Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), ISSN 1410-9565 Volume 10 Nomor 1 Juli 2007 (Volume 10, Number 1, July, 2007) Pusat Teknologi Limbah Radioaktif (Radioactive Waste Technology Center) PENGARUH INTRUSI AIR LAUT TERHADAP KETAHANAN KOROSI WADAH GELAS - LIMBAH DALAM PENYIMPANAN LESTARI Aisyah Pusat Teknologi Limbah Radioaktif - BATAN ABSTRAK PENGARUH INTRUSI AIR LAUT TERHADAP KETAHANAN KOROSI WADAH GELAS-LIMBAH DALAM PENYIMPANAN LESTARI. Proses olah ulang bahan bakar nuklir bekas menimbulkan limbah aktivitas tinggi yang selanjutnya divitrifikasi dengan gelas borosilikat, dan dimasukkan kedalam wadah yang memiliki ketahanan korosi yang tinggi pada suhu 1100 0C. Wadah gelas-limbah kemudian disimpan lestari pada formasi geologi yang dilingkupi dengan zeolit sebagai backfill material. Telah dilakukan penelitian ketahanan korosi baja tahan karat austenitik AISI 304, 304L dan 321 sebagai wadah gelas-limbah, yang mengalami sensitisasi pada saat penuangan gelas-limbah. Sensitisasi ditandai dengan terbentuknya presipitat krom karbida pada batas butir, dan hal ini dapat menurunkan ketahanan krosi bahan wadah. Penyimpanan lestari pada formasi geologi di kepulauan seperti Indonesia memungkinkan terjadinya intrusi air laut mencapai lapisan zeolit dan wadah gelas limbah. Keberadaan presipitat krom karbida diamati dengan Transmision Electron Microscope, sedangkan laju korosi bahan wadah di dalam media air laut dan zeolit diukur dengan alat uji korosi Potensiostat. Hasil peneltian menunjukkan bahwa presipitat krom karbida terdeteksi pada AISI 304, dan tidak terdeteksi pada AISI 304L dan AISI 321. Ion agresif Cl- dalam air laut menyebabkan kenaikan laju korosi bahan wadah gelas-limbah. Dalam medium yang korosif tersebut baja tahan karat AISI 321 memiliki ketahanan korosi yang paling bagus dibandingkan dengan bahan AISI 304L dan 304. Kata kunci: Wadah gelas-limbah, korosi, penyimpanan lestari ABSTRACT EFFECT OF SEA WATER INTRUSION ON THE CORROSION RESISTANCE OF WASTE-GLASS CANISTER IN ULTIMATE DISPOSAL. The recycle process of nuclear spent fuel generates high level waste whose further process is vitrified with borosilicate glass and then to be poured into high corrosion resistance canisters at temperature of 1100 0C. The waste glass canister then to be disposed in ultimate disposal at geologic formation which zeolite is used as backfill material. Research on the corrosion resistance of canister material that sensitized during the waste loading into the canister has been carried out. The canister material is austenitic stainless steel AISI 304, 304L and 321. The sensitization of the canister material was indicated by the appearance of chrom carbide precipitate at the grain boundary of the material. Sensitization of the canister material reduces the corrosion resistance of the canister material. It is possible that waste disposal in Indonesian Archipelago, sea water intrudes into the backfill material and reaches the waste glass canister. The appearance of chrom carbide precipitate observed by Transmission Electron Microscope, and the corrosion rate of the canister material in sea water and zeolite medium was measured by Potensiostate. The result shows that chrom carbide precipitate was detected on AISI 304, but none on AISI 304L and 321. The Cl- is an aggressive ion that causes increasing corrosion rate of waste glass canister. In the corrosive medium the AISI 321 stainless steel has better corrosion resistance compare to AISI 304L and 304. Keyword: Waste glass canister, corrosion, ultimate disposal PENDAHULUAN Saat ini pemanfaatan teknologi nuklir dalam berbagai bidang semakin berkembang. Sejalan dengan hal ini tentunya akan ditimbulkan limbah radioaktif yang harus dikelola sesuai dengan standar sehingga aman bagi mnusia dan lingkungan. Salah satu jenis limbah radioaktif adalah limbah aktivitas tinggi yang berasal dari proses olah ulang bahan bakar nuklir bekas. Limbah ini mengandung banyak hasil belah yang terkontaminasi dengan aktinida dan divitrifikasi dengan gelas borosilikat. Lelehan 39
Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), Vol 10 No. 1 2007 ISSN 1410-9565 gelas-limbah dimasukkan kedalam wadah dari baja tahan karat austenitik pada suhu 1100 0C kemudian disimpan sementara dalam interim storage dan akhirnya disimpan pada penyimpanan lestari [1]. Permasalahan yang sering timbul pada baja tahan karat austenitik adalah timbulnya sensitisasi pada saat bahan ini mendapat perlakuan panas pada saat pemakaiannya. Sensitisasi adalah terbentuknya presipitat krom karbida (Cr23C6) pada batas butir yang dapat mengakibatkan penurunan ketahanan korosinya. Pertumbuhan presipitat Cr23C6 sangat tergantung pada suhu sensitisasi (950 500 oc) dan waktu, dengan kinetika presipitasinya seperti yang disajikan pada Gambar 1 [2]. Pada Gambar 1 terlihat bahwa presipitat Cr23C6 dapat terbentuk pada daerah batas butir, twin koheren, twin non koheren maupun dalam butir. Gambar 1A memperlihatkan bahwa untuk bahan AISI 304 memiliki kecenderungan yang lebih besar untuk terbentuknya presipitat Cr23C6 dibandingkan dengan AISI 304L seperti yang disajikan pada Gambar 1B. Sedangkan Gambar 2 menyajikan daerah sekitar batas butir yang ditumbuhi presipitat Cr23C6 sehingga terserang korosi.[3]. Untuk menghindari penurunan ketahanan wadah gelas limbah karena sensitisasi, maka digunakan wadah gelas limbah dari bahan AISI 321 yang mengandung titanium. Bahan AISI 321 ini merupakan jenis baja tahan karat austenitik yang mempunyai ketahanan korosi yang tinggi [4]. Wadah gelas-limbah yang dipakai di JAEA (Japan Atomic Energy Agency) terbuat dari baja tahan karat austenitik yang berbentuk silinder dengan diameter luar 430 mm, tinggi 1040 mm dan tebal 6 mm. Disamping merupakan wadah gelas limbah maka wadah juga berfungsi sebagai pelindung yang memudahkan pengangkatan dan pengangkutan serta sebagai penahan intrusi air ke dalam gelas limbah pada penyimpanan lestari [5]. Sistem penyimpanan lestari didisain sedemikian rupa agar potensi terlepasnya radionuklida ke lingkungan bisa diminimalkan. Untuk maksud itulah maka pada penyimpanan lestari gelas limbah dilengkapi dengan penahan ganda rekayasa.yang terdiri dari gelas sebagai pengungkung limbah (gelas-limbah), wadah gelas-limbah, overpack, backfill material dan kondisi geologi setempat, seperti yang disajikan pada Gambar 3 [5]. Penyimpanan lestari pada formasi geologi dinegara kepulauan seperti Indonesia memungkinkan terjadinya intrusi air laut kedalam tempat penyimpanan lestari. Idealnya tempat penyimpanan lestari dipilih lapisan batuan yang kedap air dan tanpa adanya retakan. Namun berdasarkan beberapa penelitian, kebanyakan lapisan batuan yang ada di Indonesia mengalami keretakan. Adanya retakan ini memungkinkan intrusi air laut kedalam tempat penyimpanan dan menerobos lapisan backfill material dan kontak dengan wadah gelas limbah sehingga mempercepat laju korosi wadah yang telah mengalami korosi batas butir pada saat penuangan gelaslimbah. Backfill material merupakan penahan ganda rekayasa yang ditempatkan melingkupi seluruh tumpukan wadah gelas limbah dan berfungsi sebagai penahan intrusi air kedalam wadah yang telah berisi gelas-limbah. Namun jika suatu saat air laut sempat mencapai wadah yang kemudian terjadi korosi, dan air akhirnya kontak dengan gelas-limbah, maka akan memungkinkan radionuklida yang terkungkung dalam gelas-limbah keluar wadah. Adanya backfill material akan menyerap radionuklida yang telah keluar dari wadah sehingga tidak lepas ke lingkungan. Oleh karena itu yang dipih sebagai backfill material adalah bahan dengan daya serap yang tinggi. Zeolit dengan kandungan utamanya clinoptilolit merupakan salah satu bahan backfill material yang mempunyai harga kapasitas pertukaran kation yang cukup besar, artinya zeolit mampu menyerap radionuklida yang terlepas dari wadah gelaslimbah dan menahannya dengan baik serta zeolit banyak terdapat di Indonesia [6]. Dalam penelitian ini pengaruh penuangan gelas-limbah ke dalam wadah disimulasi dengan pemanasan contoh pada suhu 700 0C. Suhu ini dipakai karena suhu 7000C merupakan suhu sensitif terbentuknya presipitat Cr23C6. Adanya presipitat Cr23C6 diamati dengan Transmision Electron Microscope (TEM) menggunakan teknik difraksi elektron. Ketahanan korosi wadah gelas-limbah diukur dengan alat uji korosi Potensiostat. TATA KERJA Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: 1. Baja tahan karat austenitik AISI 304, 304L dan 321 dengan komposisi sesuai sertifikat sebagai berikut [7] 40
Aisyah : Pengaruh Intrusi Air Laut Terhadap Ketahanan Wadah Gelas Limbah dalam Penyimpanan Lestari Unsur C Mn Si P S Cr Ni Ti Fe 2. 3. 4. AISI 304 0,06 1,81 0,27 0,020 0,008 18 9,87 balance Kandungan Unsur (%) AISI 304L AISI 321 0,020 0,051 1,610 1,77 0,500 0,390 0,023 0,024 0,004 0,003 18,3 17,44 10,22 10,60 0,54 balance balance Larutan NaCL 3,5 % sebagai simulasi air laut. Larutan zeolit yang dibuat dengan melarutkan zeolit yang berasal dari Bayah dengan ukuran butir 80 mesh. Larutan 5% asam perklorat dalam metanol. Metode Perlakuan Panas Contoh bahan AISI 304, 304L dan 321 dipanaskan pada suhu 1100 0C selama 2 jam yang dilanjutkan pendinginan cepat dalam air dengan maksud untuk melarutkan presipitat Cr23C6 dan TiC yang mungkin sudah terbentuk pada bahan asal. Perlakuan panas dilanjutkan dengan memanaskan kembali contoh bahan pada suhu 700 0C selama 2 jam dan pendinginan cepat dengan air Penentuan laju korosi Contoh bahan AISI 304, 304L dan 321 yang telah mengalami perlakuan panas dibuat berbentuk lingkaran dengan diameter ±17 mm diamplas sampai halus untuk selanjutnya dilakukan penentuan laju korosi dengan alat uji korosi Potensiostat. Sebagai medium pengkorosi digunakan simulasi air laut (larutan NaCl 3,5 %) dan larutan zeolit. Laju korosi biasanya dinyatakan dengan laju penetrasi logam (mpy: mils per year) atau laju pengurangan berat (mdd: mg/dm 2hari). Laju korosi dihitung dengan persamaan [8]. Laju korosi = 0,129 ikor ( W ) ρ dimana ikor : rapat arus korosi (µa/cm2), W: berat ekivalen (g.ekivalen), ρ: rapat massa logam (g/cm3) dan 0, 129 adalah faktor konversi. Pengamatan presipitat Cr23C6 dan TiC dengan TEM Preparasi contoh bahan AISI 304, 304L dan 321 untuk pengamatan dengan TEM dilakukan dengan cara menipiskan contoh bahan yang telah mengalami perlakuan panas. Penipisan dilakukan dalam alat Jet Thinning menggunakan larutan 5% asam perklorat dalam metanol pada suhu 18 0C dan suplai arus sekitar 40 ma. Pengamatan struktur mikro, presipitat Cr 23C6 dan TiC dilakukan dengan TEM menggunakan teknik SAD (Selected Area Diffraction), sehingga diperoleh pola difraksi titik dari matriks, presipitat Cr23C6 dan TiC [9,10,11]. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh ketahanan korosi wadah gelas limbah dalam medium air laut dan zeolit disajikan pada Gambar 4 dan 5. Pada kedua gambar tersebut secara keseluruhan tampak bahwa laju korosi dalam medium air laut dan zeolit untuk ke tiga bahan wadah gelas limbah AISI 304, AISI 304L dan AISI 321 mempunyai pola yang sama, yaitu laju korosi contoh yang mengalami perlakuan panas pada suhu 700 0C lebih tinggi dari pada contoh yang mengalami perlakuan panas pada suhu 1100 0C. Hal ini terjadi karena pada suhu 1100 0C bahan berada dalam satu fasa yaitu fasa austenit tanpa presipitat. Bahan yang mempunyai struktur satu fasa memiliki energi dan stress yang lebih kecil dibandingkan dengan bahan dengan struktur berfasa dua yaitu fasa austenit dan presipitat, sehingga bahan dengan struktur dua fasa akan lebih mudah terkorosi sehingga mempunyai harga laju korosi yang lebih besar. Dari Gambar 4 dan 5 juga tampak bahwa laju korosi untuk seluruh bahan wadah gelas limbah (AISI 304, 304L dan 321) dalam medium air laut lebih tinggi dari pada dalam medium zeolit. Hal ini terjadi karena air laut mengandung ion agresif Cl- yang bergerak leluasa menuju Fe+ atau ion-ion logam yang terbentuk akibat reaksi oksidasi dan akhirnya membentuk karat. Semakin banyak ion-ion logam 41
Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), Vol 10 No. 1 2007 ISSN 1410-9565 yang terbentuk maka akan semakin banyak karat yang terbentuk yang mengakibatkan bahan wadah gelas limbah terkikis sedikit demi sedikit. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: Fe+ + 2ClFeCl2 FeCl2 + 2 H2O Fe(OH)2 + 2 HCl Zeolit tidak termasuk medium yang korosif seperti air laut. Dalam medium zeolit, korosi wadah gelas lebih disebabkan karena adanya kontak antara butiran-butiran halus zeolit dengan wadah gelas limbah sehingga terjadi sedikit pengikisan lapisan pelindung krom oksida. Krom oksida merupakan lapisan pelindung pada seluruh permukaan bahan baja tahan karat AISI 304, 304L dan 321, lapisan ini menghalangi intrusi medium korosif kedalam bahan. Rusaknya lapisan pelindung akan mengakibatkan bahan terkorosi, walaupun tidak separah dalam medium air laut. Dalam medium air laut, terjadi kerusakan yang cukup besar pada lapisan pelindung krom oksida, sehingga permukaan bahan menjadi terbuka dan mudah terserang korosi, sehingga laju korosi menjadi besar. Jika diperhatikan, maka akan tampak bahwa pada Gambar 4 dan 5 laju korosi wadah gelas limbah terbesar dimiliki oleh bahan AISI 304 yang mengalami perlakuan panas pada suhu 700 0C. Hal ini terjadi karena suhu 700 0C merupakan suhu sensitisasi yang sensitif untuk terbentuknya presipitat Cr23C6. Dari Gambar 1A tampak bahwa perlakuan panas pada suhu 700 0C selama 2 jam terbentuk presipitat Cr23C6 yang mengakibatkan deplesi krom pada daerah disekitar batas butir. Hal ini terjadi karena atom krom banyak berdifusi ke batas butir dan bergabung dengan atom C membentuk presipitat Cr23C6 dengan kandungan krom yang relatif tinggi. Daerah batas butir akan ditumbuhi presipitat Cr23C6 seperti yang disajikan pada Gambar 2. Terbentuknya daerah deplesi krom ini mengakibatkan daerah batas butir kekurangan krom sehingga mudah terserang korosi. Jika pada kondisi ini bahan kontak dengan medium korosif maka laju korosi akan meningkat. Untuk wadah gelas limbah dari bahan AISI 304L memiliki laju korosi yang lebih rendah dari pada wadah gelas limbah dari bahan AISI 304, hal ini karena bahan AISI 304L memiliki kandungan karbon yang rendah, sehingga menurut Gambar 1B perlakuan panas pada suhu sensitisasi 700 0C tidak akan terbentuk presipitat Cr23C6 penyebab terjadinya korosi batas butir. Perlakuan panas pada suhu sensitisasi, bahan tetap dalam satu fasa austenit, sehingga laju korosinya lebih rendah. Untuk wadah gelas limbah dari bahan AISI 321 memiliki laju korosi yang paling rendah dibandingkan dengan AISI 304 dan 304L. Hal ini terjadi karena adanya unsur titanium yang merata pada permukaan bahan. Adanya perlakuan panas pada suhu sensitisasi (700 0C) maka karbon yang biasanya bergerak ke batas butir dan berikatan dengan krom sehingga membentuk presipitat Cr23C6, maka karbon akan berikatan dengan titaniun sehingga membentuk presipitat TiC. Adanya presipitat TiC tidak mengakibatkan terbentuknya daerah deplesi krom. Dalam hal ini lapisan pelindung krom oksida tidak rusak dengan adanya perlakuan panas sehingga bahan terlindungi dari kontak langsung dengan media korosif. Hal inilah yang mengakibatkan harga laju korosi bahan AISI 321 rendah. Pengamatan struktur mikro dan presipitat Cr23C6 pada wadah gelas limbah dari bahan AISI 304 diamati dengan TEM dengan hasil seperti yang disajikan pada Gambar 6. Dari Gambar tersebut tampak bahwa presipitat Cr23C6 yang terbentuk mempunyai diameter rata-rata 0,2 µm (notasi A). Hasil analisis pola difraksi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 A dan B diperoleh harga parameter kisi presipitat Cr23C6 dan matriks masing-masing 10,585 dan 3,5062 Å. Menurut pustaka harga parameter kisi presipitat Cr23C6 dan matriks masing-masing 10,61 dan 3,5367 Å, sehingga benar bahwa presipitat dalam batas butir adalah presipitat Cr23C6. Gambar 7 menunjukkan struktur mikro dan presipitat TiC pada bahan wadah gelas limbah AISI 321 yang diamati dengan TEM. Dalam gambar tampak presipitat TiC (notasi A) dengan diameter rata-rata 0,25 µm. Hasil analisis pola difraksi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7 A dan B diperoleh harga parameter kisi presipitat TiC dan matriks masing-masing 4,44 dan 3,4 Å. Menurut pustaka harga parameter kisi presipitat TiC dan matriks masing-masing 4,33 dan 3,54 Å. KESIMPULAN Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa ketahanan korosi wadah gelas limbah akan menurun dengan adanya intrusi air laut kedalam tempat penyimpanan lestari. Laju korosi wadah gelas limbah dalam medium air laut lebih besar dari pada dalam medium backfill material zeolit baik untuk bahan AISI 304, 304L dan 321. Proses penuangan gelas limbah kedalam wadah mengakibatkan wadah dari bahan AISI 304 tersensitisasi yaitu terbentuknya presipitat Cr23C6 yang menjadikan laju korosinya besar. Presipitat Cr23C6 terdeteksi dari pengamatan dengan TEM dengan diameter rata-rata 0,2 µm dan parameter kisi 10,585 Å. Sedangkan pada wadah gelas limbah dari bahan AISI 304L tidak terdeteksi adanya presipitat Cr23C6 sehingga laju korosi lebih rendah dari AISI 304. Laju korosi wadah gelas limbah dari bahan AISI 321 paling rendah dibandingkan dengan wadah gelas limbah dari AISI 304 dan 304L. Hasil pengamatan TEM menunjukkan bahwa presipitat TiC pada 42
Aisyah : Pengaruh Intrusi Air Laut Terhadap Ketahanan Wadah Gelas Limbah dalam Penyimpanan Lestari bahan AISI 321 mempunyai diameter rata-rata 0,25 µm dengan parameter kisi 4,44 Å. Secara berurutan ketahanan korosi wadah gelas limbah terbaik pada bahan AISI 321, 304L dan 304. DAFTAR PUSTAKA 1. Aisyah, Herlan, M (2003) Keretakan Gelas-Limbah Dalam Wadah, Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah, 6(1) 2. Peckner D., And Bernstein I.M (1977) Handbook Of Stainless Steels, Mc Graw-Hill,USA 3. Gulyaev A.P(1996) Structural Theory Of Intergranullar Corrosion Of Austenitic Stainless Steels, Moscow Institute Of Chemical Engineering 4. Sedricks, A,J (1979).,Corrosion Of Stainless Steels, John Willey And Sons Inc, New York. 5. Japan Nuclear Cycle Development Institute (2000) Second Progress Report On Research And Development For The Geological Disposal Of Hlw In Japan,, Jnc, 2000 6. Las,T., Gunanjar (1999) Pemanfaatan Mineral Alam Zeolit Untuk Mendukung Pelestarian Lingkungan, Prosiding Seminar Teknologi Pengelolaan Limbah II, PTLR BATAN, Jakarta. 7. Anonymous (2000) Sertifikat Bahan Baja Tahan Karat AISIi 304, AISI 304L dan 321 8. ASM(1992) Hand Book Corrosion, Vol. 13 9th Ed, Usa, 1992 9. ASM(1973) Handbook Metallography And Micro Structures, Vol. 13 9th Ed, Usa, 1992. 10. Goodhew, P.J(1973) Specimen Preparation In Material Science, Laboratory Ed., 62-83, NorthHolland Publishing Co, London 11. Edington, J.W(1975) Electron Diffraction In The Electron Microscope, 11-17, The Mac Millan Press Ltd, London 43
Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), Vol 10 No. 1 2007 A B Gambar 1. Kinetika presipitasi Cr23C6 pada baja tahan karat tipe 304 [2] (A). Paduan mengandung C 0,05% (B) Paduan mengandung 0,038% 44 ISSN 1410-9565
Aisyah : Pengaruh Intrusi Air Laut Terhadap Ketahanan Wadah Gelas Limbah dalam Penyimpanan Lestari Gambar 2. Kondisi daerah batas butir yang ditumbuhi presipitat Cr23C6 sehingga terserang korosi [3]. Gambar 3. Sistim penahan ganda rekayasa pada penyimpanan lestari [5] 45
Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), Vol 10 No. 1 2007 0,05 0,045 Laju Korosi (mpy) 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 AISI 304 0,01 AISI 304L 0,005 AISI 321 0 0 200 400 600 800 1000 1200 0 Suhu ( C) Gambar 4. Laju korosi wadah gelas-limbah dalam medium air laut 0,03 Laju Korosi (mpy) 0,025 0,02 0,015 0,01 AISI 304 AISI 304L 0,005 AISI 321 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Suhu (0C) Gambar 5. Laju korosi wadah gelas-limbah dalam medium zeolit 46 ISSN 1410-9565
Aisyah : Pengaruh Intrusi Air Laut Terhadap Ketahanan Wadah Gelas Limbah dalam Penyimpanan Lestari Gambar 6. Struktur mikro baja tahan karat AISI 304, pemanasan pada suhu 700 0C selama 2 jam, hasil pengamatan dengan TEM: (A) Presipitat Cr23C6 dan pola difraksinya (B) Matriks dan pola difraksinya 47
Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), Vol 10 No. 1 2007 (A) ISSN 1410-9565 (B) Gambar 7. Struktur mikro baja tahan karat AISI 321, pemanasan pada suhu 700 oc selama 2 jam, hasil pengamatan dengan TEM: (A) Presipitat TIC dan pola difraksinya. (B) Matriks dan pola difraksinya 48