analisis efek parameter kinetik stabilit as operasi reaktor rsg-gas

100 ISSN 0216 - 3128

ANALISIS EFEK PARAMETER KINETIKSTABILIT AS OPERASI REAKTOR RSG-GAS

RokhmadiPusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuktir - BATAN

ABSTRAK

Rokhmadi

TERHADAP

ANALISIS EFEK PARAMETER KINETIK TERHADAP STABILITAS OPERASI REAKTOR RSG-GAS.

Parameter kinetik sangat berpengaruh terhadap pola operasi reaktor RSG-GAS. Dalam makalah inidilakukan perhitungan kurva reaktivitas, hubungan periode-reaktivitas dan fungsi pindah daya rendahberbahan bakar silisida. Parameter ini sangat penting dan berguna untuk analisis karakteristik reaktivitasdan kestabilan reaktor. Untuk mengetahui respons reaktivitas maka dilakukan insersi reaktivitas pada dayaI watt, karena pada daya ini belum ada efek umpan batik sehingga penting untuk keselamatan operasireaktor. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan paket program POKDYN. Hasil perhitunganmenunjukkan bahwa tidak ada perubahan yang signijikan hubungan periode-reaktivitas dan fungsi pindahdaya rendah untuk bahan bakar silisida 2,96 gUlcc, 3,55 gUlcc dan 4,8 gUlcc. Hasil fUngsi pindah dayarendah menunjukkan bahwa reaktor kritis tanpa umpan batik adalah stabil. Hasil perhitungan responsreaktivitas juga tidak ada perubahan antara ketiga jenis elemen bakar tersebut. Dengan demikian ditinjaudari hubungan periode-reaktivitas dan fungsi pindah daya rendah dan respons reaktivitas tidak adaperubahan operasi reaktor dari efek reaktivitas apabila terjadi pergantian bahan bakar.

Kata Kunci: Reaktor RSG-GAS, periode, fungsi pindah, reaktivitas, stabilitas.

ABSTRACT

ANALYSIS OF KINETIC PARAMETER EFFECT ON REACTOR OPERATION STABILITY OF THE RSG

GAS REACTOR. Kinetic parameter has influence to behaviour on RSG-GAS reactor operation. In thispaper done is the calculation of reactivity curve, period-reactivity relation and low power transfer functionin silicide fuel. This parameters is necessary and useful for reactivity characteristic analysis and reactorstability. To know the reactivity response, it was done reactivity insertion at power I watt using POKDYNcode because at this level of power no feedback reactivity so important for reactor operation safety. Theresult of calculation showed that there is no change of signijicant a period-reactivity relation and transferfunction at low power for 2,96 gUlcc, 3,55 gUlcc and 4,8 gUlcc density of silicide fuels. The result of thetransfer function at low power showed that the reactor is critical stability with no feedback. The result ofcalculation also showed that reactivity response no change among three kinds of fuel densities. It can beconcluded that from kinetic parameter point of view period-reactivity relation, transfer function at lowpower, and reactivity response are no change reactor operation from reactivity effect whenfuel exchanged.

Key words: RSG-GAS reactor, period, transfer function, reactivity, stability

PENDAHULUAN

Untuk meningkatkan efisiensi operasi reaktordan utilisasi reaktor Serba Guna GA Siwabessy(RSG-GAS) maka BAT AN bereneana menggantibahan bakar silisida kerapatan uranium yang lebih

tinggi. Beberapa kandidat kerapatan uranium yangdianalisis adalah 3,55 glee, 4,8 glee dan 5,2 gleeuntuk mendapatkan tingkat kerapatan yang palingoptimal dan efisien. Dari aspek neutronik, kinetikdan dinamik, perhitungan kandidat bahan bakar

silisida kerapatan 3,55 gU/ee dan 4,8 gU/ee telahselesai dilakukan.[1-4] Namun analisis parameterkinetik terhadap kestabilan operasi reaktor belumdilakukan. Pad a penelitian ini akan dilakukan

perhitungan dan analisis bahan bakar silisida dengankerapatan 3,55 gU/ee dan 4,8 gU/ee untuk mengetahui respon kestabilan selama operasi berlangsungbaik pada daya rendah maupun daya tinggi dan akanditentukan kurva reaktivitas, hubungan priodereaktivitas dan fungsi pindah daya rendah reaktor.Hubungan periode-reaktivitas merupakan bentukdasar beberapa jenis pengukuran reaktivitas sepertipengukuran harga reaktivitas batang kendali, bahanbakar dan reflektor[S-6]. Sementara itu fungsi pindahdaya rendah sangat penting dalam analisis kestabilan reaktor. Respons suatu reaktor nuklir akibatgangguan reaktivitas eksternal perlu diketahuai

untuk keselamatan operasi reaktor. Respons tersebut

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

Rokhmadi ISSN 0216 - 3128 101

(4)

dimana lVo dan ml dapat ditentukan denganmenyelesaikan persamaan per jam,

fJ = tTaksitotal neutron kasip

A = tTaksineutron kasip kelompok ke-k

Ck = konsentrasi prekursor neutron kasip kelompok ke-k

4 = konstanta peluruhan neutron kasip'kelompok ke-k

A = umur generasi neutron serempak (dt)

Untuk perubahan reaktivitas, Po, persamaankinetika titik dapat diselesaikan secara analitik.Penyelesaian persamaan kinetika titik tersebutadalah [5,IIJ,

bergantung pada fungsi respons frekuensi dayareaktor. Fungsi respons frekuensi daya tergantungpada fungsi respons frekuensi daya rendah dankoefesien reaktivitas daya dinamik[7J. Untuk itupenentuan hubungan periode-reaktivitas dan fungsipindah daya rendah secara perhitungan sangatpenting khususnya dalam rangka penggunaan bahanbakar yang baru.

Perhitungan dilakukan dengan menggunakanpaket program POKDYN berdasarkan output perhitungan konstanta sel menggunakan paket programWIMS-D/5 dan perhitungan teras menggunakanpaket program Batan-2DitP8J. Program POKDYN[9]yaitu suatu program yang ditulis dengan bahasaFortran 77 dan digunakan untuk menyelesaikantransien reaktivitas (daya) dan perhitunganreaktivitas umpan balik yang disebabkan oleh dayaserta bekerja dengan menyelesaikan persamaankinetik titik reaktor gayut waktu dengan metodeCohen. Selain itu akan ditentukan efek parameterkinetik terhadap hubungan periode-reaktivTtas (fan --fungsrpindah daya no\.

6

P(t) = Ao e±U>(jf + LAI e-U>ffI

(3)

TEORI

Sistem pengendalian reaktor didesain denganmenggunakan diagram kotak dan fungsi alih.Diagram kotak dipakai untuk menggambarkan sifatdinamika suatu bagian dalam sistem pengendaliandan fungsi alih merupakan perbandingan antaraoutput dan input sinyal yang diproses dandinyatakan dalam transformasi Laplace yangmenggambarkan watak dinamika sistem. Di dalamsuatu reaktor dianggap bahwa variabel ruang danwaktu dapat dipisahkan, sehingga persamaankinetika reaktor dapat dipisahkan menjadi dua, yaituperubahan daya reaktor terhadap waktu danperubahan konsentrasi penghasil neutron kasipterhadap waktu. Fungsi pindah reaktor dapatdijabarkan dengan menganggap bahwa faktorperlipatan kerratau reaktivitas adalah input dan dayasebagai output.

Persamaan kinetika titik untuk enam kelompok neutron kasip adalah[5,IOJ

dengan Po didalam dolar. Konstanta A] dan Ao

ditentukan dengan menggunakan kondisi awal.Perubahan waktu akibat perubahan reaktivitas,kontribusi bagian ke dua pada persamaan (3) dapatdiabaikan dan hanya bagian pertama yang dominan.Untuk itu,

(5)

Daya akan naik atau tUTun secara eksponensialtergantung apakah harga Po positif atau negatif.Persamaan (4) dan (5) merupakan dasar pengukuranreaktivitas menggunakan metode periode-meter.Periode reaktor dihitung menggunakan persamaan(5), untuk menentukan perubahan reaktivitas hargapriode yang diperoleh (T = limo) disubstitusikankedalam persamaan (4).

Hubungan antara fungsi respons frekuensidaya dengan fungsi respons frekuensi daya rendahadalah [12-14J

dp(t) = [P(t) - fJ(t) ] p(t) + 1:, A, C, (/)dt A(t)(1)

ZUm)

HUm) = I - ~I ZUm) KpUm)(6)

dC, (t) = fJ, (t) pet) _ A, c, (t)dt A(t)

dengan:

p(t) = daya reaktor fungsi waktu (watt)

P = reaktivitas (dollar)

(2)

dengan :

HUm) =

ZUm)

Po

Kp

im

fungsi respons frekuensi daya

fungsi pindah daya rcndah

daya nominal reaktor

koefesien reaktivitas daya dinamik

imajiner murni.

Prosiding PPI • PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN


102- ISSN 0216 - 3128 Rokhnwdi

Fungsi pindah daya rendah, Z(i(j) dapat diperolehdengan transformasi Fourier dari persamaan kinetik(1) dan (2). Penyelesaian persamaan tersebut adalah:

(7)

Z(i(j)) adalah fungsi kompleks, untuk itu mempunyaibilangan real dan imaginer.

Dalam kenyataannya dapat diamati bahwa,

I Z(iro~ = 1/i(j)I*, untuk (j)« Ak

II fl, untuk m» Ak

1limA, untuk m» II A

IZ(im) = --. = IZ(im)/ei8U+1V

Z(-i(j) = _1_. = IZ(im)le-i8U+1V

e = Arg Z(im) = -arctan(.%)

dengan,

(8)

(9)

(10)

(11)

dengan:

LANGKAH PERHITUNGAN

Langkah-Iangkah perhitungan seperti terlihatpada Gambar I.

Sebagaimana Gambar I, langkah III dihitungdengan menggunakan paket program POKDYNuntuk mendapatkan respon reaktivitas terhadap dayareaktor pada uranium kerapatan 3,55 gU/cc dan 4,8gU/cc berdasarkan output langkah I dan n[8J.

Perhitungan menggunakan program POKDYNdengan diagram alir seperti terlihat pada Gambar 2.

Perhitungan Konstanta Sel Hasil: data kinfmityMenggunakan program 'WTh1S-D/5

••teras silisida 3,55

dan4,8 gU/ee

~ Perhitungan teras Silisicla RSG-GAS

Hasil : kef!' dan ~ef!'

clengan tingkat muat 3,55 clan 4,8 g

teras silisida 3,55U/ee

dan 4,8 g U/ee

~ Perhitungan Kestabilan teras reaktor RSG-

Hasil :GAS menggunakanprogram POKDYN Respon re aktivitas

~

terhadap daya

Analisis perhitungan

Gambar 1. Diagram alir perhitungan.



Rokhmadi

r--·--I

ISSN 0216 - 3128

Gambar 2. Diagram alir program POKDYN.

103

Tahapan perhitungan program POKOYN sebagaiberikut' :

1. MAIN: bertugas membaca semua data masukanyang diberikan (waktu generasi neutronserempak, daya awaI reaktor, fraksi neutron

kasip). Program utama ini akan memanggilsubroutin POKSB serta mencetak parameteryang diinginkan.

2. POKSB: bertugas memanggil subrutin programPOKIN serta menentukan dan mengkonversikansatuan-satuan yang diinginkan dari parametertertentu.

3. POKIN : bagian program dimana persamaankinetika titik diselesaikan dengan metode Cohen.Subrutin ini memanggil subrutin OF danfunction REAC

4. OF : Subrutin yang menghitung parametertertcntu yang dibutuhkan dalam subrutin POKIN

seperti periode reaktor sesaat, energi yangdilepaskan olch reaksi fisi dan reaktivitas.

5. REAC : suatu fungsi yang digunakan untukmenghitung reaktivitas umpan balik reaktormelalui koefisien reaktivitas daya dinamik danstatik. Jika umpan balik tidak diperhitungkan(daya rendah) maka pilihan FBZ=O, sedangkanjika umpan balik diperhitungkan FBZ=I.

Obyek yang dilakukan untuk perhitungantransien reaktivitas adalah teras kerja RSG-GASyang terdiri dari 40 elemen bahan bakar dan 8

elemen kendali, seperti terlihat pada Gambar 3.

Keadaan yang ditinjau adalah transien yangdiawali dari daya reaktor start up (I Watt), karenapada start up belum ada reaktivitas umpan balik dan

dapat mewakili kecelakaan saat reaktor start up.Simulasi kecelakaan pada daya reaktor start up,diasumsikan batang kendali digerakkan secara kontinyu dengan kecepatan maksimum 0,0564 m/detik.



104

K

H

G

F

E

D

c

B

A

ISSN 0216 - 3128 Rokhmadi

10 9 8 6 5 4 2

Keterangan :

Elemen kendali

~ I Berilium bersumbat I

ro~1rU;;~~i;;;~S-i~a-di~Si -I

l_QJ [_~i~~e_rn_rabbit I

~ 1 Berilium elemen I

Gambar 3. Konfigurasi teras kerja RSG-GAS.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Perhitungan parameter kinetik telahdilakukan dengan menggunakan kombinasi programWIMS-D/5 dan Batan-2D!FF[8]. Untuk itu dalam

perhitungan stabilitas ini akan digunakan dataparameter kinetik untuk teras silisida 4,8 gUice,3,55 gU/cc dan 2,96 gU/cc seperti ditunjukkan padaTabel 1,2 dan 3.

Tabel 1. Harga Parameter Kinetik TWC Silisida 4,8 gUlcc.

Kelompok AJP -4(S·I)

1.

0,037855 0,0127052.

0,212947 0,0316703.

0,189059 0,115833

4.0,403503 0,312064

5.0,129543 1,400400

6.

0,027093 3,861100

Fraksi Neutron Kasip Total: 0,007033 Konstanta Peluruhan Neutron Kasip Total: 0,078382 drlUmur Neutron Serempak: 55,490000 j1dt



II

Rokhmadi ISSN 0216 - 3128

Tabel 2. Marga Parameter Kinetik TWC Silisida 3,55 gUlcc

Kelompok A/P ~(S-I)

1.

0,0384042 0,0127052.

0,212923 0,0316703.

0,189113 0,1158334.

0,403921 0,3120645.

0,129118 1,4004006.

0,026882 3,861100

Fraksi Neutron Kasip Total: 0,007093 Konstanta Peluruhan Neutron Kasip Total: 0,078471 dflUmur Neutron Serempak: 62,812800 Ildt

Tabel 3. Marga Parameter Kinetik TWC Silisida 2,96 gUlcc.

Kelompok A/P ~(S-I)

I.0,038185 0,012704

2.0,212652 0,031682

3.0,189046 0,115611

4.0,404504 0,311763

5.0,128877 1,399680

6.0,026735 3,865380

Fraksi Neutron Kasip Total: 0,007186 Konstanta Peluruhan Neutron Kasip Total: 0,078434dflUmur Neutron Serempak: 64,512600 pdt

105

HasH perhitungan periode-reaktivitas untukbahan bakar silisida bermuatan 2,96 gUice, 3,55gU/cc dan 4,8 gU/cc ditunjukkan pada Gambar 4.

I.OE+03

J.OE+02

~ IOE+OJUI

.5~ I.OE+OO..•:g J.OE-OJ

0::

1.0E-02

Oari gambar tersebut terlihat bahwa tidak adaperbedaan yang signifikan antara ketiga muatanbahan bakar tersebut.

• Silisida 2,96 gU/GG

IIIii Silisida 3,55 gU/GG

-.10- Silisida 4,8 gU/GG

I.OE-03

IOE-05 IOE-03 IOE-OJ IOHOJ 1.0E+03 IOE+05

Priode (detik)

Gambar 4. Hubungan periode-reaktivitas teras silisida.


Yogyakarta, 10 Juri 2007

/06 ISSN 02]6 - 3]28 Rokhmadi

Dilihat dari hasi\ perhitungan periodereaktivitas dan fungsi pindah daya rendah terJihattidak ada perubahan yang berarti antara bahan bakarsilisida bermuatan 2,96 g U/ee, 3,55 gU/cc dan 4,8gUice, sehingga tidak akan mengubah pola operasireaktor. Dengan penurunan umur neutron serempaktidak kelihatan perubahan pada hubungan periodereaktivitas dan juga terlihat waktu respons cukupbesar untuk mengontrol atau memadamkan reaktor.

Hasil perhitungan fungsi pindah daya notditunjukkan pada Gambar 5 dan 6. Hasilperhitungan menunjukkan tidak ada perbedaan yangberarti pada ketiga muatan silisida tersebut. Hargafase mendekati TI/2 untuk frekuensi dan puneaknya

terjadi pada daerah frekuensi patahan. Hasil inimenunjukkan bahwa reaktor kritis tanpa umpanbalik adalah cukup stabil.

Untuk mengetahui pengaruh parameterkinetik terhadap respons reaktivitas maka dilakukanperhitungan dengan insersi reaktivitas. Perhitunganhanya dilakukan dengan insersi pada daya rendah IWatt karena pada daya inilah efek reaktivitas yangpaling berpengaruh terhadap kenaikan daya,disebabkan belum ada umpan balik reaktivitas.Hasi\ perhitungan ditunjukkan pada Tabel 4. Dariketiga kerapatan muatan silisida tidak ada pengaruhyang berarti sehingga pengaruh parameter kinetikterhadap poJa operasi RSG-qAS tidak berubah.

1.00E+03-.-- •• - •••• -.- ••• - •••• -.- ••••• --.----.----.-.-. ________ ._._. _____ ••• • •• •• __ ·H ••••• _ •••••••• ,_ •••• __ ••••• ,

"-+- Silisida 2,96 gU/GG

1.00E+02

r~

• m Silisida 3,55 gU/GG" Silisida 4,8 gU/GG~"~ 1.00E+01

"',).,~ B0

,,\r,'C

r'~

1.00E+00o .I'\.----l".'--t''-I')-.V_rh

J

"n

1.00E-01

'\.,"I.....

•..'t,1.00E-02

~

r\

1.00E-03,----,

1.00E-041.00E-021.00E+001.00E+021.00E+041.00E+0

Frekuensi (rps)

Gambar 5. Fungsi respons amplitudo vs frekuensi.

O.OOE+OO

-1.00E+01 i nn~"-2.00E+01~ -3.00E+01 I

- --f)I -4.00E+01"GI

-5.00E+01

.!-6.00E+01

"

Q.

"-7.00E+01

{'-8.00E+01 -9.00E+01

\1' " "----+-- Silisida250 9

•• Silisida 300 9

Silisida400 9

\

";-, .'\f\J'''~~

-1.00E+021.00E-04 1.00E-02 1.00E+00 1.00E+02 1.00E+04 1.00E+06

Frekuensi (rps)

Gambar 6. Fungsi respon phase vs frekuensi.


Yogyakarta, 10 Juri 2007

II

Rokhmadi ISSN 0216 - 3128107

Table 4. Hasil respons reaktivatis terhadap daya reaktor. Daya

WaktuDaya(dt)

(MW)

lW

4,54,524,274,5

23,8

29,624,7727,9

KESIMPULAN

Hasil perhitungan efek parameter kinetikterhadap stabilitas operasi reaktor RSG-GASmenunjukkan bahwa tidak ada perubahan yangsignifikan hubungan periode-reaktivitas dan fungsipindah daya nol untuk bahan bakar silisidabermuatan 2,96 g U/cc, 3,55 gU/cc dan 4,8 gU/cc.

Pada daya rendah tanpa umpan balik, ketiga jenisbahan bakar tersebut cukup stabil. Dari hasil inimenunjukkan bahwa dengan pergantian bahan bakarsilisida bermuatan 2,96 gUice, 3,55 gU/cc dan 4,8gU/cc tidak akan mempengaruhi kestabilan operasireaktor dari efek reaktivitas.

UCAP AN TERIMA KASIH

Kepada Drs. Surian Pinem, M.Si. APU atasidenya terhadap penelitian ini dan Drs. Tukiran atasdiskusinya sehingga makalah ini dapat diselesaikan.

ACUAN

I.SEMBlRING, T.M. dan PINEM, S., AnalisisKoefisien Reaktivitas Umpan Balik TerasSilisida RSG-GAS, Jurnal TEKNOLOGIREAKTOR NUKLIR TRI DASA MEGA, Vol.4, No.2, 2002.

2. P.H. LIEM et al., Fuel Management StrategyFor The New Equilibrium Silicide Core DesignOf RSG-GAS (MPR-30), Journal of NuclearEngineering and Design, 180, 207 - 219, 1998.

3. SUPARLINA, L. dan SEMBIRlNG, T.M.,Manajemen Teras RSG-GAS Berbahan BakarSilisida 3,55 Dan 4,8 g VIce, ProsidingSeminar Sains & Teknologi Nuklir, Bandung26-27 Agustus 2003, 2004.

4. SUPARLINA, L, Penentuan Konfigurasi TerasRSG-GAS Dengan Jumlah Elemen BakarSilisida 4,8 gUlcc Optimum, Jurnal TEKNO-

LOGI REAKTOR NUKLIR TRl DASAMEGA, Vol. 7, No.2, 2005.

5. DANIEL ROZON, Introduction to NuclerReaktor Kinetics, Polytechnic InternationalPress,1988.

6. JUJURA TISBELA, U, Kinetics ParameterMeasurements on RSG-GAS a Low Enriched

Fuel Reactor, The 14 th International MeetingOn Reduced Enrichment for Research and TestReactor", Jakarta, November 1991.

7. OTT,K.O, Nuclear Reaktor Dinamiks, American Nuclear Society, Illinois, USA, 1985.

8. SETIYANTO dkk, Efek Kinetik Reaktor AkibatPenggunaan Elemen Bakar Silisida Kerapatan4,8 gUlcc RSG-GAS, akan DipresentasikanPada Pertemuan dan Presentasi IImiah IImuPengetahuan Dasar dan Teknologi Nuklir,PTAPB, Yogyakarta 10 Juli 2007.

9. SURBAKTI, T dan PINEM, S, ProgramPokdyn untuk Analisis Dinamik RSG-GAS,Komputasi dalam Sains dan Teknologi NuklirV pp 473 - 482, BAT AN, Jakarta, 24 - 25Januari 1995.

10. PINEM, S Penentuan Parameter KinetikTeras RSG-GAS Berbahan Bakar Silisida 250

g dan 300 g, Vol.XXXIV No. Y. Juli/Oktober2001-ISSN-0303-2876.

11. OMPAL SINGH, SUR IAN PINEM, PeriodReactivity Relationship Measurements for RSGG. A. Siwabessy, Atom Indonesia, July 1991.

12. PINEM, S, Analisis Gangguan Fungsi PindahDaya RSG-GAS G. A. Siwabessy, ProsidingPenelitian Dasar IPTEK Nuklir, Yokyakarta,April 1992.

13. G. ROBERT KEEP IN, Physics of NuclearKinetics, University of California,AddisonWesley Publishing Company, INC, 1965.

14. JEFFERY LEWINS, Nuclear Reactor Kineticsand Control, Pergomon Press, Oxford, 1977.



108 ISSN 0216 - 3128 Rokhmadi

TANYAJAWAB

Y. Sardjono

Mohon dijelaskan istilah CDR (Core DecayRatio). Karena ini untuk menentukan stabilitasteras.

Bagaimana management research bersama antaraPT. BANTEK dan BATAN.

Rokhmadi

Dalam penelitian ini tidak meninjau CDR (CoreDecay Ratio) dan istilah CDR tersebut kami tidaktahu hubungan dengan penelitian ini.

Management research bersama antara PTBANTEK dan BATAN, dengan cara membuatkerjasama litbang yang ditanda tangani keduapihak.

Widarto

Berapa besar insersi reaktivitas yang andalakukan terhadap operasi daya 1 watt tersebut.

Persyaratan apa yang membatasi besamya insersireaktivitas.

Rokhmadi

Untuk / wall insersi reaktivitasnya adalah 0,57/07 x 10-7 pcm.

Persyaratan yang membatasi insersi reaktivitasadalah periode, fJ dan A (T, fJ dan A),

• untuk reaktivitas positip p = ..!.. Lf ,denganT A

p reaktivitas; T periode reaktor; f fraksitotal neutron kasip; A konstanta neutronkasip.

1• Untuk reaktivitas negatip p = --

(T" A+ 1)



Documents

analisis efek parameter kinetik stabilit as operasi reaktor rsg-gas