7
Prosiding Presentasi I/miah Daur Bahan Bakar Nukfir V P2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 Pebruari 2000 ISSN 1410-1998 EFEK REKRISTALISASI PADA BAHAN BAKAR UO2 DERAJAT BAKAR TINGGI TERHADAP PELEPASAN GAS HASIL FISI Bambang Herutomo Pusat Pengembangan Teknologi Bahan Bakar dan Daur Ulang-BATAN ABSTRAK EFEK REKRISTALISASI PADA BAHAN BAKAR UO2 DERAJAT BAKAR TINGGI TERHADAP PELEPASAN GAS HASIL FISI. Rekristalisasi atau pemecahan butiran asli membentuk struktur berbutir halus telah diamati di dalam bahan bakar UO2 derajat bakar tinggi. Bahan bakar berbutir halus berpotensi untuk mempertinggi pelepasan gas hasil tisi. Kenaikan tekanan gas di dalam batang bahan bakar sebagai akibat pelepasan gas hasil tisi adalah satu kondisi yang dapat membatasi tingkat derajat bakar. Makalah ini membahas hasil studi tentang efek rekristalisasi pada bahan bakar UO2 derajat bakar tinggi terhadap pelepasan gas hasil tisi. Dalam studi ini, program komputer FASTGRASS telah digunakan untuk memprediksi perilaku gas hasil tisi di dalam bahan bakar. Hasil studi secara umum menunjukkan bahwa rekristalisasi menyebabkan pelepasan gas hasil tisi meningkat secara tajam terutama untuk skenario kecelakaan berat seperti transien tipe RIA. Simulasi dalam reaktor pad a pelet bahan bakar UO2 tipe PWR (Iaju fisi ~ 2,03 x 1019 tisi/m3-s dan derajat bakar ~ 70 MWD/kgU) menunjukkan bahwa rekristalisasi, yang telah terjadi di bagian tepi luar pelet pada fraksional jari-jari antara 0,9 -1,0 dan mulai terjadi pad a saat derajat bakar mencapai 45 MWD/kgU, telah memberikan tambahan prosentasi pelepasan gas hasil tisi sekitar 3 -5% untuk keadaan mantap (steady state) dan sekitar 15 -20% untuk transien tipe RIA. ABSTRACT EFFECT OF RECRYSTALLIZATION IN HIGH-BURNUP UO2 FUEL ON FISSION GAS RELEASE. Recrystallization or subdivision of the original grains into fine-grained structure has been observed in high-bumup UO2 fuels. Fuel with fine grains has potency to enhance fission gas release. Increasing of gas pressure inside the fuel rod due to fission gas release is one condition that can limit the attainable bumup level. This paper discusses the results of the study of the effect of recrystallization in high bumup UO2 fuel on fission gas release. In this study the FASTGRASS computer code was used to predict the fission gas behavior in the fuel. In general, the results show that recystallization causes a shatp increase of fission gas release, mainly in severe accident scenarios such as the RIA type transient. The in-reactor simulation of the PWR type - UO2 fuel pellet (fission rate ~ 2.03 X1019 fissionslm3-s and bumup ~ 70 MWDlkgU) shows that recystallization, which happened in the peripheral region of fuel pellet at fractional radius of 0.9 - 1.0 and started at bumup of 45 MWDlkgU, gives an additional percentage of fission gas release up to 3 -5% for steady state and up to 20 -25% for RIA type-transient. PENDAHULUAN Agar tujuan kinerja dan keandalan yang diinginkan tercapai, salah satu problema yang perlu mendapat perhatian serius dalam penggunaan bahan bakar berderajat bakar tinggi adalah kenaikan tekanan gas di dalam batang bahan bakar (fuel rod) yang disebabkan oleh gas-gas hasil fisi, terutama xenon dan kripton, yang terlepas dari matrik bahan bakar. Selain itu, tekanan kontak pelet-kelongsong juga akan meningkat sebagai akibat kenaikan ekspansi volume bahan bakar (swelling) yang terutama disebabkan oleh akumulasi gelembung- gelembung gas hasil fisi tersebut di dalam matrik bahan bakar. Untuk tingkat derajat bakar yang telah dicapai saat ini, problema tersebut telah dapat diatasi antara lain melalui perbaikan desain seperti menambah volume ruang kosong di dalam batang bahan bakar [3]. Akan tetapi, untuk tingkat derajat Penggunaan bahan bakar berderajat bakar tinggi pada PL TN jenis LWR (Light Water Reactor) merupakan solusi terbaik saat ini untuk menekan ongkos bahan bakar terutama bagi utiliti yang menerapkan strategi daur bahan bakar terbuka (open fuel cycle). Hal ini dikarenakan pemanfaatan uranium menjadi lebih baik dan jumlah bahan bakar bekas yang disimpan akan berkurang apabila derajat bakar yang dicapai bahan bakar semakin tinggi. Dewasa ini rata-rata derajat bakar bahan bakar LWR telah berhasil ditingkatkan dari 28 MWD/kgU (BWR) dan 33 MWD/kgU (PWR) menjadi sekitar 40 -50 MWD/kgU. Sasaran derajat bakar (average discharge burnup) yang ingin dicapai dimasa mendatang (th. 2010-an) adalah sekitar 65 MWD/kgU[1,2,3]. 270

ISSN 1410-1998 P2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 ...digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/P2TBDU 2000/P2TBDU 22... · batang bahan bakar sebagai akibat pelepasan gas hasil

  • Upload
    ledang

  • View
    229

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ISSN 1410-1998 P2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 ...digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/P2TBDU 2000/P2TBDU 22... · batang bahan bakar sebagai akibat pelepasan gas hasil

Prosiding Presentasi I/miah Daur Bahan Bakar Nukfir VP2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 Pebruari 2000

ISSN 1410-1998

EFEK REKRISTALISASI PADA BAHAN BAKAR UO2 DERAJAT BAKAR TINGGI TERHADAP

PELEPASAN GAS HASIL FISI

Bambang HerutomoPusat Pengembangan Teknologi Bahan Bakar dan Daur Ulang-BATAN

ABSTRAK

EFEK REKRISTALISASI PADA BAHAN BAKAR UO2 DERAJAT BAKAR TINGGI TERHADAPPELEPASAN GAS HASIL FISI. Rekristalisasi atau pemecahan butiran asli membentuk strukturberbutir halus telah diamati di dalam bahan bakar UO2 derajat bakar tinggi. Bahan bakar berbutirhalus berpotensi untuk mempertinggi pelepasan gas hasil tisi. Kenaikan tekanan gas di dalambatang bahan bakar sebagai akibat pelepasan gas hasil tisi adalah satu kondisi yang dapatmembatasi tingkat derajat bakar. Makalah ini membahas hasil studi tentang efek rekristalisasipada bahan bakar UO2 derajat bakar tinggi terhadap pelepasan gas hasil tisi. Dalam studi ini,program komputer FASTGRASS telah digunakan untuk memprediksi perilaku gas hasil tisi didalam bahan bakar. Hasil studi secara umum menunjukkan bahwa rekristalisasi menyebabkanpelepasan gas hasil tisi meningkat secara tajam terutama untuk skenario kecelakaan berat sepertitransien tipe RIA. Simulasi dalam reaktor pad a pelet bahan bakar UO2 tipe PWR (Iaju fisi ~ 2,03 x1019 tisi/m3-s dan derajat bakar ~ 70 MWD/kgU) menunjukkan bahwa rekristalisasi, yang telahterjadi di bagian tepi luar pelet pada fraksional jari-jari antara 0,9 -1,0 dan mulai terjadi pad a saatderajat bakar mencapai 45 MWD/kgU, telah memberikan tambahan prosentasi pelepasan gashasil tisi sekitar 3 -5% untuk keadaan mantap (steady state) dan sekitar 15 -20% untuk transientipe RIA.

ABSTRACT

EFFECT OF RECRYSTALLIZATION IN HIGH-BURNUP UO2 FUEL ON FISSION GASRELEASE. Recrystallization or subdivision of the original grains into fine-grained structure hasbeen observed in high-bumup UO2 fuels. Fuel with fine grains has potency to enhance fission gasrelease. Increasing of gas pressure inside the fuel rod due to fission gas release is one conditionthat can limit the attainable bumup level. This paper discusses the results of the study of the effectof recrystallization in high bumup UO2 fuel on fission gas release. In this study the FASTGRASScomputer code was used to predict the fission gas behavior in the fuel. In general, the resultsshow that recystallization causes a shatp increase of fission gas release, mainly in severeaccident scenarios such as the RIA type transient. The in-reactor simulation of the PWR type -UO2 fuel pellet (fission rate ~ 2.03 X1019 fissionslm3-s and bumup ~ 70 MWDlkgU) shows thatrecystallization, which happened in the peripheral region of fuel pellet at fractional radius of 0.9 -1.0 and started at bumup of 45 MWDlkgU, gives an additional percentage of fission gas releaseup to 3 -5% for steady state and up to 20 -25% for RIA type-transient.

PENDAHULUAN Agar tujuan kinerja dan keandalanyang diinginkan tercapai, salah satuproblema yang perlu mendapat perhatianserius dalam penggunaan bahan bakarberderajat bakar tinggi adalah kenaikantekanan gas di dalam batang bahan bakar(fuel rod) yang disebabkan oleh gas-gas hasilfisi, terutama xenon dan kripton, yangterlepas dari matrik bahan bakar. Selain itu,tekanan kontak pelet-kelongsong juga akanmeningkat sebagai akibat kenaikan ekspansivolume bahan bakar (swelling) yang terutamadisebabkan oleh akumulasi gelembung-gelembung gas hasil fisi tersebut di dalammatrik bahan bakar. Untuk tingkat derajatbakar yang telah dicapai saat ini, problematersebut telah dapat diatasi antara lainmelalui perbaikan desain seperti menambahvolume ruang kosong di dalam batang bahanbakar [3]. Akan tetapi, untuk tingkat derajat

Penggunaan bahan bakar berderajatbakar tinggi pada PL TN jenis LWR (LightWater Reactor) merupakan solusi terbaiksaat ini untuk menekan ongkos bahan bakarterutama bagi utiliti yang menerapkan strategidaur bahan bakar terbuka (open fuel cycle).Hal ini dikarenakan pemanfaatan uraniummenjadi lebih baik dan jumlah bahan bakarbekas yang disimpan akan berkurang apabiladerajat bakar yang dicapai bahan bakarsemakin tinggi. Dewasa ini rata-rata derajatbakar bahan bakar LWR telah berhasilditingkatkan dari 28 MWD/kgU (BWR) dan 33MWD/kgU (PWR) menjadi sekitar 40 -50MWD/kgU. Sasaran derajat bakar (averagedischarge burnup) yang ingin dicapai dimasamendatang (th. 2010-an) adalah sekitar 65

MWD/kgU[1,2,3].

270

Page 2: ISSN 1410-1998 P2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 ...digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/P2TBDU 2000/P2TBDU 22... · batang bahan bakar sebagai akibat pelepasan gas hasil

ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP27BDU dan P2BGN-BATAN Jakarla, 22 Pebruari 2000

pendek sehingga gas-gas hasil fisi akanmencapai bidang batas butir dalam waktuyang lebih singkat. Untuk membuktikandugaan tersebut, studi (perhitungan) untukmengetahui efek rekristalisasi terhadappelepasan gas hasil fisi dan swelling daribahan bakar UO2 berderajat bakar tinggi tipeLWR telah dilakukan dan hasil-hasilperhitungan dibahas di dalam makalah ini.Kondisi iradiasi yang ditinjau dalamperhitungan adalah keadaan mantap (steadystate) dan transien singkat tipe -RIA(Reactivity Initiated Accident). Dalam studiini, perilaku gas hasil fisi di dalam bahanbakar UO2 sebagai fungsi sejarah iradiasi

diprediksi dengan program komputerFASTGRASS (7]. Hasil-hasil perhitungan yangdiperoleh diharapkan berguna sebagai dasarpertimbangan dalam mendesain elemenbakar L WR eksperimental tipe PWRberderajat bakar tinggi yang akan diuji-iradiasi di RSG-GAS.

METODE

Untuk mengetahui efek rekristalisasiterhadap pelepasan gas hasil fisi danswelling dari bahan bakar UOz yang ditinjau,

perhitungan dengan program komputerFASTGRASS dikerjakan dengan cara sbb. :

.sebelum dosis iradiasi mencapai dosisrekristalisasi maka perhitungan dilakukandengan ukuran butir UOz standar untukLWR, yaitu 15 J.1m, kemudian

.pada saat dosis iradiasi telah mencapaidosis rekristalisasi dan seterusnya,ukuran butir diubah menjadi 0,5 J.1msesuai rekomendasi pustaka [4.5.6].

Oasis rekristalisasi atau dosis iradiasiyang menyebabkan bahan bakar UOz mulaimengalami rekristalisasi, FDX (fisi/m3), dalamperhitungan ini ditentukan berdasarkanpersamaan-persamaan dan data parameteryang dikembangkan oleh J.Rest dan G.L.Hofman [4.5.6], yaitu :

bakar yang lebih tinggi lagi, desain batangbahan bakar tersebut masih perlu dikaji ulangkarena hasil penelitian [4,5] mengungkapkan

bahwa laju swelling dan laju pelepasan gashasil fisi meningkat tajam setelah iradiasimelewati derajat bakar tertentu.

Rekristalisasi atau pemecahanbutiran (grain) hasil fabrikasi menjadi butiran-butiran halus (subgrain) telah diamati didalam bahan bakar UO2 berderajat bakartinggi. Proses rekristalisasi mulai terjadiapabila energi per inti cukup untukmembentuk permukaan-permukaan batasbutir dengan membuat suatu volume yangbebas regangan dengan hasil akhir berupapenurunan energi bebas material.Restrukturisasi ini menyebabkan terbentuk-nya suatu jaringan yang rapat menyerupaibatas butir baru. Oasis iradiasi yangmenyebabkan rekristalisasi ditentukan olehkondisi operasi bahan bakar sepertitemperatur dan laju fisi[4,5,6].

Peristiwa rekristalisasi di dalambahan bakar UO~ mula pertama diamati olehBleiberg et.al. 4], yaitu butiran asli yangberukuran 20 -30 11m telah pecah menjadibutiran-butiran halus dengan ukuran <111msetelah dosis iradiasi mencapai 2 x 1021fisi/cm3. Penelitian lain [5] juga meng-

ungkapkan bahwa bagian tepi luar(peripheral) pelet bahan bakar L WRmeningkat porositasnya dengan kenaikanderajat bakar. Pada derajat bakar sekitar 45MWO/kgU. cincin luar yang sangat berporidengan ketebalan sekitar 100 -200 11m telahterbentuk. Pengujian lebih lanjut dari rimeffect ini menunjukkan struktur butir yangsangat halus apabila dibandingkan denganukuran butir UO2 yang asli.

Rekristalisasi yang menghasilkanstruktur bahan bakar berbutir halus tersebutdiduga kuat akan mempertinggi lajupelepasan gas hasil fisi dan swelling. Hal inimengingat panjang difusi gas-gas hasil fisi(gelembung-gelembung gas) untuk mencapaibatas butir di dalam bahan bakar yangmengalami rekristalisasi menjadi lebih

.r;2,19310-8. F + 6,47S'VF.e-18561.5IT 1)FDX= .

+2,7310-38.T.F7,8910-27.r.e-32482,6IT

.

F = laju fisi (x 1020 fisi / detik

= Temperatur ( K )T

271

Page 3: ISSN 1410-1998 P2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 ...digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/P2TBDU 2000/P2TBDU 22... · batang bahan bakar sebagai akibat pelepasan gas hasil

Prosiding Presentasi /lmiah Daur Bahan Bakar Nuk/ir VP27BDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 Pebruari 2000 ISSN 1410-1998

HASIL DAN BAHASANbahan bakar naik tajam setelah dosis iradiasimelewati dosis rekristalisasi, yaitu sekitar1,54 x 1027 fisi/m3 atau sekitar 60 MWD/kgU.Oleh karena rekristalisasi menghasilkanbutiran-butiran halus yang berukuran sekitar0,5 IJm (sub-grain) maka difusi gas-gas hasilfisi yang terbentuk, baik berupa atom

maupun gelembung gas, akan lebih cepatmencapai batas butir apabila dibandingkanpad a butiran UO2 yang tidak mengalamirekristalisasi. Gas-gas hasil fisi yang telahmencapai batas butir akan tertahan yangkemudian membentuk titil-titik node. Apabilabatas butir telah jenuh dengan titik-titik nodemaka akan terjadi persambungan antar titiknode membentuk suatu terowongan halusdan gas-gas hasi! fisi yang telah mencapaibatas butir akan mengalir di dalamterowongan tersebut yang kemudian akandiendapkan di daerah batas butir yangmemiliki ikatan paling lemah, yaitu di daerahpajak butir (grain edge), membentukgel em bung gas yang semakin lama tumbuhmembesar sejalan dengan kenaikan dosisiradiasi. Apabila te~adi persambungan antara

gelembung-gelembung gas pajak butir (/ong-range interconection) tersebut maka akanterbentuk porositas baru di dalam bahanbakar dan volume bahan bakar bertambahbesar (swelling). Selanjutnya, gas-gas hasilfisi akan terbebas keluar dari bahan bakarmelalui ~orositas yang telah terbentuktersebur4. .6].

Hasil perhitungan FASTGRASStentang fraksi gas hasil fisi yang terlepas darimatrik bahan bakar UO2 pada keadaantransien tipe RIA, baik untuk butiran bahanbakar yang mengalami rekristalisasi maupunyang tidak mengalami rekristalisasi dapatdilihat pada gambar 5. Dalam perhitungandiasumsikan bahwa transien terjadi tepatpada saat dosis iradiasi mencapai dosisrekristalisasi (sekitar 60 MWD/kgU) danskenario transien yang digunakan adalahpemanasan secara cepat dalam orde 10 millidetik dari temperatur semula (900 K) ketemperatur maksimum (2600 K) yangkemudian diikuti pendinginan selama 10 detikuntuk kembali ke temperatur sebelumtransien ( 900 K). Hasil perhitungan yangdiperoleh menunjukkan bahwa transien tidakmenyebabkan perubahan yang nyataterhadap pelepasan gas hasil fisi dari butiranyang tidak mengalami rekristalisasi. Akantetapi, untuk butiran bahan bakar yangmengalami rekristalisasi, trasienmenyebabkan kenaikan yang sangatsignifikan terhadap pelepasan gas hasil fisi,

Hasil perhitungan dosis rekristalisasibahan bakar UO2 sebagai fungsi laju fisi dantemperatur iradiasi dapat dilihat pada gambar1 dan hasil perhitungan dosis rekristalisasibahan bakar UO2 untuk PWR (Iaju fisi sekitar2,03 x 1019 fisi/m3-s) sebagai fungsi

temperatur dapat dilihat pad a gambar 2.Hasil perhitungan tersebut menunjukkanbahwa untuk temperatur iradiasi yang sarna(gambar 1 ) maka kenaikan laju fisi

menyebabkan penurunan dosis rekristalisasi.Dengan kata lain, apabila laju fisi naik makaproses rekristalisasi akan terjadi lebih cepat(pada dosis iradiasi atau derajat bakar yanglebih rendah). Untuk laju fisi yang sarna(gambar 2), dosis rekristalisasi menurunsedikit dengan kenaikan temperatur danmencapai titik terendah pada temperatursekitar 800 K. Dosis rekristalisasi kemudiannaik secara tajam untuk temperatur di atas900 K. Perlu diketahui bahwa prosesrekristalisasi pada bahan bakar UO2 tidakakan terjadi apabila temperatur lebih besardari 1000 K karena cacat-cacat yangterbentuk akibat iradiasi telah mengalamirekoveri termal [6].

Data hasil perhitungan menunjukkanbahwa proses rekristalisasi pada bahanbakar PWR mulai terjadi pad a saat dosisiradiasi mencapai sekitar 1,2 x 1027 fisi/m3atau setara dengan derajat bakar sekitar 45MWD/kgU dan rekristalisasi ini terjadi padabagian bahan bakar yang memilikitemperatur sekitar 800 K. Apabila bahanbakar tersebut diiradiasi sampai derajat bakar8u MWD/kgU atau setara dengan dosisiradiasi sekitar 2,1 x 1027 fisi/m3 maka prosesrekristalisasi hanya akan terjadi pad a bagianpelet bahan bakar yang memiliki temperaturlebih kecil dari 950 K (Iihat gambar 2). Olehkarena itu, untuk mengurangi efekrekristalisasi maka fraksi bahan bakar yangmemiliki temperatur lebih rendah dari 950 K

perlu dikurangi.

Hasil perhitungan FASTGRASStentang fraksi gas hasil fisi yang terlepas darimatrik bahan bakar dan swelling yang terjadipada Dahan bakar untuk kondisi steady statedapat dilihat pada gambar 3 dan gambar 4.Dalam hal ini perhitungan dilakukan terhadapspesimen uji bahan bakar UO2 yan~ diiradiasipada laju fisi sebesar 2,03 x 10 fisi/m3-sdan temperatur konstan sekitar 900 K. Hasilperhitungan menunjukkan bahwa lajupelepasan gas hasil fisi dan laju swelling

272

Page 4: ISSN 1410-1998 P2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 ...digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/P2TBDU 2000/P2TBDU 22... · batang bahan bakar sebagai akibat pelepasan gas hasil

ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2000

sekitar 3 -5 % dari prosentasi gas hasil fisiyang terlepas dari pelet bahan bakar yangdihitung tanpa memperhatikan efekrekristalisasi (gambar 7). Apabila terjaditransien tipe RIA pad a akhir iradiasi makaprosentasi gas hasil fisi yang terlepas akanbertambah sekitar 20 -25% danpenambahan ini dapat berdampak besarterhadap kenaikan tekanan gas di dalambatang bahan bakar. OJ sisi lain, meskipunrekristalisasi juga menyebabkan kenaikanlaju swelling akan tetapi kenaikan swellingyang terjadi pada daerah pelet yangmengalami rekristalisasi tersebut hampirtidak berbengaruh terhadap total swellingyang terjadi pada pelet bahan bakar (gambar8). Hal ini dikarenakan relatif kecilnya ordeswelling dan fraksi volume pelet bahan bakaryang mengalami rekristalisasi.

SIMPULAN DAN SARAN

yaitu mencapai sekitar 41 % (gambar 5) danakan mencapai sekitar 95% apabila transienterjadi pada derajat bakar 70 MWD/kgU(gambar 6). Perhitungan yang dilakukanpad a derajat bakar 60 MWD/kgU denganvariasi temperatur transien menunjukkanbahwa pelepasan gas hasil fisi tidak terjadiapabila temperatur maksimum transienkurang dari 2200 K dan pelepasan gas hasilfisi mencapai fraksi 90 % apabila temperaturmaksimum transien sekitar 3000 K.

Hasil perhitungan pada gambar 5menunjukkan bahwa pelepasan gas hasil fisimencapai maksimum setelah 3 detik dariawal transien dan kemudian tidak ada gashasil fisi yang dilepaskan sampai batas waktutransien berakhir (10 detik). Kondisi ini terjadikarena pemanasan yang cepat dengan lajutinggi menyebabkan batas butir seolah-olahmenjadi suatu permukaan yang bebas (batasbutir mengalami retak-mikro sebagai akibattegangan termal yang timbul) sehingga gashasil fisi yang telah mencapai batas butirakan langsung terlepas dari matrik bahanbakar. Setelah pendinginan berlangsungbeberapa saat maka batas butir akan kembalike keadaan semula dan gas-gas hasil fisiyang telah mencapai batas butir akantertahan di batas butir tersebut sehinggasetelah pendinginan berlangsung sekitar 3detik tidak terdapat gas hasil fisi yangterlepas dari matrik bahan bakar. Olehkarena transien tipe RIA berlangsung dalamselang waktu yang sangat singkat (orde 10detik) dan gas-gas hasil fisi yang telahmencapai batas butir akan langsungdibebaskan sehingga gelembung-gelembunggas yang tertahan di pajak butir (grain edge)tidak sempat mengalami pertumbuhan makatransien tipe ini ini tidak akan menyebabkankenaikan swelling pada bahan bakar.

Hasil perhitungan untuk pelet bahanbakar UO2 tipe PWR yang diiradiasi padarapat daya konstan sekitar 650 W/cm3 ataulaju fisi sekitar 2,03 x 1019 fisi/m3-s dantemperatur permukaan pelet sekitar 830 Kmenunjukkan bahwa proses rekristalisasiakan terjadi pada saat derajat bakarmencapai sekitar 45 MWD/kgU. Apabila pelettersebut diiradiasi sampai derajat bakar 70MWD/kgU maka fraksi jari-jari pelet yangmengalami rekristalisasi (rim erect) adalahantara 0,9- 1,0 atau sekitar 20% dari luaspenampang pelet bahan bakar.Rekristalisasi pada bagian pelet tersebutmenyebabkan prosentasi gas hasil fisi yangterlepas dari matrik bahan bakar bertambah

Berdasarkan hasil dan bahasan dialas terlihat bahwa rekristalisasi yang terjadipada bahan bakar UOz berderajat tinggimemiliki efek yang cukup signifikan terhadappelepasan gas hasil fisi terutama apabilaterjadi transien sing kat seperti RIA. Hasilperhitungan menunjukkan bahwa rekris-talisasi yang terjadi pada bagian luar peletbahan bakar UOz derajat bakar tinggi (70MWD/kgU) untuk PWR telah menambahprosentasi total gas hasil fisi yang terlepasdari pelet bahan bakar sekitar 3 -5% padakondisi steady state dan sekitar 15 -20%apabila terjadi transien tipe RIA.

Meskipun rekristalisasi jugamenyebabkan kenaikan swelling akan tetapipengaruhnya terhadap total swelling yangterjadi pada pelet bahan bakar hampir tidakada (dapat diabaikan). Efek lain yang perlumendapatkan perhatian adalah peningkatanporositas pada bagian pelet yang telahmengalami rekristalisasi. Kenaikan porositasmenyebabkan daya hantar panas bahanbakar turun dan temperatur operasi bahanbakar akan naik yang berarti laju pelepasangas hasil fisi juga akan naik.

Untuk menjaga agar batang bahanbakar tetap memiliki kinerja dan tingkatkeandalan yang tinggi maka prosesrekristalisasi yang terjadi pad a bahan bakarUOz berderajat bakar tinggi perlu dihindari,yaitu dengan mendesain bahan bakar yangmemiliki laju fisi dan temperatur operasisedemikian hingga bahan bakar tidak

273

Page 5: ISSN 1410-1998 P2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 ...digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/P2TBDU 2000/P2TBDU 22... · batang bahan bakar sebagai akibat pelepasan gas hasil

Prosiding Presentasi /lmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP27BDU dan P2BGN-BATAN Jakarta, 22 Pebruari 2000 ISSN 1410-1998

mengalami rekristalisasi sampaibakar yang direncanakan tercapai.

derajat

DAFTAR PUSTAKA

Bambang Herutomo.Laju fisi (rapat daya) dan temperatur

operasi bahan bakar harus diatursedemikian hingga dosis rekristalisasi-FOX (Persamaan 1) lebih besar daritingkat derajat bakar yang dicapai olehbahan bakar.

.Tergantung pad a laju fisi (rapat daya) didalam bahan bakar UO2 (Iihat Gambar 1dan Gambar 2). Efek rekoveri termal

menyebabkan bahan bakar UO2 tidakmengalami rekristalisasi apabiladioperasikan ~ada temperatur lebihbesar dari 1000 K.

.Untuk menghindari ketidak tentuan,sebaiknya bahan bakar UO2 dioperasikandengan derajat bakar tidak melebihidosis rekristafisasi.

[2].

[3].

[4]

[5]

Nusin Samosir.Parameter mana, laju fisi atau temperatur

operasi yang lebih berpengaruh terhadapdosis rekristalisasi?

Bambang Herutomo.Hasil perhitungan (Gambar 1 dan

Gambar 2) menunjukkan bahwatemperatur operasi lebih berpengaruhterhadap besar dosis rekristalisasidibandingkan laju fisi.

[6].

Futichah.Pelepasan hasil fisi apakah jumlahnya

dipengaruhi oleh luas permukaan butir(ukuran butir) atau jumlah massauraniumnya?

Bambang Herutomo.Pelepasan hasil fisi dari matriks bahan

bakar sang at dipengaruhi oleh luaspermukaan butir (ukuran butir) yaitusemakin kecilluas permukaan butir makasemakin besar laju pelepasan gas hasilfisi. Selain itu, laju pelepasan gas hasilfisi juga dipengaruhi oleh temperaturoperasi bahan bakar (Iaju pelepasanakan meningkat apabila temperatur naik).Sedangkan jumlah massa Uranium(235U) tidak berpengaruh terhadappelepasan gas hasil fisi. Akan tetapi,tingkat derajat bakar yang dicapai bahanbakar akan menentukan jumlah (total)gas hasil fisi yang terlepas.

[7]

MILLER R.S., "Steps Toward HighBurn-up in PWRs a USPerspective", Nuclear Energy, 1992,31, No.1, Feb., 41-47.COCHRAN R.G. andTSOULFANIDIS N., "The NuclearFuel Cycle Analysis andManagement", ANS -1990.IAEA, "Review of Fuel ElementDevelopments for Water CooledNuclear Power Reactor", TRS No.299, International Atomic EnergyAgency, Vienna, 1989.REST J. and HOFMAN G.L.,"Dynamics of Irradiation-InducedGrain Subdivision and Swelling inU3Siz and UOz Fuels", Journal ofNuclear Materials, 210 (1994) 187 -202.REST J., "The DART -DyspersionAnalysis Research Tool: AMechanistic Model for PredictingFission-Product-lnduced Swelling ofAluminium Dispersion Fuels", ANL-95/36, Argonne National Laboratory,August 1995REST J. and HOFMAN G.L., "Letterto the Editors Effect ofRecrystallization in High Burnup UOzon Gas Release during RIA -typeTransients", Journal of NuclearMaterials 223 (1995) 192 -195.

REST J. and ZAWADZKI S.A.,"FASTGRASS : A Mechanistic Modelfor Prediction of Xe, I, Cs, Te, Ba andSr Release from Nuclear Fuel UnderNormal and Severe -Accident

Conditions", NUREG/CR-5840, ANL-92/3, Argonne National Laboratory,Sept. 1992.

TANYAJAWAB

Sungkono.Parameter apa yang digunakan untuk

mendesain elemen bakar agar tidakterjadi rekristalisasi?

.Pada temperatur berapa rekristalisasiUO2 terjadi?

.Menurut pendapat Saudara, sampaiderajad bakar berapa UO2 aman?

274

Page 6: ISSN 1410-1998 P2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 ...digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/P2TBDU 2000/P2TBDU 22... · batang bahan bakar sebagai akibat pelepasan gas hasil

ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU dan P2BGN-BATAN Jakarta. 22 Pebruari 2000

Gambar 1: Oasis rekristalisasi bahan bakarUO2 sebagai fungsi laju fisi dan temperatur

Gambar 3: Efek rekristalisasi terhadappelepasan gas hasil fisi dari bahan bakarUO2 (900 K, 2,03 x 1019 fisi/m3-s)

Gambar 4: Efek rekristalisasi terhadapswelling bahan bakar UO2 (900 K, 2,03 x1019 fisi/m3-s)

Gambar 2: Oasis rekristalisasi di dalambahan bakar UO2 tipe PWR (Iaju fisi 2,03 x1019 fisi/m3-s) sebagai fungsi temperatur

275

Page 7: ISSN 1410-1998 P2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 ...digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/P2TBDU 2000/P2TBDU 22... · batang bahan bakar sebagai akibat pelepasan gas hasil

Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2T8DU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 Pebruari 2000 ISSN 1410-1998

Gambar 5: Efek transien tipe RIA terhadappelepasan gas hasil fisi dari bahan bakarUO2 pada derajat bakar 60 MWD/kgU

Gambar 7: Pelepasan gas hasil fisi daripelet bahan bakar UO2 twe PWR (650W/cm3, 2,03x 1019 fisi/m -s)

Gambar 6: Efek transien tipe RIA terhadappelepasan gas hasil fisi dari bahan bakarUO2 yang mengalami rekristalisasi padaderajat bakar yang berbeda

Gambar 8: Swelling dari pelet bahan bakarUOztipe PWR (650 W/cm3, 2,03x 1019 fisi/m3-

s)

276