SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176
PENENTUAN KANDUNGAN PENGOTOR DALAM SERBUK UO2 HASIL KONVERSI YELLOW CAKE PETRO KIMIA GRESIK DENGAN AAS Rahmiati, Asminar, Purwadi KP Bidang Bahan Bakar Nuklir Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir E-mail untuk korespondensi :
[email protected] ABSTRAK PENENTUAN KANDUNGAN PENGOTOR DALAM SERBUK UO2 HASIL KONVERSI YELLOW CAKE PETRO KIMIA GRESIK DENGAN AAS. Telah dilakukan analisis unsur pengotor dalam serbuk UO2 hasil konversi yellow cake dari PetroKimia Gresik guna mengetahui berapa banyak kandungan pengotor yang terdapat dalam UO2 yang telah dikonversikan menjadi UO2 tingkat nuklir (Nuclear Grade). Untuk menguji kadar pengotor dalam serbuk UO2 digunakan Spektrofotometer Serapan Atom (AAS). Sampel yang akan diukur kadar pengotornya terlebih dahulu dipisahkan dengan menggunakan Tri Butil Pospat – Hexan (TBP-Hexan) dengan perbandingan (7:3) . Kemudian fase cair yang mengandung kadar pengotor tersebut dilarutkan dengan asam nitrat 3 N. Dari hasil analisis diperoleh kandungan pengotor dalam serbuk UO2 hasil konversi Yellow Petro Kimia Gresik yaitu: Unsur Cd; 0,105 ppm, unsur Cr; 9,827 ppm, unsur Cu; 22,983 ppm, unsur Ca; 92,867 ppm, unsur Fe; 99,462, unsur Mg; 33,1447 ppm, unsur Mo; 5,052 ppm, unsur Mn; 78,819 ppm, unsur Si;131,366 ppm, unsur Ni; 3,233 ppm, unsur Al; 107,113, ppm, unsur Co; 2,2005 ppm, unsur Pb; 1,0105 ppm, unsur Zn; 32,659, unsur V; 2,9838 ppm dan unsur Sn; 26.2732 ppm, dengan ketelitian adalah 98 % dan Repeatability (kedapat ulangan) adalah 1,8 % Kata kunci : UO2, Yellow Cake , AAS ABSTRACT DETERMINATION OF IMPURITIES ELEMENTS IN UO2 POWDER FROM CONVERTED YELLOW CAKE PETRO KIMIA GRESIK USING ATOMIC ABSORPTION SPECTROPHOTOMETRY. The impurities elements in UO2 powder (nuclear grade) has been analyzed. The UO2 powder is from converting process of yellow cake from Petro Kimia Gresik. The impurities elements in UO2 powder from fertilizer have been analyzed using AAS (Atomic Absorption Spectrofotometric) . Firstly, the sample (converted UO2 powder) is dissolved in Tributyl Phosphate-Hexan (TBP-Hexan). The ratio between TBP-hexan is 7: 3. The liquid phase from the dissolving process which contains the impurities is then dissolved in 3N nitric acid. The results of analysis of impurities elements in UO2 powder are as follow: Cd: 0,105 ppm, Cr: 9,827 ppm; Cu: 22,983 ppm, Ca: 92,867, Fe: 99,462, Mg: 33,1447 ppm, Mo: 5,052 ppm, Mn: 78,819 ppm, Si: 131,366 ppm, Ni: 3,233 ppm, Al: 107,113 ppm, Co: 2,2005 ppm, Pb: 1,0105 ppm, Zn: 32, 659, V: 2,9838 ppm and Sn: 26,2734. The accuracy of the analysis is 98% and the repeatability is 1,8%. Keywords: UO2, Yellow Cake, AAS PENDAHULUAN Salah satu aspek penting dalam rangka pemenuhan kebutuhan energi dimasa yang akan datang, adalah terbangunnya Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). BATAN telah menyusun program jangka panjang yaitu pembangunan PLTN tahun 2016 dengan jenis reaktor PWR (Pressurized Water Reactor). Untuk maksud tersebut penguasaan teknologi pengolahan bahan bakar dan fabrikasi elemen bakar nuklir sangat diperlukan.. Dengan adanya fasilitas Instalasi Elemen Bakar Nuklir yang dapat digunakan untuk mengolah dan membuat bahan bakar untuk reaktor daya serta
Rahmiati, dkk
164
melakukan pengembangan teknologi pabrikasi elemen bakar nuklir. Ada beberapa sistem proses dalam memproduksi elemen bakar nuklir, yaitu sistem pemurnian dan konversi bahan bakar, serta sistem pabrikasi elemen bakar. Salah satu kegiatan yang sedang dilaksanakan di fasilitas ini adalah pengembangan teknologi proses bahan bakar nuklir yang meliputi pemurnian dan konversi konsentrat uranium (yellow cake). Dalam hal ini yellow cake hibah dari PT Petro Kimia Gresik menjadi serbuk uranium dioksida yang memenuhi kriteria derajat nuklir (nuclear grade).
STTN-BATAN
SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176 Sistem pemurnian dan konversi mampu memurnikan konsentrat uranium alam (yellow cake) sebagai bahan baku dan mengubahnya menjadi serbuk UO2 sinter murni berderajat nuklir. Untuk mengetahui tingkat kemurnian serbuk UO2 hasil konversi yellow cake berderajat nuklir, perlu dilakukan analisis unsur-unsur pengotor dalam bahan bakar nuklir. Meskipun serbuk ini masih mengandung
unsur-unsur pengotor tetapi konsentrasi dari unsurunsur tersebut harus sesuai dengan spesifikasi yang telah ditentukan untuk pembuatan bahan bakar suatu reaktor nuklir. .(4) Kandungan unsur-unsur pengotor di dalam pelet UO2 yang dijinkan/sesuai dengan spesifikasi untuk pembuatan bahan bakar suatu reaktor nuklir daya dapat dilihat tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi kandungan unsur-unsur pengotor di dalam serbuk UO2(1) No.
Unsur
Kadar (ppm)
No
Unsur
Kadar (ppm)
1.
Fe
100
11.
F
10
2.
Ni
30
12.
Gd
0,5
3.
Al
50
13.
Mg
50
4.
Ca
50
14.
Mn
10
5.
Cd
0,2
15.
Mo
50
6.
Cl
15
16.
N
80
7.
Co
75
17.
Pb
60
8.
Cr
100
18
Si
60
9.
Cu
20
19.
Sn
50
10.
Dy
0,15
20
V
100
Unsur-unsur pengotor yang menyertai bahan nuklir antara lain unsur : Al, Cu, Cd, Fe, Mn, Mg, Mo, Cr, Ni, Pb, dan Si. Adanya unsur-unsur pengotor yang melebihi dari spesifikasi yang telah ditentukan dapat menurunkan kualitas dari bahan bakar nuklir tersebut. Sebagai contoh unsur Cd mempunyai tampang serap neutron yang tinggi, sehingga akan mengganggu operasi di dalam reaktor. Berkenaan dengan sifat netronik tersebut maka kandungan unsur pengotor harus dibatasi jumlahnya dalam bahan bakar. Dengan demikian keberadaan unsur-unsur tersebut betulPrinsip utama dari metode AAS yaitu, bila larutan suatu senyawa tertentu dilewatkan ke dalam nyala, maka senyawa ini akan menguap lalu terurai menjadi uap-uap atom bebas (proses atomisasi). Uapuap atom bebas tersebut akan menyerap energi radiasi yang berasal dari lampu katoda cekung pada panjang gelombang yang spesifik dan karakteristik untuk setiap unsur. Akibat dari proses penyerapan radiasi tersebut elektron dari atom-atom bebas ter-eksitasi ketingkat energi yang lebih tinggi.(2). Hubungan serapan dengan konsentrasi atom dirumuskan dalam hukum Lambert Beer yaitu :
STTN-BATAN
betul harus diperhatikan. Salah satu teknik yang digunakan untuk menentukan kandungan pengotor adalah dengan cara spektrofotometri serapan atom (AAS). AAS adalah suatu metode yang dapat digunakan untuk analisis unsur-unsur dalam suatu bahan berdasarkan penyerapan energi oleh atomatom yang berada pada tingkat dasar untuk mengeksitasi elektron terluar proses penyerapan energi pada panjang gelombang yang spesifik dan karakteristik untuk tiap-tiap unsur log I0 ⁄It = A A = am. b. c
..................(2) ..................(1)
dengan Io = Intensitas mula-mula It = Intensitas sinar yang diteruskan am = koefisien sinar yang diteruskan A = absorbansi b = panjang burner(medium dilewati radiasi resonansi) c = kepekatan atom-atom yang
165
Rahmiati, dkk
SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176 mengabsorb
B = Berat cuplikan (g)
Karena A dan b merupakan suatu yang tetap, maka serapan contoh dapat langsung dibandingkan dengan serapan larutan standar yang telah diketahui konsentrasinya dengan membuat grafik antara konsentrasi dan absorbansi. Besarnya kandungan unsur dapat diketahui dari grafik hubungan antara konsentrasi unsur dengan absorbansi yang dihasilkan oleh unsur tersebut dengan menggunakan persamaan linier dibawah ini. y = ax + b ..................(3)
TATA KERJA Bahan yang digunakan : Sebagai bahan standar untuk pembuatan kurva kalibrasi digunakan larutan standar buatan Merck dari unsur-unsur Cd, Cr,Cu, Ca, Mg, Mo, Mn, Si, Ni, Al, Co, Pb, Zn, V dan Sn. Untuk melarutkan sampel digunakan larutan asam nitrat pekat dan sebagai pelarut digunakan air bebas mineral. Untuk memisahkan uaranium dari pengotornya digunkan campuran larutan TBP-Hexan dengan perbandingan 7:3
dengan : y a b x
= intensitas larutan = slope y/x = intercept = konsentrasi
Peralatan yang digunakan : Sebagai alat ukur analisis digunakan seperangkat alat Spektrometri Serapan Atom. Untuk ekstraksi digunakan corong pemisah. Alat-alat gelas digunakan untuk preparasi sampel, sedangkan untuk menimbang dan memanaskan sampel digunakan timbangan analitik dan pemanas listrik
dapat dilihat dari nilai koefisien linier regresi yang mendekati 100% atau 1, kemudian dengan menginterpolasikan absorbansi yang diperoleh dari pengukuran unsur logam dalam cuplikan dapat diketahui kadar masing masing unsur pengotor dalam cuplikan dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : Kadar Unsur =
A×V B
μg⁄g
Cara kerja : A. Preparasi larutan standar Larutan standar dibuat dengan mengencerkan larutan standar Titrisol buatan Merck dari masing-masing unsur yang akan dianalisis. Volume pengenceran dihitung menggunakan rumus pengenceran V1.N1 = V2.N2, sehingga diperoleh konsentrasi larutan standart yang diinginkan, seperti pada Tabel 2
..................(4)
dengan : A = Konsentrasi (hasil interpolasi dari kurva kalibrasi) V = Volume labu untuk pengenceran contoh (ml)
Tabel 2. Konsentrasi larutan standar masing-masing unsur-unsur
Rahmiati, dkk
No
Unsur
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Cd Cr Cu Ca Fe Mg Mo Mn Si Ni Al Co Pb Zn
Koonsentrasi larutan standar 0,0025 0,4 0,1 0,4 0,25 0,05 2,50 0,0125 5 0,25 10 0,06 1 0,05
0,005 0,8 0,2 0,8 0,5 0,1 5 0,05 10 0,5 20 0,12 2 0,1
166
0,01 1,6 0,4 1,6 1 0,2 10 0,1 20 1 40 0,24 4 0,2
0,02 3,2 0,8 3.2 2 0,4 20 0,2 40 2 80 0,48 8 0,4
STTN-BATAN
SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176 15 16
V Sn
2,5 2,5
5 5
B. Preparasi larutan contoh Larutan sampel dibuat dengan menimbang 1 gram UO2 serbuk kemudian dimasukkan ke dalam gelas piala dan dilarutkan dengan 10 ml HNO3 pekat. Kemudian dipanaskan diatas pemanas listrik sampai kering, lalu ditambah lagi 10 ml HNO3 3 M diuapkan sampai kering. Setelah dingin ditambah 10 ml HNO3 3 M larutan dipindahkan ke dalam labu ukur 25 ml ditepatkan hingga tanda batas dengan HNO3 3 M. Larutan diekstraksi dengan 25 ml campuran TBPHexan selama 10 menit, kemudian di diamkan selama 10 menit sampai fasa air dan fasa organik terpisah. Fasa organik dipisahkan dari fasa airnya, ekstraksi diulangi tiga kali. Fasa air hasil ekstraksi siap dianalisa unsur pengotornya dengan alat AAS
10 10
20 20
fase airnya, ekstraksi diulangi satu kali. Fasa air hasil ekstraksi siap dianalisis dengan menggunakan alat AAS D. Pengukuran absorbansi larutan standar dan larutan contoh Pengukuran absorbansi larutan stándar dan contoh dilakukan dengan mengukur absorbansi masing-masing larutan yang telah disiapkan. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk mendapatkan serbuk uranium oksida yang mempunyai tingkat kemurnian tinggi (Nuclear Grade), harus melalui proses pengujian kendali kualitas yang ketat, salah satu dari analisis tersebut adalah untuk mengetahui unsur-unsur pengotor yang terkandung dalam serbuk UO2. Dengan menginterpolasikan absorbansi cuplikan ke dalam kurva kalibrasi hubungan antara konsentrasi larutan standar terhadap absorbansi dari larutan contoh, maka masing-masing konsentrasi dari unsur-unsur yang terdeteksi dapat diketahui. Pada Gambar 1 ditampilkan contoh kurva interpolasi unsur Sn
C. Preparasi larutan blanko Dipipet sebanyak 10 ml HNO3 pekat dimasukkan kedalam gelas piala. Kemudian dipanaskan diatas pemanas listrik sampai kering. Keringan ditambah 10 ml HNO3 3 M diuapkan sampai kering dan ditambah 10 ml HNO3 3 M lalu didinginkan. Larutan dipindahkan ke dalam labu ukur 25 ml ditepatkan hingga tanda batas dengan HNO3 3 M. Larutan diekstraksi dengan 25 ml campuran TBPHexan selama 10 menit, fase organik dipisahkan dari
Kalibrasi
y = 0,0039x - 0,0006 R² = 0,9997
Konsentrasi Gambar 1. Contoh kurva kalibrasi hubungan antara konsentrasi terhadap absorbansi Untuk mencari konsentrasi unsur dalam cuplikan digunakan persamaan (2). Sebagai contoh dengan cara menginterpolasikan Sn dalam larutan cuplikan sebesar 0,260 µg/ml, kemudian dengan menggunakan persamaan (3) didapatkan: Kadar Sn (ppm) = (0.26 µg/mL) (50) 0,4948 g = 26,2732 µg/g
STTN-BATAN
Dengan cara perhitungan yang sama dapat dicari kandungan unsur-unsur pengotor dalam cuplikan UO2 hasil konversi yellow cake limbah pabrik pupuk seperti pada Tabel 3 Hasil dari kegiatan penentuan kandungan pengotor dalam serbuk UO2 hasil konversi Yellow Cake Petrokimia Gresik adalah seperti yang dituangkan pada Tabel 3.
167
Rahmiati, dkk
SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176
Tabel 3. Data kandungan pengotor dalam serbuk UO2 hasil konversi Yellow Cake Petrokimia Gresik
No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Unsur Cd Cr Cu Ca Fe Mg Mo Mn Si Ni Al Co Pb Zn Sn V
Hasil analisis (ppm)
Batasan Dokumen ANSALDO (ppm)
0,105 9,827 22,983 92,867 99,462 33,1447 5,052 78,819 131,366 3,233 107,113 2,2005 1,0105 32,659 26,2732 2,9838
Dari kegiatan analisis kandungan pengotor serbuk UO2 hasil konversi Yellow Cake Petrokimia Gresik dengan alat Spektrometri Serapan Atom diperoleh hasil sebagai berikut : Unsur Cd = 0,105 ppm, unsur Cr = 9,827 ppm, unsur Cu = 22,983 ppm, unsur Ca = 92,867 ppm, unsur Fe = 99,462, unsur Mg = 33,1447 ppm, unsur Mo = 5,052 ppm, unsur Mn = 78,819 ppm, unsur Si = 131,366 ppm, unsur Ni = 3,233 ppm, unsur Al = 107,113 ppm, unsur Co = 2,2005 ppm, unsur Pb = 1,0105 ppm, unsur Zn = 32,659 ppm, unsur Sn= 26,2732 ppm ,sedangkan unsur V = 2,9838 ppm, dengan ketelitian pengukuran = 98 % dan Repeatability (kedapat ulangan) = 1,8 %. Dari data yang diperoleh terlihat bahwa masih ada beberapa unsur yaitu unsur: Cu, Ca, Mn,Si,dan Al yang masih diatas spesifikasi yang dipersyaratkan dokumen ANSALDO yang digunakan untuk bahan bakar uranium alam pada raktor tipe HWR. Sedangkan untuk spesifikasi dokomen ASTM unsur unsur tersebut diatas sudah memenuhi persyaratan yang ditetapkan untuk bahan bakar reactor tipe PWR.
0,2 100 20 50 100 50 50 10 60 30 50 75 60 100 50 5
0,2 150 200 150 100 150 200 200 200 150 150 80 60 100 50 100
131,366 ppm, unsur Al = 107,113 ppm dan unsur Mn = 78,819 ppm, masih diatas nilai yang dipersyaratan untuk pembuatan bahan bakar reaktor tipe HWR, berarti serbuk UO2 hasil konversi perlu dimurnikan lagi untuk memperoleh serbuk UO2 murni (nuclear grade) sedangkan untuk pembuatan bahan bakar reactor tipe PWR, Serbuk UO2 hasil konversi ini sudah memenuhi persyaratan yang telah ditetapkan. DAFTAR PUSTAKA 1.
2.
3. KESIMPULAN 4. Hasil analisis kandungan pengotor dalam serbuk UO2 hasil konversi yellow cake Petrokimia Gresik pada Tabel 3 terlihat bahwa: untuk unsur Cu = 22,983 ppm, unsur Ca = 92,867 ppm, unsur Si =
Rahmiati, dkk
[5]
Batasan (ppm) [6]
168
HERU SASONGKO, 1987, ”Petunjuk Pelaksanaan Kendali Mutu Laboratorium Fabrikasi Bahan Bakar”, Instalasi Elemen Bakar eksperimental, PEBN, PIN-BATAN, Serpong. ASMINAR, dan TOROWATI, 2007, “Analisis Pengotor Hasil Pelarutan Gagalan Pelat Elemen Bakar U3Si2-Al”, Prosiding Seminar Pengelolaan Perangkat Nuklir PTBN-BATAN, Serpong. ISSN 1978-9858. Manual Operasi Spektrometeri Serapan Atom Agilent Technologies 240FS AA, tahun 2011. NGATIJO, RAHMIATI, ASMINAR, PRANJONO, 2012, “Proses Pemurnian Yellow Cake Dari Limbah Pabrik Pupuk” Majalah Ilmiah Pengelolaan Instalasi Nuklir PTBN, BATAN, Serpong.
STTN-BATAN
SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176 5. 6.
ANONIM, 1988, Dokumen ANSALDO No. IND-700-00-Q-0498 Rev. 0, hal. 44. ANONIM, Annual Book Of ASTM Standards, 2002, Section Twelve, Nuclear, Solar and Geothermal Energy Volume 12.1 Noclear energy (1)
Jawaban 1.
TANYA DAN JAWAB 2. Pertanyaan 1. 2.
3.
Apakah yang dimaksud dengan UO2 murni (nuclear grade) ? ( Siti Aidah) Apa pengaruh kelebihan Cu, Ca, Si, Al dan Mn pada UO2 sehingga dimurnikan lagi ? ( Haries Handoyo) Seberapa jauh manfaatnya kita mengetahui kadar unsur pengotor yang terdapat dalam serbuk UO2 ? (Hasnel Sofyan)
STTN-BATAN
3.
169
UO2 murni (nuclear grade) yaitu UO2 yang telah memenuhi persyaratan kandungan unsur pengotor atau memenuhi spesifikasi yang telah ditentukan dalam dokumen pembuatan fabrikasi bahan bakar dan siap di fabrikasi. Dapat menurunkan kualitas dari bahan bakar nuklir tersebut sebab sebagai contoh unsur Cu, Ca, Si, Al mempunyai tampang serap neutron yang tinggi sehingga mengganggu operasi didalam reaktor. Manfaat yang diperoleh adalah kalau unsur pengotor melebihi yang dipersyaratkan maka UO2 harus dilakukan pemurnian kembali tetapi jika unsur pengotornya sudah memenuhi persyaratan yang ditetapkan maka UO2 dapat dipabrikasi untuk pembuatan bahan bakar nuklir.
Rahmiati, dkk
