~ REAKTOR CHERNOBYL: Desain yang cacat ~ Kunci Sukses Suatu Pembangunan Engineering Bergantung Kualitas Desain

Gambar : Reaktor Nuklir Chernobyl Ukraina

Pada tanggal 26 April 1986 telah terjadi kecelakaan terparah dalam industri nuklir dunia yaitu pada reaktor Chernobyl unit 4. Inilah satu-satunya kecelakaan dalam sejarah PLTN komersial yang menimbulkan korban jiwa terkait dengan radiasi.

Desain reaktor Chernobyl hanya digunakan di Blok Timur dan tidak satupun negara lain di dunia yang menggunakan desain reaktor semacam ini, yaitu reaktor berpendingin air ringan dan moderator grafit. Meskipun demikian, kecelakaan ini sangat memengaruhi perkembangan pemanfaatan energi nuklir di banyak negara, khususnya di Eropa yang kemudian mem-pertimbangkan untuk menghentikan penggunaan nuklir dalam penyediaan listrik. Sejak saat itu juga di Amerika tidak ada satu pun unit PLTN yang dibangun.

Kecelakaan yang terjadi di Chernobyl, Ukraina, adalah akibat dari desain reaktor yang “cacat” secara fisika. Desain reaktor Chernobyl sangat buruk dari segi keselamatan karena sangat mudah mengarah kepada kondisi operasi yang berbahaya. Pada kejadian kecelakaan ini juga ada kesealahan serius yang dilakukan oleh operator. Pada saat itu operator tidak diberitahu dan tidak menyadari bagwa pengujian yang dilakukan dapat mengarah kepada kondisi eksplosif. Selain itu, operator itu juga melanggar prosedur operasi yang telah ditetapkan. Jadi sesungguhnya, kecelakaan Chernobyl terjadi sebagai akibat kombinasi desain yang cacat dan kesalahan manusia.

Pada tanggal 26 April 1986 telah terjadi suatu kecelakaan terparah dalam industri nuklir dunia yaitu pada reaktor Chernobyl unit 4. Inilah satu-satunya kecelakaan dalam sejarah PLTN komersial yang menimbulkan korban jiwa terkait dengan radiasi. Desain reaktor Chernobyl hanya digunakan di Blok Timur dan tidak satupun negara lain di dunia yang menggunakan desain reaktor semacam ini yaitu gabungan antara pendingin air ringan dan moderator grafit. Meskipun demikian, kecelakaan ini sangat memengaruhi perkembangan pemanfaatan energi nuklir di banyak negara, secara khusus di Eropa dengan banyaknya negara yang mempertimbangkan untuk berhenti bahkan ada yang memutuskan untuk menghentikan penggunaan nuklir dalam penyediaan listrik. Sejak saat itu juga di Amerika tidak ada satu pun unit PLTN yang dibangun.

Kecelakaan yang terjadi di Chernobyl, Ukraina, adalah akibat dari desain reaktor yang “cacat” secara fisika. Desain reaktor Chernobyl sangat buruk dari segi keselamatan karena sangat mudah mengarah kepada kondisi operasi yang berbahaya. Pada saat kecelakaan itu juga ada kesalahan serius yang dilakukan oleh operator. Pada saat itu operator tidak diberitahu dan tidak menyadari bahwa pengujian yang dilakukan dapat mengarah kepada kondisi eksplosif. Selain itu, operator juga melanggar prosedur operasi yang telah ditetapkan. Jadi sesungguhnya, kecelakaan Chernobyl terjadi sebagai akibat kombinasi desain yang cacat dan kesalahan manusia.

Lokasi

Kompleks Chernobyl (orang Ukraina menyebutnya Chornobyl) berada sekitar 130 km utara kota Kiev di Ukraina, dan sekitar 20 km selatan perbatasan dengan Belarusia. Di lokasi itu terdapat empat unit reaktor nuklir tipe RBMK (reaktor bolshoy moshchnosty kanalny, reaktor kanal daya tinggi) dengan daya listrik 1000MW. Unit 1 dan 2 dibangun di antara tahun 1970 dan 1977, sedangkan Unit 3 dan 4 diselesaikan pada tahun 1983. Pada saat kecelakaan, 2 unit reaktor dengan tipe yang sama sedang dibangun.

Wilayah Ukraina ini merupakan wilayah dengan densitas penduduk yang rendah, dalam radius 30 km dari PLTN jumlah penduduk diperkirakan sekitar 115 ribu sampai 135 ribu. Sekitar 3 km dari lokasi reaktor terdapat sebuah kota baru, Pripyat, dengan penduduk sekitar 49 ribu. Kota lama Chernobyl terletak sekitar 15 km arah tenggara dari kompleks PLTN Chernobyl, berpenduduk sekitar 12.500.

Tipe Reaktor

Pada saat kecelakaan Chernobyl terjadi, program energi nuklir Uni Soviet didasarkan kepada 2 tipe reaktor yaitu VVER (reaktor air ringan bertekanan), dan RBMK (reaktor air ringan bermoderator grafit). Tipe VVER diekspor ke negara lain, sedangkan RBMK hanya digunakan di negara blok Uni Soviet.

RBMK-1000 adalah sebuah reaktor air didih dengan bahan bakar uranium dioksida berpengayaan rendah (2% U-235). Reaktor ini memiliki 2 loop yang memasok uap secara langsung ke turbin. Air pendingin yang berasal dari tabung pemisah uap dialirkan oleh pompa ke bagian bawah kanal bahan bakar. Air ini akan mengambil panas yang dihasilkan oleh reaksi inti bahan bakar dan mengalami pendidihan pada saat melalui tabung tekan (pressure tubes). Uap menuju pemisah uap/air kemudian menuju dua buah turbin dengan daya masing-masing 500MWe.

Tabung tekan berisi bahan bakar uranium dioksida yang dibungkus tabung zirconium alloy. Sebuah mesin isi ulang bahan bakar secara khusus dirancang untuk dapat mengisikan bundel bahan bakar tanpa mematikan reaktor.

Moderator terbuat dari grafit diletakkan di sekeliling tabung tekan. Moderator ini berfungsi untuk menurunkan energi neutron agar terjadi pembelahan inti bahan bakar secara lebih efisien. Campuran gas nitrogen dan hidrogen disirkulasikan di antara blok-blok grafit untuk mencegah oksidasi grafit dan meningkatkan perpindahan panas dari grafit akibat interaksi neutron dengan grafit ke kanal bahan bakar.

Teras reaktor berbentuk silinder dengan tinggi sekitar 7 m dan diameter sekitar 12 m. Pada masing-masing loop terdapat empat pompa sirkulasi pendingin utama, satu di antaranya selalu dalam posisistandby. Daya reaktor dikendalikan dengan 211 batang kendali.

Berdasarkan kaidah dan standar yang umum digunakan oleh perancang reaktor di bagian dunia lainnya, reaktor RBMK memiliki cacat sejak dari desain. Cacat desain ini menimbulkan beberapa kelemahan pada reaktor secara keseluruhan yang mudah mengarah kepada kondisi operasi yang berbahaya.

Kelemahan

Kelemahan1: Reaktivitas Uap Positif

Walaupun memiliki sistem keselamatan, misalnya sistem pendingin reaktor darurat (ECCS), desain reaktor ini memiliki kelemahan secara melekat yaitu memiliki koefisien reaktivitas uap (void) positif.

Di dalam reaktor air didih selalu terdapat sejumlah uap di dalam terasnya. Karena air merupakan pendingin yang lebih efisien dan penyerap neutron yang lebih efektif daripada uap air, maka perubahan gelembung uap (void) di dalam pendingin akan menghasilkan perubahan reaktivitas teras reaktor. Rasio perubahan ini disebut dengan koefisien reaktivitas uap (void coefficient of reactivity). Nilai koefisien ini bergantung kepada komposisi teras reaktor. Bila koefisien ini bernilai negatif, maka peningkatan jumlah uap justru akan menurunkan reaktivitas reaktor (menurunkan laju reaksi pembelahan inti).

Pada reaktor yang menggunakan air sebagai pendingin dan moderator sekaligus, peningkatan gelembung uap akan menurunkan kemampuan memperlambat neutron yang diperlukan untuk terjadinya reaksi berantai, sehingga daya reaktor akan menurun akibat berkurangnya laju reaksi pembelahan inti. Inilah salah satu ciri keselamatan mendasar pada kebanyakan reaktor Barat.

Pada reaktor yang memiliki bahan pendingin dan moderator yang berbeda, peningkatan geleumbung uap air akan menurunkan kemampuan pendinginan reaktor, tetapi karena moderator tetap berfungsi maka reaksi berantai tetap berlanjut. Di dalam jenis reaktor semacam ini, misalnya RBMK, sifat penyerapan neutron yang ada pada air pendingin merupakan satu faktor penting dalam pengoperasian reaktor. Dalam hal ini, penurunan penyerapan neutron oleh pendingin air akibat meningkatknya jumlah gelembung uap, dan adanya neutron bebas, meningkatkan jumlah reaksi berantai. Hal ini akan meningkatkan reaktivitas reaktor.

Tentu saja koefisien reaktivitas uap ini hanya salah satu penentu terhadap koefisien reaktivitas reaktor secara keseluruhan, namun dalam hal reaktor Chernobyl, koefisien ini merupakan komponen yang dominan, khususnya pada saat reaktor beroperasi pada daya rendah. Pada saat kecelakaan terjadi, koefisien reaktivitas uap ini sangat positif sehingga tidak dapat dikompensasi oleh sistem pengendalian reaktivitas lainnya. Pada saat daya reaktor meningkat, lebih banyak gelembung dihasilkan yang mengakibatkan semakin sedikitnya serapan neutron oleh pendingin, dan akibatnya daya semakin meningkat karena semakin banyak terjadi reaksi berantai pembelahan inti. Proses demikian terus berlanjut hingga akhirnya daya reaktor meningkat dengan cepat sampai mencapai sekitar 100 kali daya terpasangnya.

Kelemahan 2: Desain Batang Kendali dan Keselamatan

Batang kendali dan keselamatan RBMK didesain untuk masuk ke dalam teras dari atas, kecuali 24 batang yang lebih pendek yang dimasukkan dari bawah yang digunakan untuk membuat distribusi daya lebih rata. Sebuah batang grafit yang disebut 'displacer' ditempelkan pada kedua ujung penyerap pada tiap batang, kecuali pada 12 batang yang digunakan untuk pengendalian otomatis. Dimensi batang dandisplacer ditetapkan sehingga ketika batang ditarik keluar dari teras sepenuhnya displacer berada di tengah bagian aktif teras reaktor, dan air setinggi 1,25 m berada di atas dan di bawah displacerini. Pada saat ada sinyal pancung yang mengakibatkan semua batang yang terangkat penuh masuk ke dalam teras, keberadaan air di bagian bawah kanal bahan bakar yang menurun menimbulkan reaktivitas positif secara lokal di bagian bawah teras reaktor. Besarnya pengaruh 'positive scram' ini bergantung kepada distribusi kerapatan daya dan kondisi operasi reaktor.

Kelemahan 3: Kecepatan Masuk Batang Proteksi Kedaruratan

Kecepatan total yang diperlukan untuk memasukkan batang proteksi kedaruratan (scram rods) ke dalam teras dari posisi paling atas adalah 18 detik. Ini terhitung lambat menurut standar Barat. Lambatnya batang masuk ke dalam teras ini terutama karena sempitnya kanal dan air di dalamnya menahan laju turun batang.

Kelemahan 4: Pengendalian Daya

Desain reaktor ini memiliki kelemahan dalam pengaturan daya rendah. Pengendalian pada tingkat daya rendah hanya mengandalkan semata-mata pada detektor yang berada di luar teras. Detektor di luar teras reaktor tidak memberikan petunjuk mengenai distribusi fluks neutron di dalam teras secara horisontal maupun aksial, sehingga operator tidak bisa sepenuhnya mengetahui daya total dan distribusi daya secara spasial. Jadi pada saat mengendalikan reaktor pada tingkat daya rendah, operator hanya mengandalkan pengalaman dan intuisi, bukannya angka yang terbaca pada instrumentasi sistem kendali.

Kelemahan 5: Instrumentasi Untuk Margin Reaktivitas

Komputer dan instrumentasi yang digunakan untuk menentukan margin reaktivitas berada pada jarak sekitar 50 m dari konsol kendali. Sistem akuisisi data menerima masukan sekitar 4000 data. Sistem ini digunakan untuk menghitung margin reaktivitas operasi (ORM) secara periodik. Sistem data membutuhkan waktu sekitar 10 – 15 menit untuk melalui semua pengukuran dan menghitung ORM.

Kelemahan 6: Ukuran Teras

Karena ukuran teras yang terbilang besar (tinggi 7 m, diameter 11,8 m), reaksi berantai yang terjadi di salah satu bagian reaktor hampir-hampir tidak terkopel dengan reaksi yang terjadi di bagian yang agak jauh. Hal ini mengakibatkan pengendalian daya dalam teras ini seperti mengendalikan beberapa reaktor yang terpisah di dalam satu teras. Dalam kondisi ekstrim, hal ini dapat membuat reaktor menjadi sangat tidak stabil, karena perubahan kecil distribusi reaktivitas secara spasial dapat menyebabkan perubahan besar distribusi daya. Manifestasi keterpisahan teras ini terlihat sesaat sebelum kejadian yaitu reaksi berantai di bagian atas dan di bagian bawah reaktor terjadi secara independen. Ketika batang kendali dan batang keselamatan dimasukkan ke dalam teras dari posisi keluar sepenuhnya, efek positive scram dapat menyebabkan bagian bawah teras menjadi superkritis (fluks neutron meningkat dari kondisi sebelumnya) dan distribusi neutron mengarah ke bagian bawah dengan cepat, tidak bergantung kepada distribusi neutron sebelum batang dimasukkan. Pada kondisi semacam ini, perubahan distribusi daya akibatpositive scram bisa sangat besar.

Kelemahan 7: Kemungkinan Mengubah Sistem Keselamatan, Plant trips dan Alarm

Di reaktor Chernobyl Unit 4, operator dapat secara manual tidak memfungsikan sistem keselamatan tertentu, memintas automatic scram trips, dan melakukan reset atau mematikan berbagai sinyal alarm. Semua ini dapat dilakukan hanya dengan menggunakan kawat jumper ke terminal yang dapat dijangkau. Prosedur semacam ini diizinkan pada kondisi tertentu.

Kelemahan 8: Suhu Air Masuk

Reaktor RBMK adalah reaktor air didih. Air pendingin masuk ke dalam reaktor dari bawah dengan temperatur di bawah temperatur didih sesuai dengan tekanannya. Air ini akan mendidih di dalam bejana tekan mulai dari posisi tertentu di atas pintu masuknya. Analisis dan eksperimen menunjukkan bahwa beda antara temperatur air masuk dengan titik didihnya (subcooling) sangat penting bagi kestabilan reaktor. Jika beda temperatur ini mendekati nol, maka pendidihan akan terjadi hampir di pintu masuk teras, dan karena adanya koefisien reaktivitas uap, maka efek reaktivitas menjadi sangat sensitif terhadap temperatur air pendingin masuk ke dalam teras. Selain itu, karena hampir tidak ada beda temperatur air pendingin dari saat keluar pompa dan masuk ke dalam teras, temperatur air di dalam pompa dan di pintu masuk pompa dapat juga mendekati titik didih. Akibatnya, fungsi pompa dapat terganggu bahkan dapat berhenti sama sekali karena kavitasi.

Kelemahan 9: Sistem Pendingin Primer

RBMK memiliki dua loop pendingin primer yang terpisah. Masing-masing loope memiliki empat pompa, 3 di antaranya digunakan dalam operasi normal, dan satu sebagai backup yang akan digunakan jika salah satu di antara ketiga pompa tadi tidak berfungsi. Setiap pompa memiliki kapasitas 5500 – 12000 m3/jam.

Pada kondisi normal, laju alir setiap pompa adalah 8000 m3/jam, temperatur pendingin masuk ke teras 270C dan temperatur keluar 284C pada tekanan 7 MPa (sekitar 70 atm). Temperature air yang mengalir ke suction header pompa sirkulasi utama bergantung kepada laju produksi uap di reaktor karena uap akan terkondensasi setelah melewati turbin dan menjadi bagian dari air umpan yang melewati pompa dan masuk ke teras reaktor kembali. Pada saat aliran air umpan ke dalam reaktor berkurang, maka temperatur pendingin pada pintu masuk pompa dan pintu masuk teras reaktor akan meningkat. Dalam operasi menghidupkan dan mematikan reaktor secara normal, laju air pendingin primer dikendalikan dengan katup pengendali bertipe throttle untuk menurunkan laju alir menjadi sekitar 6000-7000 m3/jam. Lebih sedikit pompa yang digunakan pada fase daya rendah saat operasi menghidupkan atau mematikan reaktor. Upaya ini dilakukan untuk memastikan temperatur utama pada pintu masuk pompa sirkulasi utama cukup rendah untuk mencegah terjadinya kavitasi di dalam pompa dan untuk menjaga agar distrbusi produksi uap secara aksial di dalam kanal bahan bakar baik.

Desain sistem perpipaan dalam sistem pendingin primer ditambah dengan adanya koefisien uap positif menyebabkan reaktor sangat sensitif terhadap gangguan atau kegagalan fungsi pompa, khususnya pada saat terjadi kecelakaan.

Kelemahan 10: Pengungkung

Salah satu bagian dari sistem keselamatan di reaktor nuklir pada umumnya adalah pengungkung. Salah satu tujuan dari pengungkung ini adalah untuk menahan agar jika terjadi lepasan bahan radioaktif dari teras reaktor, bahan ini tidak ke luar dari bangunan reaktor ke lingkungan.

Di Chernobyl, reaktor hanya dikungkung dalam suatu struktur bangunan berdinding metal yang tipis. Reaktor di Amerika dan negara lain selain Rusia dan bekas Uni Soviet menggunakan pengungkung beton bertulang dengan ketebalan antara 3 sampai 6 kaki. Seandainya pada waktu itu reaktor Chernobyl memiliki pengungkung yang lazim pada desain reaktor lainnya di dunia, maka bisa jadi akibat dari kecelakaan tidak sampai separah itu.

Pelajaran

Beberapa dekade telah berlalu dari saat kejadian tersebut, faktor utama penyebab kecelakaan pun semakin difahami. Secara umum dapat dikatakan bahwa kecelakaan Chernobyl terjadi akibat adanya desain reaktor yang cacat dari segi keselamatan dan rendahnya budaya keselamatan, dan juga lemahnya pengawasan.

Walaupun desain reaktor RBMK Chernobyl tidak ada di negara lain selain Rusia atau negara-negara eks Uni Soviet sehingga kecelakaan semacam itu kemungkinan besar tidak akan pernah terjadi di tempat lain, kecelakaan Chernobyl memberikan pelajaran yang sangat berarti bagi semua orang terkait dengan industri nuklir di seluruh dunia. Salah satu pelajaran itu adalah meningkatnya kepedulian terhadap keselamatan reaktor pada operator, perancang dan produsen reaktor. Konvensi Keselamatan Nuklir yang diadopsi di Wina pada Juni 1994 juga merupakan salah satu hasil.

Peningkatan kepedulian terhadap keselamatan ini meningkat dengan pesat secara khusus di Eropa Timur. Keselamatan semua reaktor rancangan Soviet sangat meningkat akibat berkembangnya budaya keselamatan yang didorong oleh kolaborasi antara Timur dan Barat, selain investasi besar untuk meningkatkan sistem keselamatan. Modifikasi telah dilakukan pada semua reaktor RBMK yang masih beroperasi melalui perubahan desain batang kendali, penambahan penyerap neutron dan peningkatan pengayaan bahan bakar dari 1,8% menjadi 2,4%, sehingga reaktor ini menjadi jauh lebih stabil pada operasi daya rendah. Mekanisme mematikan reaktor secara otomatis menjadi lebih cepat, dan mekanisme keselamatan lain ditingkatkan. Peralatan inspeksi otomatis pun juga dipasang. Dengan demikian kecelakaan yang terjadi di Chernobyl tidak lagi akan terjadi pada reaktor sejenis yang masih beroperasi di Rusia dan negara lain eks Uni Soviet.

Bagi Indonesia yang memiliki rencana memanfaatkan energi nuklir dalam memenuhi kebutuhan listrik, pilihan teknologi mungkin tidak menjadi masalah. Yang terpenting bagi Indonesia adalah pengembangan budaya keselamatan di industri yang akan terkait dengan pembangunan dan pengoperasian PLTN.

Salah satu pokok keberatan beberapa orang yang menolak pembangunan PLTN di Indonesia adalah karena sifat orang Indonesia yang ceroboh atau tidak peka terhadap budaya keselamatan. Pernyataan ini bisa dilihat bisa benar, tetapi juga bisa salah. Pernyataan bahwa orang Indonesia ceroboh membawa implikasi bahwa tidak satu pun orang Indonesia yang tidak ceroboh. Atau, jika ada orang yang tidak ceroboh berarti dia bukan orang Indonesia. Tentu saja faktanya tidaklah demikian: dapat ditemukan bahwa ada orang Indonesia, yang betul-betul Indonesia, yang tidak ceroboh, sehingga pernyataan bahwasemua orang Indonesia ceroboh secara logika tidak berterima secara umum. Tentu saja ada sebagian orang Indonesia yang tidak ceroboh, dan ini berarti ada sebagian orang Indonesia yang sudah memiliki budaya keselamatan.

Dengan sistem manajemen yang baik dan pelatihan yang tepat, orang Indonesia pasti mampu memiliki budaya keselamatan yang baik. Sebuah studi terkait dengan budaya keselamatan dan industri berisiko tinggi memberikan kesimpulan antara lain sebagai berikut:

1. budaya keselamatan dapat dibentuk sebagai sub-budaya dengan menggunakan pendekatan baru yang tidak lagi didasarkan kepada standar dan prosedur dan sistem manajemen saja, tetapi juga dengan pendekatan yang lebih “manusiawi” dengan memasukkan faktor-faktor psikologis dalam mengintervensi tingkah laku individu.
2. Pendapat bahwa bangsa Indonesia memiliki budaya keselamatan yang buruk sehingga tianggap tidak mampu mengelola industri berisiko tinggi tidaklah betul. Terbukti dari hasil penelitian ini, terdapat contoh konkrit industri (operator) yang telah mampu mengembangkan safety management dan telah mengimplementasikan tingkat safety culture kelas dunia.

Semoga PLTN dapat terwujud di Indonesia demi kemakmuran bangsa.

Acuan

1. Anonim, INSAG-7 Chernobyl Accident: Updating of INSAG-1, IAEA, Vienna, 1992
2. Anonim, Chernobyl’s Legacy: Health, Environmental and Socio-economic Impacts and Recommendations to the Governments of Belarus, the Russian Federation and Ukraine, The Chernobyl Forum: 2003–2005, Second revised version
3. Mikhail V. MALKO, The Chernobyl Reactor: Design Features and Reasons for Accident, www.rri.kyoto-u.ac.jp/NSRG/reports/kr79/kr79pdf/Malko1.pdf
4. http://www.worldatlas.com/
5. Anonim, Chernobyl: Assessment of Radiological and Health Impact 2002 Update of Chernobyl: Ten Years On, http://www.nea.fr/rp/chernobyl/c01.html
6. http://www.world-nuclear.org/info/chernobyl/inf07.html
7. http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/fact-sheets/chernobyl-bg.html
8. http://www.world-nuclear.org/info/inf31.htm
9. http://www.world-nuclear.org/info/inf06.html
10. http://www.radiationanswers.org/radiation-resources/misc/chernobyl.html
11. http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/fact-sheets/fschernobyl.html
12. Hamdi Muluk, dkk., Budaya Keselamatan & Industri Berisiko Tinggi, Komunitas Bambu, Depok, Juni 2009

Posted in: