PRINSIP REAKTOR NUKLIR

1. 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

2. RUANG LINGKUP • Partikel Atom • Interaksi Neutron • Reaksi Pembelahan • Tampang Lintang Neutron • Moderasi Neutron • Siklus Hidup Neutron • Reaktor

3. 1. PARTIKEL ATOM • Struktur atom • Inti (nukleus) • - Proton • - Neutron • Elektron di orbit sekitarnya • Jml elektron = jml proton nukleon Simbol ZXA 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

4. 1. PARTIKEL ATOM(lanjutan) Definisi Isotop: elemen dg. Z sama A beda Isobar: elemen dg. Z beda A sama Isoton: elemen dg. N sama 92U235, 92U238 92U239, 94Pu239 8O16, 6C14 Massa Atom Dinyatakan dalam atomic mass unit (amu), atau satuan massa atom (sma) 1 sma = 1/12 × massa isotop 6C12 NA= bil. Avogadro = 6.022×1023 = jml. atom dalam 1 mol zat = 1.66058×10-27 kg

5. 1. PARTIKEL ATOM(lanjutan) Massa beberapa partikel elementer

6. 1. PARTIKEL ATOM(lanjutan) • Elemen Dalam Konversi Energi • Material dapat belah (fissionable) atau fertil: memerlukan neutron dengan energi tinggi (neutroncepat) untuk dapat melakukan reaksi pembelahan. • Material fisil: dapat membelah dengan neutron energi rendah (neutron termal). Nuklida untuk konservasi energi

7. 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

8. 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 energiikat (binding energy) inti atom (Eb). Eb= mc2

9. 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.

10. 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 A n v1 v v2 < v1 • Makin ringan inti atom target, makin besar bagian energi neutron yang hilang dalam tumbukan • En cepat = 2 MeV, En termal = 0.025 eV

11. 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

12. 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

13. 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: 0n1+92U235(92U236)*55Cs140+37Rb93+3(0n1)+energi Energi pembelahan langsung

14. 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

15. 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.

16. 4. TAMPANG LINTANG NEUTRON Rapat Atom Adalah jumlah atom dalam setiap satuan volume material. Dihitung dengan: N = rapat atom (atom/cm3) = kerapatan (g/cm3) NA = Bilangan Avogadro 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.

17. 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: Laju reaksi= INAX [tumbukan/detik]  = konstanta proporsionalitas = tampang lintang mikroskopis Satuan: barn (b) 1 b = 10-24 cm2

18. 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 Tampang lintang makroskopis Tampang lintang total untuk N atom/volume = N [cm-1]c

19. 4. TAMPANG LINTANG .... (lanjutan) Tampang lintang: fungsi energi neutron avs energi neutron

20. 4. TAMPANG LINTANG .... (lanjutan) f U235 vs energi neutron

21. 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. [cm] Fluks Neutron Merupakan hasil kali antara n (kerapatan neutron) dengan v (kecepatan neutron) = nv [neutron/(cm2.det)]

22. 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.

23. 5. MODERASI NEUTRON (lanjutan) Penurunan energi logaritmis ( /xi/) Adalah penurunan logaritma energi neutron rata-rata setiap kali terjadi tumbukan. 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 

24. 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): Nilai  dan N untuk beberapa macam unsur

25. 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.

26. 5. MODERASI NEUTRON (lanjutan) Daya moderasi dan perbandingan moderasibeberapa macam moderator • 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.

27. 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.

28. 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).

29. 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

30. 6. SIKLUS HIDUP …. (lanjutan) Kebolehjadian bebas resonansi (p) Adalah kebolehjadian tidak tertangkapnya neutron di daerah puncak-puncak resonansi k∞= pf Tampang lintang serapan vs energi neutron.

31. 6. SIKLUS HIDUP …. (lanjutan) • 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. k∞= pf Faktor reproduksi (η) Adalah perbandingan jumlah neutron cepat yang dihasilkan oleh reaksi pembelahan neutron termal terhadap jumlah neutron termal yang diserap bahan bakar.

32. 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

33. 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.

34. 6. SIKLUS HIDUP …. (lanjutan) • keff < 1  subkritis • keff = 1  kritis • keff > 1  super kritis

35. 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.

36. 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

37. 7. REAKTOR (lanjutan) Komponen Reaktor

38. 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.

39. 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.)