OLEH: BETA NUR P. (M0211012) SEHATI(M0211069)

CONTROL RODS OF NUCLEAR REACTOR (BATANG KENDALI REAKTOR NUKLIR)JURUSAN FISIKA FMIPA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTAOleh:beta nur pratiwi(m0211012)sehati (m0211069)

BAB IPENDAHULUANA. Latar Belakang Reaktor nuklir pada dasarnya adalah tempat atau perangkat yang digunakan untuk membuat, mengatur, dan menjaga kesinambungan reaksi nuklir berantai untuk kepentingan damai yang bisa dikontrol fungsinya. Berbeda dengan bom nuklir, yang reaksi berantainya sengajatidak dikontrol.Reaktor nuklir dapat digunakan untuk banyak tujuan, salah satunya yaitusebagai Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Sedangkan untuk reaktor riset, digunakan untuk pembuatan radioisotop (isotop radioaktif) dan untuk penelitian. Reaktor nuklir berbasis pada reaksi fisi, dan dipertimbangkan masalah keamanan dan keselamatannya. Reaksi fisi nuklir ini merupakan salah satu hal yang penting diperhatikan dalam reaktor nuklir. Ada beberapa piranti yang digunakan untuk mengendalikan reaksi fisi nuklir dalam reaktor, salah satunya adalah batang kendali yang pada dasarnya digunakan untuk mengoperasikan reaktor/start-up, mengatur tingkat daya reaktor, dan mematikan reaktor. Pada makalah ini, akan dibahas lebih lanjut mengenai batang kendali di dalam reaktor nuklir. B. Rumusan MasalahRumusan masalah dalam makalah ini adalah sebagai berikut:1. Bagaimana karakteristik material yang baik digunakan sebagai batang kendali pada reaktor nulkir?2. Apa saja tipe dari batang kendali ditinjau dari tujuan penggunaannya pada reaktor nulkir?3. Bagaimana penjelasan mengenai tingkat efektivitas dari batang kendali pada reaktor nuklir?4. Bagaimana penjelasan nilai integral dan differensial dari batang kendali (integral and differential control rods worth)pada reaktor nuklir?5. Bagaimana mekanisme dari dari batang kendali pada reaktor nuklir?

C. TujuanBerdasarkan rumusan masalah di atas, maka tujuandari pembuatan makalah iniadalahsebagaiberikut :1. Mengetahui karakteristik material yang baik digunakan sebagai batang kendali pada reaktor nulkir2. Mengetahui tipe dari batang kendali ditinjau dari tujuan penggunaannya pada reaktor nuklir3. Menjelaskan mengenai tingkat efektivitas dari batang kendali pada reaktor nuklir.4. Menjelaskan nilai integral dan differensial dari batang kendali (integral and differential control rods worth)pada reaktor nuklir.5. Mengetahui mekanisme dari dari batang kendali pada reaktor nuklir.

BAB IIPEMBAHASAN

Batang kendali atau control rod merupakan instrumen penting dalam suatu reaktor nuklir baik reaktor riset maupun reaktor daya (PLTN), karena fungsinya sebagai pengendali populasi neutron dalam teras sehingga reaktor dapat dioperasikan dengan aman. Batang kendali berfungsi untuk mengoprasikan reaktor/start-up, mengatur tingkat daya reaktor, dan mematikan reaktor (Rokhmadi, 2013). Pada dasarnya batang kendali pada reaktor nuklir digunakan dalam dua hal : Merubah tingkat kekritisan reaktor dengan tujuan untuk menaikan dan menurunkan tingkat daya. Menjaga kekritisan reaktor dengan kompensasi merubah sifat sistem selama waktu hidupnya (Wokib, 2001).

1. Karateristik Material Batang KendaliBatang kendali pada dasarnya berfungsi untuk menyerap neutron dalam teras reaktor sehingga dapat menjamin keamanan saat mengoperasikan reaktor. Bahan yang digunakan dalam pembuatan batang kendali adalah bahan yang memiliki kemampuan menyerap neutron yang baik dan memiliki waktu hidup yang panjang (tidak mudah terbakar). Pemilihan material batang kendali tergantung pada desain reaktor nuklir yang digunakan (Department of Energy, 1993). Material batang kendali yang digunakan dalam reaktor nuklir, memiliki karakteristik sebagai berikut: Memiliki sifat konduktivitas panas yang cukup Tahan terhadap panasdan radiasi Tidak mudah korosif Material harus cukup kuat untuk mematikan reaktor nuklir . Memiliki tampang lintang serapan neutron yang tinggi. (Chanakya,dkk).Bahan material yang sering digunakan untuk pembuatan batang kendali : Hafnium (Hf)Hafnium (Hf) adalah logam ulet mengkilap yang merupakan unsur golongan 4, periode 6, blok d, dan nomor atom 72 dalam sistem SPU. Sifat neutronik, mekanik, dan fisik dari bahan hafnium ini, membuat bahan material ini sangat baik digunakan sebagai kontrol dalam sebuah batang kendali pada reaktor nuklir yang berada di dalam air. Bahan material hafnium ini memiliki kelebihan yaitu umur hidup panjang, tahan terhadap korosi untuk air dengan suhu tinggi, memiliki sifat mekanik yang kuat, dan mudah untuk dibuat untuk batang kendali. Sedangkan kelemahan dari penggunaan bahan material hafnium ini yaitu jumlahnya terbatas sehingga harga material ini relatif mahal. Hafnium terdiri dari empat buah isotop stabil, yang masing-masing memiliki kemampuan untuk menangkap neutron. Isotop hafnium antara lain hafnium-177, hafnium-178, hafnium 179, dan harfnium 180. Keempat buah isotop dari hafnium memiliki tampang lintang serapan neutron yang cukup tinggi.

Paduan Silver-Indium-Cadmium (Ag-In-Cd)Paduan Silver (Ag), Indium (In) dan Cadmium (Cd) adalah merupakan salah satu paduan yang digunakan untuk pembuatan batang kendali. Unsur Silver (Ag) merupakan unsur golongan 5, periode 11, blok d, dan nomor atom 47 dalam SPU. Unsur Indium (In) merupakan unsur golongan 13, periode 5, blok p, dan nomor atom 49. Sedangkan untuk unsur Cadmium (Cd) merupakan golongan 12, periode 5, blok d, nomor atom 48. Ketiga unsur tersebut memiliki sifat penyerap neutron yang tinggi, tetapi tidak tahan terhadap korosi untuk air dengan suhu tinggi. Paduan bahan Silver-Indium-Cadmium (Ag-In-Cd) biasanya digunakan untuk pembuatan material batang kendali pada reaktor nuklir di dalam air. Prosentase paduan dari ketiga unsur masing-masing sekitar 80 %Silver (Ag) , 15 % Indium (In) , dan 5 % Cadmium (Cd). Karena unsur paduan Ag-In-Cd tidak tahan terhadap korosi, maka dalam pembutan batang kendali harus dilapisi oleh stainless steel atau aluminium untuk mencegah adanya korosi pada batang kendali yang digunakan.

BoronBoron (B) merupakan unsur golongan 13, periode 2, blok p, dan nomor atom 5. Boron (B) memilki dua buah isotop stabil yaitu Boron-10 dan Boron-11. Bahan material Boron (B) memilki kemampuan untuk menyerap neutron thermal yang tinggi, dan memiliki sifat kekerasan yang tinggi, sehingga umumnya bahan ini digunakan untuk pembutan batang kendali reaktor thermal. Dalam pembuatan batang kendali dengan bahan material Boron (B) harus dipadukan dengan stainless steel (Bretscher, 1997).

Material batang kendali dikategorikan menjadi dua yaitu: Black material : material yang dapat menyerap banyak neutron atau tampang lintang serapan neutron tinggi Grey material : material yang dapat menyerap hanya beberapa neutron (Department of Energy, 1993).

2. Tipe Batang KendaliAda banyak cara untuk mengklasifikasikan batang kendali. Salah satunya adalah klasifikasi batang kendali berdasarkan pada tujuan penggunaannya. Berdasarkan pada tujuan pembuatannya batang kendali di bagi menjadi tiga jenis yaitu : Shim rods (Batang Pengaman)Shim rods (Batang Pengaman) biasanya digunakan untuk mengontrol secara kasar atau menghapus reaktivitas dalam jumlah besar (Department of Energy, 1993). Regulating rods (Batang Pengatur) Regulating rods (Batang Pengatur) Batang pengatur biasanya digunakan untuk pengaturan kondisi seperti daya dan suhu (Department of Energy, 1993). Safety rods (Batang Keselamatan)Safety rods (Batang Keselamatan) biasanya digunakan untuk melakukan shut down secara cepat ketika kondisi tidak aman (Department of Energy, 1993). Umumnya dalam pembutan batang kendali tidak harus menggunakan tiga tujuan diatas, bisa menggunakan hanya dua tujuan atau lebih tergantung pada jenis reaktor dan kontrol yang diperlukan dalam reaktor tersebut (Department of Energy, 1993). 3. Tingkat efektivitas dari batang kendali pada reaktor nuklirEfektivitas batang kendali bergantung pada nilai perbandingan antara fluks neutron pada lokasi batang kendali pada teras reaktor dengan fluks neutron rata-rata di dalam reaktor. Batang kendali memiliki pengaruh maksimum saat ditempatkan pada reaktor dimana besarnya fluks neutron maksimum. Jika reaktor hanya memiliki satu batang kendali,maka batang kendali harus ditempatkan di tengah teras reaktor.

Gambar 2.1.Pengaruh batang kendali terhadap persebaran fluks neutron arah radial(Department of Energy, 1993).

Pada gambar 2.1 di atas merupakan pengaruh batang kendali terhadap persebaran fluks neutron secara radial, dimana lokasi yang paling efektif untuk menempatkan batang kendali tambahan yaitu pada titik A yaitu pada fluks neutron maksimum. Batang kendali dalam jumlah banyak, diperlukan untuk reaktor yang memiliki reaktivitas berlebihyang cukup besar. Perubahan nilai reaktivitas ini disebabkan oleh gerakan batang kendali yang dinyatakan sebagai nilai batang kendali (control rods worth).4. Nilai integral dan differensial batang kendali (integral and differential control rods worth)Pengaruh batang kendali terhadap nilai reaktivitas dapat ditentukan secara eksperimen. Sebagai contoh,sebuah batang kendali dapat ditarik keluar dari teras reaktorsecara perlahan dengankenaikan kecil sekitar 1 cm,maka perubahan reaktivitas dapat ditentukan dengan mengikuti tiap-tiap kenaikan akibat penarikan batang kendali tersebut. Dengan memplotkan hubungan antara nilai reaktivitas dengan posisi batang kendali seperti pada Gambar 2.2, dapat ditentukan perubahan reaktivitas akibat pergerakan posisi batang kendali. Grafik pada Gambar 2.2, menggambarkan nilai integral batang kendali dari keseluruhan penjumlahan setiap kenaikan batang kendali. Nilai integral batang kendali (integral control rod worth) merupakan nilai total reaktivitas dari batang kendali akibat adanya penarikan batang kendali dari teras reaktor dan biasanya mencapai nilai maksimum ketika batang kendali ditarik ke luar dari teras reaktor secara keseluruhan(Department of Energy, 1993).

Gambar 2.2. Integral control rod worthKemiringan dari kurva()pada Gambar 2.2 di atas, menyatakan jumlah reaktivitas yang ditambahkan per satuan panjang akibat pergerakan batang kendali di teras reaktor,di mana bernilai maksimum ketika berada di posisi pusat (tengah) teras reaktor. Ini terjadi karena area dari fluks neutron terbesar berada di sekitar pusat teras reaktor. Jika kemiringan kurva untuk nilai integral batang kendali pada Gambar 2.2 diplotkan, maka hasilnya merupakan nilai laju perubahan reaktivitas sebagai fungsi posisi dari pergerakan batang kendali di teras reaktor.(Department of Energy, 1993). Hasil plot dari kemiringan kurva pada Gambar 2.2 disebut nilai differensial batang kendali (differential control rods worth),seperti terlihat pada Gambar 2.3.Meninjau Gambar 2.3, bahwa di bagian bawah teras reaktor yang hanya terdapat beberapa neutron saja, pergerakan batang kendali memiliki pengaruh kecil,sehingga perubahan nilai batang kendali per inci juga relatif kecil. Sedangkan,di bagian tengah teras reaktor, batang kendali memiliki pengaruh yang lebih besar. Di tengah teras reaktor, differensial batang kendali bernilai maksimum(Department of Energy, 1993).

Gambar 2.3. Differential control rods worth(Department of Energy, 1993). Nilai differensial batang kendali (differential control rods worth) adalah besar perubahan reaktivitas per satuan perpindahan dari batang kendali dan normalnya dinyatakan sebagai . Nilai integral batang kendali saat penarikan merupakan penjumlahan dari semua nlai differensial pada setiap titikpenarikan, yang juga merupakan luasan area di bawah kurva diferensial nilai batang kendali.(Department of Energy, 1993).

5. Mekanisme Batang KendaliBatang kendali di dalam teras reaktor nuklir harus disisipkan dengan cepat untuk menyeimbangkan laju reaktivitas yang sangat cepat di dalam reaktor. Namun, penggunaan mekanisme tersebut menimbulkan resiko kecelakaan di dalam pengoperasian reaktor nuklir, berbeda dengan Xenon dimana pemadaman yang dilakukan oleh Xenon tidak akan menimbulkan resiko kecelakaan. Pada dasarnya, bagaimana mekanisme penyisipan dan penarikan batang kendali di teras reaktor dibatasi, untuk mengurangi tingkat kecelakaan saat mengoperasikan reaktor(Department of Energy, 1993).

BAB IIIPENUTUPBatang kendali merupakan salah satu bagian yang penting dalam reaktor nuklir. Batang kendali ini, berfungsi untuk mengoperasikan reaktor/start-up, mengatur tingkat daya reaktor, dan mematikan reaktor. Material batang kendali yang digunakan dalam reaktor nuklir, harus memiliki nilai tampang lintang serapan neutron yang tinggi. Pada dasarnya, ketika batang kendali disisipkan ke dalam teras reaktor, maka akan mengurangi jumlah neutron di dalam reaktor nuklir. Sementara, ketika batang kendali di tarik ke atas maka persebaran neutron di dalam reaktor nuklir akan bertambah. Penarikan dan penyisipan dari batang kendali di dalam reaktor nuklir, dilakukan untuk menjaga nilai reaktivitas reaktor nuklir terkait dengan keamanan dan keselamatan saat pengoperasian reaktor nuklir.

DAFTAR PUSTAKABretscher, M.M. 1997. Computing Control Rod Worth in Thermal Research Reactors. United States : Department of Energy, University of Chicago. Chanakya,dkk. Simulation of Using Control Rods to Control Nuclear Reactor Core. University of Petroleum and Energy Studies.Department of Energy. 1993. Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 2 of 2.U.S. Department of Energy FSC-6910 Washington, D.C. 20585. Rokhmadi. 2013. Analisis Reaktivitas Batang Kendali pada Desain Teras MOX PWR API1000. Prosiding Seminar Nasional ke-19 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir. Serpong : BATAN. Wokib. 2001. Analisis Dristribusi Daya sebagai Fungsi Posisi Batang Kendali di Teras Reaktor RSG Gas. Bandung : FMIPA ITB.