Transcript Prinsip Reaktor nuklir

PRINSIP REAKTOR NUKLIR
Budi Rohman
Direktorat Perizinan Instalasi dan Bahan Nuklir
Basic Professional Training Course on Nuclear Safety (BPTC)
Bidang Instalasi Nuklir
Balai Pendidikan dan Pelatihan
Cisarua, Maret 2014
RUANG LINGKUP
•
•
•
•
•
•
•
Partikel Atom
Interaksi Neutron
Reaksi Pembelahan
Tampang Lintang Neutron
Moderasi Neutron
Siklus Hidup Neutron
Reaktor
1. PARTIKEL ATOM
Struktur atom
• Inti (nukleus)
- Proton
nukleon
- Neutron
• Elektron di orbit sekitarnya
• Jml elektron = jml proton
Simbol
A
X
Z
Model atom Bohr
Z= no. atom (jml. proton dalam inti)
A= no. massa (jml. total nukleon dalam inti)
= Z+N
di mana N= jml. neutron
1. PARTIKEL ATOM (lanjutan)
Definisi
Isotop: elemen dg. Z sama
A beda
Isobar: elemen dg. Z beda
A sama
Isoton: elemen dg. N sama
235,
238
92U
92U
239,
239
92U
94Pu
8O
16,
14
6C
Massa Atom
Dinyatakan dalam atomic mass unit (amu), atau
satuan massa atom (sma)
1 sma = 1/12 × massa isotop 6C12
3
1  12 10 





12  N A

= 1.66058×10-27
NA= bil. Avogadro
= 6.022×1023
kg
= jml. atom dalam 1 mol zat
1. PARTIKEL ATOM (lanjutan)
Massa beberapa partikel elementer
Partikel
Elektron
Neutron
Proton
Partikel 
Massa
sma
5.4858026×10-4
kg
9.112×10-31
1.008664
1.007276
4.001506
1.675×10-27
1.673×10-27
6.647×10-27
1. PARTIKEL ATOM (lanjutan)
Elemen Dalam Konversi Energi
• Material dapat belah (fissionable) atau fertil:
memerlukan neutron dengan energi tinggi (neutron
cepat) untuk dapat melakukan reaksi pembelahan.
• Material fisil: dapat membelah dengan neutron energi
rendah (neutron termal).
Nuklida untuk konservasi energi
Material
Fertil
Fisil
Nuklida
% Berat
Massa (sma)
100
232.038050
Uranium-234
0.0058
234.040945
Uranium-238
99.274
238.050782
Uranium-233
-
233.039635
Uranium-235
0.720
235.043923
Torium-232
1. PARTIKEL ATOM (lanjutan)
Kesetaraan Massa-Energi
Teori relativitas Einstein:
E= mc2
c= 3×108 m/det (kecepatan cahaya)
Satuan: eV= energi yang diperoleh oleh sebuah elektron
(muatan: 1.60217657×10-19 C) ketika melewati
medan listrik dengan beda potensial 1 Volt
1 eV= 1.6021765710-19 Joule
1 sma  931.5 MeV
1. PARTIKEL ATOM (lanjutan)
Energi Ikat
• Massa atom yang sesungguhnya (M) selalu lebih kecil dari
jumlah massa elemen penyusunnya.
• Perbedaan ini disebut massa hilang (mass defect) (m).
Massa hilang ini terkait dengan energi ikat partikel-partikel
di dalam inti atom.
m= [Zmp+Zme+(A-Z)mn]-M
• m merupakan massa yang diubah menjadi energi apabila
suatu inti atom terbentuk dari atau dipecah menjadi
komponen-komponennya.
• Energi yang setara dengan massa hilang disebut energi
ikat (binding energy) inti atom (Eb).
Eb= mc2
1. PARTIKEL ATOM (lanjutan)
Energi ikat per nukleon sebagai fungsi nomor masa
• Proses di mana inti atom dengan Eb per nukleon lebih
rendah (kurang stabil) diubah menjadi inti atom dengan
Eb per nukleon lebih tinggi (lebih stabil) akan disertai
dengan pelepasan energi.
• Energi dapat diperoleh dengan menggabungkan inti atom
ringan atau dengan membelah inti atom berat.
2. INTERAKSI NEUTRON
• Partikel netral (misalnya neutron) mudah berinteraksi
dengan inti atom karena tidak adanya gaya Coulomb.
• Reaksi nuklir mengikuti konservasi nukleon, muatan,
momentum, dan energi
Tumbukan (Hamburan) Elastis
• Energi kinetik total
terkonservasi.
• Neutron kehilangan
kecepatan/energi
(termoderasi) setelah
mengalami tumbukan.
v2
n
v1
A
v2 < v1
v
• Makin ringan inti atom target, makin besar bagian energi
neutron yang hilang dalam tumbukan
• En cepat = 2 MeV, En termal = 0.025 eV
2. INTERAKSI NEUTRON (lanjutan)
Tumbukan (Hamburan) Tak-Elastis
• Energi kinetik dalam
tumbukan tidak
terkonservasi.
• Neutron memasuki inti
atom target membentuk
inti majemuk (compund
nucleus).
10-14 sec
• Ekin dan Eb neutron diubah menjadi energi eksitasi inti
majemuk sehingga ia menjadi tidak stabil.
• Dalam tumbukan ini terbentuk ini baru.
• Contoh: pembentukan Pu239 di bahan bakar
N16 di pendingin primer
3. REAKSI PEMBELAHAN
Reaksi neutron dengan nuklida berat tertentu yang
membentuk nuklida tereksitasi, kemudian nuklida tereksitasi
tersebut ’membelah’ menjadi dua bagian disertai dengan
lahirnya beberapa neutron baru dan pelepasan sejumlah
energi.
Reaksi pembelahan U235
n + U235  X1 + X2 + (2-3) n
+ energi
X1 dan X2: produk fisi
3. REAKSI PEMBELAHAN (lanjutan)
Energi Pembelahan
• Reaksi pembelahan menghasilkan sejumlah energi yang
setara dengan dengan hilangnya massa dalam proses
pembelahan.
• Energi pembelahan ini mencakup energi langsung dan
tertunda.
Misalnya pada reaksi pembelahan U235 berikut:
235( U236)* Cs140+ Rb93+3( n1)+energi
0n1+92U
92
55
37
0
Energi pembelahan langsung
Massa pereaksi
235
92U
0n
1
Massa Produk
235.043924 sma
37Rb
1.008665 sma
55Cs
93
140
3(0n1)
236.052589 sma
92.91699 sma
139.90910 sma
3.02599 sma
235.85208 sma
3. REAKSI PEMBELAHAN (lanjutan)
Perbedaan massa = 0.200509 sma
Energi
= 0.200509 sma × 931.5 MeV/sma
 187 MeV
(terdiri dari energi kinetik produk fisi, energi neutron, sinar serempak)
Energi pembelahan tidak langsung (tertunda)
Partikel  dan sinar- produk fisi = 13 MeV
Neutrino
= 10 MeV (tidak diserap)
Total energi tertunda
= 23 MeV
13 MeV (7%)  ”panas peluruhan”
Energi rata-rata tiap pembelahan
 200 MeV
3. REAKSI PEMBELAHAN (lanjutan)
Nuklida Hasil Belah
• Pembelahan U235 menghasilkan
lebih dari 80 produk fisi.
• Massa fragmen produk fisi
lazimnya tidak simetris, tetapi
cukup berbeda.
• Massa produk fisi sebagian besar
jatuh dalam 2 kategori:
- ’ringan’ (A= 80 s/d 110)
- ’berat’
(A= 125 s/d 155)
• Produk fisi dengan kebolehjadian
paling besar (6.4 % dari total)
memiliki A= 95 dan 139.
4. TAMPANG LINTANG NEUTRON
Rapat Atom
Adalah jumlah atom dalam setiap satuan volume material.
Dihitung dengan:
N = rapat atom (atom/cm3)
NA
 = kerapatan (g/cm3)
N
NA = Bilangan Avogadro
M
M = berat atom (g)
Tampang Lintang
Tampang lintang mikroskopis
• Merupakan besaran yang berkaitan dengan kebolehjadian
suatu neutron berinteraksi dengan sebuah inti atom.
• Dapat dianggap sebagai luasan efektif suatu inti atom
untuk berinteraksi dengan neutron.
4. TAMPANG LINTANG .... (lanjutan)
Ilustrasi:
Suatu material target tipis memiliki luas A, tebal X, dan
mengandung N atom/volume. Pada target dilewatkan
neutron dengan intensitas I n/([satuan luas]×[detik]).
Jumlah atom target= NAX.
Laju reaksi neutron akan proporsional dengan I, N, A, dan
X, ditulis:
NA nuklida/cm2
Laju reaksi= INAX
[tumbukan/detik]
 = konstanta proporsionalitas
= tampang lintang mikroskopis
Satuan: barn (b)
1 b = 10-24 cm2
I neutron/cm2detik
4. TAMPANG LINTANG .... (lanjutan)
Simbol tampang lintang neutron untuk berbagai reaksi:
f : tampang lintang fisi
a : tampang lintang absorbsi
s : tampang lintang hamburan
 : tampang lintang tangkapan radiatif
Tampang lintang berbagai
bahan bakar untuk neutron
termal
Isotop
f (b)
 (b)
a (b)
s (b)
U233
530.6
47
577.6
10.7
U235
580.2
98.30
678.5
17.6
U238
0
2.71
2.71
~10
U alam
4.18
3.40
7.58
~10
Pu239
741.6
271.3
1012.9
8.5
Pu241
1007.3
368.1
1375.4
12
Tampang lintang makroskopis
Tampang lintang total untuk N atom/volume
= N [cm-1]c
4. TAMPANG LINTANG .... (lanjutan)
Tampang lintang: fungsi energi neutron
a vs energi neutron
4. TAMPANG LINTANG .... (lanjutan)
f U235
vs energi neutron
4. TAMPANG LINTANG .... (lanjutan)
Tampang lintang makroskopis material
Merupakan jumlahan dari perkalian antara rapat atom
isotop tertentu dengan tampang lintang mikroskopisnya
untuk seluruh jenis atom penyusun material.
= N11 + N22 + N33 + .... + Nnn [cm-1]
Jarak Bebas Pukul Rata
• Adalah jarak rata-rata perjalanan neutron sebelum
mengalami interaksi tertentu.
• Merupakan invers dari tampang lintang makroskopis
interaksi tertentu.
1

[cm]
Fluks Neutron

Merupakan hasil kali antara n (kerapatan neutron) dengan v
(kecepatan neutron)
= nv [neutron/(cm2.det)]
5. MODERASI NEUTRON
Mekanisme moderasi neutron
• Dalam reaktor termal, reaksi pembelahan dihasilkan
oleh neutron termal.
• Neutron hasil pembelahan adalah neutron cepat yang
berenergi tinggi.
• Neutron cepat ini perlu diperlambat (dimoderasi)
sampai mencapai tingkat energi termal.
• Moderasi neutron hingga mencapai tingkat energi
termal melalui proses hamburan elastis.
5. MODERASI NEUTRON (lanjutan)
Penurunan energi logaritmis ( /xi/)
Adalah penurunan logaritma energi neutron rata-rata setiap
kali terjadi tumbukan.
 E
  ln  i
E
 f
2


A  1
A 1
  1
ln

2A
A 1

Jumlah total tumbukan (N) neutron untuk kehilangan
sejumlah energi dihitung dengan membagi selisih energi
logaritmis neutron yang hilang tersebut tersebut dengan
penurunan energi logaritmis per tumbukan 
N
 Ehigh 

ln 

E
 low 

5. MODERASI NEUTRON (lanjutan)
Jumlah tumbukan (N) yang diperlukan untuk membawa
sebuah neutron cepat hasil reaksi pembelahan (2 MeV) ke
tingkat energi termal (0.025 eV):
 2 10
ln 
 0.025
6
N





Nilai  dan N untuk beberapa macam unsur

Elemen
No. Massa

N
18.2
H
1
1
18

D
2
0.725
25
He
4
0.425
43
Be
97
0.206
86
C
12
0.158
114
U
238
0.00084
2172
5. MODERASI NEUTRON (lanjutan)
Daya Moderasi
• Merupakan ukuran efektivitas suatu material sebagai
moderator.
• Kuantitas ini memperhitungkan tumbukan hamburan dan
kehilangan energi per tumbukan.
Daya moderasi= s
Perbandingan Moderasi
• Merupakan indikator kualitas moderator.
• Perbandingan moderasi memperhitungan efektivitas
moderator sekaligus faktor absorpsi.
MR 
 s
a
5. MODERASI NEUTRON (lanjutan)
Daya moderasi dan perbandingan moderasi beberapa macam moderator
Moderator
Daya Moderasi
Perbandingan Moderasi
Air
1.28
58
Air berat
0.18
21000
Berilium
0.16
130
Grafit
0.065
200
• Air ringan (H2O) memiliki sifat-sifat moderasi yang bagus
tetapi memiliki a yang terlalu besar bila digunakan
sebagai moderator untuk bahan bakar uranium alam.
• Air berat (D2O) memiliki a yang kecil, maka uranium alam
atau sedikit diperkaya dapat digunakan sebagai bahan
bakar.
6. SIKLUS HIDUP NEUTRON
Reaksi Berantai
Terjadi ketika sejumlah neutron cepat diproduksi dalam
reaksi pembelahan pada satu generasi, yang kemudian
setelah melalui berbagai proses interaksi pada akhirnya
melakukan pembelahan pada generasi berikutnya.
6. SIKLUS HIDUP …. (lanjutan)
Faktor Perlipatan Takhingga (k)
• Tidak seluruh neutron yang dihasilkan oleh pembelahan
akan memiliki kesempatan untuk melakukan reaksi
pembelahan yang baru.
• Beberapa neutron akan diserap dalam meterial tanpa
mengalami pembelahan atau keluar (bocor) dari reaktor.
• Faktor perlipatan takhingga menentukan penambahan atau
pengurangan fluks neutron dalam sebuah reaktor yang tak
terhingga besarnya (infinite).
k 
jumlah neutron hasil pembelahan pada satu generasi
jumlah neutron yang diserap pada generasi sebelumnya
6. SIKLUS HIDUP …. (lanjutan)
Formula 4 Faktor
Untuk reaktor tak berhingga besar, ada empat faktor yang
mempengaruhi nilai k∞:
k∞= pf
Faktor pembelahan cepat (ε)
Perbandingan antara jumlah neutron cepat yang dihasilkan
dari seluruh reaksi pembelahan dengan jumlah neutron
cepat yang dihasilkan oleh reaksi pembelahan neutron
termal

jumlah neutron cepat dihasilkan dari seluruh pembelahan
jumlah neutron cepat dihasilkan hanya dari pembelahan neutron te rmal
6. SIKLUS HIDUP …. (lanjutan)
k∞= pf
Kebolehjadian bebas resonansi (p)
Adalah kebolehjadian tidak tertangkapnya neutron di daerah
puncak-puncak resonansi
p
jumlah neutron yang mencapai tenaga termal
jumlah neutron pada saat mulai perlambata n
Tampang lintang serapan
vs energi neutron.
6. SIKLUS HIDUP …. (lanjutan)
k∞= pf
Faktor penggunaan termal (f)
• Menyatakan perbandingan jumlah neutron termal yang
diserap oleh bahan bakar terhadap jumlah neutron termal
yang diserap oleh seluruh material reaktor.
• Faktor ini menggambarkan efektifitas neutron diserap oleh
bahan bakar.
f 
jumlah neutron te rmal yang diserap bahan bakar
jumlah neutron te rmal yang diserap oleh seluruh material reaktor
Faktor reproduksi (η)
Adalah perbandingan jumlah neutron cepat yang dihasilkan
oleh reaksi pembelahan neutron termal terhadap jumlah
neutron termal yang diserap bahan bakar.

jumlah neutron cepat yang dihasilkan pembelahan neutron te rmal
jumlah neutron te rmal yang diserap oleh bahan bakar
6. SIKLUS HIDUP …. (lanjutan)
Faktor Perlipatan Efektif (keff)
• Untuk reaktor yang sesungguhnya (berhingga), selalu
terdapat neutron yang bocor dari sistem.
• Faktor perlipatan yang memperhitungkan kebocoran
tersebut disebut faktor perlipatan efektif.
• Faktor perlipatan efektif adalah perbandingan antara
produksi neutron hasil pembelahan pada satu generasi
dengan neutron yang hilang karena serapan dan bocoran
pada generasi sebelumnya
k eff 
neutron yang diproduksi dari pembelahan pada satu generasi
 serapan neutron pada  neutron yang bocor pada 
 generasi sebelumnya

generasi sebelumnya


6. SIKLUS HIDUP .… (lanjutan)
Formula Enam Faktor dan Kekritisan Reaktor
Faktor perlipatan efektif:
keff = k∞PFPT
= PFpPTf
• keff < 1  subkritis
• keff = 1  kritis
• keff > 1  super kritis
Kebolehjadian tak-bocor cepat (PF)
Adalah perbandingan antara jumlah neutron cepat yang tidak
mengalami kebocoran dari teras dengan jumlah neutron
cepat yang dihasilkan oleh seluruh reaksi pembelahan
Kebolehjadian tak-bocor termal (PT)
Adalah perbandingan antara jumlah neutron termal yang
tidak mengalami kebocoran dari teras dengan jumlah
neutron termal yang mencapai energi termal.
6. SIKLUS HIDUP …. (lanjutan)
• keff < 1  subkritis
• keff = 1  kritis
• keff > 1  super kritis
7. REAKTOR
Definisi
Reaktor (nuklir) adalah alat atau instalasi yang dijalankan
dengan bahan bakar nuklir yang dapat menghasilkan reaksi
inti berantai yang terkendali dan digunakan untuk
pembangkitan daya, atau penelitian, dan/atau produksi
radioisotop.
Jenis menurut Pemanfatan
• Reaktor daya: reaktor nuklir yang memanfaatkan energi
panas hasil pembelahan nuklir untuk pembangkitan daya.
• Reaktor nondaya: reaktor nuklir yang memanfaatkan
neutron dan radiasi hasil pembelahan nuklir.
7. REAKTOR (lanjutan)
Jenis menurut Energi Neutron
• Reaktor termal: reaksi pembelahan dihasilkan dari neutron
termal.
• Reaktor cepat: reaksi pembelahan dihasilkan dari neutron
cepat (>100 keV ).
Jenis menurut Pendingin
• Reaktor berpendingin air ringan (H2O).
- TRIGA, MTR, PWR, BWR
• Reaktor berpendingin air berat (D2O).
- CANDU
• Reaktor berpendingin gas (mis: CO2 atau He).
- Magnox, UNGG
• Reaktor berpendingin logam cair (misal: sodium cair).
- LMFBR
7. REAKTOR (lanjutan)
Komponen Reaktor
7. REAKTOR (lanjutan)
Komponen Reaktor (lanjutan)
• Bahan bakar: merupakan material di mana reaksi
pembelahan terjadi.
• Pendingin: fluida (cair atau gas) yang memiliki sifat-sifat
perpindahan panas yang baik berfungsi untuk
mendinginkan bahan bakar.
• Moderator (untuk reaktor termal): untuk menurunkan
energi neutron dari energi cepat ke energi termal.
• Batang kendali: untuk mengendalikan jumlah populasi
neutron yang terdapat di dalam teras reaktor.
• Reflektor (reaktor non daya): untuk memantulkan neutron
kembali ke teras sehingga memperkecil kebocoran serta
memperbaiki ekonomi neutron.
7. REAKTOR (lanjutan)
Komponen Reaktor (lanjutan)
• Perisai (shielding): untuk menahan radiasi yang
dikeluarkan oleh inti-inti hasil reaksi pembelahan.
• Sungkup (containment, untuk reaktor daya): untuk
menahan tekanan tinggi. Di dalamnya dilapisi dengan baja
tahan karat untuk meminimalkan kebocoran gas dan uap.
(Padanan pada reaktor non-daya: gedung reaktor, sebagai
pengungukung terakhir produk fisi, tetapi lazimnya tidak
untuk menahan tekanan tinggi.)