Peningkatan Nilai Guna Bahan Bakar Nuklir Dengan Kombinasi PWR-CANDU

Bagikan Artikel ini di:

PLTN kontemporer pada umumnya menggunakan teknologi pressurised water reactor (PWR). Sekitar 64% dari seluruh PLTN di dunia merupakan tipe PWR[1]. Desainnya sudah well-established. Namun, PWR masih memiliki ganjalan pada pemanfaatan bahan bakar.

Konfigurasi reaktor nuklir PWR tidak didesain untuk mampu memanfaatkan potensi bahan bakar secara optimal. Nilai pemanfaatan bahan bakarnya hanya berkisar 0,5%. Angka ini didapatkan dari data bahwa tiap tahunnya, PWR berdaya 1.000 MWe membutuhkan 200 ton uranium alam, tetapi yang mampu ‘dibakar’ hanya 1,2 ton[2]. Hasilnya, sebagian besar potensi uranium masih tersia-siakan.

Bahan bakar nuklir memang murah. Tetapi menyia-nyiakan 99,5% potensi energi yang terkandung di dalamnya juga bukan tindakan bijak.

Baca juga Mengenal Teknologi Reaktor Nuklir Kontemporer

Saat penulis mengikuti FGD Reaktor Daya Eksperimental (RDE) pada Kamis (10/3) 2018, salah satu narasumber sempat mengatakan bahwa kalau Indonesia membangun PLTN skala besar, yang pertama kali dibangun adalah PWR. Penulis tidak tahu seberapa besar kemungkinan pilihan PWR itu akan terealisasi. Namun, seandainya terealisasi, maka harus dipikirkan bagaimana caranya agar pemanfaatan bahan bakar nuklir bisa lebih baik dari sekarang.

Cara terbaik untuk memanfaatkan seluruh potensi uranium selaku bahan bakar nuklir adalah dengan menggunakan reaktor cepat (fast reactor) yang termasuk dalam kategori reaktor maju, misalnya sodium-cooled fast reactor (SFR). Konfigurasi reaktornya didesain agar netron berlebih dari reaksi fisi dapat dimanfaatkan dengan baik oleh uranium-238, sehingga dapat dikonversi menjadi plutonium-239 dengan optimal[3]. Persoalannya, reaktor ini belum sepenuhnya komersial.

Baca juga Perkembangan Teknologi Reaktor Maju Bagian 2

Alternatif lain yang paling dekat adalah dengan menggunakan reaktor nuklir tipe Canadian deuterium uranium (CANDU). Reaktor nuklir tipe ini menggunakan uranium alam sebagai bahan bakarnya, alih-alih uranium diperkaya sebagaimana PWR. Hal ini disebabkan nilai ekonomi netron CANDU lebih baik dari PWR[4]. CANDU menggunakan moderator berupa air berat (D2O), yang menyerap netron lebih sedikit daripada air ringan (H2O). Jadi, netron dapat digunakan secara maksimal oleh bahan bakar.

Walau umumnya menggunakan bahan bakar uranium alam, CANDU dapat menurunkan konsumsi uranium jika menggunakan bahan bakar yang sedikit diperkaya, hingga 1,6%. Mengingat bahan bakar bekas PWR mengandung bahan bakar fisil antara 1,4-1,5%, ada peluang bahwa bahan bakar bekas PWR bisa dimanfaatkan di reaktor CANDU.

Seberapa baik peningkatannya nilai pemanfaatannya?

Ozdemir et al telah menganalisis peluang tersebut dalam jurnalnya, Burnup analysis, natural U requirement and nuclear resource utilization in a combined PWR-CANDU system: Complete coprocessing and DUPIC scenarios[5]. Dalam jurnal ini, disimulasikan seberapa besar potensi peningkatan nilai pemanfaatan uranium jika bahan bakar bekas PWR dipakai di CANDU, dalam hal ini tipe CANDU-6 dengan daya 600 MWe.

Bahan bakar bekas PWR yang disimulasikan memiliki derajat bakar 33.000, 40.000 dan 50.000 MWd/tU*. Masing-masing menggunakan 221,8 , 212,9 dan 206, 8 ton uranium alam per tahunnya. Untuk perbandingan, CANDU-6 yang menggunakan bahan bakar uranium alam menggunakan 159,4 ton uranium alam tiap tahunnya dengan daya yang sama[5].

* Satuan ini menunjukkan berapa daya termal yang mampu dibangkitkan dalam sehari per ton uranium

Skenario yang dipertimbangkan dalam jurnal Ozdemir et al ada dua, yakni complete coprocessing (CC) dan direct use of PWR spent fuel in CANDU (DUPIC). Skenario CC berarti sepenuhnya memisahkan uranium dan plutonium dalam bahan bakar bekas dari produk fisi dan elemen transuranik. DUPIC hanya membersihkan bahan bakar bekas dari produk fisi volatil dan semi-volatil seperti iodin, cesium, kripton, xenon, molybdenum, cadmium dan indium[5]. Produk fisi lain serta elemen transuranik dibiarkan dalam bahan bakar bekas.

Baca juga Menguak Mitos Seputar Limbah Radioaktif

Bagaimana hasilnya?

Pada kedua skenario, terjadi peningkatan nilai pemanfaatan uranium dengan cukup drastis. Dari awalnya butuh sekitar 200 ton uranium alam per tahun, ketika digunakan lagi di CANDU-6, kebutuhan bersihnya turun menjadi 130-160 ton uranium alam. Artinya, CANDU dapat digunakan sebagai pembakar uranium lanjutan dari PWR.

Simulasi yang dilakukan menunjukkan bahwa nilai pemanfaatan bahan bakar pada sistem CC lebih baik dari sistem DUPIC. Derajat bakar uranium pada sistem CC lebih tinggi daripada derajat bakar sistem DUPIC. Hal ini wajar, karena pada sistem DUPIC, tangkapan parasitik netron lebih tinggi, akibat ditinggalkannya sebagian besar produk fisi dan elemen transuranik. Netron yang harusnya ditangkap oleh uranium dan plutonium malah ditangkap oleh produk fisi dan transuranik. Jadi derajat bakar yang dihasilkan pun lebih rendah[5].

Pada kedua skenario, bahan bakar bekas PWR dengan derajat bakar paling rendah (33.000 MWd/tU) memiliki nilai pemanfaatan paling baik. Ozdemir et al menjelaskan bahwa hal tersebut diakibatkan ‘kompetisi’ tangkapan netron. Pada skenario CC, kompetisi terjadi antara kenaikan persen isotop fisil dengan tangkapan parasitik oleh kontaminasi isotop fertil dalam bahan bakar bekas (uranium-236, plutonium-240 dan plutonium-242)[5].

Lebih tingginya tangkapan parasitik pada bahan bakar bekas dengan derajat bakar lebih tinggi (50000 MWd/tU) menyebabkan berkurangnya nilai pemanfaatan netron, selaras dengan turunnya nilai pemanfaatan bahan bakar[5]. Namun, penurunannya tidak begitu besar.

Pada skenario DUPIC, penurunan nliai pemanfaatan bahan bakar juga terjadi, tetapi lebih signifikan. Pasalnya, kompetisi yang terjadi bukan hanya pada naiknya persen isotop fisil dan tangkapan parasitik isotop fertil saja, tapi juga tangkapan parasitik oleh produk fisi dan transuranik[5]. Akibatnya, kenaikan persen isotop fisil tidak linier dengan kenaikan derajat bakar, sehingga menurunkan nilai pemanfaatan bahan bakar.

Hasil simulasi Ozdemir et al dirangkum dalam tabel-tabel berikut.

Tabel 1. Nilai pemanfaatan uranium pada skenario CC (diolah dari Ozdemir et al)

Tabel 2. Nilai pemanfaatan uranium pada skenario DUPIC (diolah dari Ozdemir et al)

Dari sini, tampak bahwa skenario CC lebih optimal dalam memanfaatkan nilai pemanfaatan uranium. Sehingga, dalam sistem kopel antara PWR-CANDU, ditinjau dari nilai pemanfaatannya, skenario CC adalah yang paling layak.

Patut dicatat bahwa penelitian di atas tidak mempertimbangkan biaya dari sistem reprosesing yang dimaksud. Skenario CC jelas akan lebih mahal daripada skenario DUPIC, karena reprosesing yang dilakukan lebih komplit. Namun, mengingat biaya bahan bakar merupakan komponen yang kontribusinya paling kecil dalam PLTN, maka kemungkinan besar biaya bahan bakar finalnya tidak signifikan.

Perlu dicatat juga bahwa peningkatan nilai pemanfaatan uranium terbaik masih berada pada angka 127 ton uranium alam per tahun. Artinya, nilai pemanfaatan bahan bakarnya masih 0,94%. Walau realitanya, peningkatan kurang dari setengah persen ini cukup untuk membangkitkan listrik berlimpah (600 MWe) selama setidaknya setahun.

Karena itu, sistem kopel PWR-CANDU hanyalah alternatif sementara saja. Untuk keberlangsungan energi nuklir yang paling baik, kita tetap harus menggunakan reaktor maju.

Referensi

  1. World Nuclear Association. 2016. World Nuclear Performance June 2016. London: WNA.
  2. Jacopo Buongiorno. 2010. Heavy Water, Gas and Liquid Metal Cooled Reactor. Massachusetts: Center for Advanced Nuclear Energy Systems, Massachusetts Institute of Technology.
  3. World Nuclear Association. Generation IV Nuclear Reactors. Diperbarui Desember 2017. (http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/generation-iv-nuclear-reactors.aspx), diakses 17 Januari 2018.
  4. William Garland (peny.). 2015. The Essential CANDU, A Textbook on the CANDU Nuclear Power Plant Technology. Kanada: University Network of Excellence in Nuclear Engineering.
  5. Levent Ozdemir et al. 2016. Burnup analysis, natural U requirement and nuclear resource utilization in a combined PWR-CANDU system: Complete coprocessing and DUPIC scenarios. Progress in Nuclear Energy 91:140-146.
Bagikan Artikel ini di:

Pemanfaatan Thorium di Reaktor Nuklir Kontemporer

Bagikan Artikel ini di:

Thorium merupakan bahan bakar nuklir yang belum populer digunakan. Teknologi reaktor maju seperti molten salt reactor (MSR) diproyeksikan untuk menggunakan thorium sebagai bahan bakar. Sementara, beberapa penelitian telah mengungkapkan potensi thorium untuk digunakan di reaktor maju lain seperti sodium-cooled fast reactor (SFR). Salah satu penelitian (Ismail et al) mengungkapkan bahwa penggunaan thorium dalam SFR dapat memperpanjang usia pakai bahan bakar nuklir dalam reaktor[1].

Baca juga Perkembangan Teknologi Reaktor Maju Bagian 1

Namun, belum ada MSR yang beroperasi. Sementara, SFR yang telah beroperasi di Rusia eksklusif menggunakan uranium.

Dari aspek performa, thorium memiliki potensi menjanjikan. Secara keselamatan, thorium memiliki koefisien reaktivitas suhu lebih negatif daripada uranium. Hal ini disebabkan efek Doppler yang lebih kuat pada thorium daripada uranium[2].

Ketika suhu reaktor naik, thorium menangkap netron (bentuk baku dari neutron) lebih banyak, sehingga reaksi fisi berantai berkurang. Efeknya, suhu reaktor nuklir pun kembali ke suhu semula, menjadikan operasi reaktor stabil[2]. Berkurangnya reaksi fisi ketika suhu reaktor naik inilah yang disebut sebagai reaktivitas suhu negatif. Uranium juga memiliki Doppler broadening effect ini, tetapi tidak sekuat thorium. Dengan demikian, reaktor nuklir yang menggunakan thorium dapat beroperasi lebih stabil.

Gambar 1. Efek Pelebaran Doppler, bagian landai merupakan tampang lintang tangkapan ketika suhu reaktor nuklir naik (sumber: nuclear-power.net)

Thorium memiliki performa lebih baik di spektrum netron termal, yang notabene digunakan oleh nyaris seluruh reaktor nuklir di dunia (kecuali dua unit SFR di Rusia). Uranium-233, hasil transmutasi thorium, memiliki peluang berfisi hingga 94%. Sebagai perbandingan, uranium-235 memiliki peluang berfisi 85% dan plutonium-239 sebesar 73% di spektrum termal[3].

Baca juga Thorium Bahan Bakar Nuklir Masa Depan

Usia pakai reaktor nuklir kontemporer masih lama. Pembangunan PLTN hingga medio 2020-an pun masih didominasi reaktor nuklir tersebut. Pertanyaannya, bagaimana jika thorium digunakan saja sebagai bahan bakar nuklir pada reaktor nuklir kontemporer? Akankah performanya jadi lebih baik?

Penggunaan thorium pada reaktor nuklir kontemporer sebenarnya pernah dilakukan pada reaktor eksperimental Shippingport di Amerika Serikat. Bahan bakar nuklir thorium disisipkan pada teras reaktor nuklir bertipe pressurised water reactor (PWR) tersebut. Hasilnya, pada akhir siklus pakai, PWR Shippingport menghasilkan bahan bakar fisil 1% lebih banyak daripada kondisi awal[4]. Namun, konfigurasi reaktor PWR Shippingport agak berbeda dengan reaktor kontemporer.

Baca juga Berkenalan Dengan Teknologi Reaktor Nuklir Kontemporer

Dalam taraf penelitian, beberapa riset telah dilakukan terkait pemanfaatan thorium di reaktor nuklir kontemporer, khususnya untuk light water reactor (LWR) dan Canadian Deuterium Uranium (CANDU). Sumer Sahin et al telah melakukan penelitian terhadap parameter fisika reaktor CANDU menggunakan thorium dan plutonium[5]. Hasilnya, dengan fraksi massa plutonium 3% dan thorium 97%, bahan bakar CANDU bisa digunakan selama 20 tahun dengan derajat bakar 10 kali lebih tinggi dari tipikal PWR.

Gambar 2. Bruce Nuclear Generating Station, kawasan PLTN di Kanada yang menggunakan teknologi CANDU (sumber: Bruce Power)

Usia pakai bahan bakar yang sangat lama mengurangi kebutuhan uranium alam sebagai feedstock bahan bakar nuklir. Kebutuhan uranium alam menjadi hanya 9 g/MWd alih-alih 142 g/MWd sebagaimana CANDU dengan bahan bakar standar.

Plutonium yang disimulasikan dalam penelitian Sumer Sahin merupakan grade senjata, yaitu plutonium yang digunakan di senjata nuklir. Kombinasi bahan bakar Pu/Th di reaktor CANDU dapat membantu mengeliminasi bahan bakar nuklir untuk keperluan persenjataan.

Penelitian lain yang dilakukan A. Nuttin et al menguji performa thorium di CANDU dan PWR[6]. Hasilnya, di reaktor CANDU, penggunaan thorium dapat menaikkan derajat bakar hingga dua kali level standar. Sedikit modifikasi pada susunan bahan bakarnya meningkatkan derajat bakar lebih lanjut hingga 70%. Selain itu, thorium meningkatkan rasio konversi CANDU hingga 0,98 (normalnya 0,8). Tingginya rasio konversi meniscayakan kebutuhan bakar bakar baru berkurang.

Di PWR, thorium tidak menghasilkan penghematan terlalu banyak. Namun, jika dilakukan modifikasi pada rasio moderator terhadap bahan bakar, barulah PWR mampu meningkatkan rasio konversi menjadi 0,8 (normalnya 0,6). Rasio moderator terhadap bahan bakar diperkecil, sehingga moderasi berkurang dan spektrum netron bergeser ke epitermal, yang lebih optimal untuk tangkapan netron oleh thorium.

Di dalam negeri, Dr. Topan Setiadipura dan Prof. Zaki Su’ud membuat konsep PWR mini 20 MWt dengan waktu operasi lama menggunakan thorium[7]. Bahan bakar nuklir yang digunakan merupakan campuran uranium-233 dan thorium, dengan elemen kendali protaktinium-231. Hasil simulasi fisika reaktornya menunjukkan bahwa PWR mini tersebut dapat beroperasi selama 10 tahun tanpa perlu mengganti bahan bakar. Siklus bahan bakar thorium yang digunakan menjamin reaktor dapat beroperasi dalam waktu lama dengan reaktivitas berlebih relatif kecil.

Tiga penelitian di atas setidaknya menunjukkan bahwa pemanfaatan thorium dalam reaktor nuklir kontemporer dapat berimbas pada performa yang lebih baik. Usia pakai bahan bakar nuklir jadi lebih panjang, sehingga kebutuhan uranium dapat dipangkas. Tingkat keselamatan pun lebih baik dengan reaktivitas suhu lebih negatif daripada menggunakan uranium saja. Thorium lebih optimal digunakan di reaktor CANDU, karena nilai ekonomi netronnya lebih baik daripada LWR.

Jika thorium dikombinasikan dengan plutonium, maka kombinasi tersebut dapat membantu mengeliminasi elemen aktinida minor/transuranik yang bagi sebagian kalangan dianggap mengganggu pengelolaan limbah nuklir. Mengingat, thorium menghasilkan sedikit sekali elemen transuranik, sehingga tingkat produksi elemen transuranik menjadi negatif[8].

Konsekuensi dari pemanfaatan thorium dalam reaktor nuklir kontemporer adalah kebutuhan pengayaan uranium lebih tinggi. Rerata fasilitas pengayaan uranium di dunia hanya bisa melakukan pengayaan hingga 5%, sementara jika menggunakan thorium, bisa lebih dari 5% bahkan hingga 20%. Namun, kendala ini tidak terbatas pada thorium saja, tetapi juga pada reaktor maju.

Jika kendala infrastruktur ini dapat diatasi, maka tidak ada salahnya thorium digunakan di reaktor nuklir kontemporer. Bahkan dengan konfigurasi dan siklus bahan bakar yang tepat, bisa saja reaktor nuklir kontemporer ini mencapai level pembiakan sebagaimana reaktor maju.

Referensi

  1. Ismail et al. 2008. Performance of natural uranium-and-thorium -fueled fast breeder reactors (FBRs) for 233U fissile production. Progress in Nuclear Energy 50: 290-294.
  2. John R. Lamarsh. 1978. Introduction to Nuclear Reactor Theory, 2nd Edition. Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company.
  3. Nuclear Fission. https://www.nuclear-power.net/nuclear-power/fission/ diakses pada 23 Februari 2018.
  4. Robert Hargraves. 2012. Thorium Energy Cheaper Than Coal. Hanover: CreateSpace Independent Publishing Platform.
  5. Sumer Sahin et al. 2006. Increased fuel burn up in a CANDU thorium reactor using weapon grade plutonium. Nuclear Engineering and Design 236: 1778-1788.
  6. Nuttin et al. 2012. Comparative analysis of high conversion achievable in thorium-fueled slightly modified CANDU and PWR reactors. Annals of Nuclear Energy 40: 171-189.
  7. Topan Setiadipura, Zaki Su’ud. 2007. Neutronic and Natural Circulation Aspect of Thorium Battery (ThoBatt), a Long Life Small PWR with (Th,U)O2 Fuel. International Conference on Advances in Nuclear Science and Engineering in Conjunction with LKSTN 2007 (155-160).
  8. R. Andika Putra Dwijayanto. Thorium, Bahan Bakar Nuklir Masa Depan. (https://warstek.com/2018/02/15/thorium/) Diakses pada 23 Februari 2018.
Bagikan Artikel ini di: