Generator uap (tenaga nuklir)

Generator uap adalah penukar panas yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap dari panas yang dihasilkan dalam teras inti core reaktor nuklir. Mereka digunakan dalam reaktor air bertekanan (PWR) antara loop pendingin primer dan sekunder.

Dalam desain PWR yang khas, pendingin primer adalah air dengan kemurnian tinggi, dijaga di bawah tekanan tinggi sehingga tidak bisa mendidih. Pendingin primer ini dipompa melalui teras reaktor di mana ia menyerap panas dari batang bahan bakar. Kemudian melewati generator uap, di mana ia memindahkan panasnya (melalui konduksi logam) ke air bertekanan rendah yang dibiarkan mendidih.Everything you want to know about Nuclear Power , University of Melbourne (2014) Nuclearinfo.net

 Prinsip kerja 
jmpl|Pekerjaan sedang berlangsung pada Reaktor Uji Komponen Air Berat.
jmpl
jmpl|Diagram Animasi Reaktor Air Bertekanan
jmpl|Diagram pembangkit listrik tenaga nuklir dengan reaktor air bertekananr.
jmpl|Ilustrasi Reaktor Air Bertekanan (Diagram Sederhana)
jmpl|Ilustrasi Reaktor Pembiak Cepat (Diagram Sederhana)
jmpl|Generator uap horizontal untuk Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir
jmpl|Generator uap WWER (horizontal)
jmpl|Terdapat dua loop pada generator uap PWR, yaitu loop primer dan loop sekunder. Loop primer menghubungkan generator uap dengan reaktor, dan loop sekunder menghubungkan generator uap dengan turbin. Generator uap ini disebut generator uap sekali lewat (OTSG), di mana air sekunder keluar dari loop sekunder sebagai uap super panas. OTSG merupakan desain Babcock & Wilcox.
Generator uap dalam reaktor nuklir berfungsi sebagai penukar panas yang mengubah air menjadi uap dengan memanfaatkan panas dari reaksi fisi nuklir di teras reaktor, seperti pada reaktor air bertekanan (PWR). Dalam desain PWR, air pendingin primer yang sangat panas mengalir melalui pipa-pipa di dalam generator uap, memindahkan panasnya ke air bertekanan rendah di sisi sekunder untuk mendidih dan menghasilkan uap yang akan menggerakkan turbin untuk menghasilkan listrik. 

Cara Kerja Generator Uap
 Pemanasan Primer: Reaksi fisi nuklir di teras reaktor memanaskan air pendingin primer pada tekanan tinggi hingga suhu yang sangat tinggi. 
 Transfer Panas: Air panas ini dipompa melalui ribuan pipa di dalam generator uap. 
 Produksi Uap Sekunder: Panas dari pipa-pipa ini ditransfer melalui konduksi logam ke air bertekanan rendah di sirkuit sekunder, yang kemudian mendidih dan berubah menjadi uap. 
 Pemisahan Sirkuit: Sistem dua loop ini memisahkan air yang terkontaminasi radioaktif di sirkuit primer dari uap di sirkuit sekunder, menjaga keselamatan agar radiasi tidak menyebar. 
 Penggerak Turbin: Uap yang dihasilkan kemudian mengalir ke turbin, memutar bilah-bilahnya, yang kemudian memutar generator untuk menghasilkan listrik. 

Generator uap adalah komponen kunci yang mengubah energi panas dari reaktor menjadi energi mekanik melalui uap untuk menggerakkan turbin. Sistem sirkuit terpisah (loop primer dan sekunder) memastikan bahwa air yang menyerap panas dari reaktor (radioaktif) tidak bersentuhan dengan turbin dan kondensor, sehingga meningkatkan keselamatan operasional. Generator uap adalah penukar panas utama yang menghubungkan antara sirkuit pendingin primer yang sangat panas dan sirkuit sekunder yang menghasilkan uap untuk pembangkit listrik. 

Kondisi operasi tipikal
Generator uap dalam PWR "tipikal" di AS memiliki kondisi operasi berikut:
 Sisi Tekanan(absolut) Suhumasuk Suhukeluar Sisi primer (sisi tabung)(air cair)(air cair) Sisi sekunder (sisi cangkang)(air cair)(uap jenuh)

 Fluida superkritis 
Bahan-bahan dari fluida superkritis mempunyai sifat di antara gas dan cairan sebagai berikut:
+Sifat dari berbagai pelarut fluida kritis Pelarut  Berat Molekul  Suhu Kritis  Tekanan Kritis  Kepadatan Kritis g/mol  K  MPa (atm)  g/cm3 Karbon dioksida (CO2) 44.01  304.1  7.38 (72.8)  0.469 Air (H2O) 18.02  647.3  22.12 (218.3)  0.348 Metana (CH4) 16.04  190.4  4.60 (45.4)  0.162 Etana (C2H6) 30.07  305.3  4.87 (48.1)  0.203 Propana (C3H8) 44.09  369.8  4.25 (41.9)  0.217 Etilena (C2H4) 28.05  282.4  5.04 (49.7)  0.215 Propilena (C3H6) 42.08  364.9  4.60 (45.4)  0.232 Methanol (CH3OH) 32.04  512.6  8.09 (79.8)  0.272 Ethanol (C2H5OH) 46.07  513.9  6.14 (60.6)  0.276 Aseton (C3H6O) 58.08  508.1  4.70 (46.4)  0.278
Perbandingan fluida superkritis dengan gas dan cairan diketahui melalui nilai massa jenis, viskositas, dan difusivitas berikut:

+Perbandingan antara gas, cairan, dan fluida superkritis   Massa jenis (kg/m3) Viskositas (µPa∙s) Difusivitas (mm²/s) Gas 1  10  1-10 Fluida superkritis100-100050-1000.01-0.1 Cairan1000500-10000.001
400px|jmpl|Air, ketika dinaikkan secara bersamaan ke suhu dan tekanan yang sangat tinggi, mendekati apa yang dikenal sebagai “titik kritis” (≥374,2°C dan 22,1 MPa), di atasnya air menjadi “superkritis” seperti yang ditunjukkan di Area Merah di kanan atas.

 Desain generator uap  
Desain untuk generator uap yang saat ini beroperasi. 

Generator uap resirkulasi (RSG), yang dirancang oleh 
 Westinghouse (AS), 
 Combustion Engineering (AS), 
 Framatome/AREVA NP (Prancis), 
 Mitsubishi Heavy Industries (Jepang), 
 Siemens (Jerman),  
 Doosan (Republik Korea),
 Desain Kanada
 desain generator uap Babcock & Wilcox (AS) dan 
 desain Rusia (WWER) 

 Model generator uap di AS (Westinghouse dan Combustion Engineering) 
Unit Westinghouse Advanced PWR tipe AP1000 menggunakan dua generator uap Delta 125, dengan masing-masing generator uap berdaya 1707,5 MWth. Generator uap Delta 125 merupakan evaporator tabung U berselubung vertikal dengan peralatan pemisah kelembapan terintegrasi. Tabung-tabung tersebut dibuat dari bahan dasar nikel Alloy 690 (Alloy 690TT) yang telah diolah secara termal. Tabung-tabung tersebut ditopang oleh pelat penyangga baja tahan karat feritik. Lubang-lubang pada pelat penyangga tabung dibuat dengan geometri lubang (lubang yang dibuat dengan TSP) untuk mendorong aliran berkecepatan tinggi di sepanjang tabung. Selongsong termal dan nozel air umpan dibuat dari material Alloy 690TT, yang sangat tahan terhadap erosi dan korosi. Desain yang disempurnakan bertujuan untuk menghilangkan kondisi yang terkait dengan terjadinya palu air generator uap. Desain ini menggunakan 210 pemisah primer modular dengan diameter riser 7 inci. Pengering kait ganda dan pengering saku digunakan, yang menyediakan permukaan berliku-liku untuk mengumpulkan kelembapan. Kualitas uap ditingkatkan hingga minimum yang dirancang, yaitu 99,75 persen. Pengumpul lumpur yang terletak di bagian bawah riser pemisah primer menyediakan area pasif untuk pengendapan lumpur sebelum fluida mencapai pelat penyangga tabung dan permukaan sekunder pelat tabung.https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/te_1544_web.pdf

Pengumpul lumpur adalah kotak berlapis-lapis berbentuk bulat. Terletak di bagian bawah dek pemisah uap, di atas bagian lengkung bundel tabung, dengan saluran masuk di tengah kotak dan saluran keluar di tepi. Sebagian air resirkulasi, yang bergabung dengan air umpan, dapat masuk ke pengumpul lumpur dan mengalir dalam arah radius. Dengan menurunnya kecepatan aliran, partikel lumpur yang terbawa air dapat mengendap secara gravitasi, yang dapat dihilangkan saat terjadi pemadaman. Pengumpul lumpur adalah perangkat non-aktif dengan struktur padat, yang berdampak kecil pada struktur generator uap dan termohidraulik. Pengumpul lumpur dapat beroperasi selama operasi pabrik untuk mengumpulkan lumpur secara berkala dengan efisiensi dan keandalan yang tinggi. Dengan pengumpul lumpur, endapan lumpur pada lembaran pipa berkurang drastis, yang dapat sangat membantu mencegah korosi pada pipa. Daya generator uap adalah 1707,5 MWth. Tekanan desain sisi primer dan sekunder masing-masing adalah 17,13 MPa dan 8,17 MPa. Suhu desain sisi uap adalah 315,5°C, dan suhu saluran masuk primer adalah 321°C.

 Generator uap resirkulasi Korea 
Generator uap APR1400 adalah evaporator tipe cangkang vertikal dan tabung U dengan ekonomiser terintegrasi dan peralatan pemisah kelembapan, serta merupakan tipe yang ditingkatkan dan merupakan evolusi dari generator uap yang baru-baru ini beroperasi di Republik Korea. Pendingin reaktor memasuki plenum saluran masuk melalui nosel saluran masuk primer pada suhu 291–324°C, mengalir naik melalui lembaran tabung dan pipa lengkung U, lalu kembali melalui lembaran tabung ke plenum saluran keluar dan keluar melalui kedua nosel saluran keluar pada suhu 291°C.

Air umpan dengan suhu 232°C memasuki wilayah ekonomizer pada lembaran tabung di sisi kaki dingin bundel tabung, yang dipisahkan dari wilayah evaporator bawah oleh pelat pembagi sekunder. Di atas pelat distribusi aliran, air umpan mengalir ke atas dalam aliran berlawanan arah aksial, dipanaskan oleh konveksi paksa hingga mendekati kondisi jenuh di puncak ekonomizer. Pada ketinggian ini, air umpan yang dipanaskan bercampur dengan air downcomer kaki dingin dan fluida sekunder dari sisi kaki panas di bagian evaporator bundel tabung. Perpindahan panas melalui pendidihan nukleat terjadi di evaporator saat fluida sekunder mengalir ke atas yang terus meningkatkan kualitas uapnya. Pemisah uap yang dipasang pada pelat dek di bagian atas selubung bundel tabung memisahkan uap dari campuran dua fase. Uap yang terpisah (sekitar 25%) mengalir melalui pengering dan keluar dari nozel uap, sementara air (sekitar 75%) kembali ke downcomer. 10% dari total aliran air umpan dicampur dengan air yang disirkulasi ulang di downcomer untuk mengembunkan uap yang terbawa ke bawah, yang mungkin ada.

Peningkatan desain utama meliputi modifikasi sudut nosel outlet primer untuk meningkatkan operasi mid-loop, kontrol otomatis ketinggian air generator aliran untuk semua rentang operasi, penyempurnaan desain untuk mencegah getaran akibat aliran, dan penggunaan tabung Alloy 690TT. Untuk perawatan dan inspeksi, struktur internal di dalam generator uap dapat diakses melalui manway dan handhole. Tekanan desain sisi primer dan sisi sekunder masing-masing adalah 17,2 MPa dan 8,27 MPa. Temperatur desain sisi primer dan sisi sekunder masing-masing adalah 343°C dan 299°C.

 Generator Uap Resirkulasi Kanada 
Generator uap CANDU yang saat ini beroperasi adalah generator uap resirkulasi vertikal (RSG) yang dibuat oleh Babcock & Wilcox Canada Ltd. Satu-satunya pengecualian adalah unit Wolsong 1 di Republik Korea, yang menggunakan generator uap serupa yang dibuat oleh Foster Wheeler. Atomic Energy of Canada Limited (AECL), dan untuk beberapa unit, Ontario Hydro, memilih parameter desain utama untuk generator uap CANDU, termasuk material dan ukuran pipa, ukuran generator uap, dan parameter hidrolik termal utama. Para fabrikator melakukan desain detail peralatan. RSG CANDU sangat mirip dengan RSG PWR dengan beberapa perbedaan kecil dalam ukuran, material, suhu operasi, dan struktur penyangga tabung.

Meskipun ukuran RSG CANDU telah meningkat pesat seiring dengan desain reaktor berikutnya, RSG ini umumnya lebih kecil daripada RSG PWR, dan beroperasi pada suhu yang lebih rendah (suhu saluran masuk primer 290°C hingga 310°C). Suhu yang lebih rendah umumnya menunda timbulnya proses korosi yang diaktifkan secara termal seperti retak korosi tegangan air primer (PWSCC) atau retak korosi tegangan intergranular (IGSCC). Karena pendingin primer dalam reaktor CANDU adalah air berat (D20), ukuran tabung yang relatif kecil [12,7 mm (1/2") OD dan, pada unit yang lebih baru, 15,9 mm (5/8") OD] telah digunakan untuk meminimalkan inventaris air berat. Ukuran kepala primer (bawah) dan tabung yang lebih kecil meningkatkan kesulitan dalam melakukan aktivitas pemeliharaan seperti inspeksi tabung, penyumbatan, pelepasan, dll.

Ketebalan dinding tabung nominal berkisar antara 1,13 mm hingga 1,2 mm, tergantung pada jenis paduan tabung yang digunakan (misalnya Paduan 800M memiliki konduktivitas termal yang lebih rendah daripada Paduan 600 yang membutuhkan tabung yang lebih tipis).

Area keragaman terpenting dalam desain CANDU terletak pada pemilihan material tabung; generator uap CANDU saat ini beroperasi dengan tabung yang terbuat dari Paduan 600 yang dianil pabrik dan bersuhu tinggi. (Alloy 600MA), Monel 400 dan titanium stabil Alloy 800.

 Generator uap WWER Rusia 
Generator uap yang digunakan pada pembangkit WWER-440 (PGV-440) dan WWER-1000 (PGV-1000 dan PGV-1000M) rancangan Rusia adalah penukar kalor selongsong dan tabung horizontal yang diproduksi oleh ZiO (Podolsk, Wilayah Moskow), Atommash (Volgodonsk, Wilayah Volgograd), dan Vitkovice (Ceko). Generator uap ini terdiri dari bejana tekan, bundel tabung penukar kalor horizontal, dua kolektor primer vertikal, sistem perpipaan air umpan, separator kelembapan, dan kolektor uap.

Pendingin primer memasuki generator uap melalui kolektor vertikal, mengalir melalui pipa baja tahan karat horizontal berbentuk U yang terendam, dan keluar melalui kolektor vertikal kedua. Ujung-ujung pipa menembus dinding kolektor (yang menjalankan fungsi yang sama dengan lembaran pipa pada generator uap PWR) dan diekspansi menggunakan proses ekspansi hidrolik atau eksplosif, lalu dilas pada permukaan dinding bagian dalam kolektor. Kolektor WWER-440 terbuat dari baja tahan karat austenitik yang distabilkan Ti. Kolektor WWER-1000 terbuat dari baja paduan rendah dengan sifat tarik yang lebih tinggi, dilapisi baja tahan karat. Pipa-pipa WWER-440 disusun dalam satu garis (koridor). Pipa-pipa WWER-1000 tersusun secara stagger. Kisi-kisi yang terdiri dari batang baja tahan karat dan pelat bergelombang yang dicap digunakan untuk memisahkan dan menopang pipa-pipa tersebut. Jarak antar penopang tabung adalah 700–750 mm.

Bejana generator uap berupa silinder horizontal baja karbon (WWER-440) atau baja bainitik paduan rendah (semua generator uap WWER yang lebih baru, lihat Tabel 2.5) yang terdiri dari cangkang tempa, ujung elips yang dicap, serta pipa cabang dan palka yang dicap dan dilas bersama. Kolektor pendingin primer panas dan dingin vertikal menembus bejana di dekat titik tengahnya. Air umpan disuplai ke bagian tengah bundel tabung WWER-400 melalui pipa berlubang. Pada generator uap WWER-1000, air umpan disuplai ke bagian atas sisi panas bundel tabung di bawah lembaran berlubang yang terendam. Bundel tabung terendam seluruhnya pada kedua desain. Desain generator uap WWER-440 dan WWER-1000 serupa, kecuali untuk:
• Ukuran (generator uap WWER-1000 sekitar 4 meter lebih panjang)
• Susunan tabung (koridor versus staggered)
• Material kolektor
• Lokasi pasokan air umpan
• Pelat atas berlubang terendam (hanya WWER-1000)
• Susunan pengering uap
• Sistem distribusi air umpan darurat (hanya WWER-1000)
• Susunan header uap
• Material bejana.

Desain generator uap WWER-1200 (PGV-1000MKP) serupa dengan PGV-1000M, kecuali diameter bejana yang lebih besar (4200 mm) dan susunan bundel tabung koridor. Parameter generator uap lebih tinggi dan dirancang untuk diimplementasikan pada desain PLTN WWER yang lebih canggih.

 Perbedaan Pembangkit Uap Berbahan Bakar Batu Bara dan Nuklir 
Pembangkit uap berbahan bakar batu bara menggunakan siklus Rankine untuk mengubah energi kimia dari batu bara menjadi listrik, dengan turbin uap dan generator yang sebagian besar tetap konsisten di berbagai jenis bahan bakar. Sementara itu, pembangkit uap nuklir juga menggunakan siklus ini, tetapi menghasilkan panas melalui fisi nuklir, bukan pembakaran. Perbedaan utama terletak pada sumber panas awal (pembakaran batu bara vs. reaksi nuklir), penanganan bahan bakar (penghancuran batu bara vs. penanganan bahan bakar nuklir), emisi (CO2, SOx, NOx untuk batu bara; tidak ada emisi untuk nuklir), dan produk limbah (abu terbang untuk batu bara; limbah radioaktif untuk nuklir).

 Pembangkit Uap Berbahan Bakar Batu Bara. Batubara dibakar dalam ketel uap untuk menghasilkan panas. Panas ini mengubah air menjadi uap bertekanan tinggi. Uap tersebut memutar turbin, yang menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik. Uap bekas kemudian didinginkan, dikondensasikan kembali menjadi air, dan dikembalikan ke ketel uap.
 Pembangkit Uap Nuklir. Fissi nuklir dalam reaktor menghasilkan panas. Panas ini digunakan untuk menghasilkan uap, mengikuti siklus Rankine yang dimodifikasi, mirip dengan pembangkit listrik tenaga batu bara. Uap menggerakkan turbin yang terhubung ke generator, menghasilkan listrik. Proses selanjutnya berlanjut dengan mengembunkan uap dan mengembalikannya ke reaktor.

Pembangkit listrik tenaga batu bara dapat beroperasi pada tekanan uap yang jauh lebih tinggi (3.000 psi atau lebih) dibandingkan Reaktor Air Bertekanan (PWR) nuklir, yang dibatasi sekitar 900-1.000 psi karena keterbatasan suhu kelongsong bahan bakar. Tekanan yang lebih tinggi pada pembangkit listrik tenaga batu bara ini menghasilkan uap super panas, yang menyebabkan penurunan entalpi yang lebih besar, peningkatan daya keluaran turbin, dan efisiensi pembangkit secara keseluruhan yang lebih tinggi dibandingkan dengan PWR, yang menghasilkan uap jenuh.

Pembakaran batu bara dapat menghasilkan uap super panas bertekanan tinggi yang sangat panas, seringkali melebihi 3.000 psi (pon per inci persegi). Beberapa pembangkit listrik tenaga batu bara canggih beroperasi dalam rezim superkritis, menggunakan tekanan uap sedikit di atas 3.200 psi dan suhu yang lebih tinggi untuk mencapai efisiensi maksimum. Penurunan entalpi yang tinggi pada uap super panas di turbin menghasilkan daya yang lebih besar, sehingga menghasilkan efisiensi keseluruhan yang lebih tinggi untuk pembangkit listrik. PWR beroperasi pada tekanan yang lebih rendah, biasanya berkisar antara 900 hingga 1.000 psi. Tekanan ini sesuai dengan batas suhu jenuh untuk kelongsong bahan bakar di dalam reaktor, sehingga menghasilkan uap jenuh, bukan uap super panas. Tekanan dan suhu uap yang lebih rendah pada loop sekunder PWR menghasilkan penurunan entalpi yang lebih kecil dan daya keluaran turbin yang lebih rendah dibandingkan dengan pembangkit listrik tenaga batu bara yang beroperasi pada tekanan yang lebih tinggi.

Pembangkit listrik tenaga batu bara menggunakan pembakaran langsung untuk menghasilkan uap bersuhu dan bertekanan tinggi. PWR menggunakan fisi nuklir untuk memanaskan air guna menghasilkan uap. Pembangkit listrik tenaga batu bara dapat menghasilkan uap super panas, yang memiliki potensi energi lebih tinggi. PWR menghasilkan uap jenuh karena batasan keamanan pada suhu kelongsong bahan bakar. Tekanan dan suhu yang lebih tinggi pada pembangkit listrik tenaga batu bara memungkinkan konversi energi yang lebih besar dan efisiensi termal yang lebih tinggi daripada pada PWR.

 Lihat pula 
 Badan Tenaga Atom Internasional (IAEA) 
 Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN)
 Organisasi Riset Tenaga Nuklir (ORTN)
 Pembangkit listrik tenaga nuklir
 Reaktor nuklir
 Bahan bakar nuklir
 Pengisian bahan bakar online
 Inti reaktor nuklir
 Moderator neutron
 Cairan pendingin
 Air berat
 Batang kendali (reaktor nuklir)
 Startup sumber neutron
 Pompa air umpan boiler
 Bejana tekan reaktor
 Reaktor pembiak
 Menara pendingin
 Turbin uap
 Generator listrik
 Light water reactor (LWR)
 Boiling water reactor (BWR)
 Pressurized water reactor (PWR)
 Pressurized heavy-water reactor (PHWR)
 Moderator Grafit:
 Magnox
 Advanced gas-cooled reactor' (AGR)
 RBMK
 Tenaga nuklir berbasis thorium

 Referensi 

 John M. Dyke and Wm. J. Garland, Evolution of CANDU Steam Generators – a Historical View 
 Backgrounder on Steam Turbine Issues, Nuclear Regulatory Committee (March 21, 2014)

Kategori:Komponen pembangkit listrik tenaga nuklir
Kategori:Pembangkit listrik tenaga nuklir
Kategori:Teknologi nuklir