## DESAIN KONSEPTUAL TERAS REAKTOR RISET INOVATIF BERBAHAN BAKAR URANIUM-MOLIBDENUM DARI ASPEK NEUTRONIK
Tukiran S, Surian Pinem, Tagor MS, Lily S, Jati Susilo Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir, PTRKN-BATAN Email: tukiran@batan.go.id
Diterima editor  03 September 2012 Disetujui untuk publikasi  05 Oktober 2012

## ABSTRAK
DESAIN KONSEPTUAL  TERAS  REAKTOR RISET  INOVATIF BERBAHAN BAKAR URANIUM MOLIBDENUM DARI ASPEK NEUTRONIK . Manfaat yang luas dari penggunaan reaktor riset membuat banyak negara membangun reaktor riset baru. Kecenderungan saat ini adalah reaktor tipe reaktor serbaguna (MPR)  dengan  teras  yang  kompak  untuk  mendapatkan  fluks neutron  yang  tinggi  dengan  daya  yang  relatif sedang atau rendah.  Reaktor riset yang ada di Indonesia yang paling muda usianya sudah berumur 25 tahun. Oleh  karena  itu  diperlukan  desain  reaktor  riset  baru  sebagai  alternatif,  disebut  reaktor  riset  inovatif  (RRI), kelak pengganti reaktor riset yang sudah ada.  Tujuan dari riset ini mendapatkan konfigurasi teras setimbang reaktor riset yang optimal dengan kriteria memiliki fluks neutron termal minimum sebesar 2,5x10 14 n/cm 2 s pada daya 20 MW (minimum), memiliki panjang operasi satu siklus lebih dari 40 hari dan penggunaan bahan bakar yang paling efisien.  Desain neutronik dilakukan untuk bahan bakar baru U-9Mo-Al dengan kerapatan bervariasi  dan  jenis  reflektor  yang  bervariasi.    Desain  dilakukan  dengan  paket  program  WIMSD-5B  dan BATAN-FUEL.  Hasil desain konseptual menyajikan 4 konfigurasi teras yaitu 5×5, 5×7, 6×5 dan 6×6.   Hasil optimasi menunjukkan bahwa teras setimbang reaktor RRI dengan konfigurasi 5×5, tingkat muat 235 U sebesar 450 g, reflektor berilium,  fluks neutron termal maksimum di daerah reflektor sebesar 3,33×10 14 neutron cm - 2 s -1 dan panjang siklus 57 hari merupakan desain teras reaktor riset inovatif yang paling optimal.
Kata kunci: desain konseptual,  bahan bakar uranium-molibdenum,berilium, D 2 O, WIMS, BATAN-FUEL

## ABSTRACT NEUTRONICS  CONCEPTUAL  DESIGN  OF  THE  INNOVATIVE  RESEARCH  REACTOR  CORE
USING  URANIUM  MOLIBDENUM  FUEL. The  multipurpose  of  research  reactor  utilization  make  many countries build the new research reactor. Trend of this reactor for this moment is multipurpose reactor type with  a  compact  core  to  get  high  neutron  flux  at  the  low  or  medium  level  of  power.  The  research  newest reactor  in  Indonesia  right  now  is    already  25  year  old.  Therefore,  it  is  needed  to  design  a  new  research reactor,  called  innovative  research  reactor  (IRR)  and  then  as  an  alternative  to  replace  the  old  research reactor. The aim of this research is to get the optimal configuration of equilibrium core with the acceptance criteria are  minimum thermal neutron flux is 2.5E14 n/cm 2 s at the power level of 20 MW (minimum), lenght of cycle of more than 40 days, and the most efficient of using fuel in the core.  Neutronics design has been performed for new fuel of  U-9Mo-Al with various fuel density and reflector. Design calculation has been performed  using  WIMSD-5B  and  BATAN-FUEL  computer  codes.  The  calculation  result  of  the  conceptual design  shows  four  core  configurations namely  5x5,  5x7,  6x5  and  6x6.  The  optimalization  result  for equilibrium core of innovative research reactor is  the 5x5 configuration with 450 gU fuel loading, berilium reflector, maximum thermal neutron flux at reflector is 3.33E14 n/cm 2 s and lenght of cycle is 57 days is the most optimal of  IRR.
Keywors: conceptual design, uarium-molibdenum-uarium feul, berilium, D2O, WIMS, BATAN-FUEL

## PENDAHULUAN
Manfaat yang luas dari penggunaan reaktor riset membuat banyak negara membangun reaktor riset  baru.    Kecenderungan  jenis  reaktor  yang  telah  beroperasi,  dikonstruksi  dan  direncanakan  sejak tahun  1980  adalah  jenis  reaktor  serba  guna  ( multi-purpose  reactor )  [1].    Hampir  60%  dari  reaktor tersebut  menggunakan  bahan  bakar  jenis  pelat  lurus  (MTR, Material  Testing  Reactor , type ).    Daya termal yang beragam, 10 MW - 100 MW,  serta jenis reflektor yang beragam, berilum, grafit, H 2 O dan D 2 O, digunakan dalam reaktor riset tersebut [1].
Setelah dibangunnya reaktor riset FRM-II (Jerman) dan reaktor riset CARR (Cina), maka desain reaktor serba guna memakai prinsip reaktor kompak ( compact core ).  Prinsip reaktor kompak adalah mendesain area teras reaktor sekecil mungkin dengan kerapatan panas yang tinggi untuk mendapatkan fluks neutron termal yang tinggi di daerah reflektor [1-2].  Dengan demikian penggunaan reaktor untuk berbagai  fungsi  dapat  dilakukan,  tidak  saja  untuk  produksi  radio  isotop  tetapi  juga  berbagai  industri [2].
Reaktor  riset  termuda  di  Indonesia  sampai  saat  ini,  yaitu  reaktor  RSG-GAS  (Reaktor  Serba Guna G.A. Siwabessy), dengan daya nominal 30 MWth, telah berusia 25 tahun (kritikalitas pertama 1987).  Sedangkan 2 (dua) reaktor riset lainnya, tipe TRIGA, yaitu reaktor Kartini (Yogyakarta) dan reaktor  TRIGA  2000  (Bandung)  akan  berakhir  masa  izin  operasinya  pada  tahun  2016-2020.    Oleh karena  itu,  setelah  tahun  2020,  pada  saat  izin  operasi  dihentikan,  maka  reaktor  RSG-GAS  sudah berusia 33 tahun.  Hal ini perlu diantispasi dengan melakukan kajian tentang desain reaktor riset baru di Indonesia.
Kajian  tentang  reaktor  riset  baru  di  Indonesia  juga  mempertimbangkan  kondisi  reaktor  riset dunia. Pada saat ini 70 % reaktor yang beroperasi telah berumur lebih 30 tahun dan lebih dari 50 % telah  beroperasi lebih dari 40 tahun [3].  Disamping itu utilisasi reaktor riset yang tidak maksimum ( underutilized )  di  Indonesia,  menjadi  penentu  penting  pembangunan  reaktor  riset  baru.    Dengan mempertimbangkan  hal  di  atas,  maka  desain  reaktor  riset  baru  perlu  dilakukan  saat  ini,  mengingat waktu  yang  diperlukan dalam  desain  cukup  panjang  dan  juga  tidak  mudah.    Sebelum  dikonstruksi, desain  konseptual,  desain  dasar  dan  desain  detail  harus  dilakukan  terlebih  dahulu.    Oleh  karena  itu, agar arah desain reaktor riset baru lebih jelas, maka telah dilakukan kajian kebutuhan pengguna jasa reaktor di Indonesia [4].  Hasil kajian menunjukkan reaktor riset baru yang akan dibangun di Indonesia harus  didesain  secara  mandiri,  jenis  reaktor  adalah  serba  guna,  memiliki  fluks  neutron  termal  yang tinggi,  fasilitas  yang beragam  (neutron  cepat, tabung  berkas  dll.) dan  berbahan bakar tipe  baru  yaitu UMo-Al [4].
Makalah  ini  menyajikan  hasil  riset  tentang  desain  konseptual  reaktor  riset  baru  dari  aspek neutronik,  yang  diberi  nama  reaktor  riset  inovatif  (reaktor  RRI).    Disebut  inovatif  karena  desain konseptual  sampai  dengan  desain  detail  dilakukan  secara  mandiri  dan  bahan  bakar  yang  digunakan bertipe seperti reaktor RSG-GAS yang sudah dapat diproduksi secara mandiri.  Desain konseptual dari aspek  neutronik  merupakan  langkah  awal untuk  mendapatkan desain  konseptual  secara  menyeluruh. Tujuan  dari  riset  ini  mendapatkan  konfigurasi  teras  setimbang  reaktor  riset  yang  optimal  dengan kriteria  memiliki  fluks  neutron  termal  minimum  sebesar  2,5x10 14 n/cm 2 s  pada  daya  20  MW (minimum), memiliki panjang operasi satu siklus lebih dari 40 hari dan penggunaan bahan bakar yang paling  efisien.    Dalam  desain  konseptual  ini  dipakai  kiteria  keselamatan  untuk  kendali  reaktivitas adalah one stuck rod , yaitu reaktor tetap subkritis pada saat batang kendali terbesar gagal masuk.
Perhitungan  teras  dilakukan  dengan  mencari  teras  setimbang  dengan  bahan  bakar  jenis  baru UMo-Al.    Teras  setimbang  diperoleh  dengan  paket  program  metode  difusi  neutron  2-dimensi, BATAN-FUEl  [5].    Sedangkan  generasi  tampang  lintang  bahan  bakar  dilakukan  dengan  paket program  transpor  neutron  WIMSD-5B  [6]  dengan  data  nuklir  dari  ENDF/B-VII.0  [7].    Dengan melakukan riset ini, maka desain konseptual dari aspek termohidrolik dapat dilakukan karena beberapa karakteristik seperti distribusi faktor puncak daya dan kerapatan panas maksimum dapat dilakukan.

## PRINSIP DESAIN NEUTRONIK
Bahan bakar memegang peranan penting dalam desain suatu reaktor.  Berdasarkan UCD ( User Criteria Document ) reaktor RRI menggunakan tipe bahan bakar yang sama dengan reaktor RSG-GAS, yaitu tipe pelat lurus dengan dimensi 8,05 cm × 7,6 cm × 60 cm (tinggi aktif).  Dengan demikian, kisi teras  reaktor  RRI  sama  dengan  reaktor  RSG-GAS  yaitu  8,1  cm  ×  7,71  cm.    Untuk  pengendalian reaktivitas,  batang  kendali yang  digunakan di reaktor RRI  menggunakan  tipe  garpu ( fork type )  yang sama  dengan  reaktor  RSG-GAS  dengan  material  Ag-In-Cd  diletakkan  di  2  (dua)  sisi  terluar  elemen bakar  kendali.    Jumlah  pelat  bahan  bakar  di  elemen  bakar  standar  (EB)  dan  kendali  (EK)  masing- masing 21 pelat dan 15 pelat.  Tabel 1 menyajikan data geometri EB dan EK yang dipakai di reaktor RRI.    Gambar  1  dan  2  masing-masing  menunjukkan  EB  dan  EK  yang  dipakai  di  reaktor  RRI  yang diadopsi dari reaktor RSG-GAS.
Tabel 1. Data geometri perangkat bahan bakar reaktor RRI [8]
Dimensi kisi teras untuk elemen bakar standar (EB) dan kendali (EK), cm 7,71 × 81 × 60, Ketebalan pelat bahan bakar, cm 0,13 Lebar kanal pendingin, cm 0,255 Jumlah pelat bahan bakar di EB 21 Jumlah pelat bahan bakar di EK 15 Material kelongsong AlMg2 Material pelat sisi AlMg1 Ketebalan kelongsong bahan bakar, cm 0,038 Dimensi zona aktif ( meat ), cm 0,054 × 6,275 × 60 Material bahan bakar U9Mo-Al Muatan massa 235 U, g 450, 550 dan 700 Material penyerap Ag-In-Cd Ketebalan penyerap, cm 0,338 Material kelongsong penyerap SS-321 Ketebalan kelongsong penyerap,cm 0,085
2.3 4.5 8 0 .5 0 2 .5 5 1 .3 0 0 .3 8 62.75 70.75 8 1 .0 76.1 77.1 Gambar 1. Elemen bakar standar reaktor RRI [8] 2.3 4.5 8 0 .5 0 1 .3 0 62.75 70.75 1 .1 0 .3 8 1 .6 2 2 .5 5 8 1 .0 76.1 77.1 2 .2 65.0 5 .0 8 3 .3 8
Gambar 2. Elemen bakar kendali reaktor RRI [8]
Bahan bakar  yang  digunakan  di  reaktor  RRI  adalah  U9Mo-Al  dengan  pengkayaan  19,75%. Agar  dapat  dioperasikan  dengan  panjang  siklus  yang  panjang,  maka  tingkat  muat  uranium  (235U) dalam desain dipilih lebih tinggi dari yang dipakai di reaktor RSG-GAS yaitu:
1. 450 g 235 U atau kerapatan uranium dalam meat sebesar 5,34 g/cm 3
2. 550 g 235 U atau kerapatan uranium dalam meat sebesar 6,52 g/cm 3
3. 700 g 235 U atau kerapatan uranium dalam meat sebesar 8,30 g/cm 3
Berkaitan dengan reflektor, reaktor RRI didesain untuk 3 jenis reflektor yaitu berilium (Be), air berat (D2O) dan grafit.  Untuk teras, dalam desain konsepetual reaktor RRI dimungkinkan disediakan fasilitas  iradiasi  dalam  teras.  Selanjutnya  untuk  aspek  pengendalian  reaktivitas,  maka  dimungkinkan penggunaan safety rod (batang kendali pengaman) yang bentuknya sama dengan elemen kendali tanpa pelat bahan bakar tetapi menggunakan pelat dummy alumunium.  Batang kendali pengaman diletakkan di teras.

## METODOLOGI
Desain neutronik teras setimbang membutuhkan beberapa langkah perhitungan yaitu:
1. Perhitungan  sel.    Dalam  penelitian  ini  dilakukan  dengan  paket  program  WIMSD-5B  untuk membangkitkan  seluruh  konstanta  difusi  seluruh  material  teras  dalam  4  (empat)  kelompok tenaga  neutron.    Batas  kelompok  tenaga  neutron  adalah  10  MeV,  0,821  MeV,  5,531  keV, 0,625  eV  dan  1×10-5  eV.    Khusus  untuk  bahan  bakar  pembangkitan  konstanta  kelompok yang  dibangkitkan  sebagai  fungsi  massa 235 U  dalam  perangkat  (450  g,  550  g  dan  700  g), temperatur (dingin dan panas) dan kondisi Xe (tanpa ( free ) dan setimbang).
2. Penyusunan konfigurasi teras.  Konfigurasi teras yang dipilih adalah 5 × 5 (25 kisi teras) , 5 ×  7  (35  kisi  teras),  6  ×  5  (30  kisi  teras)  dan  6  ×  6  (36  kisi  teras).    Seperti  disinggung sebelumnya  teras  didesain  kompak  sehingga  teras  tidak  melebihi  36  posisi  kisi  teras. Konfigrasi  disusun  dengan  menjaga  kelas  fraksi  bakar  simetris  untuk  ¼  teras.  Dengan demikian  fasilitas  untuk  posisi  iradiasi  dan  batang  kendali  pengaman  disusun  sedemikian agar simetris teras tetap dijaga.
3. Perhitungan teras.  Perhitungan teras dilakukan untuk mendapatkan teras setimbang reaktor RRI.  Perhitungan teras dilakukan dengan paket program BATAN-FUEL.  Teras dimodelkan dalam  2-dimensi  dengan  model  geometri  X-Y.    Dalam  perhitungan  ini,  daya  reaktor diasumsikan tetap yaitu 20 MWth untuk mengetahui efek konfigurasi terhadap fluks neutron dan  panjang  siklus  operasi.    Karena  panjang  siklus  merupakan  parameter  yang mempengaruhi  reaktivitas  lebih  teras,  maka  perhitungan  teras  dilakukan  untuk  rentang panjang  siklus  sedemikian  sehingga  kriteria stuck  rod terpenuhi.    Yang  dimaksud  dengan stuck  rod adalah  jika  sebuah  batang  kendali  yang  memiliki  nilai  reaktivitas  terbesar  gagal dimasukkan ke teras, maka teras harus dalam kondisi sub-kritis.  Jika kriteria stuck rod tidak terpenuhi,  maka  dimungkinkan  untuk  memakai  batang  kendali  pengaman  di  teras.    Untuk parameter  faktor  puncak  daya (FPD),  jika  nilai  FPD  maksimum  melebihi  batas  yang ditetapkan, maka rekonfigurasi posisi bahan bakar dan letak posisi iradiasi dalam teras perlu dilakukan  sedemikian  sehingga  nilai  FPD  maksimum  berkurang.  Jika  tidak,  maka konfigurasi teras yang dimaksud dinyatakan tidak dapat didesain secara aman.  Perhitungan teras dilakukan untuk setiap tingkat muat dan setiap jenis reflektor, Be, D 2 O dan grafit. Asumsi yang dipakai dalam penelitian ini adalah:
- core  shroud tidak  digunakan.  Oleh  karena  itu  reflektor  bersinggungan  langsung  dengan daerah teras.
- pendingin teras menggunakan H 2 O.
- saat  kondisi  panas  ( full  power ),  seluruh  material  yang  non  bahan  bakar  dalam  kondisi temperatur kamar.
Tabel  2  dan  Gambar  3  masing-masing  menunjukkan  masukan  dan  keluaran  paket  program komputer yang digunakan dan diagram alir perhitungan.
Konfigurasi teras setimbang dapat diterima jika memenuhi kriteria keselamatan yaitu:
1. margin padam minimum saat stuck rod adalah - ǻ k / k . 2. nilai FPD maksimum adalah 1,4.
Dua kriteria yang dipakai di atas diadopsi dari desain keselamatan yang digunakan di reaktor RSG- GAS [8-9].
Tabel 2.  Data masukan dan keluaran yang dipakai dalam desain neutronik
Perhitungan Masukan Keluaran Keterangan Sel  dengan  WIMSD- 5B komposisi, kerapatan atom, temperatur untuk tiap material teras Konstanta difusi berupa tampang lintang makrokopis dalam  4  kelompok tenaga neutron Konstanta difusi untuk material  bahan bakar sebagai fungsi temperatur,  Xe  dan massa 235 U Penyusunan konfigurasi teras - Pembagian bahan bakar  dalam  kelas fraksi bakar - Pengaturan posisi bahan bakar standar dan kendali - Posisi  yang  tersisa diisi  dengan  posisi iradiasi Teras yang sudah simetris  kelas  fraksi bakarnya untuk tiap ¼ bagian teras Jumlah  bahan  bakar segar  yang  diperlukan selalu tetap  untuk tiap siklus. Teras dengan BATAN-FUEL - Pola reshuffle dan panjang siklus - Pembagian mesh teras - Pendefinisian material teras Paremeter neutronik teras: k eff ,  distribusi faktor  puncak  daya, fraksi bakar maksimum, margin padam minimum, fluks neutron di fasilitas iradiasi Teras setimbang dilakukan untuk berbagai panjang siklus. Batang kendali pengaman ditambah jika  kondisi  stuck  rod tidak terpenuhi
WIMSD-5B
Generasi konstanta kelompok difusi untuk bahan bakar dan reflektor Pustaka konstanta difusi Dta teras, strategi refueling, Massa 235 U, panjang siklus dan jenis reflektor
Batan-FUEL Teras setimbang tiap konfigurasi Teras setimbang RRI pada BOC & EOC
TIDAK, dilakukan penambahan Batang kendali pengaman Kriteria one stuck rod terpenuhi? Teras Setimbang BOC & EOC yang memenuhi kriteria keselamatan untuk tiap massa 235U dan reflektor YA Penentuan teras yang optimum MULAI Data komposisi, kerapatan atom temperatur, kondisi Xe Nila FPD maksimum terpenuhi? TIDAK, pengaturan konfigurasi teras YA SELESAI Gambar 3.  Diagram alir desain neutronik teras setimbang reaktor RRI

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil Perhitungan Parameter Neutronik Teras Setimbang Reaktor RRI
Berdasarkan  hasil  perhitungan,  bentuk  konfigurasi  teras  setimbang  yang  terpilih  dinyatakan dalam  Gambar  4-5. Konfigurasi  teras  5×5,  5×7,  6×5  dan  6×6  masing-masing  ditunjukkan  dalam Gambar  4(a),  4(b),  5(a)  dan  5(b).    Hasil  perhitungan  teras  setimbang  reaktor  RRI  untuk  seluruh konfigurasi  teras,  massa  235U  dan  tiap  jenis  reflektor  dinyatakan  dalam  Tabel  3-10.  Perlu  dicatat bahwa jika margin padam minimum atau reaktivitas padam bernilai positif (+), maka data teras hasil perhitungan tidak ditampilkan dalam Tabel 3-10.
Konfigurasi teras 5×5, Gambar 4 dan Tabel 3-4, terdiri dari 16 elemen bakar standar (FE) dan 4 elemen bakar kendali (CE) serta 3 posisi iradiasi dalam teras (IP0, IP1 dan IP2).  Tampak di Gambar 4 bahwa untuk seluruh jenis reflektor, Be, D2O dan grafit, diperlukan tambahan 2 (dua) batang  kendali pengaman ( safety rod ), SR1 dan SR2.
Tabel 3 juga menunjukkan bahwa dari aspek pengendalian reaktivitas, teras dengan reflektor Be memiliki nilai margin padam minimum (kondisi stuck rod) yang paling kecil dibanding teras dengan grafit dan D2O. Hal ini disebabkan karena reaktivitas lebih teras dengan Be yang paling besar sehingga dengan saat 1 CE mengalami gagal masuk ke teras memberikan nilai perlipatan efektif (untuk kondisi subkritis), keff, yang paling kecil.  Hal ini terjadi untuk tingkat muat 235U 550 g dan 700 g.  Tabel 3 menunjukkan  bahwa  kriteria  keselamatan  untuk  margin  padam  minimum  sebesar  - ǻNNWLGDN dapat dipenuhi untuk teras dengan reflektor Be untuk tingkat muat 235U sebesar 550 g dan 700 g per FE  masing-masing  dengan  nilai  - ǻNN  GDQ  ǻNN  +DO LQL GLVHEDENDQ SHUJHVHUDQ spektrum neutron yang semakin keras ( harder ) akibat naiknya tingkat muat 235U di reflektor Be lebih besar  dibanding  grafit  dan D2O.    Akibatnya  kemampuan serap  batang  kendali untuk  neutron termal semakin berkurang.
Dari aspek operasi reaktor, tampak dalam Tabel 3 bahwa panjang siklus yang terbesar terjadi di teras  dengan  reflektor  Be  untuk  seluruh  tingkat  muat  235U  (kecuali  pada  tingkat  700  g),  kemudian diikuti  grafit dan D2O.  Hal ini berkaitan dengan reaktivitas lebih yang dimiliki teras yang bereflektor Be  lebih  besar  dibanding  grafit  dan  D2O.  Panjang  siklus  operasi  dan  reaktivitas  lebih  teras  akan semakin besar nilainya jika tingkat muat 235U dalam FE semakin besar.
Dari aspek kerataan pembangkitan panas yang ditunjukkan dengan nilai FPD radial maksimum, terlihat jelas di Tabel 3 nilai FPD maksimum sangat dipengaruhi oleh jenis reflektor dan tingkat muat 235U.    Perubahan  nilai  FPD  akibat  tingkat  muat  235U  dan  jenis  reflektor  tidak  menunjukkan  suatu kecenderungan yang konsisten.  Oleh karena itu faktor utama dalam penentuan nilai FPD maksimum adalah  distribusi  fraksi  bakar  FE  dan  CE  disekitar  posisi  iradiasi  (IP).    Nilai  FPD  radial  maksimum untuk seluruh jenis reflektor dan tingkat muat 235U lebih kecil dari pada nilai kriteria keselamatan 1,4.
(a)
(b)
Gambar 4. Konfigurasi teras RRI 5×5 (a) dan 5×7 (b)
(a) (b)
Gambar 5. Konfigurasi teras RRI 6×5 (a) dan 6×6 (b)
Tabel 3. Parameter neutronik konfigurasi teras setimbang RRI 5 × 5
No. Parameter Tingkat muat 450 g Tingkat muat 550 g Tingkat muat 700 g Reflektor luar teras Reflektor luar teras Reflektor luar teras Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit 1. Daya (MW) 20 20 20 20 20 20 20 20 20 2. Reaktivitas satu VLNOXVǻNN 6,39 3,78 5,21 6,61 4,58 6,06 - 5,42 6,66 3. Reaktivitas xenon ǻNN 3.42 3,53 3,46 3,34 3,46 3,39 - 3,33 3,27 5. Reaktivitas VDPDULXPǻNN 0,58 0,59 0,62 0,60 0,63 0,66 - 0,66 0,70 6. Reaktivitas hot to cold ǻNN 0,39 0,42 0,42 0,37 0,40 0,41 - 0,39 0,39 7. Reaktivitas lebih ǻNN 12,28 10,06 11,41 13,41 10,55 11,95 - 11,30 12,46 8. Margin padam PLQLPXPǻNN -2,26 -5,32 -3,69 -0,28 -4,09 -2,36 +1,98 -2,37 -0,96 9. Reaktivitas batang kendali total ǻNN -19,67 -21,43 -21,22 -18,75 -20,08 -19,86 - -18,48 -18,34 10. Reaktivitas padam ǻNN ,-7,39 -10,37 -9,81 -5,31 -9,53 -7,91 - -7,18 -5,88 11. Panjang siklus (hari) 57 40 48 72 50 65 - 75 92 12. Fraksi bakar maksimum (%) 66 46 58 68 49 62 - 57 68 13. PPF radial maksimum 1.15 1.18 1.22 1.17 1.19 1.17 - 1.17 1.19 14 Kerapatan daya rerata di teras (W/cm 3 ) 309 309 309 309 309 309 - 309 309
Tabel 4 menunjukkan fluks neutron maksimum di konfigurasi teras 5x5 pada posisi tengah teras (IP),  reflektor  luar  tepi  teras  (4  cm  dari  tepi  teras)  dan  reflektor  luar  (di  luar  batas  4  cm  dari  teras) masing- PDVLQJXQWXNHQHUJLWHUPDOH9HSLWHUPDO (0H9GDQFHSDW MeV).  Tampak jelas ada kecenderungan yang konsisten untuk fluks neutron di posisi tengah teras (IP) yaitu  yang  tertinggi  pada  penggunaan  reflektor  grafit  kemudian  diikuti  oleh  D2O  dan  Be. Kecenderungan  ini  sama  untuk  semua  tingkat  muat  235U.    Kecenderungan  semakin  turun  fluks neutron  akibat  naiknya  tingkat  muat  dapat  dimengerti  karena  dengan  daya  yang  sama  fluks  neutron

## EHUEDQGLQJWHUEDOLNGHQJDQQDLNQ\DWDPSDQJOLQWDQJȞȈI\DQJVHWDUDGHQJDQQDLNQ\DWLQJNDWPXDW
235U).
Fluks  neutron  maksimum  yang  berada  di  reflektor  di  dekat  tepi  teras,  memiliki  nilai  tertinggi jika  teras  menggunakan  reflektor  Be  yang  diikuti  oleh  grafit  dan  D2O.    Hal  yang  sama  juga  terjadi untuk fluks neutron maksimum di reflektor luar, yaitu teras dengan Be memiliki nilai yang tertinggi. Akan tetapi teras dengan reflektor D2O memiliki fluks neutron maksimum di seluruh reflektor yang lebih  tinggi  dibanding  teras  dengan  reflektor  grafit.    Hal  ini  menunjukkan  bahwa  reflektor  grafit memiliki gradien penurunan fluks ke arah radial batas luar teras yang terbesar jika dibanding D2O dan Be sehingga luas daerah fluks neutron yang tinggi di reflektor relatif lebih kecil.
Tabel 4. Fluks neutron maksimum untuk konfigurasi teras setimbang RRI 5 × 5
No. Posisi Tingkat muat 450 g Tingkat muat 550 g Tingkat muat 700 g Reflektor luar teras Reflektor luar teras Reflektor luar teras Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit 1 Fluks neutron maksimum tengah teras (10 14 n/cm 2 s) Termal Epitermal Cepat 3,56 2,33 1,18 3,70 2,55 1,29 3,82 2,63 1,28 3,35 2,32 1,16 3,53 2,50 1,27 3,64 2,56 1,27 - 3,31 2,45 1,25 3,43 2,56 1,29 2 Fluks neutron maksimum di  tepi teras (10 14 n/cm 2 s) Termal Epitermal Cepat 3,33 1,80 0,73 2,87 2,27 1,03 3,03 2,20 0,83 3,18 2,15 0,85 2,79 1,86 0,67 2,93 2,26 0,96 - 2,67 1,97 0,79 2,82 2,25 0,96 3 Fluks neutron maksimum di reflektor luar (10 14 n/cm 2 s)
Termal Epitermal Cepat 2,34 1,06 0,12 1,86 0,85 0,06 1,54 1,24 0,19 2,23 1,04 0,11 1,82 0,88 0,06 1,49 1,25 0,18 - 1,75 0,88 0,06 1,42 1,25 0,18
Tabel 5-10 menunjukkan bahwa hanya konfigurasi teras 5 × 7 yang tidak membutuhkan batang kendali pengaman (safety rod). Hal ini menunjukkan bahwa sebanyak 6 batang kendali memiliki nilai margin padam minimum yang cukup untuk memadamkan reaktor kecuali pada tingkat muat 235U 700 g  (Tabel  5).    Seperti  dibahas  sebelumnya,  tampak  jelas  bahwa  teras  dengan  reflektor  Be  cenderung memiliki reaktivitas lebih  teras  yang  besar  dan  pergeseran spektrum  neutron  ke  daerah tenaga  cepat juga besar sehingga batang kendali yang ada tidak cukup memberikan margin padam minimum. Hal yang  sama  terjadi  juga  pada  konfigurasi  teras  6  ×  5.    Sedangkan  untuk  konfigurasi  teras  6×6  pada tingkat muat 235 U 700 g, nilai reaktivitas padam yang bernilai positif.  Khusus untuk konfigurasi teras 6×5 dengan reflektor, margin padam minimumnya juga bernilai positif.
Seluruh  kecenderungan  parameter  neutronik,  yang  berkaitan  dengan  pengendalian  reaktivitas, operasi dan fluks nutron, seperti yang telah dibahas sebelumnya untuk konfigurasi teras 5 × 5 memiliki kecenderungan yang sama untuk 3 (tiga) konfigurasi teras lainnya.  Akan tetapi yang berbeda adalah nilainya.  Yang  berbeda  adalah  untuk  nilai  FPD  radial  maksimum.  Nilai  ini  ternyata  sangat  sensitif dengan  konfigurasi  teras  khususnya  posisi  fasilitas  iradiasi  di  teras  (IP).    Konfigurasi  teras  6×5 memiliki  nilai  FPD  yang  lebih  tinggi  dibanding  dengan  konfigurasi  teras  lainnya.  Nilai  FPD maksimumnya  dapat  mencapai  1,38  (reflektor  grafit)  walau  masih  lebih  kecil  dibanding  nilai  batas keselamatan 1,4.
Tabel 4,6,8 dan 10 menunjukkan bahwa fluks neutron maksimum yang tertinggi untuk daerah reflektor luar diperoleh di teras dengan konfigurasi 5×5.  Hal ini terjadi karena pada daya yang sama, maka semakin kecil volume teras, maka semakin tinggi nilai fluks neutron.  Akan tetapi untuk fluks neutron  maksimum  di  dalam  teras  (IP)  konfigurasi  teras  6  ×  5  memberikan  nilai  yang  tertinggi dibanding konfigurasi teras lainnya.  Hal ini dipengaruhi letak posisi IP di tengah teras relatif jauh ke posisi IP lainnya, sehingga naiknya fluks neutron menjadi lebih tinggi.

## Tabel 5. Parameter neutronik konfigurasi teras setimbang RRI 5 × 7
No. Parameter Tingkat muat 450 g Tingkat muat 550 g Tingkat muat 700 g Reflektor luar teras Reflektor luar teras Reflektor luar teras Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit 1. Daya (MW) 20 20 20 20 20 20 20 20 20 2. Reaktivitas satu siklus ǻNN 4,940 3,720 4,637 5,31 4,23 5,10 4,62 5,46 3. Reaktivitas xenon ǻNN 3,477 3,536 3,489 3,41 3,47 3,42 3,35 3,31 5. Reaktivitas samarium ǻNN 0,660 0,688 0,678 0,71 0,72 0,72 0,77 0,76 6. Reaktivitas hot to cold ǻNN 0,427 0,42 0,451 0,42 0,41 0,44 0,44 0,43 7. Reaktivitas lebih ǻNN 10,77 9,67 10,51 11,32 10,18 10,93 10,48 11,18 8. Margin padam PLQLPXPǻNN -2,48 -4,46 -3,60 -1,00 -3,09 -2,23 +0,12 -1,67 -0,89 9. Reaktivitas batang NHQGDOLWRWDOǻNN -17,26 -18,75 -18,46 -15,97 -17,40 -17,12 -15,88 -17,87 10. Reaktivitas padam ǻNN -6,48 -9,08 -7,958 -4,65 -7,22 -6,19 -5,40 -6,69 11. Panjang siklus (hari) 57 46 54 75 63 72 87 98 12. Fraksi bakar maksimum (%) 72 62 70 65 67 75 71 78 13. PPF radial maksimum 1,23 1,23 1,27 1,24 1,24 1,27 1,24 1,27 14 Kerapatan daya rerata di teras (W/cm 3 ) 219,7 219,7 219,7 219,7 219,7 219,7 219,7 219,7

## Tabel 6. Fluks neutron maksimum untuk konfigurasi teras setimbang RRI 5x7
No. Posisi Tingkat muat 450 g Tingkat muat 550 g Tingkat muat 700 g Reflektor luar teras Reflektor luar teras Reflektor luar teras Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit 1 Fluks neutron maksimum tengah teras (10 14 n/cm 2 s) Termal Epitermal Cepat 3,66 2,27 1,17 3,81 2,39 1,26 3,81 2,34 1,24 3,49 2,20 1,16 3,64 2,34 1,23 3,65 2,32 1,21 - 3,46 2,30 1,21 3,47 2,28 1,19 2 Fluks neutron maksimum di tepi teras (10 14 n/cm 2 s) Termal Epitermal Cepat 2,80 2,30 1,03 2,52 2,05 0,97 2,72 2,16 1,06 2,73 2,16 1,02 2,49 2,02 0,96 2,67 2,08 1,05 - 2,43 1,99 0,95 2,61 2,07 1,03 3 Fluks neutron maksimum di reflektor luar (10 14 n/cm 2 s) Termal Epitermal Cepat 1,77 1,57 0,29 1,43 1,31 0,21 1,29 1,47 0.38 1,72 1,55 0,28 1,39 1,31 0,20 1,26 1,48 0,37 - 1,35 1,30 0,20 1,22 1,46 0.37

## Tabel 7. Parameter neutronik konfigurasi teras setimbang RRI 6 × 5
No. Parameter Tingkat muat 450 g Tingkat muat 550 g Tingkat muat 700 g Reflektor luar teras Reflektor luar teras Reflektor luar teras Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafi t 1. Daya (MW) 20 20 20 20 20 20 20 20 20 2. Reaktivitas satu VLNOXVǻNN 6,265 4,572 5,679 6,54 5,06 5,95 5,06 3. Reaktivitas xenon 3,423 3,503 3,442 3,36 3,43 3,37 3,31
ǻNN 5. Reaktivitas VDPDULXPǻNN 0,630 0,643 0,636 0,66 0,67 0,66 0,71 6. Reaktivitas hot to cold ǻNN 0,417 0,454 0,442 0,41 0,45 0,44 0,44 7. Reaktivitas lebih ǻNN 11,916 10,40 8 11,476 12,49 8 10,80 12,05 11,21 8. Margin padam PLQLPXPǻNN -1,685 -3,191 -2,621 -0,31 -0,81 -1,23 +0,62 - 0,768 +0,67 9. Reaktivitas batang kendali total ǻNN -14,23 -15,31 -15,34 -15,55 -14,29 -16,85 - 17,96 10. Reaktivitas padam ǻNN -2,31 -4,902 -3,865 -3,05 -3,49 -4,80 -6,75 11. Panjang siklus (hari) 62 50 58 80 67 75 90 12. Fraksi bakar maksimum (%) 74 63 71 77 68 74 70 13. PPF radial maksimum 1,35 1,24 1,33 1,38 1,26 1,34 1,29 14 Kerapatan daya rerata di teras (W/cm 3 ) 226,4 226,4 226,4 226,4 226,4 226,4 226,4

## Tabel  8. Fluks neutron maksimum untuk konfigurasi teras setimbang RRI  6×5
No. Posisi Tingkat muat 450 g Tingkat muat  550 g Tingkat muat 700 g Reflektor luar teras Reflektor luar teras Reflektor luar teras Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit 1 Fluks neutron maksimum tengah teras (10 14 n/cm 2 s) Termal Epitermal Cepat 3,97 2,12 1,11 4,21 2,24 1,22 4,22 2,38 1,21 3,80 2,21 1,10 4,04 2,29 1,18 4,05 2,18 1,18 - 3,86 2,14 1,16 - 2 Fluks neutron maksimum di  tepi teras (10 14 n/cm 2 s) Termal Epitermal Cepat 3,02 2,27 1,03 2,44 2,05 0,91 2,70 2,27 1,07 2,94 2,29 1,02 2,40 2,04 0,90 2,65 2,25 1,06 - 2,35 2,02 0,90 - 3 Fluks neutron maksimum di reflektor luar (10 14 n/cm 2 s) Termal Epitermal Cepat 1,95 1,69 0,31 1,48 1,39 0,22 1,37 1,64 0.41 1,90 1,69 0,31 1,44 1,36 0,21 1,31 1,06 0,40 - 1,36 1,33 0,21 -

## Tabel  9. Parameter neutronik konfigurasi teras setimbang RRI 6 × 6
No. Parameter Tingkat muat 450 g Tingkat muat 550 g Tingkat muat 700 g Reflektor luar teras Reflektor luar teras Reflektor luar teras Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit Be D 2 O Grafit 1. Daya (MW) 20 20 20 20 20 20 20 20 20 2. Reaktivitas satu VLNOXVǻNN 5,56 4,47 5,30 5,80 4,84 5,74 5,12 6,01 3. Reaktivitas xenon ǻNN 3,42 3,49 3,4 3,37 2,92 3,47 3,32 3,27 5. Reaktivitas VDPDULXPǻNN 0,6 0,6 0,6 0,59 0,44 0,43 0,44 0,43 6. Reaktivitas hot to cold ǻNN 0,45 0,44 0,40 0,79 0,71 0,70 0,70 0,73 7. Reaktivitas lebih ǻNN 11,40 10,20 11,20 11,7 10,62 11,39 10,9 11,68 8. Margin padam PLQLPXPǻNN -4,77 -1,01 -2,70 -2,33 -1,75 -1,18 -0,79 -2,44 9. Reaktivitas batang kendali total ǻNN -16,17 -16,95 -17,30 -15,42 -16,13 -16,53 -15,11 -15,51 10. Reaktivitas padam ǻNN -4,77 -6,75 -6,1 -3,72 -5,51 -5,14 +6,40 -4,21 -3,83 11. Panjang siklus (hari) 68 59 66 89 78 87 105 116 12. Fraksi bakar maksimum (%) 67 58,5 65,7 70,9 69,8 77,4 72,5 72,1 13. PPF radial maksimum 1,20 1,20 1,20 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 14 Kerapatan daya rerata di teras (W/cm 3 ) 187 187 187 187 187 187 187 187

## Tabel 10.  Fluks neutron maksimum untuk konfigurasi teras setimbang RRI  6×6
No. Posisi Tingkat muat 450 g Tingkat muat 550 g Tingkat muat 700 g Reflektor luar teras Reflektor luar teras Reflektor luar teras Be D 2 O Grafi t Be D 2 O Grafi t Be D 2 O Grafi t 1 Fluks neutron maksimum tengah teras (10 14 n/cm 2 s) Termal Epitermal Cepat 3,00 1,71 0,77 3,28 1,84 0,83 3,22 1,81 0,81 2,92 1,30 0,59 3,21 1,43 0,65 3,18 1,42 0,64 - 3,08 1,41 0,64 3,05 1,35 0,63 2 Fluks neutron maksimum di  tepi teras (10 14 n/cm 2 s) Termal Epitermal Cepat 2,39 1,04 0,42 2,21 0,98 0,40 2,38 1,08 0,45 2,38 0,62 0,23 1,65 0,63 0,23 1,77 0,70 0,28 - 1,58 0,62 0,23 1,71 0,69 0,27 3 Fluks neutron maksimum di reflektor luar (10 14 n/cm 2 s) Termal Epitermal Cepat 1,50 1,26 0,20 1,22 1,08 0,14 1,13 1,26 0,28 1,41 0,69 0,20 0,87 0,75 0,14 1,07 0,75 0,22 - 1,05 0,60 0,14 1,02 0,70 0,18

## Pemilihan Teras Setimbang Optimum
Dalam  menentukan  teras  yang  setimbang  optimum  maka  digunakan  aspek  utilisasi  (fluks neutron di daerah reflektor) dan aspek termohidrolika (kerapatan panas rerata di teras) sebagai acuan untuk  melakukan  pemilihan.    Aspek  lainnya,  seperti  pengendalian  reaktivitas,  dinyatakan  sudah memenuhi kriteria keselamatan sesuai dengan pembahasan sebelumnya.
Berdasarkan hasil perhitungan teras, Tabel 3-10, terlihat jelas bahwa jika ingin memanfaatkan fluks neutron di reflektor untuk fasilitas iradiasi maka konfigurasi 5 × 5 menjadi pilihan utama diikuti oleh konfigurasi teras 6 × 5, 5 × 7 dan 6× 6.  Dalam hal ini, teras dengan reflektor Be dengan tingkat muat 235U 450 g yang memiliki fluks neutron termal yang tertinggi, yaitu 3,33 × 10 14 n/cm 2 s (Tabel 4) dibanding  reflektor  lainnya.    Berdasarkan  Tabel  4,    teras  dengan  reflektor  D2O  dan  grafit  masing- masing  memiliki  fluks  neutron  termal  lebih  kecil  14%  dan  9%  dibanding  reflektor  Be.    Kalau dibanding  dengan  reaktor  sejenis  dengan  daya  yang  sama  seperti  desain  reaktor  MPR  dari  BARC ( Bhabha Atomic Research Center ) [10], maka fluks maksimum teras yang didesain ini memiliki fluks neutron yang lebih tinggi 66%.
Dari aspek termohidrolika,  konfigurasi teras 5 × 5 memiliki kerapatan daya rerata di teras yang maksimum  dengan  nilai  309  W/cm3  dibanding  konfigurasi  teras  lainnya.  Nilai  ini  76%  lebih  tinggi dari  pada  yang  dimiliki  reaktor  RSG-GAS  [8].  Hal  ini  diakibatkan  penggunaan  jumlah  bahan  bakar yang sebanyak 16 FE dan 4 CE untuk daya 20 MW dibanding reaktor RSG-GAS dengan jumlah 40 FE  dan  8  CE  untuk  daya  30  MW.  Akan  tetapi,  kalau  dibanding  dengan  teras  sejenis  yang  sudah beroperasi  yaitu  reaktor  CARR  ( China  Andanced  Reasearch  Reactor ),  maka  nilai  daya  rerata  yang terjadi di desain teras ini lebih kecil 55%, karena reaktor CARR memiliki kerapatan daya rerata di teras sebesar 564 W/cm 3 [11].
Disamping  itu,  konfigurasi  teras  5  ×  5  memiliki  kebutuhan  bahan  bakar  segar  yang  paling sedikit,  yang  berdampak  positif  dari  biaya  bahan  bakar  yang  dibutuhkan  per  tahun.    Hal  ini  tentu menjadi penting dari aspek ekonomi dan kemudahan penanganan bahan bakar.

## KESIMPULAN
Hasil penelitian ini telah  mengusulkan 4 (empat)  konfigurasi teras  reaktor riset inovatif (RRI) berdaya  termal  20  MW  yang  memenuhi  syarat  keselamatan  dengan  menggunakan  bahan  bakar  U- 9Mo-Al dengan tingkat muat 235U minimum 450 g dan panjang siklus minimum 40 hari (800 MWD) untuk  3  jenis  reflektor  Be,  D2O  serta  grafit.    Berdasarkan  hasil  optimasi  yang  fokus  utamanya  dari kemampuan maksimum utilisasi, maka konfigurasi teras setimbang dengan 5×5 dengan tingkat muat 235U sebesar 450 g serta reflektor Be adalah  teras setimbang yang optimal.  Disamping fluks neutron termal maksimum di daerah reflektor sebesar 3,33×10 14 n/cm 2 s, margin padam minimum - ǻNN ( stuck  rod )  dan  panjang  siklus  57  hari,  juga  memiliki  fasilitas  iradiasi  di  dalam  teras  dengan  fluks neutron termal maksimum sebesar 3,56×10 14 n/cm 2 s.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Dalam  kesempatan  ini  kami  juga  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Kementerian  Riset  dan Teknologi  yang  telah  menyediakan  dana  dalam  pelaksanaan  penelitian  ini  melalui  Program  Insentif PKPP (Peningkatan Kesejahteraan Peneliti dan Perekayasa) tahun 2012.

## DAFTAR PUSTAKA
1. V.K., Raina, K. Sasidharan, Samiran Sengupta, Tej Singh. Multi Purpose Reactor. Nucl. Eng. April 2006 ; 7-8: 770-783
2. Teruel,  F.E,  Rizwan-uddin.  An  innovative  research  reactor  design.  Nucl.  Eng.  Des.  2009; 239: 395-407
3. IAEA, 2010. Tersedia di web pada http://www.iaea.org/worldatom/rrdb/.
4. Hastuti,  E.P.,  Setiyanto.    Perencanaan  Reaktor    Riset  Inovatif  Sebagai  Solusi  Pengganti Reaktor  Penelitian  dan  Produksi  Isotop  di  Indonesia.    Prosiding  Seminar  Nasional  Energi Nuklir; PPEN-BATAN 2010
5. Liem, P.H.,  Batan-FUEL:  A  General  In-Core  Fuel  Management  Code.  Atom  Indonesia 1996, 22, No. 2.
6. WIMS-D5. OECD/NEA Data Bank Documentation, Package ID No. 1507/02; 1998
7. IAEA. WIMS-D Library Update . IAEA, Vienna, 2007.
8. BATAN. Laporan Analisis Keselamatan Rev. 10. BATAN, 2010.
9. Liem, P.H., Sembiring, T.M. Design of transition cores of RSG GAS (MPR-30) with higher loading silicide fuel. Nucl. Eng. Des. 2010; 240: 1433-1442
10. Raina, V.K.,  Sasidharan, K.,  Sengupta,  S.,  Singh,  T.  Multi  purpose  research  reactor.  Nucl. Eng. Des. 2006; 236: 770-783
11. IAEA. Characterization and testing of materials for nuclear reactors. IAEA-TECDOC-1545, Vienna:IAEA;2007;p.65.