Pengantar Reaktor - lms.batan.go.id

Syarip

BATAN Yogyakarta

Yogyakarta 31 September 2020

Pengantar Reaktor: Pengaruh Radiasi pada Sistem

Struktur & Komponen (SSK) Reaktor

SK SAMOP 2017.pdf

OUTLINE

- Pendahuluan

- Overview Fisika Reaktor

- Overview Sifat Bahan (SSK)

- Pengaruh Irradiasi pada

SSK Reaktor

- Ageing/ Penuaan SSK

- Penutup

31/08/2020

31/08/2020

www.batan.go.id

Pendahuluan

31/08/2020 3

• Reaktor nuklir merupakan tempat reaksi inti terkendali,

dimana dihasilkan energi berupa panas dan radiasi dari

partikel partikel zat radioaktif. Fisika Reaktor

• Radiasi yang dominan mempengaruhi kinerja sistem struktur

dan komponen (SSK) reaktor adalah neutron dan sinar

gamma, hal ini harus dipertimbangkan dalam umur

penggunaan SSK (penuaan SSK). Sifat Mekanik Bahan

• Penuaan SSK reaktor dapat digunakan secara sinergi dengan

program keselamatan reaktor y.i. untuk:

• memahami perilaku dan pengaruh mekanisme penuaan

pada SSK reaktor.

• mendeteksi dan mengevaluasi efek penuaan; menetapkan

tindakan pencegahan dan koreksi guna menghambat efek

tersebut. Pengaruh Irradiasi

www.batan.go.id

AT

OM

D =

10

-8

cm

PROTON (1,673.10-27 kg)

NEUTRON (1,675.10-27 kg)

NU

CL

EO

N

(D =

10

-12 c

m)

Overview Dasar Fisika Reaktor

www.batan.go.id 5 31/08/2020

Interaksi neutron dengan inti atom :

Serapan (absorpsi) :

Fisi atau pembelahan {n,f}

Tangkapan {n,} aktivasi

Emisi partikel bermuatan {n,p}, {n,)

Hamburan (scattering) :

Hamburan elastik {n,n}

Hamburan inelastik {n,n’}atau {n,n’}

Reaksi {n,2n}


www.batan.go.id

Reaksi Pembelahan Inti

n + U --------> X1 + X2 + (2/3)n + E

E : energi panas (200 MeV.)

Be9 + 24 --------> C12 + 0n1

n : neutron, berasal dari sumber neutron

U : Uranium, berasal dari batuan mineral uranium

X1 , X2 : inti hasil pembelahan (Sm149, Xe135, Cs137, Mo99 )


www.batan.go.id 06/03/2017 7

0n1 + 92U

235 92U236(*) 38Sr94 + 54Xe140 + 2 0n

1 + E

0n1 + 92U

235 92U236(*) 36Sr94 + 56Ba139 + 3 0n

1 + E

Overview Dasar Fisika Reaktor Reaksi Pembelahan Inti

90Th232(n,)90Th233 - 91Pa233 - 92U233

22 m 27,4 hari

92U238(n,)92U239 - 93Np239 - 94Pu239

23 m 2,3 hari

2He3(n,p)1T 3 dgn energi kinetik 1T 3 76 MeV

3Li6(n,)1T3 dgn energi kinetik 1T 3 8 MeV

5B10(n,)3Li7 dgn energi kinetik dan 3Li7 2,79 MeV

www.batan.go.id

10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 60 80 100 120 140 160 No. Massa

Kelim

pah

an (

%)

Produk Fisi Overview Dasar Fisika Reaktor

0n1 + 92U

235 92U236(*) 38Sr94 + 54Xe140 + 2 0n

1 + E

0n1 + 92U

235 92U236(*) 36Sr94 + 56Ba139 + 3 0n

1 + E

www.batan.go.id

(E)

0,3

0,2

0,1

0 2 4 6 8 10

Energi neutron pembelahan (MeV)

Overview Dasar Fisika Reaktor Energi Neutron Hail Fissi

(E) = 0,453 e-1,036E Sinh(2,29E)0,5

E dalam MeV

E E dE MeV. ( ). ,

~

0

1 98

Energi neutron yang paling mungkin

terjadi sekitar 0,73 MeV.

Energi rerata neutron hasil fissi

~ 2 MeV

www.batan.go.id

Br87 (55 detik)

Neutron (kasip) En

Kr87

B.E = 5,4 MeV

-- (~30%)

-- (~70%)

Kr86 (stabil)

-- Sr87 (stabil)

Mekanisme pembentukan neutron kasip

31/08/2020

0n1 + 92U

235 92U236(*) 38Sr94 + 54Xe140 + 2 0n

1 + E

0n1 + 92U

235 92U236(*) 35Br87 + 57La146 + 3 0n

1 + E

Neutron serentak


www.batan.go.id

(b)

•1000

•500

•100

•50

•10

0,005 0,01 0.1 1 10 100

Energi neutron (eV)

Konsep tampang lintang : σ (cm2, barn : b), Σ = N σ

Bahan

Energi neutron

t ii

n

1

6

Overview Dasar Fisika Reaktor Tampang Lintang

www.batan.go.id 12

Distribusi energi neutron fissi energi puncak ~ 0.7 MeV, energi rerata ~ 1.9 MeV.

Variasi tampang lintang fissi (barns) dari U-235 sbg fungsi energi neutron (eV)

Reaktor Termal

Reaktor Cepat

1 barn = 10-24 cm2

Overview Dasar Fisika Reaktor Tampang Lintang

www.batan.go.id 13

http://www.ncnr.nist.gov/resources/n-lengths/ (thermal

neutron data) http://www.nndc.bnl.gov/exfor/endf00.htm (ENDF data)

Data Tampang Lintang

Contoh tampang

lintang dari

bahan Al

www.batan.go.id 14

P = 3,125 10

v dv = 3,125 10

watt f10

0

V

f10

r

( )

Vr

Laju reaksi inti dan Daya reaktor

Daya dpt ditentukan dgn mengukur fluks neutron rerata di teras reaktor

31/08/2020

Satu fissi inti menghasilkan 200 MeV = 2.108 x 1,602.10-19 J = 32 pJ

atau 32.10-12 watt-s, yang berarti diperlukan sebanyak 3,125.1010

fissi per s untuk menghasilkan daya termal 1 watt.

P =m NAσf av

3,125 × 1010 A

m = massa U-235 = 2597 gram

NA = 6,022045.1023

f ~ 580 barn

av = diukur

A = 235 (nomor massa atom)


Laju reaksi: R = N f n v = f interaksi/cm3 s

f = N f cm-1 , = nv neutron/cm2 s

N =NA 𝜌

A=

NA 𝑚

V A

www.batan.go.id

A

KOMPENSASI (C 9) PENGAMAN (C 5)

PENGATUR (E1)

Elemen bahan bakar disusun membentuk kisi-kisi Teras Reaktor

Dilengkapi dengan batang-batang kendali

31/08/2020

Overview Dasar Fisika Reaktor Teras Reaktor (Kartini) dan Distribusi Fluks Neutron

www.batan.go.id

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

0 5 10 15 20 25

Dis

trib

usi

Flu

ks

Rad

ial

Rel

ati

f

Jarak Radial Dari Pusat Teras (cm)

Bentuk Distribusi Fluks Arah Radial

31/08/2020


www.batan.go.id

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Dis

trib

usi

Flu

ks

Ak

sial

Rel

ati

f

Jarak Aksial (cm)

31/08/2020

Overview Dasar Fisika Reaktor Bentuk Distribusi Fluks Arah Aksial

www.batan.go.id

Overview : Sifat Mekanik Bahan/ Logam

18

SIFAT mekanik bahan logam

Sifat yg berhubungan dengan kemampuannya untuk

menahan kekuatan mekanik eksternal seperti menarik,

menekan, memutar, membengkok dan benturan

mendadak, serta pengaruh radiasi nuklir.

Tensile Strength, Elasticity, Ductility, Hardness (Kekuatan

Tarik, Elastisitas, Keuletan, dan Kekerasan)

• Kekuatan Tarik dinyatakan dalam bentuk tarikan yang diperlukan secara

langsung sampai rusak/putus.

31/08/2020

www.batan.go.id 19

• Elastisitas / Kelenturan:

hubungan linier perubahan Panjang yg tidak permanen,

dengan gaya yang dikenakan (hubungan strain dgn stress /

ketegangan terhadap penekanan).


31/08/2020

Batas Elastis: Gaya yang dibutuhkan untuk menghasilkan

deformasi permanen.

www.batan.go.id


20 31/08/2020

• Keuletan/ Kegetasan (ductility):

ukuran kemampuan bahan untuk mengalami deformasi permanen

tanpa rusak /putus.

Mis. tembaga dan aluminium sangat getas. Baja karbon rendah cukup

getas. Beberapa besi cor hampir tidak memiliki keuletan.

Peregangan permanen

dimulai

Peregangan (stretch) berlanjut

Mulai retak (Crack)

Cara untuk mengukur keuletan

logam las.

Cara sederhana untuk mengukur keuletan kawat

Stretch (elongation) -> strain -> engineering strain


• Kekerasan: kemampuan bahan (logam)

untuk menahan indentasi (lekukan) atau penetrasi oleh

bahan lain. Dpt ditentukan dgn mengukur kedalaman

permanen dari lekukan.

Ada hubungan yang sangat erat antara kekerasan dan kekuatan tarik, dan antara kekerasan dan keuletan. Biasanya,

semakin keras baja, semakin tinggi kekuatan tariknya, dan semakin rendah keuletannya.


Uji kekerasan

menggunakan

Equotip D indentor

www.batan.go.id

Ageing/ Penuaan SSK

22

Penuaan didefinisikan sebagai proses umum di mana karakteristik bahan (SSK) secara bertahap berubah dengan waktu atau penggunaan. Reaktor riset mengalami dua jenis perubahan yang tergantung waktu:

• Degradasi SSK (penuaan fisik), yaitu kerusakan bertahap pada karakteristik fisik SSK;

• Keusangan SSK (penuaan non-fisik), yaitu SSK menjadi ketinggalan zaman dibandingkan dengan adanya perkembangan Iptek, standar dan teknologi terkini.

31/08/2020


Average Aluminium Hardness Vs Tank Depth

0

50

100

150

200

250

0 100 200 300 400 500

Distance from Reactor Top (cm)

Hard

ness (

Ld

)

0

10

20

30

40

50

60

70

Yie

ld S

tress (

MP

a)

Hardness (Ld)

Yield Stress (MPa)

Linear (Yield Stress (MPa))

Linear (Hardness (Ld))

Contoh Hasil Pengukuran Kekerasan tangki

reaktor Kartini sebagai fungsi kedalaman

www.batan.go.id 24

Mekanisme Kerusakan Material Karena Radiasi Neutron / Ion

Lingkaran menunjukkan posisi atom di dlm tampang lintang unit sel, skala warna menunjukkan

energi kinetic atom. Mulal mula sangat banyak atom yg dipindahkan, tapi setelah kaskade

menurun hampir semuanya Kembali ke posisi kristal sempurna, Sebagian atom td Kembali ke

posisi semula, terjadi penggantian atom, dihasilkan cacat.

www.batan.go.id 25

• Parameter standar dalam penentuan kerusakan radiasi pada material adalah perpindahan per atom / displacement per atom (DPA),

• Meliputi informasi tentang respons material (atom yang dipindahkan) dan fluence neutron. DPA adalah jumlah kali suatu atom dipindahkan untuk fluence tertentu..

• DPA adalah besaran yang biasanya digunakan untuk menghubungkan kerusakan pada bahan yang diradiasi pada lingkungan neutron (energi) yang berbeda.

• Laju DPA adalah besaran turunan, yang dapat diperoleh dengan membagi, jumlah perpindahan per satuan volume, dan waktu dengan kerapatan atom material

Kerusakan Material Karena Radiasi

• Parameter penting adalah Ed, y.i. energi minimum yg harus ditransfer agar bisa terjadi perpindahan suatu atom

www.batan.go.id 26

Terjadi perubahan mikrostruktur yang diinduksi radiasi secara signifikan, akan menurunkan sifat material • Degradasi sifat fisik • Ketidakstabilan dimensi • Pengerasan dan embrittlement • Creep • Perapuhan helium 10B (n, ) 7Li, 58Ni(n,)59Ni(n,)56Fe • Pengurangan kinerja krn kelelahan • Dislokasi

Contoh cacat pd material karena radiasi.

Kerusakan Material Karena Radiasi

www.batan.go.id

R = Vac

Fluence neuton (fluks terintegrasi) adalah: t n/cm2

t adalah waktu material terirradiasi

Fluks neutron merupakan fungsi energi neutron

31/08/2020

Laju reaksi: R = N f n v = f interaksi/cm3 s

f = N f cm-1 , = nv neutron/cm2 s

Pengaruh Irradiasi thd Bahan (SSK) Fluence neutron

Primary Radiation Damage in Materials

Nuclear Science

NEA/NSC/DOC(2015)9 www.oecd-nea.org

www.batan.go.id 28

Kejadian Kerusakan Radiasi

Peristiwa kerusakan radiasi

timbul akibat adanya:

• Interaksi antara partikel

energitik (foton) dan atom di

dalam materi

• Transfer energi kinetik dari

partikel yang mengenai atom

(dan / atau reaksi nuklir),

kemungkinan menimbulkan

suatu primary knock-on atom (PKA

Sbg contoh: 20 keV adalah energi PKA rata-rata untuk

neutron yang menggantikan Fe.

www.batan.go.id 29

• Pemindahan atom yang terpengaruh dari lokasinya (jika energinya cukup).

• Bagian atom yang dipindahkan melalui kisi sekitarnya,

• Pembangkitan kaskade perpindahan dari himpunan cacat titik dibentuk oleh PKA asli.

• Penghentian gerak PKA, meninggalkan suatu kekosongan (vacancy) dan interstisial.

Kejadian Kerusakan Radiasi

www.batan.go.id 30

Displacement Damage Kerusakan Perpindahan

Displacement per atom (dpa) = Perpindahan per

atom = jumlah rata-rata perpindahan setiap atom

kisi.

• Waktu terjadinya kerusakan sangat singkat ~ 10-11 s. Migrasi cacat melalui mekanisme aktivasi secara termal seperti difusi membutuhkan waktu lebih lama.

www.batan.go.id 31

Efek Kerusakan Radiasi

• Perubahan posisi atom yang terjadi setelah kerusakan diklasifikasikan sebagai efek kerusakan radiasi.

• Di dalam reaktor nuklir, interaksi yang mendominasi adalah intreraksi inti dgn neutron,

Jumlah atom yang dipindahkan per neutron dgn kondisi tertentu, persamaan (sederhana) untuk laju perpindahan atom (laju dpa, R), sebagai fungsi fluks , energi perpindahan Ed, energi neutron datang Ei , rasio massa , penampang hamburan s dan kerapatan atom N, dpt ditulis sbg.:

Ed, = energi minimum yg harus ditransfer agar bisa terjadi perpindahan suatu atom

www.batan.go.id 32

Secara umum laju dpa R sbg fungsi energi neutron yang datang 𝜙 (Ei ) , dan tampang lintang perpindahan D (Ei)

D tampang lintang perpindahan (serapan, hamburan)

Tangkapan/ serapan {n,} aktivasi

Hamburan elastik {n,n}

Hamburan inelastik {n,n’}atau {n,n’}

Reaksi {n,2n}.

{n,} dan {n,2n} dpt diabaikan

Sehingga:

Efek Kerusakan Radiasi

www.batan.go.id 33

Sangat bervariasi kuat sbg fungsi energi neutron

Contoh tampang lintang perpindahan dari Fe

Cttn: tampang lintah telah dikalikan dgn N

www.batan.go.id 34

Suatu bahan besi Fe diirradiasi neutron, energi 0,5 MeV, jika diketahui Ed= 40 eV, Ei = 811,6 keV dan rasio massa = 0,069

Diperoleh laju kerusakan 8,9.1016 atom dipindahkan/cm3/s, Atau diperoleh R/N = 10-6 dpa/s, y.i. satu perpindahan per lokasi kissi setiap 12 hari (= 1.036.800 s). Nilai ini sangat tinggi, sebagai contoh nilai fluks neutron pada dinding bejana tekan PLTN PWR misalnya k.l. ~1010 n/cm2/s.

Gunakan rumus dan data sbb.:

Contoh perhitugan laju kerusakan radiasi

www.batan.go.id

Penutup

35

• Jumlah atom yg dipindahkan dapat diestimasi dari data fluence neutron, tampang lintang kerusakan (pd energi tertentu), energi yg diperlukan untuk perpindahan atom, energi partikel (neutron), dan rasio massa

• Sewaktu melakukan evaluasi perlu diperhatikan antara tampang lintang perpindahan dengan tampang lintang hamburan.

• SSK di dalam reaktor akan mengalami paparan fluks neutron terintegrasi (fluence) baik neutron berenergi cepat maupun termal dan mengakibatkan perubahan mikrostruktur. Maka diperlukan SSK dgn tampang lintang tangkapan neutron cepat dan termal yg sangat kecil.

www.batan.go.id 36 31/08/2020

Documents

Pengantar Reaktor - lms.batan.go.id