,.
PENGARUH
KlO, LilO DAN CaO PADA KUALITAS
HASIL VITRIFlKASI
LIMBAH
--
12.
Aisyah, Herlan Martono P2TLR-BATAN
ABSTRAK PENGARUH K20, LhO DAN CaD PADA KUALITAS LlMBAH HASIL VITRIFIKASI. Gelas borosilikat dipilih sebagai bahan mattiks untuk vittifikasi limbah aktivitas tinggi. Komposisi limbah ini ditentukan dengan Otigen-2 berdasarkan alas reaktor PWR dengan pengkayaan uranium 4,5 %, fraksi bakar 45.000 MWDIMTU, tenaga spesifik 38 MWDIMTU dan lama pendinginan 4 tahun. Telah dipelajati pengaruh kandungan K20, LhO DAN CaD terhadap kualitas limbah yaitu dengan pengukur harga laju pelindihannya. Pengaruh kandungan K20 dan LtO mempunyai pola yang mitip satu sarna lain. Untuk kandungan K20 sampai dengan 3,08 % berat membetikan harga laju pelindihan 2,65x10-5 gcm-2.hari1 terjadi kenaikan 15,22 % dati gelas limbah standar. Sedangkan untuk kandungan LhO 3,62 % berat membetikan harga laju pelindihan 2,52x10-5 gcm-2.haril terjadi kenaikan 9,56 % dati gelas limbah standar. Ini berarti makin besar kandungan K20 dan LhO kualitas gelas limbah menurun. Makin tinggi kandungan CaD menaikkan kualitas gelas limbah. Untuk kandungan CaD 3,08 % berat membetikan harga laju pelindihan 1,61x10-5 gcm-2 haril terjadi penurunan 30 % dati gelas limbah standar.
ABSTRACT EFFECT OF K20, Li20 AND CaD TO THE VITRIFIED WASTE. The boroslicate glass is chosen as the matrix material for high level waste vitrification. The waste compocition is detennined by using Origen-2 based on PWR type with 4.5 % uranium enrichment, 45,000 MWDIMTU bum up, specific energy of 38 MWDIMTU and 4 years colling down. The effect of K20, CaD and Li20 to the quality of waste glass by measuring of their leaching rates have been studied. The result showed that K20 and Li20 effect have the similar shape one each other. At 3,08 % of weight K20 the leaching rate is 2.65x10-5 gcm-2.day.1 is 15.22 % greath compared to the value of standard waste glass. While at 3,62 % of weight Li20 the leaching rate of 2. 52x 10-5 gcm-2.day-1 is 9.56 % greather than the value of standard waste glass. It means the higher K20 and U20 contents cause the quality of waste glass decrease. The higher CaD content results in higher the waste glass quality. At 3.08 % of weight CaD content the leaching rate is 1.61x10-5 gcm- .day-1 is 30 % reduced compared to the value of the satndard waste glass.
PENDAHULUA:N L
imbah radioaktif cair yang paling tinggi aktivitasnya adalah limbah cair yang berasal
dari ekstraksi siklus pertama proses daur ulang bahanbakarbekasreaktor.Prosesdaurulang adalah proses untuk mengambil kembali uranium yang tidak terbakar dan plutonium yang terjadi dari bahan bakar bekas. Pactaekstraksisiklus pertama proses daur ulang dilakukan pemisahanuranium, plutonium dan unsur aktinida lain dari hasil belah. Larutan yang mengandunguranium,plutonium dan unsur aktinida lain dan sedikit hasil belah diproses lebih lanjut untuk mengambilkembali uraniumdan plutonium, sedangkan larutan yang banyak
mengandung basil belah dan sedikit aktinida serta mempunyai keasaman yang tinggi sekitar 6 -8 M sebagai limbah cair aktivitas ting~i (LCA T) yang skemanya disajikan pada Gambar 1 1]. Salah satu kriteria pemilihan bahan matriks untuk imobilisasi LCA T adalah kemampuannya untuk menampung limbah sebesar-besamya.Namun hal ini dibatasi oleh panas yang ditimbulkan dari radionuklida yang ada dalam limbah. Adanya panas ini d?;>at menurunkan ketahanan kimia basil imobilisasi. Oleh karena itu kandungan limbah dalam bahan matriks dibatasi maksimum 30% beret.
Sedangkanuntuk mengurangipanas radiasi yang dipancarkan kandungan
oleh radionuklida basil belah
dibatasi maksimum 10%.
dalam
dalam limbah maka geias-limbah
juga
Prosiding Pertemuan danPresentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999
Buku II
494
Hasilpelarutanbahan bakarbekas EkstraksisikfusI
I
..
l Ekstraksi siklus II
~~L-
-:y
y
u, Pu
Aktinida lain +(U. Pu) sedikit + hasil belah sedikit
pengayaan uranium 4,5%, tenaga spesifik 38 ,P~dlnqinan4 ~ Vitrifikasi dengan qelas borosilikat. '" 1150.C
~
..
Gambar 1. Skemaprosespengelo1aanLCAT Ada beberapa jenis bahan yang telah dipelajari untuk imobilisasi LCA T, yaitu gelas, synrock dan vitromet. Gelas dipilih karena relatif mudah membuatnya dari pacta synrock dan vitromet serta gelas mempunyai stabilitas dalam jangka panjang[2]. Gelas yang pemah dikembangkan yaitu jenis gelas fosfat, gelas alumino silikat, gelas borosilikat dan gelas keramik. Gelas alumino silikat pemah dikembangkan di USA, tetapi tidak lagi dikembangkan lebih lanjut karena suhu pembuatannya tinggi sekitar 1350 °C dan kandungan limbahnya lebih kecil dari 10%[3].Pada penerapan dalam skala industri, suhu pembuatan yang tinggi akan mengakibatkan refraktori (bata tahan api) lebih cepat korosi sehingga umur melter lebih pendek. Hal ini akan lebih banyak menimbulkan limbah radioaktif parlato Keuntungan gelas fosfat adalah relatif rendah suhu pembentukannya yaitu 900 °C, sehingga penguapan zat volatil rutenium dan cesium lebih sedikit dan semua oksida dapat larot tanpa terjadinya rase pemisah. Pengembangan gelas fosfat tidak dilanjutkan karena gelas fosfat sangat korosif dan mempunyai kecenderungan untuk mengalami devitrifikasi pacta suhu yang relatif rendah sekitar 400°C. Gelas borosilikat suhu pembentukannya lebih tinggi yaitu 1150°C; ketahanan kimianya lebih tinggi dan mengalami devitriflkasi pacta suhu yang lebih tinggi dibandingkan gelas fosfat[4]. Berdasarkan pertimbangan teknik pembuatan, stabilitas dalam jangka panjang dan kandungan limbahnya, gelas borosilikat dipilih
ISSN 0216-3128
untuk imobilisasi LCA T dan cara ini telah digunakan dalam skala industri di beberapa negara maju. lmobilisasi LCA T dengan gelas disebut vitrifikasi. Komposisi LCA T yang dihasilkan dari proses daur ulang tergantung dari jenis reaktor, besarnya pengkayaan bahan bakar, fraksi bakar (burn up), tenaga spesifik dan lama pendinginan. Komposisi ini dapat ditentukan secara analisis ataupun menggunakan program komputer Origen 2. Komposisi LCA T yang digunakan dalam penelitian ini ditentukan dengan Origen 2 berdasarkan atas reaktor PWR, fraksi bakar 45.000 MWD/MTU, MWDIMTU daD lama pendinginan sebelum proses vitrifIkasi 4 tahun. Unsur-unsur pembentuk geias-lirnbah masing-masing mempunyai fungsi yang berbedabeda daD akan mempengaruhi karakteristik gelaslirnbah yang dihasilkan. Perubahan salah satu unsur pembentuk geias-limbah ak~ berakibat perubahan karakteristik geias-limbah, misalnya Na20 dalam geias-limbah akan membentuk rase pemisah jika melebihi 10%. Unsur-unsur Mo daD Pu yang berlebih juga dapat membentuk rase pemisah yang dapat mempengaruhi viskositas gelas limbah. Oksida K2O, CaD daD Li2O merupakan unsur-unsur pembentuk gelas yang dapat mempengaruhi titik leleh daD viskositas geias-limbah. Suhu leleh gelas didefmisikan sebagai suhu dimana viskositasnya 100 poise. Oksida K2Odapat menurunkan suhu leleh geias-lirnbah sedangkan CaD pada suhu tinggi akan menurunkan viskositas daD pada suhu rendah akan menaikkan viskositas. Oksida Li2O mempunyai pengaruh yang hampir sarna dengan K2Oyaitu dapat menurunkan suhu leleh gelas-limbah[4,SI. Beberapa karakteristik gelas borosilikat adalah densitas, koefisien muai panjang, hantaran panas, viskositas, laju pelindihan, devitrifikasi, titik pelunakan, hantaran listrik, panasjenis dan kekuatan mekanik. Penelitian karakteristik gelas ini sangat penting untuk perancangan daD operasi tungku, perancangan canister daD penyimpanan sementara.
Perubahan salah satu unsur tertentu dapat mengakibatkan perubahan karakteristik gelas yang
dihasilkan. Pada penelitian terdahulu telah dipelajari pengaruh kandungan limbah terhadap karakteristik gelas limbah sepenti devitrifIkasi, densitas, koefisien muai panjang, titik pelunakan daD laju pelindihan[6,71.Untuk kandungan limbah yang makin tinggi maka akan meningkatkan densitas, koefisien muai panjang, titik pelunakan daD laju pelindihan, sedangkan harga koefisien muai panjang daD titik pelunakan relatif tidak berubah. Dalam penelitian kali ini dipelajari sejauh mana pengaruh kandungan K2O, Li2O daD CaD yang terkandung dalam unsur
Pengolahan Limbah Radioaktif & Lingkungan
Aisyah, dkk
ProsidingPertemuandan PresentasiIImiah P3TM-BATAN,Yogyakarta14 -15 Juli 1999
l~~~-==i
495
BukuJ/
pembentuk gelas terhadap kualitas gelas-limbah yang dihasilkan yaitu dengan mengukur harga laju pelindihannya. Laju pelindihan merupakan salah satu karakteristik gelas-limbah yang penting dipelajari untuk mengevaluasi kualitas hasil vitrifikasi, mengingat tujuan akhir dari vitrifikasi limbah adalah memperkecil potensi terlepasnya radionuklida yang ada dalam limbah ke lingkungan. Laju pelindihan dapat diartikan sebagai korosi yaitu kerusakan bahan yang dapat diukur dengan adanya kehilangan berat ataupun dengan laju pelindihan yang dapat ditentukan dengan mengukur jumlah unsur tertentu yang terlepas dari bahan. Oalam penelitian di laboratorium penentuan laju pelindihan ini digunakan untuk mengevaluasi kualitas bahan yaitu dengan mengevaluasi laju kerusakannya. Sudah barang tentu kualitas bahan ini berkaitan dengan ketahanan kimia yang berkaitan dengan potensi terlepasnya radionuklida. Ada 2 metoda pengujian laju pelindihan yaitu laju pelindihan dipercepat clan laju pelindihan jangka panjang. Pengujian laju pelindihan dipercepat digunakan dalam penelitian jangka pendek untuk meneliti efek dari beberapa parameter. Pengujian ini menggunakan suhu yang lebih tinggi (100°C) untuk mempercepat pelindihan, yaitu dengan mengekstrak contoh dengan alat Sokhlet. Menurut pustaka [4] laju pelindihan yang dilakukan pada suhu 100°C s~lama 24 jam setara dengan laju pelindihan pada suhu kamar (24°C) selama I tahun. Pengujian laju pelindihan jangka panjang dilakukan dengan memakai simulasi kondisi lingkungan dalam penyimpanan. Pada penelitian ini harga laju pelindihan ditentukan dengan metoda sokhlet, yaitu dengan
gelas-limbah milik PNC (Power Reactor and Fuel Development Corporation) yang komposisinya disajikan pacta Tabell [81. Tabell.
~
Komposisi gelas limbah standari61
BahanJ>embe!!!!!kG~ -t
B2D3
Li2DNa20 K2D
CaO
Zno A1203
.imbah: Na20
9,0
Fe2D3 + Cr20i+ NiO
18,83 2,'}x10-5qcm-2.hari-1
Beberapa komposisi contoh gelas.,limbah simulasi dibuat untuk berbagai jenis parameter pengujian. Tabel 1 menunjukkan komposisi contoh gelas limbah simulasi standar. Komposisi contoh gelas-limbah simulasi yang lain dibuat dengan memvariasikan kandungan K2O (1,03; 1,54: 2,05; 2,56 dan 3,08% beret), CaD (1,03; 1,54; 2,35 dan 3,08 % beret) dan Li2O (2,07; 2,58; 3,05 ,dan 3,62 % berat). Masing-masing contoh gelas-limbah tersebut dibuat dengan cara mencampuroksida-oksida yang terkandung dalam komposisi sampai homogen dan dimasukkan ke dalam cawan platina untuk dipanaskan dalam t(mgku pada suhu 1150 °C selama 2,5 jam sambil dilakukan pengadukan secara berkala. Annealing dilakukan selama 2 jam pada suhu 510 DC dan dilanjutkan dengan pendinginan dengan laju 16,7 DCper jam. ~
o,--o-..~ , pendingin
berikut[8]: w 0 -w
(1)
S.t.Wo dimana: L = laju pelindihan (gcm-2hari-1 S = luas pennukaan contoh (cm2g"1 Wo = berat contoh sebelumpengujian (g) w = berat contoh sesudahpengujian (g) t = waktu pengujian (hari)
TATA
1,01
Hasilbelah(termasukaktinida) La'u lindihan
mengukur laju kerusakan bahan berdasarkan berat contoh yang hilang. Pengujian dilakukan pada suhu 100 °C selama 24 jam clandigunakan rumus sebagai
=
-
% Berat 43,15 14,20 3,12 1,0 2,01 2,05 2,10 3,53
Si02 --
KERJA
( ,--~ ""
mantel
~
-~-
i peny;ngga
Bahan
Dalam penelitian ini digunakan limbah simulasi.Bahanyang digunakanberasaldari produk E. Merck yang berupa serbuk,yaitu oksida-oksida kemumiantinggi sedangkansebagaistandardipakai
Gombar2. Gombaralat uji pelindihar/6] Dalam penelitian ini sifat kimia yang diuji adalahlaju pelindihandipercepatdalam mediumair
.
Prosiding Pertemuan danPresentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999
Buku II
496
(aquades). Contoh gelas limbah dihaluskan hingga ukuran 250-420 /lm. Setelah dicuci dengan alkohol, untuk menghilangkan butir halus yang menempel pacta permukaan gelas limbah, contoh kemudian dipanaskan pacta suhu 110 DCdalam oven selama 2 jam. Contoh dimasukkan ke dalam basket daD dipasang pacta sohklet untuk direfluks dengan aquades selama 24 jam pacta suhu 100 DC dengan skema alat disajikan pacta Gambar 2. Harga laju pelindihan dihitung berdasarkan berat yang hilang dengan persamaan 1.
~ 2.50&05 ~
IV
of 2.006-05
E Q
S c
~ ==
1.506-05 1.006-05
"Q
.:
~ 5.006-06 ~ iU'
..J
0 .00 EtOO
0
1
2
3
4
KandunganCaO(-I. bera)
HASIL
£'
DAN P]~MBAHASAN
Gambar 5. Pengaruh kandungan CoO laju pelindihan gelas limbah
3.00E-05
~ 2.5DE;.OO ~ 2.~O5 ~
.2
5
1.~05
~
:s ~ 'ig,. ~
S-
f.OO&D?
5.00&00 O.00 E:.oo 0
1
2
:3
4
KN1'dunva~~O (~. b.r~) Gambar 3. Pengaruh kandungan K]O terhadap laju
pelindihangelaslimbah
-'-Sboo~l 0
1
:2
3
4
Kandun~an LlzO{% ~r.) Gambar4. Pengaruh kandungan LhO laju pelindihangelaslimbah
ISSN 0216-3128
terhadap
terhadap
Hasil penelitian disajikan pada Gambar 3, 4 clan 5. Gambar 3 menunjukkan pengaruh K2O terhadap laju pelindihan gelas limbah. Dari gambar tersebut tampak bahwa semakin besar kandungan K2Omaka harga laju pelindindihan akan meningkat. Seperti diterangkan dimuka bahwa adanya oksida K2O dalam gelas limbah akan menurunkan suhu lelehnya. Dengan berubahnya suhu leleh maka berubah pula karakteristik gelas limbah lainnya seperti viskositas clan densitas. Akibat turunnya suhu leleh gelas limbah maka viskositas gelas limbah pada suhu pembuatan gelas limbah menjadi turun, gelas limbah menjadi lebih encer. Gelas limbah yang lebih encer mempunyai ikatan yang lebih renggang sehingga menurunkan ketahanan kimianya yaitu laju pelindihannya menjadi meningkat. Untuk K2O dalam gelas limbah sampai dengan 3,08 % memberikan harga laju pelindihan sebesar2,65xl0-s gcm-2hanl menaikkan harga laju pelindihan sebesar 15,22.% dari harga laju pelindihan standar. Sebetulnya makin tinggi kandungan K2O akan semakin menguntungkan dalam hal umur melter. Karena suhu pelelehan gelas limbah menjadi turun sehingga korosi me Iter dapat lebih diperkecil. Namun demikian untuk kandungan yang lebih besar dari standan akan menurunkan kualitas gelas .limbah clan ini tidak dikehendaki. Gambar 4 menunjukkan pengaruh kandungan Li2O terhadap laju pelindihan gelas limbah. Dari gambar tampak bahwa makin tinggi kandungan Li2O akan memberikan harga laju pelindihan yang makin besar. Hal ini karena oksida Li2O berpengaruh terhadap suhu leleh gelas limbah yang mengakibatkan berubahnya karakteristik gelas limbah seperti densitas. Untuk kandungan Li2O yang makin besar akan menurunkan suhu leleh yang akan mengakibatkan turunnya densitas gelas limbah. Densitas gelas linbah yang turun menyebabkan jumlah pori dalam gelas limbah cenderung lebih banyak sehingga gelas limbah menjadi lebih rapuh. Hal ini mengakibatkan ketahanan kimianya menurun yaitu laju pelindihannya makin besar.
Pengolahan Limbah Radioaktif & Lingkungan
Aisyah, dkk
ProsidingPerlemuandan Presentasillmiah P3TM-BATAN,Yogyakarla14 -15 Ju/i 1999
Buku II
Untuk kandungan Li2O sebesar3,62 % memberikan harga laju pelindihan sebesar 2,52 gcm-2 hari-1 terjadi kenaikkan laju pelindihan sebesar9,56% dari harga laju pelindihan standar. Seperti halnya dengan K2O maka semakin besar kandungan Li2O lebih menguntungkan dari segi umur melter, namun kualitas geias-limbah akan menurun. Untuk penurunan kualitas geias-limbah yang tidak terlalu besar dapat dikompensasi dengan meningkatkan sistem penahan ganda pada penyimpanan lestari, namun hal ini perlu diperhitungkan segi ekonominya. Gambar 5 menunjukkan pengaruh kandungan CaO terhadap laju pelindihan gelasI imbah. Dalam gambar tampak bahwa makin besar kandungan CaO akan menurunkan laju pelindihan geias-limbah, artinya kualitas gelas-limbah semakin baik. Kandungan CaO sampai dengan 3,08% berat memberikan harga laju pelindihan 1,61 .gcm-2hari-1 terjadi penurunan laju pelindihan 30.% dari gelaslimbah standar yang mengandung CaO 2,05%. Kandungan CaO dalam gelas-limbah disarankan maksimum sarna dengan gelas standar. Kenaikan kandungan CaO sampai menaikkan suhu leleh sebesar 50°C masih diperkenankan. Titik lebur geias-limbah (1150°C -1200°C)[9). Kandungan CaO yang lebih besar lagi akan menaikkan densitas sehingga suhu pelelehan geias-limbah naik dan untuk mengeluarkan lelehan geias-limbah dari melter ke canister perlu suhu yang lebih tinggi 1agi.
KESIMPULAN Kualitas geias-limbah hasil vitrifIkasi dievaluasi dengan mengukur harga laju pelindihannya. Harga laju pelindihan diukur berdasarkan berat contoh yang hilang menggunakan alat sohklet. Hasil yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa pengaruh kandungan K2O daD Li2O terhadap laju pelindihan gelas limbah mempunyai kecenderungan pola yang mirip satu sarna lain. Semakin tinggi kandungan K2O dan Li2O akan menurunkan kualitas gelas limbah. Kandungan K2O salnpai dengan 3,08 % berat meningkatkan laju pelindihan 15,22 % dari harga laju pelindihan standar sedangkan kandungan Li2O sarnpai dengan 3,62 % berat meningkatkan laju pelindihan 9,56% dari harga laju pelindihan standar. Hal ini tidak disarankan karena kualitas gelas-limbah hasil vitrifIkasi menjadi turun.
Aisyah, dkk
Pengolahan
limbah
497
Kandungan CaO
juga
berpengaruh
terhadap laju pelindihan gelas-limbah. Kandungan CaO sampai dengan 3,08 % berat menurunkan laju pelindihan sebesar 30% dari gelas-limbah standar. lni berarti meningkatkan kualitas gelas-limbah yang dihasilkan. Penambahan CaO lebih lanjut akan meningkatkan viskositas yang dalam aplikasinya mengakibatkan lelehan geias-limbah sukar dikeluarkan dari m~lter ke canister sehingga perlu suhu yang lebih tinggi lagi.
DAFTAR
PUSTAKA
MARTONO, H., Gelas sebagai perangkap limbah radioaktif beraktivitas tinggi, Thesis Magister,Univ. Indonesia,Jakarta(1992) 2 IAEA.,Technical Report Series No. 187, Characteristicsof Solidified on High Level WasteProduct,Vienna(1979). 3. IAEA, Technical Report Series No. 257, ChemicalDurability and RelatedPropertiesof Solidified High Level Waste Form, Vienna (1985). MENDEL,J.E. et al., The Fixation or>High 4, Level Waste in Glasses,PNL.. Richland, May (1985). 5. CHICK, L.A. et al., The Effects of Composition on Properties in an II-Component Nuclear Waste Glass System, Pasific North-West Laboratory,Washington,September(1981). 6. AISYAH dan MARTONO, H., Penentuan devitriflkasi gelas-limbah secara mikroskopik (Prosiding Pertemuan dan PresentasiIlmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan Dan TeknologiNuklir), PPNY-BATAN, Yogyakarta (1992). 7. AISYAH dan MARTONO, H., Imobilisasi limbah aktivitas tinggi dengangelas,(Prosiding PresentashIlmi,ah Daur Bahan Bakar Nuklir III), PEBN-BATAN, Jakarta, 4-5 Nopember (1997). 8 MARTONO, H., Characterizationof Waste Glass and Treatment of High Level Liquid Waste, Report at Tokai Works-PNC, Japan (1988). 9. RAWSON,H., Propertiesand Applications of Glass, Elsevier Scientific Publishing company, New York (1980).
Radioaktif & Lingkungan
ISSN 0216-3128
