TEORI Diskripsi Perpindahan Panas Pada Model Pendingin Primer Reaktor

Studi Efek Cerobong Pada Model Pending!n
Endiah Pup Has/uti

STUDI EFEK CEROBONG
PADA MODEL PENDINGIN PRIMER REAKTOR
Endiah Puji Hastuti
Pusat Reaktor Serba Guna -BATAN

Abstrak
Pendinginan konveksi bebas dengan menggunakan cerobong merupakan salah satu
konsep keselamatan melekat. Pada proses perpindahan panas konveksi bebas, gerakan fluida
disebabkan oleh adanya perbedaan temperatur.
Dalam penelitian ini dilakukan eksperimen untuk
mempelajari efek cerobong pada model pendingin primer reaktor. Penelitian dilakukan dengan
membuat sebuah model sistem perpindahan panas di dalam reaktor, dengan pemanas listrik
sebagai pengganti bahan bakar nuklir.
Efek cerobong diamati dengan menambah ketinggian
tangki eksperimen.
Hasil eksperimen kemudian dievaluasi dengan menggunakan bantuan paket
program NA TCON yang dimodifikasi.
Abstract

Free convection cooling by using chimney as a one of passive safety concept. In the
free convection process, movement of the fluida are caused by temperature difference. Research
was done by making experimental to get the chimney effect study of the primary coolant reactor
model. The experimental model was done by making a vertically cylindrical electrical heater, as a
fuel element. Chimney effect are monitoring by adding the higher experimental tank. The
calculation model was carried out by using a modified NATCON computer program.

PENDAHULUAN
Studi
pada

adanya
pemanfaatan

saat ini mengarah

keandalan

dan


--

juga

meningkatkan

limbah

ditujukan

menurunkan

menekan

biaya

operasi,

operasi,
awal,


memperpendek

dan memperkecil

produksi

radioaktif.

konsep

yang

disebut

salah

satu

pemanfaatan

efek

itu

untuk

investasi

Untuk memenuhi
lahir

Selain

kemudahan

waktu konstruksi

nuklir

pada peningkatan


keselamatan.

pengembangan

perawatan,

energi

chimney

keselamatan
konsep

bebas, menjadi
ini.

model

Penelitian


ini

terakhir
pasif,
dengan

alamo Fenomena

(cerobong)

panas

nuklir

adalah

fenomena

menghilangkan


tersebut

keselamatan

caranya

pada sistem pendingin

tujuan

yang

diterapkan

primer reaktor untuk
secara

konveksi


di dalam

penelitian

dilakukan

dengan

menambah
Hasil

sebagai

pengganti

bahan bakar.

cerobong

ketinggian


eksperimen

dengan

diamati
tangki

eksperimen.

kemudian

menggunakan

dengan

dievaluasi

bantuan


paket

program NATCON.
OJ dalam
pengamatan

penelitian

ini dilakukan

karakteristik

perpindahan

panas pendingin primer sebagai fungsi daya
dengan

fluida

kondisi


fase

dilakukan
primer

cerobong
variasi

yang

dipertahankan

pada

Selain

juga

tunggal.

pengamatan
yang

pengaruh

temperatur

diakibatkan

pada

adanya
ketinggian

pendinginan
cerobong

pendingin

oleh

penambahan
tinggi

itu

teras

yang

reaktor,

digunakan

adalah 10 cm, 30 cm dan 50 cm.

TEORI
Diskripsi Perpindahan Panas Pada Model
Pendingin Primer Reaktor

membuat sebuah mode! sistem perpindahan
panas dalam reaktor dengan pemanas listrik

efek

Perpindahan
reaktor

pengaruh

TKRR -10

ke sistem

panas

pendingin

dari

teras

primer

yang

Prosiding Seminal ke-3 Teknologi dan Keselamalan PL TN ser1a Fasililas Nuklir
PPTKR-PRSG. Serpong, 5-6 Semptember

terjadi

secara

konvek si bebas

dengan perpindahan panas
antara

dua

silinder

dimodelkan
yang

koaksial

vertikal.

Model

perp

geometri

seperti

ini

terjadi

pemanas,

mencukupi.

(konsentris)indanan
panas

digambarkan

pada

METODE EKSPERIMEN

secara

seperti yang terlihat pad a gambar

skematis

oleh aliran fluida panas untuk keluar dari unit

1.

Dalam
sebagai

rancangan

model

bahan

pemanas

bakar,

dianggap

bahwa seluruh bahan bakar di dalam teras
reaktor

diwakili

Untuk

dilakukan
arus

oleh

mengatur

sebuah

besarnya

dengan

Itegangan

pemanas.

daya

pemanas

cara mengatur

besarnya

melalui

regu!ator

dengan

daerah kerja dari 0 sampai 250 volt.
kelongsong
berbentuk
mm,

silinder

tebal

dengan
nickel

oleh sistem

Eksperimen

dilakukan

data

antara fluida'dingin

berasal

dari alat penukar

panas

dari

adanya

teras

gradien

panas dan fluida

reaktor
rapat

yang

terjadi

massa

akibat
sehingga

terjadi aliran konveksi bebas.

atas teras reaktor.
panas
vertikal

yang

oleh

dimaksudkan

Pemilihan
agar

dimensi

adanya gradien temperatur

laju

seperti

kemudian
tunak

perpindahan

langkah

telah

panas

dilakukan

dengan

tangki

koaksial,

eksperimen

Paket Program

digunakan

ruang

panas

cerobong

angkat

Paket

termohidraulika

pemilihan dimensi

daya

8etelah

Untuk melihat adanya efek

selanjutnya

di

pengambilan

ketinggian

hasil pengambilan

yang baik perlu dilakukan

kondisi

ketinggian

ini

berisi air pending in tersebut.

Untuk memperoleh

cerobong.

reaktor

berisi air pendingin

Mekanisme

dipengaruhi

ini

diulangi untuk tingkat

menambah

dengan cerobong

pending in primer

adalah ruang vertikal

apabila

pada

berikut:

dihidupkan

eksperimen

Diskripsi

Yang dimaksud
model

maka

bakar

untuk

kenaikan daya diulangi.

Efek Cerobong

pada

cerobong

dari jenis

bahan

telah tersusun

Eksperimen

daya yang lain.

mm

pending in primer.

sebagai

1, pemanas

dicatat

31,75

600

dengan langkah kerja

eksperimen

tercapai.
Gradien temperatur

diameter

panjang

Model

didinginkan

Gambar
Rangkaian alat eksperimen

dan

bahan fila men pemanas

dan pengamatan

Gambar 1:

dengan

1 mm

chromium.

rangkaian

Model

bahan bakar terbuat dari 88 304

ini

akibat

yang dibutuhkan

tunggal

NATCON

program
untuk

reaktor

NATCON
menganalisis

plat bahan bakar dan kanal
yang

dioperasikan

pada

kondisi tunak ("steady state"). Korelasi yang
digunakan
secara

di dalam

NATCON

diselesaikan

iteratif untuk mendapatkan

pending in, distribusi

temperatur

laju alir
pendingin

dan bahan bakar sebagai fungsi posisi aksial
bahan

bakar serta fiuks

panas

terjadi kondisi awal pendidihan

TKRR-10
Hal 10-2 dari

10-11

pada

saat

inti ("ONB").

Studi Efek Cerobong Pada Model Pendingin
Endiah Puji Hastuti

STUDI EFEK CEROBONG
PADA MODEL PENDINGIN PRIMER REAKTOR
Endiah Puji Hastuti
Pusat Reaktor Serba Guna -BATAN

Abstrak
Pendinginan konveksi bebas dengan menggunakan cerobong merupakan salah satu
konsep keselamatan melekat.
Pada proses perpindahan panas konveksi bebas, gerakan fluida
disebabkan oleh adanya perbedaan temperatur. Dalam penelitian ini dilakukan eksperimen untuk
mempelajari efek cerobong pada model pendingin primer reaktor. Pene.litian dilakukan dengan
membuat sebuah model sistem perpindahan panas di dalam reaktor, dengan pemanas listrik
sebagai pengganti bahan bakar nuklir.
Efek cerobong diamati dengan menambah ketinggian
tangki eksperimen.
Hasi! eksperimen kemudian dievaluasi dengan menggunakan bantuan paket
program NATCON yang dimodifikasi.
Abstract
Free convection cooling by using chimney as a one of passive safety concept.
In the
free convection process, movement of the fluida are caused by temperature difference. Research
was done by making experimental to get the chimney effect study of the primary coolant reactor
model. The experimental model was done by making a vertically cylindrical electrical heater, as a
fuel element. Chimney effect are monitoring by adding the higher experimental tank. The
calculation model was carried out by using a modified NATCON computer program.

PENDAHULUAN
Studi

adanya
pemanfaatan

pada saat fni mengarah
keandalan

dan

keselamatan.

pengembangan

juga

meningkatkan
perawatan,
menekan

yang
salah

awal,

memperpendek

dan memperkecil

konsep

produksi

disebut
satu

chimney

memenuhi

tujuan

tersebut

keselamatan

nuklir

terakhir

konsep

keselamatan

caranya

adalah

fenomena

menghilangkan
bebas, menjadi

panas
model

Penelitian

ini

pasif,
dengan

alamo Fenomena

(cerobong)

pada sistem pendingin

ini.

untuk

radioaktif.

pemanfaatan
efek

itu

Hasil

yang

diterapkan

primer reaktor untuk
secara

konveksi

di dalam

penelitian

dilakukan

dengan

dengan

sebagai pengganti

bahan bakar.

Pengaruh

diamati

tangki
kemudian

menggunakan

dengan

eksperimen.
dievaluasi

bantuan

paket

program NA TCON.
Oi dalam
pengamatan

penelitian

ini dilakukan

karakteristik

perpindahan

panas pendingin primer sebagai fungsi daya
dengan

fluida

kondisi

fase

dilakukan
primer

variasi

yang

yang

dipertahankan

pada

Selain

juga

tunggal.

pengamatan

pengaruh
cerobong

diakibatkan

tinggi

adanya
ketinggian

pendinginan
cerobong

pendingin

oleh

penambahan
pada

itu

temperatur

teras

yang

reaktor,

digunakan

adalah 10 cm, 30 cm dan 50 cm.

TEORI
Diskripsi Perpindahan Panas Pada Model
Pendingin Primer Reaktor

membuat sebuah model sistem perpindahan
panas dalam reaktor dengan pemanas listrik

cerobong.

ketinggian

eksperimen

operasi,
investasi

operasi,

Untuk
lahir

ditujukan

menurunkan
biaya

nuklir

Selaln

kemudahan

waktu konstruksi
limbah

energi

pada peningkatan

efek

menambah

Perpindahan
reaktor

TKRR-10
Hal 10-1 dari 10-11

ke sistem

panas

pendingin

dari

teras

primer

yang

Proslding Seminal ke-3 Teknologi dan Keselamalan PLTN ser1a Fasilrtas Nuklir
PPTKR-PRSG. Serpong, 5-6 Semptember

terjadi

secara

dengan

konveksi

perpindahan

antara

dua

vertikal.

silinder

Model

geometri

panas

dimodelkan
yang

koaksial

ini

terjadi

oleh aliran fluida panas untuk keluar dari unit
pemanas, mencukupi.

(konsentris)

perpindahan

seperti

skematis

bebas

panas

digambarkan

pada

METODE EKSPERIMEN

secara
Dalam

seperti yang terlihat pada gambar
sebagai

1.

rancangan

model

bahan

pemanas

bakar,

dianggap

bahwa seluruh bahan bakar di dalam teras
reaktor

diwakili

Untuk

mengatur

dilakukan
arus

oleh

sebuah

besarnya

dengan

Itegangan

pemanas.

daya

pemanas

cara mengatur

besarnya

melalui

regulator

dengan

daerah kerja dari 0 sampai 250 volt.

Model

kelongsong bahan bakar terbuat dari 88 304
berbentuk
mm,

silinder

tebal

aengan
nickel

oleh

Eksperimen

dilakukan

Gradien temperatur
berasal

dari alat penukar panas dan fluida

panas

dari

adanya

teras

gradien

reaktor
rapat

terjadi

massa

akibat
sehingga

terjadi aliran konveksi bebas.

pendingin

panas
vertikal

Mekanisme

dipengaruhi
yang

oleh

berisi

Untuk memperoleh

reaktor

dimaksudkan

agar

air pendingin

dimensi
daya

adanya gradien temperatur

sebagai

apabila

berikut:

daya yang lain.
cerobong
maka

kondisi

Eksperimen

8etelah

pada

seperti

kemudian
tunak

telah

diulangi untuk tingkat

Untuk melihat adanya efek
laju

perpindahan

eksperimen

menambah

ketinggian

selanjutnya

langkah

panas

dilakukan

dengan

tangki

koaksial,

eksperimen

Paket Program

di

termohidraulika

tersebut.
panas
dimensi

cerobong

angkat

Paket
digunakan

ruang

hasil pengambilan

Pemilihan

primer.

dihidupkan

ini

pengambilan

ketinggian

yang baik perlu dilakukan pemilihan
cerobong.

pendingin

ini

dengan langkah kerja

1, pemanas

dengan cerobong
primer

adalah ruang vertikal berisi air pendingin
atas teras reaktor.

sistem

bakar

Gambar

Diskripsi

Yang dimaksud
model

dari jenis

bahan

untuk

kenaikan daya diulangi.

Efek Cerobong

pada

pemanas

telah tersusun

dicatat

31,75

600 mm

rangkaian eksperimen

tercapai.

antara fluida ding in yang

diameter

panjang

Model

didinginkan

data

Rangkaian alat eksperimen

dan

bahan filamen
chromium.

dan pengamatan

Gambar1

dengan

1 mm

ini

akibat

yang dibutuhkan

tunggal

NATCON

program
untuk

reaktor

NATCON
menganalisis

plat bahan bakar dan kanal
yang

dioperasikan

pada

kondisi tunak ("steady state"). Korelasi yang
digunakan

di dalam

NATCON

diselesaikan

secara iteratif untuk mendapatkan
pendingin,

distribusi

temperatur

laju alir
pendingin

dan bahan bakar sebagai fungsi posisi aksial
bahan

bakar serta fluks

panas

pada

saat

terjadi kondisi awal pendidihan inti ("ONB").

TKRR-10
Hal 10-2 dati 10-11

~

Studi Efek Cerobong Pada Model Pendingin
Endiah Puji Has/u/i

Paket program NATCON yang asli
tidak

dapat

langsung

analisis

digunakan

dalam

ini

karena

eksperimen

keterbatasannya,
pendingin

yaitu,

hanya

untuk

Pin = rapat massa di sisi masuk kanal
AC =Iuas

berbentuk

sistem

silinder,

pendingin

primer.

perhitungan

NATCON

eksperimen

ini, maka

dalam

paket

perhitungan
akibat

adanya

Besarnya

yaitu

kalang

(pressure

drop)

pend.ingin

dan

~L.. -+fL\z,
,.J p,DH

Ac(-+

p=

rapat massa

V=

kecepatan aliran fluida pendingin

9 =

percepatan gravitasi

pengamatan

dari

dilakukan

f = faktor gesekan

melakukan

perubahan

beberapa

Dzi= jarak

anulus.

Perubahan

node

pada

data yang -diperoleh

DH= diameter hidraulik kanal pendingin

anulus.

disesuaikan

bilangan

pout=rapat massa pendingin keluar kanal
HL = hilang tekan di dalam pipa

Input
dengan

program
perubahan

Suku per1ama dan
menyatakan

ketiga

besarnya

didalam

tahanan

panas

menganalisis

model

digunakan

bahan

perpindahan

bakar

di

persamaan-persamaan

perpindahan

panas

dimasukkan

ke

yang

konveksibebas

dalam

paket

dua

alas,

yang
program.

Harga kece'patan alir diperoleh apabila gaya
apung,

Fa,

dapat mengatasi

gaya

sepanjang

(1)

gaya

apung

Fa = (pc -PinJ AC LC gc

(2)

tahanan

pendingin.

aliran
HL

sepanjang

pipa.

Besarnya

=

~g 2~A P[ Ik;

rerata

di

HL ini dihitung

+f 2 D I

}:;kj= harga rerugi karena pengecilan
~

pembesaran pipa
= gaya gesek di sepanjang kalang

Ii

= panjang pipa ke i

OJ= diameter pipa ke i

dengan:
massa

adalah

persamaan :

Ap = luas tampang lintang pipa
Pc= rapat

di

(4)

dengan~

diformulasikan

dengan persamaan

kanal

dengan menggunakan

HL

FfiAC = FIAC

besarnya

pada

suku ke

besarnya kehilangan tekanan yangterjadi

gesek,

FF. yaitu :

Besarnya

adalah

kurung

aliran

sisi mas uk dan sisi keluar kalang,
Untuk

kanal

pendingin
Pi = rapat massa pendingin pada node

untuk menghitung

saluran

tetap

dilakukan

subrutin

Nusselt dan konstanta faktor entrance untuk

kemudian

H

pending in pada node

program

dari eksperimen

I
Pow,

-]+

dengan:

Modifikasi

memasukkan

:

(3)

mampu

termoh.idraulik

untuk silinder vertikal berbentuk

bentuk

I
2p,.

diformula-

persamaan

penambahan

persamaan

dengan

(pVill)l
2g

F, =

model yang diamati.

dengan

gesek

modifikasi

agar program

parameter

gaya

sikan dengan menggunakan

program

menganalisis

dilakukan

tekan

beberapa persamaan

mencakup

Agar

dapat

program
hilang

menghitung

juga

kanal

plat.

Oi dalam eksperimen ini, selain model bahan
bakar

lintang

pendingin
LC = panjang kanal pendingin

kanal

dan bahan bakar berbentuk

tampang

sepanjang

kanal,

TKRR -10
al 10-3 dari 10-1

dan

Proslding Seminal ke-3 Teknologi dan Keselamalan PLTN serta Fasililas Nuklir
PPTKR-PRSG, Serpong, 5-6 Semptember

Besarnya
akibat

driving

pressure

adanya

yang

cerobong

dengan menggunakan

terjadi

diformulasikan

menghitung

harga

persamaan:

WTSAT

menghitung
(5)

digunakan

temperatur

dimana :

air pada

tekanan tertentu.

yang meliputi

bahan bakar dan sistem

rout = rapat massa di sisi keluar kanal

faktor kanal terpanas,
dan temperatur

ukuran kanal,

pemipaan,

distribusi

faktor-

fluks aksial

Hc

= tinggi cerobong
= percepatan gravitasi

Data sifat fisik air dihitung di dalam subrutin

gc

= faktor konversi dimensional

yang ada.

memperoleh

harga

kecepatan

harga

tebakan

suatu

kemudian

diiterasi.

diketahui,

maka

perpindahan

panas konveksi (h), temperatur

fluida pendingin
bahan

bakar

temperatur
inti

besarnya

dan temperatur
dapat

dihitung.

terjadi

koefisien

untuk

pendidihan

kasus

alamiah

tingkat

daya

Sedangkan

sedangkan

dengan

satu

fase,

dilihat
hasil

-T,)(2.30/pOO'!4)

perhitungan

masukan

data

eksperimen

hasil

itu

sendiri.

adalah

fluids

fluks

Tw

= temperatur

dinding pemanas

Ts

= temperatur

jenuh fluida pendingin

membandingkan
keluar
antara

1. Subrutin

WATER

menghitung

digunakan

sifat-sifat

air, viskositas

air (rapat

dinamik,

dan konduktivitas

panas

massa
spesifik

air) pada temperatur

Subrutin

FFCON

digunakan

untuk

2

hasil
dapat

pendingin
masuk
temperatur

Gambar

disebabkan

tersebut

perhitungan

karena
asumsi

sedangkan

di

keduanya

TKRR. 10
Hal 10.4 dari 10-11

menunjukkan
lebih

hasil eksperimen

menggunakan

yang sarna.

tersebut

temperatur
pendingin
hasil
eksperimen
dan

grafik

hasil

menggambarkan

pending in sebagai fungsi

harganya dibanding

kemungkinan

tertentu.

yang

input),

panas.

perhitungan,
bahwa

untuk

Data

dan

pendingin

sebagai

temperatur

NA TCON ada tiga buah yaitu:

akan
dengan

pemanas dan laju stir.

= tekanan fluida pendingin

program

3

dilihat

hasil

temperatur

(temperatur

p

Subrutin yang digunakan di dalam

250

sId

perhitungan
penelitian

Gambar

dengan:

1

dapat

analisis

hasil-hasil

digunakan

(6)

dengan

pacta Tabel

Dalam
dibandingkan

keluar
(q 1..1)ONB = ]5,60pl.l~6(Tw

dengan

pacta Tabel 4 sId 6.

dibandingkan

yaitu:

temperatur

cerobong

100 watt sampai

dapat

dengan
Rohsenow

kolam
aliran

masukan.

pengukuran

masing-masing

watt

Bergles

pada

Hasil
untuk

kelongsong

diformulasikan
korelasi

pendingin

HASIl. DAN PEMBAHASAN

awal ini

dinding dimana awal pendidihan

menggunakan

konveksi

tertentu

Bila kecepatan

fluida

aliran

dipilih

2.

diperlukan

9

Untuk
ini

data geometri
= rapat massa di sisi masuk kanal

untuk

jenuh

Sebagai data masukan
Pin

faktor

gesekan dan harga bilangan Nusselt.
3. Subrutin

Pd = (Pin -Pout)Hc(g/gc)

konstanta

dalam
fluks
dalam

tidak
menunjukkan

rendah
hal ini

perhitungan
panas

merata

eksperimen

demikian,

tetapi

kecenderungan

-:;~
?5
~
-?

Studi Efek Cerobong Pada Model Pendingin
Endiah Puji Has/ufi

1:-tol..,

loCI

,

dapat dijelaskan dari Gambar 4 dan Gambar

85f--

5.
_8ft

18

7ar

'*':;t=: ~~



65

88 f-

CPA)

~ C.robong

I

1

gll

1

~tli.

..'..."."'.0",:

1

I~

45Lk:::=

--1

1.5

2.5

3.5

;

I
4
2

Gambar 2

Grafik temperatur

pendingin

hasil pengukuran

dan perhitungan.

..:;...,;.

~::.:..:.::.

.~

4.5

Flu" PO'"(1A.' wi"')

-Pd

all...

t~
.:..

keluar

Ck8/MJI

10
-Cerobong I + C.robong II

C.robong III

8

Temperatur

pemanas

menyebabkan
pada

8r-

yang

energi

lapisan

dekat

semakin

yang

tinggi

terakumulasi

permukaan

pemanas

semakin besar sehingga laju perpindahan

4~

pendingin juga semakin cepat.
laju

---'

OL

2.5

1.5

3.5

4.5

Grafik

driving

pressure

sebagai

fungsi fluks.

Adanya
akan membantu

penambahan
menaikkan

pada perpindahan
bebas.

driving pressure
dengan

tinggi

meningkatnya

konveksi

Driving

dengan

adanya

tinggi
daya.

beda temperatur
massa

cerobong

dan

Hal ini terjadi

karena

yang mengakibatkan
bertambah

sebagai

ketinggian

massa

pendingin

cerobong

pada

tahanan

(friksi) semakin

besar pula.

besar.

aliran

pending in

dengan bertambahnya

sehingga
Hasil

Laju

friksi
alir

juga

dari

hasil

menunjukkan

adanya

peningkatan

yang

semakin

tinggi

laju
tinggi

sem~in

pendingin

diperoleh

daya

besar

Besarnya

yang

perhitungan
dengan

seperti

yang

terlihat pede Gambar 5.
Laju011,(kg/dol'

0.02
0.018~
0.016
.;w,.-

-I-

0.014 f-Cerobong

fungsi

0.01L
100

berbagai

dari hasil perhitungan,

+ CerObong III

200

150

Do,.