PENGARUH KlO, LilO DAN CaO P ADA KUALITAS LIMBAH HASIL VITRIFlKASI

Transkripsi

1 ,. PENGARUH KlO, LilO DAN CaO P ADA KUALITAS LIMBAH HASIL VITRIFlKASI Aisyah, Herlan Martono P2TLR-BATAN ABSTRAK PENGARUH K20, LhO DAN CaD PADA KUALITAS LlMBAH HASIL VITRIFIKASI. Gelas borosilikat dipilih sebagai bahan mattiks untuk vittifikasi limbah aktivitas tinggi. Komposisi limbah ini ditentukan dengan Otigen-2 berdasarkan alas reaktor PWR dengan pengkayaan uranium 4,5 %, fraksi bakar MWDIMTU, tenaga spesifik 38 MWDIMTU dan lama pendinginan 4 tahun. Telah dipelajati pengaruh kandungan K20, LhO DAN CaD terhadap kualitas limbah yaitu dengan pengukur harga laju pelindihannya. Pengaruh kandungan K20 dan LtO mempunyai pola yang mitip satu sarna lain. Untuk kandungan K20 sampai dengan 3,08 % berat membetikan harga laju pelindihan 2,65x10-5 gcm-2.hari1 terjadi kenaikan 15,22 % dati gelas limbah standar. Sedangkan untuk kandungan LhO 3,62 % berat membetikan harga laju pelindihan 2,52x10-5 gcm-2.haril terjadi kenaikan 9,56 % dati gelas limbah standar. Ini berarti makin besar kandungan K20 dan LhO kualitas gelas limbah menurun. Makin tinggi kandungan CaD menaikkan kualitas gelas limbah. Untuk kandungan CaD 3,08 % berat membetikan harga laju pelindihan 1,61x10-5 gcm-2 haril terjadi penurunan 30 % dati gelas limbah standar. ABSTRACT EFFECT OF K20, Li20 AND CaD TO THE VITRIFIED WASTE. The boroslicate glass is chosen as the matrix material for high level waste vitrification. The waste compocition is detennined by using Origen-2 based on PWR type with 4.5 % uranium enrichment, 45,000 MWDIMTU bum up, specific energy of 38 MWDIMTU and 4 years colling down. The effect of K20, CaD and Li20 to the quality of waste glass by measuring of their leaching rates have been studied. The result showed that K20 and Li20 effect have the similar shape one each other. At 3,08 % of weight K20 the leaching rate is 2.65x10-5 gcm-2.day.1 is % greath compared to the value of standard waste glass. While at 3,62 % of weight Li20 the leaching rate of 2. 52x 10-5 gcm-2.day-1 is 9.56 % greather than the value of standard waste glass. It means the higher K20 and U20 contents cause the quality of waste glass decrease. The higher CaD content results in higher the waste glass quality. At 3.08 % of weight CaD content the leaching rate is 1.61x10-5 gcm-.day-1 is 30 % reduced compared to the value of the satndard waste glass. PENDAHULUA:N L imbah radioaktif cair yang paling tinggi aktivitasnya adalah limbah cair yang berasal dari ekstraksi siklus pertama proses daur ulang bahan bakar bekas reaktor. Proses daur ulang adalah proses untuk mengambil kembali uranium yang tidak terbakar dan plutonium yang terjadi dari bahan bakar bekas. Pacta ekstraksi siklus pertama proses daur ulang dilakukan pemisahan uranium, plutonium dan unsur aktinida lain dari hasil belah. Larutan yang mengandung uranium, plutonium dan unsur aktinida lain dan sedikit hasil belah diproses lebih lanjut untuk mengambil kembali uranium dan plutonium, sedangkan larutan yang banyak mengandung basil belah dan sedikit aktinida serta mempunyai keasaman yang tinggi sekitar 6-8 M sebagai limbah cair aktivitas tingi (LCA T) yang skemanya disajikan pada Gambar 1 1]. Salah satu kriteria pemilihan bahan matriks untuk imobilisasi LCA T adalah kemampuannya untuk menampung limbah sebesar-besamya. Namun hal ini dibatasi oleh panas yang ditimbulkan dari radionuklida yang ada dalam limbah. Adanya panas ini d?;>at menurunkan ketahanan kimia basil imobilisasi. Oleh karena itu kandungan limbah dalam bahan matriks dibatasi maksimum 30% beret. Sedangkan untuk mengurangi panas radiasi yang dipancarkan oleh radionuklida dalam limbah maka kandungan basil belah dalam geias-limbah juga dibatasi maksimum 10%.

2 494 Buku II Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999 Ly u, Pu Hasil pelarutanbahan bakar bekas Ekstraksi sikfus I I.. l Ekstraksi siklus II -:y Aktinida lain +(U. Pu) sedikit + hasil,pdlnqinan 4 Vitrifikasi dengan qelas borosilikat. belah sedikit '" 1150.C.. Gambar 1. Skemaprosespengelo1aanLCAT Ada beberapa jenis bahan yang telah dipelajari untuk imobilisasi LCA T, yaitu gelas, synrock dan vitromet. Gelas dipilih karena relatif mudah membuatnya dari pacta synrock dan vitromet serta gelas mempunyai stabilitas dalam jangka panjang[2]. Gelas yang pemah dikembangkan yaitu jenis gelas fosfat, gelas alumino silikat, gelas borosilikat dan gel as keramik. Gelas alumino silikat pemah dikembangkan di USA, tetapi tidak lagi dikembangkan lebih lanjut karena suhu pembuatannya tinggi sekitar 1350 C dan kandungan limbahnya lebih kecil dari 10%[3]. Pad a penerapan dalam skala industri, suhu pembuatan yang tinggi akan mengakibatkan refraktori (bata tahan api) lebih cepat korosi sehingga umur melter lebih pendek. Hal ini akan lebih banyak menimbulkan limbah radioaktif parlato Keuntungan gelas fosfat adalah relatif rendah suhu pembentukannya yaitu 900 C, sehingga penguapan zat volatil rutenium dan cesium lebih sedikit dan semua oksida dapat larot tanpa terjadinya rase pemisah. Pengembangan gelas fosfat tidak dilanjutkan karena gelas fosfat sangat korosif dan mempunyai kecenderungan untuk mengalami devitrifikasi pacta suhu yang relatif rendah sekitar 400 C. Gelas borosilikat suhu pembentukannya lebih tinggi yaitu 1150 C; ketahanan kimianya lebih tinggi dan mengalami devitriflkasi pacta suhu yang lebih tinggi dibandingkan gelas fosfat[4]. Berdasarkan pertimbangan teknik pembuatan, stabilitas dalam jangka panjang dan kandungan limbahnya, gelas borosilikat dipilih untuk imobilisasi LCA T dan cara ini telah digunakan dalam skala industri di beberapa negara maju. lmobilisasi LCA T dengan gelas disebut vitrifikasi. Komposisi LCA T yang dihasilkan dari proses daur ulang tergantung dari jenis reaktor, besarnya pengkayaan bahan bakar, fraksi bakar (burn up), tenaga spesifik dan lama pendinginan. Komposisi ini dapat ditentukan secara analisis ataupun menggunakan program komputer Origen 2. Komposisi LCA T yang digunakan dalam penelitian ini ditentukan dengan Origen 2 berdasarkan atas reaktor PWR, fraksi bakar MWD/MTU, pengayaan uranium 4,5%, tenaga spesifik 38 MWDIMTU dad lama pendinginan sebelum proses vitrifikasi 4 tahun. Unsur-unsur pembentuk geias-lirnbah masing-masing mempunyai fungsi yang berbedabeda dad akan mempengaruhi karakteristik gelaslirnbah yang dihasilkan. Perubahan salah satu unsur pembentuk geias-limbah ak berakibat perubahan karakteristik geias-limbah, misalnya Na20 dalam geias-limbah akan membentuk rase pemisah jika melebihi 10%. Unsur-unsur Mo dad Pu yang berlebih juga dapat membentuk rase pemisah yang dapat mempengaruhi viskositas gelas limbah. Oksida K2O, CaD dad Li2O merupakan unsur-unsur pembentuk gelas yang dapat mempengaruhi titik leleh dad viskositas geias-limbah. Suhu leleh gelas didefmisikan sebagai suhu dimana viskositasnya 100 poise. Oksida K2O dapat menurunkan suhu leleh geias-lirnbah sedangkan CaD pada suhu tinggi akan menurunkan viskositas dad pada suhu rendah akan menaikkan viskositas. Oksida Li2O mempunyai pengaruh yang hampir sarna dengan K2O yaitu dapat menurunkan suhu leleh gelas-limbah[4,si. Beberapa karakteristik gelas borosilikat adalah densitas, koefisien muai panjang, hantaran panas, viskositas, laju pelindihan, devitrifikasi, titik pelunakan, hantaran listrik, panas jenis dan kekuatan mekanik. Penelitian karakteristik gelas ini sangat penting untuk perancangan dad operasi tungku, perancangan canister dad penyimpanan sementara. Perubahan salah satu unsur tertentu dapat mengakibatkan perubahan karakteristik gelas yang dihasilkan. Pada penelitian terdahulu telah dipelajari pengaruh kandungan limbah terhadap karakteristik gelas limbah sepenti devitrifikasi, densitas, koefisien muai panjang, titik pelunakan dad laju pelindihan[6,71. Untuk kandungan limbah yang makin tinggi maka akan meningkatkan densitas, koefisien muai panjang, titik pelunakan dad laju pelindihan, sedangkan harga koefisien muai panjang dad titik pelunakan relatif tidak berubah. Dalam penelitian kali ini dipelajari sejauh mana pengaruh kandungan K2O, Li2O dad CaD yang terkandung dalam unsur Pengolahan Limbah Radioaktif & Lingkungan

3 -==i l Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah P3TM-BATAN, Yogyakarta Juli 1999 Buku J/ 495 pembentuk gelas terhadap kualitas gelas-limbah yang dihasilkan yaitu dengan mengukur harga laju pelindihannya. Laju pelindihan merupakan salah satu karakteristik gelas-limbah yang penting dipelajari untuk mengevaluasi kualitas hasil vitrifikasi, mengingat tujuan akhir dari vitrifikasi limbah adalah memperkecil potensi terlepasnya radionuklida yang ada dalam limbah ke lingkungan. Laju pelindihan dapat diartikan sebagai korosi yaitu kerusakan bahan yang dapat diukur dengan adanya kehilangan berat ataupun dengan laju pelindihan yang dapat ditentukan dengan mengukur jumlah unsur tertentu yang terlepas dari bahan. Oalam penelitian di laboratorium penentuan laju pelindihan ini digunakan untuk mengevaluasi kualitas bahan yaitu dengan mengevaluasi laju kerusakannya. Sudah barang tentu kualitas bahan ini berkaitan dengan ketahanan kimia yang berkaitan dengan potensi terlepasnya radionuklida. Ada 2 metoda pengujian laju pelindihan yaitu laju pelindihan dipercepat clan laju pelindihan jangka panjang. Pengujian laju pelindihan dipercepat digunakan dalam penelitian jangka pendek untuk meneliti efek dari beberapa parameter. Pengujian ini menggunakan suhu yang lebih tinggi (100 C) untuk mempercepat pelindihan, yaitu dengan mengekstrak contoh dengan alat Sokhlet. Menurut pustaka [4] laju pelindihan yang dilakukan pada suhu 100 C slama 24 jam setara dengan laju pelindihan pada suhu kamar (24 C) selama I tahun. Pengujian laju pelindihan jangka panjang dilakukan dengan memakai simulasi kondisi lingkungan dalam penyimpanan. Pada penelitian ini harga laju pelindihan ditentukan dengan metoda sokhlet, yaitu dengan mengukur laju kerusakan bahan berdasarkan berat contoh yang hilang. Pengujian dilakukan pada suhu 100 C selama 24 jam clan digunakan rumus sebagai berikut[8]: gelas-limbah milik PNC (Power Reactor and Fuel Development Corporation) yang komposisinya disajikan pacta Tabell [81. Tabell. Komposisi gelas limbah standari61 BahanJ>embe!!!!!kG -t - Si02 -- % Berat 43,15 B2D3 14,20 Li2D- 3,12 Na20 1,0 K2D 2,01 CaO 2,05 Zno 2,10 A1203 3,53.imbah: Na20 9,0 Fe2D3 + Cr20i + NiO 1,01 Hasil belah (termasuk aktinida) 18,83 La'u lindihan 2,'}x10-5 qcm-2.hari-1 Beberapa komposisi contoh gelas.,limbah simulasi dibuat untuk berbagai jenis parameter pengujian. Tabel 1 menunjukkan komposisi contoh gelas limbah simulasi standar. Komposisi contoh gelas-limbah simulasi yang lain dibuat dengan memvariasikan kandungan K2O (1,03; 1,54: 2,05; 2,56 dan 3,08% beret), CaD (1,03; 1,54; 2,35 dan 3,08 % beret) dan Li2O (2,07; 2,58; 3,05,dan 3,62 % berat). Masing-masing contoh gelas-limbah tersebut dibuat dengan cara mencampuroksida-oksida yang terkandung dalam komposisi sampai homogen dan dimasukkan ke dalam cawan platina untuk dipanaskan dalam t(mgku pada suhu 1150 C selama 2,5 jam sambil dilakukan pengadukan secara berkala. Annealing dilakukan selama 2 jam pada suhu 510 DC dan dilanjutkan dengan pendinginan dengan laju 16,7 DC per jam. o,--o-.., pendingin w -w = 0 S.t.Wo dimana: L = laju pelindihan (gcm-2hari-1 S = luas pennukaan contoh (cm2g"1 Wo = berat contoh sebelum pengujian (g) w = berat contoh sesudah pengujian (g) t = waktu pengujian (hari) ( mantel (1) TATA KERJA - -- i,- "" peny;ngga Bahan Dalam penelitian ini digunakan limbah simulasi. Bahan yang digunakan berasal dari produk E. Merck yang berupa serbuk, yaitu oksida-oksida kemumian tinggi sedangkan sebagai standar dipakai Gombar 2. Gombar alat uji pelindihar/6] Dalam penelitian ini sifat kimia yang diuji adalah laju pelindihan dipercepat dalam medium air

4 496 Buku II (aquades). Contoh gelas limbah dihaluskan hingga ukuran /lm. Setelah dicuci dengan alkohol, untuk menghilangkan butir halus yang menempel pacta permukaan gelas limbah, contoh kemudian dipanaskan pacta suhu 110 DC dalam oven selama 2 jam. Contoh dimasukkan ke dalam basket dad dipasang pacta sohklet untuk direfluks dengan aquades selama 24 jam pacta suhu 100 DC dengan skema alat disajikan pacta Gambar 2. Harga laju pelindihan dihitung berdasarkan berat yang hilang dengan persamaan 1. HASIL 3.00E-05 ' 2.5DE;.OO 2.O :s f.oo&d? 'i g,. 5.00&00 S- O.00 E:.oo DAN P]MBAHASAN :3 4 KN1'dunva O (. b.r) Gambar 3. Pengaruh kandungan K]O terhadap laju pelindihan gelas limbah -'-Sbool 0 1 :2 3 4 Kandunan LlzO{% r.) Gambar 4. Pengaruh kandungan LhO terhadap laju pelindihan gelas limbah 2.50&05 IV of E Q S c == "Q.: iu'..j 0.00 EtOO Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli Kandungan CaO (-I. bera) Gambar 5. Pengaruh kandungan CoO laju pelindihan gelas limbah terhadap Hasil penelitian disajikan pada Gambar 3, 4 clan 5. Gambar 3 menunjukkan pengaruh K2O terhadap laju pelindihan gelas limbah. Dari gambar tersebut tampak bahwa semakin besar kandungan K2O maka harga laju pelindindihan akan meningkat. Seperti diterangkan dimuka bahwa adanya oksida K2O dalam gelas limbah akan menurunkan suhu lelehnya. Dengan berubahnya suhu leleh maka berubah pula karakteristik gelas limbah lainnya seperti viskositas clan densitas. Akibat turunnya suhu leleh gelas limbah maka viskositas gelas limbah pada suhu pembuatan gelas limbah menjadi turun, gelas limbah menjadi lebih encer. Gelas limbah yang lebih encer mempunyai ikatan yang lebih renggang sehingga menurunkan ketahanan kimianya yaitu laju pelindihannya menjadi meningkat. Untuk K2O dalam gelas limbah sampai dengan 3,08 % memberikan harga laju pelindihan sebesar 2,65xl0-s gcm-2hanl menaikkan harga laju pelindihan sebesar 15,22.% dari harga laju pelindihan standar. Sebetulnya makin tinggi kandungan K2O akan semakin menguntungkan dalam hal umur melter. Karena suhu pelelehan gelas limbah menjadi turun sehingga korosi me Iter dapat lebih diperkecil. Namun demikian untuk kandungan yang lebih besar dari standan akan menurunkan kualitas gelas.limbah clan ini tidak dikehendaki. Gambar 4 menunjukkan pengaruh kandungan Li2O terhadap laju pelindihan gelas limbah. Dari gambar tampak bahwa makin tinggi kandungan Li2O akan memberikan harga laju pelindihan yang makin besar. Hal ini karena oksida Li2O berpengaruh terhadap suhu leleh gelas limbah yang mengakibatkan berubahnya karakteristik gelas limbah seperti densitas. Untuk kandungan Li2O yang makin besar akan menurunkan suhu leleh yang akan mengakibatkan turunnya densitas gelas limbah. Densitas gelas linbah yang turun menyebabkan jumlah pori dalam gelas limbah cenderung lebih banyak sehingga gelas limbah menjadi lebih rapuh. Hal ini mengakibatkan ketahanan kimianya menurun yaitu laju pelindihannya makin besar. Pengolahan Limbah Radioaktif & Lingkungan.

5 Prosiding Perlemuan dan Presentasi llmiah P3TM-BATAN, Yogyakarla Ju/i 1999 Buku II 497 Untuk kandungan Li2O sebesar 3,62 % memberikan harga laju pelindihan sebesar 2,52 gcm-2 hari-1 terjadi kenaikkan laju pelindihan sebesar 9,56% dari harga laju pelindihan standar. Seperti halnya dengan K2O maka semakin besar kandungan Li2O lebih menguntungkan dari segi umur melter, namun kualitas geias-limbah akan menurun. Untuk penurunan kualitas geias-limbah yang tidak terlalu besar dapat dikompensasi dengan meningkatkan sistem penahan ganda pada penyimpanan lestari, namun hal ini perlu diperhitungkan segi ekonominya. Gambar 5 menunjukkan pengaruh kandungan CaO terhadap laju pelindihan gelas- I imbah. Dalam gambar tampak bahwa makin besar kandungan CaO akan menurunkan laju pelindihan geias-limbah, artinya kualitas gelas-limbah semakin baik. Kandungan CaO sampai dengan 3,08% berat memberikan harga laju pelindihan 1,61.gcm-2hari-1 terjadi penurunan laju pelindihan 30.% dari gelaslimbah standar yang mengandung CaO 2,05%. Kandungan CaO dalam gelas-limbah disarankan maksimum sarna dengan gelas standar. Kenaikan kandungan CaO sampai menaikkan suhu leleh sebesar 50 C masih diperkenankan. Titik lebur geias-limbah (1150 C C)[9). Kandungan CaO yang lebih besar lagi akan menaikkan densitas sehingga suhu pelelehan geias-limbah naik dan untuk mengeluarkan lelehan geias-limbah dari melter ke canister perlu suhu yang lebih tinggi 1agi. KESIMPULAN Kualitas geias-limbah hasil vitrifikasi dievaluasi dengan mengukur harga laju pelindihannya. Harga laju pelindihan diukur berdasarkan berat contoh yang hilang menggunakan alat sohklet. Hasil yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa pengaruh kandungan K2O dad Li2O terhadap laju pelindihan gelas limbah mempunyai kecenderungan pola yang mirip satu sarna lain. Semakin tinggi kandungan K2O dan Li2O akan menurunkan kualitas gelas limbah. Kandungan K2O salnpai dengan 3,08 % berat meningkatkan laju pelindihan 15,22 % dari harga laju pelindihan standar sedangkan kandungan Li2O sarnpai dengan 3,62 % berat meningkatkan laju pelindihan 9,56% dari harga laju pelindihan standar. Hal ini tidak disarankan karena kualitas gelas-limbah hasil vitrifikasi menjadi turun. Kandungan CaO juga berpengaruh terhadap laju pelindihan gelas-limbah. Kandungan CaO sampai dengan 3,08 % berat menurunkan laju pelindihan sebesar 30% dari gelas-limbah standar. lni berarti meningkatkan kualitas gelas-limbah yang dihasilkan. Penambahan CaO lebih lanjut akan meningkatkan viskositas yang dalam aplikasinya mengakibatkan lelehan geias-limbah sukar dikeluarkan dari mlter ke canister sehingga perlu suhu yang lebih tinggi lagi. DAFTAR PUSTAKA MARTONO, H., Gelas sebagai perangkap limbah radioaktif beraktivitas tinggi, Thesis Magister, Univ. Indonesia, Jakarta (1992) 2 IAEA., Technical Report Series No. 187, Characteristics of Solidified on High Level Waste Product, Vienna (1979). 3. IAEA, Technical Report Series No. 257, Chemical Durability and Related Properties of Solidified High Level Waste Form, Vienna (1985). 4, MENDEL,J.E. et al., The Fixation or>high Level Waste in Glasses, PNL.. Richland, May (1985). 5. CHICK, L.A. et al., The Effects of Composition on Properties in an II-Component Nuclear Waste Glass System, Pasific North-West Laboratory, Washington, September (1981). 6. AISYAH dan MARTONO, H., Penentuan devitriflkasi gelas-limbah secara mikroskopik (Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan Dan Teknologi Nuklir), PPNY-BATAN, Yogyakarta (1992). 7. AISYAH dan MARTONO, H., Imobilisasi limbah aktivitas tinggi dengan gelas, (Prosiding Presentash Ilmi,ah Daur Bahan Bakar Nuklir III), PEBN-BATAN, Jakarta, 4-5 Nopember (1997). 8 MARTONO, H., Characterization of Waste Glass and Treatment of High Level Liquid Waste, Report at Tokai Works-PNC, Japan (1988). 9. RA WSON,H., Properties and Applications of Glass, Elsevier Scientific Publishing company, New York (1980). Pengolahan limbah Radioaktif & Lingkungan