KAJIAN KESELAMATAN THERMOHIDROLIK BULK SHIELDING

REAKTOR KARTINI MENGGUNAKAN CFD FLUENT

Oleh

Agus Waluyo

P2STPIBN-BAPETEN

Jl. Gadjah Mada No.8 Jakarta 10120 , email:a.waluyo@bapeten.go.id

ABSTRAK

KAJIAN KESELAMATAN THERMOHIDROLIK BULK SHIELDING REAKTOR KARTINI

MENGGUNAKAN CFD FLUENT. Fasilitas Bulk Shielding pada reaktor Kartini sangat penting

fungsinya untuk kelangsungan operasi dari reaktor riset tersebut. Salah satu fungsi dari bulk shielding

adalah sebagai penyimpanan sementara bahan bakar bekas dari reaktor riset sebelum bahan bakar tersebut

disimpan di interim storage atau pada saat refueling bahan bakar nuklir. Dalam mendesain atau

memodifikasi bulk shielding harus memperhatikan beberapa aspek keselamatan, antara lain aspek

neutronik, aspek thermohidrolik dan juga aspek radiologi. Untuk aspek neutronik, desain bulk shielding

harus memastikan bahan bakar nuklir bekas yang disimpan di dalam bulk shielding tersebut dalam kondisi

sub kritis. Sedangkan untuk aspek thermohidrolik desain dari bulk shielding harus bisa memindahkan

panas yang berasal dari bahan bakar nuklir bekas. Sedangkan untuk aspek radiologi, desain dari bulk

shielding harus mampu menjaga paparan di sekitar bulk shielding dibawah ambang batas paparan radiasi

yang ditentukan oleh badan pengawas. Dalam kajian ini, dikhususkan untuk mengkaji keselamatan desain

dari bulk shielding dari aspek thermohidrolik menggunakan CFD FLUENT. Dari hasil perhitungan

tersebut dapat disimpulkan bahwa desain dari bulk shielding tersebut dari aspek thermohidrolik telah

memenuhi aspek keselamatan.

Kata Kunci : bulk shielding, CFD FLUENT, Reaktor KARTINI

ABSTACT

SAFETY STUDY OF THERMAL HYDRAULIC BULK SHIELDING AT KARTINI REACTOR

USING FLUENT CFD. Bulk shielding facility at Kartini reactor is very important for continuity

of operations of this reactor. One of the functions of the bulk shielding is for temporary storage

of spent fuel before spent fuel is stored in interim storage or when refueling process is done. In

the designing or modyfying of the bulk shielding must condider several aspect of safety, there are

neutronic aspects, thermalhydrolic aspects and radiological aspects.For nuetronic aspects, bulk

shielding design must ensure that the spent fuel in the sub critical condition. For thermal

hydraulic aspects, bulk shielding should be able to transfer heat from the spent fuel. And for

radiological aspects, design of the bulk shielding should be able to keep radiation exposure

below the threshold that specified by regulatory body. In this study, devoted to assessing the

safety of the design of the bulks shielding from the aspects thremal hydraulic using FLUENT

CFD. From the results of these calculations can be concluded that the design of the bulk

shielding is compliance with the safety of thermal hydraulic aspects.

Key words : bulk shielding, CFD FLUENT, KARTINI reactor

I. PENDAHULUAN

I.1 latar Belakang

Fasilitas Bulk shielding pada reaktor Kartini mempunyai fungsi sangat penting untuk

kelangsungan operasi reaktor Kartini. Fungsi dari bulk shielding salah satunya adalah untuk

penyimpanan sementara bahan bakar bekas dari reaktor riset sebelum bahan bakar tersebut

disimpan di interim storage atau pada saat refueling bahan bakar nuklir. Oleh karena itu dalam

mendesain atau memodifikasi dari bulk shielding harus memperhatikan beberapa aspek

keselamatan, antara lain aspek neutronik, aspek thermohidrolik dan juga aspek radiologi. Apabila

merujuk ke Peraturan Kepala Bapeten no. 3 Tahun 2010 tentang Desain Sistem Penanganan dan

Penyimpanan Bahan Bakar Nuklir Untuk reaktor Daya [1], desain suatu bulk shielding harus

memenuhi persyaratan sebagai berikut:

a) mempertahanakan kondisi subkritis Bahan Bakar Nuklir dengan faktor multiplikasi

efektif (Keff) paling besar 0,90;

b) mempertahankan integritas Bahan Bakar Nuklir;

c) mempertahanakan pendinginan Bahan Bakar Nuklir teriradiasi;

d) mempertahankan pemurnian air pendingin;

e) memastikan proteksi radiasi dan keselamatan dalam batasan yang berlaku; dan

f) mencegah pelepasan zat radioaktif ke lingkungan.

Oleh karena itu perlu adanya kajian keselamatan terhadap desain bulk shielding untuk

membuktikan bahwa desain dari bulk shielding tersebut memenuhi ketentuan ketentuan yang

ada di PerKa no.3 Tahun 2010.

Kajian keselamatan terhadap desain bulk shielding dikhususkan untuk pada aspek

Thermohidrolik. Kajian keselamatan terhadap desain bulk shielding dalam kajian ini

menggunakan program CFD FLUENT. CFD FLUENT digunakan dalam kajian ini karena

program ini sangat handal untuk perhitungan numerik untuk perpindahan panas yang melibatkan

fluida dan juga lebih fleksibel untuk mensimulasikan berbagai bentuk model. Gambar 1. Berikut

ini menunjukkan perbandingan antara CFD FLUENT dengan eksperiment[2].

Gambar 1 Perbandingan hasil CFD FLUENT dengan eksperimen

I.2 Batasan Masalah

Kajian keselematan terhadap desain bulk shielding di reaktor Kartini pada makalah ini

akan khusus membahas mengenai analisis keselamatan dari aspek thermohidrolik dengan

menggunakan CFD FLUENT. Asumsi-asumsi yang dipakai dalam kajian ini adalah sebagai

berikut:

a. Jumlah bahan bakar yang disimpan dalam bulk shielding 90 buah

b. Tidak ada kebocoran di dalam bulk shielding

c. Perpindahan panas yang di bulk shielding adalah konveksi alamiah.

d. Aliran yang ada di bulk shielding adalah aliran laminar

I.2 Tujuan

Tujuan dari kajian ini adalah untuk mengetahui apakah desain dari bulk shielding telah

memenuhi dari aspek keselamatan thermohidrolik atau belum. Salah satu parameter yang akan

dicari dalam kajian ini adalah temperatur dari kelongsong Bahan Bakar bekas. Apabila

temperatur dari kelongsong bahan bakar bekas masih di bawah titik leleh kelongsong (1453 0C)

maka desain dari bulk shielding tersebut telah memenuhi aspek keselematan dari segi thermohidrolik.

II. METODOLOGI PENELITIAN

II.1 Geometri Model dan Bahan

Desain dari model bulk shielding yang ada dalam kajian ini merupakan bulk shielding

dari salah satu reaktor riset yang berjenis TRIGA yaitu reaktor Kartini. Bahan bakar nuklir bekas

yang disimpan di dalam bulk shielding mempunyai geometri dan spesifikasi seperti ditunjukkan

pada Tabel 1 dan gambar dari bahan bakar bekas bisa dilihat pada Gambar 2.

Tabel 1. Spesifikasi dari Bahan Bakar Bekas [3]

Panjang total, cm 73.04 75.39

Panjang aktif, cm 38.0

Panjang grafit, cm 6.5 9.5

Dia. Luar kelongsong, cm 3.7

Dia. Luar bahan bakar, cm 3.56

Tebal cakram racun dapat bakar (Mo), cm 0.127

Material kelongsong SS-304

Tebal kelongsong, cm 0.05

Gap bahan bakar-kelongsong, cm 0.02

Titik leleh kelongsong 1453 0C

Bahan bakar bekas ditempatkan pada suatu rak di bulk shielding untuk mencegah

goncangan dan kemungkinan bahan bakar menumpuk menjadi satu waktu terjadi gempa.

Geometri dari rak didesain sedemikian rupa sehingga bisa mencegah terjadi kekritisan. Gambar

dan geometri dari rak bisa dilihat pada Gambar 3.

Gambar 2. Geometri bahan bakar nuklir bekas

Gambar 3. Geometri dan ukuran rak bahan bakar nuklir bekas

Sedangkan untuk bulk shielding ukuran dan geometri bisa dilhar pada Gambar 4.

Gambar 4. Geometri dan ukuran bulk shielding

II.2 Perancangan Simulasi Numerik

II.2.1 Pemodelan Fisik dengan GAMBIT

GAMBIT merupakan singkatan dari Geometri And Mesh Building Inteligent Toolkit.

GAMBIT merupakan salah satu preprocessor yang didesain untuk membantu membuat model

dan melakukan diskritisasi (meshing) pada model untuk analisis CFD. Ada beberapa tahap untuk

melakukan pemodelan fisik dengan GAMBIT antara lain:

A. Menggambar Model

Membuat model dengan menggunakan GAMBIT bisa dibuat dengan dua metode yaitu

bottom-up maupun dengan top down.

B. Pembuatan dan pengujian Mesh pada model

Konsep pembuatan mesh dengan menggunakan GAMBIT pada dasarnya hampir sama

dengan pembuatan geometri yaitu ada dua metode yaitu metode bottom-up dan top down.

Dalam melakukan meshing harus dilakukan optimalisasi, yaitu dengan memperhalus

meshing pada daerah yang menjadi fokus perhitungan.

380 cm

142,5 cm 240 cm

C. Penentuan Kondisi Batas pada Model

Tahap akhir dalam pemodelan fisik menggunakan GAMBIT adalah penentuan tipe batas

(boundary) pada domain yang telah dibuat. Secara praktis, tujuannya adalah

mendefinisikan daerah-daerah yang akan menjadi outlet, inlet dan tipe-tipe batas lainnya.

Gambar 5 menunjukkan penggambaran model menggunakan GAMBIT dan juga pengujian hasil

meshing dari model.

Gambar 5. Model bulk shielding dengan menggunakan GAMBIT dan juga pengujian meshing

Dalam menggambarkan model bulk shielding dengan menggunakan GAMBIT ada beberapa

penyerdehanaan, antara lain tinggi dari bulk shielding tidak digambar setinggi 3,8 m tetapi hanya

1,6 m, hal ini dimaksudkan untuk optimalisasi dalam melakukan meshing. Dengan menggambar

dinding bulk shielding menjadi 1,6 m, maka kondisi batas untuk titik A pada Gambar 5 (Pressure

outlet) diberi tekanan sebesar 15680 N/m3 ( = .. = 1000 9,8 1,6).

II.2.2 Pemodelan Numerik dengan FLUENT

FLUENT adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume

hingga. Ada beberapa langkah untuk melakukan pemodelan menggunakan FLUENT, antara lain:

A. Memasukkan input parameter

Pada pemodelan numerik, setting kondisi batas pada volume atur dilakukan dengan

memasukkan nilai kuantitatif dari parameter-parameter yang terkait dengan masing-masing

A

tipe boundary[4]. Berikut ini adalah daftar input nilainilai parameter sebagai kondisi batas

volume atur.

Tabel 2 Input nilai parameter-parametr kondisi batas

Tipe Boundary Parameter Nilai

Kelongsong bahan bakar

bekas: wall

Fluks panas 1600 w/m2

(5% dari daya operasi

steady state)

Lubang keluaran:pressure

outlet

Gauge pressure 15680 N/m3

Backflow temperature 300 K

Dinding bulk shielding Fluks panas 0

Sedangkan sifat/property dari air sebagai pendingin nilainya bervariasi terhadap

temperatur.

B. Running Program dan pengambilan data hasil perhitungan

Langkah berikutnya adalah melakuka running program. Ada beberapa pengaturan di

solutiom control untuk mencapai konvergensi dalam FLUENT. Gambar 6. Berikut ini

menunjukkan pengaturan di solution control.

Gambar 6. Pengaturan di solutiom control

Langkah terakhir setelah semua input selesai dimasukkan adalah running program. Gambar 7

beikut ini menunjukkan running dari FLUENT sampai mencapai konvergen,

Gambar 7. Hasil Running program FLUENT

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Untuk melihat karakteristik dari aliran dari pendingin di bulk shileding, penting sekali

untuk melihat vektor kecepatan dari pendingin. Gambar 8 berikut ini menunjukkan vektor

kecepatan dari pendingin di bulk shielding,

Gambar 8. Vektor kecepatan pendingin di bulk shielding

Dari gambar 8 dapat dilihat bahwa pendingin yang mempunyai temperatur yang lebih panas akan

mengalir ke atas sedangkan pendingin yang mempunyai temperatur lebih dingin akan turun ke

bawah, fenomena tersebut merupakan salah satu ciri dari perpindahan panas secara konveksi

alamiah. Aliran dari pendingin tersebut disebabkan karena adanya gaya apung, dimana pendingin

yang mempunyai temperatur lebih panas mempunyai densitas yang lebih rendah dibanding

dengan pendingin yang mempunyai temperatur lebih tinggi sehingga pendingin yang mempuyai

densitas lebih rendah akan naik ke atas sedangan pendingin yang mempunyai densitas besar akan

turun ke bawah.

Gambar 9. Kontur dari temperatur kelongsong bahan bakar

Sedangkan untuk kontur temperatur dari kelongsong bahan bakar dapat dilihat di Gambar

9. Dari kontur temperatur dari kelongsong bahan bakar dapat dilihat bahwa temperatur bahan

bakar bekas yang berada di pinggir dekat dengan dinding bulk shielding mempunyai temperatur

yang lebih tinggi dibanding bahan bakar bekas yang berada di tengah. Hal ini disebabkan karena

bahan bakar yang berada di pinggir dekat dinding bulk shielding mempunyai luas area pendingin

lebih sempit dibanding bahan bakar yang berada di tengah. Sedangkan temperatur rata-rata dari

kelongsong dari bahan bakar bekas adalah 37.66332 0C dan temperatur maksimum dari

kelongsong adalah 42.15182 0C. Apabila kita bandingkan dengan titik leleh dari kelongsong

bahan bakar bekas yaitu 1453 C, maka temperatur maksimal dari kelongsong bahan bakar nuklir

bekas masih jauh di bawah dari titik leleh dari kelongsong bahan bakar nuklir bekas.

Distribusi temperatur dari air pendingin secara aksial dari bulk shielding dapat dilihat

pada Gambar 10. Gambar 10 menunjukkan bahwa kenaikan temperatur dari air pendingin

sangatlah kecil yaitu sekitar 0.15 0

C, dimana rata-rata temperatur pendingin pada saat masuk

(posisi di bawah bahan bakar bekas) adalah 32.0572 0C dan rata-rata temperatur pendingin pada

saat keluar ( posisi di atas bahan bakar bekas) adalah 32.2048 0

C. Sedangkan untuk kontur dari

temperatur pendingin bisa dilihat pada Gambar 11.

Gambar 10. Distribusi air pendingin secara aksial

Gambar 11. Kontur temperatur pendingin

305

305.05

305.1

305.15

305.2

305.25

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Tem

per

atu

r ra

ta-r

ata

air

(K)

Normalisasi panjang bahan bakar bekas

IV. KESIMPULAN

Temperatur maksimum bakar (42.15182 0 0C) berada jauh di bawah batas titik leleh

kelongsong bahan bahan bakar adalah 1453 C.

Temperatur pendingin maksimum (33.711 0C), jauh dibawah temperatur dua fasa

113.6 C. Seluruh pendingin berada pada rezim cair.

Dari data-data tersebut dapat dipastikan bahwa desain dari bulk shileding telah memenuhi

persyaratan keselamatan dilihat dari aspek thermohidrolik

UCAPAN TERIMA KASIH

Kami mengucapkan terima kasih kepada Dr Azizul Akhim yang telah membantu saran

dan prasaran dalam penyusunan kajian ini. Dan juga tidak lupa kami sampaikan terima kasih

banyak kepada teman-teman P2STPIBN yang telah membantu secara teknis maupun non teknis

dalam penyusunan kajian ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. PerKa BAPETEN Nomor 3 Tahun 2010 tentang DESAIN SISTEM PENANGANAN

DAN PENYIMPANAN BAHAN BAKAR NUKLIR UNTUK REAKTOR DAYA,

Jakarta, 2010

2. Shijie, C dan Mathieu, I, NUMERICAL INVESTIGATION OF TURBULENT BUOYONT

FLOWS IN ENCLOSURES WITH TWO EQUATIONS TURBULENCE MODELS,

International Master Program in Turbulence, 2001

3. Kajian Ilmiah tentang MODIFIKASI TEMPAT PENYIMPANAN BAHAN BAKAR

BEKAS DI BULK SHIELDING REAKTOR KARTINI, BATAN, Yogyakarta, 2012

4. Waluyo. A, KAJI NUMERIK KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS

KONVEKSI ALAMIAH, PAKSA DAN GABUNGAN PADA SUB BULUH DENGAN

SUSUNAN SILINDER SEGITIGA, ITB, Bandung, 2010

5. Tutorial FLUENT, FLUENT Inc, 2007

6. Tutorial GAMBIT, FLUENT Inc, 2007