Reaktor HTR

REAKTOR NUKLIR

Reaktor nuklir adalah tempat terjadinya reaksi berantai yang menyangkut fisi nuklir yang terkendali. Sebuah reaktor merupakan sumber energi yang sangat efisien : fisi 1 gram nuklide yang memadai per hari, dapat melepaskan energi dengan laju sekitar 1 Mega Watt dibandingkan dengan pembakaran 2,6 ton batu bara per hari supaya menghasilkan energi sebesar itu. Energi yang dilepaskan dalam sebuah reaktor nuklir timbul sebagai kalor dan dapat diambil dengan mengalirkan zat cair atau gas sebagai pendingin (Beiser, 1999).

Gambar 1. Reaktor Nuklir (Alatas, 2010)

Secara umum terdapat lima buah komponen dasar pada sebuah reaktor nuklir yaitu : bahan bakar, moderator, batang kendali, pendingin dan perisai pengungkung.

a.       Bahan bakar

Bahan bakar reaktor nuklir adalah nuklida – nuklida dapat belah. Bahan bakar yang umum dipakai untuk reaktor nuklir saat ini adalah uranium dan plutonium oksida yang biasanya berbentuk silinder pejal dengan tinggi dan diameter sekitar 1 cm dan dinamakan pellet.

b.      Moderator dan pendingin

Kebanyakan reaktor yang ada saat ini menggunakan media air sebagai moderator. Reaktor harus didinginkan karena panas yang dibangkitkan oleh freaksi fisi dalam bahan bakar akan menghasilkan suhu 1000 ^oC di pusat bahan bakar.

c.       Batang kendali

Material yang umum dipakai untuk batang kendali adalah Boron Karbida ( B₄C ) atau campuran perak-indium-kadmium yang dikemas dalam kelongsong logam.

d.      Bejana pengungkung

Perisai pengungkung terbuat dari bejana baja tahan karat dengan ketebalan sekitar 20 cm. Bejana ini berfungsi sebagai perisai radiasi dan juga pengungkung material radioaktif jika terjadi lelehan bahan bakar nuklir (Peryoga, 2007).

1. Faktor Multiplikasi dan Kritikalitas Nuklir

            Pada saat terjadi reaksi fisi, beberapa jumlah neutron akan diserap oleh ini fissil atau inti dapat dibelah dan merambat ke fisi yang lain. Hal itu menyebabkan lahirnya fisi neutron yang baru dan merupakan generasi baru dari fisi neutron. Sehingga dapat dihitung jumlah neutron pada dua generasi yang berbeda. Kemudian didefinisikan besarnya perbandingan faktor multiplikasi ( k ) pada rantai reaksi (Duderstadt, 1976).

            Pada satu neutron pada satu generasi faktor multiplikasinya akan relatif konstan yang disebut posisi kritis ( k = 1 ). Jika populasi neutron menjadi menurun maka dapat disebut posisi subkritis ( k < 1 ), namun jika populasi neutron menjadi meningkat maka dapat disebut posisi superkritis ( k > 1 ). Besarnya komposisi k bergantung jumlah nuklida pada jenis yang berbeda yang dihasilkan dan perhitungan distribusi energi neutron, dimana merupakan perhitungan rata – rata tampang lintang pada masing – masing nuklida.

            Pada nuklida fissil  ²³⁵ U hanya terdapat uranium di alam sebesar 0,72 %. Pengkayaan bahan bakar dilakukan agar dapat mencapai isi fissil yang lebih banyak dimana nilainya lebih besar dari f , artinya meningkatkan faktor multiplikasi secara konstan (Stacey, 2001).

2. Reaktor Daya

            Reaktor daya merupakan jenis reaktor yang digunakan untuk PLTN. PLTN adalah satu sistem yang mengkonversikan panas hasil reaksi fisi di dalam reaktor nuklir menjadi energi listrik. Semua PLTN dioperasikan pada steam cycle dimana panas dibangkitkan oleh fisi nuklir yang digunakan untuk mengkonversi air ke dalam uap bertekanan tinggi (Duderstadt, 1976). Panas yang dibangkitkan di dalam reaktor nuklir dipindahkan ke air pendingin yang kemudian dipergunakan untuk membangkitkan uap dalam steam generator. Uap yang dihasilkan selanjutnya dipergunakan untuk memutar turbin.

            Perputaran turbin kemudian digunakan untuk menggerakkan generator sehingga dihasilkan listrik. Sementara itu uap dari turbin diubah kembali menjadi air dalam kondenser untuk kemudian dipompakan kembali ke steam generator (Peryoga, 2007).

Gambar 2. Skema PLTN (Duderstadt, 1976)

3. HTR

     High Temperature Reactor (HTR) adalah jenis reaktor yang menggunakan pendingin gas helium (He) dan moderator grafit. Kedua zat tersebut dianggap zat yang paling sesuai untuk beroperasi pada temperatur tinggi, dibandingkan dengan bentuk fasa lainnya. Reaktor HTR mampu menghasilkan panas hingga 750⁰C dengan efisiensi termalnya sekitar 40%. Pada reaktor HTR ini menggunakan Boron dan Cadmium sebagai batang kendali, yang digunakan untuk mengatur jumlah neutron yang dihasilkan sekam proses berlangsung dengan cara menyerap neutron tersebut. Selain itu bahan bakar yang digunakan reaktor ada dua jenis bentuk yaitu bahan bakar berbentuk blok prismatik dan bahan bakar berbentuk pebble. Setiap elemen bahan bakar tersebut mengandung 192 gram Karbon, 0,96 gram ²³⁵U dan 10,2 gram ²³²Th yang dapat dibiakkkan menjadi bahan bahan bakar baru ²³⁵U (Lohnert, 2002).

Berdasarkan bentuk bahan bakar yang digunakan tersebut HTR dibedakan menjadi dua jenis yaitu bahan bakar berbentuk blok prismatik disebut HTR prismatik dan bahan bakar berbentuk pebble disebut HTR pebble bed. Kedua jenis HTR ini memanfaatkan grafit sebagai moderator sekaligus reflektor dan bahan bakar yang terdiri dari ribuan partikel berlapis (coated particle) TRISO dalam matriks grafit.

Setiap partikel berlapis TRISO disusun oleh bahan bakar kernel dengan komposisi ThO₂ atau UO₂ (pengkayaan ²³⁵U 8,2%) dengan diameter 0,05 cm. Partikel ini dikelilingi oleh 4 lapisan yang terdiri atas lapisan penyangga karbon berpori (porous carbon buffer), lapisan piro karbon bagian dalam (inner pyrolitic carbon, IPyC), lapisan silikon karbida (SC) dan lapisan piro karbon bagian luar (outer pyrolitic carbon, OPyC) yang terdispersi dalam matrik grafit. Sebanyak 15.000 partikel berlapis membentuk bola berdiameter 5 cm yang dikelilingi oleh shell grafit dengan ketebalan 0,5 cm dalam sebuah bahan bakar bola (Kriek, 2008).

Gambar 3. Bahan bakar berbentuk pebble ( IAEA, 2002 )