PEMBUA TAN DAN ANALISIS LOGAM mDRIDA PADUAN U- Th-Zr UNTUK PEMGEMBANGAN BAHAN BAKAR BARU Hadi Suwarno PusatPengembangan TeknologiBahanBakarNuklir donDaur Ulang,BATAN KawasanPuspiptekSerpong,Tangerang15310
ABSTRAK PEMBUATAN DAN ANALISIS LOGAM HIDRIDAPADUAN U.Th-lr UNTUK PEMGEMBANGANBAHAN BAKAR BARU. Untuk mempelajarisifat-2 logam paduan U-Th-Zr-H (komposisi atom (U,Th):Zr = 1:2), yang akan dipromosikansebagai bahan bakar nuklir, telah dilakukanpengukuranperubahandimensi dan beratlogam paduan akibat proseshidridasiserta analisis mikrostrukturlogam paduanU-Th-Zr-H. Proses hidridasi harus dilakukan pacta kondisi tertentu untuk menghindariterbentuknyasenyawa biner UH3, ThH2,dan Th.HI5. Hasil analisis mikrostrukturmenunjukkanbahwasebelumproses hidridasilogam paduanU-Th-Zr terdiri dari fasa rl-UZr2dan Th dan tidak dijumpaiadanyafasa Th-Zr. Setelahhidridasidihasilkansenyawastabil ThZr2H7.x dan ZrH2.Y,Hargax pada senyawaThZr2Hxdan y pactasenyawaZrHytergantungdari proses pembuatannya.Sementaraitu, logam U yang actadalam logam paduan U-Th-Zr-H terdispersi secara homogen diantara matriks fasa ThZr2Hxdan ZrHy. Proses hidridasi menimbulkanperubahanvolume spesimen maksimumsebesar dVN = 16,6 %. Logam paduan U-Th-Zr memiliki beratjenis yang tinggi, kestabilanfisik, dan dapatdipromosikansebagaibahanbakarbaru.
ABSTRACT SYNTHESISAND ANALYSIS OF METAL HYDRIDEU.Th.Zr ALLOY FOR THE DEVELOPMENTOF NEWFUEL ELEMENT.In order to study the propertiesof U-Th-Zr-H alloys (atomiccompositionsof (U,Th):Zr = 1:2), whichwill be used for nuclearfuels, changesin the dimensions and weights of the alloy on hydrogenationand microstructureanalysis of the alloys have been examined. Hydriding must be conductedunder specificconditionin order to avoid the formationof binary hydridesof UH3,ThH2,andTh4H15.Microstructureanalysisshowed that beforehydriding the U-Th-Zr alloys consistof o-UZr2and Th phases but no Th-Zr phaseswere performed.On hydriding,the stable compoundsidentifiedas ThZr2H7x and ZrH2-Y alloyswereobtained.The valuesof x and y in the compoundsdependon the hydridingconditions.On hydridingthe U metalin the alloy is dispersedhomogeneouslyamong the boundary of the ThZr2H7-x and ZrH2-Y alloys. Hydridingresultsin the volume change of the specimento maximumofdVN = 16.6%.The U-Th-Zr-H alloys exhibittheir highdensity,physicalstability,and can be promotedas a new type of nuclearfuel.
PENDAHULUAN Bahan bakar reaktor riset bentuk senyawa hidrida, U-ZrHx, telah digunakancukup lama di reaktor tipe TRIGA. Sejak awal pengembangannya sampaisaat ini telah dibuktikan bahwa bahan bakar hidrida ini memiliki karakteristik yang sangatspesiflk, khususnya memiliki faktor keamananmelekat yang berupa sifat reaktivitas negatif pada elevasi suhu reaktor. Bahan bakar U-ZrHx yang dikembangkanoleh GeneralAtomic berupa tipe dispersi, yaitu uranium terdispersi secara homogen sebagai logam
bebas di dalam matriks
zirkonium hidrida. Tidak ada informasi yang jelas tentangtara pembuatanbahanbakar TRIGA ini karena keterbatasanjurnal yang ada, meskipun teknologi TRIGA sudah cukup tua, yaitu dikembangkansejak tahun 1957 [1]. Pembuatanpaduan U-ZrHx ini sangat spesifikkarenatanpaperlakuankhususadanyahidrogen
paduan padat U-Zr berubah menjadi serbuk sebagai senyawabiller U-H clanZr-H. Logam paduanU- Th sudahcukup lama diteliti dalam bentuk oksida, karbida, dan beberapa logam paduandalamrangkapengembangan bahanbakarnuklir. Studi logam paduan U- Th-Zr-H dimaksudkan untuk mencari paduan uranium yang dapat dipromosikan sebagaibahanbakar barn tipe hidrida yang diharapkan memiliki karakteristik lebih baik, khususnya terhadap TRIGA. Substitusi Th oleh logam minor actinides memungkinkanpaduan ini dikembangkanpula sebagai fuel target. Analisis sifat fisis atas logam paduandiatas berupa pengukurandifusivitas panasdan konduktivitas panas bahan, oleh penulis, menunjukkanbahwa logam paduan memiliki kestabilanyang tinggi pada rentang suhusampai1173~, lebih baik dibanding dengansifat
akan menyebabkan terbentuknya senyawa UH3 daJl
~,
2ftJ~ 2000
133
p~
~ A~
~
termal UO2 yang telah umum dipakai sebagaibahan bakarreaktordaya[2]. Dalam makalah ini akan dibahas tara proses hidridasi logam paduan U- Th-Zr sedemikian rupa sehingga logam paduan padat tidak hancur menjadi serbuk yang diakibatkan oleh pembentukansenyawa biDerUH3,ThH2,dan~H1S, analisisperubahandimensi dan berat logam paduan sebelum dan setelah proses hidridasi, analisis dengan pendar sinar-X, dan basil pengamatan mikrostruktur. BAHAN DAN METODE Preparasispesimen LogarnpaduanU- Th-Zr dengankomposisiatom U:Th:Zr = 1:1:4, 1:2:6,2:1:6 daD 1:4:10 dibuat dengan menggunakantungku busurlistrik. KemumianU daDZr adalah 99,9%, sedangkanuntuk Th adalah 99,99%. Bahan logarn diperoleh dari Nuclear Fuel Industries, Jepang. Untuk menjarnin logam paduan basil leburan homogen,peleburandilakukan dengan5-7 kali proses lebur dalam suasanagas argon daD denganmembalik button basil leburan untuk setiapkali peleburan.Button kemudiandipotong-potongmenjadibentukbalok dengan dimensisekitar 5 x 5 x 6 mm3dan beratsekitarIg. Berat daD dimensi balok dimonitor sebelum dan sesudah hidridasi. Proseshidridasi Gambar 1 adalah diagramsederhanaperalatan untuk proses hidridasi, basil rancangansendiri yang mampu menghasilkantekanan vakum tinggi. Peralatan dibangun di the University of Tokyo,Jepang.Sebe:lum hidridasidilakukan sebuahspesimenU- Th-Zr berbentuk balok dibungkus dengan foil dari logam tungsten.
H~
p~
11-11.-2,. ~ p~~
~,
~ ~ H~ s...w~
Spesimen kemudian dimasukkan ke dalam tangki reaksi dan seluruh sistem divakumkan dengan kevakuman tinggi, berkisar 2-5 x 10-6 Pa, untuk menghilangkan kontaminan yang ada didalam sistim. Dalam sistim ini vakum tinggi dibangkitkan dari sebuah pompa turbo molecular yang digabung dengan sebuah pompa rotary. Dalam suasana vakum tinggi pemanas kemudian dioperasikan sampai suhu 1173 oK. Setelah suasana vakum pada suhu tinggi tercapai, kemudian proses hidridasi mulai dilakukan dengan memasukkan sejumlah hidrogen ke dalam sistem. Jumlah hidrogen yang diserap oleh logam paduan dihitung berdasarkan perubahan tekanan di dalam sistim dan pengukuran perubahan berat spesimen.
Pengamatanvisual danpengukurandimensi Pengamatanvisual dilakukan terhadap logam paduansebelumdan sesudahproseshidridasi. Dimensi paduan diukur dengan mikrometer digital dengan ketelitian 5 mikrometer dan berat ditimbang dengan tirnbangananalitis. PendarSinar-X Untuk menganalisislogampaduanbasil leburan sebelumdan setelahproses hidridasi digunakan mesin JEaL tipe JDX-3500,X-Ray Diffractometer,di Tohoku l.,niversity,Jepang.Analisis dilakukanpada suhukamar dandalambentukpadatan. Pengamatanmikrostruktur Setiap spesimen yang diuji dipoles dengan kertas SiC ukuran tingkat kekasaran400 -2000 dan mikrostruktur dianalisis dengan Mikroskop Sapuan Elektron (scanning electron microscopy), di Tohoku University,Jepang.
Gambar 1. Diagram sistim hidridasi -dehidridasi
134
~
zg J~ ZOOO
I
p~
~ A~
~
H~
p~
U-TI.-2. ~ Pl-o~
g..J.,... HU,;. ~ 5-tMo.D g
Spesimen hidrida yang diperoleh berdasarkan data tekanan maupun data penimbangan berat (sebagai kontrol) alas spesimen temyata mempunyai komposisi atom U:Th:Zr:H = 2:1:6:13.3, 1:1:4:9.5, 1:2:6:15.2, daD
HASIL DAN PEMBAHASAN Proseshidridasi Gambar 2 menampilkan urutan hidridasi terhadap spesimen dan data tekanan kesetimbangan
plateau (plateau pressure) untuk sistim M-MHx (M adalah logam)[3,4,5,6,7].Garis dengan label Th-ThHz menunjukkan tekanan plateau untuk kesetimbangan reaksi: Th + H2 = ThH2
(1)
Hila tekanan hidrogen di dalam sistem (Peq) berada di atas garis plateau ini maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan membentuk ThH2. Sebaliknya, hila tekanan hidrogen di dalam sistim lebih rendah maka ThH2 tidak akan terbentuk. Hal yang sarna berlaku pula untuk tekanan kesetimbangan sistem Zr-H. Untuk sistem Zr-H tampak bahwa reaksi kesetimbangan sistem Zr-H bervariasi dengan tekanan clansuhu. Dalam Gambar 2 ditampilkan pula sistem Th-Zr-H dalam bentuk kesetimbangan ThZr2- ThZr2H3 clan ThZr2H4. Data kesetimbangan ini diperoleh dari referensi [3], yaitu untuk ThZr2H4 dipilih pada komposisi konstan dengan rasio [H]:[M] = 4:3 clanmembentuk tekanan plateau pada rentang suhu 575 -1110 oK. Dari Gambar 2 tampak bahwa sistem temer Th-Zr-H dikelilingi oleh sistem biner Zr'-H clan Th-H. Untuk menghindari terbentuknya sistem biner clan untuk memacu pertumbuhan sistem temer Th-Zr-H, maka kondisi operasi proses hidridasi harus dipilih pada: P < Peq(Th-ThH2), P < P eq(ZrH-ZrHi.4), daD P> Peq(ThZr2-ThZr2H3),
1:4:10:27, seperti ditampilkan dalam Tabell. Dari label terlihat bahwa konsentrasi hidrogen didalam spesimen adalah sebagai fungsi dari suhu. Lagipula, spesimen menyerap hidrogen dalam jumlah yang hampir sarna untuk setiap tahap hidridasi. Sedikit perbedaan dijumpai dalam basil ini kemungkinan disebabkan oleh holding time yang berbeda untuk setiap percobaan, khususnya untuk spesimen dengan komposisi U:Th:Zr= 1:4:10. Lebih dari 40 spesimen telah dihidridasi daD memiliki basil yang mirip untuk setiap tahap proses hidridasi, yaitu pacta konsentrasi H/(Th+Zr) = :tl pacta tekanan 35 kPa, H/(Th+Zt) = :t1,2 pacta 75 kPa, daD H/(Th+Zr) = -tl,34 pacta 100 kPa, pactasuhu proses 1173 oK.
.:
1~
.
!:e:. ::':::'.
1E404,
~
.. 1E.03
~'
Titik1. 2,~'.5 ...,.. tilik-2 op.,..i
"" """
~r"ThZr'H'
ZrH-ZrH..",-"",h.ThH~ ThZr,H,
1E.02
~ 1E+O1I
0.8
I
0.9
Zr.ZrH.,
I
1
1.1
1.2
1.3
1000KIT
Gambar 2. Tahap operasi proses hidridasi ditampilkan bersama dengan garis kesetimbangan senyawa Th-H, Zr-H, dan Th-Zr-H [3,4,5,6,7]. Tabel1. Konsentrasi hidrogen di dalam spesimen pada tekanan yang bervariasi, pada 1173 oK, didinginkan menjadi 1073 oK dan 773 oK.
serta pada suhu 1173 oK, karena ThH2 clan ZrH2 terbentuk pada suhu di bawah 1173 oK [3,5]. Dengan mempertahankan kondisi ini maka kapasitas serapan hidrogen menjadi besar. Hal ini akan dibuktikan dengan pengamatan mikrostruktur bahwa senyawa biller Th-H tidak terbentuk. Juga, senyawa biDer U-H tidak terbentuk karena suhu operasi yang tinggi. Sementara itu zirkonium hidrida tetap terbentuk karena adanya kelebihan Zr untuk pembentukan senyawa temer ThZr2H7-x. Dari Gambar 2 tampak bahwa hidridasi dimulai pada tekanan 35 kPa kemudian dinaikkan menjadi 75 kPa clan akhimya menjadi 100 kPa, setelah kesetimbangan reaksi dicapai pada setiap saat. Dari seluruh percobaan diperoleh basil rasio H/(Th+Zr) hampir sarna pada setiap kondisi, seperti ditampilkan
dalamTabel1. Setelah hidridasi dengan tekanan yang bervariasi clansetelah tekanan 100 kPa dicapai kemudian sistem didinginkan secara bertahap sampai suhu 773 oK.
~I
IKompOSiSi PaduanI
x dalamMH.
Didinginkan menjadi
pada 1173 oK
(M)
35kPaI) I (TitiUt U : Th : Zr I (Titik 75kPa
~6
IOOkPa (Titik 3)
I
9;4Q
1073 oK
(Titik 4)
10 Komposisi
H/(Th+Zr)
Paduan
pada 1173 K
M U : Th : Zr
3S kPa
2:1: 6 I: I :4 I : 2: 6 I : 4 : 10 I:O~IO
, 0,98 1,10 1,12 0,9
2~J~ 2000
11
~(Iilik 5)
~1J.~
223M ~ ~
I rooK
!.?..1 11,2
~~ !.?:d27
Didinginkan menjadi
135
Pl...l.,~1L~ ~ ~
~
H~ p~
U-Tt.~ ~
p~~
~
~
g..,...
H~~~ Hasil pengamatansecara visual atas proses hidridasi ini menunjukkanbahwa logam paduantidak mengalamiprosespenyerbukandan tetap sebagailogam paduanmetalik. Hal ini sangatmenarikkarenameskipun hidrogen memilki sifat menghancurkanlogam melalui proses amorphisasi dan kristalisasi, namun dalam penelitianini ditunjukkanlogamtetapsolid. Perubahan berat, dimensi, daft densitas Tabel 2 memperlihatkan perubahan dimensi logam paduan akibat proses hidridasi pada suhu 1073 oK. Dalam tabel tersebut dL/L (%) adalah ekspansi rata-2 balok yang diukur perubahan panjangnya. dV N (%) adalah ekspansi volumetrik, daD dV/dw {cm3g-1 adalah rasio perubahan I volume per perubahan berat (setelah hidridasi). Rasio karena ekspansi bertambah secara linear dengan pertambahan kandungan thorium di dalam paduano Fasa-fasa yang terkandung di dalam logam paduan adalah ZrHz_xserta ThZrzH7-x, sedangkan logam U terdistribusi secara homogen diantara kedua senyawa hidrida tersebut, seperti ditunjukkan dalam pengamatan mikrostruktur. Linearitas pertambahan konsentrasi hidrogen di dalam logam paduan dengan pertambahan thorium dapat diekspresikan dengan persamaansbb:
H/U = 3,2 + 4,06Th/U
(2)
dengan data yang ditampilkan oleh Tabel 2 yang menunjukkan bahwa konsentrasi hidrogen di dalam logampaduanU-Zr lebih kecil dibanding denganU-ThZr. Analisisdifraksi sinar-X Gambar 3 clan 4 adalah hasil analisis dengan difraksi sinar-X. Dari Gambar 3 tampakbahwa proses peleburanmenyebabkansemuauraniumbereaksidengan zirkonium membentukrasao-UZr2' Hal ini dapatdilihat dari tidak adanya logam uranium yang terdeteksi. Sementarathorium bebasjuga terdeteksi.Tidak adanya senyawa Th-Zr yang terbentuk sepanjang proses peleburanmenunjukkanbahwa thorium memang tidak membentukrasabaru denganzirkonium [8]. Ada puncak sangatlemah terdeteksidi sini sebagaiThO2. Senyawa ini mungkin terbentuk selama proses peleburan berlangsungyangdisebabkanolehadanyaoksigensisadi dalamtungkulebur. Setelahproseshidridasidengankondisi tertentu rasa o-UZr2 berdekomposisimenjadi uranium bebas sedangkan zirkonium mengikat thorium membentuk biner hidrida sebagaiThZr2H7_x. Sedangkankelebihan zirkoniummengikathidrogenmembentuksenyawaZrH2Y' Hal ini akan terlihat jelas pada pengamatan mikrostruktur.
dengan anggapan bahwa hidrida yang terbentuk adalah ZrH1,6dan ThZr2H4,O6' Tabel 2. Perubahan dimensi dan berat karena hidridasi pada suhu 1073 oK.
U-Th-Zr-H 1:1:4:7,1 1:2:6:11,3 1:4:10:19,4 1:0:10:11,2
H/Th+Zr
~1&~
PerubahankarenaHidridasi dUL dVN dV/dW
N ~ ~
~~
1..12
~ ~ ~
~91
-.!:!!!L ~
16 1,8
~lL 29
Gambar 3. Difraksi sinar-X logam paduan U-Th-Zr.
Tabel 3. Densitas teoritis beberapa fasa terkait dan ekspansi teoritis setelah hidridasi.
Oensitas teoritis untuk ZrH2_y dan ThZr2H7-x dihitung dari data difraksi sinar-X untuk hidrida dan deuterida dalarn Ref. [3,5], sernentara ekspansi teoritis diperoleh dengan perkiraan. Hasil perhitungan yang ditarnpilkan dalarn Tabel 3 rnenunjukkan bahwa hidrogen yang diserap oleh paduan Th-Zr adalah lebih banyak dibanding dengan logarn Zr. Hal ini sesuai
136
~,
Sesuai dengan hasil analisis pendar sinar-X, hasil peleburanterdiri alas rasa stabil o-UZr2 dan Th bebas.Tidak adaTh yangbersenyawadenganZr. Hal ini
2gJ~ 2000
[2]. [8].
p~
.l A~
~
H~
P...l U-TI.-z. t../L P~~
E..t ~
800M.
HU;. 5..111,..,...
sesuaidengankaidah rasa untuk sistim Th-Zr [8], yaitu hanya sedikit kelarutanZr di dalam Th daD sebaliknya, daD itupun terjadi pada suhu yang tinggi. Gambar.5(a) adalahpaduanU:Th:Zr = 1:2:6denganpembesaran 5000 kali. Disini terlihat bahwahanyaada 2 rasautamayang denganEnergyDispersiveX-Ray Scanning(EDS) dapat diidentifikasi sebagai8-UZr2 (major component)yang ditunjukkan oleh warna gelap daD Th bebas yang ditunjukkanolehwarna.terang.Hal ini dapatdilihat lebih jelas pada Gambar5c, paduanU :Th:Zr = 2:1:6 dengan pembesaran10000 kali, dimana Th membentukseperti jaringan (warna terang) diantara rasa 8-UZr2 (warna gelap). Setelah proses hidridasi Th clan Zr membentuk senyawa stabil yang diidentifikasi sebagai senyawa ThZr2H7-x{ditunjukkan oleh warDa kelabu) clankelebihan Zr di dalam paduan membentuk ZrH2_y(warna gelap). Sementara itu uranium, ditunjukkan oleh WarDaterang, memisah dari senyawa stabil 8-UZr2 clan terdistribusi secara homogen sebagai logam bebas di antara partikel ThZr2H7-xclan ZrH2-Y' Ukuran butir partikel uranium di dalam logam paduan tergantung dari konsentrasi U dalam U-Th-Zr. Semakin besar kandungan U-nya, semakin besar ukuran partikel U di dalam paduan U- ThZr-H. Perbedaan butiran partikel U ini dapat dilihat denganjelas pada Gambar 5b clan 5d.
prosespenyerbukankarenadapatdihindari terbentuknya senyawabiller U-H dan Th-H dan basil hidridasi tetap berupalogam paduansolid. Kapasitashidrogendi dalam paduanU- Th-Zr lebihbesardibandingdenganU-Zr yang berartimemiliki sifat moderasinetronyang lebihbaik. Perubahandimensi dan berat paduanU- Th-Zr akibat hidridasi dan mikrostruktur paduan telah dianalisis. Meskipun perubahandimensi (dVN) akibat hidridasi sedikit lebih besar dibanding paduan U-Zr namun paduan tetap solid. Paduan basil hidridasi menunjuk;kandensitas yang cukup tinggi dan tidak mudah rapuh (durable) menurut basil mikrostruktur. Analisis awal ini menunjukkanbahwa logam hidrida paduan U-Th-Zr dapat dipromosikan sebagai bahan bakarbaru. Uji lanjutan berupa uji paska iradiasi masih berlangsunguntuk melengkapidataspesifikbahanbakar reaktoryangdiperlukan. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih disampaikan kepada Nuclear Fuel Industries Company,Jepang,yang telah menyediakanbahan dasar untuk penelitian ini. Terima kasih juga disampaikan kepada Materials Research Institute, Tohoku University, Jepang, yang telah menyediakan fasilitasuntukpembuatanpaduanU-ln-Zr.
DAFTARPUSTAKA [1].
M.T. SIMNAD, Nuclear Engineeringand Design,
64(1981)403-422.
(a) U:Th:Zr = 1:2:6, Pembesaran
5000X
(c) U:Th:Zr = 2:1 :6, Pembesaran
10000X
H. SOWARNO, Difusivitas dan Konduktivitas Panas Logam Paduan U-Th-Zr dan U-Th-Zr-H, Proceedings,PresentasiIlmiah Daur BahanBakar Nuklir IV, PEBN:"BATAN,Jakarta,1-2 Desember 1998,halo145-151. [3] W. BARTSCHER AND J. REBIZANT, J. LessCommonMetals,136(1988)305-394. [4]. D.T. PATERSON AND J. REXER, J. LessCommonMetals,4( 1962)96-97 . [5].[6].R.L. BECK, Trans.ASM,55(1962)542-555. H.E. FLOTOW ET AL., The Chemical Thermodynamics of Actinide Elements and Compounds, Part 9: TheActinide Hydrides,lAEA, Vienna,1984.
(b) U:Th:Zr:H = 1:2:6:15,2, Pembesaran 5000X
(d) U:Th:Zr:H = 2:1:6:13,3, Pembesaran 10000X
Gambar 5. Logam paduan U-Th-Zr sebelum dan sesudah proses hidridasi
[7]
W. BARTSCHER, Diffusion Defect Data B, Solid State Phenom, Vol. 49-50, Addison-Wesley, 1996,
KESIMPULAN
p.163-181.
Telah dilakukan percobaan pembuatan senyawa hidrida daTi logam paduan U-Th-Zr. Proses hidridasi dengan kondisi tertentu dapat mencegah terjadinya
p. 3490.
~, Ke Menu Utama
T.B. MASSALSKI, Binary Alloy PhaseDiagrams, Secondedition,Vol. 111,ASM International,1990,
137
2gJ~ 2000
Ke Daftar Isi
