abstrak - digilib.batan.go.iddigilib.batan.go.id/e-prosiding/file prosiding... · tulisan ini...
TRANSCRIPT
Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bakar NukUrPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996
ISSN 1410-1998
PENGARUH BURNUP DAN DAY A TERHADAP PELEPASAN GAS FISIDARI ELEMEN DAKAR REAKTOR DAY A JENIS PWR
BERDASARKAN PERHITUNGAN DENGAN KODE FEMAXI-IV
Edy SulistyonoPusat Elemen Bakar Nltklir
ABSTRAK
Telah dilakukan analisis terhndap pengnrnh pernbahan bum up terhadap pelepasan gas fisi serta dibandingkanantara pelepasan gas fisi dengan variasi daya memnkai progrwn komputer FEMAXI-IV untllk elemen bakar jenisPWR pada kondisi steady-state. Hnsil wlnlisis mcnunjukkan bahwa pelepasan gas fisi sangat dipengaruhi olehtemperahlT bahllJl bakar, bun/up maupun dnya pada suatu elemen bakar yang diiradiasi.
ABSTRACT
Burn up dependence oj fission gas released and variation power analy.vis have been conducted usingFEMAXI-IV computer code progmm Jor Pressure Water Reactor Fuel during steady-state condition. Theanalysis result shows that/he fission ga.v reh~ase is sensitive to the Ju(~l tempemture, the increasing oj burn up andpower in the Juel element under irm(fiation (~xperiment.
PENDAHULUANTulisan ini menguraikan garis besar sistem
kode komputer yang dipakai dan pengaruh burnupserta daya pada clemen bakar reaktor daya jenisPWR berdasarkan perhitungan denganmengglmakan kode komputer FEMAXI-IV.
Pelepasan gas basil fisi dari sualu clemenbakar dapat disebabkan antara lain oleh naiknyatemperatur bahan bakar. Selain itu tekananinternal dari clemen bakar juga sangatdipengaruhi kondisi operasi selama berada padakondisi steady-state atau transient. Unlukmeramalkan kecepatan produksi gas fisi selamaproses irradiasi dapat dianalisis unjuk kerjaclemen bakar dengan menggunakan programkomputer yang sering disebut ftel rodperformance codes.
METODOLOGI
Garis Besar Sistem Kode FEMAXI-IV
Program FEMAXI-IV 5. adalah programkomputer yang disusun dengan bahasaFORTRAN-IV yang mampu meramalkan unjukkerja clemen bakar jenis L WR. baik dati unjukkerja tennal maupun mekanik pada kondisi...teady-state atau kondisi transient. Sistem analisistemperatur dihitung berdasarkan pada bentukgeometri satu dimensi silinder utuh daDdistribusi radial dati temperatur berdasarkanperbedaan letak per bagian dati bahan bakar (finite difference method ). sedangkan bentukaksial dati temperatur dihitung berdasarkan padasimpul tegak ( axial nodes ).
Salah satu model program kompuler unlllkmeramalkan prodllk gas fisi sualll elemen bakardapat menggunakan kode kompuler FEMAXI-lVI, karena model program ini berdasarkan modelhasil pengembangan dari model yang dilemllkanoleh White daD Tucker2,Hargreaves dan Collins3dan K.lto, R. lwasaki4.
Model dari program ini beranggapanbahwa bahan bakar adalah U02 dan merupakankumpulan daTi butir-butir berbentuk bulat.Mekanisme terbentuknya gas fisi yang dihasilkanberdasarkan alas difilsi atom gas, efek trappingpada intragranular gelembung, efek ~weeping,resolusi dari atom gas, daD produk atom gas dariekses kapasitas jenuh dalam bahan bakar. UkurandaD densitas daTi gelembung intra-granulardikontrol oleh temperatur bahan bakar.Gelembung intragranular diasumsikan tidakbergerak didalam model. Kumpulan atom gasyang dihasilkan berakumulasi menjadi
gelembung-gelembung.
Model Analisis Pelepasan Gas Fisi
Model analisis produk gas fisi yangdipakai dalam FEMAXI-IV adalah model phisikyang telah disederhanakan dari model yang dibuatoleh White clan Tucker clan Hargreaves andcollins3, Model diasumsikan bahwa bahan bakarmerupakan kumpulan dari butiran-butiran bentukbulat dari UO2. Gas fisi yang dihasilkan dalambutiran merupakan basil dari pergeseran daributir-butir yang terakumulasi menjadi bentuk
17,1
Pro,riding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996
gelembung, mekanisme pergeseran bisadisebabkan oleh difusi atom atau bert.1mbah luas(sweeping) oleh pertumbuhan gelembung yangsuatu ketika akan mencapai titik jenuh, sehinggaantar gelembung bisa terjadi penggabungan,membentuk ikatan seperti rantai dan kemudianmembuat alur seperti terowongan (tunnel)sehingga lepas keluar. Ukuran dan densitasbutir/gelembung dikontrol oleh temperatur elemenbakar. Gelembung intragranuler dianggap tidakbergerak di dalam model. Dalam kode komputerini, kecepatan generasi dan terbentuknya produkgas fisi dihitung berdasarkan pada bentltkgeometri satu dimensi silinder utuh (pin) dibagiatas bentuk arah aksial maks 12 segmen dansetiap segmen dibagi atas maks. 10 bagian ke arahdistribusi radial dan mengikuti beberapa asumsidan pers.'lmaan sebagai berikut :
Kecepatan Generasi
Kecepatan generasi pada segmen j ke arabaksial dan radius i ke arab radial mengikutipersamaan :
Y. rj. cr!
Er. NA
pij =
Dimana pij = kecepatan generasi produk gas fisidalam radius ij (mol/cm sec); rj = fungsi distribusidensity daTi heat generasi dalam arab radial; qi =
density panas generasi rata-rata dari arab aksialsegmen j (W/cm); Er = energi yang dihasilkan perI fisi = 2,884 x 10 -II joule (180 MeV); NA =avogadro number = 6.02 x 10 23.
Komposisi gas dihitung berdasarkan
no .Xo.Ho"10""" .'00
Tu""..kon ~o"."~o".r
XII. =
nt
(no. Xo.Kr+O,13 nr)XKr = nt
( fio .Xo.Xe + 0,87 fir)x = x.
fit
Dimana X H. = mol fraksi helium; XKr = molfraksi Krypton; Xx. = mol fraksi Xenon, no = molgas awal dalam rod bahan bakar; Dr = mol gasbasil produk gas fisi; n( = mol gas total; Xo... = mol
fraksi awal.Gambar 1. Bentllk geomctri clemen bakar
Difusi Sccara trapping
Mekanisme pergeseran butiran ataugelembung dilunjukkan pada gambar J.a. dansecara ideal model gelembung dianggap berbentukbola dilunjllkkan pada gambar J.b, dandiasumsikan bahwa bentuk dinding penyekatdalam keadaan setimbang.
(a)
Gambar 2. Bentuk Geometri untllkTermal dan mekanik
275
Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bokor NuklirPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996
(b).
lIelembung De.
IntreDrenuler...,-~ :~Y--'
~/ \
a(I .I\ .
'\ "
,/:
).\ .,
, I
}/-,
Spesifikasi peletBahan bakar : UO2.Diameter dalam (cm) : 0.0Diameter luar (cm) : 0.819Bentuk : non dished pellets
non chamfered pelletsPerkayaan U23S : 0.083Panjang pelet (cm) : 1.344Panjang (node) aksial (cm) : 80.0Berat pelet total (g) : 2197.772Ukuran butir (micron) : 5.0
~
-.-1
b h... g..,..".bu"!1VII' b..,be"t"h bol..
Gambar 3. (a) : Mekanisme terbennlknya gas.(b) : Bentuk ideal gelembung sebagai model
Persamaan difusi adalah sebagai berikut :zircaloy0.8360.95138.3800.0100.00.0291.15
b. Lain-lainBahan kelongsongDiameter dalaln kelollgsollg (cm)Diameter luar kelongsong (cm)Volum plenum alas (cm3)Volum plenum bawah (cm3)Komposisi awal gas (%) heliumnitrogen, kripton, senonTemperatur ruangan ( K )
dC
dt
d2C 2 dC= D + ,
dr r dr-gc + born + B
dengan C = konsentrasi gas atoln/sattlan volume(atom/cm3), D = koefisien difilSi (cm2/del), g =
probability dari gas alom oleh gelembungintragranular (del -I), b = probability dari gas alom
yang larut kembali dalam padalan (del .1), m =nomor atom gas per saluan volume (alon1/cm3), B= kecepatan produksi gas per &1luan volume
(atom/cm3/det).
HASIL DAN BAHASAN
Data hasil analisis terhadap elemen bakarjenis PWR pada kondisi operasi steady state padaposisi aksial nomor 3 dan burn up 33000 MWD/tdapat dilihat pad a Tabel I, Gambar 4.1 danGambar 4.2. Pada Gambar 4.1 ditunjukkan bahwaunhlk daya semakin besar semakin naik suhu padapUSc1t elemen bakar. Pada Gambar 4.2.ditunjukkan bahwa semakin besar power yangdiberikan semakin besar pula produk gas fisi.Hal ini disebabkan oleh naiknya suhu padaelemen bakar sehingga prodllksi gas fisi semakin
banyak.
Bertambah UIaS (.S-weeping) Oleh Pertumbuhan
Gelembung
Probabilitas dari pertambahan luasperrnukaan gelembung gas karena pertumbuhangas dapat dihihmg berdasarkan pers(\maan :
i-Iafg = 1 ~-
a'
3
Tabel I : Pengaruh daya terhadap distribusi suhupada pusat elemen bakar dan produk gas fisi.
(burnup = 33000 MWD/t).
Daya(w/cm)
~
dimana :ai = jari-jari gelembung setelah pertumbuhan
gelembung.ai-I = jari-jari gelembung sebclum per1umbuhan
gelembung.
~~
~~~~550,0
SUjili:~t.Elemen
Bnkar{oC}
723,50999,001167,701432,401672,002104,0024_56,6~
~~
~~~~
61,69
PENGOLAHAN DATA DENGAN PROGRAMFEMAXI-IV
DaJam pemanfaatan fasilitas program
komputer FEMAXI-IV. maka telah dilakukananaJisis terhadap clemen bakar jenis PWR padakondisi steady-state dan pengaruh perubahanburnup dan variasi daya terhadap produk gas fisi.Spesifikasi input data elemen bakar jenis PWR
276
Prosiding Presentasi /lmiah Daur Bahan Bakar NukIirPEBN-BArAN. Jakarta 18-19 Maret 1996
3000
uo~
~811
~"IJ811
~!1)
-I'20<10
1000
Pu8at Bhan BakarPermukaan Bahan Bakar
:-~ 0 200 300 400 500 600
--G--Power ( w/cm ) ..
Gambar 4. Hllbllngan antara daya terhadap suhu bahan bakar.
o'P
.rt".~r..
VI~~
~0~Po
Gambar 4.2. Hubungan antara daya tcrhadap produk gas fisi.
J I , ., ..., .
~- power 200 w/cm
00.0. power 250 w/cm-()-- power 275 w/cm--e-- power 290 w/cm
~- power 295 w/cm
--8-- power 300 w/cm
-.1:]- power 305 w/cm
_0£0- power 310 w/cm-I;},- power 315 w/cm
if'
.rlVI
.rlI)....~~0kPo
A1
6_-~/...,_.~~: ;...,...."n-
~
0 .I .I .I .I .
0 10000 10000 30000 40000 5000,
Burn.up ( MWD/t )
Gambar 4.3. Perbandingan antarn variasi daya pada pengaruhburnup terhadap produk gas fisi.
')'7'7
ProsiJing Presentasi /lmiah DOIIr Bahan Bakar NuklirPEEN-BArAN. Jakarta /8-/9Maret /996
Tabel 2. Hubungan antara burnup dan daya terhadap pelepasan gas fisi.
IiJVffl#p.. PetePa"San G~s FiSi{o/-;)U~~a,,310;lI)aviJl$::"jDay-;; 2QO I Daya 250 g~~
0,500,500,500,500,500,500,500,751,12
~~~
0,500,500,500,500,500,560,561,011.59
Daya 300
0,500,500,520,570,570,570,701,20
1_,--80
2.000
6.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
~~~~~
~~~0,5°-
~
~~~-~~!J-.:!.Q.~
0.62
~~~~~
~~~2.11
2,33
Pads Gambar 4.3 dilunjllkkan bahwapelepasan gas fisi yang dihasilkan sangatdipengaruhi oleh bertambahnya power clan ataubertambahnya burnup, semakin besar burnup yangdiberikan semakin besar pelcpasan gas fisi clansemakin besar daya semakin besar pula pelepasangas fisi yang dihasilkan, sedangkan efek daripelepasan gas fisi dapat mengakibatkan tekananinternal sehingga akan terjadi external ,\1re.\'spada kelongsong, penurunan panas konduksian tara bahall bakar dall kelongsong sehillggasuhu naik pada bahall bakarnya, juga dapatberakibat terjadillya ~welling (pelepllhall) dallakan berpengaruh pada thermal conductivityturun dan sebagai akibatnya SUhl1 bahan bakarnaik.
3. R. Hargreaves and D.A. Collins, J. Br. Nucl.Energy Soc. (1976) 311-318.
4. K. Ito, R Iwasaki and Y. Iwano, J. Nucl. Sci.Technol.22 (1985) 129-138.
5. JAERI Fuel Reliability Laboratory, FEMAXI-IV: Computer Code for the Anaysis of Thermaland Mechanical Behavior of Fuel Rods, CRCResearch Institute, Inc., December 1992
6. Donald R. Olander, Fondamental Aspects ofNuclear Reactor Fuel Elements, Prepared forthe Division of Reactor Development andDemolltration Energy Research, Chap 10
(1976).
TANYAJAWABSIMPULAN
Dan basil analisis unjuk kcrja clemen bakarreaktor daya jenis PWR (Pre,..surerized /llalerReactor) pada kondisi steady .~'/a/e dapatdisimpulkan bahwa pelcpasan gas fisi sangatdipengaruhi olch temperatur bahan bakar,burnup maupun daya. Dari data dall informasiini dapat membcrikan pandangan sccarakualitatif dan dapat dijadikan bahan cvaluasiscbelum mclakukan uji coba irradiasi terlebihdahulu.
1. Endiah Puji Hastuti.Apakah program pcrhitungan FEMAXI-IV
Iclah di bench marking? .dan bagaimana
hasilnya.Bagaimana pcngaruh waktu opcrasi dan daya
Icrh:1dap prodllk gas fisi ? dan dalampcrhilungan ini apakah waktu opcrasi jugadipcrhilungkan ?
Edy Sulistyono.Program FEMAXI-IV telah dicoba dengan
data base pada program intemasional, sepertiOECD HALDEN reactor project daD StudsvikInter Ramp and Over Ramp Project. Dataterscbut berisikan pengukuran temperaturbahan bakar, internal gas pressure roddiameter dan post irradiation. Hasilnya dapatdilihat pada Gambar perbandingan antaraproduk gas fisi dari hasil perhitungan dengandata hasil ekspcrimen, (Iihat pada halaman 33Buletin PRSG TRI DASA MEGA volume 3no. I edisi bulan maret 1994)
DAFTARPUSTAKA
1. T. Nakajima, Paper presented at IAEASpecialists Meeting on Water Reactor FuelElement Performance Computer Modelling,Browness on Windem1ere, UK, 1984.
2. R.I. White and M.O. Tucker, J. Br. Nucl.Mater. 118(1983)
278
Pro"iding Pre"enta"i /lmiah Daur Bahan Bakar Nukl/rPEBN-BATAN. Jakarta J8-J9 Maret J996
power den.S'ity rendah menghasilkan produkgas fisi yang sedikit, sedangkan pada powerdensity di atas 300 W/cmm dan burn-up diatas 30.000 MWD/t terlihat bahwa produk gasfisi mengalami kenaikan yang cukup besar.
Pengaruh waktu operasi dan daya/ linear heatrating terhadap produk gas fisi adalahsenbagai berikut; waktu operasi semakinsingkat menyebabkan linear heat ratingsemakin besar dan produk gas fisi semakin
meningkat, seperti ditunjukkan pada grafikhubungan LHR terhadap produk gas fisi. Padaprogram perhitungan FEMAXI-IV tersebutwaktu operasi juga diperhitungkan dan hal inidapat dilihat pada output program.
5. Sarno.Apa alasan Saudara memilih menggunakan
code FEMA XI-IV?.Bagaimana validitas code FEMA XI-IVterhadap hasil percobaan ?.Apakah FEMA XI-IV dapat digunakan untuk
menentukan jenis produk gas fisi yangdihasilkan ?
2. Hasbullah Nasution.Mohon dijelaskan mengapa terjadi penurunan
produk fisi pada suatu burn-up tertentu, sepertidiperlihatkan pada grafik produk fisi terhadap
burn-up
Edy Sulistyono.Pada Gambar 4.3, yaitu grnfik produk fisi
terhadap burn-up terlihat terjadi penurunanproduk gas fisi pada burn-up tertentu untukLHR (power den.\"ity) 315 W/cm. Hal inikemungkinan terjadi penyimpangan, karenapada saat melakukan pcmbuatan grafik hanyamenghubungkan titik-titik yang ada tanpamelalui perhitungan persamaan garis.
EdySulistyono.Program code FEMAXI-IV dipilih, karena
dapat menganalisis secara lokal dengan cukupdetail
.Validitasnya telah terbukti, hila dibandingkandengan hasil percobaan data HALDEN reactorproject. (Iihat pada halaman 33 Buletin PRSGTRl DASA MEGA volume 3 no. 1 edisi bulanMaret 1994)
.Code FEMAXI-IV dapat digunakan untukmenentukan jenis produk gas fisi hanya padaproduk gas fisi, seperti He, Kr, Xe dan N. Halini dapat dilihat pada output fission gas
information
3. Hanni Sosiati.Mohon pada kesimpulan dibuat
pemyataan/."tatement yang jelas, yaitu sejauhmana pengaruh suhu elemen bakar, burn-updan power pada elemen bakar yang diiradiasiterhadap prodllk gas fisi.
Edy Sulistyono.Pengaruh suhu elemen bakar, burn-up dan
power terhadap produk gas fisi tclah dijclaskansecara lengkap di dalam makalah. Pada tabel 1serta Gambar 4.1 dan 4.2 dapat dilihat bahwasemakin besar power (linear heat rating) makasuhu pada PUS<1t elemen bakar scmakin tinggidan sebagai akibatnya produk gas fisi scmakinmeningkat. Demikian pula, apabila burn-upsemakin tinggi mcnycbabkan LHR (powerdensity) semakin bcsar dan terlihat pulaproduk gas fisi ccnderung semakin mcningkat.
6. Marndu Sibarani.Mohon dijclaskan tentang data input yang
digtmakan pada code komputer. karenapenjelasan di dalam makalah Saudara kurangjelas
.Apakah code FEMAXI-IV dapat digunakanuntuk elemen bakar jenis PHWR dan apa sajabat.,sannya.
Edy Sulistyono.Penjelasan tentang data input yang asli dari
komputer pada s.1at presentasi ditayangkanhanya sekilas/sesaat, tetapi penjelasan yanglebih lengkap dapat dilihat di dalam rnakalahpada bagian spesifikasi input data elemenbakar jenis PWR dan perlu kami tambahkanpula bahwa data input tersebutlah yang dapatdirubah-rubah sebagai variabelnya.
.Code FEMAXI-IV tidak dapat digunakanuntuk clemen bakar jenis PHWR, codeFEMAXI-IV tersebut hanya dapat dipakaiuntuk jcnis L WR seperti pada PWR danBWR.
4. Nurokhim.Berapa besar burn-up dan power
mempengaruhi banyaknya gas fisi ?, darisimulasi yang dilakuka dengan PWR
Edy Sulistyono.Ditinjau daTi layangan bcningan pada rumus
kecepatan produksi gas fisi serta pada Gambar4.2 dan 4.3 mcmperlihalkan bahwa pada
279
Pro,riding Presentasi Jlmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996
7. Amil Mardha
.Apakah kode FEMAXI-IV dclPcl1 digllnakanpada reaklor risel ?
.Mohon penjelasan cara perhilullgannya ? alau
dapal dilerangkan dcngan mcngglmakan alirperhilungan (flow chart)
Edy Sulistyono.Code FEMAXI-IV tidak dapat digunakan
unluk reaktor fiset, karena code FEMAXI-IVtersebul hanya digunakan untuk reaktor tipeLWR (PWR dan BWR)
.Diagram alir perhitlmgan (/low chart) dapatdilihat pada Gambar 2.5 daD 2.6
28()