Sains di Sebalik Reaktor Nuklear

Oleh : Mohamad Hairie Rabir

Satu-satunya reaktor nuklear di Malaysia adalah Reaktor TRIGA PUSPATI, sebuah reaktor penyelidikan yang telah beroperasi lebih dari 27 tahun yang terletak di Agensi Nuklear Malaysia (ANM), Bangi Selangor . Reaktor jenis TRIGA Mark-II dengan kuasa 1Mega Watt (haba) dengan nilai fluks neutron maksimum 1E13 n/cm^2/s. Selain digunakan untuk aktiviti penyinaran neutron dan eksperimen pancaran neutron  ia juga digunakan untuk kajian tentang reaktor itu sendiri yang terdiri daripada fizik reaktor, kejuruteraan reaktor dan kejuruteraan nuklear, hidraulik haba (thermalhydraulic) dan core analysis.

Di Malaysia, di Agensi Nuklear Malaysia  tempat di mana penyelidikan-penyelidikan  ini dijalankan. Bagi fizik reaktor pula, satu-satunya kumpulan di negara ini yang berkait (penyelidikan dan khidmat teknikal) secara langsung adalah Seksyen Fizik Nuklear Dan Reaktor, Bahagian Kuasa Nuklear, Agensi Nuklear Malaysia. Rencana ringkas ini menceritakan apakah sebenarnya yang dilakukan oleh kumpulan penyelidik dalam bidang ini.

Fizik reaktor adalah bidang kajian terperinci secara teori dan eksperimen tentang kelakuan neutron dalam satu-satu sistem/himpunan yang mengandungi bahan yang boleh mencetuskan tindakbalas berantai (chain reaction) mempunyai tenaga nuklear (fissile) Objektif asas teori reaktor adalah untuk menyediakan kaedah matematik dan formulasi bagi menjelaskan taburan neutron dan tenaga di dalam reaktor. Dengan itu, kadar tindakbalas neutron dalam pelbagai bahan dapat ditentukan. Namun, masalahnya tindakbalas nuklear di dalam reaktor sangat kompleks ditambah pula dengan konfigurasi geometri bagi komponen-komponennya, menyukarkan analisis secara teoritikal dilakukan dan selalunya mustahil. Pertimbangan terpaksa dibuat dengan hanya mengambil kira penghampiran mudah, bergantung kepada sistem yang berbeza-beza. Tapi pemodelan matematik secara kasar adalah mencukupi bagi peringkat awal pemilihan skema reaktor dengan mengecilkan skop rekabentuk dalam had yang luas (contohnya hanya mempertimbangkan komponen asas yang ringkas dengan ciri-ciri yang agak fleksibel dalam pelbagai parameter pengoperasian reaktor).

Pembangunan model matematik dengan pemilihan data input yang sesuai merupakan antara cabaran utama dan masalah yang perlu diselesaikan. Pengiraan mendalam dijalankan bagi aspek yang berkaitan bergantung kepada isu yang ingin diselesaikan (contohnya taburan fluks neutron, kadar pembelahan, nilai keff, di dalam teras, dalam perisai, dalam moderator dan lain lain) namun bagi sistem yang kompleks seperti reaktor, bukan semua keadaan dapat dianalisa dengan lengkap. Walaubagaimanapun dengan bertambahnya kemajuan kaedah pengkomputeran kini, dengan penggunaan processor kelajuan tinggi, cluster computer, HPC atau high performance computing, dengan itu kemampuan untuk menjalankan pengiraan terperinci semakin meningkat.

Penentuan saiz dan jisim genting merupakan masalah penting dan pelbagai kaedah pengiraan boleh diperolehi bergantung kepada jenis sistem dan ketepatan yang diperlukan (samada untuk pengiraan keselamatan atau keperluan data teknikal bagi kendalian reaktor). Secara umumnya, masalah yang agaknya lebih sukar adalah pengiraan taburan ketumpatan neutron dalam satu-satu himpunan. Pengiraan ini adalah perlu jika kita ingin menentukan taburan kuasa dalam reaktor di mana, ia sangat penting dalam aspek pemindahan haba dalam reaktor kuasa dan aspek eksperimen bagi reaktor penyelidikan. Bagi kawalan dan keselamatan reaktor pula, pengiraan dilakukan bagi meramal perubahan populasi neutron dalam keadaan normal dan abnormal. Begitu juga bagi perubahan jangka masa panjang dalam komposisi bahan api reaktor (pengiraan burnup), dan berdasarkan ini pengiraan dibuat untuk menentukan jangka hayat bahan api tersebut  sebelum penukaran dijalankan. Berkaitan dengan masalah ini ialah analisis strategi bagi program penyusunan semula konfigurasi bahan api dalam teras reaktor (core reshuffling).

Oleh kerana masih mustahil pendekatan teori secara lengkap bagi reaktor dibuat, adalah perlu pengesahan secara eksperimen dilakukan untuk pelbagai bentuk pemodelan matematik. Biasanya keputusan dari eksperimen menjadi keutamaan dalam penyediaan data input yang mana tidak selalunya mampu diterbitkan secara lengkap dari mana-mana data asas keratan rentas nuklear. Walaupun pendekatan teori/pemodelan matematik mampu dibuat secara terperinci, data keratan rentas yang digunakan adalah tidak cukup tepat, jadi pengukuran/eksperimen menjadi satu keperluan utama. Oleh itu semakin besar penghampiran dalam pengiraan fizik reaktor, semakin tinggi keutamaan data eksperimen/pengukuran bagi memastikan tahap keyakinan terhadap pengiraan tersebut (selalunya ini disebut benchmark experiment/calculation). Inilah sedikit sebanyak apa yang dilakukan oleh ahli fizik reaktor yang bertugas di Agensi Nuklear Malaysia.

Catatan //Penulis merupakan seorang penyelidik di Agensi Nuklear Malaysia