Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Desain Teknologi Reaktor Nuklir Sederhana

Dalam era teknologi saat ini reaktor nuklir telah menjadi penghasil listrik yang cukup menjanjikan karena mampu menghasilkan energi listrik yang aman bagi kehidupan manusia. Reaktor nuklir dapat menggantikan pembangkit listrik lainnya yang cenderung mengabaikan polusi udara yang cukup berbahaya untuk makhluk hidup.

Sebagian besar orang berpendapat bahwa sebuah reaktor nuklir membutuhkan peralatan yang canggih dan sangat mahal serta fisiknya yang sangat besar sekaligus berbahaya dalam pengoperasiannya. Kenyataannya, reaktor nuklir dalam praktik tidak selalu memiliki bentuk yang luar biasa besar. Reaktor nuklir dapat pula dalam bentuk yang lebih kecil.

Reaktor yang memiliki bentuk yang lebih kecil memang hanya menghasilkan produksi energi yang lebih kecil pula, tetapi desain dan rancang bangunnya menjadi lebih sederhana. Reaktor nuklir dalam ukuran kecil ini biasanya disebut dengan SMR (Small and Medium Reactor). Beberapa penelitian tentang SMR telah dilakukan diberbagai belahan dunia karena meninjau potensi yang mampu diberikannya. Dalam artikel ini, LSPR (Low Power Space Reactor) merupakan salah satu jenis SMR yang akan dikaji lebih lanjut.

Hal lain yang menarik perhatian ialah bahan pendingin (coolant) yang digunakan dalam reaktor LSPR, yaitu Pb-Bi Eutectic. Pada masa sebelumnya, sodium (Na23) diprediksi akan menjadi pendingin yang baik. Namun telah ditemukan beberapa keunggulan Pb-Bi Eutectic dibandingkan dengan Na23 di antaranya: (1) reaktivitas Pb-Bi terhadap air  lebih kecil daripada Na23. (2) Temperatur didih Pb-Bi (~1670oC) lebih tinggi daripada Na23 (~883oC) sehingga penanggulangan kecelakaan pada Pb-Bi dapat diantisipasi lebih baik, dan (3) massa jenis Pb-Bi lebih besar (~12 kali) dari massa jenis Na23 sehingga viskositas Pb-Bi menjadi lebih besar.

Sisi lain yang menjadi perhatian khusus ialah ekonomi karena ekonomi merupakan jalur penghubung antara teknologi dengan kesejahteraan manusia. Pada dasarnya banyak negara di dunia ini tidak memiliki area yang cocok untuk reaktor yang berukuran besar, seperti yang terdapat pada beberapa negara-negara berkembang.

Jika hanya untuk suatu daerah lokal yang hanya memerlukan sedikit energi listrik, dalam kasus ini LPSR dapat mengikis biaya pembangunan dibandingkan reaktor nuklir yang jauh besar. Selain itu, reaktor kecil tidak membutuhkan infrastruktur yang kompleks ataupun teknisi yang sangat pandai dalam pengoperasiannya.

Dalam artikel ini kita akan bahas secara sekilas desain reaktor nuklir LPSR sederhana berbahan bakar uranium dan rancangan analisis ekonominya. Kita dapat langsung melakukan simulasi dengan menggunakan program yang dibuat khusus untuk perancangan reaktor nuklir, yaitu SRAC 2002. Sebagai langkah awal dikumpulkan data-data mengenai reaktor LSPR dan karakteristik dari bahan pendingin yang digunakan. Kemudian, dengan menggunakan SRAC 2002 dapat dilakukan desain neutronik dengan memecahkan persamaan difusi multigrup.

Keluaran dari simulasi SRAC 2002 adalah berupa nilai cross section serta parameter yang disebut k-eff yang menunjukkan jumlah rata-rata neutron yang dihasilkan dari satu reaksi fisi yang dapat menyebabkan reaksi fisi lanjutan. Informasi ini bermanfaat untuk menentukan umur reaktor nuklir yang telah dirancang.

Berdasarkan hasil perhitungan yang telah dilakukan, diperoleh bahwa masa waktu penggunaan reaktor yang efektif ialah selama 20 tahun untuk beberapa nilai enrichment (pengayaan) uranium yang digunakan. Dalam perancangan yang telah dilakukan ditemukan kecenderungan peluruhan nilai k-eff yang terdapat pada reaktor.

selang Peluruhan k-eff yang terjadi dalam reaktor pada beberapa nilai enrichment (pengayaan) uranium (biru: enrichment 6,25%; ungu: enrichment 7,5%; kuning: enrichment 8%) dalam waktu 20 tahun.

Peluruhan k-eff yang terjadi dalam reaktor pada beberapa nilai enrichment (pengayaan) uranium (biru: enrichment 6,25%; ungu: enrichment 7,5%; kuning: enrichment 8%) dalam waktu 20 tahun.

Kemudian, dari hasil analisis thermal hydraulic diperoleh hasil yang merepresentasikan alur distribusi energi secara aksial. Distribusi ini memperlihatkan kemampuan reaktor dalam memproduksi energi akan mencapai nilai maksimum ketika berada di tengah bagian inti (core) suatu reaktor nuklir.

Alur distribusi energi secara aksial.

Alur distribusi energi secara aksial.

Berdasarkan hasil perhitungan awal ini, secara ekonomi, dapat direkapitulasi tabel hasil perhitungan biaya yang dibutuhkan dalam pembangunan reaktor LSPR.

Perhitungan ekonomi untuk membangun suatu reaktor LPSR.

Perhitungan ekonomi untuk membangun suatu reaktor LPSR.

Penggunaan reaktor seperti dalam simulasi ini mampu menghasilkan energi sekitar 50 MWe selama 20 tahun secara aman. Rancangan ekonomi yang terstruktur telah memperlihatkan investasi yang cukup menjanjikan. Penggunaan reaktor berukuran lebih kecil menyebabkan beberapa faktor kompleks dapat direduksi secara maksimal tanpa mempengaruhi keamanan reaktor. Prospek dalam pengembangan reaktor-reaktor kecil sangatlah besar sehingga penelitian terkait reaktor berukuran kecil perlu dilakukan terutama untuk negara berkembang seperti Indonesia.

Catatan: Artikel ini sebelumnya telah dimuat di Media Nuklir Indonesia dan dipublikasikan kembali di Majalah 1000guru dengan beberapa perubahan oleh penulis dan editor.

Bahan bacaan:

  • H. Sekimoto dkk. A long-life small reactor for developing coutries “LSPR”. Tokyo Tech, Japan.
  • B. Kopelman.Material for Nuclear Reactor.1959. USA: Mc Graw-Hill Book Company, Inc.
  • Duderstadt dkk. Nuclear Reactor Analysis. 1976. USA: John Wiley and Sons, Inc.
  • A. E. Waltar dkk. Fast Breeder Reactor. 1981. USA: Pergamon Press.

Penulis:
Fran Kurnia dan Indarta Kuncoro Aji, alumni Laboratorium Fisika Nuklir, Institut Teknologi Bandung.
Kontak: fran(dot)kurnia(at)yahoo(dot)com.