OKSIDASI GAGALAN PELET SINTER UO 2 PADA SUHU C DENGAN VARIASI WAKTU TRI RAHMAYANTI

Transkripsi

1 OKSIDASI GAGALAN PELET SINTER UO PADA SUHU C DENGAN VARIASI WAKTU TRI RAHMAYANTI DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 008

2 OKSIDASI GAGALAN PELET SINTER UO PADA SUHU C DENGAN VARIASI WAKTU Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk meraih gelar Sarjana Sains Pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor TRI RAHMAYANTI G DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 008

3 3 ABSTRAK TRI RAHMAYANTI. Oksidasi Gagalan Pelet Sinter UO pada Suhu C dengan Variasi Waktu. Dibimbing oleh IRZAMAN dan RATIH LANGENATI. Telah dilakukan OKSIDASI GAGALAN PELET SINTER UO PADA SUHU C DENGAN VARIASI WAKTU dengan tujuan untuk memperoleh U 3 O 8 sebagai bahan campuran bahan bakar dan mengetahui pengaruh waktu pemanasan. Dalam penelitian ini sebagai bahan awal digunakan gagalan pelet sinter UO dan serbuk UO. Gagalan sinter UO dan serbuk UO tersebut dioksidasi dengan cara dipanaskan pada suhu C dan waktu tahan (soaking time) antara 1 jam sampai 5 jam. Untuk membuktikan apakah ada fasa U 3 O 8 dan adakah pengaruh waktu pemanasan, maka dilakukan analisis gravimetri atau perbandingan O/U, XRD (x-ray difraction) untuk melihat fasa U 3 O 8 dan menentukan ukuran partikel, serta SEM (scanning electron microscopy) untuk morfologi bahan. Hasil analisis ini menunjukkan bahwa fasa U 3 O 8 memiliki perbandingan O/U sekitar,67, untuk spektra XRD pada fasa U 3 O 8 struktur kristalnya merupakan tetragonal yang dianalisis dengan metode Cohen dan ukuran partikel dianalisis dengan FWHM (full width half maximum), sedangkan untuk SEM semakin lama waktu pemanasannya (soaking time) maka ukuran partikel yang dibentuk akan semakin kecil, hal ini menunjukkan bahwa bahan tersebut menuju kekristalan tetapi nilai ukuran partikel analisis XRD relatif mendekati dibandingkan hasil SEM, karena hasil SEM yang terjadi belum homogen. Kata kunci : gagalan pelet sinter UO, serbuk UO, perbandingan O/U, XRD, dan SEM

4 4 Judul Nama NRP : Oksidasi Gagalan Pelet Sinter UO pada Suhu C dengan Variasi Waktu : Tri Rahma Yanti : G Menyetujui: Pembimbing I Pembimbing II Dr. Irzaman Ir.Ratih langenati, M.T NIP NIP Mengetahui: Kepala Bagian Fisika Terapan Ir. Irmansyah NIP Tanggal

5 5 PRAKATA Alhamdullilah, Puji syukur kapada Allah SWT yang telah memberi kesabaran dan kemudahan kepada hamba-nya dalam menyelesaikan karya ilmiah untuk tugas akhir. Shalawat serta salam semoga selalu tercurah kapada Nabi Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat dan pengikutnya sampai akhir zaman. Penelitian ini dilakukan untuk mengolah gagalan pelet sinter UO dengan oksidasi pada suhu C untuk waktu yang berbeda. Penulis juga mengucapkan terima kasih atas bimbingan dan bantuan yang sangat berharga dari semua pihak. Oleh karenanya penulis mengucapkan terima kasih kepada yang terhormat: 1. Ibu dan bapak, atas doa yang tulus beserta restunya. Keluarga besar kedua kakakku yang tercinta 3. Kepada Bapak Dr.Ir.Irzaman, M.Si dan Ibu Ir.Ratih Langenati, M.T sebagai dosen pembimbing atas segala kesabaran, bimbingan serta nasehatnya yang dapat membantu dalam kelancaran penelitian ini. 4. Bapak Dr.Akhiruddin Maddu, M.Si dan Faozan, M.Si selaku penguji atas kritik dan sarannya. 5. Kepada teman-teman atas semangat, doa dan bantuannya. Usulan penelitian ini masih terdapat banyak kekurangan, sehingga penyusun mengharapkan saran serta kritik yang membangun agar penelitian ini dapat berjalan dengan lancar dan memperoleh hasil seperti yang diharapkan. Bogor, 11 Agustus 008 Penulis

6 6 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Serang pada tanggal 3 Mei 1986 sebagai anak bungsu dari tiga bersaudara. Penulis merupakan anak dari pasangan Habi Ibrahim dan Senja Wati. Penulis menempuh pendidikan dari tahun 199 di TK Alkhariyah, tahun penulis menempuh pendidikan di SD Negeri Kramat Watu, tahun di SLTP Negeri 1 Kramat Watu, tahun 004 penulis lulus SMA Negeri 1 Kramat Watu dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB, pada program studi Fisika, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan penulis pernah menjadi staf Divisi Keilmuan Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) masa kepengurusan Tahun 005 penulis mengikuti Lomba Karya Tulis Mahasiswa (LKTM) tingkat IPB, penulis menjadi guru privat dan guru bimbingan belajar, selain itu penulis juga pernah menjadi panitia sekretaris olympiade FMIPA IPB (Kompetisi Fisika) tingkat SMU senasional 006. Tahun 006 penulis mengikuti Program Kreativitas Mahasiswa (PKM) tingkat IPB dan penulis menjadi asisten praktikum TPB fisika. I PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Energi listrik telah menjadi kebutuhan yang hampir tidak dapat dipisahkan dari kehidupan sehari-hari. Energi ini dihasilkan dari konversi bahan bakar fosil, tenaga air, panas bumi, nuklir, dan lain-lain. Cadangan

7 7 energi fosil dunia sangat terbatas, namun cadangan bahan bakar dalam jumlah yang besar pada rentang waktu terakhir ini sangat terbatas. Selain itu efek dari pembakaran bahan bakar fosil menghasilkan gas-gas penyebab efek rumah kaca, sehingga harus dapat dicari energi baru yang ramah lingkungan. Salah satu energi yang ramah lingkungan adalah energi nuklir. Bahan nuklir merupakan komponen yang terpenting dari suatu pembangkit sumber energi nuklir pada PLTN. Salah satu bahan bakar nuklir adalah uranium. Diketahui cadangan uranium di dunia tersedia di alam dalam jumlah yang banyak saat ini. Sebagai bahan bakar nuklir, uranium dapat dikemas dalam bentuk pelet UO. Proses produksi pelet UO atau fabrikasi bahan bakar nuklir merupakan proses perubahan serbuk UO menjadi pelet yang memenuhi tingkat keramik nuklir, karakterisasi serbuk UO dianalisis yang meliputi antara lain: ukuran partikel, densitas serbuk, distribusi serbuk, mampu alir, perbandingan O/U, kelembaban, impuritas, dan kandungan U 35. Serbuk UO yang tidak memenuhi persyaratan dikenai olah ulang agar dapat memenuhi persyaratan, sedangkan yang memenuhi persyaratan diproses lebih lanjut. Serbuk UO yang telah memenuhi persyaratan serta hasil evaluasi dari spesifikasi ukuran dan distribusi partikel dapat diketahui bahwa serbuk siap dikompakkan, selanjutnya, serbuk UO tersebut ditekan hingga mencapai tekanan tertentu, pelet mentah hasil pengompakkan diamati secara visual geometri dan diukur densitasnya. Pelet-pelet yang memenuhi persyaratan disinter dalam tungku sinter dan pelet sinter diamati secara visual geometri dan densitasnya, serta secara acak diperiksa perbandingan O/U, komposisi kimia maupun mikrostrukturnya. Pelet-pelet yang memenuhi syarat dirapikan dan siap untuk dimasukkan ke kelongsong, sedangkan pelet-pelet yang tidak memenuhi syarat diolah kembali menjadi serbuk UO atau U 3 O 8 melalui proses oksidasi dan reduksi. 1. Perumusan masalah Untuk mendapatkan U 3 O 8 dari gagalan pelet UO, perlu dilakukan oksidasi sampai suhu dan waktu tertentu. Variasi waktu dan suhu saat pengoksidasian merupakan faktor-faktor yang mempengaruhi hasil oksidasi seperti sifat komposisi stokiometri atau struktur kristal uranium dioksida. Penelitian ini ingin diketahui pengaruh pada perubahan variasi waktu (pemanasan) 1 jam, jam, 3 jam, 4 jam, dan 5 jam pada suhu C selama oksidasi. 1.3 Tujuan penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan U 3 O 8 sebagai bahan campuran bahan bakar dan mengetahui pengaruh waktu pemanasan, perbandingan uranium dan oksigen dengan metode gravimetri, identifikasi fasa dengan menggunakan alat XRD, dan mikrostruktur dengan SEM. II TINJAUAN PUSTAKA.1 Uranium dioksida Uranium dioksida adalah senyawa stabil yang dapat dipanaskan sampai titik leburnya tanpa mengalami perubahan sifat mekanik. Uranium dioksida tidak bereaksi dengan air tetapi higroskopis. Adanya pori-pori atau ruang kosong yang dimiliki serbuk UO merupakan bagian yang memungkinkan terjadinya penyerapan uap air di udara ke dalam serbuk. Adapun molekul air yang terserap oleh serbuk dapat dilepaskan melalui pemanasan serbuk pada suhu penguapan air lebih dari C (Jamaludin, A. 006).. Oksidasi Oksidasi adalah proses naik atau turunnya bilangan oksidasi suatu unsur atau senyawa. Sebagai contoh jika besi dibiarkan di udara terbuka, logam ini akan berkarat. Hal ini disebabkan oleh unsur besi yang bereaksi dengan gas oksigen, dalam reaksi tersebut besi bersenyawa dengan oksigen. Secara sederhana, proses ini dapat dituliskan sebagai berikut: 4Fe (p) + 3O (g) Fe O 3 (p) (Staf Pengajar. 004) atau contoh lain : UO + O U 3 O 8 Pada pelet UO dari proses sintering tidak memenuhi persyaratan yang telah ditetapkan, misalnya dimensi dan kerapatan tidak sesuai, retak dan pecah. Oleh karena itu, agar UO tersebut dapat digunakan lagi maka perlu dilakukan kalsinasi (oksidasi/reduksi). Sedangkan, gagalan UO yang keluar dari proses-proses sebelum sintering, langsung

8 8 didaur ulang (recycle) ke langkah awal (pencampuran) tanpa mengalami proses yang cukup rumit (Sulistyorini, D. 007)..3 Oksidasi uranium dioksida Proses oksidasi adalah proses pemanasan gagalan pelet sinter uranium dioksida dengan mengalir gas oksigen dalam udara (suasana udara) yang dapat mengakibatkan terjadinya oksidasi. Faktor yang mempengaruhi antara lain suhu, waktu pemanasan dan laju alir udara. Secara umum, semakin tinggi suhu, proses oksidasi semakin cepat. Demikian pula, dengan waktu pemanasan. Efek oksidasi merupakan sifat umum dari bahan bakar reaktor. Proses oksidasi yang penting adalah dalam selang suhu 0 sampai C. Pada selang suhu C, penambahan oksigen untuk tahap awal pembentukan UO -x + U 4 O 9-y, U 4 O 9 + U 3 O 7, U 3 O 7-W, U 3 O 7 + U 5 O 3, pada selang C terbentuk fasa U 4 O 9 + U 5 O 13 dan pada selang 0 sampai C terdapat fasa U 3 O 8-z. Prinsip oksidasi adalah bereaksi dengan oksigen di udara, efek uap air kecil dan tidak ada kehadiran hidrogen. Oksidasi UO pada suhu tinggi, C dapat mengakibatkan kesalahan analisis karena menghasilkan gas fisi dan terjadi penurunan konduktivitas termal. Senyawa yang mengoksidasi H O, O juga terlibat (Olander, D.R. 1997)..4 Struktur kristal uranium dioksida Struktur UO pertama kali ditentukan oleh Cuy pada tahun 197, sesuai dengan gambar.1. Uranium dioksida mempunyai struktur kubik berpusat muka FCC (face centered cubic) dengan susunan atom CaF atau struktur fluorit. Dalam satu sel satuan UO ada 4 atom uranium (pada posisi 000, ½ ½ 0, ½ 0 ½, 0 ½ ½ ) dan 8 atom oksigen (pada posisi ± ¼ ¼ ¼). Gambar.1 Struktur kristal UO (Anonymous. 007) Gambar. Pelet UO Pada suhu kamar, UO stoichiometri mempunyai parameter kisi sebesar 5,469 Å. Parameter kisi ukurannya bervariasi tergantung pada suhu dan perbandingan O/U nya. UO akan cenderung menyimpang dari keadaan stoichiometri dan membentuk fasa nonstoichiometri, sebagai U(IV) teroksidasi menjadi U (VI). Kecepatan oksidasi akan naik dengan kenaikan suhu. Pada fasa nonstoichiometri, struktur fluorit UO perlahanlahan berubah menjadi struktur orthorombik (Hidayati. 1993)..5 Analisis XRD Metode XRD berdasarkan sifat difraksi sinar-x, yakni hamburan cahaya dengan panjang gelombang λ saat melewati kisi kristal dengan sudut datang θ melewati kisi kristal dengan jarak antar bidang kristal sebesar d. Data yang diperoleh dari metode karakterisasi XRD adalah sudut hamburan (sudut Bragg) dan intensitas. Berdasarkan teori difraksi, sudut difraksi bergantung kepada lebar celah kisi sehingga mempengaruhi pola difraksi, sedangkan intensitas cahaya difraksi bergantung dari berapa banyak kisi kristal yang memiliki orientasi yang sama (Tipler, P. A. 1991). Dengan menggunakan metode ini dapat ditentukan sistem kristal, parameter kisi, ukuran partikel dan fasa yang terdapat dalam suatu sampel (Cullity B.D. 001). Sebuah rangkaian yang dihubungkan dengan arus listrik sehingga muncul tegangan, jika tegangan melebihi energi ambang filamen katoda maka elektron-elektron akan terpancar (lihat Gambar.3). Elektron yang dipancarkan dengan tegangan sangat tinggi menumbuk target (Cu, Cr, Fe, Co, Mo dan W). Energi kinetik elektron yang menumbuk target diantaranya berubah menjadi panas dan sinar-x, sinar-x yang dipancarkan dalam peristiwa ini terdistribusi secara kontinu dengan λ yang berbeda. Tumbukan antara elektron yang dipercepat dengan atom target bersifat inelastik. Jika energi elektron yang datang memiliki energi yang cukup maka akan mementalkan elektron pada kulit K, sehingga atom dalam keadaan tereksitasi dan diisi oleh elektron dari kulit L atau M. Proses transisi ini diikuti oleh

9 9 pelepasan energi berupa radiasi sinar-x dengan panjang gelombang tertentu dan disebut dengan berkas sinar-x karakterisasi Kα dan Kβ. Sinar-x ditembakkan pada material sehingga terjadi interaksi dengan elektron dalam atom. Ketika foton sinar-x bertumbukan dengan elektron, beberapa foton hasil tumbukan akan mengalami pembelokan dari arah datang awal. Jika panjang gelombang hamburan sinar-x tidak berubah (foton sinarx tidak kehilangan banyak energi) dinamakan hamburan elastik (hamburan Thompson) dan terjadi transfer momentun dalam proses hamburan. Sinar-x ini yang digunakan untuk pengukuran sebagai hamburan sinar-x yang membawa informasi distribusi elektron dalam material. Gelombang yang terdifraksikan dari atom-atom berbeda dapat saling mengganggu dan distribusi intensitas resultannya termodulasi kuat oleh interaksi ini. Syarat terjadinya difraksi harus memenuhi hukum Bragg, dapat dilihat pada Gambar.4. Cathode Fast Gambar.3 Prinsip tabung sinar-x n λ Gambar.4 Hukum Bragg s Target n λ = d sin θ (.1) Keterangan: n adalah bilangan bulat, λ adalah panjang gelombang sinar-x, d adalah jarak antar difraksi, θ adalah sudut difraksi. λ dan d merupakan pengukuran beberapa unit, biasanya dalam satuan angstroms. Jika atom-atom tersusun periodik dalam kristal, gelombang terdifraksi akan terdiri dari interferensi maksimun tajam (peak) yang simetri, peak yang terjadi berhubungan dengan jarak antar atom..5.1 Metode Cohen Analisis konstanta kisi menggunakan metode Cohen dan algoritma cramer s. Metode Cohen digunakan untuk menentukan parameter kisi saat strukturnya tetragonal. Metode ini digunakan untuk langsung menentukan parameter dengan persamaan yang kompleks dari struktur kubik. Fasa tetragonal membutuhkan persamaan (.), (.3), (.4) λ = d sin θ, (.) 1 d h + k l = +, (.3) a c αsinθ = C α + B αγ+ A αδ, γ sinθ = C αγ+ B γ + A γδ,. (.4) δ sinθ = C αδ+ B γδ+ A δ, Di mana : d = jarak antar difraksi; a, c = konstanta kisi; h, k, l = indeks bidang; λ = Panjang gelombang ((λ cu = 1,54056Å)); θ = sudut difraksi; α = h + k, γ = l ; δ = 10 sin θ; A = D/10; B = λ /(4c ); C = λ /(4a ), A, B, C = numerator, dan D adalah konstanta. Solusi numerator A, B, dan C dari persamaan (.4) menggunakan algoritma Cramer. Terdapat tiga persamaan dengan tidak diketahui besar numerator A, B, dan C, seperti persamaan (.5) antara lain: a C + a B + a A = a b C + b B + b A = b, c C + c B + c A = c (.5) Di mana : a 1 = Σ α ; a = b 1 = Σ αγ; a 3 = c 1 = Σ αδ; a 4 = Σ αsin θ; b = Σ γ ; b 3 = c = Σ γδ; b 4 = Σ γsin θ; c3 = Σ δ ; c 4 = Σ δsin θ (Irzaman. 005)..5. Analisis ukuran kristal Analisis ukuran kristal yaitu untuk menentukan berapa besar ukuran pada suatu material secara teoritis dan percobaan akan dibuktikan dengan SEM yang akan dibahas secara rinci pada subbab berikutnya, untuk menentukan ukuran kristal dan microstrain maka dibutuhkan luasan penuh setengah maksimum atau biasa disingkat FWHM.

10 10 XRD dapat menganalisa FWHM dari keluaran antara intensitas terhadap sudut difraksi (θ), sehingga dapat ditulis persamaan dalam kaitan dengan sudut Bragg, persamaan (.6) λ B cos θ = + σ η sin θ, (.6) di mana : B = luasan penuh setengah maksimum (full width half maximum atau FWHM), λ = panjang gelombang (Unsur Cu = 0, nm); θ = sudut difraksi, σ = ukuran kristal dan η = -Δd/d adalah microstrain (Darmasetiawan, H. 000) atau dihubungkan dengan FWHM, maka persamaannya adalah n Σsinθ Bcosθ -Σsinθ ΣBcosθ η = (.7) nσsin θ ( Σsinθ ).6 Analisis O/U (Wati, S.K. 006 ) Perbandingan O/U merupakan salah satu uji dari pelet atau serbuk pada analisis kendali kualitas menggunakan metode gravimetri. Metode gravimetri adalah suatu metode analisis yang berdasarkan pada prinsip penimbangan. Metode gravimetri digunakan pada beberapa bidang diantaranya untuk mengetahui suatu spesies senyawa dan kandungan unsur tertentu atau molekul dari suatu senyawa murni yang diketahui berdasarkan pada perubahan berat atau melihat adanya perubahan senyawa yang terjadi selama pemanasan dari UO menjadi U 3 O 8. Cara pengukuran yang digunakan untuk mengetahui berat suatu bahan. Perbandingan O/U merupakan perbandingan antara oksigen dan uranium yang terkandung dalam pelet atau serbuk. Yang dapat diperoleh dari % U dan dicari dengan metode gravimetri atau dengan koreksi pada tabel. Dengan rumus (.8), (.9), (.10), (.11): 3x MA U - 38 Massa U dalam U O = x 3 8 Massa U3O8 MM U3O8 (.8) Massat U %U = x100% (.9) Massa UO MassaO = MassaUO MassaU (.10) O U = Massa O MA O Massa U MA U (.11) Keterangan: pada persamaan (.8) yaitu massa U adalah massa uranium setelah oksidasi atau dalam U 3 O 8, MA U-38 adalah massa atom uranium sebesar 38, MM U 3 O 8 adalah massa molekul U 3 O 8 sebesar 84, massa U 3 O 8 adalah massa sampel (UO ) setelah oksidasi. Persamaan (.9) yaitu mencari persentase uranium (%U) dengan cara menentukan massa U yang telah diperoleh dari persamaan (.8) terhadap massa UO atau massa sampel awal (sebelum oksidasi) dikalikan dengan 100%, sedangkan pada persamaan (.10) adalah menentukan massa O (berat oksigen) dengan cara menentukan selisih antara massa UO atau massa sampel awal (sebelum oksidasi) dengan massa U yang diperoleh dari persamaan (.8). Persamaan (.11) adalah persamaan akhir untuk mendapatkan nisbah O/U, yang dapat ditentukan oleh massa O (massa oksigen) yang diperoleh dari persamaan (.10), MA O adalah massa atom oksigen sebesar 16, massa U adalah massa uranium yang diperoleh dari persamaan (.8) dan MA U merupakan massa atom Uranium yang sebesar 38. Dari persamaan di atas, dapat digambarkan hubungan antara suhu dan perbandingan O/U, seperti gambar.5 yaitu pada fasa tunggal UO +x berada di daerah sebelah ujung kiri diagram yang besar selang perbandingan O/U adalah,0 sampai ±,5 dengan suhu ± 350 sampai C. Berikutnya daerah fasa tunggal U 4 O 9-y besar perbandingan O/U adalah,5. Perbandingan O/U antara,5 -,6 adalah daerah dua fasa dan membatasi daerah fasa tunggal U 3 O 7-w. Perbandingan O/U lebih besar adalah fasa tunggal U 3 O 7-W, yang membentuk bijih uranium. Paling kanan ( yang tidak ditunjukkan pada gambar) adalah fasa UO 3..7 Analisis SEM SEM digunakan untuk mengamati morfologi dari suatu bahan. Prinsipnya adalah sifat gelombang dari elektron yakni difraksi pada sudut yang sangat kecil. Elektron dapat dihamburkan oleh sampel yang bermuatan (karena sifat listriknya. SEM dapat memberikan informasi tentang struktur mikro permukaan sampel dan melihat morfologi serbuk U 3 O 8, serbuk UO dan gagalan pelet sinter. Prinsip kerja SEM mirip dengan mikroskop optik, hanya saja berbeda dalam perangkatnya. Pertama berkas elektron disejajarkan dan difokuskan oleh magnet yang