Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiome
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
ISSN : 0854 - 2910
KAJI NUMERIK KARAKTERISTIK SISTEM
PENDINGINAN PASIF DENGAN UDARA PADA PENYUNGKUP
MODEL AP1000
Widi Laksmono1), Ari Darmawan Pasek1), Efrizon Umar2)
1)
2)
Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara - ITB
Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri - BATAN
ABSTRAK
KAJI NUMERIK KARAKTERISTIK SISTEM PENDINGINAN PASIF DENGAN UDARA PADA
PENYUNGKUP MODEL AP1000. Teknologi Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir semakin berkembang,
hingga saat ini penelitian dan pengembangan masih berlangsung terutama pemanfaatan fitur keselamatan
pasif. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkaji karakteristik perpindahan panas pada permukaan
penyungkup model AP1000 yang memanfaatkan udara yang bersirkulasi secara alamiah. Metode yang
digunakan dalam penelitian ini adalah metode volume hingga dengan memanfaatkan program CFD.
Berdasarkan hasil perhitungan numerik, permukaan silinder vertikal penyungkup menjadi lebih dingin
dengan adanya selubung dalam (baffle). Hal tersebut menunjukkan selubung dalam telah bekerja sesuai
dengan fungsinya sebagai pengarah udara, sehingga sistem pendinginan penyungkup menjadi lebih baik.
Dalam penelitian ini juga diusulkan korelasi baru perpindahan panas untuk silinder konsentris yang
diturunkan dari model penyungkup yang dilengkapi selubung dalam dengan bentuk : Nu = f (Ra)*
Kata kunci: konveksi alamiah, sistem keselamatan pasif penyungkup , AP1000, komputasi dinamika fluida
ABSTRACT
NUMERICAL ASSESMENT OF CHARACTERISTIC PASSIVE COOLING SYSTEM WITH AIR
AT CONTAINMENT AP1000 MODEL. Nuclear power plant technology has been growing rapidly.
Nowadays, research and development had been taken place especially passive utilization of safety feature.
The purpose of this research is to assess a natural convective heat transfer characteristic at containment
AP1000 model by using natural air circulation. The analysis method used in this research is finite volume by
using computational fluid dynamic (CFD) code. Based on numerical analysis result, the containment of
AP1000 model becomes cooler with existence of baffle. This result indicated that the baffle as air director
work properly and a better cooling system is achieved. The new concentric cylinder heat transfer correlation
derives from containment model with baffle is proposed in the form of : Nu = f (Ra)*
Key words: natural convection, passive containment cooling system , AP1000, CFD
I. PENDAHULUAN
Dalam menghadapi krisis energi, pemerintah
telah mengubah kebijakan energi nasional yang
awalnya berbasis pada sumber daya alam menjadi
berbasis teknologi yang mengarah pada
pemanfaatan sumber energi baru dan terbarukan
sehingga penguasaan ilmu dasar dan terapan
menjadi mutlak diperlukan dalam menunjang
kebijakan tersebut. Salah satu energi baru yang
mendapat opsi dalam menunjang kelistrikan
nasional adalah energi nuklir yang peranannya
42
dalam penyediaan energi nasional pada tahun 2025
diproyeksikan mencapai 2% [1].
Penggunaan energi nuklir ini sudah tentu
memiliki potensi bahaya disebabkan banyaknya
bahan radioaktif yang dimilikinya sehingga
perhatian terhadap aspek keselamatan PLTN harus
diutamakan. Oleh sebab itu, kebijakan energi
nasional yang mengarah pada pemanfaatan energi
nuklir ini sudah tentu juga mencakup usaha-usaha
dalam
peningkatan
pemahaman
terhadap
keselamatan PLTN tersebut.
Berkaitan dengan sistem keselamatan reaktor,
saat ini telah berkembang beberapa pemikiran
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
baru
untuk
menyempurnakan
sistem
keselamatannya. Salah satu pemikiran yang
banyak mendapat perhatian dan telah mulai
diterapkan dalam perancangan PLTN generasi
baru adalah sistem keselamatan pasif, baik untuk
reaktor jenis LWR [2,3] maupun HWR [4,5]. Dalam
sistem ini, peranan manusia dan komponen aktif
mulai dikurangi sehingga sistem lebih banyak
bekerja dengan proses-proses alamiah seperti
evaporasi, aliran udara bertekanan, konveksi
alamiah dan pemanfaatan semburan air yang jatuh
akibat gravitasi.
Mengingat pentingnya peranan sistem
keselamatan pasif pada PLTN generasi baru,
terutama PLTN generasi III yang sudah mulai
ditawarkan oleh pemasok reaktor, maka
pemahaman masalah sistem keselamatan reaktor
tersebut dan penyiapan data dukung serta
penyiapan sumber daya manusia yang akan
mengevaluasi sistem keselamatan tersebut perlu
dilakukan mulai dari sekarang. Oleh sebab itu,
dukungan semua pihak, baik perguruan tinggi
maupun lembaga penelitian dalam menyiapkan
sumber daya manusia dan data dukung merupakan
suatu keharusan. Salah satu bentuk partisipasi
perguruan tinggi untuk mengatasi masalah
tersebut, Laboratorium Termodinamika beserta
laboratorium lainnya di bawah Pusat Rekayasa
Industri Institut Teknologi Bandung telah mulai
melakukan studi tentang teknologi nuklir ini dalam
bentuk kegiatan penelitian sejak tahun 1986.
Kemudian penelitian bersama antara Pusat
Rekayasa Industri dengan Badan Tenaga Nuklir
Nasional untuk mengkaji sistem keselamatan
reaktor nuklir penelitian dan reaktor daya juga
sudah digiatkan sejak tahun 1990 dan berlanjut
sampai saat ini. Salah satu hasil kerjasama
tersebut dibahas dalam makalah ini yaitu kajian
tentang sistem keselamatan pasif pada penyungkup
model AP1000 yang memanfaatkan udara yang
bersirkulasi secara alamiah dan kajian ini
dilakukan secara numerik dengan memanfaatkan
program CFD.
II. PEMODELAN
Pendinginan pada penyungkup AP1000
dilakukan secara bertahap. Tahap pertama adalah
pendinginan dengan menggunakan sirkulasi udara
secara alamiah, dimana pendinginan sirkulasi
alamiah ini diberikan pada saat awal terjadinya
kecelakaan. Sedangkan pada tahap selanjutnya
(tahap kedua) pendinginan dilakukan dengan
menggunakan semburan air yang jatuh akibat
pengaruh gaya gravitasi, pendinginan ini dilakukan
pada saat kecelakaan yang berkelanjutan.
ISSN : 0854 - 2910
Gambar 1. Skema sistem pendinginan
penyungkup secara pasif AP1000
Pada reaktor AP1000 tidak ada keterangan
yang jelas batas penggunaan antara pendinginan
dengan udara sampai dengan digunakannya
pendinginan dengan semburan air. Tetapi dalam
penelitian sebelumnya [6] telah diprediksi adanya
fluks panas kritis untuk pendinginan dengan udara
yang bersirkulasi secara alamiah. Bila fluks panas
lebih besar dari nilai fluks panas kritis ini, udara
sudah tidak efektif lagi mendinginkan penyungkup
reaktor sehingga dibutuhkan semburan air untuk
mendinginkan penyungkup reaktor tersebut.
Dalam memodelkan sistem pendinginan
penyungkup AP1000, masalah yang harus
diperhatikan adalah prinsip keserupaannya. Hal ini
perlu dilakukan mengingat dalam memodelkan ada
keterbatasan dalam hal waktu dan pendanaan.
Langkah yang paling ideal dalam memodelkan
suatu sistem adalah dengan skala 1:1, tetapi
langkah ini sangat tidak mungkin dilakukan karena
dimensi sungkup AP1000 sangat besar sehingga
membutuhkan biaya yang besar.
Dengan
mempertimbangkan peristiwa yang terjadi pada
sungkup AP 1000 serta ketersediaan bahan yang
akan digunakan maka dapat dilakukan uji bilangan
tuna-dimensi serta prinsip keserupaannya sehingga
dapat dilakukan pembuatan sebuah model sistem
penyungkup AP1000 dalam skala laboratorium.
II.1. KONFIGURASI AKSISIMETRI MODEL
NUMERIK
Dalam penelitian ini telah dibuat dua jenis
model yaitu model yang dilengkapi dengan
selubung dalam (baffle) dan selubung luar
(Gambar 2) serta model tanpa selubung dalam
(Gambar 3).
43
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
ISSN : 0854 - 2910
= temperatur dinding
= temperatur aliran bebas
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
III.1. PROFIL KECEPATAN KONFIGURASI
AKSISIMETRI
Gambar 2. Model dengan selubung luar dan
dalam (baffle)
Pada Gambar 4 sampai 7 diberikan dua jenis
gambar untuk menunjukkan profil kecepatan yaitu
kontur kecepatan yang menunjukkan distribusi
besarnya kecepatan di area pengamatan dan vektor
kecepatan yang menunjukkan besar kecepatan dan
arahnya, diambil untuk daya 3000 Watt. Kedua
gambar tersebut menegaskan bahwa dengan
adanya panas, maka akan mendorong munculnya
efek bouyancy, sehingga terjadi aliran serentak
fluida (bulk motion) dari bagian bawah ke bagian
atas.
Pada Gambar 5 ditunjukkan vektor kecepatan
pada model tanpa selubung dalam. Pada bagian
bawah terlihat adanya dua aliran udara yaitu ke
atas pada area didekat dinding penyungkup dan ke
bawah didekat dinding selubung luar. Celah yang
lebar menyebabkan fenomena tersebut dapat
terjadi. Pada gambar tersebut juga diperlihatkan
arah aliran udara masuk melalui cerobong atas dan
keluar melalui celah masuk di selubung luar.
Gambar 3. Model tanpa selubung dalam
(baffle)
II.2. KORELASI PERPINDAHAN PANAS
Menggunakan model dengan selubung luar
dan dalam, dapat diturunkan korelasi perpindahan
panas untuk silinder konsentris. Dengan asumsi
bahwa permukaan penyungkup mendapat fluks
panas konstan, maka korelasi perpindahan panas
dibangun dari bilangan Nuselt rata-rata dan
bilangan Rayleigh rata-rata yang termodifikasi [7-9]:
…………. (1)
…………. (2)
……………....….…………. (3)
dimana,
Lc = panjang karakteristik dari geometri,
= koefisien ekspansi =
,
q’’= flux panas konstan,
h = koefisien perpindahan
konveksi,
k = konduktivitas,
g = percepatan gravitasi,
ν = viscositas kinematis.
= temperatur film
44
panas
Gambar 4. Kontur kecepatan model tanpa
selubung dalam
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
ISSN : 0854 - 2910
Gambar 6. Kontur kecepatan model dengan
selubung dalam (baffle)
Gambar 5. Vektor kecepatan model tanpa
selubung dalam
Gambar 7. Vektor kecepatan model dengan
selubung dalam (baffle)
Pada Gambar 7 ditunjukkan vektor kecepatan
pada model dengan selubung dalam. Pada bagian
bawah diperlihatkan bahwa untuk model dengan
selubung dalam fenomena yang terjadi sesuai
dengan skenario seperti pada referensi IAEATecdoc 1474 [10], udara masuk melalui celah masuk
di selubung luar, kemudian mengalir ke bawah
masuk ke celah antara penyungkup dengan
selubung dalam, bergerak ke atas sambil
mengambil panas sampai akhirnya keluar melalui
cerobong di bagian atas.
45
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
Pada Gambar 8 ditunjukkan vektor kecepatan
aliran udara pada celah antara tangki penyungkup
dengan selubung dalam serta vektor kecepatan
pada celah antara selubung dalam dengan selubung
luar dengan skala yang diperbesar. Tampak pada
Gambar 8 bahwa kecepatan aliran udara di
permukaan tangki penyungkup (warna merah)
lebih besar dari kecepatan udara di celah antara
selubung dalam dan selubung luar (warna biru)
akibat adanya pemanasan oleh tangki penyungkup
tersebut. Sementara itu, pada celah antara tangki
penyungkup dengan selubung dalam, kecepatan di
tengah celah (warna merah) lebih besar daripada
kecepatan di dekat permukaan tangki penyungkup
maupun permukaan selubung dalam (warna hijau).
Keadaan ini disebabkan adanya gesekan antara
udara dengan permukaan tangki penyungkup
maupun dinding selubung dalam sehingga gerakan
udara ke arah atas terhalang sehingga
kecepatannya lebih rendah dibandingkan dengan
kecepatan udara di bagian tengah celah.
ISSN : 0854 - 2910
pada bagian dekat dinding penyungkup memiliki
temperatur lebih tinggi, dan bergradasi turun pada
arah menjauh.
Gambar 9. Kontur temperatur model tanpa
selubung dalam
Gambar 10. Kontur temperatur model dengan
selubung dalam
Gambar 8. Vektor kecepatan pada celah antara
tangki
penyungkup
dengan
selubung dalam serta vektor
kecepatan pada celah antara
selubung dalam dengan selubung
luar dengan skala yang diperbesar
III.3. Koefisien Perpindahan Panas
Koefisien perpindahan panas dihitung dari
rasio antara fluks panas dengan perbedaan suhu
dinding dengan suhu aliran bebas.
III.2. PROFIL TEMPERATUR
KONFIGURASI AKSISIMETRI
dimana,
Gambar 9 dan 10 menunjukkan profil
temperatur pada konfigurasi aksisimetri untuk
model tanpa selubung dalam dan model dengan
selubung dalam pada daya 3000 Watt. Level
temperatur direpresentasikan dengan indeks warna
dengan skala pada bagian kiri gambar. Terlihat
46
…………………. (4)
q’’
Tw
T∞
= fluks panas
= suhu permukaan dinding panas
= suhu fluida pada aliran bebas
Referensi [7-9] mengusulkan bahwa untuk
silinder konsentris dengan pemberian fluks panas
konstan, temperatur dinding digunakan temperatur
dinding penyungkup (TW) pada tengah-tengah
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
ISSN : 0854 - 2910
tinggi celah (TL/2). Hal tersebut dimaksudkan agar
korelasi yang didapat pada kasus fluks panas
konstan dimana temperatur di permukaan bidang
vertikal bervariasi dapat dibandingkan langsung
dengan korelasi pada kasus temperatur konstan
untuk bidang yang sama. Sedangkan temperatur
fluida pada aliran bebas yang digunakan adalah
temperatur dinding selubung (T∞) pada posisi
ketinggian yang sama.
Gambar 11 menunjukkan hubungan antara
koefisien perpindahan panas terhadap fluks panas
pada silinder konsentris pada model dengan
selubung dalam. Dengan semakin besar fluks
panas yang diberikan maka akan meningkatkan
nilai koefisien perpindahan panas. Perubahan nilai
koefisien
perpindahan
panas
terhadap
meningkatnya daya yang diberikan masih dapat
dianggap linear pada daya dibawah 3000 Watt dan
di atas daya 3000 Watt tidak linear lagi. Terlihat
peningkatan nilai koefisien perpindahan panas
membentuk kurva yang mengarah pada suatu nilai
konstan untuk daya tinggi. Pada reaktor AP1000,
diperkirakan bila fluks panas yang diterima tangki
penyungkup lebih besar dari fluks panas yang
setara dengan daya 3000 Watt maka pada saat
inilah aliran air pendingin yang jatuh akibat gaya
gavitasi mulai berfungsi. Bila pendingin udara
tetap dimanfaatkan, sedangkan fluks panas yang
berasal dari panas peluruhan terus bertambah maka
temperatur penyungkup akan meningkat dengan
cepat sehingga akan mempengaruhi integritas
tangki penyungkup tersebut.
47
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
ISSN : 0854 - 2910
Gambar 11. Grafik koefisien perpindahan panas terhadap fluks panas pada silinder konsentris
model dengan selubung dalam
III.4. Korelasi Perpindahan Panas
Gambar 12. Grafik korelasi perpindahan panas pada permukaan tangki penyungkup yang dilengkapi
dengan selubung dalam (baffle)
48
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
Gambar 12 menunjukkan grafik korelasi
perpindahan panas pada permukaan tangki
penyungkup yang dilengkapi dengan selubung
dalam (baffle).
Gambar
13
menunjukkan
grafik
perbandingan korelasi perpindahan panas konveksi
pada silinder konsentris model dengan selubung
dalam yang diusulkan dalam penelitian ini
terhadap korelasi perpindahan panas untuk silinder
konsentris hasil penelitian peneliti lain. Tampak
bahwa korelasi perpindahan panas yang dihasilkan
dalam penelitian ini sangat dekat dengan korelasi
perpindahan panas yang diusulkan Sherif [11]. Jika
dibandingkan dengan korelasi yang diusulkan
dalam penelitian sebelumnya [6] maka koefesien
perpindahan panas yang diprediksi menggunakan
ISSN : 0854 - 2910
korelasi yang diusulkan dalam penelitian ini
mempunyai nilai yang lebih rendah. Hal ini
diprediksi disebabkan bentuk dan dimensi
selubung dalam (baffle) yang berbeda dimana
dalam penelitian sebelumnya selubung di atas
kubah berbentuk sektor bola konsentrik dan
berfungsi sebagai cerobong bagi silinder
konsentrik yang berada dibawahnya. Bila
dibandingkan dengan korelasi yang diusulkan Mac
Gregor [12], Landis [13] dan Evans-Stefany [14] maka
koefesien perpindahan panas yang diprediksi
menggunakan korelasi yang diusulkan dalam
penelitian ini mempunyai nilai yang lebih tinggi.
Gambar 13. Grafik perbandingan korelasi perpindahan panas pada permukaan tangki penyungkup
yang dilengkapi dengan selubung dalam (baffle)
V. KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan,
dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain :
1. Sistem pendingin udara yang bersirkulasi
secara alamiah pada penyungkup model
AP1000 yang dilengkapi dengan selubung
dalam (baffle) terbukti mampu bekerja dengan
baik, sesuai dengan peruntukkannya.
2. Nilai koefisien perpindahan panas konveksi
antara permukaan tangki penyungkup yang
dilengkapi selubung dalam (baffle) hanya
meningkat secara linier terhadap fluks panas
yang diberikan untuk daya pemanas yang
terbatas yaitu sampai 3000 watt.
3. Untuk daya yang lebih besar dari 3000 watt,
diusulkan sistem pendinginan menggunakan
semburan air yang jatuh akibat gaya grafitasi
mulai difungsikan sehingga integritas tangki
penyungkup dapat dipertahankan
4. Didapatkan korelasi baru untuk memprediksi
koefisien perpindahan panas konveksi untuk
silinder konsentris dengan bentuk :
Nu = 0.759 Ra*^0.142
7.013e02 < Ra < 8.943e04
5. Perlu dilakukan penelitian untuk tinggi tangki
dan lebar celah yang bervariasi sehingga faktor
geometri dilibatkan dalam korelasi yang akan
diusulkan.
49
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
VI. DAFTAR PUSTAKA
TANYA JAWAB
1. ADIWARDOYO, Opsi Nuklir dalam Kebijakan
Energi Nasional, Workshop Energi dan
Prospek Energi Nuklir di Indonesia, Jurusan
Fisika ITB, Bandung, 2006.
2. W.E. CUMMINS, M.M. Corletti, T.L. Schulz,
Westinghouse AP1000 Advanced
Passive
Plant, Proceedings of ICAPP, Cordoba, Spain,
2003.
3. R.A.MATZIE, The AP1000 Reactor Nuclear
Renaissance Option, Westinghouse, 2003.
4. J. HOPWOOD, The ACR-1000: OperatorDriven CANDU Development, Proceedings of
ICAPP, 2007.
5. A.ALIZADEH, Nuclear Power An Improving
Prospect, 2005
6. E.UMAR, Studi Karakteristik Sistem
Pendinginan pada Model Sungkup APWR,
Thesis Program Magister Ilmu dan Rekayasa
Nuklir, Institut Teknologi Bandung, 1993.
7. INCROPERA, DEWITT, Introduction to Heat
Transfer, John Wiley & Sons, 2001.
8. C.TURNER, Fundamentals of Thermal-Fluid
Science, McGraw Hill, 2005
9. J.P. HOLMAN, Heat Transfer, McGraw Hill,
1992.
10. IAEA-TECDOC-1474, Natural circulation in
water cooled nuclear power plants, 2005
11. N. SHERIFF, Experimental Investigations of
Natural Convection in Single and Multiple
Annuli, Proc. International Heat Transfer
Conference, Vol. 4, 1966.
12. R.K.MACGREGOR, and A.P. Emery, Free
Convection Through Vertical Plate Layers :
Moderate and High Prandtl Number, J. Heat
Transfer, vil 91, p. 391, 1969.
13. A.LANDIS, Transient Natural Convection
Narrow Vertical Cell, Proc. International Heat
Transfer Conference, Chicago, 1966.
Pertanyaan :
14.
50
L.B.EVANS AND N.E. Stefany, An
Experiment Study of Transient Heat Transfer to
Liquid in Cylindrical Enclosures, AIChE Pap.
4, Heat Transfer Conf. Los Angeles, August
1965.
ISSN : 0854 - 2910
1. Untuk mendapatkan kondisi proses pendinginan
konveksi alamiah murni apakah alat dicoba
menggunakan syarat energi batas pada fin inlet
dengan laju alir (kecepatan alir) = 0 dan
bagaimana bedanya dengan yang digunakan
pada sisi inlet Æ pressure inlet dan sisi outlet
Æ pressure outlet.
(Reinaldy Nazar - PTNBR)
Jawaban :
1. Telah dicoba beberapa alternatif seting kondisi
batas di FLUENT untuk kondisi konveksi
alami, Dalam beberapa diskusi pada forum
internasional dikemukakan beberapa alternatif
untuk u=0 telah dicoba dan tidak memberikan
hasil yang baik.
Surakarta, 17 Oktober 2009
ISSN : 0854 - 2910
KAJI NUMERIK KARAKTERISTIK SISTEM
PENDINGINAN PASIF DENGAN UDARA PADA PENYUNGKUP
MODEL AP1000
Widi Laksmono1), Ari Darmawan Pasek1), Efrizon Umar2)
1)
2)
Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara - ITB
Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri - BATAN
ABSTRAK
KAJI NUMERIK KARAKTERISTIK SISTEM PENDINGINAN PASIF DENGAN UDARA PADA
PENYUNGKUP MODEL AP1000. Teknologi Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir semakin berkembang,
hingga saat ini penelitian dan pengembangan masih berlangsung terutama pemanfaatan fitur keselamatan
pasif. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkaji karakteristik perpindahan panas pada permukaan
penyungkup model AP1000 yang memanfaatkan udara yang bersirkulasi secara alamiah. Metode yang
digunakan dalam penelitian ini adalah metode volume hingga dengan memanfaatkan program CFD.
Berdasarkan hasil perhitungan numerik, permukaan silinder vertikal penyungkup menjadi lebih dingin
dengan adanya selubung dalam (baffle). Hal tersebut menunjukkan selubung dalam telah bekerja sesuai
dengan fungsinya sebagai pengarah udara, sehingga sistem pendinginan penyungkup menjadi lebih baik.
Dalam penelitian ini juga diusulkan korelasi baru perpindahan panas untuk silinder konsentris yang
diturunkan dari model penyungkup yang dilengkapi selubung dalam dengan bentuk : Nu = f (Ra)*
Kata kunci: konveksi alamiah, sistem keselamatan pasif penyungkup , AP1000, komputasi dinamika fluida
ABSTRACT
NUMERICAL ASSESMENT OF CHARACTERISTIC PASSIVE COOLING SYSTEM WITH AIR
AT CONTAINMENT AP1000 MODEL. Nuclear power plant technology has been growing rapidly.
Nowadays, research and development had been taken place especially passive utilization of safety feature.
The purpose of this research is to assess a natural convective heat transfer characteristic at containment
AP1000 model by using natural air circulation. The analysis method used in this research is finite volume by
using computational fluid dynamic (CFD) code. Based on numerical analysis result, the containment of
AP1000 model becomes cooler with existence of baffle. This result indicated that the baffle as air director
work properly and a better cooling system is achieved. The new concentric cylinder heat transfer correlation
derives from containment model with baffle is proposed in the form of : Nu = f (Ra)*
Key words: natural convection, passive containment cooling system , AP1000, CFD
I. PENDAHULUAN
Dalam menghadapi krisis energi, pemerintah
telah mengubah kebijakan energi nasional yang
awalnya berbasis pada sumber daya alam menjadi
berbasis teknologi yang mengarah pada
pemanfaatan sumber energi baru dan terbarukan
sehingga penguasaan ilmu dasar dan terapan
menjadi mutlak diperlukan dalam menunjang
kebijakan tersebut. Salah satu energi baru yang
mendapat opsi dalam menunjang kelistrikan
nasional adalah energi nuklir yang peranannya
42
dalam penyediaan energi nasional pada tahun 2025
diproyeksikan mencapai 2% [1].
Penggunaan energi nuklir ini sudah tentu
memiliki potensi bahaya disebabkan banyaknya
bahan radioaktif yang dimilikinya sehingga
perhatian terhadap aspek keselamatan PLTN harus
diutamakan. Oleh sebab itu, kebijakan energi
nasional yang mengarah pada pemanfaatan energi
nuklir ini sudah tentu juga mencakup usaha-usaha
dalam
peningkatan
pemahaman
terhadap
keselamatan PLTN tersebut.
Berkaitan dengan sistem keselamatan reaktor,
saat ini telah berkembang beberapa pemikiran
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
baru
untuk
menyempurnakan
sistem
keselamatannya. Salah satu pemikiran yang
banyak mendapat perhatian dan telah mulai
diterapkan dalam perancangan PLTN generasi
baru adalah sistem keselamatan pasif, baik untuk
reaktor jenis LWR [2,3] maupun HWR [4,5]. Dalam
sistem ini, peranan manusia dan komponen aktif
mulai dikurangi sehingga sistem lebih banyak
bekerja dengan proses-proses alamiah seperti
evaporasi, aliran udara bertekanan, konveksi
alamiah dan pemanfaatan semburan air yang jatuh
akibat gravitasi.
Mengingat pentingnya peranan sistem
keselamatan pasif pada PLTN generasi baru,
terutama PLTN generasi III yang sudah mulai
ditawarkan oleh pemasok reaktor, maka
pemahaman masalah sistem keselamatan reaktor
tersebut dan penyiapan data dukung serta
penyiapan sumber daya manusia yang akan
mengevaluasi sistem keselamatan tersebut perlu
dilakukan mulai dari sekarang. Oleh sebab itu,
dukungan semua pihak, baik perguruan tinggi
maupun lembaga penelitian dalam menyiapkan
sumber daya manusia dan data dukung merupakan
suatu keharusan. Salah satu bentuk partisipasi
perguruan tinggi untuk mengatasi masalah
tersebut, Laboratorium Termodinamika beserta
laboratorium lainnya di bawah Pusat Rekayasa
Industri Institut Teknologi Bandung telah mulai
melakukan studi tentang teknologi nuklir ini dalam
bentuk kegiatan penelitian sejak tahun 1986.
Kemudian penelitian bersama antara Pusat
Rekayasa Industri dengan Badan Tenaga Nuklir
Nasional untuk mengkaji sistem keselamatan
reaktor nuklir penelitian dan reaktor daya juga
sudah digiatkan sejak tahun 1990 dan berlanjut
sampai saat ini. Salah satu hasil kerjasama
tersebut dibahas dalam makalah ini yaitu kajian
tentang sistem keselamatan pasif pada penyungkup
model AP1000 yang memanfaatkan udara yang
bersirkulasi secara alamiah dan kajian ini
dilakukan secara numerik dengan memanfaatkan
program CFD.
II. PEMODELAN
Pendinginan pada penyungkup AP1000
dilakukan secara bertahap. Tahap pertama adalah
pendinginan dengan menggunakan sirkulasi udara
secara alamiah, dimana pendinginan sirkulasi
alamiah ini diberikan pada saat awal terjadinya
kecelakaan. Sedangkan pada tahap selanjutnya
(tahap kedua) pendinginan dilakukan dengan
menggunakan semburan air yang jatuh akibat
pengaruh gaya gravitasi, pendinginan ini dilakukan
pada saat kecelakaan yang berkelanjutan.
ISSN : 0854 - 2910
Gambar 1. Skema sistem pendinginan
penyungkup secara pasif AP1000
Pada reaktor AP1000 tidak ada keterangan
yang jelas batas penggunaan antara pendinginan
dengan udara sampai dengan digunakannya
pendinginan dengan semburan air. Tetapi dalam
penelitian sebelumnya [6] telah diprediksi adanya
fluks panas kritis untuk pendinginan dengan udara
yang bersirkulasi secara alamiah. Bila fluks panas
lebih besar dari nilai fluks panas kritis ini, udara
sudah tidak efektif lagi mendinginkan penyungkup
reaktor sehingga dibutuhkan semburan air untuk
mendinginkan penyungkup reaktor tersebut.
Dalam memodelkan sistem pendinginan
penyungkup AP1000, masalah yang harus
diperhatikan adalah prinsip keserupaannya. Hal ini
perlu dilakukan mengingat dalam memodelkan ada
keterbatasan dalam hal waktu dan pendanaan.
Langkah yang paling ideal dalam memodelkan
suatu sistem adalah dengan skala 1:1, tetapi
langkah ini sangat tidak mungkin dilakukan karena
dimensi sungkup AP1000 sangat besar sehingga
membutuhkan biaya yang besar.
Dengan
mempertimbangkan peristiwa yang terjadi pada
sungkup AP 1000 serta ketersediaan bahan yang
akan digunakan maka dapat dilakukan uji bilangan
tuna-dimensi serta prinsip keserupaannya sehingga
dapat dilakukan pembuatan sebuah model sistem
penyungkup AP1000 dalam skala laboratorium.
II.1. KONFIGURASI AKSISIMETRI MODEL
NUMERIK
Dalam penelitian ini telah dibuat dua jenis
model yaitu model yang dilengkapi dengan
selubung dalam (baffle) dan selubung luar
(Gambar 2) serta model tanpa selubung dalam
(Gambar 3).
43
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
ISSN : 0854 - 2910
= temperatur dinding
= temperatur aliran bebas
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
III.1. PROFIL KECEPATAN KONFIGURASI
AKSISIMETRI
Gambar 2. Model dengan selubung luar dan
dalam (baffle)
Pada Gambar 4 sampai 7 diberikan dua jenis
gambar untuk menunjukkan profil kecepatan yaitu
kontur kecepatan yang menunjukkan distribusi
besarnya kecepatan di area pengamatan dan vektor
kecepatan yang menunjukkan besar kecepatan dan
arahnya, diambil untuk daya 3000 Watt. Kedua
gambar tersebut menegaskan bahwa dengan
adanya panas, maka akan mendorong munculnya
efek bouyancy, sehingga terjadi aliran serentak
fluida (bulk motion) dari bagian bawah ke bagian
atas.
Pada Gambar 5 ditunjukkan vektor kecepatan
pada model tanpa selubung dalam. Pada bagian
bawah terlihat adanya dua aliran udara yaitu ke
atas pada area didekat dinding penyungkup dan ke
bawah didekat dinding selubung luar. Celah yang
lebar menyebabkan fenomena tersebut dapat
terjadi. Pada gambar tersebut juga diperlihatkan
arah aliran udara masuk melalui cerobong atas dan
keluar melalui celah masuk di selubung luar.
Gambar 3. Model tanpa selubung dalam
(baffle)
II.2. KORELASI PERPINDAHAN PANAS
Menggunakan model dengan selubung luar
dan dalam, dapat diturunkan korelasi perpindahan
panas untuk silinder konsentris. Dengan asumsi
bahwa permukaan penyungkup mendapat fluks
panas konstan, maka korelasi perpindahan panas
dibangun dari bilangan Nuselt rata-rata dan
bilangan Rayleigh rata-rata yang termodifikasi [7-9]:
…………. (1)
…………. (2)
……………....….…………. (3)
dimana,
Lc = panjang karakteristik dari geometri,
= koefisien ekspansi =
,
q’’= flux panas konstan,
h = koefisien perpindahan
konveksi,
k = konduktivitas,
g = percepatan gravitasi,
ν = viscositas kinematis.
= temperatur film
44
panas
Gambar 4. Kontur kecepatan model tanpa
selubung dalam
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
ISSN : 0854 - 2910
Gambar 6. Kontur kecepatan model dengan
selubung dalam (baffle)
Gambar 5. Vektor kecepatan model tanpa
selubung dalam
Gambar 7. Vektor kecepatan model dengan
selubung dalam (baffle)
Pada Gambar 7 ditunjukkan vektor kecepatan
pada model dengan selubung dalam. Pada bagian
bawah diperlihatkan bahwa untuk model dengan
selubung dalam fenomena yang terjadi sesuai
dengan skenario seperti pada referensi IAEATecdoc 1474 [10], udara masuk melalui celah masuk
di selubung luar, kemudian mengalir ke bawah
masuk ke celah antara penyungkup dengan
selubung dalam, bergerak ke atas sambil
mengambil panas sampai akhirnya keluar melalui
cerobong di bagian atas.
45
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
Pada Gambar 8 ditunjukkan vektor kecepatan
aliran udara pada celah antara tangki penyungkup
dengan selubung dalam serta vektor kecepatan
pada celah antara selubung dalam dengan selubung
luar dengan skala yang diperbesar. Tampak pada
Gambar 8 bahwa kecepatan aliran udara di
permukaan tangki penyungkup (warna merah)
lebih besar dari kecepatan udara di celah antara
selubung dalam dan selubung luar (warna biru)
akibat adanya pemanasan oleh tangki penyungkup
tersebut. Sementara itu, pada celah antara tangki
penyungkup dengan selubung dalam, kecepatan di
tengah celah (warna merah) lebih besar daripada
kecepatan di dekat permukaan tangki penyungkup
maupun permukaan selubung dalam (warna hijau).
Keadaan ini disebabkan adanya gesekan antara
udara dengan permukaan tangki penyungkup
maupun dinding selubung dalam sehingga gerakan
udara ke arah atas terhalang sehingga
kecepatannya lebih rendah dibandingkan dengan
kecepatan udara di bagian tengah celah.
ISSN : 0854 - 2910
pada bagian dekat dinding penyungkup memiliki
temperatur lebih tinggi, dan bergradasi turun pada
arah menjauh.
Gambar 9. Kontur temperatur model tanpa
selubung dalam
Gambar 10. Kontur temperatur model dengan
selubung dalam
Gambar 8. Vektor kecepatan pada celah antara
tangki
penyungkup
dengan
selubung dalam serta vektor
kecepatan pada celah antara
selubung dalam dengan selubung
luar dengan skala yang diperbesar
III.3. Koefisien Perpindahan Panas
Koefisien perpindahan panas dihitung dari
rasio antara fluks panas dengan perbedaan suhu
dinding dengan suhu aliran bebas.
III.2. PROFIL TEMPERATUR
KONFIGURASI AKSISIMETRI
dimana,
Gambar 9 dan 10 menunjukkan profil
temperatur pada konfigurasi aksisimetri untuk
model tanpa selubung dalam dan model dengan
selubung dalam pada daya 3000 Watt. Level
temperatur direpresentasikan dengan indeks warna
dengan skala pada bagian kiri gambar. Terlihat
46
…………………. (4)
q’’
Tw
T∞
= fluks panas
= suhu permukaan dinding panas
= suhu fluida pada aliran bebas
Referensi [7-9] mengusulkan bahwa untuk
silinder konsentris dengan pemberian fluks panas
konstan, temperatur dinding digunakan temperatur
dinding penyungkup (TW) pada tengah-tengah
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
ISSN : 0854 - 2910
tinggi celah (TL/2). Hal tersebut dimaksudkan agar
korelasi yang didapat pada kasus fluks panas
konstan dimana temperatur di permukaan bidang
vertikal bervariasi dapat dibandingkan langsung
dengan korelasi pada kasus temperatur konstan
untuk bidang yang sama. Sedangkan temperatur
fluida pada aliran bebas yang digunakan adalah
temperatur dinding selubung (T∞) pada posisi
ketinggian yang sama.
Gambar 11 menunjukkan hubungan antara
koefisien perpindahan panas terhadap fluks panas
pada silinder konsentris pada model dengan
selubung dalam. Dengan semakin besar fluks
panas yang diberikan maka akan meningkatkan
nilai koefisien perpindahan panas. Perubahan nilai
koefisien
perpindahan
panas
terhadap
meningkatnya daya yang diberikan masih dapat
dianggap linear pada daya dibawah 3000 Watt dan
di atas daya 3000 Watt tidak linear lagi. Terlihat
peningkatan nilai koefisien perpindahan panas
membentuk kurva yang mengarah pada suatu nilai
konstan untuk daya tinggi. Pada reaktor AP1000,
diperkirakan bila fluks panas yang diterima tangki
penyungkup lebih besar dari fluks panas yang
setara dengan daya 3000 Watt maka pada saat
inilah aliran air pendingin yang jatuh akibat gaya
gavitasi mulai berfungsi. Bila pendingin udara
tetap dimanfaatkan, sedangkan fluks panas yang
berasal dari panas peluruhan terus bertambah maka
temperatur penyungkup akan meningkat dengan
cepat sehingga akan mempengaruhi integritas
tangki penyungkup tersebut.
47
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
ISSN : 0854 - 2910
Gambar 11. Grafik koefisien perpindahan panas terhadap fluks panas pada silinder konsentris
model dengan selubung dalam
III.4. Korelasi Perpindahan Panas
Gambar 12. Grafik korelasi perpindahan panas pada permukaan tangki penyungkup yang dilengkapi
dengan selubung dalam (baffle)
48
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
Gambar 12 menunjukkan grafik korelasi
perpindahan panas pada permukaan tangki
penyungkup yang dilengkapi dengan selubung
dalam (baffle).
Gambar
13
menunjukkan
grafik
perbandingan korelasi perpindahan panas konveksi
pada silinder konsentris model dengan selubung
dalam yang diusulkan dalam penelitian ini
terhadap korelasi perpindahan panas untuk silinder
konsentris hasil penelitian peneliti lain. Tampak
bahwa korelasi perpindahan panas yang dihasilkan
dalam penelitian ini sangat dekat dengan korelasi
perpindahan panas yang diusulkan Sherif [11]. Jika
dibandingkan dengan korelasi yang diusulkan
dalam penelitian sebelumnya [6] maka koefesien
perpindahan panas yang diprediksi menggunakan
ISSN : 0854 - 2910
korelasi yang diusulkan dalam penelitian ini
mempunyai nilai yang lebih rendah. Hal ini
diprediksi disebabkan bentuk dan dimensi
selubung dalam (baffle) yang berbeda dimana
dalam penelitian sebelumnya selubung di atas
kubah berbentuk sektor bola konsentrik dan
berfungsi sebagai cerobong bagi silinder
konsentrik yang berada dibawahnya. Bila
dibandingkan dengan korelasi yang diusulkan Mac
Gregor [12], Landis [13] dan Evans-Stefany [14] maka
koefesien perpindahan panas yang diprediksi
menggunakan korelasi yang diusulkan dalam
penelitian ini mempunyai nilai yang lebih tinggi.
Gambar 13. Grafik perbandingan korelasi perpindahan panas pada permukaan tangki penyungkup
yang dilengkapi dengan selubung dalam (baffle)
V. KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan,
dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain :
1. Sistem pendingin udara yang bersirkulasi
secara alamiah pada penyungkup model
AP1000 yang dilengkapi dengan selubung
dalam (baffle) terbukti mampu bekerja dengan
baik, sesuai dengan peruntukkannya.
2. Nilai koefisien perpindahan panas konveksi
antara permukaan tangki penyungkup yang
dilengkapi selubung dalam (baffle) hanya
meningkat secara linier terhadap fluks panas
yang diberikan untuk daya pemanas yang
terbatas yaitu sampai 3000 watt.
3. Untuk daya yang lebih besar dari 3000 watt,
diusulkan sistem pendinginan menggunakan
semburan air yang jatuh akibat gaya grafitasi
mulai difungsikan sehingga integritas tangki
penyungkup dapat dipertahankan
4. Didapatkan korelasi baru untuk memprediksi
koefisien perpindahan panas konveksi untuk
silinder konsentris dengan bentuk :
Nu = 0.759 Ra*^0.142
7.013e02 < Ra < 8.943e04
5. Perlu dilakukan penelitian untuk tinggi tangki
dan lebar celah yang bervariasi sehingga faktor
geometri dilibatkan dalam korelasi yang akan
diusulkan.
49
Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir
Surakarta, 17 Oktober 2009
VI. DAFTAR PUSTAKA
TANYA JAWAB
1. ADIWARDOYO, Opsi Nuklir dalam Kebijakan
Energi Nasional, Workshop Energi dan
Prospek Energi Nuklir di Indonesia, Jurusan
Fisika ITB, Bandung, 2006.
2. W.E. CUMMINS, M.M. Corletti, T.L. Schulz,
Westinghouse AP1000 Advanced
Passive
Plant, Proceedings of ICAPP, Cordoba, Spain,
2003.
3. R.A.MATZIE, The AP1000 Reactor Nuclear
Renaissance Option, Westinghouse, 2003.
4. J. HOPWOOD, The ACR-1000: OperatorDriven CANDU Development, Proceedings of
ICAPP, 2007.
5. A.ALIZADEH, Nuclear Power An Improving
Prospect, 2005
6. E.UMAR, Studi Karakteristik Sistem
Pendinginan pada Model Sungkup APWR,
Thesis Program Magister Ilmu dan Rekayasa
Nuklir, Institut Teknologi Bandung, 1993.
7. INCROPERA, DEWITT, Introduction to Heat
Transfer, John Wiley & Sons, 2001.
8. C.TURNER, Fundamentals of Thermal-Fluid
Science, McGraw Hill, 2005
9. J.P. HOLMAN, Heat Transfer, McGraw Hill,
1992.
10. IAEA-TECDOC-1474, Natural circulation in
water cooled nuclear power plants, 2005
11. N. SHERIFF, Experimental Investigations of
Natural Convection in Single and Multiple
Annuli, Proc. International Heat Transfer
Conference, Vol. 4, 1966.
12. R.K.MACGREGOR, and A.P. Emery, Free
Convection Through Vertical Plate Layers :
Moderate and High Prandtl Number, J. Heat
Transfer, vil 91, p. 391, 1969.
13. A.LANDIS, Transient Natural Convection
Narrow Vertical Cell, Proc. International Heat
Transfer Conference, Chicago, 1966.
Pertanyaan :
14.
50
L.B.EVANS AND N.E. Stefany, An
Experiment Study of Transient Heat Transfer to
Liquid in Cylindrical Enclosures, AIChE Pap.
4, Heat Transfer Conf. Los Angeles, August
1965.
ISSN : 0854 - 2910
1. Untuk mendapatkan kondisi proses pendinginan
konveksi alamiah murni apakah alat dicoba
menggunakan syarat energi batas pada fin inlet
dengan laju alir (kecepatan alir) = 0 dan
bagaimana bedanya dengan yang digunakan
pada sisi inlet Æ pressure inlet dan sisi outlet
Æ pressure outlet.
(Reinaldy Nazar - PTNBR)
Jawaban :
1. Telah dicoba beberapa alternatif seting kondisi
batas di FLUENT untuk kondisi konveksi
alami, Dalam beberapa diskusi pada forum
internasional dikemukakan beberapa alternatif
untuk u=0 telah dicoba dan tidak memberikan
hasil yang baik.