Analisis dan Penentuan Distribusi Fluks Neutron - E

Jurnal Sains & Matematika (JSM)
Volume14, Nomor 4, Oktober 2006
ISSN 0854-0675
Artikel Penelitian: 155-159
Analisis dan Penentuan Distribusi Fluks Neutron Thermal Arah Aksial
dan Radial Teras Reaktor Kartini dengan Detektor Swadaya
Sofia Mubarika1, M. Munir1, K. Sofjan Firdausi1, Widarto2
1
2
Jurusan Fisika FMIPA UNDIP
P3TM BATAN
ABSTRACT---In this paper, we analyze and compute distribution of thermal neutron flux in core of
Kartini’s Reactor using “Swadaya” detector, both for axial (function of z) and radial (function r) direction. First,
“Swadaya” detector is calibrated by activation plate method, which the output from detector is current. The
result of calibration is thermal neutron flux () dependent on current (I) that can be written as  = 4,57x1020I 2,74x1011. Distribution for neutron thermal flux for axial direction and radial direction respectively
2
  5,10  1012  5,99  1013 e 1, 47Z and   1,08  1012  1,00 x1013 e 1, 41R
2
which in reactor core  has largest value in center position for radial direction.
Keywords: flux neutron distribution, nucleus reactor, Swadaya detector
PENDAHULUAN
Reaktor adalah tempat terjadinya reaksi
pembelahan antara bahan bakar fisi (U235)
dengan neutron. Dalam proses pembelahan
tersebut akan timbul 2 atau 3 neutron baru
untuk satu kali pembelahan inti atom U235.
Neutron-neutron yang dihasilkan dari proses
fisi merupakan neutron cepat yang mempunyai
orde beberapa MeV. Karena terjadi proses
hamburan, maka energi neutron mengalami
penurunan. Neutron cepat yang mengalami
penurunan energi disebut neutron thermal.
Dalam sistem reaktor neutron thermal
mempunyai peran penting, sebab bahan bakar
yang digunakan dalam teras yaitu 92U235 hanya
dapat membelah dengan neutron thermal.
Maka untuk dapat melangsungkan reaksi
berantai diperlukan neutron thermal. Selain itu
dalam teras reaktor aktivasi sampel pada
umumnya dilakukan oleh neutron thermal.
Dalam penelitian ini dilakukan penentuan
distribusi fluks neutron thermal dengan
menggunakan metode langsung dan tidak
langsung atau metode aktivasi keping yang
digunakan untuk mengalibrasi detektor [1]
Fluks neutron merupakan banyaknya
neutron yang bergerak tiap satuan volume
tertentu pada tiap satuan luas per detik.
  nv
(1)
Apabila sebuah neutron bergerak mendekati
suatu inti atom dan memasuki daerah medan
pengaruhnya maka ada beberapa kemungkinan
yang dapat terjadi. Kemungkinan pertama,
neutron akan menumbuk inti dan sesudah
tumbukan neutron dibelokkan arahnya dari
arah semula dengan membentuk sudut θ dan
inti akan terpental, peristiwa semacam ini
disebut reaksi hamburan. Kemungkinan kedua,
neutron masuk ke dalam inti atom dan tidak
lagi merupakan badan yang berdiri sendiri.
Peristiwa ini disebut reaksi tangkapan [1]
Dengan adanya peristiwa- peristiwa di
atas, neutron hasil belah dengan tenaga ratarata sekitar 2 MeV, neutron dapat dibedakan
menjadi tiga kelompok neutron yaitu
kelompok neutron cepat, kelompok neutron
epithermal dan kelompok neutron thermal.
Neutron thermal inilah yang akan ditentukan
distribusinya [2].
Bentuk distribusi fluks neutron dalam
teras reaktor dapat diselesaikan menurut
persamaan difusi satu kelompok neutron yaitu
neutron thermal yang dapat dituliskan dalam
persamaan diferensial Laplace:
(2)
 2  B 2  0
Distribusi fluks neutron dalam teras
reaktor bentuk silinder dengan tinggi H(z),
jari-jari R(r) dan dianggap reaktor bersifat
simetris disekitar sumbu silinder maka fluks
neutron  hanya merupakan fungsi dari
koordinat z dan r saja, yang diberikan oleh [3]:
z
 2,405 
 cos
R
'
H'


 r , z   AJ 0 
(3)
Untuk pengukuran fluks neutron thermal
dalam teras reaktor digunakan metode
langsung dan metode tidak langsung
Mubarika, Munir, Sofjan Firdausi, Widarto: Analisis dan Penentuan Distribusi Fluks 155
Artikel Penelitian
Metode Langsung
Metode langsung dengan menggunakan
detektor swadaya jenis emitter Rhodium-103.
Detektor swadaya terdiri dari emitter, isolator,
kolektor dan kawat timah yang menggunakan
prinsip dasar peluruhan radioaktif pada proses
neutron activated material yang menghasilkan
keluaran sinyal arus seperti pada gambar 1.
Insulator
Emitter
Rc
Ri
mA
Collector
Gambar 1 Sketsa yang menunjukkan lintasan
dan susunan material pada suatu tipe
kolektor [4].
Adapun prinsip operasi detektor
swadaya adalah bila ada neutron yang
mengaktivasi bahan emitter, maka bahan
emitter tersebut akan memancarkan sinar β
dengan energi maksimum 2,44 MeV. Jika
detektor swadaya diletakkan dalam medan
fluks neutron dan kawat emitter dihubungkan
ke amperemeter Keithley, maka akan terukur
arus listrik yang besarnya sebanding dengan
jumlah sinar beta yang dipancarkan tiap detik
[4].
Bahan emitter yang menghasilkan arus
listrik kemudian dikonversikan menjadi
besarnya fluks neutron dengan rumus sebagai
berikut:

 0,693 
I t    actQN 1  exp   1 t 
t 2





 0,693 
  I t  actQN 1  exp   12 t 
 t



1
(ncm-2s-1), dan  act tampang lintang aktivasi
emitter.
Metode Tidak Langsung
Pengukuran fluks neutron dengan
metode tidak langsung atau metode aktivasi
dilakukan untuk tujuan kalibrasi detektor
swadaya yaitu dengan cara meletakkan suatu
material detektor ke dalam medan fluks
neutron sehingga terjadi reaksi inti antara atom
dengan neutron. Berdasarkan sifat-sifat
peluruhan partikel pada pembentukan inti-inti
radionuklida oleh reaksi inti dengan neutron
dapat untuk mendeteksi adanya medan neutron
pada suatu lokasi.
Besarnya fluks neutron pada metode tidak
langsung dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan [4]:
C
(6)

act m1  e t e t 1  e  t
i
td
waktu irradiasi,

lama waktu tunggu
sebelum dicacah, t c lama waktu pencacahan,
dan m massa cuplikan.
Reaktor Kartini
Dalam penelitian ini yang akan
ditentukan distribusinya yaitu pada bagian
teras reaktor. Karena teras reaktor merupakan
tempat berlangsungnya reaksi pembelahan
bahan bakar nuklir. Gambar 2 merupakan
konfigurasi bahan bakar teras Reaktor Kartini
F27
G4
F26
G3
F24
G5
F1
9875
D17
9877
D15
9869
C9
Batang
Kendali
D13
9881
E18
9349
D12
9871
E17
9872
F20
2810
G
C8
9892
D11
9980
E16
9641
E15
9595
F19
G9
F18
9543
IFE
F17
AmBe
E14
9888
D5
9984
C5
Batang
Kendali
C6
9983
D9
9870
D7
9878
F15
2821
G
F14
2792
G
E8
9882
E9
9885
E10
9640
E11
9979
F7
G7
E7
9350
D6
9986
D8
9352
E12
9890
E13
9353
F16
G8
C4
9976
B3
9996
F6
G
1247
E6
9596
D4
9593
C3
9981
B2
9987
D10
9873
F5
E5
9354
D3
9997
B1
9883
IFE
C7
9975
F4
G6
E4
9887
D2
9982
A
CT
B4
9995
F3
9538
E3
9636
C2
9592
B6
9988
B5
9994
C10
9998
F2
9876
E2
9891
D1
9985
C1
9977
C12
9597
C11
9598
D14
9880
F1
9875
E1
Batang
Kendali
D18
8594
D16
9879
E20
9880
F21
9535
G
E24
9886
E22
9635
E19
9639
F30
9542
F29
9541
E23
9637i
E21
9978
F25
9540
F23
9540
J. Sains & Mat. Vol. 14, No.4 Oktober 2006: 155-159

diaktivasi,  fluks neutron (ncm-2s-1),  act
tampang lintang aktivasi makroskopis, 
konstanta atau efisiensi detektor, t i lama
F28
G1
dengan I(t)adalah arus detektor, Κ konstanta
yang bergantung pada geometri dan material
detektor, Q menyatakan muatan yang
dikeluarkan oleh emitter tiap detik, N jumlah
atom emitter, t1/2 waktu paro emitter,  fluks
neutron yang mengaktivasi bahan emitter-
c
dengan  adalah tetapan peluruhan, C jumlah
cacah, 
rapat
massa
foil
yang
(4)
(5)
d
F8
PN
F9
2666
G
F10
9537
F11
9536
F12
2812
G
F13
9874
Gambar 2 Konfigurasi Bahan Bakar Teras
Reaktor Kartini
156
Artikel Penelitian
Metode Langsung
Setelah detektor swadaya dikalibrasi dan
diperoleh persamaan kalibrasinya, maka
selanjutnya dilakukan pengukuran fluks
neutron secara langsung pada teras reaktor
dengan detektor swdaya.
Dalam pengukuran fluks neutron secara
langsung, reaktor dioperasikan pada daya 100
kW dan detektor swadaya dimasukkan di ring
F. Setelah reaktor mencapai kritis, besarnya
arus yang timbul dicatat. Kemudian detektor
swadaya diangkat setiap selisih jarak 4 cm
sampai bahan bakar aktif paling atas.
Percobaan yang sama dilakukan pada semua
ring dalam teras reaktor dengan asumsi
berbentuk silinder berhingga seperti pada
gambar 3 berikut.
Z
r
½H
H
R
Gambar 3 Reaktor Silinder Berhingga
HASIL DAN PEMBAHASAN
Metode Tidak Langsung
Sebelum detektor swadaya digunakan,
maka perlu dikalibrasi terlebih dahulu untuk
mengetahui besra sensitivitas detektor. Karena
sensitivitas detektor akan berkurang selama
pemakaian. Hal ini disebabkan karena
berkurangnya jumlah atom-atom bahan emitter
akibat proses aktivasi.
10,00
Fluks neutron thermal
-2 dt
-1) termal
Neutron
Fluks
Fluks
neutron
thermal
(ncm
(ncm dt )
METODE PENELITIAN
Metode Tidak Langsung
Pengukuran fluks neutron dengan
menggunakan
metode
tidak
langsung
bertujuan untuk mengkalibrasi detektor
swadaya yaitu dengan cara mengaktivasi foil
emas pada ring F5 selama 5 menit.Foil emas
ini ada yang dibungkus Cadmium dan ada
yang tanpa terbungkus Cadmium. Dari foil
emas yang terbungkus Cadmium ini bertujuan
untuk mendapatkan fluks neutron cepat,
sedangkan foil emas tanpa terbungkus
bertujuan untuk mendapatkan fluks neutron
total. Dalam mengaktivasi foil emas, reaktor
dioperasikan pada daya 20 kW, 40 kW, 60
kW, 80 kW,dan 100 kW. Reaktor
dihubungkan dengan meter arus Keithley dan
detektor swadaya dimasukkan di ring F.
Sehingga besarnya arus yang mengalir selama
aktivasi dapat terbaca oleh meter arus
Keithley.
5,00
0,00
0,00
-5,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
Arus
Arus
(Ampere)
Persamaan regresi linear kalibrasi detektor
swadaya:   4,57  1020 I  2,74  1011
Gambar. 4 Grafik Kalibrasi Detektor Swadaya
Kalibrasi detektor swadaya dilakukan
dengan dua metode. Metode langsung
dilakukan dengan detektor swadaya itu sendiri
yang dimasukkan pada salah satu kisi ring F
dan dihubungkan dengan meter arus Keithley.
Metode langsung ini bertujuan untuk
memperoleh besarnya arus yang dapat dibaca
melalui meter arus pada berbagai tingkat daya.
Respon detektor swadaya terhadap arus yang
timbul pada meter arus cenderung bersifat
lambat. Hal ini disebabkan oleh jenis bahan
emitter yang dipakai, karena proses terjadinya
arus yang ditimbulkan oleh detektor swadaya
adalah terserapnya neutron oleh bahan emitter
untuk menjadi aktif dan meluruh memancarkan beta ().
Sedangkan metode tak langsung
dilakukan dengan mengaktivasi foil emas pada
daya 20 kW, 40 kW, 60 kW, 80 kW, dan 100
kW. Aktivasi foil emas ini bertujuan untuk
memperoleh besarnya fluks neutron.. Dalam
metode tak langsung, aktivitas emas dilakukan
dengan dua cara, yaitu aktivitas foil emas
tanpa pembungkus dan dengan pembungkus
Cadmium. Pada aktivasi tanpa pembungkus
Cadmium, seluruh neutron yang dihasilkan
dalam teras reaktor dapat berinteraksi dengan
Mubarika, Munir, Sofjan Firdausi, Widarto: Analisis dan Penentuan Distribusi Fluks 157
Artikel Penelitian
foil emas, maka fluks neutron yang dihasilkan
adalah fluks total. Untuk aktivasi foil emas
yang dibungkus Cadmium, neutron yang dapat
berinteraksi dengan foil emas hanya neutron
cepat, Karena neutron tidak dapat menembus
Cadmium , maka fluks neutron yang diperoleh
adalah fluks neutron cepat. Selisih dari fluks
neutron total dengan fluks neutron cepat
adalah fluks neutron termal.
Dalam kalibrasi detektor swadaya,
variabel daya berfungsi untuk mendapatkan
besarnya fluks neutron dan arus listrik yang
bervariasi. Di mana besarnya arus listrik dan
fluks neutron berbanding lurus dengan tingkat
daya yang digunakan. Sehingga dapat
diperoleh persamaan regresi linear hubungan
antara arus listrik dan fluks neutron yaitu:
  4,57  10 20 I  2,74  1011 (7)
Pengukuran fluks neutron dengan
metode
langsung
dilakukan
dengan
menggunakan
detektor swadaya.
Dari
persamaan (7) dapat ditentukan harga fluks
neutron thermal dalam teras reaktor dengan
detektor swadaya seperti terlihat pada gambar
5a dan 5b.
A
B
C
D
E
F
12.0
Fluks Neutron Thermal x 10 12 ( n cm -2 s-1
11.0
10.0
9.0
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Z (cm)
Gambar 5a Grafik Distribusi Fluks Neutron
Thermal Arah Aksial. A, B, C,…,F adalah
posisi ring dimana tiap-tiap fluks neutron
diukur
H
I
J
K
L
M
N
O
P
12.0
Fluks neutron thermal x10 12 (ncm -2s-1)
11.0
10.0
9.0
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
-20
-10
0
10
20
R (cm)
Gambar 5b Grafik Distribusi Fluks Neutron
Thermal Arah Radial untuk tiap-tiap ring A, B,
C,…, dan F.
J. Sains & Mat. Vol. 14, No.4 Oktober 2006: 155-159
Pengukuran distribusi fluks neutron
thermal pada teras Reaktor Kartini dilakukan
pada arah aksial dan radial. Dari gambar 5
dapat diketahui bahwa distribusi fluks neutron
thermal dalam teras reaktor masih sesuai
dengan persamaan (3).
Pada gambar 5.a grafik distribusi fluks
neutron thermal arah aksial, pada posisi A
mempunyai distribusi fluks neutron paling
besar,
karena
kebolehjadian
untuk
mengadakan reaksi fisi paling besar dengan
2
persamaan   5,10  1016  5,99  1013 e 1, 47Z .
Harga fluks neutron thermal untuk tiap-tiap
posisi pada arah aksial akan mengalami
kenaikan dari posisi bahan bakar aktif paling
atas sampai pada posisi tengah bahan bakar
aktif. Setelah melewati posisi tengah bahan
bakar aktif, harga fluks neutron thermal
mengalami penurunan sampai pada posisi
bahan bakar aktif paling bawah. Hal ini
disebabkan karena pada kedua ujung bahan
bakar terdapat grafit yang berfungsi sebagai
reflektor arah aksial. Karena reflektor tersebut
mempunyai sifat dapat memantulkan neutron.
Apabila neutron berinteraksi dengan bahan
bakar aktif yang berada di kedua ujungnya dan
melahirkan neutron baru, maka neutron
tersebut akan dipantulkan ke daerah tengah
bahan bakar aktif. Sehingga pada kedua ujung
bahan bakar aktif harga fluks neutronnya kecil
dan akan mengalami kenaikan sampai pada
posisi tengah bahan bakar yang mempunyai
harga fluks neutron thermal terbesar.
Seperti halnya pada arah aksial, dari
gambar 5b grafik distribusi fluks neutron
thermal arah radial pada posisi L mempunyai
distribusi fluks neutron thermal paling besar
dengan
persamaan
2
  1,08  101  1,00 x1013 e 1, 41R . Harga dari
fluks neutron termal untuk arah radial yang
terbesar terjadi pada posisi tengah teras yaitu
pada jarak R sebesar 0 cm atau pada ring A
dan harga fluks neutron termal terkecil pada
jarak R sebesar -19,94 cm dan 19,94 cm atau
pada ring F. Karena pada ring F, selain banyak
terdapat dummy juga dekat dengan reflektor, di
mana keduanya berisi grafit yang berfungsi
untuk memantulkan neutron. Sehingga neutron
akan dibalikkan ke tengah teras reaktor.
Selain kedua faktor di atas, sumber
neutron AmBe juga terdapat pada ring F.
Apabila unsur Amerisium berinteraksi dengan
158
Artikel Penelitian
Berillium dan menghasilkan neutron cepat.
Neutron tersebut akan bergerak acak dan
kemungkinan terbesar akan bergerak ke tengah
teras, sebab neutron akan dipantulkan ke
tengah apabila bertumbukan dengan reflektor
yang berada di dekat ring F. Batang kendali
yang berada di dekat ring F juga akan
mempengaruhi harga fluks neutron pada ring F
menjadi kecil sebab batang kendali bersifat
menyerap neutron. Dalam pergerakannya
menuju ke bagian tengah teras, walaupun
neutron tersebut mengalami perlambatan,
tetapi neutron juga akan berinterasi dengan
bahan bakar yang berada pada ring lainnya
yang akan melahirkan neutron cepat lagi.
Begitu seterusnya sampai pada posisi tengah
teras. Karena pada posisi tengah teras atau ring
A tidak terdapat bahan bakar, maka pada
posisi tengah teras harga fluks neutronnya
paling besar. Dari gambar 5b dapat diketahui
bahwa pada posisi P nilai fluks neutronnya
lebih besar daripada yang berada pada posisi
H, walaupun sama-sama berada pada daerah
pinggir. Hal ini disebabkan karena pada posisi
P terdapat lempengan molybdenum yang
berfungsi sebagai racun dapat bakar sehingga
kemungkinan terjadinya pembakaran yang
akhirnya melahirkan neutron lebih besar
daripada pada posisi H.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan
dapat diambil kesimpulan bahwa:
1. Persamaan
kalibrasi
detektor
20
swadaya:   4,57  10 I  2,74  1011
2. Distribusi fluks neutron termal untuk arah
aksial dan arah radial dalam teras Reaktor
Kartini sesuai dengan persamaan (2-1)
dengan harga terbesar yaitu pada posisi
tengah dengan persamaan:
 Untuk arah aksial:
  5,10 1012  5,99 1013e1, 47Z
2
 Untuk arah radial:
  1,08  1012  1,00 x1013e1, 41R
2
UCAPAN TERIMA KASIH
Dalam kesempatan ini penulis ingin
mengucapkan terima kasih kepada Bapak
Widarto, Bapak Aris Basuki, Ris dan Shoby
serta seluruh staf bidang reaktor yang telah
membantu dalam proses penelitian.
DAFTAR PUSTAKA
1
Prayoto. 1978. Pengantar Teori Reaktor.
Yogyakarta: Teknik Nuklir UGM.
2
Glasstone,S. and Edlund,M.C. 1963. The
Elemen of Nuclear Reaktor Theory..
Princetone. New Jersey: DV and
Nostrand Company.
3
Widarto.1997. Analisis Gangguan
Reaktivitas Void Sebagai Kajian
Pemasangan Fasilitas Irradiasi di
Berbagai Ring Teras Reaktor Kartini.
Yogyakarta: Pusat Penelitian Nuklir
Badan Tenaga Nuklir Nasional.
4
Sovka,J.A.1969. Response of Cobalt
Neutron
Fluks Detektor. Canada: Chalk River
Nuclear Laboratories.
5
Syarip.2002. Dasar Teori Reaktor.
Yogyakarta: Puslitbang Teknologi Maju
Badan Tenaga Nuklir Nasional
Mubarika, Munir, Sofjan Firdausi, Widarto: Analisis dan Penentuan Distribusi Fluks 159