Prmidlllg Seminar l/asill'enelitianl'2TRRTail/III lnn-l

ISSN OS5~-5278

VALIDASI PERHITUNGAN KRITIKALITAS FASILITAS ISSFMENGGUNAKAN PAKETPROGRAM MCNP

Rokhmadi dan Pudjijanto MSPuasat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset - Batan

ABSTRAKVALIDASI PERHITUNGAN KRITIKALITAS FASILITAS ISSF MENGGUNAKANPAKET PROGRAM MCNP. Telah dilakukan pemodelan dan perhitungan kritikalitasFasilitas ISSF (Interim Storagefor Spent Fuel). Mula-mula dibuat pemodelan satu rak KolamISSF kemudian dihitung harga keff nya. Setelah itu dimodelkan ISSF yang berukuran 14,1 m x5,0 m dan kedalaman 8,0 m dan disimulasikan dengan elemen bakar segar dan dihitung denganpaket program MCNP 48 dan diperoleh harga ketT= 0,6954. Hasil perhitungan menunjukkanbahwa Fasilitas ISSF tidak dapat menjadi kritis meskipun diisi dengan bahan bakar segar.Karena dengan simulasi bahan bakar segarpun tidak kritis, sehingga keselamatan ISSF tersebutterjamin

ABSTRACTSVALIDATION OF ISSF FACILITY CRITICALITY CALCULA nON USING MCNP

CODE. Modelling and criticality caJculation has been conducted for the facility ofInterim Storagefor Spent Fuel. Firstly ISSF facility is modelled and then the keff is caJculated. FurthemlOre amodel 14.1 x 5.0 dimension 8.0 m depth and consist of the fresh fuel, is calculated using MCNP48Code. This caJculation gave a kefT= 0.6954. Finally we conclude that there is no criticalityaccident, it minds the ISSF facility can not get the criticality condition even though the facility isloaded with fresh fuel elements ..

PENDAHULUAN

Instalasi fasilitas ISSF ( Interim Storagefor Spent Fuel) yang berada disamping

gedung reaktor RSG-GAS dimaksudkan untuk menyimpan bahan bakar bekas, terutama

dari reaktor RSG-GAS. Bahan bakar terse but sebelumnya didinginkan di kolam reaktor,

kemudian baru disimpan di fasilitas ISSF melalui Transfer Channel. Kolam

FASILIT AS ISSF berukuran 14,1 m x 5 m dan kedalaman 8,0 m mampu menyimpan

1436 elemen bakar bekas I). Elemen bakar bekas tersebut masih mengandung sejumlah

uranium diperkaya paparan radiasi yang sangat tinggi, maka perlu diperhatikan segi

keselamatan baik instalasinya maupun terhadap manusia. Aspek keselamatan yang perlu

diperhatikan pada instalasi seperti ini adalah kritikalitas.

Tempat elemen bakar bekas berbentuk tabung stainless steel berdiameter OD

12,76 terkungkung air di dalam kolam fasilitas ISSF dan disusun secara periodik

berukuran 940 mm x 940 mm. Untuk menyederhanakan perhitungan maka larik tabung

dibagi kedalam sel-sel satuan identik, dengan pemodelan sel satu dimensi yang dapat

57

ISSN 0854-5278I\rilikalita.r ..

'"alida."";

Rokhmadi

I'crhitlll1g01J

dipandang sebagai pel at. Elemen bakar RSG-GAS merupakan multi pelat yang tersusun

dari daerah meat, kelongsong, moderator dan daerah extra region. Setelah terbentuk

pemodelan elemen bakar dan kolam fasilitas ISSF maka kritikalitas instalasi fasilitas

ISSF dapat diperoleh.

Perhitungan kritikalitas pada Instalasi fasilitas ISSF ini pemah dihitung

menggunakan Paket Program SA TAN 2 Diff dengan ketf =0,6367 2) • Untuk

memvalidasi hasil perhitungan tersebut dilakukan perhitungan ulang dengan paket

program MCNP 4S dengan pustaka data nuklir ENDF/S-VI.

TEORI

Model Matematik untuk menggambarkan populasi neutron dalam reaktor

biasanya dinyatakan dalam bentuk persamaan transport Boltzman, integral transport dan

persamaan difusi. Penyelesaian persamaan di atas menghasilkan distribusi neutron

dalam reaktor yang dinyatakan dalam besaran f1uks neutron. Persamaan difusi atau

persamaan transport Soltzman statis sebagai berikut :

(M-F)CP = Sdengan :

S = Sumber

FcJJ = Sumber pembelahan, F = operator pembelah

MCP = Socoran dan kehilangan neutron, operator migrasi dan hilang neutron.

(I)

Untuk menentukan kritikalitas reaktor, maka ditentukan eigen valuenya dengan

mengalikan faktor pengali ). pada operator F, sehingga persamaan (1) menjadi :

( M- ).F )l/> = 0 (2)

Eigen value}. akan diperoleh jika operator (M-)' F )cJJ singular, sehingga diperoleh

penyelesaian non trivial CPA. Eigen value dapat diinterpretasikan dengan cara

mengintegralkan persamaan (2) terhadap ruang dan energi.

A-I = f fFWEdV

HUWEdV = keif (3)

Jadi Xl merupakan faktor perlipatan efektif atau kelTdari reaktor yang merupakan ukuran

kekritisan reaktor tersebut.

58

Prosidil1g Semil1or/lasi! P£'IIelilial1 P2TRR

Tahlll1 200-1

METODE PERHITUNGAN FASILITAS ISSF DENGAN MCNP

Perhitungan dilakukan dengan asumsi :

1. Semua rak fasilitas ISSF diisi dengan bahan bakar segar

2. Semua rak diisi air dengan rapat massa 0,998 grm/cm3

3. Pengkayaan Uranium ( E w/o ) : 19,75 %

4. Massa U-235/elemen : 250 gram

ISSN 0854·5278

atom em-J barn-]

Homogenisasi dan Pemodelan Sel

Kolam fasilitas ISSF disusun dengan konfigurasi yang heterogen berbentuk kisi

atau larikan yang periodik. Pendekatan umum untuk memperhitungkan efek kisi

heterogen adalah dengan membagi larik periodik kolam fasilitas ISSF kedalam sel-sel

satuan identik dan kemudian menghitung konstanta kelompok efektif yang mencirikan

sel tersebut. Selanjutnya sel diperhitungkan seeara homogen dengan membobot

konstanta kelompok dengan tluks gayut ruang, sehingga diperoleh konstanta terbobot

sel atau disebut konstanta sel

Perhitungan Komposisi Sel 2)

Oimensi dan Komposisi Sel dihitung dengan persamaan :

N, = [p,x~~,..}W-"

= [PmixtA::XNAm }10-24

Wi = fraksi berat isotop i (%)

Pi = densitas isotop i ( gram em-3 )

NAvo = Bilangan Avogadro =0,602252 x 1024 (gram mol)·]

Ai = Nomor atom isotop i ( gram/mol)

Oensitas Campuran pmixt dihitung dengan persamaan :

1 .JPmiXI = -/-- gram em

I1Vii=1 Pi

59

ISSN 0854-5278Kririkoliros.. .

"olidosi

Rokhmodi

Tabel 1 : Rapat Atom 2)

PerhilJlngolJ

No. Isotop i Berat AtomRapat Atom N; ( atom cm·3 barns·1 )

1,

0 15,9994 0,02768

2.

H 1,00797 0,05538

3.

Fe 55,84730 0,96298

4.

C 12,01115 0,00009

5.

Mn 54,9380 0,00048

6.

Cr 51,9960 0,00460

7.

Ni 58,7100 0,00238

0C']>-FI I~

:.:;

,..,~0

Gambar 1 : Penampang Rak Fasilitas ISSF 1)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Oari hasil pemodelan dan perhitungan kolam fasilitas ISSF dengan menggunakan

paket program MCNP4B dengan asumsi semua eIemen bakar segar, diperoleh harga

rata-rata ke!T= 0,6954 ± 0,0006 seperti terlihat pad a Tabel 2. Menurut hasil perhitungan

60

f'rosidillg Semillor lias" I'elldili<m I' 2TRR

TO/III11 2{){)-!

ISSN OR5.j·5278

tersebut kolam fasilitas ISSF tidak mengalami kritikalitas sekalipun seluruh rak terisi

bahan bakar segar. Dengan logika di atas maka kolam fasilitas ISSF tidak akan pernah

mengalami bahaya kekritisan sekalipun terisi penuh oleh bahan bakar bekas.

Tabel 2 : Harga ~fT kolam FASILIT AS ISSF (Elemen bakar segar)

No. nps keff

1.

500.000 0,6945 ± 0,0015

2.

1.000.000 0,6954 ± 0,0014

3.

1.500.000 0,6951 ± 0,0015

4.

2.000.000 0,6948 ± 0,0016

5.

2.500.000 0,6950 ± 0,0017

6.

3.000.000 0,6954 ± 0,0016

7.

3.500.000 0,6957 ± 0,00188.

4.000.000 0,6960 ± 0,0017

9.

4.500.000 0,6962 ± 0,001810.

5.000.000 0,6961 ± 0,0017

Kalau mengacu dari hasil perhitungan kritikalitas oleh desainer kolam

FASILIT AS ISSF yaitu AEA Technology dan para penulis sebeIumnya seperti terlihat

pada Tabel 3 maka dapat disimpulkan bahwa kolam FASILIT AS ISSF tidak akan

mengalami bahaya kekritisan dan valid digunakan sebagai tempat penyimpan bahan

bakar bekas secara aman.

Tabel 3: Harga ~fT kolam FASILITAS ISSF

No. Penulis kerfPaket Program

1.

AEA- Technology') 0,6910MONK6B

2.

Rokhmadi dkk 2) 0,6367Batan-2 Diff

3.

Sri Kuncoro dkk 3) 0,6353Batan-2Diff

4.

Tagor M. Sembiring dkk 4) 0,6873MCNP4B2

5.

Rokhmadi dkk 0,6954MCNP4B2

KESIMPULAN DAN SARAN

Kolam FASILIT AS ISSF valid digunakan untuk menyimpan bahan bakar bekas

dan terhindar dari bahaya kekritisan.

61

ISSN 0854-5278Kririkaliras.. ..

Validasi

Rokhmadi

I'crhiluflga"

Untuk tetap menjaga terhindarnya bahaya kekritisan, kebersihan air pad a kolam

fasilitas ISSF dari zat-zat pengotor yang memungkinkan timbulnya korosi pada rak-rak

kolam FASILIT AS ISSF harus dijaga.

DAFT AR PUST AKA

1. AEA Engineering, "Transfer Channel and Fasilitas ISSF", 1993

2. ROKHMADI dkk, Perhitungan Kritikalitas Fasilitas ISSF, Prosiding Seminar

HasH Penelitian PRSG Tahun 1996/1997 (1998) 70-77

3. KUNCORO, SRI DAN ROKHMADI, Analisis Kritikalitas Fasilitas ISSF

Sebagai Fungsi Fraksi Bakar Untuk Bahan Bakar RSG-GAS, Prosiding

Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ihnu Pengetahuan dan

Teknologi Nuklir PPNY - Batan, 1998

4. SEMBIRING,TM dkk, Criticallity Safety Assessment on The RSG-GAS Spent

Fuel Storage For Antisipating The Next Core Conversion Program, International

Conference on Nuclear Criticality Safety, Tokailllura Japan, Oktober 2003.

5. BOOTH,T.E. et.al, 1997, "MCNP4B2 - Monte Carlo N-Particle Transport Code

System "..

6. SAR RSG-GAS Vol I Chapter 4, 1989

7. JR, LAMARSH, "Introduction to Nuclear Reactor Theory", Addison -Wisley

(1966) 555-561

62

Prosidillg Scmillar Hasi! Pt'IIc/itiall P2TRR

Tail/lll 200./

Lampiran 1 : Spesifikasi Disain Elemen Bakar RSG-GAS 6)

ISSN OS5-1-527X

No. Ukuran Deskripsi

1.

Jumlah pelat elemen bakar RSG-GAS 21

2.

Grid Elemen Sakar, mmxmm 81,Ox77,1

3.

Ukuran bagian luar elemen bakar,mm x mm 80,5 x 76,1

4.

panjang meat elemen bakar,mm 600,0

5.

Lebar meat elemen bakar,mm 62,75

6.

Tebal meat elemen bakar,mm 1,3

7.

Tebal kelongsong,mm 0,38

8.

Jarak antar pelat,mm 2,55

9.

Pengkayaan nominal,% 19,75

10.

Jenis bahan bakar Oksida U30s-AI

11.

Jenis bahan bakar silisida U3Si2-AI

13.

Sahan Material Kelongsong AIMg2

14.

Rapat jenis AIMg2 2,68

15.

Komposisi AIMg2,w/o1,7-2,4 Mg, 0,3 Si, 0,4 Fe, 0,05 Cu, 0,3

Mn, 0,3 Cr, 0,2 Zn, 0,1 Ti, Sisa AI16.

Rapat jenis U30S, gram/emo 8,3

17

Rapat jenis U3Sb,gram/em> 12,2

Lampiran 2. Konstanta Fisika 7)

1 Tekanan, psi 14,50

2.

Silangan Avogadro 0,602252 x 10·" (gram mol)-'

3.

Serat Atom H 1,00797

4 ..

Serat Atom C 12,01115

5 ..

Serat Atom 0 15,9994

6 ..

Serat Atom Mg 24,312

7.

Serat Atom AI 26,9815

8 ..

Serat Atom Si 28,086

9 ..

Serat Atom Ti 47,90

10.

Serat Atom Cr 51,996

11 ..

Serat Atom Mn 54,9380

12 ..

Serat Atom Fe 55,8473

13 ..

Serat Atom Ni 58,71

14 ..

Serat Atom Cu 63,54

15 ..

Serat Atom Zn 65,37

16 ..

Serat Atom Cd 112,40

17.

Rapat jenis H20,gram/emo 1,0

18.

Rapat jenis AI, gram/em> 2,7

63

ISSN 0854-5278},:rilikalilas ...

DISKUSI

Validasi

Rakhmadi

PerhilllJ1golJ

1. Penanya : Dhandhang Purwadi

Pertanyaan :

Sudah perlukah kekritisan fasilitas ISSF dengan bahan bakar bekas yang riil (bukan

bahan bakar baru) dihitung dengan kode komputer MCNP? Perhitungan dengan

bahan bakar baru memang lebih konservatif, relatif mudah dan aman. Tetapi

perhitungan dengan bahan bakar bekas yang riil juga harus dilakukan

Jawaban:

Sudah pernah oleh Sdr. Sri Kuntjoro, dkk (prosiding pertemuan ilmiah ilmu

pengetahuan dan teknoIogi nuklir, yogya Juli 1997)

2. Penanya : Jati Susilo

Saran:

Sebaiknya melakukan konfirmasi besarnya fluks neutron di FasiIitas ISSF secara

nyata yang berguna sebagai inputan program MCNP

Jawab :

Fluk oleh perhitungan MCNP merupakan output (hasil)

64