PENDAHULUAN - ANSN

:to~
Prosidi;,g PerlemllOlI ,lOll Presel11nsi Ilminh
Bllkll!
120
PPNY-BATAN,
Yogyakarta.
25-27 April 1995
PENGUKURAN DISTRIBUSI PANAS GAMMA TERAS
REAKTOR KARTINI
Syarip, Hariyanto
PPNY-BATAN p.o. Box 1008 Yogyakarta 55010
Sctiyanto
PRSG-BATAN
ABSTRAK
PENGUKURAN D1STR1BUS1 PANAS GAlvilvL4.TERAS REAKTOR KART1N1. Telah dilakukall
pengukuran distribllsi panas gamma pada teras real,10rKartini sebagaifimgsi daya reaktordengan metode
pengllkllranlangsung menggllnakan kalorimeter isotermal.Pengllkuranpanas gamma arah aksial dilakllkall
poda sumbu pusat teras sedangkan penguAlII'(t/lpada arah radial dilakukan pada posisi 20 Cm dari dasar
teras pada ring A sampai ring F. Hasil penguA11ran mell1l11jukkallbahwa kurva distribusi pallas gamma teras
reaktor Kartini, bersesllaian dengan kurva distribusijluks neutrollllya. Harga panas gamma tertinggi terletak
poda pusat sumbu teras sekitar 25 Cm dari dasarterasyaitu sebesarO,055 Wattlgrampadadaya
reaktor 100
kW Pada posisi pengukurall yang sama. besamya pembahall harga pallas gamma sebanding dengall
besamya pelllbahan daya reaA10r sehingga pengukurclII panas gamma juga bisa dipakai sebagai salah saW
metode untuk memonitor daya reaA10r.
ABSTRACT
THE lvlEASURElvfENT OF GAA.JJvL4HE477NG OF KARTINI RE4CTOR CORE. The measurement of
gamma heating ofKartini reactor core as afunction o/reactorpower by usil.1f!.theisothermal calon'meter has
been dolle. The measurement at the axial direction is pelfom/ed along the central position of the core 'whereas
the measurement at the radial position is pelfol7l1ed at 20 Cm/rom the bottom o/the core along the A ring up
TOthe F ling. The measurement resu!ts shows that the gamma heating distlibution C1Irveis similar 'with its
neutronjlw: distribution C1ll1'e.The maximum gamma heating is located at the celltral position at 25 Cm/rom
the bottom 0/ the core. that is 0,055 Watt/gram at reactor power 0/100 UF. At the same position 0/ the
measurement point shows that the variation o/lhe gamma heating is proportional'with the vGliation o/reactor
power, so the gamma heating measlIremelll can also be used/or reactor po,ver monitoring.
PENDAHULUAN
S
ekitar 9 % dari energi total yang dibebaskan pacta
reaksi pembelahan, adalah encrgi yang berasal
dari sinar gamma atau 'panas gamma'. Panas ganuna
dinyatakan sebagai laju pernbangkitan panas liar
satuan massa penyerap, yang mempunyai satuanwatt
/gram. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menentukan distribusi panas gamma di dalam teras reaktor
Kartini, diharapkan basil ini dapat dipakai scbagai
pertimbangan bagi para pemakai reaktor khususnya
dalam iradiasi cuplikan, juga dapat dipakai sebagai
salah satu cara untuk memonitor daya reaktor.
Metode clan alai yang digunakan adalah
pengukuran langsung dengan menggunakan
kalorimeter isotermal buatan PPNy[l]. Selain
kalorimeter isotermal PPNY juga tdah membuat
kalorimetergammajenis diferensialdua sel [21.Dari
data yang acta ternyata kalorimeter
Syarip, dkk.
isotermal
me;:111j:mnyai
sensitivitas yang lebih baik dibanding
dengan kalorimeter diferensial, sehingga dalam penelitian ini diI:,runakankalorimeter isotenl1al.
Pengukuran panas gamma dilakukan baik
pacta arab radial maupun arab aksial teras, pada tete
rapa tingkat
day a reaktor.
Kemudian
basil
pengukuran ini ditampilkan dalam bentuk grafik, clan
pola kurva distribusi panas gamma dibandingkan
dengan pola distribusi fInks neutronnya. Dengan
demikian akan diperoleh nilai kesebandingan antara
panas gamma clanfInks neutron pactabeberapa titik
di dalam teras reaktor,clandiharapk,mdapat dijadikan
sebagai verifikasi penguk,uan fluks neutron ataupun
clara reaktor.
TEORI
Radiasi sinar gamma adalah radiasi
gelombang elektromagnetik di mana energinya
ISSN 0216-3128
,
Prosidillg PertemllOIl dall Preselltasi Ilmia"
PPNY-BATAN,
Yng,'okarta, 25-27 Apri11995
121
Bllkll!
sebanding dengan frekuensinya. Seperti telah
dijelaskan bahwa 9 persen daTienergi toml di dalam
teras reaktor berasal clan energi gamma, yaitu energi
gamma saat pembelahan clan energi gamma daTi
peluruhan basil belah. Energi gamma tersebut ditransformasikanmenjadipanas melalui proses-proses
rota listrik, hamburan Compton clanproduksi pasangan. Secara teoretis panas gamma dapat ditentukan
berdasar korelasinya dengan fluks neutron, secara
praktis dapat ditentukan dengan pengukuran di mana
salah satu .11
at ukumya adalah kalorimeter isotermal.
Apabila daTi keadaan setimbang awal kalorimeter
dimasukkan kedalam medan radiasi gamma yang
dapat memberi daya panas Pmsebesar PI maka suhu
grafit akan naik secara eksponensial mencapai
temperatur maksimum 81 sedemikian rupa sehingga
dalam keadaan tersebut persarnaan 1 menjadi :
PI = /(81-80)
(2)
Apabila keadaan setimbang ini kalorimeter di
pindahkan ke daerah radiasi yang memberikan daya
panas dP sehingga P2 ==PI + dP, maka dalam keadaan
tabunq
r
I
I
t8
setimbang persamaan 1 menjadi :
pelObunqkus
9'"
P2 = /(82
ioolaai
,kopel I
t
I
I
I
Ip
t
I
I
I
. J
"
t
,
un,or
J
qraHt
I
na.
- 80)
(3)
jika daTikeadaan tersebut secara mendadak kalorimeterdipindahkanke kondisi pertama (PI) maka suhu
grafit 8 akan turun mengikuti fungsi eksponensial
sebagai berikut :
(8 - Eh) = (82 - 81) exp -(t/T[82.8I]eo)
Gambar
(4)
1. BlIgillll Kalorillleter lWltemllll
Gambar I. menunjukkan bagan daTikalOlimeter isotem1al lengkap dengan bagian-bagiannya
yang terdiri ams: sensor grafit geometri silinder yang
didalanmya terpas:mg tem1okopel clan l)Cmanas [I,3J.
Grafit ditempatkan di tengah tabling aluminium yang
diisolasi dengan gas mulia (Argon, Helium, Kripton
clan lain-lain).
Prinsip keIja kalorimeter menggunakan hukum kekekalan energi di dalam sensor, dimana [I,3,4J;
dil11anaT[82,8d80 adalal1periode kalorimeter yang
besarnya dipengaruhi oleh 82,81 clan80.
Pactat=O(a\\'al pemindahan) bentuk diferensial persamaan 4 dapat ditulis sebagai berikut :
(d8 / dl) 82
= - [(82 -81) / T(82.QI)8oJ
(5)
,
subtitusi persamaan 5 ke persamaan 1 diperoleh
PI = - C(02) [(02-0.)([(02,0,)001
+ f(02-00)
(6)
daTi persamaan 2 clan persamaan 6 diperoleh
Energi yang diterima
== Kenaikan
energi dalam +
C (82)
= /(8z - 80) -/(81 - 80)
T(82, 81) 80
(82 - 81)
Energi yang bocor keluar.
(7)
Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut ;
Pm dt = e(8) d8 + f(8.
dimana;
Pm
==
- 80)
dt
(1)
daya panas teruh'Urpersatuan massa
Untuk dP yang kecil sehingga 82
persamaan 7 menjadi
= 81
e (82) - 'd(8 - e;02
T (8) 80
d8
==80 maka
(8)
sensor (wall/gram)
C(8)
8.
80
==
panas jenis sensor (Joule/gram °C)
==
suhu sensor maksimum (°C)
==
==
suhumediapendingin
~e)
t
f(8.-80)
==
fungsi energi yang bocor ke loaf
waktu(detik)
sistem
ISSN 0216-3128
clankarena P = f (8
dp
- 80)
e (8)
== T(8)
80
maka diperoleh
- d8
(9)
clan daya panas gamma P yang mengakibatkan kenaikan temperatur sensor daTi80 sampai 8.adalah
Syarip, dkk.
ProsuliJlg Pertenutan doli Preselltasi llmiah
PPNY-BATAN,
Yogyakarta, 25-27 April 1995
BI/klll
122
0.00
13,
p
= feo
C (6)
T (6) 00
-
dE>
(10)
Dari persamaan tersebut di alas terlihat bahwa
variabel yang perlu diamati untuk mengetahui daya
panas P, selain temperatur hanyalah periode
kalorimeter T (6).
_0.05
e
!!
~
~O.04
.§
TAT A KERJA
0
Alat yang digunakan untuk pengukuran panas
gamma ini adalah kalorimeter isotermal buatan
PPNY BATAN dengan spesifIkasi : bahan sensorterbuat dari grafit, kelongsong terbuat dari aluminium,
perbandingan diameter sensor clan diameter kelongsong adalah 1,25 Cm : 2,50 Cm, bahan gas isolasi
adalah gas Argon, clan faktor konversi keluarannya
atau sensitivitasnya adalah 0,0385 mVfC.
Pengukuran distribusi panas gamma ke arab
aksial hanya dilakukan pacta sumbu teras saja yaitu
pactaring A atau 'central thill/ble'. Langkah pertama
adalah menentukan perioda kalorimcter. Pengukuran
dimulai dan dasar teras kemudian naik tiap 10 Cm
sampaiujung alas teras. Sedangkan pengukuran pacta
arah radial dilakukan pada setiap ring ballaDbakar
pacta ketinggian tertentu sesuai dengan hasil
pengukuran arab aksial.
Dilakukan penguran panas gamma pacta
tingkat daya reaktor 25 kW, 50 kW, 75 kW clan 100
kW. Pcmindahan kalorimeteruntuk setiap kali peng~
ukuran pada arah aksial dilakukan pactawaktu reaktor
sedang opcrdsi. Sedangkan setiap kali perpindahan
kalorimeter dari suatu ring bahan bakar ke ring ballaD
bakar yang lainnya dilakukan pacta waktu reaktor
'shut-down '.
0
5
55 60
Pocis; .bi.1 sumbu PUS8t te<1l1(Cm)
Gambar 2. Klln'a distribllsi aksial pallas
gamllla tera~ reaJ."torsebagaifilllgsi
daya
0.06, -P=25tNV
+P-SOtNV*P--75KW-P=100K
E
0.03
E
:;
.... 0.02
"
~0.O1
0
A
C
B
D
E
F
Posi.i radial!er..
Gambar 3. Kl/rm diftribl/si radialpal/af gamma
temf reaktor sebagai fill/gsi daya
0.06
HASIL DAN PEMBAHASAN
Persamaan yang dipakai untlIk menghitm;1g
besamya panas gamma adalah persamaan 10, yhitu
berdasarkan data hasil pengukuran suhu 6 clan
pcriode kalorimeter T(6). Untuk menyelesaikan
persamaan tersebut digunakan metode 'integral
nlllllerik cara trapesiulI/'. Dilakukan perhitungan
panas gamma berdasarkan data-data pengukuranbaik
ke arab aksial maupun ke arab radial teras.
Hasil-hasil perhitungan kemudian disajikan dalam
bentuk grafik seperti yang disajikan pactagambar 2,
gambar 3 clan gambar 4, sedangkan kesebandingan
antara panas gamma dengan daya reaktor clanbasil
pengukuran distrubusi fluks neutron disajikan
masing-masing pactagambar 5 daTIgambar 6.
Syarip, dkk.
-Ring
Eco
A +Ring
B ... R~ng C
I
O.OSI-RingO *Ring.E +RingF t.............
'
~9.041"""""":':"""~"""""-'"
0
25
35
'45
55
65
75
85
95
Daya reaktor (KW)
Gambar
4. Grafik kesebamlillgall l/aya reaktor
(KW)
del/gall
pallas
gamma
(Wlgralll) pm/a arah radial
ISSN 0216-3128
-~--~
Prosuwlg Pertemllall dall Preselltasi Ilmiah
PPNY-BATAN.
Yogl'akarta. 25-27 Al'ri/1995
<>- Day..
i
~
.1.0
c;
Kw
c
.
...
.'-..
if 0.5
0.0
A
.
60
. *t>ey,,'00/(,
;i 2.
c
B
123
Bllklll
3.0
0
<>-~-
D
E
F
~
Berdasarkan basil pengukuran tersebut di alas
terJihat bahwa be saran panas gamma dapat dijadikan
sebagai bahan pembanding dalam pemonitoran clara
reaktor. Kalorimeter isotermal dapat diletakkan pacta
posisi tertentu di dalam teras, mengingat alat tersebut
cukup fieksibel clan relatif tidak banyak mengganggu
reaktivitas reaktoryaitu terlibatkurva distribusi panas
gamma yang cukup 'smooth '. Kemudian dari keluaran kalorimeter dapat langsung ditampilkan dalarn
besaran ctaya reaktor menggunakan konversi sesuai
dengan grafik kesebandingan seperti yang dilukiskan
pacta gambar 4.
Je,..k Radial (,i"9l
KESIMPULAN
Gambar 5. Distribttsi radial flttb
rea!.tor
lIetrOItteras
Berdasarkan hasil pengukuran clan basil
analisis, dapat disimpulkan bahwa.
- Kmva distribusi panas gamma rcaktor Kartini
mengikuti pola distribusi finks neutronnya.
- Harga panas ganmla tertinggi pacta clara reaktor
100kW adalah 0,055 W/gram terletak pactasumbu
pusat teras pacta posisi 25 Cm dari dasar teras,
dengan ralat hasil pcngukuran 2,4 %.
3.6
g
"..
--"
3
E
2.5
u
"i!
N 2
~
'------
- Untuk posisi pengukuran yang sama, besarnya
perubahan harga panas gamma sebanding dengan
besarnya perubahan daya reaktor.
---
(;
:; 1.5
e
~ 1
DAFTAR PUSTAKA
.:
if 0.5
/.:... D<>ye100KW
0
0
5
10
'5
20
Jar.k.
.k.$i.1 Cm
25
30
35
~
1.
2.
Gambar 6. Di5tribttsi flllks Itetrolt aksial
3.
Dari hasil pengukuran panas gamma sebagai
fungsi clara reaktor tersebut (gambar 5), dapat dilihat
bahwa perubahan besarnya panas gamma bersesuaian
Iberbanding lurus dengan perubahan clara reaktor,
demikian pula pola distribusi panas gamma
mengikutilbersesuaian dengan pola distribusi finks
neutronnya. Hal ini sesuai dengan fenomena bahwa
clara reaktor sebanding dengan jumlah reaksi
pembelahan, sedang jumlah radiasi gamma (panas
gamma) sebanding
dengan jumlah reaksi
pembelahan. Harga panas gamma maksimum
dicapai pacta clara reaktor 100 kW, terletak pacta
sumbu teraspactaposisi 25 Cm daribawah teras, yaitu
sebesar 0,055 W/gram dengan ralat 2,4 %.
ISSN 0216-3128
4.
5.
6.
SETIYANTO, "Disain daTI Pembikinan
Kalorimetcr Sensivitas Tinggi", makalah pacta
PPI PPNY BATAN 1992.
M. Salman S, "Kalorimeter Sinar Gamma",
Pro siding Kolokium Bahan Murni clan
Instrumentasi
Nukhr, PPBMI BAT AN
Yogyakaria, April 1985.
SETIYANTO, "Analisis Keselamatan Ternlik
Penggunaan Kalorimeter Gamma Tipe TG-20 di
RSG GAS", Prosiding PPI PPNY BATAN
Yogyakarta, April 1993.
SETIYANTO, "Kualifikasi Hasil Pengukuran
Bahang Gamma Dengan Kalorimeter
Isotermal", Prosiding PPI PPNY BATAN
Yogyakarta, April 1993.
TEGAS SUTONDO, "PenentuanDaya Per Zone
Reaktor Kartini Berdasar Pengukuran Distribusi
Fluks Neutron", Prosiding PPI PPNY BATAN
Yogyakarta, April 1993.
CLAIRBORN Et al1, "Radiation Induced Heat
Generation"
dalam
"Engineering
Compendiumon Radiation Shielding", Springer,
New York, 1968.
Syarip, dkk.
-.J
12.1
TANYAJAWAB
Suyamto
- Dalam pembuatan grafik kesebandingan daya
panas (gambar 4). Mengapa pengukuranhanya dilakukan 4 kali (pada 4 tingkat daya) mestinya diukur pactatingkat daya reaktoryang lain sehingga
pengambilan linearitas greEk lebih baik.
SyaIip
-
Hanya cocokjikajangkau dayanya besar (4 titik
secara matelllatikbisa dipertanggungjml'abkan).
Widarto
-
Apakah bentuk distribusi gamma sebanding
dengan distribusi finks neutron di teras reaktor.
Mengingat distribusi fluks neutron Reaktor
Kartini maksimum tidak berada pacta pusat
sumbunya tctapi agak ke bawah, karena pengaruh
posisi batang kendali.
- Adakah suam persamaan (koreksi) antara panas
gamma dengan daya reaktor, sedemikian
sehingga tidak hanya sekedar untllk memonitor
daya, tetapi jug<l untuk kalibrasi d<lyarcaktor,
mohon dijclaskan.
Syarip
- Sebanding don sesllai.
- Ada, bisa dilihot di "engineering Compendiumor
Shielding (pllstaka 5).
Syarip, dkk.
Prosiding Pertettlllan dolI Preselltasi [[JIlin"
PPNY-BATAN.
YoKI'okarta. 25-27 April 1995
Bllklll
Utojo
-
Mohon penjelasan mengapa dinamakan
isotermal.
- Sccara analisis, ada distribusi suhu dalam grafiL
Bagaimana penyaji menempatkan termokopel,
karena suhu akan berpengaruh pactahasil rumus?
Syarip
-
Isotermal maksudnya menggunakan
termokopel
(kalorimeter) dimana keluarannya diambi/
setelah di luar dan didalam kalorimeter, berada
pada kesetimbangan (mendekati soma).
- Ditengah-tengah sensor.
D.T Sony T.
- Discbutkan dengan metoda ini dapat digunakan
untuk memonitor daya. Bagaimana hasilnya bila
dibandingkan dengan metoda kalorimeter biasa
(dengan mengukur suhu inlet dan outlet
pendingin). Mana yang lcbih teliti.
Syal'ip
Secm'a teoritis pengukuran daya dengon kalorimeter sinal'gamma akan lebih teliti dibanding
dcngan metode ka/orimetri biasa karena porta
metoda ka/orimetri gamma panas bisa langsung
dad proses tidak me/allii perpinda/wn panas
J'ang berkali-kali. Yang paling teliti adalah
pengukuran daya dengonmetode nelltronik.
ISSN 0216-3128