Analisis Termal-Hidrolik Reaktor GFR Tipe Small Modular dengan Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamics Berbasis Program OpenFOAM

Abstract

Konsumsi energi di Indonesia masih didominasi oleh energi fosil seperti batubara dan minyak bumi yang apabila terus menerus digunakan akan memberikan dampak negatif bagi lingkungan. Salah satu energi baru terbarukan yang memiliki potensi untuk untuk meminimalisir krisis tersebut adalah energi nuklir. Energi nuklir adalah energi yang dihasilkan dari reaktor nuklir yang menghasilkan sumber energi listrik yang aman dan tidak mencemari lingkungan serta dapat memenuhi tujuan net zero emission. Salah satu reaktor yang hingga kini masih terus dikembangkan adalah reaktor Gas-cooled Fast Reactor (GFR) tipe Small Modular Reactor (SMR). Reaktor SMR memiliki ukuran yang lebih kecil dan memiliki daya yang lebih rendah daripada reaktor PLTN konvensional serta dapat memproduksi energi listrik kurang dari 300 MWth. Reaktor GFR berpendingin gas helium dan menggunakan suhu pendingin yang tinggi untuk dapat menjalankan reaksi fisi. Penelitian ini menggunakan reaktor GFR yang sebelumnya telah dilakukan analisis neutronik oleh Syarifah (2018). Fokus pada penelitian ini adalah analisis termal hidrolik untuk dasar keselamatan reaktor GFR yang dilakukan oleh Syarifah (2018) pada bagian hot channels, lebih tepatnya pendingin (coolant) di antara 7 pin fuel yang membentuk heksagonal menggunakan CFD dengan simulator OpenFOAM. Penelitian ini diawali dengan membuat geometri menggunakan software FreeCAD yang kemudian disimpan setiap bagian atau part-nya dengan format STL. Geometri telah dibuat, maka selanjutnya dilakukan meshing menggunakan salah satu dictionary dari OpenFOAM yaitu snappyHexMesh. Selanjutnya adalah mengkonversi nilai kepadatan daya atau power density (watt/cc) menjadi temperatur bahan bakar, yang mana data power density tersebut didapatkan dari data penelitian Syarifah (2018) secara axial yang terbagi menjadi 20 bagian atau part. Langkah berikutnya adalah menentukan solver yaitu fluid dan XiFluidyang kemudian dilanjutkan dengan memvariasikan jenis aliran yaitu laminar, k epsilon, k-omega, dan k-omegaSST. Jenis aliran yang sesuai kemudian dilakukan optimasi kecepatan aliran helium dengan cara memvariasikan kecepatan awalnya, sehingga didapatkan kecepatan aliran helium yang optimal. Hasil dari geometri pendingin yaitu memiliki jumlah mesh sebanyak 155.412 mesh. Hasil perhitungan power density secara axial ke temperatur didapatkan 20 nilai temperatur yang berbeda-beda tiap part-nya. Hasil optimasi parameter didapatkan model k-omega dengan menggunakan solver fluid sebagai model yang paling sesuai atau mendekati referensi. Hasil optimasi kecepatan aliran helium dengan fitting data menggunakan polinomial orde 5 didapatkan kecepatan 50,6858 m/s sebagai kecepatan yang optimal dalam distribusi panas, dengan error fitting sebesar 1,2004%. Temperatur outlet pada kecepatan optimal diperoleh dari validasi simulasi OpenFOAM sebesar 677,22 K, dengan error aktual sebesar 1,2007%. Desain reaktor GFR dengan daya 300 MWth dari Syarifah (2018) dikategorikan masih memenuhi aspek keselamatan operasional desain reaktor GFR dengan daya 300 MWth.