Tukiran S. ISSN 0216 - 3128 285

ANALISIS PENGARUH DENSITAS PAD A KOEFISIENREAKTIVIT AS TEMPERA TUR BAHAN BAKAR

Tukiran S.Pusat Teknologi Reaklor dan Keselamatan Nuklir-BATAN

ABSTRAK

ANALISIS PENGARUH DENSITAS PADA KOEFISIEN REAKTIVITAS TEMPERATUR BAHAN BAKAR.

Reaktor RSG-GAS saat ini mengunakan bahan bakar uranium silisida dengan densitas 2,96 gUicc. Bahanbakar teras RSG-GAS direncanakan untuk diganti dengan densitas yang lebih tinggi yaitu 4,8 gUlcc karenalebih menguntungkan. Sehingga perlu dilakukan perhitungan pengaruh koefisien reaklivitas temperaturbahan bakar terhadap kenaikan densitasnya. Perhitungan dilakukan dengan dua paket program komputer

WIMSD/4 dan Batan-2D1FF. Perhitungan sel dengan WIMSD/4 dilakukan untuk memperoleh konstantamakroskopik material teras RSG-GAS dan Ba/an-2DIFF digunakan untuk perhitungan teras. Hasilperhitungan menunjukkan bahwa nilai koefisien reaklivitas suhu bahan bakar lebih negatif dengan kenaikandensitas yang artinya lebih gampang dikendalikan dibanding densitas lebih rendah.

ABSTRACT

ANALISIS OF DENSITY EFFECTS ON COEFFICIENT OF FUEL TEMPERATUR REACTIVITY. RSG­

GAS reactor has been operated using uranium silicide fuel with 2.96 gUlcc density. The fuel of the RSG­GAS core is going to be placed with higher fuel density namely 4.8 gUlcc because the high fuel density hassome advantages. It needs the effect of density on coefficient of fuel temperature reactivity to be analyzed.The calculation is done using two computer codes, WIMSD/4 and Batan-2DIFF. Cell calculation usingWIMSD/4 is done to get macroscopics cross section of the RSG-GAS core material and Batan-2DIFF code

is used for core calculation. The result of the calculation showed that the value of coefficient of fueltemperature reactivity is more negative for higher fuel density than that of the lower fuel density. it meansthe reactor using higher fuel density is easier to be controlled.

PENDAHULUAN

Reaktor RSG-GAS direncanakan akan meng­ganti bahan bakamya dari uranium silisidadensitas rendah ke uranium silisida densitas tinggi.Banyak faktor keunggulan dan keuntungan denganakan digunakannya bahan bakar uranium silisidadensitas tinggi diantaranya operasinya dalam satusiklus semakin panjang sehingga dapat menghematbahan bakar.[I] Namun dalam hal pergantian bahanbakar ini harus dipertimbangkan faktor keselamatandiantaranya menentukan beberapa parameter neu­tronik dan kinetik teras sehingga diperoleh analisisfaktor keselamatannya.

Faktor keselamatan atau potensi bahaya yangterkandung di dalam reaktor bergantung pada jenisreaktor itu sendiri, tingkat daya yang dihasilkan,karakteristik dari bahan bakar dan teras reaktor, danlain sebagainya.[2] Dengan mengetahui potensibahaya yang dapat ditimbulkannya, reaktor selaludirancang dengan pertimbangan tertentu agarkeselamatan reaktor dapat terjamin. Maka dari itu,

suatu analisis terhadap parameter keselamatan RSG­GAS perlu dilakukan untuk mendukung keselamatanoperasi reaktor. Parameter tersebut antara lainadalah koefisien reaktivitas temperatur (aT), void(uap), serta parameter neutronik dan kinetik teraslainnya. Parameter yang akan dibahas pada makalahini ialah pengaruh koefisien reaktivitas temperaturbahan bakar terhadap densitas bahan bakar yangberguna dalam mengamati faktor multiplikasi efektif(keff) neutron termal pada setiap perubahan suhudalam teras reaktor. Nilai dari aT dapat dipakaisebagai bahan pertimbangan untuk menentukananalisis keselamatan dalam penggantian bahan bakarsilisida densitas tinggi.

Pada penelitian ini akan dilakukan perhi­tungan koefisien reaktivitas temperatur untuk elemenbakar silisida muatan 400 gram, kerapatan 4,8 gU/ccdan hasilnya dibandingkan dengan 250 gram dengankerapatan 2,96 gU/cc kemudian dianalisis peng­aruhnya. Perhitungan sel dilakukan dengan programWIMSD4[3] dan perhitungan teras dilakukan denganmenggunakan program Batan-2DIFF.[4]

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

286 ISSN 0216 - 3128 Tukiran S.

TEORI

Koefisien Reaktivitas

Reaktivitas menyatakan perubahan faktormultiplikasi efektif teras reaktor yang disebabkanoleh kondisi reaktor. Reaktivitas teras akan berubah

jika terjadi perubahan pada kondisi operasi reaktor,misalnya perubahan posisi batang kendali, modi­fikasi retlektor atau susunan teras, masuknya sumberneutron atau penyerap neutron ke dalam teras(S).Secara matematis reaktivitas dinyatakan dalampersamaan sebagai berikut :

(I)

dengan,

p : reaktivitas

ke/f : faktor multiplikasi efektif

Reaktivitas dapat pula didetinisikan sebagaiperubahan populasi neutron dalam satu siklus perpopulasi neutron pada akhir siklus.

Reaktor mempunyai faktor-faktor inherent(internal) yang dapat merubah reaktivitas walaupunreaktor dirancang untuk beroperasi pada dayakonstan. Faktor-faktor inherent yang paling ber­pengaruh terhadap perubahan reaktivitas tersebutadalah perubahan suhu, meningkatnya konsentrasixenon (produk samping fisi), perubahan jumlahbahan bakar di dalam teras reaktor, terjadi void(uap) di dalam moderator atau pendingin. Perubahanreaktivitas yang disebabkan oleh faktor-faktor di atasdinyatakan dalam besaran koefisien reaktivitas (a).

Koefisien Reaktivitas Temperatur Bahan Bakar

Koefisien reaktivitas temperatur (aT)didefinisikan sebagai turunan parsial reaktivitasterhadap perubahan temperatur (6).

(2)

t5p : perubahan reaktivitas

or : perubahan temperatur

Nilai dari koefisien reaktivitas temperaturakan menentukan kestabilan reaksi nuklir dalam

reaktor. Pada kasus koetisien reaktivitas temperaturyang bernilai positif, maka hal tersebut akanmenyebabkan bertambahnya reaktivitas bila terjadikenaikan temperatur, sehingga mengakibatkanpeningkatan daya pada reaktor. Sebaliknya apabilakoefisien reaktivitas temperatur bernilai negatif,maka kenaikan temperatur akan menyebabkan pe-

nurunan reaktivitas dan berlanjut dengan penurunandaya reaktor sehingga reaktor cenderung dalamkeadaan aman.

Salah satu efek yang urnurn terjadi padareaktor nuklir ialah efek Doppler. Efek Dopplerialah fenomena pelebaran daerah neutron resonansipad a tampang lintang energi neutron seiring dengankenaikan suhu pada bahan bakar. Pelebaran daerahresonansi mempunyai efek yang sangat pentingdalam fenomena penyerapan neutron resonansi.Seperti yang telah diketahui bahwa tampang lintangmakroskopik dari U-238 menunjukkan penyerapanyang tinggi pad a kelompok energi neutron resonansi(neutron dengan bentuk kurva energi yang tajam).Sebagai akibatnya laju sera pan neutron resonansi diclemen bakar bertambah. Kenaikan temperatur padaelemen bakar meningkatkan laju serapan neutronresonansi pada U-238 dan mengakibatkan menurun­nya reaktivitas temperatur bahan bakar diikutidengan menurunnya daya reaktor. [7]

Koefisien reaktivitas temperatur elemenbakar dinyatakan sebagai perubahan reaktivitaspersatuan perubahan temperatur elemen bakar,

Koefisien reaktivitas a7l dapat dihitungdengan melakukan pendekatan:

Nilai tersebut juga tergantung pad a jenis dan suhubahan bakar. Koefisien reaktivitas temperatur yangbemilai negatif menunjang kualitas keselamatanoperasi reaktor, dimana daya reaktor akan berkurangdengan kenaikan suhu.

Efek Doppler

Efek Doppler ialah peristiwa pelebaran pun­cak energi neutron resonansi, yaitu neutron denganbentuk kurva energi yang tajam berupa puncak danlembah yang terlihat jelas pad a kurva tampanglintang serapan mikroskopik dari U-238 pada Gam­bar I. Pelebaran ini terjadi akibat meningkatnyatemperatur teras reaktor 'selama reaksi fisi berlang­sung. Seperti diketahui bahwa neutron resonansiyang berada pada rentang energi 7 eV-200 eVmemiliki tampang lintang reaksi yang cukup tinggiterhadap U-238 (karena memiliki nilai energi yangsesuai dengan nilai energi eksitasi inti U-238)sehingga pelebaran dari puncak neutron resonansiakan meningkatkan serapan neutron oleh U-238 danmengakibatkan berkurangnya jumlah neutron termalyang diserap oleh U-235 sehingga kef! menjadiberkurang.

Prosldlng PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Tukiran S. ISSN 0216 - 3128 287

Adapun pengaruh peningkatan temperaturterhadap melebamya puncak neutron resonansi ialahkarena gerakan termal dari inti target yangmeningkatkan probabilitas penyerapan neutron. Intitarget berosilasi terhadap posisi normalnya akibatpeningkatan temperatur. Akibatnya tidak hanyaneutron dengan energi tertentu saja yang terserapmeJainkan juga neutron lain yang memiliki energiyang berada pada interval energi neutron yangsebelumnya akan memiliki probabilitas absorbsiyang besar. Hal ini disebabkan karena apabila intitarget bergerak terhadap neutron datang makaneutron dengan energi yang lebih kecil dari energiyang seharusnya akan diserap, sementara itu halsebaliknya akan terjadi apabila inti target begerakpada arah yang sarna dengan neutron datang.Sehingga puncak-puncak resonan akan lebih lebarpad a temperatur yang tinggi. Dengan meningkatnyatemperatur teras reaktor maka energi termal dari intitarget bertambah dan oleh karenanya neutron denganenergi yang lebih rendah dan lebih tinggi dari nilaienergi eksitasi inti target akan dengan mudahdiserap.

-'WI - OIngill

akan sangat besar, sementara hal sebaliknya terjadipada U-235. Peristiwa ini mendorong terjadinyapenurunan reaktivitas reaktor. Tampang lintangserapan U-238 pada daerah resonansi menurunterhadap kenaikan temperatur, meskipun demikiantluks neutron pada daerah resonansi menjadi se­makin besar, sehingga berpengaruh secara langsungterhadap serapan neutron termal oleh U-235.

Persamaan Difusi

Pergerakan neutron dalam teras reaktorsangat rum it, karena neutron bergerak secara acakdan terjadi tumbukan berulang-ulang dengan intitarget maupun moderator (H20). Sebagai akibat daripergerakan ini, neutron yang sebelumnya beradapada satu bagian dari reaktor dan bergerak pada arahdan dengan energi tertentu pada saat yang lain akanmuncul dibagian yang lain dengan arah gerakan danenergi yang berbeda. Dalam kasus ini neutron

dikatakan ditransport dari daerah ruang dan energiawal ke daerah ruang dan energi kedua. Kaj ian darifenomena ini sering disebut sebagai teori transport. IS]

Pada kenyataannya persamaan transportsangat sulit untuk diselesaikan, dan oleh karena itu

dikembangkan suatu bentuk persamaan lain sebagaibentuk pendekatan terhadap teori transport yaitupersamaan difusi. Penurunan persamaan difusimenggunakan konsep keseimbangan jumlah neutronyang masuk dengan neutron yang keluar. Solusi daripersamaan difusi ini memberikan bentuk distribusitluks neutron terhadap ruang. Pad a persamaan inienergi neutron diasumsikan memiliki grup-grupenergi mulai dari kelompok energi neutron lambathingga neutron cepat.

Persamaan difusi secara umum dinyatakandengan bentuk :

Gg g g , g'

- V.D (r).V¢ (r) + r., (r)¢ (r) = r.r.§' -+ g (r)¢ (r)

g'= IGambar 1. Efek Doppler.

Pelebaran dari puncak resonansi (dopp/erbroadening) akan menyebabkan perubahanreaktivitas bahan bakar. Seperti diketahui bahwaproses fisi menghasilkan neutron berenergi tinggiyang kemudian dimoderasi melalui tumbukan­tumbukan dengan partikel-partikel moderator danneutron akan mengalami pengurangan energi secarabertahap. Pada saat neutron-neutron tersebutmencapai nilai interval energi resonansi makaprobabilitas terserapnya neutron oleh inti U-238

(5)

dengan,

G = jumlah grup energi

g = indeks grup energir = Posisi

¢K = tluks neutron di dalam grup g

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

288 ISSN 0216 - 3128 T/lkirnll S.

DK = tetapan difusi grup g (1/3 I: )

Dari penurunan persamaan difusi dapat diperolehsolusi berupa ni]ai kefJ teras reaktor. Faktor multi­plikasi teras (keU) dapat dicari mela]ui persamaan[9]:

I: = tam pang lintang transport grup g

vI~= tam pang lintang sumber fisi dari grup g

I~ = tampang lintang total grup g

~x +"G "x->x' }lLa L..K'=I L...f

I: = tampang lintang absorpsi grup g

L'->K = tam pang lintang hamburan (transfer) dari

g' ke g

Xx = fraksi sumber fisi kelompok g

kefj = faktor multiplikasi efektif

Pad a bagian pertama, dihitung spektrumneutron dalam geometri tertentu dan kelompok yangbersesuaian dengan pustaka program (69 kelompok),dan digunakannya untuk meringkas jumlah tenagamenjadi hanya 4 grup (few groups) yaitu :

Neutron cepat, kelompok 1-5 dengan energi0,82] MeV< E :s 10 MeV.

Tampang lintang makroskopik tenaga neu­tron, yang diperlukan sebagai koefisien persamaanbanyak kelompok, diperoleh langsung dari kerapatanatom isotop yang diberikan pada input program sertatam pang lintang mikroskopik dari pustaka program.

Pada bagian kedua dilakukan perhitllnganbanyak kelompok. Sel ini tersusun atas 4 region,dimana indeks 1 untuk region bahan bakar (meat).indeks 2 untuk kelongsong (cladding), indeks 3untuk moderator, dan indeks 4 untuk extra region.Dimensi dan komposisi dari tiap region berasal dariinput program. Setelah diperoleh spektrum banyakkelompok di keempat region, konstanta banyakkelompok diringkas menjadi 4 kelompok (fewgroups).

reaktor RSG GAS, variasi nilai temperatur elemen

bakar (20°C, 100°C, ]50°C dan 200°C), perkiraannilai burn-up (fraksi bak~r) tiap nilai temperaturdan perkiraan nilai buckling tiap nilai temperatur.Program di run hingga didapat nilai perkiraan burn­up yang sesuai dengan nilai burn-up teras dan nilaiperkiraan buckling yang sesuai dengan nilai bucklingteras.

- Neutron resonansi, kelompok 16-45 denganenergi 0,625 eV< E:s 5,531 KeV.

- Neutron termal, kelompok 46-69 dengan energi< 0,615 eV.

- Neutron perlambatan, kelompok 6-15 denganenergi 5,531 eV< E :S 0,821 MeV.

(6)

Produksi(n)

Serapan (n) + Kebocoran (n)

k(n) =eff

dengan,

Produksi<n} = f ~ vr.,. (r)¢g,(n) (r)dV (7)g=1

Serapan<n) = f ~ r.a (rj¢g,(n)(r)dV (8)g=1

Kebocoran<n) = f ~ f)g(r).'i1¢g,(n) (r)dA (9)!}g=1

Persamaan (7), (8), dan (9) merupakan so]usi daripenurunan persamaan difusi.

METODE PERHITUNGAN

Perlzitungan Se/

Paket program WIMSD4 ialah paket programyang digunakan pad a tahap perhitungan sel bahanbakar. Program ini berfungsi untuk mengolah inputdari teras rektor untuk menghasilkan keluaranberupa konstanta tam pang lintang makroskopikmaterial teras reaktor. Dalam program ini elementeras reaktor RSG GAS dimode]kan sebagaikumpulan pelat-pelat yang tersusun atas meal,cladding, madera/or, dan extra region.

Input yang dipersiapkan untuk paket programWIMSD4 ia]ah berupa komposisi elemen bakar

Perlzitungan Teras

Data input program BATAN-2DIFF berupatampang lintang makroskopik bahan bakar silisidapad a setiap kondisi temperatur teras yang telahdiberikan oleh program WIMS dimasukan ke dalamsub program INP, setelah itu diubah kedalam formatCIT agar terbaca oleh program BATAN-2D1FF.Selain itu terdapat data masukan lainnya berupageometri reaktor dan data elemen bakar.

Fungsi lItama dari subprogram CUBIC adalahuntuk menyediakan tampang lintang dengan metodacubic spline dan menandakannya ke dalam mesh­mesh yang telah ditentukan. Data masukan elemenbakar, seperti tingkat burn-up dan pemuatan bahan

Prosiding PPI • PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Tukiran S. ISSN 0216 - 3128 289

fisil dari subprogram INP digunakan sebagaiparameter untuk interpolasi. Penandaan tampanglintang untuk setiap mesh diperlukan oleh sub­program DIFF yang melakukan perhitungan difusineutron banyak kelompok 2 dimensi. Hasil yangpenting dari perhitungan difusi tersebut ialah dis­tribusi rapat daya (rerata elemen bakar) yang di­perlukan pada perhitungan fraksi bakar selanjutnya.

Dengan menggunakan distribusi rapat dayarerata elemen bakar dari hasil perhitungan difusisebelumnya, subprogram BURN mensimulasikanpembakaran elemen bakar untuk waktu pembakaranyang telah ditentukan dan menghitung tingkat burn­up akhir pembakaran untuk setiap elemen bakar.Subprogram FUEL menyimpan hasil-hasil perhi­tungan burn-up. Jika perhitungan burn-up diteruskanmaka tingkat fraksi bakar elemen bakar dimasukanke subprogram CUBIC sehingga tampang lintangyang baru dapat ditemukan melalui interpolasi datapustaka.

Perhitungan pembakaran akan berhentiapabila waktu yang dispesifikasi pengguna tercapai,kemudian perhitungan difusi dan burn-up dicetakoleh subprogram PRINT. Data keluaran utama daripaket program BATAN-2D1FF adalah faktorpcrlipatan efektif teras (keff teras ), tluks neutronkelompok dan distribusi rapat daya, tingkat burn-upawal dan akhir untuk setiap elemen bakar yangdimasukkan di dalam perhitungan burn-up, rapatnuklida rerata elemen bakar untuk bahan fisil, xenondan samarium, keseimbangan neutron untuk seluruhreaktor dan setiap jenis material teras. Hasilperhitungan lain berupa distribusi tluks neutronadjoint, perubahan reaktivitas berdasarkan teoripertubasi, parameter kinetik integral. [10] Dalamtahap ini data yang akan diambil ialah data keff danreaktivitas teras pada setiap kondisi temperatur yangdiinginkan (20°C, 100°C, 150 °C, 200°C).Kemudian untuk menghitung nilai perubahanreaktivitas elemen bakar tiap kenaikan temperatur,dapat diambil rentang keadaan temperatur misalnyapada T = 20°C dan T = 50°C, maka dapat diper­oleh nilai perubahan reaktivitas temperatur elemenbahan bakar (t:.p) melalui persamaan dibawah ini .

keff (20) - keff (50)

keff(20) x keff(50) = t:.p(20-50) (10)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pad a penelitian ini telah diteliti nilaikoefisien reaktivitas temperatur dari bahan bakaruranium silisida pada muatan sebesar 400 dan 250

gram. Muatan uranium silisida 400 gram jelasmemiliki kandungan U-235 (bahan bakar fisil) yanglebih besar daripada muatan 250 gram yang padasaat ini masih digunakan oleh reaktor RSG-GASsehingga secara teori penggunaan U-235 yang lebihbesar akan menghasilkan daya yang lebih besar

. dibandingkan bahan bakar terdahulu. Dalampenelitian ini parameter yang diubah dalam programWIMSD4 ialah parameter temperatur dari bahanbakar silisida 400 gram, sehingga faktor - faktoryang mempengaruhi penelitian berasal dari perilakufisik bahan bakar tersebut.

Dalam penelitian ini terdapat perubahan yangdilakukan pada teras reaktor. yaitu ditempatkannya 2buah batang kendali pengaman pada grid G-IO danB-3 menggantikan elemen berilium (Be).Keberadaan batang kendali pengaman ini tak lainialah untuk mengantisipasi reaktivitas lebih darireaktor, mengingat jumlah dari U-235 yang lebihbesar dibandingkan pada muatan 250 gram. Posisidari kedua batang kendali pengaman tersebut beradadalam keadaan stand by (posisi di atas teras reaktor),dalam perhitungan BATAN-2D1FF grid G-IO danB-3 diisi dengan elemen moderator (H20).Meskipun terdapat penambahan batang kendali, halini dipastikan tidak akan mempengaruhi fenomenayang berlangsung pada sel bahan bakar karena posisikedua batang kendali pengaman berada di atas terassehingga tidak terjadi penyerapan neutron olehbatang kendali.

Melalui perhitungan dengan paket programWIMSD4 diperoleh keluaran berupa tampanglintang makroskopik dari material bahan bakar.Dimana untuk selanjutnya keluaran tersebut akandipakai sebagai data masukan dalam tahapperhitungan dengan paket program BAT AN-2DIFFuntuk mendapatkan data reaktivitas dan keffteras.

Secara umum keluaran program WIMSD4memperlihatkan tampang lintang makroskopik yangterdiri atas tampang lintang difusi, absorbsi, nu-fisidan hamburan dari 4 grup energi neutron besertanilai kin! tiap-tiap step burn-up. Nilai kin! belum bisadijadikan sebagai gambaran dari keff teras, karenakeluaran dari program WIMS hanya menampilkankeadaan dari sel bahan bakar bukan teras reaktorsecara keseluruhan.

Dalam Tabel I ditampilkan tampang lintangmakroskopik serapan neutron pada suhu yangberbeda. Serapan terhadap neutron resonansi akanmempengaruhi reaksi fisi U-235 seiring dengankenaikan temperatur dari bahan bakar. Dapat dilihatpada tabel tersebut bahwa nilai tampang lintangserapan neutron resonansi menurun terhadapkenaikan step burn-up. Nilai tam pang lintangserapan neutron resonan yang menurun karena

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

ISSN 0216 - 3128

sesuai dengan teori efek Doppler dimana tampanglintang serapan neutron resonansi akan menurunterhadap kenaikan temperatur namun bukan berartitluks neutron resonansi yang diserap menurunkarena pelebaran doppler (doppler broadening)yang terjadi justru meningkatkan tluks neutronresonansi pad a daerah serapan sehingga mengurangiintensitas serapan neutron termal oleh U-235.

290-

Tabel 2 ditunjukan nilai k-inf menurundengan kenaikan step burn-up. Hal ini terjadi karenajumlah uranium yang ada berkurang dengan naiknyastep burn-up. Nilai k-inf berkurang dengan naiknyasuhu bahan bakar. Hal ini terjadi karena nilaitampang lintang makroskopik nu-fisi menurun setiapkenaikan step burn-up dapat dilihat pada Tabel 3.Hal ini menyebabkan nilai kin! sel bahan bakarmenurun terhadap kenaikan step burn-up. Hal inisesuai dengan harapan, mengingat serapan resonansipada U-238 akan mempengaruhi reaksi fisi U-235.Nilai kin! sel yang menurun terhadap kenaikan stepburn-up akan memberi kemungkinan padamenurunnya nilai keffteras reaktor terhadap kenaikan

Tukiran S.

temperatur pada bahan bakar uranium silisidadengan muatan sebesar400 gram.

Pada Tabel 3 juga dapat dilihat bahwadengan naiknya suhu maka konstanta makroskpiknu-fisi menurun. Hal ini disebabkan oleh karena efekDoppler.

Selain itu terdapat data tampang lintang difusidan hamburan neutron. Tampang lintang difusinilainya berbanding lurus dengan intensitaskeboeoran neutron. Sementara itu nilai tam panglintang hamburan akan berbanding lurus denganpopulasi neutron dalam teras reaktor. Nilai tam panglintang difusi juga menurun setiap step burn-up dantampang lintang hamburan pad a neutron terma!eenderung naik (nilai tampang lintang hamburantidak ditampilkan karena perubahannya tak terlaiusignifikan). Hal ini menyatakan keboeoran neutrontermal yang semakin keeil dan populasinya yangbertambah. Hal ini juga menegaskan bahwa serapanneutron resonan pada U-238 yang meningkat akibatefek Doppler, memberikan kontribusi yang besarterhadap turunnya intensitas dari reaksi fisi U-235.

Tabel1. Tampang lintang neutron teras silisida 400 gram.

Fraksi bakar

Tampang lintang sera pan ( em-I)

( %)T = 20°C

T = 100°CT=150°CT = 200°C

0

1,83085 E-021,854 IOE-021,86736E-021,87987E-02

0,1

1,83097E-021,85422E-021,86748E-021,87999E-02

0,6

1,83056E-021,85380E-021,86707E-021,87957E-02

5

1,82104E-021,84425 E-021,85750E-021,86999E-02

II1,81266E-021,83585E-021,84910E-021,86159E-02

17

1,80770 E-021,83090E-021,84416E-021,85665E-02

23

1,80455 E-021,82779E-021,84107E-021,85359E-02

29

1,80198E-021,82529E-021,83862E-021,85118E-02

35

1,79832E-021,82173E-021,83511 E-021,84773E-02

41

1,79379E-021,81730E-021,83076E-021,84345E-02

47

1,78779E-021,81 144E-021,82497E-021,83775E-02

53

I,77909 E-021,80287E-021,81648E-021,82933 E-02

60

1,76472E-021,78868E-021,80240E-021,81535E-02

68

1,74388E-021,76804E-021,781 89E-021,79497E-02

75

1,72060 E-021,74493E-021,75888E-021,77206E-02

82

1,69035E-021,71483E-021,72887E-021,74214E-02

90

1,64278E-021,66738E-021,68149E-021,69484E-02

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta. 10 Juli 2006

Tukiran S. ISSN 0216 - 3128

Tabel2. Nilai k-inf teras silisida 400 gram.

Fraksi bakar

Nilai K-inf

( %)T = 20 ·C

T = 100 ·CT = t 50 ·CT = 200 ·C

0

1,6461341,6419501,6395661,637323

0,1

1,6454561,6412741,6388911,636649

0,6

1,6428451,6386711,6362921,6340545

1,6255921,6214611,6191071,616892II

1,6012801,5972071,5948861,59270117

1,5754051,5713871,5690971,56694323

1,5478451,5438821,5416231,53949629

1,5181081,5 141991,5119701,50987135

1,4861101,4822601,4800631,47799441

1,4513361,4475471,4453871,44334847

1,4129601,4092401,4071171,40511553

1,3702711,3666351,3645561,36259460

1,3136101,3100851,3080691,30616868

1,2348451,2314901,2295721,22776275

1,1488591,1457081,1439051,14220282

1,0362591,0333921,0317501,03020090

0,8475600,8452010,8438500,842573

Tabel3. Tampang lintang makroskopik nu-fisi neutron termal silisida 400 gram.

Fraksi bakar

Tampang lintang makroskopik nu-fisi neutron termal (em-I)

(%)T = 20 ·C

T = 100 ·CT = 150 ·CT = 200 ·C

0

2,23471 E-OI2,23465E-0 I2,23461 E-OI2,23457E-0 10,1

2,23337E-0 I2,23331 E-OI2,23327E-012,23324E-010,6

2,22694 E-O12,22688E-0 I2,22684 E-O12,22681 E-O15

2,17100E-012,17094 E-O12,17091 E-OI2, 17087E-0 1II

2,09080E-0 I2,09075E-0 12,09072E-0 12,09069E-0 117

2,00564E-0 I2,00559E-0 I2,00556E-0 I2,00556E-0 I23

1,91583E-011,91579E-011,91576E-01I,91574E-0 I29

1,82049 E-O11.82045E-0 11.82042E-0 I1.82040E-0 I35

1,71986E-011.71983E-0 I1.71980E-0 1I. 71978E-0 I41

1,6140IE-OI1.61397E-0 11.61396E-0 11.61395E-OI47

1,5021IE-011.50207E-0 11.50206E-0 11.50204E-0153

1,38435E-011.38432E-011.38431 E-O11.38429E-0 160

1,23978E-0 11.23976E-OI1.23974E-0 11.23973E-OI68

1,06115E-011.06112E-0 11.06111E-011.061 IOE-OI

758,93698E-028,93681 E-028,93672E-028,93663E-02

827,1 1926E-027,11914E-027,11904E-027,1 I898E-02

904,80338E-024,80332E-024,80328E-024,80324E-02

Prosiding PPI • PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

29/

292!!!!!!!!!!

ISSN 0216 - 3128 Tukiral/ S.

Pada Tabel 4 disajikan nilai kef! teras daritiap temperatur yang diujikan beserta nilaireaktivitas, perubahan reaktivitas dan nilai koefisienreaktivitas temperatur bahan bakar silisida untuk

bahan bakar silisida muatan 400 gram. Nilai keJ1dan

nilai p merupakan keluaran langsung dari programBATAN-2DIFF, sementara itu !1p dan aTf

merupakan hasil turunan dari data awal yangdiselesaikan dengan persamaan (IO) dan persamaan(4). Nilai dari perubahan reaktivitas (tJ.p) dari tiap­tiap kondisi temperatur bahan bakar ialah selisihreaktivitas tiap temperatur dengan temperatur 20°C.Dengan demikian nilai koefisien reaktivitastemperatur bahan bakar silisida dihitung terhadapkondisi temperatur 20°C. Nilai negatifyang terterapad a data di atas menunjukan kondisi reaktivitasyang menurun terhadap temperatur bahan bakar.

Dari penelitian ini temyata didapatkan hasilyang sesuai dengan teori. Ni]ai reaktivitas bahanbakar silisida berkurang seiring dengan kenaikantemperatur pada material bahan bakar tersebut,sehingga faktor perlipatan neutron dalam terasreaktor nilainya semakin kecil, selain itu nilai darikoefisien reaktivitas temperatur bahan bakar silisidamemiliki nilai yang negatif. Nilai tersebut sesuaidengan nilai yang disyaratkan setiap jenis bahanbakar nuklir yang akan digunakan pada reaktornuklir penelitian maupun reaktor daya .

Secara urnurn fenornena perubahan rcaktivitasyang bemilai negatif disebabkan oleh 3 hal yaitu:

I. Peristiwa efek Doppler, dimana spektrum energineutron resonansi diserap oleh bahan bakar fertilU-238 dengan tam pang lintang yang besar.

2. Ekspansi termal pada bahan bakar U-235sehingga densitasnya berkurang, Hal tersebutmempengaruhi probabilitas penangkapan neutrontermal yang menghasilkan reaksi fisi.

3. Pergeseran spektrum energi neutron akibatpeningkatan energi termal pada teras. Energipanas yang dihasilkan oleh reaksi fisi akanmengakibatkan spektrum neutron termal bergeserke spektrum neutron resonansi atau bahkanspektrum neutron cepat, sehingga probabilitasserapan pada U-235 menjadi berkurang.

Hal-hal di atas merupakan faktor penyebabberkurangnya reaktivitas bahan bakar. Efek Dopplermerupakan faktor yang memberikan kontribusicukup besar pada nilai koefisien reaktivitas tempe­ratur bahan bakar yang negatif. Pada bahan bakarsilisida muatan 250 gram dihasilkan data yangserupa, yaitu nilai perubahan reaktivitas dankoefisien reaktivitas temperatur bahan bakar yangbemilai negatif. Temperatur yang diujikan ialahpada 20°C, 38 DC,50°C, 100°C, dan 150°C. Data­data hasil penelitian tersebut ditampilkan secaralengkap pada Tabel 5.

Tabel4. Nilai koefisien reaktivitas temperatur bahan bakar silisida 400 gram.

Suhu Uranium silisida densitas 4,8 gU/cceC) k~ffp(%)tJ.p (10-4)aTf ( 10-5)

20

1.122714400310,928--

100

1.120487690010,753- 17,5- 2,18

150

1.119215726910,652- 27,6- 2,12

200

1.118020415310,556- 37,2- 2,06

Tabel 5. Nilai koefisien reaktivitas bahan bakar silisida muatan 250 gram.

Suhu Bahan bakar uranium silisida densitas 2,96 gU/cc(0C)

k~fftJ.p (10-4)aTf (10-5)

20

1,0754517 --

381,0750340- 3,6129- 2,007

50

1,0747810- 5,8026- 1,934

100

1,0737406- 14,8]79- 1,852

150

1,0727116-23,7516- 1,827

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Tukiran S. ISSN 0216-3128 293

Tabel 6. Perbandingan muatan bahan bakarsilisida 250 dan 400 gram.

Muatan U-235U-238

(gram)(atom/ barn em)(atom/ barn em)

250

I.50025E-036.01 895E-03

400

2.40040E-039.63032E-03

Apabila data dari kedua penelitian tersebutdibandingkan, ternyata koefisien reaktivitas tempe­ratur bahan bakar silisida muatan 400 gram bernilailebih negatif. Dengan kata lain derajat penurunanreaktivitasnya lebih besar terhadap penurunanreaktivitas bahan bakar silisida muatan 250 gram.Perbandingan ini cukup menarik mengingat bahanbakar silisida muatan 400 gram memiliki densitas U­235 yang lebih besar dibanding muatan 250 gram.sehingga ada kemungkinan bahwa probabilitasreaksi fisi akan menjadi lebih besar dan perubahanreaktivitas yang terjadi akan bernilai lebih positiftcrhadap muatan 250 gram.

Data yang tertera pada Tabel 6. menunjukanpcrbandingan dcnsitas antara U-235 dengan U-238pad a muatan 400 gram lebih besar daripada muatan250 gram. sehingga peluang terjadinya reaktivitasyang bernilai lebih negatif menjadi lebih besar.Namun, penyerapan neutron resonansi oleh U-238mengakibatkan nilai reaktivitas temperatur yangjustru bernilai lebih negatif dari muatan sebelumnya.Fenomena ini dapat juga disebabkan oleh pergeseranspektrum neutron lambat ke spektrum neutronresonan akibat energi termal sehingga diserap olehmaterial U-238. Sementara itu ekspansi term a] bahanbakar mungkin tidak memberikan efek yangsignifikan, mengingat densitas U-235 yang lebihbesar dibandingkan dengan muatan 250 gram,sehingga sangat tidak mungkin apabila ekspansitermal pada bahan bakar yang bermuatan 400 gramakan memberikan efek yang lebih besar daripadabahan bakar yang bermuatan 250 gram.

KESIMPULAN

Nilai koefisien reaktivitas temperatur bahimbakar silisida densitas 4,8 gU/cc bernilai negatif danbernilai lebih negatif dibandingkan dengan densitas2,96 gU/ce. Efek Doppler dan pergeseran spektrumneutron diperkirakan menjadi penyebab utama dariterjadinya koefisien reaktivitas temperatur bahanbakar yang bernilai ]ebih negatif. Sementara itu darinilai koefisien reaktivitas temperatur bahan bakarsilisida densitas 4,8 gU/cc yang bernilai ]ebih negatifdibandingkan dengan densitas ]ebih rendah dapatdisimpulkan bahwa dari segi kese]amatan pergantianbahan bakar dari densitas rendah ke densitas lebih

tinggi memiliki pengaruh yang cukup besar ditinjaudari segi keselamatan sehingga harus dianalisiskeselamatannya.

DAFT AR PUST AKA

I. AMIL MARDHA, TUKIRAN S, TAGOR M.S.,

Perhitungan Koefisien Reaktivitas TemperaturBahan Bakar Oksida dan Si/isida pada Mua/anSam a, Buletin Reaktor Serba Guna, BATAN,Serpong, 1997.

2. TUKIRAN S., SURIAN PIN EM, Analisis EfekSuhu Terhadap Reaktivitas Teras RSG- GASBerbahan Bakar Silisida, Jurnal TeknologiReaktor Nuklir, BAT AN, Serpong, 2001.

3. BALZA, Menghitung Koefisien ReaktivitasVoid Reaktor RSG-GAS .UGM. Yogyakarta,1995.

4. BATAN, Manual Input Program ManajemenBahan Bakar Teras Batan- 2DIFF, PRSGBATAN. Serpong, 1998.

5. LAMARSH, J. R., Introduction to Nuclear

Reactor Theory, Addison -Wesley Pub. Co.Inc. USA, 1972.

6. ABU KHALID RIVAl, Pengantar TeknologiNuklir, Fisika - IPB, 2003.

7. BATAN, Regional Training Courses on TheUse of PC in Research Reactors, IAEA ­BATAN, Bandung, ]991.

8. HONG, LIEM P., Introduction to DifussionCode Programming. Cetakan Ulang: Paper,Serpong: P2TRR-BATAN, ]993.

9. SETIY ANTO, Teknologi Sistem Reaktor,BATAN, Serpong, 1997.

10. WOKIB, Analisis Distribusi Daya Sebagai. Fungsi Posisi Batang Kendali Di Teras Reaktor

RSG GAS. Jurusan Fisika. Institut Pertanian

Bogor, 200 I.

TANYAJAWAB

Tegas S.

- Mengapa yang diteliti bahan bakar silisidauranium?

Tukiran

Karena uranium si/isida dapat memberikankeuntungan misalnya dengan densitas timggidapat lebih lama (panjang) siklusnya dan jugauranium si/isida mempunyai daya hantar panasyang lebih baik.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006