REAKTOR AIR BERAT KANADA (CANDU)

LATAR BELAKANG

Setelah perang dunia kedua berakhir, Kanada mulai mengembangkan PLTN tipe reaktor air berat (air berat: D2O, D: deuterium) berbahan bakar uranium alam. Reaktor ini dirancang khusus oleh Kanada dan disebut CANDU (Canadian Deuterium Uranium), dengan menggunakan air berat sebagai bahan moderator neutron. Karakteristika reaktor tipe CANDU adalah bentuk pipa tekan yang disusun horisontal, di dalamnya terdapat perangkat bahan bakar yang pendek (kira-kira 50 cm), bahan bakar dapat ditukar-ganti pada saat reaktor sedang beroperasi dan sebagai bahan bakar dapat digunakan uranium alam. Di Kanada, sejak tahun 1960 telah dikembangkan standar bahan bakar untuk PLTN dari reaktor tipe ini.

Hingga akhir tahun 2000, di Kanada telah dioperasikan reaktor tipe CANDU sebanyak 14 buah dengan kontribusi daya listrik sebesar 10.615 MWe. Selain dipakai di Kanada, reaktor CANDU juga diekspor ke luar Kanada. Di dunia terdapat 33 buah reaktor CANDU yang sedang beroperasi, 9 buah sedang dibangun dan 8 buah direncanakan akan dibangun.

1. Sejarah Pengembangan CANDU

Tabel 1 memperlihatkan sejarah pengembangan reaktor CANDU. CANDU adalah singkatan dari "CANadian Deuterium Uranium" yang ditujukan untuk PLTN air berat (Pressurized Heavy Water Reactor, PHWR) yang dirancang oleh Kanada. Air berat digunakan sebagai bahan moderator, dan air yang mengalir di dalam pipa tekan yang terpasang secara horisontal dalam teras reaktor digunakan sebagai pendinginnya. Setelah perang dunia kedua berakhir, Kanada berinisiatif untuk mengembangkan PLTN berbahan uranium alam (tanpa pengayaan U-235) yang sangat banyak diproduksi Kanada. Itulah awal pengembangan reaktor CANDU. Langkah awal pengembangan dimulai dengan pembuatan prototipe reaktor. Kekritisan daya nol dari reactor eksperimental terjadi pada tahun 1945, dilanjutkan dengan reaktor NRX yang mencapai kekritisan pertama pada tahun 1947. Pada tahun 1957 reaktor NRU berhasil pula mencapai kekritisan. Langkah selanjutnya adalah pembangunan reaktor daya eksperimental 25 MWe NPD-2 (Nuclear Power Demonstration) pada tahun 1962. Keberhasilan NPD-2, dilanjutkan dengan persiapan rekayasa dari reaktor pembangkit daya dengan moderator grafit dan bahan bakar uranium alam di dalam pipa tekan yang berpendingin air. Reaktor inilah yang secara resmi disebut sebagai reaktor CANDU. Sebagai PLTN, reaktor ini pertama kali dibangun di Douglas Point pada tahun 1967 dan mencapai 100 % daya penuh yaitu, 218 MWe.

Berdasarkan pengalaman pengoperasian NPD-2 dan Douglas Point, Kanada mulai melakukan pengembangan seperlunya sehingga pada saat ini reaktor CANDU mempunyai peran yang tidak kecil.

2. Status Pembangunan dan Operasi CANDU

Tabel 2 memperlihatkan daftar reaktor CANDU yang beroperasi di seluruh dunia, dan Tabel 3 memperlihatkan jadual pembangunan PLTN tipe CANDU. Berdasarkan pengalaman operasi di PLTN Douglas Point, perusahaan Ontario-Hydro menetapkan untuk membangun 4 unit PLTN lainnya di lokasi Douglas Point. Perkembangan berlanjut, pada tahun 1971 telah berhasil dibangun dan dioperasikan PLTN Pickering A (540 MWe x 4), PLTN Bruce A (940 MWe x 4), PLTN Pickering B (540 MWe x 4), PLTN Bruce B (840 MWe x 4). Beberapa PLTN CANDU berdaya kecil berhasil dibangun di antaranya Gentilly-2 675 MWe oleh perusahaan Hydro-Qubec, PLTN Point Lepreau 680 MWe oleh perusahaan New Brunswick. PLTN Bruce A milik perusahaan Ontario-Hydro tidak hanya dipakai untuk membangkitkan daya listrik, tetapi uap sisa yang dihasilkan juga dipakai untuk pabrik air berat perusahaan Ontario-Hydro. Selain itu sisa uap dikirim ke sentra produksi (rumah kaca tanaman tomat, pabrik etanol) di sekitar PLTN. Sementara itu dua PLTN Pickering dan Bruce juga memasok uap untuk perusahaan cobalt-60 yang memasok 70-80 % pasar dunia.

Perkembangan terbaru yang mencengangkan adalah pengembangan CANDU-3 berdaya menengah (450 MWe) yang dipasarkan oleh perusahaan tenaga atom Kanada AECL. CANDU-3 dikembangkan dengan basis CANDU-6 (60 MWe). Melalui perbaikan rancang bangun dan penerapan teknik pembangunan yang baru, biaya pembangunan dapat ditekan sehingga mendekati biaya pembangunan CANDU-6 yang dayanya hanya 60 MWe. Oleh karena AECL juga mengincar pasar Amerika, maka reaktor CANDU didaftarkan ke US NRC untuk mendapat sertifikat kelayakan dari NRC. Tetapi karena besarnya biaya yang harus dikeluarkan untuk kepentingan itu, maka pada bulan Maret 1995 rencana ini dibatalkan sampai batas waktu yang belum ditentukan. Pada akhir tahun 2000, di dunia terdapat 33 buah PLTN tipe CANDU yang sedang beroperasi, 9 buah sedang dalam tahap pembangunan dan 8 buah dalam rencana pembangunan. Dari 33 buah PLTN CANDU yang beroperasi, 24 buah berada di Kanada di mana 2 buah (Douglas Point dan Gentilly-1) di antaranya akan didekomisioning (istilah untuk penutupan reaktor nuklir).

Selain beroperasi di Kanada, CANDU juga di ekspor ke luar Kanada. Sebagai contoh reaktor Crown yang ada di India, dengan air berat bertekanan (pressurized heavy water reactor), dapat diklasifikasikan sebagai reaktor tipe CANDU. Reaktor air berat bertekanan yang beroperasi di Argentina untuk produksi Co-60 juga dapat digolongkan sebagai reaktor tipe CANDU. Di Korea beroperasi 4 buah PLTN tipe CANDU, yaitu Wolson-1, 2, 3, 4. Di India terdapat 12 buah PLTN tipe CANDU dalam status beroperasi yaitu, Kaiga-1,2; Kakrapar-1,2; Madras-1,2; Narora-1,2; Rajasthan-1, 2, 3, 4. Dua reaktor Tarapur-3,4 sedang dalam pembangunan, dan 8 buah dalam rencana pembangunan. Di Pakistan beroperasi satu PLTN tipe CANDU (Karachi). Di Rumania beroperasi satu PLTN CANDU (Cernavoda-1), dan 4 buah (Cernavoda-2, 3, 4, 5) sedang dalam pembangunan, salah satu di antaranya telah siap pada tahun 2002. Di Argentina beroperasi satu PLTN tipe CANDU (Embalse) dan dua reaktor tergolong CANDU, yaitu reaktor tabung tekan air berat (Atucha-1, 2). Di China, dibangun dua PLTN tipe CANDU (Qinshan-1,2) yang akan selesai pada tahun 2003.

3. Prinsip kerja PLTN tipe CANDU

Konsep CANDU diperlihatkan pada Gambar 1, sedangkan bentuk perangkat bahan bakar ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 3 memperlihatkan deskripsi bangunan PLTN Pickering-1, dan Gambar 4 menjelaskan aliran pendingin PLTN Pickering-1. Parameter desain reaktor tipe CANDU diperlihatkan pada Tabel 4. Teras reactor CANDU terdiri dari kumpulan pipa tekan yang diletakkan secara horisontal yang disebut sebagai Kalandria. Jadi Kalandria adalah silinder "shell and tube" yang diletakkan secara horisontal, di dalamnya terdapat pipa-pipa tekan dan batang kendali. Kalandria terdiri dari tangki yang diisi dengan air berat sebagai moderator neutron, di dalamnya terdapat pipa tekan dalam jumlah besar yang disusun berbentuk kisi bujur sangkar. Pipa tekan ini menembus dua penutup tangki kalandria, dan di dalam pipa tekan ini diletakkan beberapa perangkat bahan bakar (panjang perangkat ± 50 cm, panjang kalandria ± 5 meter) yang disusun secara horisontal. Dalam kalandria, moderator dan pendingin tidak bercampur. Moderator air berat berada di ruang antara pipa-pipa tekan, sedangkan pendingin berada dalam pipa tekan. Jadi moderator (air berat) dan pendingin (air biasa) dipisahkan oleh dinding pipa tekan. Bahan yang dipakai untuk dinding kalandria dan pipa tekan adalah bahan yang tidak banyak menyerap neutron yaitu logam paduan zirkalloy-2. Untuk menjaga jarak antara tabung tekan dan dinding kalandria terdapat "spacer" yang diisi oleh gas karbondioksida untuk isolasi termal. Pada sistem pengendalian reaktivitas, selain sistem pengendalian pada waktu operasi normal dan waktu memadamkan reaktor, terdapat dua sistem pengendalian darurat yang saling terpisah, yaitu pengendalian darurat dengan batang kendali dan injeksi cepat racun reaksi fisi (zat yang menghambat reaksi fisi ) ke dalam moderator

neutron (air berat). Semua sistem ini berada dalam daerah moderator di dalam kalandria yang dapat dioperasikan pada temperatur dan tekanan ruang sehingga keandalannya menjadi tinggi. Energi panas dari teras reaktor diambil oleh sistem pendingin primer yang mengalir dalam pipa tekan. Pipa-pipa tekan dalam kalandria dibagi menjadi dua kelompok, masing-masing kelompok menjadi bagian dari untai pendingin yang saling terpisah. Setiap untai mempunyai dua pembangkit uap dan dua pompa pendingin primer.

Dalam kalandria, dua kelompok pipa tekan ini dipilih sedemikian sehingga dua pipa tekan yang saling berdekatan bergabung dalam kelompok berbeda dan aliran pendingin di dalamnya bergerak dengan arah berlawanan, dengan demikian arah aliran pendingin primer akan membentuk seperti angka 8. Dengan sistem pendingin primer seperti diuraikan di atas, jalur pemipaan menjadi lebih efisien, dapat menghemat perlengkapan maupun kapasitas air berat dan kesetimbangan panas teras menjadi lebih efisien.

Perangkat bahan bakar dengan panjang 50 cm, tersusun dari 28 batang (pada pengembangan berikutnya menjadi 37 batang) bahan bakar yang disusun secara konsentris berlapis. Batang-batang bahan bakar ini diikat dengan las pada kedua ujung perangkat dengan piringan penopang. Batang bahan bakar terbuat dari kelongsong zirkalloy-4 yang diisi dengan pelet bahan bakar uranium (alam) oksida. Dengan berhasilnya pengembangan bahan bakar baru, bagian dalam kelongsong dapat dilapisi dengan grafit (CANLUB), sehingga bahan bakar menjadi lebih tahan terhadap perubahan daya yang drastis pada saat penggantian bahan bakar sewaktu reaktor beroperasi.

Beberapa keistimewaan PLTN tipe CANDU adalah sebagai berikut:

1. Penggantian bahan bakar pada saat reaktor sedang beroperasi. Penggantian bahan bakar semacam ini dapat dilakukan karena pada kedua sisi horisontal dari kalandria terdapat dua fasilitas mesin penggantian bahan bakar. Pada satu sisi, mesin memasukkan 2 perangkat bahan bakar baru, dan secara bersamaan pada sisi lain mesin mengambil 2 perangkat bahan bakar bekas. Dalam satu siklus pengoperasian pipa tekan berisi 12 buah perangkat, dan 2/3 bagian (8 buah) mengalami penggantian selama operasi. Pada pipa tekan lain terjadi hal yang serupa. Oleh karena itu dalam teras reaktor komposisi bahan bakar menjadi bercampur, terdiri dari bahan bakar baru, bahan bakar setengah pakai dan bahan bakar yang sudah hampir habis masa pakainya. Karena kondisi ini, reaktor beroperasi dengan reaktivitas-berlebih yang rendah. Hal ini merupakan keistimewaan CANDU dibandingkan dengan reaktor air ringan. Dengan mekanisme dan desain ini pemanfaatan neutron menjadi lebih optimal dan pembakaran uranium alam dapat dilakukan lebih efisien. Pada reaktor air ringan, pengisian bahan bakar dilakukan pada saat reactor berhenti, hal ini menyebabkan tingkat keberlangsungan operasi menjadi lebih rendah jika dibandingkan dengan CANDU.

2. Jika terjadi kebocoran pendingin primer pada pipa tekan, hal ini segera dapat terdeteksi dari lapisan gas antara kalandria sehingga pipa tekan yang bocor saja yang perlu diganti. Jika dalam suatu pipa tekan terdapat bahan bakar yang bocor, hal ini segera dapat terdeteksi dan penggantian perangkat bahan bakar pada pipa tekan di mana bahan bakarnya mengalami kerusakan segera dapat diganti dengan bahan bakar baru. Selanjutnya pendingin pada pipa tekan tersebut disirkulasikan ke unit pemurnian.

3. Reaktor CANDU berbeda dengan reaktor bejana tekan bermoderator air berat. Jumlah air yang berada pada sistem pendingin primer sedikit, sehingga apabila terjadi kecelakaan, pelepasan energi dari system primer juga rendah. Hal ini menyebabkan kerusakan yang terjadi dalam bangunan reaktor menjadi ringan.

4. Berbeda dengan reaktor air ringan, sistem pendingin primer dilengkapi dengan pengolah air pendingin, sehingga untuk perlengkapan dan pipa distribusi pendingin dapat digunakan baja karbon yang lebih stabil daripada stainless steel.

5. Pada teras reaktor CANDU, desain perangkat bahan bakar dan pipa tekan tidak mengalami banyak perubahan. Oleh karena itu dengan menambah jumlah pipa tekan saja kemampuan pembangkitan daya reaktor dapat ditingkatkan. Sebagai contoh, reaktor Darlington 930 MWe dayanya dapat ditingkatkan menjadi 1100 MWe. Selain itu, reaktor CANDU yang biasanya menggunakan uranium diperkaya 0,9 – 1,3%, dapat menggunakan bahan bakar uranium yang diperkaya dengan plutonium seperti bahan bakar MOX (mixed oxide fuel), tanpa harus disertai dengan penggantian fasilitas/perlengkapan reaktor yang ada. Dengan penggunaan bahan bakar MOX, efisiensi utilisasi bahan bakar dapat ditingkatkan hingga 30%. Pada reactor CANDU bahan bakar uranium dapat dibakar hingga U-235 yang terkandung di dalamnya habis.

TABEL DAN GAMBAR: