BAB II

STUDI LITERATUR

2.1. Tinjauan Pustaka

Desain prototype instalan koagulasi dan kolam fakultatif untuk pengolahan air

lindi yang dilakukan oleh Ahmad Herison (2009). Penelitian tersebut adalah

mendesain suatu prototipe instalasi pengolahan lindi, mengetahui karakteristik lindi

dari TPA Bakung, menguji efektifitas kinerja model instalasi yang dibuat,

menganalisa air lindi hasil perlakuan model instalasi tersebut.

Kim dan El-Genk (1989) yang menggunakan tujuh pemanas elektrik dengan

batang pipa terbuat dari Stainless Steel (diameter 12.7 mm, tebal dinding batang pipa

tersebut 0.89 mm, dan panjang 904.4 mm). Panjang bagian yang tidak dipanasi dari

bawah seksi uji sepanjang 513 mm. Dan ketujuh pemanas elektrik tersebut

dimasukkan ke dalam shroud plexiglass heksagonal. yang terisolasi secara termal

dengan variasi P/D = 1.25; 1.38; dan 1.5. Dalam penelitian tersebut dihasilkan

korelasi antara lain :

a. Untuk korelasi aliran paksa turbulen:

Nu = C Re0,8 Pr1/3 (2.1)

dimana C = 0.032P/D – 0.0144 yang berlaku bila . Korelasi aliran paksa

turbulen ini menggunakan korelasi yang diajukan oleh Kalinin, dkk. (1969),

karena korelasi yang diajukkan menggunakan temperatur rata-rata film dari

sifat-sifat air. Hal demikian juga dilakukan dalam eksperimen ini.

4

5

b. Untuk korelasi aliran paksa laminar:

Nu = A ReB Pr1/3 (2.2)

dimana A = 1.061; 0.511; 0.346 untuk P/D = 1.25; 1.38; 1.5, dan B =

0.797P/D – 0.656 dengan rentang nilai 0.34 < B < 0.532 yang berlaku untuk

dan Ri < 1.

Hasil penelitian lain dilakukan oleh Sunarwo dan Bambang Sumiyarso (2011)

tentang desain model turbin gas angin empat sudu berbasis silinder sebagai penggerak

pompa air penelitian ini adalah menghasilkan desain turbin angin sederhana,

memanfaatkan konstruksi silinder dibelah empat sebagai penggerak mula pompa air.

Tahap-tahap penelitian meliputi merancang, dan membuat model turbin angin dari

konstruksi silinder dibelah empat sebagai penggerak pompa air, uji karakteristik

turbin dengan variabel sudut putar sudu, dan analisis untuk mendapatkan sudut putar

optimum.

Konstruksi dan pengujian peralatan eksperimen panas pada celah sempit,

melakukan penelitian yang dilakukan oleh Mulya Juarsa, Efrizon Umar, dan Andang

Widi Harto (2009) bertujuan untuk memperoleh korelasi yang terkait dengan proses

perpindahan panas pendidihan pada celah sempit anulus. Langkah awal adalah

dengan mendesain dan menkonstruksi alat eksperimen untuk memenuhi kebutuhan

penelitian ini, kemudian pengujian dilakukan untuk memastikan rancangan fungsi

alat dapat tercapai.

2.2. Landasan Teori

2.2.1. Konsep Dasar Reaktor Nuklir

Secara umum, energi nuklir dapat dihasilkan melalui dua macam mekanisme,

yaitu reaksi fisi atau pembelahan inti dan reaksi fusi melalui penggabungan beberapa

6

inti. Mekanisme yang banyak digunakan untuk menghasilkan energi nuklir melalui

sebuah reaktor adalah reaksi fisi atau pembelahan inti.

Pada reaktor dibedakan menjadi dua jenis material yang dapat mengalami

pembelahan (fisi) yang di sebut dengan fissionable material, yaitu material fertil dan

material fisil. Sebuah material fertil adalah material yang akan menangkap neutron

dan melalui peluruhan radioaktif akan berubah menjadi material fisil. Material yang

bersifat alami bersifat fertil adalah U238 (Uranium-238) dan material yang bersifat fisil

adalah U235 (Uranium-235).

Salah satu contoh proses pembelahan (reaksi fisi) dari Uranium seperti pada

gambar berikut :

Gambar 2.1. Reaksi Fisi [Pramuditya dan Waris, 1995]

7

Energi yang dihasilkan dari reaksi fisi, newtron dan produksi fisi semua

berperan penting dalam reaktor nuklir. Newtron yang dihasilkan dapat digunakan

untuk menginduksi reaksi fisi lebih jauh lagi, sehingga mendorong terjadinya reaksi

fisi berantai (reaksi berantai). Usaha ini dapat dilakukan di dalam sebuah reaktor

nuklir. Reaksi berantai terkendali dapat berlangsung di dalam reaktor yang terjamin

keamanannya dan energi yang dihasilkan dapat dimanfaatkan untuk keperluan yang

lebih berguna, misalnya untuk penelitian dan membangkitkan listrik. Gambar

dibawah menunjukkan contoh terjadinya reaksi fisi berantai.

Gambar 2.2. Reaksi Fisi Berantai [Pramuditya dan Waris, 1995]

Pada reaktor daya, energi panas yang dihasilkan dapat digunakan untuk

menghasilkan uap panas, dan selanjutnya digunakan untuk menggerakkan turbin-

generator yang bisa menghasilkan listrik. Sedangkan pada reaktor penelitian, panas

yang dihasilkan tidak dimanfaatkan dan dapat dibuang ke lingkungan.

8

Gambar 2.3. Skema Reaktor Nuklir [Ramadhan, A, I,. 2012]

Gambar 2.3. terlihat skema atau pendingin yang akan kita bahas dalam

penelitian ini. Suplai air masuk kedalam tangki reator lalu mengalir ke teras reaktor

dan menerima panas atau mendinginkan teras reaktor yang di hasilkan oleh reaksi

fisi.

2.2.2. Komponen Dasar Sebuah Reaktor

Untuk dapat mengendalikan laju pembelahan (reaksi fisi), sebuah reaktor

nuklir harus didukung oleh beberapa fasilitas yang disebut sebagai Komponen

Reaktor. Komponen-komponen reaktor nuklir harus memenuhi standar kualitas yang

tinggi dan handal, sehingga kemungkinan terjadinya kecelakaan atau kegagalan

komponen tersebut sangat kecil. Adapun komponen dari sebuah reaktor nuklir adalah

sebagai berikut.:

a. Bahan Bakar (fuel)

Bahan bakar nuklir merupakan bahan yang akan menyebabkan terjadinya

reaksi fisi berantai berlangsung sebagai sumber energi nuklir. Terdapat dua jenis

bahan bakar nuklir yaitu bahan fisil dan bahan fertil. Bahan fisil adalah unsur atau

atom yang langsung dapat membelah apabila menangkap neutron, sedangkan bahan

9

fertil merupakan suatu unsur atau atom yang tidak dapat langsung membelah setelah

menangkap neutron tetapi akan membentuk bahan fisil. Bahan yang banyak

digunakan sebagai bahan bakar nuklir diantaranya yaitu Uranium-235, Uranium-233,

Plutonium-235 dan Thorium.

b. Moderator

Moderator adalah komponen reaktor yang berfungsi untuk menurunkan energi

neutron cepat (+2 MeV) menjadi neutron dengan energi termal (+0,02 - 0,04 eV) agar

dapat bereaksi dengan bahan bakar nuklir. Selain itu, moderator juga berfungsi

sebagai pendingin primer. Persyaratan yang diperlukan untuk bahan moderator yang

baik adalah dapat menghilangkan sebagian besar energi neutron cepat tersebut dalam

setiap tumbukan. Bahan-bahan yang digunakan sebagai moderator, antara lain: Air

ringan (H2O), Air berat (D2O), Grafit dan Berilium.

c. Batang Kendali (control rod)

Setiap reaksi fisi menghasilkan neutron baru yang lebih banyak (2 - 3 neutron

baru). Maka perlu diatur jumlah neutron yang bereaksi dengan bahan bakar.

Komponen reaktor yang berfungsi sebagai pengatur jumlah neutron yang bereaksi

dengan bahan bakar adalah batang kendali. Bahan yang dipergunakan untuk batang

kendali reaktor haruslah memiliki kemampuan tinggi menyerap neutron. Bahan-

bahan tersebut antara lain Kadmium (Cd), Boron (B), atau Haefnium (Hf ).

d. Perisai (Shielding)

Perisai (shielding), berfungsi sebagai penahan agar radiasi hasil fisi bahan

tidak menyebar pada lingkungan luar dari sistem reaktor. Karena reaktor adalah

sumber radiasi yang sangat potensial. Maka diperlukan suatu sistem perisai yang

mampu menahan semua jenis radiasi tersebut pada umumnya perisai yang digunakan

adalah lapisan beton berat dan struktur baja.

2.2.3. Pengertian Sub-Buluh

Metode analisis sub buluh merupakan penerapan khusus dari pendekatan

media berpori secara umum. Adanya batang-batang bahan bakar dalam teras reaktor

10

atau pipa di dalam penukar kalor yang tersusun secara teratur dengan pola tertentu,

akan membentuk suatu saluran dengan geometri tertentu yang merupakan tempat

mengalirnya fluida pendingin. Saluran-saluran ini selanjutnya disebut dengan sub

buluh.

Ada dua pendekatan dalam mendefinisikan volume atur sub buluh, yaitu: sub

buluh dengan pusat fluida pendingin (coolant-centered subchannel) dan sub buluh

dengan pusat batang bahan bakar (rod-center subchanel), yang ditunjukkan pada

Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Opsi Sub Buluh [Todreas, 1990]

Seperti pada pendekatan media berpori, sifat-sifat sub buluh seperti kecepatan

aksial dan massa jenis dinyatakan sebagai harga tunggal, yaitu harga rata-ratanya.

Persamaan-persamaan konstitutif diperlukan sebagai parameter masukan seperti 9

faktor gesekan, maupun laju pertukaran momentum dan energi ke arah lateral

diantara sub buluh yang bersebelahan.

11

2.2.4. CAD (Computer Aided Design)

Computer Aided Design adalah suatu program komputer untuk menggambar

suatu produk atau bagian dari suatu produk. Produk yang ingin digambarkan bisa

diwakili oleh garis-garis maupun simbol-simbol yang memiliki makna tertentu. CAD

bisa berupa gambar 2 dimensi dan gambar 3 dimensi. Berawal dari menggantikan

fungsi meja gambar kini perangkat lunak CAD telah berevolusi dan terintegrasi

dengan perangkat lunak CAE (Computer Aided Engineering) dan CAM (Computer

Aided Manufacturing.

Perancangan dengan bantuan komputer. Kemampuan sistem CAD ini adalah

pembuatan grafik, sketsa, diagram, digitasi peta dan gambar rancangan, pemberian

anotasi, pembentukan gambar perspektif, permodelan gambar 2 dan 3 dimensi, dan

beberapa analisa spasial. Analisa spasial yang dimiliki oleh setiap sistem CAD ini

sangat berfariasi, paling tidak melakukan analisa spasial berupa perhitungan jarak

(length atau distance), keliling (perimeter), luas (area), membentuk zone buffer, dan

lain sebagainya.

2.2.5. CFD (Computation Fluid Dynamic)

Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran

fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan

persamaan-persamaan matematika (model matematika). Pada dasarnya, persamaan-

persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan

diferensial parsial (Partial Differential Equation) yang mempresentasikan hukum-

hukum konservasi massa, momentum, dan energi.

CFD ini dapat melakukan analisis keseluruhan aspek termodinamika mencakup

distribusi suhu dan kecepatan aliran fluida serta lainnya. Dengan menggunakan

beberapa persamaan-persamaan tersebut dengan diubah menjadi metode volume

hingga.

12

2.2.6. Persamaan Dasar FLUENT

Dalam membuat model matematis dan fisis serta penyelesaiannya digunakan

beberapa asumsi atau pendekatan, yaitu :

a. Kondisi steady state.

b. Aliran satu fasa dengan fluida kerja air.

c. Fluks panas pada permukaan bahan bakar diasumsikan seragam.

Dengan batas ini akan dapat diperoleh persamaan-persamaan dasar yang

digunakan untuk menyelesaikan model teras reaktor dalam FLUENT:

a. Persamaan Kontinuitas

∂∂ x i

( ρνi )=0 (2.3)

dengan ρ = densitas fluida

x i = jarak dalam arah i

νi = komponen kecepatan arah i

b. Persamaan Momentum

∂∂ x j

(ρv i v j )=−∂ P∂ x i

+ ∂∂ x j [μ( ∂ v i

∂ x j+

∂ v j

∂ x i )]− ∂∂ x j

( ρ v i' v j

' )+ρgi

(2.4)

dengan P = tekanan statik

gi = percepatan gravitasi

v = komponen kecepatan rata-rata

13

μ = viskositas dinamika fluida

c. Persamaan energi

∂∂ x j

(ρv i h )=− ∂∂ x i

(k+k i )∂T∂ xi

+vi∂P∂ xi +

μ( ∂ vi

∂ x j+

∂ v j

∂ x i) ∂ vi

∂ x j (2.5)

dengan T = Temperatur

k = konduktivitas termal

2.2.7. GAMBIT

GAMBIT merupakan singkatan dari Geometry And Mesh Building Intelligent

Toolkit. GAMBIT diproduksi oleh Fluent Inc., salah satu produsen perangkat lunak

(software) analisis komputasi fluida dinamik (Computational Fluid Dynamic) yang

menguasai 60 % pangsa pasar dunia untuk perangkat lunak CFD.

GAMBIT dapat membuat model dan melakukan proses meshing untuk

berbagai macam bentuk, termasuk bentuk-bentuk yang rumit dan tidak beraturan. Hal

ini dikarenakan GAMBIT dapat melakukan meshing dengan berbagai macam bentuk

mesh, yaitu mesh heksahedral terstruktur dan tidak terstruktur, tetrahedral, piramid,

dan prisma.

2.2.8. FLUENT

FLUENT adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode

volume hingga. FLUENT menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga

dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur

sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh FLUENT

adalah tipe 2D triangular-quadrilateral, 3D tetrahedral-hexahedral-pyramid-wedge,

dan mesh campuran (hybrid).

14

FLUENT ditulis dalam bahasa C, sehingga memiliki struktur data yang

efisien dan lebih fleksibel. FLUENT juga dapat digunakan bersama dengan arsitektur

klien/server, sehingga dapat dijalankan sebagai proses terpisah secara simultan pada

klien desktop workstation dan komputer server. Semua hasil yang dibutuhkan untuk

menghitung suatu solusi dan menampilkan hasilnya dapat diakses pada FLUENT

melalui menu yang interaktif. Pengguna yang telah mahir dapat mengubah dan

meningkatkan interface FLUENT dengan menulis menu macros dan fungsi. Paket

program FLUENT terdiri dari dua program yaitu :

1. FLUENT sebagai modul utama.

2. GAMBIT sebagai preprocessor

Gambar 2.5. Diagram hubungan GAMBIT dengan FLUENT

2.2.9. Teori Tentang Desain

Desain penelitian sangat menentukan kualitas proses dan hasil sebuah

penelitian. Karena itu, supaya dapat menghasilkan penelitian yang baik, maka

15

dibutuhkan desain penelitian yang baik. Desain penelitian adalah kerangka kerja yang

digunakan untuk melaksanakan penelitian. Pola desain penelitian dalam setiap

disiplin ilmu memiliki kekhasan masing-masing, namun prinsip-prinsip umumnya

memiliki banyak kesamaan. Oleh karena itu, sebuah desain penelitian yang baik akan

menghasilkan sebuah proses penelelitian yang efektif dan efisien. Klasifikasi desain

penelitian dibagi menjadi dua, yaitu (1) desain penelitian eksploratif dan (2)

konklusif.

Desain penelitian harus mampu menggambarkan semua proses yang

diperlukan dalam perencanaan dan pelaksanaan penelitian, yang membantu peneliti

dalam pengumpulan dan menganalisis data. Desain penelitian memberikan gambaran

tentang prosedur untuk mendapatkan informasi atau data yang diperlukan untuk

menjawab seluruh pertanyaan penelitian.. Oleh karena itu, untuk dapat menghasilkan

penelitian yang baik, maka dibutuhkan desain penelitian yang benar-benar dapat

mengarahkan peneliti dalam setiap tahap penelitiannya.

2.3. Hipotesis Penelitian

Konsep desain pembuatan alat uji model teras reaktor nuklir dengan fluida

pendingin H2O di sub-buluh segi enam dapat dibuat dalam pemodelan dengan

menggunakan aplikasi perangkat lunak CAD (Computer Aided Design). Setelah

konsep model alat uji tersebut di desain maka dapat dilanjutkan dengan menggunakan

perangkat lunak CFD (Computation Fluid Dynamic) untuk mengetahui fenomena laju

aliran fluida pendingin H2O. Sehingga dapat di lanjutkan pada penelitian rancang

bangun model alat uji tersebut.