PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI INGOT PADUAN U-Zr UNTUK BAHAN BAKAR PWR

Transkripsi

1 Urania Vl. 18 N. 3, Oktber 01: PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI INGOT PADUAN U-Zr UNTUK BAHAN BAKAR PWR Masrukan Pusat Teknlgi Bahan Bakar Nuklir - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpng, Tangerang Selatan, Masrukan006@yah.cm (Naskah diterima tanggal: , disetujui tanggal: ) ABSTRAK PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI INGOT PADUAN U-Zr UNTUK BAHAN BAKAR PWR. Pembuatan paduan U-Zr melalui cara peleburan untuk bahan bakar PWR telah dilakukan. Mulamula dibuat ingt paduan U-Zr dengan cara melebur lgam U dengan Zr didalam tungku busur listrik yang dilengkapi dengan pendingin air dan dalam suasana gas argn. Pembuatan ingt paduan U-Zr dilakukan pada knsentrasi Zr berturut-turut sebesar 35%, 45%, 55% dan 65% berat. Ingt U-Zr hasil leburan diptng-ptng untuk dikenai pengujian, diantaranya : densitas, kekerasan, mikrstruktur dan fasa. Pengujian densitas dilakukan menggunakan piknmeter, kekerasan menggunakan metda Vickers, mikrstruktur menggunakan mikrskp ptic, dan fasa menggunakan XRD. Hasil pengujian densitas menunjukkan bahwa kenaikan jumlah Zr akan menurunkan densitas, sedangkan kekerasan cenderung naik. Pada knsentrasi Zr sebesar 35% (U-35Zr) denisitas U-35Zr sebesar 11,409 g/cc dan pada knsentrasi 65%Zr (U-65Zr) densitas U-65Zr menjadi 8,4673 g/cc, sedangkan kekerasan pada 35%Zr (U-35Zr) sebesar 374 HV dan pada knsentrasi Zr sebesar 65% menjadi 400 HV. Hasil pemeriksaan mikrstruktur menunjukkan bahwa kenaikan Zr akan mengakibatkan bertambahnya jumlah butir dan fasa 1 (fasa kedua), sedangkan hasil pengujin fasa menunjukkan bahwa paduan U-Zr yang diuji didminasi leh fasa 1. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa penambahan Zr mempengaruhi sifat fisik, mekanik, dan mikrstruktur yang terbentuk. Kata kunci : bahan bakar, U-Zr, PWR. ABSTRACT THE MANUFACTURING AND CHARACTERIZATION OF U-Zr INGOT FOR PWR FUEL. Manufacturing f U-Zr ally by melting has been dne. U-Zr ally ingt was manufactured by melting U and Zr metal in electric arc furnace equipped with water cler in argn gas atmsphere. U-Zr ally was manufactured frm varius Zr cncentratins f 35%, 45%, 55% and 65% weight. The manufactured U-Zr ingt was tested fr its density, hardness, micrstructure and phases. Density test was dne with picnmeter, hardness test by Vickers methd, micrstructure examinatin with ptical micrscpe, and phases analysis with XRD. The test results shw that density f the manufactured ally decreases with increasing Zr cncentratin, while hardness increases with increasing Zr cncentratin. The density f the manufactured ally is 11,409 g/cc at Zr cncentratin f 35% (U-35Zr) and 8,4673 g/cc at Zr cncentratin f 65% (U-65Zr), while the hardness is 374 HV at 35% (U-35Zr) and 400 HV at Zr cncentratin f 65%. The micrstructure examinatin shws that increasing f Zr will increase 10

2 Pembuatan dan Karaterisasi Ingt Paduan U-Zr untuk Bahan Bakar PWR (Masrukan) the amunt f grains and 1 phases, while the phases test indicates that the manufactured U-Zr is dminated by 1 phases. It can be cnclused that adding f Zr will influence the physical behavir, mechanical prperties and micrstructure f the manufactured U-Zr ally. Key wrds: bahan bakar, U-Zr, PWR. PENDAHULUAN Penelitian dan pengembangan bahan bakar nuklir di Indnesia dilakukan leh Pusat Teknlgi Bahan Bakar Nuklir (PTBN) - Badan Tenaga Nuklir Nasinal (BATAN). Dalam pengembangan bahan bakar nuklir tersebut, penelitian dan pengembangan dibagi menjadi dua jalur yaitu pengembangan bahan bakar untuk reaktr daya dan riset. Pengembangan bahan bakar reaktr daya ditujukan untuk mendapatkan prttipe elemen bakar PWR dan mendapatkan berkas bahan bakar HWR/Cirene, sedangkan pengembangan bahan bakar reaktr riset ditujukan untuk mendapatkan bahan bakar baru berdensitas [1] tinggi dari paduan UN, U-M dan U-Zr. Dalam jangka panjang, PTBN melakukan pengembangan bahan bakar dari paduan U-Zr untuk bahan bakar reaktr riset maupun reaktr daya dalam bentuk hydrida (U-ZrHx) untuk reaktr jenis PWR (Pressurized Water Reactr). Bahan bakar reaktr jenis PWR dapat berupa bahan bakar keramik UO, hidrida uranium zircnium maupun campuran keramik dengan metal. Penggunaan bahan bakar paduan U-Zr telah lama digunakan secara luas dalam bentuk U-ZrHx untuk bahan bakar reaktr TRIGA (Training Istp by General Atmmic), dan dalam bentuk campuran U, Pu dan Zr untuk reaktr jenis FBR (Fast Bredeer Reaktr) serta EBR [] (Experiment Breeder Reactr). Desain bahan bakar baru telah diusulkan untuk mengganti bahan bakar UO dengan uranium hidrida (U-ZrHx), dimana dalam desain bahan bakar baru tersebut diperleh keuntungan yaitu dapat ditempatkan hidrgen sebagai mderatr secara langsung di dalam bahan bakar yang memungkinkan reaktr dapat berperasi pada temperatur yang relatif tinggi (hingga 750 C) serta mempunyai sifat termal lebih [3] baik dibandingkan bahan bakar keramik. Selain itu, penggunaan uranium sebagai bahan bakar uranium hidrida (U-ZrHx) membutuhkan uranium yang relatif sedikit dibandingkan dengan bahan bakar jenis lain, seperti bahan bakar keramik UO. Kelebihan yang dimiliki bahan bakar uranium hidrida ini berdampak langsung terhadap nilai eknmis disamping nilai investasi bahan bakar hidrida yang relatif lebih rendah dan eknmis daripada bahan bakar jenis keramik UO. Penggunaan bahan bakar paduan U-Zr dalam bentuk U-ZrHx mempunyai [4] beberapa keuntungan, diantaranya : (a) prmpt negative cefficient f reactivity yang tinggi, (b) Secara kimia cukup stabil (dapat di-quenching pada temperatur 100 C tanpa adanya interaksi dengan air, (c) mempunyai integritas penuh terhadap kelngsng dari bahan stainless steel dan ally 88 pada perasi reaktr hingga 950 C, (d) mampu menahan prduk fisi yang cukup tinggi, dan (e) Mempunyai sifat termal lebih baik daripada bahan bakar keramik UO. Berdasarkan uraian di atas, maka pada tahap awal penelitian ini dilakukan penelitian untuk membuat ingt paduan U-Zr U-Zr untuk bahan bakar PWR dan karakterisasinya, yang mana ingt tersebut kelak dapat diprses lebih lanjut menjadi bahan bakar hidrida uranium zircnium (UZrHx). Pada tahap awal penelitian ini dilakukan penelitian pendahuluan dengan membuat ingt paduan U-Zr dari lgam U dan Zr pada variasi kmpsisi Zr berturutturut sebesar 35% Zr, 45% Zr, 55% Zr dan 65% Zr serta dilanjutkan dengan karakterisasinya. Pembuatan ingt U-Zr dilakukan dengan cara melebur lgam U 11

3 Urania Vl. 18 N. 3, Oktber 01: dan Zr di dalam tungku busur listrik dalam suasana gas Ar, yang mana pelaksanaan peleburan dilakukan pada besaran arus 10 A dan diulang hingga lima kali. Karakterisasi pada ingt meliputi :kekerasan, termal (DTA dan DSC), sifat fisik (densitas), mekanik (kekerasan) dan mikrstruktur. Ingt yang telah dikarakterisasi nantinya dapat dibuat serbuk U-ZrHx yang dapat digunakan untuk bahan bakar PWR. Perubahan kmpsisi Zr akan mempengaruhi sifat sifat paduan U-Zr yang terbentuk, diantaranya sifat mekanik, termal, fisik dan mikrstruktur. Serangkaian percbaan yang dilakukan tersebut bertujuan untuk membuat ingt paduan U-Zr yang terkarakterisasi dan dapat digunakan untuk membuat bahan bakar reaktr PWR. TATA KERJA Lgam U yang berbentuk serpihan diptng-ptng sehingga menjadi berukuran lebih kurang 10 mm x 5 mm x mm. Demikian juga lgam Zr (berbentuk spnge) diptng-ptng menjadi berukuran lebih kurang mm x mm x mm. Bahan baku lgam U dan Zr yang telah diptng-ptng selanjutnya ditimbang sesuai dengan kmpsisi yang direncanakan, yaitu : 35% U dan 65% Zr; 45% U dan 55% Zr; 55% U dan 45% Zr; dan 65% Zrdan 35% U. Langkah selanjutnya yaitu memasukkan lgam U dan Zr tersebut ke dalam tungku peleburan dan dilakukan peleburan menggunakan arus 100 A. Hasil peleburan berupa ingt berbentuk lingkaran dengan ukuran diameter 14 mm dan ketebalan 5 mm kemudian diptng-ptng untuk dilakukan pengujian sifat-sifat yang berkaitan dengan bahan bakar, diantaranya: densitas, kekerasan, dan mikrstruktur. Pengujian densitas dilakukan dengan menggunakan peralatan piknmeter, kekerasan dengan peralatan uji kekerasan mikr, mikrstruktur dengan menggunakan mikskp ptik dan fasa dengan menggunakan XRD. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengujian densitas dengan menggunakan peralatan autpycnmeter ditampilkan dalam Gambar 1 dan Tabel 1 di Lampiran. Tabel 1 memperlihatkan penurunan densitas paduan U-Zr apabila kandungan Zr semakin bertambah. Sebagai cnth, untuk kandungan Zr 35% (U35% Zr) nilai densitas adalah sebesar 11,409 g/cc akan turun menjadi 10,061 g/cc pada kandungan Zr 45% (U45% Zr). Demikian pula untuk kandungan Zr yang lain akan mengalami kecenderungan yang sama. Hal ini disebabkan leh nilai densitas lgam Zr yang lebih rendah dibandingkan dengan densitas lgam Zr sehingga pada penambahan Zr yang semakin tinggi mengakibatkan nilai densitas paduan U-Zr menjadi semakin rendah. Densitas lgam U adalah sebesar 19,1 g/cc [5 ] sedangkan lgam Zr sebesar 5,3 g/cc. Densitas untuk bahan bakar diharapkan tinggi agar uranium yang dapat dimuatkan ke dalam bahan bakar per satuan vlum menjadi lebih banyak. Gambar 1. Kurva hasil pengujian densitas paduan U-Zr. 1

4 Pembuatan dan Karaterisasi Ingt Paduan U-Zr untuk Bahan Bakar PWR (Masrukan) Gambar. Kurva kekerasan terhadap prsentase Zr dalam paduan U-Zr. Hasil pengujian kekerasan mikr ditampilkan dalam bentuk kurva seperti pada Gambar dan Tabel 1 di Lampiran. Gambar dan Tabel di lampiran yang menampilkan hasil pengujian kekerasan mikr memperlihatkan penurunan kekerasan pada kandungan Zr dari 35% menjadi 45%, tetapi kemudian mengalami kenaikan kekerasan pada kenaikan Zr lebih tinggi. Hal ini disebabkan pada kandungan Zr sebesar 45% sampel tidak hmgen sehingga pada pengujian kekerasan indentr mengenai daerah sampel yang mempunyai tingkat kekerasan rendah. Pada kandungan Zr mencapai 55% dan 65%, kekerasan naik lagi. Hal ini disebabkan penambahan unsur Zr akan mengakibatkan terbentuknya fasa 1( UZr) semakin banyak dan butir yang terbentuk semakin halus. Apabila fasa 1 yang terbentuk semakin banyak dan butir yang terbentuk semakin halus maka gerakan dislkasi menjadi semakin sulit bergerak sehingga paduan yang terbentuk menjadi lebih keras. Pemeriksaan mikrstruktur dengan menggunakan mikrskp ptik ditampilkan pada Gambar 3.a hingga 3.d Gambar 3.a dan 3.b memperlihatkan mikrstruktur dengan ukuran butir dari kecil (halus) menjadi berukuran lebih besar (kasar), selanjutnya dari Gambar 3.b ke Gambar 3.c dan 3.d memperlihatkan ukuran butir yang semakin kecil (halus). Hal ini disebabkan kndisi sampel tidak hmgen (Gambar 3.b) sehingga menghasilkan mikrstruktur cenderung semakin membesar dan jumlah fasa semakin berkurang. Namun, pada Gambar 3.c dan 3.d ukuran butir semakin halus disertai jumlah fasa 1 yang semakin bertambah. Bertambahnya ukuran butir dan jumlah fasa 1 semakin turun kakerasan paduan, sebaliknya semakin halus ukuran butir dan bertambahnya jumlah fasa mengakibatkan naiknya kekerasan paduan. Penambahan unsur pemadu akan mengakibatkan bertambahnya jumlah butir dan fasa 1, karena unsur yang ditambahkan akan menjadi awal terbentuknya inti butir dan pada pemanasan lebih lanjut inti-inti yang terbentuk akan berubah menjadi butir-butir. Apabila dilihat dalam diagram fasa antara U dengan Zr terlihat penambahan Zr ke dalam lgam U akan membentuk fasa -U, yang mana semakin banyak Zr yang ditambahkan maka fasa 1 akan semakin meningkat jumlahnya sedangkan fasa -U semakin berkurang. Fasa 1 akan terbentuk secara ttal pada kmpsisi Zr sebesar 78% [6] atm. 13

5 Urania Vl. 18 N. 3, Oktber 01: U 1 1,5 µm 3.a. Mikrstruktur U-35Zr, diambil dengan menggunakan mikrskp ptik. 1 -U 1,5 µm 3.b. Mikrstruktur U-45Zr, diambil dengan menggunakan mikrskp ptik. -U 1 1,5 µm 1,5 µm 3.c. Mikrstruktur U-55Zr, diambil dengan menggunakan mikrskp ptik. 14

6 Pembuatan dan Karaterisasi Ingt Paduan U-Zr untuk Bahan Bakar PWR (Masrukan) 1 -U 1,5 µm 1,5 µm 3.d. Mikrstruktur U-65Zr, diambil dengan menggunakan mikrskp ptik. Gambar 3. Mikrstruktur U-Zr pada berbagai kmpsisi Zr, diambil dengan menggunakan mikrskp ptik. Gambar 4.a hingga 4.c memperlihatkan kurva sudut θ terhadap intensitas sinar hasil pengujian XRD untuk menentukan fasa yang terbentuk dari hasil peleburan U-35Zr, U-45Zr, dan U-55Zr. Hasil pengujian yang ditampilkan pada Gambar 4.a hingga c merupakan kurva antara sudut θ terhadap intensitas sinar memperlihatkan bahwa fasa yang terbentuk pada paduan U-35Zr, U-45Zr, dan U-55Zr didminasi leh fasa 1(UZr). Hal ini sesuai dengan hasil pemeriksaan mikrstruktur menggunakan mikrskp ptik. Fasa 1 (UZr) mempunyai struktur heksagnal dengan parameter kisi a= 5,03 A dan b= 3,08 A. Perhitungan sudut θ dengan [7 ] menggunakan rumus : n = d sin θ, dengan d = 1/d = 4/3 h + hk + k + l /c a Dalam rumus tersebut, merupakan panjang gelmbang dari sinar yang digunakan, dan d adalah jarak antar bidang, sedangkan a,b,c adalah panjang panjang kisi dan h, k, l adalah indeks Miller. Dalam perhitungan tersebut sumber sinar yang digunakan adalah dari lgam Cu sehingga harga panjang gelmbang ( ) [7] adalah sebesar 1,54 A. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa fasa yang terbentuk adalah fasa 1 (UZr) pada semua sampel uji U-Zr yang mempunyai knsentrasi Zr sebesar 35%, 45%, 55% dan 65%. Fasa 1 muncul pada sudut θ masing-masing sebesar 4, 60 dan 76 untuk sampel U35Zr, U-45Zr danu-65zr sedangkan untuk paduan U-55Zr muncul pada sudut θ sebesar 8,3646 ; 47,1684 ; dan 55,8464. Hasil pengujian menggunakan XRD dapat dilihat dalam Tabel 3.a hingga 3.d pada Lampiran. Fasa 1 merupakan fasa yang terbentuk antara U dengan Zr setelah batas kelarutan Zr di dalam U terlampaui. Hasil pengujian dengan XRD yang didminasi leh fasa 1 tersebut bersesuaian dengan diagram fasa antara U dengan Zr. Dari diagram fasa U-Zr seperti ditampilkan pada Gambar 1 di Lampiran terlihat bahwa apabila semakin tinggi knsentrasi lgam Zr maka fasa 1 yang terbentuk akan semakin banyak hingga knsentrasi Zr mencapai [6] 78% atm. 15

7 Urania Vl. 18 N. 3, Oktber 01: a. Kurva antara sudut θ terhadap intensitas sinar, ingt paduan U-35Zr. 4.b. Kurva antara sudut θ terhadap intensitas sinar, ingt paduan U-45Zr. 4.c. Kurva antara sudut θ terhadap intensitas sinar, ingt paduan U-65Zr. 16

8 Pembuatan dan Karaterisasi Ingt Paduan U-Zr untuk Bahan Bakar PWR (Masrukan) SIMPULAN Dari hasil percbaan pembuatan ingt dan karakterisasi paduan U-Zr untuk bahan bakar reaktr PWR dapat disimpulkan bahwa pembuatan ingt paduan U-Zr menggunakan tungku busur listrik menghasilkan ingt paduan U-Zr yang belum hmgen. Perubahan kmpsisi Zr mempengaruhi sifat fisk, mekanik, dan mikrstruktur. Penambahan Zr akan menurunkan densitas, sedangkan kekerasan paduan U-Zr naik. Pada kandungan Zr sebesar 35% densitas U-Zr sebesar 11,409 g/cc dan pada kmpsisi 65%Zr densitas U-Zr menjadi 8,4673 g/cc, sedangkan kekerasan paduan U-Zr naik dari 374 HV pada 35% Zr menjadi 400 HV pada 65% Zr. Hasil pemeriksaan mikrstruktur menunjukkan bahwa penambahan Zr akan memperhalus butir dan menambah jumlah fasa 1 yang terbentuk. Sementara itu hasil pengujian fasa menunjukkan bahwa paduan U-Zr dari 35% Zr hingga 65% Zr didminasi leh fasa 1. DAFTAR PUSTAKA [1]. Annim. (010). Rencana Strategi Pusat Teknlgi Bahan Bakar Nuklir (PTBN), Batan tahun []. _Breeder_Reaktr II. Dwnlad: tanggal [3]. Elvina Finzi, (006). An IPWR Fr Planetary Explratin Pre Feasibility Study. Plitecnic Milan, April 006. [4]. Kaufmann A.(197). Nuclear Reaktr Fuel Elements. Metallurgy And Fabricatin, U S Atmic Energy Cmmissin.New Yrk. Intersience Publisers, Jhn Wiley and Sns. Halaman [5]. Fter A R, Wrigth R L, (1975). Basic Nuclear Engineering, Bstn. Secnd Editin, Allyn and Bacn, Inc,.Hlm. 174, 459, 460. [6]. Ivanv O S, (1983 ). Phase Diagrams f Uranium Allys, New Delhi: Amerind Publishing C, PVT, Ltd. Halaman: 8-11, 55. [7]. Cullity,(1978). Elements f X-Raya Diffractin, Philipines: Addisn-Wisley Publishing Cmpanay, Inc. Hlm. 87,

9 Urania Vl. 18 N. 3, Oktber 01: Lampiran Tabel 1. Densitas paduan U-Zr pada berbagai variasi Zr. N Jenis sampel U-35Zr U-45Zr U-55Zr U-65Zr Densitas rata-rata 11,409 g/cc 10,061 g/cc 9,1749 g/cc 8,4673 g/cc Tabel. Data uji kekerasan mikr terhadap U-Zr pada berbagai variasi. Jenis sampel D1 (diameter) D (diameter) U-35Zr 31, 3,1 31, 34, 35, 34, 33,8 33,0 3,6 30,4 30,6 30,8 31,4 3,0 31,0 34,4 34,8 34, 33,0 3,4 33, 30,0 30,8 30, U-45Zr U-55Zr U-65Zr D ratarata 31,3 3,1 31,1 34, , 33,4 3,7 3,9 30, 30,7 30,5 HV Hv ratarata ,67 340, Tabel 3.a Hasil pengujian XRD untuk paduan U-35Zr. N Ps. [ Th.] d-spacing [Å] Rel. Int. [%] FWHM [ Th.] Area [cts* Th.] Backgr. [cts] Height [cts]

10 Kinetika Pertumbuhan Butir Paduan Zry-4 Sn Rendah (Sugnd) Lampiran Tabel 3.b. Hasil pengujian XRD untuk paduan U-45Zr. N Ps. [ Th.] d-spacing [Å] Rel. Int. [%] FWHM [ Th.] Area [cts* Th.] Backgr.[cts] Height [cts] Tabel 3.c. Hasil pengujian XRD untuk paduan U-65Zr. N Ps. [ Th.] d-spacing [Å] Rel. Int. [%] FWHM [ Th.] Area [cts* Th.] Backgr. [cts] Height [cts] [6] Gambar 1. Diagram fasa U-Zr. 19