## Urania

## Jurnal Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir
Beranda jurnal: http://jurnal.batan.go.id/index.php/urania/

## PEMODELAN DINAMIK PENDINGINAN BAHAN BAKAR NUKLIR BEKAS REAKTOR RISET SECARA NATURAL KONVEKSI  PADA PROTOTIPE DRY CASK STORAGE
Arifin Istavara 1,2 , Ratiko 3 , Hendra Adhi Pratama 3 , Nasruddin 1
1 Departemen Teknik Mesin – Universitas Indonesia Kampus Universitas Indonesia, Depok, Jawa Barat 16424 2 Direktorat Pengelolaan Fasilitas Ketenaganukliran – BRIN Kawasan PUSPIPTEK Serpong Gd.31 Tangerang Selatan, Banten 15314 3 Pusat Riset Teknologi Daur Bahan Bakar Nuklir dan Limbah Radioaktif – BRIN Kawasan PUSPIPTEK Serpong Gd.20 Tangerang Selatan, Banten 15314 arifin.istavara@brin.go.id
(Naskah diterima: 27 –05–2022, Naskah direvisi: 03–06–2022, Naskah disetujui: 13–06–2022)

## ABSTRAK
PEMODELAN  DINAMIK  PENDINGINAN  BAHAN  BAKAR  NUKLIR  BEKAS  REAKTOR  RISET SECARA  NATURAL  KONVEKSI  PADA  PROTOTIPE  DRY  CASK  STORAGE. Penelitian  ini secara  khusus  bertujuan  untuk  menguji  kelayakan  desain  dry  cask  storage  dan  secara  umum memberikan  solusi  penyimpanan  Bahan  Bakar  Nuklir  Bekas  (BBNB)  di  Indonesia.  Karena keterbatasan  ruang  penyimpanan  pada  penyimpanan  tipe  basah,  maka  penelitian  ini  bertujuan untuk merancang, melakukan eksperimen  dan mensimulasikan secara simultan. Pengujian desain canister memvariasikan tegangan heater 50 V sampai dengan 125 V dengan kondisi tertutup untuk mengetahui respon canister terhadap tegangan yang sebanding dengan panas peluruhan BBNB. Eksperimen  dengan  menggunakan  ventilasi dry  cask  storage memvariasikan  tegangan  100  V sampai  dengan  175  V  bertujuan  untuk  menguji dry  cask  storage terhadap  pendinginan  canister secara  natural  konveksi.  Perhitungan  secara  teori  dan  simulasi  menggunakan software juga dilakukan sebagai pembanding hasil dari eksperimen dari segi pendinginan secara natural konveksi dan  hambatan  termal.  Hasil  eksperimen  menunjukkan  respon  desain canister berfungsi  dengan baik  yaitu  semakin  besar  tegangan  listrik  yang  diberikan,  maka  temperatur  canister  bertambah tinggi, yaitu 50 V sampai 125 V merespon 33,4°C sampai 56,6°C. Pengujian pendinginan canister secara natural konveksi menunjukkan hasil yang baik, yaitu antara lain dengan metode buka dan tutup  ventilasi dry  cask menunjukkan  penurunan  temperatur  canister  pada  tegangan  100  Volt sebesar  16,1°C dan 14,8°C pada 125 Volt. Hasil nilai komparasi antara eksperimen, perhitungan teori dan simulasi pada 175 V temperatur canister yaitu 44,9°C, 49,7°C dan 65°C secara berurutan, untuk air velocity yaitu 0,20 m/s, 0,25 m/s dan 0,39 m/s secara berurutan. Hasil perhitungan teori dan simulasi sedikit lebih tinggi dari eksperimen, ini mungkin disebabkan adanya kehilangan panas ke  lingkungan  saat  eksperimen  berlangsung.  Hasil  simulasi  diperoleh  kontur  temperatur  dan perilaku aliran natural konveksi didalam air gap menunjukkan desain dry cask storage berfungsi dengan baik.
Kata kunci : Bahan bakar nuklir bekas, natural konveksi , canister, dry cask storage.
Urania : Jurnal Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir (Vol. 28 No. 2 Tahun 2022) 113 – 124
Pemodelan Dinamik Pendinginan Bahan Bakar Nuklir Bekas Reaktor Riset Secara
Natural Konveksi  Pada Prototipe Dry Cask Storage
(Arifin Istavara, Ratiko, Hendra Adhi Pratama, Nasruddin)
ABSTRACT DYNAMIC MODELING OF SPENT NUCLEAR FUEL  RESEARCH REACTOR  COOLING USING NATURAL CONVECTION  IN DRY CASK STORAGE PROTOTYPE. This study specifically aims to test the feasibility of dry cask storage design as a solution for storing spent nuclear fuel (SNF) in Indonesia.  Due  to  the  limited  storage  space  in  wet  type  storage,  this  research  designed, experimented and simulated simultaneously. The canister design test varies the voltage from 50 V to 125 V with closed conditions to determine the response of the canister to the voltage which is proportional to the decay heat of SNF. Experiments using dry cask storage ventilation varying the voltage from 100 V to 175 V which aims to test dry cask storage against convection natural canister cooling.  Theoretical  calculations  and  simulations  using  software  were  also  carried  out  as  a comparison  of  the  experimental  results  in  terms  of  naturally  convection  cooling  and  thermal resistance. The experimental results show the response of the canister design to function properly, the greater the voltage supplied, the higher the canister temperature, 50 V to 125 V responds from 33.4°C to 56.6°C. The canister cooling test by natural convection showed good results, the dry cask ventilation opening and closing method showed a decrease in canister temperature at a voltage of 100  Volts  of  16.1  °C  and  14.8  °C  at  125  V.  The  canister  temperature  comparison  between experiments,    theoretical  calculations  and  simulations  at  175  V  are  44.9  °C,  49.7  °C  and  65  °C respectively,  as  for  velocity  are  0.20  m/s,  0.25  m/s  and  0.39  m/s  respectively.  The  results  of theoretical calculations and simulations are slightly higher than experiments, this is due to heat loss to the environment during the experiment. The simulation results obtained temperature contours and  natural  convection  flow  behavior  in  the  air  gap,  indicating  the  dry  cask  storage  design  is functioning properly.
Keywords : Spent nuclear fuel , natural convection, canister, dry cask storage .
Pemodelan Dinamik Pendinginan Bahan Bakar Nuklir Bekas Reaktor Riset Secara Natural Konveksi  Pada Prototipr Dry Cask Storage
(Arifin Istavara, Ratiko, Hendra Adhi Pratama, Nasruddin)

## PENDAHULUAN
Salah  satu  produk  utama  fasilitas nuklir yang memiliki radioaktivitas dan panas peluruhan  tertinggi  adalah  Bahan  Bakar Nuklir  Bekas  (BBNB).  Selanjutnya,  bahan bakar  nuklir  yang  diganti  menjadi  bahan bakar  nuklir  bekas  yang  memiliki  paparan radioaktivitas  dan  temperatur  tinggi,  yang berpotensi  membahayakan  manusia  dan lingkungan  jika  tidak  ditangani  dengan baik. Pengelolaan  BBNB  saat  ini  dilakukan  oleh Badan riset dan Inovasi Nasional, meningkatnya  jumlah  bahan  bakar  nuklir bekas  di  gedung  kolam  penyimpanan  tipe basah  menyebabkan  terbatasnya  ruang penyimpanan  bahan  bakar  nuklir  bekas  di Indonesia  [1]-[2].  Mengantisipasi  potensi bahaya korosi dan penuaan komponen pada sistem penyimpanan basah juga mendorong penelitian ini untuk dilakukan.
Penyimpanan tipe kering temperatur kelongsong BBNB tidak boleh melebihi batas yang  ditentukan  sesuai  dengan  jenis  BBNB masing-masing  pada  penyimpanan  bahan bakar  nuklir  bekas  untuk  waktu  yang  lama [3-5]. Jika tidak didinginkan pada temperatur BBNB yang cukup tinggi, kelongsong BBNB berpotensi rusak dan menyebarkan radionuklida  yang  ada  dalam  BBNB  [3]. Pendingin BBNB tipe material testing reactor (MTR)  yang  baru  keluar  dari  reaktor  hingga 4-5  tahun,  harus  disimpan  di  penyimpanan basah [6] meskipun biaya pengelolaan lebih mahal  dari  pada  penyimpanan  tipe  kering [7]-[8].  Setelah  panas  peluruhan  dan radioaktivitas  menurun  ke  nilai  tertentu, bahan  bakar  nuklir  dapat  dipindahkan  dan disimpan  dalam  sistem  penyimpanan  kering [1],[9].
Penelitian
pendinginan (heat
romoval) pada dry cask storage telah banyak dikembangkan. Li dkk melakukan pemodelan termal dry cask storage vertical [10], hasilnya menunjukkan  bahwa dry  cask  storage dengan konduktivitas termal yang lebih tinggi menghilangkan  panas  peluruhan  dari dry cask  storage dengan  lebih  efisien.  Wang, Y.H.  dkk  melakukan  analisis  karakteristik ventilasi  dan  kapasitas  pembuangan  panas dry  cask  storage untuk  bahan  bakar  nuklir bekas.  Induksi  udara  yang  dialirkan  pada saluran ( air gap ) mempengaruhi aliran udara apung  (bouyancy),  sehingga  mempercepat pembuangan  panas dry  cask  storage [11].
Ratiko,  dkk  melakukan  analisis  terkait heat removal dry  cask  storage ,  menggunakan
contam  software model  aliran  udara  dalam air  gap dapat  mudah  diketahui  [12].
Alyokhina, S. dkk menganalisis struktur aliran di dalam wadah berventilasi dengan simulasi numerik,  mekanisme  utama  perpindahan panas  dan  massa  yang  mengambil  bagian dalam pendinginan bahan bakar nuklir bekas dapat mudah diketahui [13]. Penelitian terkait pendinginan  BBNB  pada dry  cask  storage telah  banyak  dilakukan  di  fasilitas  nuklir, terutama  di  pengelolaan  limbah  radioaktif [11],[14],[15]. Penelitian ini menyajikan pemodelan pendinginan  BBNB  secara  natural  konveksi menggunakan  prototipe dry  cask  storage dengan  skala  1:2,  pemodelan  dinamik dilakukan  antara  lain  untuk  melihat  unjuk kerja  canister  sebagai  sumber  panas pengganti  panas  peluruhan  BBNB  pada eksperimen dengan memvariasikan tegangan,  selanjutnya  untuk  mengamati perilaku aliran udara di air gap pada simulasi dan  secara  umum    pemodelan  bertujuan untuk memastikan bahwa desain yang akan dibangun  dapat  berfungsi  mendinginkan BBNB  didalam dry  cask  storage secara natural konveksi.
Perilaku  aliran  udara  pada air  gap yang secara signifikan melakukan pendinginan canister diamati  dan  dianalisa, sehingga pendinginan canister melalui udara yang  mengalir  pada air  gap dapat  diketahui dengan  baik    dari  hasil  ekperimen  dan simulasi ini.
Penelitian ini bertujuan untuk merancang dry cask storage sebagai wadah bahan bakar nuklir bekas reaktor riset, studi kelayakan desain untuk pendinginan dengan natural konveksi  diamati dan dianalisa, yang bertujuan  untuk  memastikan  bahwa  desain berfungsi  dengan  baik.  Hasil  penelitian  ini diharapkan dapat digunakan sebahai referensi untuk membangun dry cask storage dengan sekala sesungguhnya (1:1). Mengingat keterbatasan kapasitas penyimpanan tipe basah ( wet storage pool ), mengantisipasi  potensi  bahaya  penuaan komponen,  potensi  korosi  pada sistem  wet storage ,  serta  pemindahan  bahan  bakar nuklir bekas untuk perbaikan kolam penyimpanan BBNB ( storage pool ) sehingga sistem dry  cask  storage menjadi  kebutuhan yang  mendesak  di  indonesia.  Dengan demikian,  melalui  penelitian  pembuatan penyimpanan  tipe kering ( dry cask storage ) ini diharapkan dapat memberikan solusi agar
Urania : Jurnal Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir (Vol. 28 No. 2 Tahun 2022) 113 – 124
Pemodelan Dinamik Pendinginan Bahan Bakar Nuklir Bekas Reaktor Riset Secara
Natural Konveksi  Pada Prototipe Dry Cask Storage
(Arifin Istavara, Ratiko, Hendra Adhi Pratama, Nasruddin)
bahan  bakar  nuklir  bekas  dapat  dikelola secara  memadai  dan  aman  bagi  manusia dan lingkungan.

## METODOLOGI
Metode  penelitian  ini  dimulai  dari melakukan eksperimen menggunakan prototipe  desain dry  cask  storage untuk memastikan  natural  konveksi   dalam  desain dry cask storage berfungsi dengan baik, hasil ekperimen  kemudian  dibandingkan  dengan perhitungan  teoritis  untuk  melihat  dan memastikan  desain dry  cask  storage beroperasi normal.
Selanjutnya simulasi desain dry cask storage menggunakan ansys fluent software dilakukan  untuk  mengamati  perilaku  aliran udara secara natural konveksi pada permukaan canister terhadap aliran udara di air  gap .  Simulasi  dilakukan  juga  untuk memastikan  dan  melihat  kontur  temperatur dan air velocity , hal ini sangat penting diamati karena untuk membandingkan hasil experimen  dan  simulasi,  sebagai  dasar bahwa  aliran  natural  konveksi  dari  desain berfungsi dengan baik.

## a. Eksperimen
a.1. Dry cask storage prototype
Kegiatan  eksperimen  ini  bertujuan untuk  memvalidasi  perhitungan-perhitungan manual dan pemodelan numerik. Eksperimen menggunakan  prototipe  penyimpanan Dry cask storage untuk bahan bakar bekas MTR dengan setengah skala aslinya (1:2). Ukuran rinci  dan  fisik  sebenarnya  dari  prototipe ditunjukkan  pada  Gambar  1.a  dan  1.b. Prototipe  memiliki  empat  lubang  inlet  di bagian bawah, empat lubang outlet di bagian atas,  dihubungkan  oleh  saluran  udara  ( air gap ) antara permukaan tabung dan permukaan dinding dry cask storage .
Prototipe  ini  memiliki canister yang dibalut dengan kawat nikelin pada permukaannya  yang  berfungsi  sebagai pemanas  listrik,  sesuai  Gambar  1.c.  Panas dari  kawat  nikelin  ini  digunakan  untuk
simulasi panas peluruhan bahan bakar nuklir bekas. Kumparan kawat nikelin dihubungkan ke  pengatur  tegangan  ( voltage  regulator ) dengan pengaturan tegangan setara dengan panas peluruhan bahan bakar nuklir bekas.
Gambar 1. Ukuran detail prototipe (a); prototipe dry  cask  storage pada ruang laboratorium (b); dan canister (c)

## a.2. Experimental setup
Pengukuran  temperatur  dilakukan dengan  9  termokopel  pada  9  titik  yang berbeda, antara lain 4 titik di canister , 4 titik di  celah  udara  dan  1  titik  di  ruang laboratorium.  Eksperimen setup ditunjukkan pada Gambar 2.
Pengukuran  aliran  udara  dilakukan dengan alat velocity transmitter . Temperature module  hardware yang  digunakan  adalah National  Instrument (NI) Data  Acquisition (DAQ)  untuk  mengambil  data  pengukuran temperatur dari termokopel. DAQ terhubung ke  komputer  untuk  menganalisis  dan merekam  data  pengukuran,  kemudian  data ditampilkan di layar komputer menggunakan perangkat lunak Lab View software . Spesifikasi  alat  ukur  yang  digunakan disajikan pada Tabel 1.
Table 1 . Datasheet alat ukur yang digunakan Instrumen Spesifikasi Toleransi Velocity transmitter Hot film sensor element base Ukuran probe 200 mm Range 0 – 2.00 m/s ± 0,03 m/s Thermocouple 2 wire type K Range 0 – 200 °C Ukuran wire 0.35 mm ± 1,1 °C
Pemodelan Dinamik Pendinginan Bahan Bakar Nuklir Bekas Reaktor Riset Secara Natural Konveksi  Pada Prototipr Dry Cask Storage
(Arifin Istavara, Ratiko, Hendra Adhi Pratama, Nasruddin)

## Gambar 2. Eksperimen setup

## a.3. Hambatan termal
Untuk  material  dinding dry  cask storage pada  eksperimen  ini  menggunakan lima  lapisan  hambatan  termal  seperti  yang
ditunjukkan  pada  Gambar  3.  Perhitungan nilai hambatan termal pada prototipe dry cask storage dilakukan  dengan  menggunakan persamaan 1 dan  2 sebagai berikut.
𝑅 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =    𝑅 𝑎𝑖𝑟 𝑔𝑎𝑝 + 𝑅 𝑠𝑡𝑎𝑖𝑛𝑙𝑒𝑠𝑠 𝑠𝑡𝑒𝑒𝑙 + 𝑅 𝑎𝑖𝑟 + 𝑅 𝑠𝑡𝑎𝑖𝑛𝑙𝑒𝑠𝑠 𝑠𝑡𝑒𝑒𝑙 + 𝑅 𝑐𝑜𝑛𝑣 (1)
𝑅 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1 ℎ 𝑎𝑔 𝐴 𝑐 + 𝑙𝑛 ( 𝑟3 𝑟2 ) 2𝜋 𝐿 𝑆𝑆 𝑘 𝑆𝑆 + 𝑙𝑛 ( 𝑟4 𝑟3 ) 2𝜋 𝐿 𝑘 𝑎𝑖𝑟 + 𝑙𝑛 ( 𝑟5 𝑟4 ) 2𝜋 𝐿 𝑆𝑆 𝑘 𝑆𝑆 + 1 ℎ ∞ 𝐴 𝑆𝑆 (2)
Gambar 3.   Konsep hambatan termal material dari prototipe dry cask storage.
Perhitungan heat  transfer untuk  dry cask  storage  karena  berbentuk tubular objects dan  luas  permukaan  perpindahan panas  tidak  konstan  (tergantung  pada  jari- jari)  maka  pada  benda  berbentuk  silinder
dinyatakan luas permukaan ( A ) perpindahan kalor  konduksi  tidak  konstan,  karena A bergantung  pada  jari-jari  ( r ),  maka Q cond dapat  dihitung  menggunakan  persamaan- persamaan sebagai berikut [16].
Urania : Jurnal Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir (Vol. 28 No. 2 Tahun 2022) 113 – 124
Pemodelan Dinamik Pendinginan Bahan Bakar Nuklir Bekas Reaktor Riset Secara
Natural Konveksi  Pada Prototipe Dry Cask Storage
(Arifin Istavara, Ratiko, Hendra Adhi Pratama, Nasruddin)
∫ 𝑄̇ 𝑐𝑜𝑛𝑑,𝑐𝑦𝑙 𝐴 𝑟5 𝑟2 𝑑𝑟 =   − ∫ 𝑘 𝑑𝑇 𝑇5
𝑇2
(3)
Dengan nilai  A = 2πrL, kemudian persamaan (3) dapat dikonversi ke;
𝑄̇ 𝑐𝑜𝑛𝑑,𝑐𝑦𝑙 = 2𝜋𝐿 𝑘 𝑇 2 − 𝑇 5 𝑙𝑛 ( 𝑟5 𝑟2 ) (4)
Maka untuk natural konveksi yang melalui air gap dapat dihitung temperatur pada permukaan canister (t c ):
𝑄 ̇   = 𝑡 𝑐 − 𝑇 𝑎𝑔 𝑅 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (5)
Untuk natural konveksi dalam silinder vertikal yaitu  pada  dry  cask  storage,  persamaan bilangan Nusselt dapat digunakan; [16] [10]
Nu = ℎ𝐿 𝑐 𝑘 (6)
Nu = 0.59 Ra 1/4 for 10 4 < Ra < 10 9 (7)
Nu = 0.1 Ra 1/3 for 10 9 < Ra < 10 13 (8) atau
Nu = (0.825 + 0.387 𝑅𝑎 1/6
(1 + (0.492/𝑃𝑟) 9/16 ) 8/27 ) 2 (8)
untuk;
Ra = Gr Pr (10)
dengan;
Gr = 𝑔 𝛽 (𝑇 𝑠 − 𝑇 ∞ ) 𝐿 3 𝜈 2 (11)
Pr = 𝐶 𝑝 µ 𝑘 (12)
Koefisien  konveksi  eksternal  ( h ∞ ) antara  udara  ambien  luar  dan  dinding dry cask storage luar dianggap sebagai konveksi karena faktor kecepatan angin, perpindahan panas ini diatur oleh konveksi dan kecepatan angin  eksternal  dianggap  tetap  konstan, untuk  menyederhanakan  model,  dengan v ∞ sebagai  kecepatan  angin  [17].  Koefisien konveksi eksternal dapat dihitung menggunakan persamaan 13 berikut.
h ∞ = 5.7 + 3.8 v ∞ (13)
Selain  menggunakan  persamaan perpindahan  panas  konveksi  dan  konduksi, untuk  menghitung  perpindahan  panas  di celah  udara dry  cask  storage ,  dapat digunakan  persamaan  aliran  udara  alami yang disebabkan oleh perbedaan temperatur antara  dua  ruang  yang  terhubung  yaitu antara inlet dan outlet ventilasi dry  cask storage .
F = C d A √ 2𝛥𝑃 𝜌 (14)
Perbedaan  tekanan  udara  pada air  gap menggunakan persamaan berikut; [18]
∆𝑃 𝑖 =  ½ (𝑧 1 +  𝑧 2 ) 𝑔 (𝜌 𝑖 – 𝜌 𝑜 ) (15)
Aliran udara yang masuk dan keluar dry cask storage dapat dihitung:
𝐹 =   𝐶 𝑑 𝐴√(𝑧 2 − 𝑧 1 )𝑔 (𝑇 𝑖 −𝑇 0 ) 𝑇 𝑖 (16)
kemudian
velocity dapat dihitung menggunakan persamaan (17) berikut.
𝑣 =   𝐶 𝑑 √(𝑧 2 − 𝑧 1 )𝑔 (𝑇 𝑖 −𝑇 𝑜 ) 𝑇 𝑖 (17)

## a.4.  Variasi tegangan
Variasi  tegangan  dilakukan  untuk mengetahui unjuk kerja atau respon temperatur pada permukaan canister ,
pengujian berikutnya adalah dengan melakukan buka dan tutup ventilasi dry cask storage .  Metode  buka  dan  tutup  ventilasi ini untuk  memastikan  terjadinya  aliran  udara secara  natural  konveksi  dari  ventilasi  inlet mengalir  melalui air  gap dan  keluar  melalui ventilasi  outlet.  Secara  rinci  disajikan  pada Tabel 2 berikut.
Tabel 2. Variasi tegangan pada canister Tegangan  (Volt) Status Ventilasi 50 Tutup 75 Tutup 100 Tutup 125 Tutup 100 Buka 125 Buka 150 Buka 175 Buka b. Simulasi Studi dengan metode mengoptimalkan  desain dry  cask  storage untuk bahan bakar nuklir bekas di Indonesia pernah  dilakukan,  sistem  pendingin  pasif pada dry  storage yang  menggunakan  efek stack dapat  menurunkan  temperatur  ke parameter  yang  aman  [2].  Desain dry  cask storage pada  penelitian  ini  menggunakan celah udara, sehingga perpindahan panasnya dilakukan secara natural konveksi. ANSYS Fluent software menghitung persamaan  antara  temperatur  dan  aliran udara  dalam dry  cask  storage ,  model  aliran laminar digunakan dalam simulasi ini.
Pemodelan Dinamik Pendinginan Bahan Bakar Nuklir Bekas Reaktor Riset Secara Natural Konveksi  Pada Prototipr Dry Cask Storage
(Arifin Istavara, Ratiko, Hendra Adhi Pratama, Nasruddin)

## b.1. Heat removal
Hasil eksperimen digunakan sebagai dasar  untuk  kegiatan  simulasi,  nilai  yang diperoleh tersebut disimulasikan
menggunakan Ansys  fluent  software untuk memastikan  dan  mengamati  perilaku  aliran udara  panas  dari  natural  konveksi  dalam desain dry  cask  storage tersebut  berfungsi dengan  baik,  selain  itu  simulasi  digunakan untuk membandingkan hasil dari eksperimen dan  perhitungan  matematis,  sehingga  agar mudah  untuk  diperoleh  hasil  analisi  yang lebih  akurat.    Data  yang  diamati  adalah temperatur perpindahan panas dalam °C dan kecepatan aliran dalam m/s. Desain dry cask storage yang  akan  disimulasikan  digambar menggunakan Solidwork software , Gambar 4 menunjukkan  gambar  desain dry  cask storage sesuai  prototipe  yang  digunakan untuk simulasi.
Gambar 4.  Desain dry  cask  storage yang digunakan untuk simulasi
b.2. Computational Fluid Dynamics (CFD) setup
Pressure-based  solver digunakan untuk menyelesaikan simulasi secara umum dan  setting  waktu  dalam    kondisi  transient. Perhitungan menggunakan setting Pressure- based  Semi-Implicit  Method  for  Pressure- Linked  Equations  (SIMPLE),  Pressure- Velocity  Coupling,  the  least-squares  cell- based  gradients dan second-order  wind methods untuk  setting  momentum  dan energi.
Metode  inisialisasi  yang  digunakan adalah standar inisialisasi dengan
perhitungan dimulai dari inlet . Run Calculation dengan setting  Number  of  time steps 1000, time  step  size 0,01  s  dan max iterations / time step 20.

## b.3. Boundary conditions
Simulasi menggunakan ukuran prototipe  seperti  pada  Gambar  1  dan  4, bahan yang digunakan untuk canister adalah stainless  steel ,  udara  digunakan  sebagai fluida  kerja  pada  air  gap,  dan  momentum setup pada velocity spesifik  menggunakan metode magnitude  and  direction [19]. Temperatur  lingkungan  24,0  °C digunakan untuk inlet ventilasi  dan setup aliran  udara hanya menggunakan natural konveksi (tidak memakai  aliran  paksa). Heat  flux pada permukaan canister 69,77 watt/m 2 menyesuaikan heat yang  diberikan  pada canister. Pengaturan tekanan dan kecepatan udara menggunakan kondisi sekitar/ lingkungan  (ruang  laboratorium).  Outlet ventilasi  menggunakan  pengaturan  default (tidak  ada  perubahan outlet setup ventilasi/ otomatis  menggunakan setup nilai  standar yang  sudah  disediakan.      dan  untuk  ukuran ventilasi  yang  digunakan  simulasi  adalah 250x70 mm.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis heat removal pada penelitian  ini  dilakukan  dengan  eksperimen skala  laboratorium,  perhitungan  teoritis  dan simulasi menggunakan ansys fluent software .    Pendinginan  secara  natural konveksi  pada  desain  ini  diamati  dan dianlisis,  agar  kelayakan  desain  dapat diketahui.
a.  Eksperimen  menggunakan  prototipe dry cask storage

## a.1. Variasi  tegangan  dengan  ventilasi tertutup
Eksperimen  ini  dilakukan  untuk mengetahui  unjuk  kerja  respon canister terhadap  panas  yang  dialirkan  dari  kawat nikelin, sehingga dari variasi tegangan yang sebanding  dengan  panas  yang  diberikan dapat diketahui desain canister dengan lilitan kawat nikelin berfungsi dengan baik. Respon canister disajikan pada Gambar 5 berikut.
Urania : Jurnal Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir (Vol. 28 No. 2 Tahun 2022) 113 – 124
Pemodelan Dinamik Pendinginan Bahan Bakar Nuklir Bekas Reaktor Riset Secara
Natural Konveksi  Pada Prototipe Dry Cask Storage
(Arifin Istavara, Ratiko, Hendra Adhi Pratama, Nasruddin)
Gambar 5. Respon temperatur canister ( t c ) terhadap tegangan dengan ventilasi tertutup.
Gambar  5  menunjukkan  bahwa desain  canister  yang  diberi  lilitan  kawat nikelin berfungsi dengan baik, terlihat respon dengan  variasi  tegangan  yang  sebanding dengan  temperatur  canister  menunjukkan kestabilan diantara variasi tegangan tersebut,  semakin  besar  tegangan  semakin tinggi temperatur canister , sehingga canister dapat  digunakan  untuk  mewakili  panas peluruhan  BBNB  dengan  temperatur  sesuai yang  dibutuhkan,  temperatur  disesuaikan dengan setting  voltage  regulator .  Nilai  rata- rata  temperatur  saat  stabil  setiap  tegangan disajikan pada Tabel 3.
Tabel 3.  Nilai temperatur rata-rata saat stabil dari variasi tegangan dengan ventilasi tertutup. Tegangan (Volt) t c (°C) 50 33,4 75 40,7 100 53,0 125 56,6 a.2. Variasi  tegangan  dengan  ventilasi terbuka Eksperimen ini menggunakan ventilasi terbuka dengan ukuran 250x70 mm, variasi  tegangan  dilakukan  bertujuan  untuk memastikan  bahwa  terjadi  aliran  udara secara natural konveksi melalui ventilasi inlet mengalir melalui air gap yang bersinggungan dengan canister (terjadi proses perpindahan panas) kemudian aliran udara keluar melalui ventilasi  outlet.  Respon canister terhadap pendinginan secara natural konveksi disajikan pada Gambar 6.
Gambar  6  membuktikan  bahwa terjadi  aliran  udara  melalui  ventilasi inlet kemudian  mengalir  melewati air  gap dan bersinggungan dengan
canister,
persinggungan ini yang berpengaruh terhadap penurunan temperatur canister dari pendinginan  natural  konveksi,  udara  dari air gap kemudian keluar melalui ventilasi outlet.
Nilai  rata-rata  temperatur  saat  stabil  setiap tegangan disajikan pada Tabel 4
Tabel 4.  Nilai temperatur rata-rata saat stabil dari variasi tegangan dengan ventilasi terbuka Tegangan (Volt) t c (°C) 100 36,9 125 41,8 150 43,3 175 44,9 Hasil  eksperimen  yang  disajikan menunjukkan bahwa selain dilakukan secara natural konveksi melalui air gap, pendinginan juga  dilakukan  secara  konduksi  melalui hambatan  termal  dinding dry  cask  storage sesuai  persamaan (2)  (4),  aliran  udara mendinginkan canister secara natural konveksi  masuk  melalui  inlet  dan  mengalir melalui air  gap kemudian  keluar  melalui ventilasi outlet dengan velocity yang  dapat terukur  sesuai  persamaan  (17)  .  Tabel  5 menyajikan perbandingan antara saat ventilasi  ditutup  dan  dibuka,  membuktikan aliran udara natural konveksi sangat berpengaruh  terhadap  pendinginan canister secara  signifikan.  Selisih t c untuk  tegangan 100V  senilai  16,1  °C  dan  14,8  °C  untuk tegangan 125 V.
Pemodelan Dinamik Pendinginan Bahan Bakar Nuklir Bekas Reaktor Riset Secara Natural Konveksi  Pada Prototipr Dry Cask Storage
(Arifin Istavara, Ratiko, Hendra Adhi Pratama, Nasruddin)
Gambar 6. Respon temperatur canister (t c ) terhadap tegangan dengan ventilasi terbuka
Tabel 5.  Perbandingan  tutup  dan  buka ventilasi terhadap temperatur canister Tegangan (Volt) Ventilasi tertutup t c (°C) Ventilasi terbuka t c (°C) Penurunan t c (°C) 100 53,0 36,9 16,1 125 56,6 41,8 14,8 Dari data eksperimen untuk
tegangan  175  V  dengan  ventilasi  terbuka dapat disajikan secara utuh pada Gambar 7
Berdasarkan hasil eksperimen yang
ditampilkan  pada  Gambar  7  menunjukkan bahwa respon temperatur di dalam dry cask storage dengan  8  termokopel,  dengan temperatur ambient 23,5 °C sebagai temperatur  inlet  ( t i n ),  diperoleh  temperatur rata-rata saat stabil pada canister ( t c ) senilai 44,9 °C dan temperatur air gap ( t ag ) rata-rata 25,8 °C. Aliran udara secara natural konveksi yang terjadi membuktikan bahwa desain dry cask storage berfungsi dengan baik, perilaku aliran  natural  konveksi  dapat  dilihat  pada Gambar  8  dan  9  dari  hasil  simulasi  sebagai pembanding.
Gambar 7. Pendinginan natural konveksi dan hambatan termal pada tegangan 175 V.
b. Simulasi desain dry cask storage
Simulasi ini bertujuan untuk mengamati  dan  menganalisa  aliran  udara natural  konveksi  pada air  gap ,  temperatur canister dan velocity pada  desain dry  cask
storage .  Ukuran  ventilasi  yang  digunakan 250x70 mm sesuai desain pada Gambar 8. Natural  konveksi  dapat  dilihat  pada kontur  temperatur  yang  dihasilkan,  aliran udara  masuk  dengan  temperatur  23,5  °C
Urania : Jurnal Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir (Vol. 28 No. 2 Tahun 2022) 113 – 124
Pemodelan Dinamik Pendinginan Bahan Bakar Nuklir Bekas Reaktor Riset Secara
Natural Konveksi  Pada Prototipe Dry Cask Storage
(Arifin Istavara, Ratiko, Hendra Adhi Pratama, Nasruddin)
melalui air gap pada kontak canister dengan Heat  flux sebesar  69,77  watt/m2.  Pada simulasi  hasil CFD  Post dan  kontur  warna didapatkan  temperatur  permukaan  canister rata-rata 65 °C dan air velocity pada ventilasi outlet rata-rata  0,39  m/s,  simulasi heat removal menggunakan Ansys fluent software ditunjukkan pada Gambar 8 dan 9 berikut.
Gambar 8. Kontur  temperatur  canister  dari pengaruh natural konveksi
Sesuai  dengan  persamaan  (2)  (4) (15) dan (17), Gambar 8 dan 9 menunjukkan aliran  udara  masuk  dari  ventilasi inlet kemudian mengalir melalui air gap dan udara yang mengalir tersebut bersentuhan dengan canister,  aliran  udara  terjadi  terus  menerus yang  berpengaruh  terhadap  penurunan panas canister , udara mengalir keluar melalui ventilasi outlet . Pendinginan natural konveksi terjadi di sepanjang permukaan canister , dari kontur  temperatur  terlihat  arah  aliran  udara panas  menuju  ventilasi outlet .  Berdasarkan persamaan (2) (4) (15) dan (17), simulasi ini membuktikan bahwa desain dry cask storage dapat  berfungsi  dengan  baik  dan  dapat digunakan sebagai referensi pembuatan dry cask storage dengan  ukuran sebenarnya.
Gambar 9. Kontur stream lines arah aliran air velocity
Tabel 6 membandingkan temperatur canister eksperimen,  perhitungan  teori  dan simulasi, perhitungan temperatur canister (t c ) secara teoritis dihitung menggunakan persamaan (2) (5) dengan R total 0,342 dan t ag rata-rata  25,8°C,  perhitungan  teoritis  untuk velocity menggunakan  persamaan  (17) dengan elevasi ventilasi 1,2 m.
Komparasi antara eksperimen, kalkulasi  teori  dan  simulasi  dari  nilai temperatur canister dan velocity pada Tabel 6  menunjukkan  nilai  kalkulasi  teori,  dan simulasi sedikit lebih tinggi, ini kemungkinan dikarenakan saat eksperimen terjadi kehilangan  panas  kelingkungan, dan  alasan lain kemungkinan pada perhitungan teori dan simulasi  tidak  ada  asumsi  kebocoran  pada selongsong  alat  ukur  yang  menyebabkan kehilangan panas.
Tabel 6.  Perbandingan  temperatur  rata-rata canister dan velocity pada eksperimen,  perhitungan teori dan simulasi.
175 V Vent 250x70 mm t c eksperimen (°C) t c perhitungan teori (°C) t c simulasi (°C) 44,9 49,7 65 v eksperimen (m/s) v perhitungan teori (m/s) v simulasi (m/s) 0,20 0,25 0,39
Pemodelan Dinamik Pendinginan Bahan Bakar Nuklir Bekas Reaktor Riset Secara Natural Konveksi  Pada Prototipr Dry Cask Storage
(Arifin Istavara, Ratiko, Hendra Adhi Pratama, Nasruddin)

## KESIMPULAN
Unjuk  kerja canister menunjukkan kinerja  yang  baik  saat  merespon  variasi tegangan  operasi  normal,  semakin  besar tegangan  yang  diberikan,  maka  semakin tinggi temperatur pada permukaan canister .
Hasil eksperimen menunjukkan bahwa  pendinginan canister secara  natural konveksi  sangat  efektif  dan  menurunkan temperatur canister secara signifikan. Berdasarkan  data  eksperimen,  perhitungan teori  dan  simulasi  bahwa  desain dry  cask storage ini dapat digunakan sebagai referensi untuk pembuatan dry cask storage ukuran sesungguhnya (1 : 1).
Penelitian lebih lanjut untuk menentukan  nilai  hambatan  termal  yang berkorelasi  dengan  material  proteksi  radiasi perlu  dilakukan,  sehingga  desain dry  cask storage selain dapat menurunkan temperatur kelongsong  BBNB  juga  dapat  menahan radiasi.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terima  kasih  disampaikan kepada Laboratorium Teknologi Aerodinamika, Aeroelastika, dan Aeroakustika –  BRIN  yang  telah  membantu dalam  pelaksanaan  simulasi  CFD  sehingga naskah ini dapat diselesaikan sepenuhnya.

## Nomenclatures
T 1 : Temperature surface canister (K) T i : Temperature in cask (K) T 2 : Temperature surface air gap (K)
T o : Temperature out cask (K) T 3 : Temperature surface SS1 (K) N u : Nusselt number
T 4 : Temperature air (K) Ra : Rayleigh number T 5 : Temperature surface SS2 (K) Pr : Prandtl  number T ∞ : Temperature ambient (K)
Gr : Grashof number
h ag : Air gap thermal conv coefficient (W/m 2 K) C p : Specific heat (J/kg K) L c : The characteristic length of the geometry (m) β : Expansion coefficient (K −1 ) L SS : Stainless Steel length (m) g : Gravity (m/s 2 )
k : Thermal conductivity (W/mK) µ : Dinamic viscosity (kg/m s) k SS : Thermal conductivity SS 14.4 W/mK t : Temperature (°C)
𝑄̇ : Heat transfer rate (Watt) C d : Discharge coefficient
A c : Surface area canister (m 2 ) ρ : Density (kg/m 3 ) A ss : Surface area SS (m 2 ) ρ i : Air inlet density (kg/m 3 ) T c : Temperature surface canister (K) ρ o : Air outlet density (kg/m 3 ) T ag : Temperature air gap (K) ∆𝑃 𝑖 : Pressure difference (Pa)
R : Material thermal resistance (K/W) z 1 : Elevation 1 (m) R ag : Air gap thermal resistance (K/W)
z 2 : Elevation 2 (m) R total : Total thermal resistance (K/W) v : Velocity (m/s) r 2 : Outer radius air gap (m)
F : Air flow rate (m 3 /s) r 3 : Outer radius SS-1 (m) h ∞ : Thermal coefficient (W/m 2 K) r 4 : Outer radius air (m) v ∞ : Velocity (m/s) r 5 : Outer radius SS-2 (m) h ag : Thermal coefficient (W/m 2 K)

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Ratiko,  et  al., “Current  and  future strategies  for  spent  nuclear  fuel management  in  Indonesia ” Energy Strategy  Reviews ,  vol.  32,  p.  100575, 2020.
[2].  Ratiko,  et  al., “Optimization  of  dry storage  for  spent  fuel  from  GA Siwabessy  nuclear  research  reactor ”, Int. J. Technol. , 2018.
[3].  J. Bae, R. Bean, and R. Abboud, “CFD analysis  of  a  dry  storage  cask  with advanced  spent  nuclear  fuel  cask additives ”, Ann.  Nucl.  Energy ,  vol.145, p. 107610, 2020.
[4].  NRC, “Spent  fuel  project  office  interim staff guidance ,” 2003.
[5].  A. Arkoma, et al., “Calculation chain for the  analysis  of  spent  nuclear  fuel  in long-term  interim  dry  storage ,”Ann. Nucl.  Energy ,  vol.119,  pp.129-138,
2018.
Urania : Jurnal Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir (Vol. 28 No. 2 Tahun 2022) 113 – 124
Pemodelan Dinamik Pendinginan Bahan Bakar Nuklir Bekas Reaktor Riset Secara
Natural Konveksi  Pada Prototipe Dry Cask Storage
(Arifin Istavara, Ratiko, Hendra Adhi Pratama, Nasruddin)
[6].  Ratiko, et al. “Multi-objective optimization  of  ventilation  and  air conditioning  system  at  Interim  Storage for Spent Nuclear Fuel .” 3rd International  Conference  on  Power
Generation  Systems  and  Renewable Energy Technologies (PGSRET) . 2017.
[7].  C. H. Cho, et al., “Cost comparisons of wet and dry interim storage facilities for PWR spent nuclear fuel in Korea ” , Ann. Nucl. Energy , vol. 38, no.5, pp. 976-981, 2011.
[8].  M. G. El-Samrah, A.F. Tawfic, and S.E. Chidiac, “Spent nuclear fuel interim dry storage;  Design  requirements,  most common  methods,  and  evolution:  A review ,” Ann. Nucl. Energy , vol. 160: p. 108408, 2021.
[9].  IAEA,  Safety  Standards  SSR-6  (rev.1) Regulations  for  the  safe  transport  of radioactive material. 2018.
[10]. J. Li, and Y.Y. Liu, “Thermal modeling of a  vertical  dry  storage  cask  for  used nuclear  fuel ”, Nucl.  Eng.  Des ,  vol.  301, pp. 74-88, 2016.
[11]. Y.  H.  Wang,  et  al., “Heat  removal  and hybrid  ventilation  characteristics  of  a vertical  dry  storage  cask  for  spent nuclear  fuel ”, Nucl.  Eng.  Des ,  vol.  378, p. 111183, 2021.
[12]. Ratiko, et al., “Theoretical  and Experimental  Analysis  on  Influence  of Natural  Airflow  on  Spent  Fuel  Heat
Removal in Dry Cask Storage ”, Sustainability ,  vol.14,  no.3,  p.  1859, 2022.
[13]. S.  Alyokhina, “Thermal  analysis  of certain accident conditions of dry spent nuclear  fuel  storage ,” Nucl.  Eng. Technol. ,  vol.50,  no.5,  pp.717-723,
2018.
[14]. D.  Shin,  U.J.,  G.  Jeun,  and  S.  J.  Kim, “CFD  Analysis  of  Natural  Convection Flow  Characteristics  of  Various  Gases in the Spent Fuel Dry Storage System ,”
Journal of Fluid Machinery , vol. 19, pp.
19 –28, 2016.
[15]. S. Alyokhina, and A. Kostikov,
“Unsteady  heat  exchange  at  the  dry spent  nuclear  fuel  storage ,” Nucl.  Eng. Technol. ,  vol.  49,  no.7,  pp.  1457-1462, 2017.
[16]. A.  Yunus,  A.J.G  Cengel, “Heat  and mass transfer: fundamentals and applications , ” 2015.
[17]. A.  Wahid,  T.  Sundari,  and  R.  Ratiko, “Dynamic modeling and controlling of a spent  nuclear  fuel  storage  pool  under periodic  operation  and  station  blackout conditions ”, Ann. Nucl. Energy , vol. 166, p. 108751, 2022.
[18]. Ratiko,  et  al., “Quantification  of  the impact of temperature difference between  two  connected  indoor  spaces on 222Rn concentration ”, Build. Environ. , vol.149, pp. 322-329, 2019.
[19]. J.S.  Ghani, U.S.NRC  Computational Fluid Dynamics Best Practice Guidelines  for  Dry  Cask  Applications. 2013.