OPTIMALISASI DEKONTAMINASI LIMBAH RADIOAKTIF HASIL DEKOMISIONING FASILITAS NUKLIR Gatot Sumartono Pusat Teknologi Limbah Radioaktif ABSTRAK OPTIMALISASI DEKONTAMINASI LIMBAH RADIOAKTIF HASIL DEKOMISIONING FASILITAS NUKLIR. Faktor dekontaminasi (FD) yang tinggi, mudah dilakukan dan ekonomis dapat dijadikan parameter keberhasilan suatu proses dekontaminasi. Pada artikel ini dibahas teknik dekontaminasi elektropolishing sebagai pembanding teknik dekontaminasi lainnya yang juga masih dikembangkan di beberapa negara. Dari studi ini diharapkan diperoleh bentuk dekontaminasi yang optimal guna mengolah limbah padat hasil dekomisioning fasilitas nuklir. ABSTRACT OPTIMALIZATION OF DECONTAMINATION OF RADIOACTIVE WASTE GENERATED FROM DECOMMISSIONING OF NUCLEAR FACILITY. High decontamination factor (DF), is easy to be decontaminated and economically can be parameter of a decontamination proccess. This article studied on electropolishing decontamination technique as comparation of other decontamination techniques which are still developed in several countries. It s expected from this study that optimum decontamination form is obtained to treat solid waste generated from nuclear facility. PENDAHULUAN Setelah membaca sekilas judul makalah, maka yang terlintas pada benak pembaca adalah bayangan betapa besar limbah radioaktif yang dihasilkan dari sebuah proses dekommisioning fasilitas nuklir, belum lagi bila ditambah dengan sarana dan prasarana pendukung dekommisioning yang akibat kontak pekerjaan langsung atau tidak langsung pada akhirnya dikategorikan pula sebagai limbah radioaktif. Limbah radioaktif hasil dekommisioning fasilitas nuklir dapat mencapai ribuan meter kubik, walau limbah tersebut hanya 0,3% 0,7% bila dibandingkan dengan limbah radioaktif hasil opersional rutin sebuah instalasi nuklir. Untuk meminimalisasi limbah radioaktif hasil decommisioning fasilitas nuklir, maka sejumlah metode diterapkan dalam proses pengelolaan limbah tersebut, salah satunya yang cukup efektif adalah menggunakan metode dekontaminasi. Metode inipun cukup banyak cabangnya, dalam kajian ini dipilih metode elektropolishing yang mana metode ini paling optimun untuk mengatasi serta mengeliminasi jumlah limbah yang cukup besar bahkan menjadi momok dalam industri nuklir dengan waktu singkat dan biaya murah namun aman. Sejumlah permasalahan industri nuklir baik dalam negeri maupun luar negeri yang melatar-belakangi kajian ini dan harus dicarikan jawabannya adalah:
Bagaimana memanfaatkan kembali (recycle) limbah padat radioaktif yang ditimbulkan dari operasi instalasi nuklir, atau paling tidak dapat menurunkan tingkat radiasi dari limbah tersebut. Bagaimana mendapatkan faktor dekontaminasi (FD) yang tinggi untuk mendekontaminasi limbah radioaktif dan sekaligus mendukung eksperimen selanjutnya. Pada nilai faktor dekontaminasi tertinggi berapakah nilai rapat arus listrik optimum. Waktu dekontaminasi optimum yang diperlukan. Tabel 1. Perkiraan volume limbah aktivitas rendah dan sedang hasil dekommisioning PLTN. Size and type of reactor Waste from 25 year operation (m 3 ) CANADA 4 x 515 PHWR 6900-27500 Federal Replublic of GERMANY 1200 PWR 6100-11000 800 BWR 6000-20000 SWEDEN 900 PWR 1000 BWR United States 1000 PWR 1000 BWR 6300 7500 21700 40000 Decommissioning waste (m 3 ) (imm stage 3) Total waste (m 3 ) (operation & decom.) Decommissioning waste /Total waste 10000 6900 12400 7000 15000 15200 16300 16900-37500 13000-17900 0.3-0.6 0.4 0.5 18400-32400 0.4 0.7 13300 22500 36900 56300 0.5 0.7 0.4 0.3 Dekontaminasi limbah radioaktif pada prinsipnya adalah menghilangkan atau mengurangi aktivitas yang terkandung dalam suatu limbah sehingga limbah tersebut dapat dimanfaatkan/digunakan kembali. Barometer keberhasilan teknik yang digunakan dalam dekontaminasi limbah radioaktif dinyatakan dengan nilai faktor dekontaminasi (FD) yang dihasilkan, dengan menggunakan perbandingan sebagai berikut: A A 0 FD = (1) 1 dimana, A 0 = adalah aktivitas limbah radioaktif mula; A 1 = aktivitas limbah radioaktif setelah dekontaminasi. 192
Proses pengikisan logam pada metode dekontaminasi umumnya melalui tahapan pengerjaan sebagai berikut: Tahap Pengerjaan Awal, Pada tahap ini merupakan tahapan persiapan, yaitu dengan menyiapkan ukuran dan luasan benda kerja serta waktu yang ditetapkan untuk elektro-polishing benda kerja tersebut. Tahap Pengikisan, Tahap ini benda kerja dimasukkan dalam larutan elektrolit yang telah ditentukan konsentrasinya, dengan benda kerja sebagai anoda (-) dan katoda (+) pada sisi lain larutan. Setelah dipastikan anoda dan katoda terendam dalam larutan barulah sumber listrik arus searah dihubungkan sampai waktu proses elektro-polishing yang ditentukan. Tahap Pengerjaan Akhir, Dalam tahap pengerjaan akhir, benda kerja terkikis dibilas (rinsing) untuk menghilangkan/menetralisir asam yang mungkin masih ada pada permukaan logam/benda kerja, sehingga tidak timbul proses lanjutan yang tidak diinginkan terjadi. Pada saat sampel limbah padat radioaktif dicelup dalam larutan elektrolit dan diberikan tegangan listrik DC, maka terjadi proses dekontaminasi yang terdiri dari dua tahapan proses yang dilakukan secara simultan, yaitu: a. Pelarutan kontaminan atau lapisan oksida penutup kontaminan (Cr 3+ ) berdasarkan reaksi kimia sebagai berikut: 3 Ce 4+ (dekontaminan) + Cr 3+ (kontaminan) Cr 6+ + 3 Ce 3+ Setelah tutup kontaminan tersebut larut maka kontaminan berpindah dari fase padat ke fase cair. b. Regenerasi dekontaminan Ce 3+ Ce 4+ Setelah proses dianggap selesai maka terjadi penurunan aktivitas limbah akibat pengikisan permukaan hasil proses dekontaminasi redoks. Proses kimia pelarutan penutup kontaminasi didasari pada reaksi reduksi oksidasi (Redoks) sebagai berikut: 3Ce 4+ + Cr 3+ Cr 6+ + 3Ce 3+ Perubahan dekontaminan Ce 4+ menjadi limbah sekunder Ce 3+ pada reaksi tersebut membutuhkan penambahan dekontaminan baru (Ce 4+ ) agar proses dekontaminasi dapat terus berlangsung. Untuk menghindari adanya proses penambahan dekontaminan maka selama proses dekontaminasi, limbah sekunder yang terbentuk diregenerasi kembali menjadi dekontaminan berdasarkan reaksi elektrokimia: Ce 3+ Ce 4+ 193
Reaksi elektrokimia tersebut didasari oleh hukum Farraday yang dirumuskan sebagai berikut: [4] I.t Grek = (2) 96500 dimana, Grek = jumlah ekivalen reaksi kimia yang terjadi; I = kuat arus listrik (Ampere); t = waktu (detik); dan 96500 = adalah konstanta Faraday. Berdasarkan persamaan (2) maka terlihat bahwa kuat arus (I) sangat menentukan proses regenerasi Ce 3+ menjadi Ce 4+ selanjutnya (I) dipengaruhi oleh variabel-variabel lain seperti yang terlihat pada persamaan (3) dan (4). E Eb I = (3) R dimana, R = tahanan listrik (ohm); dan E = tegangan listrik (volt); sedangkan Eb = adalah Emf dari cell (volt). ρ R = l (4) A dimana, ρ = adalah tahanan jenis (Ωm); l = panjang (cm); dan A = luas (cm 2 ) Berdasarkan persamaan (3) dan (4) arus (I) berubah akibat perubahan tahanan (R). Perubahan tahanan ini disebabkan oleh proses perubahan Ce 3+ menjadi Ce 4+ pada proses regenerasi. Mengacu pada hukum Farraday maka untuk memperoleh efisiensi yang tinggi pada proses regenerasi Ce 3+ menjadi Ce 4+ maka arus (I) dipertahankan tetap. Disamping variabel-variabel listrik tersebut proses juga ditentukan oleh mobilitas muatan yang bersumber dari elektrolit (H 3 PO 4 ) yang terdapat di dalam dekontaminan [5] U( + ) t ( + ) = (5) U + U ( + ) ( + ) ( ) U( ) t ( ) = (6) U + U ( ) dimana, U (+) = mobilitas ionis ion positip; U (-) = mobilitas ionis ion negatip; t (+) = bilangan trasport ion positip; dan t (-) = merupakan bilangan trasport ion negatip. x U ( ± ) = (7) t( de / dx) de A = I (8) dx k k Λ.C = (9) 194
dimana, de/dx = adalah kuat medan (volt m -1 ); k = hantaran jenis (mho -1.m 2 ); C = konsentrasi (M); dan Λ = merupakan hantaran molar. Pada proses dekontaminasi tersebut kemungkinan terjadi pula perubahan kandungan elektrolit di dalam dekontaminan. Hal ini dapat dideteksi dengan sebuah indikator ph. Jika elektrolit tersebut berkurang maka ph cenderung lebih besar. Proses dekontaminasi ini juga ditentukan oleh variabel suhu (T) sehingga diperlukan pengontrolan suhu, dimana menurut pustaka suhu yang dibutuhkan berkisar 80 C. [6] ANODA KATODA KONTAMINAN LIMBAH TERKONTAMINASI POMPA SISTEM FILTRASI Gambar 1. Konsep unit dekontaminasi elektropolishing [7] Proses elektro-polishing adalah suatu proses pengikisan logam pada benda kerja yang berfungsi sebagai anoda melalui suatu proses elektrolisa/elektro-kimia. Logam yang terkikis dalam bentuk ion-ion logam melalui media elektrolit yang dialiri oleh arus listrik searah menuju katoda, sehingga benda kerja terkikis permukaannya. Proses dekontaminasi elektro-polishing skala industri dapat dikembangkan, yang mana proses tersebut akan dapat mendekontaminasi limbah dalam skala yang lebih besar. Perancangan unit proses dapat dirancang sedemikian rupa sehingga dapat dilakukan dekontaminasi limbah dengan mudah, praktis dan aman bagi pekerja radiasinya. Konseptual dari unit proses dekontaminasi elektro-polishing tersebut dapat diamati pada gambar 1. di dalam unit tersebut dilengkapi pompa sirkulasi larutan 195
elektrolit dan filter yang berfungsi untuk mengangkat kontaminan yang terlepas, sehingga larutan elektrolit dapat terus dipakai sampai batas tertentu yang dianggap sudah tidak efisien penggunaannya. METODA Pembuatan Sampel Limbah Radioaktif Membuat sampel dengan cara memotong limbah hasil dekommisioning fasilitas nuklir. Penentuan Aktivitas Sampel Limbah Radioaktif Membungkus sampel limbah radioaktif dengan kantong plastik agar tidak mengkontaminasi alat lain; Menyiapkan pencacahan menggunakan MCA dan meletakkan sampel pada detektor; Mencacah sampel dengan lama pencacahan 60 menit dan menyimpan data yang dihasilkan dalam disket/cd; Mengolah data awal sehingga diperoleh data akhir pencacahan dalam bentuk aktivitas tiap sampel pra dekontaminasi. Dekontaminasi Sampel Limbah Radioaktif Menyiapkan larutan H 3 PO 4 dengan konsentrasi 10% (tertentu) sebagai larutan elektrolit dan menghidupkan Off-gas; Meletakkan sampel dan mendekontaminasi pada arus konstan 2 amper dengan variasi 5 sampai 30 menit (atau seting tertentu) sehingga didapat data 1; Meletakkan sampel dan mendekontaminasi pada waktu konstan 10 menit dengan variasi arus 1 sampai 3,5 amper (atau seting tertentu) sehingga didapat data 2. Penentuan Aktivitas Sampel Terdekontaminasi Membungkus sampel limbah radioaktif yang telah terdekontaminasi dengan kantong plastik; Menyiapkan pencacahan menggunakan MCA dan meletakkan sampel pada detektor yang telah disiapkan; Mencacah sampel dengan lama pencacahan 60 menit dan menyimpan data yang dihasilkan dalam disket/cd; 196
Mengolah data awal sehingga diperoleh data akhir pencacahan dalam bentuk aktivitas tiap sampel terdekontaminasi. Penentuan Faktor Dekontaminasi Merangkum data yang telah dihasilkan dalam percobaan; Menghitung faktor dekontaminasi (FD) yang dihasilkan dari percobaan yang telah dilakukan dan membuat tabulasi data. Skema rangkaian yang dapat digunakan dalam dekontaminasi limbah radioaktif hasil dekommisioning fasilitas nuklir dengan teknik elektro-polishing ini dapat diperhatikan pada gambar 2 sebagai berikut: Gambar 2. Skema rangkaian dekontaminasi elektropolishing 197