Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN 0854 - 5561

STATUS PENCEMBANCAN INFRA - KODE ANALISISKINERJA BAHAN BAKAR PLTN di KOREA SELATAN

Suwardi

ABSTRAK

STATUS PENGEMBANGAN INFRA-KODE ANALISIS KINERJA BAHAN BAKAR PLTN

DI KOREA SELATAN. Bahan bakar U02 untuk PWR di dalam Negara Korea diizinkan

dibakar sampai pad a bakaran 60 MWd/Kg-U rerata batang. dan direncanakan

peningkatan bakaran lebih lebih tinggi. Dalam rangka meneliti perilaku batang bahan

bakar pada bakaran tinggi di bawah kondisi-kondisi mantap dan transien, INFRA

(Analisis Batang bahan-bakar terintegrasi, sedang dikembangkan Kaeri. Model kinerja

bahan bakar untuk meneliti perilaku kelongsong dan pelet pad a bakaran tinggi itu adalah

baru saja dikembangkan, dan modul analisa elemen hingga ditambahkan untuk analisa

mekanik. Untuk mempelajari perilaku bahan bakar bakaran yang tinggi sepanjang RIA

dan kondisi-kondisi LOCA transien, beberapa uji dalam sel panas direncanakan seperti

pengujian post-irradiation (PASTEL) untuk bahan bakar bakaran tinggi, test pendinginan

logam dari pelet bakaran tinggi dengan daerah bingkai, dan uji oksidasi temperatur tinggi

dan uji mekanis menyangkut kelongsong yang diradiasi di bawah kondisi LOCA dengan

penggunaan spesimen bahan bakar bakaran tinggi.

PENDAHULUAN

Dalam rangka meningkaUkan ekonomi

siklus bahan bakar dan mengurangi kwantitas

bahan-bakar bekas, bakaran bahan bakar

telah ditingkatkan secara terus-menerus

dengan peningkatan sifat ketahanan korosi

kelongsong. Pada pertengahan 1990, Bahan

bakar U02 bakaran mencapai 60 MWD/KG-U

rerata tangkai. Di dalam Negara Korea,

material batang bahan-bakar maju (advanced)

dan komponen-komponen seperti paduan

logam zirconium mengedepan (advanced),

suatu pelet baru, pengatur jarak panggangan

(spacer grid), dan ujung atas/bawah, sedang

dikembangkan untuk peningkatan bakaran

bahan bakar dan juga kode analisis kinerja

bahan bakar, INFRA, sedang dikembangkan

untuk meneliti perilaku bakaran yang tinggi

batang bahan-bakar di bawah posisi mantap

dan transien, sampai kepada bakaran yang

lebih tinggi dari 70 MWd/Kg-U rerata

tangkai.[1]. Karena ramalan perilaku

kelongsong dan pelet pada bakaran tinggi,

beberapa model kelongsong dan pelet telah

dikembangkan. Bahan bakar domestik telah

diradiasi di dalam PWR sampai kepada

bakaran yang lebih tinggi dari 55 MWD/KG-U

56

rerata tangkai, dan peningkatan bakaran lebih

lanjut juga telah direncanakan. Oleh karena itu,

Negara Korea adalah di dalam situasi yang

sama sebagaimana negara-negara yang lain didalam isu keselamatan bahan bakar bakaran

tinggi. Tabel 1 menunjukan status bakaran

bahan bakar yang sedang diradiasi di dalam

PWR. Uji Keselamatan bahan bakar di dalam

sel panes direncanakan dengan penggunaan

perakitan bahan bakar bakaran tinggi yangtelah diradiasi di dalam YGN-1. Puncak

bakaran batang bahan-bakar adalah sekitar

55.4 MWD/KG-U - rerata tangkai.

Direncanakan pengujian di dalam sel panes

seperti pengujian post-irradiation (PASTEL)

untuk bahan bakar bakaran tinggi,uji

pending inan logam dari pelet bakaran tinggi

dengan daerah bingkai, dan test oksidasi

temperatur tinggi dan mekanis untuk

kelongsong yang diradiasi di bawah kondisi

LOCA dengan penggunaan bahan bakar

spesimen bakaran tinggi.

PENGEMBANGAN BATANG KODE KINERJA

BAHAN-BAKAR, INFRAKetika bakaran bahan bakar

meningkat di luar 60 MWD/KG-U , isu yang

ISSN 0854 - 5561

baru untuk bahan bakar perilaku sudah

muncul. Dalam rangka meramalkan perilaku

dari bahan bakar bakaran tinggi, batang kode

kinerja bahan bakar, INFRA sedang

dikembangkan [1]. Beberapa model adalah

dikembangkan baru saja untuk meramalkan

~ahan bakar perilaku bakaran yang tinggi.

Khususnya, adalah penting untuk meramalkan

perilaku didalam pelet daerah microstructure

melingkar pad a bakaran tinggi. Keterhantaran

termal di dalam daerah bingkai, mekanisme

formasi microstructure bingkai, dan distribusi

radial lokal dari bakaran adalah parameter

penting di dalam penggambaran kesimpulan

perilaku pelet pad a bakaran tinggi. Disamping

itu perilaku creep-out dalam kaitan dengan

bakaran yang lebih tinggi : pelepasan gas

pembelahan, peningkatan korosi dan

pertumbuhan memanjang, dan pengurangan

duktilitas kelongsong adalah di antara

parameter yang penting di dalam perilaku

kelongsong pada bakaran tinggi.

Spektrum energi netron dan besaran

divariasi pad a posisi radial di dalam pelet

bahan-bakar U02, kemudian laju densitas

lokal pembelahan berubah dan diperlukan

untuk meramalkan gejala itu untuk meneliti

efek bingkai bahan bakar bakaran yang tinggi.

Oleh karena itu, RAPID (Radial Power and

Burnup Prediction by following fissile Isotope

Distribution in the Pellet) Ramalan Daya Radial

dan Bakaran dengan Distribusi Isotop fisil

(cenderung membelah) di dalam Pelet

dikembangkan untuk meramalkan daya lokal,

bakaran, dan distribusi isotop belah sebagai

fungsi dari posisi radial, bakaran pelet dan

pengayaan awal U-235 [2]. Gambar 1

menunjukan perbandingan tentang ramalan

RAPID dan Frapcon-3 dengan data yangeksperimen itu. Model RAPID meramalkandata terukur secara lebih baik.

Ketika bakaran U02 meningkat,

generasi gelembung gas pembelahan

meningkat secara berangsur-angsur oleh

pembelahan yang terkumpulkan dan oleh

karena itu, bengkak oleh gelembung gas

pembelahan menjadi takterabaikan. Dalam

rangka menaksir bengkak disebabkan oleh

57

Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

gelembung gas pembelahan, dikembangkan­

lah model bengkak oleh gas [3].Keterhantaran termal dari U02

diradiasi adalah suatu parameter penting di

dalam bahan bakar perilaku yang berkenaan

dengan panas seperti temperatur bahan bakardan pelepasan gas pembelahan. Di dalam

kode INFRA, model keterhantaran termal

dikembangkan berdasarkan atas data

difusivitas termal dari pengukuran Bahan bakar

U02 telah diradiasi selama proses

pendinginan[4]. Karena itu mempertimbangkan

efek dari hasil belah-inti padat dan hasil belah­

inti berupa gas secara terpisah, hal itu dapat

digunakan untuk menaksir keterhantaran

termal U02 daerah microstructure bingkai di

mana nuklida hasil belah-yang bersifat gas

bergabung ke dalam gelembung gas

pembelahan.Mekanisme formasi microstructure

bingkai dipelajari untuk menunjukkan bahwa

formasi microstructure bingkai itu tergantung

tidak hanya bakaran lokal tetapi konsentrasi

gas pembelahan di dalam matriks U02 [5].

Pad a konsentrasi kritis dari gas pembelahan,

gelembung gas pembelahan adalah distabilkan

dan diintikan, mengikuti dengan sub-division

butir untuk membentuk microstructure bingkai

itu. Oleh karenanya hal itu menunjukkan ketika

temperatur meningkat, formasi microstructure

melingkari tertunda dalam kaitan dengan

pelepasan gas pembelahan dan kemudian

pada temperatur tinggi daerah pelet bagian

dalam, bingkai microstructure tidak akan

dibentuk sama sekali bahkan pada bakaran

lebih tinggi.

Dalam rangka meramalkan perilaku

Zircaloy-4 kelongsong pad a bakaran tinggi,

dikembangkan model perilaku kelongsongZircaloy-4 pad a bakaran tinggi di dalam area

seperti creep-out dan korosi.

. Pada bakaran tinggi, tekanan dalambatang bahan-bakar dapat melebihi tekanan

eksternal oleh pelepasan gas pembelahan,

yang mana bisa mengakibatkan pada bagian

kelongsong itu menonjol keluar. Dalam rangka

meneliti peristiwa ini, adalah diperlukan untuk

menaksir menilai creep-out kelongsong itu

ISSN 0854 - 5561

dengan tepat. Perbandingan menyangkut

ramalan creep-out kelongsong dari kode

analisis kinerja bahan bakar yang didasarkan

atas data uji creep-down kelongsong itu

dengan Halden menunjukkan bahwa kode

under-estimate laju creep-out kelongsong itu.

Oleh karena itu, berdasarkan atas model krip

yang ada, model baru creep-out kelongsong

diperoleh dengan mengubah ketergantungan

dari laju krip atas perubahan fluks neutron

cepat dan tekanan [6]. Gambar 2 menunjukan

perbandingan hasil kalkulasi INFRA dan

ramalan Frapcon-3 dengan data terukur.

Model korosi kelongsong Zircaloy-4

telah dikembangkan melalui analisa darimekanisme korosi dan model korosi lain.

Parameter yang mempengaruhi korosikelongsong bahan bakar menjadi material dan

karakteristik pabrikasi menyangkut

kelongsong, kimiawi air pending in, formasi

hydride di dalam kelongsong, dan perubahan

terus menerus neutron cepat. Model yang

diperoleh dengan mempertimbangkan efek dari

tiap parameter pada korosi Zircaloy. Model

Yang diperoleh dievaluasi oleh kedua-duanya

hal yaitu analisa kepekaan dari parameter dan

kemungkinan meramalkan gejala seperti itu

dari seperti misalnya distribusi korosi di sekitar

axis, efek kimiawi dan akselerasi korosi air

pada bakaran tinggi [ 7].

Untuk analisa mekanik pelet bahan­

bakar dan kelongsong yang akurat selama

posisi mantap transien dan modul analisa

elemen-hingga dikembangkan [8] dan

menambahkannya ke kode INFRA. Kode itu

menerima data yang perlu seperti sifat dan

temperatur material dari kode INFRA dan

mengkalkulasi ketegangan dan regangan lokal

tangkai bahan bakar.

RISET KESELAMATAN BAHAN BAKAR

BAKARAN TINGGI

Setelah hasil simulasi uji RIA di dalam

CABRI Perancis disajikan pada 1994, KAERImelakukan analisa dan evaluasi keselamatan

untuk perilaku Bahan bakar U02 domestik [9],

di mana jika analisis 3-dimensional transienpada teras selama RIA dilakukan untuk kali

58

Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

pertama sebagai pekerjaan pelopor dan

ukuran-ukuran/kriteria kegagalan bahan bakar

dan menggunakan peningkatan entalpi bahan

bakar selama RIA sebagai ganti ental pi totalbahan bakar telah diusulkan untuk kali

pertama, mempertimbangkan mekanisme

kegagalan bahan bakar pada PCMI. KAERI

juga melakukan analisa keselamatan untuk

pembangkit daya nuklir domestik bahan bakar

di dalam kerjasama dengan organisasi nuklirlain seperti KINS (Korea Institute of Nuclear

Safety- Institut Keselamatan Nuklir Negara

Korea) dan KEPCO [10].KAERI telah dan terus

mengembangkan teknologi bahan bakar maju

untuk PWR sebagai proyek nuklir nasional

sejak 1997. Dalam rangka bersiap-siap

menghadapi pengembangan dan

komersialisasi dari bahan bakar bakaran tinggi,

sifat bahan bakar bakaran tinggi dan data testterkait telah dianalisis. Perilaku bahan bakar di

bawah kondisi RIA dan isu keselamatan untuk

bahan bakar bakaran tinggi telah dianalisa.

Ditemukan bahwa test lebih lanjut akan

diperlukan dalam area tersebut sebagaimana

kegagalan bahan bakar dan dispersi di bawah

kondisi RIA, korosi kelongsong pada

temperatur tinggi, kelainan bentuk mekanis dibawah LOCA. Bahan bakar domestik telah

diradiasi sampai kepada bakaran rata-rata

tangkai yang lebih tinggi daripada 55MWD/KG-U . Rencana untuk riset keselamatan

dibentuk setelah analisa isu keselamatan

bahan bakar dan pemakaian bahan bakar

serta rencana pengembangan domestik [11].Sasaran riset keselamatan bahan bakar adalah

ditetapkan sebagai berikut:- Reevaluation Ukuran-Ukuran/kriteria

Keselamatan untuk PWR Bahan bakar

Bakaran Tinggi-Test Keselamatan, Verifikasi dan pembangun­

an Database untuk Bahan bakar Domestik

Bakaran Tinggi

-pengembangan Teknologi Analisa Keselamat­

an untuk Bahan bakar Bakaran Tinggi

ISSN 0854 - 5561

KESIMPULAN

Kode kinerja bahan bakar INFRA

sedang dan telah dikembangkan KAERI dalam

rangka meramalkan perilaku bahan bakar

bakaran yang tinggi di bawah posisi kondisi­kondisi mantap dan transien. Model untuk

~nalisis kinerja bahan bakar baru saja mulaidikembangkan yaitu untuk menaksir perilaku

bahan bakar bakaran tinggi: untuk pelet, model

bengkak oleh gas, model keterhantaran termal,

model mekanisme formasi bingkai melingkar,

serta program RAPID untuk meramalkan

bakaran dan daya lokal, dan untuk kelongsong

, model creep-out, model sifat mekanis, danmodel korosi , dan modul analisa elemen­

hingga untuk analisa mekanik batang bahan­

bakar sepanjang kondisi transien.Bahan bakar domestik Korea Selatan

telah diradiasi di dalam PWR sampai kepada

suatu bakaran rerata tangkai 55 MWd/Kg-U .

Oleh karena itu, Negara Korea adalah di dalam

situasi yang sama sebagai negara-negara

yang lain di dalam hal keselamatan bahan

bakar bakaran tinggi. Suatu rencana riset

keselamatan telah dibentuk. Simulasi uji untuk

RIA dan LOCA akan dilakukan dengan

penggunaan spesimen bahan bakar danukuran-ukuran/kriteria keselamatan bahan

bakar bakaran tinggi akan dievaluasi kembali

dan perkakas analisa untuk masalah yang

terkait dengan transien akan dikembangkan.

ACUAN

[1] LEE, C.B. et aI., "Development of U02 Fuel

Rod Performance Analysis Code, INFRA",

Proceedings of KNS 2001 Fall Meeting, 2001

[2] LEE, C.B., , et aI., "RAPID model to predict

radial burnup distribution in LWR U02

fuel", J. of Nuclear Mater., vol.282, p.196,2000.

[3] KIM, D.H. et aI., "Fission Gas Swelling

Model of high burnup Fuel", Proceedings of

KNS Fall Meeting, 1998.

59

Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

[4] LEE, C.B. et aI., "Development of Irradiated

U02 Thermal Conductivity Model", IAEA

Technical Committee Meeting on Nuclear

Fuel Behavior Modelling at High Burnup

and its Experimental Support, Windermere,

UK, 2000.

[5] LEE, C.B., and Y.H. JUNG, "An Attempt to

Explain High Burnup Structure FormationMechanism in U02 Fuel", J. of Nuclear

Mater., vo1.279, p.207, 2000.

[6] BANG, J.G. et aI., "Development of LWR

Zircaloy-4 Cladding Creep-out Model",

Proceedings of KNS 1998 Fall Meeting,1998.

[7] BANG, J.G. et aI., "Development of LWR

Fuel Zircaloy-4 Cladding Corrosion Model",

Proceedings of KNS 1999 Fall Meeting,1999.

[8] KWON, Y.D. et aI., "Development of Finite

Element Module Technology", KAERI/CM­

399/99, KAERI, 1999.

[9] LEE, C.B. et aI., "Analysis of the Fuel Rod

Behavior Under the Rod Ejection Accidentin the Pressurized Water Reactor",

OECD/NEA Specialists Meeting on

Transient Behavior of High Burnup Fuel,Cadarache, France, 1995.

[10] LEE, C.B. et aI., "Analysis of Fuel Behavior

During Rod Ejection Accident in the Korea

Standard PWR", 1997 Int. Top. Mtg. onLWR Fuel Performance, Portland, 1997.

[11] LEE, C.Bet aI., "Analysis of High Burnup

Fuel Safety Issues", KAERIITR-1693/2000,KAERI, 2000.

[12] J.G. BANG, C.B. LEE, D.H. KIM, Y.M.KIM, Y.S. YANG, Y.H. JUNG STATUS OFHIGH BURNUP FUEL SAFETY

RESEARCH IN THE REPUBLIC OF

KOREA, Korea Atomic Energy Research

Institute, Yuseong, Daejeon, Republic ofKorea

ISSN 0854 - 5561

LAMPIRAN.

Tabel-1: Stataus tingka bakar bahan bakar PLTN di Korea

HasH Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

Tipe Reaktor SiklusRerataTingkatKanalTemperaturteras

DayaBakaranPanasPendingin TerasReaktor

TerasDiijinkanBulan

kW/ftMWD/MTUFaktorMasukI Keluar

Kori-l (OFA)

156.4752 0001.55282.7319.8

Kori-2 (STD)155.3743 0001.55287.7326.1

Kori-3 (V5H)185.4453 0001.65291. 7328.2

YGN-l (V5H)

185.4453 0001.65291. 7328.2

UJN-l,2 (V5H)

185.4453 0001.65286.2324.9YGN-3 (CE)

185.3947 0001.53296.1328.3

40

C!)

C»cm 3D..cC)

• Measured Data--INFRA--- Frapcon-:l

40 50 80

Irradiation Time, days

Gambar-1: Perbandingan distribusi radial [dari] nuklida Pu dan bakaran.

o{}

I20

I100 120 140

GAMBAR-2: Perbandingan Ramalan NFRA dengan Data Hasil pengukuran.

60