ProsidingPertemuandan PresentasiI/miah P3TM-BATAN,Yogyakarta14-15 Ju/i 1999
21
Buku II
KARAKTERISASI KONDUKTIVITAS PANAS SERBUK URANIUM DIOKSIDA DENGAN SKANING KALOR D IFEREN SIAL
II
Sugondo, AsIina Ginting, Dian Angraini P2TBDU-BATAN.KawasanPUSPIPTEK.Serpondg.Tangerang
ABSTRAK KARAKTERISASI KONDUKTIVITAS PANAS SERBUK URANIUM DIOKSIDA DENGAN SKANING KALOR DIFERENSIAL. Salah satu luaran DSC ialah panas jenis spesifik(CP). Berdasarkan data Cp dan difusi panas fonon atau kinetika gas maka dapat ditentukan konduktivitas panas UO2. Serbuk cuplikan berasal daTi produk Eldorado sebanyak 150 mg dimasukkan ke da/am Blat uji DSC Interval suhu skaning antara 25-400 DC. Pada interval suhu tersebut diperoleh konduktivitas panas UO2 antara 8, 5422E-5-6, 6029E-5 Wcm-1 K1, harga ini diperoleh dengan pendekatan difusi panas fonon. Harga konduktivitas panas antara 5,0672E-53,9169E-5, diperoleh dengan pendekatan kinetika gas. Konduktivitas panas UO2 lebih rendah jika dibandingkan dengan konduktivitas panas U308 sebesar 1,4538E-4-3, 3536E-5 Wcm-1K1 dan lebih rendah juga jika dibandingkan dengan konduktivitas panas UAI3 sebesar 9,7037E-11,9492 Wcm-1 K1. Konduktivitas oksida seramik (UO2 dan U308) lebih rendah jika dibandingkan dengan konduktivitas logam (UAI3). Pada interval suhu antara 25-400 DCkonduktivitas UO2 dan U308 turun dengan kenaikan suhu dan untuk UAI3 naik dengan kenaikan suhu.
ABSTRACT HEA T CONDUCTIVITY CHARACTERIZA TION OF URANIUM DIOXIDE BY DEFfE~_Ef!TIAL SCANNING CALOR. One of the DSC out put is s~~~t_qgpa.city (Cp). Based on the heat difusion of phonons or gas kinetics, then it can be measured the thennal conductivity of UO2. The powder sample is a product of Eldorado. In amount of 150 mg sample was put into the crusible, scanning temperature was 25-40d'c. In between the temperature interval, it is found that the heat conductivity of UO2 was 8. 5422 E-5 -6.029 E-5 W cm-1 k-l, this value was calculated using heat diffusion. the value of conductivity of U308 in between 5-0672 E-5 3.9169 E-5 was calculated using kinetics of gas. Heat conductivity of UO2 were smaller than heat conductivity of U308 in value of 1.4538 E-4 -3.3536 E-5 W cm-1 k-1 and far smaller if it is compared to heat conductivity of metals (UAI3). In the temperature interval of 25-40ifc, the heat conductivity of UO2 and U308 is going down with increasing temperature, while UAI3 is going up.
PENDAHULUAN V onduktivitas panas adalah salah satu .r\..karakteristik termal serbuk uranium dioksida (UO2)' Karakterisasi konduktivitas termal serbuk UO2 perlu dilakukan sebelum proses lebih jauh untuk elemen bakar nuklir, sebab perbedaan nilai konduktivitas panas serbuk tidak beda jauh dengan konduktivitas panas pelet matang. Karakteristik konduktivitas panas pelet menentukan gradien suhu elemen bakar di dalam reaktor. Konduktivitas panas (k) adalah laju alir panas pactabahan dan dinyatakan dalam satuan cal S-I cm-20C-I cmol(I). Kalori adalah jumlah panas, cm2 adalah tampang lintang perpindahan panas, dan cm adalah jarak yang ditempuh. Dalam elemen bakar
nuklir konduktivitas panas dinyatakan dalam, W m-1 .C-I (2.3).Watt adalah jumlah tenaga daD m adalah jarak yang ditempuh untuk perpindahan tenaga. Melihat perbedaan satuan tersebut maka pacta elemen bakar nukir yang diperhatikan adalah laju perpindahan panas atau tenaga pacta suatu jarak tertentu, sedangkan fluks aliran panas tidak diperhatikan. Metoda karakterisasi konduktivitas panas serbuk dapat dilakukan dengan metoda berikut : Pemanasan langsung, metoda ini mempunyai keuntungan yaitu dapat mengamati perbedaan suhu (/1 T) secara langsung. Sedangkan kelemahannya ialah adanya rongga diantara serbuk daD jika penentuannya pacta suhu tinggi maka secara teknis mengalami kesulitan alat.
22
Metoda laser yaitu dengan menentukan difusi panas, metoda ini mempunyai keuntungan dapat menentukankonduktivitas panaspactasuhu tinggi dan pactatitik yang rapat, sedangkankesulitannya terletakpactapengadaanalat. Berdasarkan kemampuan dan peralatan yang acta dicoba penentuan konduktivitas panas dengan menentukan panas jenis Spesifik (Cp) melalui SkaningKalor Diferensial(DSC).Salahsatu luaran DSC ialah panas jenis spesifik dan selanjutnya dikorelasikan dengan konduktivitas panas.
TEORI Korelasi difusi tennal (aT) dengan konduktivitas tennal (k) adalah sebagai berikut(4).
K=apCp
Konduktivitas dalam seramik dikendalikan oleh fonon. Partikel ini bergerak dari tempat panas menuju tempat dingin. Dalam perjalanannya secara gelombang mengalami tumbukan dengan partikel lain dan dengan atom. Pengerakan fonon ini dihitung berdasarkan teori kinetika gas. Dari teori gas ini diperoleh bahwa konduktivitas panas sebanding dengan kapasitas panas fonon ( C ) kecepatan fonon (v) dan jarak rata-rata yan~ dilalui fonon (I), dihasilkan formula sebagai berikut 5): k::: 1/3 Cpv I p
(2)
Keterangan: k = konduktivitaspanas,Wcm-1K-1 v = kecepatangerakfonon, cm S-1 I = jarak tempuhfonon, cm a = konstantadifusivitaspanas,cm2sp = densitas,9 cm-3 Cp= panasjenis spesifik,Jg-IK-1
(1)
keterangan k = konduktivitaspanas,Wcm-1K-1 a = konstantadifusivitaspanas,cm2S-1 p = densitas,9 cm-3 Cp = panasjenis spesifik,Jg-1K-1 Jumlah energi yang pindah ditentukan oleh jumlah energi yang tersedia, pembawa panas dalam bahan, daD jumlah energi yang diserap. Jumlah energi yang tersedia merupakan fungsi kapasitas panas. Sebagai pembawa panas adalah elektron atau fonon. Dalam logam elektron lebih dominan sedangkan dalam seramik adalah fonon. Menurut Planck, fonon ekivalen dengan energi gelombang terkwantisasi. Energi yang diserap merupakan fungsi hamburan daD ekivalen dengan jarak gelombang kisi. Vibrasi daD jarak gelombang kisi merupakan fungsi daTi pada kerapatan bahan (densitas ballaD). Vibrasi daD jarak gelombang kisi adalah parameter utama yang menentukan difusi energi panas. Dengan demikian maka konduktivitas panas berbanding langsung dengan difusi panas (a), denistas bahan (p), daD panasjenis bahan (Cp). Di dalam logam sebagai pembawa panas adalah elektron ikatari logam atau elektron Fenni. Karena elektronini bebas daD mudah bergerak maka konduktivitas panas logam relatif besar. Dengan adanya pemadu dapat mereduksi konduktivitas tennal dalam logam. Sedangkan dalam seramik sebagai pembawa muatan adalah fonon dan radiasi. Kinetika fonon ditentukan oleh vibrasi elastis atom atau molekul di dalam kisi kristal. Di samping struktur kristal, unsur penyusun juga menentukan besar k~cibiya konduktivitas panas. Misal BeO, SiC daD B4C mempunyai konduktivitas panas lebih besar dibandingkan dengan U02 daD Th02. Sebab selisih berat atom u-o daD Th-O lebih besar dibandingkan dengan Be-O,Si-c, daD B-C.
ISSN 0216-3128
ProsidingPertemuandanPresentasiIlmiah P3TM-BATAN,Yogyakarta14-15 Juli 1999
Buku II
TATA KERJA Disiapkan 6 buah krusibel aluminum kosongdandilakukanpengukuransebanyak3 tahap dengan 2 buah krusibel setiap tahap pengukuran. Krusibel yang satu digunakan sebagaipembanding dan krusibel yang lain digunakan sebagaiwadah sampel. Tahap pertama dilakukan pengukuran terhadapkrusibel aluminum kosOQgyang dianggap sebagaiblangko.Pengukurantahapkeduadilakukan terhadapkrusibel aluminum kosong d;m krusibel yang berisi standar Al2O3 seberat 70 mg daD pengukuran tahap ketiga dilakukan terhadap krusibel aluminumkosongdan U02. Ruang tungku DSG dialiri argon dengan tekanan 2,5 mbar. Skaninganalisis kalor dilakukan antara suhu 30°C sampaidengan 1000°c dengan laju pemanasan10 °C/menit.
HASIL
DAN
BAHASAN
Panas jenis 002 spesifIk produk "Eldorado" luaranDSC terlihat pada Gambar-l data panas jenis ini sebagai dasar perhitungan konudktivitaspanasdenganmenggunakanformula1. Densitas U02 diperoleh dari sertifIkat sebesar 10.66g/cc. Konstantadifusi panas diperoleh dari referensi-4sebesar1.537 E-4 cm2 S-I. Panasjenis spesifIkdari Gambar-l sebagaifun:gsisuhuadalah Cp = 4.299E-I-5, B 4 E-4T~I.997E 4 Jg -IK-1 Jika dimasukkan suhu sebesar 323 K (50°C)maka diperolehCp sebesar5,2136E-2J/gK. Nilai ini jika dimasukkanke dalam formula-l maka diperoleh k = 1.537 E-4 cm2s.1x 10.66 gcm3 oX. 0,052136J g-1K-1= 8,5422E-5 W cm-IK-1
Kimia, Nuklir
Sugondo,dkk
~
Hasil perhitunganselengkapnyaditabulasikanpada Tabell. Perhitungan konduktivitas yang berdasarkan teori kinetik sesuai dengan persamaan2. Kecepatan fonon diasumsikan sebagai kecepatan suara dalam bahan keramik sebesar 5 x 103 cm sol. Cp yang dipakai adalah Cp luaran DSC. Jadi konduktivitas panas adalah kZ98k= (1/3) x 0,052136 J gol K-I x 0,005 cm S.I x (5.4705 E-8) cm x (10.66) g cm03= 5.0672 E-5 W
K
-I
cm -I Keterangan 1=5.4705 1008cm, kontanta kisi kristal (3) v = 5xl03 cm sol,kecepatan suara dalam bahan(5) p = 10.66g cm-3, sertiflkat Hasil perhitungan selengkapnya untuk UOz tercantum dalam T~bel -1 Dari dua pendekatan perhitungan panas yaitu dengan difusi panas clan kecepatan partikel, terlihat ada perbedaan hasil perhitungan. Perbedaan ini terletak pada asumsi partikel yang dianalisis. Pacta teori difusi partikel yang dianalisis adalah partikel fonon sinar laser. Pada teori kinetik partikel yang dianalisis adalah partikel gas. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa hasil konduktivitas panas daTi teori difusi lebih besar jika dibandingkan dengan hasil daTi teori kinetik. Pada suhu rendah lebih kecil 423 K konduktivitas panas UOz naik seiring dengan suhu. Pada suhu tersebut vibrasi kisi belum berarti terhadap pergerakan partikel. Sehingga pergerakan partikel daTi tempat panas menuju tempat dingin tidak banyak terhambat. Pada suhu lebih besar 423 K konduktivitas cenderung turun dengan suhu, sebab vibrasi kisi mulai mengganggu pergerakan fonon daTi tempat panas menuju tempat dingin. Pada suhu ini belum mencapai tingkat tenaga elektron Fermi clan sebagai akibatnya perpindahan panas masih dikendalikan oleh fonon clan vibrasi elastis, clan bukan dikendalikan oleh elektron bebas. Fw' _0: ..~.~~M"'O...AIm" ~ Cpom """' co... O,~ 0,55 0;5
..,,"'£,)42£Cp
0,'
T.c/1"l
(J'(oK)
C-'--
0;35
..,..-""
0,3
0,25 0,2
0," 0,1
0,05. 25
-+-- --+
..; 00
75
100
125
100
175
--
200
225
250
275
300
325
Gambar-I: PanasjenisVOl
300
375
400
425
r= ~
Tabel2 Konduktivitas panasUJOsdan U AIJ SUHU K 298 323 373 423 473 523 573 623 673
0,"
0,"
Tabell KonduktivitaspanasUO2
Cp U30S -Cp UAI3
I
k U30a
W/cm UAI3 K
W/cmK 1.5651 E-1 3.7088E-1 1.4538E-4 2.0543 E-1 3.6713 E-11 1.9083E-4 2.4832 E-1i 3.8516E-1 \ 2.3067E-4 2.4520 E-1 4.2457E-1 2.2777E-4 2.1445 E-1 4.7680E-1 1.9920E-4 1.6612 E-1 5.3721E-1 1.5431E-4 1.0605 E-1 6.0306E-1 9.8511E-5 J -1 k-1
-lk-1
9.7037E-1 i9.6055E-1 1.0077E-1 1.1108E-1 1.2475 1.4056 1.5778 3.51815 E-5 1.7600 3.7874 E-2 6.7269E-11 3.6103 E-2 7.4~1~-1-3.3536E-5 1.9492
Konduktivitas p.anasUO2 (5.0672 &5 3.9169 E-5W/cmK/298-673 K) lebih kecil dibandingkan dengan konduktivitas panas U3Os (1.4538 E-4 -3.3536 E-5 W/cmK). Dapat dilihat
24
ProsidingPertemuandan PresentasiIlmiah P3TM-BATAN,Yogyakarta14-15 Juli 1999
BukuII
dari harga Cp U02 lebih kecil jika dibandingkan denganharga Cp U3O8.Oitinjau dari parameterkisi untuk U02 sebesar5.4705E-8 cm clanU3O8sebesar 6.715 E-8 cm berartijalan bebasU3O8fonon lebih besarjika dibandingkandenganU02. Kedua konduktivitas panas tersebutjauh lebih kecil jika dibandingkandengankonduktivitas panas jenis pactum logam, di sini yang dibandingkanadalahUAI3. Senyawaini mempunyai harga konduktivitas panas sebesar(9.7037 E-l 1.9492W/cmK/298-673K). Konduktivitas panas padalogam dikendalikanoleh pergerakkanelektron Fermi. Pergerakkan elektron lebih cepat jika dibandingkandenganpergerakanfonon. Kecepatan elektron sebesar2.02 E-8 cm S-I dan kecepatan fonon sebesar5 x 103 cm S-I. Oiasumsikanjarak temp\lh fonon sebesar parameterkisi dan jarak temp\lh elektron sebesarkecepatandikalikan waktu tumbukan.Jarak tempuhfonondalam UAl3 sebesar 5.7143E.,9 cm lebih keciljika dibandingkandengan jarak tempuh fonon dalam U02. Jadi jelas bahwa konduktivitaspanasseramik(U02 atau U3O8)lebih kecil jika dibandingkandengankonduktivitaspanas logam, yaitu (U AI3). Dari data di atas dapatdiperkirakanbahwa perbaikan kwalitas konduktivitas panas mampu diperbaiki melalui penyempurnaanstruktur kristal denganmengurangicacatkristal dan meningkatkan faktor paking atomis (Atomic packing factor) dengan demikian maka densitasU02 diusahakan mendekati densitas teoritis dan biasanya sekitar 95%. Selain dengan penyempurnaan kristal, konduktivitas dapat diperbaikidenganpenambahan unsur kelumit (additives) yang inempunyai kondUktivitaslebih besar.
Uranium Dioxide at 670-1270 k, Journal of Nuclear Materials, vol 47, No. 31-42, NorthHolland PublishingCo, Amsterdam,1973,p 31-
42. 2. RICHERSON D.W, Modem Ceramic Engineering,Marcel Dekker, INC, New York, 1982,P38 3. CAHN R.W., HAASEN P., and KRAMMER E.I., Oxides Fuels, vol 10 A, VCH Verlagesell SchaftmbH,PI 15. 4. ORAYES H.W., Nuclear Fuel Management JohnWiley & Sons,New york, PI89 5. KITTEL C, Introductionto solid state physics, 4d1ed,John Wiley & Sons,Inc, New York 1971,
PI99-265.
TANYA JAWAB Darwis Isnaini :
» Dari tabel2 pada suhu 29S"K, harga k untuk U3O8= 1,45 x 10-4 W/cm"K = 0,0145 W/m"K, padahalyang dipakai oleh RSG k U3O8= 0,13 W/m"K atau lOx lipat. Apa komentaranda?
Sugondo:
..}. Pada pengukurandipakai serbuk UjOadon pada bahanbakar UjOadibentukmatrik atau partikel UjOa dianggappartikel masif Jadi perbedaantersebutterletakpadajarakantar partikel serbuk di pengukuran dan untuk koreksiperludibuat sampel padat va].
Sahat Simbolon
KESIMPULAN
:
» Mengapa Cp U02 lebih kecil daripada U3O8?' Padahalo/u padaU02 = 2sedang U3O8= 2,66.
a. Konduktivitas panas V02 dapat ditentukan Sugondo: ..}. Konduktivitas panas tidak hanya ditinjau dengan DSC pada interval suhu antara 298dari o/u tetapi kisi kristal. Kisi kristal UjOa 673K, diperoleh konduktivitas panas sebesar < UO] sehinggajarak tempuh di UjOa < 8;5422E-5-6,6029E-5 Wcm-1K'-1 melalui VOl, makakonduktivitasUjOa> VOl. pendekatan konstanta difusi dan 5,0672E-53,9 I 69E-5 Wcm-lK-1 melalui pendekatan Djoko Sardjono : kinetika gas. » Anda meneliti konduktivitaspanasU02 dengan b. KondUktivitas panas U02 lebih kecil jika SKDpada < 1000"C,apakahdatapenelitianbisa dibandingkandengankondUktivitaspanasV3O8 merepresentasikan kondisi yang sesungguhnya, danVAI3. mengingattitik lebur U02 sekitar1000"C? c. KondUktivitas panas seramik menurun dengan kenaikansuhu(298-673K)sedangkannaik untuk Sugondo: ..}. Suhu 40(j'C adalah suhu kemampuanolaf. logamVAI3. suhu lasa keramik VOl. Jadi suhu 400"C adalah suhu dimana UO] masih bersifat DAFTAR PUSTAKA keramik, sedangkansuhu yang lebih besar kemungkinanUO] sudah bersifat elektrolit. GOLD SMITH L.A and DOUGLAS I.A.M, Pada suhu 40(j'C memangbelum mencapai Measurementsof the Thermal Conductivity of sasaransuhuoperasireaktor. ISSN 0216-3128
Kimia Nuklir
Sugondo,dkk
,.
Bambang
Supardiyono
:
» Perlu dicantumkan nilai ketidakpastian perhitungan sehingga dapat diketahui akurasi basilperhitungankonduktivitaspanas(K). Sugondo: -<>-Nilai ketidakpastian dapat dilihat dari harga ?, untuk UO2 pada gambar-l, U3O8pada gambar-2, dan UAlx pada gambar-3.
Sugondo,dkk
Kimia Nluklir
ISSN 0216-3128
