PENGARUH POROSITAS MEAT BAHAN BAKAR TER- HADAP KAPASITAS PANAS PELAT ELEMEN BAKAR U 3 Si 2 -Al

Aslina Br. Ginting, dkk.

ISSN 0216 - 3128

127

PENGARUH POROSITAS MEAT BAHAN BAKAR TERHADAP KAPASITAS PANAS PELAT ELEMEN BAKAR U3Si2-Al Aslina Br.Ginting , Supardjo, Sutri Indaryati Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir (PTBN) -BATAN Serpong

ABSTRAK PENGARUH POROSITAS MEAT BAHAN BAKAR TERHADAP KAPASITAS PANAS PELAT ELEMEN BAKAR U3Si2-Al. Analisis kapasitas panas telah dilakukan terhadap serbuk Al, kelongsong AlMg2, serbuk bahan bakar U3Si2 dan PEB U3Si2-Al dengan porositas meat 4,9% ; 5,53% ; 6,25% ; 6,95 %; 7,90% ; dan 8,66%. Analisis dilakukan dengan menggunakan Differential Scanning Calorimetry (DSC) pada suhu 30oC hingga 450oC dengan kecepatan pemanasan 1oC/men dalam media gas Argon. Tujuan analisis adalah untuk mengetahui pengaruh kenaikan porositas meat bahan bakar terhadap kapasitas panas karena diduga kenaikan persentase porositas meat akan menyebabkan penurunan kapasitas panas PEB U3Si2-Al. Hasil analisis yang diperoleh menunjukkan bahwa kapasitas panas serbuk Al, kelongsong AlMg2 bertambah besar dengan naiknya suhu, sedangkan kapasitas panas serbuk U3Si2 menunjukkan kecenderungan stabil dengan naiknya suhu hingga 450oC. Analisis kapasitas panas terhadap PEB U3Si2-Al menunjukkan bahwa peningkatan porositas meat bahan bakar menyebabkan penurunan kapasitas panas PEB U3Si2-Al. Data analisis ini diharapkan dapat digunakan sebagai masukan kepada fabrikator bahan bakar reaktor riset untuk mendesain elemen bakar jenis silisida dengan muatan tinggi Kata Kunci: Serbuk Al, kelongsong AlMg2, serbuk U3Si2, , PEB U3Si2-Al, kapasitas panas, porositas.

ABSTRACT INFLUENCE OF FUEL MEAT POROSITY ON HEAT CAPACITIES OF FUEL ELEMENT PLATE U3Si2Al. Analyze of heat capacities of Al powder, AlMg2 cladding, U3Si2 powder and PEB U3Si2-Al with the meat porosity of 4,9 ; 5,53 ; 6,25 ; 6,95 %; 7,90 ; 8,66% have been done. Analysis was conducted by using Differential Scanning Calorimeter ( DSC) at temperature 30oC to 450oC with heating rate 1oC /minute in Argon gas media. The purpose of analyze is to know the influence of increasing of fuel meat porosity on heat capacities because increasing of percentage of meat porosity will cause degradation the of heat capacities of PEB U3Si2-Al. Result of analysis showed that the heat capacities of Al powder, AlMg2 cladding increase by temperature, while heat capacities of U3Si2 powder was stable with increasing of temperature up to 450oC. Analysis of heat capacities toward PEB U3Si2-Al indicate that increasing of fuel meat porosity of caused degradation of the heat capacities of PEB U3Si2-Al. Data obtained were expected to serve the purpose of input to fabricator of research reactor fuel in for design of fuel element type silicide with high loading. Keyword: Al powder, AlMg2 cladding, U3Si2 powder , PEB U3Si2-Al, heat capacities, porosity.

PENDAHULUAN ahan bakar nuklir adalah salah satu komponen utama untuk beroperasinya reaktor nuklir baik reaktor daya maupun reaktor riset. Jenis bahan bakar yang berisi bahan fisil mengandung isotop U-235 atau Pu-239 atau keduanya sekaligus yang dapat dibuat menjadi bahan bakar yang berbentuk pelat, batang atau lainnya tergantung dari desain reaktornya. Bahan bakar dari uranium alam atau yang mengandung U-235 sebesar 0,71% dari berat U total dapat juga digunakan dalam teknologi reaktor daya misalnya reaktor jenis CANDU. Tetapi untuk bahan bakar reaktor riset yang sering

B

digunakan adalah bahan bakar yang berbentuk pelat type MTR (Material Testing Reaktor) atau berbentuk batang atau tongkat untuk jenis TRIGA. Bahan bakar reaktor riset biasanya digunakan uranium diperkaya lebih kecil dari 19,7% yang berisikan U3O8-Al, U3Si2-Al, UO2-Al, UAlx-Al atau UMo-Al sebagai meat bahan bakar. Reaktor riset G.A. Siwabessy mulai dioperasikan pada tahun 1987 menggunakan bahan bakar U3O8 dengan matrik Al dan menggunakan AlMg2 sebagai kelongsong. Namun sejak September 2002, bahan bakar jenis U3O8 di ganti dengan bahan bakar jenis silisida U3Si2-Al dengan tingkat muat uranium (TMU) 2,9 gU/cm3 telah mengisi seluruh teras

Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007

128

ISSN 0216 - 3128

reaktor G.A. Siwabessy dengan daya operasi 30 MW. Hasil penelitian yang dikaitkan dengan hasil analisis keselamatan operasi reaktor menyatakan bahwa bahan bakar jenis silisida U3Si2-Al dengan TMU 2,9 gU/cm3 mempunyai kinerja (performance) yang tidak jauh berbeda dengan bahan bakar lama yaitu jenis oksida U3O8-Al pada TMU yang sama, sehingga sampai sekarang RSG-GAS tetap menggunakan bahan bakar jenis silisida[1]. Namun beberapa penelitian terus dilakukan untuk penggunaan pelat elemen bakar (PEB) U3Si2-Al dengan TMU tinggi yaitu lebih besar dari TMU 2,9 g U/cm3 . Bahan bakar uranium silisida dengan kandungan U235 dapat dibuat menjadi elemen bakar hingga TMU 5,2 g/cm3. Dengan peningkatan TMU diharapkan dapat meningkatkan siklus operasi reaktor sehingga menyebabkan waktu tinggal (life time) elemen bakar di dalam reaktor lebih lama yang dapat mengurangi penggantian elemen bakar (refuelling) sehingga effisiensi ekonomi bahan bakar akan lebih meningkat. Perubahan TMU secara fisik merupakan perubahan komposisi U3Si2 dan matrik Al di dalam PEB U3Si2-Al karena volume


PEB sudah tetap yaitu sekitar 19,23 cm3 sehingga bila TMU meningkat maka semakin besar kandungan U3Si2 dan semakin berkurang kandungan matrik Al dalam bahan bakar. Pelat elemen bakar untuk reaktor riset di Serpong dibuat dengan menggunakan meat atau inti elemen bakar (IEB) U3Si2-Al umumnya dikenai proses rol bersamaan dengan kelongsong AlMg2 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Perolan PEB U3Si2-Al dilakukan hingga ketebalan tertentu sesuai spesifikasi PEB U3Si2-Al yang dipersyaratkan. Proses perolan yang dikenakan terhadap PEB U3Si2-Al adalah perolan panas dan perolan dingin. Pada perolan panas proses perolannya dilakukan pada daerah suhu rekristalisasinya. Besar suhu rekristalisasi berkisar antara 0,4 sampai dengan 0,5 dari suhu lebur bahan tersebut dalam derajat Kelvin, sedangkan proses perolan dingin dilakukan pada daerah suhu dibawah suhu rekristalisasi. Akibat dari perolan tersebut PEB U3Si2-Al akan menyebabkan berkurangnya porositas bahan, butiran kasar akan berubah menjadi halus, kekuatan dan homogenitas bertambah baik[2].

Gambar 1. Perakitan Pelat Elemen Bakar ( PEB) U3Si2-Al.



ISSN 0216 - 3128

Dalam mendesain PEB U3Si2-Al reaktor riset, besaran kapasitas panas bahan bakar harus diketahui karena dapat mempengaruhi perpindahan panas dari inti elemen bakar atau meat ke kelongsong AlMg2. Selama proses fabrikasi, dapat terjadi perubahan besaran kapasitas panas (Cp = J/goC) bahan bakar yang disebabkan oleh proses perolan. Proses perolan dilakukan dalam fabrikasi bahan bakar merupakan proses deformasi plastis dengan cara melewatkan benda kerja di antara beberapa tahapan perolan. Beberapa keuntungan menggunakan proses perolan panas adalah tenaga yang diperlukan untuk mengubah bentuk bahan lebih kecil bila dibandingkan dengan proses perolan dingin. Sedangkan keunggulan proses perolan dingin adalah kondisi permukaan benda kerja lebih baik serta kekuatan dan kekerasan logam semakin meningkat, namun kerugiannya adalah makin getasnya bahan yang dideformasi dingin. Perubahan kapasitas panas, selain terjadi pada proses perolan bahan bakar juga disebabkan oleh besarnya porositas meat bahan bakar U3Si2-Al. Namun demikian, porositas dengan jumlah tertentu didalam meat bahan bakar U3Si2-Al sangat diperlukan karena berfungsi untuk mengakomodasikan gelembung gas hasil fisi sehingga swelling pelat elemen bakar dapat diperkecil. Porositas meat bahan bakar U3Si2-Al meningkat seiring dengan kenaikan fraksi volume bahan bakar. Makin tinggi tingkat muat uranium, fraksi volume bahan bakar juga meningkat, sedangkan jumlah matrik Al menurun

129

sehingga ruang antara partikel bahan bakar tidak terisi oleh serbuk matrik Al dengan optimal. Sehingga pada saat proses perolan terjadi aglomerasi diujung PEB. Fenomena demikian menyebabkan terjadinya peningkatan porositas. Hubungan emperis antara porositas dengan fraksi volume bahan bakar dalam meat ditunjukkan pada Gambar 2 dan dapat dinyatakan dengan persamaan : Vp = 0,072 Vf – 0,275 Vf 2 + 1,32 Vf 3 , dimana Vp dan Vf masing-masing sebagai fraksi porositas dan fraksi volume bahan bakar dalam meat atau inti bahan bakar[3]. Porositas rendah membiarkan PEB U3Si2-Al mengelembung sekitar 30 - 45µm lebih besar dari PEB U3Si2-Al yang berporositas tinggi. Naiknya tingkat muat uranium di dalam pelat elemen bakar U3Si2-Al akan meningkatkan kandungan U3Si2 serta menurunkan kandungan matrik Al yang menyebabkan meningkatnya persentase porositas didalam vulume meat bahan bakar[3]. Peningkatan porositas tersebut diduga akan menyebabkan kapasitas panas PEB U3Si2-Al menurun. Oleh karena itu pada penelitian ini akan dilakukan analisis seberapa besar pengaruh porositas terhadap kapasitas panas PEB U3Si2-Al. Besarnya porositas meat bahan bakar U3Si2-Al yang dihasilkan oleh beberapa fabrikator berbeda antara satu dengan lainnya yaitu berkisar antara : 3 -15 % untuk ANL, 4 % untuk CERCA. 7- 8 % untuk NUKEM. 9 - 10 % untuk B&W serta 5 -9 % untuk PT. BATAN Teknologi (Persero)[4].

Gambar 2. Hubungan Fraksi Volume Bahan Bakar Dengan Porositas.[3]


Kapasitas panas meat bahan bakar merupakan jumlah dari kapasitas panas bahan bakar U3Si2 dan kapasitas panas matrik Al. Besaran kapasitas panas akan mengalami penurunan dengan meningkatnya porositas yang bersamaan dengan kenaikan fraksi volume bahan bakar. Perubahan fraksi volume bahan dan porositas didalam meat bahan bakar tersebut diduga akan mempengaruhi besaran kapasitas panas PEB U3Si2-Al. Peneliti J.L.Snelgrove, dkk dari ANL menyatakan hubungan empiris porositas PEB U3Si2-Al dengan kapasitas panas sebagai beriikut[4]: Cp (U3Si2-Al) = 0,0122 Vp. Cp (U3Si2) + 0,0027 (1Vf- Vp) Cp.Al J/ cm3 oK dengan persamaan Cp U3Si2 = 0,199 + 0,000104 J/goK dan Cp Al = 0,892 + 0,00046 J/goK. Pada penelitian ini pengukuran kapasitas panas PEB U3Si2-Al dengan TMU 3,6g/cm3; 4,2 g/cm3 dan 4,8g/cm3 dibuat pada rentang porositas meat bahan bakar mulai dari 4,9 % hingga 8,66 %. Pembuatan persentase porositas meat bahan bakar dilakukan dengan cara perhitungan sbb: Contoh perhitungan pembuatan porositas meat bahan bakar sebesar 4,9% Volume IEB (meat) = 19,23 cm3 Kandungan U235 per setiap PEB = 11,9 g (asumsi) Kandungan U dalam U3Si2 = 92,5 % Densitas (ρ) U3Si2 = 12,2 g/cm3 Densitas (ρ) Al

=

2,7 g/cm3

Pengkayaan U235 = 19,75 %

Berat U =


ISSN 0216 - 3128

130

11,9 = 60,250 g 0,1975

Berat U 3Si 2 = Vol U 3Si 2 =

Dengan perhitungan yang sama kemudian dilakukan pembuatan meat bahan bakar dengan variasi porositas 5,53%; 6,25 %; 6,95% ; 7,90 % dan 8,66 %. Selanjutnya meat bahan bakar dengan variasi persentase porositas, difabrikasi menjadi PEB U3Si2-Al sesuai dengan langkah-langkah fabrikasi untuk pembuatan PEB seperti yang terlihat pada Gambar 1. Analisis kapasitas panas PEB U3Si2-Al dengan variasi porositas 5,53%; 6,25 %; 6,95% ; 7,90 % dan 8,66 % dilakukan dengan menggunakan Differential Scanning Calorimetry (DSC) pada suhu 30oC hingga 450oC dengan kecepatan pemanasan 1oC/men dalam media gas Argon. Data analisis yang diperoleh diharapkan dapat digunakan sebagai masukan kepada fabrikasi elemen bakar reaktor riset untuk mendesain elemen bakar tingkat muat uranium lebih tinggi dari 2,9 g U/cm3.

TEORI KAPASITAS PANAS Perubahan energi biasanya menyebabkan perubahan panas dalam suatu bahan yang disebut dengan panas reaksi. Dapat dipahami bahwa kalor atau panas setara dengan kerja sehingga panas merupakan suatu bentuk energi. Dengan demikian dapat diartikan bahwa panas reaksi adalah perubahan energi yang menyertai suatu reaksi kimia atau fisis dalam suatu bahan. Ada dua jenis sifat yang terkait dengan reaksi kimia atau reaksi fisis dalam suatu bahan yaitu panas jenis dan kapasitas panas. Panas jenis adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1oC terhadap 1 gram zat. Panas jenis dinyatakan sebagai suatu besaran: q = m × c × ∆T. dengan q = panas yang diserap atau yang dilepas (Joule atau calori), m = massa (g), c = panas jenis (J/goC), ∆T = perubahan suhu (oC).

60,25 = 65,135 g 0,925

65,135 = 5,339 cm 3 12,2

Volume pori = 4,9 % x 19,23 cm3 = 0,9423 cm3 Volume matrik Al = 19,23 – (5,339 + 0,9423) cm3 = 12,949 cm3 Berat Al = 12,949 cm3 × 2,7 g/cm3 = 34,9615 g Sehingga diperoleh perbandingan berat U3Si2 dengan matrik Al sebesar 65,135 g : 34,9615 g yang selanjutnya dibuat menjadi meat bahan bakar dengan porositas 4,9 %.

Sedangkan kapasitas panas secara umum dapat didefinisikan sebagai jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu bahan atau sistem sebesar 1oC yang dinyatakan dengan rumus sbb[5]: q = Cp × ∆T,

dengan q = panas yang diserap atau yang dilepas (Joule atau calori), Cp = kapasitas panas J/oC), ∆T = perubahan suhu (oC). Dari rumusan di atas terlihat bahwa besaran kapasitas panas sangat dipengaruhi oleh jenis bahan dan suhu, sedangkan jenis bahan sangat dipengaruhi oleh porositas dan kerapatan bahan, sehingga diduga porositas bahan akan berpengaruh terhadap kapasitas panas.



ISSN 0216 - 3128

131

kapasitas panas bahan bakar PEB U3Si2-Al dengan cara men plot kan garis lurus sebagai fungsi suhu dari sumbu X ke sumbu Y sebagai besaran kapasitas panas. Langkah pengukuran diatas dilakukan sama terhadap masing masing PEB U3Si2Al dengan variasi porositas diatas dan kelongsong AlMg2. Analisis kapasitas panas terhadap serbuk Al dan serbuk U3Si2 dilakukan dengan menimbang serbuk Al atau serbuk U3Si2 masing-masing seberat 150 mg, kemudian langkah pengukuran selanjutnya dilakukan sama seperti pengukuran terhadap PEB U3Si2-Al.

METODOLOGI PENELITIAN Peralatan Differential Scanning Calorimetry (DSC) Timbangan Analitik

Bahan • Serbuk Al 99.999% • Serbuk U3Si2 • Kelongsong AlMg2 • PEB U3Si2-Al dengan Variasi Porositas No

Kode PEB U3Si2-Al

TMU (g/cm3)

Porositas (%)

1

IDA 9401

3,6

4,9

IDA 9405 2

IDA 9402

5,53 4,2

6,25

4,8

7,90

IDA 9406 3

IDA 9403 IDA 9407

6,95 8,66

Cara Kerja PEB U3Si2-Al dengan porositas 4,9 % sampai 8,66% dipotong dengan ukuran ± 3 x 2 mm, kemudian ditimbang seberat 150 mg dan di masukkan ke dalam krusibel aluminium. Setiap pengukuran disiapkan 3 (tiga) buah krusibel aluminium kosong dengan kegunaan masing-masing adalah : krusibel pertama digunakan sebagai pembanding (Kr), krusibel kedua untuk wadah standar Al2O3 dan krusibel ketiga sebagai wadah sampel (Ks). Tahap pertama dilakukan pengukuran terhadap krusibel aluminium kosong yang dianggap sebagai data blangko. Pengukuran kedua dilakukan terhadap krusibel alumina kosong dan krusibel yang berisi sampel standar Al2O3 seberat 150 mg dan pengukuran yang ketiga dilakukan terhadap krusibel aluminium kosong dan bahan bakar U3Si2-Al. Masing-masing krusibel tersebut dimasukkan kedalam chamber Differential Scanning Calorimetry (DSC’92) dengan kondisi operasi suhu 30oC hingga 450oC dan kecepatan pemanasan 1oC/min dalam media gas Argon dengan percobaan 3 × pengulangan. Hasil pengukuran berupa termogram DSC yang merupakan korelasi antara suhu pengukuran dengan kapasitas panas bahan bakar U3Si2-Al. Dari ketiga hasil pengukuran tersebut dilakukan evaluasi untuk memperoleh besaran

HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Kapasitas Panas Serbuk Al, Serbuk U3Si2 dan Kelongsong AlMg2 Analisis kapasitas panas telah dilakukan terhadap serbuk Al, serbuk U3Si2, kelongsong AlMg2 dan beberapa PEB U3Si2-Al dengan variasi porositas meat bahan bakar 4,9% ; 5,53% ; 6,25% ; 6,95 %; 7,90% ; 8,66%. Hasil analisis kapasitas panas serbuk Al dan kelongsong AlMg2 menunjukkan bertambah besar dengan naiknya suhu, kenaikan kapasitas panas pada suhu 35,68oC hingga 437,31oC masing masing sebesar 0,745 J/goC hingga 0,966 J/goC untuk serbuk Al dan sebesar 0,64 J/goC hingga 0,89 J/goC untuk kelongsong AlMg2. Kapasitas panas serbuk U3Si2 cenderung stabil dengan naiknya suhu hingga suhu 450oC seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 dan Gambar 3. Hal ini menunjukkan bahwa serbuk U3Si2 dengan jumlah matrik Al tertentu dalam bahan bakar tersebut cukup stabil terhadap panas hingga suhu 450oC. Meningkatnya kapasitas panas serbuk Al dan kelongsong AlMg2 dengan naiknya suhu disebabkan oleh meningkatnya getaran termal dari atom-atom penyusun serbuk Al dan kelongsong AlMg2. Perubahan susunan atom tersebut mengiringi pengaturan kembali susunan atom yang disebabkan oleh perubahan suhu dan akan menghasilkan diskontinuitas pada besaran kapasitas panas[6,7].

Analisis Kapasitas Panas PEB U3Si2 –Al Dengan Variasi Porositas Telah dilakukan analisis kapasitas panas terhadap PEB U3Si2 –Al dengan variasi porositas antara 4,90 % hingga 8,66% dan hasil analisis tersebut dituangkan pada Tabel 2 dan Gambar 4.



ISSN 0216 - 3128

132

1.1

Cp Serbuk Al

0.9

o

Kapasitas Panas (J/g C)

1

0.8 0.7

Cp Serbuk U3Si2

0.6 0.5 0.4

Cp Kelongsong AlMg2

0.3 0.2 0

50

100 150

200 250 300 350 400

450

o

Temperatur ( C)

Gambar-3. Kapasitas Panas Serbuk Al, Serbuk U3Si2 , dan Kelongsong AlMg2.

Tabel 1. Kapasitas Panas Serbuk Al , serbuk U3Si2-Al dan kelongsong AlMg2. SUHU (oC)

35,68 54,75 75,1 95,31 115,48 135,61 155,8 175,9 196,07 216,21 236,33 256,43 276,57 296,71 316,79 336,9 357,1 377,09 397,.14 417,23 437,31

Cp Serbuk Al (J/groC) 0,745 0,774 0,784 0,794 0,804 0,815 0,825 0,835 0,845 0,855 0,865 0,875 0,885 0,895 0,905 0,915 0,925 0,936 0,946 0,956 0,966

Cp Serbuk U3Si2 J/goC)

0,32 0,36 0,39 0,41 0,40 0,38 0,32 0,32 0,32 0,34 0,36 0,36 0,35 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33

Cp Kelongsong AlMg2 (J/groC) 0,64 0,65 0,66 0,66 0,67 0,72 0,72 0,72 0,73 0,73 0,73 0,75 0,76 0,77 0,77 0,77 0,79 0,82 0,87 0,89 0,89



ISSN 0216 - 3128

133

Tabel 2. Kapasitas Panas PEB U3Si2 –Al dengan Porositas 4,9 % hingga 8,66%. KAPASITAS PANAS PEB U3Si2 –Al (Cp =J/goC)

SUHU (oC)

IDA 4401 (4,9%)

IDA 4405 (5,53%)

IDA 4402 (6,25%)

IDA 4406 (6,95 %)

IDA 4403 (7,90%)

IDA 4407 (8,66%)

0,55 0,58 0,64 0,66 0,71 0,76 0,79 0,81 0,83 0,85 0,86 0,87 0,88 0,88 0,88 0,90 0,91 0,92 0,92 0,93

0,52 0,53 0,59 0,62 0,69 0,69 0,72 0,76 0,77 0,79 0,80 0,81 0,83 0,84 0,84 0,86 0,88 0,89 0,90 0,90

0,49 0,51 0,54 0,58 0,63 0,66 0,69 0,69 0,69 0,71 0,73 0,75 0,75 0,75 0,75 0,76 0,76 0,78 0,81 0,83

0,46 0,48 0,52 0,55 0,60 0,60 0,64 0,65 0,66 0,69 0,70 0,72 0,73 0,73 0,73 0,75 0,75 0,76 0,77 0,78

0,41 0,43 0,44 0,46 0,48 0,54 0,58 0,57 0,57 0,57 0,58 0,59 0,60 0,61 0,61 0,61 0,62 0,63 0,64 0,64

0,35 0,37 0,39 0,44 0,47 0,52 0,54 0,56 0,56 0,56 0,56 0,55 0,55 0,55 0,55 0,52 0,52 0,52 0,51 0,50

54,8 75,15 95,36 115,51 135,66 155,8 175,97 196,07 216,21 236,33 256,43 276,57 296,64 316,86 336,93 357,03 377,12 397,14 417,23 437,08

1 T=54.8oC

Kapasitas Panas (J/goC)

0.9

T=75.15oC

0.8

T=115.51oC

0.7

T=155.8oC

0.6

T=216.21oC

0.5

T=216.21oC T=316.86oC

0.4

T=357.03oC

0.3 4.3

4.9

5.5

6.1

6.7

7.3

7.9

8.5

POROSITAS MEAT (%)

Gambar 4. Kapasitas Panas PEB U3Si2-Al Variasi % Porositas.


9.1

T=397.14oC T=437.08oC

134

ISSN 0216 - 3128

Dari Tabel 2 dan Gambar 4 dapat diketahui bahwa kapasitas panas PEB U3Si2-Al meningkat dengan naiknya suhu. Peningkatan suhu menyebabkan tumbukan antara atom U dengan Al matrik didalam bahan bakar semakin cepat sehingga kontak singgung antar kedua logam menjadi lebih besar dan ikatan antar kedua logam tersebut semakin kuat[6,8]. Semakin kuat tumbukan antara logam U dan Al matrik maka semakin besar bahan bakar tersebut menyerap panas sehingga meningkatkan kapasitas panas. Apabila dikaji dari kenaikan persentase porositas meat bahan bakar, seperti yang terlihat dari Gambar 4 dan Tabel 2 bahwa meningkatnya persentase porositas menyebabkan besaran kapasitas panasnya menurun. Hal ini disebabkan karena kandungan Al matrik di dalam PEB U3Si2Al dengan porositas 4,90% dan 5,53 % pada TMU 3,6 g/cm3 relatif lebih besar dibandingkan dengan Al matrik yang terdapat dalam PEB U3Si2-Al dengan porositas 6,25 % dan 6,95% pada TMU 4,2 g/cm3 serta sebesar 7,90% dan 8,66% pada TMU 4,8 g/cm3. Penurunan kapasitas panas PEB U3Si2-Al sangat dipengaruhi oleh besar kecilnya kandungan matrik Al yang terkandung di dalam bahan bakar tersebut. Hal ini didukung oleh analsisis kapasitas panas serbuk Al dan serbuk U3Si2 seperti yang terlihat pada Gambar 3 dan Tabel 1 bahwa kapasitas panas serbuk Al jauh lebih besar sekitar 0,966 J/goC dibanding dengan kapasitas panas serbuk U3Si2 yang hanya sebesar 0,33 J/goC. Fenomena ini menunjukkan bahwa semakin tinggi TMU semakin kecil kandungan matrik Al dan persentase porositas di dalam meat bahan bakar menjadi bertambah besar. Kandungan matrik Al di dalam PEB U3Si2-Al sangat berperan dalam penentuan besar kecilnya kapasitas panas bahan bakar, karena matrik Al berfungsi untuk mengisi kekosongan antar partikel U3Si2 sehingga dapat mengurangi rongga atau porositas, oleh karena itu pada saat pengukuran kapasitas panas sangat dipengaruhi oleh sifat-sifat kandungan matrik Al dan porositas dari bahan bakar tersebut[8]. Porositas semakin besar menyebabkan kerapatan bahan menurun sehinggga penyerapan dan perpindahan panas dalam bahan bakar tersebut menjadi menurun pula.

KESIMPULAN


Dengan demikian dapat dinyatakan bahwa persentase meat bahan bakar sangat berpengaruh terhadap kapasitas panas PEB U3Si2-Al.

DAFTAR PUSTAKA 1.

TIM KESELAMATAN REAKTOR SERBA GUNA Laporan Analisis Keselamatan Penggantian Elemen Bakar Oksida ke Silisida Densitas 2,96 g/cm3, RSG. OTH/LAK/01/98.

2.

MARDJONO SISWOSUWARNO, Teknik Pembentukan Logam, Jurusan Mesin- Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Bandung, 1985.

3.

R.F DOMAGALA, T.C.WINCEK, J.L. SNELGROVE, M.I.HOMA and R.R. HEINRICH, DTA Study of U3Si2 - Al and U3Si2 - Al Reactions, IAEA - TECDOC - 643(4), 1992.

4.

J.L.SNEGROVE, R.F.DOMAGALA, G.L. HOFMAN, T.C.WINCEK, G.L. COPELAND, R.W.HOBBS and R.L.SENN, The Use of U3Si2 Dispersed Al in Plate Type Fuel Elements for Research and Test Reactor, ANL/RERTR /TM -11, 1987.

5.

THOMAS E.DAUBERT, Chemical Engineering Thermodynamics, Mc Graw-Hill International Editions, ISBN 0-07-015413-9, 1985.

6.

A.G.SAMOILOV, A.I.KASHTANOV and V.S.VOLKOV, Dispersion Fuel Nuclear Reactor Elements Atomizdat, Moskua,1965.

7.

J. SAITO,Y.KOMOR, F.SAKURAI and H.ANDO, Measurement of Thermal Conductivity of Uranium Silisida – Aluminium Dispersion Fuel, Departement of JMTR Project, Oarai Research Establishment, JAERI-Oarai-Machi, Higahiibaraki-gun, Ibaraki-ken, 1991.

8.

CHANG-KYU RHEE, SU-II PYUN and IIHIUN KUK, Phase Formation and Growth at Interface Between U3Si and Aluminium, Korea Atomic Energy Institute, Daejon 305-606, Korea, 1991.

TANYA JAWAB

Dari analisis ini dapat disimpulkan bahwa kapasitas panas serbuk Al, kelongsong AlMg2 bertambah besar dengan naiknya suhu, sedangkan kapasitas panas serbuk U3Si2 cenderung stabil dengan naiknya suhu hingga suhu 450 oC. Namun peningkatan porositas meat bahan bakar menyebabkan penurunan kapasitas panas PEB U3Si2-Al.

Y. Sardjono − Sepengetahuan saya kapasitas panas adalah fungsi waktu. Mohon komentar tentang perhitungan kapasitas panas terhadap fungsi porositas.



ISSN 0216 - 3128

135

Supardjo

Supardjo

− Tingkat muat uranium dalam bahan bakar dispersi naik, porositas naik. Dengan kenaikan tingkat muat uranium jumlah matrik Al makin sedikit. Dari Gambar 3 nampak bahwa Cp Al jauh lebih tinggi dibanding dengan U3Si2, sehingga dengan penurunan jumlah Al Cp-nya menurun.

− Sebagai contoh, pelat elemen bakar U3Si2-Al dengan tingkat muat uran 4,8 & 5,2 g U/cm3 dengan porositas 5 – 9 % diiradiasi di RSG-GAS pada daya 15 MW untuk mencapai Burn-up 60% diperlukan 8 siklus.

Syarip − Berapa lama waktu penggantian bahan bakar yang diinginkan? (Pada nilai porositas berapa hal tersebut bisa dicapai/berapa nilai porositas yang paling ideal?). − Bagaimana cara menurunkan porositas meat bahan bakar tersebut?

− Cara menurunkan porositas muat bahan bakar dispersi dapat dilakukan beberapa cara diantaranya : • Menggunakan serbuk bahan bakar berbentuk bulat. • Menggunakan bahan bakar dengan diameter butir lebih kecil. • Tahanan pengepresan inti elemen bakar U3Si2Al dinaikkan.


PENGARUH POROSITAS MEAT BAHAN BAKAR TER- HADAP KAPASITAS PANAS PELAT ELEMEN BAKAR U 3 Si 2 -Al

Recommend Documents