## PENGARUH NILAI BAKAR TERHADAP INTEGRITAS KELONGSONG
ELEMEN BAKAR TRIGA 2000
Sudjatmi K.A. Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri – BATAN
Diterima editor  29 Agustus 2011 Disetujui untuk publikasi 07 Oktober 2011

## ABSTRAK
PENGARUH  NILAI  BAKAR  TERHADAP  INTEGRITAS  KELONGSONG  ELEMEN BAKAR  TRIGA  2000 .  Bentuk  elemen  bakar  reaktor  TRIGA  Bandung  adalah  silinder  padat  yang merupakan  campuran  homogen  paduan  uranium  dan  zirkonium  hidrida.  Pada  saat  reaktor  beroperasi, suhu  elemen  bakar  akan  bertambah,  akibatnya  akan  menaikan  tekanan  gas-gas  yang  ada  di  dalam kelongsong  elemen  bakar.  Tekanan  gas  yang  timbul  dalam  kelongsong  elemen  bakar  merupakan penjumlahan  tiga  komponen  tekanan  yaitu  tekanan  akibat  udara  yang  terperangkap  antara  kelongsong dengan  bahan  bakar,  tekanan  oleh  gas  hasil  fisi  yang  terbentuk  dari  elemen  bakar  dan  tekanan  yang berasal dari pemisahan hidrogen dari paduan zirkonium hidrida. Gas hasil fisi yang terbentuk oleh bahan bakar  sebanding  dengan  besarnya  fraksi  bakar    oleh  setiap  elemen  bakar  dalam  teras  reaktor.  Semakin besar fraksi bakar elemen bakar, semakin besar gas gas hasil fisi yang dihasilkannya, akibatnya semakin besar tekanan di dalam kelongsong yang disebabkan oleh gas gas hasil fisi tersebut. Perhitungan jumlah gas-gas  hasil  fisi  dalam  kelongsong  yang  merupakan  fungsi  dari  nilai  bakar  dilakukan  dengan menggunakan program ORIGEN-2. Program ORIGEN-2 adalah kode komputer yang banyak digunakan untuk  menghitung  hasil  fisi,  peluruhan  dan  pengolahan  bahan  radioaktif.  Tampang  lintang,  presentase timbulnya  hasil  fisi,  data  peluruhan,  dan  data  lainnya  yang  diperlukan  disediakan  dalam  pustaka  data selama eksekusi program. Dari hasil perhitungan dapat disimpulkan bahwa tekanan gas yang diakibatkan oleh  gas  hasil  fisi  adalah  4,13  10 -3 psi  dan  tekanan  gas  yang  diakibatkan  udara  yang  terjebak  di  dalam kelongsong  adalah  56,6  psi,  yang  mengakibatkan  tegangan  pada  kelongsong  sebesar  2080  psi  dan  nilai ini  jauh  lebih  kecil  dari  setengah  tegangan  luluh  bahan  kelongsong  sebesar  12.000  psi  pada  temperatur 750 o C  atau  sekitar  40.000  psi  pada  temperatur  138 o C. Akhirnya  dapat  disimpulkan bahwa  dilihat  dari sisi nilai bakar, maka elemen bakar layak digunakan sampai mencapai nilai bakar maksimum.
Kata kunci : TRIGA, nilai bakar, elemen bakar, kelongsong.

## ABSTRACT
THE  EFFECT  OF  BURNUP  AGAINST  TRIGA  2000  FUEL  ELEMENT  CLADDING INTEGRITY .  Bandung  TRIGA  reactor  fuel  element,  which  is  a  homogeneous  mixture  of  uranium  and zirconium  hydride  alloy  shaped  solid  rod.  At  the  time  of  reactor  operation,  the  fuel  temperature  will increase with increasing high-power reactor, which will consequently increase the pressure of the gases that exist in the cladding. Pressures that arise in the fuel cladding is the sum of three components of the pressure,  there  are  due  to  trapped  air  between  the  fuel  cladding,  fission  gas  pressure  by  forming  and pressure  stemming  from  the  separation  of  hydrogen  from  zirconium  hydride  alloy.  Fission  gases generated  by  fuel  depends  on  fuel burnup.  The  larger  the  value  of  a fuel  burn,  the  greater  the  gaseous fission gases produced, consequently the greater the pressure inside the cladding caused by fission gas. The calculation of the amount of fission gases in the cladding which is a function of the fuel carried by using the program ORIGEN-2. ORIGEN-2 is a widely used computer code for calculating the build up, decay  and  processing  of  radioactive  materials.  The  cross  sections,  fission  product  yields,  decay  data, decay photon data are either hard wired in the program or are made available as data libraries during the execution of the code. From the calculation results can be concluded that the gas pressure caused by fission  gas  is  very  small  (4.13  10 -3 psi)  compared  to  the  gas  pressure  caused  by  air  trapped  in  the cladding that is equal to 56.6 psi, which resulted the cladding stres at 2080 psi. To ensure the integrity of fuel element cladding, the stress that occurs in the fuel cladding must be less than half the yield stress of cladding material, 12,000 psi at a temperature of 750 ° C or about 40,000 psi at a temperature of 138 o C. It  can  be  concluded  that  from  the  side  of  the  fuel,  then  the  fuel  possible  for  use  until  the  fuel  burnup reaches a maximum value, in other words, the age of the fuel does not depend on the burnup of the fuel element.
Key words : TRIGA, burnuup, fuel element, cladding.

## PENDAHULUAN
Reaktor TRIGA 2000 Bandung menggunakan elemen bakar berbentuk batang padat, yang  merupakan  campuran  homogen  dari  paduan  uranium  dan  zirkonium  hidrida.  Bahan bakar  di  dalam  elemen  bakar  tersebut  harus  berada  di  dalam  kelongsong  yang  dapat mencegah  keluarnya  gas  hasil  fisi.  Fabrikasi  bahan  bakar  juga  harus  dibuat  sedemikian sehingga  dapat  mengungkung  gas  hasil  fisi  di  dalam  matriks  bahan  bakar.  Tegangan  pada kelongsong  terutama  disebabkan  oleh  tekanan  gas  yang  berada  antara  kelongsong  dengan bahan  bakar.  Gas  hasil  fisi  yang  dihasilkan  oleh  bahan  bakar  tergantung  dari  burnup  atau nilai  bakar  yang  dialami  oleh  elemen  bakar.  Semakin  besar  nilai  bakar  suatu  bahan  bakar, maka  semakin  besar  pula  gas  gas  hasil  fisi  yang  dihasilkan,  akibatnya  semakin  besar  pula tekanan di dalam kelongsong yang disebabkan oleh gas gas hasil fisi tersebut.
Pada  reaktor  TRIGA  2000,  elemen  bakar  yang  memiliki  nilai  bakar  melebihi  50% tidak  boleh  diletakkan  di  daerah  tengah  teras.  Pada  saat  reaktor  beroperasi,  suhu  elemen bakar  akan  bertambah  tinggi  dengan  bertambahnya  daya,  sehingga  tekanan  gas  di  dalam kelongsong  juga  bertambah  besar.  Pada  operasi  normal,  suhu  elemen  bakar  dibatasi  tidak boleh melebihi 750 o C[1,2]. Temperatur di permukaan kelongsong yang bersentuhan dengan pendingin berkisar antara 133,58 o C –137,97 o C dengan distribusi sesuai faktor puncak daya aksialnya[3].
Tekanan yang timbul dalam kelongsong elemen bakar merupakan penjumlahan tiga komponen tekanan yaitu tekanan akibat udara yang terperangkap antara kelongsong dengan bahan  bakar,  tekanan  oleh  gas  hasil  fisi  yang  terbentuk  dan  tekanan  yang  berasal  dari pemisahan  hidrogen  dari  paduan  zirkonium  hidrida.  Secara  keseluruhan,  tekanan  gas  di dalam kelongsong elemen bakar ini akan meningkat dengan naiknya temperatur bahan bakar. Oleh  karena  itu  perlu  diperkirakan  bagaimana  pengaruh  nilai  bakar  terhadap  integritas kelongsong elemen bakar pada kondisi operasi.
Perhitungan  pengaruh  nilai  bakar  terhadap  integritas  kelongsong  elemen  bakar Reaktor  TRIGA  2000  dilakukan  pada  elemen  bakar  tipe  118,  yaitu  elemen  bakar  yang mengandung  uranium  20  w/o  dengan  pengayaan  19,75 r 0.2%,  namun  pengaruh  korosi, umur elemen bakar ataupun pengaruh neutron terhadap integritas kelongsong elemen bakar tidak diperhitungkan. Perhitungan jumlah gas hasil fisi pada berbagai nilai bakar dilakukan dengan menggunakan paket program ORIGEN.

## METODE PERHITUNGAN
Reaktor  TRIGA  2000  menggunakan  tiga  jenis  bahan  bakar  yaitu  tipe  8.5-20  (104), 12-20 (106) dan 20-20 (118). Ketiga elemen bakar tersebut masing masing mengandung 8,5 w/o, 12 w/o dan 20 w/o uranium, yang telah diperkaya sampai 20%. Spesifikasi bahan bakar tersebut  dapat  dilihat  dalam  Tabel  1.  Bagian  aktif  elemen  bakar  TRIGA  2000  berdiameter 3,75 cm dan sepanjang 38,1 cm[1].
G!"# !$ % & '() " ) * # !+ !$ , - . G / 0 1 1 1 2 3 4
Tabel 1.  Spesifikasi bahan bakar nominal untuk batang bahan bakar baru[1]
Dimensi Spesifikasi Panjang keseluruhan 720 mm (28,37 in) Diameter luar kelongsong 37,5 mm (1,475 in) Berat keseluruhan a 3,4 kg ( a 7,5 lb) Diameter luar bahan bakar 36,4 mm (1,435 in) Panjang bahan bakar 381 mm (15,0 in) Komposisi bahan bakar U-ZrH x atau U-ZrH x -Er Berat U-235 38 g (8,5 wt-%); 55 g (12 wt-%); 99 g (20-20)* Kandungan Uranium 8,5 wt-%, 12 wt-%, 20 wt-% Pengkayaan Uranium-235 19,75 r 0,2% Ratio Hidrogen terhadap Zirkonium | 1,6 Kelongsong : Material Jenis SS-304 Tebal kelongsong 0,508 mm (0,020 in) Panjang 561,3 mm (22,10 in

## Perhitungan Gas Hasil Fisi Dalam Kelongsong
Perhitungan  jumlah  gas  hasil  fisi  pada  berbagai  nilai  bakar  dilakukan  dengan menggunakan  paket  program  ORIGEN-2,  yang  merupakan  bagian  dari  paket  program SCALE.  Program  ORIGEN-2  adalah  kode  komputer  yang  banyak  digunakan  untuk menghitung hasil fisi, peluruhan dan pengolahan bahan radioaktif.
Tampang  lintang,  presentase  timbulnya  hasil  fisi,  data  peluruhan,  dan  data  lainnya yang  diperlukan  disediakan  dalam  pustaka  data  selama  eksekusi  program.  Program ORIGEN-2 memiliki skema masukan yang sangat fleksibel yang memungkinkan pengguna untuk  menghitung  nilai  bakar  dan  hasil  fisi  reaktor  nuklir  yang  dihasilkan  selama  reaktor beroperasi ataupun setelah reaktor tidak beroperasi. Program ini menghasilkan berbagai jenis keluaran  seperti  jumlah  masing  isotop  dan  elemen  yng  dihasilkan  (gram),  jumlah  molekul (gram-atom), radioaktivitas (Curie) dan daya termal (watt)[5].
Perhitungan  ini  dilakukan  untuk  elemen  bakar  standard  20-20  (tipe118).  Elemen bakar  ini  mengandung  402  gram  U-238,  99  gram  U-235,  1996  gram  Zirkonium,  33  gram Hidrogen  dan  12  gram  Erbium.  Gas  hasil  fisi  yang  digunakan  pada  perhitungan  integritas kelongsong adalah Kr, I, dan Xe. Fraksi produk fisi yang lepas dari bahan bakar U-ZrH telah
566 7 89 8 8 : ;9< = Nomor : 266/AU1/P2MBI/05/2010
Pengauh Nilai Bakar TerhadapIntegritas....... (Sudjatmi K. A.)
dianalisis oleh General Atomics. Hasil analisis menunjukan bahwa fraksi xenon dan kripton yang  lepas dari  matriks bahan bakar sekitar  1,5 x 10 -5 pada temperatur sampai 850 o C dan fraksi xenon dan kripton yang lepas ini akan meningkat sampai 1,5 x 10 -2 bila temperaturnya mencapai 1100 o C[2,6].

## Perhitungan Tekanan Gas-gas Dalam Kelongsong Elemen Bakar
Tekanan yang timbul dalam kelongsong elemen bakar merupakan penjumlahan tiga macam tekanan yaitu:
1. Tekanan yang diakibatkan oleh udara yang terperangkap antara kelongsong dengan bahan bakar,
2. Tekanan oleh produk fisi yang terbentuk dan
3. Tekanan  yang  berasal  dari  pemisahan  hidrogen  dari  paduan  zirkonium hidrida.
Udara yang terperangkap dalam kelongsong elemen bakar mempunyai massa dan volume  yang  tetap.  Tekanan  udara  yang  terperangkap  dalam  celah  antara  bahan  bakar dengan kelongsong adalah[7] :
T R n V P > ?@ A
Jadi :
) ( psi T P udara 2 273 14,7
(2)
dengan,
P udara = tekanan udara dalam celah antara elemen bakar dengan kelongsong T 2 = temperatur udara dalam kelongsong elemen bakar

## Perhitungan Tekanan Gas Produk Fissi
Selama reaktor beroperasi,  akan dihasilkan gas-gas hasil fisi. Gas hasil fisi  ini akan lepas sebagian dari matriks bahan bakar dan selanjutnya terperangkap di celah antara bahan bakar  dengan  kelongsongnya.    Jumlah  inti  atom  dalam  celah  dihitung  berdasarkan  fraksi produk fisi yang lepas dari matriks bahan bakar. Fraksi xenon dan kripton menempati celah antara kelongsong dan bahan bakar yaitu sekitar 1,5 x 10 -5 untuk temperatur sampai 750 o C. Besarnya tekanan gas yang berasal dari produk fisi (P fp ) tergantung pada jumlah inti yang ada.
P A V f B (jumlah inti dalam celah)RT . (3)
dengan,
A
= bilangan Avogadro V = volume gas dalam celah Volume gas ditentukan dengan,
C R i D E F H K L 2 , M N O P
dengan :
R i = jari-jari dalam kelongsong (1,824 cm)
Q S TUW S X UYW Z[ \S ] ^W _ S Vol. 13 No.3 Oktober 2011, Hal. 186-193

## Perhitungan Tekanan Gas Hydrogen
Untuk  zirkonium  hidrida  dengan  ratio  H/Zr  lebih  besar  dari  1,58  tekanan  gas hidrogen (Ph) dapat didekati dengan persamaan[1].
P h = exp[1,767 + 10,3014x – 19740,37 / T k ] (5)
dengan: X = ratio  H/Zr
` k a bc d e c g hbi g j h l h m j hn hg o p q
Harga H/Zr untuk reaktor TRIGA Mark II sebesar 1,60, sehingga persamaan (5) menjadi :
P h = 8,425 x 10 7 exp[-19740,37/T k ] (6)
Tekanan total gas di dalam kelongsong pada temperatur bahan bakar maximum pada saat  reaktor  beroperasi,  yaitu  750 o C  diperoleh  dengan  menggabungkan  tekanan  akibat tekanan udara, produk fisi dan gas hidrogen.
P total = P udara + P fp + P h (7)

## Integritas Kelongsong Elemen Bakar
Tekanan  gas  di  dalam  kelongsong  elemen  bakar  akan  menimbulkan  tegangan  pada kelongsong elemen bakarnya, sehingga parameter yang mempengaruhi besarnya tekanan gas secara tidak langsung juga mempengaruhi besarnya tegangan yang timbul pada kelongsong elemen bakar.
Pada  perhitungan  ini  diasumsikan  bahwa  temperatur  bahan  bakar  sama  dengan temperatur  kelongsong.  Tegangan  kelongsong  elemen  bakar  akibat  adanya  tekanan  gas  di dalam kelongsong dapat dihitung dengan persamaan[8]:
b r p T V
(8)
dengan,
P = tekanan gas dalam kelongsong R = jari-jari luar kelongsong (1,875 cm) B = tebal kelongsong (0,051 cm)
Bila  dimasukkan  nilai  jari-jari  luar  kelongsong  dan  nilai  tebal  kelongsong,  maka persamaan (8) menjadi :
P 7 , 36 r s t uv w
Untuk  menjamin  keutuhan  kelongsong  elemen  bakar  maka  tegangan  yang  terjadi dalam  kelongsong  elemen  bakar  harus  lebih  kecil  dari  setengah  tegangan  luluh  bahan kelongsong.  Pada  operasi  reaktor,  temperatur  kelongsong  elemen  bakar  adalah  sekitar  138 o C.  Kekuatan  kelongsong  SS  304  pada  suhu  750 0 C  adalah  sekitar  24.000  psi  atau  sekitar 80.000 psi pada temperatur 138 o C[9].

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Perhitungan hasil fisi pada nilai bakar 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% dan 90% telah dilakukan dengan menggunakan program ORIGEN, yang merupakan bagian dari  paket  program  SCALE.  Sebagai  masukan,  digunakan  elemen  bakar  TRIGA  tipe  118, yaitu elemen bakar yang mengandung uranium 20 w/o dengan pengayaan 19,75 r 0.2%. Gas hasil fisi yang digunakan pada perhitungan integritas kelongsong adalah Kr, I, dan Xe. Fraksi
xyy z {| { { } ~|  Nomor : 266/AU1/P2MBI/05/2010
Pengauh Nilai Bakar TerhadapIntegritas.......
(Sudjatmi K. A.)
xenon  dan  kripton  yang  lepas  dari  matriks  bahan  bakar  sekitar  1,5  x  10 -5 pada  temperatur sampai  850 o C  digunakan  dalam  perhitungan.  Hasil  perhitungan  produk  fisi  yang menenempati  celah  antara  kelongsong  dengan  bahan  bakar  pada  nilai  bakar  antara  10  % sampai  dengan  90  %  pada  suhu  750 o C  dapat  dilihat  pada  Gambar  2.  Semakin  besar  nilai bakar,  semakin  besar  pula  produk  fisi  yang  dihasilkan.  Pada  Gambar  2  juga  dapat  dilihat bahwa semakin besar nilai bakar, pertambahan hasil fisi yang dihasilkan semakin landai. Hal ini disebabkan karena pada pengoperasian reaktor pada daya yang sama, diperlukan waktu yang  lebih  lama  untuk  mendapatkan  nilai  bakar  yang  lebih  besar,  sehingga  semakin  besar pula peluruhan yang terjadi pada hasil fisi.
                      kelongsong pada berbagai nilai fraksi bakar
Pada  Gambar  3  dapat  dilihat  bahwa  tekanan  yang  paling  berpengaruh  terhadap tekanan kelongsong elemen bakar adalah tekanan udara yang terjebak dikelongsong elemen bakar  yaitu  sebesar  56,6  psi,  sedangkan  tekanan  gas  yang  disebabkan  oleh  gas  hasil  fisi sangat kecil yaitu 4,13 10-3 untuk nilai bakar  90%, sehingga dapat diabaikan.
           
Vol. 13 No.3 Oktober 2011, Hal. 186-193
¡¢ £ ¡ ¤ ¥ ¦ §¨ © ¡ª ¡ª « ¡ ¬ ¡ © ¨ ­® ª ¯ ° ® ª ¯ ± ¨ ¤² ¡¬ ¡ « ³ ¤ ¡ © ° ´ £ ¡ © ¡ ¤
Pada nilai bakar 90%, terlihat bahwa tekanan total pada kelongsong adalah 56,6 psi. Hal ini mengakibatkan tegangan yang terjadi pada kelongsong adalah 2.080 psi (Gambar 4). Nilai ini masih sangat jauh dibandingkan dengan kekuatan kelongsong, yaitu sekitar 24.000 psi pada temperatur 750 o C atau sekitar 80.000 psi pada temperatur 138 o C. Untuk menjamin keutuhan  kelongsong  elemen  bakar  maka  tegangan  yang  terjadi  dalam  kelongsong  elemen bakar harus lebih kecil dari setengah tegangan luluh bahan kelongsong yaitu 12.000 psi pada temperatur 750 o C atau sekitar 40.000 psi pada temperatur 138 o C.
¡ ¢ £ ¡ ¤ µ ¦ ¶ ¨ © · ¡ ± ¡ª © ¨ ­ ® ª ¯ ° ® ª ¯
¸¹¹ º »¼ » » ½ ¾¼¿ À Nomor : 266/AU1/P2MBI/05/2010

## KESIMPULAN
Pada nilai bakar 90%, tegangan yang terjadi pada kelongsong adalah 2.080 psi. Nilai ini  masih  sangat  jauh  dibandingkan  dengan  kekuatan  kelongsong,  yaitu  sekitar  24.000  psi pada  temperatur  750 o C  atau  sekitar  80.000  psi  pada  temperatur  138 o C.  Untuk  menjamin keutuhan kelongsong elemen bakar, tegangan yang terjadi dalam kelongsong elemen bakar harus  lebih  kecil  dari  12.000  psi  pada  temperatur  750 o C  atau  sekitar  40.000  psi  pada temperatur 138 o C.
Tekanan yang paling berpengaruh terhadap tekanan kelongsong elemen bakar adalah tekanan  udara  yang  terjebak  dikelongsong  elemen  bakar  yaitu  sebesar  56,6  psi,  sedangkan tekanan gas yang disebabkan oleh gas hasil fisi sangat kecil yaitu 4,13 10 -3 untuk nilai bakar 90%. Dapat disimpulkan bahwa dilihat dari sisi nilai bakar, maka elemen bakar masih aman digunakan  sampai  mencapai  nilai  maksimum,  dengan  kata  lain  umur  elemen  bakar  tidak tergantung pada nilai bakar

## DAFTAR PUSTAKA
1. Anonym.  Laporan  analisis  keselamatan  akhir  reaktor  TRIGA  2000  Bandung, revisi 3; 2006; p.15-7.
2. Generic Procedures for Response to a Nuclear or Radiological emergency at Triga Research Reactors, EPR-TRIGA Research Reactor, 2011; p. 5-7.
3. Sudjatmi  K.A.,  Endiah  Puji  Hastuti.    Aplikasi  program  coolod-n2  untuk  analisis termohidrolik teras reaktor TRIGA.  Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknik Nuklir, P3TkN – BATAN Bandung , 14 – 15 Juni 2005; p. 317
4. TRIGA  Research  Reactor;  Available  from:URL: http://www.ga-esi.com/triga/ products/ fuel.php Á ÂÃÃÄÅ Å ÄÆ ÇÈ É Ä Ê Ë Ì Ë 5. ORIGEN-2.    Isotope  Generation  and  Depletion  Code,  ORNL  TM-7175;    July
1980.
6. Anonym. Safety analysis report for upgrade of TRIGA Mark II Reactor at Center for Nuclear Techniques Research Bandung, Indonesia. General Atomic, June 1996; p. 5-14.
7. Jearl  Walker.  Fundamental  of  physics.  John  Wiley  &  Sons,  Inc.  Eight  Edition, 2007; p. 509.
8. David Roylance. Pressure vessels  department of material science and engineering. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, August 23, 2001; p. 3.
9. Product Data Bulletin, 304/304L Stainless Steel, 08-01-07; p. 4.