KETAHANAN KOROSI CANISTER LIMBAH AKTIVITAS TINGGI DALAM PENYIMPANAN PADA FORMASI GEOLOGI.

Transkripsi

1 -150 ISSN 02]6-3]28 Aisyah, dkk. KETAHANAN KOROSI CANISTER LIMBAH AKTIVITAS TINGGI DALAM PENYIMPANAN PADA FORMASI GEOLOGI. Aisyah, Her/an Martono Pusat Teknologi Limball Radioak/if - BATAN ABSTRAK KETAHANAN KOROSI CANISTER L1MBAH AKT/VITAS T1NGGI DALAM PENYIMPANAN PADA FORMASI GEOLOGI. Limball cair ak/ivitas tinggi adalall Iimball yang berasal dad proses olall ulang ballan bakar nuk/ir bekas. Limball ini banyak mengandung hasi/ belah dan sedikit aktinida. Umbah ini diimobiliwsi dengan gelas borosilikat dan dimasukkan dalam canister pada sullll II()() lie kemudian disimpan semen/ara di interm storage dengan sistem pendingin selama 3() - 5() tahun. Setelall 5() talllln panas yang timbultidak cukup un/uk menimbulkan devitrifikasi selanjutnya disimpan lestari pada formasi geologi. Telall dipelajari ketallanan korosi baja tahan karat AISI 3M, 3()4L dan 321 sebagai canister Iimball aktivitas tinggi. Pada saat proses penuangan lelehan gelas-iimbah dari melter ke dalam canister memungkinkan canister mengalami korosi batas butir. Jika canister ini pada penyimpanan lestari kontak dengan air tanall atau air tanall yang melarutkan bahan urug bentonit, maka akan mempercepat laju korosinya. Sebagai simulasi proses penuangan lelellan gelas-iimball dari melter ke dalam canister, maka dalam penelitian dilakukan perlakuan panas pada suhu 7()() IIC dan I f()() c, dan selanjutnya di/akukan pengujian korosi dan pengamatan struktur mikro. Bahan AISI 3M mempunyai harga laju korosi paling besar dibandingkan dengan AISI 3()4L dan 321. Bahan AISI 321 memiliki ketahanan korosi yang paling baik dibandingkan dengan AISI 3M maupun 3()4L. Ketahanan korosi ini disebabkan karena adanya kandungan titanium dalam bahan AISI 321. ABSTRACT TilE CORROSION RESISTANCE OF H1GII LEVEL WASTE CANISTER IN THE GEOLOGIC DISPOSAL. Higll level liquid waste is generated from tile spent nue/ear fuel reprocessing. This waste contains fission product and small amount of actinides. This waste was imobilized with borosilicate glass and canned into canister at temperature of II()() IIC and then stored at the interm storage witll cooling system for 3() - 5() years. Ajier 5() years heat effect is not enough to arise devitrification, and then disposed in geologic formation. Tile stainless steel of AISI 3()4, 3()4L and 321 as high level waste canisters were studied. When draining melted waste-glass from melter to canister it could make grain boundary corrosion at canister. The corrosion rate of canister increase if canister contact with groundwater or groundwater contained bentonite in the disposal site. As simulation of melted waste-glass drain process from melter to canister. heat treatment were conducted at temperature of 7()() lie and II()() lie. and then corrosion testing and microstructure visual were done. Stainless steel AISI 3()4 has tile highest corrosion rate compare with stainless steel AISI 3()4L and AISI 321. The best corrosion resistance is stainless steel AISI 321 compare with stainless steel AISI 3()4 and 3()4L, because it has contained titanium. PENDAHULUAN Pemanfaatan bidang akanteknologi menimbulkan nuklir berbagai dalam berbagai jenis limbah yang harus dikelola dengan baik dan sesuai dengan standar. Salah satu jenis limbah yang ditimbulkan adalah limbah aktivitas tinggi. Pada daur bahan bakar terbuka, yang dikategorikan limbah aktivitas tinggi adalah bahan bakar bekas reaktor. Pada daur bahan bakar tertutup, dilakukan proses olah ulang bahan bakar bekas (reprocessing), sehingga ditimbulkan limbah aktivitas tinggi (LA T). Limbah cair aktivitas tinggi adalah limbah yang berasal dari ekstraksi siklus pertama proses olah ulang bahan bakar bekas. Limbah ini sebagian besar mengandung produk fisi dan sedikit aktinida. Dalam proses olah ulang, selain LCA T dihasilkan juga limbah cair transuranium(lctru). Limbah ini mengandung banyak aktinida dan sedikit produk fisi yang timbul dari ekstraksi siklus II proses olah ulang bahan bakar bekas II). Berdasarkan pengalaman negara rnaju seperti yang dilakukan di JNC Jepang misalnya, irnobilisasi LCA T dilakukan dengan gelas borosilikat. Limbah aktivitas tinggi dicampur dengan bahan pembentuk gelas dan dilelehkan pada suhu 1150 DC, dan lelehan gelas-limbah dimasukkan dalam canister. Canister terbuat dari Prosiding PPI - PDlPTN 2005

2 ,-II,\'\'lIlt. dkk. ISSN mlll Jl2N 15/ baja lalhiil karat yang bcrbentuk silindcr dcngan dial11ctcr luar , tinggi 1040 nun dan Icbal , scpel1i yang disajikan pada Gambar I. <E-- TUlup '.... -E- Ketebal.~. Baja tahan Gambar 1. Canister limbah aktivitas tinggi /2,31 Kapasitas canister adalah 300 kg gelas-limbah. Pengisian gelas-limbah kedalam canister dilakukan pad a suhu leleh gelas-limbah 1100 C dengan laju alir sebesar 150 kg/jam, sehingga pengisian akan memakan waktu 2 jam. Akibat adanya perlakuan panas pada saal penuangan gelas-limbah, memungkinkan canister yang terbuat dari baja tahan karat akan mengalami korosi batas butir (sensitisasi) [2.31. Multlbe,rter Gambar 2. Sistem penahan ganda dalam penyimpanan pada formasi geologi Canister yang telah berisi gelas-limbah kemudian disimpan pada penyimpanan sementara (interim storage) selama tahun yang dilengkapi dengan sistem pendingin udara hembus. Selanjutnya canister yang berisi gelas-limbah disimpan lestari pada formasi geologi (geologic disposal) pada kedalaman sekitar 500 meter yang dilengkapi dengan penahan ganda rekayasa (engineer harrier). Gambar 2 I11cnunjukkan sistcl11 penahan ganda rekayasa dalarn penyirnpanan pada formasi geologi yang terdiri dari padatan limbah (embedded waste), canister, overpack, backfill material dan kondisi geologi setempat. Sistem penahan ganda ini dirnaksudkan untuk rnerninimalkan potensi terlepasnya radionuklida yang masih cukup potensial ke lingkungan [2.4]. Backfill material rnerupakan penahan ganda rekayasa yang ditempatkan melingkupi seluruh tumpukan limbah dan berfungsi sebagai penahan intrusi air tanah kedalam canister yang telah berisi gelas-limbah. Jika air tanah sempat mencapai canister yang kemudian terjadi korosi dan air tanah kontak dengan gelas-limbah, sehingga radionuklida keluar canister, maka radionuklida ini akan diserap oleh backfill material. Oleh karena itu yang dipih sebagai backfill material adalah bahan dengan 'daya serap yang tinggi. Bentonit dengan kandungan utamanya montmorillonit merupakan salah satu bahan yang mempunyai harga koetisien distribusi cukup tinggi, artinya bahan ini mampu menyerap radionuklida yang terlepas dari limbah dengan baik, sehingga sudah umum dipilih sebagai baclifill material PI. Pada penyirnpanan dalam formasi geologi, idealnya dipilih lapisan batuan yang kedap air dan tanpa adanya retakan. Namun berdasarkan beberapa penelitian, kebanyakan lapisan batuan yang ada di Indonesia mengalami keretakan. Adanya retakan ini memungkinkan intrusi air tanah kedalam tempat penyimpanan dan menerobos lapisan benton it. Jika terjadi kejenuhan lapisan benton it, maka air tanah yang bercampur dengan benton it akan kontak dengan canister sehingga akan mempercepat laju korosi canister yang telah mengalami korosi batas butir pada saat penuangan gelas-limbah. Oleh karena itu sebagai canister dipersyaratkan bahan dengan ketahanan korosi yang cukup tinggi. Baja tahan karat (stainless steel) adalah baja paduan yang mengandung Cr minimum 12 %. Ketahanan korosinya diberikan oleh suatu lapisan yang sangat tipis dari oksida krom yang dapat melindunginya terhadap pengaruh lingkungan. Baja tahan karat austenitik AISI 304 adalah jenis baja tahan karat yang paling banyak digunakan, karena memiliki ketahanan korosi dan mampu bentuk yang baik. Akan tetapi baja tahan karat ini sangat sensitif terhadap korosi batas butir. Oleh karena itu dari AISI seri 300 ini kemudian dikernbangkan beberapa jenis baja tahan karat lainnya dengan menambahkan unsur-unsur pemadu tertentu dan pengurangan kadar karbon. Bahan AISI 304L digunakan dalam pemakaian yang memerlukan pengelasan. Kadar karbon yang rendah (simbol L) Prosiding PPI - PDIPTN 2006

3 /52 ISSN Aisyall. du. - Contoh yang tejah mengajami perlakuan panas, diamplas sampai halus untuk selanjutnya dilakukan pengamatan struktur mikro dan penentuan laju korosi. Penentuan laju korosi TATAKERJA Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja tahan karat austenitik AISI 304 dan AISI 304L. - AISI 304 dengan komposisi : C : 0,06 %; Mn: 1,81 %; Si: 0,27 %; P: 0,020 %; S: 0,008 %; Cr: 18 %; Ni: 9,87 % dan Fe: balance [7]. - AISI 304L dengan komposisi : C : 0,020 %; Mn: 1,610%; Si: 0,500 %; P: 0,023 %; S: 0,004 %; Cr : 18,3 %; Ni: 10,22 % dan Fe: balance [7]. - AISI 321 dengan komposisi : C : 0,051 %; Mn: 1,77 %; Si: 0,390 %; P: 0,024 %; S: 0,003 %; Cr: 17,44 %; Ni: 10,60 %, Ti: 0,54 % dan Fe: balance [7]. - Untuk pengamatan struktur mikro digunakan larutan etsa Kroll dengan komposisi 5%HN %HF+85%H20[8]. - Media pengkorosi adalah air tanah dan larutan benton it 2,5 %. Metode Perlakuan panas - Simulasi perlakuan panas canister dilakukan dengan pemanasan contoh (AISI 304, A!S! 304L dan AIS! 321) yang berbentuk lingkaran dengan diameter ± 17 mm pada suhu 700 dan 1100 c selama 2 jam dan diikuti dengan pendinginan cepat dalam air (quenching). Laju korosi biasanya dinyatakan dengan laju penetrasi logam (mpy: mils per year) atau laju pengurangan be rat (mdd: mgldm2hari) dinyatakan dengan persamaan [9]. W Laju korosi = 0,129 ikor (-) p dimana: ikor : rapat arus korosi (JlA/cm2) W : berat ekivalen (g.ekivalen) p : rapat massa logam (glcm3) 0,129 : faktor konversi Pengamatan struktur mikro Pengamatan struktur mikro dimaksudkan untuk mengamati daerah batas butir terhadap indikasi terjadinya korosi batas butir. Pengamatan dilakukan terhadap' contoh yang telah mengalami perlakuan panas pad a suhu 700 dan 1100 DC. Contoh yang telah mengalami perlakuan panas diamplas sampai halus, dietsa dengan menggunakan larutan kroll, untuk kemudian diamati Scanning Electron Microscope (SEM). HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil percobaan disajikan pada Gambar 3, 4, dan 5. Gambar 3 dan 4 menunjukkan pengaruh perlakuan panas terhadap laju korosi bahan AISI 304, 304L dan 321 dalam media pengkorosi air tanah dan larutan benton it. - Secara keseluruhan tampak bahwa Gambar 3. dan 4 mempunyai pola yang mirip satu sarna lain yaitu harga laju korosi tertinggi adalah pada bahan A!S! 304, kemudian A!S! 304L dan terendah pada bahan A!S! 321, baik pada perlakuan panas pada suhu 700 C maupun pada suhu 1100 DC. Pada Gambar 3 tampak bahwa untuk bahan AIS! 304, 304L dan 321 baik pada perlakuan panas pad a suhu 700 C maupun pada 1100 c pada media pengkorosi air tanah mempunyai harga laju korosi yang sedikit lebih kecil dibandingkan dengan harga laju korosi bahan A!SI 304, 304L dan 321 baik pada perlakuan panas pada suhu 700 C maupun pada 1100 c pada media pengkorosi larutan benton it seperti yang disajikan pada Gambar 4. Hal ini tc~jadi karcna Prosiding PPI - PDIPTN 2005 Yogyakarta, 10 Jull 2006

4 A isyah, dkk. ISSN /53 0, ~ 0,012 3" adanya kontak langsung antara butiran-butiran halus bentonit dengan bahan, sehingga terjadi sedikit pengikisan lapisan pelindung krom oksida yang mengakibatkan lebih mudah terkorosi. DCl11ikianjuga daerah batas butir yang memang karena adanya perlakuan panas pada saat penuangan gelas-limbah kedalam canister telah mengalami korosi batas butir yaitu berkurangnya kadar krom bat as butir sehingga daerah batas butir akan lebih mudah terserang korosi. Hal inilah yang mengakibatkan harga laju korosi meningkat. 0,02 '" 0,008 0,01 0,016 ~ 0,014 0,006 0,018 0,002a 0,004 j e Suhu (.C) Gambar 3. Pengaruh perlakuan panas terhadap laju korosi dalam media air tanah " 0 ~ e 0, eaisi321.aisi = 0,015.AISI304L '", Suhu (.C) _ 0,02 0,025 Gambar 4. Pengaruh perlakuan panas terhadap laju korosi dalam media larutan benton it 2,5 % Gambar 3 dan Gambar 4 menunjukkan pengaruh perlakuan panas terhadap laju korosi dalam media pengkorosi air tanah dan larutan benton it. Pada ke dua gambar tampak bahwa untuk baja tahan karat AISI 304L memiliki harga laju korosi yang lebih kecil dari pada baja tahan karat AISI 304 baik untuk perlakuan panas pada suhu 700 C maupun 1100 DC. Oemikian juga jika diamati bahwa perlakuan panas pad a suhu 1100 c memberikan harga laju korosi yang lebih kecil daripada perlakuan panas pada suhu 700 C baik untuk contoh baja tahan karat AISI 304 maupun 304L. Hal ini terjadi karena kadar karbon dalam baja tahan karat AISI 304L sangat kecil (0,02%) yaitu 1/3 (sepertiga) dari kadar karbon dalam baja tahan karat AISI 304 (0,06%). Adanya perlakuan panas, maka bahan dengan kadar karbon yang kecil sui it untuk terbentuk presipitat krom karbida (Cr23C6) pada batas butir yang menjadi penyebab terjadinya korosi batas butir [10]. Bahan yang seperti ini mempunyai tingkat energi yang lebih kecil, sehingga pada saat pengujian korosi jumlah elektron yang sedikit ini akan mengakibatkan arus yang terukur kecil sehingga laju korosinya keci!. Selain itu tampak pula bahwa pada perlakuan panas pada suhu 1100 c memberikan harga laju korosi yang lebih kecil dari pad a perlakuan panas pad a 700 C baik untuk contoh baja tahan karat AISI 304 maupun 304L. Hal ini terjadi karena pada suhu 1100 c bahan berada pada kondisi satu fase yaitu fase austenit bebas presipitat krom karbida. Tidak adanya presipitat krom karbida menjadikan batas butir tidak kekurangan krom sehingga tidak mudah terkorosi. Oalam pengujian korosi, bahan pad a kondisi ini berada dalam kesetimbangan dengan jumlah energi yang kecil, sehingga jumlah elektron yang bergerak dari anoda ke katoda relatif kecil dan berakibat arus yang terukurpun kecil, sehingga harga laju korosinya keci!. Oari Gambar 3 maupun 4 juga tampak bahwa untuk bahan AISI 321 memiliki harga laju korosi yang relatif stabil dan paling rendah dibandingkan dengan bahan AISI 304 dan 304L baik yang mengalami perlakuan panas pada suhu 700 C maupun pad a 1100 c pada media pengkorosi air tanah maupun pada larutan bentonit. Hal ini terjadi karena adanya unsur titanium yang merata pada permukaan bahan. Adanya perlakuan panas pad a suhu sensitisasi (700 C) maka karbon yang biasanya bergerak ke batas butir dan berikatan dengan krom sehingga membentuk presipitat krom karbida (Cr23C6), maka karbon akan berikatan dengan titaniun sehingga membentuk TiC. Adanya TiC dan tidak terbentuknya Cr23C6 ini dapat mengindikasikan tidak terjadinya daerah deplesi krom yang menjadi penyebab bahan terserang korosi batas butir. Oalam hal ini lapisan pelindung krom oksida tidak rusak dengan adanya perlakuan panas sehingga bahan terlindungi dari kontak langsung dengan media pengkorosi. Hal inilah yang mengakibatkan harga laju korosi bahan AISI 321 yang rendah [10]. Prosiding PPI - PDIPTN 2006

5 -/54 ISSN Aisyalr, dkk. Gambar 5. Struktur mikro baja tahan karat, pengamatan dengan SEM (AI)' AISI 304, perlakuan panas pada 700 C (A2). AISI 304, perlakuan panas pada I 100 C (B.). AISI 304L, perlakuan panas pada 700 C (B2). AISI 304L, perlakuan panas pada I 100 C (C1). AISI 321, perlakuan panas pada 700 C (C2). AISI 321, perlakuan panas pada I 100 C Prosiding PPI - PDIPTN 2005

6 A isyah, dkk ~ 1100 c~ ~ ; Co ~ 900 J! o 0,02 0,04 0,06 0,08 0,I 0, ,16 ~d.r karbon (% b.r.t) ISSN /55 menunjukkan struktur mikro bahan AISI 321 yang mengalami perlakuan panas pada suhu 700 C dan 1100 c. Pada Gambar 5C1 tampak adanya presipitat TiC yang menyebar pada matriks karena adanya perlakuan panas pada suhu 700 C sedangkan Gambar 5C2 menunjukkan masih adanya presipitat TiC pada matriks walaupun dengan ukuran yang lebih kecil. Hal ini menunjukkan bahwa untuk melarutkan presipitat TiC memerlukan suhu yang lebih tinggi dari I 100 C sesuai dengan diagram fase yang disajikan pada Gambar 6 [6J. KESIMPULAN Gambar 6. Kclarutan TiC dalam baja tahan karat AISI Gambar 5A, 5B dan 5C. menyajikan gambar struktur mikro baja {ahan karat AISI 304,304L dan 321 yang telah mengalami perlakuan panas pada suhu 700 C dan 1100 c hasil pengamatan dengan SEM. Dari Gambar 5A menunjukkan struktur mikro bahan AISI 304 yang mengalami perlakuan panas pada suhu 700 C dan 1100 C. Pada Gambar 5A I tampak batas butir yang menebal, ini menunjukkan bahwa perlakuan panas pada suhu 700 C terhadap contoh baja tahan karat AISI 304 mengakibatkan terbentuknya presipitat krom karbida yang mengakibatkan daerah batas butir kekurangan krom sehingga mudah terkorosi. Pada Gambar 5A2 memperlihatkan keadaan batas butir yang relati f bersih dari presipitat krom karbida. Perlakuan panas pada suhu 1100 c pada contoh baja tahan karat AISI 304 dimaksudkan untuk mcminimalkan terjadinya korosi batas butir dengan cara melarutkan kembal i presipitat krom karbida yang telah terbentuk. Gambar 5B menunjukkan struktur mikro bahan AISI 304L yang mengalami perlakuan panas pada suhu 700 C dan 1100 c. Pada Gambar 5BI menunjukkan batas butir contoh baja tahan karat AISI 304L yang mengalami perlakuan panas pada suhu 700 C, terlihat batas butir menebal walaupun tidak setebal pada contoh baja tahan karat AISI 304 pada perlakuan panas yang sarna. Ini menunjukkan bahwa kadar karbon yang rendah pad a baja tahan karat AISI 304L dapat menekan terbentuknya presipitat krom karbida sehingga meminimalkan potensi terjadinya korosi batas butir. Pemanasan pad a suhu 1100 c pada baja tahan karat AISI 304L seperti yang disajikan pada Gambar 5B2 memperlihatkan gambar batas butir yang relatif bersih. Hal ini karena perlakuan panas pas a suhu 1100 c akan melarutkan presipitat krom karbida yang kemungkinan sudah sedikit terbentuk pada bahan. Gambar 5C Baja tahan karat austenitik AISI 304, 304L dan 321 dipilih sebagai bahan canister Iimbah aktivitas tinggi karena ketahanan korosinya yang baik. Hal ini karena adanya lapisan pelindung krom oksida yang melindungi permukaan baja tahan karat. Namun' demikian adanya perlakuan panas pad a saat proses penuangan gelas-iimbah kedalam canister akan menyebabkan terbentuknya presipitat krom karbida pada batas butir. Adanya presipitat krom karbida ini menjadikan lapisan pelindung krom aksida rusak dan akan terjadi korosi. Baja tahan karat AISI 304 mempunyai laju korosi yang paling besar dibandingkan dengan AISI 304L dan AISI 321 baik dalam media pengkorosi air tanah maupun larutan benton it. Baja tahan karat AISI 321 mempunyai laju korosi yang paling rendah dan relatif stabil terhadap perlakuan panas. Hal ini karena adanya kandungan titanium kurang lebih 5 kali kadar karbon. Bahan AISI 304, 304L dan 321 mempunyai harga laju korosi yang sedikit lebih besar dalam media bentonit dari pada dalam media air tanah. Hal ini karena adanya butiran halus benton it yang sedikit mengikis lapisan pelindung krom oksida, sehingga bahan lebih mudah terkorosi. DAFT AR PUST AKA I. MARTONO, H., Gelas Sebagai Perangkap Limbah Radioaktif Beraktivitas Tinggi, Thesis Magister, Universitas Indonesia, Jakarta, JAPAN NUCLEAR CYCLE DEVELOPMENT INSTITUTE., Second Progress Report on Research and Development for the Geological Disposal ofhlw in Japan, JNC, AISY AH, HERLAN, M., Keretakan Gelas Limbah Dalam Canister, Jurnal Teknologi PengeloJaan Limbah, Vol.6 NO.1, P2PLR BAT AN, Juni P2PLR, Pengelolaan Limbah Radioaktif Dari Industri di BATAN, P2PLR, 2002 Prosiding PPI - PDIPTN 2006

7 156 ISSN Aisyah, tlkk. 5. PECKNER D., AND BERNSTEIN I.M., Handbook of Stainless Steels, Mc Graw-HiII, USA, SEDRICKS, A,J.,Corrosion of Stainless Steels,.John Willey and Sons Inc, New York, Sertifikat Bahan AISI 304, AISI 304L dan ASM, Handbook, vol. 9 : Metallography and th Micro Structures, 9 ed, USA, ASM, Hand book, vol. 13 : Corrosion, 9th ed, USA, GUL YAEV A.P., Structural Theory of Intergranullar Corrosion of Austenitic Stainless Steels, Moscow Institute of Chemical Engineering TANYAJAWAB M. Yazid - Scjauh mana pcngauh besarnya butiran bcntonit terhadap proses korosi SS yang digunakan dalam penelitian ini? - Bagaimana jika benton it digunakan dengan jenis material lain? - Apakah kekerasan bentonitjuga berpengaruh? Aisyah - Dalam penelitian ini belum dipelqjari pengaruh besarnya butiran bentonit terhadap proses korosi SS. namun demikian butiran bentoni! yang besar dan keras dapat memperbesar laju korosi SS, karena bahan lebih abrasip, sehingga dapat merusak lapisan pelindung krom oksida. - Dalam penelitian ini bentoni! dimaksudkan sebagai backfill material dalam sistim penyimpanan lestari limbah aktivitas tinggi mineral lain yang biasa digunakan sebagai backfill material seperti zeolit. - Semakin bahan dengan kekerasan yang tinggi maka akan semakin abrasip,sehingga semakin merusak lapisanlogam. Prosiding PPI - PDIPTN 2005 Yogyakarta, 10 Jull 2006