KONSEP PENINGKATAN KINERJA OPERASI TUNGK
ISSN 0216 - 3128
132
Achmad Suntoro
KONSEP PENINGKATAN KINERJA OPERASI TUNGKU ME11 UNTUK PROSES REDUKSI GAGALAN PELET UO2
MENJADI SERBUK UO2
Achmad Suntoro
Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir – BATAN
Komplek Puspiptek, Gedung 71, Lantai 2, Serpong
suntoro@batan.go.id
ABSTRAK
KONSEP PENINGKATAN KINERJA OPERASI TUNGKU ME-11 UNTUK PROSES REDUKSI PADA
PROSES FABRIKASI BAHAN BAKAR NUKLIR PLTN. Tungku ME-11 di Instalasi Elemen Bakar
Eksperimental (IEBE) PTBN-BATAN didisain sebagai perangkat untuk daur ulang bahan bakar nuklir
gagalan, yaitu untuk mengubah pelet UO 2 gagalan menjadi serbuk UO 2 (melalui proses kalsinasi dan
reduksi) sehingga dapat diproses kembali hingga memenuhi persyaratan. Infra struktur tungku ME-11 oleh
pabrikan dibuat bersifat umum sehingga bisa digunakan untuk proses kalsinasi dan reduksi, akan tetapi
dalam kontrak pengadaan tungku tersebut di IEBE, tungku ME-11 hanya disiapkan untuk proses kalsinasi
saja, dan tidak termasuk untuk proses reduksi. Proses kalsinasi adalah pemanasan menggunakan atmosfir
udara dan proses reduksi pemanasan menggunakan atmosfir gas hidrogen. Dalam makalah ini, akan
dijelaskan proses kegiatan untuk meningkatkan kemampuan tungku ME-11 tersebut agar dapat digunakan
untuk proses reduksi dengan titik berat penjelasan pada pondasi teknik pendekatan disainnya. Berpijak pada
pengalaman kerja mengoperasikan, merawat, dan melakukan refurbishing perangkat tungku yang
menggunakan gas hidrogen, serta mengacu pada petunjuk operasional untuk disain perangkat yang
menggunakan gas hidrogen, kegiatan menigkatkan kinerja ini dilakukan. Pola standard evaluasi resiko
perangkat EN-1050 dari European Comitee for Standardization (CEN) digunakan untuk mengevaluasi sistem
tungku untuk digunakan proses reduksi. Instrumentasi dan kendali perangkat yang menggunakan gas
hidrogen, tidak hanya bertanggung jawab pada proses yang berlangsung, tetapi juga pada keselamatan.
Oleh karena itu, sistem safety-barrier tambahan beserta alat bantunya menjadi sentral obyek kegiatan ini.
Konsep yang dijelaskan dalam makalah ini telah diimplementasikan di sistem tungku ME-11 dan telah diuji
oleh tim jaminan kwalitas PTBN. Hasil pengujian tersebut menyatakan bahwa operasional tungku ME-11
untuk proses reduksi dapat diterima untuk beroperasi.
Kata Kunci : tungku proses reduksi, pencegahan kecelakaan hidrogen, keselamatan operasi, safety barrier.
ABSTRACT
A CONCEPT OF OPERATIONAL PERFORMANCE ENHANCEMENT OF THE ME-11 FURNACE
FOR REDUCTION PROCESS AT THE NUCLEAR FUEL FABRICATION PROCESS FOR NPP. The
ME-11 furnace in the Experimental Fuel Element Installation (EFEI) of PTBN-BATAN was designed as an
equipment for recycling process of any unacceptable nuclear fuel product. The unacceptable fuel, in the form
of UO2 pellet, has to be changed into UO 2 powder (through the calcination and reduction processes) so that
it can be reprocessed to meet the requirements. The infrastructure of the ME-11 furnace made by the
manufacturer is in a general nature that can be used for calcination and reduction processes, however in the
procurement contract of the furnace for the EFEI, the ME-11 furnace is submitted for calcination process
only, and not for both calcination and reduction process. The calcination is a heating process using air
environment while the reduction process using hydrogen gas environment. In this paper, the process of
activities to enhance the furnace ME-11 so that it can be used for reduction process will be described with
emphasized explanation on its fundamental design approach. Based on work experiences in operating,
maintaining, and refurbishing of furnace using hydrogen gas, as well as referring to the practical instructions
for design of any equipment that uses hydrogen gas, the enhancement is to be done. Standard pattern of risk
evaluation for machinery EN-1050 of the European Comitee for Standardization (CEN) is used to evaluate
the furnace system for the reduction process. Intrumentation and control for a system using hydrogen gas, is
not only responsible for the on-going process, but also on its safety. Therefore, additional of the safetybarrier system including its accesories becomes the central object of this activity. The concept explained in
this paper has been implemented and tested by the quality assurance team of PTBN. The test result says that
the ME-11 furnace for the reduction process is acceptable to operate.
Keywords : reduction process furnace, hydrogen gas accident prevention, operational safety, safety barrier.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
Achmad Suntoro
133
1. PENDAHULUAN
PLTN
Serbuk UO2
pelet baik
Peletisasi serbuk
UO2
Elemen Bakar Nuklir
Gagalan pelet
UO2
Tungku ME-11
(Kalsinasi dan Reduksi)
pelet gagal
Gambar 1. Siklus operasi pembuatan bahan bakar nuklir PLTN.
Tungku kalsinasi dan reduksi ME-11 di
Instalasi Elemen Bakar Eksperimen (IEBE) PTBNBATAN pada bagan Gambar 1 digunakan untuk
proses daur ulang, yaitu merubah produk gagalan
dari proses fabrikasi bahan bakar nuklir berupa pelet
UO2 menjadi serbuk UO2 sehingga produk gagalan
tersebut dapat diproses kembali menjadi bahan bakar
yang memenuhi persyaratan.
Namun demikian sesuai dengan kontrak
pengadaan tungku ME-11 tersebut bersama dengan
perangkat lainnya di IEBE, tungku ME-11 hanya
disiapkan untuk proses kalsinasi saja, dan tidak
termasuk untuk proses reduksi meskipun infra
struktur tungku ME-11 tersebut bisa dibuat untuk
proses reduksi. Proses kalsinasi menggunakan
atmosfir udara dan proses reduksi menggunakan
atmosfir gas hidrogen. Dalam makalah ini, akan
dijelaskan konsep bagaimana tungku ME-11 yang
semula hanya bisa digunakan untuk proses kalsinasi,
ditingkatkan kinerjanya hingga mampu dan layak
untuk digunakan dalam proses reduksi.
Dalam proses yang melibatkan penggunaan
gas hidrogen, prediksi terjadinya kecelakaan perlu
dikembangkan sehingga antisipasi yang tepat dapat
disiapkan, karena gas hidrogen dapat meledak untuk
suatu kondisi tertentu. Tungku reduksi ME-11 akan
bekerja menggunakan gas hidrogen sehingga
mempunyai potensi terjadi kecelakaan akibat ledakan
gas hidrogen. Oleh karena itu sistem keselamatan
tungku dari kecelakaan gas hidrogen akan menjadi
sentral perhatian dalam mengaktifkan proses reduksi
tersebut.
2. TEORI
2.1 POTENSI KECELAKAAN HIDROGEN
Secara umum, penyebab kecelakaan dalam
sebuah pabrik yang menggunakan hidrogern
digolongkan menjadi lima kelompok seperti
ditunjukkan pada Gambar 2. Kelima kelompok
tersebut bisa dicegah terjadinya dengan mencegah
terjadinya (a). kebocoran, (b). terbentuknya
komposisi berpotensi terbakar/meledak, dan (c).
timbulnya pemicu kebakaran / ledakan[1].
Kecelakaan hidrogen
1. Combustion
2. Tekanan
3. H2 Embritlement
4. Exposure
5. Suhu rendah
Gambar 2. Identifikasi gangguan keselamatan
penggunaan gas hidrogen[1].
Dari lima kelompok penyebab tersebut, hanya
penyebab pertama
yaitu
combustion
yang
kemungkinannya tinggi bisa terjadi pada sistem
tungku reduksi ME-11, karena operasi tungku ME-11
tidak menggunakan hidrogen suhu rendah maupun
tekanan tinggi. Hydrogen embritlement karena high
temperature hydrogen attack (HTHA) tidak mungkin
terjadi karena tekanan dan suhu kerja tungku ME-11
berada dibawah kurva Nelson[2].
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
134
yang tiba-tiba, dan (5) permukaan yang panas. Dari
lima pemicu ledakan tersebut, hanya nomor (2) dan
(5) yang mungkin terjadi pada sistem tungku ME-11,
karena proses reduksi di ME-11 tidak menggunakan
hidrogen bertekanan tinggi. Selain kelima pemicu
tersebut, sebuah ledakan bisa juga menjadi pemicu
untuk ledakan lainnya[5]. Energy pemicu sebesar 20
J akan mampu membakar atau meledakkan gas
hidrogen jika komposisinya memungkinkan[6].
Fuel
2.2 KESELAMATAN OPERASI PERANGKAT
Combustion
Ignition
Oxygen
Gambar 3. Prinsip dapat terjadinya combustion:
kebakaran / ledakan[3].
Combustion
atau
pembakaran
bisa
menyebabkan kebakaran atau ledakan, dan dapat
terjadi jika tiga unsur seperti pada Gambar 3
terpenuhi keberadaannya, yaitu fuel dan oksigen
harus ada pada komposisi tertentu ketika bertemu
dengan pemicu (ignition). Untuk combustion pada
gas hidrogen, oksigen dapat berasal dari udara,
sehingga campuran gas hidrogen dengan udara
menjadi unsur penentu.
Gambar 4 adalah karakteristik gas hidrogen
dengan udara (prosentase volume) untuk combustion.
Angka prosentase tersebut dipengaruhi oleh suhu dan
tekanan gas saat itu. Jika suhu gas naik, maka daerah
aman (safe area ) menjadi menyempit, serta jika
tekanan gas naik maka daerah aman menjadi sedikit
melebar[4]. Tekanan dari ledakan akan membesar
dengan bertambahnya volume campuran gas
hidrogen tersebut[5].
0
100%
Achmad Suntoro
udara
Dalam dunia industri, keselamatan di
kelompokkan menjadi tiga bagian, yaitu keselamatan
personil ketika sedang bekerja, keselamatan personil
ketika sedang tidak bekerja, dan keselamatan
proses[7]. Keselamatan operasi perangkat yang
dimaksud dalam tulisan ini adalah gabungan dari
keselamatan personil yang sedang bertugas dan
keselamatan prosesnya.
Evaluasi keselamatan proses sebuah pabrik
dapat dilakukan melalui analisis keselamatan yang
meliputi diantaranya pembelajaran (study) struktur
dan fungsi proses secara sistimastis serta identifikasi
titik-titik yang berpotensi menjadi penyebab
kecelakaan[8]. Gambar 5 adalah Swiss Cheese model
kemungkinan terjadinya kecelakaan (accident) pada
sebuah pabrik[9].
Kecelakaan bisa terjadi bukan saja karena
perangkat keras dari pabrik yang gagal bekerja sesuai
dengan prosesnya, tetapi juga bisa disebabkan oleh
faktor A, B, C, dan D pada Gambar 5. International
Nuclear
Safety
Advisory
Group
(INSAG)
memperkenalkan istilah safety culture dalam rangka
peningkatan keselamatan, yaitu melalui peningkatan
kinerja manajemen dan organisasi pelaksanaan
operasi perangkat[10], yaitu peningkatan kinerja A, B,
C, dan D pada Gambar 5.
Safe area
75%
25%
A
Burning area
C
41%
59%
B
D
Explosive area
82%
18%
Burning area
96%
4%
Safe area
hidrogen
0
100%
Gambar 4. Karakteristik campuran (volume) gas
hidrogen dan udara pada tekanan 1
atmosfir dan suhu kamar[6].
Ada lima pemicu combustion gas hidrogen,
yaitu[1]: (1) Efek inverse dari Joule-Thomson, (2) api
atau letikan api, (3) difusi gas, (4) kompresi adiabatik
Gambar
5. Swiss Cheese model: Jalur
kemungkinan terjadinya kecelakaan
dalam sebuah pabrik[9].
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
Achmad Suntoro
Safety-barrier , adalah bagian pertahanan
terkhir dari pabrik dalam usahanya untuk mencegah
terjadinya kecelakaan. Disain safety-barrier dapat
berupa fisik atau non-fisik (instrumentasi dan
kendali) untuk mencegah, mengendalikan, atau
mengurangi kejadian-kejadian yang tidak diinginkan
seperti kecelakaan[11].
Konsep kerja safety barrier [12] dijelaskan
menggunakan Gambar 6. Safety-barrier bekerja jika
terjadi kelainan pada pabrik (yang diketahui dari
proses deteksi) untuk kemudian operator harus
bertindak sehingga sistem pabrik secara menyeluruh
berada pada posisi aman. Kelainan yang terjadi
tersebut bisa berasal dari lubang-lubang kelemahan
pada A, B, C, dan D pada Gambar 5, dan atau dari
kerusakan komponen perangkat keras pada pabrik.
135
European Comitee for Standardization (CEN)
mengeluarkan standard EN-1050 untuk proses
evaluasi resiko suatu perangkat (machinery) yang
digambarkan prosedur pelaksanaannya menggunakan
flowchart pada Gambar 7.
Keselamatan adalah terminologi yang bersifat
relatip, karena hampir tidak mungkin membuat
perangkat dengan resiko kegagalan nol[14]. Usaha
peningkatan keselamatan perangkat dicapai dengan
toleransi resiko yang dapat diterima pada saat
tersebut (posisi END dalam Gambar 7). karena
sangat mungkin (dilain waktu) ditemukan teknologi
baru yang dapat menghasilkan suatu cara dengan
toleransi resiko yang lebih kecil.
START
Kenop
Alarm
Sinyal
Katup
Identify the hazard
Deteksi
Diagnosa
Tindakan
Risk estimation
Gambar 6. Konsep safety barrier dalam mencegah
kecelakaan[12].
Untuk kondisi tertentu, operator pada Gambar 6
sering digantikan oleh perangkat elektronik seperti
mikrokontroler atau PLC (Programmable Logic
Controller ) karena memerlukan diagnosa dan atau
tindakan cepat. Dalam hal tertentu, kecepatan
bertindak operator pada konsep safety-barrier sangat
diperlukan untuk mencegah terjadinya kecelakaan
sehingga redundancy dengan sistem instrumentasi
dan kendali diperlukan.
Dalam
usaha
peningkatan
keselamatan
perangkat yang melibatkan penggunaan hidrogen,
NASA memberikan petunjuk keharusan penggunaan
hal-hal sebagai berikut dalam disain perangkatnya[13]:
Safety Systems. Pendeteksian kegagalan yang
berakibat kecelakaan, dan melakukan tindakan
(control) pencegahannya.
Warning Systems. Pendeteksian kegagalan, dan
tindakan memberi isyarat (warning) jika kondisi
tidak normal terjadi.
Fail-Safe Design. Jika terjadi kegagalan, sistem
harus dihentikan dan diarahkan kepada kondisi
(state) ter-aman bagi operator dengan minimum
kerusakan.
Redundant Safety. Sistem redundancy harus
diterapkan.
Melalui perangkat keras (hardware), usaha
peningkatan keselamatan juga telah banyak
dilakukan. Salah satu bentuk usaha tersebut adalah
Risk evaluation
Is the
machine
safe
NO
RISK ASSESMENT
Indikator Sinyal
RISK ANALYSIS
Determine the machine limits
YES
END
Risk evaluation
Gambar 7.
Flowchart evaluasi resiko pada
perangkat, EN-1050 standard[14].
Hasil evaluasi dari resiko analisis yang dinilai
berada diluar toleransi yang dapat diterima (posisi
Reduce risk dalam Gambar 7) harus ditindak lanjuti
dengan cara perbaikan, tambahan, atau modifikasi
sehingga batas toleransi resiko dapat diterima
(keselamatan meningkat). Dari evaluasi tersebut,
beberapa bagian tertentu dari status tungku ME-11
ditemukan berada pada posisi ini, sehingga
memerlukan tambahan dan modifikasi pada bagian
safety-barrier nya.
3. TATA KERJA
Kegiatan penelitian ini berkaitan dengan
perekayasaan perangkat yaitu mengaktifkan proses
reduksi yang menggunakan gas hidrogen. Oleh
karena itu, kegiatan yang dilakukan adalah hal-hal
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
136
yang berkaitan dengan keselamatan untuk perangkat
yang menggunakan gas hidrogen. Penelitian
mengarah kepada sumber penyebab terjadinya
kecelakaan, dalam hal ini adalah kecelakaan ledakan
gas hidrogen pada tungku reduksi, untuk dicegah
terjadinya. Untuk itu, struktur perangkat & sistem
operasi proses yang ada pada tungku ME-11
dianalisis dan dievaluasi menggunakan standard
keselamatan disain perangkat yang menggunakan gas
hidrogen[6,7, 11,12]. Langkah operasioal, flowchart pada
Gambar 7 dari European Normalisation Standard,
EN-1050, digunakan.
Secara singkat, langkah-langkah dari konsep
tersebut di atas adalah sebagai berikut:
Melakukan penelitian / studi untuk pemahaman
terhadap:
Proses reduksi U3O8 menjadi UO2.
Karakteristik gas hidrogen pada potensinya
terhadap ledakan gas.
Evaluasi tungku ME-11untuk proses reduksi.
Melakukan pengembangan:
Membuat disain konsep untuk menanggulangi
kekurangan dalam rangka peningkatan kinerja
sistem tungku (agar bisa untuk proses
reduksi).
Membuat analisis menggunakan Fault Tree
Analysis (FTA) terhadap sistem tungku ME11 setelah ditambah dengan disain konsep
untuk peningkatan kinerja.
Membuat disain detail, tindakan konstruksi /
instalasi, dan pengujian.
3.1 PROSES REDUKSI U3O8 MENJADI UO2
Gagalan pelet UO2 dari proses peletisasi
(bentuk fisik pelet) harus dirubah bentuk fisiknya
menjadi serbuk UO2 melalui proses kalsinasi dan
reduksi agar dapat diproses kembali menjadi pelet
UO2 yang memenuhi persyaratan. Kedua proses ini
dilakukan menggunakan tungku ME-11. Proses
kalsinasi dilakukan dengan pemanasan pelet UO2
memakai atmosfir udara, dan terjadi reaksi kimia
sebagai berikut (U3O8 berupa serbuk):
3 UO2 + O 2 U3O8
(1)
Proses kalsinasi tersebut dilakukan di ruang tungku
dengan suhu 400oC – 500oC dan waktu pemanasan 1
sampai 3 jam[15].
Serbuk U3O8 dari hasil rekasi (1) kemudian
diproses reduksi di ruang tungku dengan suhu 750 oC
dan waktu pemanasan 3 jam[16] menggunakan gas
hidrogen. Terjadi reaksi sebagai berikut:
U3O8 + 2 H2 3 UO 2 + 2 H 2O
(2)
Achmad Suntoro
Gas H2 diberikan berlebihan sehingga lebihan sisa
reaksi dikeluarkan dari tungku dan dibakar di ruang
pembakaran, sedangkan uap air (H2O) yang terbentuk
dari reaksi (2) dipisahkan dari gas H2 sisa reaksi
dengan proses pengembunan untuk kemudian di
keluarkan dari tungku. Gas H2 sisa reaksi dikeluarkan
dari tungku dan dibakar di ruang bakar gas buang
agar gas tersebut tidak berakumulasi sehingga
membentuk campuran dengan udara pada komposisi
yang berpotensi meledak.
3.2 EVALUASI RESIKO TUNGKU ME-11
Tungku ME-11 adalah muffle furnace dengan
filamen pemanas di luar ruang tungku (indirect
heating ). Oleh karena itu untuk operasi reduksi,
kemungkinan pemicu ledakan di ruang tungku hanya
berasal dari permukaan panas dinding ruang tungku.
Api atau percikan api sebagai pemicu ledakan hanya
bisa terjadi di ruang pembakaran gas buang, yaitu
ketika operator menyalakan api (percikan) atau jika
api telah nyala.
Operasi reduksi menggunakan gas hidrogen
bertekanan rendah (lebih tinggi sedikit dari tekanan
udara luar), oleh karena itu kemungkinan kebocoran
pada sistem pemipaan adalah rendah, dan sistem
deteksinya diserahkan pada sistem deteksi kebocoran
gas hidrogen gedung, dan tidak menjadi obyek dalam
penelitian ini. Oleh karena itu, dua potensi ledakan di
sistem tungku ME-11 yang menjadi obyek dalam
penelitian ini adalah di ruang tungku dan ruang bakar
gas buang.
Tungku ME-11 disain pabrikan dapat untuk
proses kalsinasi dan reduksi, tetapi untuk paket
kontrak instalasi di IEBE-PTBN tidak mencakup
untuk proses reduksi. Sistem instalasi pemipaan gas
dan lainnya untuk proses reduksi, mayoritas
terintegrasi dengan proses kalsinasi. Oleh karena itu
operasional proses reduksi dapat dijalankan dengan
sistem tungku ME-11 yang ada, tetapi masalah
keselamatan operasi-nya perlu dievaluasi untuk
ditindak lanjuti.
Evaluasi menggunakan standard EN-1050
dengan batasan operasi perangkat proses reduksi,
jenis kecelakan yang mungkin terjadi ledakan gas
hidrogen, dan estimasi resiko berasal dari pemberian
gangguan operasi (Gambar 7). Dari pengalaman kerja
mengoperasikan,
merawat
dan
melakukan
refurbishing tungku listrik yang menggunakan gas
hidrogen dalam operasinya[17-22], ada 13 jenis
gangguan yang mempunyai kemungkinan sering
terjadi dalam operasi dan akan digunakan. Hasil
penelitian untuk evaluasi tersebut ditunjukkan pada
Tabel 1.
Dari Tabel 1 tersebut diketahui bahwa 6 jenis
gangguan tidak diantisipasi oleh sistem tungku ME11, dan sisanya di response dengan warning nyala
lampu dan alaram tanpa usaha dari sistem kendali
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
Achmad Suntoro
ISSN 0216 - 3128
untuk mengatasi ganguan yang terjadi. Tindakan
137
akibat gangguan diserahkan kepada operator tungku.
Tabel 1. Gangguan operasi pada proses reduksi untuk estimasi resiko pada existing tungku ME-11
No
Jenis
Gangguan
1.
Tekanan gas
dalam
tungku
tinggi
2.
Temperatur
air
pendingin
tinggi
3.
Tekanan gas
N2 rendah
4.
Prediksi Akibat Gangguan
Tindakan
Tungku
Tindakan Disain
(safety-barrier
tambahan)
Aliran gas buang (hidrogen) akan naik. Hal ini
menyebabkan potensi untuk komposisi campuran
gas hidrogen dengan udara di ruang bakar naik
dan bisa menuju ke komposisi meledak. Pemicu
di ruang bakar telah siap (ada).
Seal yang digunakan pada tutup ruang bakar
menjadi panas dan bisa bocor. Hal ini
menyebabkan gas hidrogen di ruang tungku bocor
keluar ruangan dan berpotensi membentuk
komposisi meledak jika ada pemicu.
Warning
Warning
Temperatur
tungku
terlalu tinggi
Untuk menghentikan operasi reduksi atau jika terjadi
kondisi emergency, maka gas hidrogen dalam ruang
tungku sulit dikeluarkan. Keberadaan gas hidrogen
dalam ruang tungku sulit dikendalikan.
Melanggar batas parameter proses yang diharuskan
sehingga hasil proses bisa tidk sesuai dengan yang
diharapkan.
Warning & tindakan
menutup katup inlet ke
ruang tungku dan
membuka kembali
setelah tekanan normal.
Warning & tindakan
emergency shut-down
jika batas tenggang
waktu yang ditentukan
dilewati
Tetap
Warning
Tetap
5.
Tekanan gas
H2 rendah
Proses reduksi bisa gagal karena gas hidrogen
yang masuk ke ruang tungku kurang.
Warning
Tetap
6.
Tekanan gas
LPG rendah
Warning
Tetap
7.
Listrik
padam
Api pembakar gas buang tidak optimal, ada
kemungkinan tidak semua gas buang (hidrogen)
terbakar. Gas hidrogen yang tidak terbakar berpotensi
membentuk komposisi meledak.
Gas hidrogen di ruang tungku didorong keluar oleh gas
nitrogen ke ruang bakar, tetapi tidak dibakar karena api
pembakar padam jika listrik padam. Komposisi
campuran gas hidrogen dengan udara di ruang bakar
dapat menuju ke potensi terbakar / meledak.
8.
Api
pembakar
gas buang
padam
Warning
9.
Kebocoran
gas H2 di
lingkungan
10
.
Tekanan gas
udara tekan
(instrumen)
rendah
Gas hidrogen di ruang bakar tidak dibakar.
Komposisi campuran gas hidrogen dengan udara
di ruang bakar dapat menuju ke potensi terbakar /
meledak. Berpotensi terjadi ledakan jika ada
pemicu.
Diserahkan pada sistem deteksi gedung untuk
operator bertindak akibat kebocoran. Jika tidak
ada tindakan maka komposisi campuran gas
hidrogen dengan udara di ruangan dapat menuju
ke potensi terbakar / meledak. Terjadi kecelakaan
jika ada pemicu.
Katup untuk memasukan gas hidrogen ke tungku
tidak bisa membuka, yang berakibat proses
reduksi bisa gagal.
11
.
Tekanan gas
dalam
tungku
rendah
Udara dari luar bisa masuk ke ruang tungku dan
membentuk komposisi campuran terbakar /
meledak didalam tungku. Pemicu di ruang bakar
telah siap (ada).
Tidak
ada
12
.
Aliran gas
buang tinggi
Hal ini menyebabkan potensi untuk komposisi
campuran gas hidrogen dengan udara di ruang
bakar naik dan bisa menuju ke komposisi
meledak. Pemicu di ruang bakar telah siap (ada).
Tidak
ada
Warning
Tidak
ada
Warning & tindakan
mengosongkan gas H2
di dalam tungku dan
membakarnya di ruang
pembakaran.
Warning & tindakan
menyalakan kembali
api secara otomatis
Tidak
ada
Warning & tindakan
emergency shut-down
jika batas tenggang
waktu yang ditentukan
dilewati
Tidak
ada
Warning & tindakan
emergency shut-down jika
batas tenggang waktu
yang ditentukan dilewati
Warning & tindakan
menutup katup outlet dari
ruang tungku dan
membuka kembali setelah
tekanan normal
Warning & tindakan
menutup katup inlet ke
ruang tungku dan
membuka kembali setelah
aliran normal
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
138
Achmad Suntoro
No
Jenis
Gangguan
Prediksi Akibat Gangguan
Tindakan
Tungku
13
.
Aliran gas
buang rendah
Proses reduksi bisa gagal karena gas hidrogen
yang masuk ke ruang tungku kurang.
Tidak
ada
Selain gangguan operasi pada Tabel 1, tungku
ME-11
tidak
mempunyai
sistem
vacuum.
Safetygram#4 -untuk-gas-hidrogen
mengharuskan
proses vacuum untuk instalasi yang akan dilalui
hidrogen, jika instalasi tersebut tidak sederhana[6].
Instalasi pada ME-11 tidak sederhana karena ada
tempat didalam tungku yang memungkinkan untuk
udara terjebak. Dudukan dua plat siku memanjang
terlungkup dan berongga direkatkan oleh las titik
berpotensi menyimpan udara dan sulit keluar hanya
dengan flushing gas nitrogen[23]. Prosentase volume
hidrogen dan udara didalam rongga tersebut dapat
berpotensi pada posisi terbakar / meledak sedangkan
pemicu permukaan panas telah tersedia dari dinding
tungku. Jika hal ini terjadi maka ledakan di rongga
akan terjadi dan dapat menjadi pemicu ledakan yang
lebih besar[5]. Oleh karena itu, sistem vacuum perlu
ditambahkan.
Gas hidrogen diperbolehkan masuk ke ruang
tungku setelah suhu di ruang tungku mencapai diatas
suhu tertentu (dapat diatur nilainya - programmable).
Jika syarat ini telah terpenuhi, sistem tungku akan
memberi isyarat (lampu) dan operator secara manual
memasukkan gas hidrogen ke ruang tungku dengan
menekan sebuah tombol. Untuk meningkatkan
kewaspadaan operator dalam operasi, dibuatkan juga
opsi otomatis sehingga konsentrasi operator pada
pengawasan operasi secara menyeluruh menjadi lebih
baik.
3.3 KONSEP MODIFIKASI & TAMBAHAN
Safety-barrier modifikasi
& tambahan
Operator
Kendali
Proses
UPS
Hidrogen
Otomatis
Sistem
Vacuum
Deteksi
Kegagalan
Sistem
Tungku
Switching
panel
ME-11 disain awal
Gambar 8. Pengendalian sistem tungku ME-11,
disain modifikasi & tambahan.
Tindakan Disain
(safety-barrier
tambahan)
Warning
keselamatan tungku ME-11 untuk proses reduksi
perlu tambahan pada safety-barrier nya, dan
modifikasi minor untuk sistem operasi proses nya.
Deskripsi tambahan sistem keselamatan tersebut ada
di [24], dan diagram blok perubahan sistem
pengendalian tungku ME-11 ditunjukkan pada
Tabel 2. Pengelompokan Jenis gangguan.
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Jenis Gangguan
Listrik padam*.
Api pembakar gas LPG padam.
Kelompok
Gagal#1
Gagal#2
Kebocoran gas hidrogen di
lingkungan.
Tekanan gas dalam tungku tinggi.
Aliran gas buang tinggi.
Tekanan gas udara-tekan saat H2
ber-operasi rendah**.
Suhu air pendingin naik.
Tekanan gas nitrogen rendah.
Temperatur tungku tinggi
Aliran gas buang rendah
Tekanan gas hidrogen rendah
Tekanan gas LPG rendah
Tekanan gas dalam tungku ketika
H2 mengalir rendah.
Gagal#3
Gagal#4
* Menjadi Gagal #2 jika saat itu gas N2 yang beroperasi.
** Menjadi Gagal #4 jika saat itu gas N2 yang beroperasi.
Konsep modifikasi & tambahan safety-barrier
dikelompokan menjadi 4 jenis kegagalan (Gagal #1
s/d #4) seperti pada Tabel 2. Sinyal gagal akan
muncul karena dipicu oleh gangguan, dan gangguan
tersebut beberapa harus diatasi oleh operator maupun
safety-barrier bersama dengan tidak ada saling
ketergantungan. Jika operator maupun safety-barrier
tidak mampu mengatasi gangguan tersebut dalam
tenggang waktu yang ditentukan, maka safety-barrier
akan menghentikan operasi tungku secara emergency
shut-down (menggunakan timer ).
Tenggang waktu delay #1 s/d #4 pada Gambar
9 digunakan untuk mengatasi gangguan. Jika
gangguan dapat diatasi maka proses reduksi
dilanjutkan (N), dan jika tidak dapat diatasi maka
proses reduksi dihentikan. Nilai delay ditentukan
berdasarkan pengalaman kerja operasi tungku dan
dapat diubah (programmable).
Dari hasil evaluasi, dan mengacu pada petunjuk
operasional penggunaan hidrogen[6,7,11-13], sistem
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
Achmad Suntoro
139
tinggi untuk menjadi penyebab kecelakaan di tungku
ME-11.
Input Gangguan (tiga belas jenis: dari Tabel 2)
PE
Gagal#2
Gagal#1
delay#1
5 menit
N
delay#2
15 detik
Gagal#3
N
delay#3
30 detik
Gagal#4
N
delay#4
operator
N
Normal shutdown
Oleh operator
Emergency shutdown
Oleh safety-barrier
N : Kembali ke proses
Operator: atur ke kondisi awal
(gangguan bisa diatasi)
Selesai
Gambar 9. Diagram alir / algoritma safety-barrier
modifikasi & tambahan.
Konsep
disain
ini
telah
dianalisis
kemungkinannya terjadi kecelakaan gas hidrogen
menggunakan Fault Tree Analisis
(FTA).
Disimpulkan bahwa ada dua lokasi kemugkinan
terjadinya ledakan gas hidrogen, yaitu di ruang
pembakaran gas buang dan di ruang tungku.
Kecelakaan gas hidrogen akibat padamnya api
pembakar gas buang sisa dan padamnya aliran listrik
dari PLN dapat dihindari dengan safety-barrier
tambahan ini. Detail proses FTA dapat dilihat di [25].
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Tungku reduksi ME-11 telah siap digunakan
sehingga tungku ME-11 menjadi lengkap bagian dari
perangkat daur bahan bakar nuklir gagalan. Gambar
10 adalah safety-barrier hasil modifikasi dan
tambahan tersebut yang telah dipasang di tungku
ME-11. Operasi tungku telah diuji oleh tim jaminan
kwalitas PTBN (pengujian dilakukan tanggal 17
Desember 2008 dan 9 Desember 2009) dan hasil
pengujian dapat diterima untuk beroperasi. Pengujian
meliputi langkah-langkah proses dan pemberian
gangguan-gangguan yang terdefinisi ketika tungku
beroperasi untuk melihat kinerja sistem tungku dalam
mengatasi gangguan yang diberikan. Dokumentasi
lengkap dari tungku ME-11 setelah ditingkatkan
kinerjanya ada di [24]. Selain itu, kinerja operasional
secara terpisah untuk proses kalsinasi[26] dan
reduksi[27] juga telah diuji-coba dan sistem tungku
dapat bekerja seperti yang dikehendaki.
Empat petunjuk disain perangkat yang
menggunakan gas hidrogen oleh NASA[13]
diimplemetasikan pada safety-barrier Gambar 10.
Dua gangguan yang significant dari tungku ME-11
telah ditanggulangi, yaitu padamnya sumber daya
listrik dari PLN dan padamnya api pembakar gas
buang. Dua gangguan tersebut mempunyai potensi
Gambar 10. Safety-barrier hasil modifikasi &
tambahan.
Gangguan listrik padam ketika proses reduksi
berlangsung berakibat status kerja sistem tungku
pada posisi tidak aman. Ruang tungku berisi gas
hidrogen yang didorong keluar oleh gas nitrogen ke
ruang pembakaran, tetapi tidak dibakar karena api
pembakarnya padam. Padamnya listrik telah menutup
katup LPG sehingga membuat api tersebut padam.
Konsep untuk untuk memindahkan status kerja
pada posisi aman (fail-safe design concept),
mengharuskan api dari LPG tetap nyala dan
membakar gas hidrogen hingga habis (posisi aman).
Untuk itu diperlukan daya listrik dari Uninteruptable
power Supply (UPS). UPS digunakan untuk
mempertahankan agar pengendali suhu, katup gas
buang, katup LPG, rangkaian timer , dan pemantik
otomatis tetap dapat aktif bekerja ketika listrik padam
guna pemindahan status kerja tersebut.
Gas hidrogen yang keluar dari tungku harus
dibakar oleh nyala api dari gas LPG. Penyalaan gas
LPG pada tungku ME-11 dilakukan secara manual
oleh operator. Merujuk pada dokumen ES & H
manual untuk gas hidrogen[7] penyalaan api
pembakar gas hidrogen harus dilakukan tidak secara
manual, tetapi menggunakan alat bantu seperti
rangkaian elektronik. Oleh karena itu, sistem
penyalaan api secara otomatis dilakukan dibawah
kendali safety-barrier tambahan.
Gas LPG akan mudah terbakar jika komposisi
campurannya dengan udara (mengandung udara)
terletak diantara 1.81% s/d 8.86% dengan energi
panas yang cukup[28]. Oleh karena itu penempatan
pemantik untuk dapat membakar gas LPG yang
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
140
keluar di ruang bakar dengan cepat harus disesuaikan
dengan karakteristik saluran keluar (outlet) dari gas
LPG tungku ME-11. Dengan pemahaman tersebut,
dapat ditentukan posisi pemantik yang tepat sehingga
sistim penyalaan gas LPG otomatis dapat bekerja
dengan cepat[29].
Penyalaan api LPG otomatis dipicu dari sebuah
thermocouple yang mendeteksi panas dari api LPG
tersebut. Jika api padam, thermocouple akan
mengaktifkan sistem penyalaan otomatis tersebut.
Ketika api padam, maka dibuat katup saluran gas
keluar tungku menutup, sehingga ketika pemantik
otomatis sedang berusaha menyalakan api LPG, tidak
ada gas hidrogen yang keluar ke ruang bakar.
Untuk membuka dan menutup saluran saluran
gas buang ke ruang bakar digunakan dua buah katup
F2 dan F3, Katup F2 dekat dengan ruang tungku dan
F3 dekat dengan ruang bakar. Kedua katup akan
menutup serentak, tetapi untuk membukanya tidak
serentak. Katup F3 dibuka terlebih dahulu beberapa
detik baru kemudian F2 dibuka. Strategi ini
dilakukan untuk menghindari efek hembusan
(transient) dari tekanan gas ruang tungku yang keluar
tiba-tiba yang berpotensi mematikan nyala api LPG,
dan juga untuk menghindari efek puff-back[30] yaitu
konsentrasi tinggi gas hidrogen ketika saat katup
dibuka yang berpotensi menimbulkan ledakan.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
5. KESIMPULAN
Tungku ME-11 di Pusat Teknologi Elemen
Bakar Nuklir (PTBN) telah dapat berfungsi untuk
proses kalsinasi dan reduksi. Pengalaman kerja
merawat dan mengoperasikan tungku menggunakan
gas hidrogen, petunjuk operasional untuk disain
perangkat yang menggunakan gas hidrogen dari
NASA, ES & H manual, Safetygram#4, dan
standarad evaluasi resiko EN-1050 dari European
Comitee for Standardization (CEN) digunakan dalam
kegiatan mengaktifkan operasi reduksi dari tungku
ME-11 ini. Dengan kegiatan ini tungku ME-11
menjadi perangkat lengkap untuk proses daur bahan
bakar nuklir gagalan berupa pelet UO2 pada sistem
fabrikasi bahan bakar nuklir untuk PLTN. .
9.
10.
11.
12.
6. UCAPAN TERIMA KASIH
13.
Penulis sangat berterima kasih kepada saudara Djoko
Kisworo, Triarjo, dan Dedi Haryadi staf Bidang
Bahan Bakar Nuklir – PTBN BATAN, atas bantuan
teknis-nya selama kegiatan instalasi dan percobaan
berlangsung.
7. DAFTAR PUSTAKA
1.
APREA J L., (2009) Hydrogen Energy
Demonstration Plant n Patagonia: Description
14.
15.
Achmad Suntoro
and Safety Issues., International Journal of
Hydrogen Energy 34, 4684-4691.
NOWAKOWSKI
J.,
(2011),
Naphta
Hydrotreater E-6600E Failure., Anacortes NHT
Investigation Report – July 21.
STAHL R., Innovative Explosion Protection.,
Available
from:
http://www.rstahl.com/fileadmin/Dateien/tgus/
Documents/ExProtection_Global-AmericaBasics.pdf ., Diakses Desember 2012.
SCHROEDER V dan HOLTAPPELS K, (2005)
Explosion Characteristics of Hydrogen-Air and
Hydrogen-Oxygen Mixtures at Elevated
Pressures., International Conference on
Hydrogen Safety, HySafe ICHG , Pisa, Italy.
WAKABAYASHI K et.al., (2005) A Field
Explosion Test Of Hydrogen-Air Mixtures.,
International Conference on Hydrogen Safety,
HySafe ICHG , Pisa, Italy.
ANONIM , (2006), ES & H Manual, Volume II,
Part 18, Document 18.4 Hydrogen, Revision 3 ,
January 12.
LUPER D., (2010), Create Effective Process
Safety Moments., American Institute of
Chemical Engineer .
LOPEZ G E, et.al., (2007), Optimization of
Solar Hydrogen Storage System: Safety
Consideration., International Conference on
Hydrogen Safety, HySafe ICHG , Pisa, Italy.
SONNEMANS JM dan KORVERS PMW.,
(2006), Accident in the chemical industry: are
they foreseable?., Journal of Loss Prevention in
the Process Industries, Vol. 19.
SORENSEN J N., (2002), Safety culture: a
survey of the state-of-the-art., Reliability
Engineering and System Safety., Vol. 76,
Elsevier, London.
GOH S, CHANG B, JEONG I, KWON HT, dan
MOON I., (1998), Safety Improvement by
Multimedia Operator Education System.,
Computers Chemistry Engineering , Vol. 22.,
Elsevier, London.
DUIJM NJ, MAKERT F., (2009), Safety-barrier
diagram as a tool for modelling safety of
hydrogen applications., International Journal
od Hydrogen Enegy, Vol. 34., Elsevier, London.
NASA, (1997), Safety Standard For Hydrogen
and Hydrogen System., Office of Safety and
Mission Assurance, Washington DC.
ABB Stotz-Kontakt., (2003), Safety Handbook.,
Doc. No.: 1SAC 103 201 H 0201., Berlin.
LANGENATI R, NGATIJO, WINDARYATI
L, MUSTIKA D dan MAHPUDIN., (2008),
Studi Awal Oksidasi Gagalan Pelet Sinter UO2.
Seminar Hasil-hasil Penelitian EBN 2007 .
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
Achmad Suntoro
ISSN 0216 - 3128
16. DAMMUNIR, (2007), Aspek Kinetika Reaksi
Kernel U3O8 dengan Gas H2 Terhadap
Karakteristik Energi Aktivasi, Konstanta Laju
Reaksi dan Rasio O/U Kernel UO2. Jurnal
Teknologi Bahan Nuklir, Vol. 3, No. 2, Juni.
17. SUNTORO A, LATIEF A, RACHMAWATI
M, (1996), Analisis Kerusakan Tungku Sinter
Pelet UO2 PEBN-BATAN., Urania ., No. 6 /
Thn II., April.
18. SUNTORO A, LATIEF A, RACHMAWATI
M, (1997), Disain Modifikasi Sistem Kendali
Suhu Tungku Sinter Pelet UO2 Degussa.,
Prosiding Seminar Penelitian Dasar Ilmu
Pengetahuan
dan
Teknologi
Nuklir .,
Yogyakarta.
19. SUNTORO A., (1998), Solusi Alternatif
Kegagalan Sistem Pengaman Tekanan Tinggi
Tungku Sinter DegussaTM PEBN-BATAN.,
Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar
Nuklir IV., Jakarta., Desember.
20. SUNTORO A., (2005), Pengganti Hysteresis
pada Kendali Tungku menggunakan Tabel
Kebenaran., Publikasi Ilmiah PPI-KIM 2005.,
Juni.
21. SUNTORO A., (2005), Refurbishing Sistem
Kendali Suhu Tungku Sinter Pelet UO2.,
Prosiding PPI-PDIPTN 2005 ., Yogyakarta,
Juli.
22. SUNTORO A., (2007), Teknik Sampling Data
pada Sistem Kendali Suhu Tungku Sinter Pelet
UO2 ME-06., Prosiding Seminar Nasional Sains
dan Teknologi Nuklir PTNBR – BATAN.,
Bandung, Juli.
23. SUNTORO A., (2008), Sistem Switching
Pompa Vakum Tambahan pada Tungku
Reduksi ME-11., PRIMA, Vol. 4, No. 9, Juni.
24. SUNTORO A., (2011),
Dokumen Teknis
Modifikasi Kendali Logik Proses Reduksi.,
PRPN, Revisi 3.
25. SUNTORO A., (2012), Fault Tree Analysis
(FTA) Potensi Ledakan Gas Hidrogen Pada
Sistem Tungku Reduksi ME-11 Proses
Pembuatan Bahan Bakar Nuklir PLTN., Urania ,
Vol. 18, No. 2, Juni 2012..
141
26. SARTONO A, ZAHEDI, TRIARJO., (2009),
Uji Fungsi Tungku Oksidasi ME-11., Prosiding
Seminar Pengelolaan Perangkat Nuklir Tahun
2008., PTBN, Serpong 29 Juli.
27. SUTARYA D., (2009), Analisa Kinerja Tungku
Oksidasi-Reduksi Muffle Furnace (ME-11).,
Prosiding Seminar Pengelolaan Perangkat
Nuklir Tahun 2009 ., PTBN, Serpong 19
Agustus.
28. MISHRA DP, RAHMAN A., (2003), An
Experimental Study of Flamibility Limits of
LPG/air mixture., FUEL., Vol. 82., Issue 7.,
Elsevier., London., May.
29. SUNTORO A, (2007), Pemantik LPG Otomatis
untuk Pembakar Gas Hidrogen pada Proses
Reduksi Tungku ME-11., Prosiding PPI –
PDIPTB 2007, Pustek Akselerator dan Proses
Bahan –BATAN, Yogyakarta, Juli.
30. ANONIM, (2003), Electric Furnace., The
Development Commisioner Ministry of SSI,
New Delhi.
TANYA JAWAB
Anonim
- Kenapa H2O harus di trap??
A.Suntoro
- Karena gas buang hasil reduksi adalah H2
dan uap H2O, dan gas buang ini akan
dibakar, dikhawatirkan upa H2O tersebut
terurai menjadi H2 dan O2, sehingga
terbentuk komposisi presentase H2 dan O
yang mungkin bias meledak ketika dibakar.
Oleh karena itu uap H2O harus ditrap
dengan proses kondensasi.
Dewita
- Didalam reaksi tidak ada N2, mengapa dalam
diagram alir menjadi ada N2?
- Tekanan dimana yang naik, mengapa kalau
tekanan naik H2-nya harus ditutup?
A.Suntoro
- Gas N2 hanya digunakan untuk proses
flushing (pembersihan) setelah tungku
divakum
- Tekanan yang naik adalah tekanan diruang
tungku, oleh karena itu valve saluran masuk
ke ruang tungku (in-let) ditutup.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
132
Achmad Suntoro
KONSEP PENINGKATAN KINERJA OPERASI TUNGKU ME11 UNTUK PROSES REDUKSI GAGALAN PELET UO2
MENJADI SERBUK UO2
Achmad Suntoro
Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir – BATAN
Komplek Puspiptek, Gedung 71, Lantai 2, Serpong
suntoro@batan.go.id
ABSTRAK
KONSEP PENINGKATAN KINERJA OPERASI TUNGKU ME-11 UNTUK PROSES REDUKSI PADA
PROSES FABRIKASI BAHAN BAKAR NUKLIR PLTN. Tungku ME-11 di Instalasi Elemen Bakar
Eksperimental (IEBE) PTBN-BATAN didisain sebagai perangkat untuk daur ulang bahan bakar nuklir
gagalan, yaitu untuk mengubah pelet UO 2 gagalan menjadi serbuk UO 2 (melalui proses kalsinasi dan
reduksi) sehingga dapat diproses kembali hingga memenuhi persyaratan. Infra struktur tungku ME-11 oleh
pabrikan dibuat bersifat umum sehingga bisa digunakan untuk proses kalsinasi dan reduksi, akan tetapi
dalam kontrak pengadaan tungku tersebut di IEBE, tungku ME-11 hanya disiapkan untuk proses kalsinasi
saja, dan tidak termasuk untuk proses reduksi. Proses kalsinasi adalah pemanasan menggunakan atmosfir
udara dan proses reduksi pemanasan menggunakan atmosfir gas hidrogen. Dalam makalah ini, akan
dijelaskan proses kegiatan untuk meningkatkan kemampuan tungku ME-11 tersebut agar dapat digunakan
untuk proses reduksi dengan titik berat penjelasan pada pondasi teknik pendekatan disainnya. Berpijak pada
pengalaman kerja mengoperasikan, merawat, dan melakukan refurbishing perangkat tungku yang
menggunakan gas hidrogen, serta mengacu pada petunjuk operasional untuk disain perangkat yang
menggunakan gas hidrogen, kegiatan menigkatkan kinerja ini dilakukan. Pola standard evaluasi resiko
perangkat EN-1050 dari European Comitee for Standardization (CEN) digunakan untuk mengevaluasi sistem
tungku untuk digunakan proses reduksi. Instrumentasi dan kendali perangkat yang menggunakan gas
hidrogen, tidak hanya bertanggung jawab pada proses yang berlangsung, tetapi juga pada keselamatan.
Oleh karena itu, sistem safety-barrier tambahan beserta alat bantunya menjadi sentral obyek kegiatan ini.
Konsep yang dijelaskan dalam makalah ini telah diimplementasikan di sistem tungku ME-11 dan telah diuji
oleh tim jaminan kwalitas PTBN. Hasil pengujian tersebut menyatakan bahwa operasional tungku ME-11
untuk proses reduksi dapat diterima untuk beroperasi.
Kata Kunci : tungku proses reduksi, pencegahan kecelakaan hidrogen, keselamatan operasi, safety barrier.
ABSTRACT
A CONCEPT OF OPERATIONAL PERFORMANCE ENHANCEMENT OF THE ME-11 FURNACE
FOR REDUCTION PROCESS AT THE NUCLEAR FUEL FABRICATION PROCESS FOR NPP. The
ME-11 furnace in the Experimental Fuel Element Installation (EFEI) of PTBN-BATAN was designed as an
equipment for recycling process of any unacceptable nuclear fuel product. The unacceptable fuel, in the form
of UO2 pellet, has to be changed into UO 2 powder (through the calcination and reduction processes) so that
it can be reprocessed to meet the requirements. The infrastructure of the ME-11 furnace made by the
manufacturer is in a general nature that can be used for calcination and reduction processes, however in the
procurement contract of the furnace for the EFEI, the ME-11 furnace is submitted for calcination process
only, and not for both calcination and reduction process. The calcination is a heating process using air
environment while the reduction process using hydrogen gas environment. In this paper, the process of
activities to enhance the furnace ME-11 so that it can be used for reduction process will be described with
emphasized explanation on its fundamental design approach. Based on work experiences in operating,
maintaining, and refurbishing of furnace using hydrogen gas, as well as referring to the practical instructions
for design of any equipment that uses hydrogen gas, the enhancement is to be done. Standard pattern of risk
evaluation for machinery EN-1050 of the European Comitee for Standardization (CEN) is used to evaluate
the furnace system for the reduction process. Intrumentation and control for a system using hydrogen gas, is
not only responsible for the on-going process, but also on its safety. Therefore, additional of the safetybarrier system including its accesories becomes the central object of this activity. The concept explained in
this paper has been implemented and tested by the quality assurance team of PTBN. The test result says that
the ME-11 furnace for the reduction process is acceptable to operate.
Keywords : reduction process furnace, hydrogen gas accident prevention, operational safety, safety barrier.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
Achmad Suntoro
133
1. PENDAHULUAN
PLTN
Serbuk UO2
pelet baik
Peletisasi serbuk
UO2
Elemen Bakar Nuklir
Gagalan pelet
UO2
Tungku ME-11
(Kalsinasi dan Reduksi)
pelet gagal
Gambar 1. Siklus operasi pembuatan bahan bakar nuklir PLTN.
Tungku kalsinasi dan reduksi ME-11 di
Instalasi Elemen Bakar Eksperimen (IEBE) PTBNBATAN pada bagan Gambar 1 digunakan untuk
proses daur ulang, yaitu merubah produk gagalan
dari proses fabrikasi bahan bakar nuklir berupa pelet
UO2 menjadi serbuk UO2 sehingga produk gagalan
tersebut dapat diproses kembali menjadi bahan bakar
yang memenuhi persyaratan.
Namun demikian sesuai dengan kontrak
pengadaan tungku ME-11 tersebut bersama dengan
perangkat lainnya di IEBE, tungku ME-11 hanya
disiapkan untuk proses kalsinasi saja, dan tidak
termasuk untuk proses reduksi meskipun infra
struktur tungku ME-11 tersebut bisa dibuat untuk
proses reduksi. Proses kalsinasi menggunakan
atmosfir udara dan proses reduksi menggunakan
atmosfir gas hidrogen. Dalam makalah ini, akan
dijelaskan konsep bagaimana tungku ME-11 yang
semula hanya bisa digunakan untuk proses kalsinasi,
ditingkatkan kinerjanya hingga mampu dan layak
untuk digunakan dalam proses reduksi.
Dalam proses yang melibatkan penggunaan
gas hidrogen, prediksi terjadinya kecelakaan perlu
dikembangkan sehingga antisipasi yang tepat dapat
disiapkan, karena gas hidrogen dapat meledak untuk
suatu kondisi tertentu. Tungku reduksi ME-11 akan
bekerja menggunakan gas hidrogen sehingga
mempunyai potensi terjadi kecelakaan akibat ledakan
gas hidrogen. Oleh karena itu sistem keselamatan
tungku dari kecelakaan gas hidrogen akan menjadi
sentral perhatian dalam mengaktifkan proses reduksi
tersebut.
2. TEORI
2.1 POTENSI KECELAKAAN HIDROGEN
Secara umum, penyebab kecelakaan dalam
sebuah pabrik yang menggunakan hidrogern
digolongkan menjadi lima kelompok seperti
ditunjukkan pada Gambar 2. Kelima kelompok
tersebut bisa dicegah terjadinya dengan mencegah
terjadinya (a). kebocoran, (b). terbentuknya
komposisi berpotensi terbakar/meledak, dan (c).
timbulnya pemicu kebakaran / ledakan[1].
Kecelakaan hidrogen
1. Combustion
2. Tekanan
3. H2 Embritlement
4. Exposure
5. Suhu rendah
Gambar 2. Identifikasi gangguan keselamatan
penggunaan gas hidrogen[1].
Dari lima kelompok penyebab tersebut, hanya
penyebab pertama
yaitu
combustion
yang
kemungkinannya tinggi bisa terjadi pada sistem
tungku reduksi ME-11, karena operasi tungku ME-11
tidak menggunakan hidrogen suhu rendah maupun
tekanan tinggi. Hydrogen embritlement karena high
temperature hydrogen attack (HTHA) tidak mungkin
terjadi karena tekanan dan suhu kerja tungku ME-11
berada dibawah kurva Nelson[2].
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
134
yang tiba-tiba, dan (5) permukaan yang panas. Dari
lima pemicu ledakan tersebut, hanya nomor (2) dan
(5) yang mungkin terjadi pada sistem tungku ME-11,
karena proses reduksi di ME-11 tidak menggunakan
hidrogen bertekanan tinggi. Selain kelima pemicu
tersebut, sebuah ledakan bisa juga menjadi pemicu
untuk ledakan lainnya[5]. Energy pemicu sebesar 20
J akan mampu membakar atau meledakkan gas
hidrogen jika komposisinya memungkinkan[6].
Fuel
2.2 KESELAMATAN OPERASI PERANGKAT
Combustion
Ignition
Oxygen
Gambar 3. Prinsip dapat terjadinya combustion:
kebakaran / ledakan[3].
Combustion
atau
pembakaran
bisa
menyebabkan kebakaran atau ledakan, dan dapat
terjadi jika tiga unsur seperti pada Gambar 3
terpenuhi keberadaannya, yaitu fuel dan oksigen
harus ada pada komposisi tertentu ketika bertemu
dengan pemicu (ignition). Untuk combustion pada
gas hidrogen, oksigen dapat berasal dari udara,
sehingga campuran gas hidrogen dengan udara
menjadi unsur penentu.
Gambar 4 adalah karakteristik gas hidrogen
dengan udara (prosentase volume) untuk combustion.
Angka prosentase tersebut dipengaruhi oleh suhu dan
tekanan gas saat itu. Jika suhu gas naik, maka daerah
aman (safe area ) menjadi menyempit, serta jika
tekanan gas naik maka daerah aman menjadi sedikit
melebar[4]. Tekanan dari ledakan akan membesar
dengan bertambahnya volume campuran gas
hidrogen tersebut[5].
0
100%
Achmad Suntoro
udara
Dalam dunia industri, keselamatan di
kelompokkan menjadi tiga bagian, yaitu keselamatan
personil ketika sedang bekerja, keselamatan personil
ketika sedang tidak bekerja, dan keselamatan
proses[7]. Keselamatan operasi perangkat yang
dimaksud dalam tulisan ini adalah gabungan dari
keselamatan personil yang sedang bertugas dan
keselamatan prosesnya.
Evaluasi keselamatan proses sebuah pabrik
dapat dilakukan melalui analisis keselamatan yang
meliputi diantaranya pembelajaran (study) struktur
dan fungsi proses secara sistimastis serta identifikasi
titik-titik yang berpotensi menjadi penyebab
kecelakaan[8]. Gambar 5 adalah Swiss Cheese model
kemungkinan terjadinya kecelakaan (accident) pada
sebuah pabrik[9].
Kecelakaan bisa terjadi bukan saja karena
perangkat keras dari pabrik yang gagal bekerja sesuai
dengan prosesnya, tetapi juga bisa disebabkan oleh
faktor A, B, C, dan D pada Gambar 5. International
Nuclear
Safety
Advisory
Group
(INSAG)
memperkenalkan istilah safety culture dalam rangka
peningkatan keselamatan, yaitu melalui peningkatan
kinerja manajemen dan organisasi pelaksanaan
operasi perangkat[10], yaitu peningkatan kinerja A, B,
C, dan D pada Gambar 5.
Safe area
75%
25%
A
Burning area
C
41%
59%
B
D
Explosive area
82%
18%
Burning area
96%
4%
Safe area
hidrogen
0
100%
Gambar 4. Karakteristik campuran (volume) gas
hidrogen dan udara pada tekanan 1
atmosfir dan suhu kamar[6].
Ada lima pemicu combustion gas hidrogen,
yaitu[1]: (1) Efek inverse dari Joule-Thomson, (2) api
atau letikan api, (3) difusi gas, (4) kompresi adiabatik
Gambar
5. Swiss Cheese model: Jalur
kemungkinan terjadinya kecelakaan
dalam sebuah pabrik[9].
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
Achmad Suntoro
Safety-barrier , adalah bagian pertahanan
terkhir dari pabrik dalam usahanya untuk mencegah
terjadinya kecelakaan. Disain safety-barrier dapat
berupa fisik atau non-fisik (instrumentasi dan
kendali) untuk mencegah, mengendalikan, atau
mengurangi kejadian-kejadian yang tidak diinginkan
seperti kecelakaan[11].
Konsep kerja safety barrier [12] dijelaskan
menggunakan Gambar 6. Safety-barrier bekerja jika
terjadi kelainan pada pabrik (yang diketahui dari
proses deteksi) untuk kemudian operator harus
bertindak sehingga sistem pabrik secara menyeluruh
berada pada posisi aman. Kelainan yang terjadi
tersebut bisa berasal dari lubang-lubang kelemahan
pada A, B, C, dan D pada Gambar 5, dan atau dari
kerusakan komponen perangkat keras pada pabrik.
135
European Comitee for Standardization (CEN)
mengeluarkan standard EN-1050 untuk proses
evaluasi resiko suatu perangkat (machinery) yang
digambarkan prosedur pelaksanaannya menggunakan
flowchart pada Gambar 7.
Keselamatan adalah terminologi yang bersifat
relatip, karena hampir tidak mungkin membuat
perangkat dengan resiko kegagalan nol[14]. Usaha
peningkatan keselamatan perangkat dicapai dengan
toleransi resiko yang dapat diterima pada saat
tersebut (posisi END dalam Gambar 7). karena
sangat mungkin (dilain waktu) ditemukan teknologi
baru yang dapat menghasilkan suatu cara dengan
toleransi resiko yang lebih kecil.
START
Kenop
Alarm
Sinyal
Katup
Identify the hazard
Deteksi
Diagnosa
Tindakan
Risk estimation
Gambar 6. Konsep safety barrier dalam mencegah
kecelakaan[12].
Untuk kondisi tertentu, operator pada Gambar 6
sering digantikan oleh perangkat elektronik seperti
mikrokontroler atau PLC (Programmable Logic
Controller ) karena memerlukan diagnosa dan atau
tindakan cepat. Dalam hal tertentu, kecepatan
bertindak operator pada konsep safety-barrier sangat
diperlukan untuk mencegah terjadinya kecelakaan
sehingga redundancy dengan sistem instrumentasi
dan kendali diperlukan.
Dalam
usaha
peningkatan
keselamatan
perangkat yang melibatkan penggunaan hidrogen,
NASA memberikan petunjuk keharusan penggunaan
hal-hal sebagai berikut dalam disain perangkatnya[13]:
Safety Systems. Pendeteksian kegagalan yang
berakibat kecelakaan, dan melakukan tindakan
(control) pencegahannya.
Warning Systems. Pendeteksian kegagalan, dan
tindakan memberi isyarat (warning) jika kondisi
tidak normal terjadi.
Fail-Safe Design. Jika terjadi kegagalan, sistem
harus dihentikan dan diarahkan kepada kondisi
(state) ter-aman bagi operator dengan minimum
kerusakan.
Redundant Safety. Sistem redundancy harus
diterapkan.
Melalui perangkat keras (hardware), usaha
peningkatan keselamatan juga telah banyak
dilakukan. Salah satu bentuk usaha tersebut adalah
Risk evaluation
Is the
machine
safe
NO
RISK ASSESMENT
Indikator Sinyal
RISK ANALYSIS
Determine the machine limits
YES
END
Risk evaluation
Gambar 7.
Flowchart evaluasi resiko pada
perangkat, EN-1050 standard[14].
Hasil evaluasi dari resiko analisis yang dinilai
berada diluar toleransi yang dapat diterima (posisi
Reduce risk dalam Gambar 7) harus ditindak lanjuti
dengan cara perbaikan, tambahan, atau modifikasi
sehingga batas toleransi resiko dapat diterima
(keselamatan meningkat). Dari evaluasi tersebut,
beberapa bagian tertentu dari status tungku ME-11
ditemukan berada pada posisi ini, sehingga
memerlukan tambahan dan modifikasi pada bagian
safety-barrier nya.
3. TATA KERJA
Kegiatan penelitian ini berkaitan dengan
perekayasaan perangkat yaitu mengaktifkan proses
reduksi yang menggunakan gas hidrogen. Oleh
karena itu, kegiatan yang dilakukan adalah hal-hal
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
136
yang berkaitan dengan keselamatan untuk perangkat
yang menggunakan gas hidrogen. Penelitian
mengarah kepada sumber penyebab terjadinya
kecelakaan, dalam hal ini adalah kecelakaan ledakan
gas hidrogen pada tungku reduksi, untuk dicegah
terjadinya. Untuk itu, struktur perangkat & sistem
operasi proses yang ada pada tungku ME-11
dianalisis dan dievaluasi menggunakan standard
keselamatan disain perangkat yang menggunakan gas
hidrogen[6,7, 11,12]. Langkah operasioal, flowchart pada
Gambar 7 dari European Normalisation Standard,
EN-1050, digunakan.
Secara singkat, langkah-langkah dari konsep
tersebut di atas adalah sebagai berikut:
Melakukan penelitian / studi untuk pemahaman
terhadap:
Proses reduksi U3O8 menjadi UO2.
Karakteristik gas hidrogen pada potensinya
terhadap ledakan gas.
Evaluasi tungku ME-11untuk proses reduksi.
Melakukan pengembangan:
Membuat disain konsep untuk menanggulangi
kekurangan dalam rangka peningkatan kinerja
sistem tungku (agar bisa untuk proses
reduksi).
Membuat analisis menggunakan Fault Tree
Analysis (FTA) terhadap sistem tungku ME11 setelah ditambah dengan disain konsep
untuk peningkatan kinerja.
Membuat disain detail, tindakan konstruksi /
instalasi, dan pengujian.
3.1 PROSES REDUKSI U3O8 MENJADI UO2
Gagalan pelet UO2 dari proses peletisasi
(bentuk fisik pelet) harus dirubah bentuk fisiknya
menjadi serbuk UO2 melalui proses kalsinasi dan
reduksi agar dapat diproses kembali menjadi pelet
UO2 yang memenuhi persyaratan. Kedua proses ini
dilakukan menggunakan tungku ME-11. Proses
kalsinasi dilakukan dengan pemanasan pelet UO2
memakai atmosfir udara, dan terjadi reaksi kimia
sebagai berikut (U3O8 berupa serbuk):
3 UO2 + O 2 U3O8
(1)
Proses kalsinasi tersebut dilakukan di ruang tungku
dengan suhu 400oC – 500oC dan waktu pemanasan 1
sampai 3 jam[15].
Serbuk U3O8 dari hasil rekasi (1) kemudian
diproses reduksi di ruang tungku dengan suhu 750 oC
dan waktu pemanasan 3 jam[16] menggunakan gas
hidrogen. Terjadi reaksi sebagai berikut:
U3O8 + 2 H2 3 UO 2 + 2 H 2O
(2)
Achmad Suntoro
Gas H2 diberikan berlebihan sehingga lebihan sisa
reaksi dikeluarkan dari tungku dan dibakar di ruang
pembakaran, sedangkan uap air (H2O) yang terbentuk
dari reaksi (2) dipisahkan dari gas H2 sisa reaksi
dengan proses pengembunan untuk kemudian di
keluarkan dari tungku. Gas H2 sisa reaksi dikeluarkan
dari tungku dan dibakar di ruang bakar gas buang
agar gas tersebut tidak berakumulasi sehingga
membentuk campuran dengan udara pada komposisi
yang berpotensi meledak.
3.2 EVALUASI RESIKO TUNGKU ME-11
Tungku ME-11 adalah muffle furnace dengan
filamen pemanas di luar ruang tungku (indirect
heating ). Oleh karena itu untuk operasi reduksi,
kemungkinan pemicu ledakan di ruang tungku hanya
berasal dari permukaan panas dinding ruang tungku.
Api atau percikan api sebagai pemicu ledakan hanya
bisa terjadi di ruang pembakaran gas buang, yaitu
ketika operator menyalakan api (percikan) atau jika
api telah nyala.
Operasi reduksi menggunakan gas hidrogen
bertekanan rendah (lebih tinggi sedikit dari tekanan
udara luar), oleh karena itu kemungkinan kebocoran
pada sistem pemipaan adalah rendah, dan sistem
deteksinya diserahkan pada sistem deteksi kebocoran
gas hidrogen gedung, dan tidak menjadi obyek dalam
penelitian ini. Oleh karena itu, dua potensi ledakan di
sistem tungku ME-11 yang menjadi obyek dalam
penelitian ini adalah di ruang tungku dan ruang bakar
gas buang.
Tungku ME-11 disain pabrikan dapat untuk
proses kalsinasi dan reduksi, tetapi untuk paket
kontrak instalasi di IEBE-PTBN tidak mencakup
untuk proses reduksi. Sistem instalasi pemipaan gas
dan lainnya untuk proses reduksi, mayoritas
terintegrasi dengan proses kalsinasi. Oleh karena itu
operasional proses reduksi dapat dijalankan dengan
sistem tungku ME-11 yang ada, tetapi masalah
keselamatan operasi-nya perlu dievaluasi untuk
ditindak lanjuti.
Evaluasi menggunakan standard EN-1050
dengan batasan operasi perangkat proses reduksi,
jenis kecelakan yang mungkin terjadi ledakan gas
hidrogen, dan estimasi resiko berasal dari pemberian
gangguan operasi (Gambar 7). Dari pengalaman kerja
mengoperasikan,
merawat
dan
melakukan
refurbishing tungku listrik yang menggunakan gas
hidrogen dalam operasinya[17-22], ada 13 jenis
gangguan yang mempunyai kemungkinan sering
terjadi dalam operasi dan akan digunakan. Hasil
penelitian untuk evaluasi tersebut ditunjukkan pada
Tabel 1.
Dari Tabel 1 tersebut diketahui bahwa 6 jenis
gangguan tidak diantisipasi oleh sistem tungku ME11, dan sisanya di response dengan warning nyala
lampu dan alaram tanpa usaha dari sistem kendali
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
Achmad Suntoro
ISSN 0216 - 3128
untuk mengatasi ganguan yang terjadi. Tindakan
137
akibat gangguan diserahkan kepada operator tungku.
Tabel 1. Gangguan operasi pada proses reduksi untuk estimasi resiko pada existing tungku ME-11
No
Jenis
Gangguan
1.
Tekanan gas
dalam
tungku
tinggi
2.
Temperatur
air
pendingin
tinggi
3.
Tekanan gas
N2 rendah
4.
Prediksi Akibat Gangguan
Tindakan
Tungku
Tindakan Disain
(safety-barrier
tambahan)
Aliran gas buang (hidrogen) akan naik. Hal ini
menyebabkan potensi untuk komposisi campuran
gas hidrogen dengan udara di ruang bakar naik
dan bisa menuju ke komposisi meledak. Pemicu
di ruang bakar telah siap (ada).
Seal yang digunakan pada tutup ruang bakar
menjadi panas dan bisa bocor. Hal ini
menyebabkan gas hidrogen di ruang tungku bocor
keluar ruangan dan berpotensi membentuk
komposisi meledak jika ada pemicu.
Warning
Warning
Temperatur
tungku
terlalu tinggi
Untuk menghentikan operasi reduksi atau jika terjadi
kondisi emergency, maka gas hidrogen dalam ruang
tungku sulit dikeluarkan. Keberadaan gas hidrogen
dalam ruang tungku sulit dikendalikan.
Melanggar batas parameter proses yang diharuskan
sehingga hasil proses bisa tidk sesuai dengan yang
diharapkan.
Warning & tindakan
menutup katup inlet ke
ruang tungku dan
membuka kembali
setelah tekanan normal.
Warning & tindakan
emergency shut-down
jika batas tenggang
waktu yang ditentukan
dilewati
Tetap
Warning
Tetap
5.
Tekanan gas
H2 rendah
Proses reduksi bisa gagal karena gas hidrogen
yang masuk ke ruang tungku kurang.
Warning
Tetap
6.
Tekanan gas
LPG rendah
Warning
Tetap
7.
Listrik
padam
Api pembakar gas buang tidak optimal, ada
kemungkinan tidak semua gas buang (hidrogen)
terbakar. Gas hidrogen yang tidak terbakar berpotensi
membentuk komposisi meledak.
Gas hidrogen di ruang tungku didorong keluar oleh gas
nitrogen ke ruang bakar, tetapi tidak dibakar karena api
pembakar padam jika listrik padam. Komposisi
campuran gas hidrogen dengan udara di ruang bakar
dapat menuju ke potensi terbakar / meledak.
8.
Api
pembakar
gas buang
padam
Warning
9.
Kebocoran
gas H2 di
lingkungan
10
.
Tekanan gas
udara tekan
(instrumen)
rendah
Gas hidrogen di ruang bakar tidak dibakar.
Komposisi campuran gas hidrogen dengan udara
di ruang bakar dapat menuju ke potensi terbakar /
meledak. Berpotensi terjadi ledakan jika ada
pemicu.
Diserahkan pada sistem deteksi gedung untuk
operator bertindak akibat kebocoran. Jika tidak
ada tindakan maka komposisi campuran gas
hidrogen dengan udara di ruangan dapat menuju
ke potensi terbakar / meledak. Terjadi kecelakaan
jika ada pemicu.
Katup untuk memasukan gas hidrogen ke tungku
tidak bisa membuka, yang berakibat proses
reduksi bisa gagal.
11
.
Tekanan gas
dalam
tungku
rendah
Udara dari luar bisa masuk ke ruang tungku dan
membentuk komposisi campuran terbakar /
meledak didalam tungku. Pemicu di ruang bakar
telah siap (ada).
Tidak
ada
12
.
Aliran gas
buang tinggi
Hal ini menyebabkan potensi untuk komposisi
campuran gas hidrogen dengan udara di ruang
bakar naik dan bisa menuju ke komposisi
meledak. Pemicu di ruang bakar telah siap (ada).
Tidak
ada
Warning
Tidak
ada
Warning & tindakan
mengosongkan gas H2
di dalam tungku dan
membakarnya di ruang
pembakaran.
Warning & tindakan
menyalakan kembali
api secara otomatis
Tidak
ada
Warning & tindakan
emergency shut-down
jika batas tenggang
waktu yang ditentukan
dilewati
Tidak
ada
Warning & tindakan
emergency shut-down jika
batas tenggang waktu
yang ditentukan dilewati
Warning & tindakan
menutup katup outlet dari
ruang tungku dan
membuka kembali setelah
tekanan normal
Warning & tindakan
menutup katup inlet ke
ruang tungku dan
membuka kembali setelah
aliran normal
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
138
Achmad Suntoro
No
Jenis
Gangguan
Prediksi Akibat Gangguan
Tindakan
Tungku
13
.
Aliran gas
buang rendah
Proses reduksi bisa gagal karena gas hidrogen
yang masuk ke ruang tungku kurang.
Tidak
ada
Selain gangguan operasi pada Tabel 1, tungku
ME-11
tidak
mempunyai
sistem
vacuum.
Safetygram#4 -untuk-gas-hidrogen
mengharuskan
proses vacuum untuk instalasi yang akan dilalui
hidrogen, jika instalasi tersebut tidak sederhana[6].
Instalasi pada ME-11 tidak sederhana karena ada
tempat didalam tungku yang memungkinkan untuk
udara terjebak. Dudukan dua plat siku memanjang
terlungkup dan berongga direkatkan oleh las titik
berpotensi menyimpan udara dan sulit keluar hanya
dengan flushing gas nitrogen[23]. Prosentase volume
hidrogen dan udara didalam rongga tersebut dapat
berpotensi pada posisi terbakar / meledak sedangkan
pemicu permukaan panas telah tersedia dari dinding
tungku. Jika hal ini terjadi maka ledakan di rongga
akan terjadi dan dapat menjadi pemicu ledakan yang
lebih besar[5]. Oleh karena itu, sistem vacuum perlu
ditambahkan.
Gas hidrogen diperbolehkan masuk ke ruang
tungku setelah suhu di ruang tungku mencapai diatas
suhu tertentu (dapat diatur nilainya - programmable).
Jika syarat ini telah terpenuhi, sistem tungku akan
memberi isyarat (lampu) dan operator secara manual
memasukkan gas hidrogen ke ruang tungku dengan
menekan sebuah tombol. Untuk meningkatkan
kewaspadaan operator dalam operasi, dibuatkan juga
opsi otomatis sehingga konsentrasi operator pada
pengawasan operasi secara menyeluruh menjadi lebih
baik.
3.3 KONSEP MODIFIKASI & TAMBAHAN
Safety-barrier modifikasi
& tambahan
Operator
Kendali
Proses
UPS
Hidrogen
Otomatis
Sistem
Vacuum
Deteksi
Kegagalan
Sistem
Tungku
Switching
panel
ME-11 disain awal
Gambar 8. Pengendalian sistem tungku ME-11,
disain modifikasi & tambahan.
Tindakan Disain
(safety-barrier
tambahan)
Warning
keselamatan tungku ME-11 untuk proses reduksi
perlu tambahan pada safety-barrier nya, dan
modifikasi minor untuk sistem operasi proses nya.
Deskripsi tambahan sistem keselamatan tersebut ada
di [24], dan diagram blok perubahan sistem
pengendalian tungku ME-11 ditunjukkan pada
Tabel 2. Pengelompokan Jenis gangguan.
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Jenis Gangguan
Listrik padam*.
Api pembakar gas LPG padam.
Kelompok
Gagal#1
Gagal#2
Kebocoran gas hidrogen di
lingkungan.
Tekanan gas dalam tungku tinggi.
Aliran gas buang tinggi.
Tekanan gas udara-tekan saat H2
ber-operasi rendah**.
Suhu air pendingin naik.
Tekanan gas nitrogen rendah.
Temperatur tungku tinggi
Aliran gas buang rendah
Tekanan gas hidrogen rendah
Tekanan gas LPG rendah
Tekanan gas dalam tungku ketika
H2 mengalir rendah.
Gagal#3
Gagal#4
* Menjadi Gagal #2 jika saat itu gas N2 yang beroperasi.
** Menjadi Gagal #4 jika saat itu gas N2 yang beroperasi.
Konsep modifikasi & tambahan safety-barrier
dikelompokan menjadi 4 jenis kegagalan (Gagal #1
s/d #4) seperti pada Tabel 2. Sinyal gagal akan
muncul karena dipicu oleh gangguan, dan gangguan
tersebut beberapa harus diatasi oleh operator maupun
safety-barrier bersama dengan tidak ada saling
ketergantungan. Jika operator maupun safety-barrier
tidak mampu mengatasi gangguan tersebut dalam
tenggang waktu yang ditentukan, maka safety-barrier
akan menghentikan operasi tungku secara emergency
shut-down (menggunakan timer ).
Tenggang waktu delay #1 s/d #4 pada Gambar
9 digunakan untuk mengatasi gangguan. Jika
gangguan dapat diatasi maka proses reduksi
dilanjutkan (N), dan jika tidak dapat diatasi maka
proses reduksi dihentikan. Nilai delay ditentukan
berdasarkan pengalaman kerja operasi tungku dan
dapat diubah (programmable).
Dari hasil evaluasi, dan mengacu pada petunjuk
operasional penggunaan hidrogen[6,7,11-13], sistem
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
Achmad Suntoro
139
tinggi untuk menjadi penyebab kecelakaan di tungku
ME-11.
Input Gangguan (tiga belas jenis: dari Tabel 2)
PE
Gagal#2
Gagal#1
delay#1
5 menit
N
delay#2
15 detik
Gagal#3
N
delay#3
30 detik
Gagal#4
N
delay#4
operator
N
Normal shutdown
Oleh operator
Emergency shutdown
Oleh safety-barrier
N : Kembali ke proses
Operator: atur ke kondisi awal
(gangguan bisa diatasi)
Selesai
Gambar 9. Diagram alir / algoritma safety-barrier
modifikasi & tambahan.
Konsep
disain
ini
telah
dianalisis
kemungkinannya terjadi kecelakaan gas hidrogen
menggunakan Fault Tree Analisis
(FTA).
Disimpulkan bahwa ada dua lokasi kemugkinan
terjadinya ledakan gas hidrogen, yaitu di ruang
pembakaran gas buang dan di ruang tungku.
Kecelakaan gas hidrogen akibat padamnya api
pembakar gas buang sisa dan padamnya aliran listrik
dari PLN dapat dihindari dengan safety-barrier
tambahan ini. Detail proses FTA dapat dilihat di [25].
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Tungku reduksi ME-11 telah siap digunakan
sehingga tungku ME-11 menjadi lengkap bagian dari
perangkat daur bahan bakar nuklir gagalan. Gambar
10 adalah safety-barrier hasil modifikasi dan
tambahan tersebut yang telah dipasang di tungku
ME-11. Operasi tungku telah diuji oleh tim jaminan
kwalitas PTBN (pengujian dilakukan tanggal 17
Desember 2008 dan 9 Desember 2009) dan hasil
pengujian dapat diterima untuk beroperasi. Pengujian
meliputi langkah-langkah proses dan pemberian
gangguan-gangguan yang terdefinisi ketika tungku
beroperasi untuk melihat kinerja sistem tungku dalam
mengatasi gangguan yang diberikan. Dokumentasi
lengkap dari tungku ME-11 setelah ditingkatkan
kinerjanya ada di [24]. Selain itu, kinerja operasional
secara terpisah untuk proses kalsinasi[26] dan
reduksi[27] juga telah diuji-coba dan sistem tungku
dapat bekerja seperti yang dikehendaki.
Empat petunjuk disain perangkat yang
menggunakan gas hidrogen oleh NASA[13]
diimplemetasikan pada safety-barrier Gambar 10.
Dua gangguan yang significant dari tungku ME-11
telah ditanggulangi, yaitu padamnya sumber daya
listrik dari PLN dan padamnya api pembakar gas
buang. Dua gangguan tersebut mempunyai potensi
Gambar 10. Safety-barrier hasil modifikasi &
tambahan.
Gangguan listrik padam ketika proses reduksi
berlangsung berakibat status kerja sistem tungku
pada posisi tidak aman. Ruang tungku berisi gas
hidrogen yang didorong keluar oleh gas nitrogen ke
ruang pembakaran, tetapi tidak dibakar karena api
pembakarnya padam. Padamnya listrik telah menutup
katup LPG sehingga membuat api tersebut padam.
Konsep untuk untuk memindahkan status kerja
pada posisi aman (fail-safe design concept),
mengharuskan api dari LPG tetap nyala dan
membakar gas hidrogen hingga habis (posisi aman).
Untuk itu diperlukan daya listrik dari Uninteruptable
power Supply (UPS). UPS digunakan untuk
mempertahankan agar pengendali suhu, katup gas
buang, katup LPG, rangkaian timer , dan pemantik
otomatis tetap dapat aktif bekerja ketika listrik padam
guna pemindahan status kerja tersebut.
Gas hidrogen yang keluar dari tungku harus
dibakar oleh nyala api dari gas LPG. Penyalaan gas
LPG pada tungku ME-11 dilakukan secara manual
oleh operator. Merujuk pada dokumen ES & H
manual untuk gas hidrogen[7] penyalaan api
pembakar gas hidrogen harus dilakukan tidak secara
manual, tetapi menggunakan alat bantu seperti
rangkaian elektronik. Oleh karena itu, sistem
penyalaan api secara otomatis dilakukan dibawah
kendali safety-barrier tambahan.
Gas LPG akan mudah terbakar jika komposisi
campurannya dengan udara (mengandung udara)
terletak diantara 1.81% s/d 8.86% dengan energi
panas yang cukup[28]. Oleh karena itu penempatan
pemantik untuk dapat membakar gas LPG yang
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
ISSN 0216 - 3128
140
keluar di ruang bakar dengan cepat harus disesuaikan
dengan karakteristik saluran keluar (outlet) dari gas
LPG tungku ME-11. Dengan pemahaman tersebut,
dapat ditentukan posisi pemantik yang tepat sehingga
sistim penyalaan gas LPG otomatis dapat bekerja
dengan cepat[29].
Penyalaan api LPG otomatis dipicu dari sebuah
thermocouple yang mendeteksi panas dari api LPG
tersebut. Jika api padam, thermocouple akan
mengaktifkan sistem penyalaan otomatis tersebut.
Ketika api padam, maka dibuat katup saluran gas
keluar tungku menutup, sehingga ketika pemantik
otomatis sedang berusaha menyalakan api LPG, tidak
ada gas hidrogen yang keluar ke ruang bakar.
Untuk membuka dan menutup saluran saluran
gas buang ke ruang bakar digunakan dua buah katup
F2 dan F3, Katup F2 dekat dengan ruang tungku dan
F3 dekat dengan ruang bakar. Kedua katup akan
menutup serentak, tetapi untuk membukanya tidak
serentak. Katup F3 dibuka terlebih dahulu beberapa
detik baru kemudian F2 dibuka. Strategi ini
dilakukan untuk menghindari efek hembusan
(transient) dari tekanan gas ruang tungku yang keluar
tiba-tiba yang berpotensi mematikan nyala api LPG,
dan juga untuk menghindari efek puff-back[30] yaitu
konsentrasi tinggi gas hidrogen ketika saat katup
dibuka yang berpotensi menimbulkan ledakan.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
5. KESIMPULAN
Tungku ME-11 di Pusat Teknologi Elemen
Bakar Nuklir (PTBN) telah dapat berfungsi untuk
proses kalsinasi dan reduksi. Pengalaman kerja
merawat dan mengoperasikan tungku menggunakan
gas hidrogen, petunjuk operasional untuk disain
perangkat yang menggunakan gas hidrogen dari
NASA, ES & H manual, Safetygram#4, dan
standarad evaluasi resiko EN-1050 dari European
Comitee for Standardization (CEN) digunakan dalam
kegiatan mengaktifkan operasi reduksi dari tungku
ME-11 ini. Dengan kegiatan ini tungku ME-11
menjadi perangkat lengkap untuk proses daur bahan
bakar nuklir gagalan berupa pelet UO2 pada sistem
fabrikasi bahan bakar nuklir untuk PLTN. .
9.
10.
11.
12.
6. UCAPAN TERIMA KASIH
13.
Penulis sangat berterima kasih kepada saudara Djoko
Kisworo, Triarjo, dan Dedi Haryadi staf Bidang
Bahan Bakar Nuklir – PTBN BATAN, atas bantuan
teknis-nya selama kegiatan instalasi dan percobaan
berlangsung.
7. DAFTAR PUSTAKA
1.
APREA J L., (2009) Hydrogen Energy
Demonstration Plant n Patagonia: Description
14.
15.
Achmad Suntoro
and Safety Issues., International Journal of
Hydrogen Energy 34, 4684-4691.
NOWAKOWSKI
J.,
(2011),
Naphta
Hydrotreater E-6600E Failure., Anacortes NHT
Investigation Report – July 21.
STAHL R., Innovative Explosion Protection.,
Available
from:
http://www.rstahl.com/fileadmin/Dateien/tgus/
Documents/ExProtection_Global-AmericaBasics.pdf ., Diakses Desember 2012.
SCHROEDER V dan HOLTAPPELS K, (2005)
Explosion Characteristics of Hydrogen-Air and
Hydrogen-Oxygen Mixtures at Elevated
Pressures., International Conference on
Hydrogen Safety, HySafe ICHG , Pisa, Italy.
WAKABAYASHI K et.al., (2005) A Field
Explosion Test Of Hydrogen-Air Mixtures.,
International Conference on Hydrogen Safety,
HySafe ICHG , Pisa, Italy.
ANONIM , (2006), ES & H Manual, Volume II,
Part 18, Document 18.4 Hydrogen, Revision 3 ,
January 12.
LUPER D., (2010), Create Effective Process
Safety Moments., American Institute of
Chemical Engineer .
LOPEZ G E, et.al., (2007), Optimization of
Solar Hydrogen Storage System: Safety
Consideration., International Conference on
Hydrogen Safety, HySafe ICHG , Pisa, Italy.
SONNEMANS JM dan KORVERS PMW.,
(2006), Accident in the chemical industry: are
they foreseable?., Journal of Loss Prevention in
the Process Industries, Vol. 19.
SORENSEN J N., (2002), Safety culture: a
survey of the state-of-the-art., Reliability
Engineering and System Safety., Vol. 76,
Elsevier, London.
GOH S, CHANG B, JEONG I, KWON HT, dan
MOON I., (1998), Safety Improvement by
Multimedia Operator Education System.,
Computers Chemistry Engineering , Vol. 22.,
Elsevier, London.
DUIJM NJ, MAKERT F., (2009), Safety-barrier
diagram as a tool for modelling safety of
hydrogen applications., International Journal
od Hydrogen Enegy, Vol. 34., Elsevier, London.
NASA, (1997), Safety Standard For Hydrogen
and Hydrogen System., Office of Safety and
Mission Assurance, Washington DC.
ABB Stotz-Kontakt., (2003), Safety Handbook.,
Doc. No.: 1SAC 103 201 H 0201., Berlin.
LANGENATI R, NGATIJO, WINDARYATI
L, MUSTIKA D dan MAHPUDIN., (2008),
Studi Awal Oksidasi Gagalan Pelet Sinter UO2.
Seminar Hasil-hasil Penelitian EBN 2007 .
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013
Achmad Suntoro
ISSN 0216 - 3128
16. DAMMUNIR, (2007), Aspek Kinetika Reaksi
Kernel U3O8 dengan Gas H2 Terhadap
Karakteristik Energi Aktivasi, Konstanta Laju
Reaksi dan Rasio O/U Kernel UO2. Jurnal
Teknologi Bahan Nuklir, Vol. 3, No. 2, Juni.
17. SUNTORO A, LATIEF A, RACHMAWATI
M, (1996), Analisis Kerusakan Tungku Sinter
Pelet UO2 PEBN-BATAN., Urania ., No. 6 /
Thn II., April.
18. SUNTORO A, LATIEF A, RACHMAWATI
M, (1997), Disain Modifikasi Sistem Kendali
Suhu Tungku Sinter Pelet UO2 Degussa.,
Prosiding Seminar Penelitian Dasar Ilmu
Pengetahuan
dan
Teknologi
Nuklir .,
Yogyakarta.
19. SUNTORO A., (1998), Solusi Alternatif
Kegagalan Sistem Pengaman Tekanan Tinggi
Tungku Sinter DegussaTM PEBN-BATAN.,
Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar
Nuklir IV., Jakarta., Desember.
20. SUNTORO A., (2005), Pengganti Hysteresis
pada Kendali Tungku menggunakan Tabel
Kebenaran., Publikasi Ilmiah PPI-KIM 2005.,
Juni.
21. SUNTORO A., (2005), Refurbishing Sistem
Kendali Suhu Tungku Sinter Pelet UO2.,
Prosiding PPI-PDIPTN 2005 ., Yogyakarta,
Juli.
22. SUNTORO A., (2007), Teknik Sampling Data
pada Sistem Kendali Suhu Tungku Sinter Pelet
UO2 ME-06., Prosiding Seminar Nasional Sains
dan Teknologi Nuklir PTNBR – BATAN.,
Bandung, Juli.
23. SUNTORO A., (2008), Sistem Switching
Pompa Vakum Tambahan pada Tungku
Reduksi ME-11., PRIMA, Vol. 4, No. 9, Juni.
24. SUNTORO A., (2011),
Dokumen Teknis
Modifikasi Kendali Logik Proses Reduksi.,
PRPN, Revisi 3.
25. SUNTORO A., (2012), Fault Tree Analysis
(FTA) Potensi Ledakan Gas Hidrogen Pada
Sistem Tungku Reduksi ME-11 Proses
Pembuatan Bahan Bakar Nuklir PLTN., Urania ,
Vol. 18, No. 2, Juni 2012..
141
26. SARTONO A, ZAHEDI, TRIARJO., (2009),
Uji Fungsi Tungku Oksidasi ME-11., Prosiding
Seminar Pengelolaan Perangkat Nuklir Tahun
2008., PTBN, Serpong 29 Juli.
27. SUTARYA D., (2009), Analisa Kinerja Tungku
Oksidasi-Reduksi Muffle Furnace (ME-11).,
Prosiding Seminar Pengelolaan Perangkat
Nuklir Tahun 2009 ., PTBN, Serpong 19
Agustus.
28. MISHRA DP, RAHMAN A., (2003), An
Experimental Study of Flamibility Limits of
LPG/air mixture., FUEL., Vol. 82., Issue 7.,
Elsevier., London., May.
29. SUNTORO A, (2007), Pemantik LPG Otomatis
untuk Pembakar Gas Hidrogen pada Proses
Reduksi Tungku ME-11., Prosiding PPI –
PDIPTB 2007, Pustek Akselerator dan Proses
Bahan –BATAN, Yogyakarta, Juli.
30. ANONIM, (2003), Electric Furnace., The
Development Commisioner Ministry of SSI,
New Delhi.
TANYA JAWAB
Anonim
- Kenapa H2O harus di trap??
A.Suntoro
- Karena gas buang hasil reduksi adalah H2
dan uap H2O, dan gas buang ini akan
dibakar, dikhawatirkan upa H2O tersebut
terurai menjadi H2 dan O2, sehingga
terbentuk komposisi presentase H2 dan O
yang mungkin bias meledak ketika dibakar.
Oleh karena itu uap H2O harus ditrap
dengan proses kondensasi.
Dewita
- Didalam reaksi tidak ada N2, mengapa dalam
diagram alir menjadi ada N2?
- Tekanan dimana yang naik, mengapa kalau
tekanan naik H2-nya harus ditutup?
A.Suntoro
- Gas N2 hanya digunakan untuk proses
flushing (pembersihan) setelah tungku
divakum
- Tekanan yang naik adalah tekanan diruang
tungku, oleh karena itu valve saluran masuk
ke ruang tungku (in-let) ditutup.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 26 Juni 2013