INVESTIGATION ON THERMAL-FLOW CHARACTERISTICS OF HTGR CORE USING THERMIX-KONVEK MODULE AND VSOP'94 CODE

Abstract

The failure of heat removal system of water-cooled reactor such as PWR in Three Mile Islands and Fukushima Daiichi BWR makes nuclear society starting to consider the use of high temperature gas-cooled reactor (HTGR). Reactor Physics and Technology Division – Center for Nuclear Reactor Safety and Technology  (PTRKN) has tasks to perform research and development on the conceptual design of cogeneration gas cooled reactor with medium power level of 200 MWt. HTGR is one of nuclear energy generation system, which has high energy efficiency, and has high and clean inherent safety level. The geometry and structure of the HTGR200 core are designed to produce the output of helium gas coolant temperature as high as 950 °C to be used for hydrogen production and other industrial processes in co-generative way. The output of very high temperature helium gas will cause thermal stress on the fuel pebble that threats the integrity of fission product confinement. Therefore, it is necessary to perform thermal-flow evaluation to determine the temperature distribution in the graphite and fuel pebble in the HTGR core. The evaluation was carried out by Thermix-Konvek module code that has been already integrated into VSOP'94 code. The HTGR core geometry was done using BIRGIT module code for 2-D model (RZ model) with 5 channels of pebble flow in active core in the radial direction. The evaluation results showed that the highest and lowest temperatures in the reactor core are 999.3 °C and 886.5 °C, while the highest temperature of TRISO UO₂ is 1510.20 °C in the position (z= 335.51 cm; r=0 cm). The analysis done based on reactor condition of 120 kg/s of coolant mass flow rate, 7 MPa of pressure and 200 MW_th of power. Compared to the temperature distribution resulted between VSOP’94 code and fuel temperature limitation as high as 1600 ^oC, there is enough safety margin from melting or disintegrating.

Keywords: Thermal-Flow, VSOP’94, Thermix-Konvek, HTGR, temperature

Kegagalan sistem pembuangan panas pada reaktor berpendingin air jenis PWR, Three Mile Islands dan reaktor BWR Fukushima Daiichi, menyebabkan masyarakat nuklir mulai memikirkan penggunaan reaktor pembangkit daya jenis temperatur tinggi berpendingin gas (HTGR). Bidang Fisika dan Teknologi Reaktor di Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir (PTRKN) mempunyai tugas melaksanakan kegiatan litbang desain konseptual reaktor kogenerasi dengan tingkat daya menengah yang berpendingin gas helium dengan daya 200 MWt. Desain HTGR200K merupakan salah satu sistem pembangkit energi yang memiliki efisiensi energi paling besar, dan tingkat keselamatan inheren yang tinggi dan bersih. Komposisi geometri dan struktur teras didesain agar dapat menghasilkan keluaran pendingin gas helium bertemperatur 950 ⁰C sehingga dapat digunakan untuk produksi hidrogen dan atau unit industri proses lainnya secara kogeneratif. Luaran gas helium bertemperatur sangat tinggi ini akan menimbulkan tegangan termal pada bola bahan bakar yang mengancam integritas sistem pengungkungan produk fisi di dalamnya. Oleh karena itu perlu dilakukan evaluasi karakteristika termal flow untuk menentukan distribusi temperatur bahan bakar bola dan outlet temperatur pendingin gas helium teras HTGR. Hal ini dilakukan dengan menggunakan modul Thermix-Konvek yang terintegrasi dalam program VSOP’94. Geometri teras HTGR dikerjakan dalam modul BIRGIT untuk model teras 2-D (R-Z) dengan 5 kanal aliran pebble dalam teras aktif arah radial. Hasil evaluasi menunjukkan bahwa nilai tertinggi dan terendah temperatur yang terdapat pada teras   adalah sebesar 999.3 °C dan 886,5 °C. Demikian pula hasil temperatur tertinggi bahan bakar TRISO dan bahan bakar pebble di dalam teras, yaitu diperoleh sebesar  1510,20°C yang terletak pada lapisan bahan bakar inti UO₂, di posisi z= 335.51 cm dan  r=0 cm. Analysis di lakukan pada laju massa aliran pendingin, tekanan dan daya masing-masing sebesar 120 kg/s, 7 Mpa dan 200MW_th. Hasil perhitungan, jika dibandingkan dengan lisensi pembatas keselamatan terhadap maksimum temperatur bahan bakar pebble menunjukkan bahwa integritas bahan bakar pebble masih aman karena masih  lebih rendah dari batas desain yaitu sebesar 1600  ^oC.

Kata kunci: Thermal-Flow, VSOP’94, Thermix-Konvek, HTGR, temperatur