KARAKTERISASI SIFAT TERMAL DAN MIKROS- TRUKTUR PELAT ELEMEN BAKAR (PEB) U 3 SI 2 -AL DENSITAS 4,8 GU/CM 3 DENGAN PADUAN ALMGSI SEBAGAI KELONGSONG

Transkripsi

1 Aslina Br. G., dkk. ISSN KARAKTERISASI SIFAT TERMAL DAN MIKROS- TRUKTUR PELAT ELEMEN BAKAR (PEB) U 3 SI 2 -AL DENSITAS 4,8 GU/CM 3 DENGAN PADUAN ALMGSI SEBAGAI KELONGSONG Aslina Br. Ginting, Dian Anggraini Kawasan PUSPIPTEK Gedung 20 & 65 Serpong Tangerang Banten ptapb@batan.go.id ABSTRAK KARAKTERISASI SIFAT TERMAL DAN MIKROSTRUKTUR PELAT ELEMEN BAKAR (PEB) U 3 Si 2 - Al DENSITAS 4,8 gu/cm 3 DENGAN PADUAN AlMgSi SEBAGAI KELONGSONG. Pada penelitian ini telah dilakukan pembahasan hasil karakterisasi sifat termal dan mikrostruktur terhadap pelat AlMgSi segar, AlMgSi rol dan PEB AlMgSi). Analisis termal meliputi kapasitas panas dan konduktivitas panas dilakukan menggunakan alat DSC (Differential Scanning Calometry) pada temperatur 30 o C hingga 450 o C dengan kecepatan pemanasan 5 o C/menit dalam media gas Argon,sedangkan analisis mikrostruktur untuk mengamati ikatan antar muka (interface bonding) kelongsong dengan menggunakan SEM (Scanning Electron Microcope). Hasil analisis termal menunjukkan bahwa kelongsong AlMgSi mempunyai kapasitas panas, konduktivitas panas lebih besar serta mempunyai koefisien muai panjang lebih kecil dibanding kelongsong AlMg2. Hasil analisis mikrostruktur diperoleh morfologi ikatan antar muka (interface bonding) kelongsong AlMgSi lebih baik dibanding kelongsong AlMg2. Hasil analisis kapasitas panas, konduktivitas panas dan mikrostruktur yang diperoleh pada penelitian ini dapat melengkapi data sifat kimia, kekeraran, laju korosi dan sifat termal lainnya yang telah diperoleh pada penelitian sebelumnya. Data tersebut diharapkan dapat digunakan sebagai masukan kepada pabrikator PEB U 3 Si 2 -Al untuk mendesain elemen bakar reaktor riset dengan muatan uranium yang tinggi menggunakan kelongsong AlMgSi. Kata Kunci : PEB U 3 Si 2 -Al, densitas 4,8 gu/cm 3,Kelongsong AlMgSi,Mikrostruktur dan Termal ABSTRACT CHARACTERIZATION OF THERMAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE OF FUEL ELEMENT PLATE U 3 Si 2 -Al WITH 4,8 gu/cm 3 DENSITY USING AlMgSi ALLOY CLADDING. Characterization of thermal properties and microstructure of fresh AlMgSi, rolled AlMgSi, and fuel element plate of U 3 Si 2 -Al with 4,8 gu/cm 3 density and AlMgSi cladding has been done. The results was compared to those of fresh AlMg2, rolled AlMg2 and fuel element plate of U 3 Si 2 -Al with 4,8 gu/cm 3 and AlMg 2 cladding. The thermal analysis includes heat capacity and heat conductivity analysis using DSC (Differential Scanning Calometry) at 30 o C to 450 o C with heating rate 5 o C/minute in argon gas media. The microstructure examination includes interface bonding of the cladding using SEM (Scanning Electron Microcope). The thermal analysis shows that the heat capacity, heat conductivity and elongation coeffecient of AlMgSi cladding is greater than that of AlMg2 cladding. The microstructure analysis, on the other hand, shows that the interface bonding of AlMgSi is better than that of AlMg 2 cladding. The data of heat capacity, heat conductivity and microstructure obtained from this research will complete the data of the same sample obtained in the previous research such as chamical properties, hardness, corrosion rate and other thermal properties. All those data is important as input data for the fabricator of U 3 Si 2 -Al fuel element plate in designing research reactor fuel element with high uranium loading using AlMgSi cladding. Key words: U 3 Si 2 -Al fuel element plate, density 4,8 gu/cm 3, AlMgSi cladding,microstructure dan Thermal PENDAHULUAN erdasarkan penelitian dan hasil analisis Bfabrikator ditunjang dengan keselamatan operasi reaktor bahwa pelat elemen bakar (PEB) U 3 Si 2 -Al dengan densitas uranium 2,9 dan 3,6 gu/cm 3 sangat baik di gunakan sebagai bahan bakar di dalam reaktor [1,2], sedangkan di Indonesia khususnya BATAN untuk densitas uranium 4,8 dan 5,2 gu/cm 3 data analisis fabrikasi menunjukkan bahwa kedua pelat elemen bakar tersebut tidak mengalami kendala dalam proses fabrikasi tetapi penggunaannya di dalam reaktor sedang dalam penelitian, namun di luar negeri densitas 4,8 gu/cm 3 sudah digunakan sebagai bahan bakar reaktor riset. Bila muatan uranium ditingkatan menjadi 4,8 dan 5,2 gu/cm 3 menyebabkan kekerasan inti elemen bakar akan meningkat sehingga akan berpengaruh terhadap proses perolan kelongsong AlMg 2 karena terjadi

2 158 ISSN Aslina Br. G., dkk. fenomena dogbone pelat elemen bakar reaktor riset [3,4]. Oleh karena itu dalam meningkatkan muatan uranium, dilakukan penelitian dan pengembangan bahan struktur kelongsong bahan bakar densitas lebih tinggi. Seiring dengan berkembangnya penggunaan bahan bakar yang mempunyai densitas lebih tinggi baik jenis U 3 Si 2 -Al maupun UMo-Al, maka perlu mengembangkan kelongsong yang lebih kompatibel dengan bahan bakar. Perkembangan itu, perlu mencari beberapa alternatif bahan kelongsong sebagai pengganti kelongsong AlMg 2 yang digunakan Batan Teknologi pada saat ini. Paduan AlMgSi merupakan paduan aluminium dengan kandungan unsur pemadu utama adalah Mg dan Si yang mudah diperoleh di pasaran [5]. Penambahan unsur paduan tersebut pada logam aluminium dapat menghasilkan kondisi yang larut padat atau menghasilkan senyawa logam fasa kedua pada temperatur 595 o C. Terjadinya peningkatan kekuatan dan kekerasan paduan AlMgSi disebabkan oleh penguatan larut padat dan penguatan fasa kedua. Penguatan dengan fasa kedua yang tarjadi pada paduan AlMgSi dapat ditingkatkan lagi dengan cara mengusahakan agar fasa kedua yang terjadi berbentuk partikel halus berupa endapan yang terdistribusi secara merata. Penguatan seperti ini dikenal dengan pengerasan endapan (precipitation hardening). Paduan AlMgSi juga termasuk dalam paduan yang dapat dikeraskan dengan perlakuan panas (heat treateable alloy) [6] serta partikel halus yang terdapat pada paduan AlMgSi dapat dimanfaatkan pula sebagai tempat berkumpulnya cacat titik yang diakibatkan oleh panas atau radiasi, sebagai akibatnya berdampak baik kepada penurunan elongasi atau swelling bahan bakar, sehingga sangat baik digunakan sebagai kelongsong bahan bakar nuklir. Kondisi demikian ini merupakan keunggulan paduan AlMgSi dan merupakan perbedaan yang sangat mendasar bila dibandingkan dengan kelongsong AlMg 2 yang non heat treateable alloy. Selain keunggulan tersebut, proses pabrikasi paduan AlMgSi menjadi kelongsong hampir sama dengan proses pabrikasi kelongsong AlMg 2. Tahapannya meliputi penyiapan, perolan dan anil pelat AlMgSi menjadi frame dan cover yang dilanjutkan dengan pembuatan PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8 gu/cm 3. Perbedaan proses pabrikasi PEB U 3 Si 2 -Al menggunakan kelongsong AlMgSi adalah pada temperatur perolan dan anil, proses perolan kelongsong AlMg2 dilakukan pada temperatur 415 o C yang di ikuti proses anil pada 425 o C, sedangkan kelongsong AlMgSi di rol pada temperatur 450 o C dan dianil pada 480 o C. Disamping itu paduan AlMgSi juga mempunyai keunggulan lain dibanding kelongsong AlMg 2 yang sangat erat kaitannya dengan persyaratan yang harus dimiliki oleh kelongsong bahan bakar densitas tinggi yaitu sifat kimia dan sifat fisik, sehingga keunggulan kelongsong AlMgSi perlu dibuktikan dengan cara membandingkan dengan kelongsong AlMg 2. TATA KERJA Analisis Termal Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah pelat AlMgSi segar, pelat AlMg2 segar, AlMgSi rol, AlMg2 rol, PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8 gu/cm 3 (dengan kelongsong AlMgSi) dan PEB AlMg2). Pelat AlMgSi segar dipotong dengan dimensi 3x3x1,37 mm, kemudian cuplikan AlMgSi segar dimasukkan ke dalam krusibel dan ditimbang seberat 120 mg. Selanjutnya krusibel yang berisi cuplikan AlMgSi segar dimasukkan ke dalam chamber DSC (Differential Scanning Calometry) dan di vakum hingga tekanan 10-1 bar. Analisis termal dilakukan pada temperatur 30 o C hingga 450 o C dengan kecepatan pemanasan 5 o C/menit dalam media gas Argon. Hasil analisis termal berupa termogram DSC kemudian di evaluasi sehingga diperoleh kapasitas panas pelat AlMgSi segar tersebut. Hal yang sama dilakukan terhadap pelat AlMg2 segar, AlMgSi rol, AlMg 2 rol, PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8 gu/cm 3 (dengan kelongsong AlMgSi) dan PEB AlMg 2 ) sehingga diperoleh sifat kapasitas panas masing-masing bahan. Analisis Mikrostruktur Pelat AlMgSi segar, pelat AlMg2 segar, AlMgSi rol, AlMg2 rol, PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8 gu/cm 3 (dengan kelongsong AlMgSi) dan PEB AlMg 2 ) yang sudah dipotong kemudian di mounting dengan resin,selanjutnya dilakukan preparasi yang meliputi grinda dan poles hingga permukaan cuplikan menjadi halus. Setelah permukaan cuplikan halus kemudian dietsa dan dilakukan analisis mikrostruktur dengan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope). Hasil analisis mikrostruktur pelat AlMgSi di evaluasi dan dibandingkan dengan mikrostruktur pelat AlMg2, demikian juga dilakukan terhadap AlMgSi rol dan PEB U 3 Si 2 -Al (dengan kelongsong AlMgSi). HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Termal Analisis termal yang dilakukan meliputi analisis kapasitas panas dan konduktivitas panas terhadap pelat AlMg2 (segar), pelat AlMgSi (segar), AlMg2 rol,almgsi rol, PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8 gu/cm 3 (kelongsong AlMg 2 ) dan PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8 gu/cm 3 (kelongsong AlMgSi). Analsisis dilakukan dengan menggunakan alat Differential Scanning Calorimetry (DSC) pada kondisi operasi 30 o C hingga 450 o C dengan kecepatan pemanasan 5 o C/menit. Hasil

3 Aslina Br. G., dkk. ISSN analisis kapasitas panas masing-masing paduan di tampilkan pada Gambar 1 s/d 3. Dari hasil analisis tersebut dapat diketahui bahwa pelat AlMgSi segar, AlMgSi rol maupun PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8gU/cm 3 (kelongsong AlMgSi) mempunyai kapasitas panas yang lebih besar dibandingkan dengan pelat AlMg 2 segar, AlMg 2 rol maupun PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8 gu/cm 3 (menggunakan kelongsong AlMg 2 ). Gambar 1. Kapasitas Panas Pelat AlMgSi Segar dan AlMg 2 Segar Gambar 2. Kapasitas Panas Pelat AlMgSi Rol dan AlMg 2 Rol Gambar 3. Kapasitas Panas PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8 gu/cm 3 (menggunakan kelongsong AlMgSi) dan (AlMg 2 ) Hal ini didukung oleh analisis termal lainnya yaitu besaran konduktivitas panas dan koefisien muai panjang seperti yang terlihat pada Tabel 1. Kelongsong AlMgSi mempunyai besaran konduktivitas panas (k) sebesar 201 W/m o C jauh lebih besar dibanding konduktivitas panas kelongsong AlMg 2 sebesar 155 W/m o C. Disamping itu kelongsong AlMgSi mempunyai besaran koefisien muai panjang sebesar 23 x 10-6 / o C yang lebih kecil dibanding koefisien muai panjang kelongsong AlMg 2 sebesar 24 x 10-6 / o C. Kelongsong AlMgSi memiliki konduktivitas panas yang lebih tinggi karena mempunyai unsur Si sebagai pemadu, dimana Si merupakan semikonduktor yang memiliki daya hantar panas baik dan mempunyai mobilitas elektron yang tinggi, sedangkan penambahan unsur Mg dapat meningkatkan kekuatan (strength) paduan tanpa mengurangi keuletan (ductility) paduan AlMgSi [6]. Tabel 1. Data Konduktivitas panas dan koef muai panjang Kelongsong Konduktivitas Panas (W/m o C) Koef.Muai Panjang ( o C -1 ) AlMg x 10-6 AlMgSi x 10-6 Besaran karakter termal yang meliputi kapasitas panas, konduktivitas panas dan koefisien muai panjang suatu bahan merupakan sifat termal yang sangat penting diketahui sebelum digunakan menjadi kelongsong bahan bakar. Besaran kapasitas panas dan konduktivitas panas dapat diketahui jumlah panas yang dapat diserap serta jumlah panas yang dapat dihantarkan dari bahan bakar U 3 Si 2 -Al ke air pendingin melalui kelongsong bahan bakar sehingga tidak terjadi akumulasi panas didalam bahan bakar. Persyaratan kelongsong bahan bakar lainnya adalah sebaiknya mempunyai besaran koefisien muai panjang yang kecil karena dari besaran ini dapat digunakan untuk mengetahui berapa besar pertambahan panjang atau perubahan dimensi (swelling) pelat elemen bakar akibar panas atau radiasi. Swelling dapat terjadi pada bahan bakar disebabkan karena selama bahan bakar di irradiasi di reaktor akan mengalami reaksi fisi dan sekaligus menghasilkan produk fisi baik dalam bentuk gas maupun padat. Selain mengalami reaksi fisi juga mengalami beban statik maupun dinamik menyebabkan terjadi perubahan gas didalamnya yang diakibatkan oleh pengaruh temperatur tinggi. Bila kelongsong yang digunakan tidak mempunyai daya hantar panas dan koefisien panas yang baik dapat menyebabkan pengelembungan bahan bakar yang berproses menjadi swelling. Selain mempunyai sifat termal yang baik, paduan AlMgSi juga termasuk dalam paduan yang dapat dikeraskan dengan perlakuan panas (heat treateable alloy) [6] serta partikel halus yang terdapat pada paduan AlMgSi dapat dimanfaatkan pula

4 160 ISSN Aslina Br. G., dkk. sebagai tempat berkumpulnya cacat titik yang diakibatkan oleh radiasi, sebagai akibatnya berdampak baik kepada penurunan elongasi atau swelling bahan bakar. Dari hasil analisis sifat termal yang meliputi kapasitas panas, konduktivitas panas serta koefisien muai panjang menunjukkan bahwa kelongsong AlMgSi mempunyai keunggulan dibandingkan dengan kelongsong AlMg 2. Analisis Mikrostruktur Analisis mikrostruktur telah dilakukan terhadap pelat AlMgSi (segar), pelat AlMg 2 (segar), PEB AlMgSi) dan PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8 gu/cm 3 (dengan kelongsong AlMg 2 ). Cuplikan yang telah dipreparasi metallografi selanjutnya dianalisis mikrostrukturnya menggunakan SEM. Hasil analisis mikrostruktur pelat AlMgSi (segar) dan pelat AlMg 2 (segar) terlihat jelas perbedaan morfologi ikatan antar muka (interface bonding) pelat AlMgSi dengan ikatan antar muka pelat AlMg 2 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5. Proses pabrikasi kelongsong AlMgSi pada temperatur perolan 450 o C menghasilkan morfologi ikatan antar muka relatif lebih sempurna dibandingkan dengan morfologi ikatan antar muka kelongsong AlMg. Hal ini disebabkan karena temperatur perolan pada 450 o C yang dilanjutkan dengan proses anil pada temperatur 480 o C mampu meningkatkan luas bidang kontak antar muka yang mempercepat difusi atom antar muka sehingga menghasilkan ikatan antar muka logam yang lebih baik [7]. kerapatan ikatan antar muka kelongsong AlMgSi yang lebih baik melalui peningkatan deformasi, dapat juga mengurangi atau memperkecil perbedaan kekerasan antar muka bahan bakar U 3 Si 2- Al dengan kelongsongnya. Pengurangan perbedaan kekerasan ini diharapkan mampu mengeleminasi dan mencegah kemungkinan terjadinya dogbone [8]. Dari hasil analisis mikrostruktur ini dapat dinyatakan bahwa karakter paduan AlMgSi baik digunakan sebagai kelongsong dari pelat elemen bakar (PEB) densitas 4,8 gu/cm 3. Gambar 5. Mikrostruktur ikatan antar muka kelongsong AlMg 2 Gambar 6. Mikrostruktur ikatan antar muka PEB U 3 Si 2 -Al (kelongsong AlMgSi) Gambar 4. Mikrostruktur ikatan antar muka kelongsong AlMgSi Dari Gambar 6 dan 7 dapat diketahui bahwa proses perolan pada temperatur 450 o C dan proses anil pada 480 o C yang di kenakan terhadap kelongsong AlMgSi menghasilkan ikatan antar muka IEB U 3 Si 2 - Al dengan kelongsong AlMgSi lebih baik dibandingkan dengan ikatan antar muka IEB U 3 Si 2 - Al dengan kelongsong AlMg 2 yang mengalami perolan pada temperatur 415 o C dan proses anil pada 425 o C. Hal ini disebabkan karena proses perolan pada temperatur 480 o C selain dapat meningkatkan Gambar 7. Mikrostruktur ikatan antar muka PEB U 3 Si 2 -Al (kelongsong AlMg 2 )

5 Aslina Br. G., dkk. ISSN KESIMPULAN PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8 gu/cm 3 dengan menggunakan kelongsong AlMgSi mempunyai sifat termal dan mikrostruktur yang lebih baik dibanding PEB U 3 Si 2 -Al densitas 4,8 gu/cm 3 dengan menggunakan kelongsong AlMg 2. Dari hasil karakterisasi termal dan mikrostruktur yang dilakukan pada penelitian ini dapat dibuktikan bahwa paduan AlMgSi dapat dijadikan salah satu alternatif menjadi kelongsong bahan bakar U 3 Si 2 -Al dengan densitas 4,8 gu/cm 3. Hasil analisis kapasitas panas, konduktivitas panas dan mikrostruktur yang diperoleh pada penelitian ini dapat melengkapi data sifat kimia, kekeraran, laju korosi dan sifat termal lainnya yang telah diperoleh pada penelitian sebelumnya. Data tersebut diharapkan dapat sebagai masukan kepada pabrikator PEB U 3 Si 2 -Al untuk mendesain elemen bakar reaktor riset dengan muatan uranium yang tinggi menggunakan kelongsong AlMgSi. DAFTAR PUSTAKA 1. SNEGROVE J.L, DOMAGALA R.F, HOFMAN G.L, TWINCEK.C, COPELAND G.L, HOBBS R.W and SENN R.L, The Use of U 3 Si 2 Dispersed Al in Plate Type Fuel Elements for Research and Test Reaktor, ANL / RERTR /TM -11, TIM KESELAMATAN REAKTOR SERBA GUNA Laporan Analisis Keselamatan Penggantian Elemen Bakar Oksida ke Silisida Densitas 2,96 g/cm 3, RSG. OTH/LAK/01/ ASLINA BR GINTING, Perbedaan Reaksi Termokimia Bahan Bakar U 3 O 8 -Al Dengan U 3 Si 2 -Al, Prosiding Pertemuan Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan Dan Teknologi Nuklir, Yogyakarta Mei ASLINA GINTING, Analisa Termal Pelat Elemen Bakar U 3 si 2 -Al Variasi Tingkat Muat Uranium, Persentasi Peneliti Muda P2TBDU, Serpong November MASRUKAN, Karakterisasi AlMgSi Untuk Pelat Sisi Ditinjau Sebagai Kelongsong Bahan Bakar Reactor Riset Hasil-Hasil Penelitian Elemen Bakar Nuklir P2TBDU-BATAN, JHON E.HATCH, Aluminum Properties and Physical Metallurgy, American Society for Metals,Metal Park,Ohio, MASRUKAN, Pengaruh Temperatur Perolan Terhadap Strukturmikro Dan Ikatan Antarmuka Pelat AlMgSi1, Urania,Buletin Triwulan Daur Bahan Bakar Nuklir,No.41/Thn.XI/2005,ISSN OS INANOV, Phase Diagrams of Uranium Alloys Amerind Publishing Co.PVT.LYD,New Delhi-Bombay Calcutta- New York-1983 TANYA JAWAB Suroso Kenapa dalam penelitian ini yang dianalisa hanya sifat thermal dan mikrostruktur saja. Padahal banyak sifat-sifat yang lain harus dianalisa untuk menyatakan kelonsong AlMg Si tersebut baik. Aslina Br. Ginting Pada penelitian ini yang dianalisis hanya sifat thermal an sifat mikrostruktur. Tetapi pada penelitian sebelumnya telah dianalisis sifat komposisi kimia, laju korosi dan sifat mekaniknya. Dari analisis keseluruhan inilah maka dapat dinyatakan bahwa kelongsing AlMg Si lebih baik dari kelongsong AlMg 2. Ign. Djoko Irianto Dalam penelitian ini, kenapa paduan AlMg Si dibuat sebagai kelongsong bbn yang selama ini telah dibuat kelongsong bbn dari AlMg 2? Bagaimana dengan lisensi? Aslina Br. Ginting Bila pelat elemen bakar (PEB) U 3 Si 2 Al ditingkatkan kadar U-235 nya dari tingkat muat uranium (TMU) 2,96 gru/cm 3 menjadi 4,8 gru/cm 3 maka kelongsong AlMg 2 mengalami efek god bone pada saat perolah karena kekerasan PEB U 3 Si 2 Al densitas 4,8 gr U/cm 3 lebih keras dari PEB U 3 Si 2 Al densitas 2,96 gr/cm 3, sehingga harus diganti dengan kelongsong AlMgSi. Mengenai lisensi, kita tetap mengacu pada bahan bakar U 3 08 yaitu pada SIEMENS. Pande Made Udiyana Bagaimana proses fabrikasi bahan bakar U 3 Si 2 Al menggunakan kelongsong AlMg 2 dibanding kelongsong AlMgSi? Aslina Br. Ginting Mengenai proses fabrikasi yang dilakukan terhadap bahan bakar U 3 Si 2 Al menggunakan kelongsong AlMg 2 adalah sama dengan proses fabrikasi terhadap kelongsong AlMgSi proses perolanpada kelongsong AlMg 2 dilakukan pada T=425⁰C sedangkan proses perolan pada kelongsong AlMgSi dilakukan pada T=480⁰C (proses fabrikasi lainya semua sama).

6 162 ISSN Aslina Br. G., dkk.