Analisis Neutronik Teras Heterogen Small Modular Reactor Tipe GFR Berbahan Bakar ThN-U233N

Abstract

Permintaan energi listrik global mengalami peningkatan dari tahun ke tahun, dengan penggunaan pembangkit listrik tenaga batu bara menambah kekhawatiran terhadap tingginya harga gas alam. Indonesia menargetkan pengurangan emisi 𝐶𝑂2 menuju Net Zero Emission (NZE) pada tahun 2060, dengan prioritas pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir untuk mencapai kemajuan signifikan. Teknologi PLTN kini berada pada fase penelitian untuk memenuhi permintaan energi berkelanjutan untuk mengembangkan reaktor generasi IV. Reaktor nuklir generasi IV memiliki enam desain yang tergabung dalam Generation IV International Forum (GIF) salah satunya yaitu Gas-cooled Fast Reactor (GFR). PLTN menemukan sistem penggunaan energi nuklir yang baru untuk pembangkit listrik salah satunya yaitu Small Modular Reactor (SMR). Penelitian ini melakukan perhitungan terhadap desain reaktor SMR tipe GFR berdaya 100 MWth dalam konfigurasi teras heterogen dengan menggunakan program OpenMC berbahan bakar thorium nitride (ThN-U233N). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui konfigurasi teras heterogen dengan menggunakan 5 variasi fuel yang paling optimal pada Small Modular Reactor tipe GFR berbahan bakar thorium nitride dan mengetahui nilai optimasi faktor multiplikasi efektif (𝑘𝑒𝑓𝑓) konfigurasi teras heterogen pada GFR berbahan bakar thorium nitride. Penelitian dimulai dengan menentukan jumlah partikel minimum dan perhitungan benchmarking kode OpenMC dan SRAC menggunakan parameter 𝑘𝑒𝑓𝑓, diikuti dengan perhitungan kekritisan untuk konfigurasi teras homogen selama 5 tahun burn-up. Data acuan digunakan untuk perhitungan konfigurasi teras heterogen 5 variasi bahan bakar. Analisis fluks neutron dan fission product dilakukan, kemudian satu data diambil untuk optimasi fraksi volume bahan bakar, yang akan perpanjangan (extend) periode burn-up hingga 10 tahun. Perhitungan jumlah minimum partikel menghasilkan 20.000-50.000 partikel menunjukan nilai 𝑘𝑒𝑓𝑓 yang tidak fluktuatif dan nilai error maksimal benchmarking sebesar 2,2 %. Peneliti menggunakan jumlah partikel 30.000 untuk digunakan dalam OpenMC dengan total 250 iterasi, dimana 50 iterasi awal diabaikan untuk memastikan simulasi mencapai keadaan stabil sebelum data diambil. Hasil perhitungan konfigurasi teras homogen selama 5 tahun burn-up yang digunakan sebagai acuan untuk perhitungan selanjutnya adalah pengayaan U-233 dengan variasi sebesar 8,5% karena memiliki nilai 𝑘𝑒𝑓𝑓 yang paling optimal (mendekati kritis) dan excess reactivity yang paling kecil (bernilai positif). Perhitungan konfigurasi teras heterogen 5 variasi bahan bakar dengan acuan rata-rata pengayaan U-233 sebesar 8,5% cenderung menurun untuk excess reactivity pada kondisi Beginning of Life (BOL) dan End of Life (EOL) pada setiap case. Analisis fluks neutron untuk setiap case memiliki karakteristik yang berbeda-beda dan didapatkan hasil bahwa pemerataan daya cenderung lebih merata pada case ke-5 dibandingkan dengan lainnya. Penurunan massa fission product untuk material Th-232 cenderung mengalami penurunan pada kondisi EOL dibandingkan kondisi BOL, sedangkan pada U-233 mengalami penurunan dari kondisi BOL ke EOL. Hasil optimasi fraksi volume menunjukan bahwa bahan bakar dengan persentase 55% mendapatkan nilai yang paling optimal dan stabil untuk dilanjutkan ke perpanjangan burn-up selama 10 tahun. Hasil perhitungan perpanjangan burn-up menunjukan bahwa desain berbahan bakar thorium menggunakan variasi ring fuel 1 (3 ring), fuel 2 (1 ring), fuel 3 (1 ring), fuel 4 (1 ring), dan fuel 5 (1 ring), serta variasi bahan bakar F1=7%, F2=7,5%, F3=8,5%, F4=9%, dan F5=10,5% tetap berada dalam kondisi kritis hingga tahun ke sepuluh.