Hasi/ Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 /SSN 0852 - 2979

PERPINDAHAN PANAS BAHAN BAKAR BE~CAS REAKTOR PWR PADAPENYIMPANAN SEMENTARA TIPE KERING

Kuat Heriyanto, Suryantoro, NurokhimPusat Teknologi Limbah Radioaktif, BATAN

ABSTRAKPERPINDAHAN PANAS BAHAN BAKAR BEKAS REAKTOR PWR PADA

PENYIMPANAN SEMENTARA TIPE KERING. Telah dilakukan pengkajian laju perpindahanpanas bahan bakar bekas reactor PWR dalam penyimpanan sementara tipe kering. Pengkajiandilakukan dengan melakukan perhitungan panas bahan bakar bekas dalam systempenyimpanan, pengambilan panas oleh system pendingin serta batasan perbedaan temperatur.Dari perhitungan diperoleh panas bahan bakar bekas sebesar 5,95 watt per batang, panas totalbahan bakar bekas dalam penyimpanan 24.161,38 dan panas yang diambil system pendingin23.905,77 kW untuk laju masa alir sebesar 2.414,24 kgIs pada perbedaan temperatur (6.T)10 DC.

ABSTRACTHEAT TRANFER OF PWR REACTOR SPENT FUEL IN DRY INTERIM STORAGE.

Evaluation of heat transfer rate of PWR reactor spent fuels in dry interim storage has been done.Evaluation has been conducted by heat calculation of spent fuel in the interim storage system,heat removal by cooling system and the limit of temperature difference. From the calculation hasbeen found the spent fuel heat is 5.95 watt per-element, total heat spent fuel in storage is24,161.38 kW and heat recover from cooling system is 23,905.77 kW kg/s on the temperaturedifference (6.T) 10 DC.

PENDAHULUAN

Bahan bakar bekas hasil reaktor daya yang! akan disimpan lestari lebih dulu

ditempatkan di penyimpanan sementara untuk pendinginan dan penurunan radionuklida.

Salah satu tipe penyimpanan sementara adalah disimpan secara kering dengan media

pendingin udara. Laju perpindahan panas dari bahan bakar bekas harus diketahui guna

mendapatkan kondisi yang diinginkan, sehingga proses penanganannya memenuhi

standar keselamatan. Untuk itu perlu dilakukan penelitian tentang laju perpindahan

panas tersebut

A. BAHAN BAKAR PWR

Satang bahan bakar PWR terdiri dari tumpukan pelet dengan atmosfir helium

pad a pipa zircoloy. U02 diperkaya 1 sampai 4 % sebelum iradiasi UO, dan sebelum

diiradiasi U02 pelet mempunyai densitas 94 % - 95 % teoritis dengan rasio O/U = 2.

Setiap batang bersusun dengan larik bujur sangkar di dalam bundel. Tabel 1

menampilkan karakteristik fisik asemblei bahan bakar tipe PWR, sedangkan gambar

asembleynya ditampilkan pad a gambar 2.

278

flasil Penelitian dan Kegialan PTLR Tahun 2006

Tabel1 karakteristik fisik asemblei bahan bakar PWR

Karakteristik fisik PWR (900MeV)

Overall assembly length (m)

4.05·9

Cross-section (em)

21.4x21.4

Fuel rod length (m)

3.851

Active fuel length (m)

3.658

Fuel rod 00 (em)

0.95,0

Fuel rod array

17 x 17

Fuel rods per assembly

264

Assembly total weight (kg)

657.9

Including: Uranium weight (kg)

461 .4

U02 weight (kg)

523.4

Zircaloy weight (kg)

108.4

Hardware weight (kg)

26.1

Total metal weight (kg)

134.5Nominal volume assembly (m3)

0.186

B. PANAS YANG DIHASILKAN BAHAN BAKAR BEKAS

ISSN 0852 - 2979

Panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas pc:lsca iradiasi perlu dipertimbangkan

untuk diisolasi. Gambar 1 menunjukkan panas yang ditimbulkan oleh bahan bakar bekas

untuk reaktor PWR 33.000 MW-D/MTHM. Sebagai fungsi waktu setelah bahan bakar

bekas dikeluarkan dari reaktor, mula-mula hasil fisi mendominasi pad a pembangkitan

panas, setelah itu hasil fisi itu meluruh setelah 60-70 tahun aksinida berada pad a output

yang seimbang dalam pembangkitan panas. Produk aktivasi memberikan kontribusi 2 %

dari total, keadaan ini terjadi awal dekade. Selama periode menengah (100-1000 tahun

aksinida 238Pu,239Pu, 240Pu dan 241Am, sedangkan 239Pu dan 240Pu masih

dominan sampai setelah 10.000 tahun dan 100.000 tahun.

---TOTAL- - FISSIOU PRODUCT

- - - -ACTlUIOE+DAUGHTER

- - -ACTIVATION PROOUCT

IO-t

10]102

..--~- 101

;;; f.~10°

~bl-~ 10,1" '":I:

10-2

10-]

\'\ \,

..... - ..• -- - "--- - - - - - ---- . ~ - - ---

10'1 102 10] 10'

Deca)' time after discha.rge (}'ea1"'S)

Gambar 1. Panas yang dihasilkan PWR 33 000 MW-d/MTHM (IAEA 1991)

279

HasH Penelilian dan Kegialan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

c. PENYIMPANAN SEMENTARA BAHAN BAKAR BEKAS TIPE KERING

Sistem penyimpanan sementara bahan bakar bekas type kering menggunakan udara

sebagai media pending in. Perpindahan panas yang terjadi pada sistem tempat

penyimpanan bahan bakar bekas type kering meliputi panas konveksi yang terakumulasi

pada dinding, panas tempat penyirnpanan yang diambil secara konveksi oleh pending in

melalui pengaliran udara dan laju massa alir yang dibutuhkan oleh udara masuk. Salah

satu contoh dari penyimpanan bahan bakar bekas type kering ditampilkan pada

gambar 2.

Gambar 2 Skema aliran udara penyimpanan tipe kering jenis Vault Storage

Jenis - jenis sistem penyimpanan sementara bahan bakar bekas type kering

terbagi dari 4 jenis, yaitu :

1. Vault Storage

Struktur fasilitas penyimpanan ini meliputi shell beton yang besar dengan rak

penyuimpanan atau lobang penyirnpanan. Canister ditumpuk 1 atau 2 tingkat. Vault

Storage ada dua macam, yaitu yang menggunakan udara pending in secara konveksi

paksa dan konveksi alam. Sebagai perisai adalah beton dan wadahnya (kelongsong

bahan bakar dan canister). Laju dosis permukaan yang diperkenankan kurang dari 2

mrem/jam pada oermukaan gedung. Sebagai pelindung pada vault storage dengan

280

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

konveksi paksa adalah canister, kelongsong dan ban~~unan, sedangkan untuk konveksi

alam adalah canister dan kelongsong. Bahan bakar bekas yang disimpan cara vault

storage adalah telah mengalami pendinginan 5 tahun atau lebih. Untuk menjamin

keutuhan bahan bakar bekas selama penyimpanan maka dilakukan pemantauan

temperatur dan temperatur udara pendingin "cask". Vault storage secara konveksi paksa

dioperasikan di Wylfa-Inggris untuk bahan bakar Ma9nox dan di Moderex-Switzerland.

Vault storage secara konveksi alam dioperasikan di Inggris untuk bahan bakar LWR.

2. Drywell Storage

Struktur fasilitas penyimpanan ini meliputi pipa besi baja dan beton, dengan

perisai tanah beton dan besi baja. Perlengkapan Drywell dibatasi oleh pengambilan

panas dan kritikalitas. Sebagai pelindung adalah canister, kelongsong dan drywell.

Bahan bakar bekas yang disimpan secara drywell storage adalah yang telah mengalami

pendinginan selama 3-5 tahun atau lebih. Untuk menjamin keutuhan bahan bakar bekas

selama penyimpanan maka dilakukan pemantauan temperatur permukaan canister dan

drywell, temperatur dan radioaktivitas udara pending in dalam drywell storage untuk

penyimpanan sedang diuji di USA.

3. Silo Storage

Struktur fasilitas penyimpanan ini meliputi silo dan plat besi baja. Diameter dalam

silo 1,2 - 1,6 m dan tinggi 5,5 - 6,6 m. Bahan perisai adalah beton dan besi baja, laju

dosis yang diperkenankan adalah lebih kecil dari pad a 2 mrem/jam pada permukaan

luar silo. Sebagai pelindung pada penyimpanan adalah canister kelongsong dan over

package (dengan aliran udara) atau (tanpa aliran udara). Bahan bakar bekas yang

disimpan secara silo storage adalah yang telah mengalami pendinginan selama 5 tahun

atau lebih. Untuk menjamin keutuhan bahan bakar bekas selama penyinpanan

dilakukan pemantauan temperatur canister dan radioaktivitas udara dalam silo.

4. Cask Storage

Struktur fasilitas penyimpanan ini meliputi wadah (cask storage) dan bangunan

penyimpanan dengan struktur "reinforce cement". Cask storage untuk bahan bakar

bekas LWR di USA berukuran diameter luar 2,0 -2,5 m, tinggi 6,4 - 7,0 m dan berat 90­

120 ton. Bahan perisaii terdiri dari Pb dan bahan perisai netron, besi tuang nodular dan

perisai netron. Laju dosis yang diperkenankan adalah 200 mrem pada permukaan cask

dan 10 mrem pada jarak 1 m pad a permukaan cask. Sebagai pelindung adalah cask

281

Hasi/ Pene/irian dan Kegialan PTLR Talnm 2006 ISSN 0852 - 2979

dan kelongsong bahan bakar. Bahan bakar yang disimpan secara cask storage adalah

yang telah mengalami pendinginan selama 5 tahun atau lebih. Untuk menjamin

keutuhan bahan bakar bekas selama penyimpanan, maka dilakukan pemantauan

kebocoran cask.

METODOLOGI

A. Perpindahan Panas Secara Konduksi

Proses konduksi adalah proses dim ana panas mengalir dari daerah suhu yang

lebih tinggi ke yang lebih rendah didalam satu medium (panas, gas, cair) atau antara

medium-medium yang bersinggungan secara langsung. Kapasitas laju perpindahana

panas secara konduksi dinyatakan dalam rumus sebagai berikut:

aT

Q= - kA----­

ax

Dimana : Q = laju perpindahan panas, (watt)

aT-----= gradin suhu karena perpindahan panas, (oC/m)ax

K = Konduktivitas atau kehantaran thermal benda (w/m.°C)

B. Perpindahan Panas Secara Konveksi

Proses konveksi adalah proses transfer energi dengan kerja gabungnan koduksi

panas,penyimpangan energi dan gerakan mencampur. Proses konveksi terjadi pad a

penyimpangan energi antara permukaan benda padat, cair maupun gas. Kapasitas laju

perpindahan panas secara konveksi dinyatakan dalam hokum Newton sebagai berikut

[2]:

Dimana h = koefisien perpindahan kalor konveksi (w/m2.0C)

A = luas permukaan (m2)

Tw-= suhu plat (oc)

T~ = suhu fluida (oc)

C. Perpindahan Panas Secara Radiasi

Proses radiasi adalah proses perpindahan panas melalui udara atau ruang

hampa dengan cara sinaran atau pancaran dari suatu benda yang menghasilkan panas.

282

Hasi/ Penelitian dan Kegiatan PTLR Ta/llIn 2006 ISSN 0852 - 2979

Kapasitas laju perpindahan panas secara radiasi dalam ruang kurung dinyatakan dalam

rumus sebgai berikut:

Q= eaA (T14-T24)

Dimana: e = emisitas air

a = tetapan Stefan boltzaman (w/m2.k4)

A= luas permukaan (m2)

T1=suhu awal (ok)

T2= suhu akhir (Ok)

D. Laju massa alir

Kapasitas perpindahana panas ditentukan jU~Ja dengan laju massa alir yang

terjadi dalam media/ruangan, dihitung dengan menggunakan rum us:

Qpm = -------------

Cpo b.T

Dimana : Qp= Panas yang diambil system pendingin (kW)

Cp = Panas jenis (kJ/kg. oK)

b.T = Selisih suhu masuk dengan suhu keluar (0C)

Tabel 2. Ukuran Penyimpanan Sementara

29519550234628

159,26~1

911000,72

HASIL DAN PEMBAHASAN

Tabel 3 menampilkan kandungan panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas tipe

PWR per-asemblei dan per-batang. Kandungan panas bahan bakar bekas setelah 5

tahun keluar dari reaktor sebesar 1570,0 Watt peras08mblei dan 5,95 Watt per batang

bahan bakar bekas, dan terus meluruh sampai 45 tahun mencapai 314,04 Watt per­

asemblei atau 1,19 Watt perbatang bahan bakar.

283

Hasil Penelilian dan Kegialan PTLR Tahun 2006

Tabel 3 Panas yang ditimbulkan Bahan bakar bekas tipe PWR

NO. TQbbb(W/TU)Qasemblei(W)Qbatana(W)1

5 3,Ox103 1570,25,952

15 1,1 x 103 575,742,183

25 8,5 x 102 444,891,694

35 7,0 x 102 366,381,395

45 6,Ox102 314,041,19

ISSN 0852 - 2979

Pad a Tabel 4 diperlihatkan nilai kapasitas panas yang terjadi dalam

penyimpanan sementara tipe kering jenis Vault Storage. Panas total bahan bakar bekas

kapasitasnya sama dengan kapasitas panas yang terakumulasi di udara

Tabel 4. Laju Perpindahan Panas

Qbbb I Qp ~24.161,38 KW 23.905,77 K"'D

Qud24.161,38 KW

Qk255,6 KW

Dimana :

Qbbb = Panas total bahan bakar bekas dalam penyimpananQp = Panas tempat penyimpanan yang diambil oleh pendingin melalui pengaliran

Udara

Qud = Panas yang terakumulasi di udara dari bahan bakar bekasQk = Panas yang terakumulasi di dinding

Tabel 5. Laju Massa Alir terhadap beda temperatur

No. T1 T2T2- T1Laiu massa alir (kq/s)1.

25 3510 2414,242.

15 3520 1201,453.

25 5025 950,334.

5 3530 787,645.

25 6540 583,92

Tabel 5 menunjukkan perbandingan kapasitas laju massa alir udara yang terjadi dalam

penyimpanan terhadap beda temperatur. Laju massa alir kapasitasnya semakin kecil

apabila beda temperatur semakin besar.

KESIMPULAN

1. Kandungan panas bahan bakar bekas setelah 5 tahun keluar dari reaktor sebesar

1570,0 Watt perasemblei dan 5,95i Watt per batang bahan bakar bekas, dan terus

meluruh sampai 45 tahun mencapai 314,04 Watt per-asemblei atau 1,19 Watt

perbatang bahan bakar.

2. Panas total bahan bakar bekas kapasitasnya sama dengan kapasitas panas yang

terakumulasi di udara yaitu 24.161,38 KW.

3. Laju massa alir kapasitasnya semakin kecil apabila beda temperatur semakin besar.

284

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 /SSN 0852 - 2979

DAFT AR PUST AKA

1. KUAT HERIYANTO," Penanganan Bahan Bakar Bekas Sebelum Disimpan

Lestari", Laparan Penelitian P2PLR-BA TAN 2004.

2. HOLMAN J.P," Perpindahan Kalar", Edisi keenam, Erlangga, 1991.

3. SALIMIN Z.,"Penyimpanan Bahan Bakar Bekas", Diklat Pengelalaan Limbah

Radiaaktif, PTPLR,1992.

4. HERLAN M., NUROKHIM," Aspek Keselamatan Penyimpanan Bahan Bakar

Bekas Sistem Basah dan Kering", Penelitian P2PLR-BATAN, 1996.

285