(Edy Sulistyono, Etty Marti Wigayati)
ANALISIS SIFAT TERMAL TERHADAP UNJUK KERJA  PIN BAHAN BAKAR NUKLIR TIPE PWR PADA KONDISI TUNAK
Edy Sulistyono 1 , Etty Marti Wigayati 2
1. Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir - BATAN
Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan, 15310
2. Pusat Penelitian Fisika - LIPI
Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan
e-mail: edysulis@batan.go.id
(Naskah diterima:16 April 2013, disetujui: 20 Mei 2013)

## ABSTRAK
ANALISIS SIFAT THERMAL TERHADAP UNJUK KERJA  PIN BAHAN BAKAR NUKLIR TIPE PWR  PADA  KONDISI  TUNAK. Telah  dilakukan  pembuatan  sampel  uji  pin  bahan  bakar  tipe Pressurized  Water  Reactor (PWR)  di  Instalasi  Elemen  Bakar  Ekperimen  (IEBE).  Untuk mengetahui unjuk kerja dari pin tersebut perlu dilakukan analisis dengan melakukan pengujian di Power Ramp Test Facility (PRTF). Analisis dilakukan dengan pemodelan program kode komputer menggunakan program FEMAXI-V. Dari pemodelan ini dapat diketahui unjuk kerja bahan bakar, antara  lain  adalah  proses  termal  maupun  proses  mekanik  pada  kondisi  tunak  ( steady-state ). Keluaran  ( output )  dari  program  tersebut  diperoleh  data  entalpi,  distribusi burn-up ,  distribusi temperatur ke arah aksial maupun radial pada pin bahan bakar secara kualitatif. Hasil pemodelan dengan  program  FEMAXI-V  diketahui  bahwa  semakin  lama  elemen  bakar  diiradiasi  nilai  entalpi dan burn-up menunjukkan  adanya  peningkatan.  Pola  distribusi burn-up dan  pola  distribusi temperatur pada pin ke arah aksial nilai tertinggi di posisi node ke 5, sehingga untuk memprediksi unjuk  kerja  bahan  bakar  pin  terhadap  proses  termal  maupun  mekanik  dipilih  pada  posisi  node ke 5. Hasil analisis proses iradiasi kondisi tunak dengan power 107 W/cm, waktu iradiasi hingga 38112,0  jam  mengalami  penurunan  gap  radial,  tetapi  belum  terjadi  kontak  antara  pelet  dan kelongsong dan tidak terjadi tekanan kearah aksial maupun radial.
Kata kunci: elemen bakar nuklir, pin, kelongsong, pelet.

## ABSTRACT
THERMAL PROPERTIES ANALYSISON THE PERFORMANCEOF PWR TYPEFUEL PIN AT A STEADY-STATE CONDITION. A PWR fuel pin has been manufactured at the Experimental Fuel Element  Installation  of  BATAN  for  performance  test  in  RampPowerTestFacility  of  the RSG-GAS Multipurpose Reactor. A pre-irradiation modeling was conducted using FEMAXI-V. The otputs of the  steady-state  modeling  calculation  include  enthalpy  data,  burn-up  distribution,  and  qualitative radial  and  axial  temperature  distribution.  The  modeling results show    that longer irradiation  time increases  the  value  of  enthalpy  and  burnup  axially.  The  burn-up  and  temperature  distribution pattern has the highest value at node 5, and this value is hence chosen for theprediction of fuel pin  performance  during  thermal  and  mechanical  processes.  Analysis  of  steady  state  irradiation
with a power of 107 W/cm and irradiation time up to 38112.0 hours shows radial gap decrease but not  causing  contact  of  the  pellet  and  the  cladding,  and  there  is  no  indication  of  occurance  of pressure to axial and radial directions between the pellet and the cladding.
Keywords: nuclear fuel elements, pin,cladding, pellets

## PENDAHULUAN
Dalam rangka pengembangan teknologi  bahan  bakar  nuklir  dan  perluasan sarana  litbang  iptek  nuklir,  di  Serpong  telah dibangun  berbagai  fasilitas  instalasi  nuklir antara lain Instalasi Elemen Bakar Eksperimental  (IEBE)  dan  Reaktor  Serba Guna  GA  Siwabessy  (RSG-GAS).  IEBE merupakan  instalasi  yang  berfungsi  untuk pengembangan    pembuatan  elemen  bakar reaktor  daya  dan  reaktor  riset,  sedangkan RSG-GAS menjadi pusat kegiatan ketenaganukliran BATAN di Serpong. Kegiatan  yang  dilakukan  di  RSG-GAS antara  lain  produksi  radioisotop,  pengujian material  dan  bahan  bakar  uji  termasuk  pin tipe Pressurized  Water  Reactor (PWR). Salah  satu  fasilitas  iradiasi  yang  tersedia  di RSG-GAS  adalah  fasilitas  pengujian Power Ramp  Test  Facility (PRTF) [1] yang  dapat digunakan  untuk  pengujian  unjuk  kerja bahan  bakar  untuk  mendapatkan  standar kualitas  yang  baik  serta  aman  digunakan pada saat  iradiasi  di  reaktor  perlu  dilakukan beberapa  analisis.  Salah  satu  analisis  yang dapat dilakukan dengan cara  menggunakan perhitungan program komputer.
Untuk meramalkan atau memprediksi  penomena  fisika,  mekanik, kimia  pada  elemen  bakar  diperlukan  suatu model [1] . Pemodelan elemen bakar dibutuhkan  bentuk  struktur  yang  dapat
memberikan  pandangan  secara    detail  dan memungkinkan dapat difabrikasi guna proses  uji  iradiasi.  Untuk  pemecahan permasalahan  yang  sangat  komplek,  maka muncul teori
peramalan dengan
menggunakan  kode  komputer  yang  sering disebut fuel rod performance codes.
Kode
komputer
biasanya diklasifikasikan  menjadi  dua  yaitu  unjuk kerja  secara  keseluruhan  dan  secara  lokal dari  bahan  bakar.  Sebagai  contoh    kode komputer MIPAC, FEAST, FEMAXI [4] mampu mengevaluasi per bagian dari bahan bakar  maupun  interaksi  antara  bahan  bakar dan  kelongsong.  Salah  satu  kode  komputer yang  telah  dimiliki  PTBN  diharapkan  dapat digunakan  untuk  menganalisis  bahan  bakar jenis  PWR  secara  detail  adalah  program FEMAXI-V [2]
Analisis  tersebut  dapat  memberikan informasi  dan  memprediksi  secara  rinci dampak proses termal dan mekanik terhadap bahan bakar uji sebelum dikenai uji iradiasi dapat ditunjukkan pada Tabel 1.
Program  FEMAXI-V  adalah  suatu program  untuk  memprediksi  unjuk  kerja termal dan mekanik pin bahan bakar selama kondisi  tunak  dan  transien,  sehingga  dapat menganalisis  unjuk  kerja  sepanjang  pin  dan secara  lokal  dari  sebagian  kecil    pin  bahan bakar seperti terlihat dalam model
geometri [3] pada Gambar 1 dan 2.
(Edy Sulistyono, Etty Marti Wigayati)
Tabel 1. Proses  termal dan proses mekanikal dalam program FEMAXI.
Material Proses termal Proses mekanikal Pelet Heat conduction Thermal expansion Densification Elasticity Swelling Plasticity Fission gas release Creep Creep Cracking Cracking Swelling Initial relocation Hot pressing Kelongsong Elasticity Thermal expansion Plasticity Elasticity Creep Plasticity Heat conduction Creep Thermal expansion Cracking Elemen Bakar Gap heat transfer Mechanical Interaction Gas pressure Surface heat transfer Gambar 1.  Pin Bahan Bakar Uji tipe PWR. Gambar 2.   Model Geometri Elemen
Terbatas ( Finite Element ).

## TATA KERJA
Metoda  analisis  yang  dipergunakan adalah  metoda  yang  dapat  memprediksi unjuk kerja elemen bakar proses termal satu pin bahan bakar selama kondisi tunak.
Model analisis dalam program komputer  FEMAXI-V  ini  berdasarkan  model geometri  untuk  unjuk  kerja  termal  dan mekanikal [4] .  Diagram  alir  kode  komputer
ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Diagram alir FEMAXI-V.
Proses  analisis  dilakukan  sesuai diagram  alir    FEMAXI-V  pada  Gambar  3, diawali  dengan  perhitungan  proses  termal yang  diuraikan  dalam  dasar  teori  dan model [3] .    Pemodelan  unjuk  kerja  dibagi menjadi  dua  bagian  yaitu    analisis  secara utuh  satu  pin  dan  secara  lokal  bahan  bakar
seperti  pada  Gambar  4  (a)  dan  (b).  Dalam perhitungan  model  pin  dibagi  menjadi  10 node ke arah aksial, pelet dibagi menjadi 10 ring  ke  arah  radial  dan  kelongsong  dibagi menjadi  3  ring  ke  arah  radial.adalah  10,78 dan 11,26%.
(a) Secara aksial dan radial
(b) Secara lokal
Gambar 4. Model Axisimetrik Elemen Terbatas ( Finite Element ).
Model  perpindahan  panas  pada permukaan pin bahan bakar dengan kondisi operasi  berdasarkan  temperatur  pendingin konstan  untuk  sepanjang  pin.  Asumsi- asumsi  yang  digunakan  dalam  perhitungan proses  termal  bahwa  kenaikkan  temperatur entalpi pendingin, temperatur masuk, kecepatan  aliran  tidak  ditentukan  selama periode  analisis  tetapi  input  data  dapat diberikan  sebagai  variabel,  tekanan  dan kecepatan massa konstan pada arah aksial.
Entalpi  pendingin  (air  atau  uap) dihitung dengan persamaan
2 π r q n l n h n+1 – h n = __________________ (1)
G A
dengan h n = entalpi pada node n (J/kg), r = diameter  ekternal  pin  bahan  bakar  (m),  l n = panjang  segmen  n  (m),  G  =  kecepatan massa (= p.v) (kg/m 2 s), A  = luas aliran (m 2 ), q n = flux segmen n  (J/ m 2 s)
Persamaan  yang  digunakan  pada model perpindahan panas merupakan gabungan  dari  persamaan  Dittus-Boelter dan persamaan Jens-Lottes sebagai berikut:
q n = h (T n – T s )                                           (2)
dengan    q n adalah  heat  fluks,  h  adalah entalpi, T n = temperatur pada node ke n dan
T s adalah  temperatur  pada  permukaan kelongsong.
Koefisien  perpindahan  panas  pada permukan kelongsong mengikuti persamaan Jens-Lottes :
h w = 0,1263. Exp (      P w ) q 0,75 (3)
6,201 x 10 6
Persamaan Dittus-Boelter :
h w * = 0,023  K   (De Vp) 0,2 . ( Pr) 0,4 (4)
De . µ
dengan  h w =  koeffisien  tranfer  panas permukaan  (W/m 2 k),  K  =  termal  konduktiviti air  pendingin  (W/mk),  De  =  diameter ekivalen  (m),  V  =  kecepatan  alir  air pendingin (m/s), P  = densitas air pendingin (kg/m 3 ), µ = viskositas air pendingin (kg/ms),
Pr = Prandtl number, h w = h w * . 10 -4

## Metode analisis
Data hasil fabrikasi pin bahan bakar uji  pada  Tabel  2,  digunakan  sebagai  data masukan  perhitungan  proses  termal    pin yang dioperasikan pada kondisi tunak, daya 107  W/cm  dengan  asumsi  pin  dibagi  dalam 28 step, 10 node.
Tabel 2. Data  hasil fabrikasi pin bahan bakar uji.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pemodelan perpindahan panas ditetapkan  pada  daya  107  W/cm  kondisi tunak  dengan  asumsi  pin  dibagi  kedalam 28 step, 10 node dan hasil pengolahan data dengan program FEMAXI-V terhadap analisis termal ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Pola peningkatan entalpi setelah iradiasi.
Peningkatan  entalpi  terjadi  adanya perpindahan panas akibat kenaikan
temperatur dalam entalpi air pendingin yang dipindahkan  dari  pelet  ke  permukaan  pin
bahan  bakar,  sedangkan  kajian  waktu iradiasi  terhadap burn-up bahan  bakar
ditunjukkan pada Gambar 6. No Material Hasil ukur Satuan 1 Diameter pelet 8,9 mm 2 Panjang pelet 9,4 mm 3 Diameter dish pelet 7,7 mm 4 Kedalaman dish atas pelet 0,32 mm 5 Kedalaman dish bawah pelet 0,32 mm 6 Fraksional densitas pelet 0,928 - 7 Grain size 6,9 µm 8 Surface Rougness pelet 0,74 µm 9 Berat pelet 6,04 gram 10 Berat total pelet 205,2771 gram 11 Diameter luar kelongsong 10,75 mm 12 Diameter dalam kelongsong 9,33 mm 13 Surface Rougness kelongsong 0,30 µm 14 Panjang kelongsong 366,5 mm 15 Panjang total pin 446,3 mm 16 Volume plenum 2376,4 mm 3 17 Tekanan gas Helium 1 bar 18 Leak test He
< 10 -8 mbar cc/detik 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 Entalp i (GJ/KGU)
Waktu ( Jam )
(Edy Sulistyono, Etty Marti Wigayati)

## Gambar 6. Pola peningkatan nilai burnup.
Fenomena  pola  peningkatan  nilai burn-up yang  dibangkitkan  (Gambar  6) adalah  sama  dengan  Gambar  5,  sehingga data  keluaran  hasil  perhitungan  ini  dapat digunakan  untuk  memprediksi  waktu  yang dibutuhkan  untuk  iradiasi  pin  bahan  bakar tersebut.
Hasil pemodelan perpindahan panas  bila  ditinjau  dari  proses  thermal  ke arah aksial dengan mengikuti Model Aksimetrik Elemen Terbatas ( Finite Element )  seperti  pada  Gambar  4  dengan
daya  107  W/cm  kondisi  tunak,  dipilih    pin dibagi  10  node  pada  tahap  ( stage) no.  45, waktu  iradiasi  14176  jam  atau  19,7  bulan dan temperatur
pendingin
255 o C memberikan keluaran informasi pola distribusi  temperatur  pada  pelet  bagian tengah/ pusat, pelet bagian luar, kelongsong bagian  dalam  dan  kelongsong  bagian  luar terhadap  posisi  node  dan burn-up ke  arah aksial (Gambar 1) ditunjukkan pada Gambar 7 (a) dan (b)
(a)                                                                             (b)
Gambar 7. Pola distribusi temperatur dan burn-up terhadap posisi node.
Pola  distribusi  temperatur  dan  burnup terhadap  posisi  node  (Gambar  7  a  dan  b) menunjukkan  bahwa  nilai  tertinggi  di  node ke 5 atau posisi tengah sepanjang pin bahan
bakar,  sehingga  untuk  mengetahui  pola distribusi temperatur ke arah radial (Gambar 4)  dipilih  posisi  pelet  di  node  5 yang ditunjukkan pada Gambar 8.
0.0 500.0 1,000.0 1,500.0 2,000.0 2,500.0 3,000.0 3,500.0 Bur n -u p M W D/ TUO2 ) Waktu ( Jam ) 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Bu rnU p (MW D/T UO2) Node 0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Temper atur ( o C ) Node Kel bag luar Kel bag dalam Pelet bag Luar Pelet bag tengah
Gambar 8. Pola distribusi temperatur terhadap burn-up.
Pola  Gambar  8  menunjukkan  distribusi temperatur  nilai  tertinggi  pada  burnup 12813,5  MWD/TUO2,  bila  dibandingkan dengan posisi burn-up nilai tertinggi (Gambar  7  b)  posisi  berada  di  tengah sepanjang pin bahan bakar atau node ke 5. Hal  ini  menunjukkan  bahwa    kebolehjadian terjadi  ketidaksesuaian  tertinggi  terhadap kriteria  keberterimaan    pada  posisi  node  5 sehingga  untuk  memprediksi  terhadap  sifat termal  maupun  mekanik  selanjutnya  dipilih
pada  posisi  node  ke  5  dalam  perhitungan. Pemodelan  ke  arah radial dipilih  node  ke  5, pelet dibagi menjadi 10 ring dan kelongsong dibagi  menjadi  3  ring  memberikan  keluaran informasi  distribusi  temperatur  secara  radial pada  node  no.  5  seperti  yang  ditunjukan pada  Gambar  9.  Data  informasi  hasil perhitungan  final  pada  proses  termal ditunjukkan pada Tabel 3  dan untuk proses mekanik  pada Tabel 4.
Tabel  3. Informasi data termal pin bahan bakar kondisi tunak dengan daya 107 w/cm pada node ke 5.
No Stage ke Waktu (jam) Burn-up (MWD/TUO 2 ) Gap radial (micron) Tekanan gas (MPA) 1 12 48,0 16,4 123,40 0,00 2 45 14176,8 12813,5 107,33 0,00 3 78 29094,7 25733,0 90,58 0,00 4 103 38085,6 32849,8 85,41 0,00 5 110 38112,0 32859,1 96,96 0,00
Tabel  4. Informasi data mekanik pin bahan bakar terhadap deformasi antara bahan bakar dan kelongsong pada node ke 5.
No Stage ke Waktu (jam) Burn-up (MWD/TUO 2 ) Gap radial Posisi atas (micron) Tekanan kontak aksial (MPA) Tekanan kontak radial (MPA) 1 12 48,0 16,4 86,62 0,00 0,00 2 45 14176,8 12813,5 70,22 0,00 0,00 3 78 29094,7 25733,0 53,49 0,00 0,00 4 103 38085,6 32849,8 46,34 0,00 0,00 5 110 38112,0 32859,1
57,55
0,00 0,00
0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 Tempe ra tur ( o C ) Burn-up  ( MWD/TUO2 ) Kel bag luar Kel bag dalam Pelet bag Luar
Pelet bag tengah
Pada  Tabel  3  dan  4  terlihat  bahwa proses  iradiasi  kondisi  tunak  dengan  power 107  W/cm,  waktu  iradiasi  hingga  38112,0 jam  mengalami  penurunan  gap  radial  tetapi belum  terjadi  kontak  antara  pelet  dan kelongsong dan tidak terjadi tekanan kearah aksial  maupun  radial,  maka  pin  dalam kondisi aman dan selamat untuk diiradiasi di Power Ramp Test Facility (PRTF)

## SIMPULAN
Peningkatan entalpi diakibatkan kenaikkan
temperatur air pendingin disebabkan adanya perpindahan temperatur dari  pelet  ke  permukaan  pin  bahan  bakar sehingga  mempengaruhi  unjuk  kerja  pin secara keseluruhan.Pola distribusi temperatur  terhadap  posisi  node  nilai tertinggi  adalah  pada  node  ke  5  atau  posisi tengah sepanjang pin bahan bakar.
Kebolehjadian  terjadi  ketidaksesuaian  atau kerusakan  pada  posisi  node  5  sehingga untuk  memprediksi  terhadap  proses  termal maupun  mekanik  selanjutnya  dipilih  pada posisi  node  tersebut.  Hasil  analisis  proses iradiasi kondisi tunak dengan daya 107 W/cm,  waktu  iradiasi  hingga  38112,0 jam mengalami penurunan gap radial belum terjadi  kontak  antara  pelet  dan  kelongsong dan  tidak  terjadi  tekanan  kearah  aksial maupun  radial.  Hasil  analisis  dengan FEMAXI-V  dapat  menampilkan  data  secara kualitatif,  detail  dan  dapat  memberikan informasi  sebagai  bahan  pertimbangan
tahapan  yang  perlu  dilakukan  selama  uji paska iradiaisi dan fabrikasi

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih penulis sampaikan  kepada  bapak  Ir.  Tri  Yulianto, Bapak  Eddy  Indarto,  bapak  Suryadi  dan anggota  tim  Laporan  Analisis  Keselamatan uji  iradiasi  bahan  bakar  U-7Mo/Al  dan  U- 6Zr/Al yang telah banyak membantu pekerjaan analisis.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Hari  Sudirdjo.  (2011).  Uji  Fungsi  Power Ramp  Test  Facility  (  PRTF)  RSG-GAS Paska  Perbaikan.  Proseding  Seminar Penelitian  dan  Pengelolaan  Perangkat Nuklir – PTAPB.
[2].  Suzuki  Motoe.  (1999).  FEMAXI-V  :  A Computer  Code  for  the  Analysis  of Thermal  and  Mechanical  Behavior  of Fuel Rods, JAERI.
[3].  Anonim. (1992). FEMAXI-IV: A Computer  Code  for  the  Analysis  of Thermal  and  Mechanical  Behavior  of Fuel  Rods.  JAERI  Fuel  Reliability Laboratory CRC Research Institute, Inc.
[4].  Edy  Sulistyono.  (1994).  Analisa  Unjuk Kerja Elemen Bakar Reaktor Daya Jenis LWR(Light  Water  Reactor),  Buletin Reaktor  Serba  Guna  TRI  DASAMEGA vol 3 no 1.