Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854-5561 ANALISIS KANDVNGAN PENGOTOR DALAM PELET VOz SINTER Asminar ABSTRAK ANALISIS KANDUNGAN PENGOTOR DALAM PELET U02 SINTER. Telah dilakukan analisis pengotor dalam pelet U02 sinter (Ciren, Candu, PWR) menggunakan alat Spektrofotometer Serapan Atom. Untuk mendapatkan suatu pelet uranium oksida sinter yang mempunyai tingkat kemurnian tinggi, harus melalui proses pengujian kendali kualitas yang ketat, salah satu dari analisis tersebut adalah untuk mengetahui unsurunsur pengotor yang terkandung dalam pelet U02 sinter. Sam pel pelet U02 sinter dianalisis dalam fasa air dengan media asam nitrat. Uranium yang merupakan unsur mayor dalam larutan harus dipisahkan terlebih dahulu dari unsur-unsur pengotor yang menyertainya. Pemisahan dilakukan dengan ekstraksi pelarut menggunakan Tri Butil Pospat - Hexan (TBP-Hexan) sebagai ekstraktor. Dari hash analisis pelet U02 sinter diperoleh kandungan pengotor dalam uranium Oksida pelet sinter untuk unsur Cd, Cu, Mn, Si, Ni tidak terdeteksi atau dibawah limit deteksi alat. Sedangkan untuk unsur AI, Cr, Ca, Mo, Mg dan Fe tidak melebihi dari persyaratan yang ditetapkan sebagai bahan bakar nuklir Kata kunci : Pelet U02 sinter, analisis, pengotor, ekstraksi. PENDAHULUAN Salah satu aspek penting dalam rangka pemenuhan kebutuhan energi dimasa yang akan datang, SATAN telah menyusun program jangka panjang yaitu pembangunan PLTN tahun 2016 dengan jenis reaktor PWR (Pressurized Water Reactor). Untuk maksud tersebut penguasaan teknologi pengolahan bahan bakar dan fabrikasi elemen bakar nuklir sangat diperlukan. Dengan adanya fasilitas Bidang Bahan Bakar Nuklir yang dapat digunakan untuk mengolah dan membuat bahan bakar untuk reaktor daya serta melakukan pengembangan teknologi fabrikasi elemen bakar nuklir. Ada beberapa sistem proses dalam memproduksi elemen bakar nuklir, yaitu sistem pemurnian dan konversi bahan bakar, serta sistem fabrikasi elemen bakar. Sistem pemurnian dan konversi mampu memurnikan konsentrat uranium alam (yellow cake) sebagai bahan baku dan mengubahnya menjadi pelet U02 sinter murni berderajat nuklir. Untuk mengetahui tingkat kemurnian pelet U02 sinter berderajat nuklir, perlu dilakukan analisis unsur-unsur pengotor dalam bahan bakar nuklir. Meskipun serbuk ini masih mengandung unsur-unsur pengotor tetapi konsentrasi dari unsur-unsur tersebut harus sesuai dengan spesifikasi yang telah ditentukan untuk pembuatan bahan bakar suatu reaktor nuklir. Kandungan unsur-unsur pengotor di dalam pelet U02 sinter yang dijinkan/sesuai dengan spesifikasi untuk pembuatan bahan bakar suatu reaktor nuklir daya dapat dilihat pada tabei1.(1) 13
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854-5561 Tabel 1. Spesifikasi kandungan unsur-unsur pengotor di dalam pelet U02 sinter yang digunakan untuk pembuatan bahan bakar reaktor nuklir daya.(1) m) No. Kadar Unsur 16.N80 14. 17.Pb60 19.Sn50 12. 13. 15. 11. Ca50 Cd Co75 Cu20 Fe100 18Si AI50 Cr Ni CI15 20V100 Gd Mg50 Mn10 Mo50 0,15 Dy 30 F10 0,2 No 0,5 (ppm) Unsur-unsur pengotor yang menyertai bahan nuklir antara lain un sur: AI, Cu, Cd, Fe, Mn, Mg, Mo, Cr, Ni, Pb, dan Si. Adanya unsur-unsur pengotor yang melebihi dari spesifikasi yang telah ditentukan dapat menurunkan kualitas dari bahan bakar nuklir tersebut. Sebagai contoh unsur Cd mempunyai tam pang 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 sera pan 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 pad a panjang gelom bang yang spesifik dan karakteristik untuk tiap unsur(2). 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.(2). Hubungan serapan dengan konsentrasi atom dirumuskan dalam hukum Lambert Beer yaitu : Log lollt = A (1) A = a m.b.c (2) dengan 10 = Intensitas mula-mula It = Intensitas sinar yang diteruskan 14
ISSN 0854-5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 am = koefisien sinar yang diteruskan a = absorbansi b = panjang burner (medium yang dilewati radiasi resonansi) c = kepetan atom-atom yang mengabsorbsi Karena a dan b merupakan suatu yang tetap, maka serapan contoh dapat langsung dibandingkan dengan serapan larutan standar yang telah diketahui konsentrasinya dengan membuat grafik antara konsentrasi dan absorbansi. Besarnya kandungan unsur dapat diketahui dari grafik hubungan antara konsentrasi unsur dengan absorbansi yang di hasilkan oleh unsur tersebut dengan menggunakan persamaan linear dibawah ini. Dengan : y = ax + b (3) y = intensitas larutan a b x = slope y/x = intercept = konsentrasi Pembuatan kurva kalibrasi larutan standar dilakukan dengan mengukur intensitas standar pada setiap konsentrasi yang berbeda dan besarnya tingkat ketelitian pengukuran yang lebih tinggi dapat dilihat dari nilai koefisien linier regresi yang mendekati 100 % atau 1. Kemudian dengan menginterpolasikan absorbansi yang diperoleh dari pengukuran unsur logam dalam cuplikan dapat diketahui. Kadar dari masing-masing unsur pengotor dalam cuplikan dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : Kadar unsur = A x V I-Ig/g (2) Dengan : B A = konsentrasi (hasil interpolasi dari kurva kalibrasi) V = Volume labu untuk pengenceran contoh (ml) B = Berat cuplikan (g) LANGKAH KERJA Bahan yang digunakan : Sebagai bahan standar untuk pembuatan kurva kalibrasi digunakan larutan standar buatan Merck dari unsur-unsur AI, Ca, Cd, Cu, Cr, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni dan Si. Untuk melarutkan sample digunakan larutan asam nitrat pekat dan sebagai pelarut digunakan air bebas mineral. Untuk memisahkan uranium dari pengotornya digunakan campuran TBP-Heksan 7:3. Peralatan yang digunakan : Sebagai alat ukur analisis digunakan Seperangkat alat spektrometri serapan atom,untuk ekstraksi digunakan corong pemisah, dan alat-alat gelas digunakan untuk preparasi sam pel, untuk menimbang dan memanaskan sam pel digunakan timbangan analitik dan pemanas listrik 15
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854-5561 Cara kerja : A. Preparasi larutan standar Larutan standar dibuat dengan mengencerkan larutan standar Titrisol buatan Merck dari masing-masing unsur yang akan dianalisis. Volume pengenceran dihitung menggunkan rumus pengenceran V1.N1 = V2.N2. sehingga diperoleh konsentrasi larutan standart yang diinginkan. Seperti pad a Tabel1 dibawah ini. Tabel1. Konsentrasi larutan standar unsur-unsur No. Unsur Cd0,1 Mo Mn0,81,6 Ca0,51.0 Mg0,2 Cu Fe Cr0,40,6 Si50 AI2040 Ni0,81,6 100 150 60 3,2 1,5 246 30 124 Konsentrasi larutan standar B. Preparasi larutan sample Larutan sampel dibuat dengan menimbang 1 gram pelet U02 sinter kemudian dimasukkan ke dalam gelas piala dilarutkan dengan 10 ml HN03 pekat. Kemudian dipanaskan diatas pemanas listrik sampai kering. Keringan ditambah 10 ml HN03 3 M diuapkan sampai kering. Setelah dingin ditambah 10 ml HN03 3 M larutan dipindahkan ke dalam labu ukur 25 ml ditepatkan hingga tanda batas dengan HN03 3 M Larutan diekstraksi dengan 25 ml campuran TBP-Hexan selama 5 menit, kemudian di diamkan selama 5 menit sampai fasa air dan fasa organik terpisah. Fase organik dipisahkan dari fase airnya, ekstraksi diulangi dua kali. Fasa air hasil ekstraksi siap dianalisa unsur pengotornya dengan alat SSA C. Preparasi larutan blanko Dipipet sebanyak 20 ml HN03 dimasukkan kedalam gelas piala. Kemudian dipanaskan diatas pemanas listrik sampai kering. Keringan ditambah 10 ml HN03 3 M diuapkan sampai kering. Ditambah 10 ml HN03 3 M lalu didinginkan. Larutan dipindahkan ke dalam labu ukur 25 ml ditepatkan hingga tanda batas dengan HN03 3 M Larutan diekstraksi dengan 25 ml campuran TBP-Hexan selama 5 men it, fase organik dipisahkan dari fase airnya, ekstraksi diulangi dua kali. Fasa air hasil ekstraksi siap dianalisis dengan menggunakan alat SSA 16
ISSN 0854-5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 Pengukuran absorbansi larutan standar dan larutan sam pel Pengukuran absorbansi larutan standar dan sam pel dilakukan dengan mengukur absorbansi masing-masing larutan yang telah disiapkan. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk mendapatkan suatu pelet uranium oksida sinter yang mempunyai tingkat kemurnian tinggi, harus melalui proses pengujian kendali kualitas yang ketat, salah satu dari analisis tersebut adalah untuk mengetahui unsur-unsur pengotor yang terkandung dalam pelet U02 sinter. Dari hasil analisis diperoleh data absorbansi untuk masing-masing konsentrasi unsur dalam larutan standar dan absorbansi sam pel terlihat pad a Tabel 2. Tabel 2. Data hasil pengukuran absorbansi larutan standar No. AI Cd Ni Cu Cr Ca Mo Si Fe Mg Mn Unsur 2/0.013 0.2/0.017 0.8/0.0.02 0.8/0.019 0.1/0.014 0.4 0.5/0.014 10/0.027 50/0.015 120/0.132 Candu 0.007 0.032 0.049-0.003 Konsentrasi 0.009-0.005 0.048-0.006 0.001 0.028 0.046 PWR 0.042 2/0.025 30/0.09 0.6 0.2/0.023 40/0.3 1.0/0.028 100/0.021-0.007 1.6/0.033 0.045 3.2/0.057 0.031 0.4/0.037 4/0.051 1.5 60/0.179 150/0.026-0.002-0.004 6 / 0.003 / 0.009 0.043 /0.017 /0.029 / / 0.034 0.022 0.069 0.074 0.683 larutan Ciren standar (ppm) / Absorbansi sam pel Dengan menginterpolasikan absorbansi cuplikan ke dalam kurva kalibrasi hubungan antara konsentrasi larutan standar terhadap absorbansi dari larutan contoh, maka masing-masing konsentrasi dari unsur-unsur yang terdeteksi dapat diketahui. Pada gambar 1 ditampilkan contoh kurva interpolasi unsur Cu. 0.06 0.04 0.02 o Kurva kalibrasi unsur Cu y = 0.0126x + 0.0005 R2 = 0.9999 o 1 2 3 4 5 Konsentrasi Gambar 1. Contoh kurva kalibrasi hubungan antara konsentrasi terhadap absorbansi 17
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854-5561 Untuk mencari konsentrasi unsur dalam cuplikan digunakan persamaan (2). Sebagai contoh dengan cara menginterpolasikan absorbansi unsur Cr (absorbansi Cr = 0.01 ) ke kurva kalibrasi maka diperoleh konsentrasi Cr dalam larutan cuplikan sebesar 0.0149 j.lg/ml, kemudian dengan menggunakan persamaan (3) didapatkan Kadar Cr (ppm) = (0.0149 UQ/ml)(25 ml) 1.0219g = 0.364 j.lg/g Dengan cara perhitungan yang sama dapat dicari kandungan unsur-unsur pengotor dalam cuplikan pelet U02 sinter seperti pada Tabel 3 berikut: si Tabel 3. Data Hasil Analisis unsur Pengotor dalam pelet U02 Sinter AI Cd Cr Si Ni Ca Cu Fe Mg Mn Mo Unsur 8.1830±0.0135 0.2290±0.001 Ttd 0.9009±0.0135 23.02±0.0017 11.2051±0.006 5.765±0.134 Sertifikat < 0.0169 15 0.0031 Analisis Detek 2< Limit 10 «LD) 1ppm 5 Hasil Analisis Ciren ppm 22.05±0.0017 50 PWR dokumen 1.514±0.0135 60 Ttd 0.363±0.001 6.6053±0.134 0.897±0.0135 11.197±0.006 100 25 4 7.8515±0.006 23.32±0.0017 Candu Ttd 0.1411±0.001 7.1405±0.134 0.8894±0.0135 1.436±0.0135 ppm «LD) Syarat KESIMPULAN HasH analisis kandungan pengotor dalam uranium Oksida pelet sinter untuk unsur Cd, Cu, Mn, Si, Ni tidak terdeteksi atau dibawah limit deteksi alat. Sedangkan untuk unsur AI, Cr, Ca, Mo, Mg dan Fe tidak melebihi dari persyaratan yang ditetapkan sebagai bahan bakar nuklir DAFT AR PUST AKA [1] HERU SASONGKO, " Petunjuk Pelaksanaan kendali Mutu Laboratorium Fabrikasi Bahan bakar", Elemen Bakar eksperimental, PEBN, PIN-BATAN, Serpong. [2] ASMINAR, dan TOROWATI, "Analisis Pen gator Hasil Pelarutan Gagalan Pelat Elemen Bakar U3Si2-AI", Prosiding Seiar Pengelolaan Perangkat Nuklir PTBN-Batan, Serpong 11 September 2007. ISSN 1978-9858 [3] Manual operasi varian, model M1475 series, Atomic Absoption Spectrometer. [4] SIGIT, Laporan Teknis,"Kajian Pembuatan Bahan Bakar DUPIC", BADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL, PUSAT TEKNOLOGI BAHAN BAKAR NUKLlR, Kawasan Puspiptek Serpong Tahun 2006. 18