Upload
muhamad-ameer-hakim
View
67
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Reaktor Fisi Nuklir
Citation preview
APLIKASI KHUSUS SISTEM KONTROL
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR
Disusun Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah
Aplikasi Khusus Sistem Kontrol
Disusun oleh:
M. Ameer Hakim 105060307111005
Haris Setyawan 105060300111028
Wirangga Luvianca 115060300111029
Yudhanto Iman N 115060307111017
Syahriel Yahya 115060307111035
Wildan Wahyu R 115060300111063
Ardyanto Dwi K 115060300111022
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
MALANG
2013
KATA PENGANTAR
Puji syukur penyusun panjatkan kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha
Esa yang telah memberikan rahmat serta hidayah-Nya sehingga penyusunan
makalah ini dapat diselesaikan dengan baik. Makalah ini disusun untuk memenuhi
Tugas Mata Kuliah Aplikasi Khusus Sistem Kontrol. Bersama dengan makalah ini
penyusun turut membuat presentasi.
Terima kasih penulis sampaikan kepada dosen Pengampu mata kuliah
Aplikasi Khusus Sistem Kontrol dan semua pihak yang telah membantu kelancaran
penyusunan makalah ini.
Demikian makalah ini disusun agar dapat memenuhi tugas mata kuliah
Aplikasi Khusus Sistem Kontrol. Penyusun juga berharap agar makalah ini dapat
menambah refrensi pembaca mengenai pengendalian reaktor fisi nukir.
Malang, 28 April 2014
Penyusun.
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 1
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR
1. Pendahuluan
Dalam ruang reaktor, proses fisi adalah tubrukan neutron yang
menghasilkan energi, yaitu tenaga panas yang sebanding dengan fluks neutron dan
makroskopik fisi. Saat reaktor beroperasi, penampang makroskopik menurun
sebanding jumlah fisi nuklida yang menurun. Namun, selama periode dasarnya
singkat, penampang tetap konstan, dan kekuatan diasumsikan berubah hanya
dengan fluks neutron. Dalam kebanyakan situasi reaktor dikontrol dengan
memvariasikan fluks neutron. Diantara metode umum yang tersedia, penyisipan
dan penarikan penyerap neutron yang paling umum digunakan dalam reaktor daya.
Bahan yang digunakan sebagai penyerap kontrol memiliki penampang penyerapan
yang besar, seperti boron , kadmium atau hafnium. Peredam yang kuat dalam inti
bersaing dengan bahan fisil untuk neutron. Dengan kata lain, neutron yang diserap
oleh kontroler tidak lagi tersedia untuk menginduksi fisi, sehingga mengurangi
daya.
2. Nuklir
Nuklir adalah suatu tinjauan terhadap bagian atomik dari benda (tinjauan
atomik). Sesuatu yang berkaitan dengan nuklir behubungan dengan atom. Atom
disebut sebagai bagian terkecil dari suatu benda, meski atom terdiri atas proton,
neutron, dan elektron.
Nuklir adalah benda tergolong baru, sehingga jumlahnya sedikit teknologi
manusia yang mampu menguak rahasia nuklir. Sebenarnya dengan logika
sederhana kita bisa berpikir bahwa setiap benda tersusun atas atom (nuklir), dengan
kata lain kita bisa merekayasa semua benda yang ada di bumi dengan merubah
struktur atom (proton, neutron, elektron). Teknologi nuklir manusia zaman
sekarang lebih banyak berkaitan dengan energi. melalui fusi (hidrogen) atau fisi
(uranium). jadi paradigma bahwa nuklir adalah bom itu diakibatkan banyaknya
propaganda dan besarnya pemberitaan media yang berkaitan dengan nuklir. Hal ini
disebabkan teknologi nuklir yang kita miliki sudah cukup untuk membuat benda
(bom) yang memiliki daya ledak sangat besar.
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 2
Gambar 1. Komponen Atom
Energi Nuklir adalah energi yang dihasilkan dengan mengendalikan reaksi
nuklir. Energi nuklir merupakan salah satu sumber energi di alam ini yang diketahui
manusia bagaimana mengubahnya menjadi energi panas dan listrik. Sejauh ini,
energi nuklir adalah sumber energi yang yang paling padat dari semua sumber
energi di alam ini yang bisa dikembangkan manusia. Artinya, kita dapat
mengekstrak lebih banyak panas dan listrik dari jumlah yang diberikan
dibandingkan sumber lainnnya dengan jumlah yang setara. Sebagai pembanding, 1
kg batu bara dan uranium yang sama - sama berasal dari perut bumi. Jika
mengekstrak energi listrik dari 1 kg batubara, kita dapat menyalakan lampu bohlam
100W selama 4 hari. Dengan 1 kg uranium, dapat menyalakan bohlam paling
sedikit selama 180 tahun.
Dalam fisika nuklir, sebuah reaksi nuklir adalah sebuah proses di mana dua
nuklir atau partikel nuklir bertubrukan, untuk memproduksi hasil yang berbeda dari
produk awal. Pada prinsipnya sebuah reaksi dapat melibatkan lebih dari dua partikel
yang bertubrukan, tetapi kejadian tersebut sangat jarang. Bila partikel-partikel
tersebut bertabrakan dan berpisah tanpa berubah (kecuali mungkin dalam level
energi), proses ini disebut tabrakan dan bukan sebuah reaksi. Secara umum, energi
nuklir dapat dihasilkan melalui dua macam mekanisme, yaitu pembelahan inti atau
reaksi fisi dan penggabungan beberapa inti melalui reaksi fusi. Reaksi fusi nuklir
adalah reaksi peleburan dua atau lebih inti atom menjadi atom baru dan
menghasilkan energi, juga dikenal sebagai reaksi yang bersih. Reaksi fisi nuklir
adalah reaksi pembelahan inti atom akibat tubrukan inti atom lainnya, dan
menghasilkan energi dan atom baru yang bermassa lebih kecil, serta radiasi
elektromagnetik. Reaksi fusi juga menghasilkan radiasi sinar alfa, beta dan gamma
yang sangat berbahaya bagi manusia.
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 3
Contoh reaksi fusi nuklir adalah reaksi yang terjadi di hampir semua inti
bintang di alam semesta. Senjata bom hidrogen juga memanfaatkan prinsip reaksi
fusi tak terkendali.
Contoh reaksi fisi adalah ledakan senjata nuklir dan pembangkit listrik
tenaga nuklir. Unsur yang sering digunakan dalam reaksi fisi nuklir adalah
Plutonium dan Uranium (terutama Plutonium-239, Uranium-235), sedangkan
dalam reaksi fusi nuklir adalah Lithium dan Hidrogen (terutama Lithium-6,
Deuterium, Tritium).
2.1 Uranium- 238
Uranium ditemukan oleh Martin Heinrich Klaproth , seorang kimiawan
Jerman , dalam bijih-bijih uranium mineral (terutama campuran uranium oksida)
pada 1789 .
Gambar 2. Penampang Uranium-238
Uranium adalah unsur kimia metalik putih keperakan dalam seri aktinida
dari tabel periodik, dengan simbol U dan nomor atom 92. Sebuah atom uranium
memiliki 92 proton dan 92 elektron, dimana 6 adalah elektron valensi. Uranium
lemah radioaktif karena semua isotop tidak stabil (dengan waktu paruh dari 6 isotop
alami dikenal, U-233 sampai dengan U - 238, bervariasi antara 69 tahun dan 4
milyar tahun) . Isotop yang paling umum dari uranium adalah uranium-238 (yang
memiliki 146 neutron dan menyumbang hampir 99,3 % dari uranium yang
ditemukan di alam) dan uranium-235 (yang memiliki 143 neutron, akuntansi untuk
0,7 % dari elemen yang ditemukan secara alami). Uranium memiliki berat atom
kedua tertinggi dari unsur-unsur primordial terjadi, lebih ringan daripada
plutonium dengan kepadatan sekitar 70% lebih tinggi dari timbal, tapi tidak padat
seperti emas atau tungsten. Hal ini terjadi secara alami dalam konsentrasi rendah
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 4
beberapa bagian per juta dalam tanah, batuan dan air, dan komersial diekstrak dari
mineral uranium - bearing seperti uraninit .
Di alam, uranium ditemukan seperti uranium-238 (99, 2739-99, 2752%),
uranium-235 (0,7198 - 0,7202%), dan jumlah yang sangat kecil dari uranium-234
(0,0050-0,0059%) Uranium meluruh. Perlahan-lahan dengan memancarkan
partikel alpha. Waktu paruh uranium-238 adalah sekitar 4470000000 tahun dan
bahwa uranium-235 adalah 704 juta tahun, berguna dalam berpacaran usia Bumi.
Banyak menggunakan kontemporer uranium mengeksploitasi sifat unik
nuklirnya. Uranium-235 memiliki perbedaan menjadi hanya terjadi secara alami
isotop fisil. Uranium-238 adalah fisi oleh neutron cepat, dan subur, yang berarti
dapat ditransmutasikan untuk fisil plutonium-239 dalam reaktor nuklir. Lain isotop
fisil, uranium-233, dapat diproduksi dari torium alam dan juga penting dalam
teknologi nuklir. Sementara uranium-238 memiliki probabilitas kecil untuk fisi
spontan atau bahkan diinduksi fisi dengan neutron cepat, uranium-235 dan untuk
tingkat yang lebih rendah uranium-233 memiliki fisi yang jauh lebih tinggi
penampang neutron untuk lambat. Pada konsentrasi yang cukup , isotop
memelihara reaksi berantai nuklir berkelanjutan. Ini menghasilkan panas dalam
reaktor nuklir, dan menghasilkan bahan fisil untuk senjata nuklir.
3. Proses Fisi
Reaksi fisi adalah proses reaksi nuklir yang terjadi karena inti atom terbelah
menjadi partikel-partikel inti yang lebih ringan karena tertumbuk oleh partikel inti
lain. Reaksi fisi merupakan reaksi nuklir eksotermis yang akan menghasilkan
partikel inti yang lebih ringan (sering disebut produk fisi), beberapa partikel
neutron, gelombang elektromagnetik dalam bentuk radiasi sinar gamma, dan
sejumlah energi.
Pada Gambar c melukiskan proses reaksi fisi dari inti atom uranium-235
yang tertumbuk oleh sebuah neutron dengan kecepatan rendah (neutron kecepatan
rendah sering disebut sebagai neutron termal). Reaksi fisi uranium-235
menghasilkan produk fisi berupa barium-141 dan kripton-92, tiga buah neutron
cepat (masing-masing neutron memiliki energi kinetik ~2 MeV), dan sejumlah
energi.
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 5
Gambar 3. Reaksi Fisi Nuklir
Produk fisi dari reaksi fisi uranium-235 bisa saja tidak berupa barium-141
dan kripton-92, tetapi barium-144 dan kripton-90, atau zirkonium-94 dan telurium-
139.
Reaksi fisi uranium-235 sangat terkenal karena reaksi nuklir ini mendasari
beroperasinya reaktor nuklir yang banyak beroperasi di Dunia. Selain reaksi fisi
uranium-235, masih banyak unsur lain yang dapat berfisi. Pada dasarnya semua
isotop unsur dalam golongan aktinida yang mempunyai jumlah neutron ganjil pada
intinya dapat berfisi. Isotop aktinida yang dapat berfisi tersebut antara lain adalah
plutonium-241, kurium-243, uranium-232, kalifornium-241, Amerisium-242,
kalifornium-251, kurium-245, plutonium-239, uranium-233, kurium-247, uranium-
235.
Isotop yang dapat berfisi disebut sebagai bahan fisil (fissile material). Dari
sekian banyak bahan fisil, empat bahan fisil uranium-233, uranium-235, plutonium-
239, plutonium-241 mempunyai arti penting karena sudah diterapkan dalam proses
reaksi nuklir di reaktor nuklir. Uranium-235, plutonium-239 dan plutonium-241
digunakan dalam bahan bakar reaktor termal dan reaktor pembiak yang
memanfaatkan daur bahan bakar uranium, sedangkan uranium-233 digunakan
dalam reaktor yang memanfaatkan daur bahan bakar thorium.
Reaksi fisi uranium-235 tidak akan terjadi dengan begitu saja, terdapat
beberapa prasyarat kondisi yang harus dipenuhi agar reaksi fisi uranium-235 terjadi.
Salah satu prasyarat yang harus dipenuhi adalah kecepatan atau energi kinetik
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 6
neutron yang menumbuknya. Neutron dengan kecepatan rendah (energi kinetiknya
rendah) mempunyai probabilitas yang lebih tinggi untuk menimbulkan reaksi fisi
pada uranium-235 dibandingkan degan neutron dengan energi kinetik yang lebih
tinggi.
Dari reaksi fisi uranium-235 dihasilkan 2 hingga 3 buah neutron dengan
energi ~2 MeV. Sesuai gambar di atas, energi neutron hasil fisi setinggi ~2 MeV
sangat kecil untuk menimbulkan reaksi fisi jika menumbuk inti atom uranium-235
yang lain.
3.1 Reaksi Fisi Berantai
Reaksi fisi berantai sangat penting dalam mewujudkan pemanfaatan energi
hasil reaksi fisi dalam sebuah reaktor nuklir. Jika kontinuitas reaksi fisi dalam
reaktor nuklir terhenti maka dapat berhentinya produksi energi, sehingga produksi
energi menjadi diskontinu, suatu kondisi yang tidak diinginkan.
Gambar 4. Rantai Radioaktif dari Uranium
Pada awalnya sebuah neutron menumbuk inti uranium-235 (U-235) dan
menimbulkan reaksi yang menghasilkan produk fisi (Ba-141 dan Kr-92) serta 3
buah neutron. Dua dari tiga neutron hasil reaksi fisi itu kemudian menumbuk inti
U-235 lainnya dan menimbulkan reaksi fisi berikutnya (reaksi fisi generasi kedua).
Neutron hasil fisi dari reaksi fisi kedua ini diharapkan akan menimbulkan reaksi fisi
berikutnya (reaksi fisi generasi ketiga), dan selanjutnya kan terjadi reaksi fisi dari
generasi ke generasi secara kontinu. Persoalan dalam mewujudkan reaksi fisi
berantai timbul karena untuk mewujudkan reaksi fisi U-235 diperlukan neutron
lambat, sedangkan neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi U-235 adalah neutron
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 7
cepat yang sangat sulit untuk memicu reaksi fisi generasi ke generasi. Dalam
reaktor nuklir, persoalan ketersediaan neutron lambat dengan energi kinetik rendah
diwujudkan dengan menyediakan medium yang bertugas memperlambat
(memoderasi) kecepatan neutron, yaitu berupa air. Dengan adanya air sebagai
moderator neutron, maka neutron cepat yang dihasilkan dari reaksi fisi U-235
diperlambat kecepatannya sehingga dapat digunakan untuk melangsungkan reaksi
fisi berantai dari generasi ke generasi. Bila suatu saat air sebagai bahan moderator
menghilang dari dalam reaktor nuklir (oleh karena suatu sebab, misalnya
kecelakaan) maka dengan sendirinya reaksi fisi berantai terhenti dan produksi
energi juga berhenti dengan sendirinya.
Satu buah neutron lambat (disebut juga neutron termal) dalam reaktor nuklir
akan menimbulkan reaksi fisi U-235 yang menghasilkan energi panas ~200 MeV
(~8,9 x 10-18 kWh). Ini berarti bahwa sebuah neutron lambat setara dengan ~8,9 x
10-18 kWh. Apabila dari generasi ke generasi jumlah neutron termal dapat
dikendalikan sesuai dengan kebutuhan energi, maka realisasi pengendalian reaksi
fisi dapat terwujud. Proses pengendalian reaksi fisi berantai ini terjadi dalam sebuah
reaktor nuklir. Keberlangsungan reaksi fisi berantai dalam reaktor nuklir sangat
labil, sedikit saja kecelakaan yang menguapkan moderator (berupa air), maka reaksi
fisi berantai terhenti, demikian pula dengan pembangkitan energi.
Reaksi fisi berantai dapat pula dilangsungkan dalam waktu sangat cepat
dengan pelipatan jumlah reaksi yang sangat tinggi, dengan cara ini pembangkitan
energi meningkat sangat besar dalam waktu yang sangat singkat. Hasilnya adalah
sebuah ledakan nuklir yang dahsyat. Mewujudkan suatu ledakan nuklir dengan
uranium-235 tidaklah mudah, harus dilakukan upaya ketersediaan dan peningkatan
jumlah neutron dengan energi kinetik yang cocok dalam jumlah besar dalam waktu
sesingkat-singkatnya.
4. Metode Pengendalian Reaktor
4.1 Control Rods
Perubahan reaktivitas disebabkan oleh gerakan kontrol batang disebut
control rod worth. Efek maksimum dari kontrol batang ialah penyisipan reaktivitas
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 8
paling negatif di lokasi dimana fluks reaktor memiliki nilai maksimum. Batang
kendali (control rod) digunakan untuk:
Pengontrolan perubahan reaktivitas untuk menurunkan atau
meninggikan daya reaktor agar tetap pada periode yang stabil. Kontrol
rod didefinisikan sebagai besarnya reaktivitas yang diperlukan untuk
memberikan periode pengamatan.
Menjaga dan menjauhkan nilai kritis reaktor dengan mengontrol
perubahan dari reaktor selamawaktu operasi. Kontrol rod mengukur
perubahan faktor multiplikasi neutron yang dapat dikontrol.
Batang kendali dapat dimasukkan sepenuhnya atau sebagian. Dalam salah
satu dari dua kasus yaitu fluks neutron yang terganggu dan daya reaktor berubah.
Berikut dua bagian untuk mengatasi efek penyisipan batang kendali dan penarikan
laju fisi, akibat distribusi fluks reaktor dan perubahan daya yang dihasilkan.
4.1.1. Pengaruh Dimasukkan Batang Kendali Sepenuhnya pada Fluks
Neutron di Reaktor Thermal
Bahan yang digunakan untuk batang kendali bervariasi tergantung pada
desain reaktor. Umumnya, bahan batang kendali harus memiliki daya serap yang
tinggi serta mampu bertahan lama dalam reaktor ( tidak terbakar terlalu cepat ).
Sebuah batang kendali yang menyerap neutron pada semua kejadian bagian
dasarnya adalah disebut sebagai "black" absorber dan menghasilkan depresi fluks
besar (lihat Gambar 1). Sedangkan "grey" absorber menyerap hanya sebagian kecil
dari insiden neutron.
Gambar 5. Efek Kontrol Rod pada perubahan fluks
Sementara itu grey absorber dan black absorber memberikan efek
reaktivitas yang berbeda, batang abu-abu sering lebih memberikan efek peredam
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 9
karena menyebabkan depresi fluks yang lebih kecil di sekitar batang kendali. Hal
ini mengarah pada fluks neutron yang dihasilkan datar dan distribusi lebih merata
di seluruh inti. Saat keadaan neutron termal umumnya kerapatan fluks berada
puncak di tengah reaktor, di sinilah batang kendali dengan efisiensi tinggi
umumnya ditempatkan.
Sebuah reaktor silinder dalam keadaan kritis dengan kontrol batang kendali
dijelaskan oleh persamaan difusi neutron satu kecepatan:
Hasil faktor perkalian sama dengan kesatuan , diberikan oleh:
Jika batang kendali dapat menyerap sepenuhnya saat dimasukkan ke dalam
inti fluks, fluks neutron akan berubah seperti ditunjukkan pada Gambar 1 karena
penyerapan neutron tinggi di batang. Distribusi fluks dapat dituliskan sebagai.
Ketika kontrol batang kendali dimasukkan ke faktor perkalian, maka:
Diamati bahwa perubahan inti tekuk dengan batang penyisipan kendali dan
perubahan faktor perkalian akan memberikan reaktivitas.
Nilai batang kendali, pw, didefinisi, adalah sama dengan besarnya ini
perubahan reaktivitas
Dalam rangka untuk mendapatkan kontrol batang yang bernilai sesuai,
Persamaan harus diselesaikan untuk mendapatkan tekuk untuk kedua kasus. Dalam
inisialisasi kritis reaktor tanpa batang kendali tekuk diberikan
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 10
Namun, perhitungan tekuk ketika batang kendali dimasukkan cukup sulit
karena geometri yang rumit dan karena adanya penyerap yang kuat cenderung
untuk merusak fluks sehingga pendekatan difusi ini tidak berlaku. Dalam hal ini ,
solusi dapat diperoleh dengan asumsi bahwa d merupakan jarak diekstrapolasi dan
bahwa fluks memenuhi syarat batas pada permukaan kontrol batang
Hasil akhir untuk jarak ekstrapolasi dan batang kendali yang sesuai adalah
(melalui derivasi)
dimana mana a dalah jari-jari batang kendali , R diekstrapolasi radius inti
silinder dan H adalah tingginya ekstrapolasi , adalah difusi koefisien dan
adalah penampang makroskopik. Penampang dan koefisien difusi adalah bahan
yang mengelilingi batang kendali yang diasumsikan penyerap hitam (black
absorber).
4.1.2. Nilai Kontrol Rods pada Reakto Cepat
Bahan yang paling menjanjikan untuk digunakan sebagai penyerap kontrol
pada reaktor cepat adalah boron-karbida (B4C) diperkaya 10B, karena tidak seperti
bahan lainnya, penyerapan penampang untuk boron masih signifikan pada tinggi
energi neutron. Meskipun jauh lebih tinggi daripada bahan lain, penyerapan
penampang boron pada energi yang besar dalam reaktor cepat (0.1 MeV sampai 0,4
MeV) hanya 0,27 b. Oleh karena itu, penyerapan neutron dapat bebas dilakukan
dalam kandungan medium boron dengan besar kepadatan atom boron adalah 0,087
x 1024 atom/cm3 dan kepadatan dari B4C adalah 2 g/cm3 memberi = 42,6 cm. Ini
jauh lebih besar dari diameter ukuran kontrol batang yang digunakan dalam reaktor
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 11
cepat yang berarti bahwa fluks neutron dalam batang kendali kurang lebih sama
seperti di sekitarnya. Oleh karena itu boron yang terkandung dalam batang dapat
diasumsikan seragam dengan distribusi dalam reaktor. Asumsi ini hanya akan
mempengaruhi perhitungan faktor penggunaan bahan bakar dalam menentukan
nilai batang kendali layak.
Dalam desain reaktor yang sebenarnya, batang kendali layak dihitung
menggunakan komputer kode dan pendekatan Multigrup. Berikut ini adalah satu
estimasi yang disederhanakan untuk perkiraan kontrol batang kendali dalam reaktor
cepat. Faktor perkalian untuk reaktor cepat diberikan oleh
Karena reaksi di reaktor cepat merata memiliki efek hanya pada faktor
pemanfaatan bahan bakar, nilai batang kendali untuk mengurangi
didapatkan
4.1.3. Dampak Sebagian Control Rod Tersisip pada Fluks Neutron di
Reaktor Thermal
Pada saat start-up reaktor, semua atau sebagian besar, batang kendali
sepenuhnya dimasukkan. Setelah start-up, mereka ditarik secara perlahan untuk
menjaga reaktor kritis sebagai bahan bakar yang dikonsumsi dan produk fisi
menumpuk. Oleh karena itu, perlu untuk mengetahui nilai batang kendali layak
sebagai fungsi penyisipan jarak. Satu pendekatan kelompok yang digunakan untuk
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 12
menggambarkan Perhitungan batang kendali layak untuk batang dimasukkan
sebagian dalam reaktor thermal.
Untuk reaktor silinder:
pw (x): nilai dari satu atau lebih batang kendali yang dimasukkan pada
jarak x sejajar dengan sumbu dari inti reaktor dengan tinggi total H
pw (H): nilai dari batang kendali dimasukkan sepenuhnya.
Gambar 6. Integral batang kendali bernilai seperti yang diberikan oleh Persamaan pw (x)
Efek yang tepat dari kontrol batang pada reaktivitas dapat ditentukan secara
percobaan. Misalnya, batang kendali dapat ditarik dalam nilai kecil yang bertahap,
dan perubahan reaktivitas ditentukan untuk setiap kenaikan penarikan. Dengan
memplot hasil reaktivitas terhadap posisi batang, grafik mirip dengan yang
ditunjukkan pada Gambar 2 diperoleh. Grafik menggambarkan bagian integral
batang kendali senilai dari berbagai macam penarikan batang. Integral batang
kendali bernilai mewakili reaktivitas bernilai total batang pada saat itu tingkat
penarikan tertentu
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 13
Gambar 7. Diferensial batang kendali bernilai seperti yang diberikan oleh Persamaan.
Pada kemiringan kurva, dan karenanya jumlah reaktivitas dimasukkan per
unit penarikan, sangat besar bila batang kontrol tengah keluar dari inti. Hal ini
karena fluks neutron maksimum dekat dengan pusat inti , sehingga tingkat
penyerapan neutron juga terbesar di daerah ini. Jika lereng dari kurva untuk batang
senilai integral dalam Gambar 2, hasilnya adalah nilai untuk laju perubahan batang
kendali layak sebagai fungsi posisi. Gambar Diferensial nilai batang kendali layak,
ditunjukkan pada Gambar 3. Di bagian bawah inti ada beberapa neutron sehingga
gerakan batang memiliki pengaruh yang kecil, sehingga perubahan batang senilai
lebih dari jarak hampir konstan. Sebagai batang yang dekat pusat inti efeknya
menjadi lebih besar, dan perubahan batang senilai per jarak menjadi signifikan.
Pada pusat inti, nilai batang diferensial paling besar dan bervariasi sedikit dengan
gerak batang. Dari pusat inti ke atas, nilai batang per jarak adalah kebalikan dari
nilai batang per jarak dari pusat ke bawah.
Nilai integral batang yang diberikan adalah penjumlahan dari seluruh batang
diferensial bernilai sampai ke titik penarikan dan juga daerah di bawah diferensial
batang senilai kurva pada setiap posisi penarikan yang diberikan. Perbedaan kontrol
batang kendali layak diperoleh sebagai turunan dari
4.2. Chemical Shim (Bahan Kimia Penyerap)
Air reaktor dikelola dan didinginkan merupakan bagian pngendalian, selain
untuk mengontrol sistem batang, dengan memvariasikan konsentrasi borat acid
(H3BO3) dalam pendingin. Ini disebut chemical shim. Karena respon terhadap
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 14
perubahan konsentrasi pelarut tidak secepat diperoleh oleh penyisipan batang
kendali, bahan chemical shim tidak dapat digunakan untuk mengontrol reaktivitas
insersi besar. Oleh karena itu selalu digunakan bersama dengan sistem batang
kendali. Dalam reaktor terdapat dua sistem kontrol:
Batang kendali digunakan untuk memberikan kontrol reaktivitas untuk
shutdown yang cepat, dan kompensasi reaktivitas varians karena
perubahan suhu.
Chemical shim digunakan untuk menjaga reaktor kritis selama xenon
transien, dan untuk mengimbangi menipisnya bahan bakar dan
penumpukan fisi produk selama masa hidup reaktor.
Penggunaan chemical shim mengurangi jumlah batang kendali yang
diperlukan dalam reaktor. Karena sistem kontrol batang yang mahal, adanya
penurunan jumlah batang kendali mengurangi total biaya reaktor. Chemical shim
hampir merata di inti dan dengan demikian kurang distribusi perturbasi daya
konsentrasi asam borat berubah. Chemical shim dalam reaktor termal terutama
mempengaruhi termal (bahan bakar) faktor pemanfaatan. Oleh karena itu, chemical
shim dapat dihitung dari hubungan
Dengan memasukkan Persamaan nilai
reaktivitas disederhanakan menjadi
Konsentrasi asam borat biasanya ditentukan dalam satuan ppm (parts per
million) air,maka ppm mewakili 1 g boron per 106 g air. Oleh karena itu, jika C
mewakili konsentrasi dalam ppm, maka rasio dari massa boron terhadap massa air
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 15
didapatkan
maka persamaan pw nilai dari chemical shim menjadi
5. FISSION PRODUCT POISONING (PRODUK RACUN FISI)
Produk fisi dan produk peluruhan menyerap neutron sampai batas tertentu.
Akumulasi peredam parasit selama operasi reaktor cenderung mengurangi faktor
multiplikasi neutron.
Akumulasi di antara semua bahan non-fisi selama operasi reaktor, dua bahan
yang terpenting untuk reaktor termal: 135Xe and 149Sm (dengan besar thermal
neutron penyerapan penampang). Karena penampang penyerapan menurun dengan
cepat dengan meningkatkan energi neutron, efek keracunan tidak terlalu penting
dalam reaktor cepat. Perubahan faktor multiplikasi neutron dengan bahan racun
hadir dalam reaktor termal dibahas sebagai berikut.
Neutron faktor multiplikasi ditulis sebagai
Dimana P merupakan kedudukan termal dan kecepatan neutron dari
probabilitas non-kebocoran. Jika bahan racun (penyerap kuat) ditambahkan:
Probabilitas non-kebocoran berubah sedikit karena berbanding terbalik
dengan
2 = 1/3
Pesatnya Faktor fisi tetap tidak berubah, =
Faktor reproduksi tidak berubah karena hanya fungsi dari sifat bahan bakar
( = v/
)
Resonansi probabilitas p dapat berubah tergantung pada penampang bahan
keracunan (lihat Gambar 4).
Faktor penggunaan bahan bakar berbanding terbalik dengan penampang
penyerapan dan dengan demikian perubahan drastis.
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 16
Gambar 8. Penampang Radioaktif untuk 135Xe and 149Sm
Efek dari bahan racun pada perubahan reaktivitas
Karena probabilitas non-kebocoran tidak berubah secara signifikan dengan
penambahan bahan racun, P/P ~ 1 dan persamaan di atas tereduksi menjadi
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 17
Jika total penampang penyerapan , maka
5.1. Xenon Poisoning
5.1.1. Produksi dan Penghapusan 135Xe Selama Operasi Reaktor
Xenon-135 (135Xe) adalah racun produk fisi yang menjadi perhatian dan
memiliki dampak yang luar biasa pada operasi reaktor nuklir. Maka diperlukan
untuk mengetahui produksi dan tingkat removal untuk memprediksi bagaimana
reaktor akan menanggapi perubahan tingkat daya. Xenon-135 adalah peredam non-
l/v (lihat Gambar 4) dengan neutron termal menangkap radiasi (penyerapan parasit)
penampang 2.6 x l06 b.
Gambar 9. Produksi 135Xe dalam Reaktor Termal
Tellurium-135 (135Te) rantai peluruhan adalah metode produksi primer dari
135Xe, namun dapat diproduksi langsung dari fisi (lihat Gambar 5). Hasil fisi 135Xe
adalah sekitar 0,3%, dan sekitar 6% untuk 135Te. 135Xe merupakan produk
peluruhan dari 135I yang dibentuk oleh fisi dan oleh peluruhan 135Te. Telurium-
135 adalah produk fisi, tetapi juga dapat terbentuk dari peluruhan dari 135Sb (juga
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 18
merupakan produk fisi). Hampir 95% dari semua 135Xe dihasilkan selama operasi
reaktor berasal dari pembusukan 135I.
Untuk yi mewakili hasil fraksi isotop i (fraksi fragmen fisi yang
menjadi isotop i), dan = f menjadi tingkat produksi isotop i,
dan mengikuti skema pembusukan pada Gambar 5.
Waktu pembusukan dari 135Sb dan 135Te sangat pendek. Dengan
demikian, kita bisa mengasumsikan bahwa semua 135Sb dan 135Te
adalah 135I dengan mendefinisikan
Nuklida terakhir dalam rantai peluruhan memiliki waktu paruh yang
sangat panjang. Dengan demikian, nuklida stabil dapat diambil dari
analisis dan dapat menyederhanakan rantai peluruhan sebagai berikut
Dalam kasus reaktor termal homogen konsentrasi yodium dapat
ditentukan sebagai
Dengan asumsi yang sama, perubahan konsentrasi xenon dapat
ditentukan oleh:
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 19
Pada kondisi mapan perubahan tingkat konsentrasi kedua nuklida
adalah konstan (setelah reaktor telah beroperasi selama beberapa
waktu, konsentrasi kesetimbangan dicapai), sehingga dengan
menetapkan persamaan sama dengan nol konsentrasi kesetimbangan
dapat diperoleh.
Konsentrasi kesetimbangan 135I
Penyerapan penampang untuk 135I sangat kecil di wilayah energi panas
(lihat Gambar 6) sehingga persamaan di atas dapat disederhanakan
dengan mengabaikan tingkat penyerapan. Konsentrasi kesetimbangan
135I sebanding dengan laju reaksi fisi dan tingkat daya.
Konsentrasi kesetimbangan 135Xe
Konsentrasi kesetimbangan 135Xe meningkatkan dengan daya karena
pembilang sebanding dengan laju reaksi fisi. Karena fluks termal dalam
penyebut melebihi 1012 neutron/cm2 sec maka fluks menjadi dominan.
Dengan demikian, hampir 1015 neutron/cm2 sec konsentrasi 135Xe
mendekati nilai batas.
Reaktivitas setara efek keracunan kesetimbangan xenon (dengan
mengabaikan kehadiran bahan kontrol) dapat ditulis dalam bentuk berikut.
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 20
Gambar 9. Penampang Radiasi untuk 135I
dimana
Untuk menggambarkan perubahan reaktivitas akibat akumulasi xenon,
maka dihitung reaktor termal homogen berbahan bakar with 2 % 235U pada
Dengan menggunakan data ini, persamaan sebelumnya dapat ditulis ulang
dalam bentuk yang disederhanakan berikut
Untuk nilai fluks l015 neutrons/cm2s, nilai keracunan dapat diabaikan (-6 x
10-4). Untuk fluks yang sepuluh kali lebih tinggi, keracunan masih rendah yaitu -
0.005, atau 0,5% dari seluruh neutron termal yang diserap oleh seluruh
kesetimbangan xenon. Namun, untuk fluks lebih besar dari 1016 neutrons/cm2s nilai
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 21
keracunan meningkat pesat, seperti ditunjukkan pada Gambar 7. dan nilai batas
diperoleh untuk fluks 1019 neutrons/cm2s. Keseimbangan 135I dan konsentrasi 135Xe
sebagai fungsi dari fluks neutronyang diilustrasikan pada Gambar 8.
Gambar 10. Reaktivitas setara keseimbangan konsentrasi 135Xe untuk reaktor termal
5.1.2. Xenon Poisioning Setelah Reaktor Shutdown
Ketika reaktor shutdown, fluks neutron pada dasarnya berkurang hingga nol
dan 135Xe bukan lagi produk dari fisi atau tidak dapat lagi dihapus oleh bahan
penyerap. Mekanisme produksi yang tersisa adalah pembusukan dari 135I yang
berada di inti pada saat shutdown. Mekanisme penghapusan untuk 135I ialah
pembusukan. Oleh karena itu, jika ts adalah waktu setelah shutdown, maka
perubahan tingkat konsentrasi xenon dapat ditulis dalam persamaan tereduksi
berikut.
Solusi untuk Persamaan memberikan
konsentrasi xenon selama waktu setelah reaktor shutdown
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 22
Gambar 11. Konsentrasi kesetimbangan dari 135I dan 135Xe sebagai fungsi dari fluks neutron
Waktu dimana konsentrasi maksimum dapat dicapai oleh pengaturan sama
dengan nol
Karena tingkat peluruhan 135I lebih cepat daripada laju peluruhan 135Xe, pada
puncak 135Xe. Nilai puncak tercapai ketika yang di sekitar 10 sampai
11 jam untuk reaktor termal. Produksi xenon dari pembusukan yodium lebih lama
dari penghapusan xenon oleh pembusukan. Hal ini menyebabkan konsentrasi 135Xe
berkurang. Konsentrasi 135I saat shutdown juga lebih besar untuk fluks yang lebih
besar sebelum shutdown yang juga mempengaruhi konsentrasi puncak 135Xe.
Gambar 9 mengilustrasikan perubahan konsentrasi relatif 135Xe saat pemadaman
reaktor sebagai fungsi fluks neutron dan waktu setelah shutdown. Hal ini dapat
dilihat bahwa puncak konsentrasi 135Xe dicapai sekitar 10 jam setelah shutdown,
konsentrasi akan menurun pada tingkat yang dikontrol saat peluruhan 135I dan C.
Menurut Contoh perhitungan yang diberikan dapat menggambarkan akumulasi
xenon setelah reaktor ditutup dan menjelaskan Gambar 9 waktu setelah Shutdown.
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 23
Gambar 12. Konsentrasi relatif 135Xe (Xe / Xeo) setelah reaktor ditutup sebagai fungsi dari
fluks neutron.
5.2. Samarium Poisioning
5.2.1. Produksi dan Penghapusan 149Sm selama Operasi Reaktor
Racun produk fisi yang memiliki pengaruh paling signifikan terhadap
operasi reaktor, selain 135Xe adalah samarium -149 (149Sm). Efek yang dihasilkan
secara signifikan berbeda dari 135Xe. Samarium- 149 memiliki radiasi termal
neutron dengan penampang penangkapan 4,1 x 104 b ( lihat Gambar 10 ).
Dihasilkan dari pembusukan dari 149Nd yang merupakan fragmen fisi seperti
ditunjukkan pada Gambar 10. Saat pembusukan 149Nd cukup cepat dibandingkan
149Pm, dapat diasumsikan bahwa 149Pm diproduksi langsung dari reaksi fisi dengan
hasil YPm.
Laju perubahan konsentrasi kemudian ditentukan oleh persamaan berikut
Pm - konsentrasi 149Pm
- peluruhan radioaktif konstanta 149Pm
Gambar 10. Produksi 149Sm dalam reaktor termal
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 24
Samarium-149 adalah isotop stabil dan sehingga hanya dihapus oleh
penangkap radiasi neutron.
dimana
Sm - konsentrasi 149Sm
- peluruhan konstan radioktif 149Sm
- penyerapan thermal neutron penampang 149Sm
Pemecahan untuk menghasilkan kesetimbangan konsentrasi kesetimbangan
dari dua isotop
Dapat dilihat dari persamaan diatas, bahwa konsentrasi kesetimbangan
149Sm bebas pada fluks neutron dan tingkat daya tertentu. Dengan perubahan
tingkat daya , konsentrasi keseimbangan 149Sm mencapai nilai transien/ peralihan
dan segera kembali ke nilai aslinya.
5.2.2. Samarium Poisoning Setelah Reaktor Shutdown
Setelah reaktor dimatikan maka 149Sm mengurangi produksi sesuai
Memecahkan persamaan diferensial sederhana diatas memberikan
hubungan untuk konsentrasi samarium sebagai fungsi waktu setelah dimatikan
dimana Smo dan Pmo adalah konsentrasi saat shutdown. Karena 149Sm adalah isotop
stabil , tidak dapat dihapus oleh pembusukan, yang membuat perilakunya setelah
reaktor shutdown yang sangat berbeda dari 135Xe, yang diilustrasikan pada Gambar
10. Kesetimbangan tercapai setelah sekitar 20 hari (500 jam). Konsentrasi induk
149Sm dasarnya konstan selama reaktor operasi (karena bukan efek negatif
radioaktif). Ketika reaktor shutdown, konsentrasi meningkat dari akumulasi
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 25
pembusukan 149Pm. Peningkatan setelah penutupan tergantung pada tingkat daya
sebelum reaktor shutdown. Konsentrasi 149Sm tidak mencapai puncaknya seperti
135Xe, melainkan meningkat perlahan ke nilai maksimum dari Smo + Pmo. Setelah
shutdown, jika reaktor dioperasikan lagi, 149Sm terbakar dan konsentrasi kembali
ke nilai kesetimbangan. Samarium poisoning adalah benda yang lebih kecil bila
dibandingkan dengan xenon poisoning.
Gambar 13. 149Sm meningkat sebagai fungsi waktu setelah penutupan
6. Dampak Radiasi Nuklir
Kecelakaan nuklir yang disebabkan oleh energi yang terlalu besar seringkali
sangat berbahaya. Dalam sejarahnya, insiden pertama yang melibatkan paparan
radiasi fatal. Marie Curie meninggal karena anemia aplastik yang dihasilkan dari
paparan nuklir tingkat tinggi. Dua peneliti Amerika, Harry Daghlian dan Louis
Slotin, meninggal karena salah penanganan massa plutonium. Tidak seperti senjata
konvensional, cahaya yang kuat, panas, dan daya ledak bukan satu-satunya
komponen mematikan senjata nuklir. Sekitar setengah dari korban meninggal di
Hiroshima dan Nagasaki meninggal setelah dua sampai lima tahun setelah paparan
radiasi dari bom atom.
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 26
Radiologi dan kecelakaan nuklir kebanyakan melibatkan tenaga nuklir sipil.
Yang paling umum adalah paparan nuklir untuk karyawannya akibat kebocoran
nuklir. Kebocoran nuklir adalah istilah yang mengacu pada bahaya serius dalam
pelepasan bahan nuklir ke lingkungan. Yang paling terkenal adalah kasus Three
Mile Island di Pennsylvania dan Chernobyl di Ukraina. reaktor Militer mengalami
hal yang sama adalah kecelakaan Windscale di Inggris dan SL-1 di Amerika
Serikat.
Kecelakaan militer biasanya melibatkan hilangnya senjata nuklir atau bahan
peledak yang tidak diharapkan. Percobaan Puri Bravo pada tahun 1954 untuk
menghasilkan ledakan yang tak terduga, yang terkontaminasi pulau terdekat,
sebuah kapal nelayan berbendera Jepang (dengan satu kematian), dan
meningkatkan kekhawatiran tentang kontaminasi ikan di Jepang. Pada tahun 1950
sampai 1970-an, beberapa bom nuklir yang hilang dari kapal selam dan pesawat,
beberapa di antaranya belum pernah ditemukan. Selama 20 tahun terakhir telah
begitu berkurang kasus itu.
Dampak radiasi pun bermacam-macam, ada yang bisa dirasakan seketika
dan ada yang baru muncul dalam jangka panjang.
a. Rambut
Efek paparan radioaktif membuat rambut akan menghilang dengan
cepat bila terkena radiasi di 200 Rems atau lebih. Rems merupakan satuan
dari kekuatan radioaktif.
b. Otak
Sel-sel otak tidak akan rusak secara langsung kecuali terkena
radiasi berkekuatan 5000 Rems atau lebih. Seperti halnya jantung, radiasi
membunuh sel-sel saraf dan pembuluh darah dan dapat menyebabkan
kejang dan kematian mendadak.
c. Kelenjar Gondok
Kelenjar tiroid sangat rentan terhadap yodium radioaktif. Dalam
jumlah tertentu, yodium radioaktif dapat menghancurkan sebagian atau
seluruh bagian teroid.
d. Sistem Peredaran Darah
Ketika seseorang terkena radiasi sekitar 100 Rems, jumlah limfosit
darah akan berkurang, sehingga korban lebih rentan terhadap infeksi.
Gejala awal mirip seperti penyakit flu. Menurut data saat terjadi ledakan
Nagasaki dan Hiroshima, menunjukan gejala dapat bertahan selama
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 27
sepuluh tahun dan mungkin memiliki risiko jangka panjang seperti
leukimia dan limfoma.
e. Jantung
Jika seseorang terkena radiasi berkekuatan 1000 sampai 5000
Rems akan mengakibatkan kerusakan langsung pada pembuluh darah dan
dapat menyebabkan gagal jantung dan kematian mendadak.
f. Saluran Pencernaan
Radiasi dengan kekuatan 200 Rems akan menyebabkan kerusakan
pada lapisan saluran usus dan dapat menyebabkan mual, muntah dan diare
berdarah.
g. Saluran Reproduksi
Radiasi akan merusak saluran reproduksi cukup dengan kekuatan
di bawah 200 Rems. Dalam jangka panjang, korban radiasi akan
mengalami kemandulan.
PENGENDALIAN REAKTOR FISI NUKLIR 28
SUMBER REFERENSI
Jevremovic, Tatjana. 2005. Nuclear Principles in Engineering. New York:
Springer Science Business Media, Inc.
whatisnuclear.com, diakses pada 23 April 2014.
www.youtube.com/how-nuclear-energy-work,s diakses pada 23 April 2014.