Prosiding Pertemuan danPresentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Ju/i 1999
Buku II
147 ,.0(.,
ANALISIS MEKANISME
SINTER PELE T (Th, U)O2
Tundjung lndrati Y, Pristi Hartati P3TM-Batan,Jl. BabarsariKotakPos 1008,Yogyakarta55010
Ari Handayani PPSM-BATAN,Serpong.
Aslina br. Ginting peneliti PEBN-BATAN, Serpong
ABSTRAK ANAL/SIS MEKANISMJ= SINTER PELET (Th, U)02. Mekanisme sinter pelet (Th, U)O2 telah dipelajari menggunakan dilatometer dan scanning electron microscope (SEM). Pelet (Th,U)02 dibuat dengan cara mencampurkan serbuk Th02 90 % berat dan serbuk UO2+x 10% berat. Campuran serbuk tersebut digranulasi secara mekanik dua tahap karena serbuk berukuran halus «150.urn) dan bentuknj/a berbeda. Serbuk ThO2 berbentuk serpihan (flake) sedangkan UO2+x berbentuk butiran (spher-e). Setiap tahap granulasi mekanik terdiri dari kompaksi, penghancuran dan penggilingan. Tahap pertama kompaksi (penekanan tunggal) 20 KN untuk setiap 5 gram serbuk campuran dan w'aktu giling 30 menit untuk setiap 100 gram pelet-pelet hasil kompaksi pertama untuk setiap 15 bola penggiling yang diametemya 10 rom. Tahap kedua serbuk dikompaksi 30 KN dan waktu 60 menit dengan kondisi seperti tahap pertama. Serb uk hasil granulasi bertahap kemtJ'dian dibuat pelet seberat :t 5 gram dengan penekanan tunggal 30 KN. Dilatometer yang berkemampuan operasi sampai temperatur 1200 °c digunakan untuk menyinter pelet mentah dari temperatur 30 °c sampai dengan temperatur puncak dalam atmosfir argon 2 liter /jam dan laju pemanasan bervariasi 11 °C/menit, 12 °C/menit dan 13,75 °C/menit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa temperaturdan laju pemanasan sangat berpengaruh terhadap proses densifikasi pelet (Th,U)O2. Laju pemanasan yang paling baik adalah 11 °C/menit . Penyusutan drastis teljadi mulai temperatur 950 °c sehingga didapat kesimpulan bahwa difusi volumik merupakan mekanisme yang dominan pada suhu 950 °c sampai 1200 °c dengan energi aktivasi 4492 kal/mol da" konstanta n = -3,5. Sedangkan difusi batas butir mulai dominan pada temperatur 1200 °c ,ini dibuktikan dengan gambar strutur mikro pelet (Th,U)02 hasil sinter temperatur 1200 °c dengan penahanan suhu puncak selama 3 jam.
ABSTRACT ANAL YSIS OF THE SINJ"ERING MECHANISM OF (Th,U)Oz PELLET. The sintering mechanism of (Th,U)O2 pellet has bE!en studied by dillatometer and Scanning Electron Microscope (SEM). The (Th,U)O2 pellets were made by mixing of 90 %-wt ThO2 and 10 %-wt UO2+x powder. The mixed powders were grarlulated by two steps of mechanic granulation because the powder were fine particles « 150 pm) and the powders have difference shape. The powders of ThO2 are flake and the powders of UO2'.x were sphere. The each step of granulation has three processes ie: compaction, chruser and milling. The first step of granulation was done by 20 KN single action compaction for:l:5 grams and 30 minute milling time for the ratio of 100 grams pellets and g= 10 mm with 15 balls. The second step was done by 30 KN compaction and 60 minute milling time with the same condition of first step. The green pellets were made by 30 KN singgle action compaction for:l: 5 grams each pellet. The dillatometer; which limited operation of 1200 °c, was used for sintering of pellets from 30 °c until 1200 °C. The heating rate of sintering were varied 11 °C/minute, 12 °C/minute, ,3nd 13,75 °C/minute. Based on this research, the temperature and the heating rate were very inlluenced on the densification of (Th, U)O2 pellets. The best of the heating rate is 11°C/minute. Drastically pellets shrinkage at 950 °C. The volumic diffusion was very dominan at 950 °c until ~'200 °c with the activation energy 4492 call mole and n = -3,5. The grain boundary diffusion vvas dominant started at 1200 °c, it was suported with the pellet micro structure. There are grain growth at the 3 hours soaking time of 1200 °C.
Tunjung Indrati, dkk
Teknologi
Proses
ISSN 0216-3128
148
PENDAHULUA.N B
ProsidingPerlemuandan Presentasi/lmiah P3TM-BATAN,Yogyakarla14-15 Juti 1999
Buku II
ahan bakar campuran Th02 dan u02+x banyak digunakan pada reaktor daya jenis reaktor
temperatur tinggi (RTT), Canadian Deuterium Uranium Reactor(CANDU) dan reaktorbertekanan -Presurized High WaterReactor(PHWR)(I). Bentuk bahan bakar campuran Th02 daD U02+xdapatberupakernel ataupelet. Kedua bentuk tersebut pembuatannyamelalui salah satu proses yang disebut sinter (sintering). Pada proses sinter pelet campuranTh02 daD U02+xterjadi fenomena larut padatsehinggaterbentukrasa(Th,U)02- Pelet basil sinter ini seringdisebutpelet (Th,U)02' Tujuan dilakukan proses sinter adalah untuk mendapatkan pelet (Th,U)02 yang memenuhipersyaratandesain elemenbahanbakar suatureak1ordaya. Dalam hal ini perlu adanya pen~asaan daD pemahaman teknologiprosessinter(I, ). Salah satu faktor yang berpengaruh terhadapkualitas peletadalahkondisi operasiproses sinter yang sering disebut modus sinter_Modus sinter terdiri dari beberapaparameteroperasiyaitu temperatur sinter, laju pemanasan, lamanya penahanantemperaturpuncak (soaking time) daD laju pendinginan.Berdasarkandua parameteryang dipelajari yaitu temperatur sinter daD laju pemanasanmaka mekanismesinter pelet (Th,U)02 dapat dikaji dari ha..,il pengamatan perubahan dimensi pelet yaitu penyusutan daD perubahan strukturmikro. Jadi tujuan penelitian analisis mekanisme sinter pelet (Th,U)02 adalall menentukan laju pemanasanproses sinter yang dapat digunakan untuk memeilih modus sinter pada proses sinter pelet berkapasitasfabrikasi. Tujuan lain adalah menentukan mekanisme proses sinter sekaligus menentukan energi ak1ivasi dan tetapan dalam persamaankinetika. Besamyatetapantersebutdapat untuk menentukanjenis difusi yang dominan pada rentang temperatur tertentu. Hasil penelitian ini dapat bermanfaatdalam mendesaintungku sinter yangberskalaproduksibaik YaJlgberkapasitas besar maupunkapasitaskecil.
TEORI Dalam proses sinter bahan keramik, fenomena yang terjadi adalah adanya perpindahan massa yang menghasil1:an densifIkasi dan pertumbuhan butir (coarsening:l. Perpindahan massa dalam bahan tersebut diakibatkan oleh adanyadifusi volumik, difusi permukaan dan difusi barns butir (3,6,7)
Menurut KINGERY<~')mekanisme yang dominan pada proses densitikasi adalah difusi 155N 0216-3128
volumik sedangkanpactapertumbuhanbutir difusi batasbutir. Pengkajianpembahandirnensi (L\L/L) denganadanyatemperaturdan waktu dapat untuk menganalisisparameterkinetik prosessinter. d(AUL)dt = {K/(AUL)n}
1)
Nilai n dan K adalah konstanta(tetapan) yangtergantungdari mekanismeperpindahanmassa dan geometri. Bila difusi volumik yang dominan maka nilai n ~ 1, sedangkanbila difusi batas butir yang dominan maka n ? 2,1. Harga K dapat ditetapkan dengan persamaan Arhenius seperti tertulispadapersamaan 2. K = Ko.{exp)Q/RT)
2)
Harga Q pada persamaan2 merupakan harga energi aktivasi, T adalah temperatur sedangkanR adalahkonstantagas. Harga n dan Q dapatditentukanberdasarkan teknikyang digunakan yaitu non isotermalatauisotermal. Jika teknik yang digunakannon-isotermal,nilai Q dapatditentukandenganpersamaansebagaiberikut. Q -V _~
.TI.T2
~X
(TI-T2)
)
3)
2
Nilai n ditentukan dari nilai slope hubungan linier antara nilai (AL/L) dengan Iff. Berdasarkanpersamaan(I) clan(2) diperoleh nilai slope dari kurva linier tersebut, yaitu (_Q/R
TATA
KERJA
Tahapan penelitian analisis mekanisme sinter pelet (Th,U)Oz dengan penekanantunggal dapatdicermatipadablok diagramgambar1. Sembilan puluh gram serbuk ThOz dicampur dengan 10 gram serbuk UOz+xdalam mesinpencampurselama15 menit. Setiap:!::5 gram serbuk campuran dikompaksi dengan sistem penekanantunggal 20 KN. Dipilihnya penekanan tunggal untuk setiap:!::5 gram serbukdiperkirakan akan memberikanberetjenis yang merata disetiap peletbasil kompaksisepertihalnyahila pelet dibuat dengan10 gram serbukcampurandenganmetoda penekananganda untuk tekanan yang sarna. Pelet basil kompaksi kemudian ditumbuk, selanjutnya digiling selama30 menit untuk perbandingan100
Teknologi Proses
Tunjung Indrati, dkk
~
Prosiding Pertemuan danPresentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999
BukuII
gram serbuk 15 bola dengan diameter bola 10 mm. Serbuk granulasi tahap pertama tersebut dikompaksi kembali setelai! diketahui distribusi ukuran serbuknya. Kompaksi yang dilakukan sebesar 30 KN untuk setiap :t: 5 gram serbuk. Pelet ditumbuk dan digiling lagi selama 60 menit dengan kondisi yang sama dengan penggilingan tahap I. ThO.. 90%~
L
.
PERU BAHAN DIMENSI
UO2, 10% berat
~
STRUKTUR EM
MIKRO
Gambar 1 ..Blok diagram tahapan penelitian Setelah diketahui distribusi ukuran serbuknya. serbuk hasil granulasi tahap kedua dikompaksi lagi dengan tekanaIl 30 KN untuk setiap :t 5 gram serbuk campuran. Pelet mentah dipanaskan menggunakan dilatometer dengan atmosflf argon mengalir 2 liter/jam. Pemanasan dilakukan daTi suhu 30 °c sampai 1200 °c dengan laju pemanasan yang bervariasi 11°C, 12 °c dan 13,75 °C/menit. Dari pemanasan pelet dalam dilatometer akan diperoleh data penyusutan (AL/L) untuk setiap perubahan suhu dan waktu. ,Pelet hasil sinter dipotong, dibingkai, dipoles dan dietsa untuk diidentiflkasi struktur mikronya dengan mengguna1r.an SEM (Scanning Electron Microscope). Larutan etsa yang digunakan adalah larutan asam sulfat 90 % dan larutan hidrogen peroksida 10 %-volume. Gambar struktur mikro pelet (Th, U)Oz hasil sinter pada suhu rendah akan dapat untuk menentlJkan adanya pertumbuhan butir atau tidak.
Tunjung Indrati, dkk
Teknologi
HASIL Pengaruh
149
DAN laju
BAHASAN pemanasan
Pada penelitian ini dicoba laju pemanasan yang bervariasi yaitu II °C/menit, 12 ° C/menit dan 13,7 °C/menit. Pengarnbilan harga laju pemanasan yang relatif cukup tinggi bertujuan mengurangi pemakaian energi listrik yang terlalu besar. Pengaruh laju pemanasan terhadap perubahan dimensi pelet yang disinter terlihat jelas pada garnbar 2. Perubahan dimensi ini terutama pada awal pemanasan yaitu sekitar suhu karnar sampai dengan 850 °C. Garnbar 2b dan 2c menunjukkan adanya perubahan dimensi yang tidak menentu yaitu adanya penyusutan dan ekspansi yang berulang. Hal ini diduga karena bentuk serbuk ThOz berbeda dengan VOz walaupun telah digranulasi tetapi bentuk awalnya tetap berpengaruh pada awal proses sinter. Morfologi serbuk ThOz, VOz+xdan sebuk carnpuran yang telah digranulasi dapat dicermati pada garnbar 3. Kemungkinan lain adalah karena akibat proses granulasi mekanik tersebut dimana serbuk yang berbeda bentuk dipaksakan untuk menjadi bentuk yang sarna dalam satu saWall carnpuran serbuk. Narnun demikian disini perlu diingat bahwa proses granulasi mekanik dua tahap lebih banyak efek yang menguntungkan dibandingkan efek negatifnya. Efek positif tersebut diantaranya menghindari marnpu alir serbuk yang rendah, efek bridging, berat jenis pelet mentah rendah dan kekuatan pelet mentah kurang baik. Berdasarkan alasan tersebut maka pencermatan laju pemanasan pada proses sinter sangat beralasan. Adanya pemaksaan bentuk menjadi satu bentuk tertentu yaitu bulatan (sphere) maka kemungkinan ada udara yang terjebak. Adanya udara yang terjebak dan bentuk serbuk yang berbeda tersebut maka perubahan dimensi yang tidak menentu pada awal proses sinter terjadi. Kemungkinan yang lebih parah lagi hila laju pemanasan dipercepat menjadi 13,7 °C/menit maka pelet dapat retak. Hal ini terlihat pada kurva penyusutanyang tidak mulus pada garnbar 2c. Vntuk mengantisipasi dua hal yang berlawanan tersebut maka laju pemanasan dibuat relatif rendah dibandingkan 12 °C/menit dan 13,7 °C/menit. Garnbar 2a menunjukkan adanya perubahan dimensi yang baik, yaitu tidak acta peristiwa penyusutan dan ekspansi yang berulang pada awal proses sinter. relet yang disinter dengan laju pemanasan II °C/menit tidak ada perubahan dimensi pacta awal sinter dan baru pada temperatur 950 °c terjadi penyusutan. Hal ini dapat diperkirakan bahwa adanya laju pemanasan lebih rendah 12 °C/menit maka pergerakan atom antar butir baik ThOz dan ThOz atau VOz+x dan VOz+x atau ThOz dan VOz+x akibat pemanasan terjadi tidak
Proses
ISSN 0216-3128
terlalu cepat.Pergerakanatomantarbutir yangtidak terlalu cepat berakibat densifIkasi pelet berjalan denganrelatif pelan sehinggaudara yang mungkin terjebak dalam pelet tidak secara drastis mengakibatkan perubahan dimensi yang tidak menentu. Seperti yang terjadi pacta pelet yang disinter dengan laju pemanaSall12 °C/menit dan 13,7°C/menit.
11~.."--uf1TI;I1rr'...~~~! 1!1e,-.".~_..\~I-JH1I181J.1. v V \ I 1\'
liB!.
,
; ~ ..\
Iii-
I' -. !
--'
"
\
.\.
,
,
III-
f
".
/Rj ;' '-'"
.
I
--wI ~
,
ill. .!', .f
..i
~I
.111
\ \.
,~ ."
".,
--"..,'"
.",' "
._,
1
'ji
-J.
, ",
..,"11-11-'11' -mll:I."'" ~\I ,,I' 0 '0
L'8-'J' "
Ir
I!~'
Ii !'
.
.\\'
t.1i \:
;I'.
'.!
I
r~
'...
"'" -\,8;1 '-,.,
i
~
..'-','
.i
II
II °C/menit
m!,11 1"11
(81-
l'
i I
..\ J".,~ ,
""
,.
,
'
Ir
"
:: c;"il!i,i; IF ' ",,",'-
'o.i'; 'I ' ,~
.;O! IfA ...,
III
~r
I'J
"""..i ,'. ..,of
",~"., ':.:!.'"~.:
.-.:N .
I\I!~
;\111151
Ii
-",
) 'I'
a. laju pemanasan
~
~j,. D,II,II. ..-'\ -II-lf.tl1ltJ 11180~),:: '."-"j,""-"- II..'-,
1M
\,
I,
...",
iM.
.~;..~
H!!-~ "
I
\
..:
'M'
0,
,
I
.i
,~,
j,'-
'.--ii.iII,It.~"'.)\I-JjI
volumetris. Sedangkanenergi aktivasi yang yang didapat sebesar4492 kallmole .Sedangkan diatas suhu 1200°C didugamekanismeyang terjadi adalah difusi batasbutir. Karenaketerbatasankemampuan dilatometer maka dugaan tersebut dapat dikaji dengancara menyinter pelet pada suhu 1200 °C denganwaktupenahanan2 -3 jam.
)Ii
4!1
",.i,
C. laju pemanasan13,7°C/menit
b. laju pemanasan 12 °C/menit
Gambar 2: Pengaruh laju pel'11anasanterhadapperubahan dimensi pelet
-Th6;d~u6;:hasil Gambar 3 ..Morfologi serbuk ThO], UO]+xdan serbuk campuran hasil granulasi
Penentuan
mekanisme
~;inter .2
Berdasarkankurva penyusutandari gambar 2a maka dapat dipelajari bahwa pada suhu850 °c sampaidengantemperatur950 °C perubahandimensi sangatperlahan.Padatemperatur950 °C sampai 1200°c, perubahandimensiataupenyusutansangat cepat.Penyusutanyang digunakanuntuk menganalisis mekanisme sinter pada suhu 950 °c sampai dengan 1200 °c hanya sampai titik C karena peristiwa penyusutansetelah titik C merupakan penyusutanisotermal yaitu pada saatsoaking time berlangsung.Penyusutanpelet merupakan fungsi temperatursintersehinggatampilangrafiknya dapat dinyatakansebagaiIn(dVl)vs Iff. Ini sesuaidengan persamaan1 daDdigambarkanp3dagambar4; Berdasarkangambar 4 diperoleh intersep sebesar-3,5 .Ini berartibahwakonstantahargan = -3,5 sehinggadapatdisimpulkanbahwa pada suhu sampai 1200 °c proses sinternya didukung difusi ISSN 0216-3128
Teknologi
~: ~
~
-4
;e
;a8.8
7,027
7,~
7.85
8.17
8..5
1.'~
Gambar4. Grafik hubungan perubahan dimensi. In(dlll) don temperatur(liT)
Proses
Tunjung Indrati, dkk
c-"
2jam
d.-j
-,
-.-;-
Gambar 5 : Struktur mikro pe/et (Th,U)O2 hasi/ sinter.
Pengaruh temperatur sinter Menurut BANNISTER 8) difusi barns butir dapat ditunjukkan hila grafik penyusutan yang dinyatakan dengan In(dl/L) dengan (Iff) mempunyai harga slope yang dinyatakan dengan konstanta n ~ 2,1. Oleh karena kemampuan operasional dilatometer yang tersedia terbatas yaitu hanya dapat dioperasikan sampai dengan temperatur 1200 °c maka perlu dikaji adanya pertumbuhan butir dengan metoda lain. Menurut VAN FLACK7) difusi barns butir menyebabkan terjadinya pertumbuhan butir baik dalam kondisi isotermal atau nonisotermal. Gambar 5 merupakan struktur mikro pelet (Th, U)02 hasil sinter menggunakan dilatometer pada suhu 850 °c, 1100 °c dan 1200 °c dengan lama penahanan temperatur puncak (soaking time) 2 jam -3jam. Pada pelet hasil sinter 850 °c dan 1100 °c (gambar 5a dan 5b) belum terjadi pertumbuhan butir. lni terbukti adanya ukuran butir yang tampak dalam gambar struktur mikro ukurannya sarna. Gambar 5c dan 5d merupakan struktur mikro pelet (Th,U)02 hasil sinter 1200 °C. Ukuran butir pelet hasil sinter 1200°C lebih ",esar dibandingkan dengan ukuran butir pelet hasil sinter 1100°C .Dengan adanya bukti struktur mikro gambar 5 maka dapat dikatakan bahwa pelet (Th,U)02 mengalami difusi barns butir mulai temperatur 1200 DC. Sedangkan penahanan suhu
puncak yang hanya berbeda perubahan barns butir .
jam hampirtidak ada
KESIMPULAN Penelitian mekanisme sinter pelet (Th, U)O2 temperatur 1200 DCmenggunakan dilatometer dapat diambil simpulan sebagaiberikut: 1. Laju pemanasan sinter yang paling baik adalah 11 DC/menit 2. Mekanisme sinter pelet (Th, U)O2 pada temperatur 950 DC sampai dengan 1200 DC adalah difusi volumetris dengan konstanta n =3.
3,5 dan energi aktivasi 4492 kalorilmole. Mekanisme yang terjadi mulai suhu 1200 DC diduga difusi batas butir terbukti adanya peristiwa pertumbuhan butir dengan cara observasi gambar struktur mikro pelet basil sinter suhu 1200 DC dengan lama penahanan suhu puncak 2 -3 jam.
UCAPAN
TERIMAKASIH
Atas terselesainyapenelitian ini penulis mengucapkanbanyak terimakasih kepada bapak Maryoto danbapakBudi Kusyanto
5. 7. 9.
152
DAFTAR
ProsidingPertemuandan PresentasiIlmiah P3TM-BATAN,Yogyakarta14 -15Juli 1999
Buku II
PUS'TAKJ\.
BENJAMIN. M.MA, Nuclear Reactor Materials and Applications, Van Nostrad Reinhold Co, New York, 1983,297-353. 2 A YBERS,M. T, The StudyApparentActivation Energy of (Uo,s, Tho,z)Oz in reducing the oxidizing atmosphere, Journal of Nuclear Materials,1994. BELLE.J, Uranium Dioxide: Property and Nucl~ar Application, atomic Energy Commission,WashingtonDC, 1961,234-343. 4. GOETZEL.C.G., Treatise on Powder Metallurgy, vol I, New York, Interscience PublishersLTD, 1949. SANDS. RL and SHEAKSPHEARE. CR., PowderMetallurgy,London, 1966,20-99. 6. KINGERY.WD., BOWEN HK., UHLMAN DR., Introduction to ceramic, Jon Wiley and Sons,New York, 1980,469-490. VAN FLACK. LH., Elements of Materials Scienceand engineering,2nded, Mc Graw Hill Book Co, Singapore,1960,337-343. 8. BANISTER M.J., Shape Sensitivity of Initial Sintering Equations, Joournal Amer. Ceram. Soc, 51(10),1968,p 548-553. ORLANDER. DR., Fundamental flSpectsof nuclear reactor fuel elements, Technical Information Center,Office Public Affairs, IRD Administration, 1976,124-338.
TANYA
~ Dengandiketahui 1200°C sebagaibatas untuk difusi volumik dan difusi batas butir, secara praktispengetahuan itu digunakanuntuk apa? Tundjung lndrati -<0>Tidak pada laju 11 'C/menit. Ini harus dilakukan penelitian prediksi pro:,'es modus sinter dengan delatometer yang dilengkapi kurva penyusutan, biasanya untuk spesimen yang berupa pelet atau batangan. Untuk kernel UO] yang dibentuk pelet hal ini dapat dilakukan dengan dilatometer, sedangkan untuk kernel tanpa dibentuk pelet hal ini dapat dipelajari secara metalografi yaitu setiap proses sinter kernel dengan laju tertentu kernelnya dikarakterisasi sifat fisisnya, sifat kimia don dipelajari struktur mikronya dengan metoda metalografinya. -<0>Pengatahuan ini untuk menetapkan tetapan kinetikanya don energi aktivasi, Adanya energi aktivasi yang diketahui maka kilo dapat menentukan kapasitas pelet untuk tungku sinter yang tersedia. Sahat Simbolon
~ Laju pemanasanyang paling baik adalah II °C/menit,bagaimanahal ini ditentukan? ~ Bagaimanadenganreaksi ini, 11102+ 3002 ~ 111+ 0308apakahtidak mungkinterjadi?
JAWAB
Sukarsono )- Bagaimanaprediksiprosessintering untukbahan yanglain, misalnyakernelUOzapakahjuga baik denganlaju 11 °C/menit.
ISSN 0216-3128
Teknologi
Proses
Tundjung lndrati -<0>Pada laju pemanasan 11 'C/menit tidak ado keretakan pelet saat disinter. Ini dapat dilihat dari kurva penyusutan yang "smooth" (halus). Jadi hila laju pemanasan < 11 'C/menit dipastikan keretakan pelet tidak ado. Sedangkan pada laju pemanasan > 11 'C/menit terlihat adanya indikasi keretakan, terlihat pada kurva gambar 2b don 2c. -<0>Oleh karena atmosfir penyinteran pelet dalam kondisi inert, maka UO] tidak akan teroksidasi menjadi U3Os.
Tunjung
Indrati,
dkl<
