ISSN 0854 - 5561
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009
PENGUTIAN HASn. PROSES DENSITAS HYDRIDING-DEHYDRIDING DAN FRAKSI SERBUK PADUAN LOGAM U-Zr Aminhar, Mujinem ABSTRAK PENGUJIAN DENSITAS DAN FRAKSI SERBUK HASIL HYDRIDING - DEHYDRIDING PADUAN LOGAM U-Zr. Analisis densitas dan fraksi serbuk hasil proses hydridingdehydriding menggunakan alat ultrapyenometer 1200-e dan vibrosieve. Tujuan pengujian ini untuk mengetahui densitas serbuk U-Zr yang akan digunakan sebagai data input (masukan) pad a pembuatan bahan bakar U-Zr. Hasil pengujian menunjukkan bahwa semakin tinggi kadar Zr mengakibatkan semakin rendah nilai densitas U-Zr. Pada 2% Zr, serbuk U-Zr mempunyai nilai densitas sebesar 18,5918 glee akan menjadi 17,2776 glee pada 6% Zr Kata kunei : U-Zr, Hydriding-Dehydriding,
Fraksi Serbuk.
PENDAHULUAN Pengembangan bahan bakar reaktor riset ditujukan untuk memperoleh paduan uranium yang mempunyai densitas tinggi, agar jumlah uranium yang bisa ditambahkan ke dalam bahan bakar tiap satuan volume menjadi lebih besar. BeberaRa jenis paduan uranium dikembangkan untuk maksud tersebut, diantaranya adalah paduan U-Zr( ). Paduan U-Zr dibuat dengan eara melebur logam U dan Zr di dalam tungku peleburan busur listrik. Paduan U-Zr tersebut kemudian dilakukan proses hydriding - dehydriding dan hasilnya berupa serbuk. Serbuk tersebut dikenai berbagai pengujian untuk mengetahui karakteristiknya, seperti sifat mekanik, mikrostruktur, fisik, dan kimia. Karakteristik bahan bakar tersebut dalam pereobaan yang akan dilakukan diantaranya adalah sifat fisik, dim ana uji sifat fisis yaitu uji densitas dan ukuran butir. Pengujian fraksi (ukuran butir) dapat ditentukan dengan alat Vibrosieve. Vibrosieve. Pengujian fraksi ini merupakan suatu metode untuk menganalisis distribusi ukuran butir dengan menggunakan alat ukur ayakan dengan berbagai variasi dan proses analisisnya dipereepat dengan bantuan energi getar I vibrasi. Ayakan disusun berdasarkan ukuran diameternya, paling atas dengan ukuran terbesar. Partikel yang akan dianalisis ditempatkan pada susunan ayakan paling atas. Setelah pengayakan, partikel akan terpisah sesuai dengan interval ukurannya masing-masing. Sementara itu pengujian densitas dapat ditentukan dengan alat Ultrapyeno-meter1200-e merk Quantaehrome. Prinsip kerja alat ini berdasarkan hukum gas ideal PV = nRT, yaitu volume sample ditentukan dengan pengukuran variasi tekanan gas yang dihasilkan dari setiap operasi penetrasi gas dengan tekanan awal sama yang dikerjakan pada suhu tetap. Dengan mengukur variasi tekanan gas yang dihasilkan pada sa at operasi wadah kosong dan tekanan gas yang dihasilkan pad a saat operasi sam pel, maka volume sampel dapat ditentukan. Densitas diperoleh dengan eara membandingkan besaran berat sam pel terhadap data volume sam pel yang diperoleh pad a analisis. Ketepatan hasil analisis densitas serbuk ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain : kondisi awal serbuk dan kondisi operasi analisis seperti waktu kesetimbangan, volume atau berat sam pel, tekanan (P) target dan wadah sam pel (Ve) yang dipilih(2)(3). Selain beberapa faktor yang disebutkan di atas faktor lain yang tak kalah pentingnya adalah peralatan yang digunakan harus terbebas dari debu atau lemak yang menempel yang memungkinkan juga memberi sumbangan kesalahan analisis. Tujuan dari kegiatan ini adalah untuk memperoleh nilai densitas serbuk U-Zr yang akan digunakan sebagai data dalam membuat bahan bakar.
60
HasH-hasH Penelitian EBN Tahun 2009
ISSN 0854 - 5561
TEORI Alat Ultrapycnometer 1200e adalah alat penentu densitas sam pel padat bermacam jenis mineral seperti: alumina, silika, keramik, semen, katalis, logam, plastik dll. Oalam analisis ini digunakan gas helium, karena sifat-sifatnya yang sesuai untuk teknik pengukuran densitas dan ukuran molekul gas helium kecH yaitu 0.2 nm. Hal ini memungkinkan terjadinya penetrasi gas helium ke dalam pori-pori sampel yang lebih baik sehingga hasil pengukuran volume lebih akurat. Prinsip kerja alat didasarkan pada hukum gas ideal PV = nRT, yaitu volume sam pel ditentukan dengan pengukuran variasi tekanan gas yang dihasilkan dari setiap operasi penetrasi gas yang bertekanan awal sama yang dikerjakan pada suhu tetap. Volume sam pel dapat ditentukan dengan mengukur variasi tekanan gas yang dihasilkan pada sa at operasi wadah kosong dan tekanan gas yang dihasilkan pada sa at operasi sam pel. Oensitas diperoleh dengan cara membandingkan besaran berat sampel terhadap data volume sam pel yang diperoleh pada analisis. Prinsip kerja dan teknik pengukuran sam pel dapat dilihat pada blok diagram alat seperti pada Gambar 1, dan penjabaran rumusan hukum gas ideal adalah sebagai berikut: ~ Kondisi awal wadah sam pel ketika valve dibuka pada kondisi lingkungan setelah pembersihan dengan gas helium adalah : (1) Pa V c = n R Ta ~ Kondisi wadah sam pel bila sejumlah sam pel dengan volume sebesar Vp dimasukkan maka, (2) Pa (Vc - V P ) = n1 R Ta ~ Sa at tekanan diposisikan di atas tekanan lingkungan dengan membuka valve gas helium P2 (V c - V P ) = n2 R Ta ( 3) ~ Kondisi ketika valve penghubung wadah sam pel dan volume added ( V-added) dibuka maka tekanan akan turun menjadi P3 P3 (V c - V P + Va ) = n2 R Ta + na R Ta (4) ~ Selanjutnya PaVa dapat digunakan untuk menggantikan naRTa, sehingga P3 (V c - V P + VA ) = n2 R Ta + PaVA ••••• (5) ~ Substitusi P2 (Vc - Vp) untuk n2RTa, menghasilkan P3 (V c - Vp + VA ) = P2 (Vc - Vp) + Pa VA (6) atau
............. (7)
~ Lalu direduksi dengan menambahkan dan mengurangkan Vp
=
CRI1..-..P3) VA
Vc _.
( P3 - Pa) - (Pl - Pa)
= Vc +
dengan Pa pad a
VA
1 _ Pl - Pa
P3 - P ~ Sehingga, rumus yang berlaku untuk Ultrapycnometer 120d'e adalah
V
+
- V p -
c
dengan : Vp = Volume Vc = volume Va = volume P2 = tekanan P3 = tekanan
VA
1 - (Pl1
P3)
(9)
sample sel dalam keadaan tertutup added sa at tekanan dinaikkan diatas tekanan ambient saat valve volume added dibuka
61
P2
dan
(8)
P3,
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009
ISSN 0854 - 5561
Evacuation needle
rate
valve
Pressure Transducer
Relief valve
Vent
Rller
vceII-~-~14-Vasmail
-1>
Va large
Gambar 1. Blok diagram alat U1trapycnometer 1200-e
TATA KERJA 1. Alat yang digunakan Seperangkat alat Ultrapycnometer 1200-e (dua unit Ultrapyc, neraca analitik dan komputer), tissue, sarung tangan karet, cawan porselin, desikator, glove-box dan Vibrosieve 2. Bahan yang digunakan Serbuk U-Zr
(2 %, 6 %,10 %,14 %.55 %) dan gas Helium UHP
3. Cara Kerja Pengujian densitas dengan
Ultrapycnometer
1200-e
-
Pemanasan alat : Alat dihidupkan, dengan dialiri gas helium pad a tekanan 19 psi, ditunggu alat sampai stabil minimal 30 menit.
-
Diatur parameter sample dan parameter analisis me liputi: tekanan (P) target, equilibrium time, Flow of Purge, Max runs, Number of Runs Average and Deviation Requested
-
Kemudian serb uk U-2%Zr ditimbang. Dimasukkan ke dalam wadah sampet Vc Small kemudian pindahkan ke alat. Ditekan tombol RUN (angka 1), lalu ditekan kembali tombol Start (angka 3), alat U1trapycnometer 1200-e akan menganalisis sam pel secara automatis. Hasil ana lisis akan terbaca pad a layar monitor (komputer).
-
Diulangi pekerjaan analisis untuk sam pel U-6%Zr,
U-10%Zr, U-14%Zr dan U-55%Zr
Pengujian Fraksi ukuran butir dengan Vibrosieve 100 gram serbuk U-6%Zr ditimbang, kemudian ditempatkan Sieve yang dioperasikan di dalam Glove Box.
pada bagian atas ayakan
-
Waktu pengayakan diatur selama 2 jam dengan kecepatan dipilih kontiniu. Operasi pengayakan dimulai
-
Setelah pengayakan, fraksi-fraksi serbuk dikeluarkan dari penampung-penampung
-
Semua fraksi ditimbang dengan neraca analitis dan % berat (w/o) setiap fraksi ditentukan.
62
Vibro
skala 40 dan jenis ayakannya ayakan
ISSN 0854 - 5561
-
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009
Batas penerimaan untuk kontrol grain ditetapkan bahwa serbuk terayak seeara sempurna dengan melewatkannya melalui ayakan 125 mikron 0 %, tidak kurang dari 75 % melalui ayakan 90 mikron dan tidak kurang dari 25 % melalui ayakan 40 mikron. Diulangi pekerjaan analisis untuk sam pel
U-10%Zr.
HASIL DAN PEMBAHASAN Serbuk U-Zr hasil proses hydriding-dehydriding paduan U-Zr dilakukan pengujian densitas menggunakan alat Ultrapycnometer, sedangkan untuk pengujian fraksi butir menggunakan alat Vibrosieve. Hasil analisis pengujian densitas ditampilkan pada Tabel 1, sedangkan hasil analisis pengujian fraksi butir ditampilkan pad a Tabel 2
Tabel 1. Hasil pengujian densitas serbuk U-Zr (a)
U%Zr Zr Berat U-10 U- 55 14 60,8053 % % Zr Zr U2 % 10,9659 9,3014 Hasil Uii 0,6677 0,7050 0,6365 0,6347 17,2776 7,4907 16,9118 15,1303 11,2916 10,6674 18,5918 11,8334 Densitas (glee) Kode Sam Volume (ee) pel
Sam pel
Dari Tabel 1 terlihat serbuk U-Zr hasil proses hydriding-dehydriding paduan U-Zr apabila kadar Zr bertambah maka nilai densitas U-Zr berkurang, misalnya pada kadar Zr sebesar 2% serbuk U-Zr mempunyai densitas sebesar 18,5918 glee, akan menjadi sebesar 17,2776 glee apabila kadar Zr menjadi 6%. Demikian pula untuk kadar Zr yang lain, akan mengalami keeenderungan yang sarna apabila Zr bertambah. Hal ini dapat dipahami, karena densitas U murni lebih besar dibandingkan logam Zr murni. Logam U murni mempunyai densitas kira-kira sebesar 19,06 glee sedangkan Zr sebesar 7,89 glee. Dengan demikian, penambahan Zr yang semakin besar akan menjadikan jumlah logam U berkurang sehingga densitas U-Zr menjadi berkurang.
Tabel 2. Hasil pengujian fraksi U-Zr 10 % U-Zr 6 % 12,534 16,297 70,793 16,701 70,765 16,467 17,173 17,052 15,373 15,893 Sampel Sam 16,589 70,584 70,966 70,476 70,878 71,546 71,031 12,243 12,736 12,472 13,081 13,076 12,655 12,618 pelJJm serbuk Keterangan 40 Ayakan Ayakan 90 JJm Ayakan % massa yang terayak
No
63
serbuk U-Zr
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009
ISSN 0854 - 5561
Dari Tabel 2 terlihat diperoleh serbuk yang lolos ayakan 90 IJm mencapai rata-rata 70% dari total serbuk yang diayak baik untuk serbuk U-6% Zr maupun U-10% Zr. Untuk keperluan pembuatan bahan bakar dispersi, ukuran serbuk yang digunakan sebesar antara 40 hingga 901Jm.
KESIMPULAN Dari pengukuran densitas serbuk U-Zr hasil proses hydriding-dehydriding paduan U-Zr terlihat bila kadar Zr di dalam paduan bertambah maka densitasnya akan menurun. Hasil analisis pengujian densitas U- 2% Zr sebesar 18,5918 grIce, U- 6% Zr sebesar 17,2776 grIce, U-10% Zr sebesar 16,9118 grIce, U- 14% Zr sebesar 15,1303 gr/cc dan U- 55% Zr sebesar 9,3014 gr/cc. Dari pengujian Fraksi serbuk hasil pengayakan diperoleh serbuk yang lolos ayakan 90 IJm mencapai rata-rata 70% dari total serbuk yang diayak baik untuk serbuk U-6% Zr maupun U-10% Zr.
DAFT AR PUST AKA [1] KAUFMANN A. 1972. Nuclear Reactor Fuel Elements. Metallurgy And Fabrication, US Atomic Energy Commission. New York. Intersience Publisers, Jhon Wiley and Sons. [2] ANONIM, Operation Manual For Ultrapyc 1200-e, Quantachrome Instrument 1900 Corporate Drive, Boynton Beach Florida, 2008 [3] MUJINEM, dkk. Kalibrasi Alat Ultrapycnometer dengan Kalibrator Volum, 2009
64
