Post on 31-Oct-2021
transcript
Syarip
BATAN Yogyakarta
Yogyakarta 31 September 2020
Pengantar Reaktor: Pengaruh Radiasi pada Sistem
Struktur & Komponen (SSK) Reaktor
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}
Overview Dasar Fisika Reaktor
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 )
Overview Dasar Fisika Reaktor
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
Overview Dasar Fisika Reaktor
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)
Overview Dasar Fisika Reaktor
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
Overview Dasar Fisika Reaktor
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).
Overview : Sifat Mekanik Bahan/ Logam
31/08/2020
Batas Elastis: Gaya yang dibutuhkan untuk menghasilkan
deformasi permanen.
www.batan.go.id
Overview : Sifat Mekanik Bahan/ Logam
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
www.batan.go.id 06/03/2017 21
• 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.
Overview : Sifat Mekanik Bahan/ Logam
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
www.batan.go.id 06/03/2017 23
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