(Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti)
ANALISIS TERMOHIDROLIKA ELEMEN BAKAR UJI U-7Mo/Al DAN U-6Zr/Al DI RSG-GAS MENGGUNAKAN
COOLOD-N 2 , NATCON DAN CFD-3D

## Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti
Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir (PTRKN)-BATAN
Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan, 15310
e-mail: endiah@batan.go.id; subekti@batan.go.id
(Naskah diterima: 12 Desember 2012, disetujui: 21 Januari 2013)

## ABSTRAK
ANALISIS  TERMOHIDROLIKA  ELEMEN  BAKAR  UJI  U-7Mo/Al  dan  U-6Zr/Al  di  RSG-GAS MENGGUNAKAN  COOLOD-N2,  NATCON  dan  CFD-3D. Pusat  Teknologi  Bahan  Bakar  Nuklir PTBN-BATAN  melalui  litbang  bahan  bakar  densitas  tinggi  menggunakan  uranium  pengayaan rendah  (<20%  U 235 ),  merencanakan  uji  iradiasi  elemen  bakar  uji  (EBU)  U-7Mo  dan  U-6Zr/Al  di RSG-GAS. Posisi iradiasi G-7 dipilih dengan pertimbangan akan memberikan dampak perubahan reaktivitas  minimum.  Analisis  keselamatan  termohidrolika  pada  kondisi  tunak (steady  state) dan konveksi  alam  dilakukan  pada  daya  30  MW  dan  daya  operasional  15  MW.  Program  komputasi satu dimensi COOLOD-N2 dan NATCON masing masing digunakan untuk menghitung parameter termohidrolika  pada  kondisi  konveksi  paksa  dan  konveksi  alam,  sedangkan  program  komputasi dinamika  fluida  tiga  dimensi  (CFD-3D)  FLUENT  untuk  memberikan  visualisasi  parameter termohidrolika.  Hasil  verifikasi  perhitungan  FLUENT  dengan  COOLOD-N2  diperoleh  deviasi antara  2,78%  hingga  13,92%.    Batas  keselamatan  EBU  U-7Mo/Al  dan  U-6Zr/Al  yang  diiradiasi pada  daya  15  MW  maupun  30  MW  memenuhi  batas  keselamatan  sesuai  dengan  yang dipersyaratkan di dalam Laporan Analisis Keselamatan RSG-GAS.
Kata kunci: elemen bakar uji, pelat elemen bakar U-7Mo/Al, pelat elemen bakar U-6Zr/Al, COOLOD-N2,NATCON, CFD-3D FLUENT.

## ABSTRACT
THERMALHYDRAULIC  ANALYSIS  of  U-7Mo/Al  and  U-6Zr/Al  EXPERIMENTAL  FUEL ELEMENT  in  RSG-GAS  BY  USING  COOLOD-N2,  NATCON  and  CFD-3D. The    Center  for Nuclear  Fuel  Technology  BATAN  through  research  and  development  of  low-enriched  uranium fuel  (<20%  U235)  has  a  plan  for  irradiating  experimental  fuel  element  plates  of  U-7Mo  and U-6Zr/Al  in  RSG-GAS.  G-7  irradiation  position  is  therefore  selected  with  a  consideration  to  give minimum  reactivity  changes.  Thermal  hydraulics  safety  analysis  at  steady  state  and  free convection  is  performed  on  the  power  of  30  MW  and  15  MW.  One-dimensional  computational programs,  COOLOD-N2  and  NATCON,  are  used  to  calculate  thermal  hydraulics  parameters  in conditions  of  forced  and  free  convection,  while  three-dimensional  computational  fluid  dynamic FLUENT  is  used  to  provide  visualization  of  thermal  hydraulics  parameters.  The  comparison  of
COOLOD-N2  and  FLUENT  calculation  results  shows  a  deviation  between  2.78%  to  13.92%. Safety  margin  of  U-7Mo  and  U-6Zr/Al  irradiated  at  15  MW  and  30  MW  meet  the  safety  margin required in the RSG-GAS Safety Analysis Report.
Keywords: experimental fuel element, U-7Mo/Al fuel element plate, U-6Zr/Al fuel element plate, COOLOD-N2, NATCON, CFD-3D FLUENT.

## PENDAHULUAN
Penggunaan bahan bakar
berpengayaan rendah sesuai dengan program  RERTR (Reduced  Enrichment  for Research  and  Testing  Reactor), yang dicanangkan  untuk  mengganti  penggunaan bahan  bakar  uranium  pengayaan  tinggi (> 93%  U 235 )  dengan  uranium  pengayaan rendah  (< 20%  U 235 ) [1] ,  mendorong  litbang bahan  bakar  tingkat  muat  uranium  tinggi  di berbagai  negara  untuk  utilisasi  reaktor. Keuntungan penggunaan bahan bakar dengan  tingkat  muat  uranium  tinggi  adalah meningkatnya performance (kinerja) reaktor. Diantara  berbagai  jenis  paduan (alloy) yang memenuhi penambahan tingkat muat adalah penambahan  unsur  molybdenumdan  unsur zircaloy. Terdapat beberapa metode pembuatan  serbuk  bahan  bakar  uranium molybdenum  (UMo),  diantaranya  metode atomisasi  yang  teknologinya  telah  dikuasai oleh  Korea  Selatan,  dan  metode hydride- milling-dehydride [2] .  Perkembangan  fabrikasi bahan  bakar  paduan  UMo  di  beberapa negara telah mencapai tingkat muat antara 6 hingga 13 prosen berat molybdenum [3] .
Peningkatan tingkat muat uranium di dalam bahan bakar reaktor riset berpengayaan rendah juga dilakukan dengan membuat paduan uranium zirkonium,  paduan  bahan  ini  selain  memiliki keuntungan  fitur  keselamatan  yang  unik yaitu koefisien prompt reaktivitas temperatur negatif,  juga  berpotensi  menambah  tingkat muat uranium di dalam bahan bakar reaktor. Litbang bahan bakar U-Zr di dalam teknologi reaktor  TRIGA  telah  mencapai  45  prosen berat  uranium  (wt-%U)  atau  setara  dengan
3,7 gU/cm 3 , menggunakan uranium pengayaan rendah [4] .
Seiring  dengan  kemajuan  litbang bahan  bakar  tingkat  muat  tinggi  dunia, PTBN-BATAN telah menyelesaikan pembuatan  pelat  elemen  bakar  uji  (EBU) U-7Mo/Al  dan  U-6Zr/Al  berukuran  mini menggunakan  uranium  deplesi.  Kedua  EBU tersebut direncanakan untuk diiradiasi secara  bersamaan  di  dalam  satu  bundel elemen  bakar.  Rencana  uji  panas  EBU  di dalam  teras  reaktor  RSG  GAS  memerlukan analisis  keselamatan  yang  tepat,  mengingat penambahan  tingkat  muat  berpengaruh pada  sifat  termal  bahan  bakar,  selain  akan menambah reaktivitas teras reaktor.
Paper ini bertujuan untuk menganalisis  keselamatan  teras  maupun elemen  bakar  yang  diiradiasi  dengan memperhatikan  letak  kupon  EBU  mini  ini sepanjang  arah  aksial  pelat  elemen  bakar, letak  di  dalam  bundel  elemen  bakar  dan posisi  iradiasi  di  teras,  yang  dilakukan sinergi dengan analisis neutronik.
Mengingat  bahwa scope (ruang  lingkup) penelitian  ini  begitu  luas  maka  paper  ini dibatasi  pada  analisis  termohidrolika  dua EBU  U-7Mo/Al  dan  U-6Zr/Al  pada  kondisi operasi  normal steady-state (tunak)  dan konveksi  alam.  Analisis  dilakukan  dengan menggunakan  program  perhitungan  satu dimensi  COOLOD-N2  untuk  operasi  normal kondisi  tunak,  NATCON  untuk  konveksi alam  dan  program  komputasi  dinamika fluida tiga dimensi (CFD-3D) FLUENT untuk pembanding sekaligus memberikan visualisasi  karakteristika  termohidrolika  di dalam pelat uji.
(Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti)
BS B B B B BS B B B B B
FE 2 FE 3 FE 5 FE 2 BS NS
B BS
FE 1 FE 3
FE 2 CE 6 IP FE 7 FE 6
FE 1 B FE 2 FE 8 CE 3 FE 4 FE 8 CE 1 FE 8 FE 7
FE 3
IP FE
6 FE 7
CE 8 FE 4 B FE 4
CE 7
FE 8 FE 6 IP
FE 5
B FE
5 FE 7
CE 2
FE 6 FE 4 CE 4 FE 8
FE 3 B FE 1
FE 6
FE 7
IP CE 5 FE 3 FE 4
FE 2 B B
B FE 1 FE 3 FE 5 FE 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 CIP
Catatan : EB = Elemen Bakar, EK = Elemen Kendali, BE = Elemen Be Reflektor, BS = Elemen Be Reflector dengan plug , IP = Posisi Iradiasi, CIP  =  Posisi  Iradiasi Central ,  PNRS  = Pneumatic  Rabbit  System , HYRS = Hydraulic Rabbit System (kelas fraksi bakar dalam baris ke-2)

## TATA KERJA

## Elemen bakar uji U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al
Elemen  bakar  uji  U-7Mo/Al  dengan tingkat muat  7  gU/cm 3 dan  U-6Zr/Al  dengan tingkat  muat  5,2gU/cm 3 dipilih  sesuai dengan  UCD (user  criteria  document) reaktor  riset  inovatif  yang  sedang  dalam tahap  litbang  desain  konseptual,  untuk mengantisipasi  perkembangan  bahan  bakar reaktor riset kedepan [5] . PTBN telah membuat  serbuk  U-6Mo  dan  U-6Zr  dengan metode hydriding-dehydriding-milling ,  yang selanjutnya  didispersikan  ke  dalam  serbuk matrik  aluminium  dan  dibentuk  menjadi  inti elemen  bakar  (IEB)  U-7Mo/Al  dan  U-6Zr/Al dengan  cara  kompaksi.  Selanjutnya  IEB U-7Mo/Al  atau  U-6Zr/Al  bersama frame dan cover AlMg 2 dibentuk  menjadi  pelat  elemen bakar  (PEB)  dengan  teknik  pengerolan panas  dan dingin [6] .  PEB U-7Mo/Al (3 buah) dan  U-6Zr/Al  (3  buah)  dirakit  ke  dalam elemen  bakar  uji  (EBU)  dengan  cara menyisipkan  masing-masing  PEB  pada  alur 2,  5  dan  8  serta  14,  17  dan  20,  sedang  15 alur  lainnya  berisi  pelat  AlMg 2 dummy yang dirakit  dengan  rol  gencet.  EBU  U-7Mo/Al dan  U-6Zr/Al  direncanakan  dikenai  uji iradiasi  di  RSG-GAS,  dimensi  pelat  EBU ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1.  Dimensi PEB U-7Mo/Aldan
U-6Zr/Al Dimensi PEB Dimensi Meat Panjan g, mm 625 ± 0,2 Panjang ,mm ± 150 Lebar, mm 70,75 ± 0,15 Lebar, mm ± 15 Tebal, mm 1,3 ± 0,07 Tebal, mm ± 0,631 Tebal Kelong song, AlMg 2 /
AlMgSi
1 ), mm
> 0,25
Posisi  kupon  elemen  bakar  uji  U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al
EBU berisi uranium akan memberikan  reaktivitas  positif  sehingga pemilihan  posisi  iradiasi  di  teras  RSG-GAS dilakukan  melalui  perhitungan  neutronik, dimana posisi terpilih adalah yang memberikan  penambahan  reaktivitas  teras terkecil.  Penempatan  kupon  pelat  EBU  di dalam stringer diatur  sedemikian  rupa sehingga memenuhi keselamatan dari aspek neutronik dan termohidrolik. Hasil perhitungan  neutronik  menunjukkan  bahwa posisi  iradiasi  terpilih  adalah  G-7  seperti ditunjukkan  pada  Gambar  1,  sedangkan posisi  PEB  U-7Mo/Al  dan  U-6Zr/Al  di  dalam stringer ditunjukkan pada Gambar 2 [8] .
Gambar 1. Posisi iradiasi U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al di teras RSG-GAS.
Posisi iradiasi U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al
Posisi iradiasi U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al
Gambar 2. Posisi PEB U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al di dalam EBU.

## Program perhitungan
Analisis  ini  menggunakan  3  (tiga) program  komputasi  masing-masing  adalah COOLOD-N2  yang  merupakan  program komputasi  termohidrolika  1  dimensi  yang dikembangkan untuk menganalisis termohidrolika  teras  reaktor  riset  untuk elemen  bakar  tipe  MTR  pada  kondisi tunak [9] .  NATCON  merupakan  program komputasi  untuk  analisis  termohidrolika dalam  keadaan  tunak  untuk  bahan  bakar nuklir  jenis  pelat  dalam  sebuah  reaktor  riset yang  didinginkan  secara  konveksi  alami [10] . FLUENT adalah program perhitungan dinamika  fluida  3  dimensi  ( CFD-3D  =
computational  fluid  dynamic  3  dimension) berbasis volume hingga (finite volume) yang mampu  memprediksi  dan  menganalisis fenomena dinamika aliran fluida secara teliti dan  memberikan  visualisasi  yang  baik [11] . Ketiga program komputasi tersebut digunakan  untuk  memberikan  hasil  analisis keselamatan yang sinergis.

## Pemodelan dan input program
Analisis  EBU  dilakukan  pada  posisi teras  G7.  Target  iradiasi  ditempatkan  pada kanal  ini  dengan  distribusi  fluks  neutron pada  posisi  aksial  maksimum.  Input  data yang digunakan dalam perhitungan keselamatan ditunjukkan pada Tabel 2.
2 . 3 4 . 5 80,5 . 15 7 0 ,7 5 81,0 PEB U-6Zr/Al Aluminium 7 6 ,1 0 7 7 ,1 0 0,38 2,56 1,30 PEB U-7Mo/Al
(Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti)
Tabel 2. Data masukan perhitungan termohidrolika kanal EBU U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al di dalam teras RSG-GAS posisi G7.
Parameter Nilai Kanal Pembangkitan panas di teras reaktor, MW 30,000 Tekanan pendingin ke teras, kg/cm 2 2,0360 Temperatur pendingin masuk ke teras, °C 44,500 Laju alir pendingin ke teras, kg/det. 800,000 Laju alir pendingin min. per elemen bakar, m 3 /jam 46,540 Faktor-faktor puncak daya : Faktor puncak daya radial, FR 2,122 F cool 1,167 F film 1,200 F hflx 1,200 F kelongsong , F bond , F meat 1,000 Faktor puncak daya aksial, F A 1,757
Sifat  termal  bahan  bakar  U-7Mo/Al  dan U-6Zr/Al
Bahan bakar U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al dengan tingkat  muat 7  gU/cm 3 dan
5,2 gU/cm 3 akan  memiliki  persamaan  sifat termal  dengan  bahan  bakar  silisida,  yaitu konduktivitas  dan  densitas  bahan  bakar bergantung pada fraksi volume bahan bakar dalam  U-7Mo/Al  dan  U-6Zr/Al.  Selain  itu, konduktivitas  dan  densitas  juga  bergantung pada porositas bahan bakar untuk menampung  gas  produk  fisi  pada  awal proses iradiasi. Nilai spesifik
dan
konduktivitas  bahan  bakar  U-7Mo/Al  dan
U-6Zr/Al  diperoleh  dari  literatur [3] .  Panas spesifik bahan bakar U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al memiliki  nilai  yang  relatif  konstan  pada 0,155 J/gK [3] .
Beberapa variasi konduktivitas termal meat bahan  bakar  ditentukan  oleh jenis  perlakuan  fabrikasi  bahan  bakar.
Selain  itu,  konduktivitas meat bahan  bakar juga  ditentukan  oleh burn-up (fraksi  bakar). Laju swelling dan  reaksi  matriks  bahan bakar akan menurunkan konduktivitas termal meat bahan bakar. Tabel 3 menampilkan parameter termal EBU.
Tabel 3. Parameter termal EBU dibandingkan dengan bakan bakar uranium silisida.
Parameter U 3 Si 2 /Al U-7Mo/Al U-6Zr/Al Kelongsong  , g/cm 3 5,124 16,336(Porositas 18%) 17,260 (Porositas 23%) 2,700 Cp, J/g°C 0,484 0,155 0,155 0,961 k, W/cm°C 1,070 0,15 – 0,25 0,20 – 0,30 2,160

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembangkitan  panas  total  perpelat EBU sangat kecil, sehingga analisis keselamatan yang dipilih dari aspek termohidrolika  hanya  terkait  dengan  kondisi operasi  RSG-GAS,  yaitu  konveksi  paksa kondisi  tunak  dan  konveksi  alam.  Hasil perhitungan termohidrolika 1 dimensi konveksi paksa (daya tinggi) dilakukan pada kondisi  tunak  dengan  daya  reaktor  30    MW
sesuai
batasan Laporan Analisis
Keselamatan  (LAK)  RSG-GAS  dan  daya 15 MW sesuai daya operasionalnya, sedangkan program komputasional 3
dimensi FLUENT digunakan untuk memberikan  hasil  perhitungan  yang  lebih detil.    Analisis  juga  dilakukan  dalam perhitungan  termohidrolika  konveksi  alam (daya  rendah)  dimana  sistem  pendingin primer sengaja tidak dioperasikan.

## Verifikasi FLUENT
Program  perhitungan  termohidrolika COOLOD-N2,  NATCON  serta  perhitungan distribusi laju alir
CAUDVAP telah terverifikasi
dan digunakan untuk menganalisis keselamatan teras RSG- GAS [12] ,  sehingga  program  FLUENT  dapat diverifikasi dengan program-program tersebut. Verifikasi dilakukan terhadap obyek yang sama yaitu bahan bakar U 3 Si 2 /Al pada  daya  30  MW.  Hasil  perhitungan temperatur pendingin kondisi tunak menggunakan  FLUENT  yang  diverifikasi dengan  hasil  pengukuran  dan  perhitungan pembanding  menggunakan  COLOOD-N2
ditunjukkan dalam Tabel 4. Hasil perhitungan  dengan  basis  input  temperatur dan  pembangkitan  panas  yang  sama menunjukkan  deviasi  sebesar  4,95%  dan 6,87%.  Perbandingan  antara  FLUENT  dan CAUDVAP  serta  LAK  RSG  GAS  untuk perhitungan  laju  alir  ditunjukkan  dalam Tabel 5.    FLUENT  mempunyai  kesesuaian yang  sangat  baik  tanpa  ada  deviasi  dengan hasil yang diberikan oleh LAK, bahkan dapat memberikan  informasi  lebih  detil  mengenai profil  aliran  di  sepanjang  pelat  hingga  pipa luaran elemen bakar (Gambar 3). Berdasarkan  data  tersebut  terbukti  bahwa FLUENT terverifikasi dengan baik.
Tabel 4. Hasil perhitungan FLUENT pada kondisi tunak elemen bakar RSG-GAS menggunakan bahan bakar U3Si2/Al pada daya 30 MW.
Parameter FLUENT LAK Temperatur Air Masukan (input) 40,5  C (EB) 40,5  C (EB) Temperatur Air Luaran 53,0  C (EB) 50,5  C (Teras) 52,4  C (EB)* Temperatur Air maksimum 56,0  C (EB)
Tabel 5. Hasil perhitungan kecepatan aliran FLUENT pada kondisi operasi elemen bakar RSG- GAS menggunakan bahan bakar U 3 Si 2 /Al pada daya 30 MW.
Posisi Aliran Distribusi kecepatan aliran FLUENT CAUDVAP LAK Celah pelat 3,66 m/s 3,67 m/s 3,66 m/s Bawah celah pelat 2,76 m/s - - Fitting bawah 5,93 m/s - - Pipa luaran elemen bakar 8,65 m/s - -
Gambar  3  menunjukkan  visualisasi hasil  perhitungan  distribusi  temperatur  di dalam  satu  elemen  bakar  U 3 Si 2 /Al  pada
daya  30 MW  menggunakan  program perhitungan FLUENT.
(Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti)
Gambar 3. Hasil perhitungan distribusi temperatur dalam elemen bakar RSG-GAS menggunakan bahan bakar U 3 Si 2 /Al pada daya 30 MW.
Analisis  termohidrolika  kondisi  tunak konveksi paksa
Tabel 6 dan Gambar 4
memperlihatkan  hasil  perhitungan  distribusi temperatur kondisi tunak EBU U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al pada daya tinggi 30 MW menggunakan  FLUENT  dan  COOLOD-N2. Hasil perhitungan temperatur antara FLUENT  dan  COOLOD-N2  yang  diberikan pada  Tabel  6  memberikan  deviasi  antara 2,78%  hingga  13,92%.   Perbedaan terbesar terjadi dalam perhitungan temperatur kelongsong. Perhitungan 1 dimensi
COOLOD-N2 menggunakan seluruh pendingin  yang  masuk  dalam  subkanal untuk  mendinginkan  dinding  kelongsong dengan  lebar  62.75  mm,  sedangkan  lebar meat hanya  sebesar  15  mm.  Perhitungan FLUENT  memperhitungkan  kondisi  interior 3D dimana hanya bagian pendingin air yang dekat  dengan  lebar  meat  saja  yang  efektif mendinginkan kelongsong. Gambar 4 menunjukkan  hasil  perhitungan  temperatur di  zona  kelongsong  langsung  menurun (COLOOD-N2), sedangkan dengan FLUENT lebih tinggi.
Tabel 6.  Hasil perhitungan distribusi temperatur kondisi tunak EBU U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al pada daya tinggi 30 MW.
Parameter Kritikal U 3 Si 2 /Al (30 MW) U-7Mo/Al (30 MW) U-6Zr/Al (30 MW) Batas T air masukan , °C 44,50 44,50 44,50 44,50 T meat , °C 186,37 193,32 1 188,09 2 162,88 1 173,35 2 450,00 T kelongsong , °C 145,96 178,06 1 156,30 2 153,77 1 147,71 2 250,00 T air lmaksimum , °C 54,57 52,13 1 48,01 2 50,57 1 47,34 2 125,68 (T ONB ) Kecepatan pendingin, m/s 3,65 3,65 3,65 15,00 Marjin terhadap instabilitas aliran, S (-) 3,01 3,46 2 4,42 2 - Densitas Daya, W/cm 3 8.210 10.068 7.921 11.300
Keterangan: 1 Hasil perhitungan FLUENT, 2 Hasil perhitungan COOLOD-N2.
Gambar 4. Perbandingan hasil perhitungan distribusi temperatur arah radial U 3 Si 2 /Al, U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al dengan COOLOD-N2 dan FLUENT.
Hasil perhitungan COOLOD-N2
pada  Tabel  7  menampilkan  perbandingan profil  termohidrolika  kedua  pelat  EBU U-7Mo/Al  dan  U-6Zr/Al  pada  daya  30  MW
dan 15  MW  yang  dilengkapi  dengan  nilai pembanding elemen bakar U 3 Si 2 /Al 2,96 gU/cm 3 pada  daya  30  MW  dan  nilai batas sesuai LAK RSG-GAS.
Tabel 7.  Perbandingan hasil perhitungan COOLOD-N2 bahan bakar U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al pada daya tinggi 30 MW dan 15 MW.
Parameter Kritikal U 3 Si 2 /Al (30 MW) U-7Mo/Al U-6Zr/Al Batas T air masukan , °C 44,50 44,50 44,50 44,50 T meat , °C 186,37 188,09 1 145,83 2 173,35 1 127,69 2 450,00 T kelongsong , °C 145,96 156,30 1 128,83 2 147,71 1 113,93 2 250,00 T air lmaksimum , °C 54,57 48,01 1 46,26 2 47,34 1 45,91 2 125,68 (T ONB ) Kecepatan pendingin, m/s 3,65 3,65 3,65 15,00 Marjin terhadap instabilitas aliran, S (-) 3,01 3,46 1 7,04 2 4,42 1 9,01 2 - Densitas Daya 30 MW, W/cm 2 Densitas Daya 15 MW, W/cm 2 8.210 4.105 10.068 5.034 7.921 3.960,5 11.300 5.650
Keterangan: 1 Hasil perhitungan daya 30 MW, 2. Hasil perhitungan daya 15 MW.
Gambar  5  dan  6  masing-masing memperlihatkan profil temperatur di sepanjang kanal pelat, baik yang berisi EBU
U-7Mo/Al  dan  U-6Zr/Al  maupun  pelat dummy paduan  aluminium  pada  daya 30 MW.  Dalam  pemodelan  COOLOD-N2,
0 50 100 150 200 250 0 0.01 0.02
0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
T e m p e ra tu r (Cel s iu s ) Jarak dari tengah bahan bakar (mm) U3Si2/Al-COOLOD-N2 U7Mo/Al COOLOD-N2 U-6Zr/Al COOLOD-N2 U7Mo/Al-FLUENT
U6Zr/Al FLUENT
T. tengah bahan bakar
T. kelongsong bahan bakar
T. air pendingin
(Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti)
perpindahan  panas  dari  pelat  elemen  bakar ke pendingin di hitung dari inlet hingga outlet subkanal bahan bakar, meskipun pembangkitan  panas  hanya  berasal  dari PEB.  Konduktivitas  U-7Mo/Al  lebih  kecil daripada  U 3 Si 2 /Al,  hal  ini  menyebabkan perpindahan  panas  dari  tengah meat bahan bakar  ke  kelongsong  lebih  rendah  sehingga temperatur kelongsong EBU U-7Mo/Al menjadi  lebih  panas.  Temperatur meat maupun  kelongsong  turun  secara  drastis  di ujung  bawah  PEB  dari  nilai  maksimumnya karena  pembangkitan  panas  fisi  berakhir, selanjutnya  temperature meat mendekati temperatur inlet ,  sedangkan  temperatur
pendingin  relatif  konstan  sesuai  temperatur maksimum yang dicapai.
Fenomena  yang  sama  terjadi  pada
EBU U-6Zr/Al, meskipun demikian temperatur meat maupun kelongsong kedua EBU  ini  masih  memenuhi  batas  yang ditetapkan,  demikian  pula  dengan  batas keselamatan  terhadap  instabilitas  aliran. Tabel  7  juga  menampilkan  nilai  parameter termohidrolika  pada  daya  15  MW.  Nilai  ini memberikan  kepercayaan  bahwa  insersi kedua  EBU  pada  daya  operasional  RSG- GAS  15  MW  aman,  karena  nilai  seluruh parameter  jauh  di  bawah  batas  yang dipersyaratkan.
Gambar 5. Distribusi temperatur di dalam kanal EBU U-7Mo/Al, daya 30 MW.
Gambar 6. Distribusi temperatur di dalam kanal EBUU-6Zr/Al, daya 30 MW.
44 45 46 47 48 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 9 18 27 36 45 54 T -Cool an t [ o C] T em pe ratu r [ o C] Posisi Vertikal [cm] T- clad T- coolant T- meat [188,09  C] U-7Mo/Al, Daya 30 MWt 44 45 46 47 48 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 9 18 27 36 45 54 T -Cool an t [ o C] T em pe ratu r [ o C] Posisi Vertikal [cm] T- clad T- coolant T- meat [173,35  C ]
U-6Zr/Al, Daya 30 MWt
Hasil perhitungan FLUENT memberikan visualisasi
karakteristik
termohidrolika  di  dalam  EBU  dan  pendingin subkanal  seperti  ditunjukkan  pada  Gambar 7,8 dan 9. Gambar-gambar tersebut
memperlihatkan lebih jauh hasil perhitungan terhadap  distribusi  temperatur  aksial  dalam air  pendingin,  kelongsong  dan  bahan  bakar U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al pada posisi di tengah EBU pada daya reaktor 30 MW.
(a) PEB U-7Mo/Al
(b) PEB U-6Zr/Al
Gambar 7. Distribusi temperatur aksial air pendingin, kelongsong dan bahan bakar U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al pada posisi di tengah EBU pada daya reaktor 30 MW.
Air Pendingin, T=44,50 °C Air Pendingin Cladding T U-7Mo =193,32 °C T Clad =178,06 °C T Air =52,13 °C Air Pendingin, T=44,5 °C Air Pendingin Cladding T U-6Zr =162,88 °C T Clad =153,77 °C T Air =50,57 °C
(Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti)
Gambar 8. Perbandingan distribusi temperatur di dalam pelat EBU.
Gambar 9. Distribusi temperatur horizontal pendingin air yang menempel pada kelongsong U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al pada daya reaktor 30 MW.
Tampak  jelas  pada  Gambar  9  profil temperatur di dalam pelat EBU turun secara drastis  di  dalam  pelat dummy paduan aluminium.  Peningkatan  sifat  termal  bahan bakar  sebagai  fungsi  tingkat  muat  uranium menyebabkan  temperatur  bahan  bakar  dan kelongsong  kedua  pelat  EBU  ini  lebih  tinggi daripada U 3 Si 2 /Al, meskipun demikian karena  daya  yang  dibangkitkan  pelat  EBU berukuran  mini  persatuan  luas,  berada  jauh di  bawah  batas  yang  diizinkan  seperti ditunjukkan  pada  Tabel  7,  maka  insersi  ini masih aman.
Kedua  EBU  ini  memiliki  temperatur meat dan  kelongsong  yang  cukup  tinggi, dibandingkan  dengan  bahan  bakar  U 3 Si 2 /Al pada daya  yang sama, tetapi temperatur air meningkat  sedikit  karena  panas  yang dipindahkan  oleh  air  sangat  kecil.  Total volume  target  iradiasi  dalam  1  pelat  EBU adalah  (1,5  x  15  x  0,0631)  cm 3 =  1,42  cm 3 , sehingga  panas  yang  dipindahkan  oleh pendingin  air  dalam meat U-7Mo/Al  dan U-6Zr/Al adalah 9139,47 W dan 7403,05 W. Batas  keselamatan  terhadap  temperatur maupun  instabilitas  aliran  (S),  baik  pada
U-7Mo U-6Zr 48,96°C 54,21°C 50,80°C 49,75°C 44,50°C 47,91°C 53,42°C 49,22°C 48,44°C 44,50°C U-7Mo U-6Zr
daya  30  MW  maupun  15  MW  masih terpenuhi.
Analisis  termohidrolika  kondisi  tunak konveksi alam
Dalam analisis kondisi tunak konveksi alam, digunakan perhitungan termohidrolika  NATCON  pada  1%  daya nominal atau 300 kW.  Tabel 8 menampilkan parameter kritikal perbandingan hasil perhitungan  NATCON  pada  bahan  bakar U 3 Si 2 /Al,  U-7Mo/Al  dan  U-6Zr/Al  dengan batasan kondisi operasi RSG-GAS, sementara Gambar 10 dan 11 menunjukkan karakteristik  temperatur  bahan  bakar.  Batas keselamatan diukur dari perbedaan temperatur  pendingin  air  T ONB yang  masih mencukupi. Hasil perhitungan dalam analisis moda konveksi alam EBU U-7Mo/Al menunjukkan bahwa temperatur meat ,
kelongsong,  dan  pendingin  air  luaran  lebih rendah  dari  pada  temperatur  bahan  bakar U 3 Si 2 /Al. Hal ini disebabkan karena pembangkitan  panas  dalam  bentuk  kupon jauh  lebih  kecil  daripada  U 3 Si 2 /Al  dalam bentuk
pelat utuh, meskipun
konduktivitasnya  lebih  rendah.  Temperatur terjadinya  awal  pendidihan  inti (TONB= temperature  onset  of  nucleate  boiling) berada  jauh  di  atas  temperatur  kelongsong bahan  bakar,  tidak  terjadi  pendidihan  inti pada  ketiga  jenis  bahan  bakar  tersebut, sehingga insersi EBU U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al  dapat  dilakukan  pada  moda konveksi alam secara bersamaan. Berdasarkan data tersebut dapat
disimpulkan bahwa iradiasi EBU ini memenuhi  persyaratan  keselamatan  dalam kondisi tunak konveksi alam.
Tabel 8. Hasil perhitungan NATCON temperatur kondisi tunak konveksi alam EBU U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al daya 300 kW.
Parameter Kritikal U 3 Si 2 /Al U-7Mo/Al U-6Zr/Al Batas T air masukan , °C 44,50 44,50 44,50 44,50 T meat , °C 85,33 71,95 66,80 126,57 T kelongsong , °C 85,26 71,55 66,49 126,38 T air luaran , °C 67,40 46,12 45,97 85,90 (∆T ONB ), °C 52,04 56,91 121-126 (T ONB ) Kecepatan pendingin, m/s 0,0073 0,0073 0,0073 0,0154 Daya Reaktor, kW 300 300 300 758
Gambar 10. Karakteristik termohidrolika EBU U-7Mo/Al moda konveksi alam.
-5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 0 20 40 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 50 60 H e at fl u x (W/m 2) Tem p e ratu r (o C) Tinggi bahan bakar (cm) T. ONB dan T. Jenuh Heat fluks T. Kelongsong dan T bahan bakar
T. air pendingin
Analisis Termohidrolika Elemen Bakar Uji U-7Mo/Al dan U-6Zr/Al di RSG-GAS Menggunakan COOLOD-N 2 , NATCON dan CFD-3D
(Endiah Puji Hastuti, Muhammad Subekti)
Gambar 11. Karakteristik termohidrolika EBU U-6Zr/Al  moda konveksi alam.

## SIMPULAN
Dari  hasil  analisis  keselamatan termohidrolika  dapat  disimpulkan  bahwa iradiasi  pelat  EBU  U-7Mo/Al  dan  U-6Zr/Al yang  dilaksanakan  secara  bersamaan  di dalam stringer elemen  bakar dummy dapat dilaksanakan  pada  daya  30  MW  maupun 15 MW  pada  moda  operasi  kondisi  tunak. Iradiasi juga dapat dilaksanakan pada moda operasi konveksi alam, dan batas keselamatan  yang  dihasilkan  pada  kedua moda ini masih memenuhi LAK RSG-GAS.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Terima kasih kami sampaikan kepada rekan-rekan anggota tim penyusunan  LAK  atas  sumbangan input , diskusi serta masukan yang konstruktif.

## DAFTAR PUSTAKA
1.  IAEA.  (1980). Research  Reactor  Core
Conversion  From  The  Use  Of  Highly Enriched  Uranium  To  The  Use  Of  Low
Enriched  Uranium  Fuels  Guide  Book . IAEA-TECDOC-233, Vienna.
2.  Lee,S.H.,  Park  J.M.  and  Kim  C.K. (2005). Thermophysical  Properties  of  U- Mo/Al  Alloy  Dispersion  Fuel  Meats. Korea  Research  Institute  of  Standards and Science, ECTP.
3.  CREASY  J.T.  (2011). Thermal  Properties of  Uranium-Molybdenum  Alloys:  Phase Decomposition Effects of
Heat Treatments .  Master  of  Science  Thesis,
Texas A&M University, Texas.
4.  GA.TECHNOLOGIES,INC.
(1992).
Uranium-Zirconium  Hydride  TRIGA-LEU Fuel . Research Reactor Core Conversion Guidebook,Vol. 4: Fuels, IAEA-TECDOC- 643.
5.  Endiah  P.H.  Dkk.  (2010).  Dokumen Teknis  PTRKN  2010:  User  Criteria Document  (UCD)  Reaktor  Riset  Inovatif. BATAN-RKN-C-2010-01-001, PTRKN-
BATAN.
6.  Supardjo, Agoeng K., Aslina B.G. (2011). Pembuatan  Pelat  Elemen  Bakar  Mini
-5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 0 20 40 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 50 60 H e at fl u x (k W/m 2)
Tem p e ratu r (o C) Tinggi bahan bakar (cm) T. ONB dan T. Jenuh Heat fluks T. kelongsong dan T. bahan bakar T. air pendingin
UMo-Al Dengan Densitas Uranium 6 dan
7 gU/cm 3 . Jurnal Teknologi Bahan Nuklir, 7(1), 107-121.
7.  Aslina  B.G.,  Masrukan,  Husna  A.H.M. (2007).  Pengaruh  Temperatur  Terhadap Sifat Termal Paduan U-Zr Dengan variasi kandungan  Zr.  Jurnal  Urania  13(3),  123- 132.
8.  PRSG-BATAN.  (2010).  Laporan  Analisis Keselamatan RSG-GAS Revisi 10,
Volume 2, Jakarta.
9.  Kaminaga.  (1994).  COOLOD-N: A Computer  Code  for  the  Analysis  of Steady State Thermal Hydraulics in Plate Type Research Reactor . JAERI-JAPAN.
10.  R.  S.  Smith  dan  W.  L.  Woodruff. A
Computer  Code,  NATCON,  for  The Analyses of Steady-State Thermal- Hydraulics  and  Safety  Margins  in  Plat- Type  Research  Reactors  Cooled  by Natural  Convection .  ANL/RERTR/TM-12, Argonne  National  Laboratory,  Argonne,
Illinois.
11. Fluent Incorporated. (1998). CFD
Modelling  of  Turbulent  Flows.  Fluids
Review, TRN-98-004.
12. Praptoriadi
G., et al. (1995).
Thermohydraulics  Benchmark  Test  for The  RSG-GAS  Working  Core  During Steady  State  Condition .  Workshop  on Computational  for  Nuclear  Science  and Technology,  BATAN,  January  24-25, Jakarta.