reaktor nuklir - NANIKDN CHEMISTRY UNS
advertisement
REAKTOR NUKLIR nanikdn.staff.uns.ac.id [email protected] • Reaktor nuklir adalah tempat terjadinya reaksi inti berantai terkendali, baik pembelahan inti (fisi) atau penggabungan inti (fusi). • Jenis dan fungsi reaktor nuklir bergantung pada tujuan pemanfaatan hasil reaksi, seperti untuk PLTN, produksi radionuklida, radiografi neutron, analisis aktivasi neutron dan berbagai eksperimen dengan hamburan neutron. • Fungsi reaktor fisi dibedakan menjadi dua, yaitu reaktor penelitian dan reaktor daya. Reaktor PENELITIAN • Utamanya menggunakan pemanfaatan netron hasil pembelahan untuk berbagai penelitian dan iradiasi serta produksi radioisotop. • Panas yang ditimbulkan dirancang sekecil mungkin sehingga panas tersebut dapat dibuang ke lingkungan. • Pengambilan panas pada reaktor penelitian dilakukan dengan sistem pendingin,yang terdiri dari sistem pendingin primer dan sistem pendingin sekunder. • Panas yang berasal dari teras reaktor diangkut oleh air di sekitar teras reaktor (sistem pendingin primer) dan dipompa oleh pompa primer menuju alat penukar panas. • Selanjutnya panas dibuang ke lingkungan melalui menara pendingin (alat penukar panas pada sistem pendingin sekunder). • Perlu diketahui bahwa antara alat penukar panas, sistem pendingin primer atau sekunder tidak terjadi kontak langsung. Reaktor DAYA Panas yang timbul dari pembelahan dimanfaatkan untuk menghasilkan uap yang bersuhu dan bertekanan tinggi untuk memutar turbin. KOMPONEN Reaktor • Reaktor nuklir pertama kali dibangun oleh Enrico Fermi pada tahun 1942 di Universitas Chicago. • Hingga sat ini telah ada berbagai jenis dan ukuran reaktor nuklir, tetapi semua reaktor atom tersebut memiliki lima komponen dasar yang sama, yaitu: elemen bahan bakar, moderator netron, batang kendali, pendingin dan perisai beton Gambar Penampang Reaktor ELEMEN BAHAN BAKAR • Elemen bahan bakar ini berbentuk batang-batang tipis dengan diameter kira-kira 1 cm. • Dalam suatu reaktor daya besar, ada ribuan elemen bahan bakar yang diletakkan saling berdekatan. Seluruh elemen bahan bakar dan daerah sekitarnya dinamakan teras reaktor. • Umumnya, bahan bakar reaktor adalah uranium235. • Isotop ini hanya kira-kira 0,7% terdapat dalam uranium alam, maka diperlukan proses khusus untuk memperkaya (menaikkan prosentase) isotop ini. MODERATOR NETRON • Netron yang mudah membelah inti adalah netron lambat yang memiliki energi sekitar 0,04 eV (atau lebih kecil), sedangkan netron-netron yang dilepaskan selama proses pembelahan inti (fisi) memiliki energi sekitar 2 MeV. • Oleh karena itu , sebuah reaktor atom harus memiliki materaial yang dapat mengurangi kelajuan netron-netron yang energinya sangat besar sehingga netron-netron ini dapat dengan mudah membelah inti. • Material yang memperlambat kelajuan netron dinamakan moderator. • Moderator yang umum digunakan adalah air. Ketika netron berenergi tinggi keluar keluar dari sebuah elemen bahan bakar, netron tersebut memasuki air di sekitarnya dan bertumbukan dengan molekul-molekul air. • Netron cepat akan kehilangan sebagian energinya selama menumbuk molekul air (moderator) terutama dengan atom-atom hidrogen. Sebagai hasilnya netron tersebut diperlambat. BATANG KENDALI… • Jika keluaran daya dari sebuah reaktor dikehendaki konstan, maka jumlah netron yang dihasilkan harus dikendalikan. • Jika netron yang dihasilkan selalu konstan dari waktu ke waktu (faktor multiplikasinya bernilai 1), maka reaktor dikatakan berada pada kondisi kritis. Sebuah reaktor normal bekerja pada kondisi kritis. Pada kondisi ini reaktor menghasilkan keluaran energi yang stabil. • Jika netron yang dihasilkan semakin berkurang (multiplikasinya kurang dari 1), maka reaktor dikatakan berada pada kondisi subkritis dan daya yang dihasilkan semakin menurun. • Sebaliknya jika setiap saat netron yang dihasilkan meningkat (multiplikasinya lebih besar dari 1), reaktor dikatakan dalam keadaan superkritis. • Selama kondisi superkritis, energi yang dibebaskan oleh sebuah reaktor meningkat. • Jika kondisi ini tidak dikendalikan, meningkatnya energi dapat mengakibatkan mencairkan sebagain atau seluruh teras reaktor, dan pelepasan bahan radioaktif ke lingkungan sekitar. • Kendali ini dilakukan oleh sejumlah batang kendali yang dapat bergerak keluar-masuk teras reaktor. • Batang kendalli terbuat dari bahan-bahan penyerap netron, seperti boron dan kadmium. • Jika reaktor menjadi superkritis, batang kendali secara otomatis bergerak masuk lebih dalam ke dalam teras reaktor untuk menyerap kelebihan netron yang menyebabkan kondisi itu kembali ke kondisi kritis. • Sebaliknya, jika reaktor menjadi subkritis, batang kendali sebagian ditarik menjauhi teras reaktor sehingga lebih sedikit netron yang diserap. Dengan demikian, lebih banyak netron tersedia untuk reaksi fisi dan reaktor kembali ke kondisi kritis. • Untuk menghentikan operasi reaktor (misal untuk perawatan), batang kendali turun penuh sehingga seluruh netron diserap dan reaksi fisi berhenti. PENDINGIN… • Energi yang dihasilkan oleh reaksi fisi meningkatkan suhu reaktor. • Suhu ini dipindahkan dari reaktor dengan menggunakan bahan pendingin, misalnya air atau karbon dioksida. • Bahan pendingin (air) disirkulasikan melalui sistem pompa, sehingga air yang keluar dari bagian atas teras reaktor digantikan air dingin yang masuk melalui bagin bawah teras reaktor. PERISAI BETON… • Inti-inti atom hasil pembelahan dapat menghasilkan radiasi. • Untuk menahan radiasi ini (radiasi sinar gamma, netron dan yang lain), agar keamanan orang yang bekerja di sekitar reaktor terjamin, maka umumnya reaktor dikungkungi oleh perisai beton. • kalor yang dihasilkan dalam batang-batang bahan bakar diangkut keluar dari teras reaktor oleh air yang terdapat di sekitarnya (sistem pendingin primer). • Air ini secara terus-menerus dipompakan oleh pompa primer ke dalam reaktor melalui saluran pendingin reaktor (sistem pendingin primer). • Untuk mengangkut kalor sebesar mungkin, suhu air dikondisikan mencapai 3000C. • Untuk menjaga air tidak mendidih (yang dapat terjadi pada suhu 1000C pada tekanan 1 atm), air diberi tekanan 160 atm. • Air panas diangkut melalui suatu alat penukar panas (heat exchanger), dan kalor dari air panas dipindahkan ke air yang mengalir di sekitar alat penukar panas (sistem pendingin sekunder). • Kalor yang dipindahkan ke sistem pendingin sekunder memproduksi uap yang memutar turbin. • Turbin dikopel dengan suatu generator listrik, tempat daya keluaran listrik menuju konsumen melalui kawat transmisi tegangan tinggi. • Setelah keluar dari turbin, uap didinginkan kembali menjadi air oleh pengembun (condenser) dan kemudian dikembalikan lagi ke alat penukar panas oleh pompa sekuder. SiSTeM KeSeLaMaTaN… • Sistem keselamatan operasi reaktor terutama ditujukan untuk menghindari bocornya radiasi dari dalam teras reaktor. • Sistem keselamatan reaktor dirancang mampu menjamin agar unsur-unsur radioaktif di dalam teras reaktor tidak terlepas ke lingkungan, baik dalam operasi normal atau waktu ada kejadian yang tidak diinginkan. • Kecelakaan terparah yang diasumsikan dapat terjadi pada suatu reaktor nuklir adalah hilangnya sistem pendingin teras reaktor. • Peristiwa ini dapat mengakibatkan pelelehan bahan bakar sehingga unsur-unsur hasil fisi dapat terlepas dari kelongsong bahan bakar. • Hal ini dapat mengakibatkan unsur-unsur hasil fisi tersebar ke dalam ruangan penyungkup reaktor. • Agar unsur-unsur hasil fisi tetap dalam keadaan terkungkung, maka reaktor nuklir memiliki sistem keamanan yang ketat dan berlapis-lapis. • Karena digunakan sistem berlapis, maka sistem pengamanan ini dinamakan penghalang ganda. SiSTeM PeNGHaLaNG gAndA… • Penghalang pertama adalah matrik bahan bakar nuklir. Lebih dari 99 & unsur hasil fisi akan tetap terikat secara kuat dalam matriks bahan bakar ini. • Penghalang kedua adalah kelongsong bahan bakar. Apabila ada unsur hasil fisi yang terlepas dari matriks bahan bakar, maka unsur tersebut akan tetap terkungkung di dalam kelongsong yang dirancang tahan bocor. • Penghalang ketiga adalah sistem pendingin. Seandainya masih ada unsur hasil fisi yang terlepas dari kelongsong, maka unsur tersebut akan terlarut dalam air pendingin primer sehingga tetap terkungkung dalam tangki reaktor. • penghalang keempat adalah perisai beton. Tangki reaktor disangga oleh bangunan berbentuk kolam dari beton yang dapat berperan sebagai penampung air pendingin apabila terjadi kebocoran. • Penghalang kelima dan keenam adalah sistem pengungkung reaktor secara keseluruhan yang terbuat dari pelat baja dan beton setebal dua meter serta kedap udara. PLTN BWR … • Reaktor tipe ini menggunakan air (H2O) sebagai pendingin dan moderator. • Moderator adalah medium untuk memperlambat kecepatan partikel neutron cepat. • Air pendingin digunakan untuk mengambil panas yang dihasilkan dalam teras reaktor (reactor core) sehingga temperatur air akan naik. • Temperatur air dibiarkan meningkat hingga mencapai titik didih. • Uap yang dihasilkan pada proses pendidihan air kemudian disalurkan untuk memutar turbin yang terhubung dengan generator listrik. • Dalam reaktor tipe ini, uap yang terbentuk akan menyebabkan reaktivitas reaktor menjadi negatif. Reaktivitas negatif dapat menahan kenaikan daya reaktor, sehingga penambahan reaktivitas (penaikan daya reaktor) dapat dikendalikan secara stabil dengan batang kendali. • Reaktor nuklir tipe Reaktor Air Didih pertama kali dikembangkan oleh perusahaan General Electric, Amerika Serikat. PLTN Dresden 1 dengan daya 200 MWe (Mega Watt electric) merupakan PLTN dengan reaktor tipe air didih yang pertama kali dioperasikan secara komersial pada Juli 1960. Konstruksi DASAR … • Pada reaktor air didih, air pendingin dididihkan di dalam bejana reaktor sehingga menghasilkan uap. Uap ini kemudian secara langsung dialirkan ke turbin yang memutar generator listrik. • Setelah uap air menggerakkan turbin, uap disalurkan ke kondenser dan diubah menjadi air kembali. Dengan pompa utama, air kemudian dikembalikan ke bejana reaktor. • Sebagian air pendingin yang berada dalam bejana reaktor disirkulasi dengan pompa (disebut pompa resirkulasi). Air yang keluar dari pompa resirkulasi disalurkan ke bagian bawah teras reaktor melalui katup yang bekerja sebagai pompa jet. • Tekanan dari pompa resirkulasi ini akan menaikkan kecepatan aliran air pendingin dalam teras reaktor. Konstruksi BeJaNa TeKaN ReaKtoR … • Dalam bejana tekan ini terdapat sekumpulan bahan bakar, batang kendali dan konstruksi penyangga yang membentuk suatu konstruksi yang disebut teras reaktor. • Di atas teras reaktor terdapat konstruksi perangkat pemisah uap-air (steam separator) dan di atas perangkat pemisah terdapat perangkat pengering uap. • Pemasangan kedua perangkat ini ditujukan untuk menjamin agar uap yang akan dipakai untuk memutar turbin benar-benar berupa uap kering. • Bentuk susunan matriks batang bahan bakar dapat pula berupa matriks 6 x 6 atau 9 x 9. • Matriks kemudian dibungkus dengan lempeng logam Zirkalloy. Keseluruhan susunan matriks batang bahan bakar dan pembungkusnya serta spacer (penjaga jarak antar batang bahan bakar) ini disebut perangkat bahan bakar. • Pipa pembungkus pelet bahan bakar uranium oksida ini disebut kelongsong. Di kedua ujung kelongsong terdapat ruang yang disebut plenum. Dalam kelongsong juga terdapat pegas penekan pelet bahan bakar. • Di bagian bawah teras terdapat perangkat pengendali daya reaktor berupa pengarah batang kendali, penggerak batang kendali dan batang kendali. • Dengan perangkat ini batang kendali dapat bergerak dari bawah ke atas masuk ke teras reaktor melalui pengarahnya. Di sekitar teras terdapat konstruksi loronglorong saluran pendingin dan pompa jet. • Salah satu contoh perangkat bahan bakar terdiri atas 62 batang bahan bakar dan 2 batang yang berisi air membentuk matriks 8 x 8. • Dalam pelet bahan bakar terjadi reaksi fisi. Bahan hasil fisi ditampung dalam ruang plenum, karena itu tekanan dalam kelongsong tidak melonjak terlalu besar. • Batang kendali berfungsi sebagai penyerap partikel neutron. Batang kendali terbuat dari boron karbida dan atau hafnium. • Pada bagian bawah perangkat kendali terdapat konstruksi yang berbentuk payung yang dapat menghambat jatuhnya batang kendali ke bawah (keluar dari teras) agar sesuai dengan batas kecepatan yang diperbolehkan. • Pada bagian bawah batang kendali ini juga terdapat suatu soket mekanik untuk menghubungkan batang kendali dengan penggeraknya. • Terdapat dua macam penggerak batang kendali yaitu penggerak elektrik dan hidrolik. • Untuk mempercepat gerak perangkat batang kendali masuk ke teras terdapat perangkat akumulator yang menggerakkan perangkat batang kendali dengan tekanan gas. • Dalam kondisi kecelakaan atau kelainan operasi yang dianggap membahayakan, keseluruhan perangkat batang kendali yang ada harus segera dimasukkan ke dalam teras reaktor dengan kecepatan tinggi untuk menghentikan reaktor. • Penghentian reaktor secara mendadak oleh karena suatu sebab yang dianggap membahayakan seperti ini disebut sebagai pancung daya (scram). • Jika perangkat batang kendali oleh karena suatu hal tak dapat dimasukkan ke teras reaktor dan reaktor tidak dapat dihentikan pada temperatur rendah, maka dalam kondisi seperti ini ke dalam reaktor dimasukkan cairan asam borat yang mampu menyerap partikel neutron sehingga operasi reaktor dapat berhenti. PenGenDalian Daya Reaktor… • Reaktor air didih beroperasi pada tekanan 70 kg/cm2. Air pendingin mendidih dan menghasilkan uap di dalam bejana reaktor. • Air dalam kondisi uap dan cair disirkulasikan kembali ke teras reaktor dengan menggunakan pompa sirkulasi. • Dengan mengatur aliran resirkulasi, reaktivitas reaktor, yang berarti juga daya reaktor, dapat dinaik-turunkan atau dikendalikan. Ini adalah salah satu cara pengendalian reaktor air didih yang disebut metode pengendalian resirkulasi. • Cara lain untuk menaikkan reaktivitas (daya reaktor) adalah dengan menarik batang kendali dari teras reaktor. Jika batang kendali ditarik keluar dari teras, reaktivitas atau reaksi fisi bertambah dan menghasilkan energi panas lebih banyak lagi (daya reaktor naik). • Energi panas ini akan mendidihkan air lebih banyak, dan dengan demikian uap yang dihasilkan juga bertambah. Meningkatnya kandungan uap dalam air akan menurunkan kemampuan air dalam memoderasi partikel neutron. • Jumlah neutron kecepatan rendah (neutron termal) yang akan menimbulkan reaksi fisi menjadi berkurang, sehingga akibatnya reaksi fisi (reaktivitas) juga berkurang. • Jadi menaikkan daya reaktor dengan cara menarik batang kendali akan selalu dikompensasi oleh produksi uap yang menekan daya. Proses kompensasi ini akan berakhir pada suatu kondisi stabil pada daya setimbang tertentu. • Sebaliknya jika batang kendali disisipkan masuk ke dalam teras, reaksi fisi berkurang dengan hadirnya penyerap neutron (batang kendali) dalam teras • Akibatnya kemampuan air dalam memoderasi neutron bertambah, dan reaksi fisi akan mulai meningkat. Proses penurunan daya oleh batang kendali yang kemudian dikompensasi oleh penurunan daya karena membaiknya kemampuan moderasi akan terus berlangsung hingga tercapai kondisi stabil pada suatu daya setimbang tertentu. • Fenomena kompensasi oleh uap-air menjadi salah satu sarana penting dalam pengendalian-diri (self control) reaktor dan merupakan salah satu keunikan reaktor air didih. SiSTeM KeSeLaMaTaN Rekayasa… • Sistem keselamatan yang dapat menjamin reaktor akan berhenti jika terjadi kondisi anomali / kecelakaan. • Bila suatu ketika terjadi kecelakaan yang menyebabkan pipa saluran air pendingin terputus atau bocor sehingga pendinginan reaktor tidak cukup, maka fasilitas sistem pendinginan teras darurat (Emergency Core Cooling System, ECCS) bekerja. • Pada saat terjadi kerusakan batang bahan bakar, air pendingin dari teras yang bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi akan mengandung bahan radioaktif yang berasal dari batang bahan bakar. Air pendingin yang mengandung bahan radioaktif tidak boleh keluar dari reaktor karena berbahaya. • Untuk menghindari lepasnya bahan radioaktif dalam reaktor terdapat bejana reaktor yang berfungsi sebagai pengungkung (containment) material berbahaya jika terjadi kecelakaan, dan terdapat juga katup isolasi yang mengisolasi bejana reaktor dan sistem di luarnya. • Apabila kecelakaan berlangsung dalam waktu yang lama, teras reaktor dapat meleleh. Kondisi ini akan menyebabkan terjadinya kenaikan tekanan yang diikuti dengan kenaikan temperatur dalam bejana reaktor. • Apabila bejana reaktor tidak didinginkan, struktur bejana kemungkinan akan rusak. • Untuk mengatasi hal ini, disediakan sistem penyemprot untuk melakukan tugas-tugas pendinginan dan penurunan tekanan. • Dalam hal terjadi kebocoran bejana reaktor, disediakan pula sistem pengelolaan bocoran gas agar tetap tidak menyebarluas ke lingkungan. Gambar PLTN BWR… LimBaH RadiOAktif… • Limbah radioaktif merupakan hasil samping dari kegiatan pemanfaatan teknologi nuklir. • Dalam limbah radioaktif ini terdapat unsur-unsur radioaktif yang masih memancarkan radiasi. Limbah radioaktif tidak boleh dibuang ke lingkungan karena radiasi yang dipancarkan berpotensi memberikan efek merugikan terhadap kesehatan manusia. • Program pengelolaan limbah radioaktif ditujukan untuk menjamin agar tidak seorang pun akan menerima paparan radiasi melebihi nilai batas yang dizinkan. Terdapat hal-hal unik yang menguntungkan dalam rangka pengelolaan limbah radioaktif: 1. Sifat fisika dari zat radioaktif yang selalu meluruh menjadi zat stabil (tidak radioaktif lagi). Karena terjadi peluruhan, maka jumlah zat radioaktif akan selalu berkurang oleh waktu. Sifat ini sangat menguntungkan karena cukup hanya dengan meyimpan secara aman, zat radioaktif sudah berkurang dengan sendirinya. 2. Sebagian besar zat radioaktif yang terbentuk dalam teras reaktor nuklir umumnya memiliki waktu paro yang sangat pendek, mulai orde beberapa detik hingga beberapa hari. Hal ini menyebabkan peluruhan zat radioaktif yang sangat cepat yang berarti terjadi pengurangan volume limbah yang sangat besar dalam waktu relatif singkat. PenGoLahan LimBaH RadiOAktif… Secara keseluruhan, pengelolaan limbah radioaktif yang lazim dilakukan meliputi tiga pendekatan pokok bergantung besar kecilnya volume limbah, tinggi rendahnya aktivitas zat radioaktif serta sifat-sifat fisika dan kimia limbah tersebut. Tiga pendekatan pokok itu meliputi : 1. Limbah radioaktif dipekatkan dan dipadatkan yang pelaksanaannya dilakukan di dalam wadah khusus untuk selanjutnya disimpan dalam waktu yang cukup lama. Cara ini efektif untuk pengelolaan limbah radioaktif cair yang mengandung zat radioaktif beraktivitas sedang dan atau tinggi. 2. Limbah radioaktif disimpan dan dibiarkan meluruh dalam tempat penyimpanan khusus sampai aktivitasnya sama dengan aktivitas zat ardioaktif lingkungan. Cara ini efektif jika dipakai untuk pengelolan limbah radioaktif cair atau padat yang beraktivitas rendah dan berwaktu paroh pendek. 3. Limbah radioaktif diencerkan dan didispersikan ke lingkungan. Cara ini efektif untuk pengelolaan limbah radioaktif cair atau gas beraktivitas rendah.
