Arah Riset Nuklir Ugm

ARAH PENGEMBANGAN RISET NUKLIR Jurusan Teknik Fisika UGM Oleh Dr.Andhang Widi

PENGEMBANGAN REAKTOR MAJU DASAR PEMIKIRAN : -Ketersediaan bahan bakar nuklir -Akumulasi limbah bahan bakar bekas -Peningkatan aspek keselamatan -Peningkatan efisiensi termal -Diversifikasi penggunaan energi hasil -Fleksibilitas daya keluaran -Non Proliferation resistan

CADANGAN BAHAN BAKAR NUKLIR DUNIA

CADANGAN BAHAN BAKAR NUKLIR DUNIA

KRITERIA REAKTOR MAJU • • • • • • • • • • •

mempunyai kemampuan pembiakan (breeding), inherently safe (umpan balik daya negatif, reaktivitas lebih teras sangat rendah) all passive characteristic (sistem shutdown pasif, sistem pendingin darurat pasif, sistem pendingin pasca shutdown pasif, sistem pendingin pengungkung pasif) multiple barrier, kombinasi multiple barrier, inherently safe dan all passive characteristic diharapkan akan mereduksi kebutuhan radius eksklusi sehingga mereduksi kebutuhan lahan aman, tidak mudah disalahgunakan menjadi senjata nuklir (dari aspek perbandingan isotop, komposisi kimia, sifat fisis, moda operasi, moda transportasi bahan bakar dan material nuklir) simplifikasi (penyederhanaan desain), dengan tujuan akhir mereduksi biaya kapital dan biaya operasi serta perawatan peningkatan kehandalan, dengan tujuan akhir meningkatkan faktor aviabilitas peningkatan efisiensi konversi energi spektrum tingkat daya lebih lebar, memungkinkan desain dari tingkat daya beberapa puluh MW hingga beberapa ribu MW diversifikasi energi output, mampu menghasilkan energi mekanik (listrik, gerak mekanik, fluida bertekanan) maupun termal (suhu tinggi, suhu menengah, suhu rendah) fleksibilitas moda operasi, base load, secondary variable load

RENTANG KETERSEDIAAN BAHAN BAKAR NUKLIR Di seluruh dunia Sumber daya nuklir Jenis

katagori

Cadangan (kilo ton) per katagori

akumulatif per jenis (U atau Th) 1903.0 2373.0 2953.0 3698.0 3948.0 4171.0 5871.0 6690.0 11247.0 14226.0 1170.0 1381.0 3400.0 3672.0 12395.0 2316.6 4228.5 6545.1

Rentang ketersediaan akumulatif per jenis (U atau Th) (tahun) LWR reaktor maju (breeder) 374 GWe 500 GWe 3000 5100 total total GWe total GWe total 37 4686 781 459 47 5844 974 573 58 7272 1212 713 73 9107 1518 893 77 9722 1620 953 82 10271 1712 1007 115 14458 2410 1417 131 16474 2746 1615 221 27696 4616 2715 279 35032 5839 3435 0 2881 480 282 0 3401 567 333 0 8373 1395 821 0 9042 1507 887 0 30523 5087 2992 0 5705 951 559 58 10413 1735 1021 58 16118 2686 1580

< 40 US$/kg 1903.0 < 80 US$/kg 470.0 < 130 US$/kg 580.0 < 40 US$/kg 745.0 Uranium IR (+) < 80 US$/kg 250.0 < 130 US$/kg 223.0 < 80 US$/kg 1700.0 Uranium URP (+) < 130 US$/kg 819.0 < 130 US$/kg 4557.0 Uranium URS (+) > 130 US$/kg 2979.0 versi A (*) 1170.0 Torium RAR versi B (**) 1381.0 versi A (*) 2230.0 Torium IR versi B (**) 2291.0 Torium (estimated 3 X uranium RAR) 8859.0 DU + bahan bakar bekas (spent fuel) LWR Total RAR (Uranium dan Torium) Total RAR (Uranium dan Torium) + DU + spent fuel Total (RAR+IR) (Uranium dan Torium) + DU + 14252.1 82 35097 5849 spent fuel (+)Energy Watch Group, 2006, EWG Paper No 1-06, Uranium Resources and Nuclear Energy 03Dec2006 pdf (*) US Geological Survey, Mineral Commodity Summaries (1997-2006) (**) OECD/NEA, Nuclear Energy, "Trends in Nuclear Fuel Cycle", Paris, France (2001) RAR : Reasonably Assured Resources IR : Inferred Resources URP : Undiscovered Resources - Prognosticated URS : Undiscovered Resources - Speculative Uranium RAR (+)

3441

JENIS REAKTOR MAJU (dari berbagai sumber) • • • • • • • • • • •

GFR (Gas Cooled Fast Reactor) LFR (Liquid Metal Fast Reactor) SCR (Sodium Cooled Reactor) MSR (Molten Salt Reactor) VHTR (Very High Temperature Reactor) SCWR (Supercritical Light Water Reactor) AHTR (Advanced High Temperature Reactor) AHWR (Advanced Heavy Water Reactor) SNWR (Supercritical Natural Circulation Light Water Reactor) ISWR (Integral Supercritical Light Water Reactor) LFBWR (Liquid Metal Boiling Water Reactor)

PENELITIAN MSR Bertujuan mengembangkan Desain Reaktor MSR yang memiliki karakteristik : -

-

Thermal breeder (siklus Th-232 - U-233) On line fuel reprocessing (simplifikasi desain bahan bakar dan minimasi penyalahgunaan) Suhu operasi setinggi HTR (berpotensi lebih tinggi) Inherent safe (koefisien reaktivitas umpan balik negatif) Teras dan sistem bahan bakar (garam cair) selalu berada dalam hotbox (kombinasi sistem hotcell berpendinginan pasif dan concrete reactor vessel HTR) Multiple barrier (fuel system boundary – hot box – containment) High thermal efficiency, high temperature thermal energy output

B

29 3

11

4

19 16 31

32

PCMSR UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK, DESALINASI DAN PRODUKSI HIDROGEN

6

2

1

30 34

5 10

27

B

37

41

44

24

21

22

8

A

38 39

42

26

7

36

18 12 20

28

9

40

15 4 13

14

33

35

17

25

23

55 49

46

52

43 45

50

47

C

53 55

51

48 A. B. C. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.

PLTN TIPE PCMSR INSTALASI PRODUKSI HIDROGEN INSTALASI DESALINASI Teras reaktor Alat penukar panas antara Pompa sirkulasi bahan bakar Sistemshutdown Pompa sirkulasi leburan garamsekunder Alat penukar panas primer produksi H2 Tangki pengurasan bahan bakar Pompa pengurasan bahan bakar Sistemreprosesing bahan bakar Pompa pengumpan bahan bakar Generator listrik Pemanas utama sistemturbin gas Turbin tingkat pertama Pemanas ulang tingkat pertama Turbin tingkat kedua Pemanas ulang tingkat kedua Turbin tingkat ketiga

18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37.

KETERANGANHURUF DANNOMOR Pemanas ulang tingkat ketiga Turbin tingkat keempat Rekuperator Pendingin awal sistemturbin gas Kompresor tingkat pertama Pendingin antara tingkat pertama Kompresor tingkat kedua Pendingin antara tingkat kedua Kompresor tingkat ketiga Pendingin antara tingkat ketiga Kompresor tingkat keempat Pengubah listrik AC menjadi listrik DC Pompa sirkulasi leburan garamantara Alat penukar panas sekunder produksi H2 Elektroliser tipe oksida padatan Sirkulator campuran uap air dan hidrogen Pendingin campuran uap air dan hidrogen Pendingin oksigen Pemisah campuran air dan hidrogen Pompa sirkulasi air

38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55.

Pompa air umpan untuk produksi hidrogen Ventilasi pelepasan kelebihan oksigen Instalasi pencairan oksigen Instalasi pencairan hidrogen Pompa oksigen cair Pompa hidrogen cair Tangki penyimpan oksigen cair Tangki penyimpan hidrogen cair Pompa air laut umpan proses desalinasi Pompa buangan larutan garampekat (brine) Pompa penyedot hasil desalinasi air laut Ejektor uap untuk proses desalinasi air laut Instalasi desalinasi air laut tipe MED Pompa sirkulasi proses desalinasi air laut Pembangkit uap untuk proses desalinasi Alat pembuangan panas akhir Pompa sirkulasi air pendingin sistemturbin Pompa sirkulasi air laut untuk pendinginan

A KETERANGAN ZONA : = Zona teras

B

= Zona alat penukar kalor antara = Zona kendali (shutdown)

PCMSR KONSEP ZONASI TERAS

= Zona blanket

= Zona reflektor

C PENAMPANG LONGITUDINAL

PENAMPANG MELINTANG A DAN C

PENAMPANG MELINTANG B

PCMSR - PENGARUH VOID TERHADAP k 1.0100000

1.0000000

kritikalitas

0.9900000

0.9800000

Core Voiding Blanket Voiding HE Fuel Voiding

0.9700000

HE Coolant Voiding

0.9600000

0.9500000

0.9400000 0

10

20

30

40

50 % Void

60

70

80

90

100

PCMSR - PENGARUH SUHU TERHADAP k k vs T 1.0700000 1.0600000 1.0500000 1.0400000 1.0300000 1.0200000

CORE BLANKET

1.0100000

k

HE REFLECTOR

1.0000000

CONT ELEMENT 0.9900000

ALL

0.9800000 0.9700000 0.9600000 0.9500000 0.9400000 0

200

400

600

800

1000

T (K)

1200

1400

1600

1800

2000

PCMSR - PENGARUH LAJU ALIRAN BAHAN BAKAR TERHADAP DAYA (dari 10000 kg/s menjadi 1500 kg/s ) POWER vs t

2000 1800 1600

Qtot (MW) TF in (K) TF avg (K) TF out (K)

1400

POWER (MW)

1200 1000 800 600 400 200 0 0

50

100

150

200

250

300

350 t (seconds)

400

450

500

550

600

650

700

PCMSR - PENGARUH LAJU ALIRAN PENDINGIN TERHADAP DAYA (dari 10000 kg/s menjadi 1800 kg/s ) POWER vs t

2000 1800 1600

Qtot (MW) TF in (K) TF avg (K)

1400

POWER (MW)

1200

TF out (K)

1000 800 600 400 200 0 0

50

100

150

200

250

300

350 t (seconds)

400

450

500

550

600

650

700

PCMSR - PENGARUH SUHU MASUKAN PENDINGIN (dari 1273 K menjadi 1318 K) POWER vs t

2000 1800

Qtot (MW) TF in (K)

1600 1400

TF avg (K) TF out (K)

POWER (MW)

1200 1000 800 600 400 200 0 0

50

100

150

200

250

300

350 t (seconds)

400

450

500

550

600

650

700

HASIL DAN PEMBAHASAN Desain konseptual sistem kopel instalasi produksi hidrogen dengan reaktor nuklir dengan proses HTE (High Temperature Elctrolyser H2O

2

1

18

L

M

K

17 16

3 22

J

I

O2

H2

15 6

4 5 G

H 7

8

F

14

MSR

9

12

21

13

D

E

10

20

A

B C 11

19

Feed Pump

H2O

Diageam skematik proses produksi hidrogen sistem HTSE (High Temperature Steam Electrolyzer)

Distribution Circulation Header Pump 1

Cooler Blower

4

3

5 O2

Distribution Header

2

Hydrogen Separator

7

H2

17

16 6

Oxygen Cooler

7a

Hydrogen Steam Cooler

Distribution Header 8

9

15

14

10 Jet Pump 13

11

Distribution Header

13a

Electrolyzer

12

Process Heater

Efisiensi Sistem Elektroliser ηsistem_elektrolisa

99.65

99.6

99.55

99.5

99.45 1080

1130

1180 T reaksi (K)

1230

1280

Efisiensi Proses Keseluruhan 64 63

y = -3E-05x 2 + 0.0941x - 10.272

η ovrl

62 61 60 59 58 1080

1130

1180 T reaksi (K)

1230

1280