## Perhitungan Burn Up Model Assembly Heksagonal Pada Reaktor Scwr Menggunakan Bahan Bakar Thorium
Mey Puji Astuti*, Yanti Yulianti, Posman Manurung, dan Simon Sembiring
Jurusan Fisika, Universitas Lampung, Bandar Lampung, Indonesia, 35141
Article Information Abstract Article history: Received November 24th,
2021 Received in revised form December 17th, 2021 Accepted February 19th,
2022
Keywords: ASMBURN, burn up, SCWR, thorium The research about the calculation of burn-up model of the hexagonal assembly in SCWR reactor using thorium as fuel materials has been done. This research uses  thorium-232  and  uranium-233  as  fuel  materials.  Calculations  were performed using the ASMBURN code in the SRAC program, by determining fuel enrichment, cell radius, analyzing atomic density after burn up, increasing burn up level, and  change of linear  heat. The calculation results obtained show  the value of efficient fuel enrichment at 4% enrichment, with 0.3902 cm of fuel cell radius, 0.4508 cm of cladding, and 0.5586 cm of moderator. The atomic density of  Th 232 decreased  for  each  burn-up  period  meanwhile,  the  atomic  density  of U 233 ,  U 235 ,  and  Pu 239 increased.  The  k eff value  will  decrease  along  with  the addition of burn-up and greater change of linear heat.
Informasi Artikel Abstrak Proses artikel: Diterima 24 November 2021
Diterima dan direvisi dari 17 Desember 2021 Accepted 19 Februari 2022
Kata kunci: ASMBURN, burn up, SCWR, thorium.
Penelitian perhitungan burn up model assembly heksagonal pada reaktor scwr menggunakan  bahan  bakar  thorium  telah  dilakukan.  Penelitian  ini menggunakan  bahan  bakar  thorium-232  dan  uranium-233.  Perhitungan dilakukan  menggunakan  kode  ASMBURN  pada  program  SRAC,  dengan menentukan pengayaan bahan bakar, radius sel, menganalisis densitas atom setelah burn  up ,  penambahan burn  up ,  dan  perubahan  daya  linear.  Hasil perhitungan yang diperoleh menunjukkan nilai pengayaan bahan bakar yang efisien  yaitu  pada  penngayaan  4%,  dengan  radius  sel  bahan  bakar  sebesar 0,3902  cm, cladding 0,4508  cm,  dan  moderator  sebesar  0,5586  cm.  Nilai densitas  atom  Th 232 mengalami  penurunan  untuk  setiap  periode burn  up , sementara densitas atom U 233 , U 235 , dan Pu 239 mengalami kenaikan. Nilai k eff akan  mengalami  penurunan  seiring  dengan  penambahan burn  up dan  daya linear yang lebih besar.

## 1. Pendahuluan
Kebutuhan  energi  listrik  di  Indonesia  dan  juga  dunia  semakin  hari  semakin  bertambah.  Hal  ini  seiring dengan jumlah penduduk yang kian meningkat. Sumber-sumber energi terbarukan yang saat ini digunakan dinilai belum  mampu  untuk  memenuhi  kebutuhan  energi  listrik  di  Indonesia,  sehingga  dibutuhkan  sumber  energi alternatif  lain.  Salah  satu  sumber  energi  alternatif  yang  dapat  digunakan  yaitu  pembangunan  reaktor  sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) (Rijanti & Sahala, 2011).
Reaktor air berpendingin superkritis atau Supercritical Cooled Water Reactor (SCWR) merupakan salah satu jenis  reaktor  nuklir  generasi  IV.  Reaktor  SCWR pada  prinsipnya  merupakan  reaktor  air  rendah  atau Low  Water Reactor (LWR) yang dapat bekerja pada tekanan 25 MPa atau setara dengan 246,73 atm (Oka et al., 2003 ). Terdapat  dua  jenis  bahan  bakar  yang  biasa  digunakan  pada  reaktor  nuklir,  yaitu  bahan  bakar  fisil  dan bahan bakar fertil. Pada penelitian ini bahan bakar yang digunakan yaitu Th 232 yang bersifat fertil. Th 232 ini akan menghasilkan U 233 yang bersifat fisil jika menyerap neutron di dalam reaktor nuklir (Carrera et al ., 2008) . Dalam melakukan  analisis  reaktor  nuklir,  salah  satu  hal  yang  perlu  diperhatikan  yaitu  tingkat  kekritisan  berdasarkan nilai  faktor  multiplikasi  ( k eff )  sehingga  dapat  diperoleh  reaksi  fisi  berantai  yang  terkendali,  dan  reaktor  dalam keadaan kritis ( k eff = 1). Penelitian ini bertujuan untuk melakukan perhitungan burn up pada reaktor scwr dengan menggunakan model assembly heksagonal. Parameter yang digunakan yaitu persentase pengayaan bahan bakar, ukuran radius sel, dan densitas atom. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan kode ASMBURN pada program SRAC.

## JOURNAL OF ENERGY, MATERIAL, AND INSTRUMENTATION TECHNOLOGY
Journal Webpage https://jemit.fmipa.unila.ac.id/
Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology, Vol 3. No. 1, 2022
Astuti dkk, 2022/ J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 3 No. 1, 2022

## 2. Metode Penelitian
Penelitian  ini  dimulai  dengan  menentukan  desain assembly yang  akan  digunakan.  Selanjutnya  yaitu menentukan pengayaan dan meghitung densitas atom bahan bakar. Densitas atom bahan bakar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 1 berikut.
𝑁 = 𝜌 𝑁 𝐴 𝑀 (1)
dimana 𝑁 adalah  nilai  densitas  atom  (atom/cm 3 ), 𝜌 =  massa  jenis  (gr/cm 3 ), 𝑁 𝐴 adalah  Bilangan  Avogadro  (6,02  x 10 23 atom/mol), dan 𝑀 = Massa molekul (gr/mol).
Setelah diperoleh pengayaan bahan bakar yang paling efisien, selanjutnya yaitu menghitung radius sel bahan bakar, selongsong, dan moderator dengan menggunakan perbandingan antara bahan bakar dan moderator yang akan menghasilkan ukuran radius sel yang berbeda. Selanjutnya yaitu  melakukan perhitungan burn up dengan menggunakan kode ASMBURN. Kode ASMBURN merupakan salah satu kode pilihan yang terdapat pada program SRAC,  yang  digunakan  untuk  perhitungan burn  up  assembly bahan  bakar.  Kemudian  dilakukan  perhitungan untuk penambahan burn up dan perubahan daya linear.

## 3. Hasil Dan Pembahasan
Pada perhitungan burn up assembly , file xs pada kode ASMBURN digunakan untuk memperoleh pemodelan sel  heksagonal  yang  digunakan.  Selanjutnya,  untuk  memperoleh  model assembly heksagonal,  dengan menggunakan  file  sh.  Pemdelan  sel  dan assembly heksagonal  IGT-12  yang  digunakan  pada  penelitian  ini ditunjukkan pada Gambar 1 dan Gambar 2 . Gambar  1 merupakan  geometri  sel  yang  terdiri  dari  susunan  bahan  bakar, cladding ,  dan  moderator. Sementara Gambar 2 menunjukkan desain heksagonal yang tersusun atas beberapa sel.
Gambar 1. Geometri dan pembagian daerah sel.
Gambar 2. Desain assembly heksagonal.
Perhitungan  densitas  atom  pada  pengayaan  bahan  bakar  dilakukan  sebagai  langkah  awal  untuk memperoleh  nilai  yang  akan  digunakan  sebagai  input  pada  program  SRAC  ASMBURN.  Setelah  diperoleh pengayaan  yang  paling  efisien,  selanjutnya  yaitu  menghitung  nilai  radius  sel  bahan  bakar, cladding ,  dan moderator  dengan  menggunakan  perbandingan  antara  sel  bahan  bakar  dan  moderator.  Nilai  densitas  atom  dan radius  sel  yang  diperoleh  ini,  selanjutnya  digunakan  sebagai  input  untuk  menghitung burn  up .  Setelah mellakukan running pada  program  SRAC  ASMBURN,  hasil  yang  diperoleh  dari  perhitungan burn  up ini  yaitu berupa nilai k eff untuk setiap periode burn up yang ditunjukkan pada Gambar  3 dan Gambar  4 . Pada penelitian ini, digunakan 9 step burn up yaitu 0, 200, 5000, 10.000, 20.000, 30.000, 40.000, 50.000, dan 60.000 MWd/ton. Burn up adalah total energi yang dilepaskan per unit massa bahan bakar sebagai hasil pembakaran bahan bakar (Monado et  al .,  2013). Burn  up atau  yang  bisa  juga  disebut  sebagai  derajat  bahan  bakar  ini  dapat  dinyatakan dengan menggunakan  satuan MWd/ton  (jumlah  energi  yang  telah  dihasilkan dalam  megawatt-hari dari  tiap  ton uranium).
Astuti M P, Yulianti Y, Manurung P, dan Sembiring S, 2022, Perhitungan Burn Up Model Assembly Heksagonal pada  Reaktor  SCWR  Menggunakan  Bahan  Bakar  Thorium, Journal  of  Energy,  Material,  and  Instrumentation Technology , Vol. 3 No. 1, 2022
Gambar 3 . Nilai k eff pada tiap periode burn up dengan pengayaan bahan bakar.
Gambar 4. Nilai k eff pada tiap periode burn up dengan mengubah radius sel.
Gambar 3 merupakan grafik yang menunjukkan nilai k eff pada setiap periode burn up pada pengayaan bahan bakar.  Terlihat  bahwa  nilai k eff yang  diperoleh  pada  awal burn  up berbeda-beda  untuk  setiap  pengayaan  bahan bakar. Semakin besar persentase bahan bakar yang digunakan, maka nilai k eff yang diperoleh juga semakin tinggi (Utami & Yulianti, 2013). Nilai k eff ini akan berkurang pada setiap periode burn up . Hal ini menunjukkan bahwa jumlah reaksi fisi berantai di dalam reaktor semakin berkurang. Nilai pengayaan bahan bakar yang paling efisien yaitu  4%  yang  ditunjukkan  dengan  garis  yang  cukup  landai,  artinya  penurunan k eff terjadi  sedikit  demi  sedikit, dan  ketika  terjadi  kenaikan k eff tidak  terlalu  besar. Gambar  4 menunjukkan  grafik  nilai k eff pada  setiap  periode burn up dengan mengubah radius sel. Perbandingan radius sel bahan bakar dan moderator dimulai dari 1 : 1,1 hingga perbandingan 1 : 1,8. Berdasarkan grafik pada Gambar 4 , terlihat bahwa niali k eff pada saat periode burn up 0  hingga  20.000  MWd/ton  mengalami  penurunan.  Kemudian  ketika  periode burn  up 30.000  Md/ton  hingga 60.000 MWd/ton, nilai k eff yang diperoleh tidak terlalu besar perubahan nya. Selain nilai k eff pada setiap periode burn up , hasil running program SRAC ASMBURN juga menunjukkan nilai densitas atom bahan bakar Th 232 , U 233 , U 235 , dan Pu 239 . Nilai densitas atom ini menunjukkan jumlah atom yang ada di dalam reaktor setelah burn up . Nilai densitas atom Th 232 mengalami penurunan pada setiap periode burn up . Hal  ini  menunjukkan  bahwa  semakin  besar burn  up yang  digunakan,  jumlah  Th 232 yang  ada  di  dalam    reaktor semakin berkurang. Nilai densitas atom Th 232 pada setiap periode burn up ditunjukkan pada Gambar 5 . U 233 dan U 235 dua  isotop  fisil  yang  dihasilkan  selain  Pu 239 .  Pada  saat  keadaan  awal  sebelum  dilakukan burn  up ,  nilai densitas atom U 235 yang diperoleh yaitu 0, yang berarti tidak terdapat U 235 di dalam reaktor. Setelah burn up , nilai densitas atom U 235 semakin bertambah, meskipun jumlahnya tidak sebanyak U 233 . Grafik densitas atom U 233 dan U 235 dapat  terlihat  pada Gambar  6. Densitas  atom  Pu 239 yang  diperoleh  untuk  setiap  periode burn  up semakin besar. Berbeda dengan U 233 dan U 235 yang  tidak terlalu besar kenaikan nya nilai densitas atom Pu 239 mengalami kenaikan yang cukup signifikan. Kenaikan densitas atom Pu 239 ditunjukkan pada Gambar  7. Kenaikan densitas atom  Pu 239 dan  U 235 karena  jumlah  atom  Pu 239 yang  dihasilkan  dari  reaksi  fisi  bertambah.  Sedangkan  untuk densitas atom U 233 semakin berkurang karena massa U 233 setelah burn up semakin berkurang.
Astuti dkk, 2022/ J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 3 No. 1, 2022
Gambar 5 . Densitas atom Th 232 setelah burn up .
Gambar 6 . Densitas atom U 233 dan U 235 setelah burrn up .
Gambar 7 . Densitas atom Pu 239 setelah burn up .
Radius sel dan pengayaan bahan bakar efektif yang telah dianalisis, kemudian dilakukan penambahan burn up dari 60.000 MWd/ton hingga 110.000 Md/ton. Perbandingan nilai k eff sebelum dan sesudah penambahan burn up ditunjukkan pada Gambar  8 . Berdasarkan gafik pada Gambar  8 , terlihat bahwa penambahan burn up yang semakin  tinggi  akan  menghasilkan  grafik  yang  menurun  dan  menunjukkan  bahwa  nilai k eff yang  diperoleh semakin  kecil.  Hal  ini  karena  semakin  meningkat burn  up ,  maka  jumlah  atom  yang  terkandung  dalam  bahan bakar  akan  semakin  sedikit  sehingga  menyebabkkan  lau  reaksi  pembelahan  semakin  kecil  dan  neutron  yang dihasilkan berkurang (Atiqoh dkk., 2014).
Astuti M P, Yulianti Y, Manurung P, dan Sembiring S, 2022, Perhitungan Burn Up Model Assembly Heksagonal pada  Reaktor  SCWR  Menggunakan  Bahan  Bakar  Thorium, Journal  of  Energy,  Material,  and  Instrumentation Technology , Vol. 3 No. 1, 2022
Gambar 8 . Perbandingan k eff sebelum dan sesudah penambahan burn up .
Gambar 9 . Nilai k eff sebelum  dan sesudah penambahan daya linear.
Gambar 9 merupakan gafik k eff pada setiap periode burn up sebelum dan sesudah penambahan daya linear. Nilai daya linear awal yang digunakan yaitu 2,700E-04 W/cm, kemudian diubah menjadi 8,910E-03 W/cm. Pada Gambar  9 ,  terlihat  bahwa  pada  saat  kondisi  awal,  nilai k eff yang  diperoleh  mengalami  penurunan  yang  tidak terlalu besar. Sementara ketika daya linearnya diubah menjadi 8,910E-03 W/cm, nilai k eff mengalami penurunan yang  cukup  besar  pada  setiap  periode burn  up .  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  nilai  daya  linear  yang  lebih  besar, akan  menghasilkan k eff yang  lebih  kecil  karena  berkurangnya  jumlah  nuklida  fisil  yang  ada  di  dalam  reaktor (Simanjuntak, 2017).

## 4. Kesimpulan
Dari  penelitiian  yang  telah  dilakukan  dapat  diambil  kesimpulan  bahwa  nilai  pengayaan  bahan  bakar  yang paling  efisien  pada  persentase  4%.  Sementara  untuk  ukuran  radius  sel  yang  efisien  untuk  desain assembly heksagonal IGT-12 yaitu pada radius sel bahan bakar 0,389 cm, cladding 0,557 cm, dan moderator sebesar 0,450 cm.  Densitas  atom  Th 232 setelah burn  up mengalami  penurunan,  yang  berarti  jumlah  atom  Th 232 semakin berkurang  pada  setiap  periode burn  up .  Nilai  densitas  atom  U 233 ,  U 235 ,  dan  Pu 239 mengalami  kenaikan  yang menandakan jumlah ketiga atom fisil ini semakin bertambah untuk setiap periode burn up . Penambahan periode burn up dan penambahan daya linear yang lebih besar meghasilkan nilai k eff yang semakin kecil dengan grafik yang semakin menurun.

## 5. Daftar Pustaka
Athiqoh, F., Wahyu, S.B., Choirul A., dan Tri W.T. (2014). Distribusi Fluks Neutron sebagai Fungsi Burn Up Bahan Bakar pada Reaktor Kartini. Youngster Physics Journal, Vol. 3, No. 2, 107-112.
Carrera., Alejandro, N., Gilberto, E.P. dan Juan, L.F. (2008). Transient and Stability Analysis of a BWR Core with Thorium-Uranium Fuel. Journal of Annals of Nuclear Energy, Vol. 35, 1550-1563.
Monado,  F.,  Z.  Su’ud.,  A.  Waris.,  K.  Basar.,  M. Ariani  &  H.  Sekimoto.  (2013).  Aplication  of  Modified  CANDLE Burnup to Very Small Long Life Gas-Cooled Fast Reactor. Advanced Material Research , Vol. 772. Pp. 501-506.
Astuti dkk, 2022/ J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 3 No. 1, 2022
Oka, Y., Koshizuka, S., Ishiwatari, Y. dan Yamaji, A. (2003). Conceptual Design of High Temperature Reactor Cooled by Supercritical Light Water . ICCAP. Cordoba. Spain.
Rianti, R.A.P. dan Sahala, L.M. (2011). Dampak Kecelakaan Reaktor Fukushima tehadap Rencana Pembangunan PLTN di Indonesia. Prosiding Seminar Nasional Pengembangan Energi Nuklir IV . Hal 290-300.
Simanjuntak, S. A. (2017). Perhitungan Pembakaran Lengkap ( Burn-Up ) Reaktor   Air  Superkritis  Bahan  Bakar Thorium Model Perangkat ( Assembly )   Heksagonal  Menggunaan  SRAC. Skripsi .  Universitas  Lampung. Bandar Lampung.
Utami,  Rina  dan  Yanti  Yuliyanti.  (2013).  Desain  Reaktor  Air  Superkritis  ( Super  Critical  Water  Reactor )  dengan Bahan Bakar Thorium. Jurnal Ilmu Dasar . Volume 14, No. 1, Hal 1-6.