_Modul_1_Analisis_Keselamatan_PLTN___Rr_Felicity_Perfecta_Azhar_10211057_-libre.pdf

MODUL FNB 1 ANALISIS KESELAMATAN PLTN

Rr Felicity Perfecta A, Almas S F U, Sri Soedewi, Kamal Dwi J, Bayu Adi, Ahmad Kasmanto 10211057, 10211050, 10211045, 10211067, 10211002, 10211037

Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia E-mail : [email protected]

Asisten: (Retno Miranti / 10210050) (Tanggal Praktikum: 26 Februari 2014)

Abstrak Percobaan ini bertujuan untuk menghitung jumlah xenon beserta reaktivitas reaktor untuk mensimulasikan keselamatan reaktor nuklir. Kecelakaan II dan Chernobyl telah mendorong pergeseran paradigma keselamatan inheren/pasif. Kecelakaan UTOP (Unprotected transient over power) adalah kecelakaan kelebihan daya akibat masuknya reaktivitas positif eksternal tanpa proteksi. Kecelakaan ULOF (Unprotected loss of flow) adalah kecelakan hilangnya daya pompa tanpa proteksi. Pada PLTN thermal, di daerah energi thermalnya ada masalah terkait keberadaan salah satu hasil pecahan fisi yaitu Xenon 135. Xenon tidak stabil dan meluruh dengan waktu paruh beberapa jam. Hal ini menyebabkan kendala perubahan daya secara drastis pada PLTN termal. Artinya untuk PLTN termal tidak mungkin mengubah daya selama operasi secara drastis karena dapat memicu osilasi Xenon. Untuk mengantisipasinya dibutuhkan perhatian terhadap jumlah Xenon dalam reaktor nuklir. Pada percobaan simulasi PLTN ini, dapat ditentukan jumlah Iodine, Xenon, beserta besaran-besaran yang mempengaruhi daya reaktor, saat flux neutron divariasikan didapatkan osilasi Xenon. Saat osilasi Xenon terlihat bahwa dalam keadaan shutdown atau flux neutron bernilai nol yaitu keadaan saat batang kendali di turunkan lalu dalam beberapa saat dinaikkan kembali, maka akan terdapat reaktivitas positif yang jika sistem keselamatan pasif seperti pendingin tidak berfungsi dengan baik akan menyebabkan kecelakaan reaktor. Kata Kunci: reaktivitas, reaktor, shutdown, ULOF, UTOF, xenon

I. Pendahuluan Tujuan dari percobaan ini adalah

menghitung jumlah xenon beserta reaktivitas reaktor untuk mensimulasikan keselamatan reaktor nuklir. Kejadian yang probabilitas terjadinya tinggi tetapi konsekuensinya rendah disebut insiden, dan kejadian yang probabilias terjadinya rendah tetapi konsekuensinya tinggi disebut keelakaan [1]. Kecelakaan II dan Chernobyl telah mendorong pergeseran paradigma keselamatan inheren/pasif, reaktor daya generasi IV maka ada 4 kriteria yang harus dipenuhi[2]: 1. Kemampuan keselamatan inheren (aspek

keselamatan yang tak terganggu dengan kemungkinan human error, sabotase, kerusakan peralatan pengontrol, dll),

2. Mampu mengatasi persoalan limbah nuklir yang dihasilkannya/membakar limbahnya sendiri,

3. Ekonomis: dengan biaya produksi yang lebih rendah dari PLTN generasi III (untuk generasi III, biaya produksi sekitar 3.5 sen US$ per kwh) (beberapa disain mengejar target di bawah 2 sen US$ per kwh),

4. Karakteristik non proliferasi: yaitu disain yang sulit disalahgunakan untuk kepentingan militer.

Kecelakaan UTOP (Unprotected transient over power) adalah kecelakaan kelebihan daya akibat masuknya reaktivitas positif eksternal tanpa proteksi. Masuknya reaktivitas positif menyebabkan kenaikan daya pada reaktor nuklir. Selanjutnya kenaikan daya ini memicu kenaikan temperature pada bahan pendingin, selongsong, dan bahan bakar. Kenaikan temperature ini pada gilirannya menyebabkan terjadinya balikan reaktivitas negative dari keempat komponen di atas yang akan mengkompensasi reaktivitas positif eksternal. Dalam keadaan asimtotik daya reaktor akan stabil pada harga yang lebih tinggi dari daya pada kondisi normal. Kecelakaan ULOF (Unprotected loss of flow) adalah kecelakan hilangnya daya pompa tanpa proteksi, maka kesetimbangan daya dan aliran pendingin menyebabkan kenaikan temperature pendingin dan bahan bakar. Kenaikan temperature ini menyebabkan terjadinya balikan reaktivitas negative yang kemudian menekan daya untuk turun dan akhirnya menyesuaikan

dengan kemampuan sirkulasi alamiah. Pada kondisi akhir terjadi keseimbangan reaktivitas positif akibat turunnya temperatur bahan bakar dan kenaikan temperatur pendingin. Pada PLTN thermal, di daerah energi thermalnya ada masalah terkait keberadaan salah satu hasil pecahan fisi yaitu Xenon 135. Xenon sangan kuat menyerap neutron dengan penampang lintang penyerapan neutron untuk daerah thermal mencapai 2 juta barn (beberapa ribu kali penampang lintang fisi untuk U-235). Xenon tidak stabil dan meluruh dengan waktu paruh beberapa jam. Hal ini menyebabkan kendala perubahan daya secara drastis pada PLTN termal. Artinya untuk PLTN termal tidak mungkin mengubah daya selama operasi secara drastis karena dapat memicu osilasi Xenon. Untuk mengantisipasinya dibutuhkan perhatian terhadap jumlah Xenon dalam reaktor nuklir, yang dapat ditentukan secara analitik sbb: (1) (2) = Konstanta fisi Iodine = Konstanta fisi Xenon = Fluks neutron = Cross section absropsi Xenon = Konstanta decay Iodine = Konstanta decay Xenon

Populasi Xenon dipengaruhi oleh jumlah fluks neutron yang berbanding lurus dengan rapat daya rata-rata . (3)

II. Metode Percobaan 1. Simulasi populasi Xenon untuk kondisi

reaktor mulai dinyalakan sampai stabil. Menggunakan persamaan 1 untuk

mendapatkan nilai populasi Iodine dengan rentang waktu setiap 0.1. Diketahui populasi Iodine setiap 0.1 detik selama 200 detik adalah

(4)

Dan populasi Xenon adalah (5)

Reaktivitas negatif: (6) Untuk mensimulasikan karakteristik dari reaktor dengan memperlihatkan perubahan reaktivitas negatif dengan mengubah flux bervariasi dari 100% ke 0%, 100% ke 5%, 100% ke 25%, 100% ke 50%. Saat mengubah reaktivitas negatif dari 100% ke 0% berarti reaktor dimatikan atau tuas kendali dibuat turun dan terjadi perubahan reaktivitas yang muncul akibat dinaika Xenon. Untuk menyalakannya kembali, maka reaktivitas negative harus ditambahkan setinggi nilai ke detik 200 sampai detik dengan nilai tertinggi yang kurang lebih berada pada detik ke 108,9. Hasil kenaikan tinggi tersebut digunakan untuk memperlihatkan pengaruh munculnya reaktivitas positif yang muncul beberapa jam kemudian akibat dinamika Xenon.

2. Simulasi kenaikan daya akibat efek osilasi Xenon.

Untuk mensimulasikan kenaikan daya, dibutuhkan temperature pendingin pada setiap waktu, kapasitas kalor, reaktivitas eksternal setiap waktu, menggunakan persamaan dibawah ini [ ] (7) [ ] (8) [ ] (9) (10) (11)

Dengan = kapasitas kalor = fraksi neutron tunda = mean generation time = tetapan disintegrasi

III. Data dan Pengolahan Simulasi populasi Xenon dan kenaikan daya serta temperatur pendingin untuk kondisi reaktor mulai dinyalakan sampai stabil.

Saat keadaan tanpa variasi flux, maka grafik yang didapatkan adalah sebagai berikut,

Gambar 3.1 Jumlah Iodine dengan nilai flux neutron 100%

Gambar 3.2 Jumlah Xenon dengan nilai flux neutron 100%

Gambar 3.3 Nilai reaktivitas negative saat flux neutron 100%

Gambar 3.4 Nilai reaktivitas negative dan eksternal saat flux neutron 100%

Gambar 3.5 Nilai daya saat flux neutron 100%

Gambar 3.6 Nilai Temperatur pendingin saat flux neutron 100%

a. Simulasi perubahan daya secara mendadak 100% ke 50%.

Gambar 3.7 Jumlah Iodine dengan nilai flux neutron 50% pada detik ke 100-200

Gambar 3.8 Jumlah Xenon dengan nilai flux neutron 50% pada detik ke 100-200

Gambar 3.9 Nilai reaktivitas negatif saat flux neutron 50% pada detik ke 100-200

Gambar 3.10 Nilai reaktivitas negative dan eksternal saat flux neutron 50% pada detik ke

100-200

Gambar 3.11 Nilai daya saat flux neutron 50% pada detik ke 100-200

Gambar 3.12 Nilai Temperatur pendingin saat flux neutron 50% pada detik ke 100-200

b. Simulasi perubahan daya secara mendadak dari 100% ke 25%.





100-200



c. Simulasi perubahan daya secara mendadak dari 100% ke 5%.





100-200



d. Simulasi perubahan daya secara mendadak dari 100% ke 0%.





100-200



IV. Pembahasan Pada praktikum ini, variasi flux neutron menyebabkan variasi dari jumlah Xenon yang dihasilkan, pada kenyataannya variasi ini mengindikasikan naik turunnya daya pada reaktor. Daya dipengaruhi oleh nilai reaktivitas terhadap waktu yang didapatkan dari reaktivitas feedback dan reaktivitas eksternal. Saat flux neutron divariasikan, maka reaktivitas eksternal yang dipengaruhi oleh jumlah Xenon berubah dan nilai daya yang dihasilkan pun akan berubah dan tidak stabil.

Waktu optimal untuk menyalakan kembali reaktor dari kondisi shutdown adalah saat jumlah Xenon berkurang menjadi sama dengan jumlah xenon sebelum reaktor mengalami shutdown (keadaan stabil).

Osilasi daya mengakibatkan timbulnya reaktivitas positif yang sangat tinggi dan cepat dan kenaikan daya ini menyebabkan naiknya temperatur pendingin, selongsong dan bahan bakar. Akibatnya akan terjadi kecelakaan nuklir.

Efek Xenon tidak berpengaruh pada fast reaktor karena pada reaktor ini semua neutron terpakai semua, atau tidak diserap oleh batang kendali.

Pada kecelakaan Chernobyl, mula-mula saat reaktor unit 4 dalam keadaan shutdown untuk maintenance digunakan untuk menguji berapa lama turbin akan berputar dan memasok listrik ke pompa sirkulasi utama saat power supply dalam keadaan mati sampai nyala kembali. Pada tes ini juga sistem pendingin inti darurat (ECCS) dimatikan, dimana ECCS ini berfungsi untuk mengalirkan air saat untuk pendinginan reaktor. Pada proses shutdown reaktor beroperasi pada sekitar setengah dari dayanya, dengan kata lain, saat ECCS dimatikan, reaktor masih beroperasi dengan setengah daya. Reaktor seharusnya stabil pada 700-1000MWt sebelum shutdown, tetapi mungkin karena operasional error daya turun hingga 30 MWt. Untuk menaikannya lagi, batang kendali ditarik, hingga stabil di 200MWt. Pada kondisi ini, turbin dibuat berhenti, katup ditutup dan empat pompa yang berkaitan dengan turbin mulai melambat. Semakin lambat laju aliran, air pendingin menjadi semakin panas, dan adanya Xenon menyebabkan peningkatan daya. Daya meningkat hingga 530 MWt dan terus menngkat. Bahan bakar pecah menyebabkan peningkatan uap, yang akan makin meningkatkan daya. Saat beberapa bahan bakar pecah tekanan di reaktor semakin tinggi terlebih lagi saat saluran bahan bakar ini pecah mengakibatkan plat pendukung reaktor terpisah, mengakibatkan kemacetan pada batang kendali yang pada saat itu hanya setengah

penuh daya. Ledakan akibat tekanan yang tinggi terjadi. Penumpukan hidrogen akibat zirconium dari selongsong bahan bakar mengakibatkan ledakan kedua.

ULOF dapat terjadi saat pompa pendingin tidak bekerja sebagaimana mestinya, atau pendingin tetap ada tapi tidak mengalir, dapat mengakibatkan laju aliran pendingin tidak ada sehigga temperatur reaktor tinggi dan pendingin menguap sehingga tekanan dalam reaktor akan tinggi. Sedangkan UTOP terjadi saat masuknya reaktivitas positif yang mengakibatkan kenaikan daya pada reaktor, dan temperature pendingin, selongsong, dan bahan bakar pun naik, sehingga tekanan didalam reaktor tinggi.

Suatu reaktor dapat meledak karena tidak berfungsinya pendingin (coolant), saat reaktor dimatikan atau dalam keadaan shut down yaitu batang kendali dimasukkan, tidak ada reaksi fisi yang terjadi, tetapi masih terdapat energi dari peluruhan radioaktif sebesar 7% dari energi dari daya reaktor. Pada kondisi ini, sistem pendingin seharusnya bekerja untuk mengalirkan air saat awal sistem tersebut berfungsi. Jika sistem pendingin tersebut tidak berfungsi (missal, tidak ada daya untuk mengalirkan air) maka temperature reaktor akan naik dan tekanan dalam reakor akan naik pula. Naiknya temperature dalam reaktor akan menyebabkan temperature selongsong bahan bakar yang terbuat dari zirconium akan terkelupas dan teroksidasi dengan air menghasilkan hidrogen yang mudah terbakar. Jika hidrogen keluar dari tabung reaktor, akan memicu ledakan.

Menurut gambar grafik beberapa variasi Xenon, ketika fluks neutron dalam reaktor divariasikan pada detik ke 100, maka terlihat lonjakan jumlah Xenon pada detik ke 101 dan setelahnya, hal ini mempengaruhi nilai reaktivitas negatif dan juga penaikan atau pengangkatan batang kendali.

Daya dalam reaktor dapat berubah secara drastic dalam reaktor karena dipengaruhi oleh variasi flux neutron, sebagaimana

persamaan 7 bahwa daya dipengaruhi nilai reaktivitas tiap waktu yang dapat ditentukan dengan persamaan 10 dimana terdapat reaktivitas eksternal yang dipengaruhi oleh variasi flux neutron.

V. Kesimpulan Pada percobaan simulasi PLTN ini, dapat ditentukan jumlah Iodine, Xenon, beserta besaran-besaran yang mempengaruhi daya reaktor, saat flux neutron divariasikan didapatkan osilasi Xenon. Saat osilasi Xenon terlihat bahwa dalam keadaan shutdown atau flux neutron bernilai nol yaitu keadaan saat batang kendali di turunkan lalu dalam beberapa saat dinaikkan kembali, maka akan terdapat reaktivitas positif yang jika sistem keselamatan pasif seperti pendingin tidak berfungsi dengan baik akan menyebabkan kecelakaan reaktor.

VI. Referensi 1. Suharno, Tinjauan Sistem Keselamatan

Reaktor Daya Tipe PWR. Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir BATAN, Seminar Keselamatan Nuklir, Agustus 2006.

2. Suud, Zaki, Strategi Pengembangan Riset Dalam Bidang Iptek Nuklir Dalam Rangka Penyiapan SDM Yang Berkualifikasi Tinngi, Seminar Nasional II SDM Teknologi Nuklir, Yogyakarta, Desember 2006.

_Modul_1_Analisis_Keselamatan_PLTN___Rr_Felicity_Perfecta_Azhar_10211057_-libre.pdf

Documents

Transcript of _Modul_1_Analisis_Keselamatan_PLTN___Rr_Felicity_Perfecta_Azhar_10211057_-libre.pdf