reaktor pembiak cepat - ANSN

REAKTOR PEMBIAK CEPAT
RINGKASAN
Elemen bakar yang telah digunakan pada reaktor termal masih dapat digunakan lagi di reaktor pembiak cepat, dan
oleh karenanya reaktor ini dikembangkan untuk menaikkan rasio penggunaan uranium. Berbagai riset tentang
reaktor pembiak cepat telah dilakukan dengan menggunakan bahan bakar campuran uranium-plutonium oksida.
Sebagai pendingin digunakan natrium cair, tanpa menggunakan bahan moderator. Reaktor pembiak cepat
memanfaatkan sifat fisi plutonium yang berinteraksi (ditembak) dengan neutron cepat. Target riset ini adalah
aplikasi reaktor pembiak cepat untuk pembangit listrik komersial. Dengan menggunakan bahan pendingin natrium
cair, diperoleh keuntungan yakni sistem pendingin dapat dioperasikan pada temperatur tinggi dengan tekanan
rendah. Tetapi karena natrium secara kimiawi adalah bahan aktif yang mudah berinteraksi dengan udara, maka
perlu upaya penanganan yang cermat untuk mencegah kebocoran natrium.
Dalam proyek nasional Jepang, prototip reaktor pembiak cepat "Monju" dikembangkan dengan target rasio
pembiakannya sampai 1,2.
URAIAN
Proyek nasional Jepang telah melakukan penelitian dan pengembangan reaktor pembiak cepat "Monju". Daya
yang dihasilkan Monju mencapai 714.000 kW, sedangkan tenaga listrik yang dihasilkan 280.000 kW. Reaktor ini
merupakan prototip PLTN tipe reaktor pembiak cepat. Kekritisan pertama dicapai pada bulan April 1994. Sebagai
bahan bakar reaktor pembiak cepat digunakan campuran plutonium (Pu-239) dengan uranium alam (U-238),
dimana reaksi fisi terjadi antara plutonium dengan neutron cepat. Sedangkan pembiakan diperoleh dari reaksi
tangkapan neutron cepat oleh uranium-238 yang kemudian meluruh menjadi plutonium yang bersifat fisi. Target
rasio pembiakannya 1,2.
1. Prinsip pengendalian
Plutonium (Pu-239) yang menyerap neutron cepat akan meghasilkan reaksi fisi. Rasio terjadinya fisi oleh neutron
cepat hanya 1/100 kali fisi oleh neutron termal. Reaksi fisi berantai akan bergantung pada meningkatnya
konsentrasi Pu-239 yang berasal dari uranium (U-238). Dalam pengendalian semua jenis reaktor - tidak hanya
pada reaktor pembiak cepat- pada umumnya dilakukan dengan mengendalikan populasi neutron hasil reaksi fisi
berantai. Rasio timbulnya neutron lambat (β) untuk reaktor pembiak cepat yang menggunakan Pu-239,
dibandingkan dengan reaktor air ringan yang menggunakan U-235 adalah kurang lebih setengahnya. Umur
neutron lambat cukup panjang, yaitu sekitar 0,44 ~ 55 detik (rata-rata 10 detik), sedangkan umur rerata neutron
pada reaktor cepat hanya 0,003 ~ 0,04 detik, dan pada reaktor air ringan sekitar 0,05 ~ 0,07 detik, sehingga dalam
pengendaliannya tidak begitu berbeda.
Jika batang kendali ditarik, reaksi fisi berantai akan terjadi di teras reaktor, sehingga temperatur bahan bakar dan
bahan pendingin natrium akan naik. Apabila temperatur natrium mengalami kenaikan, maka kerapatannya akan
menurun, tetapi laju reaksi fisi akan meningkat karena neutron yang diperlambat menjadi berkurang. Sementara
itu, jika temperatur bahan bakar naik, penyerapan neutron oleh U-238 mengalami kenaikan (koefisien Doppler
negatif), akibatnya reaksi fisi mengalami penurunan karena penurunan kerapatan neutron. Tetapi jika reaksi fisi
berkurang, temperatur akan turun, mengakibatkan penyerapan neutron oleh U-238 berkurang, sehingga kerapatan
neutron naik lagi, begitu seterusnya akan terjadi proses berulang. Daya yang dihasilkan stabil pada angka tetap.
2. Struktur Reaktor Pembiak Cepat
Pada Gambar 1 diperlihatkan struktur reaktor pembiak cepat. Karena reaktor pembiak cepat tidak memerlukan
moderator, maka daya yang dihasilkan per satuan volume akan menjadi besar. Untuk menurunkan temperatur
bahan bakar, baik permukaan maupun bagian dalamnya, bentuk bahan bakar didisain menjadi lebih kurus dan
disebut "pin". Karena natrium cair adalah bahan pendingin yang dapat melakukan pemindahan panas pada
temperatur tinggi, maka perpindahan panas yang dihasilkan oleh bahan bakar dapat berjalan baik.
Ensiklopedi Teknologi Nuklir -BATAN - 1/7
Pada pengendalian reaktor, laju alir bahan pendingin selalu dibandingkan dengan besarnya daya reaktor yang
dihasilkan. Pada waktu pengisian bahan bakar (loading), mesin dan peralatan sistem pendingin utama tetap
melakukan pengendalian secara terus menerus guna mempertahankan keseimbangan panas pada tempat
tertentu. Daya reaktor dikedalikan sesuai dengan karakteristik pengisian bahan bakar, demikian juga dengan laju
alir sistem pendingin utama, temperatur natrium dan temperatur uap air dikendalikan agar selalu tetap. Struktur
sistem pendingin ini merupakan sistem yang dapat mencegah perubahan temperatur pendingin secara cepat. Jika
turbin berhenti mendadak, katup turbin by pass terbuka, uap air dikembalikan ke kondensor utama.
3. Struktur Bejana Reaktor
Pada Gambar 2 diperlihatkan struktur bejana reaktor. Unsur penting yang menyusun teras reaktor adalah bejana
reaktor, bundel bahan bakar, bundel batang pengendali, shelter neutron, bahan-bahan penyusun bagian dalam
reaktor, dan peralatan di bagian atas teras reaktor. Bejana reaktor adalah wadah berupa silinder tegak, pada
bagian bawah (yang disebut torso atau trunk) terdapat alat yang digunakan untuk memasang dan/atau mengambil
komponen yang ada di bagian dalam struktur reaktor. Pada bagian torso terdapat juga nozzle untuk keluar
masuknya pendingin, sedangkan pada bagian atasnya diletakkan shelter plug. Shelter plug terdiri dari plug yang
diletakkan pada tempat tertentu dan tidak dipindah-pindahkan lagi, rotary plug, peralatan rotary plug driving, dan
sistem cover gas seal. Shelter ini berfungsi sebagai penahan radiasi dan panas yang berasal dari teras reaktor.
Karena permukaan bahan pendingin natrium ditutup dengan gas argon, maka pertemuan antara natrium dan
udara dapat dihindari. Sistem bagian atas teras reaktor berfungsi untuk melakukan "pengarahan" dan
mempertahankan sistem control rod driving yang dipasang pada rotary plug.
Pada Gambar 3 diperlihatkan struktur bundel bahan bakar. Pada teras reaktor disusun bundel bahan bakar, bundel
batang kendali, berupa blanket fuel set dan shelter neutron, secara keseluruhan berbentuk irisan dengan enam
sudut. Adanya distribusi keluaran, dikarenakan 2 jenis fuel set bahan bakar dengan pengayaan plutonium yang
berbeda. Blanket fuel set mencegah keluarnya neutron ke bagian luar sehingga pembiakan mengalami kenaikan.
Shelter neutron digunakan untuk mengurangi dosis radiasi neutron ke peralatan pada struktur reaktor (terlihat
Gambar 2).
Pada Gambar 4 diperlihatkan struktur bundel batang kendali. Batang kendali adalah bahan berupa pelet yang
dibungkus dalam kelongsong menjadi bundel batang kendali. Pada bundel batang kendali ada 2 jenis
pengendalian yaitu batang pengatur fluks neutron dan batang untuk menghentikan operasi reaktor. Pengendalian
yang pertama menggunakan model akselerasi gas untuk pengaturan daya, dan yang kedua menggunakan model
akselerasi pegas untuk menghentikan daya. Jika terjadi kelainan pada reaktor, maka batang kendali akan turun
dan reaktor secara otomatis berhenti (scram).
4. Peralatan yang aman secara teknologi
Untuk mencegah kemungkinan terlepasnya bahan radioaktif pada saat terjadi kecelakaan, kerusakaan komponen
reaktor atau keretakan bahan bakar dipasang alat-alat pengaman. Alat pengaman itu antara lain peralatan
pendingin tambahan, bejana penahan, peralatan pengungkung reaktor, peralatan sirkulasi udara dan peralatan
sistem gas argon primer.
Setelah reaktor mengalami scram (mati), panas sisa akan dikeluarkan melalui peralatan pendingin tambahan.
Walaupun terjadi kebocoran natrium dari pipa sistem pendingin primer, jumlah natrium tersisa harus dipertahankan
di atas level aman agar pendinginan teras reaktor masih dapat dilakukan. Untuk itu perlu dipasang bejana
penahan pada pompa sirkulasi sistem pendingin primer dan sistem penukar panas intermediet (Gambar 1).
Untuk menghentikan pelepasan bahan radioaktif dari reaktor ketika terjadi kecelakaan, harus dibuat rumah bejana
reaktor dan gedung pelindung luar. Di antara rumah bejana reaktor dan gedung pelindung luar dibuat lubang
(annular), sehingga memiliki fungsi ganda.
Untuk mengendalikan jumlah bahan radioaktif dalam gas argon yang terlepas pada saat terjadi kecelakaan, maka
diletakkan peralatan penyerap sistem gas argon primer pada tangki penyerap karbon aktif.
Ensiklopedi Teknologi Nuklir -BATAN - 2/7
5. Penanganan bahan bakar dan peralatan penyimpanan
Penanganan bahan bakar dan peralatan penyimpanan diperlihatkan pada Gambar 5. Penggantian bahan bakar
dilakukan dengan menghentikan operasi reaktor selama beberapa waktu. Bahan bakar yang baru dimasukkan ke
dalam bejana reaktor (dari peralatan penukar bahan bakar) melalui peralatan penyimpanan bahan bakar di luar
reaktor. Bahan bakar bekas diambil dan dikeluarkan dari peralatan penukar bahan bakar, setelah natrium dicuci
dan dimasukkan ke dalam suatu tempat, kemudian diletakkan dan didinginkan pada penyimpanan bahan bakar di
dalam air.
GAMBAR:
Gambar 1. Plant reaktor pembiak cepat (FBR) "Monju"
Ensiklopedi Teknologi Nuklir -BATAN - 3/7
Gambar 2. Gambar struktur wadah reaktor FBR "Monju"
Ensiklopedi Teknologi Nuklir -BATAN - 4/7
Gambar 3. Gambar struktur fuel set reaktor FBR "Monju"
Ensiklopedi Teknologi Nuklir -BATAN - 5/7
Gambar 4. Gambar Fine Adjustment Rod Set dari reaktor FBR "Monju"
Ensiklopedi Teknologi Nuklir -BATAN - 6/7
Gambar 5. Penanganan bahan bakar dan peralatan penyimpanan dari reaktor FBR "Monju"
Ensiklopedi Teknologi Nuklir -BATAN - 7/7