pengaruh laju alir massa pendingin, tekanan ...digilib.batan.go.id/e-prosiding/file...

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Energi Nuklir 2014

Pontianak, 19 Juni 2014

651

ISSN: 2355-7524

PENGARUH LAJU ALIR MASSA PENDINGIN, TEKANAN DAN DAYA

TERHADAP TEMPERATUR GRAFIT DI TERAS RGTT200K.

Sudarmono

Pusat Teknologi dan Keselamatan Reaktor Nuklir (PTKRN) - BATAN

Kawasan PUSPIPTEK Gedung 80, Serpong, Tangerang 15310

Telp/Fax: 021-7560912/021-7560913 email: [email protected]

ABSTRAK PENGARUH LAJU ALIR MASSA PENDINGIN, TEKANAN DAN DAYA TERHADAP

TEMPERATUR GRAFIT DI TERAS RGTT200K. Pengaruh laju alir massa pendingin, tekanan dan

daya terhadap temperatur grafit di teras RGTT200K. Salah satu aspek yang perlu dianalisis dalam rangka

melengkapi desain konseptual teras reaktor daya maju berbasis RGTT200K adalah pengaruh laju alir massa

pendingin, daya dan tekanan di teras RGTT200K. Dalam makalah ini dilakukan pengaruh laju alir massa

pendingin, tekanan dan daya terhadap temperatur grafit di teras RGTT200K. Tujuan penelitian adalah

untuk mendapatkan data pengaruh laju alir massa pendingin, tekanan dan daya terhadap temperatur grafit

di teras RGTT200K. Analisis dilakukan dengan pemodelan geometri teras RGTT200K dengan sisi inlet

laju alir massa pendingin adalah dari bagian atas teras, yang dimulai dengan zona kavitasi, sebelum masuk

ke zona teras reaktor, sedangkan sisi outlet laju alir massa pendingin berada di posisi bawah. Dalam

pemodelan zona radial dibagi menjadi 7 nodal, sedangkan ke arah aksial dibagi menjadi 40 nodal. Di sisi

outlet terletak corong tempat keluaran bahan bakar yang telah habis masa pakainya. Pengaruh laju alir

massa pendingin, tekanan dan daya terhadap temperatur grafit di teras RGTT200K dilakukan

menggunakan paket program THERMIX. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan laju alir

massa pendingin dari 100 kg/s hingga 140 kg/s menyebabkan temperatur grafit di teras turun sebesar

154oC, dengan temperatur maksimum sebesar 577,4oC. Demikian pula dengan penambahan daya dari 110

MWt hingga 200 MWt serta tekanan dari 4 MPa hingga 7 MPa menyebabkan temperatur grafit di teras

naik sebesar 188,6oC dan 92,5oC, dengan masing masing temperatur maksimum sebesar 629,2oC dan

550,3oC.

Kata Kunci: pengaruh daya, pengaruh alir, pengaruh tekanan, temperatur grafit, RGTT200K

ABSTRACT

THE EFFECT OF COOLANT FLOWRATE, PRESSURE AND POWER ON GRAFIT

TEMPERATURE IN RGTT200K CORE. One aspect that needs to be analyzed in order to complete the

conceptual design of the reactor core advanced power generation based on RGTT200K is the analysis of

heat generation on the core when there is a change of reactor coolant mass flow rate, power and pressure.

This paper analyzes the effect of changes in coolant mass flow rate, pressure and power of the temperature

of the grafit in the RGTT200K core. The purpose of the research is to gain the influence of changes in

coolant mass flow rate, pressure and power to the temperature of the grafit in the RGTT200K core. The

analysis is done by modeling the geometry RGTT200K core with the inlet side fluid flow is on the top of the

core, which begins with the cavitation zone, before entering into the reactor core zone, while the outlet side

of the fluid flow is in the down position of the core. In modeling the radial zone is divided into 7 nodes,

while the axial direction is divided into 40 nodes. On the outlet side of the funnel where the output is the

fuel that has been taken out of service. Analysis of the effect of coolant mass flow rate, pressure and power of

the grafit temperature in the RGTT200K core is performed using the computer program package

THERMIX. The results showed that the addition of coolant mass flow rate of 100 kg/s to 140 kg/s causes

the temperature of the grafit drops, with an amount of 154oC, and the maximum temperature is 577.4oC.

Similarly, the addition of power from 110 to 200 MWt and pressure of 4 MPa to 7 MPa causes a

temperature rise of grafit, with each maximum temperature 188,6oC and 92,5oC, the maximum grafit

temperature are 629,2oC and 550,3oC.

Keywords: power effect, flowrate effect, pressure effect, grafit temperature, RGTT200K

Pengaruh Laju Alir Massa Pendingin, Tekanan Dan Daya...

Sudarmono

652

ISSN: 2355-7524

1. PENDAHULUAN

Kegiatan pengembangan desain konseptual teras reaktor daya maju berbasis

RGTT200K, terus dilakukan di Pusat Teknologi Keselamatan dan Reaktor Nuklir - Badan

Tenaga Nuklir Nasional (PTKRN-BATAN). Tahun 2014 merupakan tahun ke lima

pelaksanaan RENSTRA-BATAN 2010-2014. Kegiatan ini merupakan pelaksanaan tugas

seperti yang tertuang dalam peraturan Preisden RI Nomor 5 Tahun 2010 tentang Rencana

Pembangunan Jangka Menengah Nasional (RPJMN) 2010-2014[1] dan Renstra BATAN 2010-

2014. Salah satu keluaran pada tahun 2014 yang masih terus dilakukan adalah diperolehnya

desain konseptual teras reaktor daya maju berbasis RGTT200K. RGTT200K adalah jenis

reaktor daya maju yang dikembangkan adalah Reaktor berpendingin Gas Temperatur

Tinggi (RGTT) berdaya termal 200 MWt[2]. Berbagai kegiatan awal yang mendukung

kegiatan desain konseptual teras reaktor daya maju berbasis RGTT200K telah dilakukan.

Kegiatan pengembangan desain konseptual teras reaktor berbasis Reaktor Gas Temperatur

Tinggi (RGTT), terus dilakukan di Pusat Teknologi dan Keselamatan Reaktor Nuklir - Badan

Tenaga Nuklir Nasional (PTKRN-BATAN). Untuk mendukung litbang pengembangan

desain konseptual teras reaktor berbasis Reaktor Gas Temperatur Tinggi (RGTT200K) [3,4].

Grafit sebagai material pengungkung bahan bakar Triso merupakan material yang

perlu dipelajari karakteristikanya, mengingat ketahanan temperatur pengungkung bahan

bakar Triso ini merupakan salah satu marjin keselamatan terhadap batasan temperatur.

Berdasarkan pengalaman, pada eksperimen temperatur grafit yang dilakukan di Jerman

menunjukkan bahwa grafit mengalami kegagalan pada uji pemanasan temperatur sebesar

1600oC[5]. Pengalaman penelitian sebelumnya pada modul HTR Jerman dan PBMR Afrika

Selatan, menunjukkan bahwa kegagalan grafit terjadi pada temperatur maksimum sebesar

1472oC dan 1485oC[6}. Berdasarkan pada penelitian tersebut, temperatur grafit sebesar 1600oC

dipilih dan diterapkan sebagai pembatasan temperatur maksimum yang diizinkan sehingga

integrasi grafit tetap terjaga dan tidak melepaskan produk fisi Cs-137 yang membahayakan

bagi tubuh manusia[7].

Salah satu aspek yang perlu dianalisis dalam rangka melengkapi desain konseptual

teras reaktor daya maju berbasis RGTT200K adalah pengaruh laju alir massa pendingin,

tekanan dan daya terhadap temperatur grafit di teras RGTT200K. Makalah ini

menyampaikan analisis mengenai pengaruh laju alir massa pendingin, tekanan dan daya

terhadap temperatur grafit di teras RGTT200K. Pada pemodelan geometri teras RGTT200K

sisi inlet laju alir massa pendingin dimulai dari bagian atas teras yang dimulai dengan zona

kavitasi, sebelum masuk ke zona teras reaktor, sedangkan sisi outlet laju massa aliran

pendingin berada di posisi bawah. Dalam pemodelan zona radial dibagi menjadi 7 nodal,

sedangkan ke arah aksial dibagi menjadi 40 nodal. Di sisi outlet terletak corong tempat

keluaran bahan bakar yang telah habis masa pakainya. Perhitungan dilakukan

menggunakan paket program komputer THERMIX[8]. Program ini telah digunakan untuk

perhitungan keselamatan aspek thermal-flow pendingin gas helium, hasilnya cukup

memadai dengan margin kesalahan relatif yang cukup kecil yaitu kurang dari 1%[9].

2. TEORI

2.1. Deskripsi Desain Konseptual Teras RGTT200K

Desain konseptual teras reaktor gas temperatur tinggi merupakan pengembangan

desain konseptual reaktor kogenerasi dengan tingkat daya menengah yang berpendingin

gas helium. Teras reaktor dengan densitas daya rata-rata 3,22 MW/m3, yang terletak di

dalam Reactor Pressure Vessel, merupakan packed bed dengan tinggi 9,43 m dan diameter 3 m.

Teras berisi 420.000 elemen bakar bulat dalam kondisi setimbang. Setiap elemen bakar

dengan diameter 6 cm berisi sekitar 12.000 partikel bahan bakar berlapis “Triso” dengan

diameter 0,92 mm tersebar di dalam matriks grafit dan shell luar dengan ketebalan 1 cm



653

ISSN: 2355-7524

sebagai zona bebas bahan bakar. Pengayaan setiap elemen bakar diatur 7 g. Uji simulasi

kecelakaan yang dilakukan di Jerman menunjukkan bahwa kecelakaan yang terkait dengan

kegagalan pressure vessel partikel Triso akan teramati pada uji pemanasan pada 1700C[10].

Elemen bakar bola yang mengandung partikel Triso dapat secara efektif menahan semua

produk fisi radioaktif sampai temperatur 1620C[8], yang akibatnya dipilih sebagai

pembatasan temperatur elemen bakar di bawah kondisi kecelakaan. Pada reflektor samping

dekat teras reaktor, 8 batang kendali dipasang untuk pengaturan reaktivitas dan berfungsi

sebagai sistem shutdown pertama, yang dapat membuat reaktor mencapai suatu kondisi

shutdown aman, sedangkan unit shutdown 22 SAS (small absorber sphere) dirancang sebagai

sistem shutdown kedua untuk mencapai kondisi shutdown dingin. Selain itu, terdapat 30

kanal gas dingin yang terletak di luar reflektor samping untuk kanal aliran helium. Tabung

pemuatan bahan bakar dengan diameter 6,5 cm diletakkan pada bagian atas di tengah teras

reaktor, sedangkan tabung pengambilan bahan bakar terletak pada bagian bawah teras

reaktor. Bagian internal logam terdiri atas barrel teras, bagian bawah pendukung struktur

dan pelindung termal bagian atas, yang mendukung berat keseluruhan struktur keramik

teras.

2.2. Simulasi pengaruh laju alir massa pendingin, tekanan dan daya terhadap temperatur

grafit di teras RGTT200K

Program Thermix adalah code computer yang telah proven, dan telah terbukti akurat

untuk simulasi pengaruh laju alir massa pendingin, tekanan dan daya terhadap temperatur

grafit di teras reaktor gas temperatur tinggi dengan pendingin gas dan laju alir massa

pendingin dalam medium poros berupa tumpukan bola [7].

Program ini diturunkan berdasarkan hukum kesetimbangan massa, tenaga dan

momentum linier. Persamaan kesetimbangan massa gas pendingin pada representasi kuasi-

statik menghasilkan vektor alir massa G = pada siklus perhitungan, yang

dinyatakan dengan [5]:

...............................................................(1)

dengan

= Densitas gas pendingin [kg/m3]

= Kecepatan [m/detik]

q = Densitas laju massa sumber [kg-1detik-1m-3]

Hukum kekekalan energi pada representasi kuasi-statik menghasilkan field temperatur gas

TG [5]:

...................................(2)

dengan

= panas spesifik gas (J Kg-1 K)

= Konduktivitas termal efektif gas akibat dispersi (W. m-1. K-1)

T = Temperatur padatan, misal permukaan elemen bakar (K)

= Koefisien transfer panas antara padatan dan gas (W. m-2. K)

Ap = Luas permukaan daerah pebble (m-2)

TG = Temperatur fluida gas helium pendingin (K)

Hukum kekekalan energi pada grafit dievaluasi pada representasi dinamis, yang

menghasilkan field temperatur T, yaitu [5]:

..................................................(3)


Sudarmono

654

ISSN: 2355-7524

dengan

T = temperatur padatan, misal permukaan elemen bakar [K]

= Densitas grafit, [kg/m3]

= Panas spesifik (J/kg. K)

= Konduktivitas termal efektif (W. m-1. K-1)

Q = sumber panas nuklir (Joule)

distribusi temperatur TF juga diberikan oleh hukum kekekalan energi yang dinyatakan

sebagai fungsi waktu [5]:

………………………………………(4)

dimana c dan adalah bergantung pada temperatur lokal TF. Pada permukaan elemen bakar,

temperatur TF sama dengan T dari Persamaan (4) pada posisi di dalam reaktor. Persamaan

(4) dan (5) diselesaikan dalam subrutin TFELD pada kondisi tunak, terdapat suatu prosedur

iterasi antara subrutin TFELD dan KONVEK, yang menghasilkan suatu solusi yang

konsisten untuk temperatur grafit dan gas.

3. METODOLOGI Pengaruh laju alir massa pendingin, tekanan dan daya terhadap temperatur grafit di

teras reaktor gas temperatur tinggi RGTT200K dilakukan melalui pemodelan, perhitungan

dan analisis hasil perhitungan. Pemodelan dilakukan menggunakan program komputer

Thermix untuk menganalisis zona-zona teras dengan masing-masing tingkat daya, tekanan

dan laju alir massa pendingin yang berbeda. Pada masing-masing zona, kearah radial dapat

direpresentasikan zona elemen bakar dan zona pendingin, sedangkan ke arah aksial dapat

direpresentasikan rapat daya. Alur perhitungan program Thermix dijelaskan pada diagram

alir, ditunjukkan pada Gambar 1[5].

Gambar 1. Diagram Alir Program Thermix



655

ISSN: 2355-7524

Pada pemodelan teras reaktor, sisi inlet adalah bagian atas teras, yang dimulai dari

zona kavitasi, sebelum masuk ke zona teras reaktor (titik 0), sedangkan sisi outlet berada di

posisi bawah. Zona radial (R) dibagi menjadi 7 nodal, sedangkan ke arah aksial (z) dibagi

menjadi 40 nodal. Di sisi outlet terletak corong tempat keluaran bahan bakar yang telah habis

masa pakainya. Program komputer ini mempertimbangkan aspek-aspek neutronik, dinamik

fluida dan perpindahan panas. Input data yang digunakan dalam analisis ditunjukkan pada

Tabel 1, 2, dan 3.

Tabel 1. Data Input Geometri Bahan Bakar TRISO

No. Jenis material Nilai

1 Material kernel = (235U/238U)

2 Densitas UO2 = 10,40 g/cm3

3 Diameter kernel = 500 µm

4 Ketebalan material coating dari

dalam

= 90 /40 /35 /35 µm

5 Densitas material coating dari dalam = 0,9/1,85/3,2/1,85 g/cc

6 Material matrik bahan bakar = grafit

7 Material coating dari dalam = Buffer/IPyC/SiC/OPyC

Tabel 2. Data Input Geometri Bahan Bakar Pebble

No. Geometri Nilai

1 Diameter luar bahan bakar bola = 60 mm

2 Diameter dalam bahan bakar bola = 50 mm

3 Fuel loading, g/sphere = 6,15

5 Tebal grafit lapisan luar = 0,5 cm

Tabel 3. Data Input Geometri Teras

No. Parameter Nilai

1 Ketinggian teras = 943 cm

2 Diameter bahan bakar = 6 cm

3 Diameter teras = 300 cm

4 Densitas grafit = 1,70 g/cm3

Analisis hasil perhitungan dilakukan dengan melakukan pengamatan temperatur grafit

sebagai fungsi variabel laju alir massa pendingin, tekanan dan daya reaktor. Titik

pengamatan dilakukan pada posisi grafit di dalam teras reaktor seperti ditunjukkan pada

Tabel 4. Pada perhitungan ini grafit dianggap sebagai material teras, yang dipandang

sebagai lapisan dengan jejari tertentu.

Tabel 4. Titik Pengamatan Output

Posisi Titik pengamatan

Radial : Grafit berupa bahan bakar pada R=0 cm

(tengah) hingga R=146 cm; sedangkan grafit di

luar teras dari R=152 cm hingga R=468 cm.

Aksial : 0 cm hingga 943 cm

Zona : 5 lapisan zona kelongsong Z=1 hingga Z=5

Z=1; lapisan O-Pyc ;Z=2; lapisan SiC

Z=3; lapisan IpyC; Z=4; lapisan buffer


Sudarmono

656

ISSN: 2355-7524

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Perpindahan panas di dalam reaktor terjadi melalui mekanisme perpindahan panas

konduksi pada arah aksial dan radial, yaituyang terjadi antara pebble dan pebble, pebble dan

reflektor dan antara seluruh grafit. Grafit adalah seluruh material yang berada di dalam

maupun di luar teras (selain pendingin helium). Panas yang dibangkitkan oleh reaksi fisi di

dalam teras di transfer ke material penyusun teras. Perpindahan panas konveksi

berlangsung antara partikel partikel pebble bed dan laju alir massa pendingin gas helium

sebagai pendingin, sedangkan perpindahan panas radiasi terjadi antara pebble dan pebble,

pebble dan dinding reflektor serta core barrel dengan dinding bejana tekan (RPV=reactor

pressure vessel). Variasi data masukan yang digunakan dalam analisis ini adalah: daya termal

masing-masing sebesar 200 MW, 160 MW dan 110 MW, dan variasi laju alir massa

pendingin masing-masing sebesar 100 kg/s, 120 Kg/s dan 140 kg/s serta variasi tekanan 7

Mpa dan 4 MPa. Pengamatan temperatur grafit sebagai fungsi posisi (R,Z) arah radial

dilakukan pada R=0 cm (posisi centerline), R= 34 cm, R= 71 cm, R = 107 cm hingga R=150 cm

(di dekat lapisan luar teras anular), sedangkan arah aksial dari posisi aksial (Z= 0 cm, Z= 151

cm, Z= 300 cm, Z= 449 cm, Z= 600 cm, Z= 749 cm, Z= 842 cm, Z= 878 cm, Z= 916 cm, Z= 943

cm). Pemodelan kalkulasi RGTT200K, telah di lakukan berdasarkan pendekatan dan

simplifikasi yang logis.

4.1 Variasi Daya Reaktor

Distribusi temperatur grafit sebagai fungsi variasi daya reaktor ditunjukkan pada

Gambar 2. Hasil perhitungan pada variasi daya termal (a) 200 MW; (b) 160 MW dan (c) 110

MW menunjukkan pola kurva yang mirip satu sama lain. Maksimum temperatur terjadi

pada grafit di posisi R,Z (587,300). Dari ketiga kurva tersebut jelas terlihat bahwa temperatur

masing-masing variasi daya adalah 629,2oC, 526,5oC, dan 440,6oC. Terdapat perbedaan

temperatur yang signifikan yang diterima oleh grafit akibat variasi daya tersebut. Posisi

grafit pada setiap variasi daya juga memberikan perbedaan temperatur.

Temperatur grafit pada pembangkitan daya sebesar 200 MW di posisi radial terluar

teras (dalam dimensi cm), R,Z (0,0) di tengah, R,Z (81,0) dan pinggir teras, R,Z (150,0),

masing-masing sebesar 550,2oC, 512,9oC dan 445,4oC. Posisi R,Z (108,0) dan R,Z (135,0)

masing-masing sebesar 490,5oC dan 463,3oC. Selanjutnya di daerah pendingin helium antara

sisi masuk dan keluar teras, besarnya temperatur di pusat R,Z(0,587), tengah R,Z (81,587)

dan pinggir teras R,Z(150,587) masing-masing sebesar 609,9oC, 691,3oC dan 481,3oC. Untuk

grafit di posisi R,Z (108,587) dan R,Z (135,587) diperoleh nilai temperatur masing-masing

sebesar 607,4oC dan 607,6oC. Kemudian di daerah pendingin helium masuk teras, besarnya

temperatur di pusat R,Z(0,943), tengah R,Z(81,943) dan pinggir teras R,Z(150,943) masing-

masing sebesar 326,4 oC, 321,8 oC dan 316,1 oC. Nilai gradien temperatur di daerah outlet

pendingin ke arah radial baik di pusat ∆T R=0, tengah ∆T R=79 dan pinggir ∆T R=150 di teras

masing-masing, sebesar 1,3oC, 25oC dan 12,3oC. Perbedaan ini disebabkan karena faktor

posisi dimana perpindahan panas antar bola-bola grafit dan kedekatannya dengan material

yang bersinggungan. Selain itu aliran termal gas helium juga akan menggeser gradien

temperatur. Untuk grafit di posisi mendekati sisi keluaran yaitu di posisi R,Z(108,587) dan

posisi R,Z (135,587) diperoleh nilai temperatur masing-masing sebesar 339,1oC dan 348,9oC.

Nilai gradien temperatur di daerah outlet pendingin ke arah radial baik di pusat ∆T R=0,

tengah ∆T R=79 dan pinggir ∆T R=150 di teras masing-masing, yaitu sebesar 1oC, 17,3oC dan

32,8oC.

Pengaruh variasi pembangkitan daya 160 MW pada berbagai posisi grafit di dalam

teras reaktor dapat dijelaskan sebagai berikut: untuk daerah keluar teras, besarnya

temperatur di pusat (0,0), tengah (81,0) dan pinggir teras (150,0), masing-masing sebesar



657

ISSN: 2355-7524

465,5oC, 434,6oC dan 466,5oC. Untuk grafit di posisi (108,0) dan posisi (135,0) diperoleh nilai

temperatur masing-masing sebesar 416,5oC dan 394,9oC. Selanjutnya di daerah pendingin

helium antara sisi masuk dan keluar teras, besarnya temperatur di posisi pusat (0,587),

tengah (81,587) dan pinggir teras (150,587), diperoleh temperatur masing-masing sebesar

512,2oC, 498,7oC dan 417,5oC. Untuk grafit di posisi (108,587) dan posisi (135,587), diperoleh

nilai temperatur masing-masing sebesar 510oC dan 509,7oC. Nilai gradien temperatur di

daerah outlet pendingin ke arah radial baik di pusat ∆T R=0, tengah ∆T R=79 dan pinggir ∆T R=150

di teras masing-masing, yaitu sebesar 5oC, 23,8oC dan 85oC. Kemudian di daerah pendingin

helium masuk teras, besarnya temperatur di pusat (0,943), tengah (81,943) dan pinggir teras

(150,943)masing-masing sebesar 305,8oC, 302,4oC dan 298,2oC. Untuk grafit di posisi

(108,587) dan posisi (135,587), diperoleh nilai temperatur masing-masing sebesar 510oC dan

509,7oC. Nilai gradien temperatur di daerah outlet pendingin ke arah radial baik di pusat ∆T

R=0, tengah ∆T R=79 dan pinggir ∆T R=150 di teras masing-masing, yaitu sebesar 1oC, 12,6oC dan

24oC. Jika dibandingkan dengan pembangkitan daya 200 MW terhadap temperatur grafit di

posisi yang sama, maka tampak bahwa gradien temperatur pada daya 160 MW lebih rendah.

Pengaruh pembangkitan daya 110 MW untuk daerah keluar teras, besarnya

temperatur di pusat (0,0), tengah (81,0) dan pinggir teras (150,0), masing-masing sebesar

400,2oC, 379,9oC dan 340,8oC. Untuk grafit di posiai (108,0) dan posisi (135,0), diperoleh nilai

temperatur masing-masing sebesar 367,2 oC dan 351,4 oC. Selanjutnya di daerah pendingin

helium antara masuk dan keluar teras, besarnya temperatur di pusat (0,587), tengah (81,587)

dan pinggir teras (150,587), diperoleh masing-masing sebesar 430,5 oC, 421,2oC dan 364,7oC.

Temperatur grafit di posisi (z =108,587) dan posisi (135,587), diperoleh nilai temperatur

masing-masing sebesar 294,8oC dan 299,8oC. Nilai gradien temperatur di daerah outlet


masing-masing sebesar 3,9oC, 16oC dan 58,6oC. Kemudian di daerah pendingin helium

masuk teras, besarnya temperatur grafit di pusat (0,943), tengah (81,943) dan pinggir teras

(150,943) masing-masing sebesar 288,5oC, 286,1oC dan 283,2oC. Untuk grafit di posisi (108,

587) dan posisi (135,587), diperoleh nilai temperatur masing-masing sebesar 294,8oC dan

299,8oC. Nilai gradien temperatur di daerah outlet pendingin ke arah radial baik di pusat ∆T

R=0, tengah ∆T R=79 dan pinggir ∆T R=150 di teras masing-masing, yaitu sebesar 4oC, 8,7oC dan

16,6oC. Bila ketiga distribusi temperatur grafit sebagai fungsi pembangkitan daya tersebut

dibandingkan pada posisi grafit yang sama, tampak bahwa terdapat peningkatan pola

temperatur grafit sebagai fungsi pembangkitan daya reaktor. Demikian pula dengan

terjadinya pola penurunan gradien temperatur di posisi inlet, tengah maupun keluaran teras

di posisi radial, apabila daya yang dibangkitkan semakin rendah.

Gambar 2. Distribusi Temperatur Grafit sebagai Fungsi Variasi Daya

(a) 200 MW, (b) 160 MW dan (c) 110 MW


Sudarmono

658

ISSN: 2355-7524

4.2 Variasi Laju Aliran Thermal

Nilai temperatur grafit di zona teras aktif daya nominal dengan variasi laju alir

massa pendingin 100 kg/s, 120 kg/s dan 140 kg/s ditunjukkan pada Gambar 3, temperatur

grafit mencapai nilai maksimumnya sebesar 577,4oC, 492,2oC dan 423,4oC dengan posisi

radial dan aksial, R,Z (150,300). Temperatur grafit di daerah pendingin helium masuk teras,

di posisi pusat R,Z (0,943), tengah (81,943) dan pinggir teras (150,943), diperoleh masing-

masing sebesar 319,6oC, 315,4oC dan 310,2oC. Untuk posisi (108,943) dan posisi (135,587),

diperoleh nilai temperatur masing-masing sebesar 331,1oC dan 340oC. Nilai gradien

temperatur di daerah outlet pendingin ke arah radial baik di pusat ∆T R=0, tengah ∆T R=79 dan

pinggir ∆T R=150 di teras masing-masing, yaitu sebesar 1oC, 15,7oC dan 29,8oC.

Pengaruh laju alir massa pendingin 120 kg/s terhadap temperatur grafit untuk

daerah pendingin helium antara masuk dan keluar teras di posisi pusat (0,587), tengah

(81,587) dan pinggir teras (150,587) masing-masing sebesar 479,6oC, 467,7oC dan 396,3oC.

Untuk posisi (108,587) dan posisi (135,587), diperoleh nilai temperatur masing-masing

sebesar 477,5oC dan 477,1oC. Nilai gradien temperatur di daerah outlet pendingin ke arah

radial baik di pusat ∆T R=0, tengah ∆T R=79 dan pinggir ∆T R=150 di teras masing-masing, sebesar

3,8oC, 11,9oC dan 55,8oC. Kemudian di daerah pendingin helium masuk teras, temperatur

grafit di pusat (0,943), tengah (81,943) dan pinggir teras (150,943 cm) masing-masing sebesar

298,9oC, 295,9oC dan 292,2oC. Untuk posisi 108,943) dan posisi (135,943), diperoleh nilai

temperatur masing-masing yaitu sebesar 306,9oC dan 313,3oC. Nilai gradien temperatur di

daerah outlet pendingin ke arah radial baik di pusat ∆T R=0, tengah ∆T R=79 dan pinggir ∆T R=150

di teras masing-masing, yaitu sebesar 1oC, 7,9oC dan 15,1oC. Terdapat perbedaan temperatur

grafit pada arah radial dimana temperatur di pusat teras lebih tinggi daripada posisi grafit

yang berada di pinggir. Sementara ke arah aksial juga terjadi perbedaan temperatur grafit

dimana temperatur di posisi tengah arah aksial dan radial merupakan nilai temperatur

grafit tertinggi.

Pengaruh laju alir massa pendingin sebesar 140 kg/s terhadap temperatur grafit

untuk daerah keluar teras, besarnya temperatur di posisi pusat (0,0), tengah (81,0) dan

pinggir teras (150,0), masing-masing sebesar 380,5oC, 356,5oC dan 315,7oC. Untuk di posisi

(180,0) dan posisi (135,0), diperoleh nilai temperatur masing-masing sebesar 342,7oC dan

326,4oC. Selanjutnya di daerah pendingin helium antara sisi masuk dan keluar teras,

besarnya temperatur di posisi pusat (0,587), tengah (81,587) dan pinggir teras (150,587),

masing-masing sebesar 414,2oC, 405,7oC dan 354,2oC. Untuk posisi (108,587) dan posisi

(135,587), diperoleh nilai temperatur masing-masing sebesar 412,5oC dan 412oC. Nilai

gradien temperatur di daerah outlet pendingin ke arah radial baik di pusat ∆T R=0, tengah ∆T

R=79 dan pinggir ∆T R=150 di teras masing-masing, sebesar 3,9oC, 19,3oC dan 61,4oC. Kemudian

di daerah pendingin helium masuk teras, besarnya temperatur di pusat (0,943), tengah

(81,943) dan pinggir teras (z=150,943), diperoleh masing-masing sebesar 285oC, 282,8oC dan

280,2oC. Untuk posisi (108,943) dan posisi (135,943), diperoleh nilai temperatur masing-

masing sebesar 290,7oC dan 295,3oC. Nilai gradien temperatur grafit di daerah outlet


masing-masing, yaitu sebesar 5oC, 9,4oC dan 18,1oC. Pada Gambar 3 dan uraian hasil

hitungan di atas menunjukkan bahwa terdapat pengaruh besarnya laju pendingin gas

helium terhadap temperatur grafit di berbagai posisi radial maupun aksial. Bila

dibandingkan antara laju pendingin sebesar 120 kg/s dan 140 kg/s di posisi yang sama,

tampak bahwa laju pendingin 120 kg/s memberikan dampak temperatur grafit yang lebih

tinggi dibandingkan 140 kg/s di berbagai posisi teras. Hal ini merupakan konsekuensi logis

apabila laju pendingin besar maka panas yang dapat dipindahkan juga akan lebih besar

daripada sebaliknya,



659

ISSN: 2355-7524

Gambar 3. Distribusi Temperatur Grafit sebagai Fungsi Laju Aliran Thermal

(a)100 kg/s; (b) 120 kg/s; (c) 140 kg/s

Variasi Tekanan

Nilai temperatur grafit di zona teras aktif daya nominal dengan variasi tekanan

sebesar 4 Mpa dan 7 Mpa ditunjukkan pada Gambar 4a dan Gambar 4b, temperatur grafit

mencapai nilai maksimumnya sebesar 457,8oC dan 550,3oC.

Pengaruh tekanan sebesar 4 MPa terhadap temperatur grafit untuk daerah keluar

teras, besarnya temperatur di posisis pusat (0,0), tengah (81,0) dan pinggir teras (150,0),

masing-masing sebesar 408,9oC, 382,5oC dan 337,4oC. Untuk grafit di posisi (108, 0) dan

posisi (135, 0) diperoleh nilai temperatur masing-masing yaitu sebesar 367,2oC dan 351,4oC.

Selanjutnya di daerah pendingin helium antara sisi masuk dan keluar teras, besarnya

temperatur di pusat (0,587), tengah (81,587) dan pinggir teras (150,587), diperoleh masing-

masing sebesar 446,9oC, 436,7oC dan 375,3oC. Untuk posisi (108, 587) dan posisi titik

(135,587) diperoleh nilai temperatur masing-masing sebesar 445oC dan 444,5oC. Nilai gradien


pinggir ∆T R=150 di teras masing-masing, sebesar 3,9oC, 19,3oC dan 61,4oC. Kemudian di

daerah pendingin helium masuk teras, besarnya temperatur di pusat (0,943), tengah (81,943)

dan pinggir teras (z=943 cm, r=150 cm), diperoleh masing-masing sebesar 292oC, 289,4oC dan

286,2oC. Untuk grafit di posisi (108,943) dan posisi (135,943) diperoleh nilai temperatur

masing-masing sebesar 298,8oC dan 304,3oC. Nilai gradien temperatur di daerah outlet


masing-masing sebesar 7oC, 22,4oC dan 17,9oC. Pengaruh tekanan pendingin terhadap

temperatur grafit pada arah radial menunjukkan bahwa gradient temperatur grafit di posisi

tengah memberikan nilai terbesar hal ini menunjukkan bahwa turbulensi aliran di posisi ini

lebih besar daripada di pusat maupun pinggir.

Pengaruh tekanan sebesar 7 MPa terhadap temperatur grafit untuk daerah keluar

teras, besarnya temperatur di pusat (0,0), tengah (81,0) dan pinggir teras (150,0), masing-

masing sebesar 493,8oC, 460,7oC dan 402,3oC. Untuk posisi (108,0) dan posisi (135,0),

diperoleh nilai temperatur masing-masing sebesar 441,2oC dan 417,7oC.

Selanjutnya di daerah pendingin helium antara sisi masuk dan keluar teras,

besarnya temperatur di pusat (0,587), tengah (81,587) dan pinggir teras (150,587), masing-

masing sebesar 544,8oC, 529,6oC dan 438,7oC. Untuk posisi (108,587)dan posisi (135,587),

diperoleh nilai temperatur masing-masing sebesar 542,4oC dan 542,3oC. Nilai gradien


pinggir ∆T R=150 di teras masing-masing, sebesar 3oC, 29oC dan 91oC. Kemudian di daerah

pendingin helium masuk teras, besarnya temperatur di posisi pusat (0,943), tengah

(z=81,943) dan pinggir teras (150,943), diperoleh masing-masing sebesar 312,7oC, 308,9oC dan


Sudarmono

660

ISSN: 2355-7524

304,2oC. Temperatur grafit di posisi (108, 943) dan posisi (135,943) masing-masing sebesar

323oC dan 331,2oC. Nilai gradien temperatur di daerah outlet pendingin ke arah radial baik

di pusat ∆T R=0, tengah ∆T R=79 dan pinggir ∆T R=150 di teras masing-masing, yaitu sebesar 7oC,

14,1oC dan 27oC.

Bila dibandingkan pengaruh tekanan pendingin pada varian 4 MPa dan 7 MPa

terhadap gradien temperatur grafit tampak bahwa tekanan pendingin sebesar 7 MPa

memberikan pengaruh terhadap kenaikan temperatur grafit di setiap posisi yang sama.

Tekanan aliran temperatur akan meningkatkan tumbukan antar molekul gas yang besar

pula, akibatnya terjadi peningkaan temperatur grafit.

Gambar 4a. Distribusi Temperatur Grafit Gambar 4b. Distribusi Temperatur Grafit

pada tekanan 7 MPa. pada tekanan 4 MPa.

Dari uraian di atas menunjukkan bahwa penambahan laju aliran massa pendingin

dengan varian100 kg/s hingga 140 kg/s menyebabkan temperatur grafit di teras turun

sebesar 154oC, dengan temperatur maksimum sebesar 577,4oC. Demikian pula dengan

peningkatan daya termal dari 110 MWt hingga 200 MWt serta tekanan dari 4 MPa hingga 7

MPa menyebabkan temperatur grafit di teras naik sebesar 188,6oC dan 92,5oC, dengan

masing masing temperatur maksimum sebesar 629,2oC dan 550,3oC.Dari hasil analisis

terhadap temperatur pada grafit untuk variasi daya, laju alir massa dan tekanan

menunjukkan bahwa profil distribusi temperatur grafit mengalami peningkatan sebagai

fungsi jarak aksial, baik pada posisi pusat, tengah dan keluar teras.

5. KESIMPULAN

Hasil penelitian menunjukkan terdapat pengaruh varian pembangkitan daya, laju

aliran termal gas helium dan tekanan pendingin di teras reaktor terhadap temperatur grafit.

Peningkatan varian daya terhadap temperatur grafit memberikan dampak temperatur yang

besar dibandingakan dengan varian laju alir dan tekanan pendingin d dalam teras reaktor.

UCAPAN TERIMAKASIH

Terimakasih kami sampaikan kepada Drs. Putranto Ilham Yazid yang telah

menjalankan program perhitungan VSOP, Dr. Hendro Tjahjono, dan Ir. Tagor Malem

Sembiring selaku KPTF dan Kepala Bidang BPR-PTRKN, serta Drs. Ignatius Djoko Irianto,

M.Sc selaku Ka. Pok. TSR yang telah bersedia untuk mengoreksi dan berdiskusi serta

memperkaya makalah ini.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. BAPPENAS, “Peraturan Presiden Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2010 Tentang

Rencana Pembangunan Jangka Menengah Nasional (RPJMN) 2010-1014”, Jakarta 2010.



661

ISSN: 2355-7524

[2]. M. DHANDHANG PURWADI, “Desain Konseptual Sistem Reaktor Daya Maju

Kogenerasi Berbasis RGTT”, Prosiding Seminar Nasional ke-16 Teknologi dan

Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklirk Surabaya, 28 Juli 2010.

[3]. SUDARMONO,” Validasi Program VSOP Pada Perhitungan Distribusi Temperatur

Bahan Bakar RGTT200K”, Sigma Epsilon, Majalah Ilmiah Teknologi Keselamatan

Nuklir, Volume 16 Nomor 2, Mei 2012, ISSN:0853-9103.

[4]. SUDARMONO, “Analisis Thermal-Flow RGTT dengan Program THERMIX”, Sigma

Epsilon, Majalah Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir, Volume 17 No.2. Mei 2013,

ISSN :0853-9103.

[5]. E.TEUCHERT, U.HANSEN, K.A.HAAS: ”V.S.O.P-Computer Code System for Reactor

Physics and Fuel Cycle Simulation” Kernforschungsanlage Julich, JUL-1649 (1980).

[6]. F. REITSMA, et. all, “The PBMR Steady-State and Coupled Kinetics Core Thermal-

Hydraulics Benchmark Test Problems”, Nuclear Engineering and Design, Idaho

National Laboratory, 2006.

[7]. G.ESPINOSA-PAREDES, et.all, “Analysis of The Interfacial Heat Transfer Process in A

Pebble Fuel”, Nuclear Engineering and Design, Idaho National Laboratory, 2012. [8]. CLEVELAND, J.C., GREENE, S.R, "Application of THERMIX-KONVEK Code to

Accident Analysis of Modular Pebble Bed High Temperature Reactors (HTRs)".

ORNL/TM-9905, August 1986.

[9]. SUDARMONO, “Analisis Karakteristika Distribusi Temperatur Bahan Bakar Pebble di

Teras RGTT200K pada kondisi tunak” Prosiding seminar nasional TKPFN ke 19,

BATAN-UIN Sunan kalijaga, Yogyakarta, 24-25 September 2013, ISSN.0854.2910.

[10]. IAEA-TECDO-988, “High Temperature Gas Cooled Reactor Technology

Development”, Proceedings of a Technical Committee Meeting, Johannesburg, 13-15

November 1996.

DISKUSI/TANYA JAWAB:

1. PERTANYAAN: Sunardi (PKSEN-BATAN)

Grafit di teras reaktor RGTT 200K digunakan untuk apa saja dan mengapa digunakan

grafit?

JAWABAN: Sudarmono (PTKRN-BATAN)

Digunakan sebagai material moderasi material struktur, material reflektor dan material matrik

bahan bakar, hal tersebut karena mempunyai unjuk kerja yang baik memiliki sifat ideal untuk

aplikasi nuklir, sifat inert, konduktivitas tinggi, tahan terhadap korosi, mudah diperlakukan

dengan mesin dan memiliki sifat mekanik yang baik pada temperatur tinggi.

2. PERTANYAAN: Sri Kuntjoro (PTKRN-BATAN)

Bagaimana memodelkan teras dengan bahan bakar bola yang terseusun menumpuk

dengan celah antar bahan bakar berbeda?

Secara nyata apa yang adapat menyebabkan perubahan tekanan dan bagaimana

pengaruhnya terhadap daya reaktor?.


Sudarmono

662

ISSN: 2355-7524

JAWABAN: Sudarmono (PTKRN-BATAN)

Teras dimodelkan dengan membagi menjadi 50 komponen untuk mewakili berbagai komposisi

metarial yang berbeda. Memodelkannya secara terpisah (teras dimodelkan sendiri dan bahan

bakar bola dimodelkan sendiri).

Karena ada perbedaan parameter tekanan, sehingga menyebabkan perubahan distribusi

temperatur grafit. Demikian pengaruh daya reaktor terhadap distribusi temperatur grafit

memberi pengaruh terbesar dibandingkan dengan perubahan laju alir, masa pendingin dan

tekanan.

pengaruh laju alir massa pendingin, tekanan ...digilib.batan.go.id/e-prosiding/file...

Documents