~

batan

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLffi

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

ANALISIS INJEKSI SERBUK GRAFIT UNTUK MITIGASIDEGRADASI STRUKTUR TERAS SELAMA KECELAKAAN AIR

INGRESS RGTT200K

SumijantoPusat Teknologi Reaktor Dan Keselamatan Nuklir - BA TAN

sumijanto52@gmail.com

ABSTRAK

ANALISIS INJEKSI SERBUK GRAFIT UNTUK MITIGASI DEGRADASI STRUKTURTERAS SELAMA KECELAKAAN AIR INGRESS RGTT200K. Reaktor GasTemperatur Tinggi 200 MW termal Kogenerasi (RGTT200K) adalah perangkat nukliryang merupakan reaktor daya nuklir generasi empat, dirancang untuk pembangkitlistrik serta mampu menghasilkan energi termal temperatur tinggi yang dapatdimanfaatkan dalam berbagai industri strategis nasional. Air ingress adalah peristiwamasuknya udara kedalam teras reaktor yang berpotensi menyebabkan degradasistruktur teras melalui proses oksidasi. Konsep mitigasi degradasi struktur terasdilakukan dengan menginjeksikan grafit untuk menangkap oksigen dalam udarasehingga tidak merusak struktur teras. Efektifitas injeksi grafit dianalisis menggunakanperangkat lunak ChemCAD. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan datatentang efektifitas serb uk grafit dalam mitigasi air ingress, yang akan digunakansebagai dasar dalam pembuatan desain konseptual sistem keselamatan RGTT200K.Hasil analisis menunjukkan bahwa injeksi serbuk grafit dalam teras reaktor mampudengan efektif memitigasi kecelakaan air ingress terparah dengan laju alir massaserb uk grafit sebesar 0,2943 kg/detik.Degradasi grafit struktur teras reaktor dapatdicegah. Pada kondisi kecelakaan air ingress terparah terjadi peningkatan kuantitasgas pengotor CO dalam pendingin reaktor dengan laju alir massa sebesar 0.6862kg/detik.

Kata kunci: Mitigasi, struktur teras, air ingress, RGTT200K.

ABTRACT

GRAPHITE POWDER INJECTION ANAL YSIS FOR MITIGA TION CORESTRUCTURE DEGRADA TlON DURING AIR INGRESS ACCIDENT ON RGTT200K.High Temperature Gas Reactor 200 MW Thermal Cogeneration (RGTT200K) is anuclear device is a four-generation nuclear power reactor, designed for powergeneration as well as capable of producing high-temperature thermal energy that canbe utilized in a variety of national strategic industries. Water ingress is the event of airentry into the reactor core that could potentially lead to degradation of the structure ofthe core through the process of oxidation. Degradation mitigation concepts the corestructure with the injection of graphite to capture oxygen in the air so as not to damagethe structure of the core. Effectiveness of graphite injection were analyzed using thesoftware ChemCAD. The purpose of this study was to obtain data on the effectivenessof graphite powder in mitigation water ingress, which will be used as the basis for theconceptual design of manufacturing systems RGTT200K safety. Results of theanalysis showed that the injection of graphite powder in the reactor core is able toeffectively mitigate severe air ingress accidents of with graphite powder mass flowrate of 0.2943 kg / sec. Degradasi graphite reactor core structure can be prevented.On the condition of the severe air ingress accident occur increases in the quantity ofgas impurities with CO in the reactor coolant mass flow rate of 0.6862 kg / sec.

Keywords: Mitigation, core structure, air ingress, RGTT200K.

Sumijanto ISSN 1410 - 8178 Buku I hai. 87

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR.

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

@>batan

PENDAHULUAN

Reaktor Gas Temperatur Tinggi 200 MWtermal Kogenerasi (RGTT200K) adalah perangkatnuklir yang merupakan reaktor daya nuklirgenerasi empat, dirancang untuk pembangkitlistrik serta mampu menghasilkan energi termaltemperatur tinggi yang dapat dimanfaatkan dalamberbagai industri strategis nasional[1]. PendinginRGTT200K menggunakan gas helium murni yangberoperasi pada temperatur 950 °c dan tekanan 5Mpa. Instalasi reaktor RGTT200K dibangundengan sistem modul[2]. RGTT200K didesaindengan beberapa keunggulan diantaranya adalahmempunyai efisiensi termal relatif tinggi, mampukogenerasi dengan produksi hidrogen atauindustri yang menggunakan energi termal sepertigasifikasi batubara, desalinasi air, dan enhance oilrecovery (EOR), serta menggunakan sistemkeselamatan pasif tingkat tinggi yaitu mampumengamankan segala kecelakaan reaktor tanpabantuan manusia [3]

Komponen utama teras RGTT200K yaitumoderator neutron, reflektor neutron, kelongsongelemen bahan bakar bola serta struktur bagiandalam teras didesain menggunakan bahan grafit.Grafit mempunyai beberapa keunggulan yaitumempunyai kapasitas panas tinggi, relatif inert,dan sangat konduktif terhadap termal. Selain haltersebut jika terjadi kenaikan temperatur padateras reaktor (pada kondisi kecelakaan reaktor),maka kemampuan grafit untuk menyerap neutronakan semakin meningkat sehingga grafit secaraneutronik mampu membangkitkan koefisienreaktifitas negatif pada reaktor yang berperansebagai inhernt safety [4].Selain hal tersebut grafitjuga mempunyai kapasitas panas yang relatiftinggi sehingga struktur teras yang mayoritasterbuat dari grafit dapat terhindar dari pelelehan.Mengingat peran grafit dalam RGTT200K sangatstrategis, maka integritas grafit harus selalu dapatdipertahankan pada kondisi kecelakaan apapun.Disintegrasi grafit sebagai material komponenutama teras akan berakibat pada turunnya tingkatkeandalan dan keselamatan operasi reaktor.Injeksi serbuk grafit merupakan kandidat untukmitigasi degradasi material komponen utama teraskarena serbuk grafit akan bereaksi lebih duludengan oksigen dari udara.

Dalam makalah ini dianalisis efektifitas

injeksi serbuk grafit kedalam pendingin reaktoruntuk mitigasi oksidasi material struktur terasselama kecelakaan air ingress dalam RGTT200K.

Tujuan penelitian ini adalah untukmendapatkan data tentang efektifitas serbuk grafitdalam menurunkan kadar oksigen dalampendingin reaktor yang masuk akibat kecelakaan

air ingress. Implementasi data hasil penelitian inidigunakan untuk membuat desain konseptualsistem rnitigasi oksidasi material struktur terasreaktor selama kecelakaan air ingress dalamRGTT200K menggunakan sistem injeksi serbukgrafi t..

Analisis laju reaksi antara grafit danoksigen dilakukan dengan menggunakanperangkat lunak ChemCAD. Validasi paketprogram ini pada aktual desain dan operasi planbaik itu proses, instrumentasi dan teknik kendalitelah dilakukan[5], Oleh karena itu model reaksi

kimia Chemcad digunakan pada penelitian ini.Simulasi interaksi serb uk grafit dan

oksigen dalam udara dipilih dengan kondisitemperatur 1200 °c tekanan I atsmosfrr sebagaidata masukan dalam ChemCAD. Laju alir mass aoksigen divariasi untuk mendapatkan optimasi&aksi serbuk grafit yang efektif untuk mernitigasikecelakaan air ingress.

TEORI DAN TAT A KERJA

Kecelakaan air ingress pada RGTT200Kadalah peristiwa masuknya udara yangmengandung oksigen, yang terjadi setelahpecahnya pipa pendingin yang diikuti denganpenurunan tekanan pendingin sehingga udaramas uk kedalam pendingin reaktor. Masuknyaudara kedalam pendingin reaktor dimulai dariadanya perbedaan temperatur dan massamolekuler antara helium pendingin reaktor danudara luar, gradien densitas, kecelakaan, pipapecah, air ingress, sehingga terjadi oksidasigrafit, dan pelemahan struktur grafit[4]. Rutepenyebab terjadinya kecelakaan air ingresssampai degradasi struktur grafit pada RGTT200Kseperti ditunjukkan pada Gambar 1[6].

Degradasi struktur grafit terutamadisebabkan oleh reaksi oksidasi internal dalam

pori-pori grafit. Reaksi oksidasi antara oksigendan grafit menyerang bagian dalam pori-poristruktur grafit sehingga akan melemahkankekuatan mekanik grafit mengikuti persamaanreaksi berikut :

2C + 02 -> 2CO (1)

C + 02

-> CO2 (2)

C + C02 -> 2CO

(3)

2CO + 02 -> 2C02

(4)

Bulru I hal. 88 ISSN 1410 - 8178 Sumijanto

~

batan

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

1. Perbedaan temperatur

2. Perbedaan massa molekuler

3. Gradien densitas

4. Kecelakaan

5. Kegagalan pipa

6. Gradien densitas mendorong aliran

7. Air ingress

8. Panas teras

9. Konduktivitas tinggi

10. Kapasitas panas tinggi

11. T emperatur tinggi

12.. Oksidasi

13. Degradasi struktur

14. Peningkatan beban

15. Pelemahan struktur grafit

A = Menyebabkan

B = lnisiasi

C = Mempercepat

D= Menj aga/mempertahankan

Gambar 1. Rute penyebab terjadinya kecelakaan air ingress dan pelemahan struktur graftt pada RGTT200K

Oksidasi internal graftt mulai terjadi padatemperatur relatif rendah yaitu antara 500 DC sid

700 DC dimana laju oksidasi lambat dandikendalikan oleh kenetika reaksi[7]. Ketika

oksidasi internal dominan maka hanya densitasgraftt yang menurun tanpa ada perubahan bentukluar dan perubahan ukuran graftt. Peningkatanstres lokal yang disebabkan oleh oksidasiekternal, dimana ini terjadi ketika laju oksidasisangat tinggi dan proses ini dikendalikan(bergantung) oleh transfer mass a (defusi) oksigendalam aliran pendingin (diffusion controlledregime) hingga sampai pada permukaan strukturgraftt. Perubahan oksidasi ekternal graftt akanteIjadi jika ada perubahan yang disebabkan olehpenurunan lokal area, konsentrasi beban danstress pada permukaan yang paling kecil. Secara

umum, oksidasi graftt adalah didominasi olehoksidasi eksternal pada temperatur lebih tinggidari 950 Dc. Sedangkan pada temperatur antara650 DC - 950 DC kedua mekanisme kegagalangraftt secara komplek bercampur bersama sarnasehingga mempercepat degradasi graftt[8].

Seperti ditunjukkan pada pertengahanGambar 1, terlihat bahwa pelemahan strukturgraftt disebabkan oleh oksidasi dan temperaturtinggi. Penyebab kondisi ini berasal dariperbedaan temperatur dan massa molekul antarabagian dalam (helium pending in reaktor) danbagian luar dari tangki reaktor (udara). Ketikaoksigen menjadi reaktan utama, maka oksidasigraftt tidak akan terjadi tanpa adanya air ingress.Laju oksidasi dan kegagalan struktur sangatdiefektifkan I bergantung oleh kecepatan air

Sumijanto ISSN 1410 - 8178 Buku I hal. 89

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

@>batan

1.2

HASIL DAN PEMBAHASAN

I-+- Keluaran 02 --- Keluaran C -6- Keluaran CO I

Hasil interaksi serbuk grafit dan oksigen dalamudara seperti pada Gambar 2.

0.50.40.1 0.2 0.3

Input 02 (kg/s)

0.2

Simulasi interaksi serbuk grafit danoksigen (air ingress/oksigen yang terkandungdalam udara sebesar 20%) menggunakanperangkat lunak ChemCad pada kondisitemperatur 1200 °c dan tekanan I atsmosfir.Kondisi temperatur ini mensimulasikan kondisitemperatur pada kejadian kecelakaan air ingressterparah, dimana reaktor shutdown dan temperaturakan naik sampai maksimal 1200 DC,dan tekananpendingin seimbang dengan udara luar sebesar 1atmosfer. Laju alir serbuk gratH 1 kg/s (padakondisi ini dipilih jumlah gratH yang berlebihsehingga dapat berinteraksi dengan semua

Gambar 2. Hasil interaksi serbuk grafit danoksigen dalam udara.

RCCS yang efektif maka temperatur teras tidakakan melebihi 1200 °c (7].

Laju aliran udara yang masuk kedalamteras yang diasurnsikan dari pipa pecah/retak kecilmulai ukuran 65 mm dengan laju 0.05 kg/ssampai dengan maksimal laju alir massa udarasebesar 1.4 kg/s (7].

Hasil interaksi antara oksigen yangterkandung dalam udara yang masuk kedalamteras melalui air ingress dianalisis menggunakanperangkat lunak ChemCAD dengan input datapersamaan reaksi antara grafit dan oksigen,konstanta kecepatan reaksi, energi aktivasi, danpanas reaksi.

:F ° 8~.-;; 0.6•.::5 0.4

Bahan dan peralatan UtamaBahan

Bahan yang digunakan dalam analisis ini adalahdata ten tang karakteristik grafit, oksigen, sertapersamaan reaksi antara grafit dan oksigen.Perala tan Utama

Dalam menganalisis kebutuhan serbuk grafituntuk rnitigasi degradasi struktur terasRGTT200K akibat kecelakaan air ingress,digunakan perangkat lunak ChemCAD.

k = Konstanta laju reaksiE = Energi aktifasiR = Tetapan gas universalT = TemperaturP02 = Tekanan parsial oksigenLaju air ingress bergantung oleh dua

mekanisme fisika : yaitu defusi molekuler danperbedaan densitas yang menggerakkan aliran.Seperti terse but diatas, studi baru tentang airingress setelah pipa pecah dan penurunan tekananmenunjukkan bahwa defusi molekuler dapatdiabaikan terhadap perbedaan densitas yangmenggerakan aliran .. Oleh sebab itu defusimolekuler tidak termasuk dalam rooting causesgambar I.Perbedaan densitas yang menggerakkanaliran dalam postualsi kecelakaan air ingressRGTT200K dipicu oleh perbedaan densitas darisalah satu perbedaan massa molekuler atauperbedaan temperatur antara bagian dalam danbagian luar reaktor. Pada mulanya aliran yangdisebabkan oleh perbedaan dens itas di bangkitkanoleh perbedaan massa molekuler antara helium(bagian dalam reaktor) dan udara (pada bagianluar reaktor). Setelah udara mas uk/ mengisibagian bawah tangki reaktor,maka perbedaantemperatur menjadi pernicu (driving force)utamanya (7]

Asumsi Kecelakaan Air IngressAir ingress kedalam teras RGTT200K

diasumsikan diawali dengan adanya penurunantekanan pada sistem pendingin setelah terjadipecahnya pip a saluran pendingin sehingga reaktorscram dan tekanan pendingin menjadi atmosfirik.Selanjutnya serangan air ingress diasumsikandimulai dengan cepat pada 24 jam, 48jam atau 96jam setelah penurunan tekanan [6].

Dalam kecelakaan ini total panas yangdihasilkan reaktor (setelah reaktor scram) adalahjumlah dari panas peluruhan produk fisi danpanas reaksi yang dihasilkan oleh reaksi kirniaantara oksigen dan grafit. Sebagian besar daripanas yang dibangkitkan tersebut ditransfer dariteras ke RCCS (Reactor Cavity Cooling System),yang mengelilingi tangki reaktor, oleh konduksidan radiasi didalam tangki reaktor serta olehradiasi dan konveksi alam diluar tangki reaktor,sementara hanya sebagian dari total panasditranfer oleh konvektif aliran udara. Dengan

ingress. Temperatur tinggi pada bagian dalamreaktor secara signifikan mempercepat oksidasigrafit karena reaksi oksidasi secara eksponensialmeningkat dengan temperatur sesuai denganmodel persamaan reaksi Arrhenius [9].

Laju oksidasi = k exp (-EIRT) • POz (2)

Buku I haI. 90 ISSN 1410 - 8178 Sumijanto

~

batan

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR.

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

oksigen) dan variasi laju aliran massa udaradalam reaksi ini diasumsikan dengan laju 0.05kg/s (mensimulasikan kondisi laju alir massaoksigen pada saat kecelakaan air ingress yaitu0,01 kg/s) sampai dengan 2,0 kg/s (atau seteralaju alir massa oksigen 0,40 kg/s). Dari Gambar 2dapat diketahui bahwa dengan kenaikan laju alirmassa oksigen yang terbawa oleh air ingress dari0,01 kg/s hingga 0,40 kg/s menimbulkan interaksidengan serbuk gratH yang semakin efektif, hal iniditengarai dengan menurunnya kuantitas gratHyang keluar dari reaktor yaitu mulai dari 0,9926hingga 0,008031 kg/so

Kondisi ini berarti bahwa jumlah gratHyang harus diinjeksikan untuk mengatasi airingress (merupakan selisih dari gratH yang masukkedalam reaktor dengan gratit yang keluar darireaktor) meningkat dengan laju dari 0,0074 kg/shingga 0,2943 kg/so Selain hal tersebut jugadiikuti dengan kenaikan laju alir massa gas COsebagai hasil interaksi gratH dan oksigen yangkeluar dari reaktor yaitu mulai dari 0,01714 kg/shingga 0,68621 kg/so Indikasi keefektifan yanglain adalah kuantitas luaran gas oksigen darireaktor yang realtif sedikit, meskipun terjadikenaikan kuantitas. Adanya gas oksigen yangtidak habis bereaksi tersebut juga berkontribusidalam meningkatan gas pengotor dalampendingin reaktor mulai dari 0,000205 kg/shingga 0,008031 kg/s yang pada akhimya jugaharus dihilangkan. Sementara hasil reaksi gasCO2 yang keluar dari reaktor terlihat relatif tidakterjadi kenaikan yang signifikan (hanya sedikitsaja).

Secara keseluruhan dapat diindikasikanbahwa injeksi serbuk grafit dalam teras reaktormampu dengan efektif memitigasi kecelakaan airingress terparah dengan laju alir massa serbukgrafit sebesar 0,2943 kg/detik. Degradasi grafitstruktur teras reaktor dapat dicegah. Pada kondisikecelakaan air ingress terparah terjadipeningkatan kuantitas gas pengotor CO dalampendingin reaktor dengan laju alir massa sebesar0.6862 kg/detik.

KESIMPULAN

Injeksi serbuk grafit dalam teras reaktormampu dengan efektif memitigasi kecelakaan airingress terparah dengan laju alir massa serb ukgrafit sebesar 0,2943 kg/detik. Degradasi grafitstruktur teras reaktor dapat dicegah. Pada kondisikecelakaan air ingress terparah terjadipeningkatan kuantitas gas pengotor CO dalampendingin reaktor dengan laju alir massa sebesar0.6862 kg/detik. Untuk mitigasi degradasistruktur reaktor, injeksi serbuk grafit dapat

diaplikasikan dalam desain konseptual sistemkeselamatan RGTT200K.

UCAPAN TERIMA KASIH

Pada kesempatan ini penulismengucapkan banyak terima kasih kepadakhususnya Jr. Pancoko Marliadi, Drs. Ing. DjokoIrianto, Dedy Haryanto Amd, Ir Suwoto sertasegenap staf BPR PTRKN BAT AN padaumumnya, yang telah banyak membantu dalampembuatan makalah ini.

DAFT AR PUST AKA

I. Anonim, RENSTRA PTRKN BATAN2009 - 2014.

2. Anonim "Introduction To The Pebble Bed

Modular Reactor (PBMR) " DocumentNo.009949-185,Rev 1,2001.

3. Zuhair "Studi Efek Fraksi Packing TrisoDalam Desain Kritikalitas RGTT200K" ,Prosiding Seminar Nasional TKPFN ke 17di Yogyakarta, ISSN 084-2910, 2011.

4. Anonim "Persyaratan Umum Disain SENKogenerasi" PTRKN-BATAN 2010

5. John E Edwards "Chemical Engineering InPractice" Second Edition, Cham cadPublication

6. YM. Femg, C.W. Chi "CFD InvestigatingThe Air Ingress Accident For a HTGRSimulation Of Graphite Corrosion Oxidation" , Nuclear Engineering And Design 248 55­65, Taiwan, 2012

7. H. Haque " Consequences Of Delayed AirIngress Following A DepressurizationAccident In A Hight Temperature Reactor"Elservier, Nuclear Engineering And Design238 3041-3046,2008

8. Chang H. Oh. Eung Soo Kim" ConseptualStudy On Air Ingress Mitigation For VHTR" Elsever, Nuclear Engineering And Design250448-464, 2012

9. Anonim "GENERAL ATOMIC "GraphiteDesign Handbook", DOE-HTGR-88I II/Rev0,909597/0, page 3-5,3-6, 1988.

TANYAJAWAB

Sudaryadi~ Untuk menjaga kestabilan posisi grafit agar

tidak terdegradasi bagaimana caramengantisipasinya?

Sumijanto ISSN 1410 - 8178 Buku I hal. 91

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

~

batan

~ Apakah dapat direvitalisasi sendiri jika terjadidegradasi dan apakah kualitas grafit yang adadi pasaran sesuai?

Sumijanto~ Agar graftt struktur reaktor tidak ikut

terdegradasi maka injeksi graftt harustepat/tidak berlebihan.

~ Kalau terjadi degradasi struktur reactormaka jika melampaui keselamatan kritisnyaharus diganti/revitalisasi. Graftt dipasaranyang nuklir grid sudah tersedia.

Agus Nur Rachman~ Peristiwa Air Ingress terjadi pada kondisi

seperti apa?~ Apakah ada efek sarnping dari penginjeksian

grafit dalarn teras reaktor?

Sumijanto~ Air Ingress terjadi pada kondisi pipa

pendingin pecah/bocor sehingga udaramasuk teras dan bereaksi dengan grafttsebagai struktur utama teras RGTT200KSehingga kekuatan graftt terdegradasikarena korosi.

~ Injeksi graftt menimbulkan efek sampingyaitu jika tidak tepat penambahannya akanmuncul sebagai debu karbon yang jugamenimbulkan masalah baru dalam reaktor.

Buku I haI. 92 ISSN 1410 - 8178 Sumijanto