Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III Serpong, Oktober 1998 ISSN

Transkripsi

1 ()~c Prosiding Pertemuan lmiah Sains Materi Serpong, Oktober 1998 SSN PEMUAAN q- PELAT ELEMEN DAKAR U3Siz-A DENGAN TNGKATSf' MUAT URANUM 4,2 DAN 4,8 g/cm3 DALAM MEDA NERT DAN UDARA Aslina Dr. Ginting,,Suparjo, Dian.A, S.Amini, Hasbullah N. nstalasi Radiometalurgi -Pusat Elemen Bakar Nuklir -Serpong ABSTRAK PEMUAAN PELAT ELEMEN BAKAR (PEB) U3S~-A DENGAN TNGKAT MUAT URANWM (fm U) 4,2 DAN 4,8 g/cm3 DALAM MEDA NERT DAN UDARA. Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui perubahan dimensi yang mencakup pemuaian, koefisien mufti panjang dan kestabilan terlllal dan PEB U3Siz-A dalam media inert dan udara yang diukur sebagai fungsi temperatur dan waktu. Data-data pemuaian dan kestabilan termal ini diharapkan dapat memben masukan kepada pabrikasi bahan bakar reaktor nset dalam merancang dan membuat bahan bakar uranium silisida dengan tingkat muat uranium yang lebih tinggi. Dan analisis pemuaian dengan dilatometer diperoleh bahwa TM U, temperatur dan media pengukuran sangat mempengaruhi besamya pemuaian yang dialami oleh bahan bakar tersebut. PEB U3Siz-A dengan TM U 4,2 dan 4,8 g/cm3 dalam media inert mengalami pemuaian bertambah besar dengan naiknya temperatur dan bertambah kecil dengan kenaikan TM U, sedangkan dalam media udara PEB mengalami pemuaian bertambah besar dengan kenaikan temperatur dan kenaikan TM U. Analisis kestabilan terlllal dengan DSC'92 diperoleh bahwa PEB U Si -A dajam media inert stabil terhadap terlllal sedangkan dalam media udara PEB U3Siz-A mengalami reaksi oksidasi deng~n Zgas oksigen membentuk senyawa oksida. ABSTRACT THERMAL EXPANSON OF U3Si2-A FUEL PLATES WTH THE URANUM LOADNG OF 4.2 AND 4.8 g/cm3 UNDER NERT AND SYNTHETC AR MEDUM. This observation covers the dimensional changes of fuel plates in the inert and synthetic air including linear expansion and its coefficient and thermal stability as functions of temperature and time. Those data would give contribution for the high uranium loading silicide fuel type design and production. The thermal expansion analysis using dilatometer shows that uranium loading, temperature and medium changes greatly influence the linear expansion of the fuel plates. Heat treatment on the U]Si2-AJ fuel plates with uranium loading of 4.2 and 4.8 g/cm] in both inert and synthetic air medium resulted in the discrepancy of plate expansion. n the inert medium, the expansion coefficient increased with the increasing of temperature and decreased with increasing of uranium loading. On the other hand, in the condition of synthetic air medium the linear expansion coefficient increased with increasing of both temperature and uranium loading. The thermal stability analysis using DSC'92 shows U]Si2-A fuel appear to be stable on the heating in inert medium. However heating proces in synthetic air medium of fuel plate caused oxidation reaction formed oxide compounds. PENDAHULUAN Latar Belakang Pusat Elemen Bakar Nuklir (pebn) merencanakan pembuatan bahan bakar uranium silisida (U3Siz-Al) sebagai pengganti bahan bakar oksida (U30s-A) yang selama ini dipakai di dalam teras reaktor G.A. Siwabessy (RSG-GAS) -Serpong. Penggantian bahan bakar U3Os-Al menjadi U3Siz-A dilakukan karena bahan bakar jenis silisida mempunyai beberapa kehandalan dibanding bahan bakar jenis oksida. Salah sam kehandalan dari bahan bakar jenis silisida adalah mempunyai densitas yang jauh lebih tinggi dari bahan bakar jenis oksida, sehingga dapat dimuati oleh kandungan U-235 yang lebih banyak. Uranium silisida merupakan uranium yang mempunyai densitas sekitar 12,5 g/cm3 dengan Tingkat Muat Uranium (TMU) paling tinggi dibanding bahan bakar tipe lainnya. Di samping itu proses pabrikasi bahan bakar uranium silisida juga tidak jauh berbeda dengan pabrikasi bahan bakar tipe pelat U3Os-Al yang ada di PBBRR -PEBN saat ini. Sehingga bagi PEBN, khususnya bidang pabrikasi bahan bakar reaktor riset tidak terlalu solit untuk mengganti bahan bakar jenis oksida menjadi bahan bakar jenis silisida. Uranium yang digunakan untuk bahan bakar tersd>ut adalah uranium yang diperkaya :i: 20% dengan variasi 1M U yang lebih tinggi dari 3,0 g/cm3 yaitu 1M U 4,2 dan 4,8 g/cm3. Peningkatan kandungan U-235 di dalam Pelat Elemen Bakar (PEB) U3Si2-Al dapat menambah umur pakai (life time) dan meningkatkan fraksi bakar (burn up) dari bahan bakar tersebut di dalam reaktor dad penggantian bahan bakar (refuelling) dapat dilakukan lebih lama sehingga effesiensi bahan bakar lebih ekonomis. Dalam penggunaan bahan bakar U3Si2- Al dengan 1M U tinggi di dalam reaktor diduga akan 126 Aslina Br. Ginting dkk.

2 Prosiding Pertemuan lmiah Sains Materi Serpong, Oktober 1998 SSN mengalami pembahan dimensi akibat kena radiasi, oleh sebab itu dipandang perlu untuk melakukan suatu penelitian guna menge-tahui besarnya perubahan dimensi akibat pemanasan yang mencakup pertambahan panjang (DL= mm), koefisien muai panjang (O-6/ C) dan kestabilan termal (Jig) PEB U3Si2 -A dalam media inert dan media udara. Pengukuran pemuaian dalam media inert dilakukan untuk mengetahui besarnya pertambahan panjang atau perubahan dimensi Pelat Elemen Bakar U3Si2-A selama berada di dalam teras reaktor pada kondisi operasi normal. Sedangkan pengukuran pemuaian dalam media udara dilakukan untuk mengetahui perubahan dimensi dari PEB U3Si2-A jika terjadi kehilangan air pendingin atau Lost Cooling of Accident (LOCA) di dalam reaktor. Data pemuaian irii diharapkan dapat memberikan suatu masukan kepada pabrikan sebagai pembuat bahan bakar dad kepada PRSG sebagai pengguna bahan bakar reaktor riset jenis silisida. U3Si2-Al tersebut. HASn. DAN PEMBAHASAN 1.Aoalisis Pemuaian PEB UJSi2-A Dengan TM U 4,2 dad 4,8 g/cm3 Dalam Media nert PeogukUlao pertambahan panjang telah dilakukan terhadap bahan PEB U3Si2-A dengan 1M U 4,2 dan 4,8 g/cm3 daam media gas Argon dengan menggmakan aat Dilatom~r. Dari Gambar-l dan 2 di~roleh bahwa PEB U3Si2-Al dengan 1MU 4,2 g/cm3 daft 4,8g/ cm3 dalam media gas Argon menunjukkan kecenderungan penampilan pemuaian yang sarna dengan naiknya temperatur[ 1 J. Pemuaian yang dialami oleh kedna bahan bakar tersebut dari pemanasan awal 30"C hingga suhu 550 C sampai posisi titik A menyebabkan CARA KERJA Pengukuran nilai pertambahan panjang dad koefisien muai panjang dilakukan di laboratorium R- 132-RM PEBN BATAN dengan menggunakan alat DLATOMETER Type 801 Merk Bahr Geratebau. Bahan PEB U3Si2-Al dengan TM U 4,2 dan 4,8 g/cm3 dipotong menjadi cuplikan dengan ukuran 50xl0 mm. Dalarn pengukuran terlebih dahulu disiapkan data kalibrasi dari sampel standard Saphir dengan kondisi pengukuran yang sarna dengan sampel yang diuji. Sam pel PEB U3Si2-A dengan variasi TM U dimasukkan kedalarn tungku Dilatometer, kemudian chamber tungku Dilatometer divakumkan sampai tekanan 10-2 bar. Setelah tekanan vakum tercapai, chamber Dilatometer dialiri gas Argon UHF 99,999% untuk media inert atau gas Oksigen 21 % untuk media udara yang dialirkan secara kontinu selama pengukuran berlangsung. Peng-operasian Dilatometer dilakukan pada temperatur terprogram dari 30.C hingga 550.C dengan kecepatan pemanasan dad pendinginan 5.c/min serta waktu tunda selarna 1 jarn. Dari basil pengukuran Dilatometer diperoleh nilai pertambahan panjang (DL) dad keofisien muai panjang (a) dari masing -masing sampel uji sebagai fungsi waktu dan temperatur. Sedangkan penentuan kestabilan termal PEB U3Si2-A dilakukan dengan menggunakan alat DSC'92. PEB U3Si2-Al seberat 75 mg dimasukkan kedalam krusibel aluminium, kemudian krusibel tersebut di masukkan ke dalam tungku DSC'92. Analisis kestabilan termal terhadap PEB U3Si2-A dilakukan pada rentang suhu 30.C hingga 550.C dengan kecepatan 5.C/min dalarn media gas Argon atau Oksigen 21% dengan mengamati perubahan aliran panas yang diterima oleh bahan bakar PEB 11-"'1 i -1 68~!..~ ', f \. / \.br,y{""wj.., rel4,z ~~3.# 2 Kor/.n-.ir..j.ws r l4.8 s..# \ 1Ti'~:r.",wt '~..681,;c ~!;. i r: ~281 2e~ :"" ~ 'N! i 8,, :, '" ' l ).in Gambar 2, Koefisien Muai Panjang PEB U,Si.-A TMU 4,2 dan 4,8 g/crn' Dalam Media Gas Argon terjadinya pertambahan panjang dari 85mm sampai 657 mm untuk TM U 4,2 g/cm3 dan sebesar 83 mm hingga 632 mm unbjk TM U 4,8 g/cm3 seperti yang terlihat pada Gambar-l dan Tabel-l. Pemuaian ini terjadi karena partikel maupun atom-atom U3Si2-Al mengalami turnbukan antar atom yang looih cepat yang mengakibatkan jarak antar atom cenderung membesar sehingga pemuaian juga semakin besar dengan naiknya temperatur. Di samping itu pemuaian pada rentang suhu 300c hingga 550"C sangat dipengaruhi oleh kandungan matrik Aslina Br. Ginting dkk. 127 ".-.",..,.",,-0'.",..,." ,..,.,. -'.0" '.".0' D"".,."..,.,

3 ~ Prosiding Perlemuan llmiah Sains Materi Serpong, Oktober 1998 SSN Al yang terdapat di dalam PEB U3Si2-A tersebut. Semakin tinggi TM U semakin kecil kandungan matrik A di dalam PEB U3Si2-Al. Perbandingan kandungan matrik A dengan serbuk U3Si2 yang terdapat di dalam PEB U3Si2-A TM U 4,2 g/cm3 sebesar 25 % matrik A : 75 % serbuk U3Si2 sedangkan di dalam PEB U3Si2-A TM U 4,8 g/cm3 perbandingan matrik A sebesar 21%: 790/0 serbuk U3S~. Matrik A mempunyai koefisien muai panjang lebih besar di banding U3Si2 [1,2] sehingga pertambahan panjang yang terjadi pada rentang subu ini dominan dipengaruhi oleh kecepatan pemuaian Tabel 1 SUHU ("C) (ljam) lmu Pemmasan 6L~) Pertambahan Panjang PEB U,Si.-A TMU 4,2 dad 4,8 glcm' Dalam Media Gas Argon ~~1~ Tabel 2 SUHU (oc) \ i 1084 Pertambahan Panjang PEB U,Si2-A Dengan TM U 4,2 dan 4,8 g/cm'.dalam Media Udara TM U 4.2gian TMU 4,8g/cm, Pemanasan Pendin.l?in~ j Pemanasan Pendinginan ~ ~ ~ [~~= (ljam) M matrik A dan keiongsong AlMg2. Pada pemanasan konstan dengan subu 550.C (delay) dati titik A sampai titik B selarna jam masih terjadi proses pemuaian dari bahan bakar tersebut yang menyebabkan terjadinya pertambahan panjang dari 657 ~hingga 1084 ~untukpebu3si2-a TMU 4,2g/crn3 dan6321lm hingga 41lm untuktmu 4,8 g/crn3, Dari analisis ini diperoleh bahwa PEB U3Si2-A dengan TM U 4,8 g/crn3 mengajami pemuaian ebih besar dibandingpeb U3Si2-A dengan TM U 4,2 g/cm3, Pemuaian pada suhu konstan 550"C selama jam ini disebabkan oleh interaksi antara matrik A dengan partikel U3Si2yang menyebabkan terjadinya proses difusi matrik Al ke dalam partikel U3Si2, dimana matrik Al akan membungkus partikel U3Si2 membentuk suatu agiomerat. Semakin tinggi TM U semakin besar terjadinya pengikatan matrik A ke dalam partikel U3Si2 yang menyebabkan pembentukan aglomeratjuga semakin besar. Adanya aglomerat pada PEB U3Si2-A variasi TM U telah dibuktikan dengan analisis mikrostrukturpada penelitian sebelunmya [3,4,5] dimana aglomerat ill akan mendesak kedudukan atomatom kelongsong AlMg2 yang menyebabkan bertambah besarnya nilai pertambahan panjang dati PEB U3Si2- A tersebut. Analisis kestabilan termal juga telah dilakukan terhadap PEB U3Si2-A dengan TM U 4,2 dan 4,8 g/ cm3 pada suhu 30.C hingga 550.C dalam media gas Argon dengan menggunakan alat DSC'92. Dari basil analisis tersebut diperoleh basil bahwa PEB U3Si2-A cendemng stabil terhadap pengaruh termal seperti yang ditun-jukkan pada Gambar-5, di mana terlihat aliran panas yang diterima maupun panas yang diserap oleh PEB U3Si2-A cendemng tidak mengalami pembahan base line selama pengukuran berlangsung. Dari peristiwa ill dapat dikatakan bahwa pemuaian yang dialami oleh PEB U3Si2-A pada suhu 30.C hingga 550.C dalam media gas Argon hanya merubah sifat fisis tetapi tidak merubah rasa dati bahan bakar tersebut. 2. Analisis Pemuaian PEB U,Siz-A Dengan TM U 4,2 daft 4,8 g/cm' Dalam Media Udara PEB U3Si2-Al dengan TM U 4.2 dan 4,8 g/cm3 telah dianalisis besar pemuaiannya pada rentang suhu 30 C hingga 550 C dengan kecepatan pemanasan 5 C! mill dalam media udara (gas Oksigen 21%) dengan meng-gunakan Dilatometer. DaTi basil analisis tersebut terlihat bahwa proses pemuaian dati kedua hahan bakar menunjukkan penampilan yang sarna yaitu mengalami pemuaian bertambah besar dengan naiknya temperatur pemanasan. PEB U3Si2-A dengan TM U 4,8 g!cm3 mengalami pemuaian yang menyebabkan pertambahan panjang lebih besar di banding PEB U3Si2-A dengan TM U 4,2 g/cm3 seperti yang ditunjukkan pada Tabel- 2. PEB U3Si2-Al TM U 4,2 g/cm3 mengalami pemuaian yang menyebabkan pertambahan panjang sebesar 86.1m hingga m sedangkan PEB U3Si2-Al TM U 4,8 g/cm3 mengalami pemuaian sebesar 951.1m hingga m. Peningkatan pemuaian yang dialami oleh PEB U3Si2-Al di dalam media udara ini, disebabkan oleh terjadinya reaksi oksidasi Uranium,Silikon dad Aluminium yang terdapat di dalam PEB U3Si2-A tersebut dengan gas oksigen 21 % membentuk senyawa oksida Al2O3' UO2 dad SiO2 [5].Adanya senyawa oksida Al2O3' UO2 dan SiO2 sebagai basil reaksi oksidasi PEB U3Si2-A dengan media gas oksigen 21% telah dibuktikan pada analisis mikrostruktur yang didukung oleh data analisis identifikasi senyawa dengan

4 "'-',,/ Prosiding Pertemuan lmiah Sains Materi Serpong, Oktober 1998 SSN ,. J' 2888, 158e- / _~/.,.-- '." ;,1 LOC \.. 158ft ~~~ \,.\..~.. f-- \' / //, ""J ~2", ;{/,P...,P..j.., P" 4Z...3! 588-' i 2,P...t:,..j... PEl.;ii,..3! 3,T_p,P k, " : 8 ~' 188 1S1 Z88 ZS ).in Gambar 3. Pemuaian PEB U,SitAl TM U 4.2 dad 4.8 g/cm' Dalam Media Udara Gambar 4. Koefisien Muai Panjang PEB U,SizA TM U 4,2 dan 4,8 g/cm' Dalam Media Udara Gambar 5. Kestabilan Terrnal PEB U,Si.-AlTM U 4,8g/ crn' Dalam Media nert Dan Udara menggunakan alat XRD pada penelitian sebelumnya [4,5,6]. Semakin tinggi TM U semakin banyak senyawa oksida yang terbentuk [4,6], dimana senyawa oksida ini akan mendesak kedudukan atom atom kelongsong AlMg2 sehingga menyebabkan pertambahan panjang pada Pelat Elemen Bakar U3Si2-A semakin besar. Dari grnfik koefisien muai panjang pada Gambar- 3 dan 4 terlihat bahwa pada subu 440.C PEB U3Si2-Al TM U 4,2 g/cm3 dad 4,8 g/cm3 dalam media udarn mengaiami peningkatan pemuaian lebih cepat dibanding proses pemuaian pada rentang subu 30"C hingga 400.C. Pada suhu 440 C terlihat grafik koefisien muai panjang dati PEB U3Si2-A tersebut drastis bertambah besar dengan naiknya temperatur pemana-san. PEB U3Si2-Al dengan TM U 4,8 g/cm3 mempunyai nitai koefisien muai panjang lebih besar dibanding PEB U3Si2-Al dengan TM U 4,2 g/cm3. Peristiwa ini menun-jukkan bahwa semakin tinggi TM U, pembentukan senyawa oksida terjadi semakin besar yang menye-babkan proses pemuaian juga semakin besar. Hal ini sesuai dengan basil analisis dengan DSC'92 seperti yang ditunjukkan oleh kwva kestabilan tennal PEB U3Si2-Al pada Gambar- 5, dimana pada suhu 440 C terjadi perubahan aliran panas membentuk puncak eksotermik dengan mengeluarkan sejumlah panas untuk melakukan reaksi oksidasi dad pembentukan senyawa oksida UO2, SiO2 dan Al2O3 [4,5,6,7]. Pemanasan konstan pada suhu 550 C selama jam, proses pemuaian PEB U3Si2-Al tetap terjadi cukup besar dengan naiknya waktu pemanasan, peristiwa ini menunjukkan bahwa pembentukan senyawa oksida selain dipengaruhi oleh suhu pemanasan juga dipeng-aruhi oleh faktor waktu (delay), dimana kontak atau interaksi PEB U3Si2-A dengan gas oksigen 21 % berlangsung lebih lama yang menyebabkan terjadinya reaksi oksidasi dad pembentukan senyawa oksida lebih besar yang akan mempengaruhi besar pemuaian PEB U3Si2-A. KESMPULAN Dari analisis pemuaian yang dilakukan dengan Dilatometer terhadap PEB U3Si2-Al dengan TM U 4,2 dad 4,8 g/cm3 dalam media inert dan udara diperoleh basil bahwa Tingkat Muat Uranium (TM U), media dad temperatur pemanasan sangat mempengaruhi besarnya nilai pertambahan panjang (DL= rom) dad kestabilan temlal dari kedua bahan bakar tersebul PEB U3Si2-A dalam media inert mempunyai nilai pertambahan panjang bertambah besar dengan naiknya temperatur tetapi bertambah kecil dengan naiknya TM U sedangkan nilai pertambahan panjang dalam media udara bertambah besar dengan naiknya temperatur dar.. kenaikan TM U. Nilai pertambahan panjang dalam media inert cenderung dipengaruhi oleh kandungan rnatrik Al sedangkan dalam media udarn dipengarulri oleh telbentuknya senyawa oksida dalam PEB tersebut. Data-data termal yang terdiri dari data pertambahan panjang,koefisien muai panjang dan kestabilan termal dari PEB U3Si2-Al dengan TM U 4,2 dad 4,8 g/cm3 dalam media inert dan udara diharapkan dapat menjadi masukan kepada pabrikan bahan bakar reaktor riset dalam membuat bahan bakar uranium silisida dengan tingkat moat uranium yang lebih tinggi. DAFTAR PUSTAKA [1]. MARJONO SSWOSUWARNO "Teknik Pemben-

5 Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi Serpong, Oktober 1998 SSN tukan Pembentukan Logam"Jilid, Jurusan Mesin nstitut Teknologi Bandung, 1985 [2J. A G SAMOn.oV; A. KASHrANOV and V:S. VOlKOV; "Dispersion Fuel Nuclear Reaktor Elements", Translated From Rusia, Moskow [3]. G.L. HOFMAN ak1 J L. SNELGROVE, "Materials Science and Technology, "Dispersion Fuels, Nuclear Materials Part 1, ANL, Argonne,L, USA. [4J. P.TOFT, A. JENSN, "Differential Themlal Analysis and Metalograpbic Examination of U3Si2 Powder, U3S~-Al (38 w/o) Miniplates", AEA1ECDOC 643 N (4), P 15122,1985. [5J. ASLNABR GNTNG,"Pembentukan Senyawa N Akibat Reaksi Tennik Pada PEB U3Si2-A Dengan Vdriasi TM U" Prosiding Pertemuan dan ~ntasi Dmiah Penelitian D~ llmu Pengetahuan Dan Teknologi Nuklir, SSN , Yogyakarta 8-10 Juli 1997 [6]. RF.XvfAGALA, T.C. WNCEK.JL. SNELGROVE, M..HOMA and RR HENRCH. "DTA Study of U3S~-A Reactions", AEA-1ECDOC-643(3),1992. [7]. J. L. SNELGROVE, R F. DOMAGALA, G. L. HOFMAN, T.C. WNCEK, G.L. ropeland, R W. HOBBS and RL. SENN, "The Use ofu 3 S~ Di~~ A in Plate 1Ype Elements for ~h and Test Reaktor ", ANURER'R/M-11, Aslina Br. Ginting dkk.