PERANAN KARBON PADA KETAHANAN KOROSI BAJA TAHAN KARAT'SEBAGAI WADAH LIMBAH AKTIVITAS TINGGI1. Aisyah2.Ari Handayani3.

Transkripsi

1 -..,."., U""'" Prosiding Pertemuan IImiah Sains Materi 1996 PERANAN KARBON PADA KETAHANAN KOROSI BAJA TAHAN KARAT'SEBAGAI WADAH LIMBAH AKTIVITAS TINGGI1 Aisyah2.Ari Handayani3.Nusin Samosir' ABSTRAK PERANAN KARBON PADA KETAHANAN KOROSI BAJA TAHAN KARAT SEBAGAI WADAH LIMBAH AKnVITAS TINGGI. Limbah aktivitas tinggi yang akan disimpan abadi pada fonnasi geologi dalam, memerlukan wadah yang mempunyai ketahanan korosi yang cukup tinggi. Limbah aktivitas tinggi dipadatkan terlebih dahulu dengan gelas borosilikat. ulehan gelas-limbah pada suhu 1150oC dimasukkan ke dalam wadah yang terbuat dati baja tahan karat austenitik. Adanya siklus panas pada proses pewadahan memungkinkan wadah mengalami perubahan struktur mikro, yang berakibat menurunkan sifat mekanik clan ketahanan korosinya. Baja tahan karat AISI 304L yang mempunyai kadar karbon rendah yaitu 0,02% berat yang diberi perlakuan panas telah dipelajari struktur mikronya.. Pemanasan dilakukan pada suhu ll00oc clan 700 C selama masing-masing 2 jam yang dilanjutkan pendinginan cepat dalam air, kemudian analisis struktur mikro dilakukan menggunakan mikroskop optik, SEM clan EDS. Hasil percobaan menunjukkan bahwa pada contoh bahan asal clan bahan yang telah mengalami perlakuan panas tidak ditemukan adanya endapan Cr23C6 clan daerah deplesi krom sehingga pengendapan Cr23C6 bisa dihambat. Oleh karena itu penggunaan AISI 304L sebagai wadah limbah aktivitas tinggi akan aman terutama dalam hat ketahanan korosinya. ABSTRACT THE CARBON LEADING ON CORROSION RESISTANCE OF STAINLESS STEEL AS mgh LEVEL WASTE CANISTER. The high level waste that would disposed on underground, needs canister which has high corrosion resistance. At first the high level waste was solidified with borosilicate glass. The waste glass slurry at temperature of I 150 C was poured into austenitic stainless steel canister. The thermal cyclus presence in the pouring process was enabling canister to change microstructure that result decreasing of mechanical behavior and corrosion resistance. The AISI 304L stainless steel that low carbon content of 0.02% of weight has been studied under heatreatments. The heating was conducted at temperature of II OOoC and 700 C for 2 hours respectively than be continued by water quenching, and then the micro structure was analized by optical microscope, SEM and EDS. The results show that in as received and heat treatments material speciments is not found the Cr23C6 precipitate and chromium deplezion zone, so Cr23C6 precipitation can be avoided. So the use of AISI 304L as high level waste canister will save especially on its corrosion resistance. PENDAHULUAN Sistem penyimpanan limbah aktivitas tinggi pacta formasi geologi dalam dimaksudkan untuk mengisolasi limbah agar potensi lepasnya radionuklida ke lingkungan sebelum waktunya dapat diminimumkan.. Untuk maksud itu limbah radioaktif dijadikan bentuk padatan yang stabil, kemudian dilindungi dengan sistem penahan ganda rekayasa seperti wadah, pembungkus luar (overpack), bahan urug dad sebagainya seperti terlihat pacta Gambar 1. Sistem penahan ganda ini diharapkan mampu menahan terlepasnya radionuklida ke lingkungan[ 1]. Limbah cair aktivitas tinggi (LCAT) dihasilkan dari ekstraksi siklus I proses olah ulang bahan bakar nuklir bekas. Limbah ini mengandung sedikit aktinida dan banyak basil belah. Limbah ini dipadatkan dengan gelas borosilikat pacta suhu I 150 C secara vitrifikasi. Lelehan geias-limbah basil proses pacta suhu I 150 C dimasukkan ke dalam wadah yang terbuat dati baja tahan karat austenitik. Wadah berbentuk silinder dengan diameter luar 430 mm, tinggi 1040 mm dan tebal 6 mm, seperti terlihat pacta Gambar 2. d Baokfill _,"0,," L!aIb&h t..~kondl.i 11- aatt....""..". &loa OVo"",,k -I Gambar I. Sistern penahan ganda rekayasa[l] Garnbar 2. Wadah gelas-limbah[2]. 1 Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM Pusat Teknologi Pengolahan Limbah Radioaktif 3 Pusat Penelitian Sains Materi 4 Pusat Elemen Bakar Nuklir 179

2 Bagian alas wadah berbentuk' lengkung, disambung dengan kaki yang menyangga seluruh berat wadah clan isi. Pada bagian atas dilengkapi dengan mulut penuangan clan sumbat. Setelah proses penuangan, sumbat ditutupkan pada mulut clan dilas mati[2]. Proses penuangan gelas-limbah memakan waktu 2 jam dengan laju alir sebesar 150 kg per jam. Berdasarkan basil perhitungan perpindahan panas sederhana diperkirakan bahwa wadah berada pada suhu ( oC) selama 2 jam. Oleh karena itu dimungkinkan wadah mengalami perubahan struktur mikro, sifat mekanik clan ketahanan korosinya. Perubahan ini pada medium tertentu akan menaikkan laju korosinya. Kenaikan laju korosi ini karena terjadi pengendapan krom karbida (Cr23C6) di barns butir. Karbida ini menyebabkan jumlah krom yang larut disekitarnya menjadi berkurang sehingga timbul hecla potensial antara butir austenit dengan karbida pada batas butir yang berakibat terjadinya efek galvanik. Oleh karena itu ketahanan korosinya akan menurun [3]. Mengingat wadah nantinya akan disimpan pada formasi geologi dalam pada kedalaman 500 sampai 1000 m clan dalam jangka lama (jutaan tahun), maka disyaratkan bahwa wadah harns mempunyai ketahanan korosi yang cukup tingg[4]. Untuk mengatasi pengendapan Cr23C6 pada proses penuangan tersebut, bisa dilakukan dengan proses pemanasan kembali wadah setelah penuangan pada suhu yang tingi (austenisasi), dilanjutkan dengan pendinginan cepat. Proses ini akan memperbaiki kembali sifat bahan tersebut terutama sifat ketahanan korosinya. Namun mengingat wadah cukup besar, proses pemanasan kembali sulit dilakukan.cara lain adalah dengan menggunakan baja tahan karat yang mempunyai kadar karbon. rendah, misalnya AISI 304L clan AISI 316L, atau yang memiliki unsur paduan tambahan yang bersifat mengikat karbon, seperti Ti, Nb, clan sebagainya misalnya AISI 321 atau 347 [5]. Untuk kadar karbon yang rendah, pada interval suhu sensitisasi ( C) kondisi bahan hanya berfasa tunggal yaitu rasa austenit. Untuk kadar karbon yang lebih tinggi, pada suhu sensitisasi terdapat 2 macam rasa yaitu rasa austenit clan rasa Cr23C6. Hal ini tampak pada Gambar 3 yang menggambarkan tentang kelarutan karbon pada paduan Fe-Cr-Ni [5]. Penelitian mengenai sensitisasi pada AISI 304 yang mempunyai kadar C 0.06 % telah dilaporkan[6]. Dalam penelitian ini dipelajari baja tahan karat yang mempunyai~ kadar C rendah yaitu 0,02% (AISI 304L) untuk mengetahui seberapa jauh peranan C pada penekanan pengendapan Cr23C6. u,. J ~""" "... Gambar 3. Kelarutan karbon pada paduan Fe-Cr-Ni[5]. Diasumsikan bahwa wadah mengalami perlakuan panas pada suhu 700 C selama 2 jam. Suhu ini merupakan suhu sensitif terjadinya pengendapan Cr23C6, karena pada suhu ini difusi krom ke batas butir cukup besar. Pengamatan adanya endapan Cr23C6 dilakukan dengan mikroskop optik, Scanning Electron Microscope (SEM) beserta Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS). BAHAN DAN TATA KERJA Bahan Baja tahan karat AISI 304L yang dipakai berasal dati Pusat Reaktor Serba Guna Batan dengan spesifikasi berdasarkan sertifikat[7]. Bahan ini diterima dalam bentuk pipa seamless (tanpa lasan) dengan ukuran (4> x 6 x I) : 33,4 x 3,38 x 4100 (mm) clan komposisi C: 0,020 %, Mn: 1,610%, P: 0,023, S: 0,004%, Si: 0,500%, Ni: 10,12%, Cr: 18,3%, Fe: balance. Larutan etsa yang digunakan ada 2 jenis yaitu larutan Kroll, dengan komposisi (5% HNO3 + 10% HF + 85% H2O) clan larutan asam oksalat 10% yang dipakai secara elektrolitik dengan tegangan sekitar 6 volt. Tata Kerja Dibuat contoh bahan asal dengan cara membelah clan memotong pipa seamless menjadi contoh yang siap untuk diamati struktur mikronya. Contoh bahan asal diberi 2 macam perlakuan panas yaitu dipanaskan pada suhu ll00oc selama 2 jam yang diikuti pendingin cepat dalam air (larutan padat jenuh), clan contoh bahan larutan padat jenuh ini dipanaskan kembali pada suhu 700 C 180

3 t. ~~,~. ini dipanaskan kembali pada suhu 700 C selama 2 jam. Contoh bahan asal clan bahan yang telah mengalarni perlakuan panas masingmasing dibingkai dengan resin, diamplas, dipoles dengan pasta alumina clan dietsa untuk diamati struktur mikronya dengan mikroskop optik clan SEM. Kadar krom pada endapan Cr23C6, matriks clan daerah deplesi krom dianalisis dengan EDS. BASIL DAN PEMBAHASAN.Struktur mikro hasil penelitian disajikan pacta Gambar 4, 5 dad 6. Garnbar 4A menunjukkan struktur mikro dari contoh bahan asal yang dietsa dengan larutan Kroll. Dengan etsa jenis ini struktur mikro keseluruhan akan tampak, sedangkan Garnbar 4B menunjukkan struktur mikro dari contoh bahan asal yang dietsa dengan larutan asarn oksalat 10% dengan maksud- untuk melihat keadaan barns butir. Kedua garnbar tersebut merupakan hasil pengarnatan dengan mikroskop optik. Dari Garnbar 4B tarnpak bahwa barns butir terputusputus sepertinya terdapat bekas jejak karbida krom yang telah terlepas. Narnun dari hasil pengarnatan SEM (Gambar 4C) untuk contoh bahan asal yang dietsa dengan larutan Kroll, menunjukkan kadar Cr yang harnpir sarna antara batas butir dengan matriks yaitu masing-masing sebesar 18,96% dad 17,78% berat. lni berarti bahwa pacta contoh bahan asal tidak terdapat endapan Cr23C6, Hal ini karena bahan asal bel urn mengalarni perlakuan panas. Walaupun hasil pengamatan contoh bahan asal menunjukkan tidak adanya endapan Cr23C6, telah dicoba memanaskan contoh pada suhu ll00oc selama 2 jam yang dilanjutkan pendinginan cepat dalam air. Hal ini dilakukan untuk membuat keadaan contoh agar lebih berfasa tunggal yaitu rasa austenit. Gambar S menunjukkan struktur mikro contoh setelah keadaan contoh lebih berfasa tunggal yang diamati dengan mikroskop optik dad SEM. Gambar SA clan B adalah gambar struktur mikro basil pengamatan mikroskop optik masing-masing untuk contoh yang dietsa dengan larutan Kroll dad larutan asam oksalat 10%. Gambar SC menunjukkan gambar struktur mikro hasil pengamatan SEM untuk contoh yang dietsa menggunakan tarutao Kroll. Dari gambar tersebut terlihat bahwa batas butir tampak tipis. Hasil analisis EDS untuk contoh yang struktur mikronya tampak pada Gambar SC menunjukkan kadar Cr pada batas butir dad matriks hampir sarna masing-masing sebesar 17,8S% dad 17,71% berat. Hal ini menunjukkan bahwa contoh tersebut benar telah berfasa tung gal yaitu rasa austenit. ~:~;:.;:;.':!~, '.J: f;f" "",J Gambar 5. Struktur mikro baja tahan karat AISI 304L, pemanasan pada suhu 1100 C selama 2 jam clan diikuti pendinginan cepat dalam air. (A) Pengamatan dengan mikroskop optik, etsa dengan larutan Kroll. (8) Pengamatan dengan mikroskop optik, etsa secara elektrolotik menggunakan asam oksalat 10 % clan tegangan 6 volt. (C) Gambar batas butir, pengamatan dengan SEM, etsa dengan larutan Kroll. Gambar 4. Struktur mikro baja tahan karat AISI 304L asal : (A). Pengamatan dengan mikroskop optik, etsa dengan larutan Kroll. (B). Pengamatan dengan mikroskop optik, etsa secara elektrolitik menggunakan asam oksalat 10 % clan t'egangan 6 volt. (C) Gambar batas butir, pengamatan dengan SEM, etsa dengan larutan Kroll. Basil percobaan selanjutnya dapat dilihat pada Gambar 6 yaitu struktur rnikro contoh yang dipanaskan pada suhu 700 C selama 2 jam. diamati dengan rnikroskop optik clan SEM. Gambar 6A clan B masing-masing menunjukkan struktur rnikro basil pengamatan rnikroskop optik untuk contoh yang dietsa 181

4 dengan larutan Kroll clan asarn oksalat 10%. Dari kedua garnbar tarnpak batas butir yang harnpir sarna, hat ini menunjukkan bahwa kedua etsa tersebut mempunyai efek yang harnpir sarna. Garnbar 6C menunjukkan struktur mikro basil pengarnatan SEM untuk contoh yang dietsa dengan larutan Kroll. Dari garnbar tersebut tarnpak batas butir yang lebih tebal dibandingkan dengan keadaan sebelurnnya (Garnbar 5C). Hal ini karena pada keadaan ini daerah yang termakan etsa lebih luas. Analisis EDS untuk contoh yang struktur mikronya terlihat pada Garnbar 6C menunjukkan bahwa kadar Cr pada batas butir clan matriks berturut-turut sebesar 19,6% clan 18,6% berat. Ini berarti peningkatan kadar Cr pada batas butir relatif tidak terjadi. Daerah deplesi Cr tidak terdeteksi baik dengan metode titik maupun metode garis. Dengan demikian rendahnya kadar karbon pada contoh dapat menghambat terbentuknya endapan Cr23C6. Hal ini adalah benar sesuai dengan Garnbar 3 yang menunjukkan bahwa untuk kadar C 0,02% berat tidak terjadi pengendapan Cr23C6 pada matriks y (austenit), karena jumlah C yang ada tidak cukup untuk mengikat Cr membentuk Cr23C6. Mengingat pada bahan AISI 304L tidak teramati adanya endapan Cr23C6 baik pada contoh bahan asal maupun bahan yang telah mengalami perlakuan panas, maka penggunaannya sebagai bahan wadah limbah aktivitas tinggi akan lebih arnan dibandingkan dengan AISI 304 terutarna dalarn hat ketahanan korosinya. KESIMPULAN Dari basil penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa keadaan bahan asal dan bahan yang telah mengalarni perlakuan panas adalah tetap berfasa tunggal yaitu rasa austenit, bebas dati endapan Cr23C6,. Hal ini terjadi karena rendahnya kadar karbon pada bahan. Dengan demikian kadar karbon yang rendah mampu meningkatkan ketahanan korosi bahan. Mengingat bahwa wadah limbah aktivitas tinggi ini banyak mengalarni proses perlakuan panas baik pada saat pembuatan (pengelasan) maupun saat penuangan gelaslimbah, dan wadah nantinya akan disimpan abadi pada formasi geologi dalam, yang memungkinkan suatu saat air tanah akan mencapai wadah maka penggunaan baja tahan karat AISI 304L sebagai wadah limbah aktivitas tinggi akan cukup aman. DAFTARPUSTAKA 1. PNC., Geological Isolation Basic Research Facility, PNC, Jepang. 2. MARTONO, H, Training for High Level Radioactive Waste Management, PNC, Jepang (1988). 3. SEDRICKS, A. J., Corrosion of Stainless Steel, John Willey and Sons Inc, New York (1979) 4. IAEA., Characteristics of Solidified on High Level Waste Product (Technical Report Series No. 187), IAEA, Vienna, ( 1979). 5. PECNER, D., and BERNSTEIN, I.M., Hanbook of Stainless Steel, MC Graw-Hill, USA (1977). 6. AISY AH, Sensitisasi Pada Baja Tahan Karat AISI 304 Calon Bahan Wadah Limbah Aktivitas Tinggi, PTPLR., Jakarta (1996), belum terbit. 7. Sertiflkat baja tahan karat AISI ASM, Handbook, Metallography and Microstructures, Vol 9, 9thed, USA (1992). Gambar 6. Struktur mikro baja tahan karat AISI 304L, pemanasan pada suhu I I {)()oc selama 2 jam dad diikuti pendinginan cepat dalam air, pemanasan pada suhu 7000C selarna 2 jam. (A) Pengarnatan dengan mikroskop optik, etsa dengan larutan Kroll. (8) Pengamatan dengan mikroskop optik. etsa secara elektrolitik menggunakan asam oksalat 10 % dan tegangan 6 volt. (C) Gambar batas butir, pengamatan dengan SEM, etsa dengan larutan Kroll. DISKUSI : Wagiyo : Apa tujuan menggunakan larutan etsa kroll dad elektrolit Aisyah : Etsa dengan larutan kroll berguna untuk melihat struktur mikro secara keseluruhan. Etsa secara elektrolit menggunakan asam Oxalat 10% dimaksudkan untuk melihat batas butir dad daerah sempit dekat batas butir. Etsa ini akan menyerang daerah dekat barns butir 182

5 ini akan menyerang daerah dekat barns butir yang kekurangan Kromm (Kromm Depletion Zone) Rukihati: Dalam penelitian ini dipilih suhu percobaan 1100 c dad 700 DC, mohon dijelaskan latar belakang pemilihan suhu tersebut karena penyimpanan limbah tersebut pada suhu normal. Aisyah : Suhu 1100 DC dipi1ih sebagai suhu austenisasi dengan maksud untuk melarutkan karbida Kromm yang mungkin telah acta pacta bahan asal. Suhu 700 DC dipilih sebagai suhu percobaan, hal ini bahwa suhu tersebut adalah suhu sensitisasi yang dipakai sebagai suhu simulasi yang diterima wadah pacta proses penuangan geias-limbah kedalamnya. 183