Bejana Reaktor Tingkat Lanjut Memperkuat Standar Keselamatan Nuklir

Bayangkan raksasa baja yang terkubur jauh di dalam inti pembangkit listrik tenaga nuklir, menahan tekanan dan radiasi yang tak terbayangkan sambil melindungi upaya umat manusia untuk energi bersih. Ini adalah bejana tekan reaktor (RPV), landasan keselamatan pembangkit listrik tenaga nuklir. Artikel ini membahas komponen penting ini, mengeksplorasi rekayasa luar biasa, pemilihan material yang ketat, dan teknologi keselamatan yang terus berkembang.

Bejana tekan reaktor adalah komponen vital dari pembangkit listrik tenaga nuklir, yang bertindak sebagai benteng yang kokoh yang membungkus pendingin reaktor, pelindung inti, dan rakitan bahan bakar. Tidak seperti reaktor RBMK era Soviet, yang menempatkan setiap rakitan bahan bakar dalam pipa berdiameter 8 cm individual, sebagian besar pembangkit nuklir modern mengandalkan RPV untuk keselamatan. Meskipun reaktor biasanya diklasifikasikan berdasarkan jenis pendingin daripada konfigurasi bejana, keberadaan dan desain bejana tekan secara langsung memengaruhi keselamatan dan efisiensi pembangkit.

Klasifikasi reaktor umum meliputi:

• Reaktor air ringan (LWR): Jenis yang paling banyak digunakan, termasuk reaktor air bertekanan (PWR) dan reaktor air mendidih (BWR).
• Reaktor termal berpendingin grafit: Dicontohkan oleh reaktor Chernobyl RBMK, dengan desain yang sangat berbeda dari sebagian besar pembangkit nuklir sipil di seluruh dunia.
• Reaktor termal berpendingin gas: Termasuk reaktor berpendingin gas tingkat lanjut (AGR), reaktor pembiak cepat berpendingin gas, dan reaktor berpendingin gas suhu tinggi. Reaktor Magnox Inggris adalah contoh klasik.
• Reaktor air berat bertekanan (PHWR): Menggunakan air berat (diperkaya dengan deuterium) sebagai moderator atau pendingin. Reaktor CANDU Kanada adalah PHWR terkemuka.
• Reaktor berpendingin logam cair: Menggunakan logam cair seperti paduan natrium atau timbal-bismut untuk pendinginan.
• Reaktor garam cair (MSR): Menggunakan garam cair berbasis fluorida sebagai pendingin. Beroperasi pada suhu tinggi dan tekanan rendah, MSR mengurangi tekanan pada bejana reaktor.

Di antara jenis reaktor utama yang menggunakan bejana tekan, PWR menghadapi tantangan khas: iradiasi neutron (atau fluks neutron) selama pengoperasian secara bertahap membuat material bejana getas. Sebaliknya, bejana BWR—ukurannya lebih besar—memberikan pelindung neutron yang lebih baik. Meskipun hal ini meningkatkan biaya manufaktur, hal ini menghilangkan kebutuhan untuk anil untuk memperpanjang masa pakai.

Untuk memperpanjang masa pakai bejana PWR, penyedia layanan nuklir seperti Framatome (sebelumnya Areva) dan operator sedang mengembangkan teknologi anil. Proses yang kompleks dan bernilai tinggi ini bertujuan untuk memulihkan sifat material yang rusak akibat iradiasi yang berkepanjangan.

Terlepas dari variasi desain, semua bejana tekan PWR memiliki fitur utama:

• Badan bejana: Komponen terbesar, yang menampung rakitan bahan bakar, pendingin, dan struktur pendukung. Biasanya berbentuk silinder dengan bukaan atas untuk pemuatan bahan bakar.
• Kepala bejana: Melekat pada bagian atas, berisi penetrasi untuk penggerak batang kendali dan probe tingkat pendingin.
• Rakit bahan bakar: Susunan batang seperti kisi yang berisi campuran uranium atau uranium-plutonium.
• Pelindung inti: Penghalang silinder yang melindungi bejana dari neutron cepat, yang menyebabkan kerapuhan.

Material RPV harus tahan terhadap suhu dan tekanan tinggi sambil meminimalkan korosi. Cangkang bejana biasanya menggunakan baja feritik paduan rendah yang dilapisi dengan baja tahan karat austenitik 3-10 mm (untuk area kontak pendingin). Desain yang berkembang telah menggabungkan paduan yang diperkaya nikel seperti SA-302 B (baja Mo-Mn) dan kelas SA-533/SA-508 untuk meningkatkan kekuatan luluh. Baja feritik Ni-Mo-Mn ini menawarkan konduktivitas termal dan ketahanan guncangan yang tinggi—tetapi respons radiasi mereka tetap kritis.

Pada tahun 2018, Rosatom mengembangkan teknologi anil termal untuk mengurangi kerusakan radiasi, memperpanjang masa pakai bejana hingga 15-30 tahun (ditunjukkan di Unit 1 Balakovo). Lingkungan nuklir membuat material terkena pemboman partikel tanpa henti, menggantikan atom dan menciptakan cacat mikrostruktural. Cacat ini—kekosongan, dislokasi, atau gugus zat terlarut—terakumulasi seiring waktu, mengeraskan material sambil mengurangi keuletan. Pengotor tembaga (>0,1% berat) memperburuk kerapuhan, mendorong permintaan akan baja yang "lebih bersih".

Creep—deformasi plastik di bawah tekanan berkelanjutan—meningkat pada suhu tinggi karena migrasi cacat yang lebih cepat. Creep yang dibantu radiasi muncul dari interaksi tegangan-mikrostruktur, sementara ion hidrogen (dari radiolisis pendingin) menginduksi retak korosi tegangan melalui tiga mekanisme yang diteorikan: pengurangan kohesi, tekanan internal, atau pelepuhan metana.

Pendekatan baru bertujuan untuk menstabilkan atom yang dipindahkan menggunakan batas butir, zat terlarut berukuran besar, atau dispersi oksida (misalnya, yttria). Ini mengurangi segregasi elemen, meningkatkan keuletan dan ketahanan retak. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengoptimalkan paduan tahan radiasi.

Hingga tahun 2020, produsen RPV utama meliputi:

• Tiongkok: China First Heavy Industries, Erzhong, Harbin Electric, Shanghai Electric
• Prancis: Framatome
• India: L&T Special Steels (dengan BARC/NPCIL)
• Jepang: Japan Steel Works, IHI Corporation
• Rusia: OMZ-Izhora, ZiO-Podolsk, AEM-Atommash
• Korea Selatan: Doosan
• Inggris: Rolls-Royce (reaktor angkatan laut)