ISSN 0854-5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ANALISIS KOMPOSISI KIMIA SERBUK HASIL PROSES HYDRIDING-DEHYDRIDING PADUAN U-Zr Asminar, Rahmiati, Siamet Pribadi ABSTRAK ANALISIS KOMPOSISI KIMIA SERBUK HASIL PROSES HYDRIDING-DEHYDRIDING PADUAN U-Zr. Telah dilakukan analisis komposisi kimia serbuk hasil proses hydridingdehydriding paduan U-Zr menggunakan alat Spektrofotometer Serapan Atom. Cuplikan dengan kadar paduan yang di ke~akan masing-masing 2%, 6%, 10%, dan 14% berat dianalisis dalam fasa air dengan media asam nitrat. Uranium yang merupakan unsur mayor dalam larutan harus dipisahkan terlebih dahulu karena mengganggu dalam penentuan unsur-unsur tersebut. Pemisahan dilakukan dengan ekstraksi pelarut menggunakan Tri Butil Posfat-Hexan sebagai ekstrakstor. Tujuan percobaan ini untuk mengetahui unsur-unsur pegotor di dalam bahan bakar U-Zr hasil leburan dan kadar Zr di dalam leburan. Hasil analisis untuk contoh paduan 2 % diperoleh kandungan Zr = 1.974%, untuk contoh paduan 6% diperoleh kandungan Zr = 5,868 %, untuk contoh paduan 10% diperoleh kandungan Zr = 10,523%, untuk contoh paduan 14 % diperoleh Zr = 13,974 %. Untuk unsur pengotor sebagian besar masih memenuhi persyaratan sebagai bahan bakar, kecuali unsur AI dan Ca. Kata kunci : U-Zr, Analisis, Ekstraksi PENDAHULUAN Bahan Bakar Nuklir U-Zr merupakan bahan utama yang digunakan untuk membuat elemen bakar nuklir reaktor riset. Dalam proses pembuatan elemen bakar nuklir selalu diperlukan bahan bakar nuklir yang mempunyai tingkat kemurnian tinggi (nuclear grade). Meskipun bahan bakar masih mengandung unsur-unsur pengotor tetapi unsur-unsur pengotor tersebut harus tetap memenuhi spesifikasi yang telah ditetapkan untuk pembuatan elemen bakar nuklir. Kandungan unsur-unsur pengotor dalam bahan bakar nuklir itu perlu diketahui secara pasti jumlahnya karena dapat mengganggu proses yang te~adi dalam reaktor. Zirkonium mempunyai sifat mekanis dan fisis yang lebih baik dibanding bahan lainnya terutama dalam daya serap netron termalnya yang sangat rendah, sehingga tidak mengurangi netron termal yang dibutuhkan untuk reaksi fisi yang terjadi didalam reaktor nuklir(1). Unsur-unsur pengotor yang menyertai bahan nuklir antara lain unsur: Cu, Cd, Fe, Mn, Mg, U, Cr, Ni, dan Zn. Adanya unsur-unsur pengotor yang melebihi dari spesifikasi yang telah ditentukan dapat menurunkan kualitas dari bahan bakar nuklir tersebut. Sebagai contoh unsur Cd mempunyai tampang serap neutron yang tinggi, sehingga akan mengganggu operasi di dalam reaktor. Berkenaan dengan sifat netronik tersebut maka kandungan unsur pengotor harus dibatasi jumlahnya dalam bahan bakar. Dengan demikian keberadaan unsur-unsur tersebut betul-betul harus diperhatikan. Salah satu teknik yang digunakan untuk menentukan kandungan pengotor adalah dengan cara spektrofotometri serapan atom. Spektrometri serapan Atom adalah suatu metode yang dapat digunakan untuk analisis unsur-unsur dalam suatu bahan berdasarkan penyerapan energi oleh atom-atom yang berada pada tingkat dasar untuk mengeksitasi elektron terluar proses penyerapan energi terjadi pada panajng gelombang yang spesifik dan karakteristik untuk tiap unsur. Prinsip utama dari metode SSA bahwa, bila larutan suatu senyawa tertentu diaspirasikan ke dalam nyala maka senyawa ini akan menguap lalu akan terurai menjadi uap-uap atom bebas (proses atomisas/). Uap-uap atom bebas tersebut akan menyerap energi radiasi yang berasal dari lampu katoda cekung pada panjang gelombang yang khas dan karakteristik untuk setiap unsur. Akibat dari proses penyerapan radiasi tersebut elektron dari atom-atom bebas tereksitasi ketingkat energi yang lebih tinggi. Intensitas 53
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854-5561 radiasi yang diserap sebanding dengan jumlah atom dalam contoh sehingga dengan mengukur intensitas radiasi yang diserap (absorbansi) atau mengukur intensitas radiasi yang diteruskan (transmitasi), maka konsentrasi unsur di dalam cuplikan dapat ditentukan(3). Metoda analisis ini banyak dipakai untuk menentukan kadar unsur logam dalam suatu bahan. Penggunaan spektrometri serapan atom (SSA) untuk analisis unsur logam memberikan keuntungan berupa sensitivitas yang cukup tinggi, waktu analisa relatif singkat ketelitian dan ketepatan dapat dipercaya dan tanpa pemisahan dari logam-iogam pengganggu lainnya. (6). Hubungan serapan dengan konsentrasi atom dirumuskan dalam hukum Lambert Beer yaitu : Log lollt = A (1) am.b.c = A (2) dim ana : 10 = Intensitas mula-mula It = Intensitas sinar yang diteruskan am = koefisien serapan media b = panjang burner c = kepekatan atom-atom yang mengabsorpsi Karena am dan b merupakan suatu yang tetap, maka serapan contoh dapat langsung dibandingkan dengan serapan larutan standar yang telah diketahui konsentrasinya dengan membuat suatu grafik antara konsentrasi dan absorbansi.. Karena am dan b merupakan suatu yang tetap, maka serapan contoh dapat langsung dibandingkan dengan serapan larutan standar yang telah diketahui konsentrasinya dengan membuat suatu grafik antara konsentrasi dan absorbansi seperti grafik dibawah ini : grafik hubungan absorbansl vs konsentrasl unsur Zr y= 0.000x _0.023 R2 = 0.999 0.3 0.25 ~ 0..2 <If of! 0.15 o ~ 0.1 0.05 o o 500 konsentrasl 1000 1500 2000 Dengan membuat kurva hubungan absorbansi terhadap konsentrasi unsur logam yang ada dalam larutan standar maka akan diperoleh garis lurus dengan persamaan (2): Y = ax + b (3) Dengan menginterpolasikan absorbansi yang diperoleh dari pengukuran dalam unsur logam dalam cuplikan dapat diketahui. Kadar dari masing-masing unsur pengotor dalam cuplikan dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut : 54
ISSN 0854-5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 Kadar logam = A x V ~g/g (4) B dengan : A = konsentrasi (hasil interpolasi dari kurev kalibrasi V = Volume labu untuk pengenceran B = Berat cuplikan (g) contoh (ml) Untuk dapat dilakukan analisis dalam bahan paduan harus dilarutkan terlebih dahulu agar dapat dilakukan analisis. Proses pelarutan paduan Uranium dengan Zirkonium dilakukan dengan menggunakan air raja dan asam florida pekat. Zirkonium hanya membentuk satu oksida yang penting yaitu zirkonia Zr02, yang bersifat amfoter. Garam-garam zirkonium normal, seperti ZrCI4, mudah terhidrolisis dalam larutan sehingga menjadi garam-garam zirkonil yang mengandung radikal bivalen Zr02+. Zirkonium juga mudah membentuk ion-ion kompleks seperti heksafluorozirkonat (IV) [ZrF6f yang dihasilkan dengan memanaskan zirkonia dengan kalium hidrogen fluorida (5). Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui Kandungan Zr dan Uranium dalam paduan Uranium-Zirkonium hasil peleburan menggunakan alat Spektrofotometer Serapan Atom. Untuk kandungan Uranium digunakan alat Titroprosessor. TAT A KERJA Bahan : Paduan U-Zr, Asam nitrat 65 %, Larutan standar unsur Zr, Udara tekan, Gas Acetilen, Gas nitrogen Oxide, Air bebas mineral, Asam Florida pekat Alat: - SSA, Varian model AA1475, Stabilizerr, Timbangan Analitik, Alat-alat gel as, Botol contoh, Pemanas Listrik, fumehood Cara Kerja Persia pan larutan standar. 1. Table 1. Data konsentrasi larutan standard untuk masing-masing unsur No. Unsur Mn Cu Cd0.1 MQ0.1 Zn0.1 Fe Cr Ni1.63.2 Li0.40.8 Co1.6 AI2040 Zr 507.6 1015.2 246 0.2 100 123 124 6.4 0.3 1522.8 1.0 Konsentrasi (DDm) 55
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854-5561 Persia pan Larutan Contoh Larutan contoh uji yang dibuat terdiri dari paduan U-Zr 2%, paduan U-Zr 6%, paduan U- Zr 10% dan paduan U-Zr 14%. Masing masing contoh uji dipotong dan di timbang sebanyak 1,0 gram kemudian dilarutkan dengan 2 ml HF dan diuapkan, lalu di dinginkan, tambahkan 10 ml HN03 3 M, dipanaskan kembali sampai kisat, larutan yang terjadi diencerkan dengan HN03 3 M dalam labu ukur 25 ml dan ditepatkan hingga tanda batas dengan air bebas mineral. Langkah selanjutnya masing-masing larutan di pipet 25 ml dan diektraksi dengan 25 ml TBP:Hexan dalam perbandingan 7:3 untuk memisahkan unsur pengotor dari uraniumnya, campuran kedua fasa didiamkan selama 5 menit sehingga fasa air dan fasa organik terpisah dengan baik sedangkan fasa airnya dianalisis menggunakan alat SSA. Ekstraksi ini diulang dua kali. Persia pan larutan blanko Dibuat larutan blanko dengan menggunakan pereaksi yang sama dengan persiapan seperti terhadap larutan contoh. Pengukuran dengan SSA - Ke dalam nyala dialirkan air dan penunjukan alat ukur dibuat nol - Setelah itu ke dalam nyala berturut-turut dialirkan larutan standar dari unsur yang dianalisis mulai dari konsentrasi yang terkecil. - Dicatat absorbansi dari setiap larutan standar. - Kemudian larutan contoh dialirkan ke dalam nyala, dan dicatat nilai absorbansi dari unsur yang dianalisis. - Kemudian dihitung konsentrasi cuplikan yang ada dalam larutan dengan menggunakan regresi linear. HASIL DAN PEMBAHASAN Tabel 2. Data hasil pengukuran absorbansi kandungan unsur-unsur pengotor dalam larutan standar No. Unsur MnKonsentrasi MgKonsentrasi CdKonsentrasi CuKonsentrasi ZnKonsentrasi FeKonsentrasi CrKonsentrasi Ni Li 0.016 3.26.4 2 4 0.20.3 0.045 0.023 0.20.4 24 0.078 0.81.0 0.035 0.007 0.046 0.022 0.134 0.059 0.048 0.037 0.012 63 0.09 0.015 0.016 0.005 0.041 0.024 0.012 0.4 0.1 1.6 Konsentrasi 2 1 dan Absorbansi standar 56
ISSN 0854-5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 10. CoKonsentrasi AI ZrKonsentrasi 1015.2 3.26.4 0.023 40100 0.037 0.186 0.036 0.085 1522.80.075 0.29 0.015 0.019 507.6 1.6 20 (2%) Tabel 3. Absorbansi masing-masing sam pel No. -0.008 Unsur 0.004 Mn 0.017 Cd Mg Cu 0.011 Zn Fe Cr (10 Co Ni Li Zr -0.007 AI (14 0.023 0.045 0.049-0.009-0.005-0.006 0.018 0.021 0.002 0.025 0.036 0.012 0.027 0.028 0.001-0.004 (6 0.022 0.097 0.008 0.033 0.017 0.013-0.003 0.019 %) Absorbansi sampel Dengan menginterpolasikan absorbansi cuplikan ke dalam kurva kalibrasi hubungan antara konsentrasi larutan standar terhadap absorbansi dari larutan contoh, maka konsentrasi dari unsur Zr yang terdeteksi dapat dketahui. Pada Gambar 1 ditampilkan kurva interpolasi unsur Zr I Q3 Q~ Q2 io 0,15 graflk hubungan absorbansl vs konsentrasi unsur Zr y = o,ooox _ 0,023 R"= 0,999 i 0.' 0,00 o 500 konsentrasl 1000 1500 2000 Gambar 1. Grafik hubungan absorbansi vs konsentrasi unsur Zr 57
Hasil-hasH Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854-5561 Dengan menginterpolasikan absorbansi unsur Zr ke kurva kalibrasi maka diperoleh onsentrasi Zr dalam larutan tersebut sebesar 513.5 ppm, selanjutnya dengan menggunakan rumus pada persamaan (4) didapat : (513.5 I-Ig/mL)(50 ml) Kadar Zr (%) = ---------------- 100% 1.3005 9 = 1.974% % Tabel 4. Data hash uji unsur Zr dalam paduan U-Zr dan kandungan Uranium dalam logam U Yang direncanakan Kandungan 99,64 5.868 10.523 13.974 1.974 % Hasil U uji dalam U Logam 6% 14 % 119.145 23.31 456.555 70.26 Unsur 10.523 6105.454 20.508 236.76 24.662 108.883 113.367 5.885 340.988 21.648 18.209 5.868 13.974 <LD 24.296 110.976 538.744 395.803 21.4 18.980 17.797 6.921 Mn< 5.24 Ca20 7.871 27.655 Cu Zn Cd< Mg 14.256 20.767 15.121 24.352 Fe Cr Ni 18.55 10.0 Co Zr600 1.974 36.45 137.25 AI10 8.471 25.4 ±2 ± ±5 100 % 30 LD 75 Tabel5. HasH analisis paduan U-Zr dan pengotor Sertifikat HasH analisis (ppm) KESIMPULAN Dari hash analisis Uranium-Zirkonium hash peleburan seperti terlihat pad a tabel 1. terdapat penyimpangan untuk contoh yang direncanakan 2% hash uji sebesar 1.9861 %, untuk contoh yang direncanakan 6% hasil uji sebesar 5.868%, untuk contoh yang direncanakan 10% hash uji sebesar 10.523%, untuk contoh yang direncanakan 14% hash uji sebesar 13.974%. bhadilihat hash diatas maka 58