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: muhammad_ilham@students.itb.ac.id

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