studi teoritik karakteristik aliran pendingin di sekitar teras reaktor

Seminar Keselamatan Nuklir 2 – 3 Agustus 2006 ISSN: 1412 - 3258

STUDI TEORITIK KARAKTERISTIK ALIRAN PENDINGIN DI SEKITAR

TERAS REAKTOR TRIGA 2000 MENGGUNAKAN CFD

Oleh

E.Umar1, N.P.Tandian2, T.Hardianto2, A.Suwono2 dan A.D.Pasek2

1 Mahasiswa Pascasarjana Institut Teknologi Bandung2 Kelompok Riset Rekayasa Energi Industri

Pusat Rekayasa Industri – Institut Teknologi BandungJalan Ganesa 10, Bandung 40132

ABSTRAKPola aliran dalam tangki reaktor TRIGA 2000 sangat rumit dan komplek, air yang keluar dari teras reaktor akan bergerak ke atas menuju permukaan tangki dan sebagian diantaranya akan dipindahkan ke sistem pendingin. Sementara itu air dari pipa pendingin primer akan dikembalikan ke teras melewati suatu daerah yang berada dekat grid pelat bawah. Kaji analitis dan eksperimetal terhadap karakteristik aliran di sekitar teras reaktor sulit dilakukan mengingat kompleksnya sistem dan sulitnya menempatkan alat ukur. Untuk itu dalam penelitian ini telah dilakukan studi teoritik karakteristik aliran pendingin disekitar teras reaktor TRIGA 2000 menggunakan menggunakan perangkat CFD. Berdasarkan hasil analisis teoritik ini, bentuk pola aliran di sekitar teras reaktor dapat diprediksi dengan baik. Aliran paksa yang berasal dari sistem pendingin primer hanya mempengaruhi pola aliran di sekitar teras reaktor dan memberikan pengaruh yang relatif kecil terhadap kecepatan aliran dalam teras reaktornya.

ABSTRACTThe flow pattern in the pool of TRIGA 2000 reactor is actually complex. Coolant exiting from the reactor core rises toward the top of the pool where some part of it is removed to the primary cooling system. Meanwhile, the coolant from the primary system’s heat exchanger is returned to the reactor core at the point near the level of bottom grid plate. Due to the complexity of the process and the difficulty in putting the apparatus, analytical and experimental study on the flow characteristic around the reactor core are difficult to be done. In the present work, theoretical study of coolant flow characteristic around the reactor core of TRIGA 2000 has been carried out using the CFD package. Based on the theoretical analysis, the velocity pattern around the reactor core can be predicted properly. On the other hand, the forced-convection coming in from the primary cooling system only affects the flow pattern around the reactor core, and yields relatively small influence to the flow rate in the core.

189


PENDAHULUAN

Secara umum, teras reaktor nuklir penelitian terdiri atas berbagai komponen masif,

baik dalam bentuk struktur teras reaktornya maupun dalam bentuk komponen pendukung

lainnya. Keberadaan komponen-komponen masif ini sudah tentu akan mempengaruhi

karakteristik aliran di sekitar teras reaktor tersebut. Sementara itu, pola aliran di sekitar

teras reaktor diyakini pula sangat berpengaruh terhadap karakterisitik aliran dalam teras

reaktornya. Untuk reaktor nuklir penelitian berbahan bakar silinder seperti reaktor TRIGA

2000, komponen masif tersebut antara lain adalah teras reaktor (core), thermal column,

thermalizing column, struktur bawah teras, rotary specimen rack, chimney, kaki reflektor,

difuser dan pipa-pipa sambungan batang kendali reaktor serta berbagai peralatan

eksperimen reaktor [1,2]. Mengingat banyaknya komponen masif di sekitar teras reaktor,

sudah tentu karakteristik dan pola aliran yang terbentuk di sekitar teras tersebut menjadi

sangat komplek dan rumit. Meskipun demikian, dalam rancangan awalnya, aliran fluida

pada teras reaktor TRIGA 2000 diusahakan berbentuk aliran yang bersirkulasi secara

alamiah. Untuk mendapatkan aliran alamiah ini maka struktur pada bagian bawah teras

reaktornya dibuat sedemikian rupa sehingga pengaruh aliran paksa yang berasal dari pipa

pendingin primer direduksi sedemikian rupa sehingga pengaruhnya menjadi sangat kecil.

Dalam tahap pemasangannya, struktur bagian bawah teras reaktor TRIGA 2000

mengalami sedikit modifikasi atau harus dilakukan sedikit perubahan karena dudukan

batang kendali sedikit lebih panjang daripada struktur bawah teras reaktor tersebut.

Modifikasi yang dilakukan adalah dengan membuka atau tidak memasang pelat penutup

struktur bawah teras reaktornya. Dengan adanya modifikasi ini, diperkirakan atau

dihipotesiskan pola aliran dalam struktur bawah teras akan dipengaruhi oleh aliran

pendingin primer. Artinya, aliran yang dalam tahap rancangan awalnya berbentuk aliran

yang bersirkulasi secara alamiah murni melalui lubang-lubang yang ditempatkan pada

dinding struktur bawah teras reaktor maka setelah modifikasi ini pengaruh aliran paksa

yang berasal dari pipa pendingin primer perlu dipertimbangkan. Pengaruh ini tidak saja

dalam bentuk munculnya kecepatan arah aksial dari bawah teras reaktor tetapi juga

terhadap bentuk pola aliran yang terjadi dalam struktur bawah teras reaktor tersebut.

Setelah modifikasi ini, keberadaan lubang-lubang pada dinding struktur bawah teras

reaktor diperkirakan juga akan ikut mempengaruhi bentuk dan arah aliran dalam struktur

bawah teras reaktor tersebut. Untuk memahami karakteristik aliran di sekitar teras reaktor

perlu dilakukan kajian secara menyeluruh terhadap daerah aliran di sekitar teras reaktor

tersebut.

Dalam penelitiannya sebelumnya, pola aliran dalam reaktor TRIGA sebenarnya

sudah mulai dipelajari, tetapi perhatian lebih difokuskan pada aliran dalam teras reaktor

yang disebabkan oleh munculnya gaya apung dengan meningkatnya suhu fluida [3-8].

Sementara itu, kajian mengenai karakteristik aliran yang berada di sekitar teras reaktor

belum dilakukan mengingat sulitnya melakukan kajian secara analitis karena banyaknya

190


komponen masif yang mempengaruhi karakteristik aliran tersebut. Demikian pula untuk

pengukuran kecepatan aliran secara langsung juga sulit dilakukan mengingat struktur

bawah teras reaktor yang rumit sehingga tidak memungkinkan untuk memasang alat ukur

laju aliran (flowmeter). Salah satu cara yang dapat diterapkan untuk memprediksi

karakteristik aliran di sekitar teras reaktor secara menyeluruh adalah dengan

menggunakan perangkat CFD. Studi teoritik ini dimaksudkan untuk mengetahui

karakteristik aliran di sekitar teras reaktor TRIGA 2000 tersebut serta untuk mempelajari

pula bagaimana pengaruh aliran pendingin primer terhadap kecepatan aliran pendingin

dalam teras reaktor. Dalam studi ini digunakan perangkat CFD dengan mode tiga dimensi

(3D) sehingga kecepatan aliran dalam arah radial (arah x dan y) dan aksial (arah z) dapat

diformulasikan.

PEMODELAN

a. Kondisi Batas

Struktur bawah teras reaktor TRIGA 2000 yang akan dimodelkan dapat dilihat

pada Gambar 1, sedangkan dimensi berbagai komponen reaktor seperti teras reaktor,

thermal column, thermalizing column dan reflektor dapat dilihat pada Gambar 2.

Dalam pemodelan ini, untuk tujuan efisiensi perhitungan maka tinggi tangki

reaktor dibatasi sampai ketinggian 2,8 meter dari dasar tangki. Akibatnya tangki reaktor

yang awalnya mempunyai ketinggian 6,4 meter di atas permukaan elemen bakar harus

dipotong dan pada permukaan potong ini diterapkan kondisi batas tekanan yang nilainya

sama dengan tekanan statik air pada lokasi tersebut yaitu sebesar 150341 Pa.

Sebagai pusat model diambil pusat teras reaktor sehingga diperoleh nilai koordinat

X, Y, Z minimum serta X, Y dan Z maksimum.

Xmin = - 0,957 m dan Xmaks = 0,957 m

Ymin = - 0,957 m dan Ymaks = 0,957 m

Zmin = - 0,854 m dan Xmaks = 1,946 m

191


Gambar 1. Struktur bagian bawah teras reaktor

Gambar 2. Dimensi tangki dan komponen teras reaktor TRIGA 2000

192

85

1914

533

634

854

270 137

720

Pipa primer

Thermal colom

28

25

90

Jumlah lubang dalam satu baris 12 buah

516

577 667

Reflektor

Chimney

Pusat teras

Thermalizing colum


Berdasarkan nilai X, Y dan Z ini maka domain perhitungan akan mencakup volume

dengan ketinggian 2,8 meter dan jari-jari 0,957 meter. Sementara itu kondisi batas pada

sisi masuk dipilih velocity inlet dengan kecepatan seragam, sedangkan pada sisi keluarnya

diterapkan kondisi batas outflow. Dalam model ini, seluruh lubang top grid diisi dengan

elemen bakar dan pada bidang pertemuan antara dinding masif (wall) dan fluida

diasumsikan berlaku kondisi tak slip. Gambar 3 menunjukkan penempatan elemen bakar

nuklir, batang kendali dan fasilitas iradiasi pada model teras reaktor TRIGA 2000,

sedangkan Gambar 4 dan 5 menunjukkan geometri model tangki reaktor beserta

komponen yang ada didalamnya.

Gambar 3. Konfigurasi teras reaktor yang dimodelkan

193

A

Elemen bakar

Batang kendali

Fasilitas radiasi


Gambar 4. Geometri tangki reaktor dengan 121 elemen bakar nuklir

Gambar 5. Penampang horizontal model tangki reaktor

b. Pembuatan mesh

194


Pembuatan mesh dilaksanakan dengan bantuan perangkat lunak yang sudah

terdapat dalam paket CFD yang digunakan. Sementara itu, pemilihan jumlah grid dilakukan

dengan pertimbangan ketelitian, kecepatan perhitungan dan efisiensi pemakaian memori

komputer. Berdasarkan pertimbangan ini, dalam perhitungan dipilih grid berbentuk

tetrahedral dengan jumlah sel sebanyak 379296 buah. Gambar 6 menunjukkan mesh pada

volume tangki reaktor yang menggambarkan domain perhitungan. Geometri mesh ini

kemudian diekspor ke program utama CFD untuk diperiksa dan dilakukan beberapa

penyesuain.

Gambar 6. Bentuk mesh pada volume tangki yang dimodelkan

c. Perhitungan

Setelah grid selesai dibuat maka dalam langkah selanjutnya perangkat CFD akan

mendefinisikan material, tekanan kerja acuan dan kondisi batas yang diterapkan pada

model. Kemudian dilakukan pengendalian solusi, inisialisasi, pemantauan proses dan

iterasi. Dalam perhitungan ini diterapkan kriteria konvergensi untuk persamaan kontinuitas

dan komponen kecepatan dalam arah x, y dan z sebesar 10-3.

Dalam proses penyelesaian kasus aliran pendingin dalam tangki reaktor ini,

kecepatan aliran masuk diasumsikan seragam dalam arah z negatif (mengarah ke bawah).

195


Ujung pipa primer ditempat pada ketinggian 72 cm di atas dasar tangki dan laju

aliran air pendingin dipilih sebesar 2,8 m/s. Kecepatan aliran pendingin primer yang dipilih

ini disesuaikan dengan kecepatan aliran pendingin primer saat reaktor dioperasikan.

Sementara itu, suhu air pendingin masuk dipilih sebesar 300 K dan menggunakan suhu ini

dapat ditentukan sifat fisis fluida seperti rapat massa dan viskositasnya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Menggunakan model yang sudah dibuat ini, telah didapatkan bentuk pola aliran fluida

pendingin di sekitar teras reaktor reaktor TRIGA 2000. Bentuk pola aliran untuk

penampang yang melewati pipa pendingin primer dan pusat teras reaktor dapat dilihat

pada Gambar 7.

Gambar 7. Bentuk pola aliran dalam tangki reaktor TRIGA 2000

Pada gambar 7 dapat dilihat bahwa secara umum kecepatan aliran yang berasal dari pipa

pendingin primer hanya memberikan pengaruh yang signifikan terhadap arah dan

kecepatan aliran di sekitar ujung pipa pendingin primer serta pada bagian atas dasar

tangki reaktor. Pada daerah di sekitar ujung pipa pendingin primer terbentuk aliran vortex

196


dengan kecepatan yang berubah. Aliran ini terbentuk karena adanya struktur bawah teras

reaktor yang menghalangi gerakan air yang keluar dari ujung pipa pendingin primer.

Bila pola aliran yang terbentuk ini diteliti lebih lanjut maka aliran pendingin primer

ini ternyata memberikan pengaruh yang berbeda-beda terhadap berbagai daerah aliran di

sekitar teras reaktor. Pada Gambar 8 - 14 ditunjukan arah vektor kecepatan aliran

untuk berbagai daearah di sekitar teras reaktor.

Gambar 8 menunjukkan vektor kecepatan aliran pendingin saat keluar pipa

pendingin primer dan aliran ini kemudian menimbulkan aliran vortex pada daerah di sekitar

struktur bawah teras reaktor. Kemudian pada bagian samping pipa primer yaitu pada celah

antara dinding pipa dengan dinding thermalizing column teramati pula adanya aliran fluida

yang mengarah ke bawah akibat tarikan aliran yang keluar dari pipa pendingin primer.

Gambar 9 sampai 11 menunjukkan vektor kecepatan aliran pendingin saat keluar

teras reaktor, dalam chimney dan pada dinding thermal column. Teramati dengan jelas

bahwa arah aliran pada ketiga daerah ini mengarah ke atas (ke arah Z positif) tetapi nilai

kecepatan untuk daerah disamping thermal column lebih besar. Keadaan ini menunjukkan

bahwa fraksi aliran yang melewati saluran by-pass lebih dominan mengingat penampang

aliran pada daerah ini juga lebih besar.

197

Gambar 8. Vektor kecepatan air pendingin keluar pipa pendingin primer


Pada Gambar 12 dan 13 ditunjukkan vektor kecepatan air pendingin di samping

thermalizing column dan pada bagian atas pipa pendingin primer. Pada kedua daerah ini

198

Gambar 9. Vektor kecepatan air pendingin keluar teras reaktor

Gambar 10. Vektor kecepatan air pendingin dalam chimney

Gambar 11. Vektor kecepatan air pendingin di samping thermal column


teramati dengan jelas arah vektor kecepatan aliran yang mengarah ke bawah (mengarah

pada z negatif) akibat tarikan aliran yang keluar dari pipa pendingin primer. Kenyataan ini

menunjukkan bahwa arah aliran di sekitar teras reaktor tidak seluruhnya mengarah ke atas

tetapi sebagian bergerak menuju dasar tangki reaktor akibat dipengaruhi oleh aliran yang

berasal dari pipa pendingin primer.

.

Daerah aliran yang menarik untuk dianalisis lebih jauh adalah daerah yang terletak

tepat dibawah teras reaktor. Dalam rancangan awalnya, daerah ini berfungsi untuk

membentuk aliran sirkulasi alamiah dalam teras reaktor, yaitu dengan mengarahkan aliran

199

Gambar 12. Vektor kecepatan air pendingin di samping thermalizing column

Gambar 13. Vektor kecepatan air pendingin di atas ujung pipa pendingin primer


melalui lubang-lubang yang berada disekeliling struktur bawah teras reaktor ini (Gambar 1).

Tetapi setelah struktur bawah teras reaktor dimodifikasi maka karakteristik aliran dalam

daerah ini menjadi berubah (Gambar 14). Aliran pendingin pada daerah ini berasal dari

aliran pendingin primer yang mengalir melewati celah yang terdapat pada bagian atas

dasar tangki reaktor. Aliran ini kemudian menabrak dinding struktur bagian bawah teras

reaktor sehingga menimbulkan aliran vortek dibagian tengah struktur. Sementara itu, aliran

pendingin dari daerah di bagian luar thermal column juga masuk ke dalam struktur ini

melewati lubang di sekeliling struktur bawah teras reaktor. Selanjutnya, sebagian aliran

pendingin bergerak ke atas melewati teras reaktor dan sebagian lagi keluar melewati

lubang yang ada di sekitar struktur bawah teras reaktor. Keadaan menunjukkan bahwa

lubang yang ada di sekitar struktur bawah teras reaktor telah berubah fungsi. Bila dalam

rancangan awalnya semua lubang ini disediakan sebagai saluran air masuk ke teras

reaktor maka dalam kenyataannya lubang ini sebagian berfungsi sebagai saluran air keluar

bagi aliran yang masuk dari dasar tangki reaktor.

Menggunakan data pada Gambar 14 dapat pula digambarkan perubahan vektor

kecepatan aliran dalam arah aksial pada struktur bawah teras reaktor (Gambar 15). Hasil

ini menunjukkan bahwa kecepatan aliran dalam arah aksial mencapai nilai maksimum

sebesar 4,5 cm/s pada bagian tengah struktur, kemudian nilai kecepatan ini berkurang dan

mencapai 2,9 cm/s saat memasuki teras reaktor. Kenyataan ini menunjukkan bahwa aliran

paksa sebesar 2,8 m/s yang berasal dari pipa pendingin primer hanya menghasilkan

kecepatan aliran masuk teras reaktor yang relatif kecil yaitu sekitar 2,9 cm/s atau sekitar 1

%. Artinya perubahan struktur bawah teras reaktor hanya mempengaruhi bentuk pola

aliran tetapi relatif tidak mempengaruhi kecepatan aliran dalam teras reaktornya.

200

Gambar 14. Vektor kecepatan pendingin di bawah teras reaktor


2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 10 20 30 40 50 60 70

Posisi dari dasar tangki (cm)

Kec

epat

an a

ksia

l (c

m/s

)

Gambar 15. Distribusi kecepatan pendingin arah aksial di bawah teras reaktor

Sekarang timbul pertanyaan seberapa jauh pengaruh kecepatan arah aksial ini

terhadap kecepatan aliran dalam teras reaktor yang disebabkan gaya apung saat reaktor

dioperasikan? Dalam penelitian terdahulu [8], besarnya kecepatan aliran konveksi alamiah

dalam teras reaktor saat reaktor dioperasikan pada daya 2000 kW mencapai 35 cm/s.

Sedangkan besarnya kecepatan arah aksial menuju teras reaktor yang disebabkan oleh

aliran pendingin primer hanya sekitar 2,8 cm/s atau sekitar 8 % relatif terhadap kecepatan

aliran yang disebabkan gaya apung. Artinya pergerakan air dalam teras reaktor pada saat

reaktor dioperasikan tetap didominasi oleh aliran sirkulasi alamiah akibat perubahan suhu

pendingin reaktor. Kecepatan aliran aksial ini hanya akan memberikan efek aliran paksa

terhadap aliran dalam teras reaktor pada ujung bagian bawah elemen bakar. Kalau

dianalisis lebih jauh bentuk struktur padatan antara ujung bawah elemen bakar reaktor

dengan lubang pada bottom grid plate maka pengaruh kecepatan arah aksial ini akan

menjadi semakin kecil. Kenyataan ini menunjukkan bahwa aliran konveksi paksa dari pipa

pendingin primer semakin tidak memberikan pengaruh yang dominan terhadap kecepatan

aliran fluida dalam teras reaktor.

Berdasarkan studi teoritik yang telah dilakukan ini dapat ditunjukkan bahwa

karakteristik aliran di sekitar teras reaktor TRIGA 2000 dapat dipelajari dengan baik

menggunakan perangkat CFD. Hasil yang diperoleh ini juga telah dapat mengatasi kendala

yang dialami selama ini mengingat kajian analitis dan eksperimental untuk memprediksi

karakteristik aliran di sekitar teras reaktor ini sangat sulit dilakukan. Melalui kajian teoritik ini

pula, visualisasi aliran di seluruh medan aliran di sekitar teras reaktor, baik dalam bentuk

kontur kecepatan maupun dalam bentuk jejak aliran dapat pula dilakukan dengan baik.

201


KESIMPULAN

Berdasarkan hasil studi teoritik terhadap karakteristik aliran di sekitar teras reaktor TRIGA

2000 ini dapat diambil beberapa kesimpulan :

1. Pola aliran disekitar teras reaktor TRIGA 2000 dapat dipelajari dengan baik

menggunakan metode numerik dengan perangkat CFD.

2. Aliran paksa dari sistem pendingin primer memberikan pengaruh terhadap pola

aliran di sekitar teras reaktor tetapi memberikan pengaruh yang relatif kecil

terhadap kecepatan aliran dalam teras reaktornya.

3. Modifikasi struktur bagian bawah teras telah mengubah fungsi lubang-lubang yang

berada disekitar dinding struktur tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

1. General Atomic, (1996), Safety analysis report for upgrade of TRIGA Mark II reactor,

GA Document, 596-599.

2. Tim upgrading reaktor, Laporan analisis keselamatan reaktor TRIGA 2000 Bandung,

Revisi 2, (2000).

3. Umar, E, (2001), Prediction of mass flow rate and pressure drop in the coolant channel

of the TRIGA 2000 reactor core, ATOM INDONESIA, Vol. 27, 67-84.

202


4. Umar, E., Kamajaya, K., Suwono, A., Tandian, N.P. and Hardianto, T., (2003), Steady

state thermal hydraulics analysis of TRIGA 2000 research reactor, Proceedings of

international conference on fluid and thermal energy conversion 2003, Bali, Indonesia.

5. Umar, E. and Kamajaya, K., (2003), Loss of flow analysis for the upgrading of TRIGA

2000 research reactor, Proceedings of international conference on fluid and thermal

energy conversion 2003, Bali, Indonesia.

6. Umar, E., Kamajaya, K., Suwono, A., Tandian, N.P. and Hardianto, T., (2004), The

chimney effect on natural circulation in the coolant channel of TRIGA 2000 research

reactor, Proceedings of international seminar on nuclear safety 2004, Tokai-mura,

Japan.

7. Umar, E., Kamajaya, K., Suwono, A., Tandian, N.P. and Hardianto, T., (2005), An

experimental study of natural convection in the hottest channel of TRIGA 2000 kW,

Submit to 15th Pacific Basin Nuclear Conference Managers, October 2006.

8. Umar, E., Kamajaya, K., Suwono, A., Tandian, N.P. and Hardianto, T., (2005), Analisis

teoritis parameter termohidrolik reaktor TRIGA 2000 menggunakan STAT Code,

Prosiding Seminar Sains dan Teknologi Nuklir, P3TkN-BATAN, Bandung.

DISKUSI DAN TANYA JAWAB

Penanya: Haendra Subekti ( DP2IBN-BAPETEN )

Pertanyaan:

a.Setelah mengetahui karakteristik aliran dalam teras Triga 2000 apakah dapat diketahui.

Apakah sistem pendingin di TRIGA sudah cukup baik atau perlu didesain ulang untuk

meningkatkan keselamatan?

Jawaban:

a.Dengan mengetahui karakteristik aliran dalam tangki maka pengaruh aliran pendingin

primer terhadap aliran dalam kanal elemen bakar dapat diketahui. Pengaruh aliran

203


pendingin primer ini akan dipertimbangkan dalam pengembangan ”computer code” untuk

TRIGA 2000. Seperti dikemukakan dalam penelitian sebelumnya ”computer code” yang

dikembangkan general automic kurang tepat dalam memprediksi suhu pendingin dalam

teras reaktor ( under estimate ). Dengan mempertimbangkan berbagai aspek ( termasuk

pengaruh aliran primer ) diharapkan code yang akan dikembangkan dapat lebih baik

sehingga prediksi suhu pendingin dalam teras reaktor dapat lebih baik pula sehingga

otomatis meningkatkan keselamtan operasi reaktor. Hasil kajian eksperimental

menunjukkan bahwa suhu teras pada saat reaktor beroperasi roda daya 2 MW masih

dibawah suhu didih artinya sistem pendingin teras cukup baik dan tidak didesain ulang.

Jadi metode analisis ( computer code ) yang perlu dikembangkan atau dimodifikasi.

204

Documents

studi teoritik karakteristik aliran pendingin di sekitar teras reaktor