Daftar isi 100
ISSN 0216 - 3128
Elldallg Susialltilli, dkk
PEMBUATAN KERNEL U308 DENGAN PROSES DEHIDRASI GELASI Endang. S, Didiek Herhady, M. Setyadji Puslitbang Teknologi Maju BATAN, Yogyakarla
ABSTRAK PEMB UA TAN KERNEL U308 DENGAN PROSES DEHIDRASI GELASI . Telah dihllat gel UOj dari lamlan umpan Acid Deficient Uranyl Nitrate (ADUN) yang berupa sol, ADUN diblwt secm'a ekstraksi menggwwkan Tridodesi/ Amin(TDA) dalam pelarut parafin wlluk mendapatkan perbandingan NO/U kurang lebih 1,5; kadar U 500 g/I. Umpan ditambah urea dan hexamethylenetetramine(HMTA) pada sulw kurang lebih (J'C kemudian diteteskan ke dalam k%m( panjang 2,0 m, diameter 2.5 cm) yang berisi lamlan 2-etil hexanol. Dengan adanya perhedaan tegangan muka alllam lamtan umpan dengan II,,'dia organik dan sifat dari media tersebw yang menyerap air maka sol akan lergelasi menjadi bwiran-hwiran padat sehagai gel. Gel yang lerbentllk, didiamkan, dicuci dill! direndam dalamlamlan 2.5 M NH,OH kemlldian dikeringkan dalam udam lerhuka sampai kering. Selanjll/nya gel dipanaskan di bawah lampu pmla .whll kurang lebih 8(J'C , . dikalsinasi pada sulw 100; 200;300 dan 650 "c masing-masing ~elama 6 jam /l/IllIk mendapatkan gel UO,. Variabel yang diamati adalah perbandingan HMTA dan urealU serla slllw gelasi, sl'liap langkah diamati baik bentuk, warna dan keadaan gel (pecah alGlI lidak). Pada perbandingan HMTA dWI urea/U wlIam 1,01,6 dan sulw gelas Glllara 45-6(J'C diperoleh gel hulat. pipih. warna bevar'iasi dari kWling plical .wmpai kuning orange transparant, Pada kondisi terseblll,selelah kalsinasi suhu 650 "C. diperoleh kernel U,Ox hijau yang baik, ada beberapa yang pecalt. Kala kunci: Acid Deficient Uranyl lelramine(HMTA), sol. gel. kernel.
Nilrale
(ADUN
).
Tridodesi/
Amin(TDA),
hexamelltylene-
ABSTRACT PREPARA TlON OF UjOX KERNEL USING DEHYDRA TlON-GELA TlON. The preparalion of UO, gl'i from sol Acid Deficient Uranyl Nitrale (ADUN ) of feed solwion had been done. ADUN lI'as prepared by Tri Dodesil Amin (TDA) solvelll eXlraction using parafine as a m/l-elll /0 gi\'e ralio of NO/U less Ihan 1.5 and umnium concell/ration of 500 g/I. The feed was added wilh urea and hexamethylenetetramine (HMTA) and it was maintained ahout (J'c. The solution was dropped illlo 2-elhyl hexanol solwion in the glass column (Ienglh of 2 m and diameler of 2.5 m). The difference of sll/face lension of Ihe feed solwion-organic inte/face .••.. ould calise lite sol changed to the sperical of gd solid. Aflt'/' aiging. lI'aslting by amlllOnium hydroxide soill/ion of 2.5 M, then the gel reSlllled from proceH was dried nail/rally. For remlting gel of UOj, tlte gel was dried at less thantemperall/re of 8(J'C, tlten \Vas calcinated at various temperall/re of 100, 200, 300 and 65(J'C. The \'ariahles obsen'ed were the ratio of HMTA and urealU and the temperall/re, The best resllited reaclred at ratio of HMTA and urealU of 1.0 to 1.6 and tire gelation /('Inperall/re of 45 /0 6(J'C. At the condition above was resulted tire green kernel, altlrouglr tlrere \Vere any gel cracked. Key wards : Acid Deficient Uranyl Iramine(HMTA), wi, gel, kernel
Nitrate
PENDAHULUAN
Da'am bola
leknologi dioksida nuklir, bahan uranium unluk bakar bahan benluk bakar reaklor lemperalur lingggi dapal dibual dengan proses sol-gel seeara inlernal gelasi maupun ekslernal gelasi lclah dikembangkan sejak lahun 1950 an. Proses ini mernpunyai beherapa lahapan yaitu pembualan larutan sol uranil nilral, bUliran gel hcrbel1luk bola, butiran oksida uranium dan terakhir r~mbuatan bahan bakar kernel uranium dlOkslda( ._J, Proses pembuatan bahan bakar kernel U02 ada beberapa cara diantaranya mengacu pada skcma Oak Redge Nalional Laboralory ORNL (Amerika) (J) Proses ini didasarkan pada ge1asi inlernal dengan mencampurkan HMTA dan Urea
(ADUN
). Tridodesi/
Amin(TDA),
hexamethylenete-
dengan Uranil nilcat yang kekurangan nilral uranyl nitrate ) pada (ADUN = Acid deficiency suhu kurang lebih 0" C. ADUNdibual sebagai sol (41 , salah salu cara pembualan ADUN adalah dengan ekstraksi menggunakan Tridodesilamin (TDA) dengan pelarul parafin • dengan persamaan reaksi sbb: R}N (org) 2R,N.
+ HNO} ~
HNO} (org) ~
R}N. HNO} (org) (R}N. HN03h
UOl (N03h + 2 R}NHN03 2R3NHN03 UOl (N03h+
H20
(I)
(org) (dimer) (2)
(org) ~ UOl(NO}h
+ R3N ~
R3N,HNO} UOl(OH) (NOj)
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
(3) + (4)
Elldallg SlIsialltilli,
dkk
ISSN 0216 - 3128
Dengan melakukan ekstraksi berulangulang, maka yang tinggal di fase air adalah uranil nitrat yang kekurangan nitrat (ADUN) yang terdiri dari uranil nitrat, dimer dan trimer dari uranil hidroksida 2U02(OHt, (U02)(OHh++ , (U02h (OH)s+ (4). Ekstraksi dilakukan pada suhu 60°C, dengan Kadar umpan ekstraksi kurang lebih 100g/l, hasil ekstraksi diuapkan pada suhu 60°C untuk memperoleh larutan ADUN yang dikehendaki. Dengan eara ini akan diperoleh ADUN seeara eepat dengan Kadar U 500 g/l perbandingan NOiU 1,5. Gelasi adalah proses perubahan dari suatu fase eair/larutan menjadi fase gel. Bila larutan umpan sol U02(N03h yang kekurangan nitrat (ADUN) dingin dilambah urea dan HMTA, lalu dileteskan ke dalam kolom yang berisi larutan akan tergelasi organik panas maka U02(N03h menjadi butiran-butiran padat, reaksi dipereepat dengan adanya urea, yang sekaligus berguna untuk meneegah pengendapan. Gel yang terjadi dieuei dan direndam untuk menghi langkan pengolOr-pengotor seperti urea, formal dehide dan nilril. Adapun komposisi yang mungkin setelah gel dieuei dan direndam adalah U03.2H20; 4U03.NH3.7H20 dan 2U03.NH3.3H20 dan polimer hidrous uranium oksid (5.6). Adanya peneueian menunjukkan terjadinya reaksi seperti pada penukar ion yang manamolekul HMT A terprotonasi (HMT AH+) ditukar olch kalion NH4 + . pada waktu yang sam a terjadi kondensasi dari uranil trimer menjadi polianionik uranium hidrous oksid dengan rumus (NH4hIU02)g04(OH)IOJ .
8H20). Penclitian ini bertujuan untuk memperbaiki penelitian-penclilian sebelumnya, karena pada penelitian tersebut kalau diulangi diperoleh hasil yang berbeda-beda (ada yang peeah atau retak). Untuk itu maka akan dilakukan langkah-Iangkah perbaikan guna menyempurnakan penelitianpenelitian sebelumnya. Adapun langkah yang pertama: memperbaiki bagaimana eara membual umpan (AD UN), kalau pada penelitian sebelumnya menggunakan penguapan biasa maka disini dipakai eara ekstraksi. Yang ke dua: penggunaan 2-etih hexanol sebagai pengganti parafin sebagai media gelasi. Pengguanaan 2-etil hexanol sebagai media gelasi karena 2-etil hexanol sifalnya sangat menyerap air sehinngga pad a proses gelasi ini selain terjadi reaksi hidrolisis juga lerjadi pengambilan air (dehidrasi gclasi). Dchidrasi gclasi juga discbut gclasi cksternal, gelasi ini berdasarkan pcngambilan ~lIr sampal konsenlrasi larutan mcnjadi besar sehingga larutan tidak stabil d:1I1 akhirnya mengendap. Gelasi dilakukan pada suatu kolom yang berisi 2-elil hexanol, umpan (ADUN + urea + HMT A pad a suhu 00 C) diteteskan dari atas, bentuk butiran dipertahankan dengan adanya perbedaan tegangan permukaan antara 2-elil hcxanol dan air. Gelasi ini berlangsung lehih lama Prosiding
Pertemuan
101
dibandingkan dengan gelasi internal menggunakan media parafin sehingga dimugkinkan reaksinya lebih sempurna meskipun hanya dapat diperoleh butiran gel yang mempunyai ukuran lebih keeil. Keuntungan menggunakan media gelasi 2-etil hexanol adalah: diperoleh butiran gel yang lebih keras, reaksinya lebih lama (sempurna), 2-elil hexanol dapat dipakai lagi (distilasi untuk menghilangkan air nya). Variabel - variabel yang berpengaruh dalam proses sol-gel banyak sekali diantaranya adalah: komposisi kimia atau sifal fisis (viskosilas) dari umpan, yang meliputi Kadar uranium, N03/U, konsentrasi urea dan HMT A, pH dan waktu reaksi meliputi suhu ( viskositas media ) dan panJang kolom. Variabel-variabel tersebut sebenarnya saling terkait sebagai eontoh misalnya: waktu gelasi (ordenya dalam detik) dipengaruhi oleh komposisi dari umpan, semakin tinggi urea dan HMT A maupun Kadar U menaikkan waktu gelasi sehingga terbentuk kristal yang besar dan mudah peeah saat peneucian. Perbandingan NO/U merupakan unsur yang sang at penting karena apakah reaksi hidrolisis dapat dimulai dengan sempurna atau tidak. Menurut Lloyd at all ( (, I , syarat perbandingan NOiU = I ,5-1 ,7 bahkan pada perbandingan NO/U 1,7 merupakan kondisi yang sangat kritis. Variabel suhu sangat berpengaruh pad a waktu reaksi karena mempengaruhi viskositas dari media gelasi, perbedaan' tegangan permukaan dsb. Dari banyaknya variabel-variabcl yang saling terkait terse but dimungkinkan menjadi alasan mengapa pada proses pembuatan gel ini kalau diulangi pembualannya tidak selalu jadi. Oleh karena itu diharapkan pada penelitian Icbih lanjut diusahakan dukungan analisis yang rnemadai (yang lebih akurat).
TATA KERJA Balzan Bahan untuk umpan yailu: asam nitrat, serbuk U308 tridodesilamin, paraffin, urea, HMTA, es batu, 2-elil hexanol ,NH40H, dll. Bahan untuk analisis uranium dan keasaman terdiri atas:, asam nitrat, asam amido sulfamat. barium diphenil sulfamal, feri khlorida, indikator phenol phlalien (PP), kalium bikarbonat, titanium lrikhlorida dan bahan kimia yang lain.
Ala! Kolom gelasi yang dilengkapi dengan sabuk pemanas dan pengatur suhu, gelas beker, pengaduk magnel, pemanas, corong pisah dan alat gelas yang lain.
dan Presentasi IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
dan Teknologi Nuklir
ISSN 0216 - 3128
102
Setiap hasil gel sebelum perendaman, pemanasan dan kalsinasi bentuk warna dan pecah atau tidak.
Cara kerja
1. Pelarutan M
U308
Kedalam dimasukkan
dalam asam Nitrat.
larutan asam nitrat kurang lebih 3 V308 diaduk sambi I di serbuk
panaskan sampai diperoleh yang berwarna kuning.
larutan
uranil
dkk
pencucian, diamati baik.
HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Pe11lbuata1l U11lpa1l (ADVN)
Vntuk menghemat penggunaan TDA maka larutan uranil nitrat dipanaskan hingga menjadi kristal yang berwarna merah bat a, kemudian secara tiba-tiba ditambah ABM. Proses ini dilakukan terus menerus hingga terjadi penguapan nilrat. Setelah larutan berwarna kuning muda dilakukan analisis kadar V dan keasaman secara titrasi. Proses selanjutnya baru dilakukan ekstraksi menggunakan TDA. Digunakan ull1pan ekstraksi kurang lebih 100 g/l dimasukkan dalall1 beker, dipanasi pada suhu 60 °c, ditambahkan TDA dengan pelarut parafin, diaduk selama 5 menit, didinginkan. dipisahkan dan fasa air dianalisis kadar V dan N03/V nya. Ekstraksi diulang-ulang sampai diperoleh larutan dengan perbandingan N03/U tertenlU. Kemudian larulan tersebut di uapkan pada suhu 60°C unluk mendapatkan larutan dengan kadar V di atas 500 g/l dan NO/V kurang dari 1.5.
Dengan menggunakan TDA dilanjutkan dengan penguapan pada suhu 60°C dapat diperoleh ADVN dengan kadar di atas 500 g/l dan perbandingan NOiV kurang dari 1,5 secara cepat. Bila pemanasan lebih dari 60°C maka terjadi endapan berwarna putih kuring dari uranil nilrat hidrat sehingga menurunkan kadar V dan menaikkan perbandingan N03/V oleh karena ilU pemanasan harus dilakukan secara hali hati.
2. Variasi HMTA
Vll1pan (ADVN) dimasukkan dalam beker. didinginkan dengan es batu. diaduk, dilambahkan urea kemudian HMT A. Sementara itu, pada kolom yang berisi 2-elil hexanol dipanasi pada suhu anlara 40-60"C. ull1pan dileleskan menggunakan jarum suntik. pada bagian bawah kolom terlampung butiran-buliran gel berwarna kuning, didiamkan di dalam kolom, kemudian diambil.
4. Pencucian, pcrcndaman dan pcngcringan Pencucian dilakukan menggunakan NH~OH 2,5% , kemudian di rendam selama
larutan 5 jam,
terbuka sampai Gel yang kering lampu besar (suhu jam. Diperoleh gel
5. Kalsinasi Hasil gel berwarna kuning yang tidak pecah saal pcngcringan dikalsinasi secara bertahap, yang pcrlama pada suhu 100 "c, 200°C. 300 °C dan 650 "c ll1asing-ll1asing sclama 6 jam. Hasil gel diamati ada yang pccah alau tidak.
dall urea/V.
Dilakukan variabel komposisi kimia yaitu perbandingan HMTA dan urea/V, NOiV, suhu. pada komposisi umpan dengan kadar V 580 g/I; NOiV 1,3 disajikan dalam benluk tabel 1. Vnluk mengelahui mekanisme gel sebagai fungsi dari komposisi dapat dilerangkan dari reaksi sbb: V02) +2 + H20 n(V02(OH)t'
3. Gclasi
6. Analisis hasil
Susial/til/i,
nitrat
2. Pembuatan ADUN
di keringkan dalam udara diperoleh gel yang kering. kemudian dipanaskan dibawah 80°C) selama kurng lebih 8 yang keras berwarna kuning.
Endal/g
-7 -7
lerbentuknya umpan maka
(V02(OH) +\ + H+ (V02(OH»n +n
reaksi dengan HMT A terjadi datam 2 langkah «CH2) 6N~) H+ (CH2)6N4 + H+ -7 (CH2)6'N~H+ + 6H20 -7 6 HCHO + NH4 + + 3NH~OH
(5) (6)
(7) (8)
Terjadinya proses gelasi dapal dilerangkan dari reaksi diatas: reaksi (5) menerangkan terjadinga reaksi hidrolisa. Sc!anjulnya lerjadi dissosiasi dari ion komplek logam karena pada suhu tinggi tidak stabil. Dari tabel diatas dapat disimpulkan bahwa pada komposisi umpan sangat berpengaruh pada kualitas gel, pada perbandingan HMT NV antara 1,0-1.6 diperolch gel yang baik artinya pada saat pencucian, perendaman dan pengeringan tidak pecah. Hal ini dapat diterangkan dari reaksi (8), reaksi ini lebih lambal dari reaksi (7) sehingga selama terjadi proses gelasi, kristal dibiarkan tumbuh secara perlahan lahan sehingga dihasilkan butiran gel berwarna kuning-orange yang tidak pecah. Pada perbandingan HMT A yang lcbih tinggi menunjukkan hasil gel yang kurang baik (pccah saal direndam), hal ini dapal diterangkan dari reaksi (7), reaksi ini berjalan sangat cepat, hidrolisa reaksi (5) bcrjalan sempurna namun lidak terjadi pertumbuhan kristal sehingga langsung terjadi kristal besar yang mudah pecah. Gel yang dihasilkan pad a reaksi (8) lersebul pada kalsinasi suhu 650°C menunjukkan keutuhan (tidak pecah).
Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
Endang Susiantini, dkk
No
ISSN 0216 - 3128
Tabell. Hasil variabel HMT Orange A danWarn a setelah n-Pencucuian Kuning & Sentuk Pecah Kalsinasi 1,4Kuning 1,8 1,6 2,4 0,8 2,0 Setelah Pengeringan 1,2 1,0 gel gel Orange Keadaan Keadaan Keadaan gel gel gel Bulat Tidak Tidak pipih Tidak Tidak Tidak Tidak Tidak pecah pecah pecah pecah pecah pecah pecah Ada Ada yang yang pecah retak Bulat pipih
perbandingan suhu 650°C
HMTA dan urea/V,
103
suhu gelasi
Tabel 2. Hasil variasi suhu pada perbandingan HMT Adan urea/U -HMTA dan Bulat pipih, Tidak ada yang Bulat, uselelah Pencucuian Sentuk Warn a & Bulat,pipih,ora Bulat,pipih,ku Bulat,pipih, 40 kamar 50 Kalsinasi 70 60 Tidak Pecah Sedikit retak 1,2 1,0 suhu 650°C 45 1,0 gel gel Keadaan Setelah Keadaan gel Pengeringan gel gel Ada yang pecah Tidak jadi Ada yang pecah Sedikit Sedikit Tidak Tidak pecah pecah pecah pecah Tidak pecah Pecah Orange orange pucat pucat pucat Sedikit Tidak pecah pecah Tidak pecah pecah No Tidak pecah pecah Tidak transparant transparant Bulat pipih
45°C.
1.0-1.2
n_
n
Dilakukan
variabel
suhu
antara
40-7(tC
pada komposisi umpan dengan kadar V 580 NOj/U 1,3 disajikan dalam bentuk tabel 2.
g/l;
Oari tabel diatas dapat disimpulkan bahwa pada perbandingan HMT NV antara 1,2 pada suhu gelasi antara 45-60 °C diperoleh hasil gel yang baik(warna orange pucat transparant) tidak pecah
saal pencucian dan perendaman. Adapun hasil gel setelah di kalsinasi suhu 650°C bclum dapal disirnpulkan karena belum ada data yang dapat menunjukkan keretakan/pecahnya gel adalah penyebab suhu gelasi atau waktu perendaman karena waktu perendaman sang at menentukan hasil gel. Oleh karena itu pada penelitian lebih lanjut diharapkan dapa! melihat komposisi hasil gel
Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
ISSN 0216 - 3128
104
sebelum dan setelah direndam. Pada suhu dibawah 45°C (mendekati suhu kamar) belum terjadi gel karena belum terjadi reaksi hidrolisis sehingga hasil gel setelah diambil dari kolom menyatu kembali menjadi satu. Pada suhu diatas suhu 60°C mengakibatkan gel pecah karena terbentuknya kristal yang besar, akibat dari terlalu cepatnya reaksi yang terjadi. Dari kedua variabel tersebut belum ada tanda-tanda yang dapat mengubah bentuk gel dari bulat, pipih menjadi bentuk bola. Hal ini dikarenakan bahwa belum ada gaya yang melawan gaya jatuh gel sehingga gel selalu pipih. Untuk itu maka dianjurkan untuk membuat variasi ukuran dan memberi gaya ke atas dengan mengalirkan . media dari bawah ke atas sehingga bentuk butiran dapat dipertahankan.
KESIMPULAN Pembuatan kernel U308 dapat dilakukkan dengan proses dehidrasi gelasi pada perbandingan HMT A- urea/U antara 1,0-1,6 dan suhu gelasi antara 45-60 0c, diperoleh gel bulat, pipih yang baik dalam arti tidak pecah setelah pencucian, perendaman, pengeringan. Setelah kalsinasi suhu 650°C masih ada sedikit yang pecah.
UCAP AN TERIMA KASI" Dengan terselesainya penelitian ini kami ucapkan kepada Agustin Dwirianti dan Andri widayanto dari SMKN 3 Madiun yang telah membantu bekerja dengan tekun, rajin dan teliti.
Endang Susiantini,
dkk
Of A Uranium (VI) Sol- Gel Process", Mat.Res.Soc.Symp.Proc. V01.180 Columbia, •... 1990. 5. Nickel, H"." Development Of coated Particles KF A Contributions Within The Frame Of The German High temperature reactor Fuel Development Program", Kernforschungsanlage, lulich, FRG,1977. 6. Lloyd. M.H, Bischoff,K,Peng,K,Nisses,H,U, Wessicken, R, "Crystal Habit And Phase Attribution Of U(VI) Oxides In A Gelation Process", J.Inorg Nucl Chern, Vol
TANYAJAWAB Damunir Apakah proses dehidrasi ini menurut aturan fisika atau aturan reaksi kimia dalam larutan gelasi Endang S. Ya aturan kimia ya aturan fisika Fisika ~ kekenta/an. berat jenis, tegallgall II/uka. Kimia ~ kadar uranilnitrat. HMTA dall urea, sehingga terjadi reaksi kimia yang berhubungan dengan sifat fisis yaitu : kekenta/an berat jenis dan perbedaan tegangan muka alllara /arutan dan umpan . (UNH). Abdul Latief
DAFT AR PUST AKA. I. Anonim -," Sol-gel process for ceramic Nuclear Fuel", Proceeding of Panel Series, IAEA. Viena. 2. Mc Bride. l.P ," Laboratori Studies of Sol-Gel Processes at the Oak Ridge National Laboratory ", ORNL-T-M-1980 3.
Moore.G. l," A Sol-Gel Process For Preparing ThOz- U03 Sols From Nitrate Solutions By Solvent Extraction With Amines", ORNL4095.
4. Charles, K.M , Bruce K, a1.al, ronald garber, A. Thompson, C.M, Buchanan R.B; "Magnetic Resonance As A Structural Probe of a uranium
Dalam pembuatan kernel U308 dipakai HMT A - ureaIU antara I - 1,6 dan suhu gelasi 54° C 60°C. Bagaimana dengan homogenitas butir yang diperoleh. Endang S. Cukup homogen karena digunakan da/am bellwk /aruton uranil lIitrat (UNH) + HMTA (pekat) dan urea podat diaduk sampai rata (secara mata) /arut sempurna. Penambahan HMTA sedikit demi sedikit diaduk terus kemudian urea juga sedikit demi sedikit.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
