Pengembangan Bahan Bakar Berbasis Thorium pada Reaktor KLT-40S Menggunakan Metode Terkopel Serpent 2 dan OpenFOAM

ALMANZO ARJUNA, Dr. Ir. Alexander Agung, S.T., M.Sc.; Ir. Kutut Suryopratomo, M.T., M.Sc.

2022 | Skripsi | S1 TEKNIK NUKLIR

Reaktor nuklir merupakan sistem yang kompleks dimana berbagai aspek seperti neutronik dan termal hidraulik yang saling terkait dan memiliki efek umpan balik satu dengan yang lain. Analisis yang melibatkan efek umpan balik ini dapat dicapai dengan melakukan simulasi terkopel antar simulasi neutronik dengan termal hidraulik. Dalam penelitian ini telah dilakukan analisis pada performansi neutronik dan termal hidraulik reaktor KLT-40S (150 MWth). Simulasi terkopel dilakukan dengan kode Serpent dan computational fluid dynamics (CFD) OpenFOAM. Pendekatan model pin digunakan dalam penelitian ini dengan variasi bahan bakar UO2 dan (U, Th)O2. Penggunaan thorium bertujuan untuk meningkatkan keselamatan dan ketahanan proliferasi reaktor. Parameter yang diamati meliputi fluks neutron, k-inf, densitas isotop Pu, dan juga profil temperatur pin. Perbandingan antara simulasi terkopel dan non-kopel juga diamati sebagai benchmark dalam penelitian ini. Efek umpan balik antar simulasi telah diamati. k-inf simulasi kopel dan non-kopel masing-masing adalah 1,5956 dan 1,5717. Peningkatan ini disebabkan karena distribusi temperatur simulasi kopel yang lebih rendah. Selain itu terdapat perbedaan densitas isotop antar simulasi terkopel dan non-kopel. Perbedaan terbesar antar simulasi terjadi pada beberapa step burnup akhir akibat rentang simulasi terkopel yang panjang. Perbedaan densitas untuk 235U adalah 2,76%, 238U adalah 0,28%, 239Pu adalah 21,08%, dan 241Pu adalah 49,99%. Bahan bakar yang telah dikembangkan dalam penelitian ini adalah bahan bakar (U, Th)O2 dengan pengayaan 14.1% 233U. Perbandingan k-inf bahan bakar UO2 dan (U, Th)O2 pada awal siklus masing-masing adalah 1,8418 dan 1,5956, hal ini menunjukkan bahan bakar berbasis thorium berpotensi untuk memperpanjang umur teras. Densitas akhir 239Pu dan 241Pu pada bahan bakar bekas (U, Th)O2, masing-masing sebesar 0,5921x10-10 g/cm3 dan 0,570x10 12 g/cm3. Selain Jumlah 239Pu dan 241Pu yang minim bahan bakar (U, Th)O2 juga mengandung 232U dengan densitas 4,6198 g/cm3. Hal ini menunjukkan bahan bakar berbasis thorium memiliki ketahanan proliferasi yang lebih tinggi dibandingkan UO2. Temperatur maksimum pada bahan bakar (U, Th)O2 dan UO2 di awal siklus masing-masing sebesar 859,75 K dan 869,35 K. Temperatur maksimum (U, Th)O2 lebih rendah dari UO2 dan memiliki potensi untuk meningkatkan keselamatan reaktor.

There is numerous physical phenomenon which interconnects with each other in a nuclear reactor. One of them is a feedback loop between neutronics and thermal-hydraulics aspect. An approach to simulate this occurence is a coupled analysis between neutronic and thermal-hydraulic simulations. In this research, an analysis on the neutronic and thermal-hydraulic performance of the KLT-40S (150 MWth) fuel pin has been carried out. Within this framework, coupled simulation has been done with Serpent as the neutronic Monte Carlo code and OpenFOAM as the computational fluid dynamics (CFD) code. In this research, a variation of fuel materials of UO2 and (U, Th)O2 was used. The use of thorium was to increase the safety and proliferation resistance of the reactor. Firstly, a benchmark test between the coupled and non-coupled simulation has been investigated. Secondly, the k-inf, neutron flux, temperature distribution, and spent fuel composition have been studied between the fuel materials mentioned. The benchmark test showed a difference in k-inf between the coupled and non-coupled simulation. The k-inf of the coupled simulation at the beginning of the cycle (BOC) was higher at 1.5956 than the non-coupled at 1.5717. The increase of the k-inf of the coupled simulation was caused by the lower overall temperature of the system. The highest differences of density for each corresponding isotope were as follows: 2.76% for 235U; 0.28% for 238U; 21.08% for 239Pu; and 49.99% for 241Pu. The difference was particularly larger at the later time steps due to the wide coupling steps used in this study. The fuel developed in this research was a mixture of (U, Th)O2 with an enrichment of 14.1% 233U. The k-inf at the beginning of the cycle of the (U, Th)O2 was higher at 1.8418 than the UO2 at 1.5956. This showed the thorium-based fuel has a potential to lengthen the fuel cycle in the reactor. The 239Pu and 241Pu density of the (U, Th)O2 spent fuel was significantly lower than UO2 at 0.5912x10-10 g/cm3 and 0.570x10-12 g/cm3 respectively. 232U density at the end of the cycle was 4.6198 g/cm3. These two factors from (U, Th)O2 spent fuel showed that thorium based fuel has a higher proliferation resistance than UO2 fuel. The maximum temperature of the (U, Th)O2 was 859.75 K while the UO2 was 869.35 K. (U, Th)O2 had a lower maximum temperature than UO2 which is desirable to increase nuclear reactor safety.

Kata Kunci : terkopel, neutronik, termal hidraulik, KLT-40S