PRINSIP REAKTOR NUKLIR

Pelatihan Nasional Basic Proffesional Training Course on Nuclaer SafetyPusat Pendidikan dan Pelatihan, BATAN

2

Daftar Isi REAKSI FISSI

• Reaksi fissi berantai• Distribusi energi reaksi fissi U235

• Rendemen fissi U235

• Pengkondisian & Pengendalian reaksi fissi ASPEK NEUTRONIK

• Parameter neutronik• Siklus neutron dalam reaktor• Faktor multiplikasi• Termalisasi neutron• Distribusi fluks Maxwellian

ASPEK TERMOHIDROLIKA

3

Kesetaraan Massa dan Energi

Einstein: Massa adalah bentuk lain energiE=mc2

sebelumsesudah

REAKSI FISSI

Menjelaskan tentang proses, karakteristika, pemanfaatan dan konsep pengendalian reaksi fissi, serta model reaktor nuklir (fissi)

5

Reaksi fissi berantai Proses reaksi fissi (berdasarkan liquid drop model)

Setelah pembelahan terdapat defek massa 0.215 amu = 200 MeV (1 amu setara 931 MeV).

Energi sebesar 200 MeV didistribusikan sebagai berikut :

U235 Inti U236

tereksitasi

U236

stabil

U236

tak stabil

neutron

fraksibelah

fraksibelah

neutron

neutron

radiasi

radiasi

6

Distribusi energi reaksi fissi U235

Energi kinetik fraksi belah 165 MeV Energi kinetik neutron ± 2 MeV Energi radiasi sinar gamma (γ) langsung 8 MeV Energi radiasi β dan γ peluruhan hasil belah 16 MeV Energi partikel netral neutrino ± 9 MeV

T O T A L 200 MeV

Energi neutrino tidak menimbulkan timbulnya energi termal dalam reaktor nuklir

7

Reaksi fissi berantai Proses reaksi fissi (berdasarkan liquid drop model)

Setelah reaksi fissi, timbul dua fraksi belah yang mempunyai berat tidak selalu sama, dan mengikuti pola sebagai gambar berikut

U235 Inti U236

tereksitasi

U236

stabil

U236

tak stabil

neutron

fraksibelah

fraksibelah

neutron

neutron

radiasi

radiasi

8

Rendemen fissi U235

9

Reaksi fissi berantai Proses reaksi fissi (berdasarkan liquid drop model)

Tidak semua neutron yang bergerak menumbuk inti atom U235

dapat menimbulkan reaksi fissi.• Probabilitas neutron akan menghasilkan reaksi fissi jika menumbuk

inti U235 dengan kecepatan tertentu ditunjukkan pada gambar berikut

U235 Inti U236

tereksitasi

U236

stabil

U236

tak stabil

neutron

fraksibelah

fraksibelah

neutron

neutron

radiasi

radiasi

10

Probabilitas reaksi fissi U235 vs kecepatan neutron

Prob

abili

tas

reak

si fi

ssi

(par

amet

er ta

mpa

ng li

ntan

g)

Energi neutron dalam satuan eV10 1000.02 10 7

Neutron termal:Ek = 0.025 eV /v = 2200 m/s

11

Pengkondisian reaksi fissi berantai

U235

U235

U235

Moderator (air, grafit, air berat)

Neutron cepat

Neutron termal

12

Pengendalian reaksi fissi berantai

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

U235

Neutron cepat

Neutron termal

Moderator

Pengendali

13

Model reaktor nuklirBATANG KENDALI (CADMIUM)

BAHAN BAKAR URANIUM

BEJANA REAKTOR

14

Prinsip reaktor nuklir Dalam teori dan prinsip dasar reaktor nuklir (fissi) terdapat dua

disiplin ilmu yang sangat penting, yaitu yang menyangkut aspek karakteristika neutron (neutronik) dan aspek karakteristika termal serta pengendaliannya (termal-hidrolika=termohidrolika):• Fisika neutron (aspek neutronik) : mempelajari dan memahami

perilaku neutron di dalam teras dan parameter terkait • karakteristika fisis neutron• distribusi ruang neutron• distribusi energi neutron• aspek kinetika neutron

• Termohidrolika (aspek termal dan hidrolika) : mempelajari dan memahami perilaku termal dan hidrolika atau pendingin (karena biasanya sebagai pendingin digunakan air)

• distribusi termal• pengambilan energi termal• karakteristika interaksi termal material dalam reaktor

ASPEK NEUTRONIK

Menjelaskan tentang, karakteristika neutron meliputi: fluks neutron,

tampang lintang, distribusi neutron, persamaan difusi

16

Parameter neutronik Tampang lintang mikroskopis (σ):

Konstanta yang menunjukkan luasan (tampang) efektif dari suatu inti atom (misalnya inti U235) terhadap neutron yang datang padanya dengan kecepatan tertentu.• Semakin luas tampang lintang mikroskopis, semakin tinggi probablitas

adanya interaksi antara inti atom dengan neutron yang datang• Luas tampang lintang suatu inti atom tidak tetap, bervariasi dengan

kecepatan neutron yang ada, dan spesifik untuk setiap atom unsur• Satuan barn (1 barn = 10 -24 cm2)• Jenis tampang lintang yang utama

• tampang lintang fissi (σf ): probabilitas terjadinya reaksi fissi

• tampang lintang absorbsi (σa ): probablilitas terjadinya absorbsi neutron

• tampang lintang hamburan (σs ): probabilitas terjadinya hamburan neutron

• tampang lintang tangkapan (σc ): probabilitas terjadinya tangkapan neutron

• tampang lintang total (σt ): σt = σs + σa ; σa = σf + σc

17

Tampang lintang fissi U235

Tam

pang

lint

ang

fissi

, σ f

Energi neutron dalam satuan eV10 1000.02 10 7

Neutron termal:Ek = 0.025 eV /v = 2200 m/s

18

Parameter neutronik Tampang lintang makroskopis (Σ):

Tampang lintang mikroskopis σ adalah luasan efektif dari satu inti atom terhadap neutron yang datang, jika dalam suatu bongkah unsur (mis. U235) terdapat beberapa atom dengan kerapatan N atom/cm3, maka untuk itu didefinisikan tampang lintang makroskopis, yaitu: Σ = N σ.• Satuan : (atom/cm3) x (cm2) = cm -1

• Jenis : sama dengan tampang lintang mikroskopis Σ f , Σ a , Σ s , Σ c , Σ t

• Contoh perhitungan N :ρ : densitas unsur gr/ccA : berat massa unsur U235, A=235Navg : Bilangan Avogadro 6.023x1023

atom/mol

avgNA

N ρ=

19

Parameter neutronik Arus neutron (J) :

adalah kuantitas vektor (berarah) yang menunjukkan banyaknya neutron per detik yang melintasi suatu luasan tertentu (neutron/cm2.s, atau n.cm-2.s -1) dalam suatu arah yang tertentu pula

Fluks neutron φ :Dalam reaktor neutron bergerak ke segala arah, dan probabilitas terjadinya tumbukan antara neutron dan inti sama ke segala arah, atau dengan kata lain, secara umum probabilitas tumbukan tidak tergantung arah, tetapi bergantung pada kerapatan n (n/cm3) dan kecepatan neutron v (cm/s). Oleh karena itu didefinisikan besaran yang disebut fluks neutron, sebagai hasil kali antara kerapatan dan kecepatan neutron:

φ (n/cm2.s)= n (n/cm3) x v (cm/s)• Satuan dari fluks neutron φ (n/cm2.s) sama dengan arus neutron J

(n/cm2.s), tetapi besaran fluks neutron bersifat skalar.

20

Parameter neutronik Kecepatan reaksi (R):

adalah kecepatan terjadinya interaksi antara neutron dengan inti atom, didefinisikan sebagai

Rx = kecepatan reaksi x (rection/s) σx = tampang lintang reaksi x (cm2) φ = fluks neutron (n/cm2.s)

Misalnya, jika dalam medium terdapat inti atom U235 dengan densitas N inti/cm3, maka kecepatan reaksi fissi yang akan terjadi per cm3 atom adalah=

φσ xxR =

sec)./()..()( 121 ccfissiscmncm ff φφ Σ=Σ −−−

21

Siklus neutron dalam reaktor

40 reaksifissi U235

100 buah neutron cepat

(2 MeV)2,5 neutron dihasilkan per fissi

85 buah neutron lambat

10 diserap padakondisi neutroncepat

5 buah bocor

keluar reaktor

Pros

es p

erla

mba

tan

neut

ron

47 buah terserap U235 Difusi neutron termal

5 buah bocor

keluar reaktor

33 diserap padakondisi neutronlambat

Inti

U23

5 ter

eksi

tasi

7 buah neutronmenghasilkan U236

sengaja & tak sengaja

22

Faktor multiplikasi (k) Dalam teori reaktor, terdapat dua macam faktor multiplikasi,

yaitu:• faktor multiplikasi efektif (keff) dan

• faktor multiplikasi infinit (k∞). Faktor multiplikasi efektif keff didefinisikan sebagai:

Contoh (lihat gambar siklus neutron):

neutronkebocoranneutronpenyerapanneutronproduksikeff +

=

11090

100)55()473310(

100 =+

=++++

=effk

23

Faktor multiplikasi (k) Apabila medium reaktor sangat besar, terutama jika dibandingkan

dengan kemampuan jelajah neutron, maka tidak akan ada neutron yang bocor keluar reaktor. Pada kondisi ini dapat didefinisikan faktor multiplikasi infinit k∞ sebagai:

Contoh (lihat gambar siklus neutron):

Jika didefinisikan konstanta ν (jumlah neutron yg dihasilkan/fissi), maka k∞ dapat didefinisikan sebagai:

neutronpenyerapanneutronproduksik =∞

11.190100

)473310(100 ==

++=∞k

( ) ( )( ) ( )diabsorpsiygneutron

dihasilkanygneutron

a

f

scmabsorpsi

a

scmfissi

ffissi

neutronkΣΣ

=Σ

Σ=∞ ν

φ

φν

.

.

3

3

24

Faktor multiplikasi (k) Status kritikalitas reaktor nuklir:

Berdasarkan faktor multiplikasi, didefinisikan tiga kondisi kritikalitas reaktor:• kondisi subkritis : faktor multiplikasi < 1• kondisi kritis : faktor multiplikasi = 1• kondisi superkritis : faktor multiplikasi > 1

Kondisi subkritis biasanya terjadi pada saat penurunan daya (jumlah reaksi fissi) reaktor

Kondisi kritis biasanya digunakan untuk membawa reaktor pada kondisi operasi dengan daya (jumlah reaksi fissi) kostan

Kondisi superkritis biasanya terjadi pada saat penaikan daya (jumlah reaksi fissi) reaktor

Ketiga kondisi diatas dijelaskan dalam konteks operasi normal, dalam kondisi anomali atau kecelakaan ketiga status kritikalitas dapat muncul dengan urutan yang tak rerduga

25

Termalisasi neutrondalam reaktor

40 reaksifissi U235

100 buah neutron cepat

(2 MeV)2,5 neutron dihasilkan per fissi

85 buah neutron lambat

10 diserap padakondisi neutroncepat

5 buah bocor

keluar reaktor

Pros

es p

erla

mba

tan

neut

ron

47 buah terserap U235 Difusi neutron termal

5 buah bocor

keluar reaktor

33 diserap padakondisi neutronlambat

Inti

U23

5 ter

eksi

tasi

7 buah neutronmenghasilkan U236

sengaja & tak sengaja

σf U235

26

Termalisasi neutron dalam reaktor

10 -3 10 0 10 3 10 6

Rentang energi termal Rentang energi perlambatan Rentang energi fissi

Energi neutron, eV

φ (E)

27

Distribusi fluks Maxwellian Di dalam reaktor, inti atom material penyusun reaktor menempati

ruang yang sangat kecil dibandingkan ukuran atom. Oleh karena itu neutron di dalam reaktor bergerak di sela-sela ruang vakum antara inti atom. Kondisi ini mirip dengan partikel gas dalam ruang.

Neutron termal berdifusi dalam reaktor mengikuti teori kinetik gas.

Pada temperatur ruang 20 oC (293 K), neutron akan mempunyai energi: E = kT (k:tetapan Boltzman 1.38x10-16 erg/K), neutron ini disebut sebagai neutron termal

( )( ) ( )( ) smvergvgrammv

eVergeVKKergE/2200)(1004.4)(10672.1

0253.0)/(1025.6)(293)/(1038.114224

212

21

1116

=⇒×=××==××=

−

−

28

Model distribusi neutron Dalam reaktor nuklir, terutama reaktor yang berbahan bakar

U235 seperti kebanyakan reaktor yang sekarang sedang beroperasi, populasi neutron didominasi oleh neutron lambat, atau disebut neutron termal.

Neutron termal bergerak dalam reaktor nuklir mengikuti hukum difusi.

Persamaan difusi neutron:

)(:;

;

)/(:

23

33

3

333

cmneutrondifusikoefisienDDscm

bocorkrnhilangneutronscmabsorpsikrnhilangneutronk

scmdiproduksiygneutron

cmneutronneutrondensitasnscm

bocorkrnhilangneutronscmabsorpsikrnhilangneutron

scmdiproduksiygneutron

dtdn

aa

φ

φφ

∇−=⋅

Σ=⋅

Σ=⋅

⋅−

⋅−

⋅=

∞

29

Model distribusi neutron Persamaan difusi neutron:

Jika reaktor dalam kondisi kritis, artinya jumlah produksi neutron sama dengan yang diserap dan lolos (kondisi reaktor pada saat beroperasi normal pada daya konstan), maka pada kondisi ini dn/dt = 0, sehingga persamaan difusi neutron menjadi:

φφφ 2∇+Σ−Σ= ∞ Dkdtdn

aa

0

0

2

2

=Σ+Σ−∇

=∇+Σ−Σ=

∞

∞

φφφ

φφφ

aa

aa

kD

Dkdtdn

30

Bakling (buckling) Dari persamaan difusi neutron dapat didefinisikan parameter

bakling:

0;)1(

;0:

11;)1(11

)1(11;)1(1

11

222

22

22

222

22

2

=+∇⇒∇−=−Σ=

=⇒=

=+−Σ

=∇−

−=∇Σ

−Σ

Σ−=∇−

Σ+Σ−∇===

∞

∞

∞∞

∞

φφφ

φ

φ

φφφ

φφφ

φφφ

φφφφ

φφφφ

gga

m

mg

mga

a

a

aaa

aa

BBkD

B

BBdtdkritiskondisi

BBdtd

vDk

Ddtd

vD

kDdtd

vkD

dtd

v

kDdtd

vdtdnv

vdtdn

31

Distribusi fluks neutron Berdasarkan persamaan: 022 =+∇ φφ gB

32

Model neutronik reaktor Teori Transport

Pemodelan distribusi neutron yang memperhitungkan keterkaitan dengan ruang, energi, sudut angular. Model ini sangat kompleks dan merupakan model yang teliti

Teori DifusiModel pendekatan pertama dari Teori Transport, dalam pemodelan distribusi neutron diperhitungkan faktor keterkaitan neutron terhadap ruang dan energi:• Teori difusi neutron multi kelompok (energi)• Teori difusi neutron dua kelompok (energi)• Teori difusi neutron satu kelompok (energi)

Teori Umur FermiPerlambatan neutron cepat diperhitungkan sebagai proses kontinu dan dengan ini menghasilkan persamaan difusi satu kelompok tetapi lebih teliti dari persamaan difusi satu kelompok biasa

ASPEK TERMOHIDROLIKA

Menjelaskan tentang proses, karakteristika, pemanfaatan dan konsep pengendalian reaksi fissi, serta model reaktor nuklir (fissi)

34

Struktur reaktor

PENDINGIN

BAHAN BAKAR

35

Distribusi temperatur

36

Pengambilan panas

Energi termal dibangkitkan sebesar lebih kurang 200 MeV di dalam daging bahan bakar.

Selanjutnya panas berdifusi keluar daging dan kemudian melalui celah ruang antara daging bahan bakar dan kelongsong

Panas yang berdifusi dalam kelongsong, kemudian diambil oleh pendingin yang biasanya berupa air (dapat pula berupa gas atau logam cair)

Pendingin, selanjutnya mengambil panas untuk dimanfaatkan energinya (pada reaktor daya), atau dibuang ke lingkungan (pada reaktor riset)

37

Batasan termal Daging bahan bakar:

• Bahan UC : titik leleh 2800 oC• Bahan UO2 : titik leleh 2500 oC

• U3O8Al : titik leleh 590 oC Kelongsong:

38

DNBR

FLUKS PANAS

FLUKS PANAS DNB

DNBR

3.1≥=LOKALPANASFLUKSLOKALDNBPANASFLUKSDNBR

DNBR=1.3

TERIMA KASIHATAS PERHATIAN ANDA

Semoga bermanfaat, mohon maaf jika terdapat kata, percakapan dan

penyampaian yang kurang berkenan di hati anda