REAKTOR NUKLIR - nanikdn chemistry uns

Report
REAKTOR NUKLIR
nanikdn.staff.uns.ac.id
[email protected]
• Reaktor nuklir adalah tempat terjadinya reaksi
inti berantai terkendali, baik pembelahan inti (fisi)
atau penggabungan inti (fusi).
• Jenis dan fungsi reaktor nuklir bergantung pada
tujuan pemanfaatan hasil reaksi, seperti untuk
PLTN, produksi radionuklida, radiografi neutron,
analisis aktivasi neutron dan berbagai eksperimen
dengan hamburan neutron.
• Fungsi reaktor fisi dibedakan menjadi dua, yaitu
reaktor penelitian dan reaktor daya.
Reaktor PENELITIAN
• Utamanya menggunakan pemanfaatan netron
hasil pembelahan untuk berbagai penelitian dan
iradiasi serta produksi radioisotop.
• Panas yang ditimbulkan dirancang sekecil
mungkin sehingga panas tersebut dapat dibuang
ke lingkungan.
• Pengambilan panas pada reaktor penelitian
dilakukan dengan sistem pendingin,yang terdiri
dari sistem pendingin primer dan sistem
pendingin sekunder.
• Panas yang berasal dari teras reaktor diangkut
oleh air di sekitar teras reaktor (sistem
pendingin primer) dan dipompa oleh pompa
primer menuju alat penukar panas.
• Selanjutnya panas dibuang ke lingkungan
melalui menara pendingin (alat penukar panas
pada sistem pendingin sekunder).
• Perlu diketahui bahwa antara alat penukar
panas, sistem pendingin primer atau sekunder
tidak terjadi kontak langsung.
Reaktor DAYA
Panas yang timbul dari pembelahan
dimanfaatkan untuk menghasilkan uap yang
bersuhu dan bertekanan tinggi untuk
memutar turbin.
KOMPONEN Reaktor
• Reaktor nuklir pertama kali dibangun oleh
Enrico Fermi pada tahun 1942 di Universitas
Chicago.
• Hingga sat ini telah ada berbagai jenis dan
ukuran reaktor nuklir, tetapi semua reaktor
atom tersebut memiliki lima komponen dasar
yang sama, yaitu: elemen bahan bakar,
moderator netron, batang kendali, pendingin
dan perisai beton
Gambar Penampang Reaktor
ELEMEN BAHAN BAKAR
• Elemen bahan bakar ini berbentuk batang-batang
tipis dengan diameter kira-kira 1 cm.
• Dalam suatu reaktor daya besar, ada ribuan
elemen bahan bakar yang diletakkan saling
berdekatan. Seluruh elemen bahan bakar dan
daerah sekitarnya dinamakan teras reaktor.
• Umumnya, bahan bakar reaktor adalah uranium235.
• Isotop ini hanya kira-kira 0,7% terdapat dalam
uranium alam, maka diperlukan proses khusus
untuk memperkaya (menaikkan prosentase)
isotop ini.
MODERATOR NETRON
• Netron yang mudah membelah inti adalah netron
lambat yang memiliki energi sekitar 0,04 eV (atau
lebih kecil), sedangkan netron-netron yang
dilepaskan selama proses pembelahan inti (fisi)
memiliki energi sekitar 2 MeV.
• Oleh karena itu , sebuah reaktor atom harus
memiliki materaial yang dapat mengurangi
kelajuan netron-netron yang energinya sangat
besar sehingga netron-netron ini dapat dengan
mudah membelah inti.
• Material yang memperlambat kelajuan netron
dinamakan moderator.
• Moderator yang umum digunakan adalah air.
Ketika netron berenergi tinggi keluar keluar dari
sebuah elemen bahan bakar, netron tersebut
memasuki air di sekitarnya dan bertumbukan
dengan molekul-molekul air.
• Netron cepat akan kehilangan sebagian energinya
selama menumbuk molekul air (moderator)
terutama dengan atom-atom hidrogen. Sebagai
hasilnya netron tersebut diperlambat.
BATANG KENDALI…
• Jika keluaran daya dari sebuah reaktor
dikehendaki konstan, maka jumlah netron
yang dihasilkan harus dikendalikan.
• Jika netron yang dihasilkan selalu konstan dari
waktu ke waktu (faktor multiplikasinya bernilai
1), maka reaktor dikatakan berada pada
kondisi kritis. Sebuah reaktor normal bekerja
pada kondisi kritis. Pada kondisi ini reaktor
menghasilkan keluaran energi yang stabil.
• Jika netron yang dihasilkan semakin berkurang
(multiplikasinya kurang dari 1), maka reaktor
dikatakan berada pada kondisi subkritis dan
daya yang dihasilkan semakin menurun.
• Sebaliknya jika setiap saat netron yang
dihasilkan meningkat (multiplikasinya lebih
besar dari 1), reaktor dikatakan dalam
keadaan superkritis.
• Selama kondisi superkritis, energi yang
dibebaskan oleh sebuah reaktor meningkat.
• Jika
kondisi
ini
tidak
dikendalikan,
meningkatnya energi dapat mengakibatkan
mencairkan sebagain atau seluruh teras
reaktor, dan pelepasan bahan radioaktif ke
lingkungan sekitar.
• Kendali ini dilakukan oleh sejumlah batang
kendali yang dapat bergerak keluar-masuk
teras reaktor.
• Batang kendalli terbuat dari bahan-bahan
penyerap netron, seperti boron dan kadmium.
• Jika reaktor menjadi superkritis, batang kendali
secara otomatis bergerak masuk lebih dalam ke
dalam teras reaktor untuk menyerap kelebihan
netron yang menyebabkan kondisi itu kembali ke
kondisi kritis.
• Sebaliknya, jika reaktor menjadi subkritis, batang
kendali sebagian ditarik menjauhi teras reaktor
sehingga lebih sedikit netron yang diserap.
Dengan demikian, lebih banyak netron tersedia
untuk reaksi fisi dan reaktor kembali ke kondisi
kritis.
• Untuk menghentikan operasi reaktor (misal untuk
perawatan), batang kendali turun penuh sehingga
seluruh netron diserap dan reaksi fisi berhenti.
PENDINGIN…
• Energi yang dihasilkan oleh reaksi fisi
meningkatkan suhu reaktor.
• Suhu ini dipindahkan dari reaktor dengan
menggunakan bahan pendingin, misalnya air
atau karbon dioksida.
• Bahan pendingin (air) disirkulasikan melalui
sistem pompa, sehingga air yang keluar dari
bagian atas teras reaktor digantikan air dingin
yang masuk melalui bagin bawah teras
reaktor.
PERISAI BETON…
• Inti-inti atom hasil pembelahan dapat
menghasilkan radiasi.
• Untuk menahan radiasi ini (radiasi sinar
gamma, netron dan yang lain), agar keamanan
orang yang bekerja di sekitar reaktor terjamin,
maka umumnya reaktor dikungkungi oleh
perisai beton.
• kalor yang dihasilkan dalam batang-batang
bahan bakar diangkut keluar dari teras reaktor
oleh air yang terdapat di sekitarnya (sistem
pendingin primer).
• Air ini secara terus-menerus dipompakan oleh
pompa primer ke dalam reaktor melalui
saluran pendingin reaktor (sistem pendingin
primer).
• Untuk mengangkut kalor sebesar mungkin,
suhu air dikondisikan mencapai 3000C.
• Untuk menjaga air tidak mendidih (yang dapat terjadi
pada suhu 1000C pada tekanan 1 atm), air diberi
tekanan 160 atm.
• Air panas diangkut melalui suatu alat penukar panas
(heat exchanger), dan kalor dari air panas dipindahkan
ke air yang mengalir di sekitar alat penukar panas
(sistem pendingin sekunder).
• Kalor yang dipindahkan ke sistem pendingin sekunder
memproduksi uap yang memutar turbin.
• Turbin dikopel dengan suatu generator listrik, tempat
daya keluaran listrik menuju konsumen melalui kawat
transmisi tegangan tinggi.
• Setelah keluar dari turbin, uap didinginkan kembali
menjadi air oleh pengembun (condenser) dan
kemudian dikembalikan lagi ke alat penukar panas oleh
pompa sekuder.
SiSTeM KeSeLaMaTaN…
• Sistem keselamatan operasi reaktor terutama
ditujukan untuk menghindari bocornya radiasi
dari dalam teras reaktor.
• Sistem keselamatan reaktor dirancang mampu
menjamin agar unsur-unsur radioaktif di
dalam teras reaktor tidak terlepas ke
lingkungan, baik dalam operasi normal atau
waktu ada kejadian yang tidak diinginkan.
• Kecelakaan terparah yang diasumsikan dapat
terjadi pada suatu reaktor nuklir adalah hilangnya
sistem pendingin teras reaktor.
• Peristiwa ini dapat mengakibatkan pelelehan
bahan bakar sehingga unsur-unsur hasil fisi dapat
terlepas dari kelongsong bahan bakar.
• Hal ini dapat mengakibatkan unsur-unsur hasil fisi
tersebar ke dalam ruangan penyungkup reaktor.
• Agar unsur-unsur hasil fisi tetap dalam keadaan
terkungkung, maka reaktor nuklir memiliki sistem
keamanan yang ketat dan berlapis-lapis.
• Karena digunakan sistem berlapis, maka sistem
pengamanan ini dinamakan penghalang ganda.
SiSTeM PeNGHaLaNG gAndA…
• Penghalang pertama adalah matrik bahan
bakar nuklir. Lebih dari 99 & unsur hasil fisi
akan tetap terikat secara kuat dalam matriks
bahan bakar ini.
• Penghalang kedua adalah kelongsong bahan
bakar. Apabila ada unsur hasil fisi yang
terlepas dari matriks bahan bakar, maka unsur
tersebut akan tetap terkungkung di dalam
kelongsong yang dirancang tahan bocor.
• Penghalang ketiga adalah sistem pendingin.
Seandainya masih ada unsur hasil fisi yang
terlepas dari kelongsong, maka unsur tersebut
akan terlarut dalam air pendingin primer
sehingga tetap terkungkung dalam tangki reaktor.
• penghalang keempat adalah perisai beton. Tangki
reaktor disangga oleh bangunan berbentuk kolam
dari beton yang dapat berperan sebagai
penampung air pendingin apabila terjadi
kebocoran.
• Penghalang kelima dan keenam adalah sistem
pengungkung reaktor secara keseluruhan yang
terbuat dari pelat baja dan beton setebal dua
meter serta kedap udara.
PLTN BWR …
• Reaktor tipe ini menggunakan air (H2O) sebagai
pendingin dan moderator.
• Moderator adalah medium untuk memperlambat
kecepatan partikel neutron cepat.
• Air pendingin digunakan untuk mengambil panas yang
dihasilkan dalam teras reaktor (reactor core) sehingga
temperatur air akan naik.
• Temperatur air dibiarkan meningkat hingga mencapai
titik didih.
• Uap yang dihasilkan pada proses pendidihan air
kemudian disalurkan untuk memutar turbin yang
terhubung dengan generator listrik.
• Dalam reaktor tipe ini, uap yang terbentuk akan
menyebabkan reaktivitas reaktor menjadi negatif.
Reaktivitas negatif dapat menahan kenaikan daya
reaktor, sehingga penambahan reaktivitas
(penaikan daya reaktor) dapat dikendalikan
secara stabil dengan batang kendali.
• Reaktor nuklir tipe Reaktor Air Didih pertama kali
dikembangkan oleh perusahaan General Electric,
Amerika Serikat. PLTN Dresden 1 dengan daya
200 MWe (Mega Watt electric) merupakan PLTN
dengan reaktor tipe air didih yang pertama kali
dioperasikan secara komersial pada Juli 1960.
Konstruksi DASAR …
• Pada reaktor air didih, air pendingin dididihkan di dalam
bejana reaktor sehingga menghasilkan uap. Uap ini kemudian
secara langsung dialirkan ke turbin yang memutar generator
listrik.
• Setelah uap air menggerakkan turbin, uap disalurkan ke
kondenser dan diubah menjadi air kembali. Dengan pompa
utama, air kemudian dikembalikan ke bejana reaktor.
• Sebagian air pendingin yang berada dalam bejana reaktor
disirkulasi dengan pompa (disebut pompa resirkulasi). Air
yang keluar dari pompa resirkulasi disalurkan ke bagian bawah
teras reaktor melalui katup yang bekerja sebagai pompa jet.
• Tekanan dari pompa resirkulasi ini akan menaikkan kecepatan
aliran air pendingin dalam teras reaktor.
Konstruksi BeJaNa TeKaN
ReaKtoR …
• Dalam bejana tekan ini terdapat sekumpulan
bahan bakar, batang kendali dan konstruksi
penyangga yang membentuk suatu konstruksi
yang disebut teras reaktor.
• Di atas teras reaktor terdapat konstruksi
perangkat pemisah uap-air (steam separator) dan
di atas perangkat pemisah terdapat perangkat
pengering uap.
• Pemasangan kedua perangkat ini ditujukan untuk
menjamin agar uap yang akan dipakai untuk
memutar turbin benar-benar berupa uap kering.
• Bentuk susunan matriks batang bahan bakar
dapat pula berupa matriks 6 x 6 atau 9 x 9.
• Matriks kemudian dibungkus dengan lempeng
logam Zirkalloy. Keseluruhan susunan matriks
batang bahan bakar dan pembungkusnya serta
spacer (penjaga jarak antar batang bahan bakar)
ini disebut perangkat bahan bakar.
• Pipa pembungkus pelet bahan bakar uranium
oksida ini disebut kelongsong. Di kedua ujung
kelongsong terdapat ruang yang disebut plenum.
Dalam kelongsong juga terdapat pegas penekan
pelet bahan bakar.
• Di bagian bawah teras terdapat perangkat
pengendali daya reaktor berupa pengarah batang
kendali, penggerak batang kendali dan batang
kendali.
• Dengan perangkat ini batang kendali dapat
bergerak dari bawah ke atas masuk ke teras
reaktor melalui pengarahnya. Di sekitar teras
terdapat konstruksi loronglorong saluran
pendingin dan pompa jet.
• Salah satu contoh perangkat bahan bakar terdiri
atas 62 batang bahan bakar dan 2 batang yang
berisi air membentuk matriks 8 x 8.
• Dalam pelet bahan bakar terjadi reaksi fisi. Bahan
hasil fisi ditampung dalam ruang plenum, karena
itu tekanan dalam kelongsong tidak melonjak
terlalu besar.
• Batang kendali berfungsi sebagai penyerap
partikel neutron. Batang kendali terbuat dari
boron karbida dan atau hafnium.
• Pada bagian bawah perangkat kendali terdapat
konstruksi yang berbentuk payung yang dapat
menghambat jatuhnya batang kendali ke bawah
(keluar dari teras) agar sesuai dengan batas
kecepatan yang diperbolehkan.
• Pada bagian bawah batang kendali ini juga
terdapat
suatu
soket
mekanik
untuk
menghubungkan
batang
kendali
dengan
penggeraknya.
• Terdapat dua macam penggerak batang kendali
yaitu penggerak elektrik dan hidrolik.
• Untuk mempercepat gerak perangkat batang
kendali masuk ke teras terdapat perangkat
akumulator yang menggerakkan perangkat
batang kendali dengan tekanan gas.
• Dalam kondisi kecelakaan atau kelainan operasi
yang dianggap membahayakan, keseluruhan
perangkat batang kendali yang ada harus segera
dimasukkan ke dalam teras reaktor dengan
kecepatan tinggi untuk menghentikan reaktor.
• Penghentian reaktor secara mendadak oleh
karena suatu sebab yang dianggap
membahayakan seperti ini disebut sebagai
pancung daya (scram).
• Jika perangkat batang kendali oleh karena
suatu hal tak dapat dimasukkan ke teras
reaktor dan reaktor tidak dapat dihentikan
pada temperatur rendah, maka dalam kondisi
seperti ini ke dalam reaktor dimasukkan cairan
asam borat yang mampu menyerap partikel
neutron sehingga operasi reaktor dapat
berhenti.
PenGenDalian Daya Reaktor…
• Reaktor air didih beroperasi pada tekanan 70
kg/cm2.
Air
pendingin
mendidih
dan
menghasilkan uap di dalam bejana reaktor.
• Air dalam kondisi uap dan cair disirkulasikan
kembali ke teras reaktor dengan menggunakan
pompa sirkulasi.
• Dengan mengatur aliran resirkulasi, reaktivitas
reaktor, yang berarti juga daya reaktor, dapat
dinaik-turunkan atau dikendalikan. Ini adalah
salah satu cara pengendalian reaktor air didih
yang disebut metode pengendalian resirkulasi.
• Cara lain untuk menaikkan reaktivitas (daya reaktor)
adalah dengan menarik batang kendali dari teras
reaktor. Jika batang kendali ditarik keluar dari teras,
reaktivitas atau reaksi fisi bertambah dan menghasilkan
energi panas lebih banyak lagi (daya reaktor naik).
• Energi panas ini akan mendidihkan air lebih banyak,
dan dengan demikian uap yang dihasilkan juga
bertambah. Meningkatnya kandungan uap dalam air
akan menurunkan kemampuan air dalam memoderasi
partikel neutron.
• Jumlah neutron kecepatan rendah (neutron termal)
yang akan menimbulkan reaksi fisi menjadi berkurang,
sehingga akibatnya reaksi fisi (reaktivitas) juga
berkurang.
• Jadi menaikkan daya reaktor dengan cara
menarik batang kendali akan selalu
dikompensasi oleh produksi uap yang
menekan daya. Proses kompensasi ini akan
berakhir pada suatu kondisi stabil pada daya
setimbang tertentu.
• Sebaliknya jika batang kendali disisipkan
masuk ke dalam teras, reaksi fisi berkurang
dengan hadirnya penyerap neutron (batang
kendali) dalam teras
• Akibatnya kemampuan air dalam memoderasi
neutron bertambah, dan reaksi fisi akan mulai
meningkat. Proses penurunan daya oleh
batang kendali yang kemudian dikompensasi
oleh penurunan daya karena membaiknya
kemampuan moderasi akan terus berlangsung
hingga tercapai kondisi stabil pada suatu daya
setimbang tertentu.
• Fenomena kompensasi oleh uap-air menjadi
salah
satu
sarana
penting
dalam
pengendalian-diri (self control) reaktor dan
merupakan salah satu keunikan reaktor air
didih.
SiSTeM KeSeLaMaTaN Rekayasa…
• Sistem keselamatan yang dapat menjamin
reaktor akan berhenti jika terjadi kondisi
anomali / kecelakaan.
• Bila suatu ketika terjadi kecelakaan yang
menyebabkan pipa saluran air pendingin
terputus atau bocor sehingga pendinginan
reaktor tidak cukup, maka fasilitas sistem
pendinginan teras darurat (Emergency Core
Cooling System, ECCS) bekerja.
• Pada saat terjadi kerusakan batang bahan bakar,
air pendingin dari teras yang bertekanan tinggi
dan bertemperatur tinggi akan mengandung
bahan radioaktif yang berasal dari batang bahan
bakar. Air pendingin yang mengandung bahan
radioaktif tidak boleh keluar dari reaktor karena
berbahaya.
• Untuk menghindari lepasnya bahan radioaktif
dalam reaktor terdapat bejana reaktor yang
berfungsi sebagai pengungkung (containment)
material berbahaya jika terjadi kecelakaan, dan
terdapat juga katup isolasi yang mengisolasi
bejana reaktor dan sistem di luarnya.
• Apabila kecelakaan berlangsung dalam waktu
yang lama, teras reaktor dapat meleleh. Kondisi
ini akan menyebabkan terjadinya kenaikan
tekanan yang diikuti dengan kenaikan temperatur
dalam bejana reaktor.
• Apabila bejana reaktor tidak didinginkan, struktur
bejana kemungkinan akan rusak.
• Untuk mengatasi hal ini, disediakan sistem
penyemprot untuk melakukan tugas-tugas
pendinginan dan penurunan tekanan.
• Dalam hal terjadi kebocoran bejana reaktor,
disediakan pula sistem pengelolaan bocoran gas
agar tetap tidak menyebarluas ke lingkungan.
Gambar PLTN BWR…
LimBaH RadiOAktif…
• Limbah radioaktif merupakan hasil samping dari
kegiatan pemanfaatan teknologi nuklir.
• Dalam limbah radioaktif ini terdapat unsur-unsur
radioaktif yang masih memancarkan radiasi.
Limbah radioaktif tidak boleh dibuang ke
lingkungan karena radiasi yang dipancarkan
berpotensi memberikan efek merugikan terhadap
kesehatan manusia.
• Program pengelolaan limbah radioaktif ditujukan
untuk menjamin agar tidak seorang pun akan
menerima paparan radiasi melebihi nilai batas
yang dizinkan.
Terdapat hal-hal unik yang menguntungkan dalam rangka
pengelolaan limbah radioaktif:
1. Sifat fisika dari zat radioaktif yang selalu meluruh menjadi
zat stabil (tidak radioaktif lagi). Karena terjadi peluruhan,
maka jumlah zat radioaktif akan selalu berkurang oleh
waktu. Sifat ini sangat menguntungkan karena cukup
hanya dengan meyimpan secara aman, zat radioaktif
sudah berkurang dengan sendirinya.
2. Sebagian besar zat radioaktif yang terbentuk dalam teras
reaktor nuklir umumnya memiliki waktu paro yang sangat
pendek, mulai orde beberapa detik hingga beberapa hari.
Hal ini menyebabkan peluruhan zat radioaktif yang sangat
cepat yang berarti terjadi pengurangan volume limbah yang
sangat besar dalam waktu relatif singkat.
PenGoLahan LimBaH RadiOAktif…
Secara keseluruhan, pengelolaan limbah
radioaktif yang lazim dilakukan meliputi tiga
pendekatan pokok bergantung besar kecilnya
volume limbah, tinggi rendahnya aktivitas zat
radioaktif serta sifat-sifat fisika dan kimia
limbah tersebut.
Tiga pendekatan pokok itu meliputi :
1. Limbah radioaktif dipekatkan dan dipadatkan yang
pelaksanaannya dilakukan di dalam wadah khusus
untuk selanjutnya disimpan dalam waktu yang cukup
lama. Cara ini efektif untuk pengelolaan limbah
radioaktif cair yang mengandung zat radioaktif
beraktivitas sedang dan atau tinggi.
2. Limbah radioaktif disimpan dan dibiarkan meluruh
dalam tempat penyimpanan khusus sampai
aktivitasnya sama dengan aktivitas zat ardioaktif
lingkungan. Cara ini efektif jika dipakai untuk
pengelolan limbah radioaktif cair atau padat yang
beraktivitas rendah dan berwaktu paroh pendek.
3. Limbah radioaktif diencerkan dan didispersikan ke
lingkungan. Cara ini efektif untuk pengelolaan limbah
radioaktif cair atau gas beraktivitas rendah.

similar documents