PEMBUA TAN DAN ANALISIS LOGAM mdrida P ADUAN U- Th-Zr UNTUK PEMGEMBANGAN BAHAN BAKAR BARU Hadi Suwarno Pusat Pengembangan Teknologi Bahan Bakar Nuklir don Daur Ulang, BATAN Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang 15310 ABSTRAK PEMBUATAN DAN ANALISIS LOGAM HIDRIDA PADUAN U.Th-lr UNTUK PEMGEMBANGAN BAHAN BAKAR BARU. Untuk mempelajari sifat-2 logam paduan U-Th-Zr-H (komposisi atom (U,Th):Zr = 1:2), yang akan dipromosikan sebagai bahan bakar nuklir, telah dilakukan pengukuran perubahan dimensi dan berat log am paduan akibat proses hidridasi serta analisis mikrostruktur logam paduan U-Th-Zr-H. Proses hidridasi harus dilakukan pacta kondisi tertentu untuk menghindari terbentuknya senyawa biner UH3, ThH2, dan Th.HI5. Hasil analisis mikrostruktur menunjukkan bahwa sebelum proses hidridasi logam paduan U- Th-Zr terdiri dari fasa rl-uzr2 dan Th dan tidak dijumpai adanya fasa Th-Zr. Setelah hidridasi dihasilkan senyawa stabil ThZr2H7.x dan ZrH2.Y, Harga x pada senyawa ThZr2Hx dan y pacta senyawa ZrHy tergantung dari proses pembuatannya. Sementara itu, logam U yang acta dalam logam paduan U-Th-Zr-H terdispersi secara homogen diantara matriks fasa ThZr2Hx dan ZrHy. Proses hidridasi menimbulkan perubahan volume spesimen maksimum sebesar dvn = 16,6 %. Logam paduan U-Th-Zr memiliki berat jenis yang tinggi, kestabilan fisik, dan dapat dipromosikan sebagai bahan bakar baru. ABSTRACT SYNTHESIS AND ANALYSIS OF METAL HYDRIDE U.Th.Zr ALLOY FOR THE DEVELOPMENT OF NEW FUEL ELEMENT. In order to study the properties of U- Th-Zr-H alloys (atomic compositions of (U, Th):Zr = 1 :2), which will be used for nuclear fuels, changes in the dimensions and weights of the alloy on hydrogenation and microstructure analysis of the alloys have been examined. Hydriding must be conducted under specific condition in order to avoid the formation of binary hydrides of UH3, ThH2, and Th4H15. Microstructure analysis showed that before hydriding the U- Th-Zr alloys consist of o-uzr2 and Th phases but no Th-Zr phases were performed. On hydriding, the stable compounds identified as ThZr2H7- x and ZrH2-Y alloys were obtained. The values of x and y in the compounds depend on the hydriding conditions. On hydriding the U metal in the alloy is dispersed homogeneously among the boundary of the ThZr2H7-x and ZrH2-Y alloys. Hydriding results in the volume change of the specimen to maximum of dvn = 16.6%. The U- Th-Zr-H alloys exhibit their high density, physical stability, and can be promoted as a new type of nuclear fuel. PENDAHULUAN Bahan bakar reaktor riset bentuk senyawa hidrida, U-ZrHx, telah digunakan cukup lama di reaktor tipe TRIGA. Sejak awal pengembangannya sampai saat ini telah dibuktikan bahwa bahan bakar hidrida ini memiliki karakteristik yang sangat spesiflk, khususnya memiliki faktor keamanan melekat yang berupa sifat reaktivitas negatif pada elevasi suhu reaktor. Bahan bakar U-ZrHx yang dikembangkan oleh General Atomic berupa tipe dispersi, yaitu uranium terdispersi secara homogen sebagai logam bebas di dalam matriks zirkonium hidrida. Tidak ada informasi yang jelas tentang tara pembuatan bahan bakar TRIGA ini karena keterbatasan jurnal yang ada, meskipun teknologi TRIGA sudah cukup tua, yaitu dikembangkan sejak tahun 1957 [1]. Pembuatan paduan U-ZrHx ini sangat spesifik karena tanpa perlakuan khusus adanya hidrogen akan menyebabkan terbentuknya senyawa UH3 dajl paduan padat U-Zr berubah menjadi serbuk sebagai senyawa biller U-H clan Zr-H. Logam paduan U- Th sudah cukup lama diteliti dalam bentuk oksida, karbida, dan beberapa logam paduan dalam rangka pengembangan bahan bakar nuklir. Studi logam paduan U- Th-Zr-H dimaksudkan untuk mencari paduan uranium yang dapat dipromosikan sebagai bahan bakar barn tipe hidrida yang diharapkan memiliki karakteristik lebih baik, khususnya terhadap TRIGA. Substitusi Th oleh logam minor actinides memungkinkan paduan ini dikembangkan pula sebagai fuel target. Analisis sifat fisis atas logam paduan diatas berupa pengukuran difusivitas panas dan konduktivitas panas bahan, oleh penulis, menunjukkan bahwa logam paduan memiliki kestabilan yang tinggi pada rentang suhu sampai 1173, lebih baik dibanding dengan sifat, 2ft J 2000 133
p A H p 11-11.-2,. p H s...w termal UO2 yang telah umum dipakai sebagai bahan bakar reaktor daya [2]. Dalam makalah ini akan dibahas tara proses hidridasi logam paduan U- Th-Zr sedemikian rupa sehingga logam paduan padat tidak hancur menjadi serbuk yang diakibatkan oleh pembentukan senyawa bider UH3, ThH2, dan H1S, analisis perubahan dimensi dan berat logam paduan sebelum dan setelah proses hidridasi, analisis dengan pendar sinar-x, dan basil pengamatan mikrostruktur. BAHAN DAN METODE Preparasi spesimen Logarn paduan U- Th-Zr dengan komposisi atom U:Th:Zr = 1:1:4, 1:2:6,2:1:6 dad 1:4:10 dibuat dengan menggunakan tungku busur listrik. Kemumian U dad Zr adalah 99,9%, sedangkan untuk Th adalah 99,99%. Bahan logarn diperoleh dari Nuclear Fuel Industries, Jepang. Untuk menjarnin logam paduan basil leburan homogen, peleburan dilakukan dengan 5-7 kali proses lebur dalam suasana gas argon dad dengan membalik button basil leburan untuk setiap kali peleburan. Button kemudian dipotong-potong menjadi bentuk balok dengan dimensi sekitar 5 x 5 x 6 mm3 dan berat sekitar Ig. Berat dad dimensi balok dimonitor sebelum dan sesudah hidridasi. Proses hidridasi Gambar 1 adalah diagram sederhana peralatan untuk proses hidridasi, basil rancangan sendiri yang mampu menghasilkan tekanan vakum tinggi. Peralatan dibangun di the University of Tokyo, Jepang. Sebe:lum hidridasi dilakukan sebuah spesimen U- Th-Zr berbentuk balok dibungkus dengan foil dari logam tungsten. Spesimen kemudian dimasukkan ke dalam tangki reaksi dan seluruh sistem divakumkan dengan kevakuman tinggi, berkisar 2-5 x 10-6 Pa, untuk menghilangkan kontaminan yang ada didalam sistim. Dalam sistim ini vakum tinggi dibangkitkan dari sebuah pompa turbo molecular yang digabung dengan sebuah pompa rotary. Dalam suasana vakum tinggi pemanas kemudian dioperasikan sampai suhu 1173 ok. Setelah suasana vakum pada suhu tinggi tercapai, kemudian proses hidridasi mulai dilakukan dengan memasukkan sejumlah hidrogen ke dalam sistem. Jumlah hidrogen yang diserap oleh logam paduan dihitung berdasarkan perubahan tekanan di dalam sistim dan pengukuran perubahan berat spesimen. Pengamatan visual dan pengukuran dimensi Pengamatan visual dilakukan terhadap logam paduan sebelum dan sesudah proses hidridasi. Dimensi paduan diukur dengan mikrometer digital dengan ketelitian 5 mikrometer dan berat ditimbang dengan tirnbangan analitis. Pendar Sinar-X Untuk menganalisis logam paduan basil leburan sebelum dan setelah proses hidridasi digunakan mesin JEaL tipe JDX-3500, X-Ray Diffractometer, di Tohoku l.,niversity, Jepang. Analisis dilakukan pada suhu kamar dan dalam bentuk padatan. Pengamatan mikrostruktur Setiap spesimen yang diuji dipoles dengan kertas SiC ukuran tingkat kekasaran 400-2000 dan mikrostruktur dianalisis dengan Mikroskop Sapuan Elektron (scanning electron microscopy), di Tohoku University, Jepang. Gambar 1. Diagram sistim hidridasi -dehidridasi 134, zg J ZOOO
I p A H p U-TI.-2. Pl-o g..j.,... g HU,;. 5-tMo.D HASIL DAN PEMBAHASAN Proses hidridasi Gambar 2 menampilkan urutan hidridasi terhadap spesimen dan data tekanan kesetimbangan plateau (plateau pressure) untuk sistim M-MHx (M adalah logam)[3,4,5,6,7]. Garis dengan label Th- ThHz menunjukkan tekanan plateau untuk kesetimbangan reaksi: Th + H2 = ThH2 (1) Hila tekanan hidrogen di dalam sistem (Peq) berada di atas garis plateau ini maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan membentuk ThH2. Sebaliknya, hila tekanan hidrogen di dalam sistim lebih rendah maka ThH2 tidak akan terbentuk. Hal yang sarna berlaku pula untuk tekanan kesetimbangan sistem Zr-H. Untuk sistem Zr-H tampak bahwa reaksi kesetimbangan sistem Zr-H bervariasi dengan tekanan clan suhu. Dalam Gambar 2 ditampilkan pula sistem Th-Zr-H dalam bentuk kesetimbangan ThZr2- ThZr2H3 clan ThZr2H4. Data kesetimbangan ini diperoleh dari referensi [3], yaitu untuk ThZr2H4 dipilih pada komposisi konstan dengan rasio [H]:[M] = 4:3 clan membentuk tekanan plateau pada rentang suhu 575-1110 ok. Dari Gambar 2 tampak bahwa sistem temer Th-Zr-H dikelilingi oleh sistem biner Zr'-H clan Th-H. Untuk menghindari terbentuknya sistem biner clan untuk memacu pertumbuhan sistem temer Th-Zr-H, maka kondisi operasi proses hidridasi harus dipilih pada: P < Peq(Th-ThH2), P < P eq(zrh-zrhi.4), dad P> P eq(thzr2- ThZr2H3), serta pada suhu 1173 ok, karena ThH2 clan ZrH2 terbentuk pada suhu di bawah 1173 ok [3,5]. Dengan mempertahankan kondisi ini maka kapasitas serapan hidrogen menjadi besar. Hal ini akan dibuktikan dengan pengamatan mikrostruktur bahwa senyawa biller Th-H tidak terbentuk. Juga, senyawa bider U-H tidak terbentuk karena suhu operasi yang tinggi. Sementara itu zirkonium hidrida tetap terbentuk karena adanya kelebihan Zr untuk pembentukan senyawa temer ThZr2H7-x. Dari Gambar 2 tampak bahwa hidridasi dimulai pada tekanan 35 kpa kemudian dinaikkan menjadi 75 kpa clan akhimya menjadi 100 kpa, setelah kesetimbangan reaksi dicapai pada setiap saat. Dari seluruh percobaan diperoleh basil rasio H/(Th+Zr) hampir sarna pada setiap kondisi, seperti ditampilkan dalam Tabel 1. Setelah hidridasi dengan tekanan yang bervariasi clan setelah tekanan 100 kpa dicapai kemudian sistem didinginkan secara bertahap sampai suhu 773 ok. Spesimen hidrida yang diperoleh berdasarkan data tekanan maupun data penimbangan berat (sebagai kontrol) alas spesimen temyata mempunyai komposisi atom U:Th:Zr:H = 2:1:6:13.3, 1:1:4:9.5, 1:2:6:15.2, dad 1:4:10:27, seperti ditampilkan dalam Tabell. Dari label terlihat bahwa konsentrasi hidrogen didalam spesimen adalah sebagai fungsi dari suhu. Lagipula, spesimen menyerap hidrogen dalam jumlah yang hampir sarna untuk setiap tahap hidridasi. Sedikit perbedaan dijumpai dalam basil ini kemungkinan disebabkan oleh holding time yang berbeda untuk setiap percobaan, khususnya untuk spesimen dengan komposisi U:Th:Zr= 1:4:10. Lebih dari 40 spesimen telah dihidridasi dad memiliki basil yang mirip untuk setiap tahap proses hidridasi, yaitu pacta konsentrasi H/(Th+Zr) = :tl pacta tekanan 35 kpa, H/(Th+Zt) = :t1,2 pacta 75 kpa, dad H/(Th+Zr) = -tl,34 pacta 100 kpa, pacta suhu proses 1173 ok. 1 1E404,.. 1E.03 1E.02.:.!:e:. ::':::'. ' r"thzr'h' 1E+O1I I I Titik1. 2,'.5...,.. tilik-2 op.,..i "" """ ZrH-ZrH.. ",-"",h.thh ThZr,H, Zr.ZrH., 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1000 KIT Gambar 2. Tahap operasi proses hidridasi ditampilkan bersama dengan garis kesetimbangan senyawa Th-H, Zr-H, dan Th-Zr-H [3,4,5,6,7]. Tabel1. Konsentrasi hidrogen di dalam spesimen pada tekanan yang bervariasi, pada 1173 ok, didinginkan menjadi 1073 ok dan 773 ok. IKompOSiSi PaduanI (M) x dalam MH. pada 1173 ok Didinginkan menjadi U : Th : Zr I (Titik 35kPaI) I (TitiUt 75kPa IOOkPa I 1073 ok I rook Komposisi Paduan M U : Th : Zr 3S kpa 2:1: 6, I : I : 4 0,98 I : 2: 6 1,10 I : 4 : 10 1,12 I:OIO 0,9 6 223M 10 H/(Th+Zr) pada 1173 K (Titik 3) (Titik 4) (Iilik 5) 9;4Q 11 1J.!.?..1 11,2!.?:d- 27 Didinginkan menjadi I 2 J 2000 135
Pl...l.,1L H p U-Tt. p g..,... H Hasil pengamatan secara visual atas proses hidridasi ini menunjukkan bahwa logam paduan tidak mengalami proses penyerbukan dan tetap sebagai logam paduan metalik. Hal ini sangat menarik karena meskipun hidrogen memilki sifat menghancurkan logam melalui proses amorphisasi dan kristalisasi, namun dalam penelitian ini ditunjukkan logam tetap solid. Perubahan berat, dimensi, daft densitas Tabel 2 memperlihatkan perubahan dimensi logam paduan akibat proses hidridasi pada suhu 1073 ok. Dalam tabel tersebut dl/l (%) adalah ekspansi rata-2 balok yang diukur perubahan panjangnya. dv N (%) adalah ekspansi volumetrik, dad dv/dw {cm3g-1 adalah rasio perubahan I volume per perubahan berat (setelah hidridasi). Rasio karena ekspansi bertambah secara linear dengan pertambahan kandungan thorium di dalam paduano Fasa-fasa yang terkandung di dalam logam paduan adalah ZrHz_x serta ThZrzH7-x, sedangkan logam U terdistribusi secara homogen diantara kedua senyawa hidrida tersebut, seperti ditunjukkan dalam pengamatan mikrostruktur. Linearitas pertambahan konsentrasi hidrogen di dalam logam paduan dengan pertambahan thorium dapat diekspresikan dengan persamaan sbb: H/U = 3,2 + 4,06 Th/U (2) dengan data yang ditampilkan oleh Tabel 2 yang menunjukkan bahwa konsentrasi hidrogen di dalam logam paduan U-Zr lebih kecil dibanding dengan U- Th- Zr. Analisis difraksi sinar-x Gambar 3 clan 4 adalah hasil analisis dengan difraksi sinar-x. Dari Gambar 3 tampak bahwa proses peleburan menyebabkan semua uranium bereaksi dengan zirkonium membentuk rasa o-uzr2' Hal ini dapat dilihat dari tidak adanya logam uranium yang terdeteksi. Sementara thorium bebas juga terdeteksi. Tidak adanya senyawa Th-Zr yang terbentuk sepanjang proses peleburan menunjukkan bahwa thorium memang tidak membentuk rasa baru dengan zirkonium [8]. Ada puncak sangat lemah terdeteksi di sini sebagai ThO2. Senyawa ini mungkin terbentuk selama proses peleburan berlangsung yang disebabkan oleh adanya oksigen sisa di dalam tungku lebur. Setelah proses hidridasi dengan kondisi tertentu rasa o-uzr2 berdekomposisi menjadi uranium bebas sedangkan zirkonium mengikat thorium membentuk biner hidrida sebagai ThZr2H7_x. Sedangkan kelebihan zirkonium mengikat hidrogen membentuk senyawa ZrH2- Y' Hal ini akan terlihat jelas pada pengamatan mikrostruktur. dengan anggapan bahwa hidrida yang terbentuk adalah ZrH1,6 dan ThZr2H4,O6' Tabel 2. Perubahan dimensi dan berat karena hidridasi pada suhu 1073 ok. Perubahan karena Hidridasi U- Th-Zr-H H/Th+Zr dul dvn dv/dw N -.!:!!!L 1& 16 1:1:4:7,1 1:2:6:11,3 1:4:10:19,4 1:0:10:11,2 1..12 91 Tabel 3. Densitas teoritis beberapa fasa terkait dan ekspansi teoritis setelah hidridasi. 1,8lL Gambar 3. Difraksi sinar-x logam paduan U- Th-Zr. 29 Oensitas teoritis untuk ZrH2_y dan ThZr2H7-x dihitung dari data difraksi sinar-x untuk hidrida dan deuterida dalarn Ref. [3,5], sernentara ekspansi teoritis diperoleh dengan perkiraan. Hasil perhitungan yang ditarnpilkan dalarn Tabel 3 rnenunjukkan bahwa hidrogen yang diserap oleh paduan Th-Zr adalah lebih ban yak dibanding dengan logarn Zr. Hal ini sesuai Sesuai dengan hasil analisis pendar sinar-x, hasil peleburan terdiri alas rasa stabil o-uzr2 dan Th bebas. Tidak ada Th yang bersenyawa dengan Zr. Hal ini 136, 2g J 2000
[2]. [8]. p.l A H P...l U-TI.-z. t../l P E..t 800M. HU;. 5..111,..,... sesuai dengan kaidah rasa untuk sistim Th-Zr [8], yaitu hanya sedikit kelarutan Zr di dalam Th dad sebaliknya, dad itupun terjadi pada suhu yang tinggi. Gambar.5(a) adalah paduan U:Th:Zr = 1:2:6 dengan pembesaran 5000 kali. Disini terlihat bahwa hanya ada 2 rasa utama yang dengan Energy Dispersive X-Ray Scanning (EDS) dapat diidentifikasi sebagai 8-UZr2 (major component) yang ditunjukkan oleh warna gelap dad Th bebas yang ditunjukkan oleh warna.terang. Hal ini dapat dilihat lebih jelas pada Gambar 5c, paduan U :Th:Zr = 2: 1:6 dengan pembesaran 10000 kali, dimana Th membentuk seperti jaringan (warna terang) diantara rasa 8-UZr2 (warna gelap ). Setelah proses hidridasi Th clan Zr membentuk senyawa stabil yang diidentifikasi sebagai senyawa ThZr2H7-x{ditunjukkan oleh warda kelabu) clan kelebihan Zr di dalam paduan membentuk ZrH2_y (warna gelap). Sementara itu uranium, ditunjukkan oleh WarDa terang, memisah dari senyawa stabil 8-UZr2 clan terdistribusi secara homogen sebagai logam bebas di antara partikel ThZr2H7-x clan ZrH2-Y' Ukuran butir partikel uranium di dalam logam paduan tergantung dari konsentrasi U dalam U-Th-Zr. Semakin besar kandungan U-nya, semakin besar ukuran partikel U di dalam paduan U- Th- Zr-H. Perbedaan butiran partikel U ini dapat dilihat dengan jelas pada Gambar 5b clan 5d. proses penyerbukan karena dapat dihindari terbentuknya senyawa biller U-H dan Th-H dan basil hidridasi tetap berupa logam paduan solid. Kapasitas hidrogen di dalam paduan U- Th-Zr lebih besar dibanding dengan U-Zr yang berarti memiliki sifat moderasi netron yang lebih baik. Perubahan dimensi dan berat paduan U- Th-Zr akibat hidridasi dan mikrostruktur paduan telah dianalisis. Meskipun perubahan dimensi (dv N) akibat hidridasi sedikit lebih besar dibanding paduan U-Zr namun paduan tetap solid. Paduan basil hidridasi menunjuk;kan densitas yang cukup tinggi dan tidak mudah rapuh (durable) menurut basil mikrostruktur. Analisis awal ini menunjukkan bahwa logam hidrida paduan U-Th-Zr dapat dipromosikan sebagai bahan bakar baru. Uji lanjutan berupa uji paska iradiasi masih berlangsung untuk melengkapi data spesifik bahan bakar reaktor yang diperlukan. UCAP AN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih disampaikan kepada Nuclear Fuel Industries Company, Jepang, yang telah menyediakan bahan dasar untuk penelitian ini. Terima kasih juga disampaikan kepada Materials Research Institute, Tohoku University, Jepang, yang telah menyediakan fasilitas untuk pembuatan paduan U-ln-Zr. (a) U:Th:Zr = 1 :2:6, Pembesaran 5000X (c) U:Th:Zr = 2:1 :6, Pembesaran KESIMPULAN 10000X (b) U:Th:Zr:H = 1:2:6:15,2, Pembesaran 5000X (d) U:Th:Zr:H = 2:1:6:13,3, Pembesaran 10000X Gambar 5. Logam paduan U- Th-Zr sebelum dan sesudah proses hidridasi [7] Telah dilakukan percobaan pembuatan senyawa hidrida dati logam paduan U-Th-Zr. Proses hidridasi dengan kondisi tertentu dapat mencegah terjadinya DAFTARPUSTAKA [1]. M. T. SIMNAD, Nuclear Engineering and Design, 64(1981)403-422. H. SOW ARNO, Difusivitas dan Konduktivitas Panas Logam Paduan U-Th-Zr dan U-Th-Zr-H, Proceedings, Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir IV, PEBN:"BATAN, Jakarta, 1-2 Desember 1998, halo 145-151. [3] W. BARTSCHER AND J. REBIZANT, J. Less- Common Metals, 136(1988)305-394. [4]. D.T. PATERSON AND J. REXER, J. Less- Common Metals, 4( 1962)96-97. [5].[6]. R.L. BECK, Trans. ASM, 55(1962)542-555. H.E. FLOTOW ET AL., The Chemical Thermodynamics of Actinide Elements and Compounds, Part 9: The Actinide Hydrides, laea, Vienna, 1984. W. BARTSCHER, Diffusion Defect Data B, Solid State Phenom, Vol. 49-50, Addison-Wesley, 1996, p.163-181. T.B. MASSALSKI, Binary Alloy Phase Diagrams, Second edition, Vol. 111, ASM International, 1990, p. 3490., 2g J 2000 137