~ 198
Buku II
Prosiding Pertemuan danPresentasi I/miah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999
51/ PENGARUH P'ENCUCIAN DAN KALSINASI TERHADAP SIFAT GEL TO:RIUM-URANIUM DAN ThO2-U3OS
Damunir, Sukarsono,BangunWasito P3TM-Batan,J/. BabarsariKatak Pas 1008,Yagyakarta55010
ABSTRAK PENGARUH PENCUCIAiN DAN KALSINASI TERHADAP SIFA T GEL TORIUM-URANIUM DAN ThOz-U30S .Pengaroh pencucian dan kalsinasi terhadap sifat gel folium-uranium dan ThO~U30B telah diteliti. Endapan campuran Th(OH)4 dan (NH4)2U207 dibuat dengan mereaksikan larotan campuran Th(NO3)4 dan UO2(NO3)2 dengan NH40H 8 M pada pH 7 dan suhu 80 DC. Larotan campuran mengandung 2 mol Thl1 dan uranium dalam campuran adalah 15 % terhadap folium. Sol Th-U dibuat dengan GarB melarotkan kembali endapan kedalam larotan HNO3 0,1 M pada suhu 80 DC sambil diadu,/{. Keasaman diukur pada pH 3,8 menggunakan pH meter: Empat puluh gram PVMiter larotan ditambahkan ke dalam larotan sol panas dan diaduk selama 20 menit. Untuk mendapatkan gel Th-U berbentuk bola, sol Th-U diteteskan kedalam larotan NH40H 3 M pada suhu kamar: Gel yang terbentuk beropa butiran bola-bola kecil, lalu disating, dicuci dan dipanaskan. Pengaroh waktu pencucian dipelajati dati 5-30 menit, waktu kalsinasi dati 0,5-5 jam dan suhu kalsinasi 300-800 DC. Kualitas hasil ditentukan oleh sifat fisis gel Th-U dan ThO~U30B yaitu densitas hasil diukl:Jr memakai larotan CCI4 dan piknometer; diameter butiran bola diukur memakai mikrometer: Hasil percobaan menunjukkan bahwa pencucian dan kalsinasi betpengaroh terhadap £J'ensitas dan diameter butiran bola gel dan oksida folium -uranium. Kondisi optimum berlang,sung pada waktu pencucian 15 menit, waktu kalsinasi 3-4 jam dan suhu kalsinasi 700-800 DC. Sei~elah pemanasan pada suhu 120 DC selama 4 jam diperoleh gel dengan densitas, 3,83 giml dan o'iameter rerata butiran bola kecil, 1615.ll m. Setelah gel dikalsinasi pada suhu 700 DC selama 4 jam, diperoleh ThO~U30B yang memiliki densatas rerata sebesar 8,73 g/ml dan diameter rerata sebeasr 997.urn.
ABSTRACT THE EFFECT OF WASHING AND CALCINATION ON THE PROPERTIES OF THORIUMURANIUM GEL AND ThOrU3OB .The effect of washing and calcination on the properties of thorium-uranium gel ;ana' ThO~U308 has been investigated. Precipitation of mixed Th(OH)4 and (NH4)2U207 was made by reacting mixed solution of Th(NO3)4 dan UO2(NO3)2 with 8 M of NH40H at pH 7 and at the temperature of 80 DC. This mixed solutions contained 2 mol Thl1 and the uranium content was 15 ~~of Th. Th-U sol was prepared by dissolving the precipitate ion into 0,1 M of HNO3 stirred and he,ated at 80 DC. Its acidity was alT8nged at pH of 3,8 using pH meter. Fifty mililiter of 40 g PVM sol,ution was added into hot sol and stirred for 20 minutes. In order to find Th-U gel in the spherici31 shape, this Th-U sol was dropped into 3 M of HNO3 at ambeint temperature. The fonned gel were microspheres; they were filtered, washed and dried.. The effect of washing time was studied for 5 -30 minutes, calcination times were 0,5-5 hours and the calcination temperature Ivas between 300-800 DC. The product quality was characterized from the gel and particle properties such as gel density using picnometer and CCI4, particle size using micrometer. The results :)'howed that washing and calcination processes influenced the gel and thorium-uranium oxides density and particle size. The optimum conditions occured at washing time of 15 minutes, calcination time of 3-4 hours and cacination temperature of 700-800 °c. After being dried at 120 °c for 4 hours, gel density was 3,83 giml and its average size was 1615}JIT/. After the gel was calcinated at 700 °c for 4 hours, ThO2-U308 fonned have an average density of 8,73 giml and average di,3meter of 997 }JIT/
ISSN 0216-3128
Teknologi Proses
Damunir, dkk
PENDAHULUAN B
ahan bakar campuran torium & uranium banyak digunakan sebagai bahan bakar reaktor suhu tinggi. Salah satu jenisnya adalah bahan bakar kernel (Th,U)O2' Bahan bakar kernel (Th,U)O2 mempunyai densitas tinggi daD berbentuk bola, dapat dibuat melalui gelasi eksternal. Proses ini diawali dengan pembuatan gel torium-uranium, kemudian perubahan gel menjadi bahan bakar reaktor suhu tinggi. PembuauLngel torium-uranium mempunyai beberapa tahapan yaitu pembuatan endapan campuran torium hidroksida & amonium diuranat, peptisasi daD prosrl~s gelasfl-4) .Dalam pembuatan gel torium-uranium sering mengalami kesulitan karena banyaknya faktor yang berpengaruh. Oleh sebab itu, dalam penelitian ini masalah tersebut penting dipeliljari. Pembuatan endapan campuran torium hidroksida& amonium diur~mat dibuat dengan mereaksikan larutan torium dan uranium nitrat dengan amonium hidroksida p;ida pH 7-8, Uffh<25 % daD suhu 80 °C(3-4) .:,etelah itu endapan dipeptisasi (dibuat sol) dengarl melarutkan kembali dengan asam nitrat atau ion nitrat. Pada proses peptisasi terjadi hidrolisis torium dan uranium menjadi partikel koloid, kemudian diubah menjadi larutan sol. Larutan sol torilllffi-uranium dipakai sebagai umpan gelasi. Agar dapat menjadi gel dibutuhkan zat aditif senya1Na organik seperti: golivinil alkohol (pV A), polis;akarida dan lain-lain 2). Polivinil alkohol ditambah}~anke dalam larutan sol torium-uranium sambil di:iduk agar reaksinya sempurna. Polivinil alkohol dapat bereaksi dengan torium-uranium membentuk senyawa polimer ikatan silang pada kondisi pH 3,8, NO3ffh = 0,31 , Uffh =10 -25 % , 40 g/1 PYA d~Lnsuhu 70 -90 °C dengan waktu peptisasi 20 menit. Setelah itu larutan sol diteteskan ke dalam medium amonium hidroksida pada suhu kamar dl~nganmenggunakan jarum suntik, menghasilkan gel torium-uranium berbentuk bola(2-4) . Gel yang dihasilkan pada proses gelasi masih mengandung sisa poli1rinil alkohol, asam nitrat, amonium nitrat dan zat lain yang tidak bereaksi. Senyawa kimia ini dapat mempengaruhi kualitas gel yang dihasilkan, seperti densitasnya rendahdan mudah pecah menjadi serbuk torium dan uranium hila terjadi dekomposisi tennal. Oleh sebab itu zat yang tidak bereaksi tt:rsebut harus harus dihilangkan. Salah satu metowmya adalah dengan cara pencucian, pemanasandaD ]kalsinasi(1-7). Pencucian gel sangat penting, terutama untuk memisahkan zat yang mudah larut seperti amonium nitrat, asam nitr;at dan amonium hidroksida. Menurut Ringel (3) , waktu pencucian untuk menghilangkan sisa am,onium nitrat, asam
Damunir, dkk
nitrat dan polivinil alkohol dari gel torium-uranium paling baik adalah 10 menit memakai amonium hidroksida 1 % dan air. Senyawa kirnia yang belum terpisahkan selama pencucian dapat dihilangkan dengan pemansan dan kalsinasi. Molekul air kristal dapat dihilangkan pada suhu 150 -200 °c selama 10 -16 jam, sedangakan untuk menghilangkan sisa amonium hidroksida dan polivinil alkohol dapat dilakukan dengan kalsinasi pada suhu 200 -800 °c selama 2-24 jam. Pada kalsinasi, zat diatas terkomposisi menjadi H2O, CO2 dan NOx (2.4,6) . Dalam penelitian ini dipelajari waktu pencucian, waktu kalsinasi dan suhu kalsinasi terhadap sifat fisis gel dan oksida torium-uranium.
TATA
KERJA
BAHAN Bahan kimia yang digunakan terdiri daTi torium nitrat basil reekstraksitorium konsentrat, uranium dioksida perancis. Bahan daTi Merck berupa amonium hidroksida, polivinil alkohol, karbontetra khloida, asamsulfat, asamnitra!, asam amido sulfamat,ferro sulfat dan air bebas mineral dari PPNY. ALAT Satu perangkat potensiometerMetrohm, pH meter Beckmann, pengaduk magnit, alat pemanas (Furnace), eksikator, gelas piala, termometer, mikrometer, cawan porselin, piknometerdanbatangpengaduk. CARA KERJA Dalam penelitian ini diamati tiga variabel, yaitu pengaruhwaktu pencucian,waktu kalsinasi dan suhukalsinasi. Pengaruh waktu pencucian, Dibuat endapan campuran torium hidroksida clan amonium diuranat, dengan mereaksikan 100 ml yang mengandung 2 mol Th/l clanUfTh = 15 % dengan amonium hidroksida 8 M pada pH 7 dn suhu 70 °c. Endapan disaring menggunakan kertas saring Watmann dengan bantuan pompa vakum, lalu dicuci dengan amonium hidroksida 1 % clan air bebas mineral sampai larutan fitratnya menunjukkan pH 7. Setelah itu dikeringkan pada suhu 80 °c selama 2 jam. Kemudian endapan diubah menjadi larutan koloid dengan menambahkan asam nitrat 0,1 M, lalu dipanaskan pada suhu 80 °c sambil diaduk. Larutan koloid yang dihasilkan diambil sebanyak 1 ml dam dianalisis kandungan torium clan uraniumnya. Sebanyak 40 g PVAlliter larutan ditambahkan kedalam larutan
Teknologi Proses
ISSN 0216-3128
ProsidingPertemuandan PresentasiIlmiah P3TM-BATAN,Yogyakarta14-15 Juli 1999
Buku1/
200
koloid daD diatur keasarnannya pacta pH 3,8 menggunakan pH meter daD diaduk selama 20 menit sehingga dihasilkan larutan s(J,fkental. Agar terjadi gel, larutan sol diteteskan kedalarn larutan NH4OH 3 M dengan menggunakan jarurn suntik. Gel toriumuranium yang dihasilkan dicuci dengan N~OH 1 % daD air bebas mineral selanla 5 menit, masingmasing tiga kali. Kemudian ~~eldirendarn didalarn air bebas mineral selarna 24 jarn, untuk menghilangkan sisa arnonium hidroksida. Setelah percobaan selesai, percobaan diulangi lagi untuk waktu pencucian 10, 15, 20, :~5 daD 30 menit. Gel yang dihasilkan dikeringkan d:ilarn udara selarna 24 jam sarnpai satu minggu. Setelah itu gel dipanaskan pacta suhu 120DCselarna 4 j~lm, kemudian diukur diarnter butiran menggunak;an mikrometer daD densitas menggunakan larutan CC4 daDpiknometer. Setelah itu gel dikalsinasi pacta suhu 700 DCselarna 4 jam. Gel yang telah dikalsinasi ditentukan densitas daD ukuran butiran dengan car~lyang sarna.
Tabell.
Pengaruhwaktu pencucian gel toriumuranium basil proses ekstemal gelasi terhadapdensitas dan diameter butiran bola gel torium-uranium setelah pemanasan pactasuhu 120°C dan oksida ThOz-U3Og setelahdikalsinasi700°c
Pengaruh Waktu kalsinasi, Dengan cara yang sarna, percobaan diulangi denganmenvariasikaJlwaktu kalsinasi gel torium-uraniumyang mengandlung 2 mol Th/l, NO3m = 0,31 daD40 PVAlIIaruum selarna0,5,1,2,3, 4 daD5 jarn pactasuhu 700 °C, kemudianhasilnya dikarakterisasiseperticaradiatas. Pengaruh suhu kalsinasi, Dengan cara yang sarna, percobaan diulangi denganmenvariasikwlsuhu kalsinasi,300 °C, 400 °C, 500 °C, 600 °C, 700 °C clan 800 °C, kemudiandikarakterisasikanse:perticaradiatas.
HASIL
DAN
PEMBAHASAN
Tabel 1 menunjukkan bahwa pemanasan dan kalsinasi gel basil pencucian ~OH 1 % dan air mempengaruhi sifat fisis ~~eltorium -uranium dan oksida torium-uranium tc~rutamadensitas dan diameter butiran bola. Setelah pemanasan padasuhu 120 °C , densitas gel sebesar 3,26 -3,86 g/ml dan diameter butiran bola kecil sebesar 1289 -1615 J.1m. Setelah kalsinasi pada suhu 700 °c, densitas oksida ThO2-U3OS sebesar sebesar 7,86 -8,71 g/ml dan diameter bola keci1 sebesar 996-1074 J.1m.Ringel et al(3)melakukan penelitian peDllisahansisa senyawa organik, amonium nitrat dan asam nitrat dari gel torium-uranium dengan metoda pencucian menggunakan ~OH 1 0;0 dan air. Mareka menemukan waktu pencuciarl paling baik adalah setelah 10 menit. Sedangkan dari basil percobaan diperoleh kondisi pencucian p,aling baik selama 15 menit, densitas oksida ThO2-U3OSsebesar8,71 g/ml dan diameter butiran bola sebesar 1036 J.1m.
ISSN 0216-3128
Teknologi Proses
Damunir, dkk
Prosiding Pertemuan danPresentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-1:5Juli1999
BukuII
gambar2. Dapat dilihat pada gambar2, perubahan beratkristal yang terjadiselanlakalsinasipadasuhu 400-800 °c adalah relatif stabil. Perubahanberat kristal pada setiapperubahansuhu pemanasan juga terjadi perubahanstruktur kristal oksida toriumuranium dari amorf menjadi kristalin. Menurut Boeksechotenet al(6),krista.l oksida Th02-O308 terbentukpada suhu 500-1000°c clan stabil pada suhu 700 °c. Maka untuk percobaanseterusnya kalsinasikangel dilakukanpadasuhu700°c. 100~
~ 80.
!" 60. m
~ 40. ~ ~ .:: 20.
201
oksida ThO2-UJOs. Hal ini mirip dengan hasil penelitian Ganguly, et al(4)dan Hass et al(S). Pada tabel 3 ditunjukkan bahwa perubahan suhu kalsinasi gel torium-uranium dapat mempengaruhi densitas , warna dan ukuran butiran bola kecil oksida ThO2-UJOs.Pada suhu 300-800 °C terjadi perubahan densitas dan ukuran butiran bola kecil, sedangkan warnanya tetap coklat. Butiran bola kecil stabil pada suhu 700-800 °c selama 4 jam. Densitasnya sebesar 8,76 giml dan diameter butiran bola kecil sebesar 984 flm. Maka dari hasil percobaan diatas dapat disimpulkan bahwa kalsinasi gel torium-uranium paling baik selama 3-4 jam pada suhu 700-800 °c .
KESIMPULAN
o.
Dari basil percobaan dan pembahasan diatas dapat disimpulkan; Suhu, 0<; 1. Waktu pencucian,waktu daD suhu kalsinasi berpengaruhterhadap densitas daD diameter Gambar 2. Pengaruh perubahan suhu terhadap butiran gel torium -uranium daDoksida Th02persenberatgel torium-uranium U30s Tabel2. pengaruhwaktu kal!;inasigel Th-U hasil 2. Kondisi optimumwaktu pencuciangel toriumuranium adalah 15 menit, waktu kalsinasi proses ekstemallanltan Sol Th-U yang mengandung2 moll'h/l dan um = 15 % selama3-4jam daDsuhukalsinasi700-800°c 3. Gel torium-uraniumbasil pencucianselama15 padapH 3,8 dan suhu80 °C menit mempunyai densitas 3,83 giml daD diameterbutiran bola sebesar615 Ilm, setelah pemanasanpadasuhu120 °c selama 4 jam. Densitas oksida Th02-U3OS setelah gel dikalsinasikanpactasuhu 700 °c selama4 jam rerata, 8,73 girol daD diameter butiran bola rerata,997Ilm 0
200
400
600
800
1000
Tabel 3. Pengaruhsuhu kalsulasi gel Th-U basil prosesgelasisol Th-U yang mengandung 2 mol Th/l dan um = 15 % , NO3"m = 0,31 padapH 3,8 dan suhu80 °C
Damunir, dkk
DAFT AR PUST AKA WEISSERRT,L.R.," Fabrication of Thorium Fuel", American Nuclear Society, USA, Washington,DC, pp 1-19January(1968). 2 NICKEL,H.," development of coated Fuel Particles.KFA Contribution Within the Frame of the GermanyHigh TemperatureReactorFuel Development Program, Kernforscunglage Juelich, KFA, lliI-687-RW, pp 1-12, August(1970). 3. RINGEL,H.D and ZIMMER,E.,"The external Gelation of Thorium For PreparetionOf ThO2 and(Th,U)O2Fuelkernel",NuclearTecnology, Vol 45, pp. 278 -298, Act (1979). 4. GANGULY,C. LANGEN,H. ZIMMER,E., "Sol -Gel Microsphere Pelletization Process For Fabrication Of High Density ThO2-U3OS Fuel For Advenced PressuredHeavy Water Reactor", Kernforscunglage Juelich GmbH,
Teknologi Proses
ISSN 0216-3128
5.
6.
7. 8.
Prosiding Perlemuan danPresentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999
Buku II
202
Nuclear Tecnology, V,ol 73, pp 8495, Apr(1986). RINGEL. H.D., MATHEWS., SWANSON, M.L.,"Fabrication of Large (Th,U)02 Microsphere", White shell Nuclear Research Establishment,Pinawa,Man, Canada,May 10, 79-N-78(1978). BOEKSCHOTEN and KEMA. N.V., The Formation of Compounds: in The U03 -Th02 system,J. In org Nucl Chl~m,Vol 30, pp. 119126(1968). RINGEL,H,. "Washing 01'Gel Particle in Wet Chemical Manufacture of Reactor Fuel Particle", KFA, pp.I-IO, July(1980). HAAS. P., and CLINTON., "Preparation of Thoria-Uraniaand Mixed Oxide Microsphere", Oak Ridge Natioanl Laboratory, Oak Ridge, Tennesse, Vol 5, No 3, pp 236-244,
September(1966)
TANYA
sebagai inti bahan bakar berlapis (Th, U)O]
untuk bahan bakar reaktor suhu tinggi (R17). Endang Susiantini : )1. Kenapa pacta suhu > 700 °C ukuran butir tetap? Damunir: ..t;. Pada suhu kalsinasi > 700 'C semua zat organik don anorganik seperti sisa PVA, NH.,OH; NH3 dan H]O terdekomposisi menjadi gas H]O, CO] dan NO". Kemudian terpisah dengan meninggalkan kristal oksida ThO] -U30s dan akhirnya tinggal oksida ThO] -U30s dengan berat yang tetap. Ngasifudin : )1. Bagaimana mekanisme pengaturan suhu kalsinasi dari 300 °C sid 800 °C untuk waktu kalsinasi ~ jam? Damunir: ..t;. Pengatur suhu kalsinasi gel torium-uranium dari 300 'C sid 800 'C selama ~ jam, dilakukan secara manual, misalnya satu sampel untuk dikalsinasi pada suhu 300 'C selama ~ jam, setalah itu ditentukan densitasnya dalam CCi., menggunakan piknometer dan diameter butiran bola oksida ThO] -UjOs dengan mikrometer. Demikian seterusnya untuk sampel yang lain.
JAWAB
Sugondo: );.. Pacta penjelasan disebutllcansuhu optimum kalsinasi. Apakah sudah dibandingkandengan diagramrasasistemtersebu.t? Damunir: -<)-Pada suhu kalsinasi optimum 700 -800 CC terjadi perubahan fas,a dalam kristal gel torium-uranium mejadi kristal oksida ThO2 UjOa. Perubahan sisteJi'1fasa tersebut belum dipelajari atau diband'ingkan dengan hasil penelitian yang dila)Cukan oleh peneliti sebelumnya maupun dengan data yang terdapat dalam literatur.
Nusin Samosir : )1. Hasil akhir kalsinasi adalah oksida Th02 -U3O8 yang diperoleh dengan densitas 8173 glml dan diameter butiran bola 997 J.lm, apakah sudah bulat dan siap digunakan sebagai inti bahan bakar R1T? Atau masih diperlukan proses lanjut agar dapat dipakai sebagai inti bahan bakar
R1T?
ImamB: );.. Apa manfaat yang bisa d,iambil dari sifat gel Torium -Uranium dan oksida ThO2 -U3Os setelahmengalamipencuciandan kalsinasibagi teknologi terkait yang bel~gunabagi kemajuan pembangunanteknologinuklir?
Damunir: ..t;. Hasil akhir oksida ThO] -U3Os dengan densitas 8,73 glml dan diameter butiran bola gel 997 ;un yang diperoleh menunjukkan kondisi optimum pembuatannya. Hasil tersebut belum dapat digunakan sebagai inti bahan bakar RTT karena harus melalui proses reduksi U3Os menjadi UO] dan karakterisasi sifat fisis yang lain seperti kuat tekan, stabilitasnya pada suhu lebih tinggi.
Damunir: -<)-Manfaat yang dapat Griambil dari sifat gel Torium -Uranium dan ThO2 -UjOa dari hasil penelitian ini ad'alah dapat diketahui kondisi optimum pembuatan kernel (Th,U)O2
ISSN 0216-3128
Teknologi Proses
Damunir, dkk
