47 Prosiding Pertenulan dan Prentasi Ilmiah PPNY-BATAN Yogyakarta 15-17 April 1995
Bllku 1/
45
PERILAKU KOROSI PELET U02 DALAM LARUTAN KOROSIF DENGAN TEKNIK ELEKTROKIMIA ~. Agus Taftazani, Sutjipto, F. Lahagu, daD B. Irianto PPNY-BATAN, Jl. Babarsari, P.O.Box 1008, Yogyakarta 55010 Wuryanto PPSM-BATAN. KawasanPuspitekSerpong,
Tangerang 15310
ABSTRAK PERILAKU KOROSI PELET UO2 DALAM LARUTAN KOROSIF DENGAN TEKNIK EIEKTROKIMIA. Telah dibuat beberapa elektrode UO2 dari pelet UO2produk lokal. Pc!rilakukorosi pelet UO2dipengaruhi oleh beberapa hal, antara lainjenis, pH dan konsentrasi larutan. Telah diamati perilaku karosi pelet UO2dengan teknik elektrokimia dalam beberapa larutan korosifjenuh Na2CDJ, NaC/, Na~O4 dan Na]PO4, dengan variasi pH dari 1 sampai 10 dan variasi konsentrasi larutan daTi 0,001 sampai 1,0 molil. Didapat laju korosi terendah terjadi dalam larutanjenuh Na2CO].Pada daerah pH
=
4
-8
dalam larutan Nq2CO] terukur laju korosinya relatif konstan, sedang pengaruh
besar
konsentrasi larutan Na2CO] menunjukkan laju korosi terkecilnya terjadi pada 0,10 mollI. Terukur laju korosi dalam larutan 0,10 molll Na2CO]pada pH = 4 adalah 0,3388 mil/year.
ABSTRACT CORROSION BEHAVIOUR OF THE UOl PELLET IN CORROSIF SOLUTIONS USING ELECTROCHEMICAL TECHNICUE. The UOl electrodes has been madefrom the localproduct ofUOl pellets. The corrosion behaviour of the UOl pellets is affected by salt solution, by pH value and by concentration of salt solution. Investigation into corrosion behaviour ofUOl electrodes have been carried out in saturated salt solutions using electrochemical technique. The saturated solutions hove been made from salts NaC/, Na2CO3,Na2S04 and Na3PO4.ThepH value have been done over range 1 pH 10 and the salt concentration (C) over range 0,001 molll C 1,0 molil. Na2CO3 solution produ.::edthe lowest corrosion rates of UO2 pellets. Those rates were relative constan in the range of pH
= 4 - 8. Theresults
indicate an influence of the NQ2CO3concentrations on the corrosion rate, and tlte lowest rates occured in 0,10 molll NQ2CO3.The lowest corrosion rate was 0.3388 mil/year in 0.10 molll Na2CO3by pH =4.
PENDAHULUAN
D
alam pengelolaan limbah nuklir padat (lestari), seperti pengawasan elemen bakar (kelongsong clan bahan bakar), diperlukan suatu konsep, salah satunya adalah konsep penaksiran kecepatan korosi VO2 pelet dalam'media korosif dengan metode elektrokimia(1). Untuk itu perlu dikuasai suatu pengetahuan tentang perilaku kecepatan korosi VO2 clan bagaimana kecenderungan reaksi redoxnya, dalam berbagai jenis media korosif, harga pH clan konsentrasi larutan, Bermacam-macam teknik elektrokimia telah digunakan untuk analisis bahan bakar VO2 dalam bentuk elektroda dari VO2pelet yang belum teradiasi(2).Seperti pada metoda-metoda fisika clan kimia yang lain, respon-respon (reaksi) pada sistem yang teraktivasi akan dapat dipantau. Juga dalam
ISSN 0216-3128
sistem elektrokimia, dalam kondisi potensiostatik, dimana elektroda sebagai subyek penerima suatu masukan (input) arus clan tegangan elektrokimia yang mengalir dalam sistem, kemudian input ini dipantau atau diukur. Arus yang timbul menggambarkan kecepatan-kecepatan reaksi perpindahan muatan yang terjadi pada permukaan elektrode VO2.Vntuk VO2dalam kondisi oksidasi teIjadi reaksi reaksi pembentukan film clanproses pelarutan(3,7)-Reaksi yangmungkin teIjadipada VO2 sebagai anode, adalah sebagai berikut(l): V4+ +2H2O
-
VO22+ +2e' +4W
Vntuk mengamati fenomena tersebut diatas maka alai yang bisa dipergunakan adalah antara lain: Potensiostatik, Siklovoltameter, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) daD SEM. Karena keterbatasan alai yang tersedia, maka percobaan ini hanya menggunakan alai potensiostatik! potensiodinamik untuk mengamati
Agus Taftazani dkk
46
Prosidillg Pertemuan don Prentasi Ilmiah PPNY-BATAN Yogyakarta 15-17 April 1995
Bllkll II
laju korosi (proses oksidasi). Diharapkan dengan penelitian ini akan didapatkan data laju korosi elektroda UOz yang terendah, sehingga. dapat merupakan salah satu pertimbangan dalam penyimpanan lestari bahan bakar U02 bekas.
eksperirnen ini proses korosi dikontrol pacta reaksi sisi anodenya (proses oksidasi). ..,......
--t"" ...
TATAKERJA Bahan dan alat: Bahan: Garam kristal NaCI, Na2S04,Na2C04serta Na3P04 untuk membuat larutan korosif; HN03 clan NaOH untuk pengatur pH semua dari F~. Merck berkualitas PA; Aquabides sebagai bahan pelarut, pengencer clanpencuci; U02 relet IT!uminuklir 0 = 8mm clan tinggi 10 mill, produksi PPNY clan PPTN-BATAN. Alat : Elektrode kerja buatan bengkel PPNY (tembaga dibungkus teflon), pH meter, alat timbangan elektronik, Corrosion Measurement System, Model 342 Soft Carr, EG & G Princeton Applied Research clanalat-alat gelas clanteflon. Cara kerja : Dibuat sejurnlah elektrode kerja : U02 relet yang dihubungkan dengan platlbatang ternbaga yang kemudian dilapisi teflon (Gb. 1).Model ini mampu mereduksi tahanan listrik yang tirnbul sebesar 80% terhadap model yang lain ("lipstick electrode", elektrode carnpuran serbuk U02 clanparafin il). Dibuat larutan jenuh garam-gararn NaC!, Na2S04, Na2C04 serta Na3P04 dengan akuabides untuk membuat larutan korosif clan diatur pH nya = 4 dengan HN03 clanNaOH. Diukur laju korosi elektrode kerja U02 dengan variasi jenis larutan garam Uenuh), pH clan konsentrasi larutan. Selama pengukuran laju korosi elektrode kerja U02 terhadap elektrode pembanding kalomel standar SCE clan elektrode pernbantu grafit dalam gel as sel elektrolisa dilakukan pengadukan (pengaduk magnit) clan dijaga suhunya tetap pacta 28 °C; proses pengukuran diatur dengan "personal computer" clandatanya dapat dicetak pacta"printer".
--. ......
0-'-"'"
[J.~. Ekktrode u~
Gambar 1.
Skema elektrode UO2
Pengaruh jenis larutan: Telah difahami bahwa pengaruh zat padat yang terlarut (misal garam) pactakorosifitas cukup kornplek, karena bukan hanya faktor konsentrasi tetapi juga jenis ion-ion yang terlibat. Teori tersebut diperkuat sebagaimana ditunjukkan dalam gambar 2 clan 3, dirnana larutan Na2C03 mempunyai laju korosi terkecil, sedang pacta Na2S04 terbesar. Jadi zat terlarut dalam bentuk karbonat (dan bikarbonat) mengurangi laju korosi. Sedangkan ion-ion lainnya bersifat lebih agresif (terutama ion S04=) dapat menaikkan laju korosi karena merintangi efek terbentuknya lapisan film proteksi. 1.1 ~
..
..
:8.,
,
1
L
L..........
~
.
j
:
j
)4., '"
(
~
:
"""("".""';""""'."
;
:3'2.1 "'.""""':"""'",,':'... No2CO3
laruts.n
HASIL DAN PEMBAHASAN
Na2S04
No3I'04
Jenuh
.
Prinsip dasar korosi mengatakan bahwa besamya laju korosi pactareaksi anode hams sarna dengan harga laju korosi pacta katode. Dalam
Agus Taftazani dkk
:
""""1""""""1""..""" : i
0.1
N.cl
:
Gambar 2. Pengaruh jenis larutan ljenllh) terhadap laju korosi elektrode UD2pat{a pH
.
= 4.
ISSN 0216-3128
Prosiding Pertemuan don Prentasi Ilnuah PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995
Buku II
47
=...-.. . I . I P.T£N~'..IN."'"
.2001
co.
~:~:HP~C~I:
,
..
\
~
.
,
,
.
'1/
.
I
Pi
11
.
1:.
'.0
'
" .,/
'""""
j
/
':':':#'~
~...ool ..~.~) "A'~.3 ~:~:~~o.
\ .
~
-aae~ *. HAno*
'. ,'i-..
Pengaruh besar pH: Pacta saat peristiwa korosi begitu dimulai, potensial anode turun menuju potensial katode clan sebaliknya sehingga terjadi penurunan gaya dorong. Penurunan gaya dorong karena adanya peristiwa korosi disebut polarisasi. Po/arisasi anode timbul apabila produk korosi membentuk lapisan yang menempel secara kuat clan kompak untuk menghambat reaksi korosi berikutnya. Sedangkan po/arisasi katode timbul hila ion hidroksoda OH', gas H2 atau film produk reaksi membentuk suatu "barrier"pactaperrnukaankatode clanmenghambat difusi oksigen clanhidrogen pacta katode serta reduksi berikutnya. Penghilangan atau gangguan terhadap "barrier" pacta katode atau anode yang disebut depo/arisasi akan memberikan efek reinisiasi terhadap proses korosi itu sendiri. Ada beberapa faktor yang dapat memberikan efek depolarisasi diantaranya pH clan kecepatan aliran. Pactalarutan yang pH nya diturunkan (larutan asam) maka akan menaikkan konsentrasi ion hidrogen H+. Ion-ion ini bisa bereaksi dengan ion OR yang terbentuk pacta katode clan memberikan efek depo/arisasi padanya. Demikian pula jika pH larutan diturunkan akan menaikkan pula kelarutan dari kebanyakan produk korosi pada anode. Pelarutan'"barrier" yang terbentuk serta menempel secara rapat atau tidak adanya peluang untuk membentuk "barrier" yang cukup kuat akan memberikan efek depo/arisasi pada anode. Gambar 4 clan 5 memperlihatkan hubungan antara pH daD laju korosi VO2; terlihat pacta larutan bersifat sangat asam (pH = 1 - 3) mempunyai laju korosi relatif rendah karena adanya efek depolarisasi yang meningkat; pactalarutan basa (pH 8) laju korosi jauh lebih besar clan pactapH
- 8)
mempunyai
laju. korosi
relatif sama/konstan. Hal ini menunjukkan bahwa harga pH berpengaruh pactalaju korosi, tetapi efek pH terhadap laju korosi setiap logam adalah sepisifik.
ISSN 0216-3128
Gambar 4.
~ <
..
Jenuh Na2C03
Pengaruh pH terhadap laju korosi elektrode VOl dalam larutan jenuh Na2COJ,
._u,I .~l
... 01.
".,-~ "
w'.... -12001
1.'..
0,:.:1:]..1 . .
.... .
t
t
:
pH larut8n
Gambar3. Kurvapotensiodinamik(E vs. I) elektrode VOl dalam berbagai jenis larutanjenuh clanpH = 4.
netral (4
,
3:... ') .
\~ \.
-,800 ..-'
mendekati
i~
~
","=.~I'.
..'
"'-,-:
Il,.PH" 2,"H"
'/'
J.PH".
~
,-". "~::---.
POT(HSIOOIHAnIK UO2 P(LET",,-HOCL J[MUM PADA .
_,.",,1 oJ . J..
'°
Gambar5.
'0
. -, I .,... I '° ,. .., i,VA/""""
.
to
Kurva Potensiodinamik(E vs I) elektrode VOl dalam larutan Na2CO3dengan berbagaiharga
Pengaruh konsentrasi larutan garam Pactagambar 6 clan 7 menunjukkan bahwa pacta konsentrasi dari '0, 001 sampai 0,50 molll Na2COJmemberikan laju korosi relatifkonstan clan kecil, daD pacta konsentrasi 1,0 molll mendadak naik, hal ini menunjukkan bahwa makin besar konsentrasi anion makin besar laju korosinya. Hal ini legis, karena makin banyakjumlah garam yang terlarut (memperbanyak anion), 00.33
..
,
i~Ilf:Ilm .;38'
Gambar6. Pengaruh kon.ventrasi larutan Na2CO3(pH=4) terhadap laju korosielektrodeVOl.
Agus Taftazani dkk
48
Prosiding Pertenuwn dun Prentasi fin/iI/it PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 Aprilf995
Bllkll II
.., "'.."
c
1200 '
'I
POTI:NSIOOINAMIK
'I
'I
'I"J
' .\
'I
I'i I
i
1
600,""21:0:> PH ="./
!.~:;~;:'1{';:..=:L/ ' -1200
S.O.&I>I»"OL'L '.\
2.1).~7:tHOL'L.
l :11.0. oIJ7
iI
MOL'L
'\
'-.
, ",
-S""0~3"'!;Z""!i""d' to to iO
Gambar 7.
,,!
'-:.
'I
"410
to to I CU.VC"~2)
'J""# 10
1
1 J iI
10
Kllrva Potensiodil1amik (E vs I) elektrode UOz dalanl berbagai konsentrasi Na2CO3 pada pH = 4.
KESIMPULAN Dari percobaan dapat disimpulkan bahwa, laju korosi elektrode UO2nampak dipengaruhi oleh jenis larutan korosif, pH clankonsentrasi larutan. Laju korosi UO2 terendah terjadi dalam larutanNa2CO3; pada pH = 4 8 relatifrendah clan konstan; clan dengan konsentrasi 0,10 moIll Na2CO3. Dari percobaan ini didapat laju korosi terendah sebesar 0,3388 mil/year dalam 0,10 mol/l Na2CO3pada pH = 4. Diharapkan penyimpanan bahan bakar UO2 bekas juga akan memberikan laju korosi terendah pada kondisi tersebut; tal ini perlu diteliti lagi.
-
UCAP AN TERIMA KASIH
MCINTYRE, N.S. Anodic oxidationofUOl. Part I. Electrochemical and X-Ray Photoelectron Studies inNeutral Solution J. Electroanal. Chem..l1Q., 163-179, 1981. 4. SUNDER, S.: SHOESMITH, D.W., BAILEY, M.G. and WALLACE, G.J. Mechanism of Oxidative Dissolution ofUOl Under Waste Disposal Vault Conditions, IN: International Converence on Radioactive Waste Management, Canadian Nuclear Socier, Toronto, 1982,398-405. . 5. SUNDER, S., SHOESMITH, D.W., BAILEY, M.G., and WALLACE, G.J. Anodic Oxidation of VOl. Part II. Electrochemical and X-Ray Photoelectron Spectroscopic Studies inAlkaline Solutions. 1. Electroanal. Chem.liQ, 217-228. 6. SHOESHMITH, D.W., SUNDER, S., BAILEY, M.G., WALLACE, G.J. and STANCHELL, F.W., Anodic Oxidation of VOl. Part Iv. X-Ray Photoelectron Spectroscopic and Electrochemical Studies of Film Growth in Carbonate-Containing Solutions. Appl. of Surf. Sci. W, 39-57, 1984. 7. SHOESMITH, D.W., SUNDER, S., BAILEY, M.G. and OWEN, D.G. Anodic Oxidation of VOl, Part III. Electrochemical in Carbonate Solutions. In: Proceedings of the Fifth International Symposium on Passivity. Bombannes, France, 1983, M. Frosent (ed). Elsevier, Scientific Publishing Co., Amsterdam, 1983, pp. 125-130.
Kami mengucapkan terima kasih kepada Sdr. Mariyo (PPSM-BA TAN). at as segala bantuanya.
TANYA-JAWAB
DAFT AR PUST AKA
S. Simbololl
1. HEPPNER, P.M., WEGEN, D., MARX, G. Electrochemical Corrosion Experiments on Uranium Dioxide Pellets With Respect to a German "DirectRepository" Radiochemica Acta 58/59, 21-25 (1992) MUnchen. 2. JOHNSON, L.H., SHOESMITH,D.W., LUNANSKY, G.E., BAILEY, M.G. and TREMAINE, P.R. Mechanism of Leaching and Dissolution of UOl Fuel, Nuclear Technology.5.6,238-253, 1982. 3. SUNDER, S.., SHOE SMITH, D.W., BAILEY, M.G., STANCHELL, F.W., and
Agus Taftazani dkk
I. Apakah reaksi korosi UO2disebabkan oleh Jt atau larutan garam jenuh seperti Na2CO3.NaCI dll. ? 2. Berapakah tekanan yang digunakan untuk membuat pelet, karena bahan bakar UO2 sebelumnya harus disinter terlebih dahulu ? Agus Taftazani 1. Korosi (laju korosi) akan dipengaruhi oleh ion H+ (PH) dan larutan jenuh anion (CO), PO~,cr, SO~dsb). 2. UO2peletnya adalah produk lokal (PPNY & PPTN Bandung), jadi tekanan &
ISSN 0216-3128
Prosiding PPNY-BA
PertenUiatl dun Prelltasi lll11iall TAN Yogyakarta 15-17 April 1995
sinteringmya mereka yang melakukan. Kami hanya meminta pelet yang telah memenuhi syarat bahan bakar reaktor (sehingga dapat dianggap tekanan & sinteringnya sudah seragam) Farizal 1. Bagaimana pengaruh dimensi pelel (besar dan bentuknya) terhadap laju korosi ? 2. Adakah metode lain untuk mengukllr laju korosi U02 mengingat lingkungan U02 selama digunakan ada di da/am kelongsong bahan bakar, dilingkupi gas dan tidak berinteraksi dengan air, juga lingkungan /imbah U02 adalah di dalam cor semen/komposit yang kompak sehingga tidak akan bersentuhan langsllng dengan larutan, baik air maupun larutan asam/basa lainnya. Agus Taftazani 1. Pengaruh dimensi tidak diteliti, karena luas permukaan & ukuran pelet dibuat (sekitar) sarna. 2. Memang bellar, U02 dipakai dengan cladding, sehingga tidak terjadi singgungan langsung dengan air dsb. Tetapi jika cIaddingnya rusak (retak dsb) karena telah dipakai (sebagai bahan bakar bekas) maka akan terjadi hubungan /kontak dengan
ISSN 0216-3128
BuklllJ
49
lingkungan (air dsb). maka hali ini perIn diteliti. Memang benar ada cara penyimpanan "bahan bakar bekas U02 dengan sementasi, tetapi ini hanya salah satu metoda, metoda yang akan dikembangkan. Geni Rina S 1. Kore/asi apa yang menyebabkan dapatnya ditarik garis antara /arutanjenis yang satu dengan yang lainnya pada gambar 2, hubungan antarajenis larutanjenuh dengan laju korosi ? 2. Apa yang menyebabkan adanya fluktuasi pengaruh pH terhadap laju korosi ? 3. Bagaimana pengaruh O2 terhadap /aju korosi pada percobaan Saudara ? Agus Taftazani 1. Yang dapat ditarik kesimpulan, bahwa larutan Na2C03 & NaCI memberikan laju korosi terendah & terbesar pada Na2S04 2. Sara tidak melihat fluktuasi tersebut. Dalam percobaan memang harga range pH terlalu besar 2-4-6-dst (tidak 2,5-2,7 dst) sehingga ada kesan kurva kurang smooth. 3. O2cukup berpengaruh pada laju korosi. Hal ini bisa ditanggulangi dengan pengusiran udara (dengan gas inert) sebelum pengukuran & pengukuran terhadapnya tertutup.
Agus Taftazani dkk
