PERANCANGAN KONTAINER MOBILE ISOTOP Ir Ci DARI BAHAN TUNGSTEN SERBUK UNTUK BRAKITERAPI

Transkripsi

1 PRPN-BATAN, 14 November 2013 PERANCANGAN KONTAINER MOBILE ISOTOP Ir Ci DARI BAHAN TUNGSTEN SERBUK UNTUK BRAKITERAPI Tri Harjanto, Kristiyanti, dan Maradu Sibarani PRPN - SATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, ABSTRAK PERANCANGAN KONTAINER MOBILE ISO TOP Ir Ci DARI BAHAN TUNGSTEN SERB UK UNTUK BRAKITERAPI. Telah dilakukan rancangan kontainer dari bahan tungsten serb uk untuk kontainer isotop Ir Ci yang akan digunakan untuk brakiterapi. Bahan tungsten adalah bahan yang memungkinkan untuk pembuatan kontainer yang aman dan handal dengan volume dan berat dapat berkurang dibanding menggunakan bahan timbal. Permasalahan yang timbul adalah pembentukan logam tungsten yang mempunyai suhu leleh 3422 C sulit dilakukan dengan teknologi sederhana, sebagai solusinya digunakan teknologi serbuk. Serbuk tungsten dibentuk dengan proses pemadatan dingin, di dalam casing besi yang mampu menahan tekanan pemadatan sampai tekanan mencapai 800 MPA. Lingkup perancangan ini menentukan tebal dinding kontainer, bentuk dan dimensi umum kontainer untuk wadah sumber Ir-192 berbentuk kapsul dengan ukuran diameter 1 mm, panjang 5 mm dan di las dengan seling diameter 0,9 mm panjang 1500 mm. Berdasarkan perhitungan diperoleh bahwa untuk sumber Ir-192 aktivitas 10 Ci tebal dinding yang diperlukan adalah 62 mm, atau diameter kontainer 121mm, maka casing disesuaikan dengan standar pip a 5" schedule 40 dengan diameter dalam 126,6 mm. Dengan teknologi ini maka tungsten serb uk yang dibutuhkan sebesar 32,516 kg dan hasil perhitungan teoritis serapan radiasinya memenuhi ketentuan dari BAPETEN yaitu pada jarak 1 m paparan radiasi sebesar 0,05 mrem/jam. Kata kunci: isotop Ir-192, kontainer mobile, tungsten serbuk, teknologi logam serb uk. ABSTRACT THE DESIGN OF 10 Ci Ir-192 ISOTOPE MOBILE CONTAINER FROM TUNGSTEN POWDER FOR BRACHYTHERAPY. The design of Ir-192 isotope mobile container from tungsten powder for brachytherapy has been done. Tungsten materials are materials that allow for the creation of safe and reliable container with volume and weight can be reduced between 25 to 50 percent compared to the use of lead materials. The problem that arises is the establishment of tungsten metal which has a melting temperature of 3422 C is difficult with simple technology, the solution is to use technology as a powder. Tungsten powder is formed by cold compaction process, in the iron casing that can withstand the compaction pressure until the pressure reaches 800 MPA. Determine the scope of this design container wall thickness, shape and general dimensions of containers for Ir-192 source container shaped capsule with a diameter of 1 mm, length 5 mm and diameter of wire is 0,9 mm and lenght of wire is 1500 mm. Based on the calculation that for Ir-192 source activity of 10 Ci required wall thickness is 62 mm or diameter is 121 mm, adjustable with standard pipe 5 " schedule 40 with a diameter of 126,6 mm. With this technology, tungsten required is 32,516 kg and comply with the provisions of theoritical calculate the radiation absorption BAPETEN ie at a distance of 1 m radiation exposure of 0.05 mrem/hr. Kata kunci: Isotope Ir-192, Mobile Container, Tungsten powder, Metal powder technology

2 PRPN- BATAN, 14 November PENDAHULUAN Pemanafaatan radioisotop di bidang industri, kedokteran, dan berbagai bidang lainya diperlukan kontainer yang mampu membawa isotop sebagai sumber radiasi seeara aman dan mudah dalam penanganannya serta mudah diaplikasikan dengan sistem penunjang lainnya. Material yang biasa digunakan sebagai kontainer adalah timbal (Pb). Berdasarkan perhitungan seeara teoritis yang telah dilakukan untuk penyimpanan Ir-192 aktivitas 10 Ci diperlukan kontainer dari bahan timbal dengan berat 71 kg. Oengan kontainer seberat 71 kg terse but mobilitas dan kemudahan aplikasi di dalam sistem menjadi sulit, oleh karena itu diperlukan bahan shielding dengan bahan alternatif yang mampu mereduksi berat dan dimensi menjadi lebih keeil [1]. Oengan kontainer yang lebih ringan maka aplikasi radiasi misalnya untuk brakiterapi mudah untuk dipindahkan atau diintegrasikan dengan sistem mekanik. Oemikian juga untuk aplikasi di bidang industri misalnya untuk kamera gamma maka kontainer harus mudah dibawa seperti pada pemeriksaan bangunan pabrik yang tinggi atau dibawa ke hutan pada saat pemasangan pipa yang melintasi medan yang sulit. Oleh karena itu penting dilakukan raneang bangun kontainer dari bahan tungsten yang seeara teoritis dapat mereduksi berat dan dimensi menjadi lebih keeil. Pada makalah ini diraneang kontainer mobile dari bahan tungsten serbuk dengan harapan dapat diperoleh raneangan yang lebih keeil dan lebih ringan dibanding dengan kontainer yang telah dibuat dengan bahan dari Pb. 2. TEORI Penggunaan bahan tungsten untuk shielding memang lebih baik dibanding dengan bahan Pb yang sudah biasa digunakan. Selain tungsten tidak beraeun, daya serap radiasinya hampir dua kali lipat dibanding dengan bahan Pb. Akan tetapi tungsten memang lebih mahal dan teknologi pembentukkan lebih sulit karena proses pembuatan bahan tungsten mempunyai suhu leleh yang sang at tinggi yaitu 3422 C, dan kekerasannya juga sangat tinggi sehingga sulit dibentuk maupun di masining [2]. Salah satu eara mengatasi hal tersebut dengan menggunakan teknologi metal serbuk, dan dipilih bahan tungsten serbuk untuk mempermudah pembentukannya. Berdasarkan teori teknologi serbuk, bahwa pembentukan serbuk logam mejadi barang jadi dapat dilakukan dengan beberapa eara diantaranya adalah proses pemampatan getar kemudian ditekan ding in terus tekan eetak, terakhir disinter dengan suhu tertentu. Oi dalam teknologi serbuk logam, karakteristik yang mempengaruhi proses pembuatan diantaranya adalah bentuk partikel, ukuran partikel dan distribusi ukuran

3 PRPN - BA TAN, 14 November 2013 partikel. Sedangkan sifat-sifat fisik metal serbuk dikelompokan menjadi beberapa diantaranya: 1. Luas permukaan spesifik (m2/gr) 2. Densitas (g/cm3) 3. Laju alir yaitu jumlah serbuk terukur dengan corong standar 4. Sifat mampu mampat yaitu perubahan kerapatan basah pada saat penekanan 5. Homogenitas campuran. Supaya homogenitas baik maka pencampuran dilakukan dengan pengadukan untuk menghomogenkan serbuk kasar dan halus, pengadukan dengan serbuk log am yang berbeda, fasa serbuk yang berbeda, di tambahkan aditif atau cairan pelumas untuk mengurangi gesekkan antar serbuk, ditambahkan bahan pengikat seperti lilin, polimer. Pad a proses sintering pelumas terse but nantinya menguap dan hilang. Penentuan bentuk dan perlengkapan yang harus dipenuhi berdasarkan pada persyaratan disain yaitu persyaratan pengguna, persyaratan fungsi kinerja, persyaratan batas disain serta persyaratan jaminan mutu. a. Persyaratan pengguna Modul kontainer digunakan sebagai tempat untuk menyimpan sumber radioaktif Ir-192 yang baru atau yang telah digunakan (bekas). Sumber radioaktif Ir-192 dari proses pembuatan disimpan dalam kontainer mobile untuk pengangkutan maupun penyimpanan dengan aman. Demikian juga ketika sumber sudah dianggap aktivitasnya kurang optimal untuk terapi maka harus di keluarkan dari mesin dan di pindahkan dengan kontainer mobile ini. Jadi modul kontainer mobile berfungsi sebagai kontainer untuk pengangkutan dan kontainer untuk penyimpan sementara sumber radiasi baru maupun bekas. Kontainer ini didisain khusus untuk sumber radiasi Ir-192 yang berukuran diameter maksimum 2 mm dan panjang 5 mm dengan ekor pengikat berupa seling Stainles steel 7x7 pilin diameter 1,2 mm panjang 2000 mm. Kontainer dilengkapi penggulung seling dan penjepit serta pengunci sehingga sumber tidak mudah bergeser dari tempatnya. b. Persyaratan batas desain Kontainer berfungsi sebagai alat transportasi untuk memindahkan sumber radiasi. Sumber radiasi aman selama penyimpanan. Penanganan dan pemindahan harus mudah. Proses loading- unloading mudah. Kontainer mampu menahan radiasi 10 Ci sehingga pada jarak 1 m dari sumber

4 PRPN-BATAN, 14 November 2013 paparan radiasi lebih kecil dari 0.05 mrem/jam sesuai batas yang dizinkan. Serat kontainer seringan mungkin dengan kemampuan menahan radiasi optimal. Toleransi desain untuk komponen-komponen yang akan dipabrikasi adalah 0,1 mm. Persyaratan standar mengikuti Standar IAEA dan Peraturan Sapeten. Hasil peraneangan ini diharapkan dapat memenuhi kebutuhan untuk kontainer sumber radiasi Ir-192 dengan intensitas 10 Ci yang konstruksinya lebih keeil dan lebih ringan dibanding dengan bahan Pb dan mudah dipindahkan. 3. METODA PELAKSANAAN Program kontainer dari bahan tungsten serbuk ini direneanakan 2 tahun dimana tahun pertama adalah peraneangan serta pengadaan bahan dan tahun ke dua adalah proses pembuatan sampai dapat terwujud prototip kontainer dan dapat diuji kemampuan daya serapnya. Khusus pad a tahapan peraneangan ini dimulai dari studi literatur, perhitungan tebal teoritis, penentuan spesifikasi dan pemilihan bahan, penentuan ukuran serta raneangan proses pembuatan. Titik berat raneangan ini pad a perhitungan tebal dengan asumsi kemampuan penekanan serbuk tertentu dan berat jenis yang dapat dibuat tertentu pula. Sebelum pembuatan dengan ukuran sebenarnya akan dilakukan pereobaan penekanan dengan membuat sam pel ukuran diameter 20 mm tinggi awal 25 mm kemudian ditekan dengan tekanan bervariasi. Selanjutnya seberapa besar berat jenis maksimum yang dapat dibuat, maka berat jenis tersebut yang dipakai sebagai perhitungan tebal shielding. Sebagai ilustrasi metoda yang dilakukan, maka dibuat diagram program sebagai berikut : Perhitungan Jumlah Sentuk Pembuatan tebal Studi data konstruksi bahan... literatur f f--+ Peraneangan kepadatan penekanan sampel Membuat untuk dan kontainer shielding mobile Gambar 1. Metoda pelaksanaan Pada peraneangan ini yang dibahas adalah perhitungan tebal shielding dengan tungsten serbuk dengan asumsi kepadatan mendekati sifat karakteristik pemadatan serbuk besi elektrolitik [1]

5 PRPN - BA TAN, 14 November PENENTUAN TEBAL SHIELDING Tahun pertama dari program ini adalah peraneangan kontainer dari bahan tungsten serbuk untuk wadah sumber radiasi Ir-192 dengan spesifikasi sebagai berikut: Jenis sumber Aktivitas Panjang sling dan sumber : Diameter sumber Ir Ci 2035 mm 1.00 mm Pada raneangan kontainer dengan material tungsten ini ada dua permasalahan, yang pertama berapa tebal shielding yang dibutuhkan dan yang kedua bagaimana pembentukan material tungsten serbuk tersebut. Untuk menentukan tebal shielding di lakukan dengan manual yang menggunakan rumus teori proteksi radiasi, dengan menggunakan persamaan atenuasi linier, sebagaimana persamaan 1, yaitu: (1) dengan Is = Laju dosis setelah melalui shielding IA = Laju dosis sebelum melalui shielding e = bilangan eksponensial /..I. = koefisien absorbsi Iinier bahan (em-1) x =tebalbahan(em) Berdasarkan teori tersebut maka laju dosis setelah melalui shielding bergantung kepada /..I. yaitu koefisien absorbsi linier bahan (em-1) dan tebal bahan (em). Koefisien absorbsi linier bahan tungsten (W) untuk Ir-192 pada energi gamma 0,6 Mev adalah seperti yang disajikan pada Tabel1 berikut:

6 PRPN- BATAN, 14 November 2013 Tabel1. Koefisien sera pan linier Pb (Timbal), W (tungsten), dan DU (Depleted Uranium) pada energi 0,6 Mev [1]. DU W Pb Jenis 1-1 0,103 0,120 0,140 1,9879 2,618 (gr/cm3) 11,34 1, ,3 19,1 P (cm-1) I-Ilp (cm2/gr) Pad a rancangan ini dipilih bahan W dalam bentuk serbuk yang memungkinkan untuk dilakukan dalam rangka mendapatkan ukuran kontainer yang lebih kecil. Koefisien serapan linier tungsten (W) dalam bentuk logam pejal, sedangkan pada rancangan ini dalam bentuk serbuk, maka dilakukan perhitungan dengan asumsi berapa kemampuan % pemadatan tungten serbuk terhadap kepadatan teoritis. Ikatan antar partikel serbuk dapat terjadi karena saling interlocking dan juga terjadi pengelasan dingin. Pad a pengepresan serbuk baja dengan tekanan 800 MPA densitas dapat dicapai 92 % dari densitas teoritis (Iihat grafik gambar no. 1) [2]. Diharapkan pengepresan pad a tungsten serbuk ini dapat mencapai densitas 92 % dari densitas teoritis. Spesifikasi bahan tungsten serbuk [3]: Nama produk tungsten (metal) powder Kemurnian material 99,95 %.Ukuran serbuk 8,05 Micron Scott density 7 (gm/cm3) Negara asal China Pad a perancangan ini diasumsikan karakteristik serbuk mendekati karakteristik serbuk besi elektrolitik (Gambar 2), selanjutnya diasumsikan penekanan serbuk sampai pad a tekanan 800 MPA dan disinter, maka diperkirakan dengan tekanan terse but dapat diperoleh kepadatan 92 % terhadap kepadatan atau berat jenis teoritis

7 PRPN - BA TAN, 14 November 2013 Tekanan pemadatan, 10 g/cm3 psi to_ ~ I I- Teoretis 100 Q.... L- 120 aq.i OJ ro Q.I c: VI~ 'Vi :w VI I Dftekan utang dan disinter utang Tekanan pemadatan, MPa -+ Gambar 2. Densitas pemadatan serbuk besi elektrolitik dapat ditingkatkan dengan penekanan ulang sampai 700 MPa dan penyinteran ulang pad a 1120 DC selama 1 jam. Kepadatan teoritis tungsten adalah p = 19,3 gr/cm3 sehingga p = 19,3 gr/cm3 x 92/100 = 17,756 gr/cm3 Nilai koefisien serapan linier Jil = Jij. P (2) Ji,= koefisien attenuasi linier bahan (cm-1) Jij' = koefisien absorbsi p = berat jenis Nilai Jil adalah koefisien absorbsi linier pemadatan tungsten serbuk Jil = 0,103 cm2/gr x 17,756 gr/cm3 = 1,828 cm

8 PRPN- BATAN, 14 November 2013 Selanjuntnya tebal shielding dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (1) dengan IA = 10 Ci mendekati nilai 41,85 msv/jam IB = nilai aktivitas yang dikonversi ke dosis dalam satuan msv/jam yang diijinkan yaitu 0,0005 msv/jam (Peraturan Bapeten) [4] III = 1,828 em-1 sehingga mendapatkan ketebalan shielding sebesar 0,0005/41,85 = e -(1,B2B)x X = 6,2 em Jadi tebal shielding dengan tungsten serbuk ini adalah 6,2 em atau 62 mm PEMBENTUKAN SERBUK Berdasarkan teori pembentukan dengan teknologi serbuk metal dapat dibagi menjadi beberapa metoda diantaranya adalah: 1. Pemadatan dingin sinter, yaitu eara pembentukan benda kerja dari bahan metal serbuk ditekan di dalam eetakan dengan tekanan tertentu pada kondisi dingin, kemudian disinter sehingga kerapatan yang diperlukan produk terpenuhi. 2. Pemadatan panas, yaitu pembentukan benda kerja dari bahan serbuk metal dengan ditekan pad a kondisi panas setengah meleleh pada eetakan sehingga menyatu. Kondisi ini terjadi deformasi plastis partikel serbuk dengan demikian luas kontak eukup memberikan kekuatan. 3. Pembentukan semprot, yaitu serbuk di semprotkan dengan tekanan tinggi pada kondisi panas sehingga serbuk menyatu sesuai bentuk eetakan yang di semprotkan, sehingga menghasilkan adhesi dan penempelan seeara ding in. 4. Electro plating, yaitu pembentukan benda kerja dari bahan serbuk metal dengan menggunakan prinsip elektroda listrik. Pada proses ini dimungkinkan partikel dapat terikat bersama selama penyinteran

9 PRPN - BA TAN, 14 November 2013 ekan Tubing sumber radiasi Casing Serbuk tungsten Gambar 3. Skema pembuatan kontainer dengan serbuk tungsten 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil perhitungan diperoleh tebal dinding shielding teoritis sebesar 62 mm. Berdasarkan hasil perhitungan tebal shielding ini kemudian dirancang bentuk dan bahan yang ditentukan. Maka ditentukan tabung pipa dengan diameter dalam sebesar kurang lebih 2 x 62 mm = 124 mm. Di dalam tabung dibuat saluran tubing dari bahan Stainless steel dengan diameter luar 3,2 dan diameter dalam 2 mm untuk menyimpan sumber radiasi. Diameter tabung disesuaikan dengan produk pipa standar 5" sch 40 dengan ukuran 10 = 126,6 mm dan 00 = 139,8 mm. Panjang pipa diambil 130 mm. Casing dibuat dari tiga bagian yaitu pipa, dab (bentuk setengah bola) dengan ukuran standar pipa 5" dan plat tutup. Berdasarkan bentuk dan ukuran rancangan yang telah dihitung maka volume tungsten adalah volume dalam silinder + volume bagian dalam dab. Perhitungan berat tungsten serbuk yang dibutuhkan [5] : w = berat bahan V = Volume w=v. p (3) p = berat jenis serbuk tungsten setelah ditekan Volume kontainer

10 PRPN- BATAN, 14 November 2013 v = (TT/4*d2 * t ) +( 4/3*1/2*TT *r3) v = Volume tabung kontainer d = diameter tabung kontainer = 12,66 em r = Jari-jari dab tabung = 6,33 em t = tinggi tabung (t = r + jari2 lengkung tubing, di tentukan 40 mm =6,33 em + 4,0 em ) Jadi V = (TT/4*12,662* 10,33 ) + ( 4/3*1/2*TT *6,333) = 1300,34 em ,944 em3 = 1831,286 em3 = 1,831 dm3 Berat tungsten serbuk (W) yang dibutuhkan sesuai persamaan (3) dimana: V = 1,831 dm3 p = berat jenis serbuk tungsten setelah ditekan = 17,756 gr/em3 atau 17,756 Kg/ dm3 Jadi W= 1,831 dm3x17,756kg/dm3 = 32,516 kg Ketebalan yang harus diperhatikan adalah jarak posisi sumber dengan dinding luar tungsten, lihat pada gambar 4, bagian 4 (posisi sumber). Pada jarak posisi sumber ke segala arah minimal sama dengan 63,3 mm. Selanjutnya panjang tubing dari mulut saluran sampai pasisi sumber harus di tulis dengan jelas dengan penandaan dan pengunei supaya posisi sumber tidak tertarik atau bergeser yang dapat berpengaruh terhadap ketebalan minimal yang harus dipenuhi. Posisi seling dipertahankan dengan sistem penahan seling yang disyaratkan bahwa penahan seling tidak menjadikan seling tertekuk

11 PRPN - BA TAN, 14 November Tangkai jinjing 2. Tutup kontainer o 3. Saluran penyimpan sumber 4. Posisi Sumber 5. Coran timbal 6. Casing Gambar 4. Rancangan Kontainer 5. KESIMPULAN Rancangan ini bersifat pendekatan terhadap karakteristik serbuk logam besi, sehingga berat jenis dengan penekanan sebesar 800 MPa diperoleh berat jenis sebesar 17,756 Kg/dm3. Berdasarkan berat jenis terse but maka diperoleh ketebalan kontainer menggunakan tungsten serbuk untuk sumber Ir-192 aktivitas 10 Ci minimal 63,3 mm, atau diameter kontainer 120,66 mm. Perancangan casing kontainer dipilih diameter yang mendekati ukuran pipa standar pipa 5" schedule 40 dengan tutup dob setengah bulat dan berat tungsten serbuk yang dibutuhkan 32,156 kg. 6. SARAN Perlu dilakukan pembuktian dengan membuat sampel-sampel dengan penekanan tertentu sehingga diperoleh kepadatan yang maksimal. 7. UCAPAN TERIMAKASIH Kami ucapkan terimakasih atas bantuan pikiran dan sarannya kepada semua teman sejawat di PRPN-Batan, sehingga makalah ini dapat tersaji

12 PRPN- BATAN, 14 November DAFT AR PUST AKA 1. KRISTIY ANTI, TRI HARJANTO, "Analisa Perhitungan Berat Kontainer Sumber Ir-192 Aktivitas 10 Ci untuk Brakiterapi HOR". Prosiding Seminar Penelitian dan Pengelolaan Perangkat Nuklir, Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, Yogyakarta, JOHN A. SHEY, "Introduction In Manufacture Process" Department of Mechanical Engineering University of wterloo, Ontario, The Mc Graw-Hill Companies, tahun 2000, terjemahan Ir. Rines MT dkk. Penerbit Andi Yogyakarta, edisi ke tiga, SIWEITE, Certificate Of Quality Produck Tungsten (metal) Powder, no. 136 Zhong he Street, High-tech zone, Chengdu, Sichuan, China, GBT/ ANONYMOUS, Peraturan Pemerintah NO.33 Tahun 2007 tentang keselamatan Radiasi Pengion dan Keamanan Sumber radioaktif sebagai pelaksanaan ketentuan Pasal16 Undang- Undang NO.10 Tahun 1997 tentang Ketenaganukliran. 5. UBA Y NYZAR, 'Volume-Luas Permukaan Bangun dan Ruang", sekolah/pelaiaran-matematika/rumus2views I April 7, TANYA JAWAB Pertanyaan: 1. Apakah besi serbuk ada campuran sehingga berat jenisnya 17,6 kgjdm3? (Jos B.) 2. Berat jenis tungsten dengan DU hampir sama, mengapa DU dapat menahan radiasi gamma jauh lebih baik dari tungsten? (Ari Satmoko) Jawaban: 1. Grafik hubungan antara penekanan dan kepadatan besi elektrostatik kami gunakan untuk pendekatan yang perlakuannya sama untuk tungsten serbuk sehingga persentasi berat jenis yang digunakan yaitu 92% x berat jenis tungsten 19,3 kgjdm3 = 17,6 kgjdm3. 2. Serbuk tungsten 19,3 kgjdm3 sedang DU 19,1 kgjdm3 tetapi abstraksi jenis DU lebih besar sehingga abstraksinya lebih besar