Slide 1
Preliminary Study of PWR with Thorium Fuel and Protactinium as
Burnable PoisonResearch Based Learning ofAdvance Reactor
Physics
By Jubaidah (20211310) Haryo Seno (20213051)
DescriptionPressurized water reactors (PWRs) is the large
majority of all Western nuclear power plants and are one of three
types of light water reactor (LWR), the other types being boiling
water reactors (BWRs) and supercritical water reactors (SCWRs).
paling banyak dimanfaatkan untuk reaktor daya (PLTN) di seluruh
dunia ( > 50%)Thorium (232Th90) Abundance Th sangat banyak (3
kali > dibandingkan U alam)Thorium fuel-cycle sangat efektif
untuk menghasilkan sumber bahan bakar baru dan mereduksi produksi
aktinida (239Pu)Resistensi tinggi terhadap nuclear-weapon
proliferationKonduktivitas thermal ThO2 > UO2Koefisien ekspansi
thermal ThO2 < UO2Dapat beroperasi pada suhu yang sangat tinggi
(titik didih dan titik leleh >>)Lebih ekonomis
Spesifikasi Rancangan ReaktorNo.ParameterSpesifikasi1Geometri
terasCylinder 2-D (R-Z)2Bahan Bakar (Fuel)ThO2 + 233U enrichment
(8%) homogen3Burnable Poisson (BP)*231Pa (7.8%)4Struktur
(cladding)Zircalloy (Zr)5ModeratorAir ringan (H2O)6Pendingin
(coolant)Air ringan (H2O)7Fraksi volume (Fuel : Cladding :
Moderator)60 : 10 : 30 (%)8Densitas Fuel10.0 g/cm39Tipe Pin
cellSquare cell10Diameter pin1.224 cm11Pin pitch1.4 cmData teras
reaktorSpesifikasi Rancangan Reaktor
(lanjutan)No.ParameterSpesifikasi1Jenis fluidaH2O2Energi per
fisi192.2 MeV3T-inlet pendingin300 C4Tekanan sistem155 bar5Densitas
inlet pendingin0.72 g/cm36Koefisien ekspansi
thermal1.50485E-37Kapasitas panas4.2 J/g.C8Laju massa air
pendingin50 g/s9Konstanta Fanning1.50E-110Viskositas
fluida1.0E-3Data fluida pendingin reaktorParameter Perancangan
Reaktor NuklirAnalisis Neutronikk inf, k eff, burn-up, densitas
dayamenggunakan SRACAnalisis Thermal-hidrolikdistribusi temperatur
pendingin arah aksial dan radial, temperatur fuel (surface dan
center)menggunakan Prenpac code v1.0 dan perhitungan MS
ExcelAnalisis KinetikaKontrol reaktivitas Perhitungan menggunakan
MS Excel
Analisis Neutronik
Penurunan yang signifikan kemungkinan disebabkan terlalu
besarnya fraksi burnable poisson (Pa-231) pada fuel.Penurunan nilai
k yang cukup lama (dari tahun ke-1 s/d tahun ke-7) jumlah Pa-231
masih cukup besar, sehingga masih banyak menyerap neutron.
Analisis Neutronik (lanjutan)
Level burnup naik signifikan dari tahun ke tahunRasio konversi
juga menunjukkan kenaikan yang signifikan
Burn-up
7Analisis Neutronik (lanjutan)
Peningkatan fluks neutron
Burn-up
Analisis Neutronik (lanjutan)
Penurunan densitas atom Th-232
Burn-up
Analisis Neutronik (lanjutan)Perbandingan densitas atom nuklida
Pa-231, Pa-233, U-232, U-233
Burn-up
Analisis Neutronik (lanjutan)
Distribusi Daya Linier
Axial
Radial
Prenpac code v1.0
Kurva distribusi daya aksial menunjukkan bahwa densitas daya
(watt/cm) akan meningkat saat menuju titik pusat teras reaktor (z=0
, r=0). Hal ini mempengaruhi temperatur pada setiap bagian fuel
yang mana akan mempengaruhi distribusi temperatur pendingin
(perihal heat transfer).Di luar daerah teras aktif, tidak ada daya
reaktor (P=0)Untuk kurva distribusi daya radial, terlihat bahwa
terjadi peningkatan daya yang drastis pada radius 75 cm dan
kemudian mengalami penurunan kembali setelah radius 100 cm hingga
225 cm. Selanjutnya tidak terdapat distribusi daya hingga radius
240 cm (daerah aktif).Analisis Neutronik (lanjutan)Analisis
Thermal-hidrolik
Distribusi Temperatur Pendingin
Axial
Radial
Prenpac code v1.0
PWR ini dirancang beroperasi pada tekanan 155 bar, yang mana
pada kondisi ini titik didih air > 343 C.Temperatur pendingin
yang masuk ( Tin) 300C dan Tout max 301.530 C. Perbedaan temperatur
yang rendah merupakan karakteristik coolant heat transfer PWR pada
umumnya.Analisis Thermal-hidrolik (lanjutan)Temperatur maximum pada
fuelBagian surface = 784.5 CBagian center = 6.9861E+4 CAnalisis
Thermal-hidrolik (lanjutan)Analisis Thermal-hidrolik
(lanjutan)Temperatur pada fuel bagian center
Perubahan reaktivitas relatif sebagai fungsi waktuAnalisis
Kinetika0.070.060.050.040.0350.03
0.070.060.050.040.0350.03Perubahan reaktivitas feedback sebagai
fungsi waktu
Analisis Kinetika (lanjutan)Perubahan temperatur sebagai fungsi
waktu
Analisis Kinetika (lanjutan)0.070.060.050.040.0350.03Analisis
kinetika bertujuan untuk mengetahui perubahan reaktivitas
berdasarkan waktu, berdasarkan ada tidaknya gangguan dari luar
sistem.Parameter utama dalam analisis kinetika adalah reaktivitas,
yang mana dipengaruhi oleh perubahan nilai faktor multiplikasi
neutron (k-eff)Mekanisme perubahan reaktivitas dapat dilihat dengan
memvariasikan masukan reaktivitas eksternal (ext) pada sistem,
sehingga dapat dilihat reaktivitas feedback dan trend perubahan
temperatur.Pengendalian reaktivitas sangat penting untuk menjaga
agar reaktor tetap dalam kondisi kritis (k-eff = 1)Analisis
Kinetika (lanjutan)KesimpulanPerhitungan dan analisa neutronik
menunjukkan nilai k-eff awal (tahun ke-0) sebesar 1.0107 dan
mengalami penurunan hingga tahun ke-7 kemudian meningkat hingga
tahun ke-33.Tingkat burn-up mengalami kenaikan, disebabkan karena
adanya bahan fisil tambahan (hasil konversi Th232 dan
Pa231)Distribusi daya linear secara aksial pada teras seragam,
mengikuti pola distribusi normal.Hasil perhitungan dan analisa
termalhidrolik terlihat bahwa distribusi temperatur pada arah
aksial yang cukup datar. Perubahan suhu terjadi maksimum sebesar
1.530C (perhitungan Prenpac) dan 10.3C (perhitungan MS
Excel).Analisa kinetika dilakukan dengan variasi masukan
reaktivitas eksternal, untuk melihat pola perubahan reaktivitas
relatif dan distribusi suhu berdasarkan fungsi waktu. Analisa
kinetika berhubungan dengan pengendalian reaktivitas, yang mana
sangat penting untuk menjaga kestabilan neutronik reaktor.
TERIMA KASIH
