petunjuk praktikum fisika reaktor
TRANSCRIPT
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
1/61
PETUNJUK PRAKTIKUM FISIKA REAKTOR
Jurusan teknik nuklir, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah MadaBidang Reaktor, Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta, BATAN.
di edit oleh :
Edi Trijono Budisantoso.
Buku ini dibuat sebagai pelengkap pelaksanaan praktikum fisika reaktor di Fakultas Teknik,
jurusan Nuklir, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
2/61
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
3/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 3
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
DAFTAR ISI
halaman
1. Kata pengantar. 2
2. Daftar isi 3
3. Percobaan A ( Kekritisan ) 4
4. Percobaan B ( Kalibrasi Batang kendali ) 9
5 Percobaan C ( Kalibrasi Daya Reaktor ) 17
6. Percobaan D ( Pengukuran Flux Netron dan Spektrum Netron ) 20
7. Percobaan E ( Pengukuran Distribusi Suhu dan Koefisien Reaktivitas
Suhu Bahan Bakar ) 24
8. Percobaan F ( Pengukuran Fraksi Netron Kasip ) 28
9. Percobaan G ( Pengukuran Fraksi Bakar Dengan Metode 37
Gamma Scanning )
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
4/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 4
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
PERCOBAAN : A.
( KEKRITISAN )
I Tujuan percobaan: memperkirakan massa kritis reaktor secara aman
II. Dasar Teori.
Kondisi kritis reaktor adalah kondisi dimana populasi netron di dalam teras reaktor
ada dalam tingkat yang ajeg (steady state). Massa bahan fisil minimum yang
memungkinkan reaktor mencapai kondisi kritis disebut massa kritis.
Kekritisan suatu reaktor diukur dengan mendefinisikan besaran yang disebut dengan
Keff yaitu perbandingan jumlah netron pada suatu generasi terhadap jumlah netron pada
generasi sebelumnya (tanpa sumber netron dari luar). Apabila nilai Keff> 1 maka dikatakan
reaktor dalam kondisi superkritis, yang dalam hal ini populasi netron di dalam teras reaktor
terus meningkat terhadap waktu. Sebaliknya apabila Keff< 1 maka reaktor dalam kondisi
subkritis, dimana jumlah netron terus berkurang terhadap waktu. Dengan demikian reaktor
dikatakan pada kondisi kritis apabila harga Keff = 1.
Dalam percobaan ini, penentuan massa kritis dilakukan dengan mengamati
pertambahan populasi netron terhadap jumlah penambahan bahan bakar ke dalam teras,
sedemikian rupa sehingga harga Keff= 1. Untuk maksud tersebut lebih dahulu dimasukkan
sumber netron (Am Be) ke dalam teras. Dari sejumlah S netron yang masuk ke dalam teras
pada saat awal, akan dihasilkan sejumlah (Keff. S) netron pada akhir generasi pertama dan
sejumlah (Keff2 . S) pada akhir generasi kedua dan seterusnya.
Total perlipatan netron di dalam teras menjadi
X = S
1 + K + K ................
S =
1
1 - K
eff eff
2
eff
(1)
untuk Keff< 1 jumlah seluruh netron di dalam teras menjadi
X . S =S
1 - Keff (2)
Bila disekitar teras ditempatkan detektor, maka laju cacah (C) yang ditampilkan adalah
sebagian dari jumlah netron yang ada di dalam teras.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
5/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 5
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
C = F . X . S =F . S
1 - K
eff
(3)
dengan ketentuan F = fraksi netron yang tercacah.
Dalam percobaan lebih baik diamati 1C
untuk setiap penambahan bahan bakar
1
C =
1 - K
F . S
eff (4)
Harga Keffakan bertambah dengan pertambahan bahan bakar, bila kondisi telah mencapai
kritis ( Keff= 1 ) parameter1
Cakan menjadi nol. Dengan mengetahui fraksi berat bahan fisil
pada tiap elemen bakar yang telah dimasukkan, massa kritis reaktor dapat ditentukan.
Penentuan massa kritis juga dapat dilakukan dengan pendekatan sebagai berikut :
Berdasarkan pendekatan teori difusi 1 kelompok untuk reaktor telanjang
K =K
1 + M Beff 2 2
(5)
K dan luas migrasi M2 adalah fungsi dari komposisi material, dapat dianggap konstan.
Dari persamaan (5)
1 - K =
1 - K~ + M B
1 + M B = 1- K + M Beff
2 2
2 2
2 2~
(6)
yang berarti linear terhadap B2 . Untuk kondisi kritis maka B = Bg = buckling geometri,
yang untuk teras silkinder nilainya sbb :
B =2,405
R +
Hg
2
2
2
(7)
dengan ketentuan R dan H masing-masing adalah ruji-ruji dan tinggi teras terektrapolasi.
Dengan penambahan bahan bakar, maka jari-jari teras akan bertambah, sedang tinggi teras
tetap. Dengan demikian dapat dibuat grafik antara 1C
versus 1R2
.
Harga1
C= 0 berhubungan dengan ruji-ruji kritis Rc
Massa kritis reaktor selanjutnya dapat ditentukan dari persamaan sbb :
m = R Hc c2
(8)
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
6/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 6
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
dengan ketentuan
= rapat massa bahan bakar (g/cm3 )
H = tinggi aktif teras reaktor
III Alat Yang Digunakan.
- pencacah
- kertas grafik
- lampu senter (bila perlu)
- kalkulator
- binocular
IV. Prosedur Percobaan
1. Sebelum dimulai terlebih dahulu 10 elemen bakar pada ring F dikeluarkan dan
diletakkan pada rak tangki. Dengan mengeluarkan 10 elemen bakar maka reaktor
KARTINI sudah dalam kondisi sub kritis.
2. Sumber netron dimasukkan ke dalam teras , kemudian seluruh batang kendali
dinaikkan hingga posisi teratas (fully -up) Pada kondisi seperti ini catat laju cacah dari
detektor netron fission chamber.
3. Posisi batang kendali kemudian dibuat sebagai berikut
- pengatur pada posisi terbawah
- kompensasi pada posisi 50 % up
- pengaman pada posisi teratas
4. Satu elemen bakar dimasukkan ke posisi semula di dalam teras, kemudian seluruh
batang kendali dinaikkan hingga posisi teratas dan laju cacah detektor fission chamber
dicatat lagi.
5. Prosedur nomor (3) dan (4) diulang hingga kondisi kritis dicapai yang ditandai dengan
kenaikan laju cacah terus menerus, sekalipun teras reaktor tanpa sumber netron.
6. Bila indikasi kekritisan telah diperoleh, semua batang kendali diturunkan
7. Tentukan massa kritis reaktor dengan cara membuat grafik1
Cversus massa bahan
fisil (U-235) untuk reaktor KARTINI, kemudian tentukan ruji-ruji kritis reaktor ( Rc )
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
7/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 7
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
menurut persamaan (8). Bentuk grafik yang diperoleh dalam menuju kondisi kritis
dapat bervariasi, seperti ditunjukkan pada gambar 1. Data spesifikasi elemen bakar
reaktor KARTINI tersedia pada tabel 1.
1/cacah
M1 M2 M3 Mc M3 M2M1
Massa bahan fisil (gram)
Gambar 1. Beberapa bentuk grafik hubungan antara1
Cversus massa bahan fisil yang
mungkin diperoleh.
Catatan :
Grafik berbentuk linear adalah yang paling ideal karena ekstrapolasi pada penambahan
bahan bakar pada tahap 1 telah dapat memberikan estimasi massa kritis reaktor dengan baik.
Estimasi tahap 1 yang diperoleh dari kurva cekung memberikan jumlah massa kritis yang
terlalu kecil, sedangkan dari kurva cembung memberikan estimasi yang terlalu besar.
Bentuk kurva yang cekung umumnya diperoleh apabila posisi detektor terlalu jauh dari
sumber netron, sedangkan kurva yang cembung diperoleh apabila posisi detektor terlalu
dekat dengan sumber netron. Dengan memperbanyak jumlah tahap penambahan bahan
bakar, estimasi massa kritis yang diperoleh semakin baik. Dalam hal penentuan ruji-ruji
kritis reaktor, massa kritis harus konsisten dengan rapat massa yang digunakan.
V. SOAL :
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
8/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 8
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Berikan diskusi mengenai sumber-sumber kesalahan dari hasil estimasi massa kritis
yang diperoleh berdasarkan kedua cara tersebut diatas.
Tabel 1. Spesifikasi 3 jenis/tipe elemen bakar standar TRIGA reaktor.
Deskripsi Tipe elemen bakar
102 104 204
panjang total 72,5 cm 75,0 cm 105,14 cm
panjang grafit 10,0 cm 9,5 cm 9,5 cm
panjang UZrH 35,56 cm 38,5 cm 38,5 cm
diameter luar 3,7 cm 3,7 cm 3,7 cm
diameter UZrH 3,56 cm 3,58 cm 3,58 cm
Kandungan UZrH 2250 gr 2235 gr 2235 gr
Fraksi berat Uranium 8,0 % 8,5 % 8,5 %
pengkayaan 20 % 20 % 20 %
UZrH 5,99 gr/cm3 5,99 gr/cm3 8,99 gr/cm3
VI. Acuan.
1. A. EDWARD PROFIO. Experimental Reactor Physics, John Wiley & Sons, New
Jork, USA.
2. Course Manual Regional Training Course on the Use of PC in Research Reactor
Operation and Management, Bandung, Indonesia, November 1991.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
9/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 9
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
PERCOBAAN : B
( KALIBRASI BATANG KENDALI )
I. Tujuan Percobaan :
a. Melakukan kalibrasi batang kendali reaktor KARTINI, yaitu menentukan reaktivitas
batang kendali dengan jalan membuat grafik reaktivitas suatu batang kendali terhadap
kedudukannya (grafik versus h ) dan membuat grafik h versus h.
b. Menghitung reaktivitas total ketiga elemen batang kendali di dalam reaktor.
c. menghitung reaktivitas lebih teras reaktor.
II. Dasar Teori.
Di dalam teras reaktor KARTINI terdapat tiga buah batang kendali, yaitu sebuah
batang kompensasi ( ditempatkan di ring C9 ), sebuah batang pengatur (di ring E1 ) dan
sebuah batang pengaman (di ring C5). Batang kendali tersebut pada dasarnya berisi bahan-
bahan yang sangat kuat menyerap netron, dalam hal ini dipakai atom-atom boron ( = 3837
barn). Reaksi penyerapan antara boron dan netron dapat ditulis sbb:
5
10
0
1
5
11 *
3
7
2
4B + n B Li + He + 2,73 Mev
Batang-batang kendali tersebut dimasukkan ke dalam teras reaktor melalui pipa-pipa
pengarah batang kendali. Pipa-pipa pengarah tersebut dari pipa aluminum yang telah
dianodisasi. Besarnya kekuatan batang kendali di dalam teras reaktor antara lain ditentukan
oleh letak/posisi batang kendali di dalam teras serta besar level daya reaktor yang
dibangkitkan dan ukuran teras reaktor, tampang lintang serapan, temperatur dan lain-lain.
Menurut persamaan per-jam (inhor-equation), nilai reaktivitas sebagai fungsi periode
reaktor adalah :
=+ T
+T
+ T
1 + T
i
ii=1
6
(1)
Satuan reaktivitas bermacam-macam yaitu :
a. dalam persen (%)
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
10/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 10
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
b. dalam dollar ($)
c. dalam per-jam.
Pada umumnya kita memperhitungkan harga dalam satuan $ (dollar) Harga reaktivitas
dalam satuan dollar adalah :
=( + T)
+T
( + T) 1 + Teff eff
i
ii=1
6
(2)
dengan ketentuan
T adalah periode reaktor
adalah umur generasi netron.
Periode reaktor didefinisikan sebagai selang waktu yang diperlukan untuk menaikkan daya
reaktor sebesar e kalinya (e = 2,71828). Secara matematik dapat dituliskan sbb:
P(t)
P(0) = exp (t/T) (3)
dengan ketentuan
T adalah periode reaktor
P(t) dan P(0) masing masing adalah daya reaktor sesudah t detik dan daya reaktor
pada saat awal.
Di dalam praktikum ditentukan P(t)/P0) sebesar 1,5 ataau 2 kemudian diukur waktu yang
diperlukan untuk peningkatan daya tersebut.
Berdasarkan pada praktek pengukuran ini, periode reaktor dapat dihitung berdasarkan pada
persamaan
T =t
ln (P(t)
P(0)
(4)
dengan ketentuan
t adalah waktu yang diperlukan untuk menaikkan daya reaktor 1,5x atau 2x.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
11/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 11
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Besaran menyatakan umur generasi netron yang didefinisikan sebagai umur netron sejak
dilahirkan dari proses pembelahan sampai dengan diserap oleh nuklida di dalam material
bahan bakar atau bocor keluar dari reaktor. Harga untuk reaktor KARTINI menurut
dokumentasi General Atomik sebesar :
= 3,8999999. 10-5detik.
eff adalah fraksi netron kasip dari U-235. Besarnya eff untuk reaktor KARTINI yang
dikategorikan reaktor termal adalah:
eff = 6,999999 10-3
eff adalah gabungan 6 kelompok netron kasip yang terjadi di reaktor nuklir. Masing-
masing kelompok netron kasip dan umur paronya dinyatakan dengan besaran i dan
i
dengan ketentuan, i adalah isotop penghasil netron kasip kelompok isedangkan iadalah
tetapan peluruhan isotop penghasil netron kasip kelompok i. Pada tabel (1) dapat dilihat
nilai umur paro dan tetapan peluruhan kelompok nuklida penghasil netron kasip dari U-235.
Tabel 1. Data kelompok nuklida penghasil netron kasip dari hasil pembelahan U-235
Grup
( I )
umur paro
(detik)
tetapan peluruhan
(i)
= i / eff
1 55,72 0,0124 0,033
2 22,72 0,0305 0,219
3 6,22 0,1115 0,196
4 2,3 0,301 0,395
5 0,61 1,138 0,115
6 0,23 3,01 0,042
Apabila reaktor kritis pada daya P0, kemudian salah satu batang kendali dinaikkan sehingga
terjadi keadaan sedikit super kritis, maka kenaikan daya reaktor sebagai fungsi waktu
seperti terlihat pada gambar 1.
Dari gambar 1. dapat diterangkan bahwa daerah 1, adalah daerah dimana reaktor
dioperasikan pada daya tetap P0, sedangkan daerah II adalah daerah perpindahan naik yaitu
kejadian ketika batang kendali dinaikkan sebesar h . tampak bahwa pada keadaan ini terjadi
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
12/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 12
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
percepatan perubahan daya pada saat kenaikan batang kendali sebesar h. Pada keadaan ini
tidak diperbolehkan mengukur periode T atau waktu 1,5 kali atau 2 kalinya. Pada daerah III
tampak bahwa daya reaktor naik dengan periode mendekati stabil. Pada daerah ini
dilakukan pengukuran besar periode T atau waktu 1,5 kalinya atau waktu 2 kalinya. Daerah
IV adalah daerah dimana reaktor naik mendekati daya asimtotnya, yaitu nilai daya yang baru
setelah batang kendali dinaikkan sebesar h dan telah terjadi kesetimbangan reaktivitas di
teras.
Daya
P1
P0
daerah I daerah II daerah III daerah IV
waktu (t)
Gambar 1. Kenaikan daya reaktor sebagai fungsi waktu (t) akibat ditariknya batang
kendali keluarteras sebesar h.
Pada percobaan dilakukan pengukuran waktu 1,5 kali atau 2 kali, yaitu waktu antara daya
mula-mula P0 sampai waktu ketika menunjukkan daya 1,5 P0atau 2 P0. Pengukuran nilai
waktu ini lebih praktis apabila dibandingkan dengan pengukuran secara langsung periode
reaktor T
Nilai yang sesuai dengan waktu 1,5 kali atau 2 kali dapat dicari dengan menggunakan
persamaan 2 atau dengan menggunakan tabel reaktivitas sebagai fungsi waktu 1,5 kali atau 2
kali yang tersedia. Apabila diketahui besarnya kenaikan posisi batang kendali (h) yang
mengakibatkan timbulnya , dapat dibuat grafik reaktivitas versus posisi kenaikan batang
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
13/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 13
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
kendali yang disebut sebagai kurva integral dan kurva versus h disebut sebagai kurva
diferensial. Kurva integral dan kurva diferensial dapat dilihat pada gambar 2 dan 3.
100%
80%
20%
I II III
h1 h2 h3posisi batang kendali (h)
Gambar 2. Kurva integral reaktivitas batang kendali.
h
I II III
\ h1 h2 h3
posisi kenaikan batang kendali (h)
Gambar 3. Kurva diferensial reaktivitas batang kendali
Dari kurva integral batang kendali dapat diketahui besarnya reaktivitas batang kendali, yaitu
reaktivitas pada kedudukan batang kendali maksimum. Daerah linear batang kendali terletak
pada daerah II yaitu pada interval prosentase reaktivitas 20% < < 80%, dimana kenaikan
reaktivitas batang kendali relatif linear terhadap kenaikan posisinya. Reaktivitas total dari
ketiga batang kendali merupakan jumlah dari reaktivitas ketiga batang kendali (pengaman,
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
14/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 14
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
kompensasi dan pengatur). Untuk mendapatkan reaktivitas total tersebut, kurva integral
masing-masing batang kendali harus dibuat terlebih dahulu.
Reaktivitas lebih (core excess reactivity) teras dihitung berdasar pada kurva integral
masing-masing batang kendali dan mengamati posisi batang kendali pada saat reaktor kritis
pada daya rendah (dalam orde watt). Reaktivitas lebih teras merupakan jumlah dari
reaktivitas bagian batang kendali yang masih berada di dalam teras pada saat reaktor kritis
pada daya rendah.
III. Alat Yang Digunakan.
1. Picoammeter Keithley
2. Stopwatch3. Grafik reaktivitas versus waktu 1,5x atau waktu 2x.
IV. Prosedur Percobaan.
A. Kalibrasi Batang Pengatur
1. Dalam keadaan batang pengaman up dan batang pengatur down
2. Dengan mengatur batang kompensasi, reaktor dibuat kritis pada daya 10 watt.
Hubungkan detektor CIC dengan picoammeter Keithley dan catat arus yang
ditunjukkan oleh picoammeter.
3. Naikkan sedikit kedudukan batang kendali pengatur, maka reaktor akan sedikit super
kritis, dengan melihat pada picoammeter ukurlah waktu untuk kenaikan daya 1,5 kali
(t 1,5x) atau waktu untuk kenaikan daya 2 kali (t 2x) dengan stopwatch.Kenaikan
daya berbanding lurus dengan penunjukan picoammeter Keithley. Catat kedudukan
batang pengatur (h).
4. Turunkan kedudukan batang kompensasi sehingga reaktor menjadi kritis kembali pada
daya/arus semula.
5. Ulangi langkah 3 dan 4 sampai batang pengatur dalam kedudukan naik penuh.
Catatan :
Pada saat menaikkan batang pengatur, periode reaktor jangan sampai menunjuk kurang
dari 15 detik dan pengukuran t 1,5x atau t 2x dilakukan pada daerah III, dimana pada
daerah ini daya reaktor berubah dengan periode yang konstan.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
15/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 15
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
B. Kalibrasi Batang Kompensasi
1. Dalam kedudukan batang pengatur Up dan batang kompensasi Down. Aturlah
kedudukan batang pengaman sehingga reaktor dalam keadaan kritis pada daya 10 watt.
Catatan :
Apabila sampai dengan kedudukan batang pengaman diatas penuh ternyata reaktor tidak
dapat kritis pada daya 10 watt , maka naikkan kedudukan batang kompensasi sampai pada
posisi tertentu sehingga kekritisan dapat dicapai. Pada kedudukan batang kompensasi
tertentu sesuai keadaan, hubungkan detektor CIC dengan picoammeter Keithley dan catat
besar arus yang tertampil pada picoammeter.
2. Naikkan sedikit kedudukan batang kompensasi, maka reaktor akan mengalami keadaan
sedikit superkritis, catat kedudukan batang kompensasi, catat kedudukan batang
kompensasi. Dengan melihat pada picoammeter, ukurlah t 1,5 x atau t 2 x.
3. Turunkan batang pengaman sampai arus penunjukan picoammeter menunjukkan nilai
seperti pada keadaan awal percobaan.
4. Ulang I langkah 2 dan 3 berulang-ulang sampai kedudukan batang kompensasi Up.
5. Lakukan pengukuran bagian bawah dari batang kompensasi (bila ada), yaitu posisi pada
saat kritis seperti pada sub nomor 1. hingga kedudukan Down dengan menggunakan
metode rod drop.
C. Kalibrasi Batang Pengaman.
Lakukan percobaan seperti pada kalibrasi batang kompensasi, hanya saja batang
kompensasi ditukar dengan batang pengaman.
V. Perhitungan.
Dengan menggunakan tabel persamaan per-jam atau (kurva antara t 1,5x atau t 2x dan
reaktivitas) yang telah disediakan.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
16/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 16
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
1. Buatlah grafik terhadap h (kurva integral) dari batang pengatur, batang kompensasi
dan batang pengaman.
2. Buat pula grafik dan h terhadap h (kurva diferensial) dari ketiga batang kendali.
3. Hitunglah reaktivitas total ketiga batang kendali.
4. Dengan data posisi batang kendali pada saat kritis yang diberikan, hitung reaktivitas
lebih teras reaktor.
VI. Pertanyaan :
1. Turunkan pertanyaan (1)
2. Mohon dijelaskan mengenai satuan reaktivitas
3. Mengapa kalibrasi harus dilakukan pada daya rendah ?
4. Pada kedudukan mana batang kendali bekerja paling efektif ?
5. Mengapa batang pengatur terletak pada posisi ring yang lebih luar dari pada batang
kompensasi dan pengaman ?
6. Berilah diskusi, komentar, sumber-sumber kesalahan , kesimpulan dan lain-lain dari
percobaan yang saudara laksanakan.
085729375877 Meta
PERCOBAAN : C
( KALIBRASI DAYA REAKTOR )
I. Tujuan Percobaan.
Melakukan kalibrasi daya reaktor, yaitu mencari berapa daya sesungguhnya yang
dibangkitkan di dalam teras reaktor, apabila meter penunjukan daya menunjukkan daya
pada suatu nilai tertentu.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
17/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 17
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
II. Dasar Teori.
Daya reaktor ditimbulkan oleh energi yang dibebaskan dari reaksi pembelahan yang
terjadi di dalam reaktor yang sedang beroperasi. Banyaknya reaksi pembelahan yang terjadi
tiap detik tiap satuan volume reaktor ditentukan oleh f . Kalau banyaknya reaksi
pembelahan tiap detik yang perlu untuk menghasilkan daya sebesar 1 watt adalah 3,2 1010
pembelahan , maka daya total P dari reaktor diberikan oleh persamaan :
P =3,2 10
v dv (watt)f10
0
Vr( ) (1)
dengan ketentuan
f = tampang lintang makroskopis pembelahan
Vf = volume reaktor.
Jadi dengan mengukur flux netron di dalam teras, dapat ditentukan daya reaktor.
Metode lain pengukuran daya reaktor adalah dengan metode kalorimeter yang dapat
ditempuh dengan 2 cara yaitu :
1. Reaktor dioperasikan dengan sistem pendingin dijalankan.
2. Reaktor dioperasikan dengan sistem pendingin tidak dijalankan.
Pada metode pertama yaitu dengan sistem pendingin dijalankan atau metode
stasioner.
Panas yang terakumulasi di dalam tangki reaktor diambil oleh sistem pendingan primer,
kemudian dengan melalui sistem penukar panas, panas dipindahkan ke sistem pendingin
sekunder. Dengan mengatur debit pendingin akan diperoleh kondisi stasioner, Kondisi
stasioner menunjukkan bahwa di dalam sistem pemindah panas tidak terjadi akumulasi
panas di dalam sub-sistemnya. Di dalam kondisi stasioner, panas yang dipindahkan dari
teras reaktor bergantung pada debit air (G) dan beda suhu inlet dan outlet sistem pendingin
primer. Secara matematik daya reaktor ditentukan dengan persamaan sbb:
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
18/61
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
19/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 19
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Apabila ini terjadi maka perlu diadakan kalibrasi % power kanal linear. Demikian juga
terhadap kanal logaritmik
III. Alat Yang Digunakan.
1. termometer 20)- 1000C
2. Stopwatch
3. Ember kecil untuk mengambil air tangki reaktor.
IV. Prosedur Percobaan.
1. Reaktor dikritiskan dengan sistem pendingin dalam keadaan tidak dijalankan.
2. Naikkan daya reaktor pada level daya tertentu yang dapat dilihat meter daya linear (30
Kw, 50 Kw, 70 Kw dan sebagainya).
3. Amati kenaikan suhu air tangki reaktor pada tiap 5 menit sampai memperoleh 10 data
pengamatan. Buatlah dalam kertas grafik hubungan antara suhu versus waktu,
kemudian cari kemiringannya (slope). Dari konstanta kemiringan ini dapat ditentukan
daya reaktor yang sebenarnya.
4. Jalankan sistem pendingin sekunder dan primer. Amati suhu air tangki, outlet serta
inlet sistem pendingin primer tiap 10 menit sampai suhu air tangki konstan (stasioner).
5. Gunakan rumus daya untuk kondisi non stasioner dan stasioner untuk menghitung
daya reaktor yang sesungguhnya, kemudian bandingkan dengan daya yang
ditunjukkan oleh meter daya linear.
PERCOBAAN : D
( PENGUKURAN FLUX NETRON dan ANALISIS SPEKTRUM NETRON ).
I. Tujuan percobaan :
Mengukur besarnya flux netron dan analisis spektrum netron suatu medan netron
dengan metode aktivasi.
II. Dasar Teori.
II.1. Pengukuran Flux Netron.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
20/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 20
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Radiasi netron dapat dideteksi/diukur dengan dua metode, yaitu langsung dan tidak
langsung. Metode langsung adalah suatu metode mendeteksi/mengukur netron dengan
detektor netron BF3,Fission Chamber (FC), dan Compensated Ionization Chamber (CIC).
Metode tidak langsung adalah suatu cara mendeteksi/mengukur netron dengan cara
mengukur aktivitas dari suatu bahan detektor setelah diaktivasi dalam suatu medan netron.
Pada percobaan ini flux netron diukur dengan metode tidak langsung yang lebih
dikenal dengan metode aktivasi. Bahan detektor yang umum digunakan untuk pengukuran
flux dan analisis spektrum netron adalah gold (Au), indium (In), cuprum (Cu), iron (Fe) dan
lain-lain. Bahan detektor tersebut dikenal sebagai detektor foil atau foil saja. Suatu material
apabila dimasukkan dalam medan netron akan terjadi reaksi inti antara atom material dengan
netron, dalam percobaan ini akan dipilih bahan yang menghasilkan reaksi netron-gamma
(n,). Suatu bahan yang memancarkan sinar radioaktif disebut zat radioaktif. Besarnya
radioaktivitas gamma dari suatu zat radioaktif dapat diukur dengan teknik pencacahan
gamma dengan menggunakan detektor GM atau HPGe.
Produksi radioisotop dari suatu bahan yang diletakkan dalam medan netron
bergantung pada flux netron dan tampang lintang aktivasinya. Laju pembentukan
radioisotop dari suatu bahan dengan volume V di dalam medan netron dengan flux Q dan
mempunyai tampang lintang aktivasi acdinyatakan dengan persamaan sbb :
R = Vac (1)Persamaan (1) menyatakan laju pembentukan radioisotop dari suatu unsur dengan volume
V. Apabila laju peluruhan yang terjadi di dalam radioisotop yang terbentuk tersebut ikut
dipertimbangkan, maka laju pembentukan radioisotop tersebut menjadi sbb :
N
t
= V - Nac (2)
N adalah jumlah atom radioisotop yang terbentuk dan adalah konstanta peluruhannya.
Integrasi persamaan (2) untuk selang waktu iradiasi t1 akan menghasilkan persamaan sbb:
N = V1 - exp (- t
1 ac1
)
(3)
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
21/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 21
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
N1 adalah jumlah atom radioisotop yang terbentuk setelah nuklida target teriradiasi selama
t1 . Jumlah radioisotop tersebut dapat dinyatakan dalam besaran aktivitas yang dituliskan
dengan mengkalikan persamamaan (3) dengan konstanta peluruhannya, yaitu :
A = N = V1 - exp (- t
1 ac1
)
(4)
Aktivitas dari suatu radioisotop dapat diukur dengan mencacah radiasi gamma yang
dipancarkannya, dengan sistem pencacah gamma. Di dalam praktek tidak pernah dapat
dilakukan pencacahan langsung setelah foil di iradiasi tetapi perlu menunggu beberapa
waktu, untuk peluruhan agar radiasi tidak melebihi batas keselamatan radiasi yang diijinkan.
di dalam sistem.pencacahan. Adanya penundaan pencacahan tersebut berarti radioisotop
akan meluruh sebesar exp -(t2- t1) bagian dari aktivitas setelah teriradiasi. Di dalam saat
pencacahan juga terjadi peluruhan radioisotop sebesar exp - (tc) bagian dari saat awal
pencacahan.
Adanya kenyataan seperti tersebut diatas, maka dalam perhitungan aktivitas suatu
foil diperlukan adanya koreksi-koreksi karena peluruhan radioisotop selama pembentukan,
waktu. tunggu dan waktu pencacahan. Bila hasil pencacahan adalah C cacah/detik maka
aktivitas dari foil dapat dinyatakan dengan persamaan sbb :
A =C
{1 - exp - t { exp - (t - t { 1 - exp - ts
1 2 1 c
} )} } (5)
Apabila iradiasi foil cukup lama sehingga tercapai aktivitas jenuh dan aktivitas diukur
dengan sistem cacah yang mempunyai efisiensi , maka besarnya aktivitas jenuh dinyatakan
dengan persamaan sbb :
A = Vs ac (6)
Dari substitusi persamaan (5) ke dalam persamaan (6) menghasilkan hubungan antara flux
netron dengan cacah radioisotop yang dituliskan sbb :
=C
V{1 - exp - t { exp - (t - t { 1 - exp - tac 1 2 1 c} )} } (7)
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
22/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 22
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
II.2. Spektrum Netron.
Flux netron yang ada di dalam teras reaktor nuklir mempunyai distribusi energi dari
energi tinggi (netron fisi) sampai dengan energi termal (0,025 ev). Untuk analisis spektrum
netron dari suatu medan netron dapat digunakan metode aktivasi. Reaksi antara netron
dengan suatu materi bergantung pada besarnya tampang lintang netronik materi yang
bersangkutan. Ternyata besarnya tampang lintang netronik suatu material mempunyai
korelasi dengan energi netron yang akan bereaksi. Dengan demikian setiap unsur
mempunyai kepekaan bereaksi dengan netron pada interval energi tertentu saja atau mulai
dari suatu energi tertentu, oleh karena itu di dalam metode aktivasi dikenal adanya detektor
resonansi dan ambang. Dengan sifat bahan tersebut, maka dapat dilakukan spektrometri
netron.
Spektrum netron dengan metode aktivasi adalah suatu analisis spektrum netron
dengan mengaktivasi beberapa bahan detektor netron yang mempunyai energi ambang yang
tidak sama. Dari , aktivitas hasil iradiasi beberapa detektor foil tersebut, kemudian
digunakan untuk data masukan suatu paket program SANDII (Spectrum Neutron Analysis
by Neutron Dosimetry II). Keluaran program SANDII tersebut berupa hasil perhitungan
spektrum netron dan flux rerata keseluruhan.
III. Alat Yang Digunakan.
1. Reaktor (fasilitas iradiasi pneumatik).
2. Pneumatik transfer system
3. Sistem pencacah gamma dengan HPGe.
4. Komputer
5. Detektor foil (Au, In)
IV. Prosedur percobaan.
1. Lakukan aktivasi foil melalui pneumatik selama 1 menit secara automatik dan catat
waktu saat masuk dan keluarnya detektor dari teras.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
23/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 23
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
2. Ukur paparan detektor foil, apabila paparannya dibawah 10 mR, maka pencacahan
dapat dilaksanakan. Catat waktu mulai pencacahan. Pencacahan dilakukan selama
lima menit.
3. Catat cacah yang diperoleh, data ini sebagai dasar untuk perhitungan flux neytron.
4. Tiap selesai pencacahan, foil harus ditaruh pada konteiner yang telah disediakan.
V Analisis Spektrum Netron Dengan SANDII.
Untuk analisis spektrum netron dengan program SANDII, dilakukan setelah
diperoleh aktivitas dari detektor. Mekanisme sistem perhitungan di dalam program SANDII
adalah membagi daerah energi netron menjadi beberapa pita energi, dimana tiap pita energi
memerlukan data dari aktivasi foil yang sesuai dengan daerah pita energinya. Oleh karenaitu cara memproses program SANDII dengan terlebih dahulu mengaktivasi beberapa
detektor foil untuk mendapatkan besar aktivitas foil pada daerah pita energi tersebut,
sehingga dalam suatu medan netron diperoleh beberapa daerah pengukuran pita energi,
kemudian dilakukan penyelesaian numerik secara keseluruhan, dimana tiap daerah pita
energi merupakan daerah batas penyelesaian numerik. Oleh karena ada banyak daerah pita
energi (diusahakan kurang lebih 8 hingga 10 daerah pita energi), maka bentuk analisisnya
menjadi lebih komplex. Hal tersebut yang akan diselesaiakan dengan program SANDII yang
pada akhirnya didapatkan besar flux netron sebagai fungsi energi pada medan netron yang
dianalisis. Format cara pemasukan data dan eksekusi program SANDII akan diberikan pada
saat praktikum.
PERCOBAAN : E
(PENGUKURAN DISTRIBUSI SUHU dan KOEFISIEN REAKTIVITAS SUHU
BAHAN BAKAR)
I. Tujuan Percobaan :
Menentukan besarnya peruabahan reaktivitas yang ditimbulkan oleh tiap derajat
perubahan suhu bahan bakar reaktor.
II Dasar Teori :
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
24/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 24
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Perubahan suhu mempunyai pengaruh yang sangat penting terhadap terganggunya
reaktivitas selama operasi reaktor. Perubahan ini dapat diakibatkan oleh perubahan
kecepatan aliran pendingin, ataupun oleh perubahan kecepatan pengambilan panas, misalnya
karena berubahnya kebutuhan daya dan sebagainya. Secara umum koefisien reaktivitas suhu
dituliskan sebagai :
T =d
dT (1)
dengan ketentuan
= reaktivitas teras
T = Suhu elemen bakar.
T= reaktivitas suhu.
Oleh karena reaktivitas reaktor bergantung pada beberapa parameter seperti f, p, L2, dan
sebagainya, dimana besaran,besaran tersebut bergantung pada suhu dari komponen-
komponen reaktor seperti bahan bakar, pendingin, moderator dan sebagainya, maka
perubahan suhu reaktor akan mengakibatkan perubahan reaktivitas. Dari definisi reaktivitas
yang dituliskan sebagai :
=k - 1
k (2)
maka reaktivitas suhu dapat dituliskan kembali sebagai
1
k
dk
dTT 2
untuk k = 1 dapat dituliskan sebagai : T 1
k
dk
dT (3)
Karena k (faktor perlipatan efektif) selalu mempunyai harga positif maka T selalu
mempunyai tanda yang sama dengandk
dT. Tanda dari koefisien reaktivitas suhu ini
menentukan sifat-sifat stabilitas reaktor. Pada gambar 1 berikut dilukiskan bagaimana
pengaruh dari koefisien reaktivitas suhu terhadap perubahan daya (yang berarti juga
perubahan suhu) akibat penyisipan reaktivitas positif (penarikan batang-batang kendali)
suatu reaktor.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
25/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 25
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Suhu T> 0
T~ 0
T
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
26/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 26
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
3. Sistem instrumentasi dan kendali reaktor.
Thermometer.
IV. Prosedur Percobaan.
1. Letakkan IFE pada posisi ring B atau ring C, hubungkan keluaran IFE dengan
Microameter.
2. Operasikan reaktor pada tingkat daya tertentu, misalnya 50 kw dan 100 kw dengan
kondisi sistem pompa pendingin primer dimatikan.
3. Amati kenaikan suhu IFE dan posisi batang pengatur setiap 5 menit atau 10 menit.
4. Ambil data-data pada item (3) dalam jangka waktu kurang lebih 90 menit. Kemudian
hidupkan sistem pendingin primer, amati perubahan suhu IFE dan perubahan posisi
batang pengatur.
5. Dengan bantuan data kalibrasi batang kendali pengatur, hitunglah besarnya T dengan
menggunakan persamaan(1) dan menggunakan persamaan regresi linear, untuk data
dari langkah (3) dan data dari langkah (4).
V. Soal-Soal dan Pertanyaan.
1. Jabarkan secara teoritis (rumus) untuk menentukan T(f) dan T(p) dan buktikan bahwa
T (p) mempunyai tanda negatif.
2. Jelaskan parameter-parameter apa saja yang dapat menimbulkan(memberikan) harga T
positif.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
27/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 27
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
PERCOBAAN : F
( PENGUKURAN FRAKSI NETRON KASIP )
I. Tujuan :Percobaan.
Menentukan jumlah netron kasip untuk memprakirakan jumlah bahan fisil yang
menghasilkannya.
II. Dasar Teori.
Jumlah netron kasip hasil iradiasi cuplikan adalah fungsi linear terhadap kandungan
bahan fisil yang ada pada cuplikannya. Di alam bahan fisil terdapat sebagai inti isotop U-
235 yang terdapat di dalam biji uranium dengan kelimpahan 0,72 % , selebihnya adalah
isotop U-238 yang merupakan bahan fertil, meskipun demikian U-238 juga dapat membelah
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
28/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 28
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
dan menghasilkan netron kasip apabila bereaksi dengan netron cepat dan apabila menyerap
netron, akan mengalami transmutasi inti berubah menjadi nuklida Pu-239..
Di dalam reaktor, bahan fisil yang teriradiasi akan menghasilkan inti-inti hasil belah
yang keadaannya amat sangat tereksitasi dan meluruh dengan pancaran negatron dan secara
serempak juga akan memancarkan netron kasip. Inti-inti pelopor penghasil netron kasip
yang dikelompokkan menurut umur paronya, masing-masing mempunyai yield grup absolut
(pemancar netron kasip per-grup per-pembelahan). Pada setiap pembelahan inti U-235
dengan netron termal akan didapat yield grup absolut sebesar = 0,0158. Yield netron
kasip absolut yang relatif kecil dan mempunyai umur paro pendek akan tercacah dengan
menggunakan peralatan khusus.
Pengukuran yield netron kasip absolut dapat dilakukan dengan cara iradiasi cuplikan
material yang mengandung isotop-isotop fisil (misal U-235) di dalam selang waktu tertentu.
Cuplikan yang diiradiasi akan memproduksi inti-inti hasil belah pemancar netron kasip
sebanding dengan flux netron penyebab reasksi pembelahan dan tampang lintang reaksi
pembelahan makroskopis. Laju reaksi pembelahan dalam suatu inti cuplikan yang
mempunyai tampang lintang pembelahan makroskopis (f) dan diiradiasi di dalam flux
netron
akan didapat sebesar :
R = f (1)
dengan ketentuan
f = N0 f
N0 = jumlah inti material fisil yang teriradiasi
f = tampang lintang pembelahan mikroskopis
Jika N adsalah jumlah inti baru dan N0jumlah inti sasaran mula-mula, maka laju perubahan
inti-inti baru yang ada di dalam cuplikan adalah sama dengan laju pembentukan inti baru
dikurangi laju peluruhan yang terjadi. Dalam bentuk persamaan dapat dituliskan sbb :
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
29/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 29
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
dN
dt = N - N0 f (2)
Apabila persamaan (2) diintegrasikan untuk selang waktu iradiasi t1akan didapat :
N =N
( 1 - exp - t10 f
1
) (3)
dengan ketentuan
N1= jumlah nuklida baru yang ada setelah iradiasi selama waktu t1.
= konstanta peluruhan nuklida yang terbentuk.
Aktivitas yang timbul pada waktu t1adalah :
A = N = N ( 1 - exp - t1 0 f 1 ) (4)
Bila lama iradiasi t1 sampai dengan tak berhingga, maka N1dinamakan aktivitas jenuh.
Besarnya aktivitas jenuh adalah sbb :
A = Ns 0 f (5)
Dan pada saat berakhirnya waktu iradiasi t1besarnya aktivitas menjadi :
A = A 1 - exp - t1 s 1 (6)
Sedangkan aktivitas pada saat t2yang berarti telah mengalami selang waktu tunda selama
(t2- t1 ) adalah :
A = A 1 - exp - t exp - t - t
2 s 1 2 1
(7)
Dengan demikian apabila dalam setiap reaksi pembelahan memancarkan netron kasip total
untuk seluruh grup sebesar , maka aktivitas netron kasip untuk seluruh reaksi pembelahan
dalam keadaan jenuh adalah sebesar N0 f . Pada keadaan t2 - t1 setelah waktu
iradiasi selama t1 besarnya aktivitas seluruh grup netron kasip adalah :
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
30/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 30
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
A = N a ( 1 - exp - t ) exp - ( t - t )d 0 f i 1 2 1i=1
6
(8)
dengan ketentuan
ai adalah nilai yield netron kasip grup i.yang dituliskan sebagai ai = i/.
Apabila dilakukan pencacahan, jumlah netron kasip yang dipancarkan selama waktu t3- t2,
iradiasi selama t1 dan waktu tunda selama t2 - t1 adalah sbb :
C = A dt
t - t
i=1
6 3 2
0
(9)
A a - exp - t exp - (t - t - t dts ii=1
6
i 1 i 2 1 i
0
t - t3 2
1 ) exp
A
a - exp - t 1- exp - (t - t exp - t ts ii=1
6
i 1 i 3 2 1 2 1
1
1 )
Na
- exp - t 1- exp - (t - t exp - t t0 fi
ii=1
6
i 1 i 3 2 1 2 1
1 )
Apabila didefinisikan
t1 = tb
t2- t1 = td
t3- t2 = tc
maka radioaktivitas cuplikan akan menjadi seperti pada gambar 6. Dari gambar 6. tersebut
dapat diterangkan bahwa suatu cuplikan yang diiradiasi selama waktu tb dan mengalami
waktu tunda tddan waktu pencacahan tcakan menghasilkan aktivitas netron kasip sebesar A1
, A2, dan A3. Apabila aktivitas tersebut tercacah dengan efisiensi maka cacah yang didapat
pada saat iradiasi jenuh adalah sbb :
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
31/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 31
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
A1
A2
A3
0 t1 t2 t3 waktu
tb td tc
Gambar 6. Grafik aktivitas cuplikan dan peluruhan sebagai fungsi waktu.
C = Na
- exp - t 1- exp - t exp - t0 fi
i=1
6
i b i c i d
i
1 (10)
Cacah yang digambarkan oleh persamaan (10) adalah hasil pencacahan detektor selama
wakti tddetik.
Dalam waktu takterhingga setelah waktu iradiasi jenuh berakhir, jumlah cacah netron
kasip yang dipancarkan oleh seluruh kelompok inti-inti pelopor pembentuk netron kasip
adalah sbb :
C = N exp - t dt0 f0i=1
6
i ai
(11)
C = N a0 f (12)
dengan ketentuan
a = a = /ii=1
6
i
i 1
6
III. Prosedur Percobaan.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
32/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 32
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Isotop-isotop penghasil netron kasip dikelompokkan menurut umur paronya menjadi
6 kelompok. Kelompok umur paro terpanjang adalah 55 detik dan yang terpendek adalah
0,23 detik. seperti pada tabel terlampir. Karena umur paronya lebih kecil dari 1 menit
sehingga memerlukan fasilitas iradiasi yang dapat memindah cuplikan dari tempat iradiasi ke
tempat pencacahan secara cepat.
Pada reaktor KARTINI pemindahan cuplikan dilakukan dengan menggunakan sistem
pemindah pneumatik (Pneumatic Transfer System). Pengiriman cuplikan (di dalam kapsul /
rabbit) dilewatkan pada pipa saluran yang bertekanan udara (pneumatik) dan dapat dilakukan
secara manual atau automatik. Komponen utama sistem pemindah pneumatik (SPP) adalah
sbb :
- Komputer sebagai pengendali operasi sistem pneumatik dan pencacahan
- Terminal untuk memasukkan cuplikan/kapsul (hand & on to loader)
- Pengubah arah cuplikan ke dalam teras atau ke limbah (diverter)
- Tabung tempat iradiasi cuplikan di dalam reaktor.(pool end)
- Tempat pembuangan ke limbah (drop out)
- Alat untuk mendeteksi tempat keberadaan cuplikan (foto detector).
Kemampuan sistem pneumatik dapat dioperasikan secara automatik/manual untuk
menangani sampai sejumlah 100 kapsul/cuplikan yang dipersiapkan. Pengiriman dari
terminal ke teras reaktor kemudian ke sistem pencacahan dan akhirnya ke tempat
penyimpanan limbah dilakukan secara langsung (satu kendali). Demikian juga untuk
pengaturan waktu iradiasi , waktu cacah dan pengolahan data untuk menentukan kelimpahan
kandungan uranium di dalam batuan dapat dilakukan secara automatik atau manual.
Cara pencacahan.
1.Cuplikan yang mengandung batuan uranium di iradiasi netron dengan waktu iradiasi yang
cukup sehingga menghasilkan netron kasip sampai pada titik jenuhnya.
2. Secara automatik cuplikan akan berpindah ke sistem pencacahan dan netron kasip akan
tercacah oleh sistem pencacah dengan detektor BF3.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
33/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 33
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
3. Tentukanlah set-up lama iradiasi dan lama pencacahan yang harus dikerjakan oleh sistem
pemindah pneumatik.
4. Catatlah lama iradiasi, lama perpindahan cuplikan dan lama pencacahan, kemudian
catatlah efisiensi sistem pencacah.
5. Dengan menggunakan persamaan yang sudah dipelajari, tentukan jumlah netron kasip
yang sesungguhnya, berdasarkan pada hasil pencacahannya kemudian perhitungkan berapa
banyak nuklida fisil yang menghasilkan netron kasip tersebut.
6. Terjemahkan kandungan nuklida fisil tersebut kedalam satuan ppm (part per million).
Tabel 2. Pengelompokan pelopor netron kasip berdasar umur paro
Kelompok
pelopor
umur paro pelopor
(detik)
nomor grup
(kelompok)
Br87 54,4 1
I137 24,4 2
Br88 16,3 2
I138 6,3 3
Br89 4,4 3
Rb93,Rb94 6 3
I139 2,0 4
Cs, Sb, Te 1,6 - 2,4 4
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
34/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 34
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Br90, Br92 1,6 4
Kr93 1,5 4
I140, Kr.... 0,5 5
Br, Rb, As .... 0,2 6
PERCOBAAN : G
( PENGUKURAN FRAKSI BAKAR DENGAN MENGGUNAKAN SCANNING )
I. Tujuan Percobaan.
Menentukan fraksi bakar U-235 dengan cara mengukur aktivitas Cs-137 yang
terbentuk.pada sepanjang elemen bakar.
II. Dasar Teori .
Apabila elemen bakar teriradiasi netron selama T1, maka aktivitas Cs137 yang
terbentuk di dalam elemen bakar dapat dihitung dengan menggunakan perumusan sbb :
Laju pembentukan nuklida Cs137di dalam bahan bakar adalah :
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
35/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 35
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
dN (t)
dt = - N (t) - N (t) + N (t)Cs
Cs c Cs f U
137
137 137 235 Cs137
dengan penyederhanaan Cs137 + Cs137 = gab dan pada awal iradiasi kandungan Cs137
= 0, maka akan diperoleh penyelesaian sebagai berikut :
N (T ) = N (0)
exp - T - exp - T
-Cs1 f U
f 1 gab 1
gab f
137 235
Nuklida Cs137 mempunyai umur paro yang cukup panjang apabila dibandingkan dengan
umur pemakaian elemen bakar di teras reaktor sehingga memenuhi kriteria sbb:
f 1 f 1 f 1
gab 1 gab 1 gab 1
T
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
36/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 36
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
N (0) - N (TU U 1235 235
) = Jumlah nuklida U235yang membelah setelah T1 detik.
Dari persamaan (1) dapat diperoleh jumlah isotop U235yang membelah yaitu :
N - N T = N 0) TU U 1 f U 1235 235 235
( ) ( ) (0 (3)
Apabila persamaan (3) disubstitusikan ke dalam persamaan (2) akan diperoleh persamaan sbb
:
F.B. = T 100 %f 1 (4)
Dengam percobaan pengukuran aktivitas Cs137 yang terbentuk di dalam elemen bakar
teriradiasi, akan dapat ditentukan besar fraksi bakar U235di dalam elemen bakarnya, yaitu :
F.B. = T 100 % =N T )
N100 %f 1
Cs 1
U
137
235
(
( )0 (5)
Pengukuran aktivitas Cs137.
.
Pengukuran aktuvitas Cs137 dilakukan dengan cara mencacah bagian demi bagian
sepanjang elemen bakar dengan menggunakan gamma scanning.
Bentuk kolimator pencacahan yang terdapat pada gamma scanning adalah empat persegi
panjang dengan ukuran 1 x 36 x 160 mm. Posisi kolimator melintang dengan lebar 36 mm.
Dengan penyederhanaan bahwa aktivitas cacah dipermukaan kolimator uniform karena sudut
penyimpangan sumber radiasi sebelah kiri kolimator dan sebelah kanan kolimator (+ )
kecil, maka hubungan antara aktivitas SLdengan cacah ujung kolimator pada jarak a adalah
sbb :
Cacah = S4 a + LL
1 2
(6)
El. Bakar
Kolimator
L
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
37/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 37
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
cacah
a
Gambar 1. Bagan sistem pencacahan dan kolimator yang digunakan di dalam gamma
scanning.
Dari gambar 1. dapat dilihat sistem pencacahan pada gamma scanning. Apabila kolimator
sistem pencacah mempunyai lebar L=36 mm dan panjang kolimator a= 160 mm dengan
lebar 1 mm, maka besarnya cacah pada ujung kolimator dibandingkan dengan kuatsumbernya adalah sbb :
S =cacah 4 a
+ L = 248 cacah cacah / detik = SL
2
a
( )1 (7)
Besarnya kuat sumber per satuan volume dapat ditentukan dengan persamaan sbb :
Sv= Sa (linear) = 248 cacah (linear) (cacah/det cm3) (8)
Apabila elemen bakar yang dicacah telah mengalami masa pendinginan selama T 2 detik
maka aktivitas Cs137pada saat selesai iradiasi adalah :
Sv(0) = 248 cacah (linear) exp T2 (9)
dengan ketentuan
= tetapan luruh nuklida Cs137
T2= lama waktu pendinginan
Sv(0) = rapat sumber pada akhir iradiasi.
Rapat nuklida Cs137pada akhir iradiasi selama T1adalah :
N (T ) =S
Cs 1V
Cs
137
137
( )0
(10)
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
38/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 38
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Dengan mengukur cacah Cs137dapat dihitung SV(0) dan rapat fraksi bakar di dalam elemen
bakar yang teriradiasi.
Fraksi bakar total ditemtukan dengan cara menjumlahkan rapat fraksi bakar pada seluruh
elemen volume elemen bakar, yang dapat dituliskan sebagai berikut :
F.B. = F.B.(k) R xtotal2
k =1
n
(11)
dengan ketentuan
n = jumlah elemen volume yang dicacah
x = interval scanning (x = L/n )R = ruji-ruji elemen bakar
k = nomor interval scanning
Besarnya frasi bakar pada tiap-tiap scanning pencacahan ditentukan dengan persamaan sbb
F.B. =
S
N100 %k
V k
Cs
U235
( )
( )
0
0
137
(12)
III. Prosedur Percobaan.
1). Dibuat instalasi pencacahan seperti pada gambar 2.
2). Ditentukan jumlah bagian elemen bakar yang dicacah (n)
3). Ditentukan panjang elemen volume elemen bakar yang dicacah (x) dengan cara
membagi panjang aktif el.bakar dengan jumlah bagian el.bakar yang dicacah (x = X /
n).
4). Dicatat lama pendinginan el.bakar (lihat history card elemen bakar yang bersangkutan).
5). Dicatat no batch elemen bakar dan kandungan awal U235nya.
6). Dilakukan pencacahan aktivitas Cs137pada masing masing elemen volume yang telah
ditentukan.
7). Ditentukan fraksi bakar pada masing-masing elemen volume pencacahan dan
tentukan jumlahnya untuk mendapatkan fraksi bakar totalnya.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
39/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 39
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
perisai radiasi
det sintilasi pre-amp Accuspec
Xkolimator
catu daya
Gambar 2. diagram sistem pengukure fraksi bakar dengan menggunakan metode
scanning.
Catatan.
Cacah latar ditentukan pada tiap-tiap selesai melakukan pencacahan dengan cara
menggeser fdetektor sintilasi dari lobang scanning.
Perlu dicatat pada tiap-tiap pencacahan besarnya death time accuspec.
Perlu dicatat besarnya efisiensi intrinsik detektor scintilasi.
IV. Acuan.
1. Keizo Takahashi, Simplified Evaluation Method of Spent Fuel NDA Result Using
Silena Pocket Calculator in The Field, Paper for advisory Meeting on Evaluationof The Quality of Safeguard NDA Measurement Data, IAEA, Vienna, 10 - 14
Nov 1980.
2. R.G. Jaeger et.al, Engineering Compendium on Radiation Shielding, Vol..I, (1968).
V. Konstanta-yang diperlukan untuk perhitungan (pada energi = 0.6 Mev.)
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
40/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 40
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
UZrH = 0.5579 Cm-1
Cs137= 2,19795 10-8/detik
Cs137 = 6 %
NU235(0) = 38/235 NA= 9,74 10
22atom/elemen bakar.
PELATIHANSISTEM INSTRUMENTASI DAN KENDALI REAKTOR NUKLIR
TANGGAL 6 - 17 OKTOBER 2003
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
41/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 41
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
PRAKTIKUM KALIBRASI DAYA REAKTOR DAN BATANG KENDALI
Oleh:
Ir. Tegas Sutondo
PUSAT PENELITIAN DAN PENGEMBANGAN TEKNOLOGI MAJU
BADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL
YOGYAKARTA 2003PRAKTIKUM KALIBRASI DAYA REAKTOR DAN
REAKTIVITAS BATANG KENDALI
T u j u a n
Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mengetahui besarnya daya yang dibangkitkandi dalam reaktor, bila meter daya menunjukkan pada skala tertentu. Dengan demikian,
percobaan kalibrasi daya, pada hakikatnya bertujuan mengetahui seberapa besar
penyimpangan penunjukan meter daya terhadap nilai yang sesungguhnya.
I PENDAHULUAN
Pada pengoperasian suatu reaktor nuklir, besarnya tingkat daya reaktor umumnya
diamati secara tidak langsung, yaitu berdasarkan pengukuran fluks neutron relatif
menggunakan sensor atau detektor neutron seperti jenis Fission Chamber (FC)dan detector
Compensated Ionization Chamber (CIC) yang ditempatkan dibagian luar teras reaktor.
Besarnya sinyal keluaran dari detektor tersebut sebanding dengan tingkat daya yang
dibangkitkan dari reaksi fisi di dalam reaktor dan karenanya dapat dijadikan indikasi tingkat
daya dari reaktor yang sedang beroperasi.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
42/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 42
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Selain itu, sensitivitas dari detektor tersebut sangat tergantung pada jauh dekatnya
posisi detektor terhadap bagian teras reaktor, dalam hal ini berarti penunjukan skala pada
meter daya sangat tergantung padasettingbaik sistem elektronik dan posisi detektor. Untuk
itu adalah penting untuk melakukan kalibrasi terhadap penunjukan meter daya, sehingga
nilai daya yang teramati pada meter dapat merepresentasikan nilai daya reaktor secara baik
(mendekati dengan tingkat daya yang sesungguhnya).
Ada beberapa metoda yang bisa digunakan untuk mengetahui besarnya daya yang
dibangkitkan di dalam teras reaktor, yaitu menggunakan metoda non kalorimetri dan
kalorimetri . Dalam metoda non kalorimetri besarnya daya reaktor ditentukan berdasarkan
korelasi antara daya yang dibangkitkan dengan beberapa parameter yang tidak secara
langsung mengindikasikan besaran energi panas atau kalor. Contoh dari metoda ini anatara
lain: penentuan daya berdasarkan tingkat radioaktivitas dari isotop Nitrogen-16 (N16) dan
penentuan daya berdasarkan besarnya kandungan bahan fisil yang digunakan (seperti U-
235) dan tingkat distribusi fluks neutron di dalam teras.
Adapun dalam metoda kalorimetri besarnya daya reaktor ditentukan berdasarkan
pengukuran parameter yang secara langsung dapat mengindikasikan besarnya energi panas,
seperti parameter suhu, laju aliran pendingin, dsb. Berikut ini dijelaskan secara ringkas
mengenai 2 metoda tersebut yang lazim digunakan.
II. KALIBRASI DAYA REAKTOR
II.1. Kalibrasi Daya Berdasarkan Pengukuran Distribusi Fluks Neutron
II.1.A. Teori
Besarnya daya reaktor yang dibangkitkan di dalam reaktor sebanding dengan
besarnya laju reaksi pembelahan inti yang terjadi didalam teras (R)yang dapat dinyatakan
dengan
RV
0f dv)v(R (1)
Rf VR (2)
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
43/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 43
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
dimana:
f = Tampang lintang makroskopis pembelahan (cm-1) = Nfisf
Nfis = jumlah atom bahan fisil / cm3(# atom/ cm3)
f = Tampang lintang mikroskopis pembelahan (cm-2)
= Fluks neutron rerata di dalam teras reaktor (n/cm2/s)
RV = Volume teras reaktor (cm
3)
Selanjutnya, apabila besarnya energi yang dibebaskan oleh setiap reaksi pembelahan inti
sebesar 201 Mev, maka jumlah reaksi pembelahan inti yang diperlukan untuk menghasilkan
energi sebesar 1 watt adalah 3,1 x 1010 pembelahan. Dengan demikian besarnya daya
reaktor dapat dinyatakan dengan berdasarkan persamaan berikut ini:
10101,3
Rf
VP
(3)
Sehingga dengan mengetahui total kandungan bahan fisil serta Fluks neutron rerata di dalam
teras reaktor maka dapat ditentukan besarnya daya reaktor.
Selanjutnya mengingat distribusi fluks neutron di dalam teras umumnya merupakan fungsi
yang kontinu, dan dengan asumsi dapat dipisahkan secara spatial menjadi tiga fungsi dengan
variabel tunggal, maka fluks rerata did ala teras dapat didekati dengan
R
V
0
R
V
0
V
dzdydx)z,y,x(
V
dv)v(RR
atau
0zyx kkk (4)
dimana
kx, ky, kz= fluks rerata pada arah x, y, dan z dibagi fluks maksimum pada arah yang
sama, atau
)(/)( xxk Maxx ,
)(/)( yyk Maxy ,
)(/)( zzk Maxz
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
44/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 44
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
0= besarnya fluks neutron absolute pada pusat teras reactor.
Dalam hal teras reactor berbentuk silinder, maka kx = ky = kr sehingga persamaan (4)
menjadi
0
2 zr kk (5)
Gambar 1 memperlihatkan secara umum bentuk distribusi fluks neutron di dalam teras
reactor penelitian yang menggunakan bahan bakar dengan pengkayaan yang seragam, pada
arah radial dan arah aksial. Dari gambar terlihat bahwa fluks tertinggi terjadi di bagian
tengah teras reactor.
II.1.B. Pemetaan Distribusi Fluks Neutron di Dalam Teras Reaktor
Dalam percobaan ini perlu dilakukan pemetaan (mapping) distribusi fluks di dalam
teras, baik pada arah radial atau horizontal maupun aksial. Ini bisa dilakukan dengan metoda
aktivasi foil atau menggunakan detector neutron swadaya (Self Powered Neutron Detector).
z
Max ( r )
( r ) Max ( r )
TERAS REAKTOR
(z)
Gambar 1: Distribusi Fluks Neutron di Dalam Teras
0
r
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
45/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 45
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Dari hasil pemetaan tersebut, selanjutnya dapat ditentukan nilai fluks relatif rerata pada
masing-masing arah yang dinormalisasikan terhadap nilai maksimum pada arah yang sama
(kx, ky , kz). Selain itu perlu dilakukan penentuan besarnya fluks neutron absolute 0 yang
bisa ditentukan menggunakan metoda pengaktifan foil.
II.1.C. Penentuan Fluks Neutron Absolut
Besarnya fluks neutron (absolut) pada pusat teras reaktor dapat ditentukan
berdasarkan metoda pengaktivan neutron yaitu menggunakan foil sebagai detector yang
diiradiasi di pusat teras selama waktu tertentu sehingga menjadi unsur radioaktif. Tabel 1
memuat contoh foil yang biasa digunakan untuk pengukuran fluks neutron
Tabel 1: Data fisis dari bahan emas dan cobalt
BahanNo
Massa
Densitas
(g cm-1)
Jumlah Atom
/ grama
th
(barns)
aepi
(barns)
Emas
(Au197)196,97 19,319,6 3,057 x 1021 98,8 1535
Cobalt(Co59)
58,93 8,9 1,022 x 1022 37,4 71,9
Kemudian dari besarnya fluks neuron absolute dapat ditentukan berdasarkan aktivitas
radioaktif dari foil setelah diiradiasi sebagai berikut: Besarnya aktivitas foil setelah waktu t
dari saat selesai iradiasi adalah:
)t-exp(AC)t(A d01- (6)
))texp(1()texp())Texp(1(Ncdact
(7)
dimana :
A(t) = Aktivitas dari foil pada saat t (disitegrasi / s)
A0 = Aktivitas foil pada saat akhir iradiasi (disitegrasi / s)
C = Laju cacah dari foil (cacah / s)
= Efisiensi sistem deteksi
N = Jumlah atom foil = G/ A x NA
G = Berat foil (gram)
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
46/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 46
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
A = Nomor massa dari unsur foil
NA = Bilangan Avogadro (6,02252 x 1023)
act = tampang lintang mikroskopik aktivasi dari unsur foil (cm2)
= konstanta peluruhan dari unsur foil teraktivasi (s-1)
T = Lama waktu iradiasi (s)td = Lama waktu tunda sebelum dilakukan pencacahan (s)
tc = Lama waktu pencacahan (s)
Dari persamaan (6) dan (7) dapat ditentukan besarnya fluks neutron:
))texp((1)texp(T))exp((1N
C
cdact
1
(7)
Besarnya fluks neutron yang terhitung tersebut masih campuran dari seluruh
spektrum energi di dalam reaktor, maka untuk mendapatkan fluks neutron termal (0,0025 ev)
saja, maka dapat lakukan dengan mengiradiasi foil yang dibungkus Cadmium (Cd) setebal
0,5 mm, yang dapat menyerap seluruh neutron pada energi termal, selain yang tanpa
dibungkus Cd, sehingga besarnya fluks neutron termal thdapat ditentukan:
))texp(1()texp())Texp(1(N
CR/)1CR(C
cdact
1
th
(8)
dimana CR = perbandingan kadmium (Cadmium Ratio), = rasio antara aktivitas foil
telanjang terhadap aktivitas foil yang dibungkus Cd.
Dengan demikian maka daya reaktor dapat ditentukan berdasarkan persamaan (3) diatas.
Dalam hal reaktor beroperasi menggunakan spektrum energi termal maka nilai tampang
lintang pembelahan (f) yang digunakan juga untuk energi termal.
II.1.D. Peralatan yang diperlukan
Dalam hal pengukuran distribusi fluks neutron menggunakan foil emas, perlu
disiapkan antara lain
1. Sejumlah keping/foil Emas atau detector Swadaya.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
47/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 47
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
2. Beberapa Tangkai pemegang foil
3. Sistem pencacah GM
4. Dll peralatan penunjang yang diperlukan
II.1.E. Prosedur Percobaan
Berikut ini dijelaskan secara ringkas tahapan pelaksanaan percobaan yang
diperlukan:
1. Lakukan pemetaan distribusi fluks neutron didalam teras, pada arah aksial dan radial
dengan metoda pengaktifan neutron menggunakan bahan seperti Emas atau Cobalt bisa
berupa kawat (wire) atau keping (foil). Dalam hal digunakan foil, maka perlu
dipersiapkan sejumlah foil dengan ukuran diameter yang seragam (sekitar 510 mm).
2. Foil tersebut selanjutnya ditimbang (dengan timbangan khusus), untuk mengetahui
beratnya dan kemudian dilekatkan sepanjang tangkai pemegang (stick-holder) yang
terbuat dari aluminium dengan kemurnian tinggi / berderajat (nuclear grade), dengan
jarak sekitar 5 cm satu sama lain, menggunakan pita isolasi dari plastik. Dalam hal ini
jumlah tangkai bisa bervariasi sesuai kebutuhan (misal untuk mendapatkan distribusi
fluks yang cukup baik dapat dilakukan pada seluruh lubang pada grid atas kearah radial
yang tersedia, termasuk pada bagian pusat).
3. Dalam hal jumlah tangkai dan keping terbatas, bisa disediakan paling tidak 3 buah
tangkai pemegang yang berturut-turut akan digunakan untuk menentukan distribusi fluks
pada arah radial dan aksial serta untuk menentukan fluks absolut dibagian pusat teras
( 0 ).
4. Untuk penentuan distribusi fluks pada arah radial, dapat dilakukan dengan meletakkan
tangkai tersebut melintang diatas bagian teras sedemikian rupa, sehingga posisi keping
mencakup ring bagian terluar pada kedua sisi teras, dan bagian tengah teras.
5. Untuk penentuan distribusi fluks pada arah aksial posisi tangkai dapat diletakkan di
bagian luar teras, terutama yang dekat dengan posisi batang kendali pengatur.
6. Selanjutnya untuk penentuan fluks absolut di pusat teras, maka digunakan 2 buah keping
dimana salah satu keping dibungkus Cd dengan tebal antara 5 mm 10 mm dan
diletakkan secara berdampingan dibagian pusat teras.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
48/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 48
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
7. Setelah seluruh keping terpasang pada tangkai pemegang dan telah ditempatkan pada
lokasi tersebut, maka reaktor dioperasikan pada daya tertentu (misal 10 watt) selama
waktu tertentu (1 jam), kemudian setelah waktu iradiasi yang diinginkan tercapai, reaktor
dipadamkan (shut down) dengan cara di pancung (scram) dan tangkai pemegang
dikeluarkan dari reaktor dan disimpan sementara ditempat yang disediakan, untuk
menurunkan tingkat radiasinya.
8. Setelam paparan radiasi sudah memungkinkan untuk dilakukan pencacahan, kemudian
dilakukan pencacahan menggunakan detektor GM, yang telah disiapkan dan dikalibrasi
untuk menentukan efisiensi dari sistem pencacahan tersebut.
9. Dari hasil pencacahan, dapat ditentukan besarnya fluks neutron relatif pada tiap posisi
keping terhadap nilai maksimum pada tangkai yang sama, sehingga dapat ditentukan
nilai kx , ky atau (kr) dan kz serta besarnya fluks neutron absolut dapat ditentukan
berdasarkan persamaan (8)
10.Dengan menggunakan data inventori / kandungan U-235 yang tersedia tentukan besarnya
daya reaktor berdasarkan persamaan (3) dan bandingkan hasil evaluasi dengan nilai
penunjukan meter daya.
Catatan:
Kalibrasi daya dengan metoda ini mempunyai beberapa keunggulan dan kekurangan antara
lain :
1. Metoda ini dapat digunakan untuk kalibrasi pada tingkat daya rendah, yang tidak
mungkin dilakukan secara kalorimetri
2. Tingkat ketelitian dari metoda ini sangat tergantung dari beberapa faktor seperti:
Ketelitian data kandungan bahan fisil di dalam teras Ketelitian hasil pengukuran distribusi fluks
Beberapa faktor koreksi yang diperlukan (sesuai dengan spektrum neutron di
dalam teras reaktor) seperti faktor Self Shielding,(baik pada foil maupun
elemen bakar).
II.2 Metoda Kalorimetri
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
49/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 49
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Pada metoda kalorimetri, digunakan prinsip neraca panas (heat balance)dimana daya
yang dibangkitkan di dalam elemen bakar, sama besarnya dengan panas yang dipindahkan
pada media pendingin disekitarnya. Metoda kalibrasi yang lazim digunakan pada reaktor
riset, ada 2 yaitu metoda Stasioner dan Non Stasioneryang secara ringkas dijelaskan sebagai
berikut:
II.2.A. Metoda Stasioner
II.2.A.1 Teori
Pada metoda ini suhu air pendingin didalam tangki reaktor dipertahankan konstan,
dengan cara menghidupkan sistem pendingin. Besarnya daya reaktor selanjutnya dapat
ditentukan berdasarkan persamaan:
TCGP (9)
dimana:
P = Daya reaktor (watt)
G = Debit air pendingin primer yang melalui teras reaktor (cm3s-1)
C = Panas jenis air pendingin (4,187 watt s g-1 oC-1)
T = Beda suhu keluaran dan masukan pada sistem pendingin primer
Metoda ini digunakan pada reaktor dengan sistem pendinginan konveksi paksa
(forced convection), dimana aliran air pendingin melewati bagian teras reaktor, seperti
reaktor MPR-30 MW diserpong, sedang untuk reaktor TRIGA di Bandung maupun di
Yogyakarta (reaktor Kartini) cara ini tidak bisa digunakan, mengingat pendinginan
dilakukan secara konveksi alam.
II.2.A.2 Peralatan Yang diperlukan
Sistem monitor data operasi reaktor (flow meter, termometer)
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
50/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 50
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
II.2.A.3 Prosedur Percobaan
1. Reaktor dioperasikan pada tingkat daya tertentu, dengan sistem pendingin dijalankan dan
tunggu beberapa saat, hingga suhu pendingin di dalam tangki reaktor stabil / konstant.
2. Amati dan catat penunjukan suhu pada bagian masukan dan keluaran unit penukar panas
serta laju aliran pendingin pada sistem primer.
3. Gunakan persamaan (9) untuk menentukan besarnya daya reaktor, dan bandingkan
hasilnya dengan penunjukan meter daya.
II.2.B. Metoda Non Stasioner
II.2.B.1 Teori
Pada metoda ini, unit sistem pendingin tidak dijalankan, sehingga panas yang
dibangkitkan di dalam teras reaktor akan terakumulasi pada air di dalam tangki reaktor, yang
berakibat terjadinya kenaikan suhu air tangki terhadap waktu. Besarnya daya reaktor dapat
dinyatakan berdasarkan persamaan berikut:
dt/dTHdt/dQP (10)
dimana:
P = Daya reaktor (watt)
Q = Energi panas yang dibangkitkan (joule)
H = Harga air dari reaktor (joule/ oC)
Untuk reaktor Kartini (TRIGA-250 KW) = 19,0476 KWh / oC
T = Suhu air tangki (oC)
t = Waktu (s)
Metoda ini dapat digunakan dengan baik pada reaktor dengan sistem pendinginan konveksipaksa (forced convection), maupun konveksi alamiah (natural convection) dengan waktu
yang relatif tidak lama.
II.2.B.3 Peralatan yang digunakan
1. Alat ukur suhu air pendingin (RTD, atau yang sejenis)
2. Stop Watch
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
51/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 51
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
II.2.B.4 Prosedur Percobaan
1. Reaktor dioperasikan pada tingkat daya tertentu, dengan sistem pendingin dimatikan
dan tunggu beberapa saat, hingga suhu pendingin di dalam tangki reaktor mengalami
kenaikan.
2. Amati dan catat suhu air tangki setiap interval tertentu (misal tiap 5 menit) pada
sistem monitor suhu yang tersedia hingga diperoleh data yang cukup (10 data
pengamatan sudah cukup).
3. Buat grafik linear antara suhu air tangki terhadap waktu T vs t, dan cari tangen arah
(slope)dari garis tersebut (dT/dt), menggunakan cara regresi linear.
4. Gunakan persamaan (10) untuk menentukan daya reaktor, dan bandingkan hasilnya
dengan penunjukan meter daya.
Catatan:
Bila system Instrumentasi Reaktor telah dilengkapi dengan system akuisisi data parameter
operasi, maka pengatan data laju kenaikan suhu bisa diperoleh dari file elektronik yang
menyimpan data rekaman parameter operasi.
Lembar Catatan Data Percobaan
No Waktu (s) Suhu (oC)
III. KALIBRASI BATANG KENDALI
III.1. Tujuan Percobaan :
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
52/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 52
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
1. Menentukan besarnya reaktivitas batang kendali total dan diferensial yang digunakan
pada suatu reactor.
2. Membuat grafik reaktivitas integral dan diferensial dari batang kendali
3. Menentukan besarnya reaktivitas lebih dari teras reactor (core excess).
III.2. Teori
Batang kendali adalah bagian dari komponen reactor yang berfungsi untuk
mengendalikan timgkat populasi neutron di dalam reactor, yang berarti berfungsi
mengendalikan timgkat daya reactor. Dengan demikian batang kendali dibuat dari material
yang bersifat menyerap neutron (neutron absorber). Reaktor Kartini menggunakan boron
sebagai unsur penyerap dalam bentuk boron karbida (B4C) dimana terdapat tiga buah batang
kendali, yaitu sebuah batang pengaman safety rod), batang kompensasi (compensating rod)
dan batang pengatur (regulating rod) yang berturut-turut ditempatkan pada ring C3C9, dan
E1. Tabel 2 memuat diskripsi dari ke 3 batang kendali tersebut. Secara umum reaksi
penyerapan antara boron dan netron dapat ditulis sbb:
5
10
0
1
5
11 *
3
7
2
4B + n B Li + He + 2,73 Mev
Tabel 2: Diskripsi Batang Kendali Reaktor Kartini [4]
Batang Kendali Bahan
Penyerap
Bahan
KelonsongDiameter (cm)
Pengaman B4C Al 3,2
Kompensasi B4C Al 3,2
Pengatur B4C Al 2,2
Berdasarkan fungsinya batang pengaman berfungsi untuk mengamankan operasi
reaktor bila terjadi kondisi yang tidak diharapkan, dan untuk itu batang pengaman dipilih
yang memiliki reaktivitas terbesar, dan pada setiap reaktor dioperasikan, batang pengaman
harus ditarik keluar teras (posisi UP). Batang kompensasi berfungsi untuk melakukan
perubahan reaktivitas / daya reaktor secara cepat, dan biasanya mempunyai reaktivitas yang
sedikit lebih kecil atau sama dengan batang pengaman sehingga fungsinya dapat
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
53/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 53
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
dipertukarkan. Batang pengatur berfungsi untuk melakukan perubahan reaktivitas / tingkat
daya secara halus dan karenanya mempunyai reaktivitas yang paling kecil.
Besarnya reaktivitas dari batang kendali selain tergantung dari jenis dan komposisi
material, bentuk dan ukuran, juga tergantung pada posisi penempatan didalam teras, muatan
bahan bakar serta spektrum neutron di dalam taeras dan faktor lingkungan lainnya. Untuk
itu perlu dilakukan kalibrasi terhadap nilai reaktivitas batang kendali tersebut (rod worth)
secara berkala, khususnya bila terjadi perubahan konfigurasi elemen bahan bakar di dalam
teras.
Batang-batang kendali tersebut dimasukkan ke dalam teras reaktor melalui pipa-pipa
pengarah batang kendali. Pipa-pipa pengarah tersebut dari pipa aluminum yang telah
dianodisasi. Besarnya reaktivitas batang kendali dapat ditentukan dengan beberapa cara
antara lain metoda metoda perioda reaktor positif (Positive reactor period), penjatuhan
batang kendali (rod drop),dll.
Besarnya perubahan reaktivitas reaktor dari kondisi kritik (missal akibat perbahan
posisi batang kendali) didefinisikan dengan
eff
eff
k
1k
(11)
dimana k eff faktor perlipatan neutron efektif. Perubahan reaktivitas tersebut akanmenghasilkan perubahan tingkat daya reaktor. Besarnya tingkat daya reaktor untuk setiap
perubahan reaktivitas reaktor dapat dinyatakan melalui persamaan berikut
t/T)exp(P(0)=P(t) (12)
dimana
T = Periode reaktor yang didefinisikan sebagai selang waktu yang diperlukan untuk
menaikkan daya reaktor sebesar e kalinya (e = 2,71828).
T
eff
eff
*
(13)
dimana
l* =Waktu generasi neutron serentak
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
54/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 54
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
eff = Fraksi neutron kasip efektif dari sistem bahan bakar yang digunakan (Effective
delayed neutron). Untuk reaktor Kartini, besarnya eff = 6,999999 10-3
eff = Konstanta peluruhan isotop penghasil netron kasip efektif
= Reaktivitas
= Laju perubahan reaktivitas dt/d
Bila dt/d posistif maka terjadi kenaikan daya reaktor, dan sebaliknya bila negatif maka
terjadi penurunan daya reaktor dan bila = 0 maka tidak terjadi perubahan tingkat daya
(kondisi steady state) dan T disebut sebagai perioda stabil reaktor (stable reactor period).
Besarnya laju perubahan reaktivitas menentukan kecepatan perubahan tingkat daya terhadap
waktu, yaitu semakin besar laju perubahan reaktivitas, maka semakin cepat laju perubahan
tingkat daya terhadap waktu yang berarti perioda reaktor (T) semakin kecil. Sebaliknya bila
perubahan reaktivitas tersebut kecil, maka perioda reaktor menjadi besarnya.
Berdasarkan persamaan per-jam (inhor-equation), besarnya perubahan reaktivitas
() untuk setiap perubahan posisi batang kendali, dapat dinyatakan sebagai fungsi dari
periode reaktor (T) sebagai :
6
1=i i
i
T+1
T+
T+T+=
(14)
dimana
l = Umur generasi netron, yang didefinisikan sebagai umur netron sejak dilahirkan
dari proses pembelahan sampai dengan diserap oleh nuklida di dalam material
bahan bakar atau bocor keluar dari reaktor. Harga l untuk reaktor Kartini
(menurut dokumentasi GA), l = 3,8999999. 10-5detik.
I =Fraksi isotop penghasil netron kasip kelompok i( i =1, 6 )
I = Konstanta peluruhan isotop penghasil netron kasip kelompok i ( i =1, 6 )
Tabel (3) memuat data nilai umur paro dan konstanta peluruhan kelompok nuklida penghasil
netron kasip dari U-235.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
55/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 55
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Tabel 3. Data kelompok nuklida penghasil netron kasip dari hasil pembelahan U-235
Group
( i )
Umur paro
(s)Konstanta peluruhan (i)
(s-1)
= i / eff
1 55,72 0,0124 0,033
2 22,72 0,0305 0,219
3 6,22 0,1115 0,196
4 2,3 0,301 0,395
5 0,61 1,138 0,115
6 0,23 3,01 0,042
Satuan yang digunakan dalam ukuran reaktivitas bermacam-macam antara lain:
a. dalam persen (%)
b. dalam per-cent-mill (PCM) =10-5
c. dalam dollar ($)
d. dalam per-jam.
Bila diinginkan harga dalam satuan $ (dollar) maka persamaan (11) dibagi dengan
fraksi neutron kasip efektif dari sistem bahan bakar yang digunakan (Effective delayed
neutron, eff). Untuk reaktor Kartini, besarnya eff = 6,999999 10-3
Persamaan reaktivitas menjadi:
6
1=i i
i
effeff T+1
T)+(
T+
T)+(=
(15)
Selanjutnya besarnya perioda reaktor untuk setiap terjadi perubahan reaktivitas dari kondisi
steady statedapat dihitung berdasarkan persamaan (12) yaitu:
P(0)
P(t)ln
t=T (16)
Sehingga dengan mengetahui lama waktu t yang diperlukan untuk menaikkan tingkat daya
P(t) sebesar N kali daya semula P(0), misal 2 kali P(0) (doubling time) t2 x atau waktu
separuh P(0), (halving time).t0,5 xmaka dapat dihitung besarnya perioda reaktor T.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
56/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 56
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Bila batang kendali ditarik dari bagian teras dari kondisi steady statesebesar h dari
posisi awal h1 ke posisi h2 maka besarnya perubahan reaktivitas dapat dinyatakan dengan:
dhdh
d=h)(
h2
h1
(17)
dimana dhd / = perubahan reaktivitas per satuan panjang/posisi batang kendali yang lazim
disebut reaktivitas batang kendali diferensial (differential rod woth). Besarnya reaktivitas
diferensial pada posisi (h1+h2)/2 atau posisi h1 +h/2 adalah /h. Besarnya reaktivitas
dari batang kendali adalah jumlahan dari perubahan reaktivitas dari posisi IN (paling bawah)
hingga posisi UP (paling atas) disebut sebagai reaktivitas batang kendali integral (integral
rod worth).
Gambar 2 memperlihatkan bentuk kurva integral dan diferensial dari batang kendali
yang ditarik dari posisi terendah didalam teras (IN) hingga posisi tertinggi diluar teras (UP).
Dari gambar terklihat bahwa besarnya reaktivitas batang kendali () tidak linear terhadap
posisi aksial di dalam teras, melainkan menyerupai bentuk huruf S, yang menunjukkan
efektivitas penyerapan neutron untuk setiap bagian batang dari kendali tidak sama. Hal ini
disebabkan karena pada umumnya bentuk distribusi fluks neutron pada arah aksial tidak
seragam dimana pada bagian bawah dan bagian atas teras lebih kecil dibanding dengan pada
bagian tengah, seperti ditunjukkan pada gambar 1.
Dalam hal ini bagian reaktivitas batang kendali yang linear terjadi pada daerah II,
dimana kenaikan reaktivitas batang kendali relatif linear terhadap kenaikan posisinya,
dengan prosentase reaktivitas sekiter 20% < < 80%.
Gambar 2. Kurva reaktivitas integral dan diferensial batang kendali
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 20 40 50 60 80 100
Posisi Batang Kendali (%)
Reaktivitas diferensial
Reaktivitas integral
(%)
100
80
20
0
Daerah I Daerah II Daerah III
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
57/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 57
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
III.3. Metoda Perioda Positif
Dalam metoda ini reaktivitas batang kendali dihitung besarnya perioda reaktor T
untuk setiap kenaikan batang kendali ke bagian luar teras, dari kondisisteady state. Respons
kenaikan tingkat daya reaktor menyusul penarikan batang kendali sejauh h, dari kondisi
steady state pada daya P0 , ditunjukkan pada gambar 3. Daerah 1, menyatakan kondisi
steady state dimana reaktor dioperasikan pada daya tetap P0, sedangkan daerah II adalah
kondisi sesaat setelah batang kendali dinaikkan sebesar h, dimana terlihat adanya
percepatan perubahan daya dari kondisi semula. Kemudian daerah III menyatakan kondisi
dimana daya reaktor naik secara linear, dengan periode mendekati stabil, dan daerah IV
adalah daerah dimana daya reaktor naik mendekati daya asimtotnya, yaitu tingkat daya yang
baru setelah batang kendali dinaikkan sebesar h dan telah terjadi kesetimbangan reaktivitas
di teras.
Besrnya perioda reaktor T dihitung dengan mengamati lama waktu t untuk
menaikan daya dari P(0) hingga P(t). Dalam praktek sering digunakan waktu kelipatan 2
atau 1,5. Agar diperoleh hasil yang baik, maka pengukuran t dilakukan pada daerah III
yaitu pada saat kenaikan daya reaktor berlangsung secara linear. Selanjutnya bersarnya
perioda reaktor dapat ditentukan menggunakan persamaan (16) dan besarnya kenaikan
reaktivitas dapat dihitung menggunakan persamaan 15.
waktu (t)
P (%)
100
80
60
40
20
0Daerah 1 Daerah 2 Daerah 3 Daerah 4
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
58/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 58
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
III.3.1. Alat Yang Digunakan.
1. Picoammeter Keithley
2. Stopwatch
3. Grafik reaktivitas versus waktu 1,5x atau waktu 2x.
III.3.2. Prosedur Percobaan
Untuk kalibrasi batang kendali menggunakan metoda perioda positif, secara umum
perlu dilakukan langkah sebagai berikut:
1. Reaktor dioperasikan pada daya rendah (10 30 watt), dengan batang kendali yang
akan dikalibrasi berada penuh di dalam teras, batang kendali dengan reaktivitas
terbesar ditarik keluar teras hingga posisi UP, dan batang kendali yang lain diatur
hingga posisi yang sesuai. Dalam hal yang dikalibrasi batang dengan reaktivitas
terbesar (batang pengaman), maka batang kendali dengan reaktivitas terbesar kedua
atau lainnya (batang kompensasi) ditarik keluar hingga posisi UP
2. Hubungkan keluaran detektor CIC dengan picoammeter Keithley dan catat arus yang
ditunjukkan oleh picoammeter.
3. Naikkan sedikit kedudukan batang kendali yang dikalibrasi, maka reaktor akansedikit super kritis, dengan melihat pada picoammeter catat waktu untuk kenaikan
daya 1,5 kali (t1,5x) atau waktu untuk kenaikan daya 2 kali (t2x) dengan stopwatch.
Catat juga kedudukan batang kendali (h).
4. Turunkan kedudukan salah satu batang kendali (pengkompensasi) sehingga reaktor
menjadi kritis kembali pada tingkat daya/arus semula.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
59/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 59
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
5. Ulangi langkah 3 dan 4 sampai seluruh bagian batang kendali yang dikalibrasi berada
di luar teras.
6. Bila posisi batang kendali yang sedang dikalibrasi pada saat awal tidak pada posisi
down (fully inserted), melainkan pada posisi ketinggian tertentu, maka untuk
menentukan reaktivitas dari bagian batang kendali yang berada diluar teras reaktor
digunakan metoda penjatuhan batang kendali (rod drop)
7. Hitung besarnya perioda stabil reaktor T dan total reaktivitas batang kendali dari
tabel T vs yang tersedia atau berdasarkan persamaan (15). Buat grafik reaktivitas
integral dan reaktivitas diferensial ddh sebagai fungsi posisi batang kendali (h).
Bila percobaan telah selesai untuk seluruh batang kendali yang ada, tentukan
besarnya reaktivitas lebih dari teras (core excess of reactivity)yang dapat dihitung berdasar
pada kurva integral dari masing-masing batang kendali dan mengamati posisi batang kendali
pada saat reaktor kritis pada daya rendah (dalam orde watt). Dalam hal ini reaktivitas lebih
teras ditentukan dari jumlah bagian reaktivitas batang kendali yang masih berada di dalam
teras pada saat reaktor kritis pada daya rendah.
Catatan:
1. Dalam hal pada Sistem Instrumentasi dan Kendali reaktor telah dilengkapi
dengan sistem akuisisi data operasi, maka data perubahan h dan waktu
kenaikan t2 atau t1,5bisa dilihat pada rekaman data akuisisi di dalam computer
setelah percobaan selesai.
2. Pada saat menaikkan batang kendali, periode reaktor jangan sampai menunjuk
kurang dari 7 detik (batas trip perioda) dan pengukuran t1,5xatau t2x dilakukan
pada daerah III, dimana pada daerah ini daya reaktor berubah dengan periode
yang konstan.
III.4. Metoda Rod Drop
Penentuan reaktivitas batang kendali dengan metoda Rod Drop didasarkan pada
kenyataan bahwa laju penurunan tingkat daya reaktor yang semula beroperasi pada kondisi
steady state tergantung pada besarnya reaktivitas negative yang diberikan ke dalam reaktor,
atau bisa dikatakan berdasarkan perioda negatif reaktor.
-
7/24/2019 Petunjuk Praktikum Fisika Reaktor
60/61
Petunjuk praktikum Fisika Reaktor. 60
Fakultas Teknik UGM, / PPNY-BATAN.
Dalam metoda ini besarnya reaktivitas dari bagian batang kendali yang berada diluar
teras reaktor ditentukan berdasarkan lama waktu yang diperlukan untuk penurunan tingkat
daya P(t) dari kondisi steady state P(0) menyusul menjatuhan (missal waktu paruh t0,5 x).
Ada kalanya diamati tingkat daya P(t) pada beberapa harga t Selanjutnya besarnya perioda
stabil reaktor (negatif) dapat ditentukan berdasarkan persamaan (16) dapat ditentukan,
sehingga besarnya reaktivitas batang kendali (negatif) dapat ditentukan pula.
III.4.1 Alat Yang Diperlukan.
1. Picoammeter Keithley