basic desain pabrik elemen bakar nuklir tipe pwr...

Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013

- 1 -

BASIC DESAIN PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWeUNTUK PLTN DI INDONESIA: DIVISI PROSES

Bambang G. Susanto, Prayitno, Abdul Jami, Marliyadi P., dan Hafni Lissa Nuri

PRPN – BATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK

BASIC DESAIN PABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWeUNTUK PLTN DI INDONESIA: DIVISI PROSES. Telah dilakukan perekayasaan padatahapan basic desain pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN diIndonesia melalui konversi jalur AUK (Ammonium Uranil Karbonal) dan JKT (Jalur KeringTerintegrasi) dan dilanjutkan dengan fabrikasi. Dari hasil tahapan perekayasaan yangtelah dilakukan untuk divisi proses data teknis telah dihasilkan yaitu: informasi umummengenai pabrik elemen bakar nuklir; basic engineering design data; unit desain basis;deskripsi proses; diagram alir kualitatif dan kuantitatif dan process flow diagram; neracamassa dan energi; spesifikasi dan data sheet peralatan proses; equipment list; diagrampipa dan instrumentasi; perhitungan ukuran pipa nominal pabrik; kelas bahan berbahaya;keterangan katup pengendali, safety analysis function evaluation chart (SAFE Chart);preliminary HAZOP study; data aspek keuangan, kriteria seleksi dan aspek ekonomikhusus untuk JKT.

Kata kunci: PWR 1000 MWe, PLTN , jalur AUK, jalur kering terintegrasi, elemen bakarnuklir.

ABSTRACT

The design has been done at basic design steps of nuclear fuel element plant PWR type1000 MWe for Indonesia NPP through ammonium uranyl carbonate and integrated dryroute up to fabrication step. Technical data’s obtained during the basic design steps (forprocess devision only) are: general information for nuclear fuel element plant; basicengineering design data; process description, qualitative and quantitative flow diagrams;process flow diagram (PFD); mass and energi balance; specification and process datasheet; equipment list; hazard material class, piping and instrumentation diagram; plant linesizing; control description, safety analysis funtion evaluation chart (SAFE Chart),preliminary HAZOP study; the data for financial aspect; selection criteria and economicalaspect for integrated dry route only.

Keywords: PWR 1000 MWe, NPP, AUC route, integrated dry route, nuclear fuel element.


- 2 -

1. PENDAHULUAN

Berbagai negara pemilik PLTN yang ada di dunia, ada yang memasukkan opsi

pendirian pabrik elemen bakar nuklir setelah PLTN nya dibangun untuk menjamin

kesinambungan penyediaan bahan bakar nuklir dalam jangka panjang [1].

Undang-undang Nomor 17 tahun 2007 tentang Rencana Pembangunan Jangka

Panjang Nasional tahun 2005 - 2025 telah menegaskan bahwa pengembangan

diversifikasi energi untuk jangka panjang akan mengedepankan energi terbarukan

khususnya bioenergi, geo thermal, tenaga air, tenaga angin, tenaga surya, bahkan tenaga

nuklir dengan mempertimbangkan faktor keselamatan secara ketat [2].

Untuk mengantisipasi opsi PLTN dipilih sebagai salah satu pembangkitan energi di

Indonesia, BATAN melalui Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir telah melakukan pra studi

kelayakan pendirian pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe mulai tahun 2006

sampai tahun 2009. Kesimpulan dari pra studi kelayakan tersebut menyebutkan bahwa

pendirian pabrik elemen bakar nuklir sangat strategis dan menguntungkan bila dibangun

segera setelah PLTN pertama beroperasi di Indonesia [3].

Pada tahun 2011 BATAN melalui Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir (PRPN) telah

menindak lanjuti hasil pra studi kelayakan dengan melakukan studi lebih lanjut ke tahap

“Basic Desain Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN di

Indonesia”[4]. Pada tahap ini, rencana skedul pendirian pabrik elemen bakar nuklir

disesuaikan dengan kemungkinan pendiriannya setelah tahun 2025. Peralatan proses

konversi UF6 menjadi UO2 melalui jalur kering terintegrasi (JKT) dilakukan desain ulang

dengan menurunkan kapasitas menjadi 400 ton UO2/tahun, sedangkan jalur AUK

kapasitasnya tetap 710 ton UO2/tahun. Seluruh harga peralatan baik konversi maupun

fabrikasi termasuk harga gas UF6 diperkaya sampai 5% U-235 disesuaikan melalui

estimasi cost Index mulai tahun 2024 yaitu ketika pabrik elemen bakar nuklir diperkirakan

mulai dikonstruksi dan mulai beroperasi tahun 2028.

Bahan bakar nuklir adalah salah satu komponen utama beroperasinya sebuah

reaktor nuklir. Fabrikasi bahan bakar nuklir adalah langkah proses paling akhir untuk

memproduksi bahan bakar uranium untuk reaktor tenaga nuklir komersial. Selama

fabrikasi, gas UF6 (biasanya diperkaya antara 3 - 5 % U-235) diubah menjadi serbuk UO2.

Proses secara kimia menjadi serbuk UO2 yang memenuhi tingkat keramik (ceramic grade)

dapat dilakukan melalui jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK) atau Jalur Kering

Terintegrasi (JTK) [1, 3, 5].


- 3 -

Bila proses konversi melalu jalur AUK, mama gas UF6 diubah menjadi uap dengan

cara pemanasan di dalam sehingga gas UF6 yang terbentuk, dan dialirkan ke dalam

larutan amonium karbonat bersama-sama dengan pereaksi gas CO2, gas NH3, dan air

sehingga terbentuk endapan senyawa kompleks AUK yang stabil dan berwarna kuning.

Reaksi pengendapan melalui jalur AUK yang terjadi :

UF6 + 5H2O + 10 NH3 + 3CO2 (NH4)4UO2 (CO3) 3 + 6NH4F (1)

Reaksi proses kalsinasi yang terjadi :

200 0 C(NH4)4UO2(CO3)3 UO3 + 3CO2 + 4NH3 + 2H2O (2)

7000 C6UO3 + O2 2U3O8 + 2O2 (3)

Reaksi proses reduksi yang terjadi :

800 0CU3O8 + 2 H2 3UO2 + 2H2O (4)

Proses konversi gas UF6 melalui JKT adalah sebagai berikut:

UF6 + 2H2O UO2F2 + 4HF (5)

Serbuk uranil fluoride (UO2F2) hasil hydrolysis selanjutnya dikonversi menjadi UO2 dengan

mengalirkan gas H2 dan uap air panas sesuai dengan reaksi sebagai berikut:

4UO2F2 + 2H2O + 2H2 U3O8 + UO2 + 8HF (6)

U3O8 + 2H2 3UO2 + 2H2O (7)

Proses konversi melalui jalur JKT akan mengubah gas UF6 menjadi UO2, dan dihasilkan

limbah yang paling sedikit sehingga disebut proses yang ramah lingkungan [5].

Pada tahap basic desain, pabrik yang akan didirikan mempunyai kapasitas 710 ton

UO2/tahun bila proses konversi UF6 menjadi UO2 dipilih jalur pengendapan Ammonium

Uranil Karbonat (AUK). Kapasitas konversi melalui jalur AUK ini setara dengan 5 bundel

elemen bakar nuklir/hari untuk PLTN tipe PWR kapasitas 1000 MWe [3, 4]. Namun

demikian Jalur Kering Terintegrasi (JKT) juga dipersiapkan sebagai pilihan teknologi

proses bila proses konversi melalui jalur AUK tidak beroperasi. Kapasitas produksi untuk

Jalur Kering Terintegrasi diputuskan diturunkan menjadi 400 ton UO2/tahun untuk

memperkecil biaya investasi awal [4].


- 4 -

2. METODOLOGI/TAHAPAN KEGIATAN BASIC DESAIN PABRIK ELEMEN BAKARNUKLIR TIPE PWR 1000 MWe

Kegiatan perekayasaan melalui tahapan basic desain pabrik elemen bakar nuklir

tipe PWR 1000 MWe untuk PLTN di Indonesia dilakukan menurut format (hanya untuk

divisi proses) sebagai berikut:

1. Informasi Umum mengenai pabrik elemen bakar nuklir yang akan dibangun (untuk

tahapan sekarang ada tambahan data yang dimasukkan),

2. Basic engineering design data (ada tambahan data yang dimasukkan),

3. Penyiapan unit desain basis,

4. Penyusunan deskripsi proses, diagram alir kualitatif dan kuantitatif, dan Process Fow

Diagram (PFD),

5. Penyempurnaan diagram pipa dan instrumentasi,

6. Penyiapan indeks item peralatan/Equipment List (ada perubahan data design),

7. Perhitungan neraca massa dan energi,

8. Penyiapan spesifikasi dan data sheet proses,

9. Revisi perhitungan ukuran pipa nominal (Line Indeks),

10. Penyiapan kelas material berbahaya,

11. Penyusunan Keterangan Katup Pengendali (Control Description),

12. Penyusunan savety analysis function evaluation chart,

13. Penyiapan Preliminary HAZOP Study,

14. Penyusunan data aspek keuangan, kriteria seleksi dan aspek ekonomi.

3. HASIL KEGIATAN BASIC DESAIN DAN PEMBAHASAN (DIVISI PROSES)

Hasil kegiatan dari basic-desain pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe

untuk PLTN di Indonesia khusus divisi proses adalah data teknis dan dalam makalah ini

diuraikan secara singkat sebagai berikut [6]:

3.1 Tambahan data untuk Informasi umum pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000MWe untuk PLTN di Indonesia

Data teknis proses untuk Pabrik elemen bakar nuklir ini terdiri dari 3 unit, yaitu :

1. Unit Proses Dan Fabrikasi Elemen Bakar Nuklir terdiri dari 3 Sub Unit :

Proses konversi gas UF6 menjadi UO2 melalu Jalur Kering Terintegrasi (JKT).

Proses konversi UF6 menjadi UO2 melalui Jalur AUK

Proses Peletisasi dan Fabrikasi


- 5 -

Proses Jalur Kering Terintegrsi beroperasi secara bergantian dengan Proses

Jalur AUK

2. Unit Utilitas, untuk penyiapan uap panas, air pendingin, air proses (air bebas

mineral) dan udara kering bertekanan

3. Unit Pengolahan Limbah radio aktif

Selain itu data lain yang disiapkan adalah battery limits yaitu batas yurisdiksi dari

pabrik elemen bakar nuklir yang akan dibangun dengan kapasitas normal diharapkan

710 ton UO2/tahun untuk jalur AUK dan 400 ton UO2/tahun untuk jalur JKT. Dengan

battery limit itu ditunjukkan interface antara unit proses produksi elemen bakar nuklir

dengan unit utilitas lainnya. Untuk memperoleh gambaran battery limit, diperlukan

Gambar Proses Flow Diagram, P&ID dari pabrik elemen bakar nuklir.

3.1.1 Kondisi Batery limit

Pabrik elemen bakar nuklir yang akan didirikan berupa suatu unit produksi yang

terintegrasi antara proses konversi dan proses fabrikasi untuk menjadi elemen bakar

nuklir. Batery limit hanya menerangkan dua jalur proses konversi, karena prosesnya

yang rumit dan dapat menjadi interface dengan proses yang lainnya (utilitas).

3.1.2 Batery limit untuk Proses Konversi gas UF6 menjadi Serbuk UO2(diperkaya U-235 antara 3-5%) melalui jalur Ammonium Uranil Karbonat.

NO. POSISI ARUS MASUK POSISI ARUS KELUAR

1 Blower (B-0201) udara tekan Blower (B-0201) udara ke HVAC

2. Pompa (P-0203) untuk air utilitas P-0209 (Pompa limbah) dari scrubber

3. Tangki ammonium karbonat (T-0204) P-0210 ( Pompa Limbah cair scrubber)

4. Penukar Panas (HE-0202dan 0203) TP -0201 sd 0203(Tangki Penyimpanproduk UO2)

5 T-0201 (tangki CO2)

6 T-0202 ( Tangki UF6)

7. T-0203 (Tangki ammonia)

8 T-0205 Hidrogen

9 T-0206 (Tangki Nitrogen)


- 6 -

3.1.3 Battery Limit untuk Proses Konversi gas UF6 menjadi Serbuk UO2(diperkaya U235 antara 3-5%) melalui Jalur Kering Terintegrasi.

NO POSISI ARUS MASUK POSISI ARUS KELUAR

1 Penguap T-0101 ( TangkiPenguap UF6)

T-0104 (Tangki limbah Cair)

2. HE-0101 (Penukar Panas) T-0102A/B/C (TangkiPenyimpan produk UO2)

3. HE-0103 (Penukar Panas) F-0101 (Flare)

4 HE-0104 (Penukar panas )

5. T-0103 (Tangki HF Cair)

6. P-0101 (Pompa Scrubber)

3.2 Basic Engineering Design Data

Data engineering dan data desain lainnya yang diperlukan untuk basic desain pabrik

elemen bakar nuklir tipe PWR 1000 MWe sebagai berikut:

3.2.1 Standard dan code untuk design/konstruksi

Berbagai standard dan code yang terkait dan diperlukan selama tahap desain dan

konstruksi pabrik elemen bakar nuklir dipersiapkan sebagai acuan dan dalam makalah ini

hanya sebagian yang ditampilkan antara lain:

ASCE – American Society of Civil Engineers

ASME – American Society of Mechanical Engineers Boiler and Pressure Vessel Code:

– Section II – Materials Specification

– Section V – Non-destructive Examination

– Section VIII – Rules for Construction of Pressure Vessels

– Section IX – Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures,

Welders, Brazers, and Welding and Brazing Operators

– ASME B31.1 – Power Piping

– PTC 22 – Performance Test Code

ASNT – American Society for Non-destructive Testing

AWS – American Welding Society AWA-D-100 Welded Steel Tanks for Water Storage

EJMA – Expansion Joint Manufacturing Association

EPA – Environmental Protection Agency

HI – Hydraulic Institute

IEEE – Institute of Electric and Electronics Engineers


- 7 -

ISA – Instrument Society of America

NBS – National Bureau of Standards

NEMA – National Electrical Manufacturers Association

OSHA – Occupational Safety and Health Administration, Department of Labor

PFI – Pipe Fabrication Institute

TEMA – Tubular Exchanger Manufacturers Association

ASTM – American Society for Testing and Materials

3.2.2 Standards For Criticality

ANSI/ANS-8.1, Nuclear Criticality Safety in Operations with Fissionable Materials

Outside Reaktors.

ANSI/ANS-8.3, (ANSI N-16.2), Criticality Accident Alarm System

ANSI/ANS-8.5, (ANSI N-16.4), Use of Borosilicate-Glass Raschig Rings as a Neutron

Absorber in Solutions of Fissile Material.

ANSI/ANS-8.7, Guide for Nuclear Criticality Safety in the Storage of Fissile Materials.

ANSI/ANS-8.9, Nuclear Criticality Safety Criteria for Steel-Pipe Intersections Containing

Aqueous Solutions of Fissile Materials.

ANSI/ANS-8.10, Criteria for Nuclear Criticality Safety Controls in Operations With

Shielding and Confinement.

ANSI/ANS-8.12, Nuclear Criticality Control and Safety of Plutonium-Uranium Fuel

Mixtures Outside Reaktors.

ANSI/ANS-8.15, Nuclear Criticality Control of Special Actinide Elements.

ANSI/ANS-8.17, Criticality Safety Criteria for the Handling, Storage and Transportation

of LWR Fuel Outside Reaktors.

ANSI/ANS-8.19, Administrative Practices for Nuclear Criticality Safety.

ANSI/ANS-8.21, Use of Fixed Neutron Absorbers in Nuclear Facilities Outside Reaktors.

ANSI/ANS-8.22, Nuclear Criticality Safety Based on Limiting and Controlling

Moderators.

ANSI/ANS-8.23, Nuclear Criticality Accident Emergency Planning and Response.

ANSI/ANS-13.3, Dosimetry for Criticality Accidents.


- 8 -

3.2.3 Informasi Utilitas

Untuk menggerakkan pabrik elemen bakar nuklir baik pada saat proses start-up

dan komissioning dan saat operasi rutin diperlukan air untuk keperluan utilitas

seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 3.2.3 di bawah ini:

Tabel 3.2.3 : Kebutuhan utilitas ( Air bebas mineral)

No Unit yang membutuhkan air proses Jumlah kebutuhan air (kg/jam)

1 Jalur AUK

Reaktor Bubble Column (RB) 39,822 kg/ jam

Scrubber (S – 02) 1143,23 kg/jam

2 Jalur JKT

Cooler HE-03 124,860 kg/jam

Scurbber S-01 11,08 kg/jam

3 Kebutuhan untuk boiler water 300 kg/jam

4 Kebutuhan air untuk peletisasi dan fabrikasi 28.5990 kg/jam

Total kebutuhan untuk keperluan 8 jam/hari 1798 kg/jam = 43152 kg/hari =

43,152 m3/hari = 5,394 m3/jam,

(bekerja 8 jam per hari)

4 Faktor keamanan 20 % 6,47 m3/jam

5 Diambil sistem beroperasi 8 jam per hari,

kapasitas per jam ( pembulatan )

7 m3/jam

3.2.4 Informasi kondisi site (lokasi pabrik)

Informasi kondisi site berisi data mengenai informasi umum tentang pemilihan

lokasi pabrik, kondisi site, ketinggian site, kondisi iklim calon lokasi (data cuaca,

curah hujan, data kegempaan calon lokasi dan lain-lain.). Dalam tahap basic

desain pabrik elemen bakar nuklir ini, site yang kita pilih adalah lokasi BATAN

Serpong yang berdekatan dengan gedung 65. Di dalam gedung itu ada unit

penelitian elemen bakar eksperimental untuk reaktor daya.


- 9 -

3.2.5.Regulasi/peraturan yang berkenaan dengan pollusi lingkungan (udara, limbah air,

suara dan sebagainya.)

Peraturan yang berkenaan dengan polusi lingkungan (udara, limbah, air, suara dan

lain-lain) dalam desain dan konstruksi pabrik elemen bakar nuklir yang berlaku di

Indonesia dipersiapkan antara lain:

No. Perundangan/Peraturan Tentang

1 UU Nomor 23 Tahun 1997 Pengelolaan Lingkungan Hidup

2 PP Nomor 27 Tahun 1999 Analisis Mengenai Dampak Lingkungan

3 PP Nomor 82 Tahun 2001 Pengelolaan Kualitas Air Dan PengendalianPencemaran Air.

4 PP Nomor. 85 Tahun 1999 Perubahan atas PP No. 18 Tahun 1999Tentang Pengelolaan Limbah Bahan BerbahayaDan Beracun

5 PP Nomor 18 Tahun 1999 Pengelolaan Limbah Bahan Berbahaya danBeracun

6 PP Nomor 19 Tahun 1999 Pengendalian dan /atau Perusakan Laut

7 PP Nomor 41 Tahun 1999 Pengendalian Pencemaran Udara

8 Keputusan Menteri NegaraLingkungan Hidup Nomor:KEP-03/MENLH/1/1998

Baku Mutu Limbah Cair Bagi Kawasan Industri

3.3 Unit Desain Basis

Data unit desain basis yang dipersiapkan selama proses desain meliputi:

1. Kapasitas normal dan kapasitas desain dan turn down rasio dan hasil yang

diharapkan dari produk elemen bakar nuklir.

2. Metode test dan prosedur

3. Aspek penyimpanan, penanganan dan keselamatan

4. Persyaratan desain pabrik elemen bakar nuklir berisi antara lain persyaratan

sistem sipil dan struktur; persyaratan desain peralatan dan pipa; persyaratan

sistem listrik; persyaratan instrumentasi dan kontrol; penyederhanaan desain;

margin desain; faktor manusia dan antar muka manusia-mesin; standardisasi;

kemampuan dapat dikonstruksi; maintainability.

3.4 Penyusunan Deskripsi Proses, Diagram Alir Kualitatif dan Kuantitatif, dan Process

Flow Diagram (PFD)

Data deskripsi proses pembuatan elemen bakar nuklir bertujuan untuk memberikan

gambaran umum cara melakukan proses konversi gas UF6 menjadi serbuk UO2,


- 10 -

proses pelletisasi, fabrikasi sampai perakitan elemen bakar nuklir. Deskripsi

menjelaskan seluruh tahapan proses konversi mulai dari awal yaitu ketika gas UF6

diuapkan kemudian dikonversi menjadi serbuk UO2. Serbuk UO2 kemudian dilakukan

proses sintering dan dibentuk menjadi pellet. Pellet kemudian difabrikasi menjadi

elemen bakar nuklir. Data kecepatan alir per jam dari fluida yang mengalir serta

kondisi operasi (suhu, tekanan, dll.) dijelaskan dalam deskripsi ini (sudah dilaporkan

tahun 2011). Diagram alir kualitatif dan kuantitif dari pabrik elemen bakar nuklir

diperoleh berdasarkan hasil pengembangan dari diagram alir yang sama selama

tahap pra studi kelayakan yang telah selesai dilakukan tahun 2009.

3.5 Penyiapan Diagram Pipa dan Instrumentasi [6].

Diagram Pipa dan Instrumentasi di industri khususnya untuk pabrik elemen bakar

nuklir, juga dikenal sebagai diagram alir keteknikan (DAK), flowsheets teknik,

flowsheets. P & ID membantu pemilik ataupun kontraktor yang akan membangun

pabrik ini sebagai sumber informasi rekayasa. Diagram ini digunakan sebagai dasar

untuk rekayasa, perancangan desain, memperkirakan, konstruksi dan operasi dari

pipa, peralatan dan instrumentasi untuk suatu proyek. Oleh karena itu P&ID harus

benar secara teknis, mudah dibaca, konsisten dan bagus penampilannya. Contoh

diagram pipa dan instrumentasi untuk pabrik elemen bakar nuklir untuk rotary kiln

reduksi jalur AUK:


- 11 -

3.6 Penyiapan Indeks Item Peralatan/Equipment List [6].

Data yang dipersiapkan dalam indeks item peralatan adalah penyajian data

peralatan dalam bentuk Tabel dengan menyebutkan nama alat, kode nomor, dan fungsi

dari alat dalam proses operasi seperti misalnya indeks item untuk alat proses JKT

sebagai berikut:

Tabel 3.6 Indeks Item Peralatan/Equipment List [6].

Equipment No. Type of Equipment/ Number Required

Size (DxLxT)m/ Power kW

Material Construction OperatingPressure /

Temperature(1) (2) (3) (4) (5)

Reaktor (R-0101) Rotary Kiln / 2 (D 0.2xL 4.2) /193kW

Stainless Steel SA-240 C

1.1 atm / 660°C

Scrubber (S-0101) Vertical PackingColumn/ 1

(D 0.2xT 5.0) Austenitic Steel SA-212 A

1.5 atm / 30°C

Heater (HE-0101) Double pipe / 3 seri (D 0.05xL 3.7) Carbon Steel 1.5 atm / 290°CHeater (HE-0102) Double pipe / 1 (D 0.05xL 3.7) Carbon Steel 1.5 atm / 110°CCooler (HE-0103) Double pipe / 1 (D 0.05xL 3.7) Carbon Steel 1.5 atm / 200°CCondenser (HE-0104)

Vertical Shell andTube / 2 seri

(D 0.3xL 3.7) Carbon Steel 1.5 atm / 210°C

Heater (HE-0105) Electric Heater / 1 0.34kW Nickelin coilCompressor (C-0101)

Single-stageReciprocating

14.5kW Carbon Steel 2.5 atm / 210°C

Flare (F-0101) Hydrogen Flare /1 (D 0.2xT 10) Carbon Steel 1.5 atm /1000°CStorage Tank(T-0101)

Cylindrical 308C / 2 (D 0.8xT 1.6) Stainless Steel 1.5 atm / 60°C

Storage Tank(T-0102)

Cylindrical flatbottom/10

(D 0.2xL 0.1) Carbon steel 283 C 1.0 atm / 30°C


Horizontaltorispherical / 2



Horizontaltorispherical / 2


Vaporizer Tank(T-0105)

Cylindricalaccessible roof/2

(D 1.2xT 2.3) Carbon steel 283 C 1.5 atm / 80°C

3.7 Perhitungan Neraca Massa dan Energi [6].

Untuk memperoleh perhitungan neraca massa dan energi telah dilakukan prosessimulasi dengan perangkat lunak Chemcad steady state versi 6.4.0.4941. agar diperolehhasil neraca massa dan energi yang lebih akurat. Keluaran dari Chemcad steady state6.40.0.4941 disajikan dalam bentuk tabel dan dilengkapi diagram alir per unit alat yangsedang dihitung. Contoh hasil perhitungan neraca massa dan energi dengan prosessimulasi Chemcad steady state versi 6.4.0.4941 untuk masing-masing alat disajikansebagai berikut:Basis desain dan asumsi yang digunakan :

1. Umpan berasal dari tangki gas UF6 dalam keadaan suhu sekitar 600C dantekanan sekitar 19 atm

2. 1 Tahun = 300 hari operasi3. 1 hari = 24 jam operasi4. Temperatur lingkungan 30 oC


- 12 -

Contoh Neraca Massa dan Energi Jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK).

3.7.1 Tangki Penguap UF6Fungsi : Menguapkan UF6 sebanyak 120.644 kg/jam hingga bersuhu 60oCJenis : Cylindrical dalam Shell pemanasKondisi Operasi : 70 oC , 19 atm

3.8 Penyiapan spesifikasi dan data sheet proses [6].

Penentuan spesifikasi peralatan proses produksi pabrik elemen bakar nuklir dilakukan

melalui proses simulasi Chemcad steady state versi 6.4.0 4941 agar hasil perhitungan

lebih akurat. Proses simulasi dengan Chemcad steady state versi 6.4.0.4941 pada

tahapan basic design telah menghasilkan perhitungan spesifikasi dan data sheet yang

lebih detil dibandingkan dengan tahapan pra studi kelayakan yang selesai dikerjakan

tahun 2009 yang lalu. Contoh spesifikasi dan data sheet proses untuk jalur JKT adalah

sebagai berikut:

Out Put CCl4

Component Weight, kg/hr %CCl4 118.32 100Total Mass Flow 118.32Temperature 70 ℃Heat Flow 1069.58 kcal/hrPressure 19 atm

Out Put Uap UF6

Component Weight, kg/hr %UF6 120.644 100Total Mass Flow 120.644Temperature 60 ℃Heat Flow 2460.92 kcal/hrPressure 1 atm

Input CCl4Component Weight, kg/hr %CCl4 118.32 100Total Mass Flow 118.32Temperature 76.5 ℃Heat Flow 3530.50 kcal/hrPressure 19 atm

Kristal UF6

Component Weight, kg/hr %UF6 120.644 100Total Mass Flow 120.644Temperature 25 ℃Heat Flow 0 kcal/hrPressure 19 atm

Komponenkg/jam

Input OutputUF6 120,644 120,644CCl4 118.320 118.320

Total 238.964 238.964

Komponenkcal/jam

Input OutputUF6 0 2460.92CO2 3530.50 1069.58

Total 3530.50 3530.50


- 13 -

Spesifikasi alat Heater (HE-0101)

Proses Data Sheet Heater (HE-0101

3.9 Perhitungan ukuran pipa nominal (Line Indeks)

Semua sistem proses konversi yang ada di pabrik elemen bakar nuklir ini

dihubungkan dengan pipa proses untuk memindahkan sejumlah senyawa tertentu


- 14 -

dari suatu alat proses ke alat proses lainnya. Seluruh pipa tersebut harus dirancang

dan dihitung sedemikian rupa agar diperoleh diameter nominal dan material pipa

sesuai dengan beban aliran (debit) penurunan tekanan di dalam pipa itu. Untuk

memperoleh hasil yang maksimal maka seluruh data perhitungan diameter pipa

nominal yang ada dalam sistem proses konversi gas UF6 menjadi UO2 masing-

masing melalui jalur AUK dan JKT dihitung dan Tabel 3.9 hanya menunjukkan untuk

jalur AUK:

Tabel 3.9: Hasil Perhitungan Diameter Pipa Nominal Jalur AUK.[6]Aliran Fluida

dariAliran Fluida

keKriteria

Kec.Fluida

(m/detik)

Kec. FluidaTerhitung

Kriteria(∆ P) ,

kg/cm2/100 m

∆ PTerhitung( kg/cm2/100m)

NPS HasilPerhitungan

( inchi) :Schedule

T-UF6(T-0202)

ReaktorGelbg.(BR-0201)

15 7.04 2.0 0.0016 3” ; 40

T-CO2(T-0201)

ReaktorGelbg. (BR-0201)

15 7.04 2,0 0.0016 3” ; 40

Reaktor Gelbng.(BR-0201)

Scrubber(S-0202) 15 13.60 2,0 0.24 1,5” ; 40

Bubble Reaktor(BR-0201)

Pompa(P-0204) 3 0,58 2,0 0,24 1” ; 40

Dipilih 2*)Pompa(P-0204)

Settling Tank(ST-0201) 3 0,58 2,0 0,24 1” ; 40

Dipilih 1,5*)Settling Tank(ST-0201)

Tangki Limbah(TL-0201) 3 0.7 2,0 0,36 0.75”: 40

Settling Tank(ST-0201)

Pompa(P-0205) 3 0,42 2,0 0,4 0.5”: 40

Dipilih 2 *)Pompa(P-0205)

Washing Tank(WT-0201) 3 0,42 2,0 0,4 0.5” : 40

Dipilih 1,5*)Mixer(M-0201)

Washing Tank(WT-0201) 3 0.42 2,0 0,15 0.75” ; 40

Washing Tank(WT-0201)

Tangki Limbah(TL-0201) 3 0,81 2,0 0,57 0.50” ; 40

Washing Tank(WT-0201)

Pompa(P-0207) 3 0.35 2,0 0.26 0,50” ; 40

Dipilih 2*)Pompa(P-0207)

Homogenizer(H-0201) 3 0.35 2,0 0.26 0,50” ; 40

Dipilih1,5*)Homogenizer(H-0201)

Pompa(P-0208) 3 0.35 2,0 0.26 0,50” ; 40

Pompa(P-0208)

Spray Dryer(SD-0201) 3 0.35 2,0 0.26 0,50”; 40

Spray Dryer(SD-0201)

Filter/siklon(C-0201) 3 2,4 2.0 1,06 1,50”; 40

Scrubber(S-0202)

Pompa P-09(P-0209) 3 0.47 2,0 0.21 0,50” ; 40

Dipilih 2 *)Pompa(P-0209)

Tangki Limbah(TL-0201) 3 0.47 2,0 0.21 0,50” ; 40

Dipilih 1.5*)

*) Catatan: Pipa yang terhubung dengan pompa, diameter yang terlalu kecil diperbesar sampaimendekati ukuran nozzle pompa baik pada posisi suction atau discharge.

3.10 Hazardous Material Class

Pabrik elemen bakar nuklir dalam proses operasinya menggunakan bahan baku dan

bahan pendukung dan produk yang dihasilkan termasuk kelas yang berbahaya. Produk


- 15 -

dari pabrik ini adalah elemen bakar nuklir sebagai produk radioaktif. Oleh karena itu

kelas bahan-bahan yang berbahaya di pabrik elemen bakar nuklir ini perlu diketahui

seperti yang disajikan dalam Tabel 3.10 berikut ini:

TABEL 3.10 : Hazardous Material Class Yang Dipakai dan yang Diproduksidalam Pabrik elemen bakar nuklir [6]

NO MATERIALMATERIAL CLASS

NFPA RATING HMIS RATING DOT/49CFR RATINGH F R(S) H F R(S) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 U3O8 2 1 0 2 0 0 72 UO2 73 UF6 74 Pellet UO2 75 HF 4 0 1 3 0 1 86 CO2 1 0 0 1 0 0 2.27 NH3 3 1 0 3 1 0 2.28 H2 0 4 0 0 4 0 2.19 N2 1 0 0 0 0 0 2.210 (NH4)2CO2 2 0 0 2 0 011 H2O 0 0 0 0 0 012 LPG 1 4 0 2.113 HNO3 4 0 0 3 0 0 814 Al(NO3)3 2 0 0 2 0 0 5.115 Alkohol 2 3 0 2 3 0 316 Zinc Stearat 0 1 0 0 1 0

3.11 Penyusunan Keterangan Katup Pengendali (Control Description)

Semua katup pengendali aliran dalam pabrik elemen bakar nuklir ini perlu dijelaskan

cara mengoperasikannya baik pada saat start-up maupun pada saat shutdown untuk

memberikan data teknis pengendalian pada Divisi Instrumentasi dan Kontrol. Contoh

keterangan katup pengendali adalah pada Reaktor Bubble Column BR-0201 baik

saat start-up maupun saat shutdwn sebagai berikut [6]:

Reaktor Bubble Column Br-0201:

Start UpPada tahap permulaan valve pada jalur pipa DW-2009-1”-A1-N yaitu valve V-16,V-17 dibuka, valve V-18, V-19 ditutup. Valve pada jalur pipa UF6-2007-2½”-IC-Nyaitu VP-13, VP-15 dibuka. Valve VP-16, VP-17 ditutup. Valve pada jalur pipaNH3-2008-3”-A1-N yaitu V-20, V-22 dibuka, valve V-23, V-24 ditutup. Valve V-31pada jalur pipa W-2010-2”-A1-N dibuka dan valve pada jalur pipa W-2013-2”-A1-Nyaitu V-33, V35 dibuka dan V-36 ditutup sepanjang operasi normal.

Electric Heater EH-0202 dan Electric Heater EH-0203 dalam kondisi operasi,setelah fluida yang melalui electric heater tersebut telah mencapai suhu 60oC,valve V-19 pada jalur pipa DW-2009-1”-A1-N, valve VP-17 pada jalur pipa UF6-2007-2½”-IC-N dana valve VP-24 pada jalur pipa NH3-2008-3”-A1-N dibuka.


- 16 -

Valve pada jalur pipa AUC-2011-2”-IC-N yaitu VP-18,VP-20,VP21 dibuka dan VP-22, VP-23 dalam kondisi tertutup jika pompa P-0204 A dioperasikan, sebaliknyaVP-20,VP21 dalam kondisi tertutup dan VP-22, VP-23 dalam kondisi terbuka jikapompa P-0204 B dioperasikan.

Motor pompa P-0204A dikendalikan oleh switch HS-0201, motor pompa P-0204Bdikendalikan oleh switch HS-0202 dan dioperasikan secara bergantian ketika levelcairan dalam dalam reaktor minimal 2 m (LAL) .

Laju massa fluida pada jalur pipa UF6-2007-2½”-IC-N, NH3-2008-3”-A1-N, danDW-2009-1”-A1-N dikontrol oleh FFC-0205 dan FFC-0208 dengan perbandingan6 : 2 : 15 dengan laju massa fluida pada jalur pipa UF6-2007-2½”-IC-N sebagaivariabel tetap dan laju massa fluida NH3 pada jalur pipa NH3-2008-3”-A1-N dan airbebas mineral H2O pada jalur pipa DW-2009-1”-A1-N sebagai variabel bebas yangdikendalikan oleh bukaan flow control valve FCV-0205, FCV-0206 dan FCV-0207.

Temperatur dan tekanan dalam reaktor dikontrol oleh temperature indicator controlTIC-0208, temperature transmitter TT-0208 dan pressure indicator PI-0208. Overpressure dikendalikan oleh Vent VT-0203.

Ketika Pompa P-0204A operasi dan P-0204B stand by valve VP-20, VP-21 dibukadan VP-22, VP-23 ditutup. Sebaliknya ketika Pompa P-0204B operasi dan P-0204A stand by valve VP-20, VP-21 ditutup dan VP-22, VP-23 dibuka.

Shut DownUntuk keselamatan proses, maka ketika shut down Valve V-17, V-19, V-24 danVP-18 ditutup diikuti dengan mematikan electric heater EH-0202 dan EH-0203.Selanjutnya pompa P-0204A dimatikan melalui switch HS-0201 atau P-0204Bdimatikan melalui switch HS-0202 ketika level fluida dalam reaktor mencapai 10cm tergantung pompa mana yang saat itu dioperasikan. Valve V-13 pada jalurpipa W-2010-2”-A1-N ditutup ketika suhu reaktor telah mencapai sekitar 40 oC.Untuk mengosongkan fluida sisa dalam reaktor dengan cara membuka drain VP-19.

3.12 Penyusunan safety analysis function evaluation chart [6]

Data teknis Safety Analysis Function Evaluation chart (SAFE Chart), atau Cause &

Effect (C&E) Table, salah satu penetapan teknik analisis sebab akibat yang

dinyatakan dalam ISO 10418 (ISO, 2003) dan API 14C 2003 yang dapat digunakan

untuk mengidentifikasi dampak keselamatan yang tidak diharapkan dan desain

tindakan perlindungan yang diperlukan. Sebagian besar ancaman terhadap

keselamatan proses produksi melibatkan terlepasnya bahan kimia/radioaktif ke

lingkungan. Maka analisis dan desain sistem keselamatan proses produksi

seyogyanya menitik-beratkan pada pencegahan pelepasan tersebut, penghentian

aliran bahan kimia jika terjadi kebocoran, dan meminimalkan akibat terjadinya


- 17 -

pelepasan bahan kimia. Evaporator UF6(T-0105A & T-0105B) jalur JKT adalah

sebagai berikut:

Tabel SAT-01 : Safety Analysis Table Evaporator UF6(T-0105A & T-0105B) [6]

UndersireableEvent

Cause Detectable AbnormalCondition

At ComponentOverpressure √ Block flow or restricted outlet High Pressure

√ Inflow exceed outflow√ Thermal expansion√ Temperature control system

failure√ Excess heat input√ UF6 cylinder leak

Under pressure √ Withdrawal exceeds inflow Low Pressure√ Thermal contraction

Open outlet√ Temperature control system

failureLeak √ Deterioration Low Pressure

√ Erosion√ Corrosion√ Impact damage√ Vibration

ExcessTemperature

√ Temperature control systemfailure

High Temperature

√ High inlet temperature

3.13 Penyiapan Preliminary HAZOP (Hazard and operability) Study[6]

Studi bahaya dan Operabilitas (HAZOP) adalah metodologi, terstruktur sederhana

untuk mengidentifikasi, mengevaluasi dan memprioritaskan kejadian potensi bahaya

di fasilitas proses yang ada atau fasilitas baru yang diusulkan.

Tujuan utama dari HAZOP adalah untuk meningkatkan keselamatan personil

pabrik serta setiap wilayah penduduk terdekat dengan mengidentifikasi potensi

kecelakaan terjadi dan mengambil langkah-langkah untuk mengurangi resiko

kecelakaan tersebut.

Metodologi HAZOP adalah analisis keselamatan yang menggunakan dan

mendorong pemikiran yang imajinatif (atau brainstorming) dan pertama kali

dikembangkan oleh Imperial Chemical Industries (ICI), sebuah perusahaan kimia

Inggris. Hal ini dilakukan oleh tim multi-disiplin HAZOP dan memerlukan penggunaan


- 18 -

kata-kata panduan untuk merangsang brainstorming. Untuk fasilitas proses baru yang

diusulkan, HAZOP mungkin memerlukan beberapa minggu untuk melakukan studi

tersebut.

Untuk melakukan studi awal (preliminary) HAZOP pabrik elemen bakar nuklir telah

digunakan software HAZOP dari PRIMATECH, P-1-614-841-9800,dan data/gambar

berikut harus sudah tersedia untuk dipelajari:

1. Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) untuk proses konversi jalurAUK dan

JKT.

2. Process Flow Diagram baik untuk jalur AUK maupun JKT.

3. Sifat-sifat bahan baku dan bahan produk akhir yang berbahaya harus dikenali dari

hazardous material class.

4. Deskripsi proses termasuk didalamnya neraca massa dan neraca energi

5. Tata letak peralatan proses.

3.14. Penyusunan Data Aspek Keuangan, Kriteria seleksi dan Aspek ekonomi (Jalur JKT)

Data aspek keuangan berikut adalah data untuk proses JKT (proses jalur AUK

belum selesai dikerjakan) kriteria seleksi dan aspek ekonomi menyajikan nilai

investasi dan biaya produksi pabrik elemen bakar nuklir jika dibangun, dan indikator

periode pengembalian, NP, IRR, ROI, Indeks profitabilitas, benefit cost rasio,

penerimaan pajak dari pendirian pabrik tersebut. Data keekonomian pabrik elemen

bakar nuklir (JKT) dari hasil perhitungan adalah sebagai berikut [6,7,8,9]:

1. Periode pengembalian modal 1.39 tahun;

2. Pengembalian atas investasi ( ROI) 45,8 %;

3. Rentabilitas usaha pabrik ini cukup baik dan menghasilkan laba sejak tahun

pertama produksi ( Th 2028) sebesar US $ 54.500.000,- dan akumulasi

keuntungan selama 20 tahun adalah US$ 4.669.267.700,- ,

4. Nilai netto sekarang (NPV) pada capital cost 15% menunjukkan harga positif yaitu

sebesar US$ 544.913.300,-;

5. Arus pengembalian internal (IRR) sebesar 36,01 % ;

6. Nilai indeks profitabilitas 6,62 lebih besar dari 1,0 yang mengindikasikan pabrik

sangat menarik untuk dibangun;

7. Benefit Cost Ratio (BCR) bernilai >1 yaitu 10,42 yang menunjukkan bahwa pabrik

akan memberikan manfaat dan layak untuk dibangun,


- 19 -

8. Selain itu untuk mendirikan pabrik elemen bakar nuklir, diperlukan total biaya

investasi permanen sebesar US$ 171.925.000,- biaya modal kerja sebesar US $

152.518.000,- serta biaya produksi sebesar US$ 617.497.508,-/tahun

4. KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari basic desain pabrik elemen bakar nuklir tipe

PWR 1000 MWe untuk PLTN di Indonesia khusus divisi proses adalah diperolehnya data

teknis basic desain antara lain: informasi umum pabrik elemen bakar nuklir, basic

engineering design data; unit desain basis, deskripsi proses, diagram alir kualitatif dan

kuantitatif dan process flow diagram; neraca massa dan energi; spesifikasi dan data

sheet peralatan proses; equipment list; diagram pipa dan instrumentasi; perhitungan

ukuran pipa nominal pabrik; kelas bahan berbahaya; keterangan katup pengendali, safety

analysis function evaluation chart; preliminary HAZOP study; data aspek keuangan,

kriteria seleksi dan aspek ekonomi jalur JKT.

5. DAFTAR PUSTAKA

1. SUSANTO, B.G. dkk, “Laporan Tim Pra Studi Kelayakan Pembangunan Pabrik

Elemen Bakar Nuklir Tahun 2006”, PTBN-BATAN, Serpong 2006.

2. ANONYM, “ Undang-Undang Republik Indonesia nomor 17 Tahun 2007, Tentang

Rencana Pembangunan Jangka Panjang Nasional Tahun 2005- 2025”

3. SUSANTO , BG, dkk, “Pra Studi Kelayakan Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe

Pressurized Water Reactor (PWR) di Indonesia”, Volume 1 dan 2, PTBN-BATAN, 5

Desember 2008.

4. SUSANTO, BG., dkk, Laporan Tahun 2011 (tahun ke 1), Desain Pabrik Elemen Bakar

Nuklir Tipe PWR 1000 MWe Untuk PLTN di Indonesia”, PRPN-BATAN Desember

2011.

5. Technical Report Series IAEA, No. 221, ”Guidebook on Quality Control of Water

Reaktor Fuel’, Vienna 1983.

6. SUSANTO, BG., dkk, Draft Laporan Tahun 2013 (tahun ke 3), Desain Pabrik Elemen

Bakar Nuklir Tipe PWR 1000 MWe Untuk PLTN di Indonesia”, PRPN-BATAN 2013.

7. NICKKICH,H., Program of Profitability Analysis 1.1 XLS. 2003


- 20 -

8. JOHNSON C.R., AND HEYBURN D.E., “ The Manufacture of Fuel Elements and Their

Assembly For PWR System”, Commercial Nuclear Fuel Department Lynchburg,

Virginia, 1970,

9. SEIDER W.D., SEADER J.D. and LEWIN D.L., “Product And Process Design

Principles“, Synthesis, Analysis and Evaluation, John Wiley and Sons, Inc. 2nd Edition,

2004.

TANYA JAWAB

Pertanyaan:1. Apakah pembangunan pabrikasi bersamaan dengan PLTN atau lebih dulu pabrik?

(Utomo)

2. Lokasi pabrik apa harus dekat dengan tambang uranium? (Utomo)

3. Apakah instalasi pabrikasi sudah dimasukkan dalam perhitungan biaya? (Maradu)

Jawaban:1. Biasanya PLTN dibangun terlebih dahulu kalau pabrik EBN mau didirikan atau

dipersiapkan setelah PLTN beroperasi dan EBN produksi local baru masuk teras ke-2.

2. Lokasi pabrik tidak harus dekat tambang, karena gas UF6 yang dipakai adalah

uranium diperkaya. Lokasi dekat PLTN lebih menguntungkan ditinjau dari sisi

transportasi.

3. Instalasi fabrikasi sudah dimasukkan dalam perhitungan biayanya. Berdasar scale-up

dari harga pabrik, yang kemudian dilakukan perubahan cost indeks untuk tahun 2024.

Harga alat fabrikasi US $ 35.000.000,-.

basic desain pabrik elemen bakar nuklir tipe pwr...

Documents