ANALISIS KARAKTERISTIK DINAMIK KALORIMETER GAMMA MINI ...
Transcript of ANALISIS KARAKTERISTIK DINAMIK KALORIMETER GAMMA MINI ...
I'rosidillg Sell/illar //aslll'eneliriall P2TRRTa/mll 200./
ISSN 0854-5278
ANALISIS KARAKTERISTIK DINAMIK KALORIMETER GAMMA MINI
SetiyantoPusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset-Batan
ABSTRAKANALISIS KARAKTERISTIK DINAMIK KALORIMETER GAMMA MINI.
Kalorimeter gamma adalah alat ukur panas radiasi gamma di teras reaktor nuklir. Dimensikalorimeter kovensional pada umumnya cukup besar, sehingga memiliki karakteristik yangtidak menguntungkan untuk diaplikasikan pada teras reaktor daya tinggi misalnya PLTN. Untukmengatasi hal tersebut perlu dilakukan inovasi terhadap jenis kalorimeter yang telah ada.Inovasi yang diusulkan diantaranya adalah merancang kalorimeter tanpa bahan penyerap,sehingga diperoleh kalorimeter yang berukuran kecil (mini). Penelitian terdahulu telahmeghasilkan karakteristik statik atau sinsitivitas kalorimeter sebagai fungsi dimensi dan jenisgas isian. Berdasarkan hasil tersebut, layak untuk dilakukan penelitian lanjut untuk mengetahuisifat dinamiknya, yaitu periode atau waktu tanggap. Analisis/perhitungan dilakukan denganmetode numerik beda hingga ekspisit dua dimensi yang disederhanakan. Hasil yang diperolehmenunjukkan bahwa karakteristik kalorimeter mini sangat stabil dan cocok untuk penggunaandi reaktor daya tinggi. bervariasi sebagai fungsi ukuran dan jenis gas isian, namun demikiankisaran nilainya masih berada dalam batas layak kalorimeter. Dengan demikian dapatdisimpulkan bahwa kalorimeter gamma mini layak untuk dibuat.
Kata kUllci: Kalorimeter gamma, pallas gamma, reaktor IllIklir
ABSTRACTTHE DYNAMIC CHARACTERISTIC ANALYSIS OF MINI GAMMA
CALORIMETER. The gamma calorimeter is a facility to measure the gamma heating in thenuclear reactor. The dimensions of the conventional calorimeters are in general too big, that isan inconvenience if those calorimeters will be applied in the high temperature rector as anuclear power plant. To avoid that inconvenience, it is necessary to propose the innovation onthe feature of the existing calorimeter. The basic idea of the innovation is to create the smalltype of calorimeter without the absorber material. The last analysis was realized to determine ofthe static calorimeter characteristic or sensitivities as a function of the dimension and the
material of gas isolations. Based on those results, the analyses is reasonably to be continued todetermine the dynamic characteristic or period of calorimeter. The analysis was performedusing the finite difference method, two dimension simplified. it can be concluded that the minigamma calorimeter proposed is reasonable to be made.
Keywords: Gamma calorimeter, gamma heatillg, lIuclear reactor
PENDAHULUAN
Interaksi radiasi gamma dengan materi selalu mengakibatkan terjadinya
perpindahan energi dari gamma ke materi dalam bentuk panas yang disebut sebagai
panas gamma. Kalorimeter gamma adalah satu-satunya alat yang dapat digunakan untuk
mengetahui kuantitas panas gamma tersebut. Pada awal perkembangannya, kalorimeter
dibuat dengan menggunakan bahan penyerap sehingga memiliki dimensi yang besar dan
65
ISS:-J 085~-5278 Anulisis Karaklcrislik ..
Se/I)'{Jn/o
~inamakan kalorimeter isotermal. Perkembangan reaktor nuklir untuk pembangkit
energi (PL TN) menghendaki reaktor dengan daya yang tinggi, yang mengakibatkan
kalorimeter isotermal yang dimensinya selalu besar tidak layak untuk digunakan pada
teras reaktor daya tinggi. Hal terse but menghendaki adanya kalorimeter yang kecil,
praktis tetapi andal. Menjawab persoalan terse but, perlu dirancang sebuah kalorimeter
yang merupakan jawaban atas kebutuhan terse but.
Mengingat persoalan pad a kalorimeter isotermal adalah ukuran yang relatif
besar[2,3], maka ide rancangan kalorimeter ini adalah memperkecil ukuran kalorimeter
dengan cara membuang bahan penyerap, sehingga diperoleh kalorimeter yang sangat
kecil (mini).
Penelitian telah dimulai tahun 2003 dengan mendapatkan sifat statik
(sensitivitas) kalorimeter gamma mini[I], yang menyatakan bahwa kalorimeter gamma
mini tanpa bahan penyerap layak untuk buat. Namun demikian, sifat statik saja belum
cukup untuk menyatakan kelayakan sebuah kalorimeter untuk dibuat. Sensitivitas yang
tinggi tetapi waktu tanggap atau priode yang besar menunjukkan bahwa kalorimeter
tersebut tak mampu mendeteksi fenomena aktual, sehingga tidak laya untuk digunakan.
Untuk melengkapi kriteria kelayakan tersebut harus dilakukan analisis lanjut,
yaitu penentuan peri ode atau waktu tanggap yang merupakan sifat dinamik kalorimeter.
Analisis/perhitungan dilakukan dengan menyelesaikan persamaan perpindahan pada
pad a kalorimeter berdasarkan metode numerik beda hingga eksplisit dua dimensi yang
disederhanakan.
Berbagai syarat batas ditetapkan untuk mempermudah penyelesaian model
matematiknya. Untuk mendapatkan sifat dinamik kalorimeter yang optimum,
perhitungan diterapkan untuk berbagai ukuran dan jenis gas isian, sehingga diharapkan
dapat diperoleh kalorimeter yang paling ideal.
TEORI
Kalorimeter gamma mini didefinisikan sebagai kalrimeter yang tanpa bahan
penyerap.[I] Sebagai gantinya, termokopel yang pada kalorimeter isotermal hanya
digunakan sebagai pengukur suhu, di sini digftingsikan sekaligus sebagai bahan
penyerap panas gamma. Gambar 1 memperlihatkan bagan kalorimeter gamma mini.
66
Prosiding Seminar lIasilPenclitian I'2TRRTall1//1 200-/
Termokopel Kelongsong Gas isian
ISSN os~~-~nx
Gambar I. Bagan kalorimeter gamma mini.
Prinsip kerja kalorimeter.
Radiasi gamma yang berinteraksi dengan ujung termokopel akan memanaskan
termokopel tersebut, sedangkan pad a bagian yang di arsir merupakan bagian
kelongsong yang bersinggungan dengan air kolam (pendingin reaktor), sehingga panas
yang terbangkitkan pada bagian ini akan segera terbuang ke air. Panas yang
dibangkitkan pada termokopel akan merambat keluar sehingga mencapai kondisi
setimbang dengan ujung termokopel akan memiliki suhu tertinggi, yang
merepresentasikan besarnya panas gamma yang diterima. Dengan mudah dapat
dimengerti bahwa suhu ujung termokopel akan bervariasi sebagai fungsi f1uks gamma
atau juga panas gamma pada posisi tertentu.
Terdapat dua besaran yang terkait dengan pemanasan tersebut, yang sekaligus
merupakan karakteristik kalorimeter, yaitu sensitivitas yang menunjukkan perubahan
suhu per satuan panas gamma yang diterima, serta periode atau waktu tanggap, yang
merepresentasikan kecepatan kalorimeter merespon setiap perubahan f1uks gamma.
Penelitian terdahulu berhasil menunjukkan nilai sensitivitas kalorimeter yang
cukup baik, sehingga layak untuk diteruskan. Sedangkan penelitian ini merupakan
lanjutan yang untuk menjawab atau mendapatkan waktu tanggap kalorimeter yang akan
melengkapi kriteria kelayakan fungsi kerja kalorimeter mini tersebut.
Persamaan I. berikut merupakan persamaan perpindahan panas pada temokopel.
oe
kv2e+a=jX at
dengan,
k = konduktivitas termokopel (W/cm 0c)
8 = suhu (0C)
cr = sumber panas (W/cm3) = P x p
P = sumber panas dalam (W/g)
67
(I)
ISSN 085~-5278
p = rapat massa termokopel (g/cm3)
c = kapasitas panas termokopel (JIg 0c)
t = waktu (detik)
Allolisis }\ara!.:/Cri511k ..
Seti)'{Jl1to
Penyelesaian persamaan di atas akan menghasilkan: distribusi suhu termokopel,
suhu maksimum ujung termokopel, serta waktu tanggap yang merupakan karakteristik
dinamik kalorimeter.
Metode penyelesaian pada kondisi dinamik (transien) HI:
Penyelesaian analitik untuk keadaan transien memiliki ban yak kesulitan, dan
memerlukan banyak penyederhanaan yang mengakibatkan hasilnya kurang tepat. Untllk
mengatasi hal tersebut, salah satu cara yang dapat digunakan adalah penyelesaian
numerik. Mengingat bentllk geometri yang masih sederhana, digllnakan metode
nllmerik bed a hingga eksplisit dua dimensi, serta didekati dengan koordinat kartesian.
Bagian aktif termokopel dan bagian kelongsong pejal yang merupakan sumber panas,
dibagi menjadi sejumlah mesh point.
Penlllisan persamaan I pad a kordinat kartesian 2 dimensi diberikan:
(2)
Penerapan metode beda hingga eksplisit pada persamaan 2 lIntuk sembarang titik
mesh (m,n) menghasilkan bentuk pendekatan:
ae = e:'1+1,11 - e:'I,11
ax LU
a2e _ e:'1+1,n + e:'I-I,11 - 2e:'I,11
ax2 - (LU)2
(3)
e:',,11+1 + e:',,11-1 - 2e:'I,11
(~y)2
ae
at ~t
68
Prosiding Seminar Ilasi/I)enl..'litian P2TRRTalllll1 200./
ISSN OX5~·52n
Untuk Iebar mesh llx = lly, suhu pada titik mesh (m,n) pada waktu ke (HI),
untuk setiap panas gamma (J yang diterima, dapat diperoleh dengan substitusi
persamaan 3 ke persamaan 2, yaitu:
e~~~1 = Fa [e~1+1'11+ e~I-1,11 + (e~I,I1+1 + e~1,11-1)]+ [1- 4Fa ]e:n,n + ~ (5 (4)
dengan:F _ k 6t0---
pc(&?
Persamaan 4 masih harus dilengkapi dengan bentuk persamaan khusus yang berkaitan
dengan posisi mesh yang spesifik, diantaranya untuk tepi lurus, tepi ujung, dan pojok
atau belokan.
Syarat batas.
Berbagai syarat batas diterapkan pad a perhitungan ini, diantaranya adalah:
Perambatan panas ke segala arah hanya terjadi melalui mekanisme konduksi.
Semua bagian yang bersinggungan dengan air memiliki suhu kanstan = suhu air
Pad a waktu awal, semua bagian kalorimeter memiliki suhu merata = suhu air
Bahan kalorimeter homogen dan isotrop, sehingga pembangkitan panas merata.
Stabilitas perhitungan.
Salah satu persoalan pada perhitungan dengan metode beda hingga eksplisit
adalah harus dipenuhinya syarat stabilitas, yang mana persyartan tersebut membatasi
pemilihan jarak titik mesh llx dan selang waktu llt harus sebanding. Namun demikian,
dengan kecepatan hitung komputer saat ini yang cukup tinggi, maka penentuan jarak
mesh dapat diperhalus sehingga memberikan hasil yang lebih teliti.
Perhitungan Periode.
Seperti telah disebutkan sebelumnya, suhu termokopel akan berubah sebagai
fungsi perubahan intensitas gamma yang datang. Fungsi perubahan suhu termokopel
untuk menuju ke kondisi stabil akan selalu berbentuk eksponensiil[3J, dimana cepat
Iambatnya menuju nilai stabil tergantung pada periode dari kalorimeter tersebut.
Gambar 2 memperlihatkan grafik perubahan suhu termokopel.
69
ISSN OX54-527X Al1a!iJis KarakleriJlik ..
Sf!liYOfJto
Suhu (OC)
Sa ~---------------------------------
Fungsi eksponensiil turun./Fungsi eksponensiil naik
--:-:-.:-::=:-=- =- -. -.- -- -- - - - S8al-------------------- Waktu (s)
Gambar 2. Bentuk perubahan suhu termokopel.
Waktu (s)
Jika 80 adalah suhu awal dan 8a adalah suhu akhir, maka fungsi perubahan suhu dapat
dinyatkan sebagai:
(5)
Jika diambil nilai logaritmik dari persamaan terse but, maka akan diperoleh peri ode T
sebagai berikut:
(6)
persamaan 6 diterapkan pada titik mesh di ujung termokopel untuk menghitung periode
T.
Untuk mereaJisasikan perhitungan, terutama untuk memperbaiki ketelitian,
dibuat jarak mesh yang sekicil mungkin, walau dengan resiko akan memperlama
perhitungan. Namun hal terse but tidak menjadi masalah dengan keeepatan komputer
yang ada saat ini.
PERHITUNGAN.
Untuk mendapatkan kalorimeter yang memiliki karakteristik yang diharapkan
(sensitivitas tinggi dan periode yang pendek), perhitungan dilakukan untuk bebagai
ukuran dan berbagai jenis gas isian. Penelitian sebelumnya telah mendapatkan hasil
bahwa sensitivitas yang optimum diperoleh untuk kalorimeter yang panjang aktifnya 1,5
em dan diameter luarnya 3 mm, dengan demikian perhitungan hanya dilakukan untuk
70
Prosiding Seminar Nasil Peneliri(1II P27RRTallllll 2()()-I
ISSN 0854-5278
ukuran terse but. Untuk memberikan perubahan suhu, diberikan variasi nilai panas
gamma, baik panambahan ataupun pengurangan.
Untuk mengetahui fungsi kerja kalorimeter pada suhu tinggi, perhitungan juga
dilakukan untuk berbagai nilai suhu air pendingin.
Data numerik.
Bahan kalorimeter: termokopel chromel-alumel
diameter (d) = 1 mm dan panjang aktif (I) = 1,5 cm.
Panas jenis termokopel (C) = 0,534 + 0,0003625 8 (JIg 0C)
Konduktivitas panas (k) = 0, I 64 - 0,0000735 8 (W Icm 0C)
Suhu setimbang = 30°C
Jenis gas isian = Argon, Nitrogen dan Kripton
Konduktivitas gas Argon (kAr) = 1,66 x 10-4+ 4,33 x 10078 (W/cm 0C)
Konduktivitas gas nitrogen (kN) = 2,45 x 10-4+ 6, I9 X 10-78 (W/cm 0C)
Konduktivitas gas Argon (kKr) = 0,90 x 10-4+ 2,43 x 10078 (W/cm 0C)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Basil perhitungan untuk berbagai kasus diberikan pada tabel berikut:
1. Sensitivitas dan pcriodc sebagai fungsi perubahan nilai panas gamma
Tabel 1. Sensitivitas dan Periode sebagai fungsi perubahan panas gamma
Gas isian: ArgonSuhu Iingkungan (air): 30°CPerubahan
SuhuSensitivitasPeriode (s)panas gamma
maksimum(oe per Wig)(Wig)
(0e)
0-7 1
62.3734.3710.88
1-72
104.2037.1011.01
2-73
139.9836.6611.20
3-74
174.8036.2011.34
4-75
208.5035.7011.45
5-76
241.0235.1711.52
6-77
272.5534.6511.55
7-78
302.8834.1111.54
8-79
331.7733.5311.49
71
ISSN D85~-5278 Atla/isls !\arllkterisl1k ..
Se/i}'aI110
Oari hasil perhitungan di atas diperoleh dua informasi penting tentang periode
kalorimeter, yaitu: Pertama, nilai peri ode kalorimeter mini cukup kecil (berkisar IIdetik) yang menunjukkan bahwa cepat tanggap kalorimeter terhadap pcrubahan
panas gamma relatif cepat. Jika terjadi perubahan panas gamma, akan cepat
diketahui jika penunjukkannya cepat stabil. Sedangkan sensitivitas kalorimeter
cukup baik, hal tersebut memperkuat hasil yang telah diperoleh melalui penelitian
sebelumnya [1].
Kedua, nilai periode yang relatif konstan (perbedaan kurang dari 5 %) untuk
variasi panas gamma yang cukup besar (1 samapi 9 Wig) dengan hasil suhu
maksimum mencapai lebih 330 Dc. Hal tersebut menunjukkan bahwa kalorimeter
sangat stabil dan sempurna sebagai alat ukur panas gamma. Perlu diketahlli bahwa
jika terjadi variasi nilai peri ode yang besar, akan menYlllitkan interpretasi panas
gamma yang terllkur oleh kalorimeter tersebut. Kalorimeter yang ideal adalah
kalorimeter yang karakteristiknya tidak dipengaruhi oleh lingkungannya, tennasllk
diantaranya adalah oleh sllhll dan besarnya panas gamma yang terukllr.
2. Scnsitivitas dan pcriode scbagai fungsi suhu lingkungan (air)
Tabel 2. Sensitivitas dan Periode sebagai fllngsi sllhll airlIntllk panas gamma 0-71 \VIg.
Gas isian: ArgonSuhu lingkunuan (air): berubahSuhu air
SuhuSensitivitasPeriode (s)C°e)
maksimumcOe per WIg)
C°e)30
64.3734.3710.88
40
74.0534.0510.93
60
93.2433.2410.98
80
112.5932.5911.02
100
131.4731.4711.03
Hasil pada Tabel 2 kembali menllnjllkkan kesetabilan karakteristik kalorimeter
gamma mini ini, dim ana perubahan suhll air pendingin sampai 1000e praktis tidak
mempengaruhi periode kalorimeter. Hal tersebllt menunjukkan bahwa kalorimeter gamma
mini dapat berfungsi dengan baik untuk digunakan pada reaktor yang suhunya tinggi seperti
pada PLTN.
72
f'rosidil1g Semil1ar flasil f'el1elilial11'2TRRTahlll1 200.f
3. Sensitivitas dan periode sebagai fungsi jenis gas isian
Tabel 3. Sensitivitas dan Peri ode sebagai fungsi jenis gas
Panas gamma 0-71 WigSuhu lin!!kungan (air): 30°CJenis gas
SuhuSensitivitasPeriode (s)maksimum
(oC per Wig)(0C)Nitrogen
53.5023.508.02
Argon
64.3734.3 710.88
Kripton
86.2556.2516.83
ISSN OS~~-~27X
Tabel 3 memperlihatkan bahwa jenis gas isian yang digunakan sangat
berpengarus pada karakteristik kalorimeter, baik sensitivitas maupun periode sangat
bergantung pada jenis gas yang digunakan. Penggunaan gas kripton akan tepat untuk
penggunaan pada reaktor yang fluks gammanya rendah, sedangkan gas nitrogen akan
diperlukan jika kalorimeter akan digunakan pada medan radiasi yang sangat tinggi.
Perancang kalorimeter akan menentukan pilihan jenis gas untuk disesuaikan pada
medan atau tempat penggunaannya.
KESIMPULAN
Memperhatikan hasil analisis terhadap karakteristik kalorimeter gamma mll1\
seperti diuraikan di atas, yang menunjukkan bahwa nilai sensitivitas maupun peri ode
memiliki nilai yang sangat stabil, dapat disimpulkan bahwa kalorimeter gamma mini
yang hanya menggunakan bahan penyerap termokopel, dapat berfungsi dengan baik dan
layak untuk diteruskan pada langkah desain dan pembuatannya. Karakteristik
kalorimeter dapat disesuaikan dengan medan penggunaannya dengan cara memainkan
jenis gas isian dan apalagi dikombinasikan dengan ukuran kalorimeternya.
73
ISSN 0854-5278 Ana/isis }.;ara!\/cI'isrik ,.
St.'liyanlo
DAFT AR PUST AKA
1. SETIY ANTO, "Pengembangan Kalorimeter Gamma mini. Analisis
Karakteristik statik dengan metod analitik". Majalah BATAN Vol. ....
2. N.N. "Intercomparations of reactor calorimeters", Proceeding of an international
seminar at Institute of nuclear research. Swierk - Pologne, 1974.
3. SETIY ANTO, "Puissance deposee par les rayonnemants gamma dans Ie recteur
Siloe. Measure par Ie calorimetrie et calcul par Ie code Gamset. Aplication aux
experiments complexes". Thesis doctor at INPG-FRANCE 1991.
4. SUHAS V. PATANCAR, "Numerical heat transfer and fluid flow", Hemisphere
Publishing Corporation, 1974.
74