PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusal Teknologi Aksleralor dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
ALTERNATIF PENGENDALIAN KENAIKAN KANDUNGAN SILIKON DALAM AIR PENDING IN REAKTOR KARTINI Sumijanto Pusat Teknologi Reaktor Dan keselamatan Nuklir- BATAN
ABSTRAK AL TERNA TIF PENGENDALIAN KENAIKAN KANDUNGAN SILIKON DALAM AIR PENDINGIN REAKTOR KARTINI. Telah diajukan altematif pengendalian kenaikan konsentrasi silikon dalam air tangki reaktor Kartini. Pengendalian dilakukan melalui upaya perbaikan sistem pemumian air dan pengurangan debu masuk kolam. Dari hasil observasi temyata kandungan silikon dalam cadangan air yang dihasilkan dari sistem purffikasi cukup tinggi yaitu berkisar antar 20 hingga 30 ppm Si. Sistem pemumian air yang telah tersedia adalah sistem double bed resin, terdiri dari dua kolom resin yaitu resin penukar kation dan resin penukar anion. Resin yang digunakan adalah jenis IRN 50. Masing-masing kolom resin tersebut terbuat dari bahan paralon berdiameter 15 cm (6 inchi) dan panjang 200 cm. Pada masing-masing kolom diisi resin terkait setinggi 170 cm. Kapasitas produksi air bebas mineral adalah 1000 liter 8 jam dengan konduktivitas listrik lebih kecil dari 1,0 j.lSlcm. Upaya pengembangan harus dilakukan dengan menambah satu kolom mix bed resin dengan dimensi kolom yang sama dan diisi dengan campuran resin penukar kation' dan resin penukar anion jeni::; IRN 50 pada komposisi satu banding satu. Dari analisis silikon dalam debu yang disampling di daerah sekitar teras reaktor Kartini menunjukan bahwa debu mengandung silikon berkisar 500 hingga 1000 ppm Si. Debu tersebut mempunyai kontribusi yang signifikan terhadap kenaikan silikon dalam air tangki reaktor Kartini. Oleh karenanya selain pengembangan sistem purifikasi tersebut, untuk dapat menjamin rendahnya kandungan silikon dalam air tangki reaktor maka altematif langkah yang pertu ditempuh adalah mengurangi masuknya debu kedalam air tangki reator dengan cara memperbaiki sistem ventilasi. Kata kunci : Kimia air tangki reaktor, silikon, sistem purifikasi, debu.
I
ABSTRACT AN AL TERNA T1VE CONTROL OF RISING SILICON CONTENT IN WA TER COOLING OF KARTINI REACTOR. An altemative control of the rising silicon content in water cooling of Kartini reactor has been done. Controling was done by improving the water purification system and reducing the dirt entries to the reactor pool. From the observation, its found that the silicon content in water which produced by the purification system is high enough, that is between 20 to 30 ppm. The avaailable purification system is double bed resin system, the system consisting of cation exchange resin and anion exchange resin columns. Resin used in the system is IRN 50 type. Each resin column is made from PVC materials, which has 15 cm of diameter and 200 em of length. Each column is fiffed by the resin with 170 cm of height. Water production capacity is 1000 litre per 8 hours with electrics conductivity is less than 1.0 j.lS/cm. The development has been done by adding one column of mix bed resin with the same column dimension and fiffed with mixture of cation and anion resin exchange of IRN 50 type with 111 composition. Dirt analysis of the sampling from area around reactor core shows that the silicon content varies from 500 to 1000 ppm. The contribution of dirt is significant to increase the silicon contain in the reactor coolant. Cosequentfy, an altemative measure is required to guarantee the silicon contain in the coolant, that is improving ventilation system. Keywords: Water chemistry of reactor, silicon, purification system, dirt.
Sumijanto
ISSN 1410 - 8178
PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan Yogyakarta,
28 Agustus 2008
PENDAHULUAN
Kenaikan primer
konsentrasi silikon dalam reaktor Kartini naik pendingin melebihi persyaratan dalam Laporan Analisis Keselamatan (LAK) sehingga perlu mendapat perhatian khusus. Data analisis kimia secara berkala menunjukkan bahwa lonjakan konsentrasi silikon dalam pendingin reaktor mencapai 16 ppm Si. Akibat yang mungkin timbul dari keadaan ini adalah terbentuknya endapan senyawa SiOz yang dapat menyebabkan penurunan efisiensi pertukaran panas serta meningkatnya laju korosi pada logam aluminium yang dipakai sebagai bahan dinding tangki reaktor karena adanya stimulasi reaksi anodik [II. Sistem pemumian dengan resin penukar ion yang berfungsi untuk mengatur kondisi kimia air pendingin tidak mampu mengontrol kandungan silikon. Pola penukaran senyawa silika oleh resin dan kapasitas tukar resin serta adanya debu disekitar reaktor mempunyai potensi besar sebagai penyebab kenaikan konsentrasi silikon dalam pendingin reaktor. Untuk mengendalikan kenaikan konsentrasi silikon dalam pendingin tersebut maka disamping sistem pemumian yang telah ada perlu ditambahkan altematif pengendalian yang efektif untuk dapat menekan kenaikan silikon. Oleh karenanya perlu dicarai langkah tindak altematif untuk mencegah kenaikan silikon dalam pendingin primer reaktor Kartini . Tahapan yang ditempuh untuk menentukan altematif diawali dengan penelusuran penyebab kenaikan silikon dalam air pendingin yang dilakukan melalui analisis kandungan silikat dalam air dan debu disekitar reaktor. Data analisis ini selanjutnya dapat digunakan sebagai bahan pertimbangan untuk menentukan langkah altematif. Dalam penenelitian ini dilakukan observasi terhadap cuplikan udara di sekitar tangki reaktor dan cuplikan air pendingin reaktor dengan analisis kimia. Hasil analisis akan digunakan untuk menyusun langkah tindak yang memadai untuk mengendalikan kandungan silikon dalam air pendingin reaktir Kartini.
TINJAUAN PUSTAKA Air yang digunakan sebagai pendingin primer dan mengisi tangki Reaktor Kartini adalah air mumi yang dihasilkan dari sebuah instalasi pembuat air bebas mineral. Instalasi ini menghasilkan air bebas mineral dengan cara penukaran ion, yaitu proses menghilangkan ion-ion pengotor dalam air dengan cara memindahkannya ke suatu materi pad at yang disebut resin penukar ion. Resin ini menerima ion-ion tersebut dan menukarnya dengan ion H+ atau OH' yang 2
tersimpan sebelumnya dalam rangkanya dengan jumlah yang ekivalen [zJ. Contoh reaksi penukaran kation: MgS04 + 2 H-Resin ~ HzS04 + Mg-Resin CaClz + 2 H-Resin ~ 2 HCI + Ca-Resin Contoh reaksi penukaran anion: HzS04 + 2 OH-Resin ~ 2 HzO + S04-Resin HCI + OH-Resin ~ HzO + CI-Resin Tingkat kemumian air yang tinggi diperlukan untuk menekan laju korosi dan paparan radiasi akibat teraktivasinya produk korosi atau pengotor di dalam air pendingin serta mencegah (scaling) terutama pada terbentuknya kerak permukaan penukar panas.
Resin Penukar Ion Pada umumnya resin penukar ion yang digunakan dalam proses pemumian air mempunyai struktur semacam rangka dengan banyak sisi aktif seperti pada Gambar I. Rangka tersebut bersifat plastis, tidak larut dalam air dan mengandung sejumlah besar sisi aktif berupa ion yang akan mengikat ion lain yang muatannya berlawanan.
(ii~) Q.~:J '\'/"y, 'N.~ /"--::{'~.... }"" (~):~"""" ..•... ~."' ~_0.-.
." /
..::::.::.";:;::::::::)
C':"') ,~ ,C•. ,
.••.••• .....
~'<)"\:":~'-.'E:.
'~~k' /::>:'::;::"
.
-«', N ••••••• . -~~. ..;! ',.~) .~:>.) /.C·
,.-~~-
/,,;p
"'" ...• /~
;1:.2qZ
..."JP /"(':.)/
~
"""~~~ \ .. ';i.. (;~}~/''i~'J .
"R):c
-"','
? /';..: ~.•• ).."'. ~~.~< .::(~/0:-:)"':',_ :~i:~;~:.,;4:, . 'C"~~)""""":O.'::;77(~"f~ ..'.;J".·.""""~" .\(.N~) ./ Q/ .. /"~':-'.:/b'::::''';:'~/
c·;· ..····>/ "
I(,'"
.'1-;'.
NO>'
....
/
/E;" '~~
.....
:J .,'
"",",
,,(~.:) q{., ::.'"",~. ",J" "-'::«~_,SI~'''/: .<:~.)/ fJ"')
,
,~~.: ..... <
'.'::~
'~y
(;;)
Gambar
I. Model skematik resin penukar kation.
Dalam gambar ini sisi aktif resin mengikat kation natrium seperti sekumpulan buah anggur pada tangkai pohonnya. Resin penukar ion mempunyai kapasitas yang terbatas untuk menyimpan ion dalam rangkanya yang disebut sebagai kapasitas tukar. Setelah digunakan, pada akhimya resin tersebut akan jenuh dengan ion pengotor. Karena itu setelah digunakan selama waktu tertentu, resin harus dicuci dengan larutan regeneran yang kuat yang mengandung ion yang dikehendaki. Cara ini akan menggantikan ion-ion pengotor dengan ion yang dikehendaki dan mengembalikan material resin ke bentuk yang dapat digunakan kembali. Operasi terse but adalah suatu siklus proses kimia. Siklus yang penuh biasanya terdiri atas backwashing, regenerasi, pembilasan dan service.
ISSN 1410 - 8178
Sumijanto
PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akslerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 Pengelolaan Air Tangki Reaktor Kartini Diagram alir proses pembuatan air bebas mineral di Reaktor Kartini ditunjukkan pada Gambar 2.
hingga diperoleh produk air dengan konduktivitas lebih keeil dari 0,5 ~S/em. Kualitas air bebas mineral ini hanya dilihat dari dua parameter yakni konduktivitas listrik dan pH (derajat keasaman). Konduktivitas listrik air harus kurang dari 0,5 ~S/em dan pH berada dalam rentang 5,5 sampai dengan 6,5. Kandungan unsur kelumit dalam air tidak dilakukan pengukuran. Selanjutnya air bebas mineral ini digunakan sebagai air tangki reaktor Kartini2).
Sifat-Sifat Silikon dan Senyawanya Silikon merupakan un sur kedua terbanyak dalam kulit bumi. Unsur ini terdapat dalam bentuk silika (Si02) dan mineral silikat. Silikat adalah mineral yang paling melimpah di kulit bumi. Nomor atom silikon adalah 14 dengan konfigurasi elektron Si : 2 - 8 - 4. Tingkat oksidasi tertittggi unsur silikon adalah +4. Sebagai unsur, silikon adalah reduktor yang sangat lemah sehingga hanya dapat berreaksi dengan oksidator kuat, misalnya klorin atau oksigen. Meskipun demikian, di alam silikon lebih sering terdapat dalam bentuk oksidanya dibanding sebagai unsur mumi, garam atau senyawaan lain.
Pendingin Sekmuler Gambar
2.
Diagram alir pembuatan air bebas mineral di Reaktor Kartini Y ogyakarta.
Air bebas mineral yang digunakan sebagai air tangki Reaktor Kartini dibuat dengan alat pemumi air merk KOTERMAN yang menggunakan dua kolom resin penukar ion, yaitu kolom resin penukar kation dan kolom resin penukar anion. Resin penukar kation dan penukar anion yang digunakan adalah jenis lRN 2000 dengan jumlah masing-masing 100 kg. Air yang diolah dalam sistem ini adalah air sumur (air tanah) di sekitar lokasi reaktor yang mempunyai konduktivitas sekitar 200 ~S/em. Kapasitas produksi sistem ini adalah 20 liter air be bas mineral per menit atau 1200 liter per jam. Untuk dapat digunakan sebagai air pendingin primer, produk air bebas mineral dari alat ini harus memiliki nilai konduktivitas kurang dari 0,5 ~S/em. Apabila tidak diperoleh hasil dengan kualitas tersebut maka air disirkulasi terus sehingga diperoleh konduktivitas yang diinginkan, yaitu maksimal 0,5 ~S/em. Jika tidak berhasil maka dilakukan regenerasi resin dengan menggunakan regeneran HCI 30 % untuk resin penukar kation dan NaOH 30 % untuk resin penukar anion, sedemikian
Si(s)
+2
Si(s)
+
CI2(g)
02(g)
-+
-+
(1)
SiCI4(Q
(2)
Si02(s)
Dari tinjauan sifat logam, pada sistem periodik unsur-unsur dari kiri ke kanan sifat logam makin berkurang. Tabel I menggolongkan un surun sur peri ode ketiga berdasarkan sifat logamnya. Di antara unsur-unsur pacta peri ode ketiga tersebut, silikon tergolong metaloid dan bersifat semikonduktor. Silikon di dalam air terdapat dalam bentuk senyawa ortosilikat. Senyawa ini mempunyai rumus H4Si04 atau juga ditulis sebagai Si(OH)4. Hidroksida ini adalah basa yang lemah sesuai urutan pada periode ketiga sistem periodik. Gambar 3 menunjukkan bahwa dari Na ke CI sifat basa hidroksida unsur-unsur peri ode ketiga pada sistem periodik berkurang sedangkan sifat asamnya bertambah.
N a - Mg - Al- Si - P - S - Cl- Ar
••
Sifat basa hidrokslda melemah. Sifat asam menguat. Gambar
3. Perubahan
sifat asam-basa
unsur-unsur
peri ode ketiga
Tabel I. Pengelompokan sifat logam unsur-unsur peri ode ketiga pada sistem periodik. LOllam Metaloid Ar Si Kristal Kristallogam Gas kovalen Mulia raksasa Poliatom on logam keeuali CI (diatomik) dan P, AI SN dan Cl Monoatomik Unsur Na, Mg
Sumijanto
ISSN 1410 - 8178
3
PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta,
28 Agustus 2008
Hidroksida silikon, Si(OH)4, di samping sifat basanya lemah juga bersifat tidak stabil dan akan segera melepaskan molekul air sesuai dengan reaksi berikut: Si(OH)4 -+ SiO(OH)2 (atau HzSi03) + HzO
(3)
Sifat keasaman senyawa silikon berasal dari asam silikat (HzSiO) yang merupakan produk reaksi di atas. Asam ini juga sangat lemah dan tidak stabil sehingga mudah terurai menjadi SiOz dan HzO. Meskipun demikian, silikon juga dapat berwujud sebagai garam-garam silikat seperti NazSiO) dan CaSi03• HzSi03 -+ SiOz + HzO
Konsentrasi
(4)
silikon
di
dalam
air
biasa
dinyatakan dalam bentuk senyawa anhidrida asam di atas, yaitu silika (silikon dioksida, SiOz) yang praktis tidak larut dalam air. Senyawa silikon dapat diendapkan (mengendap) dari larutannya dalam bentuk anhidrida asam tersebut. Namun saat ini keberadaan silikon dalam air lebih sering dinyatakan sebagai unsur Si saja3). TAT A KERJA Pemilihan altematif pengendalian silikon dilakukan melalui pentahapan sebagai berikut : I. Analisis kandungan silikon dalam air urn pan pada sistem pemumian air bebas mineral. 2. Analisis kandungan silikon dalam air yang dihasilkan dari sistem pemumian. 3. Analisis kandungan silikon dalam air tangki reaktor. 4. Sampling debu dari udara disekitar teras dan analisis kandungan silikon dalam debu. 5. Analisis penyebab utama kenaikan kandungan silikon dalam air tangki reaktor dan upaya solusinya. 6. Penentuan altematifpengendalian silikon
HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil analisis silikon diperoleh : Kandungan silikon dalam air umpan pada sistem pemumian air bebas mineral berkisar 20 ppm Si. Kondisi kandungan silikat ini menunjukan kondisi normal dari air tanah, karena adanya pelarutan pasir silikat seeara alami. Kandunngan silikon dalam air yang dihasilkan dari sistem pemumian yang disimpan dalam tangki berkisar 30 ppm Si. Kandungan silikat dalam air hasil pemumian terlihat lebih besar dari kandungan silikat dalam air umpan. Hal ini dapat diindikasikan bahwa selama proses pemumian justru terjadi pelepasan silikat yang mulanya terikat pada resin dengan ikatan lemah dari gaya vandenvals dan dengan sentuhan aliran air umpan maka silikon menjadi lepas. Indikasi lainnya adalah 4
*~ ~
bahwa selama penyimpanan terjadi pemasukan debu silikat yang ada disekitar tangki, dan ini memang pada kenyataannya banyak sekali debu yang menempel pada dinding luar. Kondisi inilah yang perlu diantisipasi. Analisis kandungan silikon dalam air tangki reaktor dengan pengoperasian sistem purifikasi air tangki reaktor dalam waktu lama baru diperoleh kandungan silikon (Si) dibawah I ppm. Hal ini menunjukan bahwa pada dasamya sistem pemurnian air tangki reaktor Kartini mempunyai kemampuan yang terbatas sehingga diperlukan waktu yang eukup lama guna memperoleh kondisi silikat yang diinginkan. Peneapaian kondisi yang terlalu lama ini sangat tidak diharapkan. Selain hal tersebut, silikat dalam air pada umumnya berada dalam bentuk sistem koloida SiOz yang tidak dapat diikat seeara ionik oleh resin penukar ion. Turunnya kandungan silikat ini karena untuk sementara silikat terikat dalam resin dengan gaya adesi ataupun vander wals dimana pada suatu saat akan dapat lepas lagi dan masuk kedalam air produk pemumian. Inilah sebabnya kandungan silikat dalam dalam air tangki reaktor bertluktuasi seeara kontinu. Kandungan silikon dalam debu disekita! kolam antara 500 hingga 1000 ppm Si. Dari hasil analisis silikat dalam sam pel debu yang diambil disekitar kolam reaktor Kartini diketahui mengandung silikat eukup tinggi. Jika debu-debu ini tidak ditangani maka dapat masuk kedalam air tangki reaktor ataupun dalam tangki penyimpanan air hasil pemurnian yang pada akhimya akan meningkatkan kandungan silikat dalam air tangki reaktor. Sistem pemumian air yang tersedia di reaktor Kartini adalah sistem double bed resin yang terdiri dari dua kolom resin yaitu resin penukar kation dan resin penukar anion. Sistem ini adalah baru dibangun karena sistem pemurnian air lama (Kotherment) tidak dapat berfungsi. Resin yang digunakan adalah jenis IRN 50. Masing-masing kolom resin tersebut terbuat dari bahan paralon berdiameter IS em (6 inehi) dan panjang 200 em. Pada masing-masing kolom diisi resin terkait setinggi 170 em. Kapasitas produksi air be bas mineral diraneang 1000 liter / 8 jam dengan konduktivitas listrik lebih kecil dari 1,0 IlS/em. Tetapi dari hasil analisis kandungan silikon terhadap air yang dihasilkan menunjukkan hasil tinggi yaitu yaitu berkisar 20 hingga 30 ppm Si, sedangkan unsur-unsur lain telah memenuhi persyaratan yang diminta. Hal ini dimungkinkan karena ion silikat dalam air berbentuk anion HzSiOJ - yang sulit untuk ditangkap oleh resin, karena ion ini merupakan ion negatif komplek bermuatan tunggal dengan demensi besar sehingga sangat tidak
ISSN 1410 - 8178
Sumijanto
PENELITIAN
PROSIDING SEMINAR NASIONAL DAN PENGELOLAAN PERANGKAT
NUKLIR
Pusat Teknologi Akslerator don Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 UCAPAN
ini merupakan ion negatif komplek bermuatan tunggal dengan demensi besar sehingga sangat tidak selektif untuk diserap. Solusi dari permasalahan ini dapat dilakukan dengan memasang sistem mix bed yang harus dipasang setelah keluaran dari sistem pemurnian double bed. Dari analisis debu disekitar teras menunjukkan bahwa ternyata debu mengandung 500 hingga 1000 ppm Si. Dari indikasi ini debu mempunyai kontribusi yang besar terhadap kenaikan silikon dalam air tangki reaktor. Debudebu akan dapat masuk kedalam ruang reaktor dikarenakan adanya celah/lobang gedung reaktor yang tidak tertutup, atau seringnya pintu darurat dibuka. Maka altematif solusi dari permasalahan ini adalah perlunya memperbaiki sistem ventilasi serta menutup lubang / celah-celah digedung reaktor sedemikian sehingga udara yang masuk kedalam gedung hanya melalui sistem ventilasi yang telah dilengkapi dengan filter debu. Selain hal tersebut juga perlu diperhatikan bahwa hams tidak terlalu sering membuka pintu darurut. Dengan demikian maka debu dapat dibatasi untuk masuk kedalam ruang reaktor sehingga kandungan silikat dalam air tangki reaktor dapat dipertahankan sesuai dengan persyaratan.
KASIH
DAFT AR PUST AKA
1. FRANK N. KEMMER and JOHN MCCALLION (Nalco Chemical Company), "The NALCD Water Handbook", McGraw-Hill Book Company, New York. 2. WALTER LORCH, "Wa/er Quality", in Handbook of Water Purification (Editor: WaIter lorch), McGraw-Hill Book Company (UK) Limited, 1981. 3. ANONIM, Laporan Analisis Keselamatan reaktor Kartini Yogyakarta.
TANYAJAWAB Purwanto
KESIMPULAN
A
~ Apa pengaruh Si terhadap Reaktor Kartini?
Dari hasil observasi dan analisis kimia menunjukan bahwa penyebab utama kenaikan silikon dalam air tangki reaktor adalah tidak efektifnya sistem pemumian air yang tersedia serta banyaknya debu disekitar kolam yang dapat masuk kedalam air tangki reaktor. Altematif solusi dari permasalahan ini adalah perlu memperbaiki sistem ventilasi serta menutup lubang / celah-celah digedung reaktor serta membatasi pembukaan pintu darurat sedemikian sehingga udara yang masuk kedalam gedung hanya melalui sistem ventilasi saja.
Sumijanto
TERIMA
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Ir. Syarip dan Dr. Kris Tri Basuki beserta seluruh stafnya yang telah banyak membantu sehingga penelitian ini dapat berjalan dengan lancar.
ISSN
Sumijanto ~ Si adalah salah sa/u unsur pemben/uk kerak. sehingga apabi/a pada penukar panas (HE) /erjadi pengerakan akiba/ Si, maka akan mengganggu proses per/ukaran panas yang akiba/nya /erjadi peningka/an suhu pada air primer dan reak/or shut down, di samping i/u endapan Si juga akan memicu korosi pada s/ruktur/material reak/or
1410 - 8178
5
