PENENTUAN LUAS MUKA SERBUK OKS IDA HASIL PROSES OKSIDASI-REDUKSI PELET U02 SINTER

Transkripsi

1 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 PENENTUAN LUAS MUKA SERBUK OKS IDA HASIL PROSES OKSIDASI-REDUKSI PELET U02 SINTER Aminhar, Mujinem, Sugeng Rianto ABSTRAK PENENTUAN LUAS MUKA SERBUK OKS IDA HASIL PROSES OKSIDASI-REDUKSI PELET U02 SINTER. Telah dilakukan penentuan luas muka serbuk oksida hasil proses oksidasi-reduksi pelet U02 sinter menggunakan surface areameter model sorptomatic 1800 sebagai bagian karakterisasi serbuk untuk kontrol kualitas, apakah nilai luas muka memenuhi persyaratan yang ditetapkan yaitu 4,5 ± 1 m2fgr. Metode analisis didasarkan pada teori BET yaitu pengukuran volume adsorbate yang teradsorpsi f terdesorspsi isotherm is sebagai lapisan tunggal pad a temperatur N2 cairo Gas pengisi yang digunakan adalah gas N2, memiliki luas bagian molekul 16, m2. sam pel dipreparasi dengan outgassing selama 2 jam pada 150 C, mmhg, kemudian ditimbang dengan teliti. Alat dikalibrasi menggunakan bahan standard A1203,diperoleh hasil luas mukanya sebesar 0,613 m2fgr, berarti nilai tersebut masuk daerah penerimaan 0,576 ± 0,042 m2fgr. Hasil penentuan luas muka serbuk oksida hasil proses oksidasi dan reduksi masing-masing adalah = 0,5656 m2fgr dan = 0,6661 m2fgr. Nilai luas muka serbuk oksida ini berbeda jauh dari nilai spesifikasi yang dipersyaratkan. Hal ini dimungkinkan oleh beberapa hal antara lain, preparasi sam pel yang belum sempurna dan telah terjadi pergeseran sifat fisik serbuk oksida hasil proses oksidasreduksi dari sifat aslinya khususnya luas muka. Kata Kunci : Surface areameter Sorptomatic, adsorbate, White test, BET luas muka. PENDAHULUAN Pad a peletisasi di Laboratorium Bidang Bahan' Bakar Nuklir (B3N-PTBN) sering ditemui kegagalan pelet yang cukup berarti, yang mungkin disebabkan antara lain oleh karakter serbuk yang belum terpenuhi dan paramater - parameter lainnya proses selama peletisasi. Pelet-pelet yang gagal dan tidak memenuhi syarat penampilan fisik tersebut biasanya mengalami retak, bergelembung bahkan pecah. Jumlah pelet yang gaga 1 dinilai masih memiliki nilai ekonomis yang tinggi, sehingga dilakukan proses olah ulang(1) untuk mengembalikannya menjadi bahan baku awal lagi sebagai serbuk U02, melalui proses oksidasi-reduksi. Proses oksidasi adalah perlakuan terhadap gagalan pelet sinter dengan cara pemanasan pada suhu 700 C selama 7 jam dengan kondisi atmosfir sehingga berubah menjadi serbuk U308. Sedangkan proses reduksi adalah perlakuan terhadap bahan hasil oksidasi (U308) dengan cara pemanasan pad a suhu 800 C selama 2 jam dengan kondisi dialiri gas H2odiharapkan hasil proses reduksi adalah serbuk U02. Sebelum dijadikan umpan untuk proses peletisasi, serbuk oksida hasil proses oksidasireduksi tersebut dikarakterisasi secara fisik & kimia, salah satu diantaranya adalah analisis luas muka serbuk. Persyaratan luas muka serbuk U02 sebagai bahan pembuatan pelet elemen bakar nuklir reaktor daya, yaitu berkisar 4,5 ± 1 m2fgr (2). Dengan demikian maka serbuk hasil proses oksidasi-reduksi.dianalisis luas mukanya untuk mengetahui apak"lh luas mukanya memenuhi persyaratan tersebut. Alat yang digunakan untuk analisis luas muka serbuk adalah Surface Areameter Sorptomatic seri 1800 buatan Carlo Erba Italy. Prinsip kerjanya didasarkan atas kemampuan sensor tekanan mengukur bervariasi tekanan yang dihasilkan dari proses adsorpsi dan desorpsi isothermis bagian volume adsorbate gas nitrogen (N2) yang dimasukkan pada kondisi temperatur nitrogen cair sebagai lapisan tunggal (monolayer) atau menentukan berapa bagian volume adsorbate yang diserap oleh sam pel (Va) dari jumlah volume total adsorbate yang dimasukkan (Vi)[3.4J.Dengan mengetahui jumlah volume adsorbate yang dimasukkan dan mengetahui jumlah volume adsorbate 229

2 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN yang tidak diserap pad a berbagai tekanan kesetimbangan (Pa), maka volume adsorbate yang diserap sam pel pada berbagai tekanan kesetimbangan Pa dapat dihitung. Jadi data keluaran proses yang sebenarnya adalah data tekanan gas, untuk itu dibuatlah program pengolahan data dan tampilannya sehingga data akhir analisis sudah berupa data luas muka m2fgr. Metode analisis luas muka diawali dengan operasi white test untuk mendapatkan kurva hubungan volume gas yang dimasukkan terhadap tekanan hasil proses. Data tekanan operasi white test diolah berdasar hukum gas ideal PV = nrt. Untuk analisis luas muka adalah bersifat isothermis dan jenis gas sama, maka tekanan proses merupakan fungsi dari volume gas, P = f{v). Pad a operasi sampel akan dihasilkan data variasi tekanan kesetimbangan (Pa) yang memungkinkan diketahuinya volume gas yang diadsorpsi pada keadaan tersebut (Va). Data-data yang didapat pada operasi sampel selanjutnya diolah dengan persamaan BET ( Brunauer-Emmett- Teller ). Yang perlu diperhatikan dari aplikasi persamaan BET adalah berdasarkan teori analisis luas muka akan memberikan data yang representatif untuk daerah tekanan relatif 0,05 sampai dengan 0,35. Untuk mendapatkan tekanan relatif yang dapat memenuhi teori BET maka proses adsorpsi desorpsi gas N2 pad a suhu cairnya memerlukan kondisi tingkat kevakuman tertentu dalam manual a/at dipersyaratkan mmhg. Upaya lain untuk mendapatkan hasil analisis yang representatif, sebelum dianalisis sam pel serbuk oksida uranium dipersiapkan terlebih dahulu dengan dikenakan proses outgassing, yaitu pengusiran gas dan uap air yang terkandung dalam sam pel dengan pemanasan selama waktu tertentu disertai pemvakuman, sehingga pada peristiwa adsorpsi dan desorpsi gas dapat mengisi ke seluruh permukaan serbuk termasuk ke dalam porinya. Sebelum digunakan analisis, alat surface area digunakan untuk menganalisis bahan standard AI203 dengan spesifikasi 0.576±0.042 m2fgr untuk mengetahui kehandalannya. Diperoleh data analisis standard m2fgr, yang berarti alat siap untuk analisis. Pada analisis luas muka serbuk oksida uranium, sam pel dipreparasi pada suhu 150 C selama 2 jam dengan kondisi vakum mmhg. Setelah dipreparasi di unit outgassing, sampel dipindahkan ke unit analisis. Parameter-parameter analisis yang ditetapkan pad a analisis serbuk oksida uranium adalah tekanan operasi pada 850 mmhg, waktu adsorpsi 6 menit, kesetimbangan adsorpsi dibuat 6 titik. TEORI Secara garis besar Surface Areameter bekerja berdasarkan atas kemampuan sensor tekanan mengukur bervariasi tekanan yang dihasilkan dari proses adsorpsi dan desorpsi isothermis bagian volume adsorbate gas nitrogen (N2) yang dimasukkan pada kondisi temperatur nitrogen cair sebagai lapisan tunggal (monolayer) atau menentukan berapa bagian volume adsorbate yang diserap oleh sam pel (Va) dari jumlah volume total adsorbate yang dimasukkan (Vi). Dengan mengetahui jumlah volume adsorbate yang dimasukkan dan mengetahui jumlah volume adsorbate yang tidak diserap pada berbagai tekanan kesetimbangan (Pa), maka volume adsorbate yang diserap sam pel pada berbagai tekanan kesetimbangan Pa dapat dihitung. Pelaksanaan analisis luas permukaan melalui dua tahapan proses yaitu operasi white test untuk mendapatkan kurva kalibrasi buret yang menggambarkan hubungan volume gas tertentu yang dimasukkan terhadap respon tekanan yang muncul dan operasi sam pel untuk mengetahui volume gas yang terserap oleh sampel pada berbagai tekanan kesetimbangan. Data variasi tekanan proses yang diperoleh dari operasi white test dan operasi sampel, selanjutnya diolah menggunakan gabungan persamaan gas ideal dan persamaan BET. Tahapan proses analisis surface area dapat dijelaskan sebagai berikut adalah : 1. Operasi White test ( Operasi tanpa sam pel) Operasi white test adalah analisis yang dikerjakan tanpa sam pel atau analisis buret kosong, dengan cara memasukkan sejumlah volume gas adsobate yang telah diketahui volumenya ke dalam buret sam pel kosong secara berulang dan mengukur kenaikan tekanan yang dihasilkan.hingga diperoleh tekanan jenuh. Tujuannya untuk mengetahui korelasi antara volume gas yang dimasukkan dan respon tekanan yang dihasilkan, sehingga dari operasi white test akan diperoleh kurva kalibrasi buret yang menggambarkan korelasi antara volume adsorbate dan respon 230

3 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 tekanan yang dihasilkan. Hubungan antara volume gas dan tekanan ini dapat dijelaskan dengan teori gas ideal: PV = nrt Dimana : P = V = n = R = T = Tekanan gas Volume gas Jumlah mol gas Tetapan Suhu kelvin (1 ) Pada operasi surface area karena dikerjakan pada suhu tetap dan jenis gas yang sama maka nilai N, R dan T pada persamaan di atas adalah tetap, sehingga volume gas merupakan fungsi tekanan atau dapat ditulis sebagai V = f (P). Pemasukan volume gas yang sudah diketahui secara berulang, Vi1, Vi2, Vi3 dan seterusnya memberikan data kenaikan tekanan kesetimbangan Pi1, Pi2, Pi3 dan seterusnya sampai diperoleh keadaan tekanan jenuh Po. Operasi white test harus dikerjakan untuk setiap penggunaan buret yang berbeda 2. Operasi Sam pel Operasi sam pel adalah analisis luas permukaan terhadap sam pel serbuk tertentu, dikerjakan dengan cara memasukkan gas adsorbate ke dalam buret berisi sam pel serbuk dan akan menghasilkan data kena!kan variasi tekanan kesetimbangan Pa'1, Pa'2, Pa'3 dan seterusnya. Dengan memplot kurva kenaikan tekanan pad a operasi sam pel terhadap kurva kenaikan tekanan pada operasi white test, maka volume adsorbate yang tidak diserap (Vg) pada titik-titik kesetimbangan Pa'1, Pa'2, Pa'3 dapat diketahui, sehingga dengan mudah volume adsorbate yang diserap sam pel (Va) dapat dihitung. Dengan prinsip serupa volume adsorbate yang didesorpsi dapat pula.dihitung. Titik-titik Va yang telah didapat dari operasi sampel memungkinkan perhitungan luas permukaan serbuk menggunakan persamaan BET sebagai berikut : ----=--x-+-- Pa (C-l) Pa 1 Va(Po-Pa) VmC Po VmC... (2) Dimana : Pa = Tekanan kesetimbangan adsorpsi Po = Tekanan jenuh adsorpsi Va = Volume gas yang diserap pad a tekanan kesetimbangan Pa Vm = Volume gas yang diserap sebagai lapis an tunggal C = Tetapan energi adsorpsi Pal Po = Tekanan relatif Untuk sistem yang sama maka nilai Vm dapat ditulis dengan : dan nilai C tetap, sehingga persamaan BET Pa Va(Po-Pa) = m Pa + b Po... (3) Persamaan 3 tampak sebagai persamaan linier biasa y = mx + b, dengan nilai m adalah kemiringan garis dan nilai b adalah interseptnya. Berdasarkan studi yang telah dibuktikan dinyatakan bahwa persamaan BET memiliki kelinieran yang baik pada daerah nilai tekanan relatif (Pa/Po) berkisar 0,05-0,

4 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 C-1 m=-- VmC 1 b= VmC C=_1_ Vmb ISSN (4)... (5) Jika nilai C pada persamaan ( 5 ) disubsitusikan ke dalam nilai C pada persamaan ( 4 ) dapat ditulis sebagai berikut : 1-1 m = Vmb 1 1 =~- b Vm * _ Vm Vmb... (6) 1 Vm= m+ -b... (7) Nilai Vm pada persamaan (7) inilah yang akan dipakai sebagai dasar perhitungan luas permukaan serbuk. Jika nilai - nilai Va yang diperoleh pada setiap titik tekanan kesetimbangan analisis sam pel dibuat grafik dengan ordinat Pa y= Va(Po - Pa) dan absis Pa x = --- Po maka dengan mudah nilai Vm pad a persamaan (7) dapat ditentukan. Proses selanjutnya mengkonversi besaran volume gas menjadi besaran luas permukaan dengan cara sebagai berikut : 1. Menghitung jumlah molekul gas yang diserap dalam setiap 1 cc (Z) Z = molekul 22414cc... (8) 2. Menghitung luas yang ditutupi oleh 1 cc gas yang diserap ( So ) So = Z * a (9) dim ana, a = luas bagian molekul gas 3. Menghitung luas yang ditutupi oleh Vm cc gas ( S ) S = So * Vm 4. Menghitung luas permukaan spesifik serbuk (SS )adalah : S So * Vm Z * a * Vm SS=-= ----=--- W W W... (10)... (11) dimana, W = berat sam pel serbuk 232

5 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 VACCUM N 2 GAS REDUCED o MEASURlt~G UNIT 8 S.e Gambar 1. skematik a/at Ukur surface Area Sorptomatic 1800 TATA KERJA 1. Alat Seperangkat Surface areameter Sorptomatic 1800 Timbangan analitis Sendok sam pel Tabling dewar Seperangkat komputer Corong sam pel Seperangkat buret sam pel 2. Bahan - Gas N2 UHP - Udara tekan - N2 cair - Grease vakum rotary Isolatif gas - Sam pel serbuk hasil oksidasi-reduksi 3. Cara Kerja 1. Pemanasan Alat Surface areameter dipanasi selar.la 30 menit dengan pengesetan sebagai Power ON - Tekanan operasi N2 ( Pe ) : 850 mmhg N2 measurement system 2 kg/cm2 N2 level Air system k~/cm2 3 kg/cm berikut : 233

6 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN Pelaksanaan Analisis A. Analisis White test buret kosong tanpa sampel ( kalibrasi buret) Buret kosong dilakukan outgassing dengan parameter, suhu = 150 C, selama 2 jam dengan tingkat kevakuman = mmhg Buret pengukuran dipindahkan dan dipasang pada unit analisis Kevakuman buret diperiksa harus minimal mm Hg dengan mengaktifkan V4 dan membuka kran valve buret, jika sudah tercapai Surface areameter diset sebagai berikut : Time Adsorpsi & Desorpsi 6 ' Saklar Introduction piston y.j Introduction Dial Total = 13; Reduced = 7 Saklar V1, V2, V3, piston Auto Saklar Coolant ON Saklar 1/4 1/2 1/2 Saklar putar MODE ADS Ditunggu hingga analisis selesai V4 di OFF B. Preparasi Sam pel Standard Dan Sam pel Serbuk Oksida Uranium - Sam pel standard dan sam pel serbuk oksida uranium masing - masing beratnya ± 5 gr, dimasukkan ke dalam buret pengukuran yang telah ditimbang dan telah dikalibrasi Buret pengukuran berisi sam pel dilakukan outgassing dengan parameter, suhu =150 C, selama 2 jam dengan tingkat kevakuman = mmhg. Setelah proses outgassing selesai, kemudian buret berisi sam pel ditimbang dengan teliti sebagai berat kering sam pel C. Analisis Bahan Standard Dan Sam pel Serbuk Oksida Uranium Buret pengukuran dipasang pada tempatnya di unit analisis Kevakuman buret diperiksa harus minimal mm Hg dengan mengaktifkan V4 dan membuka kran valve buret, jika sudah tercapai Surface areameter diset sebagai berikut : Time Adsorpsi & Desorpsi 6 ' Saklar Introduction piston y.j Introduction Dial Total = 10; Reduced = 7 Saklar V1, V2, V3, piston Auto Saklar Coolant ON Saklar 1/4 1/2 1/4 Saklar putar MODE ADS Ditunggu hingga analisis selesai V4 di OFF HASIL DAN PEM BAHASAN Serbuk oksida hasil proses oksidasi-reduksi dilakukan penentuan luas mukanya menggunakan alat Surface areameter Sorptomatic seri Hasil analisis penentuan luas muka tersebut ditanlpilkan pada Tabel1. Tabel1. Hasil analisis luas muka A1203. U30a dan U02 No Nama Sam pel Hasil Pengujian ~ 0,6130 0,5656 0,6661 Keterangan SDesifikasi, m2j 0.576± ,5 ± 1 234

7 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 Dari Tabel 1. terlihat hasilluas muka sampel standard AI203 adalah sebesar 0,6130 m2jg, serbuk U30S (hasil proses oksidasi) sebesar 0,5656 m2jg dan serbuk U02 (hasil proses reduksi) sebesar 0,6661 m2jg. Untuk hasil luas muka sam pel standar AI203 sebesar 0,6130 m2jg, harga ini masih memenuhi spsesifikasi (0,576±0.042 m2jgr ), yang berarti alat Surface areameter Sorptomatic seri 1800 dalam keadaan siap untuk analisis. Sedangkan untuk serbuk uranium oksida hasil proses reduksi luas mukanya sebesar 0,6661 m2jg, nilai ini berbeda jauh dari nilai spesifikasi yang dipersyaratkan (4,5 ± 1 m2jg). Hal ini dimungkinkan oleh beberapa hal antara lain: >- Preparasi sampel yang belum sempurna memungkinkan masih ada sebagian gas pengotor yang terperangkap dalam pori dan menghambat adsorpsi gas N2 oleh sam pel. Dugaan ini muncul karena keadaan serbuk hasil proses oksidasi-reduksi tampak bergumpal dibandingkan serbuk umpan awalnya. Untuk itu perlu dilakukan optimasi preparasi pada analisis selanjutnya, dengan penambahan waktu outgassing atau menaikkan suhu outgassing menjadi 200 C, dengan tetap mempertimbangkan kemungkinan terjadinya perubahan sifat sam pel >- Kemungkinan telah terjadi pergeseran sifat fisik serbuk oksida hasil oksidasi- reduksi dari sifat aslinya khususnya luas muka. Hal ini diakibatkan oleh terjadinya pertumbuhan butir atau penyatuan batas butir pada waktu proses sintering. Proses oksidasi-reduksi tidak menjadikan kembalinya sifat fisis serbuk oksida seperti sifatnya seperti semula. KESIMPULAN Dari kegiatan penentuan ini diperoleh data luas muka serbuk hasil oksidasi U30S adalah sebesar 0,5656 m2jgr dan luas muka serbuk oksida hasil reduksi U02 sebesar 0,6661 m2jgr, nilai luas muka serbuk oksida ini berbeda jauh dari nilai spesifikasi yang dipersyaratkan. Hal ini dimungkinkan oleh beberapa hal antara lain, preparasi sampel yang belum sempurna dan telah terjadi pergeseran sifat fisik serbuk oksida hasil proses oksidasi-reduksi dari sifat aslinya khususnya luas muka. DAFTAR PUSTAKA '[1] TRI YULIANTO, Diktat Pelatihan Supervisor Dan Operator IEBE, Serpong Maret 2009 [2] ANONIM, Buku Petunjuk Kendali Kualitas Fabrikasi Elemem Bakar Nuklir, 198 [3] S. LOWELLI"lntroduction to Powder Surface Area", John Wiley & Sons, New York, 1991 [4] ANON 1M, Sorptomatic 1800 Instruction Manual, Carlo Erba Strumentazione, Italy,

8 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN PERBAIKAN DAN VJI FVNGSI SVB SISTEM SEKSI 1100 PCP Agus Sartono, Sardjono AK ABSTRAK PERBAIKAN DAN UJI FUNGSI SUB SISTEM SEKSI 1100 PCP. Telah dilakukan revitalisasi dan pengujian Sub.Sistem 1100 pad a unit Pilot Convertion Plant (PCP) di Instalasi Elemen Bakar Eksperimental yang terdiri dari sistem tungku Oksidasi untuk memproses Amonium diuranat (ADU) menjadi serbuk U30S, dan sistem tungku Reduksi untuk memproses serbuk U30S menjadi serbuk U02. Perbaikan dilakukan pad a sistem panel kendali dengan mengganti seluruh komponen yang rusak, kemudian dilakukan pengujian untuk meyakinkan bahwa perbaikan yang dilakukan telah sesuai dengan yang diharapkan. Pengujian pada komponen pengganti menunjukkan bahwa panel kendali tersebut dapat beroperasi sesuai dengan prosedur yang telah ditetapkan. Pengujian kebocoran pad a tanur oksidasi yang telah diperbaiki tidak mendapatkan indikasi adanya kebocoran pada seal yang diganti, demikian juga dengan pengujian kebocoran pad a tanur reduksi juga tidak ditemukan indikasi kebocoran pada sistem tanur tersebut, sehingga dapat disimpulkan bahwa tanur tersebut dapat dioperasikan dengan aman. Kata kunci : revitalisasi, tanur, oksidasi, reduksi. PENDAHULUAN Salah satu program Bidang Bahan Bakar Nuklir di tahun 2009 adalah revitalisasi Laboratorium Pemurnian dan Konversi Yellow cake atau biasa dikenal dengan PCP, yaitu sebuah laboratorium. pemrosesan uranium dari bahan yellow cake yang diperoleh dari alam hingga diperoleh serbuk U02 derajat nuklir. Rangkaian pemrosesan uranium ini terdiri dari pelarutan yellow cake, pemurnian, pemekatan, pengendapan, pemisahan serbuk, kalsinasi dan reduksi. Selain jalur utama proses untuk memperoleh serbuk U02 derajat nuklir tersebut terdapat pula sub unit pendukung seperti penyiapan umpan, penyiapan larutan, pengolahan larutan induk, penyimpanan larutan limbah, dan pelarutan gagalan serbuk. Keseluruhan rangkaian ini dalam pengoperasiannya diawasi secara simultan dari ruang kendali sehingga setiap perubahan parameter proses yang ada dilapangan akan terekam di ruang kendali, dan tindakan yang diperlukan untuk mengantisipasi setiap perubahan dapat dilakukan dari ruang kendali. Beberapa tindakan yang tidak dapat dilakuakan dari ruang kendali masih harus dilakukan secara in-situ, sehingga keberadaan operator dilapangan juga masih diperlukan. Seperti halnya dengan sistim Oksidasi dan reduksi pada seksi 1100, setiap tindakan perubahan parameter dilakukan dan diamati secara langsung di lapangan, sedangkan setiap terjadi kegagalan operasi, maka kegagalan tersebut akan termonitor dari ruang kendali. PERBAIKAN SUB SISTEM SEKSI1100 PCP Seksi 1100 merupakan bagian dari PCP yang terdiri dari beberapa peralatan yaitu : Tanur Oksidasi, Tanur Reduksi, Sistim penyaring gas buang, panel kendali proses Oksidasi dan Reduksi, Sistim penyaring Ammonium Diural (ADU), dan Sistim pasivasi serbuk U02. Perbaikan Seksi 1100 dilakukan secara menyeluruh mulai dari Tanur Oksidasi dan reduksi beserta panel kendali dan rangkaian pendukungnya, seperti glovebox, menara cuci gas buang dan sebagainya. 236