## ANALISIS DESAIN PROSES SISTEM PENDINGIN PADA REAKTOR RISET INOVATIF 50 MW
Sukmanto Dibyo, Endiah P.H, Ign. Djoko Irianto Pusat Teknologi dan Keselamatan Reaktor Nuklir BATAN sukdibyo@gmail.com; endiah@batan.go.id; igndjoko@batan.go.id
Diterima editor: 15 Januari 2015 Direvisi editor: 11 Februari 2015 Disetujui untuk publikasi: 18 Februari 2015

## ABSTRAK ANALISIS DESAIN PROSES SISTEM PENDINGIN PADA REAKTOR RISET INOVATIF 50 MW.
Reaktor Riset Inovatif (RRI) merupakan jenis MTR (Material Testing Reactor) yang dipersiapkan ke depan sebagai desain reaktor baru. Daya RRI telah ditetapkan dari perhitungan neutronik dan termohidrolika teras yaitu  50  MW  termal.  Reaktor  bertekanan  8  kgf/cm 2 dan  laju  aliran  massa  pendingin  primer  900  kg/s. Tantangan  yang  penting  dalam  menindak  lanjuti  desain  reaktor  ini  adalah  analisis  desain  pada  sistem pendingin. Makalah ini bertujuan untuk menganalisis desain proses sistem pendingin utama reaktor RRI daya 50 MW (RRI-50) dengan menggunakan program ChemCAD 6.1.4. Dalam analisis ini dilakukan perhitungan neraca  massa  dan  energi  (mass/energy  balances)  pada  sistem  pendingin  primer  dan  sekunder  sebagai pendingin utama. Masing-masing sistem pendingin tersebut terdiri dari 2 jalur beroperasi secara paralel dan 1 jalur  redundansi.  Disamping  itu  untuk  desain  termal  unit  komponen  telah  dianalisis  dengan  program RELAP5,  FrenchCreek  dan  Metoda  Analitik.  Hasil  analisis  yang  diperoleh  adalah  desain  diagram  sistem pendingin yang mencakup data parameter entalpi, temperatur, tekanan dan laju aliran massa pendingin untuk masing-masing  jalur.  Adapun  hasil  desain  unit  komponen  utama  pada  RRI-50  adalah  tangki  tunda  dengan volume  51,5  m 3 ,  2  unit  pompa  sentrifugal  dan  1  unit  pompa  cadangan  pada  pendingin  primer  daya  141 kW/pompa  dan  pendingin  sekunder  daya  206  kW/pompa,  2  unit  penukar  panas  tipe  shell-tube  dengan koefisien termal overall 1377 W/m 2.o C dan 4 unit menara pendingin yang mampu melepaskan panas ke udara dengan  desain  temperatur  approach  5,0 o C  dan  temperatur  range  9,0 o C.  Desain  sistem  pendingin  reaktor RRI-50  ini  telah  menetapkan  parameter  operasi  sistem  pendingin  yaitu  temperatur,  tekanan  dan  laju  aliran massa  pendingin  dengan  mempertimbangkan  tuntutan  aspek  keselamatan  teras  reaktor  sehingga  desain temperatur maksimum pendingin masuk ke teras 44,5 o C.
Kata kunci : RRI 50 MW, desain sistem pendingin, program ChemCAD 6.1.4

## ABSTRACT
DESIGN  ANALYSIS  OF  COOLING  SYSTEM  PROCESS  OF  THE  INNOVATIVE  RESEARCH REACTOR 50 MW. Innovative Research Reactor RRI is a type of MTR (Material Testing Reactor), which is being prepared in the future as a design of new reactor. The power of RRI has been determined based on the core  thermalhydraulic  and  neutronic  calculation,  which  is 50  MWt.  The  reactor  pressure  is  8  kgf/cm 2 and coolant  mass  flow  rate  is  900  kg/s.  The  important  challenge  in  the  follow  up  of  this  reactor  design  is  the design  analysis  of  cooling  system.  The  purpose  of  this  study  is  to  analyze  the  design  of  RRI  reactor  main coolant system at the power of 50 MWt (RRI-50) using ChemCAD 6.1.4. In this analysis the mass and energy balances at the primary and secondary cooling system are calculated as main coolant. Each of the cooling system consists of two lines operating in parallel and redundancy lines. Besides that, the thermal design of the component units have been analyzed using RELAP5, FrenchCreek and Analytical Methods. The analyses result  obtained  is  a  design  of  cooling  system  diagram  which  includes  parameter  of  enthalpy,  temperature, pressure and coolant mass flow rate of each line. Meanwhile, design result of main component unit are delay tank  of  51.5  m 3 volume,  2  unit  centrifugal  pumps  and  1  unit  stand-by  pump  for  the  primary  coolant  pump each  of  141  kW  power  and  secondary  coolant  pump  each  of  206  kW  power,  2  unit  of  shell-tube  heat exchanger with overall thermal coefficient of 1377 W/m 2.o C and 4 unit cooling tower that capable to release the  heat  to  the  air  at  approach  temperature  of  5,0 o C  and  range  temperature  of  9,0 o C.  Design  of  reactor coolant  system  RRI-50  has  decided  the  operating  parameters  of  cooling  system  are  temperature,  pressure and mass flow rate by considering into the demands of the safety aspects of the reactor core therefore design of maximum coolant temperature to the reactor core is 44,5 o C.
Keywords : RRI 50MW,  design of cooling system, program ChemCAD 6.1.4.

## PENDAHULUAN
Reaktor riset merupakan fasilitas nuklir yang penting untuk melakukan kegiatan penelitian dan produksi  isotop,  oleh  karena  itu  dalam  rangka  mewujudkan  desain  reaktor  riset  ke  depan  perlu dipersiapkan desain reaktor baru yang dalam hal ini adalah reaktor riset inovatif (RRI). Pada mulanya desain  reaktor  RRI  telah  didesain  pada  daya  20MW[1],  kemudian  berdasarkan  pertimbangan  desain neutronik  dan  termohidrolika  teras  reaktor  maka  ditetapkan  hasil  desain  konseptual  reaktor  riset berdaya 50 MWt bertekanan 8 kgf/cm 2 (sesuai dengan hasil analisis desain termohidrolika teras RRI- 50).  Dari  berbagai  opsi  konfigurasi  teras  setimbang  maka  desain  neutronik  teras  alternatif  terbaik reaktor  RRI  yaitu  berbahan  bakar  U 9 Mo-Al  dengan  tingkat  muat 235 U  sebesar  400  gr  panjang  aktif bahan  bakar  70  cm  [2].  Begitu  pula  desain  termohidrolika  teras,  untuk  memenuhi  kriteria  marjin keselamatan teras terpenuhi maka hasil analisis menunjukkan bahwa reaktor memiliki daya termal 50 MW  bertekanan  sekitar  8  kgf/cm 2 dan  dioperasikan  dengan  laju  aliran  massa  pendingin  sebesar  900 kg/s [3].
Dalam desain reaktor riset inovatif 50 MWt (RRI-50) maka penelitian ini menganalisis desain sistem  pendinginnya.  Desain  ini  merupakan  pendukung  pada  pelaksanaan  desain  konseptual  reaktor RRI-50 secara keseluruhan. Berdasarkan tingkat daya maka RRI-50 merupakan jenis reaktor riset daya tinggi yang harus menggunakan moda pendinginan konveksi paksa pada teras reaktor. Merujuk pada beberapa reaktor riset, secara umum bahwa sistem pendingin reaktor riset meliputi komponen utama yaitu  teras  reaktor  di  dalam  bejana  reaktor,  pompa  sirkulasi  sistem  pendingin  primer  dan  sekunder, penukar panas,  tangki  tunda  N-16 dan  menara  pendingin (cooling tower) [4,5,6,7].  Sistem  lain  yang juga terdapat pada reaktor dan tidak tercakup dalam desain ini adalah fasilitas iradiasi, sistem reflektor, sistem  pendingin  untuk  keselamatan  darurat  reaktor,  sistem  pemurnian  pendingin,  sistem  make-up pendingin dan sistem bantu.
Desain  sistem  pendingin  merupakan  tantangan  yang  penting  dalam  menindak-lanjuti  desain reaktor.  Dalam  desain  sistem  pendingin,  diperlukan  analisis termodinamika untuk mendapatkan data proses  transfer  massa  dan  energi  (entalpi)  fluida  dengan  mengacu  pada  ketetapan  kesetimbangan massa dan panas (mass and heat balance). Pembuatan diagram aliran proses (flow-sheet) merupakan langkah  desain  pada  tahap  pertama,  selanjutnya  ditetapkan  dan  dihitung  kondisi  parameter  proses pendingin  (laju  aliran  sistem  pendingin  dan  neraca  panas)  sesuai  desain/rencana  yang  akan dikondisikan.  Pada  tahap  ini,  perhitungan  desain  parameter  operasi  didasarkan  pada  desain  diagram alir  proses  yang  menggunakan  program  ChemCAD  6.1.4,  dimana  program  ChemCAD  ini  adalah program  komputer  yang  dapat  digunakan  untuk  melakukan  desain  operasi,  evaluasi  dalam  industri pada  proses  equipment  manufacturing,  analisis  sistem  operasi  unit  (unit  operation)  instalasi  proses termasuk melakukan desain baru (equipment sizing) pada sistem pendinginan [8]. Program ChemCAD telah berhasil diaplikasikan dalam desain sistem pendingin reaktor riset OPAL 20 MWt Australia [5]. Di samping itu, program ini memuat data pustaka unit komponen yang cukup lengkap seperti pompa, penukar panas, katup, menara pendingin, vessel, kompresor dan sebagainya.
Pengambilan panas dari reaktor merupakan fungsi utama sistem pendingin sehingga tidak terjadi pendidihan di lokasi manapun di teras reaktor. Oleh karena itu, untuk pertimbangan aspek keselamatan supaya  reaktor  dapat  dioperasikan  dengan  aman,  maka  sistem  pendingin  primer  dan  pendingin sekunder tersusun dalam 2 jalur sistem pendingin yang didukung dengan tambahan satu jalur cadangan (redundansi).
Tujuan  dari  makalah  ini  adalah  menganalisis  desain  sistem  pendingin  primer  dan  sekunder sebagai pendingin utama reaktor RRI-50 dengan menggunakan program ChemCAD6.1.4, menentukan parameter-parameter  operasinya  berdasarkan  desain  diagram  alir  sistem  pendingin  utama  serta dilengkapi dengan desain awal unit komponen sehingga reaktor dapat beroperasi dalam kondisi aman.

## TEORI

## Desain Sistem Pendingin
Reaktor  RRI-50  seperti  halnya  riset  jenis  MTR  (Material  Test  Reactor),  secara  umum dilengkapi dengan sistem pendingin primer dan pendingin sekunder. Masing-masing sistem pendingin utama terdiri dari 2 modul jalur dan 1 jalur redundansi dilengkapi dengan pompa-pompa sirkulasi yang
beroperasi  secara  paralel  untuk  mengoperasikan  pendinginan  paksa  pada  teras  reaktor.  Adapun  unit komponen utama sistem pendingin reaktor meliputi bejana reaktor, tangki tunda N-16, pompa, penukar panas,  dan  menara  pendingin.  Subsistem  yang  tidak  dibahas  dalam  desain  sistem  utama  pendingin reaktor ini diantaranya sistem  pemurnian air,  sistem  penyimpan  elemen  bakar,  sistem  reflektor D 2 O, sistem pendinginan darurat, sistem make-up pendingin sekunder dan sistem bantu lainnya, temperatur, tekanan dan laju aliran massa pendingin dengan mempertimbangkan tuntutan aspek keselamatan teras reaktor sehingga temperatur pendingin masuk ke teras tidak lebih dari 44,5 o C [3].
Pada  prinsipnya  peran  penting  sistem  pendingin  reaktor  adalah  untuk  mengambil  panas  yang dibangkitkan dari reaksi fisi di teras reaktor. Setelah meninggalkan teras reaktor, air pendingin menuju tangki tunda N-16 (decay tank N-16). Melalui jalur percabangan, pendingin mengalir menuju pompa sentrifugal.  Setiap  discharge  pompa  masing-masing  dihubungkan  ke  unit  penukar  panas  (sebagai sistem  interface),  di  dalam  unit  ini  panas  ditransfer  ke  sistem  pendingin  sekunder  yang  dilengkapi dengan menara pendingin. Melalui menara pendingin ini panas dikeluarkan ke udara atmosfer. Untuk pendingin  cadangan  dapat  dipasang  secara  paralel  sebagai  sistem  pendingin  stand-by.  Sistem pendingin primer adalah untai tertutup dimana reaktor bertekanan sekitar 8 kgf/cm 2 .
Gambar 1 menunjukkan desain konseptual diagram aliran sistem pendingin RRI. Secara umum terdapat  4  jalur  aliran  pendingin  (stream)  yakni  jalur  pendingin  primer  ke  reaktor,  jalur  pendingin primer  dari  reaktor,  jalur  pendingin  sekunder  ke  alat  penukar  panas,  dan  jalur  pendingin  sekunder menuju menara pendingin
Keterangan : jalur 1 :  Pendingin primer ke reaktor. jalur 2 :  Pendingin primer dari reaktor. jalur 3 :  Pendingin sekunder ke penukar panas. jalur 4 :  Pendingin sekunder menuju menara pendingin.
Gambar 1. Skematika diagram alir utama sistem pendingin
Desain  diagram  proses  ini  menetapkan  laju  alir  pendingin,  temperatur  pendingin  masuk  ke reaktor, temperatur dan tekanan reaktor yang diperlukan untuk menjaga integritas teras reaktor melalui pengambilan  panas  oleh  sistem  pendingin.  Hasil  desain  dasar  yang diperoleh  berupa  diagram  proses aliran  pendingin  berdasarkan  daya  reaktor.  Parameter  termohidrolika  teras,  diperlukan  sebagai  input untuk  perhitungan  neraca  panas  dan  massa  sistem  pendingin  reaktor.  Hal  ini  dimaksudkan  untuk memperoleh  diagram  proses  aliran  dan  watak  sistem  untai  (circuit  system  behaviour)  menggunakan program ChemCAD.

## Desain Unit Komponen
Unit komponen utama sistem pendingin reaktor diantaranya adalah pompa, penukar panas, dan menara pendingin. Pada bagian sistem pendingin reaktor primer, dilengkapi dengan tangki tunda N-16 yang  berada  di  sisi  hisap  (suction  line)  pompa.  Tangki  tunda  ini  merupakan  salah  satu  bagian  dari sistem jaringan pendingin yang berfungsi untuk meluruhkan radiasi produk isotop radioaktif Nitrogen- 16 dari reaktor.
Pompa adalah unit komponen yang berfungsi untuk mengambil panas dari teras reaktor melalui sirkulasi air pendingin. Pompa sentrifugal merupakan jenis pompa yang paling banyak digunakan di
dunia  karena  memiliki  kontinuitas  aliran  yang  stabil.  Ada  berbagai  jenis  pompa  sentrifugal dikelompokkan  berdasarkan  pada  variasi  prinsip  kerjanya.  Pompa  ini,  memiliki  prinsip  kerja  cukup sederhana, teruji, efektifdan relatif efisien. Kenaikan tekanan aliran diperoleh dari energi mekanik dari putaran  poros  (shaft)  ke  fluida  melalui  putaran  impeler.  Pompa  harus  mengatasi  hambatan  aliran berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian dan friksi. Gambar 2 menunjukkan diagram skematik pompa sentrifugal [9].

## Gambar 2. Diagram pompa sentrifugal[9]
Untuk mentransfer panas dari sirkulasi sistem pendingin primer ke sistem pendingin sekunder, digunakan  unit  komponen  penukar  panas.  Penggunaan  jenis  shell-tube  dapat  dipilih  dengan pertimbangan  memiliki  kapasitas  transfer  panas  yang  besar,  banyak  digunakan  secara  luas,  mudah perawatan, data informasi yang lengkap untuk desain dan banyak keuntungan dibanding tipe lainnya.
Desain  penukar  panas  dilakukan  dengan  metoda  analitik  untuk  memperoleh  parameter  desain termal sesuai dengan data dari desain diagram proses sistem pendingin yang diperlukan pada RRI-50. Metoda ini menggunakan persamaan neraca massa, energi dan persamaan konstitutif yang sudah baku. Hasil perhitungan dikerjakan secara iteratif antara energi panas (Q), temperatur fluida (T) dan aliran massa  fluida  dari  alat  penukar  panas.  Pada  kondisi  normal,  sistem  aliran  pendingin  beroperasi  pada kecepatan dan laju aliran pendingin konstan. Persamaan transfer panas (Q) dari pendingin primer ke sekunder yang berlaku secara umum adalah sebagai berikut [10,11]:
dT Cp w dQ . . =
(1) LMTD T A U dQ ∆ = . . (2)
dengan,
w
: aliran massa pendingin (kg/s) Cp : panas spesifik (Joule/kg.K) dT
:
beda temperatur pendingin masuk dengan keluar teras (K) U : koef. transfer panas (Joule/s.m 2 .K) A : luasan (m 2 ) ∆ T LMTD : beda temperatur logaritmik (K)
Pada  bagian  sistem  pendingin  sekunder,  unit  komponen  yang  digunakan  untuk  melepaskan panas  ke  udara luar adalah menara  pendingin,  melalui pendinginan ini, panas  dilepas  ke  udara  yang temperaturnya  lebih  rendah  secara  transfer  panas  latent  dan  sensible.  Pendinginan  disertai  dengan hilangnya  sebagian  kecil  percikan  air  (drift  loss)  dan  penguapan  yang  ditransfer  ke  udara.  Jumlah percikan air yang hilang ini dalam literatur pada umumnya pada rentang 0.0118% sampai 0.161% [12]. Menara  pendingin  dilengkapi  dengan  filler  sebagai  mediator  antara  udara  dengan  air  hangat  dari penukar  panas.  Fungsi  dari  filler  ini  juga  untuk  menaikkan  luas  permukaan  kontak  dan  penyebaran yang lebih baik [13].
Pada  sistem  menara  pendingin  ini,  air  hangat  disebarkan  (sprayed)  pada  bagian  atas  dengan menggunakan  nosel  distribusi.  Di  bagian  bawah  terdapat  penampungan  (basin)  yang  dilengkapi
dengan  fasilitas  katup  blow-down  dan  sistem  make-up  water.  Menara  pendingin  yang  dipilih  untuk sistem pendingin sekunder adalah jenis induced draft tower. Jenis ini banyak digunakan dalam sistem pendingin dan dilengkapi dengan kipas yang terletak pada sisi discharge untuk menarik udara supaya melewati menara sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3. Tarikan kipas juga mempengaruhi udara yang mengandung butiran air keluar ke discharge.
Gambar 3. Skematika induced draft counterflow tower [14]
Pendinginan  berlangsung  melalui  transfer  panas  antara  udara  dan  air  yang  masuk    menara pendingin. Sementara itu, temperatur approach (beda temperatur antara air keluar menara pendingin dengan temperatur udara wet-bulb) adalah sekitar 5 o C. Teori yang paling umum dalam proses transfer panas dikembangkan oleh Merkel. Analisis ini merupakan karakteristik menara yang didasarkan pada beda entalpi sebagai driving force sebagai berikut [14];
= ℎ` − ℎ (3)
dengan,
K : koefisien transfer massa (kg air/s.m 2 )
a : area kontak (m 2 ) /volume menara (m 3 ) V : volume menara (m 3 ) /area (m 2 ) L : laju massa air pendingin dalam penampang menara (kg/s.m 2 )
h’ , h : entalpi udara  jenuh  pada temperatur  air dan entalpi aliran udara (Joule/kg)
Menara pendingin Mechanical-draft pada umumnya dirancang pada rentang rasio L/G dari 0,75 sampai 1,50, kemudian nilai KaV/L bervariasi dari 0,50 sampai 2,50 [15]. L/G adalah rasio antara laju massa  air  pendingin  dengan  laju  massa  udara  menara  pendingin.  Dalam  penentuan  desain  menara pendingin, ukuran menara yang dibutuhkan berdasarkan data temperatur approach, cooling range dan wet bulb, laju aliran massa pendingin, laju udara yang melalui menara.

## METODOLOGI
Untuk mendapatkan desain proses pendinginan reaktor dengan menggunakan ChemCAD 6.1.4 maka diperlukan sistematika tata kerja sebagaimana ditunjukkan pada skema diagram Gambar 4,

## Gambar 4. Diagram tata kerja
Tahap pertama dalam metodologi desain ini adalah membuat diagram aliran sistem pendingin yang  mengacu  pada  desain-desain  sistem  pendingin  reaktor  riset  [1,4,7].  Desain  parameter  sistem pendingin  RRI-50  dianalisis  dengan  menggunakan  program  ChemCAD  6.1.4.  Berdasarkan  desain diagram aliran  untuk  proses  pendinginan  maka diperoleh hasil  perhitungan  neraca massa  dan neraca panas pada setiap jalur aliran. Neraca massa dan neraca panas ini sebagai hukum kekekalan massa dan energi yang merupakan perhitungan kuantitatif dari aliran pendingin pada kondisi tunak (steady-state) [1,8].  Prinsip  inilah  mendasari  program  ChemCAD  menghitung  desain  sistem  proses  pendingin. Adapun  output  ChemCAD  diacu  untuk  perhitungan  desain  unit-unit  komponen  utama  sistem pendingin.
Sebelum  menganalisis  desain  parameter  sistem  pendingin,  maka  perlu  ditentukan  beberapa ketetapan dan parameter  input  sistem  pendingin yaitu sebagai berikut :
• Daya yang dibangkitkan dari reaktor adalah 50 MW termal.
• Laju aliran massa nominal pendingin primer  = 900 kg/s.
• Temperatur pendingin masuk teras = 44,5 ° C.
• Temperatur wet-bulb udara = 28,0 ° C.
• Sistem pendingin dihitung pada kondisi adiabatik, di mana pada jalur aliran pendingin tidak ada panas yang diserap dari udara ataupun yang lepas ke udara. Panas yang dibangkitkan oleh reaktor hanya dilepas melalui menara pendingin.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Desain Sistem Pendinginan
Hasil desain sistem pendingin RRI untuk daya reaktor 50MW meliputi data parameter operasi sistem  pendingin  yaitu  temperatur,  tekanan  dan  laju  aliran  massa  pendingin  untuk  masing-masing jalur,  begitu  pula  data  desain  untuk  unit  komponen  pada  sistem  pendingin  primer  dan  sekunder. Gambar 5 menunjukkan desain diagram alir proses sistem pendingin primer dan sekunder reaktor RRI- 50  yang  disusun  dengan  menggunakan  paket  program  ChemCAD6.1.4.  Sebagaimana  ditunjukkan pada  Gambar  tersebut,  diagram  ini  terdapat  2  jalur  sistem  pendingin  dilengkapi  dengan  2  unit komponen penukar panas dan 4 unit menara pendingin. Disamping itu, desain pendingin reaktor RRI- 50  juga  didukung  dengan  tambahan  satu  jalur  cadangan  sebagai  redundant  cooling  systems  back-up sebagaimana  seperti  pada  desain  sistem  pendingin  reaktor  riset  daya  tinggi.  Jalur  cadangan  reaktor RRI-50 memiliki satu unit penukar panas dan 2 unit menara pendingin. Dalam perhitungan desain ini, jalur  cadangan  disimulasikan  tanpa  laju  aliran  yang  diatur  oleh  moda  splite  (percabangan)  pada program ChemCAD 6.1.4.
Hasil desain proses sistem pendingin reaktor RRI 50MW
Output ChemCAD6.1.4: Diagram aliran proses sistem pendinginan,
neraca massa, energi,
masing2 aliran
( streams )
Input :  Preparasi  dan
opsi input data  RRI daya 50 MW Running ChemCAD6.1.4 Penyusunan diagram alir pada sistem pendingin utama RRI-50 Desain pompa:Data output ChemCad6.1.4 Desain tangki tunda: Referensi Desain menara pendingin:FrenchCreek, Metoda MerkeL Desain penukar panas: Referensi
Gambar 5. Desain diagram alir proses sistem pendingin primer dan sekunder RRI-50
Hasil  perhitungan  desain  proses  ini  diperoleh  dengan  menggunakan  metodologi  seperti  yang ditunjukkan pada diagram tata kerja (Gambar 4). Dalam desain ini, diagram sistem pendingin hanya dititik-beratkan  pada  jalur  utama  sistem  pendingin  saja,  sehingga  belum  melibatkan  sub-sistem pendingin reaktor.
Tabel 1 merupakan hasil kompilasi parameter temperatur, laju aliran massa pendingin dan beban panas pada unit komponen sistem pendingin RRI-50, yang menunjukkan bahwa sistem pendingin telah sesuai dengan kondisi desain yang ditentukan setelah melalui perhitungan justifikasi neraca massa dan energi oleh program ChemCAD 6.4.1. Dari hasil perhitungan dengan menggunakan program tersebut maka  beban energi panas  yang  dibangkitkan dari reaktor adalah  50,06 MJoule/s  (heat source)  dapat dilepaskan/dibuang  oleh  menara  pendingin  sebesar  50,32  MJoule/s  (heat  sink).  Dalam  hal  ini  ada panas tambahan yang dihitung oleh ChemCAD 6.4.1 yaitu 0,262 MJoule/s yang berasal dari putaran pompa-pompa sirkulasi. Begitu pula laju aliran massa pendingin primer menghasilkan angka 901kg/s sehingga  untuk  satu jalur pendingin  primer sebesar  450,5  kg/s.  Adapun  untuk  laju aliran  massa satu jalur  pendingin sekunder  adalah  333,5kg/s.  Dengan  demikian,  hal  yang  penting  dalam  desain sistem pendingin ini adalah tuntutan aspek keselamatan teras reaktor yang menetapkan temperatur pendingin masuk ke teras tidak lebih dari 44,5 o C sehingga tidak terjadi pendidihan inti pada titik terpanas dan keselamatan termohidrolika teras terpenuhi [3].
Oleh karena pembuatan desain proses sistem pendingin ini menggunakan program ChemCAD maka untuk memperoleh konvergensi perhitungan perlu ditetapkan dengan benar data input awal pada setiap jalur pendingin terhadap parameter operasi temperatur, tekanan dan laju aliran massa. Dengan demikian dapat terpenuhi desain sistem pendingin pada daya reaktor, laju aliran massa pendingin dan temperatur pendingin yang masuk ke teras reaktor sesuai dengan yang direncanakan.
Tabel 1. Hasil desain temperatur dan laju aliran massa sistem pendingin
Reaktor Penukar panas Menara pendingin No. Unitkomponen : 1 18 19 12 13 14 15 Aliran massa pendingin primer kg/s 901,0 450,5 450,5 Aliran massa pendingin sekunder kg/s 667,0 667,0 333,5 333,5 333,5 333,5 Temperatur pendingin primer Masuk, o C 44,50 57,85 57,85
Keluar, o C 57,80 44,60 44,60 Temperatur pendingin sekunder Masuk, o C 33,05 33,05 42,02 42,02 42,02 42,02 Keluar, o C 42,02 42,02 33,00 33,00 33,00 33,00 Beban panas MJoule/s (*) 50,06 25,03 25,03 -12,58 -12,58 -12,58 -12,58
(*) MJoule/s = Mwatt

## Desain Unit Komponen
Pada  sistem  pendingin  RRI-50,  terdapat  unit  komponen  tangki tunda  N-16  (nomor  2), pompa sirkulasi sistem pendingin primer dan sekunder (nomor 4, 5, 16, 17, 23), alat penukar panas (nomor 18, 19)  dan  menara  pendingin  (nomor  12,  13,  14,  15)  yang  beroperasi  dalam  2  jalur  sistem  pendingin. Adapun  jalur  pendingin  cadangan  sebagai  sistem  redundansi  juga  dilengkapi  dengan  unit  pompa (nomor  7)  penukar  panas  (nomor  20)  dan  menara  pendingin  (nomor  21,  22),  akan  tetapi  pada prinsipnya  jalur  ini  juga  diintegrasikan  dengan  jalur  lainnya  melalui  pengaturan  katup  yang diilustrasikan  oleh  katup  nomor  26.    Desain  unit-unit  komponen  yang  ditambahkan  dalam  analisis desain  ini  merupakan  kelengkapan  untuk  menghasilkan  suatu  desain  yang  lebih  konprehensif  pada sistem pendingin utama RRI-50.
Desain  unit  tangki  tunda  dikonsep  berbentuk  silinder  yang  dipartisi  oleh  penyekat  menjadi  4 aliran  di  dalamnya,  bentuk  tangki  ini  mengacu  pada  tangki  tunda  reaktor  JRR3M  Jepang  yang merupakan salah satu contoh tangki tunda yang berhasil dioperasikan dengan handal. Konsep model desain tangki tunda RRI-50 didesain dengan bantuan RELAP5. Pada dasarnya desain tangki tunda ini adalah  mengetahui  waktu  tempuh  aliran  pendingin  dari  nosel  aliran  masuk  sampai  keluar  tangki. Gambar model desain tangki tunda ditunjukkan pada Gambar 6 [16]. Mengacu model desain tersebut, diperoleh data hasil desain yang disampaikan pada Tabel 2.
Gambar 6. Model desain tangki tunda N-16 [16]
Tabel 2. Data desain dasar tangki tunda sistem pendingin RRI-50
No Parameter Desain Besaran 1 Laju aliran massa pendingin (kg/s) 900 2 Diameter (m) 2,7 3 Panjang (m) 8,1 4 Volume total (m 3 ) 51,504 5 Diameter nosel (m) 0,81 6 Waktu tempuh (sekon) 60

## Desain Pompa Sirkulasi
Data utama desain pompa sirkulasi untuk pendingin primer dan sekunder telah diperoleh seperti ditunjukkan pada Tabel 3. Data awal spesifikasi pompa dapat diperoleh dari menu spec sheet report dari program ChemCAD. Data input program yang dipakai untuk desain adalah temperatur aliran, laju aliran massa, efisiensi dan menggunakan specify outlet pressure sebagai mode operasi pompa. Pompa ini  ditentukan  jenis  sentrifugal  single  stage  di  mana  pompa  pendingin  primer  dan  pompa  pendingin sekunder  memiliki  kapasitas  yang  berbeda  sesuai  dengan  kondisi  operasi  dan  laju  aliran  pendingin
yang harus disirkulasikan. Tiga unit pompa pendingin primer memiliki jenis dan kapasitas yang sama. Dua  unit  pompa  secara  paralel  dioperasikan  selama  operasi  normal,  adapun  pompa  ketiga  adalah sebagai  pompa  cadangan  (on  stand-by).  Masing-masing  pompa  pendingin  primer  dilengkapi  dengan fly wheel untuk meningkatkan waktu coast-down flow.
Tabel 3 Data desain pompa primer dan pompa sekunder
Parameter Pompa primer Pompa sekunder Desain temperatur, ° C 60 60 Tipe Sentrifugal, single stage Sentrifugal, single stage Laju aliran massa pompa sirkulasi, kg/s 901 1334 Head pompa, m 20,72 20,51 Daya pompa, kW 141 206 NPSHa, m 66 7,7 RPM pompa 3550 3550 Efisiensi pompa, % 0,80 0,80

## Desain Penukar Panas
Data  desain  termal  penukar  panas  pada  sistem  pendingin  RRI-50  telah  diperoleh  yaitu  data temperatur, tekanan  dan laju  aliran  massa  pendingin,  beban  panas  dan spesifikasi (dimensi)  penukar panas. Proses desain termal penukar panas pada dasarnya adalah menghitung koefisien transfer panas dari  fluida  panas  ke  fluida  pendingin,  luasan  transfer  panas  yang  diperlukan  dan  rugi  tekanan  aliran yang ditentukan.
Penukar  panas  RRI-50  memiliki  kapasitas  25,03  MJoule/s,  data  temperatur  dan  laju  aliran pendingin yang diperoleh dari hasil perhitungan menggunakan ChemCad 6.4.1. Untuk itu terdapat 2 unit  penukar  panas  yang  mampu  pada  kondisi  steady  memindahkan  beban  panas  50  MJoule/s  dari reaktor,  begitu  pula  1  unit penukar  panas  yang  dipasang  pada jalur redundansi  memiliki data  desain yang sama. Model dan tipe penukar panas adalah shell-tube 1-2 pass dilengkapi dengan 6 buah baffle pengarah aliran [17].

## Desain Menara Pendingin
Hasil  perhitungan  desain  termal  pada  menara  pendingin  sistem  pendingin  sekunder  disajikan pada  Tabel  5  yang  mencakup  data  spesifikasi  desain  dasar  pada  menara  pendingin.  Desain  ini menggunakan  data  masukan  dari  desain  sistem  pendingin  reaktor  sebagaimana  disampaikan  pada Tabel  1.  Terdapat  4  unit  menara  pendingin  dan  1  unit  cadangan  yang  masing-masing  memiliki kemampuan  beban  12,58  MJoule/s.  Desain  menara  pendingin  telah  ditentukan  jenis  induced  draft tower, di mana penggunaan jenis ini dilengkapi dengan kipas untuk menarik udara sehingga melewati butiran air pendingin dari atas menara. Temperatur air keluar dari menara pendingin dipengaruhi oleh kecepatan udara dan laju massa air panas yang dilepas ke udara.
Sumber air make-up diperlukan untuk mengisi kembali volume air yang hilang akibat percikan 0,02%  [14], evaporasi dan laju  blowdown.  Dalam  analisis ini  Cyclus  Ratio  (CR)  yaitu  rasio  mineral terlarut  antara  air  pendingin  dengan  air  make-up  adalah  4,7  (dengan  asumsi  laju  penguapan  dan kualitas  air  make-up  tidak  berbeda  dengan  kondisi  sistem  pendingin  sekunder  RSG-GAS  maka digunakan pendekatan kesetaraan dengan RSG-GAS) [18]. Sementara itu laju aliran pendingin adalah 333,5  kg/s.  Berdasarkan  data  masukan  tersebut  maka  desain  menara  pendingin  dianalisis  dengan menggunakan FrenchCreek software sebagaimana data hasil keluaran yang ditunjukkan pada Gambar 7 [19]. Desain termal dan karakteristik menara pendingin disajikan pada Tabel 5.
Gambar 7. Output tampilan FrenchCreek software menara pendingin RRI-50 Tabel 5 Data desain menara pendingin No Parameter Besaran 1 Jenis / tipe Induced draft 2 Beban desain  termal per  unit,  MJoule/s 12,58 3 Jumlah unit total, - 5 4 Laju massa pendingin/unit,  kg/s 333,5 5 Rasio  laju  massa  air/Laju  massa  udara (L/G) 1,125 5 Temperatur air masuk, ° C 42,0 6 Temperatur air keluar, ° C 33,0 7 Temperatur approach, o C 5,0 8 Temperatur range, o C 9,0 9 Temperatur wet-bulb udara, o C 28,0 10 Karakteristik menara (KaV/L) 1,838 11 Laju penguapan, kg/s 5,3 12 Laju percikan (drift loss), kg/s 0,07 13 Laju blow-down, kg/s 1,35 14 Cyclus ratio (CR), - 4,7

## KESIMPULAN
Desain proses sistem pendingin reaktor RRI-50 dan penentuan parameter-parameter operasinya berhasil  dikerjakan,  begitu  pula  telah  diperoleh  desain  dasar  pada  komponen  unitnya.  Desain parameter operasi sistem pendingin ini didasarkan pada desain daya reaktor 50 MWtermal, laju aliran massa  pendingin  dan  temperatur  pendingin  dengan  mempertimbangkan  tuntutan  aspek  keselamatan teras reaktor sehingga temperatur pendingin masuk ke teras tidak lebih dari 44,5 o C. Oleh karena itu pembuatan  desain  proses  sistem  pendingin  menggunakan  program  ChemCad  ini  perlu  ditetapkan dengan  benar  parameter  operasi  sistem  pendingin  tersebut  yaitu  temperatur,  tekanan  dan  laju  aliran massa  pada  setiap  jalur  pendingin.  Adapun  desain  tangki  tunda  N-16,  pompa  sirkulasi,  alat  penukar panas  dan  menara  pendingin  adalah  desain  awal  yang  merupakan  kelengkapan  untuk  menghasilkan suatu desain yang lebih konprehensif pada sistem pendingin utama RRI-50.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Sukmanto  D,  Ign.  Djoko  I.,  Analisis  desain  konseptual  proses  operasi  sistem  pendingin reaktor  riset  inovatif  20  MW  menggunakan  paket  ChemCAD,  Prosiding  PPI–PDIPTN PTAPB–Batan Yogyakarta 2013.
2. Iman K, Surian P, Tagor M.S. Desain teras alternatif untuk reaktor riset inovatif (RRI) dari aspek neutronik  J. Tek.  Reaktor. Nukl. Vol.16 no.1 Hal. 1-10; Feb. 2014.
3. Endiah  P.H,  Subekti  M.  Analisis  aspek  termohidrolika  pada  desain  awal  bahan  bakar  RRI daya tinggi. Prosiding seminar nasional TKPFN-19. Batan-UIN Sunan Kalijaga Yogyakarta, ISSN.0854.2910;10-2013.
4. PRSG-Batan. Sistem pendingin reaktor. LAK RSG-GAS Rev 10 Bab 6.vol.2. Jakarta;2010.
5. INVAP.  Reactor  cooling  system  and  connected  systems.  RRRP-7225-SAR  Chapt.  6. ANSTO;2004.
6. Heonil KIM, Hark Rho KIM, Kye Hong LEE, Ji Bok LEE. Design characteristics and startup tests  of  Hanaro,  Journal  of  nuclear  Science  and  Technology.  vol.33.  no.7.  p.527-538;  July 1996.
7. Onishi N. Diagram of primary cooling loop and heavy water cooling loop of JRR-3M. Kinds of a nuclear reactors - reactors for nuclear sciences and technologies. NSRA Japan; 2008.
8. Chemtation-Team. ChemCAD Version 6-User guide; 2011.
9. Christian BJ. The centrifugal pump - Structural and fluid mechanics. Grund for research and technology denmark; 2010.
10. Kern  DQ.  Process  heat  transfer.  International  student  edition.  Mc.Graw  hill  book  co. NY;1965.
11. Vera García. A simplified model for shell-and-tubes heat exchangers. Practical application. Applied thermal engineering 30. 1231-1241; 2010.
12. M. Lucas. Experimental determination of drift loss from a cooling tower with different drift eliminators using the chemical balance method. International journal of refrigeration 1779- 178835; 2012.
13. Mortaza Gholizadeh.The estimation of the cooling tower height by modeling the water and air  contact  situation  in  cooling  tower  falling  film.  Journal  of  chemical  engineering  and materials science.v.2(2). pp.21-27; February 2011.
14. Perry  RH-Green  DW.  Psychrometry,  evaporative  cooling  and  solids  drying.  Sect.  12. Chemical  engineer  handbook.  6 th edition.  The  mcGraw-hill  companies,  Inc.Copyright©; 1999.
15. Viska  M.  Practical  engineering  guidelines  for  processing  plant  solutions.  Cooling  tower selection. Sizing (Engineering design guideline), KLM techn. group Malaysia;07-2011.
16. Sukmanto  D,  Surip  W.  Analisis  desain  tangki  tunda  N-16  sistem  pendingin  RRI  melalui aplikasi Relap5. Seminar nasional TKPFN-19 Yogyakarta; 09-2013.
17. Sukmanto  D,  Bambang  H.G.  Perhitungan  desain  termal  penukar  panas  sistem  pendingin RRI-50. Majalah ilmiah sigma epsilon; 2014 (draft rev.0).
18. Sukmanto  D.  Penentuan  laju  blow-down  sistem  menara  pendingin  RSG-GAS.  Prosiding presentasi  ilmiah  penelitian  dasar  ilmu  pengetahuan  dan  teknologi  nuklir  P3TM  Batan Yogyakarta; 2003.
19. FrenchCreek. Cooling water modeling (WaterCycle-Rx). FrenchCreek softwarev.7; 2011.