ABSTRACT

Thermal power measuremen~ of ~he Kar~ini reac~or ~orbassed on ~he ~uel cen~erline and coolan~ ~empera~uredi~~erence. has been done. A~ 50 kW and 100 kW reac~or powerlevel shown on ~he panel con~rol sys~em. ~he measuremen~gave appropria~e resul~ i.e. wi~h 17% devia~ion. The maximum

o~uel cen~erline ~empera~ure a~ ~ha~ condi~ion are 76.57 Coand 104.54 C respec~ively.

I. PENDAHULUAN

Pengukuran daya reak~or nuklir adalah merupakan sua~u

pekerjaan ru~in yang harus selalu dilakukan secara periodik.

Daya yang di~ampi1kan pada panel sis~em ins~rumen~asi dan

kendali didalam ruang kendali reak~or Kar~ini. adalah besar-

nya daya reak~or berdasarkan indikasi arus/pulsa yang

berasal dari de~ek~or neu~ron. Di reak~or Kar~ini biasanya

dilakukan kalibrasi daya reak~or secara periodik se~iap 6

bulan sekali. a~au apabila ada perubahan kon~igurasi ~erasreak~or.

Didalam makalah ini dibahas sua~u me~ode pengukuran

daya reak~or berdasarkan perbedaan suhu pusa~ elemen bahan

199

200

bakar dengan suhu air pendingin dipermukaan elemen bahan

bakar, dan juga berdasarkan kenaikan suhu air pendingin yang

melintasi teras. Distribusi suhu bahan bakar didalam teras

diukur dengan menggunakan bahan bakar berinstrumentasi/

instrumented fuel element CIFE). Kemudian dari pola distri­

busi tersebut dapat ditentukan suhu teras rata-rata, dan

posisi elemen bahan bakar didalam teras yang mewakili suhu

'teras rata-rata. Pada posisi ini suhu air pendingin Cpada

permukaan

'termokopel.

kelongsong bahan bakar), diukur menggunakan

II. PER?I NDAHAN PANAS D1DALAM ELEMEN BAKAR DAN 01STR1BUSI

SUHU TERAS REAKTOR KARTIN1

Elemen bahan bakar reaktor Kartini berbentuk silinder

dengan komposisi dan ukuran seperti yang terlihat pada

1ampi ran C1). Persamaan konduksi panas arah radial untuk

bahan bakar berbentuk silinder dapat dituliskan sebagai,

1r dT = _ q"r dr (1)

dimana q" adalah sumber panas volumetrik (homogen) dan kf

bakar) sampai r = rfT = T Csuhu pusat bahan bakar) sampai T = T Csuhu permuka-o f

an bahan bakar), lihat gambar pada lampiran (i), menghasil-

persamaan (1) untuk r = 0 Cpusat

Cpermukaan. bahan bakar) dan

adalah koefisien konduktivitas panas dari bahan bakar.

Integral dari bahan

untuk

o

kan

To

T f

J k r ( T) dT = (' rq" dr =~

2rf

4 q" (2)

Sehingga penurunan suhu di dalam bahan bakar dapat ditulis

sebagai

(~T) = Tf 0

q"2r

(3)

201

dimana k adalah konduktivitas panas rata-rata dari bahanrbakar

1- Tr

T

Tf Ok,r

CD dCD (4)

Jika didefinisikan rapat daya linier dari elemen bahan

bakar adalah q'. yaitu besarnya day a yang dibangkitkan per­

satuan panjang •

.2.q' = IT r r .q"

maka persamaan (3) dapat ditulis menjadi

q'(b T) r = 4 IT k r

(5)

Dengan cara yang sama seperti penjabaran di atas, dapat

dicari besarnya penurunan suhu di dalam celah Cgap) antara

daging dengan dinding kelongsong bahan bakar. yaitu

= q"k-

g

2rr;3 (7)

adalah suhu permukaan kelongsong bagian dalam,k 9pengisi

di mana; Tcdan t masing-masing adalah konduktivitas panas gas9celah dan tebal celah. Untuk ketebalan celah yang

kecil maka persamaan (7) dapat ditulis menjadi

sangat

(bT) ='f<

q" r tr g_2. .Ie -

9

q'2:r;rr

(8)

Oleh karena setelah mengalami iradiasi celah antara

daging dengan dinding kelongsong bagian dalam dari bahan

bakar. akan menjadi tidak menentu. maka didefinisikan suatu

koefisien perpindahan panas efektif dari celah Ch). dimana9

besarnya h adalah sebagai fungsi ketebalan celah rata-rata.9konduktivitas gas. kekasaran permukaan. bahan kelongsong dan

juga burn-up. Dengan demikian. penurunan suhu di dalam celah

dapat ditulis sebagai

(1:.T)9

= q'2 n r h

f 9

202

(9)

Demikian halnya penurunan suhu didalam kelongsong bahan

bakar (1:.lJ, (pendekatan untuk t dan t = ketebalan ke-c 9 clongsong yang sangat kecil/tipis)~ dapat ditulis sebagai

(1:.T) c

• t= q __ c_

21<1 kf c

(10)

k adalah konduktivitas panas bahan kelongsong.cAkhirnya. perpindahan panas dari permukaan kelongsong

·bahan bakar bagian luar ke air pendingin,

sebagai

dapat dituliskan

q" = h (Ts s - T )f1(11)

dimana ; h adalah koefisien perpindahan panass konveksi

besarnya tergantung dari sifat-sifat dan kondisi aliran pen­

dingin, T dan T masing-masing adalah suhu permukaan ke-s f1longsong bagian luar dan suhu pendingin. Sehingga penurunan

suhu ke pendingin (1:.T) adalahf1

( 1:.T)=T-T =q"

f1sf1h""

sq" r

2q'f =

=h 2Cr +t )h21« r +t )s

f c sf c

Jumlahan dari persamaan-persamaan (5), (9),

(12)

(10) dan

persamaan (12), menghasilkan besarnya penurunan suhu total

didalam elemen bahan bakar, yaitu penurunan suhu dari pusat

bahan bakar ke pendingin

q'{~+_1_+

t'fT

- T c= -- +

0f 12n I2k hkh (,+t)

f f 9csfc

} ( 13)

I

III. ANALISIS HASIL PENGUKURAN DAYA DAN PEMBUATAN SISTEM

PENAMPIL DAYA

Dengan mengukur besarnya perbedaan suhu antara suhu

203

pusat bahan bakar dengan suhu air pendingin, CT - T ) padao f1persamaan (13) maka dapat ditentukan besarnya daya yang di-

bangkitkan persatuan panjang Cq'), untuk harga-harga k, kf cdan h. Harga-harga k , k dan h semuanya merupakan fungsis f c ssuhu tetapi untuk kondisi suhu tertentu semuanya dapat di-

anggap sebagai suatu tetapan.

Untuk menentukan daya termal rata-rata maka harus di-

cari harga q' rata-rata Cq'). Cara menentukan q' adalah

dengan mengukur distribusi suhu bahan bakar di dalam teras.

Setelah diperoleh distribusi suhu teras, kemudian ditentukan

besarnya suhu rata-rata teras Csuhu bahan bakar rata-rata di

dalam teras), untuk tingkat daya tertentu. Dengan demikian

dapat ditentukan, posisi transduser suhu Ctermokopel) di­

dalam teras yang mewakili suhu teras rata-rata.

Daya termal rata-rata yang dibangkitkan di dalam teras

reaktor CP) dapat dihitung dari hubungan

P = q' L NC (14)

dimana : L adalah panjang bahan bakar aktif, N dan C masing­

masing adalah jumlah total elemen bahan bakar di dalam teras

dan fraksi daya teras yang dibangkitkan di dalam bahan bakar.

Pada posisi dimana keluaran dari t~rmokopel mewakili

besarnya suhu rata-rata teras, dapat pula dipakai untuk

mengukur suhu air pendingin mas uk CT.) dan suhu air pen­~dingin keluar teras CT). Dengan mengetahui perbedaan antaraosuhu pendingin masuk dan suhu pendingin keluar teras CT -T.)o ~daya termal reaktor rata-rata dapat pula ditentukan dari

hubungan

P = G C CTo (15)

dimana G adalah laju aliran pendingin dan C adalah panas

jenis air pendingin. Persamaan (15) di atas adalah sama

dengan kenaikan enthalpi total dari air pendingin.

Oleh karena G = V p A , di mana V adalah kecepatan airf

pendingin rata-rata yang melintasi teras, p dan A· masing­fmasing adalah panas jenis dan luas aliran total dari air

204

pendingin. Maka persamaan (15) dapat ditulis menjadi

P = p C V A CTf 0 T )i.

(16)

Berdasarkan persamaan Poiseuile. turunnya tekanan C~P )fdari suatu aliran laminer dengan kecepatan rata-rata V di

dalam suatu silinder adalah

P =f

di mana IT adalah kekentalan air pendingin.

(17)

L dan D masing-

masing adalah panjang dan diameter dari silinder Csaluran) .

.Jika susunan kisi-kisi teras reaktor Kartini dianggap

kisi t.riangular. maka diameter ekivalen dari saluran adalah

273IT ( ~) 2 _ 1 ]

(18)

di mana: d dan P masing-masing adalah diameter elemen bahan

bakar dan jarak antar pusat bahan bakar.

Persamaan (17) berlaku untuk saluran yang mempunyai

penampang lingkaran Csilinder). Jika dianggap. saluran pen-'

dingin di dalam teras reaktor Kartini mempunyai penampang

lingkaran dengan diameter

(17) dapat ditulis menjadi

32 V L

D 2€I

sama dengan D •€I

maka persamaan

(19)

Jika p dan p adalah panas jenis air pendingin yang mas uk1 2dan keluar teras Cdari saluran). maka tekanan diferensial

rata-ratanya didekati oleh .:.(p - p ) 9 L. dimana 9 adalah2 1 2percepatan gravitasi. Oleh karena itu persamaan (19) dapat

menghasilkan hubungan

V =(p _p ) 9 D 21 2 e

64 IT

(20)

di mana IT adalah kekentalan air pendingin rata-rata.

Substitusi persamaan (20) dan (16) dengan mengambil p

sebagai rata-rata sama dengan1- Cp - p )2 1 2

maka diperoleh

205

hubungan

p =128 IT

T )1 (21)

Hasil pengukuran dis~ribusi suhu bahan bakar pada ber­

bagai posis~ ring didalam ~eras ~ercan~um pada ~abel (1) dan

~abel (2) at.aut.erlukiskanpada gambar (1). Besarnya daya

~ermal rat.a-rat·adihit.ungdari hubungan persamaan (13) dan

(14) dan (21) dengan memasukkan harga ~e~apan - ~e~apan

seper~i yang ~ercan~um pada lampiran (1). dan da~a-da~a pada

kondisi sis~em pendingin primer dima~ikan. Hasil perhi~ungan

daya reak~or berdasar data pengukuran suhu teras. selengkap­

nya ~ercan~um pada ~abel (3).

Car-a penen~uan harga suhu ~eras ra~a-rata adalah ber­

dasarkan hubungan

(0T(X) dxT = _3 _

di mana : untuk daya 50 kW dengan sistem primer hidup dan

sis~em primer ma~i (lihat gambar 2) masing-masing adalah

T(x) = - 1.635 x + 83.12

dan T(X) = - 2.189 x + 103.9

sedangkan untuk daya 100 kW dengan sis~em primer hidup dan

sistem primer ma~i masing-masing adalah :

T(X) = - 2.461 x + 114.9

dan T(X) = - 3.057 x + 139.7

Suhu rata-rata teras untuk daya reaktor 50 kW dan 100 kW

dengan sis~em pendingin primer dihidupkan dan sistem primer

dimatikan. demikian pula lokasi ring yang mewakili suhu

ra~a-ra~a teras. serta suhu air pendingin rata-rata pada

lokasi ~ersebu~ ~ercantum pada tabel (4).

Berdasakan ~enomena seper~i yang ~elah diuraikan dia~as

maka besarnya daya ~ermal ra~a-ra~a dari reak~or dapa~ seca­

ra langsung diukur dan di~ampilkan. yai~u dengan menggunakan

rangkaian penjumlah dan pengganda (mul~iplier) tegangan.

Keterangan

Tabel 1. Hasil pengukuran suhu pusat bahan bakar rata-ratapada berbagai posisi ring. pada daya 50 kW

PosisiI'ing Suhu IFE rata-rata (oC) Suhu

daripusat. bahan bakar

t.eras (cm)91112rata-rata (oC)

'pph

ppmpphppmpphppmpphppm

B C 3.93)

76.7395.0875.4594,5877.5296.2276.5795.29

C (

7,85)71.3088,1970,1785,5771,2585,9370.4187.23

Dell ,77)

54•1877.9462.5575,6554,2377.7063,6977,42

E (15,69)

58,2168.9657•5167,8658,3769,0758.0368.99

F (19,61)

50,8562,0550,0360.4951.2961,9550,7251.50

pph = sistem pendingin primer dihidupkan

ppm = sistem pendingin primer dimatikan

9, ii, 12 = posisi thermocouple di dalam teras

t\)oCJ)

Keterangan

Tabel 2. Hasil pengukuran suhu pusat bahan bakar rata-ratapada berbagai posisi ring. pada daya 100 kW

Posisi ring Suhu IFE rata-rata CoC) Suhudari

pusat bahan bakarteras Ccm)

91112rata-rata CoC)

pph

ppmpphppmpphppmpphppm

B ( 3.93)

105 •61128.93104 •23127.80103 •52127 •16104 •45127.96

C ( 7.85)

99.39119.2396.83117.8596.39117.1397.54118 •07

D (11.77)

86,22100.6784.02100,2984.5099.3984.91100. 12

E C15,69)

76,0391.1476.1191.3575,6589.4275,9390,54

F (19,61)

57.3382 •7166.4881 ,2167.2681.3457,0281,75

pph = sistem pendingin primer dihidupkan

ppm = sistem pendingin primer dimatikan

9. 11. 12 = posisi thermocouple di dalam teras

!\:)o--J

208

GP.AfIK SUHU PUSAT BAHAM BAKAR US RINe

82

79

T

12

RIK<; (JARfiK »ARI PUSAT TERAS) CM

() 58~~~ 52 i1% ..,

~ 1

0~ 46

5 I~ ~J

b. PPIi (PRIMER "lOOP)

o PPM <PRIKER MATI>

1~T

18

Gambar 1. Grarik suhu pusat bahan bakar sebagai ~ungsi jarak

dari pusat..teras

209

CMfI K SUHU PUSAt BAHAH BtlKAR US RIHC, 1)A'U1 199 KW

109

192

95

89

() 81

b. PPH (PRIMER HlooP)

o PPM (PRIMER MATI>

T

t 1'2 1'5

RING (JRAAK OORI P!.iSRT tERAS)

Gambar 2.Gra~ik suhu pusal bahan bakar sebagai ~ungsi jarak

dari pusat teras

210

Tabel 3. Hasil perhi~ungan daya reak~or berdasar da~a-da~a

pengukuran suhu teras dan suhu pendingin yang me ­

lintasi ~eras reak~or.

Daya pada panelDaya ~erukur*Daya ~erukur**

CkW)

CkW)CkW)

50

6943

100

11693

* = dihitung berdasar hubungan persamaan (14)

** = dihi~ung berdasar hubungan persamaan (21).

Tabel 4. Suhu teras dan air pendingin ra~a-ra~a dan posisi

bahan bakar ekivalen pada suhu ~eras ra~a-ra~a.

DayaSuhu b.bakarPosisib.bakarTi.ToT

reak~orrata-rataekivalen Cring)

CkW)(TOC) COC)(oC)COC)

50 pph

64.32an~ara ring C&D353535

50 ppm

77.83.an~ara ring C&D4042.541.2

100 pph

86.59an~ara ring C&D37.537.537.5

100 ppm

104.54an~ara ring C&D42.547.545

pph

ppm

T.• T dan TL Co

= sis~em pendingin primer hidup

= sis~empendingin primer dima~ikan

= masing - masing suhu air pendingin masuk.

keluar dan ra~a-ra~a dari ~eras pada posisi

an~ara ring C dan ring D.

211

DaLa-daLa karakLerisLik air pendingin sebagai ~ungsi suhu

Suhu COC)ClOt 6N det./m2)K CW/moK)

°3Cp CJ/gr K) Cgr/cm )

29

-0,617-0,9960

33

776--0,9948.

36

724-4,1800,9936

40

6540,6314 ,179o ,9921

45

607--0,9899

50

560,50.6424 •182 .0,9876

60

4670.6534 ,1850,9831

Rangkaian penjumlah digunakan unt.uk menjumlah/mengurangkan

suhu pus at.bahan bakar yait.u keluaran dari Inst.rumented Fuel

ElemenL CIFE) dengan keluaran dari t.errnokopelpengukur suhu

air pendingin didalam t.eras. Sedangkan rangkaian pengganda

dipakai untuk mengalikan Legangan keluaran dari ~lowmeter

yang dipasang didalam Leras. selisih Legangan termokopel

pengukur suhu air mas uk dan keluar t.eras reakt.or.

Pemasangan ~lowmet.er didalam t.eras, demikian pula jenis

~lowmet.er yang mampu rnengukur laju aliran dalam t.eras yang

sangat. lambat.. sangat. sulit. unt.uk direalisasikan. Oleh

karena it.urangkaian pengganda ini hanya dapat. dipergunakan

unt.uk rnengalikan Legangan keluaran dari ~lowmet.er yanng di­

pasang pada sist.em primer dengan selisih Legangan dari

Lransduser pengukur suhu air mas uk dan keluaran alat. pe­

mindah panas.

Pembuatan sistem penampil daya reakt.or berdasarkan suhu

bahan bakar dan pendingin ini bel urn selesai secara tunt.as,

walaupun demikian pada gambar 3 dan gambar 4 dapat. dilihat

sebagian dari rangkaian sist.ernt.ersebuL.

212

A

0.2V 100k ~

1~21~ ~VX.Vyx •••'=" . Vref

100 ,

..L.. 6k3-r- A

Vy 100k

3k3

A -A1 4Q,Q1 2

D,D1 2

Vret

AD 741 J.K

AD 818

1 N91 4

Gambar 3. Rangkaian penampil daya reaktor

l'::::~~~

Gambar 4. Rangkaian penampil suhu bahan bakar

213

IV. KESI MPULAN

Dar i dat.a-dat..a hasi 1 penguk uran dan perhitungan daya

reaktor pada posisi panel sistem kendali 50 kW dan 100 kW,

dapat disimpulkan bahwa :

1. Daya yang ditampilkan pada sistem kendali dengan daya

yang terukur / terhitung, menunjukkan angka / hasil yang

hampir sama, yaitu dengan deviasi ~ 17 %2. Suhu pusat bahan bakar maximum di dalam teras pada daya

50 kW dan 100 kW masing - masing adalah 76,57°C dan

104,45°C d~ngan sistem pendingin primer dijalankan.

UCAPAN TERlMA KASIH

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima

kasih kepada seluruh star dan teknisi Bidang Reaktor PPNY,

khususnya kepada Wahyu Imam Wijaya, SUTna.rdi, Har iyant.o dan

Noor Harjono yang telah membantu dalam pengumpulan data dan

pengetikan makalah.

ACUAN

1. James J. Duderstatd, "Nuclear reactor analysis ", John

Wiley & Sons Inc. 1976.

2. Samuel Glasstone & Alexander Sesonske, ..Nuclear reactor

Engineering ", Van Nostrand Reinhold Co. 1981.

3. RHS Wintertone, " Thermal Design or Nuclear Reactors"

PergamnPress,1981.

4.J.Sarjono," Pengukuranreakti vitasXenon-135sebagai

F'ungsi

Lama OperasireaktorKar tini ",Skri'psi,Teknik

Nuklir

UGM,1983.

5.DanielH.Shei ngol d(editor),"NonlinearcircuitHand-

book ", Analog Devices, Inc, 1976.

214

Lampiran 1.

Deskripsi bahan bakar, teras reaktor, dan parameter

hidrolik teras reaktor Kartini.

termo-

- Gambar penampang melintang

elemen bahan bakar tipe 102

- Bentuk elemen bahan bakar

adalah silinder yang berisi

serbuk UZrH dengan perkaya­

an U-235 20 X.

jari-jari daging elemen bakar CUZrH), r = 1,79 emfkonduktivitas UZrH, k = 0,18 W/cm °cf

- tebal kelongsong CAI), t = 0,0762 eme- konduktivitas kelongsong, k e

tinggi elemen bakar aktif, L

= 2,05 W/cm °c= 35,6 em

jumlah elemen bahan bakar di dalam teras, N = 75 buah

jari-jari teras reaktor R = 24,75 em

koerisien perpindahan panas konveksi, hs =0,335 W/em2 °cCatatan :

Koefisien perpindahan panas berdasar konveksi alam Ch) di­g

anggap mengikuti hubungan empiris

Nu

h D9

- -k--O.2~ 9

= 0,55 CGr Pr) untuk Gr Pr ~ 10

Gr dan Pr masing-masing adalah bilangan Grashof dan bilangan

Prandl, D diameter Chidrolis) dan k konduktivitas air pen­

dingin.

215

TANYA JAWAB

1. RPH Isml1ntoyo

Apa tl1jl1andasar dari eksperimen ini dan akan di~l1nakan

l1ntl1kapa hasiLnya ini ?

Kom.entar

a. Kesimpl1Lan no.2 perLl1 direvisi karena qUCr:>:::::¢ Cr:>

yang akan m.erl1pafl..anfl1n~si BeisseL l1ntl1k reaktor

siLinder. Dan dari ketidak tepatan daLam penl1njl1kan

daya, sebetl1Lnya akan memberikan ketidak pastian yan~

besar puLa

b. Harea h pada eap saneat sl1Lit ditentl1kan biLa teLah

m.emiLU~i bl1rn-l1pdisampine itl1jl1ea harea k di bahan

b~~ar akan berl1bah biLa teLah memiLiki bl1rn-l1p

Jawaban

Tl1jl1aneksperim.en l1nt'tL~membandin~kan/men~kaL ibrasi daya

yane tertampiL pada paneL yane berdasar proses nel1tronik.

a. Akan kami revisi, terim.a kasih

b. Betl1Ldemikian, tetapi oLeh karena bl1rn-l1pbahan bakar

reaktor Kartini saneat keciL, kami beLum memperhitl1ne­

kan.

2. Utaja

a. ALiran daLam teras mestinya torbl1Len. bagaim.ana ini ?b. R'U.lT!.US T -T =

o fbaeaimana ini ?

~ sebenarnya tidak satl1 arah.

Jawaban

a. Tereantl1ne perandaian yang diambiL. dan ter~antl1n~ pe­

ninjal1an kita Cbisa dian~eap Laminer berdasar biLanean

ReynoLd - 755:>

b. Benar. tetapi kami menehitl1n~ pada sl1hu teras rata­o

rata~ 50 C

3. Endiah PH

Bagaiman..acara menel1kur Cmeneetahl1i:> kecepatan aL iran

pendinein pada reaktor Kartini. meneineat pendin~in

216

adaLah aLiran diam

Jawaban

Kami tidak meneukur kecepatan aLiran air pendinein dida­

Lam teras karena memane sulit diukur. oleh karena itu

pada persamaan tid~~ ada kecepatan pendinein (dieliminir

oleh..perbedaan berat jenis pendineirO

4. Dewanto 5

DaLam menentukan koefisien perpindahan panas dari bahan

bakar (uranium0 apakah anda memperhitunekan juea perubah­

an. koefisien tersebut karena perubahan burn-up bahan

bakar

Jawaban.

Tidak. kami meneaneeap kf konstan (rata-rata~ pada

tertentu dan pada kondisi baru (burn-up per elemen

bakar reaktor Kartini masih saneat kecil yaitu 20

elemen~

suhu

bahan

HWH/