KESELAMATAN ASPEK THERMAL-FLOW PENDINGIN GAS HELIUM BAGIAN DARI KOMPUTASI PEMODELAN UNTUK MENDUKUNG ANALISIS KESELAMATAN SISTEM REAKTOR Sudarmono-PTRKN-BATAN Disampaikan pada: Coaching VSOP- PPIN-BATAN 4 April 2013

SASARAN PELATIHAN Konsep sistem analisis keselamatan reaktor fisik Prinsip kerja VSOP Preorganisasi VSOP, organisasi VSOP dan post analisis sistem keselamatan reaktor menggunakan VSOP Komputasi Burn up bahan bakar Komputasi neutronik dan termalhidraulik

KURIKULUM DAN SILABUS COACHING Aspek KeselamatanPrinsip kerja VSOP Keselamatan aspek thermal-flow pendingin gas helium. Kemampuan pendingin mengambil panas yang dibangkitkan teras Distribusi temperatur dalam teras Distribusi tekanan dalam teras Distribusi aliran pendingin Praktikum Praktikum : Analisis output VSOP pada perhitungan thermal flow Praktikum lanjutan : Analisis output VSOP pada perhitungan thermal flow

BATAS KESELAMATAN REAKTOR GAS TEMPERATUR TINGGI Keselamatan operasi reaktor dibatasi oleh parameter termal-flow di seluruh teras reaktor. Agar integrasi bahan bakar tetap terjaga tidak rusak (pecah atau meleleh) maka parameter termal-flow harus berada di dalam kriteria lisensi. Parameter termal-flow merupakan salah satu parameter keselamatan pada pengoperasian reaktor nuklir. Besarnya Parameter termal-flow sangat ditentukan oleh fluks panas lokal, dimana pembangkitan fluks panas yang tinggi akan mengakibatkan perubahan kesetimbangan panas yang pada akhirnya akan mengakibatkan perubahan parameter termal-flow.

DESAIN KONSEPTUAL TERAS REAKTOR GAS TEMPERATUR TINGGI Desain konseptual teras reaktor gas temperatur tinggi merupakan salah satu sistem pembangkit energi yang memiliki efisiensi energi paling besar, paling ekonomis, tingkat keselamatan inheren yang tinggi dan bersih. Desain konseptual teras reaktor gas temperatur tinggi secara signifikan dapat meningkatkan efisiensi termal total sistem energi nuklir serta dapat diandalkan sebagai salah satu solusi penurunan gas karbon dioksida global karena sebagai pembawa energi yang sangat efisien dan ramah lingkungan. Desain konseptual teras reaktor gas temperatur tinggi merupakan pengembangan desain konseptual reaktor kogenerasi dengan tingkat daya menengah yang berpendingin gas helium.

MEKANISME PEMUATAN BAHAN BAKAR Mekanisme pemuatan bahan bakar selama reaktor beroperasi berlangsung sebagai berikut: bahan bakar bola secara kontinu diambil dari bagian bawah tabung dengan laju pengambilan mencapai ribuan bola perhari, bola bahan bakar yang masih baik akan dimasukkan kembali ke dalam bejana reaktor dari bagian atas. Dengan demikian, seiring dengan berlangsungnya operasi reaktor, posisi bola bahan bakar tidak statis tetapi bergerak secara perlahan dari atas bejana ke arah bawah bejana.   Reaktor gas temperatur tinggi biasanya membutuhkan bahan bakar bola berdiameter 60 mm sebanyak 360.000 butir yang diletakkan di dalam teras reaktor. Rata-rata setiap butir bahan bakar tinggal di dalam teras selama enam bulan operasi penuh.

DISTRIBUSI ALIRAN Permasalahan yang dihadapi adalah sebagai berikut Perangkat sistem reaktor terdiri dari plenum atas yang dihubungkan ke plenum bawah melalui daerah aliran secara bebas. Debit aliran total yang melewati tempat penampung bagian atas diberikan nilainya, kemudian ditentukan bagaimana variasi aliran fluida akan terdistribusi di antara kedua tempat penampungan tersebut. Jika semua tempat penampang aliran sama, maka solusinya : semua penampang aliran akan memiliki nilai debit yang sama.

ANALISIS THERMAL FLOW Distribusi aliran fluida: Pengabaian perbedaan fisik antara kedua tempat penampung fluida atas dan bawah, sehingga perbedaan tekanan antara kedua tempat penampung fluida untuk setiap daerah penampang aliran sama. Aliran fluida akan terdistribusi sedemikian rupa, sehingga perbedaan tekanan antara kedua tempat penampung fluida untuk setiap penampang aliran sama, dan secara matematis persamaan momentum aliran fluida oleh Navier dan Stokes dituliskan sbb. :

ANALISIS THERMAL FLOW < > = berat rata-rata Persamaan momentum aliran fluida oleh Navier dan Stokes: dimana : ρ = densitas fluida lokal vektor kecepatan fluida P = Tekanan normal lokal t = tensor stress fluida  Dengan catatan besaran ρ dan t bukan merupakan kuantitas vektor sederhana, melainkan lebih bersifat kuantitas tensor. Untuk mengaplikasikan persamaan Navier-Stokes kedalam permasalahan aliran fluida, diperlukan persamaan konservatif dari Navier-Stokes (1). Bentuk konservatif diperoleh melalui pengambilan dot product dari vektor kecepatan fluida lokal menggunakan persamaan (1), dan integral melalui elemen volume tertentu. hasil berupa persamaan Bernoulli, yaitu sebagai berikut : < > = berat rata-rata Ω = laju irreversible total untuk konversi mekanik menjadi energi internal. Istilah ini sering digunakan sebagai hilangnya energi karena gesekan.

Thermal Flow Persamaan di atas sama validnya untuk aliran fluida laminer maupun turbulen. Hal ini penting untuk diketahui perubahan pada persamaan (2), yang diperoleh dari kajian kelompok aliran yang berbeda. Kondisi awal dari persamaan (2) memiliki ketergantungan yang kuat terhadap kelompok aliran, dan hal ini secara matematis sering dinyatakan sebagai : dimana λ adalah faktor koreksi energi kinetik. Jika distribusi kecepatan fluida diketahui, nilai λ dapat ditentukan melalui persamaan (3). Untuk aliran turbulen dalamtabung distribusi kecepatan dapat ditentukan melalui hukum Nikuradse. Dengan menggunakan hubungan aliran turbulen ini, dapat dihitung nilai dari faktor koreksi λ yaitu 1,056. Untuk aliran laminer di dalam teras, distribusi kecepatan aliran dapat dihitung melalui hukum aliran Poiseuile, yaitu sbb. :

Thermal Flow Melalui hubungan ini nilai λ untuk aliran laminer adalah 2,00. Secara umum untuk sembarang distribusi kecepatan, nilai λ harus lebih besar dari 1,00. Walaupun nilai λ biasanya diasumsikan namun harus ditentukan/dihitung secara pasti. Nilai λ = 1,00 berlaku untuk kasus aliran turbulen. Laju aliran irreversible total dari konversi mekanik ke energi dalam juga tergantung pada kelompok alirannya. Secara umum nilai Ω dapat dituliskan sebagai : dimana : = jumlah semua faktor energi yang hilang dari aliran fluida yang terkait. Dengan menggunakan persamaan kontinuitas : Dimana G adalah flux massa fluida, maka persamaan (5) dapat dikembangkan menjadi : dimana : Tekanan fluida pada penampung bagian atas (upper plenum) Tekanan fluida pada penampung bagian bawah (Lower plenum)

Iterasi Perhitungan Estimasi penurunan tekanan total plenum-ke-plenum. Skema iterasi ini adalah sebagai berikut: Estimasi penurunan tekanan total plenum-ke-plenum. Gunakan Persamaan (6) untuk menghitung aliran dalam setiap daerah, berdasarkan pada penurunan tekanan yang diasumsikan. Jumlahkan aliran masing-masing dan bandingkan aliran total hasil hitungan dengan aliran total yang diberikan. Jika aliran total terhitung berada dalam kriteria konvergensi yang kecil dari aliran total yang diberikan, masalah selesai. Jika aliran total terhitung tidak berada dalam kriteria konvergensi, penurunan tekanan plenum-ke-plenum yang diasumsikan harus diperbaiki dengan menggunakan rasio aliran terhitung total terhadap aliran total yang diberikan. Langkah 2 sampai 4 lalu diulangi sampai konvergensi tercapai.

TEMPERATUR PENDINGIN Perpindahan panas dalam suatu fluida bergerak merupakan suatu proses fisis yang sangat rumit yang sangat tergantung pada regime aliran. Dengan menggunakan korelasi ini, suatu keseimbangan energi memberikan: dimana  = temperatur pendingin bulk, = temperatur teras rata-rata volume terkait, H = koefisien perpindahan panas lokal, W = laju alir massa pendingin, Cp = kapasitas panas pendingin, P = perimeter basah kanal, Z = panjang aksial sepanjang kanal. Hasil integrasi terhadap panjang elemen Dimana

kuantitas differensial panas yang dipindahkan oleh konveksi adalah: term transport panas konveksi menjadi:

Korelasi Korelasi ini bisa dibagi menjadi tiga kelas korelasi aliran fluida, korelasi transfer panas, dan korelasi desain.

Korelasi aliran fluida Nama Korelasi Korelasi Keterangan Faktor kehilangan friksi ef= faktor kehilangan friksi kanal; L= panjang kanal, D = diameter hidrolik kanal, f= faktor friksi Fanning Data faktor friksi Re = bilangan Reynolds Untuk aliran laminar, Re  1600, faktor friksi ditentukan dengan hasil klasik Hagen-Poiseuille, koefisien kehilangan ekspansi, Kays koefisien kehilangan kontraksi, Kays Ee = faktor kehilangan akibat ekspansi mendadak,  = rasio daerah kecil terhadap daerah luas, L= faktor koreksi momentum untuk tabung besar, S = faktor koreksi momentum untuk tabung kecil.

Korelasi aliran fluida Nama Korelasi Korelasi Keterangan koefisien kehilangan orifice CD= koefisien buangan A0= luas orifice P0= penurunan tekanan di sepanjang orifice penurunan tekanan di sepanjang orifice

Perhitungan pressure drop di dalam pebble bed Gambar di bawah menunjukkan perbandingan nilai pressure drop Vs bilangan Reynolds yang dihitung menggunakan tiga model yang berbeda. Diantara ketiga model tersebut penggunaan korelasi KFA yang merupakan modifikasi Ergun memberikan prediksi terbaik. Gambar Model pressure drop

Perhitungan Konduktivitas pebble bed Model Fisika dan matematik yang digunakan untuk menghitung laju alir dan perpindahan panas di dalam pebble bed digunakan pendekatan media berpori. Model perpindahan panas berdasarkan panas lokal tak setimbang antara bahan bakar padat dan gas. effective thermal conductivity bed sangat bergantung pada temperature dan dosis meutron cepat. Gambar Konduktivitas efektif Pebble bed

Persamaan kontinyuitas pada pebble bed Dimana d adalah diameter pebble dan bilangan Reynolds, Re dinyatakan dengan Persamaan kontinyuitas pada pebble bed Aliran fluida dimodelkan dengan persamaan massa dan momentum, yang diturunkan untuk paket bed berdasarkan model tahanan Ergun yang dimodifikasi. Dimana d adalah diameter pebble dan bilangan Reynolds, Re dinyatakan dengan

Gambar Volume Kendali Silindris Aliran fluida dan perpindahan panas dijelaskan dengan persamaan persamaan yang dimodelkan di dalam koordinat silinder tiga dimensi dan diselesaikan pada kondisi tunak (steady-state) dan fungsi waktu (transient). Diskretisasi spasial ditunjukkan dengan metode volume kendali seperti ditunjukkan pada Gambar di bawah. Metode Theta digunakan untuk diskretisasi temporal. Pustaka:   Volkan Seker, Thomas J. Downar, Multiphysics Methods Development For High Temperature Gas Cooled Reactor Analysis, International Conference On Emerging Nuclear Energy Systems (Icenes-2007), Istanbul, Turkey, June 3 – 8 2007 Gambar Volume Kendali Silindris

Deskripsi VSOP Untuk memperoleh parameter termal-flow digunakan paket program VSOP (Very Superior Old Program), yang merupakan program perhitungan termal-flow di teras reaktor gas temperatur tinggi dan yang dikembangkan oleh HTR-DRAGON European, program ini ditulis dalam bahasa fortran 77 dan membutuhkan sistem penyimpan 17 M- Bytes.   Program VSOP telah dimiliki sejak 2010 akan tetapi belum dapat dijalankan baik dengan windows XP, windows NT maupun windows.ME. Kini dengan adanya kompiler tipe G95, program VSOP dapat dijalankan dengan Windows7. Program VSOP tersusun oleh 12 modul, Program ini memerlukan data input desain geometri reaktor dan spesifikasi bahan bakar.

Deskripsi VSOP   Program VSOP tersusun dari 12 modul perhitungan, diantaranya adalah modul TRIGIT, BIRGIT,LIFE, VSOP dan ZUT serta 2 opsi paket program perhitungan pembakaran yaitu : (a) Citation dan (b) Thermix. (a). Citation merupakan modul perhitungan yang berdasarkan teori difusi sebagai perhitungan fluks neutron di dalam teras dalam bentuk geometri multidimensi, (b) Thermix digunakan untuk perhitungan parameter termal-flow. Program VSOP ini disusun dari penggabungan aspek-aspek neutronik, fluida dinamik dan perpindahan panas, menggunakan persamaan numerik dengan prinsip-prinsip kesetimbangan energi. Di dalam perhitungan thermal-flow yang akan di lakukan kami dasarkan dengan assumsi penggunaan data neutronik yang telah ada Korelasi perhitungan VSOP yang digunakan adalah korelasi perpindahan panas, korelasi desain, korelasi sifat-sifat fisis helium, korelasi moderator dan korelasi laju alir pendingin. Di agram alir perhitungan Program VSOP untuk termal-flow seperti ditunjukkan pada Gambar dibawah ini :

Gambar. Di agram alir perhitungan Program VSOP untuk termal-flow

Zona Keterangan Kerapatan Material (gr/cc) 1 Kernel UO2 10.6 2 Porous Carbon Buffer 1.05 3 Inner Layer – PyC 1.90 4 SiC 3.18 5 Outer Layer – PyC

Partikel bahan bakar berlapis desain konseptual teras reaktor maju dengan daur bahan bakar dengan komposisi kernel (UO2) yang dilapisi oleh penyangga karbon berpori (porous carbon buffer, C), piro karbon bagian dalam (inner pyrolytic carbon, IPyC), silikon karbida (SiC), dan piro karbon bagian luar (outer pyrolytic carbon, OPyC). Setiap lapisan partikel TRISO memiliki fungsi spesifik dalam unjuk kerja bahan bakar, salah satu diantaranya adalah mencegah kebocoran produk fisi dalam bentuk gas maupun metalik dan menjaga integritas struktur selama kondisi normal maupun kecelakaan. Partikel berlapis tersebar dalam matrik grafit dan terdistribusi secara acak dalam sel bahan bakar pebble.

Tabel Spesifikasi teknis bahan bakar partikel berlapis gas temperatur tinggi TIPE KERNEL UO2 Radius kernel, cm 0,025 Enrichment, % (U-235) 10 Densitas kernel, gr/cc 10,40 LAPISAN TRISO Diameter dari dalam kernel ke luar (cm)/tebal (cm) Densitas (gr/cc) Lapisan penyangga karbon berpori (buffer) 0,0345/0,0095 1,05 Lapisan dalam piro karbon (IPyC) 0,0385/0,0040 1,90 Lapisan Silikon Karbida (SiC) 0,0420/0,0035 3,18 Lapisan luar piro karbon (OPyC) 0,0460/0,0040 PEBBLE-BED Diameter bola pebble, cm 6,00 Diameter zona aktif bahan bakar, cm 5,00 Tebal matriks grafit outer shell, cm 0,50 Densitas matrik grafit outer shell, gr/cc 1,75

Gambar Bahan bakar pebble reaktor gas temperatur tinggi

Gambar 5. Desain konseptual teras reaktor teras reaktor gas temperatur tinggi.

Teras reaktor dibagi menjadi 81 bagian, dengan bagian- bagian tersebut adalah : 0 = Reflektor bagian bawah 1,17,19,55 = Campuran karbon dan boron 2 = reflektor grafit bagian atas 3 = chamber pendingin helium 4 = reflektor atas 5 = ruang kosong bagian atas teras 6,7 = bola-bola dummy grafit 8 s/d 16. adalah Struktur reflektor bagian bawah dengan densitas berbeda-beda 20,21,22,23,24,25,26 reflektor grafit 27,28,29,30,30-40,41 = reflektor grafit 42,43,44,45,46,47,48 = reflektor grafit 82,49,50,51,52,53,54 = reflektor grafit 57,66,67,68,69,70,71,80 = reflektor grafit 64,72 74,75 = Campuran karbon dan boron 76,77,78, 79= Campuran karbon dan boron 58,59,60, 62,63 = lokasi pendingin helium

(vi) Menentukan data masukan program VSOP, antara lain adalah : (v) Menentukan data elemen bakar bola dan bahan bakar partikel coated TRISO, parameter bahan bakar bola terdiri dari: Material kernel Diameter kernel Densitas kernel Material coating dari dalam Ketebalan material coating dari dalam Densitas material coating dari dalam Diameter matrik bahan bakar Ketebalan lapisan terluar Diameter elemen bahan bakar (vi) Menentukan data masukan program VSOP, antara lain adalah : daya rapat daya diameter teras tinggi teras jumlah batang kendali jumlah sistem penyerap bola bahan bakar diameter bejana tekan ketinggian bejana tekan tekanan pengkayaan fraksi bakar (vii) Menentukan data material matrik bahan bakar diameter matrik bahan bakar material outer layer ketebalan outer layer diameter elemen bahan bakar

(vii) Menentukan data material matrik bahan bakar diameter matrik bahan bakar material outer layer ketebalan outer layer diameter elemen bahan bakar

Terimakasih atas perhatiannya