Analisis Perbandingan Konfigurasi Teras Heterogen Tiga dan Lima Variasi Fuel pada Reaktor GFR Berbahan Bakar UN-PuN

Abstract

Pembangkit listrik di Indonesia sebagian besar berasal dari energi fosil dengan kapasitas 64,5 GW, sedangkan EBT (Energi Baru dan Terbarukan) hanya sebesar 8,8 GW. Energi nuklir yang tergolong dalam energi baru memiliki peluang untuk meningkatkan kapasitas pembangkit listrik dengan net zero emission dan memiliki daya listrik yang cukup besar. Energi nuklir melalui PLTN menghasilkan energi termal yang berasal dari interaksi fisi oleh neutron di dalam teras reaktor. Energi termal berupa uap panas tersebut bergerak menuju turbin dan menggerakan generator. Pembangkit generator mengkonversi energi termal menjadi energi listrik. Pembangkit nuklir pada penelitian ini menggunakan jenis reaktor cepat berupa GFR (Gas-cooled Fast Reactor) yang tergolong pada reaktor generasi ke-IV.

Penelitian ini menggunakan reaktor GFR bertipe SMR (Small Modular Reactor) berdaya 300 MWTh berbahan bakar UN-PuN. Penelitian ini berfokus pada analisis neutronik pada desain konfigurasi teras heterogen untuk dua jenis variasi bahan bakar yaitu 3 variasi fuel dan 5 variasi fuel. Tujuan penelitian ini yaitu mengetahui nilai faktor multiplikasi efektif (k_eff) yang dihasilkan oleh kedua jenis variasi bahan bakar selama 5 tahun burn-up dan mengetahui karakteristik neutron flux, fission rate, fission product selama 15 tahun burn-up. Perpanjangan (extend) periode burn-up memiliki tujuan untuk melihat kemampuan bahan bakar UN-PuN dalam mempertahankan reaksi fisi berantai pada reaktor GFR. Penelitian dimulai dengan mencari jumlah partikel minimum dan perhitungan validasi kode OpenMC dan SRAC menggunakan parameter k_eff. Perhitungan selanjutnya yaitu mencari data nilai kekritisan yang paling stabil dan mendekati kritis untuk teras homogen selama 5 tahun burn-up. Data acuan tersebut kemudian digunakan untuk menganalisis teras heterogen 3 variasi fuel dan 5 variasi fuel. Masing-masing variasi bahan bakar memiliki 5 case yang diambil 1 data untuk dilakukan perpanjangan (extend) periode burn-up hingga 15 tahun. Analisis selanjutnya yaitu neutron flux, fission rate, dan fission product untuk masing-masing variasi bahan bakar.

Perhitungan jumlah minimum partikel menghasilkan 35.000-50.000 partikel menunjukan nilai k_eff yang tidak fluktuatif (flat) dan nilai eror maksimal validasi <1%. Peneliti menggunakan jumlah partikel 50.000 untuk digunakan dalam simulasi OpenMC. Hasil perhitungan konfigurasi teras heterogen 3 variasi fuel untuk nilai k_eff cenderung masih tinggi. Teras heterogen 5 variasi fuel dapat menurunkan nilai excess reactivity maximum hingga ±2% di awal tahun bun-up. Karakteristik fluks neutron untuk variasi bahan bakar 5 variasi fuel lebih merata jika dibandingkan dengan 3 variasi fuel. Fission rate dengan 5 variasi fuel dapat mempertahankan tingkat reaksi fisi dengan baik sampai akhir burn-up yang ditandai penurunan nilai yang relatif landai. Produk material U-238 meluruh menjadi material fisil baru berupa Pu-239, sehingga dapat mempertahankan reaktor dalam keadaan kritis hingga 15 tahun burn-up. Produk plutonium sisa pembakaran dan limbah aktinida minor pada 5 variasi fuel memiliki massa yang lebih sedikit daripada 3 variasi fuel.Hasil optimasi fraksi volume menunjukan bahan bakar dengan persentase 60% mendapatkan nilai yang paling optimal.