57

TRANSPOR RADIONUKLIDA DALAM SISTEM PENDINGINREAKTOR PWR SELAMA KECELAKAAN PARAH

Anhar R. Antariksawan, SugiyantoPusat Pengembangan Teknologi Keselamatan Nuklir – BATAN

ABSTRACTTRANSPORT OF RADIONUCLIDES IN THE PWR REACTOR COOLANT

SYSTEM DURING SEVERE ACCIDENT. The analyses of radionuclides release andtransport in the reactor coolant system during severe accident in PWR have been performed.The accident scenario analysed was the accident which caused the severe core damagefollowing total station blackout and primary pump seal break. The analysis tool used isMELCOR1.8.4 code. The objective of the analyses was to study the characteristic ofradionuclides release and transport in the reactor coolant system for various accidentconditions which were given by four calculations. The radionuclide release is began by gaprelease, then release during core heat-up and degradation. The dominant radionuclides releasedwere noble gas class, up to 225 kg; alkaline metal class, up to 120 kg, halogen and chalcogenclasses, up to 20 kg. The radionuclides deposition was mostly found at the pressurizer surgeline. The transport and deposition characteristics are affected by thermohydraulic condition ofcoolant system.

Key words: Severe Accident, Radionuclide transport, Reactor Coolant System, PWR

ABSTRAKTRANSPOR RADIONUKLIDA DALAM SISTEM PENDINGIN REAKTOR

PWR SELAMA KECELAKAAN PARAH. Telah dilakukan analisis terhadap pelepasan dantranspor radionuklida dari teras ke sistem pendingin reaktor selama kejadian kecelakaan parahpada reaktor jenis PWR. Skenario kecelakaan yang dianalisis adalah kecelakaan yangmengakibatkan kerusakan teras menyusul kehilangan catu daya listrik dan diikuti olehkebocoran seal pompa sirkulasi primer. Alat analisis adalah paket program perhitunganMELCOR1.8.4. Tujuan analisis adalah mempelajari karakteristik pelepasan dan transporradionuklida dalam sistem pendingin reaktor dalam kondisi kecelakaan yang berbeda yangdiberikan dalam empat perhitungan. Pelepasan radionuklida dimulai dari pelepasan celah,kemudian pelepasan selama pemanasan dan degradasi teras. Radionuklida yang dominandilepas pada keempat perhitungan adalah kelas gas mulia, hingga 225 kg; kelas logam alkali,hingga 120 kg; dan kelas halogen serta kelas chalcogen yang mencapai 20 kg. Deposisiradionuklida terbanyak dijumpai di surge line tabung penekan. Karakteristik transpor dandeposisi radionuklida ini dipengaruhi oleh kondisi termohidraulika sistem pendingin.

Kata Kunci: Kecelakaan Parah, Transpor radionuklida, Sistem Pendingin Reaktor, PWR

PENDAHULUAN

Suatu insiden (incident) di dalam reaktor nuklir dapat mengarah padakategori kecelakaan (accident) atau bahkan kecelakaan parah (severeaccident) apabila teras reaktor tidak dapat didinginkan dengan baik. Jika haltersebut terjadi, kerusakan teras (kelongsong, bahan bakar dan struktur

58

lainnya) yang berlanjut dengan pelepasan radionuklida produk reaksi fisimenjadi konsekuensi yang paling berpotensi memberi risiko burukpada publik.

Di bawah temperatur 1300K, produk fisi masih stabil di dalam matriksbahan bakar. Hingga temperatur 1600K, kelongsong mulai rusak danmengakibatkan pelepasan gas yang terkumpul dalam celah bahan bakarkelongsong [1]. Jika, kemudian sistem pendingin darurat tidak mampuberfungsi mendinginkan teras, kenaikan temperatur bahan bakar akanmengakibatkan kerusakan yang lebih parah pada bahan bakar. Apabila haltersebut terjadi, pelepasan radionuklida produk fisi akan lebih signifikan.Dalam terminologi keselamatan reaktor, radionuklida yang terlepas tersebutdinamakan faktor sumber (source term). Karakteristik pelepasan masing-masing jenis radionuklida bergantung pada berbagai hal, yang terutamaadalah sifat volatilitas (volatility). Radionuklida yang terlepas tersebut dapatberada dalam bentuk gas atau aerosol yang terbentuk dari struktur teras yangrusak. Pada fase awal, radionuklida akan dilepaskan di dalam sistempendingin reaktor (reactor coolant system, RCS). Pelepasan ke kontainmen(containment) dapat terjadi apabila ada kebocoran pada sistem pendinginreaktor. Pelepasan dan selanjutnya transpor radionuklida di seluruh sistempendingin reaktor dipengaruhi oleh berbagai faktor. Diantara faktor tersebut,yang memiliki pengaruh dominan adalah kondisi termohidraulika sistempendingin reaktor [2]. Menyusul pelepasannya dalam sistem pendingin,radionuklida dapat terdeposisi (deposited) pada sistem perpipaan.Radionuklida dari produk fisi yang terdeposisi pada pipa menyebabkansumber beban termal akibat panas peluruhan yang dilepas sehingga dapatmengancam integritas pipa tersebut. Retensi radionuklida di dalam sistempendingin reaktor tergantung dari jenis kecelakaan dan jenis radionuklidanya.Untuk beberapa radionuklida yang penting, seperti cesium (Cs) dan iodine (I)dapat berkisar antara 0,03 hingga 0,93 massa inventori awal [3].

Berbagai penelitian tentang fenomena pelepasan dan transporradionuklida telah dilakukan, baik secara eksperimental maupun analisis.Salah satu kegiatan eksperimen komprehensif dilakukan melalui programPHEBUS-FP [4]. Melalui eksperimen dengan menggunakan bahan bakarsebenarnya ini (in-pile test facility) dapat dipelajari pelepasan radionuklidadari bahan bakar hingga ke kontainmen. Sedangkan eksperimen seperti yangdilakukan pada program WIND ditujukan untuk mempelajari karakteristikdeposisi (deposition) radionuklida Cesium Iodida (CsI) dan interaksinya padapipa primer [5]. Selain itu, beberapa studi untuk menganalisis hasileksperimen telah pula dilakukan, diantaranya analisis eksperimen PHEBUSdengan code MACRES [6] dan analisis deposisi CsI pada eksperimen WINDdengan code ART dan VICTORIA [7].

Studi yang disebutkan di atas tidak membahas karakteristik pelepasandan transpor radionuklida dalam suatu sistem integral pembangkit listriktenaga nuklir (PLTN). Artikel ini akan membahas karakteristik pelepasan

59

radionuklida dari teras ke sistem pendingin reaktor suatu reaktor jenis airtekan (pressurized water reactor, PWR). Sebagai kejadian awal (initiatingevent) yang memicu sekuensi kecelakaan parah adalah kejadian kehilangancatu daya (station blackout), atau yang dalam analisis keselamatanprobabilistik biasa disebut TMLB’. Analisis degradasi teras selama kejadianTMLB’ menggunakan code MELCOR1.8.4 telah dilakukan sebelumnya [8],termasuk variasi skenario yang melibatkan kebocoran seal pompa primermenyusul kejadian TMLB’ tersebut (disebut pula kejadian S3-TMLB’) [9].Analisis dalam artikel ini masih terkait dengan hasil perhitungan pada keduastudi tersebut. Tetapi, jika dalam kedua studi sebelumnya tersebut analisisditekankan pada aspek termohidraulika, maka dalam artikel ini penekanandilakukan pada karakteristik pelepasan dan transpor radionuklida dalamsistem pendingin reaktor. Tujuan analisis adalah untuk mempelajarikarakteristik pelepasan dan transpor radionuklida, termasuk deposisinya(deposition) dalam suatu kondisi termohidraulika yang mengikuti skenariokecelakaan parah yang berbeda.

DESKRIPSI MODEL RADIONUKLIDA

Paket program yang digunakan dalam analisis ini adalah Melting Core(MELCOR) versi 1.8.4 yang merupakan paket program untuk analisiskecelakaan parah pada sistem PLTN. Sifat perhitungan yang cenderungparametrik membuat code ini disebut fast-running. Oleh karena MELCORdimaksudkan sebagai alat bantu untuk analisis keselamatan probabilistik,maka pelepasan dan transport radionuklida harus diperhitungkan. Apabilapelepasan radionuklida tersebut mencapai lingkungan, maka akan menjadifaktor sumber yang merupakan salah satu hasil terpenting perhitunganMELCOR. Faktor sumber tersebut selanjutnya akan digunakan untukmenghitung konsekuensi dan risiko sebagai hasil akhir analisis keselamatanprobabilistik. Modul (dalam terminologi MELCOR adalah package) untukmenghitung karakteristik pelepasan dan transport radionuklida yangberbentuk uap dan aerosol dinamakan RN Package. Dalam MELCORterminologi radionuklida mencakup produk radioaktif (dari produk fisi)maupun non radioaktif (dari material struktur) yang dapat berinteraksi denganproduk radioaktif.

Dalam MELCOR, perhitungan tidak dilakukan untuk masing-masingisotop produk fisi. Akan tetapi, isotop tersebut dikelompokkan sesuai dengankesamaan elemen, misalkan 235U, 238U dikelompokkan dalam elemen U.Selanjutnya, beberapa elemen yang memiliki karakteristik kimia serupadikelompokkan ke dalam kelas material (material classes). Sebagai default,kelas material yang ada di MELCOR berjumlah 15 seperti ditunjukkan padaTabel 1 [10]. Meskipun demikian, apabila dikehendaki oleh pengguna, dapatdibuat beberapa kelas baru, seperti untuk kelas material CsI, hingga jumlahkeseluruhan menjadi 20 kelas.

60

Pelepasan radionuklida dapat terjadi dari celah bahan bakar – kelongsong,disebut pelepasan celah (gap release), jika batas temperatur kegagalankelongsong dilampaui atau ketika bahan bakar meleleh. Setelah dilepaskan,radionuklida dapat berada dalam bentuk aerosol atau uap bergantung padatekanan uap radionuklida dan temperatur ruang dimana radionuklida berada.Model pelepasan radionuklida dari bahan bakar yang digunakan dalamMELCOR ada tiga, yaitu model yang telah dikenal luas sebagai modelCORSOR, CORSOR-M dan CORSOR-Booth [10]. Pengguna dapatmelakukan pilihannya melalui input file. Pelepasan dihitung untuk masing-masing kelas. Sehingga, hasil perhitungan jumlah massa radionuklida yangdilepas adalah jumlah seluruh massa unsur dalam kelas bersangkutan.

Proses dinamika aerosol yang berupa aglomerasi dan deposisi(deposition), proses kondensasi serta evaporasi uap produk fisi setelahpelepasan dari bahan bakar diperhitungkan untuk setiap volume kontrol yangditetapkan. Aerosol dapat teraglomerasi dengan aerosol lainnya sehingga jikaukurannya telah melebihi batas ukuran aerosol yang ditetapkan, maka aerosoltersebut akan terdeposit karena gravitasi. Selain itu, aerosol dapat terdepositpada permukaan perpipaan dengan beberapa cara lain, yaitu: deposisi secaradifusi Brownian, termoforesis, dan difusioforesis. Sebaliknya, MELCORtidak memperhitungkan fenomena resuspensi untuk aerosol yang telahterdeposit pada permukaan.

PERHITUNGAN

Untuk analisis pelepasan dan transpor radionuklida dalam sistempendingin primer ini, yang menjadi bahasan adalah kejadian TMLB’ danS3-TMLB’. Hasil perhitungan termohidraulika kedua skenario kejadian telahdipublikasikan berturut-turut pada [8] dan [9]. Sehingga, asumsi, model,nodalisasi dan analisis yang dipergunakan sama dengan yang telah diberikanpada publikasi tersebut. Untuk mengingatkan kembali bahwa reaktor PWR 4untai (loop) dimodelkan menjadi dua untai. Satu untai, yaitu untai A, adalahuntai yang memiliki tabung penekan (pressurizer) sedangkan satu modeluntai yang lain, untai B, merepresentasikan 3 untai lainnya. Sehingga volumeuntai B adalah 3 kali untai A, demikian pula laju alirnya. Teras dimodelkanmenjadi 3 bagian secara radial yang disebut ring 1, ring 2 dan ring 3. Secaraaksial, teras dibagi dalam 14 sel dengan sel ke 5 hingga sel ke 14 adalahbagian aktif teras.

Beberapa asumsi lain yang terkait dengan aspek pelepasan dantranspor radionuklida adalah sebagai berikut:

1. Oksidasi kelongsong Zircaloy terjadi pada saat temperatur kelongsongmencapai 1000K.

2. Temperatur kegagalan kelongsong adalah 1173K. Sehingga, jikatemperatur kelongsong mencapai nilai tersebut, terjadi pelepasan celah.

61

3. Beberapa temperatur leleh material teras adalah: 1700K untuk baja nirkarat (stainless steel), 2098K untuk Zircaloy, dan 3113K untuk Uraniumdioksida.

4. Pelepasan radionuklida dimodelkan dengan model CORSOR-M. Dalammodel ini laju pelepasan fraksional masing-masing kelas diberikansebagai fungsi invers temperatur dalam bentuk eksponensial.

5. Ditambah satu kelas radionuklida baru, yaitu kelas CsI. Dalam halini, radionuklida Iodium yang dilepas hampir selalu dalam bentuksenyawa CsI.

Untuk membedakan perhitungan satu dengan yang lain, maka setiapjenis perhitungan diberi simbol. Perhitungan kejadian TMLB’ diberi simbolperhitungan 1, sedangkan tiga perhitungan dalam kasus S3-TMLB’ adalahperhitungan 2A untuk skenario kebocoran seal yang terjadi pada saattemperatur di teras mencapai temperatur saturasi, perhitungan 2B untukkebocoran seal pada selang waktu 10 menit (600 detik) setelah inisiasikecelakaan, dan perhitungan 2C untuk skenario kebocoran seal yang terjadipada 150 menit (9000 detik) setelah inisiasi kecelakaan.

Perlu pula dicatat bahwa model aliran pada bagian hot leg dalamperhitungan ini tidak memasukkan model sirkulasi alam lawan arah (countercurrent natural circulation). Semua perhitungan dilakukan untuk intervalwaktu kejadian 20.000 detik sejak inisiasi kecelakaan. Rentang 20.000 detikadalah waktu perhitungan yang diambil dengan asumsi selang waktu tersebutdapat dipergunakan untuk mengaktifkan sistem catu daya darurat

HASIL DAN PEMBAHASAN

Prediksi hasil perhitungan sekuensi kejadian dan kondisitermohidraulika reaktor setelah kejadian kehilangan catu daya telah diuraikansecara rinci dalam publikasi sebelumnya [8,9]. Pertama-tama akan diuraikansecara ringkas rangkuman kondisi akhir kejadian, kemudian dilanjutkandengan uraian dan pembahasan secara lebih khusus tentang pelepasan dantranspor radionuklida untuk masing-masing perhitungan.

Dari keempat perhitungan tersebut, ketiga perhitungan, yaituperhitungan 1, 2A dan 2B memprediksi terjadinya kegagalan bejana reaktordalam 20.000 detik setelah inisiasi kecelakaan. Pada saat kegagalan bejana,ketiga perhitungan memprediksi tekanan dalam sistem relatif masih tinggi,yaitu di atas 8 MPa, bahkan pada perhitungan 1, tekanan masih berada padaset point katup pembebas (relief valve) tabung penekan. Sesuai dengantekanannya, temperatur uap juga masih tinggi, paling tidak pada temperatursaturasi yang bersesuaian dengan tekanannya.

Perbedaan asumsi dan skenario kejadian pada perhitungan 1 dan ketigaperhitungan yang lain menghasilkan sekuensi dan konsekuensi yang berbeda.Kebocoran seal pompa sirkulasi primer yang diasumsikan pada perhitungan

62

2A, 2B dan 2C memberikan dampak adanya sedikit penurunan tekanan padasistem primer. Saat (timing) kebocoran seal ternyata juga memberikan efekyang berbeda seperti diperlihatkan pada perhitungan 2A, 2B dan 2C [9].

Berbeda dengan ketiga perhitungan lainnya, pada perhitungan 2C,hingga akhir perhitungan tidak diprediksi terjadinya kegagalan bejana.Penurunan tekanan pada saat yang tepat telah memungkinkan beroperasinyaakumulator, sehingga teras dapat dibanjiri kembali (reflooding), dan kenaikantemperatur yang mengakibatkan kerusakan teras dapat dibatasi. Tekanandalam sistem pendingin sudah berada di bawah harga 0,5 MPa.

Perhitungan 1

Temperatur kelongsong bahan bakar mulai meningkat saat airmenyentuh permukaan teras, dan peningkatan temperatur semakin cepat saatbagian atas teras mulai tidak tergenangi (uncovered). Oksidasi yangdimodelkan dalam perhitungan ini mulai pada temperatur 1000K menambahpanas yang dilepas. Kenaikan temperatur lebih cepat untuk kelongsong bahanbakar yang termasuk dalam ring 1 karena terletak pada pusat teras yangmerupakan daerah dengan fluks netron dan fluks panas terbesar. Gambar 1memperlihatkan kurva temperatur kelongsong pada ring 1 untuk sel ke 5hingga ke 14. Tampak pula dari Gambar 1 bahwa bagian teratas teras (dalamhal ini sel ke 14, yaitu sel 114) temperaturnya meningkat lebih cepat daripadabagian teras yang lebih rendah. Hal ini karena bagian atas tidak tergenangilebih dahulu. Ketika temperatur kelongsong mencapai batas kekuatanmekanik yang ditetapkan atau disebut temperatur kegagalan kelongsong,yaitu 1173K, radionuklida berbentuk gas yang telah terkumpul dalam celahbahan bakar – kelongsong terlepas. Pelepasan celah untuk ring 1 diprediksioleh perhitungan terjadi pada 11.492 detik setelah inisiasi kecelakaan.Kejadian yang sama berlangsung pula untuk ring 2 dan ring 3. Untuk keduaring tersebut pelepasan celah bermula pada berturut-turut 11.612 detik dan11.889 detik setelah inisiasi kecelakaan. Tabel 2 memperlihatkan saatpelepasan celah, termasuk untuk ketiga perhitungan yang lain. Oleh karenapendinginan bagian atas teras terutama hanya diperoleh dari uap panas yangmelaluinya menuju hot leg, dan tidak cukup efektif, temperatur kelongsongmeningkat hingga temperatur leleh Zircaloy. Pada Gambar 1 garis-garisvertikal yang terletak antara 12.000 hingga 13.000 detik menunjukkan bahwakelongsong pada sel yang bersangkutan sudah tidak menopang bahan bakarlagi karena leleh, dan bersama bahan bakar membentuk runtuhan (debris)yang jatuh pada sel di bawahnya.

Tentang pelepasan radionuklida, Gambar 2 memperlihatkan pelepasanradionuklida dari bahan bakar di teras. Saat terjadi pelepasan celah,radionuklida bentuk gas secara serentak dilepas. Dari kelima belas kelasradionuklida, pelepasan terbesar adalah kelas Gas Mulia (kelas Xe), kelaslogam alkali (kelas Cs), kelas halogen (kelas I) yang didominasi oleh Iodium

63

dalam bentuk ikatan CsI, dan kelas Chalcogen (kelas Te). Jumlah massaradionuklida yang dilepas untuk kelas Xe sebesar 147,5 kg, kelas Cs sebesar100 kg, kelas I sebesar 12 kg dan kelas Te sebesar 10 kg.

Radionuklida yang terlepas kemudian tersebar ke sistem pendinginprimer dalam bentuk gas dan aerosol. Selanjutnya, sebagian radionuklidatersebut terdeposit pada beberapa bagian dari sistem pendingin primertersebut. Di antara beberapa tempat di untai A yang diamati, didapati jumlahterbesar deposit berada di pipa surge line (pipa penghubung tabung penekandan pipa hot leg) seperti ditampilkan pada Gambar 3. Selain itu, radionuklidaterdeposit di permukaan dalam pipa hotleg yang lokasinya paling dekatdengan bejana, baik bagian atas (simbol HL1-AU) atau di bagian permukaanbawah (simbol HL1-AL), demikian pula di bagian tabung U pembangkit uap(steam generator U-tubes) yang dilalui aliran ke atas (simbol UTUBE-UP).

Perhitungan 2A

Asumsi terjadinya kegagalan seal pompa primer pada saat temperaturteras mencapai temperatur saturasi (pada sekitar detik ke 7400 setelah inisiasikejadian) dalam perhitungan ini diprediksi tetap mengakibatkan kegagalanbejana reaktor, tetapi terjadi dalam interval waktu (terhadap inisiasikecelakaan) yang lebih panjang daripada kasus tanpa kebocoran sealseperti perhitungan 1. Hal ini diduga sebagai akibat dari adanya fenomenaloop seal clearing [9].

Jika dilihat dari evolusi kenaikan temperatur seperti ditunjukkan padaGambar 4, awal kenaikan drastis kelongsong tidak berbeda jauh denganperhitungan 1. Namun, karena adanya air yang mengalir menyusul loop sealclearing, pendinginan teras dapat dijaga beberapa saat sehingga bagianbawah teras terjaga integritasnya lebih lama. Tentang pelepasan celah, dariperhitungan diperoleh saat terjadinya pelepasan yang sedikit lebih cepatdibanding perhitungan 1. Hal ini dapat dipahami karena penurunan tekananyang relatif sedikit lebih cepat di awal akibat kebocoran seal mengakibatkanteras bagian atas lebih cepat tidak tergenangi, sehingga temperatur di bagianitu lebih cepat melampaui batas kegagalan kelongsong.

Jumlah massa radionuklida yang dilepas lebih signifikan sepertiditunjukkan pada Gambar 5. Sekitar 225 kg radionuklida kelas Xe dilepashingga akhir perhitungan. Sedangkan kelas Cs dilepas sekitar120 kg, kelas I(dalam ikatan CsI) dan kelas Te sekitar 20 kg.

Gambar 6 memperlihatkan jumlah radionuklida yang terdeposit dibeberapa bagian utama sistem pendingin reaktor untuk untai A. Jumlahterbesar diprediksi terdeposit di bagian permukaan dalam pipa surge line,menyusul di bagian tabung U aliran ke atas dan di permukaan dinding pipahot leg terdekat dengan bejana reaktor di bagian atas. Berbeda denganperhitungan 1, bagian tabung U aliran ke atas diprediksi menjadi tempatdeposit yang cukup signifikan.

64

Perhitungan 2B

Skenario perhitungan ini dimaksudkan untuk memprediksi akibatjika seal pompa primer gagal dalam waktu yang tidak terlalu lama, yaitu600 detik, dari saat inisiasi kecelakaan. Hasil perhitungan menunjukkanbahwa bejana reaktor gagal lebih cepat [9]. Demikian pula halnya dengankenaikan temperatur kelongsong seperti ditunjukkan pada Gambar 7. Dengansemakin banyaknya air subcooled yang terbuang melalui seal yang bocor,teras dengan lebih cepat tidak tergenangi, pemanasan teras terjadi lebih dini.Sekitar detik ke 6000 seluruh kelongsong di ring 1 telah kehilanganintegritasnya.

Pelepasan radionuklida mulai terjadi begitu temperatur gagalkelongsong dilampaui, dimulai di bagian atas teras. Seperti perhitungan yangsebelumnya, pelepasan radionuklida didominasi oleh kelas Xe sebanyaksekitar 90 kg, Cs sebanyak sekitar 50 kg, I sebanyak kurang lebih 8 kg danTe sebanyak sekitar 2 kg. Gambar 8 menunjukkan massa radionuklida yangdilepas dari bahan bakar di teras.

Penyebaran radionuklida yang terjadi di dalam sistem pendinginreaktor mengakibatkan terjadinya deposit radionuklida di beberapa bagianseperti surge line, pipa hotleg dan tabung U. Gambar 9 memperlihatkanmassa radionuklida yang terdeposit di beberapa tempat tersebut. Jumlahterbesar terdeposit menurut hasil perhitungan terjadi di bagian pipa surgeline. Prediksi ini sama dengan perhitungan 1 dan 2A.

Perhitungan 2C

Semua kejadian sejak inisiasi kecelakaan hingga terjadinya kebocoranseal pompa serupa dengan perhitungan yang lain. Pada detik ke 9000 saatseal diasumsikan bocor, teras telah mulai tidak tergenang. Kebocorantersebut mengakibatkan terjadinya aliran uap dari teras, melalui hot leg,pembangkit uap dan keluar melalui bocoran seal. Aliran uap panas inimemungkinkan berlangsungnya loop seal clearing. Akibatnya, tekanan dapatmenurun dengan cepat yang pada akhirnya memungkinkan akumulatorberfungsi (pada 18.241 detik). Injeksi air dari akumulator tersebutmampu mendinginkan teras kembali, sehingga sampai akhir perhitungan(20.000 detik), bejana reaktor diprediksikan tidak gagal.

Kenaikan temperatur kelongsong secara signifikan, seperti halnyaperhitungan yang lain, terjadi terutama di bagian atas teras. Bahkan beberapakelongsong di bagian teratas teras, seperti ditunjukkan pada Gambar 10, telahterdislokasi pada sekitar 11.500 detik.

Kenaikan temperatur yang cepat juga mengakibatkan pelepasan celahberlangsung berturut-turut dari bagian ring 1, ring 2 dan ring 3. Waktupelepasan celah diberikan pada Tabel 2. Sedangkan, jumlah massa yangterlepas sejak kegagalan kelongsong hingga akhir perhitungan diperlihatkan

65

pada Gambar 11. Kelas Xe, Cs, I dan Te tetap mendominasi pelepasanradionuklida dari bahan bakar di teras.

Gambar 12 memperlihatkan jumlah massa radionuklida yangterdeposit di beberapa bagian sistem pendingin untai A. Jumlah terbesardiprediksi di bagian surge line dan permukaan bagian atas pipa hotleg dikeluaran bejana reaktor.

Dari keempat hasil perhitungan, perhitungan 1, 2A, dan 2Bmemprediksi kegagalan bejana reaktor sebelum 5 jam dari saat inisiasikecelakaan. Namun demikian, hasil perhitungan ini perlu diberi catatan yaitujika dibandingkan dengan kondisi yang ditemui pada kejadian Three MileIsland-2 (TMI-2). Pada kecelakaan di TMI-2, sekitar 20 ton lelehan terasterkumpul di bagian bawah bejana reaktor tetapi bejana reaktor tetap utuh[11]. Upaya untuk mensimulasikan secara parametrik kondisi tersebut denganMELCOR belum berhasil [8]. Hal ini karena model fenomena tersebutmemang belum tersedia di MELCOR. Sehingga dalam perhitungan ini, setiapada lelehan teras yang jatuh ke lower plenum, sesegera itu pula bejana reaktordiprediksi gagal karena kegagalan pada instrumentation tube guides. Dalamkaitannya dengan hal tersebut, signifikansi analisis transpor dan deposisiradionuklida dalam sistem pendingin yang dilakukan dalam studi ini harusdipandang seandainya kondisi serupa TMI-2 terpenuhi, maka transpor dandeposisi radionuklida di perpipaan menjadi penting karena dapatmempengaruhi integritas sistem perpipaan primer. Kegagalan sistem pipaprimer berarti memberi peluang pada penyebaran produk fisi ke kontainmen,atau bahkan ke lingkungan jika yang gagal adalah tabung U pembangkit uap.

Dari hasil perhitungan pelepasan radionuklida, dapat dibedakan duafase pelepasan, yaitu fase pelepasan celah dan fase pemanasan teras (coreheat-up), pelelehan dan relokasi lelehan teras. Pada fase pelepasan celah,massa radionuklida maksimum yang dilepas sekitar 10 kg untuk kelas Xe.Selebihnya terjadi selama fase ke dua.

Pelepasan celah terjadi akibat batas ketahanan integritas kelongsongdilampaui. Sekuensi kecelakaan yang menyebabkan kenaikan temperatur dankerusakan kelongsong lebih dini akan mengakibatkan pelepasan celah lebihdini, seperti diprediksi pada perhitungan 2B. Dalam seluruh perhitungan ini,pelepasan celah diawali dari bagian tengah teras (ring 1). Hal ini sangat wajarmengingat fluks panas terbesar terletak di tengah teras reaktor, sehinggapemanasan paling cepat di bagian ring 1. Karena burn-up sama untuk semuaperhitungan, jumlah radionuklida yang dilepas pada saat awal pelepasancelah juga sama seperti dapat dilihat pada Gambar 2, 5, 8, dan 11.

Tentang radionuklida yang dilepas, semua perhitungan memprediksihal yang sama, yaitu dominasi empat kelas radionuklida, yaitu kelas gasmulia (kelas Xe), kelas logam alkali (kelas Cs), kelas halogen(direpresentasikan kelas CsI), dan kelas chalcogen (kelas Te). Keempat kelastersebut adalah kelompok gas dan radionuklida paling mudah teruapkan.Jumlah dan fraksi pelepasan yang signifikan keempat kelas tersebut telah

66

diprediksi dan dibuktikan oleh beberapa studi sebelumnya, misalkan pada[12,13]. Pada semua perhitungan juga diprediksi pelepasan kelasradionuklida lain yang sangat kecil jumlahnya, yaitu kelas logam tanah jarang(kelas Ba), kelas platinoid (kelas Ru) dan kelas tetravalen (kelas Ce).Dua kelas radionuklida yang terakhir mulai dilepas pada fase degradasi teras.Gas mulia adalah gas inert yang tidak bereaksi dengan bahan lain, sehinggapelepasannya sangat mudah, dan fraksi pelepasannya tinggi. Pada kelompokgas mulia ini, yang dominan adalah gas Xenon dan Krypton. Unsur Cesiumdan Iodium yang mudah menguap pada temperatur teras pada saatkecelakaan, secara kimiawi pada umumnya terlepas dalam bentuk berturut-turut CsOH dan CsI atau HI sebagai hasil reaksi elemen Cs dan I dengan uaptemperatur tinggi. Hal ini ditunjukkan dari hasil evaluasi kecelakaan TMI-2[14]. Telurium (Te) adalah radionuklida yang sangat reaktif, seperti misalnyadengan zirkonium metal. Sehingga apabila oksidasi kelongsong terjadi secarasignifikan, pelepasan Te juga signifikan karena Te tidak akan terikat denganZr, dan sebaliknya.

Jumlah massa yang dilepas dari bahan bakar dan fraksi pelepasanterhadap inventori awal berbeda untuk masing-masing sekuensi kecelakaanseperti ditunjukkan pada Tabel 3. Karakteristik ini secara kualitatif dapatdiduga berkaitan erat dengan kondisi termohidraulika (temperatur dantekanan) di teras, burn-up bahan bakar dan proses degradasi teras itu sendiri.Kedua parameter terakhir berkaitan dengan struktur mikroskopik pelet bahanbakar. Indikasi keterkaitan tersebut dijumpai pada hasil eksperimen FPT-0dan FPT-1 di PHEBUS-FP [15]. Hal ini dapat pula dikaitkan dengan hasilanalisis karakteristik fenomena pelepasan produk fisi dari teras TMI-2 yangmenyimpulkan diantaranya bahwa pelepasan radionuklida terutama terjadipada fase kenaikan temperatur bahan bakar (dan kelongsong) hinggapelelehan kelongsong, yaitu antara 1000K hingga 2180K [16]. Pada fase ini,kelakuan produk fisi didominasi oleh pelepasan secara difusi produk fisimudah menguap seperti xenon, krypton, cesium, iodium, dan telurium.

Rendahnya fraksi pelepasan secara rata-rata radionuklida padaperhitungan 2B dapat diinterpretasikan dari perbedaan temperatur danpemanasan bahan bakar. Tidak seperti pada tiga perhitungan yang lain, padakasus perhitungan 2B, kenaikan temperatur bahan bakar terjadi dengan lebihcepat. Selain itu, terjadi fenomena osilasi ketinggian air di teras; setelah tidakterendam beberapa saat, ketinggian air di teras naik merendam sebagian terassebelum kemudian air tersebut teruapkan kembali dan bahan bakar memanaskembali. Secara sepintas dapat diperhatikan dari Gambar 8, di sekitar detik ke3000 hingga 4000. Selain itu, walau tidak tampak dari gambar yang ada, padasaat bejana gagal, temperatur teras di ring 3 pada perhitungan ini secara rata-rata masih relatif rendah (maksimum 1800K) dan integritas teras di bagian inimasih terjaga. Dengan kata lain, kontribusi pelepasan radionuklida dari terasring 3 sangat kecil.

67

Tentang transpor dan deposisi radionuklida, hasil perhitungan yangditampilkan dalam studi ini tidak membedakan radionuklida dalam bentukgas atau aerosol secara terpisah. Deposisi radionuklida dapat terjadi denganberbagai cara. Untuk yang terlepas dalam bentuk gas, interaksi denganpermukaan pipa dapat mengikat radionuklida tersebut, Sementara itu,deposisi untuk radionuklida dalam bentuk aerosol diataranya adalah deposisigravitasional, secara difusi Brownian (akibat beda konsentrasi), difusioforesis(akibat air yang terkondensasi atau terevaporasi di permukaan) dantermoforesis (akibat beda temperatur) [17].

Prediksi keempat perhitungan yang dilakukan menunjukkan bahwadiantara bagian sistem pendingin reaktor yang paling banyak terjadi deposisiadalah surge line, walaupun maksimum hanya sekitar 1 kg, atau kurang dari1% radionuklida yang dilepas, seperti ditunjukkan pada hasil perhitungan 1(Gambar 3). Namun, perlu dicatat bahwa kemungkinan terjadinya deposisi diupper plenum dapat lebih besar. Hal ini dapat dimengerti mengingat letakupper plenum yang tepat di atas teras dan dengan permukaan yang cukupluas. Perhitungan yang dilakukan oleh Markovina et al. [18] menunjukkanuntuk skenario kecelakaan kehilangan catu daya, rata-rata sekitar 50%radionuklida yang dilepas (khususnya kelas Cs, CsI dan aerosol) terdeposisidi upper plenum. Akan tetapi, ditinjau dari segi pengaruh terhadap integritassistem pendingin, deposisi di surge line lebih penting untuk diperhatikanmengingat bahwa pipa surge line lebih lemah secara mekanis terhadapkemungkinan crack karena temperatur.

Untuk perhitungan 1, terjadinya lebih banyak deposit di surge linemudah dimengerti, yaitu mengingat sebelum bejana reaktor gagal, tekanan disistem pendingin reaktor mencapai batas operasi katup pembebas di tabungpenekan (160 bar) mengakibatkan katup tersebut secara terus menerusterbuka dan tertutup untuk mempertahankan tekanan di sistem pendingin.Adanya aliran uap panas melalui katup tersebut memudahkan radionuklidayang terbawa terdeposisi di pipa surge line. Gambar 13 memperlihatkanskema transpor dan deposisi radionuklida pada kasus ini.

Hal ini sedikit berbeda dengan hasil yang ditunjukkan padaperhitungan 2A, dan 2C (perhitungan 2B jumlah pelepasan tidak signifikandemikian pula yang terdeposisi seperti ditunjukkan pada Gambar 9).Walaupun di surge line tetap dominan, jumlah massa yang terdeposit lebihkecil. Selain itu, deposisi juga terjadi di tabung U yang dialiri aliran ke atasyang tidak tampak signifikan pada perhitungan 1. Perbedaan ini disebabkanadanya aliran uap yang melalui pembangkit uap menuju kebocoran sealpompa sirkulasi primer pada perhitungan 2A dan 2C (lihat Gambar 14.).Masih banyaknya radionuklida yang terdeposisi di surge line dapat puladiinterpretasikan karena gas atau uap panas yang membawa radionuklidacenderung mengisi bagian atas, sehingga uap panas tersebut akan mengalirmenuju tabung penekan yang merupakan bagian tertinggi, dan disepanjangpipa surge line sebagian aerosol dapat terdeposisi. Pada studi ini tidak dapat

68

diketahui mekanisme mana yang paling dominan. Mengacu pada studiHidaka et al. [19], di dinding tabung U, mekanisme deposisi yang dominanadalah termoforesis.

Selain itu, untuk deposisi di pipa hot leg, pada permukaan atasdiprediksi deposit lebih banyak daripada di permukaan bawah seperti tampakpada Gambar 3, 6, 9 dan 12. Hasil ini serupa dengan kecenderunganobservasi eksperimental pada instalasi WIND [20]. Dalam eksperimen inidiketahui bahwa deposisi CsI pada tabung horisontal yang mensimulasikanhot leg, lebih banyak terjadi di bagian atas.

Adanya radionuklida yang terdeposisi pada tabung U pembangkit uapmenimbulkan risiko tersendiri. Apabila panas luruh (decay heat) yang dilepasoleh radionuklida tersebut membuat kenaikan temperatur tabung U hinggamelebihi batas kekuatan mekanisnya, maka tabung U dapat retak dan gagaluntuk mengungkung produk fisi. Pelepasan radionuklida melalui sistemsekunder berarti melepas radionuklida keluar kontainmen menuju lingkunganmelalui turbin dan kondenser. Analisis Hidaka et al. [19] memangmenunjukkan dalam beberapa kasus, kegagalan akan terjadi lebih dahulu disurge line dimana sebagian besar radionuklida terdeposisi. Dalam hal itu,radionuklida masih diharapkan dapat dikungkung dalam kontainmen.

KESIMPULAN

Pelepasan radionuklida diawali dengan mekanisme pelepasan celah,yang didominasi oleh pelepasan kelas gas mulia, yaitu 2% dari inventori.Selanjutnya, selama proses kenaikan temperatur bahan bakar, dan terjadinyapelelehan di teras, pelepasan radionuklida terjadi secara lebih signifikan.Massa radionuklida terlepas yang dominan adalah kelas gas mulia(hingga 225 kg atau sekitar 80% inventori), kelas Cs (hingga 120 kg atau60% inventori), kelas Iodine (hingga 20 kg atau 70% inventori) dan kelasChalcogen (hingga 20 kg atau 80% inventori) untuk skenario sekuensikecelakaan yang ditinjau.

Radionuklida yang dapat berbentuk gas ataupun aerosol tersebutselanjutnya dibawa oleh aliran uap panas ke seluruh sistem pendingin.Hingga sebelum prediksi kegagalan bejana reaktor, radionuklida tersebutsebagian terdeposisi di permukaan sistem perpipaan sistem pendingin reaktor.Bagian yang paling signifikan terjadinya deposisi untuk perhitungankecelakaan jenis ini adalah pada pressurizer surge line. Selain itu, deposisijuga terjadi pada tabung U pembangkit uap. Adanya radionuklida yangterdeposisi di tabung U dapat menimbulkan risiko pelepasan radionuklidake lingkungan.

69

UCAPAN TERIMAKASIH

Pelaksanaan perhitungan dengan MELCOR1.8.4 dilakukan di SevereAccident Research Laboratory, JAERI. Untuk itu, penulis mengucapkanterimakasih kepada Dr. A. HIDAKA yang telah memberikan kesempatanuntuk menggunakan code tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

1. H.J. TEAGUE and D.F. TORGERSON, “A Generic Overview of SevereAccident Phenomena,” Fission Product Transport Processes In ReactorAccident (edited by J.T. Rogers), Hemisphere Publishing Corp., (1990)

2. B.H. McDONALD and D.J. WREN, “Thermalhydraulics and ActivityTransport”, Fission Product Transport Processes In Reactor Accident(edited by J.T. Rogers), Hemisphere Publishing Corp., (1990)

3. CSNI, “Insights Into The Control of The Release of Iodine, Cesium,Strontium and Other Fission Products in the Containment By SevereAccident Management”, NEA/CSNI/R(2000)9, (2000)

4. B. CLEMENT et al., “Status and ain Findings of the PHEBUS FPProgramme”, Proceedings of the Workshop On Severe AccidentResearch (JAERI-Conf 99-005), Tokyo (Japan), November 4-6, (1998)

5. T. KUDO et al., “Studies on Interaction between Cesium Iodide andType 316 Stainless Steel in WIND Project”, Proceedings of theWorkshop On Severe Accident Research (JAERI-Conf 2000-015), Tokyo(Japan), November 8-10, (1999)

6. Y. KAWADA and I. KANEKO, “Evaluation of Fision Product Releaseand Transport in the Circuit of PHEBUS-FP Tests by MACRES Code”,Proceedings of the Workshop On Severe Accident Research (JAERI-Conf 98-009), Yokohama (Japan), October 6-8, (1997)

7. Y. YUCHI et al., “Analyses of CsI Aerosol Deposition Tests in WINDProject with ART and VICTORIA Codes”, Proceedings of the WorkshopOn Severe Accident Research (JAERI-Conf 2000-015), Tokyo (Japan),November 8-10, (1999)

8. A.R. ANTARIKSAWAN, “Analisis Degradasi Teras PWR PadaKejadian Kehilangan Catu Daya”, Jurnal Teknologi Reaktor Nuklir TRIDASA MEGA, Vol. 2, No. 3, Oktober, (2000)

9. A.R. ANTARIKSAWAN, “Analisis Kecelakaan Kehilangan Catu DayaDengan Kebocoran Seal Pompa Pada PWR Menggunakan MELCOR1.8.4”, Proseding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTN SertaFasilitas Nuklir ke-6, Jakarta, 10-11 Oktober, (2000)

70

10. R.M.SUMMERS et al., “MELCOR Computer Code Manuals”,NUREG/CR-6119, SAND93-2185, (1995)

11. J.M. Broughton et al., “A Scenario on The Three Mile Island Unit 2Accident,” Nuclear Technology, Vol. 87, No. 1, (1989)

12. R.R. HOBBINS et al., “In-vessel Release of Radionuclides andGeneration of Aerosol”, Proceedings of an Intl. Symp. On Source TermEvaluation for Accident Conditions (IAEA Proceedings Series), Ohio(USA), October 28 – November 1, (1985)

13. G.W. PARKER et al., “Source Term Evaluations From Recent Core-MeltExperiments, Proceedings of an Intl. Symp. On Source Term Evaluationfor Accident Conditions (IAEA Proceedings Series), Ohio (USA),October 28 – November 1, (1985)

14. D. JACQUEMAIN and B. CLEMENT, “ Fission Product release,Transport and Chemistry Indications from the First Two PHEBUS-FPTests”, Proceedings of the Workshop On Severe Accident Research(JAERI-Conf 98-009), Yokohama (Japan), October 6-8, (1997)

15. A.W. CRONENBERG and S. LANGER, “Consideration of Cesium andIodine Chemistry and Transport Behavior During The Three Mile IslandUnit 2 Accident, Nuclear Technology, Vol. 87, August, (1989)

16. D.A. PETTI et al., “Analysis of Fission Product Release Behavior FromThe Three Mile Island Unit 2 Core”, Nuclear Technology, Vol. 87,August, (1989)

17. A.T.D. BUTLAND and M.R.KUHLMAN, “Factors affecting PrimarySystem Radionuclides Retention in an LWR Severe Accident”,Proceedings of an Intl. Symp. On Source Term Evaluation for AccidentConditions (IAEA Proceedings Series), Ohio (USA), October 28 –November 1, (1985)

18. A. MARKOVINA et al., “Review of the Major Predicted PhenomenaDuring FP Transport and Deposition in the RCS and ContainmentBuilding Under Severe Accident Conditions, Fission Product TransportProcesses In Reactor Accident (edited by J.T. Rogers), HemispherePublishing Corp., (1990)

19. A. HIDAKA et al., “Evaluation of Steam Generator U-Tube IntegrityDuring PWR Station Blackout With Secondary SystemDepressurization”, JAERI-Research 99-067, (1999)

20. M. IGARASHI et al., “Deposition of Cesium Iodide Aerosol withinHorizontal Straight Pipe Under Severe Accident Condition”, Proceedingof the Workshop on Severe Accident Reasearch in Japan (JAERI-Memo09-142), (1997)

71

Tabel 1. Kelas Radionuklida dalam MELCOR1.8.4. [5].

No. Nama Kelas Material Simbol Anggota Elemen1. Gas Mulia Xe He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, H, N2. Logam Alkali Cs Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Cu3. Logam tanah jarang Ba Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Es, Fm4. Halogen I F, Cl, Br, I, At5. Chalcogen Te O, S, Se, Te, Po6. Platinoids Ru Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt, Au, Ni7. Elemen transisi Mo V, Cr, Fe, Co, Mn, Nb, Mo, Tc, Ta, W8. Tetravalen Ce Ti, Zr, Hf, Ce, Th, Pa, Np, Pu, C9. Trivalen La Al, Sc, Y, La, Ac, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy,

Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Am, Cm, Bk, Cf10. Uranium U U11. Kelompok sangat volatil Cd Cd, Hg, Zn, As, Sb, Pb, Tl, Bi12. Kelompok kurang

volatilSn Ga, Ge, In, Sn, Ag

13. Boron B B, Si, P14. Air H2O H2O15. Beton - -

Tabel 2. Waktu pelepasan celah.

Waktu (detik)*BagianPerhitungan 1 Perhitungan 2A Perhitungan 2B Perhitungan 2C

Ring 1 11.492 11.188 4750 10.557Ring 2 11.612 11.332 4835 10.637Ring 3 11.889 11.664 5008 10.906

*dari inisiasi kecelakaan kehilangan catu daya

Tabel 3. Massa dan fraksi pelepasan radionuklida.

Perhitungan 1 Perhitungan 2A Perhitungan 2B Perhitungan 2CKelasRadio-nuklida

Massa(kg)

Fraksi(%)

Massa(kg)

Fraksi(%)

Massa(kg)

Fraksi(%)

Massa(kg)

Fraksi(%)

Xe 147,5 50 225 76 90 30 200 68Cs 100 45 120 60 60 30 120 60CsI 12 42 20 70 ~ 8 28 ~ 20 70Te 10 40 18 70 ~ 2 8 ~ 20 80

72

Gambar 1. Evolusi temperatur kelongsong di ring 1 (perhitungan 1).

Gambar 2. Massa radionuklida yang dilepas dari teras (perhitungan 1).

73

Gambar 3. Mass radionuklida terdeposit di untai A (perhitungan 1).

Gambar 4. Evolusi temperatur kelongsong di ring 1 (perhitungan 2A).

74

Gambar 5. Massa radionuklida yang dilepas dari teras (perhitungan 2A).

Gambar 6. Mass radionuklida terdeposit di untai A (perhitungan 2A).

75

Gambar 7. Evolusi temperatur kelongsong di ring 1 (perhitungan 2B).

Gambar 8. Massa radionuklida yang dilepas dari teras (perhitungan 2B).

76

Gambar 9. Massa radionuklida terdeposit di untai A (perhitungan 2B).

Gambar 10. Evolusi temperatur kelongsong di ring 1 (perhitungan 2C).

77

Gambar 11. Massa radionuklida yang dilepas dari teras (perhitungan 2C).

Gambar 12. Massa radionuklida terdeposit di untai A (perhitungan 2C).

78

Gambar 13. Transpor dan deposisi radionuklida dalam kasus TMLB’.

Gambar 14. Transpor dan deposisi radionuklida dalam kasus S3-TMLB’.

teras

cold leg

hot leg

tabungpenekan

surge line

pembangkituap

pompaprimer

cross overleg

tabungU

reliefvalve

teras

cold leg

hot leg

tabungpenekan

surge line

pembangkituap

pompaprimer

cross overleg

tabungU

reliefvalve