studi desain konseptual reaktor kecil 200mwt dan …

122

STUDI DESAIN KONSEPTUAL REAKTOR KECIL 200MWT DAN APLIKASI SIRKULASI ALAMIAH PADA SISTEM PENDINGINNYA

Pribadi Mumpuni Adhi dan Zaki Su’ud*

ABSTRAK

STUDI DESAIN KONSEPTUAL REAKTOR KECIL 200MWT DAN APLIKASI SIRKULASI ALAMIAH PADA SISTEM PENDINGINNYA. Kebutuhan energi di dunia semakin lama semakin meningkat. Sumber energi yang mayoritas dipakai saat ini masih berasal dari bahan bakar fosil yang tidak terbarukan dan dari aspek lingkungan menghasilkan emisi gas rumah kaca seperti CO2. Salah satu solusi yang bisa dipakai adalah menggunakan energi nuklir sebagai bahan bakar. Small Medium Reactor (SMR) adalah sebuah tipe reaktor nuklir yang memiliki daya di bawah 700 MW. Oleh karena itu penelitian ini menggunakan reaktor PWR dengan daya 200 MWt dengan NHR-200 sebagai pembandingnya. Penelitian ini meliputi aspek netronik dan termal hidrolik pada teras serta perhitungan sirkulasi alamiah pada reaktor kecil bertipe PWR dengan daya 200MWt. Perhitungan netronik diselesaikan dengan menggunakan kode komputer SRAC dan didapatkan distribusi fluks dan kerapatan daya. Distribusi kerapatan daya ini dipakai untuk menghitung aspek termal hidrolik seperti kenaikan temperatur pada coolant dan penurunan tekanan coolant. Didapatkan hasil perhitungan termal hidrolik yaitu temperatur outlet rata-rata sebesar 211,05440C untuk laju aliran massa coolant pada tiap kanal sebesar 19,54 gr/s dan penurunan tekanan sebesar 0,4527 bar. Agar dapat terjadi sirkulasi alamiah di reaktor, maka perlu adanya chimney dengan ketinggian sekitar 65,4797 m.

Kata kunci: Netronik, NHR-200, SMR, Sirkulasi Alamiah, Termal Hidrolik ABSTRACT

CONCEPTUAL DESIGN STUDY OF SMALL REACTOR 200 MWth AND THE POSSIBILITY TO APPLY NATURAL CIRCULATION IN ITS COOLING SYSTEM. The world's energy needs are rising rapidly. The majority of the energy sources used today is from fossil fuels which are not renewable and from the environmental aspects this sources produce greenhouse gas emissions such as CO2. One of solutions that can be used is using of nuclear energy as a fuel. Small Medium Reactors (SMRs) is a type of nuclear reactor that has a power below 700 MW. One example of the SMRs is a Nuclear Heating Reactor (NHR) 200 MWth which has developed in China with the 200MWt. This study includes the neutronic and thermal hydraulic aspects and natural circulation of the small PWR reactor with power 200MWt. Neutronic calculations completed using computer codes SRAC and the distribution of flux and power density was obtained. Power density distribution is used to calculate the thermal hydraulic aspects such as the increasing coolant temperature and coolant pressure drop. The result of the maximum outlet temperature is 211,05440C for the coolant mass flow rate of 19,54 gr/s and the value of pressure drop is 0,4527 bar. Chimney with height about 65,4797 m is need to make fully natural circulation in reactor.

Keywords: Natural Circulation, Neutronic, NHR-200, SMR, Thermal Hydraulic

* Nuclear Physics Laboratory, Program Studi Fisika – ITB, email: [email protected]

Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (122-133)

123

PENDAHULUAN Pembangkit listrik tenaga nuklir sudah mulai digunakan pada tahun 1950an.

Ukuran dari reaktor pun semakin berkembang dari mulai 60MWe sampai 1600MWe [1]. Namun di satu sisi ada juga beberapa reaktor dengan ukuran kecil dengan daya sekitar 190 MWt seperti yang digunakan pada kapal selam. Kemudian IAEA mendefiniskan reaktor jenis kecil apabila dayanya di bawah 300 MWe dan jenis medium bila dayanya maksimum mencapai 700 MWe, kedua jenis reaktor ini dikenal sebagai Small and Medium Reactors (SMRs) [1]. Dalam kasus lain, SMR sedang dikembangkan untuk menjawab kebutuhan-kebutuhan tertentu, terutama dalam kaitannya dengan keamanan dan masalah penerimaan publik terhadap reaktor nuklir. Persyaratan yang dikeluarkan di berbagai negara terkait fitur untuk SMR memiliki sejumlah poin [2]: • Desain yang lebih sederhana dan lebih kasar; • Margin keamanan yang lebih meningkat. Misalnya, adanya waktu yang lebih lama

sebelum operator melakukan tindakan yang diperlukan apabila terjadi situasi abnormal; • Resiko kerusakan pada teras lebih rendah, sehingga dan konsekuensi kecelakaan lebih

kecil bagi penduduk apabila terjadi kasus kerusakan teras. SMRs merupakan reaktor serbaguna yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai kepentingan [1]. Negara-negara di dunia pun sudah mengembangkan beberapa tipe untuk SMRs ini. Beberapa contoh dari SMR yang bertipe reaktor dengan pendingin air ringan (light water reactor) antara lain adalah KLT-40S, RITM-200, VBER-150, dan VBER-300 yang dikembangkan oleh Rusia. Kemudian ada juga IRIS (International Reactor Innovative and Secure), Westinghouse SMR, mPower, dan SMR-160 yang dikembangkan oleh Amerika Serikat.

Negara-negara di kawasan Asia pun tidak ketinggalan untuk mengembangkan SMRs ini. Contohnya adalah negara seperti Korea dan Cina. Korea melalui KAERI (Korea Atomic Research Institute) mengembangkan reaktor SMART dengan daya 100MWe dan Cina melalui INET (International Nuclear Energy Technology) mengembangkan Nuclear Heating Reactor (NHR) dengan daya 200MWt.

Pengembangan NHR-200 di Cina dilatabekangi persoalan energi yang masih banyak menggunakan bahan bakar dari batu bara yang memberikan permasalahan bagi lingkungan. INET sudah mulai mengembangkan NHR sejak tahun 1980an dengan pilot project pertama sebuah reaktor pemanas riset NHR-5 dengan daya 5MWt yang mulai beroperasi tahun 1989 [3]. KONSEP DESAIN

Spesifikasi reaktor kecil dengan daya 200 MWt didesain berdasarkan jenis reaktor

PWR. Sebagai pembanding, digunakan reaktor NHR-200 yang telah dikembangkan oleh Cina. Beberapa variabel yang akan dihitung sedikit berbeda dengan spesifikasi NHR-200 yang digunakan sebagai pembanding. Variabel yang membedakannya antara lain untuk desain reaktor 200 MWt ini digunakan reflektor setebal 30 cm pada sisi luar dari teras aktif berbentuk silinder yang berdimensi diameter 1,9 m dan tinggi 1,9 m.

Selain itu, bahan bakar yang digunakan adalah U-238 dan U-235 dengan pengayaan U-235 yang divariasikan mulai dari dua jenis pengayaan sampai tiga jenis pengayaan. Untuk

Studi Desain Konseptual Reaktor Kecil 200 MWT dan Aplikasi ... (Pribadi Mumpuni Adhi, Zaki Su’ud)

124

kasus dua jenis pengayaan, teras reaktor dibagi ke dalam tiga region (R1, R2, dan R3) dengan region paling dalam (R1 dan R2) untuk bahan bakar sedangkan region paling luar (R3) untuk reflektor. Sementara, untuk kasus tiga jenis pengayaan, teras reaktor dibagi ke dalam empat region (R1, R2, R3, dan R4) dengan tiga region paling dalam adalah untuk bahan bakar (R1, R2,dan R3), dan region paling luar adalah untuk reflektor (R4). Pengayaan U-235 untuk arah aksial (sumbu-z) dilakukan secara homogen. Pemvariasian pengayaan U-235 ini dilakukan untuk mendapatkan hasil yang lebih optimum dengan membandingkan nilai peaking ratio dari distribusi fluks yang dihasilkan dan distribusi daya. Desain geometri teras dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Konfigurasi Teras Reaktor dan Daerah Pengayaan

Pendingin di dalam teras reaktor mengalir melalui coolant channel, yaitu celah-celah diantara fuel rods. Pada penelitian ini jenis geometri dari fuel rods yang digunakan adalah berbentuk kisi segiempat. Sedangkan untuk geometri sel bahan bakat yang digunakan berbentuk segi empat (square cell). Lebar dari pitch adalah 1,26 cm dengan ketebalan cladding 0,07 cm.

Reaktor dengan daya 200 MWt ini juga didesain agar dapat melakukan sirkulasi alamiah pada aliran pendinginnya. Pada reaktor nuklir agar bisa terjadi sirkulasi alamiah maka teras reaktor harus berada di bagian bawah. Teras reaktor harus berada lebih rendah dibandingkan dengan steam generator maupun turbin. Pada keadaan terjadinya sirkulasi


125

alamiah, untuk mengalirkan coolant tidak dibutuhkan pompa, dan aliran coolant akan dikendalikan oleh adanya buoyancy pressure head. Berikut ini merupakan spesifikasi umum dari reaktor 200 MWt yang dijadikan penelitian:

Tabel 1. Spesifikasi Umum Desain Reaktor

Parameter Spesifikasi Jenis Reaktor PWR Bahan Bakar U-235-U238 Material Cladding Zircaloy-4 Coolant Light Water (H2O) @25 bar, 1550C Geometri Sel Square Cell Pitch 1,26 cm Diameter Fuel Rod 1,14 cm Diameter Fuel Pellet 1 cm Fraksi Bahan Bakar 49,47% Fraksi Cladding 14,82% Fraksi Coolant 35,71% Power Level 200 MWt Geometri Teras Silinder 2D (R-Z) Diameter Teras 250 cm (aktif 190 cm + reflector 60 cm) Tinggi Teras 250 cm (aktif 190 cm + reflector 60 cm) Grup Energi 4 (1 fast + 3 termal) Partisi Radial 50 titik (teras aktif), 3 titik (reflector) Partisi aksial 50 titik (teras aktif), 3 titik (reflector)

METODE PERHITUNGAN Perhitungan netronik untuk teras reaktor diselesaikan menggunakan kode komputer

SRAC (Standard Reactor Analysis Code). Perhitungan menggunakan SRAC ini dilakukan untuk kasus ¼ teras 2 dimensi (R-z) dengan ukuran mesh 1,9 cm baik untuk arah radial maupun aksial untuk region bahan bakar.

Perhitungan sel bahan bakar diselesaikan dengan modul PIJ pada SRAC. Hasil perhitungan dari modul PIJ ini kemudian digunakan untuk perhitungan teras dengan modul CITATION. Modul CITATION ini dipakai untuk menyelasaikan perhitungan persamaan difusi multigrup. Pada perhitungan dengan modul CITATION, pengayaan U-235 divariasikan untuk dua jenis kasus yaitu untuk tiga jenis pengayaan dan dua jenis pengayaan yang kemudian dicari nilai optimumnya.

Output dari perhitungan netronik antara lain adalah distribusi fluks netron dan distribusi kerapatan daya yang merupakan produk dari fluks. Nilai dari distribusi kerapatan daya ini kemudian akan digunakan sebagai input dari perhitungan termal hidrolik. Termal hidrolik merupakan suatu studi dari aliaran hidrolik pada suatu sistem termal. Output yang dicari dari perhitungan termal hidrolik ini antara lain adalah


126

distribusi temperatur pada coolant, distribusi densitas, dan penurunan tekanan teras (pressure drop).

Distribusi temperatur pada coolant dapat ditentukan dengan persamaan kesetaraan energi dimana energi panas yang diperoleh fuel disamakan dengan energi yang diserap coolant untuk setiap pertambahan dz yang kecil, atau secara matematis dapat dituliskan menjadi

(1)

persamaan (1) diintegralkan, lalu diselesaikan dengan metode trapesium sehingga dapat diperoleh

(2)

Dengan cp, q’, secara berturut-turut adalah laju aliran massa, kalor jenis coolant, dan kerapatan daya linear. Perubahan densitas coolant dapat dihitung dengan persamaan

(3)

β merupakan koefisien perubahan densitas yang nilanya dipengaruhi oleh temperatur. Nilai penurunan tekanan pada teras (pressure drop) dipengaruhi oleh [4] faktor friksi, faktor form yang disebabkan oleh geometri coolant channel, dan faktor elevasi yang disebabkan oleh gravitasi. Masing-masing faktor dapat dituliskan menjadi 1. Faktor friksi:

(4)

L = panjang channel DH = diameter hidrolik ekivalen ρ = densitas coolant (gr/cm3) v = kecepatan aliran coolant (cm/s) f = faktor friksi fanning

dengan f diselasaikan dengan persamaan Blassius formula [4]

(5)

dan Re adalah bilangan Reynolds yang dapat diselesaikan dengan

(6)


127

nilai µ adalah shear viscosity yang nilainya bergantung terhadap temperatur. 2. Faktor form:

(7) dengan Kn dan v berturut-turut adalah form factor dan kecepatan aliran coolant. 3. Faktor elevasi:

(8) dengan g adalah percepatan gravitasi. Sehingga nilai dari pressure drop total dapat dituliskan menjadi

(9) Perhitungan termal hidrolik ini dikerjakan dengan menggunakan program komputer hingga didapatkan nilai pressure drop yang uniform untuk arah radial. Diagram alir untuk program perhitungan dapat dilihat pada gambar berikut ini:


128

Gambar 2. Diagram Alir Program Perhitungan Termal Hidrolik

Sirkulasi alamiah terjadi saat penurunan tekanan pada teras reaktor sama dengan nol atau dapat diabaikan. Nilai dari pressure drop dipengaruhi oleh laju aliran massa. Oleh karena itu perlu dilakukan diskritisasi laju aliran massa untuk mendapatkan profil pressure drop pada teras reaktor. Selanjutnya buoyance pressure head dihitung dan diplot terhadap laju aliran massa untuk dicari perpotongannya dengan pressure drop. Nilai densitas air pada suatu nilai aliran massa tertentu dihitung dengan menggunakan persamaan

(10)

Persamaan (10) merupakan persamaan untuk mencari tekanan akibat adanya Buoyancy pressure head. Nilai buoyancy pressure head dapat dituliskan kembali melalui persamaan berikut dengan mengikut sertakan tinggi reflektor pada teras dan tinggi chimney[5]. Nilai buoyancy pressure head dapat dituliskan kembali melalui persamaan berikut dengan mengikut sertakan tinggi reflektor pada teras dan tinggi chimney [5]


129

(11)

ρ0,ρm,ρu = densitas fluida pada saat masuk, rata-rata, dan keluar secara berurut g = percepatan gravitasi LF, Lu, Lc = tinggi fuel, upper reflector, dan chimney secara berurut

Sehingga didapatkan persamaan

(12) Selanjutnya adalah laju aliran massa teras (core mass flow rate) didiskritisasi dan dicari nilai dari tinggi chimney yang dapat menyebabkan persentasi laju aliran massa teras 100%. Perhitungan sirkulasi alamiah dilakukan dengan menggunakan program komputer, hingga didapatkan nilai perpotongan tekanan seperti pada persamaan (12). Berikut ini merupakan diagram alir dari program untuk menentukan sirkulasi alamiah:

Gambar 3. Diagram Alir Program Perhitungan Sirkulasi Alamiah HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

Dari perhitungan netronik menggunakan SRAC didapatkan hasil yang optimum

apabila menggunakan tiga jenis pengayaan U-235. Pengayaan U-235 yang memberikan hasil optimum adalah sebesar 2%-2,4%-3%. Hasil ini masih lebih baik


130

jika melihat data pengayaan yang digunakan pada NHR-200 yang menggunakan pengayaan U-235 sebesar 1,8%-2,4%-3% [6].

Tabel 2. Hasil Perhitungan Netronik

Parameter Nilai Keff 1.0919 Fluks Max (n /cm2 s) 7.3848x1013

Fluks rata-rata (n /cm2 s) 4.2611x1013 Peaking Ratio 1.7331 Rapat Daya Max (W/cc) 26.16 Rapat Daya rata-rata (W/cc)

16.199

Peaking Ratio 1.6149

Sedangkan dari perhitungan termal hidrolik didapatkan hasil sebagai berikut:

Tabel 3. Hasil Perhitungan Termal Hidrolik

Parameter Nilai Pressure Drop (bar) 0,4527 Channel Mass Flow (gr/s) 19,4 Core Mass Flow (Kg/jam) 2,1604 x 106 Densitas Rata-rata (Kg/m3) 889,9568 Flow rate rata-rata (m/s) 0,6933 T out rata-rata (0C) 211,05440C T out maksimum (0C) 223,41690C T peaking factor 1,0586

Pada tabel 3, didapatkan nilai temperatur outlet sebesar 211, 05440C. Nilai ini

hanya berbeda sedikit dari nilai temperatur outlet NHR-200 sebesar 2120C sehingga hasil perhitungan termal hidrolik ini cukup akurat. Nilai temperatur outlet maksimum pun masih di bawah nilai temperatur saturasi untuk tekanan 25 bar sebesar 2240C.

Didapatkan pula pada perhitungan termal hidrolik untuk laju aliran massa teras (core mass flow) sebesar 2,1604 x 106 Kg/jam atau 600,1139 kg/s dan nilai pressure drop sebesar 0,4527 bar. Sehingga apabila ingin terjadi aliran sirkulasi alamiah 100% tinggi chimney harus disesuaikan agar didapatkan perpotongan buoyancy pressure head dan pressure drop pada teras pada laju aliran massa 600,1139 kg/s.

Perhitungan sirkulasi alamiah dilakukan dengan mendiskritisasi laju aliran massa. Tinggi chimney divariasikan agar mendapatkan nilai sirkulasi alamiah 100%. Berikut ini merupakan tabel hasil perhitungan sirkulasi alamiah:

Berdasarkan dari tabel 4 maka tinggi chimney yang dapat mengalirkan sirkulasi alamiah 100% berada pada rentang 60-70m. Setelah dilakukan perhitungan kembali, maka didapatkan


131

tinggi chimney 65,4797 m merupakan tinggi yang optimum. Berikut ini merupakan grafik perpotongan persamaan (12)

Tabel 4. Hasil Perhitungan Program Sirkulasi Alamiah

Tinggi Chimney (m) Persentase Core Mass Flow Rate (%)

1 15,9668 2 19,5027 3 22,5715 4 25,3187 5 27,8324

7,5 33,4058 10 38,2789 15 46,7057 20 53,9912 30 66,4797 40 77,2055 50 86,7721 60 95,5001 70 103,5837

Gambar 4. Profil Sirkulasi Alamiah pada Tinggi Chimney 65,4797 m KESIMPULAN

Aspek netronik, termal hidrolik, dan sirkulasi alamiah pada reaktor PWR dengan daya

200 MWt telah dihitung. Didapatkan pengayaan U-235 yang optimum apabila menggunakan 3 jenis pengayaan dengan masing-masing pengayaan 2%-2,4%-3%. Didapatkan hasil perhitungan termal hidrolik yaitu temperatur outlet rata-rata sebesar 211,05440C untuk laju aliran massa coolant pada tiap kanal sebesar 19,54 gr/s dan penurunan tekanan sebesar 0,4527


132

bar. Agar dapat terjadi sirkulasi alamiah di reaktor, maka perlu adanya chimney dengan ketinggian sekitar 65,4797 m.

DAFTAR PUSTAKA 1. DAZHONG W., ET AL, “Chinese nuclear heating test reactor and demonstration

plant”, Nuclear Engineering and Design, 136 (1992), 91-98.

2. DUDERSTADT, J.J & HAMILTON,L.J, “Nuclear Reactor Analysis”, John Wiley & Sons, (1976) 483-500

3. NEA, NEA Publications: ISSUE BRIEF No. 7 - SMALL AND MEDIUM REACTORS. http://www.oecd-nea.org/brief/brief-07.html

4. SETIADIPURA, T., SU’UD, ZAKI, “Neutronic and Natural Circulation Aspect of Thorium Battery (ThoBatt),a Long Life Small PWR with (Th,U)O2 Fue”l, International Conference on Advances in Nuclear Science and Engineering, Bandung, (2007) 155-160.

5. WORLD NUCLEAR ASSOCIATION, “Small Nuclear Power Reactor”, http://www.world-nuclear.org/info/inf33.html

6. ZHANG, Y., ET AL, “Analysis of the nuclear heating reactor and its possible application in seawater desalination”, IAEA-TECDOC, 1056 (1998) 235-242.

DAFTAR RIWAYAT HIDUP 1. Nama : Pribadi Mumpuni Adhi 2. Instansi / Unit Kerja : Fisika - ITB 3. Pekerjaan / Jabatan : Mahasiswa 4. Riwayat Pendidikan : S1 Fisika ITB 5. Pengalaman Kerja : - 6. Organisasi Profesional : - 7. Publikasi Ilmiah yang pernah disajikan/diterbitkan:

1. Almas Hilman M., Pribadi M. Adhi, Reza Bachtiar, M. Rizal Abda, M. Fauzi Sahdan, Suprijadi H., Mitra Djamal. “Alarm Otomatis Berbasis Komunikasi GSM untuk Penjagaan Perlintasan Kereta Api”, Prosiding Seminar Kontribusi Fisika (SKF) 2011, 15-16 December 2011, Bandung, Indonesia

2. Muhammad Fauzi Sahdan, Panji Achmari, Pribadi Mumpuni Adhi, dan Sparisoma Viridi, "Studi Awal Pengaruh Tekanan Udara dalam Bola terhadap


133

Rolling Friction pada Bola yang Menggelinding", Prosiding Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika 2010, 22 Desember 2010, Bandung, Indonesia (submitted).

studi desain konseptual reaktor kecil 200mwt dan …

Documents