Main-main Kritikalitas

Salah satu perhitungan mendasar yang harus dilakukan dalam mendesain reaktor nuklir adalah analisis kritikalitas. Intinya melihat bagaimana dinamika populasi neutron dalam teras reaktor. Biasanya diwakili oleh parameter yang disebut faktor multiplikasi, atau singkatnya k-effektif, lebih singkat lagi k-eff.

Klo k-eff=1, maka kondisi ini disebut kondisi kritis dimana populasi neutron terjaga, neutron-neutron yang hilang dalam sistem teras reaktor (dengan berbagai caranya hilang, salah satunya karena reaksi fisi) tergantikan oleh neutron-neutron yang lahir dalam sistem yang mayoritas melalui reaksi fisi.

Klo k-eff<1, disebut kondisi subkritis dimana neutron-neutron yang lahir kurang banyak untuk menggantikan neutron yang hilang. Jikah sistem terus begini..maka secara neutronik sistem akan ‘padam’. Kecuali kita punya sumber neutron yang selalu siap suplai neutron baru ke sistem.

Klo ke-ff>1, disebut kondisi superkritis maka neutron yang lahir lebih banyak dari yang hilang, klo gak dikontrol dengan baik maka bs berbahaya. Kecuali kita bisa mengambil kelebihan energi yang lahir dari kelebihan reaksi fisi tersebut.

Pada reaktor nuklir yang kita inginkan adalah k-eff sedikit lebih besar dari 1, karena selain ingin memiliki reaksi berantai yang terjaga kita juga ingin mengambil energi dari sistem tersebut.

Dari aspek ngoprek sebuah software atau ngetes software desain reaktor nuklir (hmm..dalam hal ini sy lagi dapet tugas mulia untuk ngoprek code PEBBED), main-main analisis kritikalitas dan menguji tren perubahannya secara fisis adalah hal yang perlu dilalui bagi para desainer reaktor nuklir.

Ok…mari kita mulai main-main dengan kritikalitasnya model HTR-10 berikut

Model HTR-10 dalam software PEBBED.

Pada model diatas, lima digit pertama adalah nomor input (CARD) dalam PEBBED, bukan bagian dari teras. Yang lainnya adalah model teras sekaligus menunjukkan komposisi material yang menyusunnya. Ok, ringkasnya minimal kita tahu klo no.1 adalah bagian yang tersusun oleh bahan bakar pebble bed sehingga semua yang ada no.1 nya itu adalah teras aktif kita. Yang no.6 itu mayoritas helium, jd yang terisi no.6 itu ruang udara, biasa diistilahkan void cavity. Sisanya adalah berbagai jenis material reflektor. Yang terdapat diatas teras itu disebut top reflector, yang dibawah disebut bottom reflector, dan yang disamping disebut side reflector…hmm simple!!

Pertama, mari kita lihat apa yang terjadi terhadap kritikalitas reaktor klo kita tinggikan teras aktifnya. Artinya komposisi yang no.6 sekarang kita isi dengan yang no.1 sesuai dengan perubahan tinggi yang kita inginkan. Yang akan kita dapat kurang lebih akan seperti ini

Yap, k-eff akan naik seiring naiknya teras aktif. Ya iyaalah, kan bahan bakar kita lebih banyak, maka akan lebih banyak fisi dan keff kita pasti naik. Sip..simulasi kita physically correct!!

Oh ya, mohon diingat, k-eff diatas tidak merepresentasikan nilai k-eff HTR-10 sesungguhnya. Simulasi ini menggunakan data nuklir yang ‘dummy’ sehingga yang ingin kita lihat disini adalah trend dari perubahan k-eff karena perubahan parameter yang kita lakukan, dan melihat apakah hasil simulasi sesuai trend fisis yang kita harapkan.

Bagaimana klo kita ubah tinggi dari udara diatas teras aktif (void cavity) ? Ok..dengan berbagai tinggi maka kita akan dapat hasil berikut

Hmm..dengan semakin kecilnya void cavity kita lihat nilai keff meningkat. Ok, secara fisis ini benar. Silahkan difikir mengapa? hihi.

Bagaimana klo kita ubah tinggi dari top reflector yang ada diatas teras aktif (jg diatas void cavity). Begini hasil simulasinya…

Hmm..ketebalan top reflector tidak terlalu mempengaruhi k-eff ketika kita mulai menguranginya, namun pada ketebalan tertentu baru berdampak signifikan. Sip…secara fisis ini pun bisa diterima. Dan dari sisi desain, ini membuka peluang bagi kita untuk mengurangi ketebalan top reflector sampe batas tertentu tanpa mengurangi performa neutronik teras.

Bagaimana klo kita ubah ketebalan bottom reflector ? nah disini kita coba sedikit detail, hmm hmm. Kita bs mengurangi ketebalan bottom reflector dengan mengurangi bagian bawah bottom reflector (komposisi no.18 dan 19 pada gambar model diatas), ingat komposisi 19 ini banyak mengandung boron (bahan penyerap neutron). Maka hasilnya akan seperti ini

Ups..ternyata gak terlalu signifikan, bahkan bisa menaikkan k-eff (meskipun sedikit).

Klo yang kita kurangi bagian atas dari bottom reflector (komposisi no.84 dan 85 pada model diatas), maka yang hasilnya

Hmm..klo yang ini ternyata sangat signifikan mengurangi k-eff ketika kita kurangi ketebalannya. Sambil mikir mengapa, mohon diketahui bahwa bahan no.84 dan 85 ini kandungan boron nya sangat sedikit dibandingkan yang no.19 diatas.

Bagaimana klo kita ubah ketebalan side reflector. Kembali kita coba detail, yaitu mengurangi yang bagian dalam (komposisi no.23) atau yang bagian luar (komposisi no.67 dan 77). Hasil simulasinya

Ok..keduanya berpengaruh, tapi yang bagian dalam lebih signifikan pengaruhnya terhadap performa k-eff.

Ok..ok…terasnya udah, atas, bawah, dan samping udah..sementara seperti itu dulu main-main dengan kritikalitasnya. Oh..sekali lagi…fokus pada tren k-eff nya jangan pada nilainya ya, ini cuma simulasi-simulasia an aja kok.