Konsep moderator ganda untuk menyederhanakan pengendalian daya dan mencapai umpan balik negatif pada reaktor nuklir tipe PHWR-Candu

HARTO, Andang Widi, Promotor Prof.Dr. Muslim

2005 | Disertasi | S3 Ilmu-ilmu Teknik

Rancangan reaktor nuklir PHWR-CANDU yang ada sekarang memiliki beberapa keunggulan antara lain : aspek keselamatan tinggi karena menggunakan bahan bakar dengan reaktivitas lebih rendah dengan digunakannya UO2 alam, pemisahan D2O sebagai moderator dan pendingin serta ekonomi neutron yang tinggi. Akibat dari hal-hal di atas adalah perilaku ekskursi daya dengan periode panjang, moderator dingin yang dapat berfungsi sebagai penerima kalor untuk waktu yang cukup lama dan keluwesan dalam pemilihan jenis-jenis bahan bakar nuklir yang digunakan. Problem utama rancangan reaktor nuklir PHWR-CANDU yang ada sekarang adalah terjadinya umpan balik daya yang positif sebagai akibat pemisahan pendingin dan moderator. Namun, jika diameter pipa calandria diperbesar sementara jarak antar saluran bahan bakar relatif tetap sehingga ruang anulus antara pipa calandria dan pipa tekan diperbesar, sedangkan ruang di luar pipa calandria diperkecil serta ruang anulus tersebut diisi dengan D2O (menggantikan CO2 yang terdapat pada rancangan reaktor CANDU sekarang), maka umpan balik daya lokal yang negatif dapat diperoleh dengan membiarkan terjadinya pendidihan D2O yang ada di dalam ruang anulus. Rancangan ini yang melahirkan “konsep moderator ganda” karena menggunakan dua sistem moderator, yaitu sistem moderator utama yang ada di luar pipa calandria dan sistem moderator anulus yang ada pada ruang anulus, tidak hanya dapat mencapai umpan balik daya lokal yang negatif, tetapi juga menjanjikan penyederhanaan dalam sistem pengaturan daya dengan kemungkinan menghilangkan peran batangbatang pengatur dan juga peningkatan aspek keselamatan dengan menambah kemungkinan dapat diterapkannya lebih dari satu sistem shutdown pasif. Pendidihan moderator anulus dapat digunakan untuk mengatur daya reaktor dan sekaligus juga untuk mengkompensasi munculnya reaktivitas lebih dari teras reaktor. Telah dilakukan perhitungan numerik terhadap dua rancangan teras yaitu HWR-DM-ST yang dapat mencapai burn up 16000 MW hari / ton U dan HWRDM- X1 yang dapat mencapai burn up 17500 MW hari / ton U. Pada kedua rancangan ini, nilai kekritisan saat ruang moderator anulus terisi penuh moderator masing-masing adalah 1,0054 (HWR-DM-ST) dan 1,0019 (HWR-DM-X1) sedangkan saat semua moderator mendidih adalah 0,9634 (HWR-DM-ST) dan 0,9143 (HWR-DM-X1). Dengan demikian dapat ditunjukkan bahwa pendidihan moderator anulus memberikan reaktivitas negatif. Penurunan laju aliran pendingin dari 3043 kg/detik hingga 853 kg/detik mengurangi nilai kekritisan sebesar 0,0109 (HWR-DM-ST) dan 0,0232 (HWR-DM-X1). Sementara itu, kenaikan entalpi pendingin masuk dari 2950 kJ.kg hingga 3175 kJ/kg mengurangi nilai kekritisan sebesar 0,0074 (HWR-DM-ST) dan 0,0239 (HWR-DM-X1). Dengan demikian dapat ditunjukkan bahwa desain reaktor ini memiliki reaktivitas umpan balik daya yang negatif.

The existing CANDU-PHWR reactor has a benefit of high safety performance because of the low excess reactivity by the use of natural UO2, the separation of D2O as a moderator and as a coolant and the high neutron economy feature. The result of these feature are the long period power excursion behavior, cool moderator that can act as long term hat sink ant the flexibility in fuel option. The main problem of the current CANDU design is its positive local power feedback due to separation of the coolant and the moderator. But if the calandria tube is enlarged so that the annular space between pressure tube and calandria tube is increased and the space outside calandria tube is reduced and the annular space is filled with D2O instead of CO2 (as in current CANDU design), a negative local power feedback is theoretically possible by voiding of D2O inside annular space. This design, which is called a "dual moderator concept" because of the use of a two moderator system i.e. a main moderator system outside calandria tube and an annular moderator system inside annular space, not only can achieve the possibility of a negative local power feedback but also promises a greater simplicity of a power regulating system and a greater safety aspect by the possibility of elimination of adjuster rod and incorporation of more than one passive shutdown systems, respectively. The voiding of annular moderator can also be used as a power regulating system as well as a core excess reactivity compensation system. The aim of this dissertation is to study the feasibility of application of the concept. Numerical calculations have been performed for two core design namely HWR-DM-ST which can reach burn up of 16000 MWd / ton U and HWR-DM-X1 which can reach burn up of 17500 MWd / ton U. In these designs, the values of core criticality at fully anular moderator filling condition are 1.0054 (HWR-DM-ST) and 1.0019 (HWR-DM-X1), while the values of core criticality at completelly empty annular moderator condition are 0.9634 (HWRDM- ST) and 0.9143 (HWR-DM-X1). Thus it has been shown that annular moderator voiding gives a negative reactivity. The decreasing of coolant flow rate from 3043 kg/s to 853 kg/s gives a decreasing of core criticality values of 0.0109 (HWR-DM-ST) and 0.0232 (HWR-DM-X1). While increasing of inlet coolant enthalpi from 2950 kJ/kg to 3175 kJ/kg gives a decreasing of core reactifity values of 0.0074 (HWR-DM-ST) and 0.0239 (HWR-DM-X1). Thus it can be shown that these reactor designs have negative power reactivity feedback.

Kata Kunci : Reaktor Nuklir,ipe PHWR,Candu,Konsep Moderator Ganda, PHWR-CANDU, dual moderator concept