Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VIPusat Teknologi Limbah RadioaktifBATANPusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-RISTEK

ISSN 1410-6086

STUDI TINGKA T RADIOAKTIVIT AS DAN PANAS PELURUHANBAHAN BAKAR BEKAS REAKTOR AIR RINGAN SEBAGAI FUNGSI W AKTU

Kuat Heriyanto, NurokhimPusat Teknologi Limbah Radioaktif-BA TAN

ABSTRAK

STUDI TlNGKAT RADIOAKTIVITAS DAN PANAS PELURUHAN BAHANBAKAR BEKAS REAKTOR AIR RINGAN SEBAGAI FUNGSI WAKTU. Telah dilakukan studitentang karakteristik bahan bakar bekas reaktor air ringan meliputi kandungan radioaktivitas dan panas bahanbakar bekas setelah keluar dari reactor sebagai fungsi waktu. Dua jwis reaktor air ringan PWR dan BWRdigunakan sebagai contoh dalam studi, masing-masing beroperasi dengan bum-up bahan bakar mencapai33000 dan 27500 MWD/MTHM. Sampai 100 tahun penyimpanan aktivitas bahan bakar bekas didominasioleh produk hasil belah (>82 %). Aktinida umur panjang mendominasi aktivitas setelah 1000 tahun (> 98 %)dan 10.000 tahun (>94 %), sedangkan untuk waktu yang sangat panjang (100.000 tahun) dua radionuklidaPu-239 (aktinida) dan Tc-99 (produk fisi) mendominasi hampir 50 % dari aktivitas total. Panas peluruhanyang dikeluarkan bahan bakar bekas sampai 50 tahun didominasi produk hasil belah dan sesudah itu olehaktinida. Panas peluruhan tiap perangkat bahan bakar bekas PWR dan BWR sebesar 6766 W dan 2262 W,636 W dan 292 W, 173 W dan 79 W, dan 36 W dan 16 W masing-masing untuk waktu penyimpananberturut-turut 1, 10, 100 dan 1000 tahun.

ABSTRACT

STUDY OF RADIOACTIVITY AND DECAY HEAT VALUE OF LIGHT WATER REACTOR

SPENT FUEL AS TIME FUNCTION. Study of radioactivity and decay heat of light water reactor spent

fuel as timefungtion has been conducted. Two types of light water reactors - PWR and BWR - has been usedas an example in the study, each reactor operates with burn-up 33000 and 27500 MWD/MTHM. Until 100

years storage the activity of spent fuel are dominated by fission product (> 82 %). Long life actinidesdominate activity after 1000 years (> 98 %) and 10.000 years (> 94 %), while for extremely long period(/00.000 years) two radio nuclides Pu-239 (actinide) an Tc-99 (fission product) dominate almost 50 %fromthe total activity. The decay heat generated from PWR and BWR spent fuel are 6766 Wand 2262 W. 636 Wand 292 W. 173 Wand 79 W. and 36 Wand 16 W for each on storage periodes I, 10, 100 and 1000 yearsrespectvely.

PENDAHULUAN

Pengoperasian . pembangkit ListrikTenaga NikIir (PL TN) menimbulkan bahanbakar bekas yang harus dikelola agar amanbagi manusia dan lingkungan. Unsurradioaktif dalam bahan bakar tetap dijagautuh dalam kelongsongnya agar tidakterlepas ke lingkungan dan panas yangditimbulkan dapat dijaga agar tidak melebihibatas yang diijinkan.Untuk itu perluperlakuan khusus, yaitu bahan bakar bekasdisimpan dalam penyimpanan sementarabaik tipe basah maupun kering. Agarpenanganan bahan bakar bekasoptimal,diperlukan data awal tentang bahanbakar bekas diantaranya : tipe reaktor,peluruhan radioaktivitas dan panaspeluruhan.

BAHAN BAKAR PWR

Batang bahan bakar PWR terdiri darikelongsong berupa pipa zircaloy yang diisidengan tumpukan pelet bahan bakar. Ruang(gap) an tara pellet diisi gas helium. U02diperkaya 1 - 4 %, dan sebelum diiradiasi

109

U02 pelet mempunyai densitas 94 - 95 %teoritis dengan rasio O/U = 2. Setiap batangdisusun dengan matriks bujur sangkar (17 x17) di dalam perangkat bahan bakar.Tabel I menampilkan data fisik perangkatbahan bakar reaktor air ringan.

BAHAN BAKAR BWR

Seperti halnya bahan bakar PWR,Batang bahan bakar BWR terdiri darikelongsong berupa pipa zircaloy yang diisidengan tumpukan pelet bahan bakar, dimanaruang (gap) antara pellet diisi gas helium,meskipun ukuran dan jumlah batang lebihsedikit dibanding perangkat PWR (8 x 8).

KARAKTERISTIK BAHAN BAKARBEKAS

Selama iradiasi bahan bakar matrial

fisik uranium/plutonium berubah menjadiproduk fisi, aktinida dan anak luruhnya sertaproduk aktivasi neutron. lumlah nuklida danpanas yang dihasilkan serta radioaktivitasbahan bakar tergantung oleh komposisibahan bakar, material struktur dan burn-up(fungsiflux neutron dalam teras reaktor).

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VIPusat Teknologi Limbah RadioaktifBATANPusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-RISTEK

ISSN 1410-6086

Komposisi Isotop dari bahan bakartelah dimodel berdasarkan fungsi bur-up.Model prediksi berdasarkan pada beberapamekanisme, contohnya tangkapan netrondan peluruhan radioaktif. Mekanisme danmetodeyangdigunakan berdasarkan beberapaasumsi dengan tingkat kepercayaan yangsangat tergantung pada kebenaran informasisejarah bahan bakar.

HASIL DAN PEMBAHASAN

KANDUNGAN RADIOAKTIF DANKARAKTERISTIK PELURUHAN

Aktivitas radionuklida sebagai fungsiwaktu setelah dikeluarkan dari reaktor

terlihat pad a Tabel 2. dan Tabel 3 untuk33.000 MWD/MTHM bahan bakar PWR.

Sebagai contoh aktinida, produk fisi danaktivasi berkontribusi lebih dari 0,1 % daritotal aktivitas dalam unit Ci.

Prod uk aktivasi termasuk pengotordari material struktur dengan nmor atomrendah, aktinida termasuk isotop beratncmor atom lebih tinggi dari 90.Radionuklida tersebut meluruh

menghasilkan radionuklida yang stabil.Gambar 2 menunjukkan variasi peluruhanbahan radioaktif dari bahan bakar bekasPWR 33.000 MWD/MTHM. Kontribusi

terbanyak radionuklida setelah satu tahunpenyimpanan termasuk empat peluruhanpemisahan (Sr-90)-(Y -90), (Ru-I06)-(Rh­106), (Cs-137)-(Ba-137) dan (Ce-144)-(Pr­144), satu tambahan isotop Cs-134, dan satuaktsinida Pu-241. Setelah 100 tahun total

aktivitas akan menurun dengan produk fisi(Sr-90)-(Y-90), 137Cs dan 137Ba meliputi80 % dari total.

Aktinida umur panjang mendominasiaktivitas setelah 1000 tahun (>98%) dan10.000 tahun (>94 %). Nuklida yangdominan termasuk 239P, 240pu dan 241Amsetelah 1000 tahun dan Np-237, Np-239, Pu­239, Pu-240dan Am-243 setelah 10.000tahun. Dalam waktu yang sangat (l00.000tahun) yang dominan untuk produk fisiadalah Tc-99 dan aktinida Pu-239.

PANAS YANG DITIMBULKAN BAHANBAKAR BEKAS

Panas yang ditimbulkan bahan bakarbekas paska iradiasi perlu dipertimbangkan

110

untuk diisolasi. Gambar 4 menunjukkanpanas yang ditimbulkan oleh bahan bakarbekas untuk reaktor PWR 33.000

MWD/MTHM. Sebagai fungsi waktusetelah bahan bakar bekas dikeluarkan darireactor. Mula-mula hasil fisi mendominasi

pada pembangkitan panas, setelah itu hasilfisi itu meluruh setelah 60-70 tahun aktinida

berada pada output yang seimbang dalampembangkitan panas. Prod uk aktivasimemberikan kontribusi 2 % dari total,keadaan ini terjadi awal dekade. Selamaperi ode menengah (100-1000 tahun aktinidaPu-23 8, Pu-23 8, Pu-240 dan Am-241,sedangkan Pu-239 dan Pu-240 masihdominan sampai setelah 10.000 tahun dan100.000 tahun.

Komposisi radionuklida yang ditimbulkanbahan bakar bekas diperlihatkan pad aTabel 4. Dari data - data terse but dapatdilihat bahwa sebagian besar bahan bakarbekas mengandung aktinida denganaktivitas dan daya termal yang cukup tinggi ,walaupun masih jauh lebih rendah dari padaproduk fisi. Semakin tinggi burn-up akanmenyisakan aktinida lebih sedikit denganmenghasilkan lebih banyak produk fisi.Tabel 5 menampilkan kandungan panasyang ditimbulkan bahan bakar bekas tipePWR dan BWR. Panas peluruhan tiapperangkat bahan bakar bekas PWR danBWR sebesar 6766 W dan 2262 W, 636 Wdan 292 W, 173 W dan 79 W, dan 36 W dan16 W untuk waktu penyimpanan I, 10, 100dan 1000 tahun.

KESIMPULAN

Aktinida umur panjang mendominasiaktivitas 1000 tahun (> 98 %) dan 10.000tahun (>94 %), sedangkan untuk waktuyang sangat panjang (l00.000 tahun)didominasi Tc-99 (produk fisi) dan Pu-239(aktinida).

Panas yang dihasilkan bahan bakarbekas dalam waktu 100-1000 tahun

didominasi oleh Pu-238, Pu-239, Pu-240 danAm-241, sedangkan Pu-239, Pu-240 masihdominan setelah 10.000 tahun sampaisetelah 100.000 tahun.

Semakin tinggi burnup akanmenyisakan aktinida lebih sedikit denganmenghasilkan lebih ban yak produk fisi.

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VIPusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATANPusat Penelitian llmu Pengetahuan dan Teknologi-RISTEK

TabeI 1. Data fisik perangkat bahan bakar reaktor air ringan[ I]

ISSN 1410-6086

KARAKTER FISIK BWR (600 MWe)PWR (900 MWe)

Overall assembly length (m)

4.4704.059

Cross-section (em)

13.9 x 13.921.4x21.4

Fuel rod length (m)

4.0643.851

Active fuel length (m)

3.7593.658

Fuel rod OD (em)

1.2520.950

Fuel rod array

8x817 x 17

Fuel rods per assembly / perangkat

63264

Assembly total weight (kg)

319.9657.9

Including: Uranium weight (kg)

183.3461.4

U02 weight (kg)

208.0523.4

Zircaloy weight (kg)

103.3108.4

Hardware weight (kg)

8.626.1

Metal weight total (kg)

111.9134.5

Nominal volume assembly (m3)

0.08640.186

(a) Perangkat PWR (b) Perangkat BWR

Gambar 1. Perangkat bahan bakar PWR dan BWR[2]

Tabel 2. Aktivitas radioakti[ (Ci/MTHM) radionuklida hasil aktivasi dan produk fisi Sebagaifungsi waktu setelah bahan baker keluar dari reaktor[3]

Isotop

Waktu Setelah Keluar Reaktor (tahun)

110.

100 100010 000100 000H-3

7,69E+24,64£+22,97E+0---

C-141,55£+01,55£+01,53E+01,38E+04,63E-I-

Mn-543,91£+2-----

Fe-554,28E+33,89£+2----

Co-581,92E+2-----

Co-606,97E+32,12E+3----

Ni-595,15E+05,15+05,15E+05,IIE+04,72E+02,17E+0

Ni-636,97E+26,52E+23,31E+23,76E-I--

Zn-654,72E+I-----

Se-79- ---3,67E-I1,41E-I

Kr-858,69E+34,85E+31,44E+1---

Sr-895,72E+3-----

Sr-90 7,08E+45,72E+46,71E+3---

III

Prosiding Seminar Nasiona/ Tekn%gi Pengo/ahan Limbah VIPusat Tekn%gi Limbah Radioaktif-BATANPusat Pene/itian Ilmu Pengetahuan dan Tekn%gi-RISTEK

ISSN 1410-6086

Isotop

Waktu Setelah Keluar Reaktor (tahun)

I

10100100010 000100 000Y-90

7,08E+45,72E+46,7IE+3---

Y-911,49E+4-----

Zr-931,93E+01,93E+01,93E+01,93E+01,92E+01,84E+0

Zr-953,14E+4-----

Nb-93m- --1,83E+01,83E+01,75E+0

Nb-94

- --1,24E+09, lOE-I4,21 E-2Nb-95

7,07E+4-----Tc-99

1,3IE+I1,3IE+I1,30E+I1,30E+I1,26E+19,43E+0Ru-I03

2,59E+ 3-----

Ru-I062,68E+55,50E+2----

Rh-1062,68E+55,50E+2----

Pd-107- --1,12E-I1,12E-I1,1 IE-I

Ag-IIOm

1,52E+3-----

Sn-119m2,14E+3-----

Sn-1267,76E-I7,76E-I7, 76E- I7,7IE-I7,24E-I3,88E- I

Sb-1251,22E+41,29E+3----

Sb-126- --1,08E-I1,0IE-I5,44E-2

Sb-126m

- --7,7IE-I7,24E-I3,88E-ITe-125m

2,98E+ 33,14E+2----

1-1293,15E-23,15E-23,15E-23, I 5E-23,15E-23,14E-2

Cs-1341,08E+55,22E+ 3----

Cs-135- --3,45E-I3,44E-I3,35E- I

Cs-1371,0IE+58,2IE+41,03E+4---

Ba-137m9,56E+47,77E+49,71E3---

Ce-1444,5IE+51,49E+2----

Pr-1444,5IE+51,49E+2----

Pr-144m5,4IE+31,79E+0----

Pm-1471,02E+59,48E+ 3----

Sm-1513,55E+23,31 E+21,66E+21,62E-I--

Eu-1549,69E+34,69E+ 33,32E+0---

Eu-1555,62E+31,60E+3----

Other6,8IE+33,80E+ I8,70E+09,90E-I6,70E-25,60E-2

Subtotal A.P1,95E+43,48E+33,40E+28,38E+06,36E+02,46E+0

F.P2, I6E+63,OE+53,36E+41,92E+I1,86E+I1,42E+I

Total

2,.18E+63,07E+53,39E+42,76E+12,49E+ ]1,67E+ ]

Tabel 3. Aktivitas radioaktif (Ci/MTHM) untuk aktinida sebagai fungsi waktu setelah bahan bakar

keluar reactor[3]

Isotop

Waktu Setelah Keluar Reaktor (tahun)

1

10100100010 000100 000Ra-226

- -2.66E-53.12E-31.34E-11.07E+0

U-234

- --2.03E+O1.99E+01.61E+O

Np-237

- --9.99E-11.18E+01.14E+0

Np-239

1.71E+1I.7IE+11.69E+11.56E+l6.68E+O-Pu-238

2.45E+ 32.33E+31.15E+31.08E+ 3--

Pu-2393.13E+23.13E+23.12E+23.05E+22.37E+21.80E+1

Pu-240

5.26E+25.27E+25.26E+24.78E+21.84E+2-Pu-241

1.20E+57.76E+41.02E+3---

Pu-242

- --I.72E+O1.69E+01.44E+O

Am-241

3.08E+21.69E+33.75E+38.93E+2--

Am-2431.71E+1I.7IE+11.69E+11.56E+16.68E+O-

Cm-2421.04E+45.72E+O3.78E+0---

Cm-2432.06E+11.66E+11.86E+O---

Cm-2441.86E+31.32E+34.2IE+l---

Other2.74E+22.60E+l1.56E+12.68E+04.30E+O1.68E+\

Total

1.36E+58.39E+46.85E+ 31.72E+34.44E+23.90E+1

112

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VIPusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN

Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-RiSTEK

1.E+07

1.E+03

1.E+02

1.E+01

ISSN 1410-6086

--Total- - Produk fisi

- - •Aktinida & anak luruhnya- - • Produk aktivasi

1.E+OO

1 10 100

J T AHUN

1000 10000 100000

Gambar 2. Peluruhan bahan Radioaktifyang dihasilkan PWR 33 000 MWD/MTHM[3]

-----_. __ ._--~---_._-,-~-----_. -.--.--.--.---.-.-------- ..---.-- ....---------.------.- ..---------.-.-------1.E+07 --LlWH11-L~lUil

--Total

1.E+06 ~'i4JJl1111

- - Produk fisi

- - .Aktinida & anak luruhnya

1.E+05 -r -I ., I~1LJlr

- - • Produk aktivasi

I~ I

••

E+04!' ~IJ 1IIII11 iI

1111111' .I~,~ j

I

1.E+03 ~I

I

1.E+02 ~

IIII11I1 I II

I"-

>1,1l1111~r II

I1.E+01 ~

I I III1II1II I1IIIII III1.E+00 .

1

10100100010000100000

ITAHUN I----~--·------Gambar 3. Peluruhan bahan Radioaktifyang dihasilkan BWR27500 MWD/MTHM[3]

113

Prosiding Seminar Nasiona/ Tekn%gi Pengo/ahan Limbah VIPusat Tekn%gi Limbah Radioaktif-BATAN

Pusat Pene/itian I/mu Pengetahuan dan Tekn%gi-R/STEK

IS SN 1410-6086

Tabel 4. Rangkuman tiga kelompok radionuklida bahan bakar bekas reaktor nuklir

jenis PWR dan BWR.

Parameter/jenis PWR33BWR275nuklida

(33.000 WO)(27.5000 WO)Produk Aktivasi: - berat

134,8 kg136,4 kg- aktivitas

4,716E+5 Ci7,03IE+05 Ci- daya termal

2,628 kW3,675 kWProduk Fisi : - berat

34,02 kg28,34 kg- aktivitas

1.737E+08 Ci1.199E+08

- daya termal

2.069 MW1.424 MWAktinida : - berat

966 kg971,7 kg- aktivitas

4.623E+073.307E+07- daya termal

119,5kW85,68 kW

100 1000 10000 100000 IIT A HT TN 1----------··------Gambar 4. Peluruhan Panas yang ditimbulkan PWR 33000 MWO/MTHM[3]

1.E+05

1.E+04

1.E+03

1.E+02

1.E+01

1.E+00

1.E-01

1.E-02

1.E-03

1.E-04

--Total- - Produk fisi.'-..... f..-io-.

- - 'Aktinida & anak luruhnya- - .Produk aktivasi

••••

-~

- - ••.• r., rt-- -,- -

" r- _ I•. I I t"-I !1, j I

"'I I t---~,i t~I Ill.l_

~ 1'"

I L___~~LLL.

10

Tabel 5. Panas yang ditimbulkan Bahan bakar bekas tipe PWR

Lama Panas peluruhan bahan bakar bekas

penyimpanan

PWRBWR

(tahun)W/MTHMW/peranqkatW/MTHMW/peranqkat

1

1,03E+046766,307,07E+032261,6310

9,67E+02636,419,11 E+02291,53100

2,63E+02172,982,46E+0278,541000

5,48E+0136,034,99E+0115,9810000

1,35E+01 8,891,26E+01 4,02

1000001,05E+00 0,699,51 E-010,30

114

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VIPusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATANPusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-RISTEK

ISSN 1410-6086

1.E-04

1

I

.ll- _1-....L--L....LLlT--Total - - Produk fisi-........

- •• Aktinida & anak luruhnya••....• "'"' ..•- - - Produk aktivasit-..

--- ..- - -.1'-

- .. -. - .. -:;-~'1Ir:o-.--- -- .....•--\ -..•.

""\ •...•.•••..."-

,""'1'-

~ 1\".'\, ~, "- .•... 1-_f- _~. ~

I i

I

r-- __1-.I~'II I

I

j.,1.E+05

1.E+04

1.E+03

1.E+02

1.E+01

1. E+OO

1.E-01

1.E-02

1.E-03

10 1000 10000 100000

Gambar 5. Peluruhan Panas yang ditimbulkan BWR27500 MWD/MTHM [3]

PUST AKA

I. NUROHIM, THAMZIL LAS,"Evaluasi Komposisi Limbah TruDalam Bahan Bakar Bekas Reaktor

Nuklir", BAPETEN,2003

2. GONYEAU J.,The Virtual NuclearTourist: Nukclear Power Plant Around

TANYAJAWAB

the world (on line). http:// www.Nuclear tourist.com, April 2008.

3. IAEA,"Evaluation of spent fuel as finalwaste form", technical report seriesno. 320, Viena, 1991.

Purwantara, ST.

Pertanvaan

Apa yang termasuk produk Aktinida dan Aktivasi?

Jawab

Yang termasuk produk Atinida adalah sisa Pembakaran Uranium dengan unsur nomor atom diatas92, contoh Am, Wp, Cm. Sedangkan yang termasuk produk aktivasi adalah kelongsong bahanbakar.

115