Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854-5561 SINTERING SUHU RENDAH ATAS KOMPAKAN SERBUK HALUS U02 DENGAN V ARIASI KANDUNGAN PELUMAS Zn-STEARAT Taufik Usman ABSTRAK SINTERING SUHU RENDAH ATAS KOMPAKAN SERBUK HALUS U02 DENGAN VARIASI KANDUNGAN PELUMAS ZN-STEARAT. 35 sampel serbuk halus U021olos 38 IJm dengan berat yang sarna, yakni 6,8 gr dibagi dalam 7 kelompok. Setiap kelompok sam pel dicampur bersama pelumas dengan persentase berat 0,2, 0.4, 0,8, 1,2, 1,6, 2,0, dan 3,0 hingga homogen. Setelah itu dikompakkan dengan tekanan yang sarna yakni 7 ton. Kompakan serbuk halus yang diperoleh ternyata mempunyai densitas yang berbeda yang bergantung pada kandungan pelumasnya. Densitas kompakan yang maksimal (59,96% DT) diperoleh pada kandungan pelumas 0,4% berat. Semua kompakan tersebut kemudian disinter pada suhu rendah (1100 c) dengan laju kenaikan suhu 250 c Ijam dan waktu sinter 3 jam. Pelet sinter U02 jenis PWR yang diperoleh ternyata mempunyai densitas yang berbeda pula, bergantung pada kandungan pelumasnya. Densitas yang tertinggi (93,11 % DT) diperoleh pada pelet sinteru02 yang berasal dari kompakan dengan kandungan pelumas 0,4% berat. Untuk BBRD jenis PWR (enrichment), densitas tersebut memenuhi persyaratan. PENDAHULUAN Bahan bakar reaktor daya (BBRD) atau pelet sinter U02 jenis PWR adalah berdensitas tinggi yakni sekitar 93-95% DT. Untuk memperolehnya, kompakan serbuk U02 ukuran menengah (150-800 IJm) perlu disinter dengan suhu tinggi yakni 1700 c. sintering suhu tinggi tentu menyebabkan biaya produksi besar., resiko kerusakan alat sinter cukup tingggi dan periode waktu sinter cukup lama. Oleh karenanya suhu sinter perlu diturunkan. Hal ini sesuai dengan kecenderungan Negara maju sa at ini, yang melakukan penyinteran BBRD pada suhu rendah (1200 c). Salah satu usaha untuk menurunkan suhu sinter adalah dengan penggunaan serbuk halus U02 Dari berbagai penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa kompakan atau pelet mentah yang berasal dari serbuk yang lebih halus dapat disinter pada suhu yang lebih rendah. Dalam proses pengompakannya akan terajadi friksi atau gesekan antara sesama serbuk dan antara serbuk dengan cetakannya atau dinding Dies. Friksi sesama serbuk menyebabkan densitas kompakan menjadi rendah karena terbentuknya Bridging yakni jembatan antar partikel serbuk. Sementara itu, friksi antara serbuk dengan Dies menyebabkan pengikisan dinding Dies, bahkan sering menyebabkan kompakannya pecah atau retak. Untuk mengatasi hal ini, maka ke dalam serbuk perlu dicampurkan pelumas hingga homogen. Dalam hal ini menggunakan Zn-stearat sebagai pelumas. Masalahnya adalah seberapa banyak pelumas dicampurkan ke dalam serbuk U02, sebab jika berlebihan, pelumas juga dapat menyebabkan densitas kompakan turun, karena transmisi tekanan tidak maksimal. Oleh karenanya penelitian ini perlu dilakukan. TEORI Teori Pengompakan Pengompakan serbuk U02 dimaksudkan untuk memberikan bentuk, ukuran, dan rapat massa tertentu terhadap kompakan yang dihasilkan. Selama proses pengompakan akan terjadi friksi atau gesekan sesama partikel serbuk yang berdekatan. Friksi ini menyebabkan pengelasan 40
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854-5561 dingin atau cold welding. Akibatnya terbentuk kohesi sisa (perpaduan), berupa titik kontak antar partikel serbuk atau the point of particle contact dalam kompakan atau pelet mentah. Melalui titik kontak inilah pertukaran atom-atom berlangsung selama proses sintering. Makin halus ukuran serbuk, makin banyak jumlah serbuk atau jumlah titik kontak tersebut dan makin cepat pertukaran atom-atom selama penyinteran sehingga densitas pelet meningkat dengan cepat. Teori Sintering Proses sintering terbagi dalam 3 tahapan yakni : a) Tahap awal (initial stage) Proses sintering berawal pada titik kontak antar partikel serbuk. kemudian titik kontak tersebut bertambah luas dan membentuk neck atau leher. Neck ini kemudian menjadi batas butir atau grain-boundary. Pada sa at bersamaan, rongga antar partikel serbuk mengecil dan membentuk pori. b) Tahap pertengahan (intermediate stage) Dalam tahap ini batas butir membesar dan porinya mengecil dengan cepat. Akibatnya pelet mengalami shringkage atau pengerutan dan densitasnya meningkat tajam. Hal ini terjadi selama kenaikan suhu dari 300 C hingga suhu puncak. Disini terjadi densifikasi secara cepat karena adanya interaksi antara pori dan batas butir. Selama pertumbuhan butir (grain growth) : Pori-pori dapat dikeluarkan oleh pergerakan batas butir sehingga densitas pelet meningkat. Pori-pori tersebut ditinggalkan oleh pergerakan batas butir dalam butir, sehingga densitas pelet tetap c) Tahap akhir (final stage) Tahap ini berlangsung selama soaking time atau selama pelet pada suhu puncak. Densifikasi pelet berlangsung lambat karena yang terjadi hanya perubahan bentuk dan pengecilan pori-pori dalam butir. Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa pelet sinter U02 berdensitas tinggi dapat dihasilkan dari sintering suhu rendah atas kompakan serbuk halus. Mekanisme sintering Terbagi atas surface transport dan bulk transport. Secara sederhana kedua mekanisme ini dapat dijelaskan : Surface transport Mekanisme sintering surface transport adalah mekanisme yang disebabkan adanya aliran atau perpindahan massa dari permukaan ke permukaan partikel serbuk, yang mengakibatkan pertumbuhan neck. Akan tetapi kedua partikel serbuk tersebut tidak mengalami shringkage (pengerutan) sehingga peletnya tidak terdensifikasi (tidak mengalami perubahan dimensi). Mekanisme surface transport meliputi difusi permukaan dan evaporasi kondensasi yang biasanya terjadi pada tahap awal sintering Bulk transport Mekanisme sintering bulk transport adalah mekanisme yang disebabkan adanya aliran atau perpindahana massa dari dalam partikel serbuk (sumber massa internal) ke daerah neck sehingga pertumbuhan neck semakin cepat. Mekanisme ini meliputi difusi volume (kisi), difusi batas butir, aliran plastis dan sebagainya. Dalam mekanisme ini terjadi shringkage partikel serbuk atau densifikasi pelet. Mekanisme ini biasanya terjadi pada tahap pertengahan dan tahap akhir sintering. 41
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854-5561 TAT A KERJA 1. Pembuatan serbuk halus U02 lolos 38!-1mdan pencampuran pelumas Sejumlah serbuk awal U02 jenis CAMECO yang berukuran sekitar 150-700!-1mdiayak dalam ayakan kecil dengan frekuensi 50 hz, sehingga diperoleh serbuk halus U02 lolos 38!-1m. Serbuk halus tersebut kemudian ditimbang dengan berat tetap 6,8 gr sebanyak 35 sam pel. Sam pel tersebut dibagi atas 7 kelompok dan setiap kelompok terdiri dari 5 sam pel. Setiap sam pel dalam kelompoknya dicampur dengan pelumas Zn-stearat hingga homogen dengan persentase berat yang sama, masing-masing kelompok adalah 0,2, 0,4, 0,8, 1,2, 1,6, 2,0, 3,0% berat. 2. Pengompakan serbuk halus dan penyinterannya Sam pel tersebut kemudian dikompakkan dengan tekanan yang sama yakni 7 ton, dengan parameter proses; punch-atas 21 mm, kedalaman dies = 66 mm dan putaran hydraulic = 4. Kompakan serbuk halus U02 yang dihasilkan kemudian dihitung densitasnya, lalu disinter dengan kenaikan suhu 250 C/ jam, suhu sinter 1100 C, waktu sinter 3 jam dan laju penurunan suhu 150 C/jam Pelet sinter yang dihasilkan kemudian dihitung densitasnya dan diamati grain-size melalui uji metalografi HASIL DAN PEMBAHASAN Pengompakan dengan tekanan yang sama ( 7 ton) atas 35 sam pel serbuk halus U021010s 38!-1mdengan 7 variasi kandungan pelumas Zn-stearat telah berhasil dilakukan dengan baik menjadi kompakan serbuk halus atau pelet mentah U02 Data mengenai densitasnya dapat dilihat pada tabel I. Pelet mentah dengan kandungan pelumas yang sama (0,2% berat) ternyata mempunyai densitas yang hampir sama. Sedangkan pelet mentah dengan kandungan pelumas yang berbeda mempunyai densitas yang berbeda pula. Hal ini menunjukkan bahwa kandungan pelumas dalam serbuk dapat mempengaruhi densitas kompakannya. Dari tabel II ditunjukkan bahwa pelet mentah dengan kandungan pelumas terendah, yakni 0,2% berat mempunyai densitas 58,48% DT. Kenaikan kandungan pelumas 0,4% berat, ternyata dapat meningkatkan densitasnya menjadi 59,98% DT. Kenaikan kandungan pelumas selanjutnya dari 0,8 hingga 3,0% berat Zn-stearat, ternyata menurunkan densitasnya dari 57,71 hingga 53,42% DT. Densitas tertinggi diperoleh pada kandungan pelumas 0,4% berat yakni 59,98% DT, sedangkan yang terendah adalah pada kandungan pelumas 3,0% berat yakni 53,42% DT. Fenomena yang sama dengan serbuk U02 ini juga ditemukan pada kompakan dari serbuk besi (Fe) 150!-1m Fenomena tersebut dapat dilihat pada gambar 1. Yang menjadi pertanyaan adalah kenapa kandungan pelumas dalam serbuk dapat mempengaruhi densitas kompakannya. Dalam proses pengompakkan serbuk ada istilah applied pressure (penerapan tekanan) dan transmitted pressure (transmisi tekanan). Pada dasarnya penerapan tekanan harus sama dengan transmisi tekanan. Tetapi karena adanya friksi sesama serbuk dan antara serbuk dengan Dies, serta adanya kandungan pelumas dalam serbuk, maka transmisi tekanan selalu lebih kecil daripada penerapan tekanan. Variasi transmisi tekanan dapat dibandingkan pad a densitas kompakan yang dicapai. Transmisi tekanan yang maksimal ternyata dicapai pada kompakan (pelet mentah) dengan kandungan pelumas 0,4% berat, karena densitasnya terbesar yakni 59,96% DT. Hal ini diduga karena pelumasan atas permukaan semua partikel serbuk cukup memadai dan tidak berlebihan. Kelebihan pelumasan tentu akan mempertebal permukaan partikel serbuk dan mengurangi transmisi tekanan. Hal ini terjadi pad a serbuk pad a kandungan pelumas 3,0% berat, yang menghasilkan kompakan dengan densitas terendah yakni 53,42. Jadi optimasi pelumasan serbuk perlu dilakukan agar diperoleh densitas kompakan maksimal. Kandungan pelumas Zn-stearat ternyata juga berpengaruh pada densitas pelet sinter. Bahkan pengaruhnya lebih besar dibandingkan terhadap densitas pelet mentah. Dengan kandungan pelumas 0,2% berat dalam serbuk, maka densitas pelet sinternya adalah 90,36 % DT. Kenaikan kandungan pelumas, 0,4% berat menyebabkan densitasnya meningkat menjadi 93,11 % DT. Kenaikan kandungan pelumas selanjutnya dari 0,8 hingga 3,0% berat, ternyata menurunkan 42
ISSN 0854-5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 densitasnya dari 90,36 hingga 73,48% DT. Densitas pelet sinter yang terbesar diperoleh pada kandungan pelumas 0,4% berat, yakni 93,11 % DT. Untuk bahan bakar jenis PWR (enriched), densitas tersebut telah memenuhi persyaratan BBRD. Penurunan densitas pelet sinter akibat kenaikan kandungan pelumas dalam pelet mentah mungkin disebabkan karena ketebalan pelumas diatas permukaan aglomer serbuk dalam kompakan bisa memperlambat proses sintering atau densifikasi pelet. Terutama dalam pertumbuhan neck (Ieher), batas butir dan butir (grain growth). Pencapaian densitas yang tinggi (93,11 % DT) dari pelet sinter UOz dengan kandungan pelumas 0,4% berat dalam serbuk halusnya menunjukkan bahwa pelumasan tersebut tidak mempengaruhi proses sintering terutama pada tahap awal dim ana titik kontak antar partikel serbuk tumbuh menjadi neck (leher) dan batas butir (grain boundary). TABEL 1. Densitas pelet mentah (7 ton) dan pelet sinter (1100 C) jenis PWR dari serbuk halus UOz % Berat --.-- -- "'-.0..I~_..,.,...... _" """""'"11_"" _II """'--'-"'1 J-IIM "",,'u"',,",u %DT 0,26,245 0,46,587 0,86,336 1,286,15 1,682,74 3,0 2,0 5,842 6,129 6,321 6,223 10,223 10,224 10,221 10,228 10,219 9,438 9,481 9,926 9,921 9,918 9,092 8,683 9,459 9,478 9,431 9,914 9,928 8,092 9,922 9,101 8,066 9,915 8,090 8,079 8,713 8,735 9,084 8,710 8,723 9,105 57,55 57,67, 9,923 56,66 56,57 86,25 57,54 90,23 72,98 56,69 90,38 73,69 56,63 56,68 86,43 90,41 90,42 90,36 90,33 53,21 90,37 53,31 73,4 90,31 53,37 53,80 73,58 53,39 73,70 55,81 79,36 55,79 79,56 55,82 79,08 55,84 79,32 55,83 79,45 85,96 57,53 57,50 57,57 85,80 58,52 58,47 58,48 57,75 57,70 57,76 59,99 58,49 82,89 58,45 59,96 59,92 82,81 59,97 59,94 82,93 93,16 93,11 93,68 93,12 93,09 MENTAH 7 6,420 6,421 6,418 6,579 6,583 6,422 6,581 6,316 6,314 6,332 6,341 6,584 6,318 5,853 5,861 5,863 5,862 6,128 6,129 6,131 6,130 6,319 6,224 6,218 6,221 6,211 %DT grl UOz DENSITAS SINTER cm3 UOz PELET grl cm3 DENSIT AS PELET 43
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854-5561 Tabelll Densitas rata-rata pelet mentah ( 7 ton) dan pelet sinter ( 11000e )jenis PWR dari serbuk halus U021olos 38 Um dengan persentase berat pelumas ( Zn-stearat ) yang berbeda.( dari Tabell ). % ( 0,26,421 0,46,583 59,96 58,48 57,54 0,86,336 57,71 56,65 55,82 53,42 2,06,128 3,05,856 1,6,219 1,26,317 %DT gr/ 10,223 Berat 9,920 9,457 9,921 9,094 8,713 8,084 90,36 86,14 90,35 82,83 79,36 73,48 93,11 %DT cm3 ) MENTAH DENSIT SINTER DENSITAS AS PELET U02 U02 PELET gr/ cm3 Q) N "iij Q. 0 -c 100.00 80.00 QjQ. c_ :J.. 90.00 70.00 Q) CUt- "0 0.s::.~ E-Q).19~ ~ Qj UI c 50.00 0.50 "iij 60.000.00 -+-- Densitas pelet mentah U02 --- Densitas pelet sinter U02 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 Kandungan pelumas Zn-stearat dalam serbuk halus U02 1010538!-1m (% berat) Gambar 1. Grafik pengaruh kandungan pelumas Zn- stearat dalam serbuk halus U02 terhadap densitas pelet mentah dan pellet sinter U02 44
ISSN 0854-5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 KESIMPULAN 1. Dengan menggunakan ayakan kecil, maka serbuk halus U02 lolos 38 IJm dapat dihasilkan dari serbuk awal CAMECO 2. Kandungan pelumas (Zn-stearat) dalam serbuk halus U02 lolos 38 um dapat mempengaruhi densitas dari pelet mentah dan pelet sinter 3. Campuran 0,4% berat pelumas (Zn-stearat) dalam serbuk halus U02 lolos 38 IJm dapat dikompakkan dan disinter pada suhu rendah (1100 C) menjadi pelet sinter berdensitas maksimal, yakni 93,11 % DT SARAN Perlu dipesan ayakan besar berukuran kecil, 38 IJm dan 53 IJm DAFT AR PUST AKA [1] SAMIR M., ABDEL AZIM, contribution to fuel element fabrication of U02 pellets using lower sintering Temperatures, Cairo Egypt, 1 juli 1994. [2] RANDAL M.G. Powder metallurgy Science, Printed in Princeton, New Jersey 1984. [3] KINGERY W.D., introduction to Ceramics, Jhon Wiley & Sons, Inc., 1976 45