SIMULASI DISTRIBUSI SUHU KOLAM

IRADIATOR GAMMA 2 MCi MENGGUNAKAN FLUENT

Sanda, Kasmudin

Pusat Rekayasa Fasilitas Nuklir, BATAN,

Tangerang Selatan, Indonesia.

Email : sanda@batan.go.id, kasmudin@batan.go.id

ABSTRAK

SIMULASI DISTRIBUSI SUHU KOLAM IRRADIATOR GAMMA 2 MCi

MENGGUNAKAN FLUENT. Distribusi suhu di dalam kolam irradiator merupakan salah

satu parameter penting dalam keselamatan instalasi irradiator gamma, karena berhubungan

dengan kemampuan pendinginan selama sumber radiasi Cobalt 60 berada di dalam kolam.

Sumber radiasi Cobalt 60 yang berada di dasar kolam mempunyai energi sebesar 14.829,6

watt dengan jumlah sumber sebanyak 20 pensil dan volume air kolam sebesar 58.000 liter,

sedangkan fluks yang dipancarkan oleh 20 pensil tersebut mencapai 931.941,1W/m2. Pada

makalah ini akan dibahas penggunaan Fluent untuk mengetahui distribusi suhu yang

terjadi di dalam kolam irradiator. Perhitungan dilakukan untuk mengetahui suhu pada

kolam. Hasil perhitungan adalah diperolehnya selisih suhu, yaitu pada posisi sumber

Cobalt 60 sebesar 31,9oC dan di atas permukaan kolam sebesar 31

oC. Hal ini menunjukkan

distribusi suhu dari sumber Cobalt 60 ke lingkungan sekitar terjadi sangat kecil sekali,

akibat jumlah pendingin air kolam yang sangat banyak.

Kata kunci : Distribusi suhu, Irradiator gamma, Fluent, Cobalt 60, kolam irradiator.

ABSTRACT

A TEMPERATURE DISTRIBUTION SIMULATION OF 2 MCI IRRADIATOR

GAMMA POOL USING FLUENT. Temperature distribution within the Irradiator’s pool

is one of the important parameters in the gamma Irradiator plant safety, because it relates

to the ability of cooling for Cobalt 60 radiation sources in the pool. Cobalt 60 radiation

source located at the bottom of the pool will have energy of 14.829,6 watts with the

number resources 20 pencils and a volume of 58,000 liters of pool water, while the flux

emitted by the pencil reaches 931.941,1 W / m2. This paper will discuss the use of Fluent to

determine the distribution of temperature in the pool Irradiator. The calculation is done to

determine the temperature of the pool. The calculation result shows temperature difference

31,9oC in the position of Cobalt source and 31

oC above the surface of the pool. It shows

the distribution of temperature from the source of Cobalt 60 to the environment

surrounding the case is very small, due to the amount of cooling water pool is very much.

Keywords : Temperatur distribution, Gamma irradiator, The Fluent, Cobalt 60, Irradiator

pool.

SEMINAR NASIONAL XI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 15 SEPTEMBER 2015 ISSN 1978-0176 _______________________

________________________________________________

_____________________________________________

_______________________ ________________________________________________ 28

_____________________

PENDAHULUAN

Energi panas yang ke luar dari

Cobalt dengan intensitas 2 MCi harus bisa

didinginkan oleh air di dalam kolam. Bila

pendinginan yang dilakukan oleh air tidak

tercapai, maka akan menyebabkan

berkurangnya air kolam. Akibat gagalnya

penyerapan panas oleh air kolam yang

terjadi secara terus menerus, bisa juga dari

fungsi waktu. Energi panas yang ke luar

dari Cobalt 60, temperaturnya semakin

lama semakin tinggi atau temperaturnya

naik setiap hari. Kemampuan pendingin

dalam memindahkan suhu panas yang

terjadi di dalam dasar kolam irradiator

gamma harus menjadi pertimbangan utama

dalam desain. Air kolam merupakan

parameter yang digunakan untuk menahan

terjadinya distribusi suhu agar naiknya

suhu ke atas permukaan kolam dapat

terdeteksi. Bila distribusi suhu yang terjadi

tanpa kontrol, maka akan sangat berbahaya

bagi instalasi irradiator gamma dan

lingkungan sekitarnya, karena bila air

mendidih menyebabkan debit air kolam

berkurang, sehingga bisa terjadi paparan

radiasi, oleh karena itu peristiwa yang

terjadi pada kolam irradiator harus dihitung

agar asfek keselematan bisa terjamin. Dis

tribusi suhu air pendingin tidak berbahaya,

bila terjadi dibawah 2oC dengan asumsi

akumulasi suhu dalam sebulan baru

mencapai di bawah 60oC. Kolam irradiator

gamma dengan geometri kedalaman 6

meter, lebar 2,8 meter dan panjang 3,6

meter di isi dengan air bebas mineral

sekitar 58. 000 dm3 dan di dasar kolam

diletakan sumber radiasi Cobalt 60 dengan

intensitas radiasi sebesar 2 MCi.

Banyaknya pensil yang digunakan untuk

iradiasi 20 buah, sehingga intensitas radiasi

sebuah pensil mencapai 50 kCi1,2)

.

Untuk menghitung distribusi panas

pada kolam irradiator gamma dapat

digunakan paket program Fluent yang

merupakan salah satu analytical tool yang

dapat memprediksi parameter distribusi

panas di dalam kolam irradiator gamma

dengan akurasi yang mampu membuat

model dua dimensi atau tiga dimensi dari

kolam irradiator gamma dan sumber radiasi

Cobalt 60.

Penelitian dalam makalah ini

menyajikan data sumber radiasi Cobalt 60

dan kolam pendingin sumber radiasi dalam

paket program Fluent untuk menghitung

distribusi panas yang terjadi di dalam

kolam air. Hasil yang diharapkan adalah

panas yang terdistribusi di dalam kolam

terjadi secara merata dengan temperature

yang relatif kecil, sehingga instalasi

irradiator gamma dapat dianggap aman dari

panas/suhu sumber radiasi.

METODOLOGI

Irradiator gamma aktivitas 2 MCi

menggunakan jenis kolam dengan sumber

radioaktif Co-60 yang memancarkan foton

gamma dengan energi 1,173 MeV (100%)

dan 1,332 MeV (100%)4,5)

. Sumber Co-60

berbentuk batang pensil6)

(d = 1,11 cm, h =

45,1 cm) disusun menjadi modul dan

modul-modul disusun menjadi rak sumber

yang disimpan dalam kolam air. 1 modul =

10 batang, 1 rak = 4 modul. Kolam air

yang berisi air bebas mineral sebanyak

58.500 dm3, berfungsi sebagai perisai

radiasi dan pendingin dari gamma heating.

Akibat adanya gamma heating, maka

temperatur air kolam akan naik. Dengan

Fluent, akan dianalisis seberapa besar

kenaikan temperatur air kolam dan

distribusinya akibat adanya gamma heating

tersebut. Sebagai gambaran kolam

irradiator ditunjukkan pada Gambar 1.6)

Gambar 1. Kolam irradiator gamma

SEMINAR NASIONAL XI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 15 SEPTEMBER 2015 ISSN 1978-0176 _______________________

________________________________________________

_____________________________________________

_______________________ ________________________________________________ 29

_____________________

Pada Gambar 1 ditunjukkan kolam yang

berwarna kuning dan rak sumber radiasi

yang berada didasar kolam berwarna

hitam. Untuk rak sumber, modul dan pensil

ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Rak sumber, modul dan pensil

sumber radiasi gamma

Sedangkan untuk dimensi kolam irradiator

ditunjukkan pada Gambar 33)

.

Gambar 3. Dimensi kolam irradiator

gamma.

Adapun dimensi rak sumber, modul dan

pensil ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Dimensi rak sumber, modul dan

pensil

Data masukan (input) sebagai

berikut :

1. Kolam air sebagai coolant dengan

deskripsi :

panjang 360 cm, diambil 120 cm

bagian tengah, karena adanya sifat

simetri pada dinding kiri dan kanan

lebar 280 cm, dibuat penuh dengan

batas dinding depan dan belakang

terbuat dari Stainless steel setebal 1 cm

kedalaman 600 cm, juga dibuat penuh,

dengan batas bagian atas udara dan

bagian bawah dinding terbuat dari

Stainless steel setebal 1 cm.

2. Sumber Cobalt 60 pemancar sinar

gamma dengan deskripsi :

dibuat sesuai dengan ukuran aslinya,

yaitu diameter 1,11 cm dengan panjang

45,1 cm. Dalam analisis ini aktivitas

sumber Cobalt 60 dibuat 1,5 kali dari

kapasitas maksimum 2 MCi, maka

menjadi 3 MCi yang dimodelkan

sepertiganya, maka menjadi 1 MCi,

terdiri dari 20 pensil (1 pensil = 50

kCi) berdiri sejajar di dasar kolam

searah panjang kolam dan di tengah-

tengah lebarnya.

PEMODELAN CFD

Langkah yang dilakukan dalam

simulasi ini adalah pemodelan CFD7,8,9)

dengan menggunakan CAD (Computer

Aided Design). Adapun definisi kolam

dan cobalt ditentukan sebagai berikut :

- Air kolam sebagai coolant

- Sumber cobalt 60 berbentuk pensil

sebanyak 20 buah berupa

subtract coolant dengan 20 buah

sumber pensil dan

permukaannya sebagai wall

- Batas kiri dan kanan sebagai

simetri

- Batas depan dan belakang

sebagai wall (dibatasi stainless

steel)

- Batas bawah sebagai wall (dibatasi

stainless steel)

SEMINAR NASIONAL XI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 15 SEPTEMBER 2015 ISSN 1978-0176 _______________________

________________________________________________

_____________________________________________

_______________________ ________________________________________________ 30

_____________________

- Batas atas sebagai wall (dibatasi

udara).

Selanjutnya dibuat langkah-langkah

untuk pemodelan dan analisis distribusi

panas pada kolam irradiator sebagai

berikut :

1. Proprcessing

Merupakan langkah dalam

membangun dan menganalisa sebuah

model CFD. Tekniknya adalah membuat

model dan operation mesh yang sesuai

dengan menggunakan paket progam

Gambit. Pembuatan model dan mesh

ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6.

Gambar 5. Model kolam dan sumber

Cobalt 60 yang dibuat oleh Gambit

Gambar 6. Model kolam dan sumber

Cobalt 60 yang di-meshing

dengan elemen Tet/Hybrid

dengan jumlah mesh volume

sebanyak 60.689 buah.

Setelah model di-meshing, langkah

selanjutnya dilakukan adalah File. msh

yang di-export Gambit untuk dibaca oleh

Fluent.

2. Solving

Solvers (program inti pencari

solusi) CFD untuk menghitung kondisi-

kondisi yang diterapkan pada saat

preprocessing. kemudian dilakukan

langkah sesuai unitnya, penentuan model

penyelesaiannya (persamaannya),

kemudian penentuan jenis material yang

sesuai, penentuan kondisi operasi dan

penentuan kondisi batas. Setelah itu

diinisialisasi dan terakhir diiterasi.

3. Postprocessing

Postprocessing adalah langkah

terakhir dalam analisis CFD. Hal ini

dilakukan pada langkah mengorganisasi

dan interpretasi data hasil simulasi CFD

dengan hasil yang berupa gambar, kurva

dan animasi.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil simulasi dengan program

Fluent untuk mendapatkan distribusi pada

yang terjadi di dalam kolam. Energi

gamma yang dipancarkan oleh pensil

dihitung5)

sebagai berikut :

P = 50x1000x3,7.1010

dpsx(1,173

MeV+1,332 MeV)

P = 463,425.1013

MeV/s

P = 463,425.1013

x106x1,6

.-19 J/s

P = 741,48 W

Untuk energi 20 pensil sebesar

14.829,6 Watt

Fluks yang dipancarkan dua puluh pensil

adalah

SEMINAR NASIONAL XI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 15 SEPTEMBER 2015 ISSN 1978-0176 _______________________

________________________________________________

_____________________________________________

_______________________ ________________________________________________ 31

_____________________

I = P/A

I = (14829,6 W)/[3,14x1,11.10-2

x(0,555+45,1)x10

-2]

I = 931.941,1 W/m2

Simulasi dengan program Fluent ini

diawali dengan langkah iterasi dengan

indikasi terdapat pernyataan konvergensi

dan grafik untuk menunjukkan bahwa

program Fluent residual errornya rendah.

Hasil running ditunjukkan pada Gambar 7

dan 8.7,10)

Gambar 7. Hasil running Fluent yang

menunjukkan konvergensi.

Pada Gambar 7 diperoleh konvergensi

pada iterasi ke 5, sedangkan untuk grafik

konvergensinya ditunjukkan pada Gambar

8.

Gambar 8. Grafik konvergensi

Dari Gambar 8 diperoleh Grafik iterasi

numerik yang menunjukkan bahwa

programFluent dapat bekerja secara benar

dengan indikasi residual errornya semakin

kecil.

Hasil perhitungan distribusi panas

pada dasar kolam irradiator terjadi pada

dasar kolam sebesar 31,9 oC dan panas

yang terjadi di atas kolam sebesar 31 oC,

sebagai mana ditunjukkan pada Gambar 9.

Gambar 9. Tampak Cobalt 60 pada

dasar kolam irradiator

Hasil perhitungan velocity vectors

sebagai laju perubahan suhu panas

terhadap posisi Cobalt 60 di dalam kolam

irradiator, pada bagian dasar kolam

SEMINAR NASIONAL XI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 15 SEPTEMBER 2015 ISSN 1978-0176 _______________________

________________________________________________

_____________________________________________

_______________________ ________________________________________________ 32

_____________________

sebesar 32 oC dan pada bagian atas kolam

sebesar 31 oC, ditunjukkan pada Gambar

10.

Gambar 10. Velocity vectors by static

Temperature.

Dari vector velocity, dijelaskan

bahwa air pada daerah sumber menyerap

energy foton gamma paling tinggi,

sehingga kerapatannya mengecil dan

akibatnya air dari daerah sumber akan naik,

karena massa jenisnya lebih kecil dari air

bagian atasnya, tetapi karena perbedaan

suhu air pada daerah sumber dan air pada

daerah atasnya relatif kecil, yaitu kurang

dari 1 oC, maka vector velocity terlihat

sangat kecil.

Untuk hasil perhitungan velocity

vectors by velcoity magnitude sebagai laju

kecepatan panas yang terjadi di dalam

kolam. Pada dasar kolam terjadi kecepatan

sebesar 5,75x10-12

m/detik dan di atas

permukaan kolam terjadi kecepatan sebesar

1,13x10-16

m/detik, sebagaimana

ditunjukkan pada Gambar 11.

Gambar 11. Velocity vectors by velocity

magnitude.

Hasil simulasi distribusi panas pada

kolam irradiator gamma telah berhasil

dilakukan dengan menggunakan program

Fluent. Simulasi dilakukan untuk

mendapatkan distribusi panas yang terjadi

di dalam kolam ditunjukkan pada Gambar

12. Hasil menunjukkan terdapat perbedaan

panas pada kedalaman kolam 1,5 meter

dari atas permukaan kolam sebesar 35 oC

dan distribusi panas diatas permukaan

kolam 4 meter sebesar 34 oC. dari

distribusi panas tersebut ternyata terdapat

perbedaan suhu yang relatif kecil, yaitu

sebesar 1 oC. Nilai perbedaan suhu yang

kecil tersebut sangat memungkinkan

karena jumlah air yang tersedia di dalam

kolam sanga banyak, yaitu sebesar 58.500

dm3.

SEMINAR NASIONAL XI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 15 SEPTEMBER 2015 ISSN 1978-0176 _______________________

________________________________________________

_____________________________________________

_______________________ ________________________________________________ 33

_____________________

Gambar 12. Grafik distribusi suhu

dari dasar kolam sampai ke

atas kolam.

KESIMPULAN

Telah diperoleh model kolam

irradiator gamma yang disimulasikan

dengan paket program komputer Fluen.

Hasil simulasi distribusi suhu pada kolam

irradiator gamma, menunjukkan terjadinya

perpindahan suhu di dalam kolam

irradiator dengan beda suhu sebesar 1oC

dari suhu distribusi di pusat sumber Cobalt

sebesar 32oC dan di atas permukaan kolam

sebesar 31oC, hal tersebut berarti suhu di

dalam kolam mengalami kenaikkan sebesar

1oC, walau nilai tersebut terjadi dengan

fluks energi Cobalt 60 mencapai 931.941.1

W/m2, namun debit air kolam sebesar

58.500 dm3 masih mampu mendinginkan

sumber Cobalt 60, sehingga simulasi ini

bisa dijadikan sebagai salah acuan untuk

keselamatan operator dan kemungkinan

berkurangnya air kolam dari suhu sumber

radiasi sangat kecil.

DAFTAR PUSTAKA

1. Program manual, Desain rinci irradiator

kapasitas 200 kCi, PRFN BATAN,

Tangerang, 2014

2. Kristiyanti, Edy Karyanta, “Analisis

dosis radiasi pada kolam air irradiator

gamma 2 MCi menggunakan MCNP”,

Majalah Prima, Vol 11, No. 2, Nop.

2014, PRFN, Tangerang.

3. Budi Santoso, “Penyiapan desain rinci

irradiator 200 kCi”, Usulan kegiatan

PRFN BATAN, Serpong, 2014.

4. Anonim, “IAEA safety standard series

No. SSG-8, Radiation safety of Gamma,

Electron, and X Ray Irradiation

Facilities, specific safety Guide,

Vienna, 2010.

5. Wisnu Arya Wardhana, Teknologi

Nuklir, Proteksi Radiasi dan

Aplikasinya, CV. Andi Offset,

Yogyakarta, 2006

6. Anonim, Technical Specification

Multipurpose Continous and Batch

Gamma Irradiator, PT. Gamma Mitra

Lestari, Jakarta, 2014.

7. Software Fluent 5/6, Fluent Inc,

Copyright 2006.

8. Suroso dan M. Darwis Isnaini,

“Penggunaan fluent untuk simulasi

distribusi Suhu dan kecepatan pada alat

Penukar panas”, Prosiding Lokakarya

Komputasi dalam Sains dan Teknologi

Nuklir, PTRKN BATAN, Jakarta,

Oktober 2010.

9. Tuhika, Firman, Dasar-dasar CFD

menggunakan Fluent, Informatika,

Bandung, 2008.

10. H. Farajollahi, A. Ghasemizad and B.

Khanbabaei, “CFD -Calculation of

flow in a pressurized water reactor”,

Journal of Sciences, Islamic Republic

of Iran 19(3): 273-281, ISSN 1016-

1104, University of Tehran, 2008.

SEMINAR NASIONAL XI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 15 SEPTEMBER 2015 ISSN 1978-0176 _______________________

________________________________________________

_____________________________________________

_______________________ ________________________________________________ 34

_____________________

TANYA JAWAB

Pertanyaan

1. Berapakah ΔT atau batasan yangdiijinkan?

2. Apakah telah dihitung optimalisasivolume air yang dibutuhkan?

3. Apa jenis sumber Co-60 yangdigunakan dalam simulasi distribusisuhu kolam?

4. Berapa batasan nilai acuan keselamatanoperator dengan berkurangnya debitair?

Jawaban

1. Berdasarkan perhitungan manual ΔTyang diijinkan minimum 2 0C.

2. Untuk optimasi volume air memangbelum dihitung tapi sebagai pegangansuatu desain, volume ini bias dijadikanpegangan.

3. Jenis sumber Co-60 yang digunakanberbentuk pensil yang tersusunsehingga panjangnya mencapai 430 mmdengan diameter 8,2 mm.

4. Karena simulasi ini menghasilkan suatudistribusi suhu yang sangat kecil sekitar1 0C maka nilai acuan keselamatanoperator dianggap aman kecuali airkolam mendidih sehingga kolammenguap dan menyebabkan volume airkolam berkurang. Kalau volume airkolam berkurang yang dikuatirkanadalah terjadinya paparan radiasi.

SEMINAR NASIONAL XI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 15 SEPTEMBER 2015 ISSN 1978-0176 _______________________

________________________________________________

_____________________________________________

_______________________ ________________________________________________ 35

_____________________