Studi Pengaruh Variasi Laju Alir Pendingin Terhadap Efisiensi Panas Pada Loop Sirkulasi Alamiah Prototipe Pendingin Reaktor

Abstract

Sistem pendingin pasif berbasis sirkulasi alamiah memiliki peranan penting dalam meningkatkan keselamatan reaktor nuklir tipe Light Water Reactor (LWR), terutama untuk mengurangi risiko kegagalan sistem pendingin aktif seperti yang terjadi pada kecelakaan Fukushima Daiichi. Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh variasi laju alir fluida pendingin terhadap efisiensi perpindahan panas pada sistem loop sirkulasi alamiah yang dilengkapi heat exchanger berpipa heliks berdasarkan hasil simulasi numerik. Simulasi dilakukan menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD) pada perangkat lunak ANSYS Fluent dengan model geometri tiga dimensi yang dibangun menggunakan Autodesk Inventor. Variasi laju alir pendingin yang dianalisis adalah 0,1 L/min, 1,5 L/min, 10 L/min, dan 22 L/min. Sebelum simulasi utama dilakukan, dilakukan studi independensi mesh, pengujian time step, serta evaluasi model viskositas untuk memperoleh parameter simulasi yang menghasilkan solusi numerik yang stabil. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan laju alir pendingin menurunkan temperatur operasi sistem dan meningkatkan kemampuan pelepasan panas pada heat exchanger. Namun demikian, peningkatan laju alir tidak selalu menghasilkan peningkatan efisiensi perpindahan panas secara proporsional. Efisiensi perpindahan panas tertinggi diperoleh pada laju alir 1,5 L/min sebesar 79,41%, sedangkan pada laju alir 10 L/min dan 22 L/min efisiensi cenderung konstan meskipun temperatur sistem menjadi lebih rendah. Kondisi tersebut menunjukkan bahwa setelah mencapai laju alir tertentu, kemampuan perpindahan panas mulai dibatasi oleh karakteristik geometri heat exchanger dan mekanisme perpindahan panas yang terjadi di dalam sistem. Analisis bilangan Reynolds menunjukkan bahwa aliran pada loop sirkulasi alamiah tetap berada pada aliran laminar, sedangkan loop pendingin mengalami transisi menuju aliran turbulen pada variasi laju alir 10 L/min dan 22 L/min. Berdasarkan evaluasi model viskositas, model Laminar digunakan untuk kondisi aliran laminar, sedangkan model SST k-ω dipilih untuk kondisi turbulen karena memberikan hasil distribusi temperatur dan perpindahan panas yang lebih representatif dibandingkan model RNG k-ε. Hasil simulasi juga menunjukkan kesesuaian yang baik dengan perhitungan analitik, dengan nilai kesalahan relatif kurang dari 1%. Secara keseluruhan, penelitian ini menunjukkan bahwa variasi laju alir pendingin berpengaruh terhadap efisiensi perpindahan panas pada sistem loop sirkulasi alamiah berpipa heliks, dengan laju alir 1,5 L/min sebagai kondisi operasi yang memberikan efisiensi perpindahan panas optimal pada konfigurasi sistem yang diteliti.