FENOMENA KOROSI PADA SISTEM PENDINGIN PRIMER REAKTOR PENELITIAN

Sumijanto, dkk.

ISSN 0216 - 3128

149

FENOMENA KOROSI PADA SISTEM PENDINGIN PRIMER REAKTOR PENELITIAN Sumijanto, Soedardjo S.A Pusat Pengembangan Teknologi Keselamatan Nuklir – BATAN , Serpong

ABSTRAK FENOMENA KOROSI PADA SISTEM PENDINGIN PRIMER REAKTOR PENELITIAN. Dari kenyataan operasi bahwa pada sistem pendingin primer reaktor penelitian BATAN telah terjadi proses korosi. Hal ini dapat diketahui dari meningkatnya harga konduktivitas air pendingin primer selama operasi reaktor. Sistem pemurnian air pendingin primer yang tersedia hanya mampu menyerap produk korosi yang berupa ion ataupun partikel padat saja. Sedangkan gas oksigen yang merupakan produk radiolisis air belum tertangani. Konsep instalasi sistem injeksi gas hidrogen untuk mengikat gas oksigen disusun dengan mempertimbangkan sifat-sifat gas hidrogen dan keselamatan reaktor. Penambahan sistem injeksi gas hidrogen pada sistem pemurnian air pendingin primer dihipotesakan mampu untuk mengatasi oksigen produk radiolisis sehingga korosi material struktur reaktor dapat dikendalikan.

ABSTRACT CORROSION PHENOMENA ON PRIMARY COOLANT SYSTEM OF RESEARCH REACTOR. From the reality of operation that on primary coolant system of BATAN reactor research was occurred corrosion process. That condition is know from the increasing conductivity value of primary coolant water during reactor operation. Primary coolant water purification system which available only capable to absorb corrosion product of ion form or solid particle. On the other side the oxygen gas as water radiolysis product could not be handled yet. Concept of hydrogen gas injection system to reduce oxygen, made with consideration of hydrogen gas characteristic and reactor safety. Hydrogen gas injection system coupled with primary coolant water purification system hypotized capable to catch up oxygen product from radiolysis and then reactor material corrosion could be controlled.

PENDAHULUAN

A

ir pendingin primer reaktor penelitian berfungsi untuk memindahkan panas hasil reaksi fisi, moderator netron dan perisai paparan radiasi dari dalam teras. Untuk menghindari korosi material struktur reaktor, maka kimia air pendingin tersebut harus memenuhi persyaratan kualitas tertentu sesuai dengan material yang ada dalam teras reaktor. Persyaratan kualitas dari kimia air pendingin primer ini seperti dituangkan di dalam LAK (Laporan Analisis keselamatan) reaktor penelitian yang bersangkutan. Persyaratan kualitas air pada prinsipnya adalah bahwa konduktivitas dan pH air pendingin primer reaktor harus memenuhi harga tertentu serta harus bebas dari unsur p engotor yang terlarut di dalamnya. Dalam prakteknya dilapangan, air yang akan digunakan sebagai pendingin primer telah diolah terlebih dahulu menggunakan sarana yang ada pada masing-masing fasilitas reaktor sehingga memenuhi persyaratan yang diminta dalam LAK. Meskipun

demikian, selama reaktor beroperasi kualitas air pendingin primer ini selalu mengalami penurunan sebagai akibat dari proses korosi material struktur reaktor yang berlangsung secara terus-menerus sehingga menimbulkan ion logam ataupun partikel padat dalam air pendingin primer. Hal ini berarti bahwa unit pemurnian air yang ada dalam sistem pendingin primer tidak cukup mampu untuk mengatasi spesi agresif yang muncul selama operasi sehingga proses korosi struktur reaktor terus berlangsung. Radiasi sinar pengion yang timbul akibat reaksi pembelahan inti dalam teras reaktor akan berinteraksi dengan air pendingin primer dan menghasilkan produk molekuler radiolisa air yaitu H2O2, O2 dan H2 disamping radikal bebas • H dan • OH dan sebagainya. Produk radiolisis yang dominan hanyalah O2 dan H 2 dan produk inilah yang merupakan spesi agresif dan memicu korosi. Proses korosi perlu di tangani lebih serius karena hal ini akan mengganggu integritas struktur, peningkatan paparan radiasi yang kesemuanya akan

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001

ISSN 0216 - 3128

150

berpengaruh pada umur operasi reaktor, meningkatnya kesulitan dalam pemeliharaan reaktor dan pengolahan limbah. Pengembangan sistem pemurnian kimia air pendingin primer untuk mengatasi spesi agresif yang muncul selama operasi merupakan alternatif yang tepat untuk menekan proses korosi material struktur reaktor. Dalam makalah ini dibahas tentang konsep dasar dari pengembangan sistem pemurnian air pendingin primer khusus kemungkinan penggunaan gas hidrogen untuk mengikat gas oksigen hasil radiolisis air selama reaktor beroperasi

SISTEM PEMURNIAN AIR Sistem pemurnian air yang ada di fasilitas reaktor terdiri dari dua unit yang mempunyai fungsi

Sumijanto, dkk.

berbeda. Pertama, sistem pemurniaan air yang secara khusus dirancang untuk menyediakan air bebas mineral yang akan digunakan sebagai air pendingin primer dan kedua, sistem pemurnian air yang berfungsi untuk mempertahankan tingkat kemurnian air pendingin primer selama reaktor beroperasi. Sistem pemurnian air pendingin primer di rancang terpisah dengan sistem pembuangan panas dari air pendingin primer reaktor. Sistem ini umumnya terdiri dari filter dan resin penukar ion. Filter harus dapat menyaring partikel-pertikal kecil sampai ukuran 5 µm , sedangkan resin penukar ion harus dapat memurnikan air agar kualitasnya memenuhi persyaratan LAK. Kapasitas dari sistem pemurnian ini biasanya adalah kurang lebih 1 sampai dengan 5 % dari laju alir yang masuk ke sistem pembuangan panas. Skema sistem pem-buangan panas dan sistem pemurnian air pendingin primer reaktor seperti pada Gambar 1.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001

Sumijanto, dkk.

ISSN 0216 - 3128

151

Gambar 1. Sistem Pemurnian Air Pendingin Primer Reaktor Penelitian.

TATA KERJA Pentahapan konsep dasar pengembangan sistem pemurnian air pendingin primer untuk mengatasi spesi agresif yang timbul selama operasi reaktor dilakukan dengan sistematika sebagai berikut : − Evaluasi fungsi, kemampuan dan kapasitas sistem pemurnian kimia air pendingin primer yang ada pada fasilitas reaktor. − Evaluasi tentang fenomena interaksi antara air pendingin primer dengan material struktur reaktor. − Evaluasi tentang proses radiolisis air − Konsep dasar sistem injeksi gas hidrogen ke dalam air pendingin primer untuk mengikat gas oksigen hasil radiolisis air.

PEMBAHASAN Sistem Pemurnian Kimia Air Pendingin Primer Suatu hal yang perlu dicermati bahwa meskipun air pendingin primer reaktor telah menggunakan air yang memenuhi persyaratan LAK, akan tetapi pada kenyataannya serangan korosi terhadap material struktur reaktor masih tetap berlangsung. Kondisi ini terlihat dalam keadaan operasi dimana selalu terjadi perbedaan harga konduktivitas antara air yang masuk dan keluar dari sistem pemurnian air pendingin primer. Dengan kata lain bahwa kualitas kimia air pendingin primer selama operasi reaktor memang tidak pernah melanggar ketentuan kualitas seperti yang tercantum dalam LAK. Keadaan tersebut dapat terjadi karena sistem pemurnian air pendingin primer mampu membersihkan seluruh produk korosi ataupun partikel padat yang terlarut dalam air. Kenyataan ini dapat diartikan bahwa sebenarnya selama operasi telah terjadi proses korosi material struktur reaktor secara terus menerus meskipun air reaktor yang digunakan telah memenuhi persyaratan LAK. Kesimpulan dari fenomena ini yaitu bahwa sistem pemurnian air pendingin primer telah berfungsi dan mempunyai kapasitas yang cukup untuk sekedar menyerap partikel ataupun ion logam produk korosi tetapi belum cukup mampu secara signifikan mengendalikan proses korosi pada struktur reaktor itu sendiri.

Interaksi Air Pendingin Material Struktur Reaktor

Primer

Dengan

Air pendingin primer merupakan substans i yang korosif bila kontak langsung dengan material struktur reaktor. Secara praktis korosi sulit untuk dihentikan, dikarenakan logam ataupun paduan logam yang digunakan sebagai struktur reaktor mempunyai kecenderungan yang besar untuk kembali ke dalam keadaan yang lebih stabil melalui korosi. Hal inilah yang dapat dipastikan bahwa bila lapisan pelindung pada logam struktur reaktor rusak dan logam kontak langsung dengan air sebagai lingkungan maka terjadilah proses korosi. Selain karena rusaknya lapisan pelindung tersebut, pada dasarnya permukaan logam juga mempunyai potensi untuk membentuk daerah anoda dan katoda dalam jumlah banyak dan menyebar sehingga dapat memicu korosi merata. Sebagai gambaran secara umum, berikut diuraikan fenomena korosi logam dalam lingkungan air yang dapat di bagi menjadi tiga tahapan. Pertama, terbentuknya daerah anoda pada permukaan logam akibat ketidakhomogenan permukaan, dimana pada daerah ini akan terjadi reaksi oksidasi logam :  → Mn+ + ne M 

(1)

Kedua, bersamaan dengan terbentuknya daerah anoda tersebut maka pada daerah lain yang lebih pasif akan membentuk daerah katoda dimana elektron yang dilepaskan dari anoda akan bergerak menuju katoda melalui logam untuk proses reduksi. Reaksi oksidasi ataupun reduksi tersebut berlangsung secara seimbang dan dalam waktu yang bersamaan. Ketiga, apabila dalam air ada oksigen bebas maka oksigen ini akan bergerak menuju daerah katoda dan bertemu dengan elektron membentuk ion hidroksil menurut reaksi berikut:  → 2OH!/2 O2 + 2e + H2O 

(2)

Apabila sistem tidak mengandung oksigen maka pada daerah katoda ion H+ yang ada dalam air akan tereduksi menjadi gas H2 menurut reaksi berikut:  → H2 2H+ + 2e  (3) Dalam lingkungan beroksigen maka kecepatan korosi ditentukan oleh reaksi katodik yaitu reaksi 2 karena reaksi ini bergantung pada kecepatan difusi oksigen dalam air.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001

ISSN 0216 - 3128

152

Kenaikan suhu akan menurunkan viskositas air sehingga difusi oksigen dalam air akan lebih mudah sehingga mempercepat laju korosi.

Sumijanto, dkk.

Pada kondisi pH> 8,5 Al2O3 + OH-

→ 2AlO2- + 1/2H2

(7)

-

Ion hidroksil (OH ) ataupun gas H2 yang terbentuk pada permukaan logam akan menghalangi elektron untuk kontak dengan oksigen ataupun ion H+ sehingga akan memperlambat proses korosi. Pada pH relatif rendah (H + relatif tinggi) maka ion hidroksil akan bereaksi dengan ion H+ menghasilkan air sehingga reaksi lebih cepat yaitu seperti berikut :  → H2O OH- + H+  (4) Pada air yang mengalir seperti pada air pendingin primer reaktor penelitian maka ion OH - dan gas H2 akan terangkut sehingga reaksi koro si akan berjalan lagi. Dari uraian tersebut di atas dapat diketahui bahwa korosi adalah reaksi berantai antara anoda dan katoda. Dari fenomena ini maka untuk menghambat korosi dapat dilakukan dengan meng hambat reaksi katoda, reaksi anoda atau keduanya sec ara bersamaan. Mengurangi spesi agresif seperti O2 dan ion H+ yang terkandung dalam air yang berperan dalam reaksi anoda ataupun katoda adalah langkah yang tepat untuk menekan laju korosi. Tangki reaktor serta pipa-pipa dalam sistem pendingin primer terbuat dari bahan aluminium.atau paduan aluminium. Logam aluminium dikenal sebagai logam lunak, ringan dan reaktif. Sifat reaktif ini ditunjukkan oleh gaya gerak listrik (emf) pada seri standart potensial oksidasi yang besarnya adalah 1,66 Volt terhadap SHE ( Standard Hydrogen Electrode ). Akan tetapi aluminium juga dikenal sebagai logam yang mempunyai ketahanan korosi sangat baik dikarenakan mempunyai lapisan film oksida pelindung Al2O3 yang terikat sangat kuat pada permukaannya. Stabilitas film oksida seperti yang ditunjukkan pada diagram Pourbaix ( potensial versus pH ) yaitu bahwa pada rentang pH antara 4 s/d 8,5 logam aluminium adalah pasif karena diproteksi oleh film oksida Al2O3. Diluar batas rentang pasif yaitu pada pH< 4 dan pH> 8,5 aluminium akan terkorosi karena lapisan film oksidanya bereaksi dengan asam dan basa menghasilkan ion Al3+ dan ion AlO 2- (ion aluminat) yang larut, sehingga membuka permukaan logam yang selanjutnya logam bereaksi dengan lingkungan menurut reaksi sebagai berikut : Pada kondisi pH< 4 Al2O3 + 6 H + +

Al + 3H

→ 2Al3+ + 3H2O → Al

3+

+ 3/2 H2

Al + OH - + H2O → AlO 2- + 3/2H2 (8) Di dalam rentang pasif (pH 4 s/d 8,5), logam aluminium tidak akan terkorosi jika lapisan film oksida tidak terlarut karena lingkungan kimia atau rusak karena gerakan mekanik dari luar. Material teras reaktor selain aluminium banyak komponen yang terbuat dari bahan stainless steel. Ketahanan dari kedua material tersebut khususnya dalam kondisi lingkungan air pendingin primer mempunyai karakter yang berbeda. Hal inilah yang menyebabkan kesulitan untuk mem-peroleh kondisi dimana keduanya tidak terkorosi. Upaya yang terbaik adalah bahwa harus diciptakan kondisi lingkungan yaitu pH dan kandungan ion dalam air dimana kedua material tersebut hanya mengalami korosi minimal. Dari fenomena ini dapat disimpulkan bahwa material reaktor dalam lingkungan air sangat mudah mengalami korosi. Oksigen mempunyai peran yang signifikan dalam proses korosi material reaktor.

Radiolisis Air Air pendingin primer reaktor akan kontak langsung dengan elemen bakar sehingga proses radiolisis tidak dapat dihindarkan. Proses radiolisis air ini akan menghasilkan berbagai spesi yang agresif terhadap bahan struktur reaktor. Berbagai reaksi elementer yang mungkin terjadi dalam radiolisis air di sajikan secara skematik sebagai berikut : H2O

→ H2O+ + e - (ionisasi)

H2O+ + aq

→ H+aq + • OH

(10)

e + H2O + aq → OH aq + • H

(11)

H+ aq + OH- aq → H2O + aq

(12)

-

-

H2O

→

• OH + •H

(13) Dari sini terlihat bahwa aksi primer radiasi menyebabkan peruraian air menjadi radikal bebas • OH dan •H. Selanjutnya radikal satu akan bereaksi dengan yang lain dan menghasilkan pembentukan gas hidrogen, hidrogen peroksida dan air menurut reaksi :

(5) (6)

(9)

•H + •H

→

H2

(14)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001

Sumijanto, dkk.

ISSN 0216 - 3128

• OH + •OH →

H2O2

(15)

• H + • OH

H2O

(16)

→

Radikal bebas juga dapat ikut dalam reaksi : H2O2 + •H

→

H2O2 + • OH → •HO2 + • HO2 → H2O2

→

H2 + •HO2

(17)

H2O + • HO2

(18)

H2O2 + O2

(19)

H2O + 1/2 O2

(20)

Reaksi-reaksi di atas hanya merupakan sebagian dari banyak reaksi yang mungkin terjadi dalam radiolisis air. Sebagai hasil reaksi ke seluruhan dapat tuliskan : 2H2O → H2O2 + H2 H2O2 → H2O + 1/2 O2 Jadi sebagai produk molekular radiolisis air adalah H2O2, O2 dan H2 (disamping radikal-radikal bebas ). Oksigen merupakan spesi produk radiolisis yang mempercepat laju korosi material struktur reaktor. Oleh karena itu kandungan oksigen dalam air pendingin primer harus dikurangi hingga konsentrasi serendah mungkin. Untuk mengurangi jumlah gas oksigen dapat dimasukkan gas hidrogen ke dalam air pendingin

153

primer sehingga menggeser kesetimbangan reaksi kimia : 2 H 2 + O 2 ⇐⇒ 2 H2O Reaksi rekombinasi hasil radiolisis O2 dan H 2 menjadi H2O dipengaruhi oleh suhu. Makin tinggi suhu makin tinggi kecepatan reaksi sehingg hal ini akan memperkecil efek hasil radiolisis.

Konsep Dasar Sistem Injeksi Gas Hydrogen Sistem injeksi gas hidrogen dirancang untuk dapat memasukkan gas hidrogen ke dalam air pendingin primer dengan mempertimbangkan sifatsifat gas dan keselamatan operasi reaktor. Instalas i ini di pasang pada sistem pemurnian air pendingin primer sedemikian hingga air yang ke luar dari kolom resin penukar ion seluruhnya masuk ke dalam tabung reaktor. Oksigen produk radiolisis yang terkandung dalam air diharapkan akan bertemu dengan gas hidrogen dan bereaksi menjadi air menurut reaksi, 2 H 2 + O2 ⇐⇒ 2 H2O Selanjutnya air dikembalikan ke dalam tangki reaktor. Dengan demikian maka secara bertahap kandungan oksigen dalam air pendingin primer akan terus menurun dan pada akhirnya laju korosi dapat ditekan. Diagram alir sistem injeksi gas hidrogen seperti pada Gambar 2.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001

ISSN 0216 - 3128

154

Sumijanto, dkk.

Gambar 2. Diagram alir sistem injeksi gas hidrogen. 1. Tabung gas hidrogen murni bertekanan tinggi. Tabung ini menyediakan gas hidrogen yang akan KESIMPULAN di injeksikan kedalam air pendingin primer dimana dosisnya (tekanan gas yang keluar) dapat di atur Pada sistem pendingin primer telah terjadi melalui katup regulator. proses korosi material struktur reaktor. Sistem pemurnian air pendingin primer yang tersedia hanya 2. Tabung reaktor berukuran tinggi 100 cm, diameter mampu menyerap produk korosi yang berupa ion 20 cm, bahan dari perspek transparan dengan ataupun partikel padat. Sedangkan gas oksigen yang tekanan disain 10 atm. Tabung ini dilengkapi merupakan produk radiolisis air belum tertangani. dengan komponen -komponen sebagai berikut: Konsep instalasi sistem injeksi gas hidrogen untuk − Nosel gas hidrogen yang dipasang pada mengikat gas oksigen disusun dengan memperbagian bawah berguna untuk menyebarkan timbangkan sifat-sifat gas hidrogen dan keselamatan gas hidrogen sehingga dapat merata reaktor. Penambahan sistem injeksi gas hidrogen keseluruh air. pada sistem pemurnian air pendingin primer mampu − Sprayer yang dipasang pada bagian atas mengatasi oksigen produk radiolisis sehingga korosi untuk membuat butir-butir air masuk material struktur reaktor dapat dikendalikan. sehingga akan memudahkan interaksi antara gas oksigen terlarut dan gas hidrogen yang diberikan. DAFTAR PUSTAKA − Instrumen kontrol level air yang bekerja secara otomatis untuk menjaga ketinggian air 1. SUMIJANTO, Aspek Kimia Air Pendingin Primer dalam tabung. Dalam Pemeliharaan Reaktor Triga 2000 Bandung , P2TKN-BATAN Serpong, 2001. − Indikator tekanan. − Katup keselamatan − Katup venting.

2.

GOSTA WRANGLEN, An Introduction To Corrosion and Protection of Metal , Depar-tement of

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001

Sumijanto, dkk.

ISSN 0216 - 3128

Electrochemistry and Corrosion Science, USA, 1985. 3.

IGN. WISNU SUSETYO, Kimiawi Zat Pen-dingin, PPBMI – BATAN Yogyakarta, 1984.

4.

IAEA, Water Chemistry and Corrosion Problem in Nuclear Power Plant, Proceeding of a Symposium, Viena, 22-26 November 1982.

5.

RAINWATER.J.H, Maintainance of Primary Coolant Water Quality in The Material Testing Reactor, Phillips Petroleum Co, Idaho Ope-ration Office, USAEC, 1957

TANYA JAWAB

155

demikian yaitu bergantung lapisan pelindung, jika ada pelindung dengan baik maka waktu hampir tidak berpengaruh terhadap laju korosi dan sebaliknya. − Pada pipa primer jenis korosi yang terjadi bergantung pada kondisi permukaan pipa dan spesi yang dominan dalam air pendingin dan jenisnya mulai dari korosi merata, galvanis hingga pitting korosi. Suwoto − Seberapa jauh penambahan sistem injeksi gas hidrogen tersebut mampu mengatasi korosi material stru ktur reaktor ? − Apa ada cara lain selain dengan sistem injeksi gas hidrogen yang anda terangkan untuk mengatasi korosi ? Mohon penjelasan. Sumijatno

M. Yanis M − Dari fenomena korosi ini berapa lama bahan yang digunakan layak untuk dipakai dan bagaimana caranya untuk menghitung setiap parameter yang mempengaruhinya. Sumijanto − Bahan yang dipakai dalam hal ini adalah gas H2 dan ini dipakai terus selama reaktor beroperasi. Adapun parameter yang mempengaruhi adalah jumlah O2 yang ada dalam air • Tekanan H2. • Luas permukaan kontak antara H2 dengan air . • Laju aliran fluida .

M. Husna Al Hasa − Bagaimana pendapat saudara tentang peranan parameter suhu dan waktu terhadap laju korosi yang berlangsung pada sistem pendingin primer reaktor. − Menurut pendapat saudara proses korosi yang telah terjadi pada pipa primer dan apa saran saudara untuk memperlambat terjadi mekanisme korosi. Sumijanto − Parameter suhu memang ada pengaruhnya terhadap reaksi korosi, khususnya bila tidak ada pelindung/penghalang korosi sedangkan waktu juga

− Sistem injeksi hidrogen secara langsung akan mengikat O2 dalam air baik dari hasil radiolisis air ataupun udara, sehingga korosi material yang dipicu oleh adanya gas O2 akan berkurang, akan tetapi masih banyak hal-hal lain yang memicu korosi (tanpa O2), jadi untuk menghambat korosi tidak hanya O2 saja yang diatasi masih banyak penyebab lainnya. − Banyak cara lain yang dapat digunakan untuk mencegah korosi, tetapi suatu hal penting bahwa tidak boleh menggunakan zat pencegah korosi yang berdampak pada aktivitas dalam teras. Jadi cara banyak pertimbangannya harus tepat. Suyamto − Apa benar bahwa korosi menyebabkan kenaikan suhu. − Yang benar terjadinya pengerakan sehingga transfer panasnya terganggu. Sumijatno − Proses korosi secara langsung memang tidak menyebabkan kenaikan suhu. Akan tetapi bila produk korosi menutupi permukaan kelongsong elemen bakar maka akan mengganggu perpindahan panas sehingga suhu kelongsong naik. Dan bila terjadi pada transfer panas (HE) maka akan terjadi perpindahan panas tidak sempurna baru berdampak pada suhu .

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan d an Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001