REAKTOR AIR DIDIH (BOILING WATER REACTOR, BWR)

REAKTOR AIR DIDIH (BOILING WATER REACTOR, BWR)

RINGKASAN
Reaktor Air Didih adalah salah satu tipe reaktor nuklir yang digunakan dalam Pembangkit
Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Reaktor tipe ini menggunakan air (H2O) sebagai pendingin dan
moderator. Moderator adalah medium untuk memperlambat kecepatan partikel neutron
cepat. Air pendingin digunakan untuk mengambil panas yang dihasilkan dalam teras reaktor
(reactor core) sehingga temperatur air akan naik. Temperatur air dibiarkan meningkat hingga
mencapai titik didih. Uap yang dihasilkan pada proses pendidihan air kemudian disalurkan
untuk memutar turbin yang terhubung dengan generator listrik. Dalam reaktor tipe ini, uap
yang terbentuk akan menyebabkan reaktivitas reaktor menjadi negatif. Reaktivitas negatif
dapat menahan kenaikan daya reaktor, sehingga penambahan reaktivitas (penaikan daya
reaktor) dapat dikendalikan secara stabil dengan batang kendali.
Pada saat ini reaktor tipe air didih telah banyak dioperasikan, bahkan modifikasi dari tipe
reaktor ini yang disebut Reaktor Air Didih Maju (Advanced Boiling Water Reactor, ABWR)
juga sudah mulai dioperasikan di beberapa negara maju. Keberadaan Reaktor Air Didih Maju,
pengembangan Reaktor Air Didih Kompak (Simplified Boiling Water Reactor, SBWR) oleh
General Electric, Amerika Serikat menjadi terhenti. Pengembangan reaktor tipe air didih tidak
berhenti sampai di sini. Perusahaan ABB-Atom sedang mengembangkan suatu reaktor air
didih yang mempunyai keselamatan dan efisiensi ekonomi yang tinggi dengan kode
BWR90+.
URAIAN
Reaktor nuklir tipe Reaktor Air Didih pertama kali dikembangkan oleh perusahaan General
Electric, Amerika Serikat. PLTN Dresden 1 dengan daya 200 MWe (Mega Watt electric)
merupakan PLTN dengan reaktor tipe air didih yang pertama kali dioperasikan secara
komersial pada Juli 1960. Setelah beroperasinya Dresden 1, General Electric banyak
mendapat pesanan dari perusahaan dari luar Amerika, di antaranya Siemens (KWU) -
Jerman, ABB-Atom - Swiss/Swedia, Toshiba-Jepang, dan Hitachi-Jepang.
1. Karakteristika Reaktor Air Didih
1.1 Konstruksi dasar
Bentuk konstruksi dari Reaktor Air Didih secara umum diperlihatkan pada Gambar 1.
Pada reaktor air didih, air pendingin dididihkan di dalam bejana reaktor sehingga
menghasilkan uap. Uap ini kemudian secara langsung dialirkan ke turbin yang memutar
generator listrik. Setelah uap air menggerakkan turbin, uap disalurkan ke kondenser dan
diubah menjadi air kembali. Dengan pompa utama, air kemudian dikembalikan ke bejana
reaktor. Sebagian air pendingin yang berada dalam bejana reaktor disirkulasi dengan
pompa (disebut pompa resirkulasi). Air yang keluar dari pompa resirkulasi disalurkan ke
bagian bawah teras reaktor melalui katup yang bekerja sebagai pompa jet. Tekanan dari
pompa resirkulasi ini akan menaikkan kecepatan aliran air pendingin dalam teras reaktor.
1.2 Konstruksi bejana tekan reactor
Konstruksi utama bejana tekan reaktor untuk Reaktor Air Didih dengan kapasitas daya
1100 MWe diperlihatkan dalam Gambar 2. Dalam bejana tekan ini terdapat sekumpulan
bahan bakar, batang kendali dan konstruksi penyangga yang membentuk suatu konstruksi
yang disebut teras reaktor. Di atas teras reaktor terdapat konstruksi perangkat pemisah
uap-air (steam separator) dan di atas perangkat pemisah terdapat perangkat pengering
uap. Pemasangan kedua perangkat ini ditujukan untuk menjamin agar uap yang akan
dipakai untuk memutar turbin benar-benar berupa uap kering.
Di bagian bawah teras terdapat perangkat pengendali daya reaktor berupa pengarah
batang kendali, penggerak batang kendali dan batang kendali. Dengan perangkat ini
batang kendali dapat bergerak dari bawah ke atas masuk ke teras reaktor melalui
pengarahnya. Di sekitar teras terdapat konstruksi lorong-lorong saluran pendingin dan
pompa jet.
Konstruksi perangkat bahan bakar diperlihatkan dalam Gambar 3. Salah satu contoh
perangkat bahan bakar terdiri atas 62 batang bahan bakar dan 2 batang yang berisi air
membentuk matriks 8 x 8. Bentuk susunan matriks batang bahan bakar dapat pula berupa
matriks 6 x 6 atau 9 x 9. Matriks kemudian dibungkus dengan lempeng logam Zirkalloy.
Keseluruhan susunan matriks batang bahan bakar dan pembungkusnya serta spacer
(penjaga jarak antar batang bahan bakar) ini disebut perangkat bahan bakar.
Batang bahan bakar yang jumlahnya 62 buah tersebut terbuat dari pipa Zirkalloy dan
berisi pelet uranium oksida. Pipa pembungkus pelet bahan bakar uranium oksida ini
disebut kelongsong. Di kedua ujung kelongsong terdapat ruang yang disebut plenum.
Dalam kelongsong juga terdapat pegas penekan pelet bahan bakar.
Dalam pelet bahan bakar terjadi reaksi fisi. Bahan hasil fisi ditampung dalam ruang
plenum, karena itu tekanan dalam kelongsong tidak melonjak terlalu besar. Konstruksi
batang kendali Reaktor Air Didih mempunyai bentuk seperti tanda + yang berada di antara
empat buah perangkat bahan bakar (Gambar 4).
Batang kendali berfungsi sebagai penyerap partikel neutron. Batang kendali terbuat dari
boron karbida dan atau hafnium. Pada bagian bawah perangkat kendali terdapat
konstruksi yang berbentuk payung yang dapat menghambat jatuhnya batang kendali ke
bawah (keluar dari teras) agar sesuai dengan batas kecepatan yang diperbolehkan. Pada
bagian bawah batang kendali ini juga terdapat suatu soket mekanik untuk
menghubungkan batang kendali dengan penggeraknya. Terdapat dua macam penggerak
batang kendali yaitu penggerak elektrik dan hidrolik. Untuk mempercepat gerak perangkat
batang kendali masuk ke teras terdapat perangkat akumulator yang menggerakkan
perangkat batang kendali dengan tekanan gas. Dalam kondisi kecelakaan atau kelainan
operasi yang dianggap membahayakan, keseluruhan perangkat batang kendali yang ada
harus segera dimasukkan ke dalam teras reaktor dengan kecepatan tinggi untuk
menghentikan reaktor. Penghentian reaktor secara mendadak oleh karena suatu sebab
yang dianggap membahayakan seperti ini disebut sebagai pancung daya (scram). Jika
perangkat batang kendali oleh karena suatu hal tak dapat dimasukkan ke teras reaktor
dan reaktor tidak dapat dihentikan pada temperatur rendah, maka dalam kondisi seperti ini
ke dalam reaktor dimasukkan cairan asam borat yang mampu menyerap partikel neutron
sehingga operasi reaktor dapat berhenti.
1.3 Pengendalian daya reactor
Reaktor air didih beroperasi pada tekanan 70 kg/cm2. Air pendingin mendidih dan
menghasilkan uap di dalam bejana reaktor. Air dalam kondisi uap dan cair disirkulasikan
kembali ke teras reaktor dengan menggunakan pompa sirkulasi. Dengan mengatur aliran
resirkulasi, reaktivitas reaktor, yang berarti juga daya reaktor, dapat dinaik-turunkan atau
dikendalikan. Ini adalah salah satu cara pengendalian reaktor air didih yang disebut
metode pengendalian resirkulasi.
Cara lain untuk menaikkan reaktivitas (daya reaktor) adalah dengan menarik batang
kendali dari teras reaktor. Jika batang kendali ditarik keluar dari teras, reaktivitas atau
reaksi fisi bertambah dan menghasilkan energi panas lebih banyak lagi (daya reaktor
naik). Energi panas ini akan mendidihkan air lebih banyak, dan dengan demikian uap
yang dihasilkan juga bertambah. Meningkatnya kandungan uap dalam air akan
menurunkan kemampuan air dalam memoderasi partikel neutron. Jumlah neutron
kecepatan rendah (neutron termal) yang akan menimbulkan reaksi fisi menjadi berkurang,
sehingga akibatnya reaksi fisi (reaktivitas) juga berkurang. Jadi menaikkan daya reaktor
dengan cara menarik batang kendali akan selalu dikompensasi oleh produksi uap yang
menekan daya. Proses kompensasi ini akan berakhir pada suatu kondisi stabil pada daya
setimbang tertentu. Sebaliknya jika batang kendali disisipkan masuk ke dalam teras,
reaksi fisi berkurang dengan hadirnya penyerap neutron (batang kendali) dalam teras.
Produksi uap yang dihasilkan juga menurun karena produksi energi panas dari reaksi fisi
berkurang. Akibatnya kemampuan air dalam memoderasi neutron bertambah, dan reaksi
fisi akan mulai meningkat. Proses penurunan daya oleh batang kendali yang kemudian
dikompensasi oleh penurunan daya karena membaiknya kemampuan moderasi akan
terus berlangsung hingga tercapai kondisi stabil pada suatu daya setimbang tertentu.
Fenomena kompensasi oleh uap-air menjadi salah satu sarana penting dalam
pengendalian-diri (self control) reaktor dan merupakan salah satu keunikan reaktor air
didih.
Dalam perpindahan panas, luas penampang penghasil panas dan perbedaan temperatur
sangat mempengaruhi jumlah panas yang dapat dipindahkan. Jika kondisi air dalam
keadaan pendidihan transisi, sifat perpindahan panas menjadi buruk dan temperatur
permukaan kelongsong bahan bakar akan naik. Dalam reaktor air didih, proses
perpindahan panas dilakukan dalam kondisi air mendidih, sehingga jika terjadi kecelakaan
atau anomali dalam operasi reaktor, perpindahan panas pada pendidihan transisi dapat
dihindarkan.
Pada reaktor air didih, jika terjadi perubahan beban (permintaan beban listrik dari luar),
pengendalian pembangkitan daya dilakukan dengan menaik-turunkan batang kendali
dalam teras reaktor atau dengan menyesuaikan kecepatan aliran resirkulasi air pendingin.
Pada saat terjadi penyesuaian terhadap permintaan beban, tekanan pendingin dalam
bejana reaktor dapat naik atau turun. Untuk mengatasi kenaikan dan penurunan tekanan
dalam bejana reaktor, digunakan cara pengendalian dengan mengatur bukaan katup uap
dari reaktor ke turbin. Metode ini disebut Reactor-master/Turbin-slave (metode mengikuti
beban). Jika pada suatu ketika, oleh suatu sebab yang tak terduga, turbin mendadak
berhenti, aliran uap yang menuju turbin dibelokkan ke jalur pintas (tidak melalui turbin)
melalui katup pintas. Dengan cara ini kenaikan tekanan yang cukup tinggi dalam bejana
reaktor dapat dihindarkan.
1.4 Sistem keselamatan rekayasa
Sebelumnya telah dijelaskan salah satu sistem keselamatan yang dapat menjamin reaktor
akan berhenti jika terjadi kondisi anomali / kecelakaan. Bila suatu ketika terjadi
kecelakaan yang menyebabkan pipa saluran air pendingin terputus atau bocor sehingga
pendinginan reaktor tidak cukup, maka fasilitas sistem pendinginan teras darurat
(Emergency Core Cooling System, ECCS) seperti terlihat pada Gambar 5-1 dan 5-2
bekerja. Dalam sistem ECCS ini terdapat sistem penyemprot teras (core spray system),
sistem susut-tekanan mandiri (self-depressurization system) dan penyemprot teras
tekanan rendah.
Pada saat terjadi kerusakan batang bahan bakar, air pendingin dari teras yang bertekanan
tinggi dan bertemperatur tinggi akan mengandung bahan radioaktif yang berasal dari
batang bahan bakar. Air pendingin yang mengandung bahan radioaktif tidak boleh keluar
dari reaktor karena berbahaya. Untuk menghindari lepasnya bahan radioaktif dalam
reaktor terdapat bejana reaktor yang berfungsi sebagai pengungkung (containment)
material berbahaya jika terjadi kecelakaan, dan terdapat juga katup isolasi yang
mengisolasi bejana reaktor dan sistem di luarnya. Peningkatan tekanan pada saat terjadi
isolasi bejana reaktor dihindari dengan sistem supresi. Sistem ini akan mengalirkan uap
yang terbentuk ke kolam supresi. Dalam kolam supresi yang berisi air, uap akan
besentuhan dengan air dan mengalami kondensasi yang mengakibatkan turunnya
tekanan uap.
Apabila kecelakaan berlangsung dalam waktu yang lama, teras reaktor dapat meleleh.
Kondisi ini akan menyebabkan terjadinya kenaikan tekanan yang diikuti dengan kenaikan
temperatur dalam bejana reaktor. Apabila bejana reaktor tidak didinginkan, struktur
bejana kemungkinan akan rusak. Untuk mengatasi hal ini, disediakan sistem penyemprot
untuk melakukan tugas-tugas pendinginan dan penurunan tekanan. Dalam hal terjadi
kebocoran bejana reaktor, disediakan pula sistem pengelolaan bocoran gas agar tetap
tidak menyebarluas ke lingkungan.
Pada kecelakaan kebocoran pendingin, temperatur bahan bakar dan kelongsongnya akan
naik. Kenaikan temperatur ini akan memicu reaksi antara air dan logam yang
menghasilkan gas hidrogen. Hidrogen yang bertemperatur tinggi ini dapat mengancam
keutuhan struktur bejana reaktor. Untuk mencegah kejadian ini, bejana reaktor dilengkapi
dengan ruang kosong khusus untuk menampung gas bentukan. Di samping itu, terdapat
fasilitas untuk mereaksikan hidrogen yang timbul, agar dapat bergabung kembali dengan
oksigen menjadi air.
2. Tipe/jenis reaktor air didih
Parameter utama dari reaktor air didih diperlihatkan pada Tabel 1, bentuk modifikasi
bahan bakar domestik pada Tabel 2, dan deskripsi bejana reaktor pada Gambar 6.
Reaktor air didih yang beroperasi pada saat ini (di Jepang) dapat digolongkan menjadi
dua tipe, yaitu Reaktor Air Didih Termodifikasi (Modified BWR) dan Reaktor Air Didih Maju
(Advanced Boiling Water Reactor, ABWR). Reaktor air didih pertama yang beroperasi
secara komersial di Amerika adalah reaktor Dresden 1 (dioperasikan pada Juli 1967),
reaktor air didih tipe ini disebut sebagai BWR-I. BWR-I mempunyai sistem pendinginan
dua siklus, mirip seperti reaktor air tekan (Pressurized Water Reactor, PWR). Sistem
bejana reaktor menganut konsep bentuk kering (dry sump). Pada BWR-II, teras reaktor
diperkecil dan rapat daya direndahkan. Drum uap dimasukkan ke dalam bejana reaktor
sehingga terbentuk satu siklus yang lebih sederhana. Selain itu sistem pendinginan
darurat (ECCS) dibuat berlapis, dan ruang dalam bejana reaktor dijadikan sebagai kolam supressi.

www.batan.go.id