BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Fase

BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Fase merupakan keadaan dari suatu zat, dapat berupa padat, gas maupun cair.
Dalam kehidupan sehari-hari selain aliran satu fase, kita juga temukan aliran multi
fase. Aliran multi fase adalah aliran yang terjadi ketika ada beberapa fase yang
mengalir secara bersamaan dalam suatu sistem aliran, misalnya dalam sistem
perpipaan. Aliran dua fase merupakan salah satu bagian dari aliran multi fase,
dimana aliran dua fase banyak dijumpai baik dalam kehidupan sehari-hari maupun
dalam proses-proses industri, salah satunya pada reaktor nuklir.
Pada pembangkit listrik tenaga nuklir aliran dua fase terjadi pada proses
penghasil panas guna menghasilkan uap menggunakan tenaga uap / air untuk
menggerakan turbin. Namun aliran dua fase akan menjadi masalah pada
pengoperasiannya. Sejak awal komersialisasi pembangkit listrik tenaga nuklir,
beberapa kecelakaan telah terjadi, salah satunya di stasiun tenaga nuklir Three Mile
Island dekat Harrisburg, Pennsylvania, pada tahun 1979. Kecelakaan ini melibatkan
reaktor air bertekanan yang dibangun di bawah lisensi USNRC (lisensi yang
diberikan oleh Washington, Amerika Serikat, untuk pengembangan energi nuklir).
Selama kecelakaan terjadi tidak ada pendinginan yang mengalir keluar dari
pressurized ke dalam jaringan utama karena flooding. Konsekuensi dari kecelakaan
yang terjadi adalah kerugian total reaktor dan terbuangnya sedikit bahan radioaktif.
Flooding pada aliran dua fase gas-cair berlawanan arah merupakan fenomena
penting dalam aplikasi industri seperti pipa panas, pemisah film, dan refluks
kondensor. Perilaku sistem ini kurang dipahami meskipun bertahun-tahun
penelitian. Akibatnya, desain dan penyempurnaan sistem seperti itu sering
membutuhkan eksperimentasi lengkap dan penggunaan korelasi empiris murni.
Selama berjalan bertahun-tahun, pendekatan ini telah memungkinkan untuk desain
dan operasi dari penggunaan banyaknya sistem aliran dua fase tetapi hasilnya tidak
mudah diperluas untuk aplikasi baru.
1
2
Baru-baru ini, analisis pada aliran dua fase gas-cair berlawanan arah sangat
penting sehubungan dengan analisis keamanan sistem reaktor nuklir. Misalnya pada
mekanisme pembuangan panas pasif pada reaktor air tekan (PWR) di pembangkit
listrik tenaga nuklir ketika terjadi kebocoran pada jaringan primer. Satu hal yang
penting pada mekanisme pembuangan panas pasif adalah konsep pendingin refluks.
Pada konsep ini diskenariokan ketika terjadi kebocoran pada jaringan primer akan
timbul suatu keadaan yang diasumsikan sebagai skenario kecelakaan yang
menyebabkan hilangnya pendinginan (LOCA).
Karena adanya Loss of Cooling Accident (LOCA) maka diperkirakan reaktor
akan mengalami penurunan tekanan (depressurized) yang kemudian diikuti oleh
timbulnya proses penguapan sehingga menciptakan uap di sisi utama dari PWR.
Hal ini menyebabkan “reflux condensation” dimana hasil kondensasi akan berbalik,
dan bisa menjadi peristiwa yang menguntungkan, dimana uap tersebut kemudian
akan mengalir ke generator uap melalui pipa panas. Uap ini akan mengembun di
dalam generator uap dan sebagian kondesat yang tercipta akan kembali mengalir
melalui pipa panas menuju reaktor sehingga menimbulkan aliran berlawanan arah
uap-air (Gambar 1.1). Kondisi seperti inilah yang diharapkan.
Gambar 1.1 Kondisi saat terjadi kecelakaan pada konfigurasi perpipaan PWR
Konvoi German (Seidel dkk., 2010)
3
Namun setiap aliran memiliki perilaku berbeda, keberhasilan pendinginan inti
tersebut dapat terjadi apabila lapisan-lapisan aliran berlawanan arah antara uap dan
kondesat memiliki kestabilitasan pada laju aliran massa uap dan air tertentu.
Apabila laju aliran massa uap dinaikkan pada nilai tertentu untuk laju aliran
kondesat yang diberikan maka sebagian dari kondesat akan menunjukan
pembalikan aliran parsial dan akan tertahan oleh uap dengan arah aliran berlawanan
sehingga menuju kembali ke generator uap. Fenomena ini dikenal sebagai
pembatasan aliran berlawanan arah atau permulaan terjadinya flooding. Pada
situasi ini pendinginan inti reaktor tidak dimungkinkan dari lengan panas (hot leg),
tetapi mungkin dilanjutkan oleh pendingin yang dikeluarkan melalui lengan dingin
(cold leg) menuju bagian atas kolom (downcomer).
Untuk mempelajari fenomena flooding di pipa panas PWR, hasil dari studi
CCFL di jalur aliran horizontal tidak cukup, hal ini disebabkan perilaku aliran dekat
tikungan yang menghubungkan pipa horizontal dengan pipa miring menentukan
karakteristik CCFL di pipa panas PWR (Ohnuki dkk., 1988). Sejumlah percobaan
telah dilakukan tentang aliran berlawanan arah pada pipa panas PWR (Siddiqui
ddk., 1986, Ohnuki dkk., 1988, Wongwises 1996, Navarro, 2005, Deendarlianto
dkk., 2008, Murase dkk., 2009).
Pada penelitian ini dilakukan percobaan dengan menggunakan skala kecil dari
pipa panas PWR sebenarnya, yaitu pipa melingkar skala 1/30th dari diameter pipa
panas Konvoi Jerman. Dan yang menjadi perhatian utama adalah untuk
mendapatkan hasil eksperimen mekanisme pola aliran CCFL udara dan air pada
pipa horizontal dan miring (inclined).
1.2 Rumusan Masalah
Selama aplikasi aliran dua fase gas-cair, fenomena refluks kondensasi sering
terjadi. Munculnya aliran berlawanan arah karena kebocoran pipa pada jaringan
primer akan mempengaruhi sistem. Reaktor nuklir masih tetap bekerja ketika sistem
dimatikan dan membutuhkan mode pendinginan untuk menurunkan suhu.
Keberhasilan pendinginan inti reaktor tergantung oleh karakteristik aliran
berlawanan arah. Insiden terburuk LOCA (Lost of Coolant Accident), adalah suhu
4
nuklir meningkat tanpa sistem cadangan pendinginan karena terjadinya flooding
dan membuat reactor pressure vessel (RPV) blow out. Oleh karena itu, alasan
keamanan juga perlu dipertimbangkan.
Penelitian ini dilakukan dengan mengamati karakteristik aliran dua fase airudara pada pipa horizontal dan pipa miring sebagai fenomena dasar untuk
melakukan penyelidikan mendalam karakteristik aliran berlawanan arah. Masalah
penelitian adalah : Bagaimana menggambarkan pola aliran flooding menyangkut
karakteristik aliran dua fase air-udara dengan metode visualisasi pada massa laju
aliran tertentu ?
1.3 Batasan Masalah
Untuk menyederhanakan permasalahan di atas, maka dalam penelitian ini perlu
diambil batasan masalah sebagai berikut :
a.
Penelitian ini dilakukan dalam tekanan atmosfer
b.
Pipa yang digunakan sebagai seksi uji (hot leg) adalah pipa acrylic yang
permukaannya dianggap licin.
c.
Sistem tidak dipengaruhi oleh kondisi lingkungan dan tidak terjadi
perpindahan kalor (adiabatis).
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk :
1.
Mengamati karakteristik aliran berlawanan arah air-udara pada bagian hot-leg
dengan metode visualisasi dengan variasi laju aliran massa.
2.
Memprediksi terjadinya flooding dengan variasi kecepatan superfisial air dan
kecepatan superfisial udara.
3.
Mengetahui korelasi empiris data CCFL dengan memakai Parameter Wallis
dan membandingkan dengan studi lain.
5
1.5 Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi positif pada
industri tenaga nuklir khususnya yang diperlukan untuk pengembangan PWR
dalam hal mendesain keselamatan dari reaktor-reaktor nuklir. Selain itu, penelitian
ini juga diharapkan dapat melengkapi penelitian sebelumnya mengenai mekanisme
flooding dan menghasilkan suatu data base yang dapat digunakan untuk
memprediksi terjadinya flooding dengan metode visualisasi, serta dapat
memberikan manfaat, baik kepada dunia industri maupun untuk pengembangan
ilmu.