ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
KARAKTERISTIK
HASIL IMOBILISASI LIMBAH RADIOAKTIF P ADA T DARI INSTALASI RADIOMETALURGI
Aisyah, Herlan Martono, Mirawaty Pusat Teknologi Limbah Radioaktif, BAT AN ABSTRAK KARAKTERISTIK HASIL IMOBILISASI LIMBAH RADIOAKTIF PADAT DARI INSTALASI RADIOMET ALURGI. Pada pengujian bahan bakar paska iradiasi di Instalasi Radiometalurgi timbul Iimbah padat yang dikategorikan sebagai limbah transuranium. Limbah ini mengandung radionuklida Np dengan waktu paro panjang yang memerlukan pengelolaan dengan tingkat keselamatan yang tinggi. Imobilisasi limbah ini dilakukan dengan polimer. Telah dilakukan penelitian penggunaan resin epoksi sebagai bahan matriks untuk imobilisasi Iimbah padat transuranium sebagai fungsi kandungan Iimbah, yaitu 10, 20, 30, 40, 50, dan 60 % berat. Limbah padat transuranium simulasi dibuat berupa abu dari kertas yang mengandung radionuklida transuranium. Karakteristik penting yang dipelajari adalah densitas, kuat tekan dan laju lindih dari blok polimer-Iimbah hasil imobilisasi. Pengukuran densitas dilakukan dengan mengukur berat spesifik, sedangkan kuat tekan dan laju Iindih masing-masing dilakukan dengan alat uji tekan Paul Weber dan alat uji lindih sokhlet. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kandungan limbah semakin tinggi, maka densitas dan laju lindih blok polimer-limbah makin besar, tetapi kuat tekannya semakin turun. Kandungan limbah maksimum 30 %berat akan menghasilkan karakteristik blok polimer-limbah yang terbaik ABSTRACT THE CHARACTERISTIC OF IMMOBILIZED SOLID RADIOACTIVE WASTE FROM RADIOMET ALURGY INST ALLA TION. Testing of irradiated waste spent fuel in Radiometallurgy Installation generated transuranic solid waste which contain Np radio-nuclide which has long half lives that needs to be managed with high safely level. The immobilization of this kind of waste is carried out by using polymer. Research using epoxy resin for matrix material for immobilization of transuranic waste on the basis of waste loading has been done, i.e.: 10,20,30,40, 50, and 60 weight percent. The simulated of trans uranium waste is made by ash form from paper that containing transuranic radionuclide. The main characteristic of bulk product of immobilized polymer waste was determined for its density, compressive strength and leaching rates was studied. The density was determined by measuring its specific weight, the compressive strength was measured with Paul Weber compactor and the leaching rates was determined by soxhlet apparatus. The research shows that the higher the waste loading, results in the higher the density and the leaching rates, and as well the lower the compressive strength. The maximum of 30 weigh percent of waste loading gives the best characteristic of bulk of polymer waste
PENDAHULUAN Pada saat ini teknologi bidang
kesehatan,
pertanian,
Pembangkit
Tenaga
ditimbulkan
sejumlah
lingkungan.Pada yaitu
limbah
aktivitas
limbah
berasal
Nuklir
industri (PLTN)
limbah
bahan tinggi
yang
dari Instalasi
bakar
yang
bekas
adalah
harus
Radiometalurgi
bahkan
dikelola
Indonesia
tidak
bahan
dikategorikan
dan
secara luas dalam berbagai
di Indonesia.
saat ini pula, strategi
terbuka,
pula
nuklir telah dipakai
tidak
lama
Sejalan
dengan
dengan
baik,
baik berupa
54
Pusat
itu tentunya
daur
(reprocessing),
transuranium limbah
Selain
bagi
akan
dalam daur bahan bakar nuklir adalah ulang
aman
berdiri
akan
dan
diproses
limbah
hal
seperti
manusia
bakar bekas itu sendiri.
sebagai
lagi
bidang,
sehingga
sebagai
itu di BAT AN terdapat
(TRU)
padat maupun
yaitu limbah
limbah
yang
cair, limbah
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian oon Kegiatan PTLR Tahun 2006
yang timbul dari produksi Mo-99 di Instalasi Produksi Radioisotop (IPR), dan limbah dari PT. Batan Teknologi. Di Instalasi Radiometalurgi (IRM), limbah padat TRU yang timbul mempunyai aktivitas total 1,965 Bq/Ilg, dengan jumlah yang relatif sedikit dan sampai saat ini limbah tersebut masih tersimpan dalam hot cell. Limbah padat TRU dari IRM berupa logam, kertas merang dan kertas tisu yang terkontaminasi radionuklida TRU. Limbah ini timbul pada pengujian bahan bakar paska iradiasi seperti proses pemotongan, pemolesan untuk keperJuan metalografi. Untuk keperluan proses pengolahan, Iimbah TRU ini dipisahkan sesuai dengan jenisnya. Limbah logam dapat diproses dengan melting process yang menghasilkan logam non radioaktif dan radionuklida. Limbah padat terbakar yang berupa kertas dilakukan proses reduksi volume dengan dibakar dalam insenerator, sehingga diperoleh abu dan kemudian abu diimobilisasi dengan polimer. Limbah padat transuranium dari IRM mempunyai karakteristik seperti yang disajikan pada Tabel 1. Tabel I. Komposisi Iimbah padat TRU dari IRM (hasil analisis IRM). 12 Padat 97810 Radionuklida Radionuklida Limbah NoLimbah Padat 11 RUlUb Ra226 Cs --0.0989 EuD4 Br~L CdlU'I Cel44 CSU4 CobU CoYI BaUl lJ7 0.0033 0.0139 0.073 0.0012 0.0392 0.0330 0.0276 1.6737 No NpLJI 1,965 Bq/Ilg Aktivitas (Bq/~)
laboratorium
Dalam Tabel 1 terJihat bahwa radionuklida TRU yang terdeteksi dalam limbah adalah Neptunium, sedangkan radionuklida yang dominan adalah Cesium. Meskipun aktivitas radionuklida Np relatif kecil dibandingkan dengan radionuklida yang lainnya, namun Np ini mempunyai waktu paro yang cukup panjang yaitu 2,14 juta tahun [2]. Oleh karena itu Iimbah ini perlu penanganan dengan tingkat keselamatan yang tinggi. Sesuai dengan standar
Intematioanl Atomic Energy Agency (IAEA) proses
imobilisasi limbah TRU dilakukan dengan polimer [3]. Gelas tidak dapat digunakan untuk imobilisasi limbah TRU karena, jika
kandungan PU02 melebihi 4% berat akan terjadi
pemisahan fase. Demikian pula semen tidak dapat digunakan karena umur semen lebih pendek dibandingkan umur radionuklida dalam Iimbah TRU. Dari segi pembuatan polimer yang eksotermis lebih sederhana dibandingkan gelas. Ada beberapa jenis polimer yang telah dipelajari sebagai bahan matriks untuk imobilisasi limbah TRU seperti poliester stiren, epoksi akrilat, stiren divinil benzena dan resin epoksi [4]
55
ISSN 0852 - 2979
Has;1 Penelit;an don Kegiatan PTLR Tahun 2006
Oalam penelitian imobilisasi
ini digunakan
polimer resin epoksi sebagai bahan matriks untuk
limbah TRU. Resin epoksi merupakan
digunakan
salah satu jenis polimer
yang banyak
sebagai material struktur. Resin epoksi terbentuk dari reaksi antara epiklorohidrin
dengan biphenilpropana
(bisphenol A) dengan reaksi sebagai berikut [5]:
CH3
(n +
-0-1-0-
1) HO
?
#
\
\ #
(n
OH
H + 2) H2C-C-CH2CI
+
CH3 bisfenol A
Pembentukan
epiklorohidrin
epoksi oleh reaksi bisfenol A dan epiklorohidrin
Resin epoksi memiliki tahan terhadap
~
\/o
sifat yang unggul diantaranya
kekuatan
mekanik yang bagus,
bahan kimia, adesif, mudah diproses dan proses curing berlangsung
reaksi polimerisasi
yang bersifat eksotermis.
Berdasarkan
pada keunggulan
dengan
ini, maka resin
epoksi dipilih untuk imobilisasi limbah TRU. Penelitian
ini bertujuan
sehingga diperoleh limbah
yang
kandungan
untuk memperoleh
karakteristik
dipelajari
blok polimer-limbah
adalah
densitas,
limbah (waste loading).
Oensitas
yang baik. Karakteristik
blok polimer
dan laju pelindihan
sebagai
fungsi
limbah padat TRU simulasi yang dipelajari
radionuklida
salah satu karakteristik
dibutuhkan
untuk
memprediksi
sementara (interim storage), dan penyimpanan Kuat tekan adalah dibagi dengan
gaya maksimum
luas permukaan
TRU simulasi,
yaitu dengan mengganti
karakteristik
penting
keselamatan
penanganan,
transportasi
Laju pelindihan untuk mengevaluasi meminimalkan laju
untuk
untuk menentukan keselamatan
yang dibutuhkan tekanan.
mengevaluasi
dan penyimpanan
limbah hasil imobilisasi,
pelindihan
dapat
transportasi,
penyimpanan
untuk menghancurkan
benturan
dilakukan
blok polimer-limbah
yang penting limbah adalah
yang ada dalam limbah ke lingkungan. dengan
56
agar menjamin
lestarinya [6].
karena tujuan akhir imobilisasi
radionuklida
benda
Kuat tekan blok polimer-limbah besamya
merupakan salah satu karakteristik
potensi terlepasnya
kualitas blok polimer-
lestarinya [7].
yang mendapat
merupakan
mengukur
yang optimal
Np dengan Ce [6].
Oensitas merupakan limbah.
polimer-limbah
kuat tekan
Sedangkan
dalam bentuk abu yang mengandung radionuklida
komposisi
dua
metode
yaitu
laju
Untuk
pelindihan
ISSN 0852 - 2979
Hasil Pene/itian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
dipereepat
dan laju pelindihan jangka panjang. Laju pelindihan
penelitian
jangka
kualitas
untuk meneliti
hasil imobilisasi.
pelindihan jangka
pendek
Pengujian
dengan eara mengekstrak
panjang
dilakukan
pengaruh
beberapa
ini menggunakan
suhu
dipereepat
digunakan
parameter
dan mengevaluasi
100°C
guna mempereepat
sampel dengan alat sokhlet. Pengujian
menggunakan
ukuran
simulasi kondisi lingkungan dalam penyimpanan
polimer
untuk
laju pelindihan
limbah yang sesungguhnya
dan
lestari. [8,9].
TAT A KERJA Bahan Dalam penelitian ini digunakan bahan: 1.
Polimer jenis resin epoksi, yang dibeli dari pasaran dengan merk dagang EPOSIR.
2.
Limbah padat simulasi yang berupa kertas merang
3.
Cesium Chloride (CsCl) dari Merck dan Cerium Oxide (Ce02) dari Sigma Chern. Co.
Metode Limbah
padat
TRU
menjadi abu dan kemudian dengan meneampur
simulasi
dieampur
dibuat
dengan
membakar
kertas
merang
dengan CsCI dan Ce02. Proses imobilisasi
sampai
dilakukan
resin epoksi, pengeras (hardener) dengan limbah simulasi yang berbentuk
abu dengan kandungan
limbah 0, 10 , 20, 30 , 40, 50 dan 60 % berat. Campuran
limbah diaduk sampai
homogen
silinder dengan diameter
kemudian
dimasukkan
ke dalam eetakan yang berbentuk
29,5 mm dan tinggi 24,5 mm dan dibiarkan
proses curing. Karakterisasi
polimer-
dilakukan terhadap polimer-limbah
selama 8 jam untuk
yang telah mengeras dengan
mengukur densitas, kuat tekan dan laju pelindihannya.
Pengujian 1.
Pengukuran
densitas dilakukan
dengan mengukur volume dan berat contoh polimer-
limbah yang dibuat dengan ukuran 2x2x2 em. Densitas blok polimer-limbah
dihitung
dengan persamaan:
m
p=-V
dimana: p = berat jenis (gram cm-\
m = massa contoh (gram), v = volume
contoh
(em3) [7].
2. Uji Tekan dilakukan dengan alat tekan Paul Weber. Contoh polimer-Iimbah dengan ukuran 2x2x2 cm polimer-Iimbah
dihitung
(j c =
dan dilakukan penekanan
dengan persamaan:
p maks ~-_.
A
57
dibuat
sampai pecah. Kekuatan tekan
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
dimana
adalah kekuatan tekan (kN/em2);
O'c
beban tekanan maksimum
Pmaks:
(kN);
dan A adalah luas penampang mula-mula (em2) [8] 3
Laju pelindihan pelindihan em
dilakukan
dipereepat
dimasukkan
Japan Industrial Standard (JIS) , yaitu
dalam medium air. Contoh gelas-limbah
laju
dengan ukuran 2x2x2
dalam basket dan dipasang pada alat sokhlet untuk direfluks dengan
air suling pada suhu 100 eontoh
menurut
°c selama 24 jam Laju pelindihan dihitung berdasarkan berat
yang hilang dengan persamaan [8,9]:
L _Wo-w, A.[
R -
dimana:
LR
(em2 g-I), Wo (g) dan t
laju
: :
pelindihan
(g em-2 hari-I), A:
luas permukaan
berat eontoh sebelum dilindih (g), WI
eontoh
: berat eontoh sesudah dilindih
: waktu pelindihan (hari)
HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar I menunjukkan limbah hasil imobilisasi. maka akan memperbesar dengan
Dari Gambar
dihasilkan
meningkat,
besar. Jadi dapat dikatakan
mengakibatkan
I tampak bahwa semakin
densitas blok polimer-limbah.
berat atom ysng besar
semakin
pengaruh kandungan limbah terhadap densitas blok polimer-
pengurangan
besar kandungan
Hal ini karena persentase
sehingga
densitas
kandungan
bahan polimer epoksi dalam proses imobilisasi,
suatu bentuk blok polimer-limbah
antara kandungan limbah dan densitas
yang mempunyai
menurut persamaan
y
_
1,4
u
1
IV
•..
E2 0,8 I/)
~
I/)
0,6
cg 0,4 0,2 o o
10
20
30
40
Kandungan Limbah
50 (%
60
70
be rat)
Gambar 1. Pengaruh kandungan limbah terhadap densitas polimer-limbah hasil imobilisasi
58
limbah akan sehingga akan
= 6E-05x2 + 0.0039x + 0.9262.
E 1,2 E
akan
berat jenis tinggi. Hubungan
1,6
'?
unsur-unsur
blok polimer-limbah
bahwa dengan penambahan
limbah
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
Gambar 2 menyajikan hubungan antara kandungan limbah dengan kuat tekan blok polimer limbah hasil imobilisasi. Semakin besar kandungan limbah maka semakin kecil kuat tekannya. Hal ini terjadi karena polimer epoksi mempunyai struktur linier. Adanya persentase limbah yang semakin besar maka persentase polimemya semakin sedikit. Ini berarti rantai polimer yang terbentuk semakin pendek. Dengan rantai polimer yang semakin pendek dan volume blok polimer-limbah yang semakin besar maka tiap lapisan rantai polimer tidak cukup mengungkung limbah, sehingga kekuatan tekannya semakin menurun. Hubungan antara kandungan limbah dengan kuat tekan menurut persamaan y = 0.0004x2
z
0.0854x + 7.6048
8 10 40 20 30 60 50 70
ns ~= ~£I cE- 052413 ~•.. ..If::
Kandungan Limbah (% berat)
-
«76
0 7 ~
Y= 0.0004,{ - 0.0854x + 7.6048
Gambar 2. Pengaruh kandungan kimbah terhadap kuat tekan polimer-limbah hasil imobilisasi Gambar 3 menyajikan hubungan antara kandungan limbah dengan laju lindih. Semakin besar kandungan limbah semakin besar pula laju pelindihan. Hal ini terjadi karena adanya peningkatan kandungan limbah akan mengurangi kemampuan ikat polimer epoksi terhadap radionuklida dalam limbah. Jumlah satuan volume tertentu dalam kerangka polimer ditempati oleh radionuklida
yang banyak jumlahnya sehingga ikatan polimer terhadap
radionuklida akan melemah. Ikatan radionuklida yang lemah dalam kerangka polimer akan mengakibatkan radionuklida mudah terlepas ke luar pada saat uji pelindihan. Hal ini juga disebabkan
konsentrasi unsur-unsur dalam rongga antara ikatan polimer makin besar
sehingga perbedaan konsentrasi sebagai gaya dorong proses difusi menjadi lebih besar. Hubungan antara kandungan limbah dengan laju lindih untuk limbah berbentuk abu sesuai dengan persamaan y = 8E-05x2
-
0.0008x - 0.002
59
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
0,3
0,10 -- 0,2 u .9 :s ...J c'C 'Iii' ' :::i eEJ: 0,15 ~ ~=E 0005 0,25
";"
y = 8E-D5Jt - 0.0008x
10
20
30
- 0.002 ••
40
50
60
70
Kandungan Limbah (% berat)
Gambar 3. Pengaruh kandungan limbah terhadap laju lindih polimer-limbah hasil imobilisasi Dalam suatu proses pengolahan limbah ada beberapa hal yang menjadi pertimbangan yaitu
hasil pengolahan yang memenuhi persyaratan, proses sederhana sehingga dapat
diterapkan di lnstalasi Pengolahan Limbah (IPLR) dan tentunya ekonomis. Kandungan limbah yang besar sudah barang tentu akan lebih ekonomis, namun karakteristik polimer limbah yang dihasilkan cenderung menurun. Demikian pula sebaliknya karakteristik polimerlimbah yang baik dapat diperoleh pada proses dengan kandungan limbah yang lebih rendah. Tujuan pengolahan limbah radioaktif adalah mengungkung radionuklida dalam bahan matriks tertentu sehingga meminimalkan
potensi pelepasan radionuklida ke lingkungan, Pada
kandungan limbah lebih besar 30 % berat terjadi kenaikan nilai laju lindih yang cukup besar, sehingga mempunyai potensi pelepasan radionuklida ke lingkungan yang lebih besar. Oleh karena itu pengolahan
limbah transuranium ini akan memberikan karakteristik
hasil
imobilisasi yang optimal pada kandungan limbah maksimum 30 % berat. KESIMPULAN
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa reduksi volume limbah padat TRU yang timbul dari pengujian bahan bakar paska iradiasi dari IRM lebih baik dilakukan dengan membakar limbah tersebut sampai menjadi abu dan kemudian abu diimobilisasi dengan polimer. Resin epoksi mempunyai kemampuan yang baik sebagai bahan matriks untuk imobilisasi limbah padat TRU, karena karakteristik polimer limbah yang dihasilkan cukup baik. Kandungan
limbah maksimum 30 %berat akan memberikan
karakteristik hasil imobilisasi seperti densitas, kuat tekan dan laju lindih yang optimal dengan proses cukup ekonomis.
60
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian clan Kegiatan PTLR Tahun 2006
DAFTAR PUSTAKA
1. AISYAH, Pengaruh Keasaman Dan Kandungan Limbah Pada Imobilisasi Limbah TRU Dari Instalasi Radiometalurgi Dengan Polimer, Hasil Penelitian Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif 2003, P2PLR, Jakarta, 2004 2. M.M.EL.W AKIL, Nuclear Power Engineering, McGraw-Hill Book Company, Inc, USA, 1962 3. IAEA; Treatment of Alpha Bearing Waste, Technical Reports Series No.287, IAEA, Viena, 1988 4. AISYAH,
Penggunaan
Beberapa
Jenis
Polimer
Untuk
Imobilisasi
Limbah
Transuranium, Laporan Teknis, 2004 5. JOEL R. FRIED. "Polymer Science and Technology". Prentice-Hall Inc. USA, 1995 6. HERLAN MARTONO, AISYAH, Pengaruh Kandungan Radionuklida Hasil Belah Terhadap Sifat Fisika Dan Kimia Gelas-Limbah, Prosiding Seminar Nasional Kimia Dan Kongres Nasional Himpunan Kimia Indonesia, Pusat Penelitian Kimia - LIPI Dan Himpunan Kimia Indonesia, Jakarta 22 Februari 2006. 7. AISYAH, HERLAN MARTONO, Pengaruh Kadar Silika Dalam Glass Frit Terhadap Densitas, Titik Leleh Dan Koefisien Muai Panjang Gelas-Limbah, Prosiding Seminar Nasional Kimia Dan Kongres Nasional Himpunan Kimia Indonesia, Pusat Penelitian Kimia - LIPI Dan Himpunan Kimia Indonesia, Jakarta 22 Februari 2006. 8. HERLAN MARTONO, AISYAH, Pengaruh Kandungan Radionuklida Hasil Belah Terhadap Sifat Fisika Dan Kimia Gelas-Limbah, Prosiding Seminar Nasional Kimia Dan Kongres Nasional Himpunan Kimia Indonesia, Pusat Penelitian Kimia - LIPI Dan Himpunan Kimia Indonesia, Jakarta 22 Februari 2006. 9. AISYAH, GUSTRI, MIRA WATY, Pengolahan Limbah Transuranium Dari Instalasi Radiometalurgi
Dengan
Media Polimer
Super Adsorben,
Jumal
Teknologi
Pengelolaan Limbah Volume 8 Nomor I Juni 2005, ISSN 1410-9565, P2PLRBAT AN.
61
