Reaktor bola kerikil

Reaktor bola kerikil atau pebble-bed reactor (PBR)  adalah desain untuk reaktor nuklir berpendingin gas dengan moderasi grafit. Ini adalah jenis reaktor suhu sangat tinggi (VHTR), salah satu dari enam kelas reaktor nuklir dalam inisiatif Generasi IV.NGNP Point Design – Results of the Initial Neutronics and Thermal-Hydraulic Assessments During FY-03  pg 20
jmpl|Skema reaktor berpendingin gas suhu tinggi dengan partikel berlapis
jmpl|Skema reaktor berpendingin gas helium suhu tinggi HTR. Reaktor nuklir ini merupakan reaktor pebble-bed generasi IV berpendingin gas suhu tinggi (HTGR). Contohnya HTR-10 dan HTR-PM. Reaktor ini pada dasarnya aman; bahkan jika loop primer kehilangan daya, reaktor akan mendingin secara pasif dan tidak akan mengalami pelelehan. Bahkan jika pipa pendingin loop primer pecah dan terlepas dari inti reaktor (kerusakan melebihi desain awal), inti tidak meleleh dan akan mendingin sendiri melalui konveksi alami, tanpa melepaskan material radioaktif.
jmpl|Struktur dan komposisi bola grafit dalam reaktor nuklir "pebble bed".
jmpl|Irisan manik TRISO dengan warna semu
jmpl|Potongan melintang melalui pelet TRISO

Rancangan dasar reaktor pebble-bed menampilkan elemen bahan bakar bulat yang disebut kerikil. Kerikil seukuran bola tenis ini (berdiameter sekitar 6,7 cm atau 2,6 inci) terbuat dari grafit pirolitik (yang bertindak sebagai moderator), dan mengandung ribuan partikel bahan bakar mikro yang disebut partikel tristruktural-isotropik (TRISO). Partikel bahan bakar TRISO ini terdiri dari bahan fisil (seperti 235 U) yang dikelilingi oleh lapisan keramik silikon karbida untuk integritas struktural dan penahanan produk fisi. Di PBR, ribuan kerikil dikumpulkan untuk membuat inti reaktor, dan didinginkan oleh gas, seperti helium, nitrogen, atau karbon dioksida, yang tidak bereaksi secara kimia dengan elemen bahan bakar. Pendingin lain seperti FLiBe (fluorida cair, litium, garam berilium) juga telah disarankan untuk diimplementasikan dengan reaktor berbahan bakar kerikil. Beberapa contoh reaktor jenis ini diklaim aman secara pasif.

Karena reaktor dirancang untuk menangani suhu tinggi, ia dapat mendingin dengan sirkulasi alami dan tetap bertahan dalam skenario kecelakaan, yang dapat menaikkan suhu reaktor menjadi 1.600 °C (2.910 °F). Karena desainnya, suhunya yang tinggi memungkinkan efisiensi termal yang lebih tinggi daripada yang mungkin dilakukan di pembangkit listrik tenaga nuklir tradisional (hingga 50%) dan memiliki fitur tambahan bahwa gas tidak melarutkan kontaminan atau menyerap neutron seperti air, sehingga inti memiliki lebih sedikit bahan pencemar.

Konsep ini pertama kali diusulkan oleh Farrington Daniels pada tahun 1940-an, dikatakan terinspirasi oleh desain inovatif pembakar Benghazi oleh pasukan gurun Inggris pada Perang Dunia II, tetapi pengembangan komersial baru dilakukan pada tahun 1960-an di reaktor AVR Jerman oleh Rudolf Schulten. Sistem ini terganggu dengan masalah dan keputusan politik dan ekonomi dibuat untuk meninggalkan teknologi tersebut. Desain AVR dilisensikan ke Afrika Selatan sebagai PBMR dan China sebagai HTR-10, yang terakhir saat ini memiliki satu-satunya desain yang beroperasi. Dalam berbagai bentuk, desain lainnya sedang dikembangkan oleh MIT, University of California di Berkeley, General Atomics (AS), perusahaan Belanda Romawa BV, Adams Atomic Engines, Idaho National Laboratory, X-energy dan Kairos Power.

Pada tahun 2004, Tiongkok melisensikan teknologi AVR dan mengembangkan reaktor untuk pembangkit listrik. Prototipe 10 megawatt tersebut disebut HTR-10. Reaktor ini merupakan desain turbin helium konvensional yang didinginkan helium. Pada tahun 2021, Tiongkok kemudian membangun HTR-PM dengan unit bruto 211 MWe, yang menggabungkan dua reaktor 250 MWt. Pada tahun 2021, empat lokasi sedang dipertimbangkan untuk penerus 6 reaktor, HTR-PM600. Reaktor tersebut mulai beroperasi pada bulan Desember 2023.

 Bahan bakar 
Reaktor bola kerikil yang menggunakan bahan bakar partikel Tri-structural Isotropic (TRISO) menawarkan sejumlah keunggulan signifikan, terutama dalam hal keselamatan inheren dan efisiensi tinggi. 
Kelebihan utama tersebut meliputi:

Partikel bahan bakar TRISO tidak dapat meleleh dalam kondisi operasi normal reaktor suhu tinggi komersial dan dapat menahan suhu hingga 1800°C, jauh di atas suhu operasional reaktor (sekitar 700-900°C). Hal ini secara efektif menghilangkan risiko bencana pelelehan inti (meltdown). Setiap partikel TRISO bertindak sebagai sistem penahanan sendiri berkat lapisan-lapisan pelindungnya (termasuk silikon karbida dan pirokarbon), yang mencegah produk fisi keluar ke pendingin. Desain reaktor bola kerikil memungkinkan pendinginan pasif yang efektif bahkan dalam skenario kecelakaan kehilangan pendingin total, di mana panas sisa dapat hilang secara alami tanpa intervensi aktif dari sistem darurat. 

Reaktor ini beroperasi pada suhu yang sangat tinggi, memungkinkan konversi panas menjadi listrik yang lebih efisien dibandingkan reaktor air bertekanan konvensional. Sistem bola kerikil memungkinkan pengisian ulang bahan bakar secara terus menerus (online) saat reaktor beroperasi, mengoptimalkan penggunaan bahan bakar dan menghindari pemadaman untuk penggantian bahan bakar. Reaktor dapat mencapai tingkat pembakaran (burnup) bahan bakar yang sangat tinggi, yang mengarah pada pemanfaatan bahan bakar yang lebih baik dan siklus yang lebih panjang. Proses manufaktur bahan bakar TRISO yang kompleks membuatnya sangat tahan terhadap upaya proliferasi (pembuatan senjata nuklir). Desain modular dan sifat keselamatan inheren memungkinkan reaktor ini ditempatkan di lokasi terpencil atau dekat fasilitas industri yang dapat memanfaatkan panas proses suhu tinggi yang dihasilkan. Limbah bahan bakar padat yang dihasilkan sudah dalam bentuk yang siap untuk penyimpanan kering jangka panjang di lokasi reaktor selama beberapa dekade, menyederhanakan manajemen limbah.

 TRISO plutonium 
Bahan bakar TRISO dapat dibuat dengan plutonium, sebuah konsep yang sedang dikaji untuk reaktor suhu tinggi guna membakar cadangan plutonium yang ada. Desain partikel ISOtropik berstruktur TRi merupakan bahan bakar berlapis yang sangat tahan lama dan mampu menahan suhu serta laju pembakaran yang sangat tinggi, menjadikannya pilihan yang menjanjikan untuk bahan bakar yang dicampur dengan plutonium atau aktinida minor.

Inti partikel TRISO berisi bahan bakar nuklir, yang dapat berupa campuran plutonium dan torium atau plutonium dan uranium. Inti dikelilingi oleh tiga lapisan material karbon dan keramik yang dirancang untuk menahan produk fisi radioaktif. Desain ini membuat partikel sangat kuat, mampu tetap utuh bahkan pada suhu yang sangat tinggi, yang sangat penting untuk reaktor suhu tinggi. Penggunaan plutonium dalam bahan bakar TRISO memungkinkan tingkat bakar yang sangat tinggi tanpa merusak partikel bahan bakar, menjadikannya cara yang efisien untuk memanfaatkan plutonium. Daya tahan dan sifat penahanan bahan bakar TRISO dapat sangat menyederhanakan penyimpanan limbah nuklir.

Bahan bakar TRISO menawarkan cara untuk membakar plutonium yang terakumulasi, baik tingkat reaktor maupun tingkat senjata, dalam reaktor suhu tinggi. Bahan bakar ini sedang dipelajari untuk digunakan dalam reaktor generasi mendatang seperti Reaktor Berpendingin Gas Suhu Tinggi (HTGR) dan reaktor Generasi IV, yang dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi daripada reaktor tradisional. Kemampuan bakar yang tinggi memaksimalkan energi yang diekstraksi dari bahan bakar. Struktur berlapis-lapisnya memberikan tingkat penahanan yang sangat tinggi, menjadikannya bentuk bahan bakar nuklir yang sangat aman.

 Reaktor bola kerikil operasional 
Satu-satunya reaktor bola kerikil (pebble-bed reactor) operasional di dunia saat ini berlokasi di Tiongkok, yaitu Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Shidaowan. 

HTR-PM (High Temperature Reactor-Pebble Bed Modules)  merupakan demonstrasi reaktor modular kecil (SMR) yang terdiri dari dua modul reaktor bola kerikil yang terhubung ke satu turbin uap. Unit ini mencapai sinkronisasi jaringan penuh dan mulai beroperasi secara komersial.

Reaktor bola kerikil lain yang pernah beroperasi, seperti THTR-300 di Jerman, telah ditutup. Sementara itu, beberapa negara dan perusahaan, termasuk AS (X-energy, Kairos Power) dan Afrika Selatan (PBMR yang sekarang dihentikan), sedang mengembangkan desain reaktor bola kerikil baru, tetapi HTR-PM adalah satu-satunya yang beroperasi penuh saat ini. 

 Konsep reaktor pebble bed berpendingin air 
Meskipun sebagian besar reaktor pebble bed (PBR) umumnya berpendingin gas, beberapa konsep, yang disebut Reaktor Berpendingin Air Pebble Bed (PBWR) dan Reaktor pebble bed air mendidih (BWR-PB), dirancang untuk menggunakan air sebagai pendingin sekaligus moderator. Konsep berpendingin air ini tetap menggunakan desain bahan bakar pebble bed yang unik, tetapi telah diadaptasi untuk beroperasi dengan air ringan. Konsep ini dapat dianalisis untuk memastikan keamanan dengan memodelkan perpindahan panas dan aliran fluida di dalam teras. Bahan bakar menggunakan elemen bahan bakar mikro berlapis TRISO dalam bentuk kerikil bulat, mirip dengan PBR lainnya. Pendingin menggunakan air ringan, yang mengalir melalui inti dalam satu arah untuk mendinginkan bahan bakar. Air juga berfungsi sebagai moderator untuk memperlambat neutron, fungsi yang serupa dengan reaktor air bertekanan (PWR).

Reaktor pebble bed air mendidih (BWR-PB) adalah konsep reaktor nuklir inovatif yang menggabungkan elemen-elemen reaktor pebble bed dan reaktor air mendidih, menggunakan partikel kecil berlapis bahan bakar yang didinginkan langsung oleh air mendidih. Desain ini bertujuan untuk mencapai efisiensi yang lebih tinggi dan meningkatkan keamanan dengan menggunakan elemen bahan bakar mikro di dalam reaktor berpendingin air, tidak seperti reaktor pebble bed tradisional yang menggunakan gas helium.

Reaktor ini menggunakan elemen bahan bakar mikro (MFE), yaitu partikel bulat yang mengandung inti uranium oksida yang dilapisi lapisan grafit dan silikon karbida (SiC). Lapisan SiC berfungsi sebagai penghalang untuk mencegah air mencapai inti bahan bakar. Air ringan digunakan sebagai pendingin dan moderator, dengan proses pendidihan yang terjadi langsung di inti reaktor untuk menghasilkan uap.

 Lihat pula 
 Reaktor nuklir
 Reaktor berpendingin gas
 Reaktor suhu sangat tinggi
 Bahan bakar nuklir
 TRISO
 Silikon karbida
 Helium
 Nitrogen
 Karbon dioksida
 Farrington Daniels
 Rudolf Schulten
 Pebble bed modular reactor
 HTR-10
 HTR-PM

 Referensi 

Kategori:Reaktor dengan pendingin gas
Kategori:Reaktor bola kerikil
Kategori:Reaktor dengan moderator grafit
Kategori:Reaktor generasi IV