B. Reaktor Air Tekan (PWR)

Reaktor Nuklir dan PLTN
BAB I
PENDAHULUAN
Reaktor nuklir adalah tempat terjadinya reaksi pembelahan inti (nuklir) atau dikenal
dengan reaksi fisi berantai yang terkendali. Bagian utama dari reaktor nuklir yaitu:
elemen bakar, batang kendali, moderator, pendingin dan perisai. Reaksi fisi berantai
terjadi apabila inti dari suatu unsur dapat belah (Uranium-235, Uranium-233) bereaksi
dengan neutron termal/lambat yang akan menghasilkan unsur-unsur lain dengan cepat
serta menimbulkan energi kalor dan neutron-neutron baru. Reaktor nuklir berdasarkan
fungsinya dapat dibedakan menjadi 2 (dua), yaitu:
1. Reaktor Penelitian/Riset
2. Reaktor Daya (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir/PLTN)
Pada reaktor penelitian, yang diutamakan adalah pemanfaatan radiasi neutron yang
dihasilkan dari reaksi nuklir untuk keperluan berbagai penelitian dan produksi
radioisotop. Sedangkan kalor yang dihasilkan dirancang sekecil mungkin, sehingga
dapat dibuang ke lingkungan. Pengambilan kalor pada reaktor dilakukan dengan
sistem pendingin yang terdiri dari sistem pendingin primer dan sistem pendingin
sekunder. Kalor yang berasal dari teras reaktor dibawa ke sistem pendingin primer
kemudian dilewatkan melalui alat penukar kalor dan selanjutnya kalor dibuang ke
lingkungan melalui sistem pendingin sekunder. Perlu diketahui bahwa pada alat
penukar kalor sistem pendingin primer dan sistem pendingin sekunder tidak terjadi
kontak langsung antara uap/air yang mengandung radiasi dengan air pendingin yang
dibuang ke lingkungan. Pada raktor daya yang dimanfaatkan adalah uap panas bersuhu
dan bertekanan tinggi yang dihasilkan oleh reaksi fisi untuk memutar turbin,
sedangkan neutron cepat dihasilkan diubah menjadi neutron lambat untuk
berlangsungnya reaksi berantai dan sebagian lagi tidak dimanfaatkan. Reaksi fisi
berantai hanya terjadi apabila neutron termal/lambat mampu menembak Uranium-235
yang lainnya hingga terjadilah reaksi berantai secara terus menerus. Cara mengubah
neutron yang berkecepatan tinggi menjadi neutron berkecepatan rendah (neutron
lambat) adalah dengan menumbukkannya pada inti atom hidrogen dalam air. Jadi air
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
di dalam kolam reaktor ini berfungsi sebagai pemerlambat (moderator), sebagai
pendingin dan juga sebagai perisai radiasi. Beberapa bahan pada umumnya yang
dipergunakan sebagai bahan pendingin reaktor nuklir adalah air ringan (H2O), air
berat (D2O), gas dan grafit.
Diketemukannya reaksi pembelahan nuklir oleh sarjana-sariana Jerman Otto Hahn dan
Fritz Straussman pada bulan Januari tahun 1939 telah membuka pintu bagi
perkembangan tenaga nuklir. Adapun permulaan zaman tenaga nuklir sesungguhnya
terjadi kira-kira tiga tahun kemudian yaitu ketika sekelompok sarjana di bawah
pimpinan Enrico Fermi dapat membuktikan bahwa reaksi pembelahan nuklir berantai
dapat dilaksanakan dan lebih penting lagi yaitu bahwa reaksi tersebut dapat
dikendalikan. Percobaan Fermi dengan reaktor nuklir yang pertama dimulai pada
tanggal 2 Desember 1942 di sebuah laboratorium sederhana di bawah stadion
Universitas Chicago. Percobaan tersebut terutama dimaksudkan untuk menunjang
program persenjataan nuklir Amerika Serikat selama perang dunia ke-2.
Sesudah perang dunia ke-2 selesai, gagasan untuk memanfaatkan tenaga nuklir guna
maksud-maksud damai mulai berkembang. Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) yang
pertama di Amerika Serikat mulai bekerja bulan
Desember 1957 di Shippingport,
Pennsylvania. Sejak itu, berpuluh-puluh PLTN lain mulai dibangun dan mulai
membangkitkan tenaga listrik untuk maksud-maksud damai. Dalam akhir tahun 1960an, mulai dibangun PLTN yang berukuran besar dan mampu membangkitkan tenaga
listrik secara ekonomis. Sejak tahun 1967, pesanan-pesanan PLTN mulai melonjak
tidak saja di Amerika Serikat tetapi juga di negara-negara lain di seluruh dunia.
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
BAB II
REAKSI FISI DAN FUSI
REAKSI FISI
Reaktor tak lain adalah tempat bereaksi. Dalam hal ini, pengertian sehari hari yang
dipakai ialah reaksi inti. Reaksi fisi adalah suatu reaksi pembelahan, yang disebabkan
oleh neutron yang secara umum dapat ditulis sebagai:
X + n ——> X1 + X2 + (2 - 3) n + E.
Beberapa hal yang perlu diketahui dalam jenis reaksi tersebut adalah:
1). X disebut inti bahan fisil (fisile material), yang secara populer disebut "bahan
bakar" karena dalam reaksi ini dibebaskan sejumlah energi. Hanya beberapa inti
dapat bereaksi fisi yaitu
238
U,
235
U,
233
U dan
239
Pu di mana kedua unsur terakhir
merupakan unsur buatan manusia karena tidak terdapat di alam sebagai hasil dari
reaksi inti-inti 232Th dan dan 238U dengan neutron.
2). Keboleh jadian suatu inti berfisi dinyatakan dengan f (fission microscopic cross
section = penampang fisi mikroskopik), di mana besaran tersebut tergantung dari
energi neutron yang bereaksi dengan suatu inti-tertentu. Sebagai contoh dapat
disebutkan bahwa nilai f
238
U besar pada energi neutron rendah (termal) tetapi
kecil pada energi tinggi. Sebaliknya nilai f 238U kecil pada saat neutron berenergi
besar. Untuk
239
Pu dan
233
U mempunyai f besar pada energi tinggi, oleh karena
itu bahan ini digunakan sebagai bahan bakar pada reaktor cepat.
3). Dari reaksi dihasilkan dua inti baru sebaga hasil fisi, X1 dan X2 yang berupa intiinti yang tidak stabil. Untuk menjadi stabil inti-inti tersebut meluruh (decay)
dengan mengeluarkan sinar-sinar maupun partikel.
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
4). Adanya neutron-neutron baru yang dihasilkan dari reaksi inti tersebut dapat
melanjutkan reaksi fisi hingga mungkin terjadi reaksi berantai, dan pada keadaan
tertentu bila tidak dikendalikan maka reaksi berantai tersebut dapat menjadi suatu
ledakan. Reaksi nuklir yang tidak terkendali merupakan prinsip kerja bom nuklir.
Neutron yang dihasilkan oleh fisi mempunyai energi yang tinggi,  2 MeV, jika
fisii diharapkan terjadi pada En rendah (energi termal 0,025 eV), maka neutron
yang baru lahir tersebut harus diturunkan energinya dahulu dengan jalan
hamburan-hamburan. Di dalarn reaktor neutron mempunyai kemungkinankemungkinan untuk:
a. diserap tanpa menimbulkan fisi
b. diserap mengakibatkan fisi
c. hilang dari sistim
d. hamburan
Jadi
penurunan
kemungkinan
yang
energi
lain,
neutron
dan
untuk
berkompetisi
dapat
dengan
kemungkinan-
menghitung
masing-masing
kemungkinan perlu diselidiki mekanisme reaksi masing-masing.
5). Reaksi fisi mengeluarkan energi total E, sebesar 200 MeV. Dengan menggunakan
data konversi satuan dan data fisika, dapat dihitung bahwa bila semua inti-inti 1
gram uranium melakukan fisi maka kalor yang dikeluarkan setara dengan kalor
yang dihasilkan oleh pembakaran 1 ton batu bara. Jelas dari gambaran tersebut
bahwa, kalor yang dikeluarkan dari reaksi inti sangat besar.
Telah dijelaskan bahwa reaktor yang lazim dipakai saat ini bekerja atas dasar reaksi
fisi (pemecahan) inti atom. Sebagai bahan bakar umumnya digunakan Uranium
235
U
yang kandungannya telah diperkaya. Uranium alam mempunyai kandungan
235
U
hanya sekitar 0,7 persen, selebihnya adalah 238U. Untuk memecah inti isotop Uranium
digunakan neutron lambat ('thermalneutron'). Uranium yang menangkap neutron
segera menjadi tidak stabil. Inti Uranium yang tidak stabil hanya dapat bertahan
selama kurang lebih sepertriliun detik (10-12 detik) sebelum mengalami proses fisi
menjadi inti-inti X1 dan X2 serta sekitar dua sampai tiga neutron yang siap untuk
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
memecah inti
235
U lainnya. Kemudian ketiga neutron tadi diserap oleh inti-inti isotop
Uranium lain, tiga proses yang sama akan terjadi dengan produksi akhir sekitar
sembilan neutron.
Proses berulang-ulang ini dinamakan reaksi berantai ('chain
reaction') yang merupakan prinsip kerja reaktor. Pada setiap proses pemecahan tadi,
inti atom akan melepaskan energi yang sesuai dengan hilangnya jumlah massa inti-inti
di akhir proses rumus E=mc2. Jadi jumlah energi yang dihasilkan akan sebanding
dengan banyak proses yang terjadi dan sebanding dengan jumlah neutron yang
dihasilkan.
Untuk mengendalikan atau mengatur reaksi berantai dalam reaktor nuklir digunakan
bahan yang dapat menyerap neutron misalnya Boron dan Cadmium, yang bertujuan
untuk mengatur populasi neutron. Dengan mengatur populasi neutron ini dapat
ditentukan tingkat daya raktor, bahkan reaksi dapat dihentikan sama sekali (tingkat
daya mencapai titik 0) pada saat semua neutron terserap oleh bahan penyerap.
Perangkat pengatur populasi neutron pada reaktor ini disebut batang kendali. Jika
batang kendali disisipkan penuh diantara elemen bakar, maka batang kendali akan
menyerap neutron secara maksimum sehingga reaksi berantai akan dihentikan dan
daya serap batang kendali akan berkurang bila batang kendali ditarik menjauhi elemen
bakar.
Gambar II.1. Reaksi fisi (pembelahan)
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
Reaksi Fusi
Proses reaksi fusi adalah kebalikan dari reaksi fisi seperti arti harfiahnya,
proses ini merupakan reaksi penggabungan dua inti menjadi inti lain yang lebih besar.
Reaksi jenis ini tidak terjadi secara alamiah di permukaan bumi, namun merupakan
prinsip kerja pembakaran Hidrogen di pusat matahari serta bintang-bintang.
Sebenarnya, banyak tipe reaksi fusi yang dapat terjadi di matahari yang sering disebut
siklus proton-proton, mulai dari penggabungan dua inti Hidrogen menjadi inti
Deuterium hingga penggabungan inti Deuterium dan inti Tritium. Kebanyakan reaksi
ini membutuhkan kondisi tertentu yang hanya terdapat di dalam inti matahari ataupun
bintang-bintang, misalnya tekanan yang sangat tinggi. Di dalam inti matahari, tekanan
yang sangat tinggi dihasilkan oleh gaya gravitasi. Gaya gravitasi pada pusat matahari
haruslah sangat besar untuk mempertahankan strukturnya, mengingat komposisi
matahari kebanyakan terdiri dari gas Hidrogen. Reaksi fusi di dalam teras reaktor
membutuhkan Deuterium dan Tritium sebagai bahan bakar, yang jika bergabung pada
kondisi tertentu akan menghasilkan inti Helium yang stabil disertai sebuah neutron
yang membawa sebagian besar energi hasil fusi. Saat ini, Deuterium bukan
merupakan masalah, sebab
tersediaannya di alam boleh dikatakan tak terbatas.
Deuterium dapat diekstraksi dari air biasa, untuk setiap satu meter kubik air dapat
diperoleh sekitar 200 gram Deuterium. Berlainan dengan Deuterium, Tritium bersifat
radioaktif. Tritium alam sangat jarang dijumpai. Untungnya, Tritium dapat dihasilkan
melalui proses 'breeding' dengan menggunakan sebagian kecil neutron hasil reaksi
fusi serta dua jenis isotop Litium yang terdapat di alam, yaitu Litium-6 dan Litium-7.
Litium-6 dapat menangkap neutron cepat dan neutron lambat, sedangkan Litium-7
hanya menangkap neutron cepat. Litium yang menangkap neutron akan pecah menjadi
Tritium serta Helium.
Reaktor Fusi
Banyak masalah yang harus dipecahkan sebelum reaktor fusi dapat digunakan secara
komersil. Untuk menggabungkan inti Deuterium dengan Tritium, gaya tolak-menolak
('repulsive') akibat muatan positif kedua inti harus diatasi. Cara yang paling mungkin
adalah dengan menaikkan suhu kedua inti hingga energi kinetiknya dapat mengatasi
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
gaya 'Coulomb' tadi. Masalahnya, untuk mengatasi gaya ini dibutuhkan suhu jutaan
Celsius! Suhu setinggi ini tidak aneh jika kita melihat suhu inti matahari dimana
proses fusi dapat dengan mudah terjadi (suhu inti matahari sekitar 15 juta Celsius).
Karena tidak ada material di atas permukaan bumi yang dapat menahan suhu setinggi
ini, diperlukan teknik supercanggih untuk melokalisir plasma (inti bermuatan yang
memiliki suhu sangat tinggi) pada proses fusi agar tidak bersentuhan dengan
komponen-kompnen reaktor.
Ada dua cara yang paling efektif untuk melokalisir plasma selama proses fusi
berlangsung, yaitu cara magnetis dan cara inersial.
Cara pertama dilakukan di dalam instrumen berbentuk 'donat', yang disebut
'Tokamak'. Ide untuk membangun 'Tokamak' pertama kali diusulkan oleh fisikawan
Rusia Igor E. Tamm dan Andrei D. Sakharov, serta secara terpisah oleh Lyman
Spitzer di Princeton USA, pada awal 1950-an. Tokamak menggunakan kombinasi dua
medan magnet yang sangat kuat yang dihasilkan oleh superkonduktor untuk menahan
plasma bersuhu sekitar 50 juta Celsius agar tetap berada di tengah-tengah 'donat'
tersebut.
Cara kedua adalah dengan menggunakan target yang memiliki kerapatan sangat tinggi
yang ditembaki dengan puluhan sinar laser terfokus secara simultan. Intensitas sinar
laser disini harus cukup tinggi agar target dapat seketika menguap. Partikel-partikel
yang dihasilkan akan berusaha bergerak keluar sehingga menimbulkan tekanan ke
dalam yang sangat dahsyat. Tekanan yang naik secara drastis ini akan mengakibatkan
naiknya suhu target yang pada akhirnya dapat menyalakan proses fusi. Sebenarnya,
proses ini merupakan bentuk miniatur dari bom hidrogen.
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
BAB III
REAKTOR NUKLIR
Penggolongan Reaktor
Reaktor nuklir dapat diklasifikasi, selain menurut tujuannya, juga menurut sifatnya,
atau menurut tipe bahan bakar dan menurut susunan bahan bakar. Tabel 1 memuat
berbagai kemungkinan dalam penggolongan reaktor. Dalam reaktor ini bahan bakar
dalam bentuk U02 ada dalam kelongsong yang terbuat dari paduan-logam zirkonium.
Kelongsong ini berfungsi sebagai pendukung mekanik, sebagai pembungkus untuk
mencegah agar produk-produk fisi tidak keluar dari elemen bahan bakar, dan sebagai
pelindung uranium terhadapat korosi oleh zat pendingin. Biasanya elemen bahan
bakar disusun secara teratur dengan moderator. Teras yang terdiri dari bahan bakar
moderator dikelilingi oleh reflektor, yang dapat juga berfungsi sebagai moderator.
Fungsi reflektor adalah untuk mempertinggi ekonomi neutron dengan mencegah
kebocoran neutorn yang berarti pelepasan dari teras reaktor. Pada lapisan luar terdapat
perisai yang mengelilingi seluruh reaktor untuk menyerap neutron dan sinar gamma
yang telah lepas dari teras reaktor. Pengendalian reaktor dilaksanakan dengan batang
pengendali
Desain Reaktor
Usaha mendisain reaktor nuklir adalah untuk membuat suatu instalasi sesuai dengan
tujuannya dengan pembiayaan serta hasil yang seoptimal mungkin. Pada umumnya
dikehendaki agar reaktor daya mencapai efisiensi teknik yang sebesar-besarnya. Akan
tetapi perlu diinsafi pula bahwa dalam reaktor terdapat bahan dan material yang relatif
sangat mahal, misalnya bahan bakar, moderator, dan berbagai sistem keamanan,
sehingga yang diusahakan oleh pendisain adalah untuk mencapai efisiensi material
yang sebesarnya, yang berarti bahwa yang diinginkan adalah memperoleh energi
listrik yang sebesarnya dari tiap unit sistem/material yang mahal itu. Lain dari pada itu
diinginkan pula agar sistem reaktor mencapai ekonomi neutron yang sebaik-baiknya,
yang berarti bahwa neutron yang dibangkitkan dalam teras reaktor sebanyak-
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
banyaknya menghasilkan pembelahan atom uranium dan kalor (dalam keadaan
terkendali) dengan mengurangi penyerapan neutron oleh bahan dan material lainnya
dalam bejana reaktor.
Komponen reaktor Nuklir
1. Bahan Bakar Nuklir
Pada hakekatnya reaktor nuklir itu adalah suatu wadah yang mengandung bahan nuklir
yang dapat membelah, yang disusun sedemikian sehingga suatu reaksi berantai dapat
berjalan dalam keadaan dan kondisi yang terkendali. Dengan sendirinya syarat agar
suatu bahan dapat dipergunakan sebagai bahan bakar adalah bahwa bahan tersebut
dapat mengadakan fisi atau pembelahan atom. Untuk maksud ini dikenal hanya tiga
macam isotop, yaitu 235U, 239Pu dan 233U. Diantara isotop ini hanya 235U yang terdapat
dalam alam, yaitu dengan kadar 0,7 % dalam uranium alam, sedangkan selebihnya
terdiri dari 235U dan sedikit 234U.
Bahan bakar uranium biasanya dipergunakan dalam bentuk padat, meskipun dalam
berbagai reaktor eksperimentil dalam tahun limapuluhan sering pula dipergunakan
sebagai larutan atau cairan dalam bentuk garam uranium (plutonium). Dalam bentuk
padat bahan bakar uranium umumnya dipergunakan sebagai oksida, yaitu UO2, karena
ternyata bahwa dalam bentuk logam murni terdapat keberatan-keberatan yang secara
teknik sukar dapat dipecahkan.
2. Moderator Dan Reflektor
Neutron yang dilepaskan oleh fisi mempunyai energi kinetik yang relatif sangat tinggi
(sekitar 2 MeV) dengan kecepatan yang sangat tinggi. Agar neutron dapat
menyebabkan fisi yang berikutnya lagi, energinya harus dikurangi sampai mencapai
energi termik (0,025 eV). Untuk memperlambat neutron cepat sampai mencapai
tingkat energi yang lebih rendah, neutron yang berenergi tinggi itu ditumbukkan pada
atom-atom yang terdapat dalam bahan-bahan tertentu, yang disebut moderator. Syarat
untuk memilih dan menentukan bahan moderator (dan reflektor) adalah:
1) Pada tiap tumbukan terdapat kehilangan energi neutron yang besar.
2) Penampang penyerapan yang rendah.
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
3) Penampang penghamburan yang tinggi.
Zat yang mengandung hidrogen merupakan moderator yang baik jika dilihat pada
kehilangan energi neutron setelah terjadi tumbukan. Akan tetapi hidrogen mempunyai
penampang penyerapan yang relatif tinggi, yang dilihat dari sudut ekonomi neutron
tidak menguntungkan. Dalam bentuk persenyawaan, misalnya air normal dan hidrida
logam, zat hidrogen itu dapat dipakai sebagai moderator, asalkan dipergunakan
uranium diperkaya sebagai bahan bakar. Bahan-bahan lain yang dipergunakan sebagai
moderator adalah D20, grafit, berillium dan berillium oksida.
Reflektor dipasang disekeliling teras reaktor dengan maksud agar neutron yang
dihamburkan keluar dapat dipantulkan kembali ke teras reaktor. Dengan demikian
kebocoran neutron dapat dikurangi. Sifat reflektor jadinya hampir sama dengan
moderator, kadang-kadang moderator yang mempunyai sifat yang baik dapat
dipergunakan sekaligus sebagai reflektor. Akan tetapi dalam reaktor pembiak cepat
yang tidak memerlukan bahan moderator, dipergunakan suatu bahan sebagai reflektor,
yang fungsinya hanyalah untuk memantulkan neutron cepat kembali ke teras reaktor.
3. Bahan Pengendali
Untuk menjalankan reaktor nuklir dengan baik diperlukan reaksi pembelahan berantai
yang dapat dikendalikan secara teliti. Syarat utama bagi pengendalian reaktor adalah
bahwa keadaan kritis dan nyaris super-kritis dapat tercapai dengan lancar dan teratur.
Kemudian kenaikan daya harus dapat tercapai dengan kecepatan yang teratur pula,
sedangkan pada tiap tingkat daya hendaknya dapat tercapai suatu keadaan yang stabil.
Syarat lain adalah bahwa tiap keadaan transien (perobahan cepat yang tidak terkendali
dalam reaktor) dapat dikoreksi dengan penggunaan mekanik pengendalian. Akhirnya
dikehendaki pula bahwa reaktor pada tiap waktu dapat diberhentikan (shutdown) atau
dapat dijalankan (startup).
Pengendalian reaktor biasanya dapat dilakukan dengan mengatur banyaknya
penyerapan neutron. Dalam tipe-tipe reaktor yang tertentu pengendalian itu dilakukan
dengan mengatur pembangkitan neutron, misalnya dalam tipe bahan bakar cairan
dengan merobah konsentrasi bahan bakar.
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
Pengendalian penyerapan neutron dilakukan dengan mengatur posisi batang-batang
pengendali terhadap teras reaktor. Batang pengendai mengandung bahan yang
memiliki penampang penyerapan neutron yang tinggi. Dalam operasi jangka panjang
perlu diperhatikan empat faktor, yaitu:
1) Deplesi bahan bakar (berkurangkan bahan bakar)
2) Tambahan bahan bakar baru
3) Akumulasi racun radioaktif;
4) Burnout batang pengendali.
Syarat-syarat bahan untuk batang pengendali adalah sebagai berikut:
1) Dapat menyerap neutron dengan mudah
2) Mempunyai kekuatan mekanik yang cukup besar
3) Mempunyai massa yang
4) Tahan korosi.
5) Stabil dalam lingkungan radiasi dan suhu tinggi.
6) Dapat memindahkan kalor dengan baik.
Sebagai bahan batang pengendali biasanya dipergunakan paduan logam kadmium atau
borium. Kadmium murni adalah logam berwarna putih kebiru-biruan yang sangat
lunak. Sebagai logam murni kadmium tidak dapat dipergunakan sebagai bahan
pengendali karena titik leburnya relatif rendah (320°C) sedangkan pada suhu tinggi
mudah dioksidasi menjadi serbuk berwarna coklat. Sebagai bahan pengendali
biasanya kadmium dicampur dengan perak dan indium sehingga membentuk paduan
logam dengan sifat mekaniknya cukup kuat.
Borium murni tidak mempunyai sifat seperti logam; titik leburnya sangat tinggi
(2100°C) dan kekerasan kristalnya hanya dilebihi oleh intan. Sebagai bahan
pengendali, borium biasanya dipergunakan sebagai karbida (B4C), sebagai paduan
logam dengan aluminium (boral) dan belakangan ini sebagai boron baja (boron steel)
4. Pendingin
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
Setiap inti atom U-235 yang mengalami pembelahan melepaskan sejumlah energi
sebesar kira-kira 200 MeV, yang kemudian hampir seluruhnya keluar dalam bentuk
kalor. Suatu zat pendingin diperlukan untuk menghindarkan terjadinya suhu yang
berlebihan dalam bejana reaktor.
Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh zat pendingin ialah:
1) Mempunyai penyerapan neutron yang rendah.
2) Mempunyai perpindahan kalor yang baik.
3) Dapat menggunakan daya pompa yang rendah.
4) Mempunyai titik beku yang rendah.
5) Mempunyai titik didih yang tinggi.
6) Stabil dalam lingkungan radiasi dan suhu tinggi.
7) Tidak peka terhadap keradioaktivan yang di-induksi.
8) Tidak korosi.
9) Aman dalam penanganan.
Berbagai bahan yang dapat dipergunakan sebagai pendingin ialah:
1) Bentuk gas: udara, helium, C02, uap.
2). Bentuk cair: air ringan (H2O), air berat (D2O).
3) . Logam cair: Na, NaK
5. Bahan Perisai
Dalam reaktor yang sedang beroperasi akan terdapat berbagai macam radiasi yaitu
partikel alfa dan beta, fragmen (produk) pembelahan, proton, sinar gamma dan
neutron. Proteksi terhadap radiasi yang berbahaya ini dilakukan dengan memasang
bahan perisai sebagai pelindung disekitar bejana reaktor.
Partikel alfa merupaka inti helium, terdiri dari dua neutron dan dua proton dan oleh
karena itu mengandung muatan listrik positif yang relatif besar. Partikel alfa diemisi
selama peluruhan radioaktif oleh isotop radioaktif dengan massa berat dan energi
diskrit yang khas untuk isotop tersebut dan besarnya pada umumnya lebih dari 5 MeV.
Partikel alfa melepaskan energinya dalam udara dengan membentuk ion. Jarak tempuh
partikel alfa dalam udara hanya 2 sampai 4 cm dan karena itu radiasi alfa tidak
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
merupakan suatu problem dalam disain perisai. Proton juga menyebabkan ionisasi
dalam udara, meskipun kurang karena muatan listriknya lebih kecil. Jarak tempuh
proton kira-kira 5 sampai 10 kali jarak tempuh partikel alfa, akan tetapi seperti juga
partikel alfa, proton tidak menimbulkan kesulitan dalam desain perisai. Partikel beta
(elektron dan positron} di-emisi dengan energi yang meliputi spektrum yang luas
dengan kecepatan yang lebih besar dari pada partikel alfa. Partikel beta dapat juga
menimbulkan radiasi jika melalui medan listrik inti atom berat. Pelepasan energi ini
timbul sebagai sinar X dengan spektrum yang kontinyu dan disebut "brermstrahlung",
yang mengandung bahaya disamping partikel betanya sendiri. Positron mempunyai
sifat yang sama seperti elektron akan tetapi lain dari itu ia dapat bereaksi dengan
elektron dan dapat menimbulkan dua foton gamma.
Neutron, seperti juga sinar gamma, mempunyai daya tembus yang cukup besar. Oleh
karena neutron tidak mempunyai muatan listrik maka cara satu-satunya agar neutron
melepaskan energinya adalah dengan tumbukan, hamburan elastis dan tidak elastis
dan penyerapan. Kesulitan yang timbul untuk menahan neutron adalah karena pada
umumnya penyerapan neutron oleh bahan disertai dengan reaksi (n, gamma). Jadi
meskipun neutron dapat ditahan, akan tetapi segera diikuti oleh emisi gamma. Dengan
demikian suatu perisai untuk menahan neutron harus juga sanggup untuk menahan
sinar gamma yang dikeluarkan pada akhir jarak tempuh neutron.
Jika diringkaskan, syarat untuk bahan perisai adalah:
1). Dapat memperlambat neutron
2). Dapat menyerap neutron
3). Dapat menyerap radiasi gamma
Bahan-bahan yang dipergunakan sebagai perisai:
1). Air ringan
2). Beton, dicampuri dengan bahan lainnya, misalnya barit
3). Logam, seperti Fe, Pb, Bi, W, Boral dan lain-lain.
6. Bahan Struktur
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
Dalam reaktor dengan disain tertentu material untuk bahan bakar moderator
(reflektor), pengendalian, pendinginan dan perisai dipilih sedemikian sehingga
memenuhi syarat-syarat yang khusus berlaku untuk reaktor tersebut. Biasanya bahanbahan yang disebut tidak pasti mempunyai sifat fisika dan mekanika yang baik pula.
Oleh karena itu untuk menambah kekuatan konstruksi reaktor diperlukan bahan-bahan
lain yang biasanya, dilihat dari sudut ekonomi neutron, merugikan, akan tetapi
diperlukan juga, agar komponen komponen tetap utuh dalam disainnya yang semula.
Untuk bahan struktur dalam bejana reaktor berlaku syarat-syarat berikut:
1). Mempunyai penyerapan neutron yang rendah.
2). Stabil dalam lingkungan radiasi dan suhu tinggi.
3). Mempunyai kekuatan mekanik yang baik.
4). Tahan korosi.
5). Mempunyai sifat perpindahan kalor yang baik.
Sebagai bahan struktur dalam bejana reaktor biasanya dipergunakan besi-baja,
aluminium, zirkonium, nikkel, pada umumnya dalam bentuk paduan logam.
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
Gambar III.1. Penampang verikal reaktor pernelitian
Gambar III.2. Penampang horisontal reaktor pernelitian
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
GambarIII.3. Teras reaktor
(a)
Gambar III.4. (a) Bahan bakar
Aditya Romas TFN-ELIN V
(b)
(b) Ruang kontrol
Reaktor Nuklir dan PLTN
Catatan
1. Bahan bakar
Terdapat dalam teras reaktor diatur sedemikian rupa hingga luas permukaannya
cukup besar untuk memperbesar perpindahan kalor yang dihasilkan oleh bahan
bakar.
2. Pendingin (primer)
Cairan/gas yang mempunyai sifat-sifat perpindahan kalor yang baik, berfungsi
untuk mendinginkan bahan bakar. Kadang-kadang pendingin primer berfungsi
pula sebagai moderator.
3. Moderator
Berfungsi untuk menurunkan energi neutron dari energi tinggi ke ter maik.
Moderator harus mempunyai sifat-sifat kemampuan menghamburkan neutron
besar, tetapi kemampuan penyerapannya kecil. Seperti yang akan diterangkan
kemudian moderator dipilih dari unsur-unsur yang mempunyai A kecil agar
penurunan energi per tumbukan dapat besar.
4. Batang kendali
Terbuat dari bahan yang mempunyai serap neutron yang sangat besar berfungsi
untuk mengendalikan jumlah populasi neutron yang terdapat di dalam reaktor, jadi
juga mengendalikan jumlah reaksi fisi yang terjadi.
5. Perisai (shielding)
Menahan radiasi yang dikeluarkan oleh inti-inti hasil fisi, agar para pekerja dapat
melakukan tugas-tugasnya di sekitar reaktor dengan aman.
6. Pemindah kalor (heat exchanger)
Pendingin primer biasanya merupakan suatu rangkaian tertutup, artinya pendingin
primer dikembalikan lagi oleh pompa ke reaktor setelah kalor yang dibawa dari
reaktor dipindahkan ke pendingin sekunder di dalam alat penukar kalor.
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
B
E
A
C
D
Keterangan:
A. teras reaktor
B. pompa primer
C. penukar panas
D. pompa sekunder
E. menara pendingin
Gambar III.5 Siklus pendingin di dalam reaktor penelitian
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
BAB IV
MANFAAT TENAGA NUKLIR
Reaktor nuklir dapat digolongkan menurut tujuannya, yaitu untuk penelitian,
pembangkit daya atau untuk produksi. Penggolongan menurut cara ini bukanlah
eksklusif dalam tujuannya masing-masing, akan tetapi hanya bermaksud untuk
menonjolkan tujuan utamanya.
Reaktor penelitian didesain untuk menghasilkan neutron dan dipergunakan untuk
berbagai eksperimen fisika reaktor, untuk menghasilkan radioisotop, untuk penelitian
dalam berbagai bidang, pengamatan, terutama fisika, kimia dan biologi, untuk
menguji dan mengadakan evaluasi terhadap berbagai, komponen nuklir yang didisain
untuk suatu reaktor daya dan untuk maksud pendidikan dan latihan. Reaktor uji
material adalah reaktor penelitian yang menghasilkan neutron dengan fluks yang
tinggi, yaitu dalam orde 1014 — 1016 n/cm2s.Tujuan utama reaktor daya adalah untuk
pembangkitan listrik. Disamping itu uap kalor yang dihasilkan sering dipergunakan
dalam perindustrian sebagai kalor proses (process heat}, untuk pemanasan gedung
dan untuk menawarkan air laut (desalinasi).
Reaktor produksi dalam tahun lima puluhan dibangun khusus untuk menghasilkan Pu239 dari U-238, kemudian reaktor-reaktor produksi yang masih beroperasi itu
dimodifikasi sehingga juga dapat membangkitkan listrik, sedangkan produksi
plutonium kini menjadi tujuan sekunder, oleh karena persediaan bahan ini telah mulai
berlebihan.
Manfaat suatu sistem pembangkit tenaga dapat dinilai dengan mudah apabila sistem
tadi dibandingkan dengan sistem pembangkit tenaga lain sehingga kelebihan dan
kekurangannya dapat diperinci dengan jelas. Dalam hal ini tenaga nuklir harus
dibandingkan dengan tenaga fosil karena tenaga fosil dewasa ini memikul sebagian
besar kebutuhan tenaga di dunia. Karena bentuk sumber bahan bakar fosil yang masih
melimpah cadangannya di bumi adalah batu bara, maka perbandingan akan dilakukan
terhadap sistem pembangkit tenaga batu bara. Dibandingkan dengan Pusat Listrik
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
Tenaga Batu-bara, Pusat Listrik Tenaga Nuklir mempunyai keuntungan-keuntungan
sebagai berikut:
1. tidak mencemarkan udara
2. menghasilkan bahan-bahan sisa padat lebih sedikit
3. cadangan sumber bahan bakar nuklir melimpah
4. penyediaan bahan bakarnya memerlukan penambangan yang lebih sedikit
5. lebih ekonomis
6. persoalan pangangkutan bahan bakar lebih mudah
7. pemilihan letak lebih luwes.
Sebaliknya, PLTN mempunyai beberapa kekurangan antara lain sebagai berikut:
1. Menghasilkan bahan sisa radioaktif yang berumur sangat panjang sehingga
harus disimpan dan diamankan untuk jangka waktu yang sangat lama.
2. Dapat melepaskan bahan-bahan radioaktif. Perlu ditambahkan bahwa
pelepasannya adalah sedemikian rendahnya sehingga tidak begitu berarti
apabila dibandingkan dengan latar belakang radiasi yang sudah ada dalam
alam. Pelepasan bahan-bahan radioaktif dari suatu Pusat Listrik Tenaga Batubara yang berasal dari radio-aktivitas alam dalam batu bara dapat melebihi
pelepasan radioaktif dari Pusat Listrik Tenaga Nuk!ir.
3. Dalam PLTN terdapat himpunan bahan-bahan radioaktif dalam jumlah amat
besar yang harus dikungkung, dalam keadaan bagaimanapun juga. Oleh karena
itu, segi-segi keselamatan yang bersangkutan dengan kemungkinan terjadinya
kecelakaan dapat lebih berat dibandingkan dengan PLT-Batu bara.
4. Modal yang diperlukan untuk pembangunan PLTN lebih besar dan waktu
pembangunannya lebih lama dibandingkan dengan PLT-Batubara
Pada umumnya dapatlah dikatakan bahwa keberatan-keberatan yang ditujukan
terhadap PLTN dewasa ini lebih bersifat emosional dari pada riil yaitu sebagai akibat
dari gambaran tenaga nuklir sebagai tenaga penghancur yang maha dahsyat, dengan
diledakkannya dua buah bom atom di Hiroshima dan Nagasaki dalam Perang Dunia
ke-2 yang lalu. Ditinjau dari segi teknik, hampir semua persoalan yang bersangkutan
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
dengan operasi PLTN telah tersedia pemecahannya dewasa ini. Hal ini terbukti dari
sejarah operasi PLTN, yang jumlahnya dewasa ini sudah hampir 400 di seluruh dunia,
yang telah berjalan dengan aman sampai saat ini tanpa terjadi kecelakaan yang berarti.
Pada dasarnya, persoalan-persoalan yang bersangkutan dengan pelepasan bahan
radioaktif, pembuangan bahan sisa dan persoalan keselamatan lain hanyalah
merupakan persoalan biaya. Dengan mengeluarkan biaya yang lebih besar,
kemungkinan terjadinya kecelakaan dapat ditekan menjadi lebih rendah. Tetapi sudah
jelas bahwa kemungkinan terjadinya kecelakaan tersebut tidaklah mungkin untuk
ditiadakan sama sekali. Hal ini berlaku pula untuk setiap sistem teknologi lain yang
manapun.
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
BAB V
JENIS-JENIS PLTN
Sebagian besar dari PLTN yang dipakai dewasa ini adalah dari jenis reaktor
berpendingin air ringan (LWR = Light Water Reactor) baik yang berasal dari reaktor
sistem bertekanan (PWR = Pressurized Water Reactor) maupun dari reaktor sistem
mendidih (BWR = Boiling Water Reactor). Kedua jenis sistem LWR ini merupakan
hasil dari program penelitian dan pengembangan di Amerika Serikat yang kemudian
diikuti oleh banyak negara lain seperti Jerman, Perancis, Rusia, Jepang dan lainnya.
Di samping LWR, juga dikembangkan jenis reaktor berpendingin air berat (HWR =
Heavy Water Reactor) terutama di Kanada dan diikuti oleh banyak negara
berkembang. Jenis reaktor lainnya adalah reaktor berpendingin gas dengan moderator
grafitt (GCR = Gas Cooled, graphite moderated Reactor) yang mula-mula
dikembangkan di Inggris dan Perancis tetapi kemudian ternyata tidak diteruskan
pengembangannya. Jenis-jenis yang sampai saat ini masih dalam taraf pengembangan,
yaitu jenis reaktor suhu tinggi (HTGR = High Temperatur Gas-cooled Reactor) dan
jenis reaktor pembiak cepat (FBR = Fast Breeder Reactor). Jenis HTGR diharapkan
dapat lebih memanfaatkan sumber bahan bakar nuklir termasuk torium dan di
samping sebagai pembangkit tenaga listrik yang mempunyai kemampuan untuk
dipakai sebagai sumber kalor proses. Jenis FBR baik yang menggunakan pendingin
natrium cair (LMFBR= Liquid Meta Fast Breeder Reactor) maupun yang
menggunakan pendingin gas (GCFBR = Gas-Cooled, Fast Breede Reactor)
diharapkan akan dapat mendaya-gunakan sepenuhnya sumber-sumber bahan bakar
nuklir yang sudah jelas terbatas cadangannya di dunia.
Sifat-sifat khas PLTN jenis PWR dan BWR adalah sebagai berikut:
1. Keduanya menggunakan bahan bakar yang sedikit diperkaya (kurang dari 3%
U235)
2. Keduanya memberikan perbandingan konversi yang rendah
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
3. Segi-segi ekonomi dan keselamatan, effisiensi termik dan kemampuan
mendayagunakan sumber bahan bakar uranium kurang lebih sebanding.
PLTN jenis HTGR dikembangkan terutama di Jerman, Inggris dan Amerika Serikat.
Diagram alir HTGR dilukiskan dalam Gambar 4. Pemakaian jenis PLTN ini
diharapkan dapat menghemat persediaan sumber uranium sampai pada saat program
reaktor cepat pembiak dapat dilaksanakan. PLTN jenis reaktor pembiak cepat masih
dikembangkan
dengan
giat
di
beberapa
negara
besar.
Dorongan
untuk
mengembangkan reaktor jenis ini terutama ialah:
1. Untuk memanfaatkan bahan bakar plutonium yang dihasilkan dalam program
PLTN jenis LWR.
2. Untuk menghemat sumber-sumber uranium
3. Untuk membangkitkan tenaga listrik dengan biaya murah
4. Untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi pengaruh terhadap lingkungan.
Karena kemampuan pembiakannya, introduksi PLTN jenis ini dalam program
ketenagaan nuklir di seluruh dunia diharapkan dapat mengatasi persoalan
kebutuhan/keterbatasan sumber-sumber bahan nuklir, persoalan mana mau tidak mau
harus dihadapi apabila program pembangkitan tenaga listrik nuklir di laksanakan
hanya dengan PLTN jenis LWR saja.
A. Reaktor Air Didih (BWR)
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
Gambar V.1 Reaktor air didih (BWR)
Pada saat ini, diantara PLTN jenis "boiling water reactor" yang paling banyak
jumlahnya, baik yang sudah beroperasi, sedang dalam taraf pembangunan. Disainnya
telah mengalami berbagai perubahan pokok dari disain pertama pada tahun 1955,
sampai desain terkini yang disebut ABWR. Kalor
yang dihasilkan oleh reaksi
pembelahan inti didalam teras reaktor (core) digunakan untuk mendidihkan air. Uap
yang terjadi, setelah dipisahkan dari butir-butir air oleh separator dan pengering
(separators & ryers) keluar dari bejana reaktor (reactor vessel) menuju turbin
turbine). Turbin ini terdiri dari dua tingkat yaitu bagian tekanan tinggi (high pressure
= HP) dan dua paralel bagian tekanan rendah (low pressure= LP), dimana uap
sebelum masuk ke bagian tekanan dipisahkan dari butir-butir air serta dikalor kan
kembali dalam separator dan pemanas ulang (moisture separator & reheater). Turbin
ini memutar generator listrik (generator) sehingga listrik tiga fase dapat dihasilkan.
Sebagian besar uap dari turbin mengalir ke kondenser (condenser) dimana uap ini
akan berkondensasi menjadi air lagi. Ini dimungkinkan karena kondenser selalu
didinginkan oleh air dari luar, yaitu dengan air laut. dengan air sungai ataupun dengan
air dari menara/kolam pendingin. Selanjutnya air kondensat dialirkan ke penyaring
demineral (demineralizer) oleh pompa kondensat (condensate pump). Dari sini, air
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
yang telah bersih dari mineral pengotor dimasukkan kedalam pemanas (heaters)
dimana air secara bertahap dipanaskan.
Semua pemanas dan pemanas ulang mendapat kalor dari uap yang di. ambil dari
turbin tekanan tinggi. Kemudian pompa umpan (feed pump) memompa air hingga
bertekanan tinggi, mengalirkan lewat pemanas tekanan tinggi. (HP heaters) dan
memberikannya kembali ke bejana reaktor. Untuk mengintensifkan pendidihan dan
juga pengaturan daya maka aliran didalam teras dibantu dengan sitem resirkulasi, yang
dilaksanakan aengan mengambil air (sepertiga dari debit air umpan) dari bejana
dengan pompa resirkulasi (racirculation pump) dan menyemprotkan kembali kedalam
bejana dengan nozel. Kecepatan tinggi aliran dari nozel ini mengikutkan air pada tepi
bejana, sehingga aliran pendingin lewat teras mencapai debit yang diperlukan. Reaktor
jenis BWR menggunakan bahan bakar uranium dalam bentuk kimia U02 (uranium
dioxida). Perkayaan isotop U-235 pada uranium bisa bermacam-macam, berkisar
antara 1,6% berat s/d 2,8 % berat. Uranium dioxida digunakan dalam bentuk pil
(pellet) yang dipres dari serbuk U02 dan disinter supaya memperoleh massa jenis
tertinggi. Pil-pil ini disusun di dalam tabung yang terbuat dari bahan zircaloy-2,
dengan tutup rapat di kedua ujungnya, yang akan merupakan batang bahan bakar.
Dalam batang bahan bakar ini udara didalamnya diganti dengan gas helium yang
bertekanan sekitar satu atmosfir. Disamping itu pada tabung bahan bakar, di atas pil
U02 yang paling atas tersedia ruangan dan per yang selalu menekan pil-pil berimpitan
satu sama lain. Ruangan di ujung atas ini disediakan untuk gas-gas hasil fisi yang
nantinya terbebaskan. Diameter luar tabung 12,5 mm, tebal tabung 0,86 mm panjang
susunan pil 3759 mm. Sedang ruang gas setinggi 305 mm. Bahan penyerap neutron
untuk batang kendali adalah borium dalam bentuk karbida boron B4C. Karbida ini
dipres didalam tabung baja tahan karat berdiameter 4,8 mm, dilas rapat pada kedua
ujungnya. Dalam bekerjanya, batang kendali disisipkan dari bawah teras ke atas.
Batang kendali ini dihubungkan kebawah oleh batang penerus sampai kebawah alas
bejana reaktor, dimana terdapat piston hidrolik sebagai penggerak. Batang kendali
dapat digerakkan kontinyu dengan kecepatan tertentu ke posisi-posisi tetap tertentu
pula
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
B. Reaktor Air Tekan (PWR)
Gambar V.2. Reaktor air tekan (PWR)
Reaktor jenis Reaktor Air Tekan atau PWR (pressurized water reactor) ialah jenis
yang paling banyak dibandingkan dengan jenis-jenis lainnya, baik bagi PLTN yang
telah beroperasi, yang sedang dibangun maupun yang sedang dalam pemesanan.
PLTN-PWR bekerja berdasarkan prinsip dua daur, dimana pendingin pada masingmasing daur terpisah satu sama lain. Pendingin yang mendinginkan reaktor pada daur
primer terpisah dari uap yang dihasilkan. Daun primer berisi air pendingin yang
bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi, mengambil kalor yang dihasilkan oleh reaksi
fisi didalam teras reaktor. Dari bejana reaktor ari menuju suatu alat penukar kalor ,
yang disebut generator uap, dimana air ini melalui pipa-pipa berbentuk U. Dengan
aliran ini kalor dipindahkan ke darurat sekunder, dimana air umpan dididihkan dan
uap dihasilkan dari dalam generator uap ini. Air dari daur primer dipompa kembali
kedalam bejana reaktor oleh pompa primer. Alat pembuat tekanan, pressurizer,
mempertahankan tekanan daur primer tetap sekitar 158 atmosfer.Uap yang dihasilkan
oleh generator uap dialirkan ke turbin, memutarnya dan memutar generator. Hasil
putaran generator ini menghasilkan listrik yang merupakan produk akhir PLTN. Uap
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
itu selanjutnya berkondensasi didalam kondenser, sedang air kondensat tersebut
diumpankan kembali ke generator uap. Uranium dengan perkayaan sekitar tiga persen
digunakan sebagai bahan bakar dalam bentuk persenyawaan uranium dioksida. Serbuk
U02 ini dikompakkan menjadi bentuk pil dengan melalui proses"cold pressing" dan
"sintering" untuk memperoleh massa jenis yang mendekati harga teori. Pil-pil ini
disusun secara aksial didalam tabung dari logam zircaloy-4 yang dilas rapat pada
kedua tutup ujungnya, membentuk sebuah batang bahan bakar. Aloi zirkonium ini
digunakan untuk kelongsong bahan bakar, karena serapan terhadap neutron kecil
tetapi mempunyai sifat penghantaran kalor yang baik. Batang bahan bakar ini diberi
tekanan gas helium untuk mengurangi besarnya tegangan/regangan yang akan dialami
pada operasinya didalam reaktor. Perangkat kendali berbentuk yang berfungsi sebagai
penyerap neutron adalah kadmium (Cd). Disaat bekerja perangkat digerakkan oleh
batang penggerak yang disambung keatas, sedang penggeraknya dipasang diatas tutup
bejana reaktor. Dibandingkan dengan perangkat bahan bakar BWR, maka pada PWR
perangkat bahan bakar tidak berselubung. Batang kendali bukannya berpenampang
palang yang tersisip dari bawah diantara perangkat, tetapi dari atas sedang batangbatang kendalinya menusuk kedalam perangkat bahan bakar sepanjang tabung-tabung
pengarah. Oleh karena itu perangkat ini disebut perangkat bahan bakar-kontrol (rod
cluster control assembly) perangkat kendali digerakkan oleh penggerak magnetik,
sedang pada BWR digerakkan dengan cara hidrolik.Reaktor didinginkan oleh air
bertekanan tinggi yang bersirkulasi membentuk sistem tertutup, disebut sistem primer.
Tekanan tinggi ini diperlukan agar dalam pemindahan kalor dari teras reaktor air
tersebut tidak mendidih. Alat pembuat tekanan dan menjaga agar tetap tinggi disebut
pressurizer. Alat ini bekerja berdasarkan sifat bahwa air yang dijaga dalam
keseimbangan dengan uap air pada suatu suhu tertentu akan bertekanan tertentu pula.
Jadi didalam pressurizer terdapat air dan uap yang diusahakan dalam keseimbangan,
yaitu tinggi permuka air tertentu. Selanjutnya suhu diusahakan tertentu pula,
pemanasan air akan bekerja bila air kurang panas, serta dengan semportan air dingin
pada uapnya bila terlalu panas. Dalam bekerjanya 60% ruangan terisi air, 40% terisi
uap. Berbeda dengan BWR, PWR membutuhkan pembangkit uap. Pembangkit uap
sebenarnya adalah suatu alat penukar kalor (heat exchanger), dimana pendingin yang
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
kedua mendidih jika menerima kalor, sehingga keluar sebagai uap. Pembangkit uap
berbentuk silinder vertikal, dimana pendingin primer yang bertekanan tinggi mengalir
lewat pipa-pipa U. Pendingin primer masuk dari ruang masuk ujung bawah, kemudian
terbagi dalam aliran lewat pipa-pipa U dan keluar melalui ruang keluar di ujung
bawah. Ruang keluar dan masuk ini dipisahkan olen suatu dinding. Air sekunder
masuk pada bagian bawah, pada bagian mana pipa-pipa pindah kalor
bersuhu
terendah. Bagian ini disebut bagian preheater, dimana air sekunder dikalor kan
sampai hampir suhu didihnya. Selanjutnya air mengalir ke bagian lain, di mana air
mendidih. Uap air bercampur butiran air yang terbebas keluar permukaan air masuk
ke moisture separator, dimana karena aliran yang memutar di dalamnya menyebabkan
butiran air terlemparkan kepinggiran dan turun lagi ke permukaan air. Selanjutnya uap
dikeringkan lagi pada waktu melewati steam dryer, dimana aliran yang zig-zag
menggugurkan butiran air yang masih terikut, untuk seterusnva keluar lewat steam
nozzle di ujung atas Bangunan unit PLTN terdiri dari 4 gedung pokok yaitu gedung
sungkup reaktor
(containmen-building) (1). Gedung turbo-generator (2), gedung
penanganan bahan bakar (3) dan gedung peralatan pembantu (4). Gedung sungkup ini
melingkupi seluruh daur primer bejana reaktor uap, generator uap, dan pompa-pompa
primer, gedung ini diperhitungkan untuk menahan radiasi dan akibat-akibat suatu
kejadian musibah kehilangan pendingin (loss of coolant accident). Gedung turbogenerator gedung biasanya merupakan yang terbesar diantara gedung- gedung yang
ada. Turbo generator, pemisah lengas (moisture separator) dan preheater terletak di
lantai atas gedung tersebut. Untuk menghindari vibrasi tersebut ke seluruh bangunan,
maka turbo-generator biasanya terpasang pada penyangga tersendiri terpisah dari
fondasi gedung.Gedung penanganan bahan bakar berfungsi sebagai tempat
penyimpanan bahan bakar baik yang baru maupun yang telah terpakai. Bahan bakar
terpakai di simpan dibawah permukaan air untuk menahan radiasi yang dipancarkan
dan mendinginkan kalor
peluruhan. Disini juga
terdapat peralatan untuk
memasukkan bahan bakar bekas kedalam kotak pengiriman (shippng cask). Gedung
ini dihubungkan ke gedung sungkup oleh suatu kolong tranfer dengan sistem transfer
secara mekanik.Gedung peralatan pembantu berisikan sistem-sistem pembantu dan
pengaman. Pipa-pipa dan kabel-kabel memasuki gedung sungkup reaktor lewat
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
gedung ini melalui suatu penetrasi yang kedap air. suatu penetraReaktor PWR dan
BWR juga dilengkapi dengan sistem pendingin teras darurat. Sistem ini yang biasanya
disebut ECCS (Emergency Core Cooling System) atau SIS (Safety Injection System)
dimaksudkan untuk menyediakan air pendingin teras reaktor pada keadaan musibah
kebocoran besar (LOCA, loss of cooling accident). Kalor
yang dihasilkan oleh
peluruhan hasil fisi didalam teras harus dipindahkan oleh sistem ini, agar batang
bahan bakar tidak terlalu tinggi suhunya sehingga terjaga keutuhannya.
C. PHWR—CANDU
Gambar 5.3. PHWR-CANDU
Jenis reaktor ini sudah mirip dengan PWR, dalam pengertian bahwa memiliki
pemisahan antara daur air pendingin primer yang mendinginkan teras reaktor dan daur
sekunder yang berhubungan dengan turbo-generator dan kondenser. Pada PHWR—
CANDU (Pressurized Heavy-Water Reactor - Canadian Deuterium Uranium) air
berat (D2O) digunakan dalam daur primer sebagai ganti air ringan (H2O). Hal ini
memungkinkan digunakannya uranium-alam sebagai ganti uranium-kaya pada PWR.
Keistimewaan selanjutnya adalah adanya pemisahan D2O menurut fungsinya. Pertama
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
sebagai pendingin D2O mengalir melalui teras reaktor dalam pipa-tekan yang berisi
tekanan bahan bakar. Kedua, D2O mengisi diantara pipa tekan didalam suatu tanki
(calandria) yang berfungsi sebagai moderator. Khususnya mengenai PHWR-CANDU,
teras reaktor memiliki susunan pipa tekan yang mendatar, tanpa dump tank dibawah
calandri.Air berat yang digerakkan pompa primer mengalir menuju reaktor. Pada pipa
pembagi aliran terbagi mengikuti pipa-pipa tekan masuk ke teras reaktor. Pada bagian
ini pipa-pipa tekan berisi sederetan bundel batang bahan bakar dari mana kalor
dihasilkan. Keluar dari teras reaktor kemudian aliran disatukan lagi dan masuk
generator uap (steam generator). Disini D2O mengalihkan kalornya ke pendingin air
dan mengubahnya menjadi uap, sedang D2O yang lebih dingin keluar dari boiler untuk
dipompa dan mengambil kalor dari teras reaktor lagi. Tidak semua kalor yang
dihasilkan dari bahan bakar bisa dipindahkan oleh D2O pendingin dan dipindahkan di
boiler. Disamping kalor
yang bocor keluar lewat perisai sebagai kalor
tidak
termanfaatkan karena terbuang ke D2O moderator, dalam calandria. Jumlah yang
dipindahkan lewat sistem moderator sekitar 6% dari kalor yang terpindahkan ke
boiler. Uranium dioxida tersinter bebentuk pil-pil panjang 16 mn disusun dalam pipa
zircalloy-4, membentuk elemen bahan bakar, Diameter luar elemen 13,08 mm dan
tebal zircalloy adalah 0,38 mm. Setiap 37 elemen bahan bakar disusun menjadi satu
bundel yang akan merupakan satu bundel panjang 495 mm, dengan ukuran luar
berdiameter 102,4 mm. Setiap duabelas bundel tersusun horizontal dalam pipa tekan
zircalloy yang berukuran diameter103,4 mm. Tabel pipa tekan 4,16 mm. Bagian ujung
pipa tekan diberi end-fitting, yang terbuat dari baja takkarat 403, untuk aliran masuk
atau keluar dan juga untuk penyambungannya dengan mesin pengganti bahan bakar.
Pipa-pipa tekan ini terletak dalam pipa calandria yang sedikit lebih besar. Sedang
pipa calandria dalam susunan kisi persegi merupakan bagian dari calandria. Kalau
pipa calandria terbuat dari zircalloy-2, maka dinding silinder dan lembarannya terbuat
dari baja takkarat 304L Dengan cara ini 380 pipa tekan yang berisi bahan bakar dan
air berat pendingin ditambah dengan calandria yang berisi air berat moderator.
Calandria ini berbentuk silinder mendatar dengan diameter dalam 7,6 m dan panjang
5,94 m.
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
PENUTUP
Keselamatan Reaktor Nuklir
Aspek keselamatan yang digunakan pada reaktor nuklir adalah mencegah
kemungkinan terjadinya kecelakaan dan memperkecil dampak yang dapat diakibatkan
oleh kejadian kecelakaan, yang lebih dikenal dengan nama sistem pertahanan berlapis
(defence in depth). Ada 5 pertahanan yang utama, yaitu:
1. Komponen-komponen reaktor
2. Sistem proteksi reaktor
3. Konsep hambatan ganda
4. Pemeriksaan dan pengujian
5. Operator
Komponen Reaktor
Komponen-komponen reaktor harus memenuhi standar kualitas yang tinggi dan dapat
diandalkan, sehingga kemungkinan kegagalan komponen tersebut sangat kecil.
Komponen-komponen tersebut antara lain pompa-pompa, katup-katup, pemipaan,
tangki, instrumentasi, dan kontrol.
Sistem Proteksi Reaktor
Desain keselamatan reaktor adalah memanfaatkan sifat-sifat alam yang menjamin
adanya keselamatan inheren sehingga reaktor nuklir mempunyai sistem yang aman
dan selamat terhadap kekeliruan yang dilakukan oleh operator. Disamping itu reaktor
nuklir dilengkapi dengan peralatan keselamatan yang dirancang menggunakan prinsipprinsip sebagai berikut:
1. Pemisahan:
komponen-komponen
sistem
keselamatan
yang
berbeda
dipisahkan secara fisis satu dengan yang lainnya. Hal ini dimaksudkan bahwa
kegagalan mekanis pada satu lokasi tidak mempengaruhi unjuk kerja
komponen yang berada di tempat lain.
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
2. Diversiti: maksudnya adalah selalu terdapat lebih dari satu cara untuk
melakukan suatu pekerjaan. Contohnya dengan sistem yang berbeda-beda akan
dapat memadamkan reaktor.
3. Redundansi: selalu terdapat lebih dari satu komponen yang diperlukan.
Contohnya terdapat 2 pompa yang dipasang paralel, namun yang dipergunakan
hanya satu.
4. Saling tak gayut: sistem keselamatan saling tak gayut dengan yang lain.
Contohnya terdapat beberapa jalur pemasok daya.
5. Kegagalan yang aman (fail safe): dimaksudkan bahwa bila terjadi kegagalan
pada suatu komponen/sistem, maka secara otomatis akan merangsang untuk
bergerak pada kondisi yang aman. Contohnya daya listrik dibutuhkan untuk
mematikan reaktor, tetapi bila suatu saat kehilangan daya listrik, reakto akan
tetap mati dengan jatuhnya elemen kendali secara gravitasi.
Konsep Hambatan Ganda
Konsep hambatan ganda mengusahakan tetap terkungkungnya zat-zat radioaktif dalam
sistem reaktor daya (PLTN) dan tidak menyebar ke lingkungan yang mengakibatkan
bahaya radiasi bagi penduduk yang tinggal di daerah sekitarnya. Hambatan ganda
tersebut terdiri dari:
1. Elemen bakar: unsusr-unsur hasil belahan nuklir harus selalu tetap berada
bersama elemen bakar
2. Kelongsong elemen bakar: apabila unsur hasil belahan nuklir dapat lepas dari
elemen bakar, maka diusahakan agar unsur hasil belahan tersebut masih di
dalam kelongsong elemen bakar
3. Sistem pendingin primer: terdiri dari sistem pipa, katup-katup, pompa dan juga
pembangkit uap berfungsi pula sebagai penghambat hasil belahan, seandainya
kolongsong tidak dapat menghambat bocornya hasil-hasil belahan.
4. Bangunan reaktor (sistem pengungkung): merupakan penghambat terluar
sebelum zat radioaktif lepas ke lingkungan. Bangunan reaktor juga didesain
untuk menahan gangguan-gangguan dari luar, seperti gempa bumi, tornado,
banjir, kejatuhan pesawat terbang, dan sebagainya (gambar 6)
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
5. Daerah eksklusif: Apabila zat radioaktif dapat lepas dari sistem pengungkung,
maka kemungkinan sampainya zat radioaktif tersebut kepada masyarakat
diperkecil dengan adanya jarak antara reaktor dengan tempat tinggal
penduduk, yang disebut daerah eksklusif.
Pemeriksaan dan pengujian
Setiap PLTN secara rutin dilakukan pemeriksaan dan pengujian terhadap sistem
keselamatan dan komponen-komponen reaktor untuk menjamin kelangsungan operasi
dan juga perbaikan jika terdapat kerusakan. Seluruh persyaratan konstruksi, peralatan
sistem keselamatan dan prosedur pengoperasian untuk reaktor riset dan PLTN selalu
diawasi dengan ketat oleh isntansi/badan pengawas yang berwenang. Badan tersebut
berhak mencabut izin operasi sewaktu-waktu jika kondisi persyaratan tidak dipenuhi.
Operator
Pendidikan dan pelatihan operator reaktor nuklir merupakan aspek penting dari
falsafah keselamatan nuklir pertahanan berlapis. Operator sebagai pengendali PLTN
maupun reaktor riset diseleksi secara ketat. Mereka harus melalui serangkaian ujian
sebelum mendapatkan izin untuk mengoperasikan reaktor nuklir. Izin dikeluarkan
oleh badan yang berwenang mengawasi penggunaan tenaga nuklir. Pengetahuan dan
kemampuan operator harus selalu dipertahankan setiap saat dengan cara
pendidikan/pelatihan dan penyegaran secara berkala.
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
RANGKUMAN
Jenis Reaktor Nuklir
Reaktor Nuklir dapat dikelompokkan menjadi dua bagian :
1. Reaktor Penelitian (Research Reactor)
2. Reaktor Daya (Power Reactor)
Reaktor Penelitian di Indonesia.
Reaktor TRIGA Mark II Bandung merupakan reaktor penelitian, sesuai dengan
namanya TRIGA (Training Reseach Isotopes production by General Atomic).
Pada awalnya yaitu tahun 1965 reaktor mempunyai daya maksimum 250 kW,
kemudian tahun 1971 dayanya ditingkatkan menjadi 1000 kW. Dalam tahun 2000
dayanya ditingkatkan lagi menjadi 2000 kW. Selain di Bandung, terdapat reaktor
TRIGA Mark II Yogyakarta, dengan daya maksimum 250 kW, dan reaktor RSG
(Reaktor Serba Guna) di Serpong dengan daya maksimum 30 MW. Sejak tahun
2000, nama reaktor TRIGA Mark II Bandung diubah menjadi Reaktor TRIGA
2000 Bandung.
Reaktor TRIGA Mark II Bandung:
a) Merupakan reaktor tipe kolam.
Teras reaktor terendam di dalam kolam atau tangki reaktor
b) Berpendingin air ringan (aquades)
c) Berfungsi sebagai pelatihan, riset, dan produsi radio-isotop
Reaktor Daya
Ditinjau dari jenis pendinngin yang dipergunakan, maka reaktor daya dapat
dikelompokkan menjadi
a) Reaktor daya berpendingin air (H2 O) - PWR, BWR
b) Reaktor daya berpendingin air berat (D2O) CANDU - PHW
c) Reaktor daya berpendingan gas (gas Helium, gas CO2) - HTGR, AGR
d) Reaktor daya berpendingin logam cair (Sodium atau Natrium) LMFBR
Aditya Romas TFN-ELIN V
Reaktor Nuklir dan PLTN
Nama-nama reaktor daya:
PWR dan BWR disebut dengan: LWR (Light Water Reactor)
LWR
: Reaktor air ringan
PHWR
: Reaktor air berat (Pressurized Heavy Water Reactor)
PWR
: Reaktor air bertekanan (Pressurized Water Reactor)
BWR
: Reaktor air didih (Boiling Water Reactor)
CANDU PHWR : Canadian Deuterium Pressurized Heavy Water Reactor
HTGR
: Reaktor temperatur tinggi berpendingan gas
(High Temperature Gas-cooled Reactor)
AGR
: Reaktor berpendingin gas (Advanced Gas cooled Reactor)
LMFBR : Reaktor pembiak berpendingin metal cair
(Liquid Metal Fast Breeder Reactor)
Aditya Romas TFN-ELIN V