MODUL 2 ANALISIS KESELAMATAN PLTN · PDF fileMelakukan simulasi sederhana terhadap ... IV....
-
Upload
nguyendien -
Category
Documents
-
view
243 -
download
3
Transcript of MODUL 2 ANALISIS KESELAMATAN PLTN · PDF fileMelakukan simulasi sederhana terhadap ... IV....
MODUL 2
ANALISIS KESELAMATAN PLTN
Muhammad Ilham, Annisa Khair, Mohamad Yusup, Praba Fitra Perdana, Nata Adriya, Rizki
Budiman
10211078, 10211005, 10211077 , 10211108, 10211060, 10211004
Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia
Email: [email protected]
Asisten: (CH. A. Andre Mailoa /10210026)
Tanggal Praktikum: 6-03-2014)
Abstrak
Teknologi Nuklir sebagai sumber pembangkit tenaga listrik mengalami banyak perkembangan.
Karenanya diperlukan suatu prosedur keselamtan agar prosesnya aman dan tidak merugikan. Reaksi fisi
merupakan proses fisis dari inti atom yang sebagai sumber energy ini. Banyak unsur yang terbentuk dari
reaksi fisi Uranium, salah satunya Xenon. Keberadaan Xenon inilah yang dapat menyebabkan adanya
efek Xenon sehingga daya pada reaktor berubah jika jumlahnya berlebih. Dalam praktikum ini akan
dilakukan simulasi sederhana menggunakan Microsoft Excel untuk mengamati proses terjadinya Efek
xenon secara perhitungan teoritik. Melalui simulasi didapatkan bahwa kecelakaan akibat Efek xenon
dapat dihindari dengan adanya penambahan reaktivitas eksternal dari luar reaktor.
Kata Kunci: Daya reaktor, Temperatur, Xenon, Iodin , Fluks , ULOF , UTOP
I. Pendahuluan
1.1 Tujuan
Melakukan simulasi sederhana terhadap
kecelakaan pada reaktor nuklir dengan
menentukan parameter pada efek osilasi Xenon
menggunakan Ms. Excel sehingga dapat
dianalisis dan memahami kecelakaan reaktor
akibat efek Xenon.
1.2 Teori Dasar
Secara umum penyebab kecelakaan reaktor
nuklir dapat diidentifikasi karena, reaktivitas
positif sehingga reaktor mengalami kenaikan
dya secara cepat (kasus Chernobyl), kegagalan
system thermal hidrolik utama saat PLTN
beroperasi (kasus TMI II), problem
pembuangan panas sisa (kasus Fukushima).
Reaksi fisi merupakan reaksi
pembelahan inti atom berat (dalam simulasi ini
digunakan U-235) akibat penembakan neutron
sehingga menghasilkan inti atom ringan, dan
partikel lain (neutron, foton) yang memicu
terjadinya reaksi berikutnya (berantai). Reaksi
fisi ini menghasilkan daya keluaran yang
sangat besar sehingga dapat dimanfaatkan
untuk membangkitkan listrik melalui reaktor
nuklir pada PLTN.
Gambar 1. Skema reaksi fisi pada U-235
Dari skema diatas, kita dapat melihat
produk fisi akan meluruh menjadi Te-135 dan
Xe-135 secara langsung, namun Te-135 akan
meluruh menjadi I-135 kemudian menjadi Xe-
135. Hal ini mengakibatkan penumpukan
jumlah Xe-135 yang sangat kuat menyerap
neutron sehingga terjadi perubahan daya
reaktor secara drastic (efek Xenon).
Jumlah Xenon dalam reaktor nuklir,
dimana secara analitik dapat dituliskan sebagai
berikut :
1) laju perubahan jumlah I-135
2) laju perubahan jumlah Xe-135
3) reaktivitas negative akibat Xe-135
4) rapat daya rata-rata
Dengan rumus :
II. Metode Percobaan dan Hipotesa
2.1 Metode Percobaan
Pada praktikum ini dimodelkan jumlah
Xenon, Iodin, nilai ∆p dan PaXe menggunakan
persamaan (1), (2), (3), dan (4) dalam selang
waktu 200 jam selang 0,1 jam (grafik kondisi
stabil). Lalu dilakukan perubahan fluks untuk
0%,50%,25%,dan 5% pada jam ke 100 sampai
200. Plot grafik tersebut terhadap waktu dan
dibandingkan terhadap grafik saat kondisi
stabil. diambil nilai PaXe untuk mendapat nilai
reaktivitas eksternal.
Simulasi kedua digunakan untuk mencari
daya reaktor dan temperature reaktor,
kemudian diplot terhadap waktu dengan selang
waktu.
2.2 Hipotesa
Adnya perubahan nilai fluks, maka populasi Xenon akan mengalami perubahan. Hal ini akan menyebabkan daya yang dihasilkan pun berubah.
III. Data dan Pengolahan Jumlah populasi Xenon dan Iodin
Dengan menggunakan persamaan (1), (2) dapat
diperoleh grafik populasi Xenon dan Iodin
terhadap waktu :
Gambar 2. Populasi Xenon dalam keadaan normal
Gambar 3. Populasi Iodin dalam keadaan normal
Gambar 4 . Populasi Xenon terhadap waktu dengan
perubahan fluks 0% dari semula
0
1E+15
2E+15
3E+15
0 50 100 150
t Vs Xe
0
5E+15
1E+16
0 50 100 150
t Vs I
0
2E+15
4E+15
6E+15
0 50 100 150 200 250
t Vs Xe
0
1E+15
2E+15
3E+15
4E+15
5E+15
0 100 200 300
Gambar 5. Populasi Xenon terhadap waktu dengan perubahan fluks 50% dari semula
Gambar 6. Populasi Xenon terhadap waktu
dengan perubahan fluks 25% dari semula
Gambar 7 . Populasi Xenon terhadap waktu
dengan perubahan fluks 5% dari semula
Gambar 8. Populasi Iodin terhadap waktu dengan
perubahan fluks 0% dari semula
Gambar 9. Populasi Iodin terhadap waktu dengan
perubahan fluks 50% dari semula
Gambar10. Populasi Iodin terhadap waktu dengan perubahan fluks 25% dari semula
Gambar 11. Populasi Iodin terhadap waktu dengan
perubahan fluks 5% dari semula
Reaktivitas negatif Reaktivitas negatif terhadap waktu
dapat ditunjukkan oleh grafik hubungan keduanya :
Gambar 12. Reaktivitas terhadap waktu dengan
perubahan fluks 0% dari semula
Gambar 13. Reaktivitas terhadap waktu dengan
perubahan fluks 50% dari semula
0
1E+15
2E+15
3E+15
4E+15
5E+15
0 50 100 150 200 250
0
1E+15
2E+15
3E+15
4E+15
5E+15
0 50 100 150 200 250
0
2E+15
4E+15
6E+15
8E+15
0 50 100 150 200 250
t Vs I
0
2E+15
4E+15
6E+15
8E+15
0 100 200 300
0
2E+15
4E+15
6E+15
8E+15
0 100 200 300
0
2E+15
4E+15
6E+15
8E+15
0 100 200 300
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0 0,05 0,1 0,15
t Vs ro(t)
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0 0,05 0,1 0,15
Gambar 14. Reaktivitas terhadap waktu dengan
perubahan fluks 25% dari semula
Gambar 15. Reaktivitas terhadap waktu dengan
perubahan fluks 5% dari semula
Reaktivitas PositifSelisih titik minimum dan titik ketika
dilakukan perubahan daya, Reaktivitas negatif yang telah diperoleh ditambah dengan konstanta (selisih titik minimum dan titik ketika dilakukan perubahan daya) sehingga dihasilkan grafik :
Potong di 106.1
Gambar 16. Reaktivitas terhadap waktu dengan
perubahan fluks 0% dari semula
Potong di 106.7
Gambar 17. Reaktivitas terhadap waktu dengan
perubahan fluks 50% dari semula potong di 104
Gambar 18. Reaktivitas terhadap waktu dengan
perubahan fluks 25% dari semula Potong di 106.7
Gambar 19. Reaktivitas terhadap waktu dengan perubahan fluks 5% dari semula
Hubungan daya dan temperatur
terhadap waktu Reaktivitas total daya dengan
mencari terlebih dahulu ext Berikut grafik hubungan daya terhadap
waktu untuk masing-maisng perubahan daya:
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0 0,05 0,1 0,15
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0 0,05 0,1 0,15
-0,15
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0 200 400
delta rho
delta rho + rho ext
-0,15
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0 200 400 delta rho
plus rho ext
-0,15
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0 200 400
delta rho
plus rho ext
-0,15
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0 200 400 delta rho
plus rho ext
Gambar 20. P vs t dengan perubahan fluks 0% dari semula
Gambar 21. P vs t dengan perubahan fluks 50%
dari semula
Gambar 22. P vs t dengan perubahan fluks 25%
dari semula
Gambar 23. P vs t dengan perubahan fluks 5%
dari semula
Hubungan temperatur terhadap suhu
untuk masing-masing perubahan daya :
Gambar 24. T vs t dengan perubahan fluks 0%
dari semula
Gambar 25. T vs t dengan perubahan fluks 50%
dari semula
Gambar 26. T vs t dengan perubahan fluks 25%
dari semula
Gambar 27. T vs t dengan perubahan fluks 5%
dari semula
0
200
400
600
0 0,05 0,1 0,15
P Vs t
0
100
200
300
400
0 0,05 0,1 0,15
0
100
200
300
400
0 0,05 0,1 0,15
0
100
200
300
400
0 0,05 0,1 0,15
0
200
400
600
0 0,05 0,1 0,15
t Vs T
0
200
400
600
0 0,05 0,1 0,15
0
200
400
600
0 0,05 0,1 0,15
0
200
400
600
0 0,05 0,1 0,15
Hubungan temperatur coolant terhadap
suhu untuk masing-masing perubahan daya :
Gambar 28. C vs t dengan perubahan fluks 0%
dari semula
Gambar 29. C vs t dengan perubahan fluks 50%
dari semula
Gambar 30. C vs t dengan perubahan fluks 25%
dari semula
Gambar 31. C vs t dengan perubahan fluks 5%
dari semula
IV. Pembahasan Osilasi xenon pada simulasi terjadi
karena adanya perubahan fluks neutron akibat
dari perubahan daya yeng diberikan. Perubahan
fluks neutron akan semakin besar sehingga
xenon akan meluruh dengan cepat, ketika
jumlah xenon yang semakin kecil
menyebabkan daya yang diproduksi semakin
besar.
Adanya ketidakstabilan daya, karena
xenon merupakan absorber neutron yang
sangat kuat (cross section) yang jauh lebih
besar daripada U-235, Sehingga neutron yang
seharusnya dipakai untuk reaksi fisi akan
terserap oleh Xenon. Saat daya berkurang
maka jumlah fluks neutron juga akan
berkurang, sehingga reaktivitas di dalam
reaktor akan berkurang pada selang waktu
tertentu dan daya menurun. Namun
temperature pada pendingin akan bertambah
lebih cepat karena penangkapan neutron oleh
Xenon.
Waktu optimal untuk menyalakan
kembali reaktor dari kondisi shutdown ketika
jumlah xenon berkurang menjadi sama dengan
jumlah Xenon sebelum reaktor mengalami
shutdown yakni sekitar 50-60 jam setelah
reaktor dimatikan. Dapat dilihat pada grafik
reaktivitas feedback, yaitu pada nilai reaktivitas
yang stabil. Osilasi daya terhadap efek xenon
mempengaruhi kecelakaan reaktor. Ini disebabkan karena ketika fluks menurun maka jumlah xenon akan meningkat dan daya yang diproduksi semakin banyak. Ini mengakibatkan temperatur pendingin dan bahan bakar meningkat dan terjadilah ledakan pada reaktor. Pada fast reaktor hampir seluruh
neutron yang ada digunakan untuk reaksi fisi,
sehingga untuk reaktor jenis ini bahan bakar
yang digunakan merupakan bahan bakar yang
telah diperkaya. Karena banyaknya unsur lain
yang menyerap neutron, mengakibatkan efek
Xenon memiliki pengaruh yang relatif sangat
kecil.
Kecelakaan pada reaktor yang terjadi pada
Chernobyl disebabkan oleh kesalahan operator.
Untuk keslahan operator terjadi akibat
penarikan batang kendali untuk meningkatkan
daya keluaran dari reaktor. Namun saat
temperatur pendingin berada pada temeperatur
tinggi, kecepatan memasukkan batang proteksi
saat keadaan darurat yang lama
mengakibatakan penguapan seluruh cairan dan
mengakibatkan adanya tekanan gas yang
berlebih sehingga terjadi ledakan pada reaktor.
Adapun dari segi desainnya, penggunaan bahan
pendingin dan moderator yang berbeda
432
434
436
438
0 0,05 0,1 0,15
t Vs C
433
434
435
436
437
438
0 0,05 0,1 0,15
433
434
435
436
437
438
0 0,05 0,1 0,15
433 434 435 436 437 438
0 0,05 0,1 0,15
mengakibatkan adanya reaktivitas uap
(perubahan jumlah gelembung uap pada
reaktor air didih yang megakibatkan perubahan
reaktivitas) yang bernilai positif ( menambah
laju reaksi pembelahan inti), kemudian waktu
untuk memasukkan batang proteksi dalam
kondisi darurat adalah 18 detik, tidak adanya
detektor yang dapat digunakan untuk
mengetahuui daya total dan distribusi daya
secara spasial, dan ukuran teras yang terlalu
besar mengakibatkan sulitnya mengendalikan
daya.
ULOF (unprotected loss of flow),
merupakan kecelakaan reaktor nuklir yang
disebabkan oleh hilangnya aliran akibat tidak
berfungsinya pompa. Hal ini menyebabkan
temperature pendingin naik karena antara daya
dan laju aliran pendingin tidak seimbang.
Kesetimbangan system akan dicapai jika, nilai
mutlak dari reaktivitas feedback negative
akibat kenaikan temperature sama dengan
reaktivitas feedback positif karena penurunan
temperature bahan bakar. Contohnya
kecelakaan reaktor di fukushima yang
disebabkan adanya kegagalan system
pendingin karena tsunami.
UTOP (unprotected rod run out
Transient over power), merupakan kecelakaan
akibat oleh tertariknya seluruh batang kendali
tanpa proteksi. Pada saat seluruh batang
kendali tertarik keluar, maka daya akan naik
(reaktivitas positif), sehingga terjadi kerusakan
pada pompa pendingin primer. Kemudian
antara daya reaktor dan aliran pendingin primer
menjadi tidak seimbang, dan mengakibatkan
kecelakaan yang lebih besar daripada ULOF.
Contohnya kasus Chernobyl. Ketika fluks neutron divariasikan, maka
dari grafik yang didapatkan jumlah xenon yang dihasilkan akan berubah juga. Semakin besar variasi fluks, maka jumlah xenon yang dihasilkan akan semakin semakin sedikit. Ini disebabkan karena ketika fluks neutron 0%, maka jumlah xenon yang dapat bereaksi fisi selanjutnya akan semakin sedikit. Sehingga jumlah xenon akan semakin banyak pada reaktor.
Daya dapat berubah secara drastis dikarenakan fluks neutron yang berubah secara drastis pula. Perubahan fluks neutron secara drastis ini menyebabkan penambahan jumlah
xenon yang sangat besar yang menyebabkan perubahan daya yang sangat besar. Perubahan ini berlangsung secara drastis karena perubahan fluks neutronnya pun berlangsung secara drastis.
V. Simpulan
Efek xenon mengakibatkan perubahan
daya pada reaktor dan peningkatan temperature
drastis, dapat dimodelkan kecelakaan
chernobyl dengan komputer. Kecelakaan
terjadi karena perubahan fluks neutron secara
tiba-tiba (mesin reaktor dimatikan), menjadi
nol, sehingga jumlah xenon meningkat drastis
namun neutron telah habis sehingga terjadi
penumpukan xenon serta meningatnya
temperatur pendingin dan bahan bakar,
menyebabkan reaktor panas dan meledak.
Untuk menghindari kecelakaan akibat
efek Xenon diperlukan penambahan reaktivitas
dari luar system reaktor
VI. Pustaka
[1]http://en.wikipedia.org/wiki/nuclear_fission/
, diakses pada 09-03-2014 13:35
[2]http://www.infonuklir.com/read/detail/87/
reaktor-chernobyl-desain , diakses pada 09-03-
2014 14:00