Prosiding Seminar Teknofogi dan Kesefamatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - SATAN

PENGKAJIAN ASPEK THERMAL REAKTOR DAYA JENIS PWR

Oleh:

R. Indrawanto, Saiful Sujalmo, Endang SusilowatiPusat Reaktor Serba Guna - Badan Tenaga Atom Nasional

ABSTRAK

Pengkajian aspek termal reaktor dayajenis PWR sangat diperlukan untuk mendukung programBAT AN di dalam persiapan pembangunan PL TN yang pertama di INDONESIA.

Melalui makalah ini telah dikaji parameter disain PLTN jenis PWR (Pressurized Water Reactor)dengan daya 600 MWe. HasH pengkajian menunjukkan pada daya tersebut reaktor membutuhkanbahan bakar U02 sebanyak 94,33 ton. Laju pending in primer 56484 m3/jam, suhu pusat bahan bakar1965,2 °C dan DNBR = 1,86.

ABSTRACT

The thermal investigation on Pressurized Water Reactor is very important to support BAT AN'Sprograms in preparation of the first Nuclear Power Plant Construction in Indonesia. In this paper, it hasbeen in vestigated that design parameters ofthe PWR with the power of 600 MWe. Investigation resultsshow that the U02 Consumption forthePWR is 94,33 tons. Primary cooling flow rate is 56484 m3lhour,the Centre fuel element temperature is 1965,2 °C and DNBR is 1,86.

I. PENDAHULUAN

Dalam rangka persiapan program pembangunanPLTN yang pertama di Indonesia, BATAN bersama­

sarna dengan BPPT dan PLN telah mengirim tenaga ahliuntuk mengikuti partisipasi disain di General Electricdan Westinghouse. Salah satu partisipasi lokal yangdilakukan PRSG, ialah dengan melakukan pengkajianaspek thermal PLTN jenis PWR dengan daya 600 MWe.Reaktor daya jenis PWR pada saat ini merupakan yangterbanyak dioperasikan di dunia. Reaktor ini mengguna­kan air sebagai pendingin terasnya dan temperatur kerjapendingin berkisar antara 290°C sampai 325°C. Padakondisi tersebut tidak diperkenankan terjadi pendidihanpada teras reaktor. Untuk mencapai kondisi tersebut te­kanan kerja pendingin berkisar dari 2000 sampai 2400Psi. Adapun diagram alir PWRsecara skematis ditunjuk­kan dalam gambar 1.

Karena sifat air yang "incompressible" maka bilaterjadi perubahan volume yang kecil akan mengakibatkanperubahan besar pada tekanan pendingin primer. Jikatekanan pendingin primer turon akan terjadi penguapandi teras dan dapat mengakibatkan rusaknya beberapabahan bakar karena terjadinya "burn out". Untukmence­gah terjadinya kejadian ini, maka sistem p'endingin primerPWR dilengkapi dengan pressurizer. Adapun kegunaandari alat tersebut untuk mempertahankan tekanan pendi­ngin primerpada batas keselamatan yang telahditentukan.

Bahan bakar yang digunakan adalah dalam bentuk

senyawa U02 dengan pengayaan U23Ssebesar 2% - 3%.Bentuk U02 merupakan pH-pil kecil dengan diameter 1em, panjang 2 cm dan disebut pellet serta dimasukkandalam kelongsong yang terbuat dari bahan "zircaloy".Melalui makalah ini dikaji parameter disain PLTN jenisPWR (pressurized Water Reactor) dengan daya 600 MW

MWe. Diharapkan hasil pengkajian dapat digunakan se­bagai studi perbandingan terhadap parameterdisain reak­tor sejenis, yang mung kin akan dipilih dikemudian hari.Dengan menggunakan beberapa asumsi parameter PWRyang sudah baku dan dengan rumus-rumus dari beberapaliteratur dapat ditentukan parameter disain.

Sebagai bahan perbandingan dari hasil perhitungandigunakan data parameter disain PWR Tomari. Darihasil perhitungan didapat banyaknya bundel bahan bakar(17xI7) 128 bundel, sedangkan untuk PWR Tomaridengandaya579MWe(14xI4) 121 bundel,panjangseti­ap elemen bakar 3,56 m sedangkan untuk PWR Tomari2,46 m, laju pending in primer 39.163 ton/jam dan untukPWR Tomari 30.000 ton/jam. Dari hasil perhitungan ter­Iihat parameter disain yang diperoleh untuk PWR dengandaya 600 MW e mendekati parameter disain PWR Tomariyang telah operasional.

II. TEOR!II-I. PERHITUNGAN KARAKTERISTIK TERAS

Dalam pengkajian perancangan teras reaktor dayajenis air bertekanan diasumsikan sebagai berikut :

- Daya elektrik = 600 MW- Effisiensi sistem (11) = 33 %- Faktor titik panas total (F) = 2,575- Fluks neutron termal rerata (<P) =3.1013n/cm2.det- Laju pendingin primer = 4,87 m/det- Suhu pendingin primer masuk = 290°C- Suhu pending in primer keluar = 322°C- Tekanan pending in primer = 2200 Psi- Ukuran batang elemen bakar

- diameter luar = 1,07 cm- tebal kelongsong = 0,062 cm- tebal gap = 0,007 cm

140

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

- densitas U02- Pengkayaan bahan bakar

= 10,5 g/cm3

=3,2 %

Laju panas linier maks (qmaksI)

= qlllrnaksX luas penampang pellet= 355,44 W/Cm

600Q = Panas terbangkit dalam teras = -termis ..... (1)

h .= 62303,016.106 BTU/

jam

Laju panas linier rata-rata q.t= laju panas linier maks/F= 139,04 W/Cm

dim ana D Hp = Selisih entalphi keluaran pendinginprimer clan masukan pendingin primer

= 87,03 . 106 Lb/jam = 15,69 m3/det.

Kecepatan pendingin primer =Q

Ll Hp......... (2)

Panjang total bahan bakarpanas total terbangkit (Q)

laju panas linier rata-rata= 13,70 . 104 m

panjang setiap b. bakar = panjang total/jumlah b. bakar= 3,70 m

15,69 m3/detikLuas area aliran pendingin =

Laju pendingin primer= 3,22 m2

Yolume U02/bahan bakar= cp pellet x panjang setiap bahan bakar= 248,49 Cm3

Luas satu bundel b. bakar jenis PWR (B) = 492,4 cm2•Berat U02/bahan bakarBerat U02 total

= 2609,14 g= 88,17 ton

Luas penampang b.bakar/bundcl (D)= II/4.d2 x jml. b.bakar/bundel= 237,27 Cm2

Luas pendingin sctiap bundel (C) = B - D= 255,13 Cm2

Jumlah bundcl b. bakar = 3,22 mlC2

= 128 bundel

Jumlah b. bakar (N) = jml bundel x jml b.bakar/bundel= 36992

rap at day a volumetrik : qlll= G . Nf • oro' F (3)aT = 0,8862 f (T) 0fo • (To/T)O,5

Tin p primer + TOUIP primerdengan T = ---------- = 306°C

2

f(T) = 0,93 (lihat Gbr 4-3 El. Wakil)

oro = 577,1 barn (appendix B El. Wakil)aT = 341,22 barn = 341,22. 10.24 Cm3

Gr = 180 Mev/fission (besar energi tiap pembelahan)

Jika diambil pengayaan U02 = 3,2 % maka didapat :Nf = 7,115 . 102° inti atom/Cm3

dengan bcsaran tersebut di atas dihitung daya panas vo­lumetrik

dengan rumus no. 3 diperolch :qlll = 203 W /Cm3

qlll maks = F . qlll

dim ana F ialah faktor titik panas total sebesar 2,575qlll maks = 522,72 W/Cm3

Luas total teras reaktor= Jumlah perangkat b.bakar x luassetiap bundel b bakar jenis PWR= 6,3 m2

Diameter equivalent teras (R)=-J 4 x luas total teras reaktor

IT

= 2,83 m

11-2.Pcrhitunl!an dlstrlbusl suhu bahan bakarDalam perhitungan diambil empat buah bahan bakar

yang disusun secara square pitch dengan jarak pitch =1,32 Cm

clan saluran pendingin yang ditinjau ialah Aluas saluran A = 0,85 Cm2 dengan laju alir = 278 gr/detBesarnya koefisien perpinclahan panas dapat dihitungdengan rumus "Dittus boelter".h = 0,148 (1+10.2 T + 10.5T) yO,8BTU/feet2 hroF ..... (1)

D°,2

T. + TOUI ° FIn

T=2

Y = laju alir pendingin feet/jamD = Diameter equvalent saluran (feet)

S2 _ ITa2

= 2 x ITa

141

Prosiding Seminar Tekn%gi dan Kese/amatan PLTNSerta Fasililas Nllklir

h = 6285,26 BTU/fcet2 hr of= 1,99 W/Cm2 °C

Kedudukan suhu selongsong maksimum dapat dihitungdengan rumus :

H HZe = - tan-· ------- (2)

II Cp m (-1/2 - [1/ h (R + b)]

Serpong. 9-10 Febmari 1993PRSG. PPTKR - BATAN

suhu permukaan pellet Tm2 = TCw + D TG= 546,28 °C

qlll d2penurunan suhu bahan bakar = f:.T M= ---­

16 K(U02)=1418,89°C

suhu pusat bahan bakar TMI= !!.T M+ TM2= 1965,2 °C

laju panas per satuan luas qll = laju panas linier makskelJlmg elemen bakar

= 121,72 watt/Cm2

dimana :

H ialah tinggi bahan bakar = 389 Cmm laju alir pending in yang melewati saluran pendingin

= 278 gr/det

Ze = 95,14 CmR ialah jari-jari bahan bakarb ialah tebal kelongsong

pada posisi tersebut suhu pendinginqlll maks Vf

Tb =Tbo + --- [1 +sin (-)]II mG Cp H

dimana Vfialah Volume U02 = 63,24 Cm3qIII maks = 522,72 W/Cm3Z= 95,14 CmTbo = 290 °C

Tb = 296,88 °C

........... (3)

Distribusi suhu bahan bakar ditunjukkan dalam lampir­an 2.

II-3. Pcrhltnn{!an llnks Panas kritlsSalah satu parameter keselamatan yang harus dipenuhidalam suatu pereneanaan thermis PLTN jenis PWR atauBWRjIuks panas kritis.Fluks panas kritis merupakan batasan yang tidak bolehdilampaui dalam operasi nom1al suatu PLTN.Untuk menentukan besaran ini harus dihitung DNBR,pengertian DNBR ialah perbandingan fluks panas kritisyang dihitung dengan korelasi denganjIuks panas kritisyang dibangkitkan pada posisi tertentu. Untuk PLTNjenis PWRjIuks panas kritis dihitung dcngan korelasi"Bernath" dan berlaku kriteria pereneanaan untuk PWRdengan DNBR minimum 1,3 atau harus lebih besar dari1,3.KorelasijIuks panas kritis untuk subcooled boiling di­hitung dengan korelasi Bernath.

qll = he (Twe- TJ (1)Twe= 102,6 In P - (97,2P/P + 15) - 0,45 V +32 (2)

penurunan suhu pada lapisan film!!.T = qll / h = 61,16 °C

suhu permukaan luar kelongsongTel = 296,88 + 61,16 = 358 °C

Fluks panas rata-rata lewat kelongsongdiameter luar

'lell = ------------x qlldiameter luar - tebal kelongsong

'lell= 130,24 W/Cm2

P = 2198,5 PsiV = 4,87 mldet = 15,58 feet/detT = 654 02 OF

we '

D 48 Vh = 10,890 [ e ] + --e D +D. DO.6

e I e

D = 2 X S2- lla2 / llac

= 0,046 feet

Dj = 2 lla = 0,09 feethe = 17166,38 BTU/hrfeet2 OF

.......... (3)

........... (4)

penurunan suhu pada kelongsong

'lell x tebal kelongsong!!.TeI= -------- =47,49°C

Kke,suhu kelongsong dalam TeZ = Tel + d Te

= 405,49 °C

Fluks panas rata-rata lewat gapdiameter luar - tebal Kel

~II = X 'lelldiameter pellet - tebal gap

= 140,8 W/em2penurunansuhulewatgap

gall 140,8!!.T = -=--= 140;79

& ~c 0,0024

Jika diketahui suhu kelongsong maksimumTo=269,88 °C = 566,38 OFDengan menggunakan runms (1) besamya fluks panaskritis pada posisi tersebut :

q;1 = 1504392,9 BTU/hr feet = 474,57 W/Cm2DNBR = 'lell/q = 3,8pada outlet Tb = 322 °C = 611,6 OF.Jika tekanan diasumsikan penurunan tekanan pada teras= 12,5 Psi

'lell= 17166,38 (653,44 - 611,6)= 718241,34 BTU/hr feet2 = 266,57 W/Cm2

DNBR = 226,57 /121,72 = 1,86

142

Prosiding Seminar Tekn%gi dan Kese/amatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

11-4. Pcrhitun2:an Pcmban2:kit VaDDalam perhitungan pembangkit uap direncanakanmenggunakan dua buah steam generator (pembangkituap) dengan kapasitas masing-masing 909 MW.Untuk membangkitkan listrik sebesar 600 MWe, keduakeluaran dari masing-masing pembangkit uap digabungdan masukke dalam turbin tekanan tinggi dengan tekanan

(P,) = 838 Psi dan suhu'(TSl) 265°C. Jika direncanakansuhu pendingan sekunder masuk pembangkituap dengan

suhu (Ts) = 245°C, laju aliran uap ke turbin dihitungdengan rurnus :LAUT = Daya Elektrik x 10.050 / (~ - H) (1)

dimana :

H2 ialah enthalphi uap jenuh yang masuk turbin padasuhu 265°C, dan tekanan 838 Psi

HI ialah enthalphi pending in sekunder yang masuk kepembangkit pada suhu 245°C

LAUT = 8.881446,7 Ib/hr = 4440,7 ton/jam

Luas perpindahan panas setiap pembangkit uap dihitungdengan rum us :

S = Qc (hi - h2) / U.LMTD (2)

dimana :~t. - ~t

LMTD = In ou'

In [~tj~tou,]~tin = 613 - 487,8 = 125,2Mou. =554 - 452,8 = 101,2LMTD = 112,78

h2 = entalphi masukan pendingin sekundcrhi = entalphi keluaran pendingin sekunderU = koefisien perpindahan panas total steam generator

= dalam perencanaan diambil harga U = 750 BtulfeetOF

Qc = Laju alir pendingin primer ke setiap steam genera­tor

T613 OF

509

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

Jika menggunakan 2 buah pembangkit uap laju alir pen­dingin primer yang masuk ke setiap pembangkit uap

Qc = 87,03 X 106/2 = 43.515.000 Ib/hrS = 21606 m2

Mengenai detail disain dari pembangkit uap yang meli­puti panjang pipa, banyak pipa, spacing, penyangga,bajJles, perhitungan kecepatan dan rugi tekanan akandikerjakan oleh pabrik pembangkit uap.

III. HasH dan PembahasanDari hasil perhitungan laju alir pendingin primer

yang melewati teras didapat

LA = 56484 m3/jampp

Laju alir ini tidak memperhitungkan adanya aliran by-pass yang mengurangi laju alir di teras.Adanya aliran bypass ini disebabkan toleransi dalam fa­brikasi pemasangan bundel bahan bakardalam bejana te­kan.

Aliran bypass ini disebabkan :- ada ruang (gap) antara baffle dan outlet nozzle- ada gap di antara bundel bahan bakar- ada gap dalam control rod atau control rod thimble- ada gap antara baffle dan baret

Besamya aliran bypass kira-kira 4-8 % dari lajualirpen­dingin primer total dan tergantung dari ukuran toleransiperencanaan.Dari hasil perhitungan distribusi suhu bahan bakardidapat

suhu pusat bahan bakar (TM) = 1965 °C. Untuk bahanbakar U02 titik lelehnya bergantung pada bum up. Padaumumnya PLTN yang menggunakan bahan bakar U02

temperatumya harus di bawah 2482,22 °C.Berdasarkan hasil perhitungan fluks panas kritis padasuhu kelongsong maximum didapat harga DNBR = 3,8harga ini masih jauh di atas ketentuan DNBR minimumuntuk PWR > 1,3

, IV. KcsimnulanBerdasarkan hasil pengkajian aspek termal dapat

disimpulkan bahwa karakteristik disain yang diperolehdari perhitungan dapat digunakan sebagai dasarperenca­naan reaktor daya PWR dengan daya termal 1818 MW.Tentu saja perhitungan ini harus disempumakan denganmenggunakan program COBRA IV-Cdanjuga dilengka­pi dengan analisis kecelakaan dalam kondisi LOCA.

V. ACUAN1. Erik S. Pederson "Nuclear Power" Volume I, "Nuclear Power Plant Design" Ann Arbor Science Publishers Inc,

1980.

2. M.M. EI-Wakil "Nuclear Heat Transport" Ther American Nuclear Society La Grange Park, Illinois, 1978.3. Ridwan Muhammad MSc, PhD, "Pengantar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuclear"4. Joel Weisman "Elemens of Nuclear Reactor Design" Robert E. Krieger Publishing Company Inc. Krieger Drive,

Malabar Florida.

143

Prosiditlg Semitlar Tektlologi dati Kese/amatatl PLTNSerta Fasililas Nuk/ir

T ABEL 1PERBANDINGAN PARAMETER DISAIN

Serpotlg, 9-10 Februari /993PRSG, PPTKR - BATAN

PWRTOMARI

di Jepang

Daya thermalDaya listrikTemp. keluaran terasTemp masukan terasTekanan uap pada pembangkit uapUkuran bundel bahan bakarJumlah bundel bahan bakar

Laju pendingin primerLuas perpindahan panas pembangkit uapPanjang bahan bakar ilktifDiameter teras

Laju panas linier rata-rataLaju panas linier maksimum

1650 MWe579 MWe323 °C288 0 C838 Psi

14x14121

20.200 m3fjam4780 m2

3,66 m2,46 m

204 WfCm473 WfCm

144

PWR HASIL

pengkajian

1818 MW600 MW322 °C290 °C838 Psi

17x17128

56.484 m3fjam

4501,46 m2

3,7 m2,83 m

139,04 WfCm355,44 WfCm

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

....•. "\-

145

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR - BATAN

~~Po-.•...

~~j

~se

bI)co

P.:f

is

~

....:

•...co

E-i

-S

~

co

C)§ 0U

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan PLTNSerla Fasililas Nuklir

1965,2 -

- •.. RADIUS OF PIN

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

. CLADJNG

-r- GA S GAP

-':=aJ fu~l )

. COOLANT

358

Gambar 2. Temperature distribution in fuel pin

146

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNSerla Fasililas Nuklir

Gambar 3

147

Serpong. 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR -BATAN

1

.J

:.1·

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamaran PLTNSerra Fasililas Nuklir

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - SATAN

1.'oWCI' Hcnc!.al"!; nud NlIelcnr StClI!}! Sllppl)' SYSt<":III~;

o II ~ ~ II

\ . fl 1\ ~ (,,,,,,,,1 ,,,d

I~l'

l:%·-IJ>II.--. ~I--·II;·II~~:.\,_._'-- l'L'1\lll,i Iuti

.. ,-.-

.. ,- ._,Core SII P\1Ui'Ibaird

..•.-.-.-- ('UI': Sill Ulld

(,"'r.: SlIppUi'I- ..•, :\\s<:l1\hl)'

Gambar 4. Cross-sectional vies of a pressurized-water reactor (Courtesy of Combustion Engineering, Inc.)

148