Oleh : Rindiani Aprillia Cauntesa
Bangka Belitung – Dalam lanskap desain reaktor nuklir canggih, terutama Small Modular Reactors (SMR) dan reaktor Generasi IV seperti Molten Salt Reactors (MSR), “keselamatan pasif” adalah standar emas. Sistem ini dirancang untuk berfungsi secara otomatis mengandalkan fenomena alam seperti gravitasi dan termodinamika, tanpa memerlukan intervensi manusia, daya listrik eksternal, atau komponen aktif seperti pompa yang bisa gagal.
Inti dari filosofi keselamatan pasif ini adalah sirkulasi alami (natural circulation). Sirkulasi alami merupakan mekanisme fundamental yang diandalkan untuk membuang panas sisa dari teras reaktor, terutama selama skenario kecelakaan seperti Loss of Flow Accident (LOFA) atau Loss of Heat Sink (LOHS). Namun, sirkulasi alami bukanlah sekadar teori buku teks. Efektivitas dan keandalannya telah dan terus dibuktikan melalui penelitian eksperimental yang ketat dan simulasi komputer bervalidasi tinggi.
Sebagai seorang lulusan fisika, saya tidak hanya tertarik pada apakah ini berfungsi, tetapi bagaimana ia berfungsi dalam kondisi ekstrem. Dalam penelitian saya (Rindiani, 2024), saya berfokus untuk menganalisis secara spesifik bagaimana perpindahan panas sirkulasi alami ini berperilaku di dalam Thorium Molten Salt Reactor (TMSR) selama operasi normal dan, yang terpenting, selama skenario kecelakaan LOHS
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
*”Pompa” Alami Ciptaan Gravitasi*
Pada dasarnya, sirkulasi alami adalah bentuk perpindahan panas konvektif yang didorong oleh prinsip fisika sederhana: fluida panas naik dan fluida dingin turun.
Di dalam loop reaktor, siklus ini terjadi sebagai berikut:
Pemanasan & Pemuaian: Fluida pendingin (baik itu air, gas, atau garam cair) menyerap panas dari teras reaktor (heat source). Saat dipanaskan, fluida memuai.
Penurunan Massa Jenis: Akibat pemuaian termal, massa jenis (densitas) fluida panas menurun, membuatnya “lebih ringan”.
Gaya Apung (Buoyancy): Fluida panas yang ringan ini secara alami didorong ke atas oleh gaya apung melalui saluran riseratau cerobong (chimney).
Pendinginan & Kontraksi: Di bagian atas loop, fluida melepaskan panasnya ke heat sink(seperti steam generator atau pendingin eksternal). Saat mendingin, fluida menyusut.
Peningkatan Massa Jenis & Gravitasi: Fluida dingin kini memiliki massa jenis yang lebih tinggi () atau “lebih berat”. Gravitasi kemudian menarik fluida padat ini ke bawah melalui saluran downcome.
Siklus ini menciptakan “pompa” alami. Kekuatan pendorong dari pompa alami ini dapat dirumuskan sebagai Daya Dorong Apung (Buoyancy Driving Head):
Di mana:
: Daya dorong (perbedaan tekanan) yang menggerakkan aliran.
:Perbedaan massa jenis antara fluida di kolom dingin dan kolom panas.
: Percepatan gravitasi(9,8 m/s2).
: Ketinggian vertikal efektif antara pusat sumber panas dan pusat penyerap panas.
Pembuktian Efektivitas: Validasi Model Simulasi
Membangun reaktor skala penuh hanya untuk pengujian sangatlah mahal dan berisiko. Oleh karena itu, para peneliti sangat bergantung pada simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) dan eksperimen laboratorium skala kecil untuk memvalidasi desain.
Sebuah langkah krusial dalam penelitian simulasi adalah benchmarking atau validasi model. Tanpa validasi, hasil simulasi hanyalah hipotesis. Dalam studi yang saya lakukan (2024), model simulasi 2D menggunakan COMSOL Multiphysics pertama-tama diuji terhadap data eksperimen yang telah dipublikasi oleh Hariyanto, et al. (2021).
Hasil validasi ini menunjukkan kesesuaian yang tinggi antara data simulasi dan data eksperimen. Sebagai contoh, perbedaan (error) untuk suhu pada titik pengukuran utama di bawah batas toleransi 5%, model simulasi tersebut dinyatakan valid dan dapat dipercaya untuk menganalisis skenario reaktor TMSR yang sebenarnya.
Pendekatan validasi ini adalah standar emas dalam penelitian. Studi lain oleh Abdellatif (2025) juga melakukan hal serupa: mereka menggunakan fluida pengganti (Therminol-66) dalam loop eksperimental untuk memvalidasi kode sistem seperti RELAP5-3D dan ANSYS FLUENT, membuktikan bahwa kode-kode ini akurat dalam mereplikasi perilaku sirkulasi alami.
*Apa yang Saya Temukan? (Operasi Normal vs. Kecelakaan (LOHS)*
Setelah model tervalidasi, saya menjalankan dua skenario utama untuk Thorium Molten Salt Reactor (TMSR).
*Operasi Normal*
Dalam kondisi operasi normal, di mana pemanas (teras reaktor) dan pendingin (heat sink) berfungsi, simulasi CFD membuktikan bahwa sirkulasi alami berhasil menciptakan kondisi tunak (steady-state) yang stabil.
Suhu: Sistem menjaga distribusi suhu yang stabil, dengan suhu tertinggi di dekat pemanas (892 K) dan terendah di dekat pendingin (890 K).
Kecepatan Aliran: Aliran fluida garam bahan bakar mencapai kecepatan yang konsisten sekitar 0,007 m/s.
Tekanan: Terbentuk gradien tekanan yang stabil, di mana tekanan lebih tinggi di bagian bawah (99327 Pa) dan lebih rendah di bagian atas (-9882 Pa), yang secara fisik membuktikan adanya daya dorong akibat gravitasi.
Ini membuktikan bahwa sirkulasi alami tidak hanya mampu mendinginkan reaktor saat darurat, tetapi juga dapat menjadi mekanisme pendinginan utama selama operasi normal, sebuah fitur desain yang diadopsi oleh banyak reaktor MSR pasif (Lee at al, 2025).
*Skenario Kecelakaan (Loss of Heat Sink- LOHS)*
Ujian sesungguhnya dari sistem keselamatan pasif adalah saat terjadi kecelakaan. Skenario LOHS menyimulasikan kegagalan pada sistem pendingin sekunder; heat sink berhenti menyerap panas dari loop primer.
Simulasi LOHS menunjukkan hasil yang krusial bagi keselamatan pasif:
Sirkulasi Alami Tetap Berfungsi:Yang terpenting, aliran fluida tidak berhenti total.
Efisiensi Menurun: Namun, karena perbedaan suhu () antara sumber panas dan heat sinkyang gagal menjadi jauh lebih kecil, daya dorong sirkulasi alami melemah. Hal ini terbukti dari penurunan drastis kecepatan aliran fluida (0,002-0,003 m/s).
Suhu Sistem Menstabil: Tanpa pendinginan, suhu keseluruhan sistem naik. Suhu di seluruh loop pada akhirnya menjadi seragam (homogen) dan stabil di sekitar 893 K.
Kesimpulan dari skenario LOHS ini sangat penting: Meskipun efisiensinya menurun, sirkulasi alami tetap berhasil mendistribusikan panas ke seluruh loop, mencegah penumpukan panas ekstrem (hot spot) di satu titik. Sistem ini secara pasif membawa reaktor ke kondisi siaga yang lebih panas namun stabil, mencegah kenaikan suhu tak terkendali (runaway temperature) dan memberikan waktu vital untuk intervensi lebih lanjut.
Temuan ini didukung oleh eksperimen nyata. Studi oleh Carson et al. (2025) yang menyimulasikan heater failure menemukan bahwa pendinginan asimetris dapat menyebabkan pembekuan garam parsial dan stagnasi aliran, yang secara drastis menghambat sirkulasi. Ini menegaskan betapa pentingnya memahami perilaku sirkulasi alami dalam kondisi terdegradasi.
*Tantangan Desain dan Optimalisasi*
Penelitian juga membuktikan bahwa sirkulasi alami bukanlah solusi “satu ukuran untuk semua”. Desain loop sangat memengaruhi kinerjanya.
Zona Stagnasi (Titik Panas): Desain yang terlalu sederhana, seperti bejana silinder biasa, dapat menciptakan “zona stagnasi” (aliran fluida yang sangat lambat) di dekat dinding. Studi oleh Lee et al. (2025) pada MSR pasif menemukan bahwa zona stagnasi ini menyebabkan titik panas (hot spot) yang berbahaya. Solusinya? Mereka membuktikan melalui simulasi bahwa penambahan “pengarah aliran” (flow guide) di dalam reaktor dapat menghilangkan stagnasi, menstabilkan aliran, dan memastikan pendinginan yang merata.
Liquid Fuel Molten Salt Reactor(LFMSR): Berbeda dengan reaktor konvensional, bahan bakar pada LFMSR menghasilkan panas di seluruh volume fluida (internally heated fluid). Simulasi oleh Cao et al. (2024) membuktikan bahwa model “panas terdistribusi” ini menghasilkan aliran sirkulasi alami yang lebih lemah daripada model “panas terpusat”.
Efek 3D (Resirkulasi Cerobong): Pada reaktor dengan cerobong (chimney) tinggi, fluida di dekat dinding cerobong bisa mendingin lebih cepat dan jatuh kembali ke bawah. Studi oleh Zingales et al.(2024) membuktikan bahwa “resirkulasi internal” ini adalah fenomena 3D nyata yang dapat menyebabkan ketidakstabilan.
*Kesimpulan*
Sirkulasi alami adalah pilar fundamental keselamatan reaktor modern, berakar kuat pada hukum fisika. Keandalannya di dunia nyata bukan sekadar asumsi, melainkan kesimpulan dari metodologi ilmiah yang ketat. Mekanisme ini membuktikan dirinya sebagai pahlawan tak terlihat, menjaga reaktor tetap stabil bahkan dalam kondisi kritis.
Dengan dukungan penelitian global dan inovasi desain, sirkulasi alami menegaskan satu hal: hukum fisika dapat menjadi penjaga pasif yang tangguh, memastikan energi nuklir aman bagi semua orang.
