Oleh: Yos P. Sitompul
Kurang dari 5 tahun semenjak hari dimana Presiden Dwight D. Eisenhower mengajukan proposal “Atom for Peace” kepada United Nation General Assembly (pada Desember 1953), TRIGA – reaktor riset nuklir jenis baru dengan fungsi untuk produksi isotop, riset, dan pelatihan - dicetuskan, kemudian dibangun, serta dioperasikan oleh General Atomic Division of General Dynamics di San Diego, California. Selama bertahun-tahun, TRIGA (Training, Research, Isotope production, General Atomic) berevolusi menjadi reaktor riset paling banyak dipakai di seluruh dunia, dengan daya operasi hingga 14.000 kW, daya desain hingga 25.000 kW, dengan 65 reaktor terpasang di 24 negara di 5 benua (Gambar 1).
Gambar 1. Peta dunia yang menggambarkan lokasi pemasangan reaktor TRIGA
3 reaktor TRIGA pertama beroperasi pada tahun 1958 (hanya berselang 2 tahun semenjak ide reaktor ini dicetuskan). 3 reaktor ini adalalah: reaktor TRIGA di General Atomic, San Diego, reaktor TRIGA yang beroperasi pada Second Geneve Conference of Atomic Energy, dan reaktor TRIGA di University of Arizona.
Karena keselamatan dan kesederhanaan desainnya, reaktor ini dipilih oleh U.S. Atomic Energy Commision (AEC) untuk memproduksi radioisotop umur pendek pada U.S. Goverment’s Life Science Exhibit di Genewa. Delegasi dan pengunjung pameran tersebut mendapat kesempatan melihat below-ground TRIGA dalam operasi (Gambar 2) melalui pelindung/tameng dari air, melihat proses pembuatan radioisotop, dan melihat sperktrometer netron yang bekerja kontinyu mengukur tampang lintang netron dari beberapa material.
Gambar 2. Reaktor TRIGA yang beroperasi pada Second Geneve Conference (1958)
2 penjualan langsung diumumkan saat Geneve Conference. Pada upacara umum di Palais des Nations, Italian National Committee for Nuclear Research (CNRN) secara formal menandatangani kontrak pemasangan above-ground TRIGA pada pusat riset baru mereka di Roma (3 hari kemudian, Republik Vietnam mengumumkan pilihannya pada above-ground TRIGA juga). Selanjutnya, University of Lovanium di Congo membuat kesepakatan untuk memiliki reaktor TRIGA yang beroperasi di Genewa tersebut, yang kemudian dikirim dari Genewa ke Leopoldville dan menjadi reaktor nuklir pertama yang terpasang di benua Afrika. Sebagai hasil demostrasi reaktor pada Geneva Conference tersebut dan ditambah dengan usaha Frederic de Hoffmann (presiden GA) dihasilkan beberapa tambahan penjualan dari reaktor TRIGA dalam pameran tersebut.
Reaktor TRIGA yang lain, beroperasi pada World Agriculture Fair di New Delhi pada akhir 1959, sebagai bagian dari U.S Goverment’s Life Science Exebit. Presiden Eisenhower sendiri yang menekan tombol untuk memulai operasi reaktor TRIGA tersebut sebagai klimaks pembukaan pameran tersebut (Gambar 3). Presiden Eisenhower didampingi oleh Presiden India Rajendra Pasad dan orang-orang besar lain, termasuk ilmuan Homi J. Bhaba, mengistilahkan start up dari reaktor tersebut dengan “a really beautiful sight” sebagaimana mereka menyaksikan warna biru dari reaktor bersinar sampai mencapai kondisi steady state pada daya 100 kW. beberapa dari 3 juta pengunjung menyaksikan reaktor tersebut beroperasi menghasilkan radioisotop yang digunakan untuk mendemonstrasikan kegunaan energi nuklir pada riset agraris.
Gambar 3. Presiden Eisenhower menyatakan operasi TRIGA pada New Delhi World Agricultural Fair (1959)
Kabar tentang reaktor baru ini menyebar secara internasional, dan tidak kurang dari 20 pesanan reaktor TRIGA diumumkan dari tahun 1958 hingga 1961. Di United States, Kansas State University, University of Texas, dan Veteran Administration Hospital di Omaha, merupakan beberapa istitusi yang memesan. Di luar negeri, reaktor TRIGA dipesan oleh pusat riset nasional maupun universitas seperti di Austria, Brazil, Finlandia, Jerman, Indonesia, Korea, Jepang, dan Yugoslavia, dan reaktor kedua di Italia, di University of Pavia.
Kebanyakan dari reaktor TRIGA pada masa-masa awal ini diperoleh dari dana bantuan AEC maupun National Science Fondation. Dalam banyak hal, International Atomic Energy Agency dibantu suplai bahan bakar dari material fisil hasil produksi U.S. dan dari kolam penyimpanan material dapat belah pada badan penyimpanan di United Kigdom, U.S, dan USSR.
4 reaktor TRIGA dipasang di bawah program ”Atom for Peace” (Korea, Vietnam, Indonesia, dan Yugoslavia (keempatnya merupakan negara dunia ketiga pada saat itu). Reaktor di Jepang di Rikkyo (St. Paul) University dibeli dengan bantuan dana stimulus yang dipimpin oleh Episcopal Church di United States.
Kelahiran reaktor TRIGA
Paten asli dari reaktor TRIGA, “Reactor with Prompt Negative Temperature Coefficient and Fuel Element Therfor”, dicatat pada 9 Mei 1958 oleh Theodore Taylor, Andrew McReynolds dan Freeman Dyson, dan diserahkan ke General Atomic pada 31 Maret 1964 (Gambar 4).
Gambar 4. U.S. Patent No. 3,217,325, dicatat pada 9 Mei 1958
Ide “inherent safety” dari reaktor tersebut berawal dari musim panas 1956, ketika sebuah tim yang tersusun dari berbagai macam ilmuan dibentuk di San Diego oleh General Atomics untuk membantu perusahaan dalam mendefinisikan produk barunya. Cerita musim panas tersebut digambarkan oleh Freeman Dyson dalam bukanya tahun 1979, Disturbing the Universe. Tugas dari tim ini (yang bekerja di bawah pengawasan Edward Teller) adalah mendesain rektor yang sangat selamat yang apabila distartup dari kondisi shutdown dan semua batang kendalinya diangkat seketika, reaktor akan tenang ke steady level tanpa menyebabkan satupun bahan bakarnya meleleh atau melepaskan produk fisi.
Dengan kata lain, “engineered safety”, atau pencegahan kecelakan dengan kontrol reaktor dan sistem keselamatan teknis tidaklah cukup, tantangannya adalah mendesain reaktor dengan “inherent safety” yang dijamin oleh hukum alam. Dengan cara ini keselamatan reaktor terjamin meskipun sistem teknis dilewati dan batang kendali diangkat seketika.
Untuk memenuhi tantangan ini, ide “warm neutron principle” dikemukakan sebagai langkah awal desain dari reaktor “inherent safe”. Umumnya, pada reaktor berpendingin air, hasil dari pengangkatan batang kendali secara tiba-tiba adalah kecelakaan katastropik, yang menyebabkan pelelehan bahan bakar. Ini disebabkan netron dari reaksi fisi tetap “dingin” dari interaksi dengan air di sekeliling bahan bakar dan tetap mampu menghasilkan pembelahan atom uranium lebih lanjut pada bahan bakar. Ini menyebabkan suhu bahan bakar terus menerus naik hingga akhirnya meleleh.
Reaktor TRIGA bukanlah reaktor berpendingin air biasa, karena sebagian besar moderasi netronnya disebabkan oleh atom hidrogen yang dicampur dalam bahan bakarnya. Oleh karena itu, ketika terjadi kenaikan suhu pada bahan bakar saat batang kendali diangkat tiba-tiba, netron dalam batang bahan bakar yang berisi hidrogen menjadi lebih hangat (mendapat energi) dibanding dengan netron di luar (dalam air). Netron yang lebih hangat ini menyebabkan fisi yang lebih sedikit dalam bahan bakar dan lolos dari bahan bakar, dimana mereka kemudian didinginkan oleh air dan sebagian daripadanya hilang akibat serapan material kelongsong.
Hasil akhirnya adalah reaktor secara otomatis menurunkan dayanya dalam waktu seperseribu detik, lebih cepat dari waktu operasi alat teknis manapun. Dengan kata lain, batang bahan bakar itu sendiri menjadi regulator daya otomatis, mematikan reaktor tanpa memerlukan alat-alat teknis.
Paten awal dari bahan bakar reaktor TRIGA, “Fuel Element”, dicatat pada 8 Juni 1960, oleh Walter Wallace dan Masoud Simnad, dan diserahkan ke General Atomic pada 24 Januari 1964 (Gambar 5). Pada awal tahun 1960-an, GA memperluas pengembangan rasio atomik hidrogen-containing uranium-zirconium dari 1,0 menjadi 1,7, dan mengganti kelongsong aluminum dengan stainless steel (Gambar 6). Semua ini meningkatkan kemampuan keselamatan TRIGA lebih lanjut. Hasil metal alloy ini kuat dan tahan korosi seperti stainless steel. Meskipun safety-related-accident sangat jarang terjadi pada reaktor riset, elemen bakar berisi UZr-H ini membuat kecelakaan potensial tersebut tidak memiliki konsekuensi sama sekali (berdasarkan prinsip fisik dari bahan bakar ini).
Gambar 5. U.S. Patent No. 3,119,747, dicatat pada 8 Juni 1960
Gambar 6. Triga fuel element standar
Koefisien Temperatur
“Warm neutron priciple” yang digunakan pada bahan bakar UZr-H memberikan reaktor TRIGA “promt-negative temperature coefficient of reactivity”, dibandingkan dengan delayed coefficient reaktor riset jenis lain yang menggunakan aluminum-clad plate-type fuel. Hal ini membuat reaktor TRIGA mampu bertahan pada kejadian yang dapat merusak teras reaktor plate-fueled. Keselamatan yang tak tertandingi itu membuatnya sangat cocok dipakai di universitas maupun institusi riset, bahkan di negara berkembang. Itu juga yang membuat reaktor TRIGA diizinkan dipasang langsung di institusi medis seperti Veteran Administration Hospital di Omaha dan di pusat medis Hannover dan Heidelberg, Jerman.
Bahan bakar UZrH mempunyai beberapa keuntungan lain. UZrH secara kimiawi stabil; dapat diquenching pada suhu 1200c tanpa adanya interaksi dengan air. Ketahanan terhadap suhu tinggi dan kekenyalan dari kelongsong bahan bakar stainless steel dan alloy 88 ini memberikan integritas penuh terhadap kelongsong hingga suhu 1150c pada operasi reaktor (atau hingga 950c dengan pendingin udara). Bahan bakar UZrH memiliki kemampuan yang jauh lebih unggul dalam menahan produk fisi radioktif dibanding dengan bahan bakar aluminum-clad plate-type. UZrH dapat menahan hingga 99% dari produksi fisi volatil sekalipun kelongsongnya dihilangkan.
Gambar 7. Melihat ke bawah ke dalam kolam TRIGA MARK I 10 kW mula-mula di San Diego, Calif.
Gambar 8. Potongan yang menunjukkan bagian dalam dari TRIGA MARK I 10 kW mula-mula di San Diego, Calif.
Prototype TRIGA di GA bertipe Mark I (Gambar 7,8) pada awalnya berlisensi untuk beroperasi pada level daya 10 kW, namun kemudian ditingkatkan menjadi 250 kW, lewat tes singkat berlisensi yang dilakukan pada level daya mendekati 1000kW. Karena kelebihannya dalam inherent safety, reaktor ini dapat diberi “pulsa” hingga level daya di atas 1000 MW, kemudian (tanpa interferensi dari luar) kembali ke level daya aman dalam perseribu detik sebagai hasil dari warm neutron. Kelebihan pulsing dari reaktor berbahan bakar UZrH ini, pertama kali didemonstrasikan oleh TRIGA di GA, sekarang menjadi standar dari reaktor TRIGA (Gambar 9).
Gambar 9.Representasi tampilan pulsa pada reaktor TRIGA
TRIGA kedua dibangun di GA pada tahun 1960, dikenal sebagai Mark F, mampu memanfaatkan kemampuan pulsa untuk menunjukkan sifat bahan bakar UZrH ketika diberi pulsa dengan level daya lebih dari 5000 MW. Reaktor ini didesain untuk menyediakan radiasi neutron dan gamma intens dengan pulsa yang instan dan terkontrol, yang akan digunakan untuk keperluan tes sifat radioaktif, biomedis, riset dasar fisika netronik, dan banyak riset lainnya dimana flux netron yang tinggi dengan pulsa yang sempit diperlukan.
Startup dari reaktor Mark F membebaskan prtotype mula-mula Mark I dari layanan radiasi baik untuk GA maupun pihak luar. Mark I menjadi berguna untuk keperluan khusus seperti analisis aktivasi netron dan untuk teknik yang sangat sensitif dalam mendeteksi dan mencari tahu seberapa banyak impuritas dalam material sampel. GA melaksanakan sistem mail-order untuk layanan analisis dari pelanggan yang mengirimkan material biologis, produk agrikultur, produk kimia dan bensin, semikonduktor, dan logam. Layanan analisis aktivasi forensik juga diberikan kepada lembaga penegak hukum.
Reaktor TRIGA ketiga dibangun di GA pada pertengahan 1960an, dikenal dengan Mark III. Reaktor 2 MW ini dipasang sebagai fasilitas below-ground, dan berfungsi sebagi prototype reaktor above-ground TRIGA Mark III nantinya. Di San Diego, reaktor ini didesain untuk beroperasi dalam kondisi steady state, dan melayani selama beberapa tahun sebagai tempat tes pengembangan thermionic fuel cell.
Desain Standar TRIGA
reaktor TRIGA dasar telah dibangun dan disediakan kepada pengguna dalam beberapa desain standar. Reaktor below-ground TRIGA (Gambar10,11) sangat sederhana dalam konstruksi fisik. Reaktor tersebut memiliki sebuah teras bereflektor grafit terpasang dekat bagian bawah dari tangki aluminium dan umumnya beroperasi hingga level daya 1 MW dengan kemampuan pulsing. Bumi di sekelilingnya dan air yang dimineralisasi menyediakan hampir semua pelindung radial dan aksial. Tidak diperlukan kontainmen khusus, dan instalasi di bangunan lama bisa dilakukan. Pendinginan teras lewat konveksi natural. Tiap reaktor Mark I dilengkapi dengan fasilitas iradiasi (Gambar 4), termasuk center thimble untuk iradiasi flux tinggi, pneumatic rabbit , dan rak sepimen rotasi untuk mendapat iradiasi uniform hingga 80 specimen sekaligus.
Gambar 10. TRIGA Mark I di GA, Calif.
Gambar 11. TRIGA Mark I di GA, Calif.
Reaktor above-ground TRIGA Mark II (Gambar 12) mempunyai teras yang identik dengan Mark I tetapi terletak di dalam kolam yang dilindungi tameng biologis beton yang berada di atas lantai ruang reaktor. Air kolam tersebut menyediakan konveksi natural untuk pendinginan hingga operasi 2 MW, dengan operasi hingga 3 MW bisa dilakukan dengan tambahan pendingin paksa. Sebagai tambahan fasilitas iradiasi dari Mark I, Mark II memasukkan empat port horizontal beam melewati tameng beton hingga muka dari reflektor, dalam kolom termal grafit menyediakan sumber nerton yang tertermalisasi degan baik yang cocok untuk riset iradiasi biologis. Pada reaktor-reaktor awal TRIGA Mark II, kolom termalisasi terpisah diikutsertakan bersama-sama dengan kolam berisi air untuk pengkajian tameng. Sekarang, pengguna mengubahnya untuk aplikasi lain sperti fasilitas dry neutron radiography dengan tameng built-in.
Gambar 12. Reaktor TRIGA Mark II di Mainz. Jerman
Sebuah pilihan desain terakhir, TRIGA mark III (Gambar 13), menyediakan sebuah teras reaktor yang dapat digerakkan, mendukung baik operasi steady state (hingga 2 MW) maupun operasi pulsing, namun dengan fleksibilitas operasi yang jauh lebih tinggi. Terasnya dapat digerakkan ke salah satu ujung dari kolam untuk eksperimen dalam walk-in exposure room yang berseberangan, atau ke ujung lain untuk eksperimen yang mengikutsertakan kolom termal dan beam ports, atau digunakan di tengah-tengah kolam untuk produksi isotop atau aplikasi lainnya.
Gambar 13. Potongan TRIGA Mark III dengan teras yang dapat deigerakkan
Sistem instrumentasi dan kontrol (I&C) dari semua reaktor TRIGA yang baru, sekarang telah berevolusi menjadi sistem yang kompak dan menggunakan mikroprosesor. Sebagaimana sistem I&C dari pedahulunya, mereka didesain untuk memampukan pelajar tak berpengalaman dan personel non teknik untuk mengoperasikan reaktor dengan pelatihan yang minimum, dengan kesederhanaan yang ditawarkan oleh karakteristik inherent safety dari sifat fisik bahan bakar UZrH. Empat mode operasi umumnya tersedia: manual, otomatis, pulsa, dan “gelombang kotak”, yang terakhir merupakan one-button startup sequence agar reaktor bangkit dengan cepat (beberapa detik) ke operasi level daya steady statenya. Reaktor TRIGA juga diberi lisensi beroperasi dengan mode tanpa operator, sekali lagi sebagai hasil dari karakteristik keselamatan bahan bakar UZrH.
Sumber: General Atomic
