Prosiding Seminar Hasi/ Penelitian P2TRRTahun 2003

ISSN 0854-5278

PERHITVNGAN PARAMETER NEUTRONIK RSG-GASBERBAHAN BAKAR SILlS IDA DENGAN KERAP ATAN

4,8 G Vice

Lily Suparlina, Tagor M. SembiringPusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset -BATAN

ABSTRAKPERHITVNGAN PARAMETER NEVTRONIK RSG-GAS BERBAHAN BAKARSILISIDA DENGAN KERAP ATAN 4,8 G VIce. Dengan telah digunakannya bahan bakarsilisida 2,96 glcc di teras RSG-GAS daDtelah dilakukannya beberapa penelitian mengenaipenggunaan bahan bakar silisida 3,55 glcc, maka perIn dilanjutkan studi mengenaikemungkinan penggunaan ballaDbakar silisida dengan densitas yang lebih tinggi. Densitasuranium maksimum ballaDbakar silisida yang telah terkualifikasi adalah sebesar 4,8 g Vlcc.Penelitian sebelumnya menyimpulkan bahwa hila komposisi dan konfigurasi terasdipertahankan seperti kondisi teras saat ini, maka jenis kerapatan bahan bakar silisida 4,8 gU/cc tidak dapat digunakan pada teras RSG-GAS, karena batas nilai margin padam tidakterpenuhi. Oleh karenanya untuk menaikkan nilai margin padam perlu ditambahkan BatangKendali Pengaman (BKP) di teras setimbang silisida 4,8 g U/cc. Perhitungan selmenggunakan paket program WIMS/D4 dan perhitungan teras menggunakan paketperhitungan difusi 2 dimensi Batan-EQVIL-2D. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa terassilisida 4,8 g U/cc dengan penambahan BKP, pada posisi B-3 dan G-I0, reaktor dapatdioperasikan dengan panjang siklus 1400 MWD.

kata kunci: densitas ,uranium, po/a 511 baltan bakar, silisida,BKP

ABSTRACTTHE NEVTRONICS PARAMETERS CALCVLA TION FOR SILICIDE 4.8 G VIceRSG-GAS CORE The RSG-GAS has been operated with the usage of silicide 2.06 g U/ccin the RSG-GAS core completion of study using highest density silicide 3.55 g U/cc. Afurther study on the possibility of higher density silicide application should be performed.The qualified maximum silicide meat density is 4.8 g VIce. The previous study concludedthat if the core composition and configuration is maintained, the 4,8 g Vlcc silicide corecould not be applied to the RSG-GAS core, because the minimum safety margin could notbefulfilled. So that, to increasing the safety margin limit, there should be two safety rods (SR)installed to the equilibrium 4.8 g U/cc silicide core. The cell and core calculation wasperformed by WIMSID-4 and 2 dimension code Batan-EQVIL-2D, respectively. Thecalculation showed that core with the installed SR in B-3 and G-I0 core grid positions thereactor can be operated at the operation cycle length in the range of 1400 MWD for theequilibrium silicide core..

Keywords: density, uranium, 51!fuel element pat/em, safety control rod

PENDAHVLUAN maksimum bahan bakar silisida yangtelah dikualifikasikan adalah sebesar 4.8g Vice. [1]. Saat ini reaktor RSG-GASmenggunakan bahan bakar silisidapengganti oksida dengan densitasuranium sebesar 2,96 g U/ee. Penelitian

Bahan bakar silisida (U3Sh-AI)merupakan bahan bakar yang banyakdigunakan dalam operasi reaktor risetjenis MTR saat ini. Densitas uranium

201

ISSN 0854-5278

sebelumnya [2] menyimpulkan bahwapenggunaan bahan bakar silisida dengandensitas 3,5 g Dice dapat menaikkanpanjang siklus sebesar 7 (tujuh) haridaya penuh (210 MWD) dengantanpamengubah material clan konfigurasiteras.

Melanjutkan penelitian tahun lalli,yang menyimpulkan bahwa hilakomposisi clan konfigura~i terasdipertahankan seperti kondisi teras saatini, maka jenis kerapatan bahan bakarsilisida 4,8 g U/ce tidak dapatdigunakan pad a teras RSG-GAS, karenabatas nilai margin padam tidak terpenuhi[3]. Oleh karenanya untuk menaikkannilai margin padam pacta teras setimbangsilisida 4,8 g U/ce barns mengubahkonfigurasi teras, salah satunya adalahdengan menambah batang kendaliseperti yang dilakukan oleh penelitisebelumnya [4].

Perhitungandilakukan dalam 2(dua) tabar, pertama perhitungan seluntuk menggenerasi tampang lintangmaterial teras dengan menggunakanprogram WIMSD/4 [5] clan kedua adalahperhitungan teras dengan metode difusi 2dimensi Batan-EQUIL-2D [6]. Kajianyang dilakukan dalam perhitung an terasini hanya ditinjau dari aspekneutroniknya saja. Program konversiteras RSG-GAS barns menghasilkandesain teras silisida setimbang yangoptimal. Pacta penelitian ini, pencarianteras setimbang dilakukan denganmengaeu pacta pola pergantian bahanbakar teras RSG-GAS saat ini yaitu pol a511. Dengan pola tersebut, 5 buahelemen bakar standar (EB) clan 1 buahelemen bakar kendali (EK) akandikeluarkan clan dimasukkan masing-masing pacta akhir siklus clan awal siklusteras barn. Perhitungan teras dilakukanuntuk daya maksimum 30 MWt denganvariasi lama operasi 20,30,40,50 clan 60hari.

Perhitungan Parameter Neu..Lily Suparlina, dkk

TEOR!

Persamaan penyusutan bahan bakarDensitas nuklida dalam teras

sebagai fungsi posisi (r) clan waktu (I)dapat digambarkan sebagai vektordensitas nuklida

N(r,t)=(N l(r,t),N2(r,t),.. ...,NK(r,t) T,...(1)

dimana k menyatakan indeks nuklidaclan jumlah nuklida adalah K. Tandapangkat T menunjukkan pemindahandari suatu matriks. Densitas nuklidasebagai fungsi waktu dapat dinyatakansebagai persamaan diferensial linearorde satu

5-N(r,t) = T«I>,O",A)N(r,t)5t

(2)

dimana <1>,cr clan A masing-masing adalahfluks neutron (fungsi energi clan posisi),tampang lintang serapan atau tangkapanclan konstanta pelurnhan. Matriks Tbiasanya mernpakan transmutasi matriksnuklida.

Persamaan kritikalitas reaktor

Distribusi fluks neutron yangdigunakan dalam persamaan penyusutanbahan bakar . Persamaan (1) ditentukanmelalui persamaan kritikalitas

M(N)<D =~ F(N)<Dkelf

sedangkan nilai fluks neutron absolutdidapat dengan menormalisasikandayareaktor. Operator M adalah migrasineutron clan operator yang hilangsedangkan operator F adalah operatorproduksi neutron. Keffmenyatakan faktormultiplikasi, yang mernpakaneigenvalue dari persamaan di alas.

(3)

Prosiding Seminar Hasil Penelitian P2TRRTahun 2003

Pemuatan daD pergeseran bahanbakar di teras

Selama pemuatan daB pergeseranbahan bakar, flux neutron diabaikan,hanya dipusatkan pada notasi matriks

Nj+' (1',0) = SjNj (I', r) + N ~;I (1',0) (4)

Dalam persamaan di atas, j daB tmasing-masing menunjukkan indeks daBpanjang siklus teras. N j+l (r,O)merupakan vektor densitas nuklida padaawal siklus untuk siklus teras berikutnya.Dapat diamati bahwa basil pemuatan daDpergeseran bahan bakar merupakandensitas fungsi waktu yang tidakkontinyu. Vektor N j(r,t)menggambarkan densitas nuklida diakhir siklus, daB N j (,{,O) menunjukkan

densitas nuklida di awal siklus j. MatriksS j biasanya disebut sebagai matrikspergeseran, daB dengan menggunakanmatriks terse but dapat dibuat strategipemuatan daB pergeseran bahan bakar.

Vektor N~I~1menunjukkan komposisibahan bakar segar yang dimasukkankedalam teras pada awal siklus.

Formula materna tis untuk kondisi

teras setimbang

Nj+l(r,t)=Nj(r,t) O:::;t:::;

Sj+l= Sj semuaj (5)

N~I;I(r,0)=N~1I9r,0) semuaj

METODEPERHITUNGAN

Batasan KeselamatanSebelum melakukan perhitungan

teras RSG-GAS, maka terlebih dahuluperlu dipilih batasan desain dan batasankeselamatan yang digunakan dalamperhitungan teras. Batasan desain yangdipilih adalah seluruh konfigurasi terasdan clemen penyusun teras tidakberubah, baik posisi dan jumlahnya.

ISSN 0854-5278

Batasan kesela.matan yang digunakanadalah:

- Batasan reaktivitas lebih padaawal siklus dingin bebas xenon10 % ~k/k

- Marjin reaktivitas padamminimum (stuck rod condition)adalah 0,5 %~klk.

- Faktor puneak daya (FPD) radialmaksimum adalah 1,4.

- Reaktivitas lebih EOC denganxenon 2 % ~klkPerubahan konfigurasi teras

dilakukan dengan mengeluarkan duabuah reflektor dari posisi B-3 daB G-I0.Posisi tersebut diganti denganpenambahan 2 buah batang kendali diposisi B-3 daB G-I0. Selanjutnyadilakukan perhitungan untuk mengetahuiapakah batasan keselamatan yang telahditetapkan di atas terpenuhi atau tidak.

Perhitungan SelSebelum dilakukan perhitungan

teras, maka terlebih dahulu disiapkankonstanta kelompok difusi dengan paketprogram WIMS-D4 [5]. Paket programini menyiapkan konstanta kelompokdalam 4 kelompok teBaga neutron.Konstanta kelompok yang disiapkanmerupakan fungsi kondisi reaktor(panas, dingin, xenon setimbang daDtanpa xenon) dan massa 235Uadalah 4,8glee. Hal ini dibuat agar dapat dilakukanperhitungan kesetimbangan reaktivitasteras RSG-GAS.

Perhitungan TerasPerhitungan teras dilakukan

dengan bantuan paket programmanajemen teras Batan-EQUIL-2D [6].Metode yang digunakan dalam paketprogram ini adalah metode difusineutron banyak kelompok dengangeometri dua dimensi.

Dalam perhitungan teras, terasRSG-GAS dimodelkan dalam geometrix-v seperti yang ditunjukkan dalamGambar 1. Salah satu masukan yang

203

ISSN 0854-5278

terpenting dalam program Batan-EQUIL-2D ialah pola pergeseran bahanbakar. 40 buah elemen bakar clan

elemen kendali dikelompokkan ke dalam8 kelas fraksi bakar. Akibatnya padaawal siklus 5 buah elemen bakar clan 1

elemen kendali dimuatkan sesuai denganjumlah elemen bakar bekas denganfraksi bakar maksimum yangdikeluarkan dari teras. Pola pergeseranbahan bakar clan pembagian 8 kelasfraksi bakar dalam teras masing-masingditunjukkan dalam Tabel 1 clan Gambar1. Seluruh teras menggunakan polamanajemen bahan bakar ini sampaiterbentuknya teras setimbang silisida 4,8g U/cc.

Dalam penelitian ini, perhitunganteras dilakukan dengan variasi waktuoperasi 20, 30,40, 50 clan 60 hari denganmenggunakan nilai buckling 1,7260E-

PerhitunganParameter Neu..LilySuparlina.dkk

03. Hal ini dimaksudkan untuk

mendapatkan parameter neutroniksebagai fungsi dari waktu operasi.Parameter neutronik yang dihitungadalah :

- Harga reaktivitas lebih teras padasaat awal siklus (BOC) dinginbebas xenon

- Harga reaktivitas lebih teras padaakhir siklus (EOC) kondisi panasdengan xenon

- Margin padam pada awal siklussaat BOC

- Fraksi bakar huang maksimum- PPF radial maksimum

- Harga fluks neutron pada posisiiradiasi

Tabel I. Pola Pengelliaran daB Pergeseran Elemen Sakar di Setiap Sikllls Reaktor RSG-GAS dengan rota 5/1

')(111

Dari Ke Dari Ke Dari Ke

H-9 F-10 F-5 F-8 C-7 B-8H-8 C-4 F-4 F-6 C-6 G-5H-7 F-7 F-3 C-10 C-5 0-4H-6 0-10 E-10 B-4 C-4 0-5H-5 E-5 E-9 G-6 C-3 H-8H-4 F-9 E-8 0-3 B-9 C-9G-9 E-8 E-5 A-8 B-8 keluarG-8 keluar E-3 A-7 B-7 keluarG-6 B-7 0-10 G-4 B-5 keluarG-5 G-8 0-8 keluar B-4 A-6G-4 C-7 0-5 H-5 A-9 A-4F-10 G-9 0-4 E-9 A-8 B-5F-9 A-5 0-3 C-6 A-7 H-7F-8 C-5 C-10 E-3 A-6 B-9F-7 F-4 C-9 0-8 A-5 H-6F-6 keluar C-8 F-5 A-4 E-10

Prosiding Seminar Hasil Penelitian P2TRRTahun 2003

ISSN 0854-5278

Keterangan: EB = Elemen Bakar Standar; EK = Elemen Bakar kendali; BE = ElemenReflektor Berilium; BS = Elemen Reflektor Berilium dengan Plug; IP =Posisi Iradiasi; CIP = Posisi Iradiasi Tengah; PNRS = Pneumatic RabbitSystem; HYRS = Hydraulic Rabbit System.

Gambar I. Konfigurasi Teras RSG-GAS (angka dalam grid menunjllkkan kelas fraksibakar)

HasH Perhitungan pengaman (BKP) dilakukan untuksilisida dengan densitas 4, 8 g Dice [3].Hasil perhitungan berupa parameterneutronik teras 4,8 g U/cc ditunjukkanpada Tabel 2 clan Gambar 2.

Perhitungan teras silisida tanpa BKPPerhitungan teras silisida sesuai

dengan konfigurasi teras pada Gambar I(tanpa penambahan batang kendali

Tabel 2. Parameter Neutronik Teras Silisida 4,8 g U/ee tanpa BKP

Keterangan: *1 = Dengan operasi penuh 30 MWth; *2 =reaktivitas lebih awal siklus tanpa xenon *3= reaktivitas lebih akhir siklus dengan xenon, *4 = marjin reaktivitas padam kondisi onestuck tad, *5 PPF fad maksimum

205

K BS B B P B B B BS B BRT

, B BS B F B B B B BS B

H B EB EB EB EB EB EBB B BS1 2 3 4 5 1

G B EB EB IP "'rn'" EB EB B BS B3 8 7 7 6

FEB EB "!'Ir EB EB W EB EB B PN2 2 ...1. 6 8 2 7 1 RS

EEB EB EB

IP EB B HY3 ....L 4 6 3 RS

CIP0

EB IP EB EB EB B HY5 8 4 ----L 5 RS

CEB EB "!'Ir EB EB EB EB B HY2 7 J.. 7 6 4 3 1 RS

8 BS EB EB "!'Ir IP EB EB B B HYNS 6 8 8 4 RS

A B EB EB EB EB EB EBB BS B1 7 4 5 3 2

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Beryllium Block Reflector

Waktu Panjan Pex Pex PPF radialoperas I Siklus. BOC .2 EOc.3 (Jps/4(%) maksimum.5(hari) (MWD) (%) (%)

20 600 18,62 13,31 9,57 1,2130 900 16,47 10,38 7,34 1,2040 1200 13,81 6,64 4,63 1,2350 1500 10,22 1,39 1,10 1.32

ISSN 0854-5278

20.00

15.00

~ 10.00!/)co

~ 5.00.:;,;:co

&! 0.00

-5.00

-10.00 '

600

Perh/tungan Parameter Neu..Lily Suparlina, dkk

100.0 I!iI- reaktivitas BOGdingin bebas xenon

-+- reaktivitas EOG~ panasdenganxenon

80.0 ~ ~ fraksi bakar buang. 70.0 ~ maksimum

~ -.- marginpadam60.0 'in ~ !!1~~~lJ~ >~

co50.0 U::

90.0

40.0

900

30.0

1200 1500 1800

Panjang Siklus (MWD)

Gambar 2. Neraca Reaktivitas Teras Silisida 4,8 g U/cc tanpa BKP

Tabel 2 menunjukkan parameterneutronik teras silisida 4,8 g Vlcc clanGambar 2 menunjukkan grafikparameter neutronik sebagai fungsipanjang siklus. Dari Gambar 2 terlihatbahwa hila mengggunakan batasanreaktivitas lebih teras di awal siklus

10%, maka untuk waktu operasi reactor1500 hari, batasan ini terpenuhi, denganharga reaktivitas lebih di akhir sikluskurang dart 2 %, sekitar 1 %, namun hilamenggunakan batasan reaktivitas padammaksimum kondisi stuck rod adalah

-0,5%, maka hal tersebut tidak terpenuhikarena memberikan harga reaktivitaspositif. Harga reaktivitas padam kondisistuck rod akan terpenuhi jika reaktivitaslebih teras di awal siklus kurang dart10% sekitar 8,5 %, Hamlin tidak

memenuhi batasan reaktivitas lebih diakhir siklus

Perhitungan teras silisida dengan BKPKarena perhitungan untuk

konfigurasi teras silisida belummemeriuhi keselamatan operasi reaktor,maka dilakukan perhitungan selanjutnyayaitu dengan menambahkan batangkendali pengaman AglnCd di posisi terasB-3 clan G-I0.

Tabel 3 clan Gambar 3 menunjukkanharga parameter neutronik untuk terassilisida 4,8 g VIce dengan BKP. Darigrafik yang ditunjukkan oleh Gambar 3dapat ditentukan bahwa batasankeselamatan akan terpenuhi hila terassilisida 4,8 glee dioperasikan denganpanjang siklus 1400 MWD alan 46,6hari.

Tabel3. Parameter Neutronik Teras Silisida 4,8 g VIce dengan BKP

Keterangan: *I = Dengan operasi penuh 30 MWth; *2 = reaktivitas lebih awal siklus tanpa xenon*3 = reaktivitas lebih akhir siklus dengan xenon, *4 = marjin reaktivitas padam kondisi

onestucktod , *5 PPFradialmaksimum

""~

Waktu operasi Panjang siklus BOC *3 *5PPF radialPox Pox EOCpps;4 (%)(hari) (MWD) *2(%) (%) maksimum

20 600 17,87 12,51 8,17 1,2430 900 16,53 9,52 5,43 1,2440 1200 12,95 5,69 2,21 1,2750 1500 9,28 0,35 -2,02 1,33

Presiding Seminar Hasil Penelitian P2TRRTahun 2003

20.00

15.00

;?~II) 10.001!!':;

~ 5.00Q)0:::

-5.00600 900 1200

Panjang Siklus (MWD)

ISSN 0854-5278

90.00

80,00 . - ...-..

reaktivitas BOC dinginbebas xenon

-+- reaktivitas EOC panasdengan xenon

margin padam minimum

;?70.00 ~

"-III.>t:.

60.00 ~'iij.>t:.

50.00 ~u.. -40-fraksi bakar buang

maksimum. 40.00 "'.

30.00

1500

Gambar 3. Neraea Reaktivitas Teras Silisida 4,8 g Vie dengan BKP

Tabel 4. Parameter Neutronik Teras Silisida 2,96, 3,55, 4,5 g clan -+,8g Vlee

Dengan memperhatikan Tabel 4, dapatdilihat bahwa harga parameter neutroniklainnya seperti jumlah uranium yangterbuang dalam satu siklus (step fraksibakar), fluks neutron clanPPF radial jugamemenuhi batas keselamatan. Makinbesar densitas uranium dalam bahanbakar silisida, makin besar fraksi bakarTeratabaik di awal siklus (BOC) maupunpacta akhir siklus (EOC), dengan stepfraksi bakar sekitar 8 %.

Harga PPF maksimum untuk terassilisida 4,8 g Vice kurang daTi 1,4.Harga fluks pacta pacta Tabel 4menunjukkan bahwa acta penurunanharga fluks termal yang relatif kecil clankenaikan fluks neutron cepat yang jugakecil dibandingkan dengan teras silisida2,96 g Vice atau 3,55 g Vice yaitusekitar 9 % untuk fluks nutron termalclan3 % untuk fluks neutron cepat.

207

PARAMETER Si 2,969 Si 3,559 Si 4,5 9 Si 4,89Wee Wee Wee Wee

PanjanQsiklusoperasireactor(MWD/hari) 615/20,50 960 1270/42,3 1400/46,6FraksibakarrerataBOC(%) 30,30 29,46 33,08 34,23FraksibakarrerataEOC(%) 51,78 37,21 41,68 43,07Fraksibakarhuangmaksimum(%) 56,00 66,48 73,57 75,42ReaktivitasteraslebihBOCdinQinbebasxenon(%) 9,65 9,24 10,45 10,65ReaktivitaslebihterasEOCpanasxenonsetimbanQ(%) 2,86 2,85 2,33 2,37MarQinreaktivitaspadamminimum(%) -1,30 -3,89 -3,33 -3,02PPFradialmaksimum 1,23 1,25 1,31 1,31Fluks neutron (x 1014em-2s-1)CIP/IP8 posisiFluksneutrontermalrerata 2,3023 2,3214 2,1937 2,1860Fluksneutrontermalmaksimum 2,5107 2,5462 2,4540 2,4430Fluksneutroncepatrerata 2,0660 2,1028 2,1369 2,1360

ISSN 0854-5278 Perhitungan Parameter Neu -- --

Lily Suparlina. dkk

Bila komposisi clan konfigurasiteras dipertahankan seperti kondisi terassaat ini, maka kedua jenis densitas bahanbakar silisida 4,8 g U/cc tidak dapat

digunakan pacta teras RSG-GAS, karenatidak memenuhi kriteria keselamatan.

Dengan menambahkan batangkendali pengaman (BKP) AglnCd, pactaposisi B-3 clan G-10, teras silisida 4,8 gU/ce dapat dioperasikan dengan panjangsiklus 1400 MWD.. .

KESIMPULAN

DAFT AR rUST AKA

1. A. LANGUILLE, J.P. DURAND clan A. GAY, "New High Density MTRFuel The CEA-CERCA-COGEMA Development Program", Transaction ofThe 2ndTopical Meeting on RRFM Bruges, Belgia 1998.

2. LIEM P.H, dkk., "Fuel Management Strategy For The New EquilibriumSilicide Core Design Of RSG GAS (MPR-30)", Journal of NuclearEngineering and Design 180 (1998).

3. Lily SUPARLINA., "Studi Penggunaan Bahan Bakar Silisida 4,8 glee pactaTeras RSG-GAS", Prosiding Hasil Penelitian P2TRR Tahun 2002, SerpongPebruari 2003.

4. Iman KUNTORO clan Tagor Malem Sembiring., "Kemampuan BatangKendali Berbahan Penyerap B4C Pacta Teras Silisida RSG-GAS", JurnalTeknologi Reaktor Nuklir Tri dasa Mega, Volume 3, Nomor 2, Juni 2001.

5. ASKEW, J.R. et aZ., A General Description Of The Code WIMS, Journal Br.Nucl. Energy Soc. 5 (1966).

6. LIEM P.H., "Development Of An In-Core Fuel Management Code ForSearching The Equilibrium Core In 2-D Reactor Geometry (Batan-EQUIL-20)", Atom Indonesia 23,2 (1997).

DISKUSI

Penanya : Jati SusiloPertanyaan :BKP itu bentuknya seperti apa? Bagaimana cara pemasangannya, apakah bisa dibuat/diadakan

Jawaban :Batang kendali berbentuk sama seperti batang kendali yang digunakan di teras RSG-GAS, yaituberbentuk garpu.

,)(,\A