HasH-hasH Penelitian EBN Tahun 2010
ISSN 0854 - 5561
UJI PASCA IRADIASI BAHAN BAKAR DAN BAHAN STRUKTUR PEMERIKSAAN METALOGRAFI BAHAN BAKAR URANIUM SILISIDA TINGKAT MUAT URANIUM (TMU) 4,8 GRAMjCM3 PRA IRADIASI
Nusin Samosir, Martoyo Usman Sujadi, Supardjo
ABSTRAK UJI PASCA IRADIASI BAHAN BAKAR DAN BAHAN STRUKTUR PEMERIKSMN METALOGRAFI BAHAN BAKAR URANIUM SILISIDA TINGKAT MUAT URANIUM (TMU) 4,8 GRAM/CM3 PRA IRADIASI. Uji pasca iradiasi Bahan Bakar Nuklir dan bahan strukturnya adalah mutlak dHakukan dalam pengembangan bahan bakar, untuk konfirmasi integritas dan unjuk kerja bahan bakar selama diiradiasi di reaktor, memverifikasi ketidak seuaian desain serta untuk memberikan data kepercayaan yang tinggi kepada pabrikator akan bahan bakar yang akan diproduksi. Dalam Penelitian ini dilakukan pemeriksaan struktur mikro dan uji kekerasan Bahan Bakar Uranium silida dengan tingkat muat uranium yang berbeda 2,9 g/cm3 - 5,2 g/cm3 dengan kelongsong AIMg2. Dan pemeriksaan struktur mikro dan uji kekerasan Bahan Bakar Uranium silida dengan tingkat muat uranium 4,8 g/cm3 dengan bahan kelongsong yang berbeda AIMg2 dan AIMgSi pra iradiasi sebagai persiapan pengujian bahan bakar pasca iradiasi . Dari hasil pemeriksaan struktur mikro dan uji kekerasan memperlihatkan bahwa bahan bakar Uranium silisida dengan kelongsong Almg2 dengan tingkat muat uranium 4,8 gram Icm3 hingga 5,2 gram/cm3 cenderung te~adi cacat dog born sedangkan dengan kelongsong AIMgSi hal ini tidak te~adi karena kekuatanlkekerasan lebih tinggi dari AIMg2. Persyaratan bahan bakar penting yang lainnya antara lain: sifat korosi, sifat termal akan dHaporkan dalam tulisan penelitan bersama dengan rekan lainnya. Kata Kunci : Bahan Bakar U3Si2-AI, Tingkat Muat Uranium, Kekerasan ,Kelongsong & AIMgSi
AIMg2
PENDAHULUAN Uji pasca iradiasi bahan bakar dan bahan struktur adalah salah satu Program utama Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir PTBN dalam mendukung tersedianya data base Agenda Riset Nasional (ARN) yaitu tersedianya data base science Technology dibidang energy Nuklir dalam rangka memenuhi jaringan listrik Jawa Madura dan Bali dan akan beroperasinya PLTN pertama dalam waktu yang tidak terlalu lama. Dalam penelitian sa at ini yang dilaporkan bukanlah hasil penelitian pasca iradiasi melainkan pengembangan dan persiapan uji pasca iradiasi untuk bahan bakar yang sedang dikembangkan yaitu bahan bakar uranium silisida dengan tingkat muat uranium tinggi (4,8 g/cm\ Karena usia peralatan dan sarana penunjang penelitian pasca iradiasi di hotcel yang tidak dapat berfungsi dengan baik yang walaupun dengan usaha dan dana untuk memperbaiki yang tidak sedikit namun hingga saat ini peralatan utama hotcell belum dapat dioperasikan untuk penelitian pasca iradiasi. Oleh karena itu laporan kami saat ini adalah Uji bahan bakar uranium silisida tingkat muat uranium tinggi pra iradiasi. Penelitian dan Pengembangan Bahan bakar yang lebih ekonomis dan lebih canggih terus dilakukan. Pusat Teknologi Dan Pengembangan Bahan Bakar Nuklir (PTBN) Batan sa at ini sedang mengembangkan bahan bakar tipe pelat dengan bahan bakar uranium silisida dengan tingkat muat
597
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010
ISSN 0854 - 5561
uranium 4,8 g/cm3 dan 5,2 g/cm3. Dalam proses pabrikasi bahan bakar uranium silisida, dengan semakin naiknya TMU kekerasan meat bahan bakar semakin meningkat. Konsekuensinya proses pabrikasi mengalami kesulitan dalam mendistribusikan dispersan( partikel U3Si2-AI) dalam pel at elemen bakar hingga mencapai ketebalan 1,3 mm dengan harapan dispersan relatif homogen agar tidak terjadi ketebalan kelongsong yang tidak memenuhi persyaratan. Untuk dapat memenuhi persyaratan dengan makin meningkatnya tingkat muat uranium yang lebih keras diperlukan bahan kelongsong yang lebih kuat/keras pula agar dapat mengimbangi proses pabrikasi hingga ketebalan pelat elemen bakar 1,3 mm. Dan Kelongsong paduan AIMgSi diharapkan dapat memenuhi seba~ai kelongsong bahan bakar uranium Silisida hingga tingkat muat uranium 4,8 gram dan 5,2 gram fcm .
BAHAN, ALAT DAN METODA PENELITIAN Bahan yang digunakan dalam penelitian ini, 5 pelat elemen bakar uranium silisida dengan Tingkat muat Uranium 2,9 - 5,2 gramfcm3 dengan bahan kelongsong AIMg dan buah pelat elemen bakar uranium silisida dengan Tingkat muat Uranium 4,8 gramfcm3 masing-masing dengan kelongsong AIMg2 dan AIMgSi. Alat yang digunakan Metoda Penelitian
Peralatan Metalografi, Mikroskop Optik dan alat uji kekerasan Vickers : Pemeriksaan Struktur mikro secara metalografi dan uji kekerasan dengan metoda vickers
Metoda penelitian dilakukan dengan cara pelat elemen bakar uranium silisida dengan berbagai TMU 2,9, 3,6. 4,2 dan 4,8 serta 5,2 grfcm3 dipotong dengan ukuran 10 x 15 mm , kemudian dilakukan proses persiapan metalografi yaitu pemotongan , mounting ,gerinda , poles dan etsa dengan reagen kimia untuk memunculkan truktur mikro serta dHakukan perekaman fotografi dengan perbesaran 50x dan 200x. Sam pel-sam pel yang telah di poles juga dHakukan uji kekerasan dengan cara vickers dengan menggunakan beban HV2(1,96 KN ASTM). HasH pemeriksaanmetalografi dan dengan hasH uji kekerasan dianalisis untuk sebagai data banding baik untuk bahan kelongsong yang akan dikembangkan maupun untuk data banding untuk uji pasca iradiasi yang akan datang.
HASIL DAN PEMBAHASAN HasH Pemeriksaan dan Uji kekerasan Bahan Bakar uranium silisida kelongsong AIMg2 dengan TMU yang berbeda dapat dilihat pada Gambar 1 sampai dengan Gambar 5 dan Kekersan dapat dilihat pad a tabel 1, sedangkan Gambar 6 sampai Gambar 9 adalah Mikrostruktur· Bahan Bakar uranium silisida dengan TMU 4,8 gfcm3 dengan bahan kelongsong paduan AIMg2 . Gambar 10 sampai dengan Gambar 11. Struktur mikro bahan bakar uranium silisida TMU 4,8 grfcm3 dengan bahan kelongsong paduan AIMgSi. 1. HasH Gambar truktur mikro Bahan Bakar uranium silisida dengan TMU 2,9- 5,2 gramfcm3
50 x Gambar 1. Struktur makro dan mikro U3Si2-AI TMU 2,9 gfcm3, 50 x dan 200x
598
ISSN 0854 - 5561
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010
200x Gambar 2. Struktur makro dan mikro U3Si2-AI TMU 3,6 g/cm3, 50 x dan 200x
50 x 1200x Gambar 3. Struktur makro dan mikro U3Si2-AI TMU 4,2 g/cm3, 50 x dan 200x
•....
~
50 x
Gambar 4. Struktur makro dan mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3, 50 x dan 200x dietsa
1200x Gambar 5. Struktur makro dan mikro U3Si2-AI TMU 5,2 g/cm3, 50 x dan 200x dietsa
599
M
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010 10 100 1953 5 5 13 0 5 5 55 35 0 0 3 2,5 2,5 2,5 2,9
q/cm3 6 q/cm3 g/cm3
ISSN 0854 - 5561
kananHVN 3 Kekerasan kiri HVN 50 3 Tabel1. Hasil ujisisiKekerasan kekerasan sisi bahan bakar uranium variasi TM U
2. Gambar mikrostruktur Bahan bakar Uranium Silisida kelongsong
sisi kiri Gambar 6. Sisi Dekat,
sisi kanan
Struktur mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3,
50 x, dietsa
tengah Struktur mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3,
sisi kanan 50x,
Sisi kiri
Gambar 8. Sisi Jauh, . Struktur
dengan
AIMg2 dengan TMU 4,8 g/cm3
tengah
sisi kiri Gambar 7. Tengah,
silisida
dietsa
sisi kana mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3,
600
50 x, dietsa
ISSN 0854 - 5561
Gambar
Hasil-hasil Penelitian ESN Tahun 2010
9. Mikrografi U3Si2-AI tingkat muat uranium 4,8 g/cm3 , dietsa 200x, posisi tengah tampak pada kelongsong jejak uji kekerasan mikro Tabel 1. Kekerasan
rerata d44,7 0dHV dirol HV Kondisi 0,28 0,29 44,1 47,3 38,6 0,31 Bahan N Uji Kekerasan
Kelong
ong PES U3Si2-AI - AIMg2
HV ASTM: Sisi Jauh (SJ) Vickers HV2 Sisi (F Tegah = 1,96 (c)N),
Posisi
Keteragan bawah)
: Masing masing 10 (sepuluh)
kali pegujian ( 5 kali kelongsong
601
atas, 5 kali kelongsong
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010
ISSN 0854 - 5561
3. Gambar struktur mikro bahan bakar uranium Silisida TMU 4,8 gram /cm3 kelongsong AIMgSi
I
Tengah
Gambar 11. Tenaah,
200x
Struktur mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3, 50x dan 200x,
602
dietsa
ISSN 0854 - 5561
Sisi kiri 200x
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010
I . - ..,,- ..
n
I Sisi kanan 200 x
Gambar 12 : Sisi Jauh, Struktur mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3, 50x dan 200x, dietsa
603
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010
ISSN 0854 - 5561
PEMBAHASAN Oari hasil pemeriksaan struktur mikro bahan bakar Uranium Silisida dengan TMU 2,9 hingga TMU 5,2 gr/cm3 memperlihatkan bahwa semakin tinggi tingkat muat uranium semakin berkurangnya ketebalan kelongsong khususnya di daerah terbentuknya caeat dogborn. Pada pelat elemen bakar(PEB) dengan TMU 2,9- 3,6 gram/em3 eaeat dog born belum terjadi seperti diperlihatkan pada Gambar 1 dan Gambar 2 . Pada ,PEB dengan TMU 4,2 , 4,8 dan 5,2 g/em3 eaeat dogborn mulai terjadi namun untuk TMU 4,2 g/em relatif masih dapat diterima . sedangkan untuk TMU 4,8 g/em3 dan 5,2 g/em3 eaeat dogborn sudah harus pertimbangkan teknik pabrikasinya agar eaeat dogborn ini jangan terjadi. Terjadinya eaeat dogborn ini adalah karena semakin tingginya kekerasan meat dengan semakin naiknya tingkat muat uranium di satu sisi dan berkurangnya kandungan AI matrik disisi lain yang mengakomodasi partkel meat U3Si2-AI saat dipabrikasi. Sementara ruang I volume tempat mengungkung meat ( AI dan partike U3S2-AI) tetap. Idealnya AI matrik dapat mengakomodasi partikel U3Si2 sa at dipabrikasi yaitu saat mengurangi ketebalan dari 75 em hingga ketebalan 1,3 mm dengan eara kombinasi rol panas dan dingin beberapa kali dengan arah rol yang bergantian. Jadi terjadinya eaeat dog born adalah kitidak mampuan matrik AI mengakomodasi partikel U3Si2 saat dipabrikasi sehingga keluar dari zona meat yang diinginkan ke zona kelongsong pengungkung karena kelongsong tidak mampu menahan meat tersebut . Pada Gambar 4 dan 5 Pelat elemen bakar denganTMU 4,8 dan 5,2 g/em3 tampak pad a daerah eaeat dog born yang ditunjukkan tanda panah akibat tidak mampunya matrik AI mengakomodasi partikel U3Si2 dan tampak juga adanya ukuran partikel U3Si2 yang agak kasar sehingga mengurangi kompatibel dengan matrik AI sa at proses pabrikasi (pengerolan). Oari hasil uji kekerasan Tabel 1. Menunjukkan semakin tinggi TMU Kelongsong PEB semakin tinggi kekerasanya yaitu mulai dari kekerasan 45 HVN untuk PEB dengan TMU 2,9 g/em hingga kekerasan 60 HVN untuk PEB dengan TMU 5,2 g/em3 . Terrjadi variasi kekerasan pada PEB dengan TMU 3,6 , 4,2 dan 4,8 g/em3 yaitu antara 49 HVN hingga 55 HVN hal ini kemungkinan disebabkan karena sam pel telah di etsa sebelum di uji kekerasannya. gram/cm3
Hasil pengamatan struktur mikro bahan bakar uranium silisida dengan TMU yang sama namunkelongsongnya berbeda yaitu AIMg2 dan ALMgSi Memperlihatkan bahwa struktur mikro PEB bahan bakar uranium silisida TMU 4,8 g/em3 kelongsong AIMg2 eenderung terjadinya eaeat dogborn dapat dilihat pada Gambar 6 sampai dengan Gambar 9. Sedangkan untuk PEB kelongsong AIMgSi eaeat dogborn tersebut tidak terjadi walaupun diperbesar hingga 200x seperti diperlihatkan Gambar 10 sampai dengan Gambar 12. 4,8g/em3,
Kelongsong AIMg2 dan AIMgSi yang diproses(dirol) sama pengerolan PEB hingga ketebalan 1,3 mm , kemudian diuji kekerasan
dengan
tahapan
proses
Kekerasan kelonsong AIMg2 diapat dilihat pada Tabel 2 mempunyai kekerasan antara 42-51 HVN dalam berbagai kondisi ketebalan ,dan yang paling keras adalah bahan raw ( bahan yang dijual dipasaran) hal ini terjadi karena pada proses akhir produksi dilakukan pengerjan dingin sebelum dipasarkan agar kekuatan lebih tinggi untuk menghindari perubahan bentuk dan dimensi dalam proses transportasi. Kelongsong AIMgSi mempunya kekerasan antara 65 - 115 HVN pada berbagai kondisi ketebalan dapat dilihat pada Tabel 3. Juga raw material mempunyai kekerasan yang paling tinggi yaitu 115 HVN . Oari hasil uji kekerasan ini memperlihatkan bahwa kekerasan kelongsong AIMgSi hampir dua kali kekerasan AIMg2 (115 : 65) ,dengan kekerasanl kekuatan AIMgSi dan dari hasil pemeriksaan struktur mikro PEB U3Si2-A dengan TMU 4,8 g/em3 ( Gambar 10 samapi Gambar 12) diharapkan akan lebih baik dan lebih kompatbel dengan bahan bakar uranium silisida.dengan tingkat muat yang lebih tinggi pada masa yang akan datang.
KESIMPULAN Oari hasil Pemeriksaan struktur mikro Bahan Bakar Uranium Silisida dengan tingkat muat Uranium dengan kelongsong AIMg2 dan AIMgSi dapat disimpulkan sebagai berikut :
4,8 gr/em3
1. Semakin Tinggi Tinggkat muat uranium kekerasab Bahan bakar semakin meningkat 2. Semakin tinggi TMU uranium 4,8 g/em3 semakin sukar untuk dipabrikasi dengan eenderung terbentuh eaeat dogborn.
604
ISSN 0854 - 5561
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010
3. Kekerasan kelongsong AIMgSi lebih tinggi dai pada kekerasan kelongsong AIMg2 yaitu masing-masing 115 dan 45 antara 110 -115 HV N dan 38 - 45 HVN Kelongsong Paduan AIMgsi diharapkan akan lebih baik dari kelongsong
paduan AIMg.
DAFT AR PUST AKA [1] SUPARDJO, Pelat Elemen Bakar U3Si2-AI Tingkat Muat Uranium 2,96g/cm3, Prosiding HasilHasil Penelitian EBN Tahun 2008 [2] MONDOLFO,LF," Aluminium Alloys, Structures And Properties, London 1976 [3] JOHN E. HATCH, Aluminium Properties and physical Metallurgy ASM, Metal Park, Ohio, 1983
605
