PENGANTAR TEKNOLOGI NUKLIR Rencana PLTN Tanjung Muria

Reaktor dan Energi Nuklir

Pendahuluan Reaktor = tempat terjadinya atau berlangsungnya suatu reaksi. Reaktor nuklir = suatu perangkat yang digunakan untuk melakukan reaksi inti berantai yang dapat dikendalikan. Pada kuliah ini akan dipelajari prinsip reaktor nuklir

Sejarah Penelitian Nuklir Tahun 1886 Henri Becquerel menemukan suatu unsur yang menghitamkan photographic plate (film negatif) Piere dan Marie Curie menyebut fenomena yang diamati Becquerel sebagai radioactivity Tahun 1939 Otto Hahn dan Fritz S. menemukan reaksi pembelahan nuklir Tahun 1942 Enrico Fermi berhasil membuat reaktor nuklir pertama.

Pembangkitan Tenaga Prinsip pembangkitan tenaga didasarkan pada kesebandingan massa dan tenaga Oleh Albert Einstein dinyatakan E = m.c2 m : massa; c : kec. Chy = 3x108 m/s Perubahan massa yg kecil menghasilkan tenaga yang besar sekali Fakta : jumlah massa nukleon2 sebelum bergabung lebih besar daripada sesudah bergabung Untuk itu, perubahan massa muncul akibat penggabungan atau pemisahan komponen2 inti

Binding Energy (energi ikat) Perubahan massa nukleon2 penyusun inti disebut massa defek (∆m) Untuk memisahkan kembali nukleon2 tsb dibutuhkan energi sebesar ∆mc2 ∆mc2 disebut sebagai energi ikat (binding energi) Binding energi merupakan ukuran tingkat kestabilan inti atom

Binding Energi per nukleon Kurva Binding energi 2 4 6 8 MeV 50 100 150 200 250 H-2 H-3 U-238 U-235 He-4 Pembelahan Penggabungan Nomor massa Binding Energi per nukleon Kurva menunjukkan bahwa energi dpt dibebaskan dg menggabungkan (fusi) inti2 ringan atau membelah inti2 berat (fisi)

Reaksi Fusi Contoh : 2H + 3H 4He + 1n Binding energi inti 4He > inti 2H + 3H Oleh karena itu terjadi pembebasan energi

Prinsip Reaksi Fusi Jenis Reaksi Kondisi Tenaga Reaksi D-D He-3 + n 400 juta C 3,25 MeV Reaksi D-T He-4 + n 0,45 juta C 17,59 MeV Reaksi D-He 3,5 juta C 18,34 MeV

Media Reaksi Fusi Fusi bisa terjadi bila atom berbentuk plasma. Halangan utama temperatur yang sangat tinggi dalam orde beberapa juta Kelvin

Pembebasan Tenaga Oleh Fusi Contoh : D + T He + n + tenaga (Q) ( massa seblm reaksi) Massa ssdh reaksi M(D) = 2,01410 sma M(He)=4,00260 sma M(T) = 3,01605 sma M(n) = 1,008665 sma Total = 5,03015 sma total = 5,011256 sma Q = 5,011256 sma – 5,03015 sma = 0,01885 sma = 17,59 MeV

Reaksi Fisi (reaksi pembelahan) 235U + n  FP + FP + 2-3 n + E Reaksi fisi hanya terjadi pada inti berat (Z>230), 2 inti hasil belah mempunyai nomer massa antara 80 – 150 235U berfisi dgn netron lambat netron termal.

Contoh perhitungan energi fisi U235 membelah menjadi dua inti bernomer massa 135 dan 100 Binding energi tiap inti U235 adalah sekitar : 7,6 Mev Binding energi atom U235 = 235 x7,6 Mev =1786 Mev Binding energi tiap inti bernomer masa 135 : 8,4 Mev Binding energi tiap inti bernomer masa 100 : 8,6 Mev Binding energi kedua atom : (135x8,4+100x8,6) = 1994 Mev Energi yg dibebaskan = 1994 – 1786 = 208 Mev

Interaksi Inti dengan Neutron Interaksi inti dengan neutron di kuantifikasikan dengan konsep tampang lintang (cross section) dengan simbol σ Satuan tampang lintang : barn = 10-24 cm2 Tampang lintang adalah kebolehjadian terjadinya interaksi antara inti bahan dengan neutron yang datang. Nilai tampang lintang dipengaruhi oleh jenis bahan dan energi neutron.

Klasifikasi Interaksi Klasifikasi neutron : Neutron Cepat : E > 100 KeV Neutron sedang : 1 eV < E < 1000 eV Neutron thermal : E < 1 eV Klasifikasi interaksi neutron Hamburan ( σs) : 1. Elastis (σel) Tumbukan 2. tak-elastis (σn-el) Serapan (σa) : 1. Tangkapan (σc) 2. Fisi (σf) 3. Emisi partikel (σe)

Hamburan (scattering) Interaksi ini menyebabkan arah gerak dan energi neutron berubah. Hamburan elastis : peristiwa tumbukan biasa. Jika yg ditumbuk netron adalah : a. Inti berat : arah gerak neutron berubah sedang energi tetap. b. Inti ringan : arah gerak neutron berubah dan energi neutron turun. 2. Hamburan tak-elastis : Neutron masuk ke dalam inti, inti tereksitasi, kemudian mengemisikan foton dan neutron

Serapan (absorbsi) Tangkapan : inti bernomor massa A berubah menjadi A+1 dan diemisikan sebuah sinar gamma. Tenaga sinar gama sebanding dengan tenaga netron dan binding tenaganya. Fisi : Inti membelah menjadi dua dengan nomor sedang sambil dilepaskan 2-3 neutron dan energi. Emisi partikel : setelah menyerap neutron, inti memancarkan proton atau partikel alpha Jenis reaksi tergantung pada jenis bahan dan energi neutron dan dinyatakan dalam tampang lintang

Tampang lintang

Neutron Serentak dan Kasip Neutron serentak : neutron yang dihasilkan sesaat setelah reaksi fisi. Neutron ini mengakibatkan reaksi fisi berantai. Neutron Kasip : neutron yang dihasilkan beberapa saat (orde detik – menit) setelah reaksi fisi terjadi. Neutron kasip berasal dari inti hasil belah. Netron kasip berperanan dalam pengontrolan reaksi berantai. Energi neutron2 tersebut terdistribusi dari nol sampai beberapa MeV.

Pembiakan Neutron Reaksi Berantai : Netron hasil fisi diturunkan tenaganya oleh moderator sehingga menjadi netron thermal. Netron thermal ini mengakibatkan proses fisi lagi dan seterusnya. Neutron hasil fisi akan berinteraksi dengan bahan2 dalam sistem reaktor. Akibatnya, sebagian neutron akan hilang dan sebagian bereaksi dengan bahan fisil sehingga menghasilkan netron lagi Perbandingan jumlah neutron yg dihasilkan pada suatu generasi dengan jumlah neutron yang diserap pd generasi sebelumnya disebut sebagai faktor perlipatan ( K )

Reaksi Fisi Berantai

Siklus Neutron dalam Reaktor

K~ = ε η p f ( rumus 4 faktor ) Rumus Empat Faktor Perlipatan jumlah neutron dipengaruhi oleh faktor-faktor sebagai berikut : ε = faktor pembelahan cepat, menyatakan perbandingan antara jumlah total neutron hasil pembelahan termal U235 dan hasil pembelahan cepat U238 dengan jumlah neutron hasil pembelahan termal U235 η = faktor reproduksi, yaitu perbandingan jumlah rata2 neutron hasil pembelahan dengan neutron yang diserap oleh bahan bakar p = Kebolehjadian bebas resonansi, yaitu netron yang selama perlambatan tidak diserap pada daerah resonansi (oleh inti2 yang tidak membelah) f = faktor penggunaan thermal, yaitu fraksi netron yg diserap oleh bahan bakar dengan total netron yang diserap oleh bahan bakar dan bahan2 lain Pf = Kebolehjadian tidak bocor sebagai netron cepat Pt = kebolehjadian tidak bocor sebagai netron thermal; Untuk reaktor berukuran tak berhingga maka Pf dan Pt = 1, sehingga K~ = ε η p f ( rumus 4 faktor )

Kekritisan Reaktor dan Massa Kritis Tidak ada reaktor yang besarnya tak berhingga, oleh karena itu pasti terdapat kebocoran netron, baik sebagai netron cepat maupun thermal. Maka rumus 4 faktor menjadi rumus 6 faktor : Keff = K~ .Pf .Pt Ada 3 kemungkinan nilai Keff : keff = 1 : reaktor kritis keff < 1 : reaktor subkritis keff > 1 : reaktor superkritis Massa Kritis yaitu jumlah minimum massa bahan dapat belah yang mampu mempertahankan reaksi berantai.

Reaktivitas Reaktor Reaktivitas menunjukkan besarnya perubahan faktor perlipatan neutron (K) terhadap harga satu. Secara matematis ditulis : ρ = 1 – 1/k Ada 3 kemungkinan nilai reaktivitas : ρ > 0 : reaktor super kritis ρ = 0 : reaktor kritis ρ < 0 : reaktor subkritis

Konversi Energi

Konversi pada Reaktor Nuklir Panas Penghasil uap Uap Kering Turbin Generator Listrik

REAKTOR Reaktor Thermal : reaksi terjadi karena neutron thermal. Contoh : LWR (Light Water Reactor); HWR (Heavy Water Reactor); GCR (Gas-cooled Reactor). Reaktor Cepat : reaksi terjadi karena neuton cepat. Contoh : HTGR (High Temperature Gas Cooled Reactor); FBR (Fast Breeder Reactor).

Reaktor Thermal Bagian-bagian reaktor thermal : Batang kendali Perisai Reflektor Pendingin Bahan bakar Moderator

Bahan Bakar Bahan bakar digunakan sebagai penghasil tenaga. Bahan bakar reaktor thermal berupa uranium alam, U-238, yang mengandung sekitar 0,7 % U-235 dan diperkaya sampai beberapa % Kriteria bahan bakar : memiliki tampang lintang fisi besar untuk netron thermal. Hal ini dipunyai oleh U-235.

Moderator Moderator digunakan untuk menurunkan tenaga netron cepat menjadi netron thermal. Kriteria moderator : Mempunyai tampang lintang tangkapan netron kecil Mempunyai tampang lintang hamburan netron besar Bernomor massa kecil Contoh : Kelebihan Kekurangan   Harga murah Serapan netron agak besar Air Dpt sebagai pendingin Mengalami dekomposisi radiasi Air berat Serapan netron Mahal thermal rendah Grafit Sama, bentuk mekanis bgs Bereaksi kimia dg air pd suhu tinggi

Pendingin Digunakan untuk memindahkan panas hasil reaksi fisi. Kriteria pendingin : Panas jenis dan konduksi panas besar Tampang lintang serapan netron kecil Stabilitas kimia sangat baik Ketahanan terhadap aktivitas tinggi Titik lebur tinggi Contoh : Kelebihan Kekurangan Konduksi panas baik Tangkapan n agak besar a. Air Murah Dekomposisi radiasi Dpt sbg moderator Korosif pd suhu rendah Konduksi panas bagus Mahal b. Helium Tak ada serapan netron Mudah bocor tdk korosif

c. Karbon dioksida Kelebihan : 1. Serapan neutron kecil 2. Sedikit korosif 3. Tidak beracun 4. Murah Kekurangan : 1. Bereaksi dengan grafit pada suhu tinggi d. Udara Kelebihan : 1. murah Kekurangan : 1. Konduksi panas jelek 2. Korosif pada suhu tinggi

Reflektor Digunakan untuk mengurangi jumlah netron yang lolos dari teras. Kriteria bahan : Mempunyai tampang lintang hamburan besar Mempunyai tampang lintang serapan netron kecil Contoh bahan seperti moderator

Batang Kendali Digunakan untuk mengendalikan populasi netron. Kriteria bahan : Berpenampang serapan netron besar Tidak mudah rusak oleh iradiasi netron cepat Mempunyai bentuk mekanik bagus Tidak korosif dengan pendingin Stabil terahadap panas dan radiasi Mudah pembuatanya Contoh bahan : Boron, Cadmium, Hafnium

Perisai Digunakan untuk melindungi radiasi dan panas agar tidak bocor keluar reaktor Kriteria bahan : Kemampuan penurunan tenaga netron cepat tinggi Kemampuan menyerap netron thermal besar Serapan terhadap sinar gamma besar Jarak pelemahan dr netron cepat dan sinar gamma : Bahan Kerapatan Jarak pelemahan (cm) (g/cm3) netron cepat sinar gamma Air 1,0 10 30 Grafit 1,62 9 19 Beton A 2,3 11 15 Beton B 4,3 6,3 8 Besi 7,8 6 3,7 Timah H 11,3 9 2,5

Klasifikasi Reaktor Thermal Moderator Pendingin Bahan bakar Tipe   1. CO2 1. Uranium alam GCR Grafit 2. U. diperkaya AGR 2. He U. diperkaya HTGR 3. Air LWGR Air Berat Air berat Uranium alam PHWR Air AVR PWR,BWR

GCR HWR PWR BWR T G Water reaktor steam Condenser Steam gen. He Lower Turbine Steam GCR calandria boiler Moderator heat exchanger HWR PWR Steam separator Reaktor BWR H2O D2O

REAKTOR TIPE LWR (PWR &BWR) ●PWR（Pressurized Water Reactor） ●BWR（Boiling Water Reactor） Pressurizer Control Rod Turbine Generator Reactor Vessel Fuel Reactor Coolant Pump Containment Vessel Condenser Cooling Water (Sea Water) Feed Water Pump Circulating Water Pump Transformer Reactor Pressure Vessel Water Suppression Pool Recirculation Pump Steam Generator Main Steam (Radioactive) Feed Water (Radioactive) Main Steam (No Radioactive)　 (No Radioactive)

Karakteristik LWR Menggunakan air dan uap sebagai moderator dan pendingin Menggunakan uranium dg sedikit pengayaan Efisiensi thermal rendah (sekitar 34%) karena memakai uap jenuh Beroperasi pada tekanan tinggi (70-150 bar) agar diperoleh suhu pendingin 300 oC Berukuran kecil dan konstruksi sederhana

Kurva Kerja PWR dan BWR 50 150 250 350 100 200 Kurva Uap Jenuh 50 150 250 350 100 200 Kurva Uap Jenuh Tekanan (bar) oC Daerah kerja PWR Daerah kerja BWR air uap

Perbandingan PWR dan BWR Rapat daya besar, shg ukuran reaktor kecil Desain untuk tekanan tinggi Generator uap ada pada pendingin sekunder Perawatan turbin mudah karena tidak terkontaminasi radiasi Terdapat sistem presurizer BWR : Rapat daya rendah, shg ukuran reaktor besar Tanpa sistem sekunder, shg pemasagan sederhana Perawatan turbin perlu perlindungan khusus karena terkontaminasi radiasi Terdapat sistem resirkulasi

BWR

Reaktor Air Mendidih (BWR)

Diagram Alir Sistem BWR Panas hasil fisi digunakan untuk mendidihkan air. Uap yg di hslkan di pisahkan dari butir-butir air oleh steam separator dan pengering. Uap keluar dari bejana reaktor menuju turbin Turbin terdiri dari 2 tingkat, yaitu bagian tekanan tinggi (HP) dan 2 paralel bagian tekanan rendah (LP), dimana uap sebelum masuk ke bagian tekanan dipisahkan dr butir2 air serta dipanaskan kembali (moisture separator & reheater) Turbin memutar generator shg dihasilkan listrik Uap dari turbin masuk ke kondenser dan berubah menjadi air lagi. Air kondensat dialirkan ke penyaring demineral(demineralizer) kmd dialirkan ke pemanas Air ditekan lagi dan dikembalikan ke teras reaktor

Sistem resirkulasi Sistem resirkulasi digunakan sebagai pengendali daya reaktor BWR Prinsip pengendalian, yaitu dengan mengatur kerapatan pendingin Perubahan debit sirkulasi menyebabkan perubahan gelembung yang dihasilkan. Perubahan gelembung menyebabkan perubahan moderasi neutron dalam teras

Bahan Bakar dan Batang Kendali BWR Uranium dalam bentuk UO2 (uranium dioxida) Perkayaan U-235 berkisar antara 1,6%-2,8% UO2 dipakai dlm bentuk pelet (pil) Pelet ditempatkan dalam kelongsong zircaloy-2 Kelongsong disusun membentuk kisi teras reaktor 8x8 Dalam teras terdapat sebuah kisi yang berisi kelongsong kosong, yg bertujuan agar distribusi flux netron lebih merata. Batang kendali terbuat dari borium berbentuk karbida boron B4C

PWR

Konstruksi PWR PWR paling sedikit memiliki 2 loop. Aliran pendingin dari reaktor terbagi 2 aliran scr paralel, shg seluruh daur primer terdiri dari 1 reaktor, 2 generator uap, 2 pompa primer dan 1 presurizer.

Satu lop

Diagram alir PWR Daur primer berisi air pendingin bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi,mengambil panas fisi Dari bejana, air menuju generator uap. Melalui generator uap, panas dipindahkan ke siklus sekunder. Air primer dipompa kembali ke reaktor, presurizer menjaga tekanan air tetap tinggi. Air sekunder mendidih dan dihasilkan uap. Uap dialirkan ke turbin dan enggerakkan generator sehingga dihasilkan listrik. Uap masuk kondenser dan dialirkan kembali ke generator uap

Sistem Primer Presurizer : Prinsip kerja berdasar sifat air yg dijaga dlm keseimbangan dengan uap pd suhu tertentu akan bertekanan tertentu pula, yiatu tekanan uap jenuh pada suhu tersebut. Komposisi presurizer 60%air dan 40%uap. Bila beban listrik PLTN naik, maka suhu sistem primer turun, shg tinggi permukaan air turun. Maka pemanas listrik bekerja. Demikian sebaliknya Pembangkit Uap : berisi pipa berbentuk U yang dilewati pendingin primer. Uap yang dihasilkan berupa uap jenuh kering

Bahan bakar, batang kendali, dan teras Bahan bakar berupa UO2 dg pengayaan sampai 3 %. UO2 berbentuk pelet dan ditempatkan dalam kelongsong dr zirkonium-4. Susunan kisi berukuran 17x17 baris Susunan batang bahan bakar berdasarkan perkayaan uranium. Pengayaan plg tinggi berada di barisan tepi luar. Batang kendali terbuat dari kadmium yang merupakan aloi Ag-Ni-Cd Pengendalian reaktor dilakukan pula dg melarutkan asam boron ke pendingin primer

HWR (Candu= CANadian Deuterium Uranium)

Perbedaanya dengan PWR Dengan Reactor Vessel Dengan CALANDRIA

`

Secondary Side D2O Outlet D2O Inlet 260C Manway Main steam  conventional nuclear steam generators and turbine / generator  the steam generators have heavy water on the primary side  steam conditions: 4.7 MPa and 260C Manway Secondary Separators Primary Separators Main steam nozzle Shroud cone U-Bend Tube bundle Shroud Support Plate Cold leg Hot leg Preheater Feedwater Inlet Tubesheet D2O Outlet D2O Inlet

Diagram Alir D2O digerakkan pompa primer mengalir menuju reaktor. Aliran terbagi (oleh header) dalam beberapa aliran sesuai jmlh pipa2 tekan D2O mengambil panas reaktor. Keluar reaktor aliran disatukan lagi oleh header dan masuk ke boiler (steam generator) Di boiler pendingin mengalihkan panasnya ke air pada siklus sekunder. Steam generator menghasilkan uap yang menggerakkan turbin shg dihasilkan listrik D2O keluar dari boiler dan dipompa lagi ke teras reaktor. Sebagian panas teras juga tertransfer ke moderator dalam calandria. Moderator dialirkan oleh pompa moderator ke moderator heat exchanger

Bahan Bakar, Pipa Tekan dan Calandria UO2 berbentuk pil (pelet) dan disusun dalam pipa Zr-4 membentuk elemen bahan bakar. Setiap 37 elemen disusun menjadi satu bundel bahan bakar. Setiap 12 bundel tersusun horizontal dalam pipa tekan Pipa-pipa tekan terletak dalam pipa calandria yang berukuran besar.

Konsep CALANDRIA & Kanal BB

Rakitan Reaktor Kanal-kanal bahan bakar dan moderator terletak dalam CALANDRIA CALANDRIA diletakan dalam VAULT beton berisi air, juga sebagai SHIELDING. END-SHIELDS berisi air dan bola-bola baja. CALANDRIA bertekanan dan temperatur rendah.

Nuclear power plants in commercial operation Reactor type Main Countries Number GWe Fuel Coolant Moderator Pressurised Water Reactor (PWR) US, France, Japan, Russia, China 271 270.4 enriched UO2 water Boiling Water Reactor (BWR) US, Japan, Sweden 84 81.2 Pressurised Heavy Water Reactor 'CANDU' (PHWR) Canada 48 27.1 natural UO2 heavy water Gas-cooled Reactor (AGR & Magnox) UK 17 9.6 natural U (metal), enriched UO2 CO2 graphite Light Water Graphite Reactor (RBMK & EGP) Russia 11 + 4 10.4 Fast Neutron Reactor (FBR) 1 0.6 PuO2 and UO2 liquid sodium none   TOTAL 436 399.3

Gas-cooled Reactor (AGR & Magnox) UK 17 9.6 GWe = capacity in thousands of megawatts (gross) Source: Nuclear Engineering International Handbook 2011, reactors under construction: see paper  Plans for New Reactors Worldwide. Gas-cooled Reactor (AGR & Magnox) UK 17 9.6 natural U (metal), enriched UO2 CO2 graphite Light Water Graphite Reactor (RBMK & EGP) Russia 11 + 4 10.4 enriched UO2 water Fast Neutron Reactor (FBR) 1 0.6 PuO2 and UO2 liquid sodium none   TOTAL 436 399.3

                                                                Situasi Geologi di Gabon yang menunjukan adanya reaktor nuklir alam 1. Zona reaktor nuklir 2. Batu pasir 3. Lapisan bijih Uranium 4. Granit

Reaktor Nuklir Alam Reaktor nuklir alam merupakan salah satu penemuan dalam bidang geologi yang ditemukan pada tahun 1972. Saat itu, di fasilitas pengolahan bahan bakar nuklir Pierrelatte, Ilmuwan Perancis bernama Bougzigues sedang bekerja melakukan analisis rutin terhadap uranium yang telah diekstrak dari biji uranium. kemudian ia menyadari sesuatu yang aneh dari biji uranium yang ditelitinya.

Uranium memiliki tiga isotop yang memiliki massa atom yang berbeda dengan proporsi yang berbeda, yaitu : U 238 sebanyak 99.274%, U 235 sebanyak 0.720% dan U 234 sebanyak 0.005%. Dimanapun di bumi ini, atom uranium 235 membentuk 0,720 persen dari total uranium. Namun sampel yang dipegang olehnya hanya memiliki 0,717 persen. Ini menunjukkan bahwa sampel uranium ini pernah mengalami reaksi pelepasan energi (reaksi fisi).

Badan tenaga atom Perancis segera bergerak untuk menyelidiki penyebabnya. Sampel itu dilacak hingga ke sebuah pertambangan di Oklo, Gabon, Afrika. Para ilmuwan bergegas ke Oklo. Penelitian lanjutan yang dilakukan menemukan ada enam belas lokasi yang berfungsi sama seperti reaktor nuklir modern dan reaktor purba itu diperkirakan berumur 2 milyar tahun.

Tulisan tahun 1956 yang dibuat oleh Paul Kazuo Kuroda, seorang ahli kimia dari universitas Arkansas. Kuroda mengatakan apabila jumlah U235 cukup banyak dan ada moderator neutron seperti aliran air tanah, maka reaktor nuklir alam bisa terjadi. Kondisi pertambangan Oklo menyerupai apa yang diprediksi Kuroda. Misteri reaktor nuklir alam sebenarnya telah terjawab secara ilmiah oleh Paul Kuroda, jadi faktor misterinya boleh dibilang hampir lenyap.

To be continued