ISSN 0854 - 5561 HasH-hasH Penelitian EBN Tahun 2005

PROCRAM SIMULASI DISTRIBUSI PANAS DIDALAMELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR

Sub judul : Penulisan Program Awal Distribusi SuhuDidalam Batang Elemen Bakar Nuklir

Ir. Haryono Setyo Wibowo

ABSTRAK

PROGRAM SIMULASI DISTRIBUSI PANAS DIDALAM ELEMEN BAKAR NUKLIRTIPE PWR

Sub iudul: Penulisan Program Awal Distribusi Suhu Didalam Batang Elemen BakarNuklir. Telah dilakukan penulisan program simulasi distribusi suhu didalam batang

elemen bakar nuklir reaktor daya tipe PWR. Berdasar ruang lingkup yang telah

ditetapkan, ditulis program sesuai dengan urut-urutan eksekusi jalannya program.

Langkah awal eksekusi adalah membagi batang elemen bakar menjadi bagian atau

segmen secara axial dan radial. Didasarkan rumus dihitung pembangkitan tenaga dan

panas pada setiap daerah/segmen. Berdasar panas yang terbentuk disegmen tersebut

dilakukan perhitungan besar temperature disetiap segmen. Tekanan gas didalam batang

elemen bakar dihitung untuk mengetahui perubahan tekanan yang terjadi karena adanya

gas fisi akibat terjadinya reaksi fisi didalam bahan bakar. Perhitungan diameter bahan

bakar dan diameter luar kelongsong dilakukan untuk mengetahui adanya kontak antara

bahan bakar dan kelongsong. Dilakukan pengecekan terjadi apa tidaknya kontak antara

bahan baker dan kelongsong. Peristiwa kontaknya bahan bakar dan kelongsong akanmemberhentikan eksekusi program secara keseluruhan

ABSTRACK

PROGRAM SIMULATION OF HEA T DISTRIBUTION IN THE FUEL ROD ELEMENTPWR TYPE.

The program of heat distribution in the fuel rod element of the nuclear power reactor type

Pressure Water Reactor have written. Based on the scope determine of the step of theexecutions of the program. The first step is divided of the fuel rod element in the axial and

radial segment. Determining the growth power and heat on the each segment based on

the formula that have be done. The second step is determining of the heat that based on

the growth of heat of the each segment. Determine of the pressure to know the change of

the pressure by of fissions reaction in the fuel rod element. To know the contacting fuel

and cladding form determining of the diameter of fuel and the inner diameter of cladding.

The contacting of the fuel and the cladding will be stop of the execution of the program.

PENDAHULUAN

Untuk mengoptimalkan perform of fuel

pin diperlukan suatu tindakan pemahaman

semua parameter yang mempengaruhinya.

Dikarenakan banyaknya parameter yang salingterkait dan mempengaruhi satu sama lain

diperlukan suatu cara atau langkah yang cukup

representatif untuk mengetahui fenomena yang

61

terjadi pad a parameter bahan bakar nuklir

selama operasi.

Salah satu cara pemahaman dan

pencarian parameter yang bisa meng­

optimalkan unjuk kerja dan mempunyai resiko

paling minimal adalah dengan jalan simulasi.

Dalam arti memperkirakan dan menerapkansemua kemungkinan yang mungkin terjadi

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005

didalam operasi teras reaktor, baik parameteryang terlibat didalamnya maupun kemungkinanperistiwa yang timbul setelah terjadinya reaksi

tisi bahan bakar dengan menggunakan suatu

simulasi dalam bentuk program komputer.

Didalam mensimulasi tentang proses

yang terjadi didalam elemen bakar nuklir pad a

saat didcilam teras reaktor, apabila sekaligusmempertimbangkan! memasukkan semua

peristiwa yang mungkin terjadi didalam

pembakaran bahan bakar nuklir, akan sangat

rumit dan komplek, sehingga bisamenimbulkan kesalahan dalam menarik suatu

kesimpulan. Untuk itu diperlukan langkah­Langkah terstruktur dan terarah agar pema­

haman terhadap peristiwa yang terjadi didalam

bahan bakar nuklir pad a saat operasi didalam

teras bisa didapatkan dengan baik.

Dengan membatasi ruang lingkup dan

kemudian memperlebar langkah demi langkah

berdasar panduan dari data pustaka, maka hal

tersebut bisa.mempermudah pemahaman

sekaligus mengurangi bisa pengertian dan juga

meminimalkan kesalahan kesimpulan.

Didalam program simulasi dihitung

distribusi tenaga yang dihasilkan dan

pengaruhnya terhadap sifat-sifat bahan

pembentuk elemen bakar nuklir, bahan bakar

nuklir, kelongsong dan gas pengisi awaldidalam gap elemen bakar nuklir. Simulasi

peristiwa dan proses yang terjadi diwujudkan

dalam suatu running program dengan suatu

inputan yang sesuai dengan parameter kondisiawal dari sifat-sifat bahan bakar tersebut.

Hasil running program merupakan

output tentang suatu proses aksi dan reaksi

dari semua parameter yang terlibat didalam

pembangkitan tenaga nuklir hasil dari suatu

proses pembelahan karena adanya reaksi fisididalam teras reaktor. Keluaran simulasi

tersebut bisa dijadikan acuan dan sekaliguspembanding didalam menentukan atau

memperbaiki spesifikasi elemen bakar nuklir

dengan tujuan mendapatkan efisiensi unjuk

kerja yang seoptimal mung kin bahkan se­

ekonomis mungkin.

62

ISSN 0854 - 5561

PERMASALAHAN

Peristiwa yang terjadi didalam elemen

bakar sangatlah komplek. Parameter unjukkerja saling mempengaruhi satu sama lain.

Oleh karenanya pemahaman proses dan unjukkerja parameter didalam irradiasi bahan bakar

dalam teras reaktor yang menghasilkan reaksi

fisi, secara in-situ sangatlah tidak mungkin.Apalagi dengan mempertimbangkan semua

parameter yang terlibat, adalah sesuatu

pekerjaan yang sangat sulit dilakukan,

dikarenakan saling keterkaitan tersebut.

Untuk memahami atau paling tidak

mendekatkan pemahaman tentang proses dan

peristiwa yang terjadi didalam bahan bakar

nuklir karena adanya reaksi tisi dan efeknyaterhadap unjuk kerja elemen bakar secara

keseluruhan dilakukan suatu simulasi proses

tersebut. Namun demikian mensimulasi proses

dengan banyak parameter! mempertimbang­

kan semua parameter yang mungkin terlibat

didalamnya, sangatlah tidak mudah, dikarena­

kan terdapatnya hubungan yang saling timbal

balik, artinya suatu parameter yang akibat

terkena kondisi operasi nilainya berubah, akan

mempengaruhi harga atau nilai parameter

lainnya, sebaliknya perubahan nilai parameter

kedua tersebut juga berpengaruh terhadap

nilai parameter pertama, begitu seterusnya.Untuk mengatasi hal tersebut dilakukan

pembatasan jenis parameter yang diterapkandidalam proses simulasi tersebut. Maksud

pembatasan dimaksudkan agar pemahaman

proses reaksi fisi dan efeknya terhadap unjuk

kerja elemen bakar bisa dilakukan denganbaik. Kemudian secara bertahap memasukan!

memperluas parameter-parameter yangmungkin berpengaruh.

Dengan melakukan langkah tersebut

dif.amping mempermudah melakukannya juga

hasil yang didapatkan dapat dikembangkan

sesuai dengan tingkat kriteria dari parameter

yang perlu diprioritaskan untuk diketahui unjuk

kerjanya. Dengan demikian masing-masing

pihak akan lebih memahami unjuk kerjaelemen bakar nuklir secara keseluruhan terkait

dengan bidang tugas masing-masing.

ISSN 0854 - 5561

METODEPEMBUATANPROGRAM

Pra - Seting Diagram Alir~ Masukan

~ Membagi daerah axial (radius)

~ Menghitung densitas tenaga pad a setiapdaerah

~ Menentukan ring temperature

~ Menghitung diameter bahan bakar setelah

swelling

~ Mengecek apakah pelet bahan bakar

kontak dengan kelongsong~ Penentuan pelaporan

HASIL DAN PEMBAHASAN

Diskripsi Langkah-Iangkah Program

Langkah pertama yang dilakukan

adalah membagi batang elemen bakar nuklir

kedalam suatu segmen baik secara radialmaupun axial. Hal ini dimaksudkan untuk

mempermudah penentuan besar panas dalam

suatu titik atau daerah pada batang elemenbakar tersebut. Kemudian dilakukan

perhitungan pembangkitan dan densitas

tenaga yang timbull terjadi berdasar denganrumus-rumus berikut,

Jr p.qrnax=-. T dengan, L=Lo + L'

Uo Si1{77L/Uq

Pembangkitan panas

q'(z) = q'rnax. Cos(JrL/ Lo)Distribusi tenaqa axial

1(.2 C 7rL )Cos(-)- os(-q'(A) = q'max = Lo 2Lo

7rL1- Cos(-)2Lo

Setelah melakukan perhitungan besar tem­

peratur pad a setiap ring dari radial section di

setiap segmen ke N dengan menggunakanrumus;Permukaan :

T =T. +q'(n)._l_CO(II) w 2Jr h.b

T q'(n)Ci(II) = TCC(II) + 2 • (lnb / a)·JrCLAD

Kemudian mengecek apakah terjadi kontak

antara bahan bakar dan kelongsong, dilakukandengan melakukan perhitungan diameter

63

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005

bahan bakar baik initial diameter maupun

setelah terjadinya pemanasan, pemuaian

karena adanya swelling atau peristiwa lainnya.Dan juga diameter kelongsong, baik initial

diameter maupun setelah kelongsong

mengalami pemanasan, creep atau peristiwalainnya.

Sedang untuk mengetahui perubahan

tekanan didalam batang bahan bakar

dilakukan dengan mengukur/ melakukan

perhitungan seberapa besar tekanan internal

gas didalam elemen bakar dan kecepatan

pelepasan gas fisi ke bahan bakar denganmenggunakan rumus;

TI T2 T3P g,,,'= n.R(-+ -+-)

VI V2 V3

KESIMPULAN

Berdasar semua permasalahan yangmung kin terjadi didalam proses irradiasi

elemen baker, dengan mempertimbangkan

keterbatasan yang ada, maka parameter yang

dipakai diambil dalam suatu ruang lingkupdistribusi panas batang bahan bakar, transferpanas dari bahan bakar ke celah dan

kelongsong elemen bakar. Hal tersebut

dimaksudkan agar pemahaman tentangperistiwa yang terjadi didalam elemen bakar

bisa dipahami secara maksimal, sehingga tidak

terjadi salah penafsiran tentang unjuk kerja

bahan bakar. Perluasan ruang lingkup untuk

mendekati atau mempertimbangkan semua

aspek / parameter yang mung kin terlibatdidalam proses reaksi fisi dalam bahan bakar

nuklir karena irradiasi akan dilakukan seiring

dengan peningkatan kemampuan pemahaman

dalam ruang lingkup parameter yang lebih keciltetapi dominan.

DAFTAR PUSTAKA

1. Roberts, A, "Structural Materials in Nuclear

Power System ", Plenum Press, New Yorkand London, 1991.

2. Olander, D.R, "Fundamental Aspects of

Nuclear Reactor Fuel Element", TID­26711-P1, USA, 1976.

3. Notley, M.J.F, Deshaies, R., andMacEwan, J.R., "Measurements of The

Fission Product Gas Pressures Developed

Hasil-hasil Penelitian ESN Tahun 2005

in U02 Fuel Elements During Operation",Report of AECL-2662, 75p ,1986.

4. Notley, M.J.F, Sain, A.S., and Robertson,

JAL., "The Longitudinal and Diametral

64

ISSN 0854 - 5561

Expansions of U02 Fuel Elements",Report of AECL-2143, 24p, 1984.