ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
PERBANDINGAN VITRIFIKASI DAN PEMISAHAN KONDISIONING UNTUK PENGOLAHAN LlMBAH CAIR AKTIVITAS TINGGI. Herlan Martono, Aisyah Pusat Teknologi Limbah Radioaktif, BATAN ABSTRAK. PERBANDINGAN VITRIFIKASI DAN PEMISAHAN KONDISIONING UNTUK PENGOLAHAN LlMBAH CAIR AKTIVITAS TINGGI. Telah dipelajari perbandingan pengolahan limbah cair aktivitas tinggi secara vitrifikasi dan pemisahan kondisioning untuk mendapatkan keunggulan dan kekurangan karakteristiknya. Pada proses vitrifikasi, limbah cair aktivitas tinggi dicampur dengan bahan pembentuk gelas yang dilelehkan pada titik lebumya, selanjutnya didinginkan sampai suhu kamar. Pemisahan kondisioning meliputi proses kalsinasi limbah cair aktivitas tinggi, sublimasi, reduksi, dan peleburan. Hasil proses vitrifikasi adalah gelas-limbah, sedangkan hasil proses pemisahan kondisioning adalah New Ceram. Pada pemisahan kondisioning tanpa penambahan bahan aditif untuk solidifikasi, sehingga reduksi volume besar. Konsekuensi hal ini adalah fasilitas pengolah, transportasi, dan disposal yang lebih kecil serta berkurangnya frekuensi handling. Jadi reduksi biaya fasilitas dan pengelolaan limbah besar. Pada penyimpanan sementara gelas-limbah hasil vitrifikasi dilakukan selama 30 - 50 tahun dengan sistem pendingin untuk menghindari terjadinya devitrifikasi. Pada pemisahan kondisioning, semua Cs menyublim pada 1000 °C, sehingga dapat mengurangi lama penyimpanan sementara selama 27 tahun. Pada pemisahan kondisioning praktis tidak ada limbah sekunder, sedangkan pada proses vitrifikasi timbul limbah sekunder dari hasil pengolahan gas buang. Dari segi proses, vitrifikasi lebih sederhana dan teknologi ini telah dilakukan di PTLR BATAN dalam skala laboratorium .. ABSTRACT. COMPARATION OF VITRIFICATION AND SUPER HIGH TEMPERATURE METHOD ON HIGH LEVEL LIQUID WASTE TREATMENT. The comparation of high level liquid waste treatment by vitrification process and superhigh temperature method has been studied to find advantance and disadvantance for each method. For vitrification process, high level liquid waste was mixed by glass frit and melted at the melting point, then cooled up to room temperature. The steps of the process of super high temperature method are calcination of high level liquid waste, sublimation, reduction, and melting. The product of vitrification process is waste-glass, but the product of super high temperature method is New Ceram. Super high temperature method without aditif for solidification, so that volume reduction is high. So the facilities of treatment, transportation, and disposal are decreased, also reducing handling frequency. These make a significant reduction cost of waste managementlnterm storage for waste-glass were conducted by cooling systeem for 30 - 50 years, to avoid devitrification. In the super high temperature method, due to the sublimation of Cs at 1000 °C, so decreasing life time of interm storage for 27 years. There is no secundary waste in the super high temperature method, but in the vitrification process arising secondary waste is treated by off gas treatment system. From process view, vitrification process is more simple complicated and this technology was being tested in Radioactive Waste Technology Center-BAT AN in the laboratory scale.
PENDAHULUAN. Limbah
Cair Aktivitas
Tinggi
(LCA T), umumnya
siklus I proses olah ulang bahan bakar nuklis bekas.
dihasilkan
Komposisi
hasil belah dan sedikit aktinida, dengan komposisi oksidanya
1 [1].
40
dari ekstraksi
pelarut
LCA T banyak mengandung
seperti ditunjukkan
pada Tabel
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006
Tabel1.
Komposisi Limbah Cair Aktivitas Tinggi yang berbentuk Oksida dari Bahan bakar bekas PWR, fraksi bakar 45.000 MWO/MTU, pengkayaan uranium 4,50%, panas peluruhan 38 MW/MTU dan pendinginan 4 tahun [1] Berat 16,48 1,47 3,81 1,45 2,20 6,99 2,56 0,95 0,85 0,81 0,11 4,12 0,56 7,19 9,05 1,68 0,74 1,67 Oksida %
Oksida
0.14 0.24 % Berat 0,52 0,07 1,22 2,58 4,19 3,91 2,05 1,93 0,15 0,18 0,11 0,04 0,05 12,32 6,77 0,84
BaO CdO SnO Am203 Cm203 Sm203 EU203 Gd203 PU02 Nd203 Pre011 La203 Ce02 Te02 Pm203 Cs20 Sb203 Ag20
Pd~ SrO NiO Rh203 Mo03 Np02 Se02 Rb20 Y203 P205 Fe203 U02 Cr203 TC207 RU02 Zr02 Na20
Volume LCAT 1
m3,
aktivitas jenis LCAT adalah
4 x 105
Ci/m3,
dengan proses
vitrifikasi menjadi gelas-limbah yang volumenya 110 liter dan dimasukkan ke dalam canister yang terbuat dari baja tahan karat AISI 304 L yang volumenya 118 liter. Radionuklida yang terkandung dalam gelas -
limbah tersebut memancarkan radiasi gamma yang tinggi,
sehingga dapat menimbulkan panas yang suhunya melebihi 500 DC. Suhu di atas 500 DC (Tg: suhu transformasi gelas) dan dalam jangka lama dapat menimbulkan kristalisasi dalam gelas - limbah, yang dikenal dengan devitrifikasi.
Radiasi alfa yang dipancarkan oleh
aktinida dalam gelas limbah dapat mengakibatkan terjadinya reaksi inti, sehingga terjadi perubahan komposisi gelas - limbah. Adanya devitrifikasi dan perubahan komposisi gelas _ limbah harus dihindari karena mengakibatkan kenaikkan laju pelindihan radionuklida dari gelas - limbah. Oleh karena itu untuk menghindari terjadinya devitrifikasi dapat dilakukan dengan penyimpanan sementara gelas - limbah dalam canister di interim storage yang harus dilengkapi dengan sistem pendingin selama 30 - 50 tahun [2,3,4]. Devitrifikasi dapat juga dihindari dengan menentukan kandungan hasil belah dalam gelas-limbah 10 % [2]. Untuk memperkecil
terjadinya
perubahan
komposisi
dilakukan
dengan menurunkan
kandungan unsur aktinida dalam gelas - limbah yaitu dengan menurunkan kandungan
41
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegialan PTLR Tahun 2006
limbahnya. Perubahan komposisi dapat ditentukan dari perubahan densitas dan kuat tekan [4]. Masalah dalam vitrifikasi adalah volume dan tenaga panas besar, serta biaya untuk pengelolaan limbah sekunder mahal. Super High Tempereture Method
(SHTM) merupakan proses pengolahan LCAT
dengan pemisahan - pemadatan (pemisahan kondisioning) tanpa penambahan bahan aditif, sehingga reduksi volumenya besar.
Metode ini relatif baru, yang beberapa tahun terakhir
ini dikembangkan di USA, Jepang, Perancis, dan Rusia. dalam skala industri.
Metode ini belum dioperasikan
Tahap pertama proses ini adalah kalsinasi yang merubah unsur -
unsur dalam larutan asam nitrat pada 700°C dalam udara menjadi oksida. Cesium yang menyublim pada pemanasan 1000 °c selama 2 jamadalah
98 %, pada 900°C selama 2
jam adalah 90 %, dan pada 800°C selama 5 jam adalah 90 % [5]. Sublimasi dilakukan dalam gas argon. Pengambilan Cs dan Ba dapat mengurangi waktu pendinginan selama 30 tahun, sedangkan pengambilan Cs, Ba, Sr, dan Y dapat mengurangi waktu pendinginan selama 45 tahun. Super High Temperatur Method menghasilkan limbah padat aktivitas tinggi yang kompak mengandung aktinida (solid high active waste containing actinides) dengan pemisahan Cs (40 % high thermal power fission product) dan hasHbelah logam mulia hanya dengan sedikit penambahan senyawa titanium nitrida (TIN). Bahan dilelehkan pada 1600 °C. Reduksi unsur-unsur golongan platina dalam hasil belah berbentuk logam ingot. Residu yang tidak direduksi berbentuk oksida ingot.
Logam ingot dan oksida ingot merupakan
komposisi limbah aktivitas tinggi yang paling kompak dari senyawa hasil belah titanat yang membantu sebagai matriks.
Logam hasH belah dan oksida menjadi padat. tanpa
penambahan atau pencampuran dengan bahan matriks seperti gelas, bitumen, polimer, dan semen. PROSES PENGOLAHAN LlMBAH CAIR AKTIVIT AS TINGGI.
•
Proses Vitrifikasi. Proses vitrifikasi LCAT dengan gelas borosilikat ditunjukkan pada Gambar 1 [1].
Pemanas melter dihidupkan sehingga suhu gelas - limbah mencapai 600°C.
Gelas-
limbah dalam melter sampai tinggi di atas elektrode selalu ada walaupun melter tidak dioperasikan.
Hal ini digunakan untuk start up pada pemanasan melter dengan sistem
Joule heating Pada suhu 600°C,
elektrode dihidupkan sehingga gelas - limbah dapat
menghantarkan arus listrik yang menimbu!kan panas. Pada saat itu pengumpanan bahan pembentuk gelas (glass frit) dan LCAT dimulai.
Perbandingan bahan pembentuk gelas
borosilikat dan LCAT 3/1 dimasukkan ke dalam melter dengan laju pengumpanan 9 kg/jam. Komposisi umpan 6,75 kg/jam bahan pembentuk gelas dan 2,25 kg/jam (16,10 liter/jam) LCAT. Kapasitas pengumpanan 300 kg. Pelelehan bahan pembentuk gelas dan LCAT 42
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
dilakukan pada suhu 1150 °C selama 2 jam. Pada vitrifikasi perlu penambahan bahan gelas 10 kali hasil belah.
Gas yang keluar dari melter diolah dengan sistem penanganan gas
buangan, yang meliputi alat air film cooler, submerged bed scrubber (S8S), venturi scrubber, water scrubber, high efficiency mist eliminator (HEME), ruthenium adsorber, dan filter HEPA.
Lelehan gelas - limbah hasil vitrifikasi dituang dari melter ke canister pada
suhu 1000 °C. Pengelasan tutup canister dilakukan, kemudian dekontaminasi dilakukan. Tahap selanjutnya pemeriksaan fisik canister dilakukan untuk melihat kerusakan canister yang meliputi perubahan dimensi dan kebocoran hasillas.
Selanjutnya canister disimpan di
tempat penyimpanan sementara dengan sistem pendingin.
Bahan Gelas
Air
4 .
Air Pendingin keluar
Penangkap
Air Pendingin
~
Water Scrubber tipe Perforated Plate
MEL TER
Ke Cerobong Blower HEPA Filter
Ke Pengolahan limbah cair sekunder
Pemanas
Gambar 1. Bagan proses vitrifikasi LCA T dengan gelas borosilikat [1] •
Proses Super High Temperature Method. Fasilitas ini lebih kecil daripada vitrifikasi, karena tidak adanya penambahan bahan
matriks dan reduksi volume hasil besar sehingga kapasitas penyimpanan lebih kecil pula. Proses pengolahan LCAT dengan SHTM ditunjukkan pada Gambar 2 [5,6].
43
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
Cerobong
~····"'·······"'UJ··
!
..·L=t········ ..·
·,
~i·····::::::::=:::::::·r·::::~=-~r::~::,=:~::~;~B-:-~ Penangkap
r ·
Scrubber
:>···
!::·$
·R.IL IS;
Pe~angkap
}.?gine
Reduction Oksida
Gambar 2. Diagram proses super high temperature method LCAT [5,6.]. Proses ini bertujuan menghasilkan solid high active waste containing actinides dengan pemisahan Cs dan logam mulia menggunakan penambahan sedikit TIN. Limbah aktivitas tinggi berfungsi sebagai matriksnya sendiri tanpa pencampuran bahan matriks gelas. Teknologi baru ini perlu dipertimbangkan kelayakannya dibandingkan teknologi yang telah dioperasikan dalam skala industri.
Reduksi volume limbah aktivitas tinggi dengan
proses SHTM sekitar 1/10 dibandingkan teknologi vitrifikasi [5]. Tahap proses SHTM meliputi kalsinasi, sublimasi, reduksi, dan peleburan. Larutan nitrat dari hasil belah, aktinida, dan produk korosi dikalsinasi pada suhu 700 DC, sehingga menjadi HBOx, AnOx, dan CPOx (HB = hasil belah, An = aktinida, dan CP = produk korosi). Uap air dan gas NOx yang keluar diserap dengan scrubber. Proses sublimasi oksida hasil kalsinasi dilakukan pada suhu 1000 DCdalam media gas argon. Unsur Cs dan Rb menguap pada suhu tersebut.
pengaruh waktu perlakuan terhadap sublimasi Cs ditunjukkan pada
Gambar 3.
100 90 80 70 60
1000
·c
50
40
30 20
10 o
6
o
Gambar 3. Pengaruh waktu terhadap sublimasi Cs [5,6]
44
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian clan Kegiatan PTLR Tahun 2006
Pada suhu 1000 °C, selama 1 jam, sekitar 90 % Cs dapat diuapkan. Oksida logam alkali tanah dan oksida lain dari unsur seperti Ru, Te perlu diperhatikan karena titik didihnya rendah. Unsur Ru menyublim dalam bentuk RU04' Unsur Te tidak menyublim dan menyatu dengan Pd membentuk senyawa [5]. Oksida unsur platina, unsur transisi, dan unsur non logam direduksi dengan unsur unsur seperti 8, AI, Si, dan Ti. Logam dan oksida hasil belah mempunyai titik leleh yang tinggi. Reduksi oksida golongan platina (RU02, Rh03, dan Pd~) menjadi logam Ru, Rh, dan Pd terjadi pada 1000 °C dalam media gas argon.
Reduksi dilakukan dengan TIN, menurut
reaksi sebagai berikut : MOx
+
TIN
------>
M +
TiOy
+
Z
N2
dimana M adalah Ru, Rh, dan Pd. Oksida lain yang tereduksi menjadi logam adalah Mo, Te, Se, dan produk korosi [5,6]. Partikel logam yang kecil terdispersi dalam oksida hasil belah yang tidak tereduksi. Untuk memisahkan logam dan oksida, semua bahan harus dilebur.
Oksida dan logam
dilelehkan pada 1600 °C dalam media gas argon, sehingga fase oksida dan logam dipisahkan menjadi lapisan atas oksida ingot dan lapisan bawah logam ingot. dipadatkan menjadi padatan yang monolit dengan reduksi volume yang tinggi.
Oksida Unsur-
unsur grup platina direcovery sebagai ingot kira - kira 90 %. Hasil proses SHTM dikenal sebagai New Ceram (Nuclear Rare Earth Waste Ceramics). Pemisahan dan solidifikasi mineral dengan pelelehan dikembangkan juga di Rusia dengan konsep yang berbeda dengan Jepang. Pengolahan LCAT dilakukan dengan penukar ion sehingga diperoleh hasil belah dan Zr, Mo, Pd dan Fe. Hasil belah disolidifikasi dengan bahan pembentuk gelas. Unsur Zr, Mo, Pd dan Fe disolidifikasi dengan semen. Proses vitrifikasi ini mereduksi volume 1,6 kali dibandingkan vitrifikasi LCAT [7]. Solidifikasi LCAT dengan bahan kristal secara peleburan dilakukan, karena bahan kristalin lebih stabil. PEM8AHASAN. Kuantitas limbah dinyatakan dalam berat, volume dan banyaknya LCAT. 8erat dan volume berpengaruh terhadap skala fasilitas pengolahan dan frekuensi handling.
8erat dan
volume limbah yang besar perlu peralatan yang besar seperti melter untuk pengolahan LCAT atau dengan menambah jumlah melter. Pada proses vitrifikasi perlu penambahan bahan gelas 10 kali hasil belah, sedangkan pada SHTM sedikit / tanpa penambahan aditif. Pada proses vitrifikasi, solidifikasi semua hasil belah dalam matriks gelas sedangkan pada SHTM sebagai matriks adalah hasil belah yang dilelehkan sebagai oksida hasil belah. Jika jumlah LCAT direduksi dengan 1/10, frekuensi handling berkurang 1/10 pada pengolahan. Perbandingan beberapa karakteristik SHTM dan hasil vitrifikasi ditunjukkan pada Tabel 2 [5]. 45
/SSN 0852 - 2979
Hasi/ Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006
Tabel2.
Perbandingan beberapa karakteristik SHTM danhasil vitrifikasi [5].
-
-
0,0983 3,061 1000 185 Vitrifikasi 500 Satuan 45 canister/ton Plant I/ton U U 120 0,0102 0,050 2,7 5,28 8,6 0,0485 <SHTM 0,042 0,0518 Karakteristikg/cm3 kg/ton 1,295 4,1240
IJg cm-2 harr1
Dari data di atas menunjukkan bahwa pada SHTM frekuensi untuk penyimpanan, dan disposal juga berkurang. Fasilitas SHTM untuk pengolahan, penyimpanan sementara, dan disposal kecil dibandingkan vitrifikasi. Hal ini mengakibatkan reduksi biaya pengelolaan cukup besar. Dari segi laju pelindihan hasil proses SHTM memenuhi persyaratan, hampir sama dengan proses vitrifikasi.
Ini menunjukkan bahwa kualitas New Ceram cukup baik dan
karena densitasnya besar maka merupakan most compact HAW. Gas buangan ,Cesium dapat dimanfaatkan untuk sumber radiasi gamma, sehingga praktis tidak menimbulkan limbah sekunder. Pada sistem penanganan gas buangan proses vitrifikasi tidak timbul adanya uap Cs. Gas yang ada dalam sistem penanganan gas buangan adalah NOx, volatil Ru, dan partikel.
Faktor dekontaminasi untuk setiap peralatan dalam sistem penanganan
gas buangan dari proses vitrifikasi adalah:
Untuk NOx submerbed bed scrubber 2, venturi
scrubber 1. Untuk Ru submerged bed scrubber > 50, venturi scrubber 3 , water scrubber 50, dan penyerap Ru
1000. Untuk partikel submerged bed scrubber 5, venturi scrubber
10, water scrubber 5, high efficiency mist eliminator> 100. Penyerapan Ru ditekan dengan adanya bermacam - macam reduktan seperti formaldehid, asam formiat, dan gula karena akan menekan oksidasi Ru. Pada proses suhu tinggi Ru dalam gas buangan sebagai RU04 dan di atas 800°C sebagai RU03' Fraksi Ru dalam bentuk uap yang meninggalkan melter adalah 1 - 15 %.
Pada vitrifikasi perlu adanya penanganan limbah sekunder.
Pada proses vitrifikasi dalam lelehan gelas - limbah unsur Cs sukar untuk menguap. Hal ini juga ditunjukkan oleh profil suhu dalam melter yang memungkinkan Cs tertahan dalam lelehan gelas, sehingga hasil gelas - limbah mengandung Cs. Profil suhu dalam melter
pada
proses
vitrifikasi
yang
dioperasikan
pengumpanan ditunjukkan pada Gambar 4 [1].
46
pada
1150 °C, setelah
selesai
Hasi/ Penelitian clan Kegiatan PTLR rahun 2006
ISSN 0852 - 2979
850 800 _ 750 E 700 650 - 600 ;:, 550 ~.a 450 500 E 400 19 350 .e ._ 300 250 sa 200 ~. 150 1= 100 50 o 400 500 600 700 800 900 100 110 120 o 0 0 Suhu (OC)
Gambar 4. Profil suhu di tengah melter [1]. Sebagian besar hasil belah, seperti Cs mempunyai titik didih sangat rendah 668°C. Cesium oksida dalam kalsinasi LCAT diuraikan pada suhu tinggi dan cesium menyublim. Dengan proses pemisahan - kondisioning, untuk menguapkan 90 % Cs pada 800 °C diperlukan waktu 5 jam, pada 900 °C selama 2 jam, dan pada 1000 °C selama 1 jam. Laju sublimasi terbesar terjadi pada suhu yang tinggi. Oleh karena itu sublimasi dilakukan pada suhu 1000 DC. Demikian pula reduksi juga dilakukan pada suhu 1000 DC. Hal ini sangat· menguntungkan pada penyimpanan sementara hasil solidifikasi atau imobilisasi.
Pada
penyimpanan sementara hasil vitrifikasi dilakukan dengan sistem pendingin selama 50 tahun untuk menghindari terjadinya kristalisasi gelas. Untuk mencapai kondisi yang sarna dengan pelepasan panas setelah Cs dipisahkan, dicapai pada penyimpanan sementara setelah 23 tahun.
Hal ini menghemat biaya penyimpanan sementara yang sangat mahal
selama 27 tahun. Thermal power (tenaga panas) ratio untuk pendinginan selama 50 tahun ditunjukkan pada Gambar 5 [5].
l
J
I
3000 1500 1000
2500 500
2000 __
Ln total
-a--An
total
--0-- Sr+Y __
Cs+Ba
___
Spent fuel
Waktu Pendlnglnan (tahun)
Gambar 5. Thermal power ratio pendinginan limbah aktivitas tinggi selama 50 tahun [5]. 47
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
KESIMPULAN.
Reduksi volume pada proses SHTM jauh lebih besar dibandingkan proses vitrifikasi. Hal ini akan menurunkan frekuensi pengelolaan (pengolahan, penyimpanan sementara, dan disposal).
Skala fasilitas yang diperlukanpun lebih kecil, sehingga reduksi biaya cukup
besar. Pada SHTM Cs yang menyublim dapat dimanfaatkan sebagai sumber radiasi gamma. Pada proses ini praktis tidak menimbulkan limbah sekender. Gas Cs sukar keluar dari melter, karena terhalang lelehan hasil vitrifikasi dan suhu serta pemanasan yang belum cukup dibandingkan pada SHTM. Pada proses vitrifikasi ada hasil pengolahan gas buangan yaitu Nox, Ru, dan partikel yang merupakan limbah sekender. Adanya Cs yang terpisah dari LCAT, mengakibatkan pengurangan penyimpanan sementara hasil solidifikasi selama 27 tahun. Proses vitrifikasi
lebih sederhana dibandingkan
SHTM.
Kemudahan
proses
menunjukkan bahwa proses vitrifikasi lebih sederhana dibandingkan SHTM, karena hanya meliputi pelelehan dan pendinginan.
Proses SHTM melibatkan suhu yang lebih tinggi
dibanding proses vitrifikasi. Teknologi vitrifikasi untuk pengolahan limbah cair aktivitas tinggi simulasi dalam skala laboratorium telah dikuasai di PTLR BATAN, sehingga untuk persiapan ke skala industri lebih mudah walaupun masih perlu adanya bantuan teknik dari negara maju. DAFT AR PUST AKA
1. MARTONO H., Characterization of Waste-Glass and Treatment of High Level Liquid Waste, PNC-Japan, NBS, 1988. 2. IAEA., Characteristic of Solidified High Level Waste Products, Technical Report Series No. 187, IAEA,Vienna,1979. 3.
IAEA., Chemical Durability and Related Properties of Solidified High Level Waste Form, Technical Report Series No. 257, IAEA,Vienna,1985.
4. MENDEL J.E., The Fixation of High Level Waste in Glasses, PNL Richland, Washington 99352, 1985. 5.
HORIE MISATO, Super High Temperature Method, Waste Management Seminar, Arizona, USA,2000
6.
HORIE MISATO, The Study of Partition and Solidification With Super High Temperature Method, Tokai Works, Japan, 1990.
7. DZEKUN E.E. et.all, Alternative Partitioning, Moscow, Rusia, 1995 8. SOBOLEV 1995.
Technique
for
High Level
Radioactive
Waste
I.A, et. All, Synthetic Melted Rock Type Materials, PNC TN 8420, Japan,
48
