prakiraan radioaktivitas limbah control rod column reaktor triga 2 mw

SEMINAR NASIONAL KIMIA DAN PENDIDIKAN KIMIA V
“Kontribusi Kimia dan Pendidikan Kimia dalam
Pembangunan Bangsa yang Berkarakter”
Program Studi Pendidikan Kimia Jurusan PMIPA FKIP UNS
Surakarta, 6 April 2013
MAKALAH
PENDAMPING
PENDIDIKAN KIMIA
(Kode : E-08)
ISBN : 979363167-8
PRAKIRAAN RADIOAKTIVITAS LIMBAH CONTROL ROD
COLUMN REAKTOR TRIGA 2 MW BANDUNG
Sutoto1,*
1
Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN
*Keperluan korespondensi, email : [email protected]
ABSTRAK
Pergerakan naik turun batang kendali (control rod) di teras raktor diarahkan presisi oleh
controll rod column yang terbuat dari logam aluminium. Selama reaktor beroperasi, kolom
tersebut mengalami iradiasi sehingga bersifat radioaktif. Untuk mendukung program
keselamatan dekomisioning yang akan dilakukan mendatang, maka perlu dilakukan
karakterisasi kandungan radioaktivitasnya. Pada penelitian ini telah dilakukan karakterisasi
kandungan dan aktivitas radionuklida limbah kolom batang kendali menggunakan software
program ORIGEN 2. Sebagai parameter input adalah berat dan hasil analisis kandungan logam
penyusun aluminium jenis A6061, besarnya fluks neutron dan lama waktu operasi EFPY
(effective full power years). Besarnya nilai EFPY ditentukan 0,68 tahun, yaitu waktu efektif
operasi reaktor Bandung dengan daya 2 MW. Hasil yang didapatkan setelah 5 tahun
penghentian operasi reaktor adalah kandungan radionuklida limbah control rod column kolom
yang menonjol, diantaranya adalah Fe-55 , Co-60 , Ni-63 dan masing-masing aktivitas jenisnya
-1
-5
-7
adalah 6,44 X 10 Ci/g; 9,15 X10 Ci/g dan 4,74 X10 Ci/g. Limbah tersebut digolongkan
sebagai limbah padat beraktivitas rendah dan dapat diolah secara sementasi dengan perlakuan
awal reduksi volume secara kompaksi.
Kata kunci : Dekomisioning reaktor, karakterisasi radionuklida, limbah kolom batang kendali
comissioning)
PENDAHULUAN
Reaktor TRIGA (Training Research
Isotop Production by General
Atomic)
reaktor
hasil
upgrading
dilakukan pada tahun 2001 dan memperoleh
sertifikat ijin operasi sampai tahun 2016 dari
dan
BAPETEN (Badan Pengawas Tenaga Nuklir).
beroperasi pada tahun 1965 dengan daya
Untuk perpanjangan ijin operasinya,
Bandung
dikonstruksi
250 kW.
tahun
1961
Jenis reaktornya tipe kolam
dipersyarakat
kelengkapan
beberapa
berbentuk silinder dengan bahan bakar UZrH
dokumen pendukung, diantaranya adalah
(uranium zirkonium hidrida) dan memakai
dokumen safety analysis report (laporan
bahan moderator air. Oleh karena intensitas
analisis
pemanfaatannya
keselamatan)
dan
program
besar
untuk
dekomisioning
penelitian dan produksi radioisotop,
maka
adalah mengoptimalkan sistem keselamatan
dayanya
operasional dan lingkungan. Didalam kedua
pada
tahun
bertambah
1974
ditingkatkan
menjadi 1 MW. Kemudian ditingkatkan lagi
jenis
(upgrade) menjadi 2 MW pada tahun 2000.
spesifikasi dan karakterisasi peralatan/sistem
Pengujian
secara terperinci dan merupakan status
sistem
operasi
(testing
and
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
dokumen
kedepannya.Tujuannya
tersebut
terkandung
443
ISBN = 979363167-8
keadaan
terkini.
Hasil
pemeriksaan
mekanisme penyerapan. Bahan penyerap
radioaktivitas dan tingkat kontaminasi sistem
yang dipakai adalah boron karbida (B4C)
dapat terlihat
apabila dibandingkan
yang dikemas dalam tabung aluminium,
dengan hasill terdahulu maka dapat diketahui
seperti pada Gambar 2. Adapun mekanisme
laju peningkatannya. Hasil safety analysis
pengendaliannya berproses sebagai berikut :
tersebut akan menjadi dasar keluarnya ijin
jika jumlah neutron di teras reaktor lebih
operasi
periodik
besar dari yang ditentukan (diatur), maka
analisis dan karakterisasi sistem/peralatan
harus diturunkan produksinya dengan cara
harus dilakukan untuk meningkatkan sistem
menurunkan/memasukkan
keselamatannya.
kendali ke fasilitas yang tersedia. Proses
dan
suatu
instalasi.
Secara
Sistem keselamatan utama reaktor
TRIGA
berada
di
unit
batang
penyerapan neutron oleh batang kendali
tempat
berlangsung mengakibatkan berkurangnya
berlangsungnya reaksi pembelahan bakar U-
jumlah neutronnya. Pada keadaan reaktor
235. Sistem tersebut berada di dalam kolam
tidak
dan
sistem
masuk/turun berada sejajar dengan tabung
keselamatan pengelolaan neutron dan panas
bahan bakar(fuel element). Oleh karena
yang dihasilkan. Safety analysis di sektor
berperan
tersebut
dan
keselamatan operasi reaktor, maka akurasi
menyeluruh dengan periode waktu yang
pergerakannya naik-turun batang kendalinya
pendek,
keselamatan
dilakukan di dalam kolom/tabung berbahan
operasi terjamin. Bagian terintegrasi masif
aluminium. Dengan difasilitasi batang kendali
yang ada di tangki reaktor adalah ; teras
berada di dalam kolom, maka interaksi
reaktor (core), thermal column, thermalizing
gangguan fluida pendingin dan panas tidak
terintergrasi
masif
dilakukan
struktur
unit
dengan
secara
sehingga
column,
core
sistem
bawah
teliti
teras,
rotary
beroperasi,
sangat
semua batang
penting
kendali
dalam
mempengaruhi akurasi dan
sistem
presisi batang
specimen rack, chimny, kaki reaktor, diffuser
kendali berfungsi. Oleh karena fasilitas kolom
dan sambungan-sambungan pipa batang
batang kendali terpasang di dalam teras
kendali dan berbagai peralatan eksperimen
reaktor,
reaktor [1] ditunjukkan pada Gambar 1.
mengalami aktivasi neutron sehingga perlu
Karakterisasi radioaktivitas di bagian tersebut
dikarakterisasi radioaktivitasnya.
maka
bahan
kolomnya
akan
sangat penting ditentukan untuk mendukung
kegiatan operasi dan memprakirakan jenis
dan
jumlah
limbah
yang
akan
timbul
DASAR TEORI
Interaksi
kedepannya.
Salah satu sistem keselamatan yang
neutron
pada
nuklida
Reaktor nuklir adalah sistem tempat
sangat terkait dengan jalannya proses reaksi
melakukan reaksi pembelahan inti
pembelahan
terkendali. Untuk reaktor TRIGA berbahan
U-235
dan
pembangkitan
secara
neutron adalah batang kendali (control rod).
bakar
Fungsinya
jumlah
pembelahannya dilakukan di fasilitas inti
neutron yang ada di teras reaktor dengan
reaktor (core reactor) yang berada didalam
adalah
mengurangi
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
U-235
(fuel
element),
reaksi
444
ISBN = 979363167-8
tanki berisi air murni (demineralized water).
Air
berfungsi
neutron
sebagai
menjadi
sekaligus
bahan
neutron
sebagai
dimana :
moderator
thermal
fluida
dan
= Kerapatan atom nuklida i
pendingin.
N = Jumlah nuklida
Mekanisme reaksi pembelahannya terjadi
karena
U-235
dapat
menangkap
lij = Fraksi
energi
radioaktif,pembentukan
neutron thermal (E kinetik sekitar 0,025 eV)
yang berakibat
disintegrasi
nuklida
j
menjadi nuklida i
terjadinya ketidakstabilan
= Konstante
peluruhan
radioaktif
energi inti atomnya. Proses pembelahannya
nuklida i
menghasilkan dua inti atom (hasil belah)
= Fluks netron rata-rata
yang hampir sama massanya dan bersifat
radioaktif
disertai
dengan
fik = Fraksi serapan netron nuklida k
pemancaran
menjadi nuklida i
dan energi panas.
neutron cepat, sinar
= Tampang lintang serapan netron rata-
Neutron hasil reaksi pembelahannya dikelola
ruang pergeraknya dengan reflektor grafit
rata nuklida k
dan pertumbuhannya diatur dengan batang
ri
= Laju removal nuklida i dari sistem
kendali (control rod), sehingga jumlah fluks
Fi
= Laju umpan nuklida i
neutronnya
2
(n/cm .dt)
dapat
ditentukan.
Dalam sistem homogen berlaku :
Neutron merupakan partikel tak bermuatan
berjangkauan
panjang
sehingga
A
mudah
dimana :
berinteraksi dengan bahan/senyawa yang
berada disekitarnya. Akibatnya, nuklida dari
bahan/senyawa
radionuklida
dengan
= Derivasi terhadap waktu konsentrasi
dapat berubah menjadi
tidak
stabil
memancarkan
nuklida ( vektor kolom)
yang
meluruh
A
= Matrik transisi nuklida
radiasi.
Selama
X
= Konsentrasi nuklida (vektor kolom)
berada di teras reaktor yang beroperasi,
Persamaan ini mempunya solusi :
suatu radionuklida selalu berubah jumlahnya
sebagai
karena
akibat
dari
pembelahan
Perubahannya
proses
penyusutan
maupun
peluruhan.
mengikuti
.................................................. ( 3 )
fungsi
(t) eAt (0).................................... ( 4 )
dengan :
X(t) =Konsentrasi nuklida pada saat t
waktu
X(0) = Vektor konsentrasi nuklida mula-mula
(dX/dT) dan secara matematis dinyatakan
t
dalam suatu bentuk persamaan diffrensial
= Waktu
pada
akhir
step/langkah
perhitungan
non homogen orde satu [1,2,3], yaitu :
dengan cara ini maka konsentrasi semua
nuklida pada akhir step perhitungan dapat
dX i
N
N
f ik k k
l ij l j
i
i ri i
k 1
j 1
dt
, i = 1…,N ........................................................ ( 1 )
Fi
dihitung dan disimpan, hasilnya dapat
ditampilkan sebagai output atau digunakan
sebagai kondisi konsentrasi awal pada step
=[
].
............................. ( 2 )
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
berikutnya.
445
ISBN = 979363167-8
Struktur dan fungsi control rod column
seperti Gambar 2. Oleh karena peran dan
Control rod berfungsi sebagai pengendali
reaksi pembelahan yang terjadi di core
Sistematika
reactor.
dilakukan
dengan
pengendaliannya
cara
penyerapan
fungsi
keselamatannya
dipasang
5
buah
batang
besar,
maka
kendali
terdistribusi
sama
jangkauan
Selanjutnya
untuk
menghindari
yang
lokasinya.
kendala
menggunakan nuklida berspesikasi neutron
pergerakan vertikal yang dapat disebabkan
cross section besar, sehingga neutron hasil
oleh aliran fluida pendingin dan panas yang
pembelahannya terserap mengakibatkan laju
timbul, maka control rod ditempatkan di
reaksi pembelahannya menurun. Senyawa
dalam kolom yang terbuat dari aluminium.
yang dipakai sebagai batang kendali reaktor
Tingkat presisi dan akurasi arah pergerakan
TRIGA Bandung adalah B4C (boron carbide)
dipandu
yang dikemas dalam tabung aluminium,
meningkatkan jaminan keselamatannya.
Gambar 1. Sistematika Reaktor TRIGA
oleh
kolom
Gambar 2. Skema unit control rod
tersebut,
sehingga
Gambar 3. Geometrik control rod
proporsional. Waktu peluruhannya ditentukan
METODE
Prakiraan
jenis
dan
aktivitas
setelah berhenti operasi sampai 100 tahun.
column
Data hasil eksplorasi diantaranya adalah [4,5] :
dilakukan dengan cara analitis komputasi
a. Tahapan operasi reaktor Triga Mark II,
radionuklida
limbah
menggunakan
control
computer
rod
code
origen
2.
Besaran-besaran dari parameter yang terkait
ditentukan terlebih dahulu melalui penelusuran
dokumen
dan
spesifikasi
dan
informasi
struktur
ilmiah.
bahan
Data
peralatan
Bandung, yaitu
1. Tahun 1965 - 1971 dengan daya 250
kW, EFPY = 2 tahun
2. Tahun 1971 - 1996 dengan daya 1 MW,
EFPY = 6,68 tahun
dieksplore dari sumber primer yang tersedia di
3. Tahun 2001 - sekarang dengan daya 2
perpustakaan. Sedangkan data yang berkaitan
MW, EFPY = 0,68 tahun (setelah
dengan operasi reaktor : daya, fluks dan
diupgrading)
effective full power years (EFPY) didapatkan
dari
operator
dan
secara
estimasi
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
b. Besarnya fluks neutron reaktor TRIGA 2
MW Bandung, ditentukan dengan cara
446
ISBN = 979363167-8
membandingkan
Kartini.
dengan
daya
reaktor
Adanya hubungan berbanding
lurus antara daya dan fluks neutron yang
dihasilkan, maka besarnya fluks neutron
yang dipakai adalah 17.432x10
11
2
n/cm .dt.
Berdasarkan dari daya Reaktor Kartini 100
kW dapat menghasilkan
neutron cepat di rotary specimen rack
8,80x10
11
2
n/cm [6].
c. Spesifikasi bahan kolom control rod
Bahan kolom control rod terbuat dari
aluminium
A
6061
dengan
komposisi
seperti Tabel. 1
rerata fluks
Tabel.1 Komposisi bahan control rod column aluminium A 6061
Unsur
Aluminium
Cr
Cu
Fe
Mg
Mn
Si
Ti
Zn
Unsur lain
Berat (%)
95,8-98,6
0,04-0,35
0,15-0,4
≤ 0,7
0,8-1,2
≤ 0,15
0,4-0,8
≤ 0,15
≤ 0,25
≤ 0,05
rod column Reaktor TRIGA 2 MW Bandung
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil inventarisasi peluruhan radionuklida
dengan computer code origen 2 untuk control
berbahan aluminium A 6061, terlihat pada
Tabel 2 dan Gambar. 4
Tabel 2. Hasil inventarisasi control rod column aluminium A6061 untuk operasi Reaktor 2 MW
No
1
2
3
Radionuklida
Fe-55
Co-60
Ni-63
Aktivitas
Total
Umur
paro(th)
2,73
5,26
92,00
Aktivitas (Ci) pada tahun ke
5
6,44E-01
9,15E-05
4,74E-07
6,44E-01
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
10
1,70E-01
4,74E-05
4,57E-07
1,70E-01
20
1,18E-02
1,27E-05
4,24E-07
1,18E-02
50
3,97E-06
2,46E-07
3,38E-07
3,97E-06
100
6,45E-12
3,42E-10
2,32E-07
6,45E-12
447
ISBN = 979363167-8
Gambar.4 Kurva peluruhan spesifik radionuklida limbah control rod column
Dari Tabel. 2 dan Gambar 4 dapat
meningkatkan kualitas atau memenuhi kriteria
diketahui terjadinya proses aktivasi neutron
tertentu, seperti meningkatkan kekerasan dan
terhadap bahan kolom control rod. Prosesnya
ketahanan korosi.
terindikasi
dengan
adanya
radionuklida Fe-55 , Co-60
peluruhan
dan Ni-63 hasil
Untuk melakukan klasifikasi sebagai
limbah
kedepan,
maka
perlu
dilakukan
aktivasi dari Fe-54, Co-59 dan Ni-62 yang
pengamatan
terkandung dalam control rod column. Masing-
aktivitasnya. Diketahui dari data peluruhan
masing
berbagai radionuklida, didapatkan bahwa Fe-
radionuklida
aktivasi Fe-54(n,
tersebut
dari
)Fe-55 ; Co-59(n,
reaksi
)Co-60
55
jenis
radiasi
peluruhan
dan
dengan t1/2=2,7 tahun meluruh dengan
dan Ni-62(n, )Ni-63. Unsur Co-59 dan Ni-62
memancarkan elektron (electron capture), Co-
dalam control rod column sebagai unsur
60 dengan t1/2 =5,28 tahun meluruh dengan
pengotor. Ketiga radionuklida tersebut tampak
memancarkan sinar
dominan setelah teraktivasi di teras reaktor
92 tahun meluruh memancarkan sinar
TRIGA 2 MW
Bandung dengan EFPY
[7]. Radioaktivitas total control rod column
(efective full power year) = 0,68 tahun.
setelah 5 tahun berhenti, aktivitas jenisnya
Keberadaan dari ketiga radionuklida tersebut
sekitar 7.0 x 10 Bg/g , seperti pada telihat
sangat dimungkinkan berasal dari penyusun
pada
composite aluminium jenis A6061. Sebagai
mengasumsi bahwa tidak terjadi pengurangan
argumentasi analisisnya adalah spesifikasi
berat bahan kolom karena proses korosi,
nilai tampang lintang neutron (neutron cross
maka berat bahan kolomnya tetap, yaitu
section) nuklida Al-27 relatif sangat kecil, yaitu
beratnya 2,6 kg [4]. Aktivitas total setelah 5
berkisar
tahun berhenti dapat ditentukan besarnya,
0,230
barn,
sehingga
potensi
dan Ni-63 dengan t1/2 =
3
Gambar.
4.
6
Kemudian
dengan
penyerapan energi neutronnya kecil sehingga
yaitu 1,82 x 10
inti aluminium tidak teraktivasi. Penambahan
radioaktivitas dan jenis radiasi peluruhannya
unsur tertentu dalam pembentukan metal
serta umur paronya maka limbah kolom yang
composite
merupakan
kesengajaan
untuk
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
Bq. Dengan karakteritik
akan timbul dapat digolongkan sebagai limbah
448
ISBN = 979363167-8
beraktivitas rendah dan dapat diolah secara
Bakar
Nuklir
sementasi. Hasil aktivasi dari unsur-unsur
Seminar
utama dalam control rod column, seperti Al,
Agustus 2006.
di
Proseding
PTNBR,
Keselamatan
Nuklir
2-3
Cr, Mg, Mn, Si, Ti dan Zn tidak muncul karena
[5] Daryoko M, Gunandjar,2003, Inventarisasi
tampang lintang serapan netronnya sangat
Radionuklida dalam Komponen Nuklir”,
rendah dan umur paronya relatif pendek.
Jurnal Teknologi Pengolahan Limbah,
ISSN 1410-9565, Volume 6 Nomor 1,
2003.
KESIMPULAN
Radionuklida
limbah
yang
terkandung
dalam control rod column reaktor
TRIGA 2
MW Bandung setelah beroperasi dengan
[6]
PTAPB-BATAN,
2007,
Program
Dekomisioning Reaktor Kartini, REV.0
2007
EFPY= 0,68 tahun dan setelah 5 tahun
[7] Benedict. T,1981, Nuclear Chemical
peluruhannya adalah : Fe-55 dengan aktivitas
Engineering, McGraw Hill, Toronto, 1981
-1
jenis 6,44 x 10 Bq/g, Co-60 dengan aktivitas
jenis 9,15 x 10
-5
Bq/g dan Ni-63 dengan
-7
aktivitas jenisnya 4,74 x 10 Bq/g. Limbah
tersebut
digolongkan
beraktivitas
sebagai
rendah
dan
limbah
orientasi
pengolahannya dengan metode sementasi.
TANYA JAWAB
PARALEL
:E
NAMA PEMAKALAH
: Sutoto
NAMA PENANYA
: M. Masykuri
PERTANYAAN
:
Bagaimana criteria dalam menangani limbah
DAFTAR RUJUKAN
controlrod co saat dan setelah perlakuan
[1] Umar
segmentasi?
E , Tandian NP, Hardianto T,
Suwono A dan Pasek AD, 2006, Studi
Teoritik Karakteristik Aliran Pendingin Di
JAWABAN
Sekitar
2000
Limbah yang didapatkan dari oprasi dengan
Menggunakan CFD, Proseding Seminar
EFPY tsb masih termasuk golongan rendah,
Keselamatan
sehingga
Teras
Reaktor
Nuklir
TRIGA
Bandung,
2-3
Agustus 2006, ISSN 1412-3258
[2]
paparan
dikendalikan
radiasinya
dengan
dapat
ketebalan
hasil
Kadarusmanto, Hastowo H, Dhandhang
segmentasinya. Hasil pengolahan dg cara
P,1990, Pemanfaatan Paket Program
segmentasi
Origen
2,
Proseding
Seminar
akan
ditumpah
di
PARALEL
:E
Keselamatan
NAMA PEMAKALAH
: Sutoto
NAMA PENANYA
: Daya Agung
Masyarakat,
PPTN-
Wiryosimin S, 1995, Mengenal Asas
Proteksi Radiasi, Penerbit ITB, ISBN
fasilitas
penumpahan sementara.
Pendayagunaan Reaktor Nuklir Untuk
Bandung 26-27 September 1990.
[3]
:
Sarwono
PERTANYAAN
:
979-8591-46-1, 1995.
[4]
Oetami R. H,2006, Pengelolaan Limbah
Radioaktif Tingkat Tinggi dan Bahan
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
449
ISBN = 979363167-8
Apakah distribusi hasil Radio kontaminan akan
berubah bahan kolom diganti dg bahan yg lain
?
JAWABAN
:
Akan berubah seiring dengan penggantian
bahan.
Sangat
ideal
dipakai
dengan
Aluminium kemurnian tinggin sehingga Radio
Nuklida limbahnya tidak banyak. Sifat fisik Al
kemurnian tinggi yang mudah patah diatasi
dengan membentuk composite tertentu.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
450