7'1 Prosiding PertellUlUn dan Presentasi llmiah
220
Buku II
PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995
PENGARUH TINGKAT MUAT URANIUM TERHADAP PROD UK PELAT ELEMEN BAKAR U3Siz-Al Supardjo, Sardjono, clan Boybul PEBN-BATAN. Kawasan Puspitek Serpong. Tangerang 15310
ABSTRAK PENGARUH TINGKAT MUAT URANIUM TERHADAP PROD UK PELAT ELEMEN BAKAR (PEB) U3Siz-AI. Percobaan pembuatan PEB dispersi U3Siz-AI dengan tingkat muat 3,6; 4,2; 4,8 don 5,2 gUlcm3 telah dilakukan. Setiap tingkat muat terdiri daTi duo buah PEB, difabrikasi dengan teknik "Picture and Frame". Pengujian terhadap PEB hasil fabrikasi meliputi uji merusak don tak merusak menunjukkan bahwa tidak terdapat adanya blister don titik putih ("white spots"), sedang dimensi zona bahan bakar cukup baik. Makin tinggi tingkat muat uranium, porositas di dalam PEB naik. Seluruh hasil uji menunjukkan bahwa PEB dengan tingkat muat 4,80 gU/cm3 tidak mengalami kegagalan,sedangkan untuk tingkat muat 5,2 gUlcm3 pada ujung PEB terdapat "dogboning" sehingga tebal kelongsong menjadi di bawah tebal minimumnya (,25 mm) menurut spesifikasi elemen bakar RSG-GAS
ABSTRACT THE EFFECT OF THE URANIUMLOADING ON THE[ ij3sii~1 FUEL PLATES The experi~ent ofproducing U3Si2-Alfuelplates with uraniumloadings3.60; ari;i(80; and 5.20 gU/cm3had been done. Each loading was made in twofuel platesJollowing thepicture andframe technique. Test of thefuel plates comprising destructive and non destructive testsshowed that there ware no blisters, white spots and those plates had good dimension offuel zone. Higher uranium loadings resulted higher porosity. All the tests showed thatfuel plates with the loadings 4.80gUlcm3no defect while the loading of5, 2 gU/cm3 there was dogboning in the end offuel plate thatgave the cladding thickness less then minimum (0.25 mm) according to the RSG-GAS fuel plate specification.
PENDAHULUAN
P
.
engembar.gan bahan bakar dispersi U3Siz-AI merupakan salah satu program penelitian clan pengembangan bahan bakar reaktor riser di dunia pacta lebih dari dua dasawarsa terakhir ini. Proses fabrikasi elemen bakar ripe pelat dengan bahan bakar dispersi UzSiz-AIhampir sarna dengan yang diterapkan untuk bahan bakar dispersi UAlx-AI(I), sehingga ketersediaan jalur produksi elemen bakar ripe pelat UAlx-AI di PEBN, fasilitas iradiasi di RSG, clan fasilitas pengujian bahan bakar pasca iradiasi di IRM akan sangat mendukung penelitian clan pengembangan elemen bakar ripe pelat UzSiz-AI.HasHpenelitian ini diharapkan pactasuatu saar nanti dapat memenuhi kebutuhan elemenbakar bagi RSG-GAS, ataupun reaktor sejenis lainnya.
TEORI DASAR Program RER TR (Reduced Enrichment Research and Test Reactor), yang diterapkan sejak
Supardjo dkk.
tahun 1978,mengupayakan pemakaian bahan bakar uranium dengan perkayaan sampai 20 % U-23S(l,Z).Pelaksanaan program RERTR telhadap teras reaktor untuk bahan bakar berperkayaan tinggi memberi implikasi bahwa pemakaian bahan bakar berperkayaan lebih rendah akan menurunkan reaktivitas teras reaktor. Untuk meningkatkan reaktivitas teras reaktor seperti pacta pemakaian bahan bakar perkayaan tinggi, maka pemuatan uranium dalam elemen bakar berperkayaan rendah barns ditingkatkan. Hal tersebut dapat dipenuhi dengan menggunakan paduan uranium yang berdensitas tinggi
(Z).
Hasil penelitian dari beberapa
negara peserta program RERTR menunjukkan bahwa paduan uranium yang paling sesuai untuk bahan bakar terse but adalah U3Siz, karena ia memiliki densitas uranium cukup tinggi clanjuga sifat-sifatnya sesuai dengan yang disyaratkan pacta bahan bakar nuklir. Paduan U3Sizmemiliki titik cair tinggi (l66S°C), tampang lintang absorpsi netron non fisil rendah, konduktivitas termal baik, kekuatan mekanik baik clankemudahan fabrikasi(5). Selain itu paduan U3Sizjuga tidak mengalami perubahan rasa dalam keadaan padat akibat
ISSN 0216-3128
Prosiding Pertel1luan dun Presentasi llmiah PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995
Buku II
perubahan suhu. Pemakaiaan paduan U3Shsebagai bahan bakar dispersi dapat mempertinggi tingkat muat uranium dalam daging PEB hingga 5,2 gU/cm3. Tingkat muat bahan bakar tersebut jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tingkat muat bahan bakar yang biasa digunakan untuk bahan bakar U3Og-AIclan UAlx-AI yang masing-masing memiliki tingkat muat uranium tertinggi hanya 3,2 clan 2,4 gU/cm3. Makin tinggi pemuatan uranium dalam bahan bakar maka reaktivitas lebih besar yang berdampak pacta umur pakai bahan bakar dalam reaktor dapat lebih lama serta kemungkinan pencapaian tingkat bahan yang lebih tinggi.
PROSEDUR PENELITIAN Pelaksanaan penelitian dikelompokan ke dalam dua bagian proses yaitu: 1. Pembuatan IEB daD PEB Inti Elemen Bakar dibuat dengan mencampur secara homogen antara serbuk U3Sh clan serbuk Al (matriks) dengan komposisi keduanya seperti ditunjukkan pacta Tabel 3.1. Campuran serbuk dipres pacta tekanan 180 bar sehingga terbentuk inti clemen bakar (IEB) clan selanjutnya disusun dalam bentuk paket rol seperti Gambar 3.1. Paket rol dipanaskan pactasuhu 4150 C kemudian dirol sehingga diperoleh pengurangan tebal dari 8,00 mm menjadi 1,65mill. Selanjutnya dilakukan pengerolan dingin untuk mengurangi tebal dari 1,65 menjadi 1,40 mill. Posisi daerah bahan bakar dilihat dengan penayangan sinar-X, yang sekaligus pembuatan patokan berupa lubang referensi pacta kedua ujungnya sebagai dasar pengerjaan lebih lanjut. 2. Pengujian Pengujian PEB meliputi uji blister secara visual (yang didahului dengan pemanasan), clan ultrasonik, pengukuran berat jenis clan porositas dengan metoda "Archimides", sedangkan bentuk clan dimensi zona bahan bakar (daging) clanadanya titik putih diamati dengan radiografi sinar-X. Pengukuran tebal kelongsong clandistribusi bahan bakar U3Sh di dalam daging dilakukan secara metalografi. Distribusi bahan bakar diamatimelalui mikroskopi optik, sedangkan tebal kelongsong diukur dengan mikrometer yang terpasang pacta meja obyek mikroskop optik tersebut.
221
Tabell. No
Komposisi serbuk U3Sb daD serbuk AI Kode
Tingkat muat Vol. serbuk
Vol. serbuk
PEB
gU/cm3
U3Si2
AI(%)
I
IDA9401
3,60
31,83
62,95
2
9405
3,60
31,83
62,95
3
IDA9402
4,20
37,14
56,84
4
9406
4,20
37,14
56.84
5
IDA9403
4,80
42,44
51,53
6
9407
4,80
42,44
51,53
7
IDA9404
5,20
45,98
48,00
8
9408
5,20
45,98
48,00
<> Pd"
l OOOmm
.
. d.
J15mm
tutup AIMg2
"ll EI""", BaJw UJSirAI
Pd"pi,...AIMg2
Pel"
tutup AL"g2
Paketrol (l
"
11__- ~
Gamhar 1. Susunan paket ral
ISSN 0216-3128
Supardjo dkk.
Prosiding
222
BllkuII
HASIL DAN PEMBAHASAN Bahan bakar dispersi U3Sh-AItingkat muat 3,6; 4,2; 4,8 clan 5,2 gU/em3 dibuat dengan meneampur seeara homogen serbuk U3Sh clan serbuk AI dengan komposisi seperti ditampilkan Tabel I. Perhitungan komposisi terse but berdasarkan atas volume IEB untuk clemen bakar RSG-GAS yaitu 19,23em3dengan mengasumsikan porositas akan sebesar 6%. Dari hasil pempresan pactatekanan 180 bar terhadap masing-masing tingkat muat diperoleh dimensi IEB yang eukup seragam dengan ukuran panjang 100 mm, lebar 60 mm clan tebal rerata 3,10 mm. Kenaikan tingkat muat uranium pacta volume tetap, berakibat pacta turunnya jumlah serbuk AI, sehingga seeara teoritis kekerasan IEB akan naik karena dominasi kekerasan U3Si2: ::t742 VHN (6,7)jauh lebih tinggi dari kekerasan aluminium sebesar::t 50 VHN. Masing-masing IEB disusun dalam bentuk paket rol bersama kelongsong berupa pelat AIMg2 seperti Gambar I, selanjutnya dirol panas clanreI dingin sampai diperoleh tebal pelat rerata ::t1,40 mm. Semua PEB basil perolan eukup baik, yaitu tidak terdapat eaeatlkeretakan pacta zona bahan bakar. Posisi zona bahan bakar dari masing-masing pelat diamati dengan bantuan tayangan sinar-X memperlihatkan bahwa dimensi zona bahan bakar masuk kedalam pola standar pelat clemen bakar RSG-GAS. Penayangan sinar-X, selain untuk melihat dimensi daerah bahan bakar, sekaligus untuk membuat lubang pacta kedua ujung pelat, sebagai patokan pengerjaan lebih lanjut. Dimensi PEB adalah : panjang 625,00 mill, lebar 70,75 mm, dengan posisi zona bahan bakar tepat simetrik di tengah-tengahnya. Selanjutnya PEB diuji seeara merusak clan tidak merusak. Uji visual clanultrasonik terhadap kedelapan PEB, tidak teramati adanya blister (Iepuhan) pactazona bahan bakar. Ini membuktikan bahwa ikatan antar logam dalam PEB hasil perolan eukup baik clan tidak terdapat udara/gas yang terjebak di dalamnya selama proses perolan berlangsung. Berat jenis PEB diukur dengan metoda "Arehimides" dalam media air bebas mineral, clan hasil pengukuran digunakan untuk menghitung volume porositasnya(9).Makin tinggi tingkat muat uranium, berat jenis clan volume porositas naik seperti ditunjukkan pactaTabel2 clanGambar 2. Persen porositas hasil pereobaan dari keempat tingkat muat, berkisar antara 4,90 s.d 9,33
Supardjo dkk.
Pertef1U1O1I dun Presentasi
PPNY-BATAN
Yogyakarta
25-27
Ilmiah
April 1995
%. Porositas hasil pereobaan masih memenuhi syarat untuk clemen bakar reaktor riset jenis pelat, yang menurut basil penelitian yang dilakukanANL berkisar antara 3,00 s.d 15,00 %. Tabel2.
No
Hubungan antara tingkat uranium daD berat jenis porositas.
moat serta
Kode
Tingkat moat
PEB
gU/cm3
g/cm3
(%)
1
IDA9401
3,60
3,61
4,90
2
9405
3,60
3,61
5,53
3
IDA9402
4,20
3,75
6,25
4
9406
4,20
3,76
6,95
5
IDA9403
4,80
3,89
7,90
6
9407
4,80
3,90
8,66
7
IDA9404
5,20
3,99
9,33
8
9408
5,20
4,00
9,83
Porositas
Ber:id3nis
Besamya porositas dipengaruhi oleh jenis bahan yang digunakan, distribusi ukuran clan bentuk partikel bahan bakar serta matriks, clan metode fabrikasinya. Selama perolan panas terjadi gerakan partikel akibat deformasi plastis bahan bakar, matriks clankelongsong clanakan tersusun kembali dalam kondisi partikel utuh/retak. 10
Po-'-ositi_S
1%1
Beri! Jenis P~8,glc.3.IO
+ 4 3.5
Gambar 2.
3 5.5
4.5 Angkimil!, gU/cm3 Hubungan tingkat mum uranium dun berat jenis serio porositas
Gerakan partikel paling besar dimungkinkan terjadi selama pembuatan IEB clan pacta proses perolan tahap pertama. Adanya deformasi clanatau keretakan partikel pacta zona bahan bakar merupakan penyebab utama terjadinya pembentukan porositas. Makin tinggi tingkat muat,
ISSN 0216-3128
Prosiding PertenuJan don Presentasi llmioh PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995
Buku 11
kekerasan IEB meningkat, sehingga pacta proses perolan teIjadi deformasi yang cukup besar yang berakibat partikel bahan bakar sebagian besar pecah. Kondisi partikel bahan bakar lebih jelas terlihat pactadata uji metalografi. Dari hasiI uji seluruh PEB dengan radiografi sinar-X (Gambar 3), teramati bahwa dimensi zona bahan bakar cukup baik dan tidak terdapat adanya titik putih yang berada di luar zona bahan bakar. Semua hasiI pengukuran geometri-dalam PEB, memenuhi spesifikasi pelat elemen bakar RSG-GAS.
223
dengan kenaikan tingkat muat. Secara keselu-ruhan tebal kelongsong di atas tebal minimum, kecuali pactaujung PEB tingkat muat 5,2 gUlcm3terdapat data ukur dengan ketebalan 0,23 mm sehinggaharus dirijek. Penipisantebal kelongsong pactaujungPEB disebabkan oleh pengumpulan bahan bakar pacta proses perolan. Makin tinggi angka muat, terjadi pengelompokan bahan bakar pactaujung PEByang lebih banyak, sehingga memungkinkan terbentuknya "dogbane" seperti terlihat pacta Gambar 4d. ;"~' ~-:~
3
...,.~.;~.L.... t"' ~,.::!t
~~L~~~~'X+-~:~~ ':"""~""J'~~ ~~~?J~~~
.!.--:..'9"-~::'{"'~A~~*"" 1h~~,:&~7 "": ~~!..~~~ PEB"'g.
uJ""g
PES bag.
tango.
Gambar 4.0. Distribusi fasa di dalam daging PEE Ijada tingkat muat 3,60 gUlem 1. hitam : U3Sh, 2. putih : Al matriks, don 3. putih : kelongsong AIMgz
Gambar3. Hast! u;i PEE C13Si2-AItingkat 3
mllat 5,2 gUlem dengan radiograft sinar-X 1. plltih : U3Si2,2.hitam: matriks AI, don 3. hitam : kelongsong AIMg2
Distribusi bahan bakar U3Sb dalam matriks daTI tebal kelongsong diketahui dengan teknik metalografi. Sampel uji disiapkan dengan memotong PEB tegak lurus arah perolan. Setelah melalui proses pengampelasan, pemolesan daTIetsa, sampel uji diamati dan difoto dengan mikroskop optik denganhasiIseperti ditunjukkan pactaGambar 3. Dari Gambar 3. dapat dilihat bahwa bahan bakar terdispersi merata dalam matriks AI. Makin tinggi tingkat muat, jarak antara partikel bahan bakar makin dekat dan hanya sedikit matriks AI yang mengeIiIinginya. Hampir semua partikel bahan bakar pecah untuk semua tingkat muat, daTInampak jelas pactaPEB dengan tingkat muat 5,20 gU/cm3. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh defonnasi pacta waktu proses pempresan daTIperolan panas. Tebal kelongsong diukur dengan mikroskop optik yang dilengkapi fasilitas pengukur. Pengukllran dengan interval 1mm sepanjang penampanglintang lebar pelat yang telah dipoles dan dietsa. Dari hasiI pengukuran seperti tercantum pacta Tabel 3. nampak bahwa tebal kelongsong Terataberada di atas tebal kelongsong minimum yang disyaratkan yaitu 0,25 mill, sementara tebal daging naik seiring
ISSN 0216-3128
Yt PES "'g.
uJung
PES bag,
teng..
Gambar 4.b. Distribusi fasa di dalam daging PEE Ijada tingkat muat 4,20 gUlem 1. hitam : U3Siz, 2. putih : Al matriks, don 3. putih : kelongsong AIMgz
-,'
! 2.1~.;~;;:;~\.!:1~~ii; PO
bog.
uJung
PEB"'g,
tong..
Gambar 4.c. Distribusi fasa di dalam daging PEE Ijada tingkat muat 4,80 gUlem 1. hitam : U3Sh, 2. putih : Al matriks, don 3. plltih : kelongsong
Supardjo dkk.
BllkuII
224
..
. -
'Ji.
,
.., "
i
-T;"'
':. '. -,"
,::
,
r
"
'
,;:
~ "
'
,-
'.
'
,
,
'"
,
.
"
'
~'.-"";r-
,
',7-.-:.-1~~::.--'c,'PO
'.
,
:.>:-; ,
.
- n___n-
r
-,'._'. "..',-.,', :".
0.9.
';,
)
',~,~ PO
"jung
bag.
tong..
Gambar 4.d. Distribusi fasa di dalam daging PEB Ijada tingkat muat 5,20 gU/cm 1. hilam .. U3Si2, 2. putih .. Al matriks, dun 3. putih ..keJongsong
AIMg2. Tabel3.
No
,....-
Data Pengukuran Tebal kelongsong d'an daging
PEB,
Kode
Tingkat muat
PEB
gU/cm3
kelongsong
daging
1
IDA9401
3,60
0,438
0,532
2
9405
3,60
0,413
0,588
3
IDA9402
4,20
0,418
0,577
4
9406
4,20
0,393
0,629
5
IDA9403
4,80
0,401
0,614
6
9407
4,80
0,385
0,635
7
IDA9404
5,20
0,395
0,628
8
9408
5,20
0,366
0,674
0,
Prosiding Perlemuan dan Presenlasi Umiah PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995
hampir semua partikel bahan bakar pecah, terutama pactaPEB dengan tingkat muat 5,2 gU/cm3. 4. Tebal kelongsong rerata 0,3I5 mm, adalah lebih tebal dari tebal kelongsong yang dispesifikasikan untuk elemen bakar RSG-GAS (0,25 mm), akan tetapi untuk PEB dengan tingkat muat 5,2 gU/cm3,pacta ujung pelat terbentuk "dogbone" yang berakibat tebal kelongsong hanya 0,23 mm. 5. Secara keseluruhan ,PEB dengan tingkat muat 4,8 gU/cm3, memberi data uji yang sesuai dengan spesifikasi elemen bakar RSG-GAS, sedang PEB dengan tingkat muat 5,2 gU/cm3 bel urn memuaskan spesifikasi sehingga perlu dikaji-ulang variabel fabrikasi atau bahan kelongsong yang digunakan.
Tebal rerata (mm)
Secara keseluruhan terlihat bahwa dari basil uji terhadap PEB dengan tingkat muat 3,60; 4,20; clan4,80 gU/cm3diperoleh data yang cukup sesuai dengan spesifIkasi pelat elemen bakar RSG-GAS, sedang untuk PEB dengan tingkat muat 5,2gU/cm3, belum memenuhi spesifIkasi sehingga perlu dikaji ulang variabel fabrikasinya.
KESIMPULAN 1. Dari pengamatan secara visual, kedelapan PEB tidak memperlihatkan adanya kerusakanlkeretakan, baik pactazona bahan bakar maupun diluarnya. 2. Tingkat muat makin tinggi berakibat pacta kekerasan, berat jenis clan porositas zona bahan bakar naik.
UCAP AN TERIMA KASIH Pacta kesempatan ini kami mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekan staf Bidang Produksi Elemen Bakar Reaktor Riset, atas partisipasi clanbantuannya, sehingga penelitian ini dapat diselesaikan.
DAFT AR PUST AKA 1. DOMAGALA. R.F. "The Status ofuranium - Silicon Alloy Fuel Development for RERTR Program", ANLIRERTRlTM-3, November 12-14,1980. 2. HOFMAN, G.L A~D SNELGROVE, S.L. "Dispersion Fuels", Nuclear Materials, Part 1, edited by B.R.T. Frost 3. TOFT,P.,"Pilot Plant Production at Riso of LEU Siliside Fuel For The Danish Reactor DR3", RERTR, ANL, November 3-6,1986. 4. WIENCEK,T.C., "A Study of The Effect of Fabrication Variables On The Quality of Fuel Plates",RERTR, ANL, November 3-6, 1986. 5. SAMOILOV, AG etal, "Dipersion Fuel Nuclear Reactor Elements", Atomizdat, Moskva, 1965. 6. SUPARDJO.,"Karakterisasi Paduan UxSiy PactaDaerah Komposisi Antara 6,62 s.d 7,63 % Si", Thesis Magister, ITB, 1993.
3. Distribusi partikel bahan bakar dalam matriks cukup merata, clanteramati bahwa
Supardjo dkk.
ISSN 0216-3128
Prosiding Pertemuan dan Presentasi l/miall PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995
Bukull
8. SUWARNO.H.etal.,"Experimental work On UxSiyFuel Powder Preparation", ASRR-II/74, Jakarta, May, 1989. 9. SUPARDJO, dkk.,"Metoda penentuan Porositas Meat Pelat Elemen Bakar", Laporan Teknis PEBN, ISSN 0854-557X, 1990-1991.
TANYAJAWAB Supardjono M 1. Berapakah besarnya toleransi hila PEB terdapat blister 2. Kemungkinan apa yang menyebabkanpada tingkat muat 5,2 grlcm3te/jadi kegagalan ? Supardjo 1. Toleransi blister dalam PEB adalah : Diameter blister tidak boleh lebih besar dari 1,5 mm, atau diameter 1,5 mm dalam jumlah banyak clanpactaposisi berdekatan. Bila hal ini terjadi maka PEB harus dirijek 2. Karenajumlah bahan bakar naik (kekerasan 742 VHN) clanjumlah Al matriks menurun (kekerasan 50 VHN), maka pacta proses perolan terjadi pengembangan "meat" diujung PEB, akibat adanya dayahalang laju alir Al matriks berkurang. Sunardjo Apakah keuntungan don kerugian dart proses perolan panas don perolan dingin dalam pembuatan pelot elemen bakar U3Si-AI? Supardjo Bukan masalah keuntungan clan kerugian, tetapi perolan adalah merupakan rangkaian proses
ISSN 0216-3128
225
yang harus dilakukan di dalam pembuatan pelat elemen bakar. Hidayati 1. Apakah lungsi Al matriks bahan bokor, apakah jenis Al yang ado dalam matrik bahan bakar sarna dengan jenis Al untukkelongsongnya ? 2. Mengapa makin tinggi tingkat muat uranium, peroksidanya makin naik ? 3. Berapa besarnya porositas yang diijinkan untuk elemen bakar dalam RSG. Apakah hasi/ elemen bakar yang diuji telah memenuhi spesifikasi untuk elemen bakar RSG? Supardjo 1. Fungsi Al Matriks dalam bahan bakar : Sebagai shielding tingkat pertama sebelum kelongsong Sebagai pengompak bahan bakar Jenis Al matriks adalah serbuk Al murni (99,99%), sedang kelongsongnya adalah AIMgz. Dengan demikian jelas bahwa matriks clankelongsong tidak sarna 2. Karena diameter butir U3Siz diameter butir matriks Al clankekerasan butir U3Sizserbuk Al sehingga kenaikan tingkat moat uranium rongga antar bahan bakar naik clan hanya sebagian yang dapat terisi oleh Al matriks. 3. Spesifikasi porositas elemen bakar RSG-GAS tidak ada, tetapi besarnya porositas elemen bakar jenis pelat untuk reaktor riset berkisar antara 3-15 %. Hasil percobaan untuk PEB tingkat muat 4,80 gU/cm3sudah memenuhi, tetapi untuk tingkat muat 5,20 gU/cm3belum memenuhi, karena masih terdapat bagian kelongsong yang memiliki ketebalan 0,23 mm (,25 mill)
Supardjo dkk.
