ISSNO852-4777
BAHANBAKAR REAKTOR DAYA
PENINGKA TAN DAY A KUNGKUNG GAS HASll. FISI DALAM BAHAN BAKAR UO 2 Sugondo ABSTRAK Usaha
peningkatan
tahun
ke tahun.
pada
derajat
murah
bakar
lebih
dan mempunyai
diakiibatkan hasil
keanda/an
Jika bahan
besar angka
oleh interaksi
pelet
fisi yang terbebaskan
swelling.
Usaha
menambah diperoleh
bahan
bakar
bahwa
50 GWd/t. U maka tinggi.
kelongsong
(PCI).
gas
FGR
ke da/am
bakar,
FGR
yang
paling
listrik
Kerusakan Salah
dilakukan pelet
kerusakan
iradiasi
gas hasil fisi tanpa
harga
release/FGR)
yang
bahan
pengurangan
dan penurunan mengungkung
keselamatan
(fission
pengurangan
aditif
bakar
mampu
daTi reaktor elemen
ia/ah
duplek, efektif
bakar
dengan
sangat
menonjol
PCI adalah
ia/ah
adanya
yang menyebabkan
anular.
dengan
daTi
kerusakan
menjadi
yang
memperbesar
dan pelet ada/ah
nuklir
bakar
satu penyebab
daTi bahan
telah dilakukan
menga/ami
butir
kristal
Berdasarkan
penambahan
gas
bubble UO2.
observasi aditif
kaolinit
dan bentonit.
PENDAHULUAN Kapasitas
PCI antara lain modifikasi bentuk, reaktor nuklir sampai saat ini
masih dapat ditingkatkan. (BBN)
adalah
salah
untuk peningkatan
Bahan bakar nuklir
satu parameter
derajat bakar.
mikrostruktur, sifat mekanik,
modifikasi
penurunan densitas, optimasi pelet anular, pelet duplek, dan
BB mikrobola.
utama
Unjuk kerja
Hubungan antara suhu BB dan gas fisi
BBN dibatasi oleh karakteristik material, yaitu
terbebaskan
material bahan bakar (BB) dan material bahan
artinya jika suhu meninggi
kelongsong.
keluar BB meningkat sebaliknya jika gas yang
Keterbatasan
ini terbukti ketika
derajat bakar ditingkatkan, besar 40 Gwd/t. disebabkan
oleh
kelongsong (PCI).
misal sampai lebih
Kerusakan
yang menonjol
interaksi
BB
ketidakmampuan
BB
terbebaskan
menahan
tekanan
terkait,
maka gas yang
membesar
maka
suhu
dapat di,
internal gas hasil fisi.
saling
BB
meningkar1.2J. Gas hasil fisi yang keluar dari,BB
dengan
Penyebab PCI ialah karena
kemungkinan
laju
dengan
difusi
dapat
jarak
Jarak difusi
memperbesar dikurangi
butir
dengan
penurunan suhu BB. Usaha penurunan tahun
peningkatan kerusakan
ke tahun,
keandalan telah
misalnya
BB dan
dilakukan saat
dari
ini sudah
dioperasikan reaktor daya yang mampu mencapai kapasitas derajat bakar sebesar 50 GWd/t.U Walaupun demikian, PCI masih sebagai
penyebab
utama
kerusakan
bahan
bakar. Jika bahan bakar mampu mengungkung gas hasil fisi tanpa mengalami kerusakan pad a
Berdasarkan
uraian di atas jelas bahwa
gas hasil fisi terbebaskan merupakan penyebab kerusakan elemen bakar (EB) pad a saat iradiasi Pad a tulissn ini diuraiksn beberapa metoda untuk merlgurangi gas hasil fisi terbebaskan dari BB. PEMBESARAN
BUTIR
UO2
derajat bakar lebih besar 50 GWd/t.U maka harga listrik dari reaktor nuklir menjadi sangat murah
dan mempunyai
angka
keselamatan
tinggjl11. Beberapa penelitian untuk mengurangi
URANIA No.21-22/Thn.VI/Janu,ari-April
2000
Ada dua cara UO2, yaitu dengan (aneaJing) dan
untuk
membesar
cara pemanasan
melalui
penambahan
butir aniling aditif.
57
SUqONDO PeningkalanDaya KungkungGas Hasi/Fisi Da/am'BahanBakar VOl Pertumbuhan
butir pada aniling drpacu dengan
Butir
UO2 yang
lebih
besar
mampu
tenaga dorong panas, sedangkan pertumbuhan butir pad a penambahan aditif dipercepat
menurunkan laju creep dan kekuatan fracture, dan meningkatkan densitas. Niobia, titania,
oleh unsur pengotor.
Suhu aniling atau suhu
dan kromia
rekristalisasi
lebih dua pertiga suhu
magnesia mengurangi densitas relatif terhadap densitas teoritis UO2. Aditif sedikit berpengaruh
kurang
leleh.
terhadap PEMANGGANGAN
PELET
UO2
dihasilkan
Banyak
dari
faktor
yang
densitas.
konduktivitas
panas.
sebaliknya
Titania
dan
magnesia meningkatkan energi aktivasi creep UO2. yaitu 375 kj/mol menjadi 455 kj/mol pad a
Pemanggal1gan ialah istilah pemanasan rekristalisasi suatu pelet mentah (green pellet) yang
menaikkan
pengompakan
serbuk.
mempengaruhi
hasil
pemanggangan, tetapi yang dibicarakan disini hanya suhu dan waktu untuk memperoleh ukuran butir berbeda. Pelet mentah urania
magnesia dan 475 kj/mol pada titania.
Laju
creep juga proposional terhadap ukuran butir. Magnesia menambah stiffening dan titania meningkatkan plastisitas sebanyak tiga kali pada suhu 1400oC. Niobia meningkatkan laju creep sepuluh kali lipat pad a suhu 12001300°C. Rasio gas keluar pelet pada butir 40
(uranium oksida) dipanaskan selama 2 jam pada suhu 1200, 1300, 1400, 1500, 1600,
~lm t~rhadap 18 ~Im adalah 1,7.
1750,
sehingga gas yang keluar sedikit. Hal ini disebabkan oleh penurunan laju difusi atom.
1850; dan 1900°C,
Pemanasan
tersebut
secara berurutan.
menghasilkan
pelet
mampu
membentuk
Aditif niobia
gelembung
pada
butir
matang dengan ukuran butir sebagai berikut : 1,7; 3,7;
8; 20;
30; 50; 60; dan
80 11m.
Sementara, pemanasan selama 12 jam pad a suhu 1400; 1600; dan 1900, secara berurutan
PElET DUPlEKS relet
dupleks[3j terdiri dari dua bag ian,
menghasilkan ukuran blitir sebesar 25; 35, dan 85 ~lm(3J.
bagian dalam adalah pelet UO2 yang diperkaya
Aditif
dapat dibuat dengan
pelet UO2
(pelet inti) dan bagian luar uranium alam (pelet cincin).
adalah cincin relet dupleks
dua metode.
Metode
pertama, pelet cincin UO2 alam dikompak dan Penambahan percepat
atau
aditif kemungkinan
memperlambat
batas butir UO2, tergantung dan
sifat
unsur
ditambahkan.
pertumbuhan
pada konsentrasi
atau
senyawa
Konsentrasi
itu,
perlu
serapan
netron
diharapkan dengan terhadap
pinalti pengkayaan. dipilih
yang
termal
rendah.
Kemampuan
pertumbuhan
valensi, reaktivitas,
untuk
Oleh karena
unsur
dapat membentuk
UO2.
yang
aditif diusahakan
serendah mung kin. Hal ini dimaksudkan memp6rkecil
mem-
mempunyai larutan
disinter terlebih dahulu kemudian diisi pelet inti UO2 diperkaya yang sudah di sinter.
inti dimasukkan
pelet cincin dikompakkan
selanjutnya dipanggang. ma, proses manufaktur
Pada metoda pertadapat distandarisasi Pad a
Aditif
metoda
cincin
padat
mempunyai
kedua,
pelet
aditif
metoda pertama,
pada
mudah dipisahkan,
dan tentu saja berjari-jari
lebih kecil dari pad a kisi UO2 sehingga mampu membentuk
larutan padat secara interstisi dan
substitusi.
Pengaruh
ukuran
inti dan
karakteristik
pengaruh
butir dapat dilihat pad a Tabel1.
lagi,
sehingga diperoleh dimensi yang presisi.
butir tergantung
aditif terhadap
Metode
kedua, dibuat pelet cincin mentah dan pelet inti mentah dengan densitas rendah. Setelah pelet
kedua uranium dipisahkan. \
pelet
homogen.
Pada
gagalan uranium diperkaya sedangkan diperkaya
Pada pelet dupleks,
pada metoda tersebut
sulit
derajat bakar pelet
cincin lebih kecil dibanding pelet inti diperkaya sehingga
suhu
pelet
cincin
lebih
kecil
dibanding suhu pelet inti. Akibatnya difusi gas
58
URANIA No.21 & 22/Thn.VI/Januari-ApriI2000
SUGONDO
yang keluar oksida pelet
Peningkatan Daya Kungkung Gas Hasi/ Fisi Da/am Bahqn Bakar UO;
lebih kecil dibandingkan
non dupleks.
Pengaruh
pada
sifat
PCI
dapat. dikurangi
dupleks.
dengan
Pembesaran
sistem
butir hanya
pelet
mampu
mekanik, ekspansi radial pelet cincin lebih kecil
mengurangi gas fisi keluar BB setelah derajat
dibandingkan
bakar
pelet
perhitungan,
dupleks.
kompatibilitas
alam mampu
bertahan
Menurut
pelet cincin
UO2
hingga derajat bakar
70-80 Gwd/t.U.
30 Gwd/t.
m~ningkatkan gele~bung
Pembesaran
butir
juga
laju creep dan bergabungnya
gas fisi.
hanya pembesaran
Dengan demikian,
jika
butir yang dikontrol maka
hal itu tidak mampu mengurangi gas fisi ke~uar Suhu pada pusat pelet dupleks derajat
bakar
40 GWd/t
lebih
hingga
rendah jika
BB. Jadi penambahan kan
gas
keluar
aditif mampu menurun-
pelet
tidak
hanya
dari
dibandingkan dengan pelet biasa. Hal itu berarti gas fisi keluar dari pelet juga kecil.
parameter ukuran. butir tetap: juga melalui interaksi kim1a terhadap karakteristik BB dan
Setelah
kelongsong.
derajat
bakar
5 GWd/t
suhu
pusat
pelet dupleks sekitar 600°C dibandingkan pelet biasa
sebesar
maksimum
1100°C,
pelet dupleks
sedangkan
suhu
850°C
pelet
dan
PELETANlILAR
bi~sa 1200°C. Pada daya 150% pelet dupleks dengan butir 70 ~lm setelah derajat bakar 15
Pelet anular diKembangkan untuk reaktor Candul51. Antar pelet pad a EB diselipkan
GWd/t suhu dibandingkan
piringan grafit yang berfungsi sebagai akselerasi perpindahan panas dari pusat BB
100%
pusat pelet dupleks 850°C dengan pelet biasa berdaya
suhu
maksimum sebesar
1000°C.
Sementara
pelet dupleks 1200°C
suhu
pada daya 150%
sam a dengan
pelet biasa
pada daya 100%. Tekanan gas internal dalam EB mempunyai dengan
perbedaan antara pelet biasa
pelet dupleks
20 Gwd/t.
setelah
derajat bakar
Pad a derajat bakar 40 Gwd/t, untuk
pelet dupleks
UO2 yang mempunyai
ukuran
dan
mengurangi
perubahan
penggelembungan
(s\velling)
keluar BB.
bentuk dan
akibat gas
relet pendek dengan anular juga
mengurangi keretakan pelet.
Adanya lapisan
grafit pad a dinding dalam (Interior) kelongsong, maka deformasi kan
menjadi
generasi
kelongsong lebih
panas
kecil linear
mampu 0,4% (LHGR)
diturun-
pad a
44-62 kw/m dan derajat bakar 35 G'Nd/t.
sebesar
PEMBEBASAN
Sementara, 70 1250
J.lm
Ibf/m2
pad a
pelet duplek
dengan
memberikan
Ibf/in2 pad a daya
daya
100%.
butir UO2
tekanan
Dengan
150% dibandingkan
demikian
jelas
FISI (FISSION
GAS RELEASE/FGR)
internal
1900 Ib f/in2 pad a pelet biasa dengan daya 100%.
GAS HASIL
laju
sebesar
butir 8 J.lmmemberikan tekanan interval pin EB sebesar 800 Ibf/m2 dibandingkan pelet biasa 2250
fisi
pelet biasa
Gas fisi yang diamati adalah 85Kr. Uji pecah dilakukan pada saat suhu uji ram (ramp) 1800 °c.
Pad a saat pecah gas fisi ke luar
mampu menurunkan gas keluar BB sekitar tiga
dengan cepat dan selanjutnya gas fisi ke luar
kali lebih kecil.
terus secara perlahan.
Perbaikan 88 dapat dilakukan melalui dua sumber. Dengan memperkecil tekanan
nya gas fisi setelah uji pecah diinterpretasi sebagai proses difusi gas fisi dari dalam butir menuju batas butir. FGR total yang paling
gas fisi memungkinkan
sedikit berasal dari bahan bakar UO2 dengan
deferensial
sepanjang
perimbangan tekanan E8
selama
reaktor
beroperasi. Dengan pelet dupleks perubahan volume akibat suhu menjadi kecil sehingga
Penurunan laju keluar-
butir besar tanpa aditif, kemudi21n diikuti bahan bakar dengan aditifbentonit Penambahan
dan kaolinit.
titania dan niobia mampu
ekspansi termal selama power ramp dapat dikurangi. Berdasarkan argumentasi tekanan
memperbesar
gas fisi internal dan ekspansi terma! BB, maka
11 0 ~m tetapi FGR total sebesar 61,2 % dan
butir yaitu hingga
85 !.1m dan
59
SUGONDO PeningkatanDa.vaKungkllllg Gaslfasil Fisi Dalam BahanBakar va;
64,3
%.
Pad a
penambahan
kaolin it
dan
Meeting
bentonit, BB mempunyai ukuran butir sebesar 15 flm dan 28 flm, dan FGR-nya sebesar 27,8 % dan 24,7 %. Data tersebut menunjukkan bahwa
titania
dan
niobia
Performance, 3
mengakibatkan
prepared
FGR saat uji pecah dan FGR total disebabkan
12,0 % dan dan
menghasilkan
dengan
penambahan
benton it
s~cara
butir
~lm dan
15
~Im
Fluorida, J.,
Reactor
Fuel
17-21 April 1994,
LANDSPERSKY
as pellets with those
fabrication, 6-10 November VIENA 1979, p.185-209
berurutan 28
Water
H.,
of UO2
microspheres prepared by the sol-gel technique", Proceedings of an International Sympsium on water reactor fuel element
adanya difusi). UO2 tanpa aditif dengan ukuran butir sebesar 43 ~Im mengakibatkan FGR total kaolinit J
p.321. BECVAR
Light
URBANEK V., DOLEZAL J., "Comparison of properties and structure of sintered UO2
peningkatan difusi sedangkan kaolinit dan bentonit menghambat laju difusi (Perbedaan
sebesar
on
4
mengakibatkan FGR total sebesar 27,8% dan 24,7%. Dari uraian tersebut berarti bahwa
AINSCOUGH SAWBRIDGE
J.B.,
1978, IAEA,
RAVEN
L.F.A.,
P.T., "Fission Retentive UO2
pengurangan laju FGR yang paling efektif ialah
Fuels", Proceedings of an International Symposium on water reactor fuel element
dengan memperbesar butir jika dibandingkarl dengan aditif niobia dan titania. Akan tetapi, aditif kaolinit dan benton it terlihat paling efektif
fabrication, 6-10 Novemb,er VIENA 1979, p.185-209. 5
untuk pengurangan FGR.
CAHN R.W, HMSEN
1978, IAEA,
P., and KRAMER
E.J., "Oxide Fuels, Materials Science and Technology", VCH Verlagesell Schaft mbH,
KESIMPULAN
1
6 Usaha
pengurangan
pembebasan
gas
hasil fisi (fission gas release/FGr) bahan bakar
UO2
dapat
memperbesar
butir kristal,
aditif, penggunaan anular.
2.
Berdasarkan
dilakukan
dengan
penambahan
pelet dupleks, dan pelet
observasi
diperoleh
bahwa
pengurangan FGR yang paling efektif adalah dengan penambahan aditif kaolinit
Vo110A, Part1 KUBO T., HOSOKAWA
T.,
UNE
K.,
KASHIBE S., TAKEI K., ISHII Y., IKEDA T., OGUMA M.,
ITa
K., ROSENBAUM
H.S., AND ROWLAND T.C., "Fission Gas behavior In Advanced UO2 With Controlled Microstructures", Proceedings International Topical Meeting on
1994 Light
Water Reactor Fuel Performance, Fluorida, 17-21 April 1994, p.650-658.
c;ianbentonit.
Penulis adalah
DAFTAR PUSTAKA
Pejabat Fungsional Peneliti dan Stat Bidang Teknologi Bahan Bakar
DEHAUDT P., EMINET G., CHARLES M., AND LEMAIGNAN
C., "Microstructure
UO2 in a VJide Range
of
of Burnups and
Temperatures Impacts on Fission Gas Release Mechanisms", Proceedings 1994 International
Topical
Meeting
on
Light
Water Reactor Fuel Performance, Fluorida, 17-21 April 1994 , p.140. PIRON and
J.P., et al., "Fuel Microstructure
RIM,
Proceedings
Effect 1994
at
High
International
Burn-Up", Topical
Reaktor Daya, P2TBDU, BATAN
SUGONDO
Peningkatan Daya Kungkung Gas Hasil Fisi Dalam Bahan Bakar VO]
Tabel1.
Pengaruh aditif terhadap ukuran butir UOi31
Tabel-2: Pembebasan gas hasil fisi (FGR) dan penggelembungan
(swelling) bahanbakar
UO}6)
TANYAJAWAB
Ghoib Widodo Jenis
aditif
Sugondo apa
yang
dipilih,
mineral
kaolinit atau bentonit?
Bedasarkan 27,8%
untuk
fission kaolinit
gas dan
release 24,7%
(FGR) untuk
benton it maka aditif yang lebih baik untuk FGR adalah benton it.
-
URANIA No. 21& 22/Thn.VI/Januari-ApriI2000
Kembali ke Jurnal
61
