Pendahuluan: Mengapa Reaktor Nuklir Butuh SPRA Generasi Baru
Sejak awal industri pembangkit listrik tenaga nuklir (NPP) di Amerika Serikat, aspek keselamatan terhadap bencana alam telah menjadi bagian dari regulasi wajib. Namun, pendekatan awal bersifat deterministik dan sangat konservatif, sehingga kurang realistis dalam menilai risiko nyata. Kini, pendekatan baru berbasis probabilistik dan risk-informed diadopsi secara luas, termasuk dalam menanggapi insiden seperti Fukushima 2011.
Dokumen ini menyoroti pengembangan MASTODON, alat baru berbasis MOOSE (Multiphysics Object-Oriented Simulation Environment) yang memungkinkan analisis seismik secara dinamis, realistis, dan terintegrasi dengan komponen lain dalam evaluasi keselamatan NPP. MASTODON menjadi pusat pengembangan dalam program Advanced Seismic Probabilistic Risk Assessment (ASPRA) di bawah RISMC (Risk-Informed Safety Margin Characterization).
Tujuan dan Konteks Penelitian
Artikel ini mengevaluasi kemampuan MASTODON untuk:
- Melakukan simulasi nonlinier interaksi tanah-struktur (NLSSI) 3D.
- Menggabungkan analisis probabilistik dan deterministik dalam satu platform.
- Menghitung fragilitas seismik berbasis permintaan lokal (seperti percepatan lantai).
- Menyediakan dasar untuk PRA berbasis waktu, bukan hanya berbasis intensitas.
Dengan kata lain, MASTODON menyatukan semua proses dalam SPRA—dari simulasi gempa hingga perhitungan risiko sistemik—tanpa perlu berpindah antar software atau spreadsheet.
MASTODON: Fitur Utama & Inovasi Teknis
1. Simulasi Fisik ‘Source-to-Site’
MASTODON mampu memodelkan:
- Ruptur patahan gempa,
- Perambatan gelombang nonlinier dalam tanah,
- Interaksi nonlinier tanah-struktur 3D, serta
- Efek lanjutan seperti uplift, sliding, dan gapping di antarmuka fondasi.
MASTODON mengintegrasikan model I-soil (tanah histeretik 3D) dan metode domain reduction untuk input gempa kompleks.
2. Penggunaan Backbone Curve Otomatis
- Dukungan Darendeli (2001) dan GQ/H (Groholski et al. 2016) untuk prediksi perilaku regangan besar tanah.
- Verifikasi terhadap DEEPSOIL dan LS-DYNA menunjukkan kesesuaian hasil.
Contoh:
- Model tanah 3D: 36x36x20 m dengan 20 lapisan.
- Pengujian menggunakan gempa Chi-Chi 1999 dan Coyote 1979 menunjukkan respons spektral yang konsisten dengan DEEPSOIL dan LS-DYNA.
SPRA dengan MASTODON: Proses Baru yang Terintegrasi
Langkah-Langkah Analisis SPRA:
- Pre-processing: Definisikan distribusi, lakukan sampling (Monte Carlo/Sobol), dan setup simulasi.
- Simulasi stokastik: Jalankan ribuan skenario gempa virtual menggunakan MultiApp dan Sampler.
- Perhitungan fragilitas (Enhanced Fragility):
- Berdasarkan permintaan lokal (bukan hanya PGA).
- Mempertimbangkan ketidakpastian aleatorik dan epistemik.
- Input: distribusi kapasitas SSC (lognormal), respons simulasi.
- Fault Tree Analysis (FTA):
- Minimal cutset via algoritma MOCUS.
- Metode kalkulasi: rare-event, upper bound, exact.
- Post-processing: Hasil seperti Housner Spectrum Intensity, response histories, response spectra.
Studi Kasus: Bangunan 4 Lantai + Fault Tree Sederhana
Studi ini menganalisis probabilitas kegagalan sistem pada bangunan bertingkat empat dengan dinding geser (shear wall) yang memiliki frekuensi alami sebesar 12 Hz, menggunakan pendekatan simulasi Monte Carlo sebanyak 30 sampel. Bangunan ini dilengkapi dengan tiga komponen penting: pompa, baterai, dan switchgear. Parameter stokastik utama dalam analisis ini mencakup kekakuan geser (dengan distribusi lognormal, median 1280 kip/ft, σ = 1.5) dan densitas material (median 2000 kcf, σ = 1.3), serta input percepatan tanah puncak (PGA) sebesar 0.6g. Berdasarkan hasil analisis, probabilitas kegagalan komponen individu menunjukkan bahwa baterai memiliki probabilitas kegagalan tertinggi sebesar 0.055, diikuti oleh switchgear sebesar 0.043, dan pompa sebesar 0.039. Perhitungan probabilitas top event pada fault tree menggunakan tiga metode berbeda, yaitu metode eksak (exact), batas atas (upper bound), dan pendekatan rare-event, yang semuanya menghasilkan nilai yang hampir identik, dengan probabilitas tertinggi sebesar 0.05667. Hasil ini menunjukkan bahwa meskipun masing-masing komponen memiliki tingkat kegagalan yang relatif kecil, akumulasi logika kegagalan dalam struktur sistem dapat menghasilkan probabilitas kegagalan sistem secara keseluruhan yang signifikan.
Nilai Tambah dan Keunggulan MASTODON
1. All-in-One Platform
Tidak perlu lagi menggunakan DEEPSOIL untuk site response, Excel untuk fragilitas, dan SAP2000 untuk respons struktur—semua terintegrasi di MASTODON.
2. Mengurangi Ketidakpastian
Dengan menghilangkan asumsi linearitas dan menggunakan simulasi stokastik, ketidakpastian teknis menjadi lebih terkendali.
3. Relevansi Industri
Cocok diterapkan untuk:
- Evaluasi ulang desain PLTN pasca-Fukushima.
- Pembangunan reaktor baru dengan desain modular kecil (SMR).
- Infrastruktur kritis lain (dam, pusat data, fasilitas pertahanan sipil).
Tinjauan Kritis & Arah Pengembangan
Kelebihan:
- Kapabilitas verifikasi tinggi (dibanding DEEPSOIL dan LS-DYNA).
- Basis MOOSE mendukung fleksibilitas dan integrasi.
- Siap mendukung PRA berbasis waktu.
Kekurangan & Tantangan:
- Masih beta: fitur seperti node set post-processing dan full event tree automation belum aktif.
- Dokumentasi user masih dalam pengembangan walau sudah berbasis web.
Pengembangan ke Depan:
- Penambahan elemen damping independen frekuensi dan seismic isolation.
- Implementasi PRA kebakaran seismik.
- Otomatisasi penting untuk full time-based PRA.
Kesimpulan: MASTODON Mengubah Wajah SPRA
MASTODON bukan sekadar alat simulasi, tapi fondasi untuk revolusi digital SPRA. Dengan kemampuan integrasi penuh, analisis stokastik realistis, dan pendekatan berbasis permintaan lokal, ia menjawab tantangan utama dalam desain dan evaluasi keselamatan reaktor nuklir modern. Dalam beberapa tahun ke depan, MASTODON berpotensi menjadi standar emas dalam PRA eksternal berbasis gempa.
Sumber : ASPRA_Beta_1_Report_RISMC V4 – Idaho National Laboratory (INL), Light Water Reactor Sustainability Program, Office of Nuclear Engineering, U.S. Department of Energy.