UJI 'BENCHMARK' TERMOHIDRAULIKA TERAS KERJA RSG GASDALAM KEADAAN TUNAK

Gatot Praptoriadi, Hudi Hastowo, Kumia Putranta, Dewanto Saptoadi •

ABSTRAK

UJI BENCHMARK TERMOHlDRAULIKA TERAS KERJA RSG-GAS DALAM KEADAAN

TUNAK. Sejalan dengan data yang diperoleh dari kegiatan komisioning dan operasi reaktor,peningkatan kemampuan personil dalam menggunakan paket program, dan kemampuan paket programkomputer yang ada di PRSG-BATAN, analisis termohidraulika teras RSG-GAS terus menerus dilakukan.

Untuk mendapatkan keyakinan yang lebih tinggi terhadap kelayakan penggunaan paket programCOOLOD-N, PLTEMP, PARET-ANL dan HEATHYD sebagai alat penganalisis keselamatan

termohidraulika teras kerja RSG-GAS, dilakukan uji 'benchmark' seperti yang dilakukan oleh pendisainRSG-GAS yang menggunakan paket program GOBRA-IIIC/IA. Untuk maksud ini dibuat suatu model

perhitungan dan besaran masukan yang sarna dengan yang digunakan oleh pendisain agar hasilnya dapatsaling diperbandingkan. Pada pemodelan ini teras reaktor dibagi menjadi dua bagian, yaitu bagian kanalterpanas, dan kanal rerata. Kanal terpanas diwakili oleh satu plat dan satu kanal pendingin dengan lebarcelah minimum sebesar 2,40 mm, sedangkan kanal rerata diwakili oleh bagian sisa teras dan kanal

pendingin dengan lebar celah 2,55 mm. Pada bagian kanal terpanas dibangkitkan daya dengan faktordaya radial total 2,846, faktor daya aksial dengan harga maksimum 1,6 dan laju alir minimum sekitar

0,543 kg/del. Hasilnya menunjukkan bahwa keluaran parameter termohidraulika kc em pat paket programdi atas, pada kasus kanal terpanas dan kanal rerata, sangat bersesuaian dengan keluaran dari COBRA­

IIIC/IA. Perbedaannya lebih kecil dari 3.7%. Dengan hasil ini didapat keyakinan yang lebih tinggiterhadap kelayakan penggunaan keempat paket program tersebut sebagai alat pcnganalisis keselamatantermohidraulika teras ker:ia RSG-GAS.

PENDAHULUAN

Analisis termohidraulika teras reaktor merupakan bagian penting dalam evaluasikeselamatan RSG-GAS. Sebagai bagian dari jaminan keselamatan reaktor yang akandibangun, kegiatan ini telah dilakukan oleh pihak pendisain sejak reaktor terse butmasih dalam tahap disain. Sedangkan untuk memenuhi persyaratan perizinanpembangunan, komisioning dan pengoperasian reaktor, kegiatan analisistermohidraulika teras RSG GAS didokumentasikan sebagai bagian dari LaporanAnalisis Keselamatan Reaktor (Safety Analysis Report)[l].

Sejalan dengan data yang diperoleh dari kegiatan komisioning dan operasireaktor, peningkatan kemampuan personil dalam menggunakan paket program, dankemampuan paket program komputer yang ada di PRSG-BA TAN, analisistermohidraulika teras RSG-GAS terus menerus dilakukan. Pihak pendisain

Pusat Reaktor Serba Guna - BA TAN

671

menggunakan paket program COBRA-IIIC/IA [1] untuk mClakukim analisis terse but,

terutama untuk mengevaluasi keselamatan teras selama komisioning dan mengkajiulang analisis termohidraulika teras kerja. Nabbi et all [2] melakukan analisistermohidraulika teras I dan II serta teras kerja RSG-GAS dengan menggunakan paketprogram HEA THYD. Kaminaga [3] melakukan hal yang sarna untuk teras I, II, IIIdan teras kerja dengan menggunakan paket program COOLOD-N. Paket programyang sarna telah digunakan oleh Putranta [4] untuk melakukan analisis

termohidraulika teras X dan teras kerja. Praptoriadi [5] telah memverifikasi paketprogram PLTEMP untuk analisis keselamatan termohidraulika teras RSG-GAS

dengan mengacu kepada pengukuran parameter termohidraulika teras V, sedangkanHastowo [6,7] melakukan analisis termohidraulika keadaan tunak dan transien teras Isampai VI dengan menggunakan paket program PARET-ANL.

Evaluasi keselamatan untuk teras transisi dengan berbagai paket programtersebut[2- 7] memberikan hasil angka keselamatan DNBR (Departure from NucleateBoiling Ratio) atau OFIR (Onset of Flow Instability Ratio) minimum lebih besar dariangka keselamatan yang dipersyaratkan (1,48) [1], namun pada perhitungankeselamatan untuk kondisi teras kerja didapat angka keselamatan yang lebih kecil dari1,48. Bertolak belakang dengan hasil perhitungan ini, pendisain mendapatkan angkakeselamatan S sebesar 2,73 [8,9] untuk kasus teras kerja RSG-GAS. Jadi hasilperhitungan pendisain terlihat lebih optimistik dibandingkan dengan hasil perhitunganpaket program yang digunakan di PRSG.

Untuk mendapatkan keyakinan yang lebih tinggi terhadap kelayakan penggunaanpaket program COOLOD-N, PLTEMP, PARET-ANL dan HEATHYD sebagai alatpenganalisis keselamatan termohidraulika teras kerja RSG-GAS, dilakukan uji'benchmark' sesuai dengan yang dilakukan oleh pendisain [8,9]. Agar hasilnya dapatsaling diperbandingkan dengan benar, maka model perhitungan dan besaran masukanyang digunakan disamakan dengan yang digunakan oleh pendisain. Sebagaikonsekuensi logis dari kondisi ini, model perhitllngan, data masukan, dan tahapanperhitungan yang dilakukan dengan paket program yang ada di PRSG-BATAN harusdisesuaikan. Misalnya, angka keselamatan yang akan diperbandingkan adalah angkakeselamatan S, bukan DNBR atau OFIR yang sebelumnya digunakan di keempatpaket program tersebut. Jadi, tahapan perhitungan angka keselamatan di paketprogram COOLOD-N, PLTEMP, PARET-ANL dan HEATHYD harus dimodifikasiagar memberikan keluaran seperti yang diinginkan.

Perhitungan dilakukan lIntllk kondisi daya lebih (over power), yaitu 34,20 MW,serta sllhll masukan pendingin tertinggi (45,5°C) yang masih ditolerir sebelum sistemproteksi reaktor memancung (menscram) reaktor. Selanjutnya dilakukan analisisterhadap beberapa parameter termohidraulika teras yang meliputi suhu keluaranpendingin, penurunan tekanan di kanal pendingin, suhu saturasi, dan fiuks panasmaksimum. Apabila hasil analisis parameter termohidraulika teras dari paket programCOOLOD-N, PLTEMP, PARET-ANL dan HEATHYD sama dengan hasil dariCOBRA-IIIC/IA, maka akan didapat keyakinan yang lebih tinggi terhadap kelayakan

672

penggunaan keempat paket program tersebut sebagai alat penganalisis keselamatantermohidraulika teras kerja RSG-GAS.

TATAKERJA

Pemodelan Teras Kerja RSG-GAS

Pada umumnya, pembuatan model untuk perhitungan atau simulasi selaludikompromikan antara keterbatasan dari paket program yang digunakan dengangejala fisika yang ingin disimulasikan. Demikian halnya dengan pemodelan kondisitermohidraulika teras RSG-GAS pada perhitungan paket program COBRA-IIIC/IA,yang akan digunakan sebagai acuan pada pekerjaan ini. Pada model yang dibuat olehpendisain [8,9] teras reaktor dibagi menjadi dua bagian, yaitu bagian kanal terpanas,dan kanal rerata. Kanal terpanas diwakili oleh satu plat dan satu kanal pendingindengan lebar celah minimum sebesar 2,40 mm, sedangkan kanal rerata diwakili olehbagian sisa teras dan kanal pendingin dengan lebar celah 2,55 mm (lihat Gambar I).Pad a bagian kanal terpanas dibangkitkan daya dengan faktor daya radial total 2,846,dan faktor daya aksial (fa) sesuai dengan bentuk fungsi kosinus dengan hargamaksimum 1,6. Model ini kemudian diacu untuk digunakan dalam perhitungan ujiBenchmark oleh keempat paket program yang akan diyakini kelayakannya.

Pada model yang digunakan oleh pendisain, panjang elemen bakar yang ada(62,50 CM), dibagi menjadi 51 titik aksial dengan jarak antar titik seragam,sedangkan pada model yang digunakan oleh PRSG panjang elemen bakar dibagimenjadi 21 titik aksial dengan jarak antar titik seragam (lihat Gambar 2). Hal inidilakukan karena keterbatasan yang dimiliki oleh salah satu paket program yangdigunakan PRSG. Namun, secara fisis maupun numerik hal ini tidak akanberpengaruh terhadap hasil uji Benchmark ini.

Untuk laju alir pendingin yang melalui teras aktif kelima paket programmenggunakan angka laju alir sebesar 0,543 kg/det untuk kanal terpanas, dan 0,644kg/det untuk kanal rerata pada suhu masukan sebesar 44,50 °C, dan daya total teraskerja sebesar 34,2 MW. Harga-harga ini dipilih oleh pendisain karena merupakanharga batas sebelum sistem proteksi reaktor (SPR) memancung reaktor.

Dengan memberikan masukan dimensi kanal, laju alir total, dan suhu masuk(in-let) pendingin, paket-paket terse but dapat menghitung laju alir dan kecepatanpendingin yang melewati masing-masing kanal, serta beberapa besaran lainnya.Beberapa besaran yang diperlukan sebagai masukan ditampilkan pad a Tabel I.

Untuk mendapatkan hasil yang sejauh mungkin dapat diperbandingkan secarabenar, korelasi perpindahan panas yang digunakan diusahakan sama, sejauh haltersebut tersedia di dalam paket program yang digunakan. Pada paket programCOOLOD-N korelasi perpindahan panas yang dipilih untuk satu fasa dan pendidihan

673

berturut-turut adalah Dittus-Boelter dan modified Chen, sedangkan PLTEMP,PARET-ANL dan HEATHYD menggunakan Dittus-Boelter dan Bergles-Roshenow.Karena keterbatasan informasi yang ada [8,9], tidak diketahui korelasi perpindahanpanas yang telah digunakan pihak pendisain dalam melakukan perhitungan ini. Hal iniakan disinggung pada bab pembahasan.

Dari 3 jenis besaran yang saat ini banyak digunakan sebagai faktor keselamatantermohidraulika teras reaktor, pendisain menggunakan angka keselamatan S[1,7,8,11].

s= 11: dimana 11 = (T.al - Tn) V11 z :c q:

da persamaan ini indeks B menyatakan bulk atau lingkungan air pendingin, emenyatakan kondisi ktitis (dalam hal ini lle = 22,1 em3K J-I), sat menyatakan saturasiatau kejenuhan, sedangkan z menyatakan posisi aksial dari sisi masukanpendingin.Harga S ini diambil pada suatu titik di daerah sepanjang kanal pendinginyang menghasilkan harga terkecil.

PLTEMP dan PARET-ANL merupakan paket program yang setara denganCOBRA-IIIC/RERTR [10]. Program PLTEMP yang digunakan disini telahdimodifikasi oleh Praptoriadi, sehingga keluarannya dapat menampilkan angkakeselamatan S seeara aksial, suhu saturasi, ~ p sepanjang kanal pendingin, dandistribusi keeepatan pendingin pada kanal pendingin. Demikian pula untuk PARET­ANL, COOLOD-N, dan HEA THYD, masing-masing telah dimodifikasi olehHastowo, Putranta, dan Saptoadi. '7,

Faktor Kanal Panas (hot channel factor)

Dalam perhitungan termohidraulika, umumnya dikenal sekumpulan faktorpengali yang menggambarkan besarnya peningkatan panas pada suatu kanal tertentudibandingkan terhadap kanal rerata. Pad a perhitungan kanal terpanas, diasumsikanpembangkitan panas di plat bahan bakar meningkat karena beberapa faktor [8].1. Batang Kendali

Apabila batang kendali pada posisi bank 42 em, dan batang kendali pengatur(regulating rod) pada posisi sekitar 60 em, maka faktor kanal panas panas adalah1,61.

2. Lokasi

Apabila kejadian pada butir 1 terjadi pada bahan bakar didekat Berilium, makapenambahan faktor peningkat panas adalah 1,25.

3. Ketidak Pastian

Karena adanya ketidak pastian dalam perhitungan, maka penambahan faktorpeningkat panas adalah 1,20.

674

4. Fleksibilitas

Apabila kejadian pad a butir 2 terjadi di dekat posisi iradiasi, maka penambahanfaktor peningkat panas adalah 1,08.

Angka pada faktor nomor 1 sampai 4 didapatkan dari perhitungan neutronik yangdilakukan oleh pendisain.

5. Variasi Kerapatan DayaPad a perhitungan ini pendisain mem-postulasikan terjadi variasi kerapatan dayapada arah radial yang menyebabkan penambahan faktor kanal panas sebesar 1,07.

6. Kanal Panas Suhu

Pada perhitungan ini pendisain juga mem-postulasikan terjadinya peningkatansuhu di kanal terpanas yang menyebabkan penambahan faktor kanal panas sebesar1,023

7. Fluks Panas (engineering heat flux factor for hot spot)Untuk hal ini pendisain menetapkan, angka 1,20 untuk penambahan faktor kanalpanas.

Perkalian faktor kanal panas 1 sampai 4 menghasilkan fr sebesar 2,60. Apabiladikalikan lagi dengan faktor nomor 5 dan 6, akan menghasilkan fr sebesar 2,846,sedangkan fr total (setelah dikalikan dengan faktor ke 7) adalah 3,415. Karenapendisain mengelompokkan seluruh faktor kanal panas diatas menjadi satu yaitu fr(faktor kanal panas panas radial) total, maka untuk perhitungan ini, keempat paketPRSG juga menyatukannya menjadi fr total.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada kegiatan ini keluaran yang dipentingkan adalah parameter termohidraulika,sehingga walaupun paket PARET-ANL dan HEATHYD belum secara tuntasdimodifikasi, kedua paket ini tetap dapat digunakan pada kegiatan uji ini. Hal inidapat diterima karena beberapa parameter termohidraulika yang penting dapatditampilkan. Misalkan untuk menghitung angka keselamatan S, PARET-ANL pastimembutuhkan data suhu saturasi keluaran dan hilang tekanan sepanjang kanalpendingin, sehingga pada kesempatan pemodifikasian selanjutnya, parametertermohidraulika tersebut akan dapat ditampilkan. Demikian pula untuk HEA THYD,fluks panas persatuan luas luasan panas, dan angka keselamatan S pasti juga dapatditampilkan.

Umumnya, pada perhitungan termohidraulika dikenal 2 faktor kanal panas, yaitufaktor yang dipengaruhi oleh aspek neutronik (neutronic hot channel/spot factor) danyang dipengaruhi oleh aspek rekayasa (engineering hot channel factor). Yang

675

pertama biasanya terdiri dari faktor aksial (fa) dan faktor radial (fr), sedangkan yangterakhir biasanya terdiri dari 3 faktor, yaitu fb (yang berpengaruh pada peningkatansuhu pendingin di kanal panas), fq (yang berpengaruh pada peningkatan fluks panastertinggi), dan fu (yang berpengaruh pada peningkatan suhu lapisan tipis (film) antarapermukaan kelongsong dan air pendingin.

Karena keterbatasan COBRA-IIIC/IA, pendisain menyatukan seluruh faktorkanal panas menjadi fr total, sehingga untuk perhitungan angka keselamatan Shasilnya kemungkinan besar akan lebih kecil dari harga yang semestinya. Tetapi, darisegi keselamatan hal ini menguntungkan, sebab apabila angka S dari perhitungan inilebih besar dari 1,48, maka kenyataannya akan lebih besar lagi dari angka tersebut.

Dengan pemodelan dan data masukan seperti yang telah diuraikan, makaperhitungan untuk kanal rerata (Fr 1,000) ditampilkan pada Tabel 2, untuk kanalterpanas (Fr 2,846 dan Fr 3,415) ditampilkan pada Tabel 3.

Pada kasus kanal rerata (fr 1,0), suhu keluaran pendingin dari COBRA-IIIC/IA,PLTEMP, PARET-ANL dan HEATHYD berkisar sekitar 58 oC, sedangkan untukCOOLOD-N sekitar 59,50 °C. Untuk suhu saturasi COBRA-IIIC/IA, PLTEMP,HEATHYD dan COOLOD-N, bervariasi dari 113,17 sampai 117,44. Namun bed amaksimumnya masih dibawah 3,7%. Sedangkan besar hilang tekanan, semua berkisarsekitar 0,02 MPa. Dari hasil ini terlihat bahwa secara fisis, ke lima paket programmengl1asilkan keluaran yang sarna. Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa hasilperhitungan tidak terlalu bergantung kepada jenis korelasi perpindahan panas yangdigunakan, sebab seperti telah diuraikan di muka, COOLOD-N menggunakan korelasiperpindahan panas yang berbeda dengan ke tiga paket PRSG yang lain. Sehingga,dalam hal ini ketidaktahuan korelasi perpindahan panas yang digunakan olehpendisain bukan merupakan suatll masalah.

Pada kasus kanal terpanas (fr total 2,846), suhu keluaran pendingin darict)BRA-IIC/IA, PL TEMP, PARET-ANL, HEA THYD, dan COOLOD-N berkisarseknar 1)9 0c. Untuk SUI1Usaturasi COBRA-IIC/IA, PLTEMP, HEATHYD danCOOLOD-N, bervariasi dari 114,33 sampai 116,90. Namun beda maksimumnyamasih dibawah 2.5%. Sedangkan besar hilang tekanan, bervariasi disekitar harga0,021 MPa untllk COBRA-lIC/IA, PLTEMP, HEATHYD, dan COOLOD-N. Apabilakita lihat besar angka keselamatannya, COBRA-IIC/IA, COOLOD-N, dan PLTEMPmemberikan angka yang hampir sarna, yaitu berturut-turut 3,28, 3,23 dan 3,26,sedangkan untuk PARET-ANL sebesar 3,56.

Pendisain mengasllmsikan bahwa pengaruh faktor ke 7, yaitll Faktor Fluks Panas(engineer.ing heat flux factor for hot spot) sebesar 1,20, hanya berpengaruh kepadafaktor qz, sehingga angka keselamatan S dari 3,28 berubah menjadi 2,73. Secara fisishal ini mungkin kurang tepat karena perubahan fluks panas di suatu kanal akan

berpengaruh kepada suhu lingkungan (T B)' selain kepada qz. Namun apabila paketPRSG mehgacu kepada asumsi tersebut, maka lIntuk fr total sebesar 3,416,COOLOD-N, PLTEMP, dan PARET-ANL bertllrllt-turut akan menghasilkan angka Ssebesar 2,69,2,72, dan 2,97.

676

KESIMPULAN

Hasilnya uji Benchmark ini menunjukkan bahwa keluaran parametertermohidraulika ke empat paket program di atas pada kasus kanal rerata dan terpanas,sangat bersesuaian dengan hasil keluaran dari pendisain. Perbedaannya lebih kecildari 3.7%. Dengan hasil ini didapat keyakinan yang lebih tinggi terhadap kelayakanpenggunaan paket program COOLOD-N, PLTEMP, PARET-ANL dan HEATHYDsebagai alat penganalisis keselamatan termohidraulika teras kerja RSG-GAS.

DAFTAR PUSTAKA

I. Multipurpose Research Reactor GA Siwabessy, Safety Analysis Report Rev. 7",BATAN, September 1989

2. R. NABBI et ai, 'Thermohydraulics of the Indonesian Research Reactor RSG­GAS (Background, Measurement, Model Verification and Analysis), PRSG­BATAN-KFA-IAEA, Serpong, September 1989

3. M. KAMINAGA, "Core Thermohydraulic Analysis of the MultipurposeResearch Reactor RSG-GAS Using COOLOD-N Code", JAERI-memo 02-064,komunikasi pribadi

4. K. PUTRANTAdkk., "Analisis Termohidraulika Teras RSG-GAS Pada Kondisi

Setimbang dengan Menggunakan Program Komputer COOLOD-N", disajikanpada seminar di PPTN-BA TAN, Bandung, 7-9 Februari 1994

5. G. PRAPTORIADI, "Verifikasi Paket Program PLTEMP untuk AnalisisKeselamatan Termohidraulika Teras RSG-GAS", Hasil-hasil Penelitian 1992­1993, PRSG-BATAN, rSSN 0854-5278

6. H. HASTOWO, "Evaluasi Kese1amatan Termohidraulika Teras Transisi RSG­GAS", Presentasi I1miah Peneliti di PRSG-BA TAN, 5 Februari 1993

7. H. HASTOWO, "Verifikasi Model Perhitungan Transien Pada RSG-GAS denganEksperimen Transisi Sirkulasi Alam", Majalah BATAN, (menunggu terbit)

8. G. GYSLER, komunikasi pribadi, September 1992

9. G. GYSLER, komunikasi pribadi, Marc 1994

677

10. W.L. WOODRUF, komunikasi pribadi, 7 Desember 1989

11. IAEA-TECDOC-643, "Research Reactor Core Conversion Guidebook, Vol. 2",

April 1992, pp 11-17

678

­......-I :]:r :l :

..

..

..

...

n2,40 mm 2,55 mm

1_~

t,U ( "/Kana! Panas Kanal Rerata

DGambar 1. Permodelan Teras

'-- -1

---;

-- --

--~

'-

./..--...-

~ e.o ••e..•........0.....

--B.ahan &..kar

Gambar 2. Faktor Aksial Pelat Bahan Bakar

679

Tabel 1 Ringkasan Data Masukan

Parameter KanalRerataKanalTerpanasKanalTerpanas(fr=I,O)

(fr=2,846)(fr=3,415)Daya Reaktor (MW)

34,234,234,2Faktor Radial Total

1,02,8463,415Faktor Aksial

1,601,601,60

Lebar Kanal (mm)

2,552,402,40

Panjang Kanal (mm)

625625625

Lebar Kanal (mm)67,167,167,1

Laju Alir/kanal (kgldet)0,6440,5430,543

Panjang Kanal Aktif (mm)

600600600

Tabel2 Kanal Rerata (Average Channel, fr=I,O)

PARAMETER COBRA-COOLOD-NPLTEMPPARET-HEATHYDIIIC/IA

ANLT

(0e)44,5044,5044,5044,5044,50T

(0e)57,7159,5358,0258,1358,14T":1t •

(OC)113,17117,44115,96-113,74

V (m/det)

3,703,693,713,693,73

~p (MPa)0,020,0230,0200,0200,023

Tabel3 Kanal Terpanas

PARAMETER COBRA-COOLOD-NPLTEMPPARETHEATHYDIIIC/IA

-ANL

Untuk Kanal Terpanas (fr total 2,846) T(0e)44,5044,5044,5044,5044,50

T(0e) 88,9689,8789,0788,1189,67

T":1t '(0e)116,90116,24116,37 114,33

V (m/det)3,443,453,443,443,47

~p (MPa)

0,0220,0210,018-0,021

q" maks. (kW/mL)

2147,442154,002154,30215,54-Angka Keselamatan S

3,283,233,263,56-Untuk Kanal Terpanas (fr total 3,415) q" maks. (kW/mL)

2585,002584,702585,002585,43 1-

Angka Keselamatan S

2,732,692,722,97I -

680