## ANALISIS PARAMETER KINETIK DAN TRANSIEN TERAS KOMPAK REAKTOR RSG-GAS
Iman Kuntoro 1) , Surian Pinem 2) , Tagor Malem Sembiring 1. Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir, BATAN 2)
2. Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir, BATAN
Diterima editor 10 Agustus 2010 Disetujui untuk dipublikasi 28 September 2010
Abstrak ANALISIS  PARAMETER  KINETIK  DAN  TRANSIEN  TERAS  KOMPAK  REAKTOR RSG-GAS .  Dalam  rangka  meningkatkan  efisiensi  penggunaan  bahan  bakar  reaktor  RSG-GAS telah dilakukan studi penentuan teras kompak. Hasil perhitungan parameter neutronik menunjukkan bahwa  teras  kompak  dengan  menutup  empat  fasilitas  iradiasi  (IP)  dengan  elemen  bakar  dapat meningkatkan siklus operasi 23,6 %. Selanjutnya perlu dilakukan penentuan parameter kinetik dan analisis  transien  teras  kompak  untuk  mengetahui  keselamatan  operasi  reaktor.  Perhitungan dilakukan  dengan  menggunakan  program  WIMS/D4  untuk  generasi  konstanta  difusi  sel  elemen bakar dan MTRDYN untuk menentukan parameter kinetik dan analisis transien. Hasil perhitungan menunjukkan  bahwa  harga  fraksi  neutron  kasip  total  teras  kompak  naik  2  %  dan  umur  neutron serempak  turun  8,3 % dibandingkan dengan teras  setimbang.  Temperatur  maksimum  bahan  bakar saat transien pada daya awal 1 W adalah 71,64 0 C dan pada daya 1 MW adalah 129,60 0
Kata Kunci: parameter kinetik, transien, reaktor
C. Hasil ini menunjukkan bahwa teras kompak RSG-GAS aman digunakan sebagai teras alternatif.

## ABSTRACT
KINETIC  PARAMETERS  AND  TRANSIENT  ANALYSIS  FOR  COMPACT  CORE  OF  THE RSG-GAS REACTOR . For increasing the efficiency of fuel element of the RSG-GAS reactor, some alternative  configuration  has  been  searched  to  obtain  a  compact  core  configuration.  Calculation result  of  the  neutronics  parameters  that  the  compact  core  with  insertion  fuel  element  to  all irradiation facility (IP) can increase operation cycle length to about 23.6 %. Then, it is necessary to calculate the kinetic parameters and transient analysis of the compact core to verify the reactor operation  safety.  Calculations  were  performed  by  means  of  WIMS/D4  and  MTRDYN  code  for generation of cell diffusion constants and for kinetic parameters and transient analysis respectively. The result showed that the total delayed neutron fraction of compact core increases by 2 % and the prompt neutron lifetime decreases 8.3 % compared to the equilibrium core. Maximum temperature of  the  fuel  element  at  transient  at  initial  power  of  1  W  is  71.64 0 C  and  at  the  power  1  MW  is 126.60 0 C. The result showed that the compact core of RSG-GAS reactor can be used as alternative core safely.
Keywords: kinetic parameter, transient, reactor.

## PENDAHULUAN
Untuk meningkatkan efesiensi operasi reaktor RSG-GAS telah dilakukan pengkajian berbagai  bentuk  teras  kompak  berdasarkan  aspek  neutronik  statik.  Hasil  perhitungan menunjukkan bahwa teras kompak diperoleh dengan pengurangan semua fasilitas iradiasi (4 buah  IP)  di  teras    masih  memiliki  parameter  neutronik  yang  sesuai  dengan  syarat keselamatan  dan  batasan  desain.  Teras  kompak  ini  juga  akan  menaikkan  pemanfaatan reaktor  dengan  naiknya  panjang  siklus  operasi  sebesar  23,6%  yaitu  760  MWD  dan  fluks neutron  termal  rerata  di  fasilitas  iradiasi  dalam  teras naik  sebesar  16,7%  dan  sistem rabbit naik  sebesar  4,1% [1].  Selanjutnya  perlu  dilakukan  evaluasi  karakteristik  kinetika  reaktor yaitu  mengetahui  parameter  kinetik  dan  analisis  transien  daya  teras  kompak  tersebut  yang akan menggambarkan tingkat keselamatan operasi reaktor.
Perhitungan  dilakukan  dengan  menggunakan  program  MTR-DYN  yang  merupakan gabungan  modul  perhitungan  neutronik  dan  modul  perhitungan  termohidraulik  dalam  3- dimensi[2,3],  sehingga  dapat  menyelesaikan  interaksi  dan  umpan  balik  setiap  perubahan parameter  neutronik  dan  thermohdraulik.  Program  MTR-DYN  adalah  gayut  ruang  dan waktu, teori difusi banyak kelompok didasarkan pada program analisis transien reaktor riset. Program ini didesain untuk model transien kritikalitas reaktor riset ketika terjadi perubahan reaktivitas dan atau gangguan sistem pendingin terjadi.
Dalam  modul  neutronik  dilakukan  perhitungan  parameter  kinetika  reaktor  dimana parameter  ini  sangat  penting  dalam  analisis  transien  reaktor  [4,5].  Untuk  menggenerasi konstanta  kelompok  difusi  untuk  tiap-tiap  bahan  bakar    dan  untuk  berbagai  temperatur elemen  bakar  dan  temperatur  pendingin  dan  kerapatan    digunakan  program  WIMS/D4[6]. Tampang  lintang  material    bukan  bahan  bakar  seperti  beriliium,  reflektor,  air  dan  batang kendali  (Ag-In-Cd) juga  dilakukan  generalisasi.  Tampang  lintang  ini  digunakan  dalam perhitungan difusi 3D.  Sementara itu, dalam modul termohidraulika dilakukan perhitungan perubahan temperatur akibat reaktivitas umpan balik Doppler, perubahan rasio elemen bakar terhadap  moderator  termasuk  dalam  persiapan  tampang  lintang.  Konduksi  kalor  dalam elemen  bakar  dipertimbangkan  dalam  waktu  dan  ruang  menggunakan  metode finite- difference dan hanya dalam arah radial.
Analisis transien daya dilakukan untuk dua kondisi yaitu transien pada daerah start- up dengan daya awal 1 W dan transien pada daerah daya dengan daya awal 1 MW. Hal ini diperlukan untuk melihat pengaruh umpan balik reaktivitas bahan bakar  terhadap kenaikan daya reaktor. Hasil perhitungan akan memberikan karakteristik daya dan temperatur bahan bakar,  kelongsong  dan  pendingin  reaktor  setelah  terjadinya  gangguan  reaktivitas.  Hasil utamanya  adalah  temperatur  maksimum  yang  terjadi  pada  kondisi  transien  yang  harus diverifikasi dengan batas operasional karena merupakan ukuran tingkat keselamatan operasi reaktor ditinjau dari segi integritas bahan bakar reaktor.

## TERAS KOMPAK RSG-GAS
Sejak  tahun  1987  reaktor  RSG–GAS  dioperasikan  denga  teras  nominal  dengan  40 buah  elemen  bakar  standard  dan  8  buah  elemen  bakar  kendli  serta  fasilitas  iradiasi  dalam teras.  Dalam  perkembangan  operasi  reaktor,  ternyata  4  fasilitas  iradiasi  dalam  teras  yang disediakan  untuk  pengujian  bahan  bakar  nuklir  tidak  digunakan.  Akhirnya  timbul  ide bagaimana  merancang  suatu  teras  reaktor  yang  kompak  artinya  teras  terkecil,  sesedikit mungkin berisi fasilitas iradiasi dengan memindahkan nya di daerah pinggir atau luar teras. Dengan  demikian  akan  diperoleh  reaktivitas  yang  lebih  besar  sehingga  reaktor  dapat
dioperasikan  dengan  siklus  lebih  lama.  Studi  penentuan  teras  kompak  dilakukan  dengan batasan tidak boleh mengubah batasan keselamatan sistem pendingin reaktor dan reaktivitas. Hasil  studi  mengusulkan  agar  teras  kompak  optimum  adalah  tetap  berisi  40  elemen  bakar dan 8 batang kendali dan 4 buah posisi iradiasi dalam teras (IP-1, IP-2, IP-3 dan IP-4) diisi dengan elemen bakar dari daerah pinggir dan ditambah 4 elemen berillium di tempat elemen bakar yang digeser seperti dilukiskan pada Gambar 1. Posisi IP: B-6, D-9, G-7 dan E-4 diisi bahan bakar dari posisi A-9 ke B6, A-4 ke D-9, H-9 ke G-7 dan H-4 ke E-4 sedangkan posisi tersebut diisi dengan elemen berilium.
BS B B B B BS B B B B B EB 2 EB 3 EB 5 EB 2 BS NS B BS B EB 3 EB 2 EK 6 EB 7 EB 7 EB 6 B B EB 1 EB 8 EK 3 EB 4 EB 8 EK 1 EB 8 EB 1 EB 2 EB 6 EB 7 EK 8 EB 4 B EB 4 EK 7 EB 8 EB 6 EB 3 B EB 1 EB 7 EK 2 EB 6 EB 4 EK 4 EB 8 EB 2 B B EB 6 EB 7 EB 5 EK 5 EB 3 EB 4 B B B B EB 1 EB 3 EB 5 EB 1 B B BS B BS B B B B B BS B BS B PN RS HY RS HY RS HY RS HY RS B B 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Beryllium Block Reflector A B C D E F G H J K P R T F EB 5 CIP EB 5 CIP CIP CIP
Gambar 1. Teras kompak teras reaktor RSG-GAS.

## METODE PERHITUNGAN
Perhitungan dilakukan dalam tiga langkah yaitu penentuan konstanta kelompok difusi dari  sel,  penentuan  parameter  kinetik  dan  terakhir  analisa  transien  daya  akibat  gangguan reaktivitas saat reaktor sedang beroperasi.
Generasi  sel  elemen  bakar  reaktor  RSG-GAS  dilakukan  dengan  paket  progam WIMS/D4  untuk  memperoleh  tampang  lintang  makroskopis  fisi, 6 f.    Tampang  lintang tersebut  dihitung  dengan  laju  reaksi  fisi  untuk  isotop  dapat  belah  235U,  238U  dan  239Pu untuk mendapatkan konstanta 6 f-nya. Ketiga isotop ini dipilih karena dominan dibandingkan dengan isotop belah lain penyusun bahan bakar dalam menentukan 6 f bahan bakar. Tampang lintang  makroskopis, 6 f  digenerasi  untuk  beberapa  langkah  fraksi  bakar  dengan  rentang
diantara  0  – 90  %  (hilangnya  235U).    Kemudian  disusun  dalam  sebuah  pustaka,  sehingga dapat dengan  mudah  dilakukan interpolasi cubic spline untuk mendapatkan 6 f  yang sesuai dengan tingkat fraksi bakar di teras. Jumlah rerata neutron kasip per fisi, Q d, untuk 4 buah isotop  dapat  belah  diambil  dari  data  dari Tuttle ,  sedangkan  data  spektrum  neutron  kasip diambil dari Saphier karena hal ini yang paling sesuai dengan reaktor RSG-GAS[7]. Perhitungan  menggunakan  model  geometri  ¼  teras  reaktor.  Perhitungan  neutronik dilakukan  dengan  menggunakan  model  adiabatik  dimana  persoalan  difusi  neutron  banyak kelompok  gayut  waktu  diselesaikan  dengan  pendekatan  faktorisasi  fluks,  dimana  fluks neutron dibagi kedalam amplitudo gayut waktu. Perhitungan menggunakan model adiabatik, pertama, perbedaan antara spektrum neutron kasip dan neutron serempak diabaikan. Dengan kata  lain,  neutron  serempak  dari  prekursor  dianggap  lahir  pada  waktu  yang  sama  dengan neutron serempak. Kedua, semua turunan waktu dari amplitudo dan fungsi bentuk diabaikan. Dalam  program  MTR-DYN  model  polinomial  digunakan  untuk  mempertimbangkan perubahan  tampang  lintang  karena  perubahan  temperatur clading/fuel meat  dan  perubahan temperatur moderator. Pada setiap kondisi kasus dilakukan perhitungan parameter neutronik, hal  ini  berhubungan  dengan  parameter  termohidraulik  dimana  distribusi  fluks  neutron berubah  maka  distribusi  perbandingan  panas  juga  berubah.  Perhitungan  ini  juga memperhitungkan perubahan parameter kinetik akibat perubahan fraksi bakar dan temperatur dalam teras reaktor.
Analisis transien daya dilakukan dalam dua kondisi yaitu transien pada daerah start- up dengan  daya awal 1  W dan  transien  pada daerah  daya dengan  daya awal 1 MW, untuk mengetahui tanggap reaktor terhadap adanya gangguan atau insersi reaktivitas kedalam teras reaktor.  Untuk  kedua  kondisi  teraebut,  gangguan  insersi  reaktivitas  disimulasi  dengan penarikan batang kendali secara cepat. Dalam analisis transien parameter utama dimulai dari kondisi awal tunak ( steady state ) ditunjukkan dalam Tabel 1.
Tabel 1. Parameter utama perhitungan kondisi transien teras kompak reaktor RSG-GAS
Parameter Kondisi start-up Kondisi daya Daya awal (W) 1,0 1.10 6 Reaktivitas ramp (pcm/s) 28,2 28,2 Reaktivitas pancung (pcm) -2200 -2200 Level trip daya (MW) 4,5 34,2 Delay dan trip awal (s) 0,5 0,5 Waktu jatuh batang kendali (s) 0,5 0,5 Temperatur masuk pendingin ( O 44,5 C) 44,5 Tekanan pendingin pada teras (MPa) 2,0 2,0

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil perhitungan fluks neutron termal teras kompak disajikan dalam Tabel 3. Untuk parameter  fluks  neutron  termal  rerata  di  CIP  terjadi  kenaikan  16,7%  dibandingkan  teras acuan  (teras RSG-GAS). Sama halnya dengan fluks neutron termal rerata di sistem rabbit , lebih besar 4,1% dari teras acuan.

## Tabel 3. Perbandingan parameter teras kompak dan teras acuan
Parameter Teras Acuan Teras kompak Fluks neutron termal (x10 14 n/cm 2 s) posisi CIP Jumlah posisi 8 4 Fluks neutron termal rerata 2,3023 2,6865 Fluks neutron termal terbesar 2,5107 2,7104 Fluks neutron cepat rerata 2,0660 1,9690 Fluks neutron cepat terbesar 2,2815 2,0003 Fluks neutron termal ( u 10 14 n/ cm 2 s 1 ) sistem rabbit : Jumlah posisi 5 5 Fluks neutron termal rerata 0,7746 0,8063 Fluks neutron termal terbesar 0,8041 0,8590 Fluks neutron cepat rerata 0,3150 0,3283 Fluks neutron cepat terbesar 0,3470 0,3718
Generasi konstanta difusi dari sel elemen bakar reaktor RSG-GAS dilakukan dengan paket  progam  WIMS/D4  untuk  memperoleh  tampang  lintang  makroskopis  yang  hasilnya langsung  digunakan  dalam  perhitungan  parameter  kinetik  dan  transien  menggunakan program  kopel  neutronik-termohidaulik  MTRDYN.  Hasil  perhitungan  parameter  kinetik teras kompak  berbahan  bakar silisida kerapatan  2,96 gU/cc reaktor  RSG-GAS ditunjukkan dalam  Tabel  2.  Harga  fraksi  neutron  kasip  total  bila  dibandingkan  dengan  teras  setimbang sekarang  dengan  bahan  bakar  silisida  2,96  gU/cc  terjadi  kenaikan  2  %  dan  umur  neutron serempak terjadi penurunan 8,3 %.
Tabel 2. Harga parameter kinetik teras kompak RSG-GAS
Kelompok Fraksi neutron kasip ( E k Konstanta peluruhan )
neutron kasip ( O k ) 1. 2.28141E-04 1.27000E-02 2. 1.55554E-03 3.17000E-02 3. 1.38353E-03 1.15000E-01 4. 2.97274E-03 3.11000E-01 5. 9.37735E-04 1.40000E+00 6. 1.907999E-04 3.87000E+00 Fraksi neutron kasip total: 7,32247E-03
Umur neutron serempak: 59,1483 P s
Kenaikan fraksi neutron kasip total karena adanya penambahan berillium dalam teras, sementara  penurunan  umur  neutron  rata-rata  karena  bertambahnya  plutonium  dalam  teras reaktor.  Perubahan  parameter  sebesar  ini  tidak  akan  mempengaruhi  pola  operasi  sehingga dari parameter kinetik teras kompak ini dapat digunakan.
Sementara itu, analisis transien dilakukan dengan insersi reaktivitas pada saat reaktor beroperasi daya 1 W dan 1 MW dengan simulasi menarik batang kendali secara mendadak sebesar 28,2 pcm/s. Fungsi amplitudo dan reaktivitas  yang diperoleh  selama transien  untuk daya  awal  1  W  dan  1  MW  masing-masing  ditunjukkan  pada  Gambar  2  dan  3.  Daya maksimum  yang  dicapai  sebelum  reaktor  scram  adalah  16,61  MW  dalam  waktu  25  sekon untuk  transien  1  W  dan  38,00  MW  dalam  waktu  25  sekon  untuk  transien  1  MW.  Dari Gambar 2 dan 3 terlihat bahwa kenaikan daya dan reaktivitas  pada pada insersi daya rendah lebih  tajam  dibandingkan  dangan  insersi  daya  1  MW  karena  sebagian  besar  reaktivitas
feedback datang  dari  elemen  bakar.  Hasil  transien  pada  daya  1  MW  menunjukkan  bahwa terjadi  penurunan  reaktivitas  total  sebelum  reaktor shutdown karena  dipengaruhi  oleh reaktivitas feedback dari kenaikan temperatur pendingin reaktor.
Gambar 2. Fungsi amplitudo dan reaktivitas pada transien pada daya 1 W Gambar 3. Fungsi amplitudo dan reaktivitas pada transien pada daya 1 MW 1 10 100 1000 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 8 16 24 32 40 48 Fungsu Amplitudo Reaktivitas ($) Waktu (s) 0.1 1 10 100 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 0 20 40 60 80 100 Fungsi Amplitudo Reaktivitas
Waktu (s)
Temperatur maksimum dalam teras untuk transien 1 W dan 1 MW ditunjukkan dalam Tabel 4. Temperatur maksimum pada pendingin sebesar 47,16 0 C, kelongsong 70,7 0 C serta elemen bakar sekitar 71,64 0 C saat insersi pada daya 1 W. Temperatur maksimum pendingin sebesar  67,12 0 C,  kelongsong  123,43 0 C  serta  pada  elemen  bakar  sekitar  124,6 0 C.  Hasil  ini menunjukkan  bahwa  temperatur  teras  kompak  RSG-GAS  dengan  bahan  bakar  silisida kerapatan  2,96  gU/cc  masih  dalam  batas  aman  karena  temperatur  operasi  elemen  bakar 145 0 C [8] sehingga masih jauh dari temperatur operasi reaktor RSG-GAS.
Tabel 4. Temperatur maksimum saat transien daya
Daya Temperatur maksimum ( O C) Pendingin Kelongsong bagian dalam Kelongsong bagian dalam Elemen bakar 1W 47,16 70,05 70,7 71,64 1 MW 67,12 121,82 123,43 124,60

## KESIMPULAN
Analisis  parameter  kinetik  dan  transien  teras  kompak  reaktor  RSG-GAS menggunaan  metode  kopel  neutronik-termohidraulik  MTRDYN  telah  dilakukan.  Hasil perhitungan  parameter  kinetik  menunujukkan  tidak  ada  perubahan  yang  signifikan dibandingkan teras setimbang reaktor RSG-GAS. Hal ini menunjukkan tidak ada perubahan pola operasi reaktor RSG-GAS jika digunakan teras kompak. Hasil analisis transien dengan insersi reaktivitas 28,2 pcm/s menunjukkan bahwa temperatur elemen bakar, kolongsong dan pendingin  masih  jauh  dari  batas  operasi,  artinya  kecelakan  reaktivitas  akibat  insersi reaktivitas baik pada daerah start-up maupun pada daya reaktor masih aman.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Eko  Sanjaya.  Analisis  konfigurasi  teras  kompak  reaktor  rsg-gas  dengan pengurangan jumlah posisi iradiasi. Skripsi, UGM, Jogyakarta; 2003.
2. Surian Pinem, Tagor M. S. Application of modelling on the transient simulation of RSG-GAS  reactor.  International  Conference  on  Mathematics  and  Natural Sciences, ICMNS; 2006 Nov 29-30; ITB, Bandung; 2006. p. 1056-7.
3. Surian  Pinem.  Analisis  insersi  reaktivitas  RSG-GAS  dengan  metode  kopel neutronik-termohidraulik. Jurnal Ilmiah Teknologi Reaktor, TRI DASA MEGA. 2006; 8: 40-5.
4. Ott  K.O.  Nuclear  Reactor  Dynamics.  American  Nuclear  Society,  Illinois,  USA; 1985.
5. Surian Pinem, Tagor  M.S. Analisis parameter kinetik RSG-GAS berbahan  bakar silisida dengan kerapatan 2,96 dan 3,55 gU/cc. MAJALAH BATAN. 2001; XXIV No.3/4: 80-9.
6. Roth, M.J. The Preparation of Input Data WIMS/D4.  New York; 1976.
7. Surian  Pinem,  TAGOR  M.S. Analisis  data  neutron  kasip  pada  perhitungan parameter kinetik teras RSG-GAS. Jurnal Fisika, HFI. 2003; A4: 0205-2.
8. Batan. Safety Analysis Report of RSG-GAS, Rev.8. Serpong; 2002