PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN BADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL
Cabang Ilmu Kimia yang mempelajari unsur radioaktif, pembuatannya, sifat-sifatnya, pengukurannya dan pemanfaatannya Kimia Radiasi : Cabang Ilmu Kimia yang mempelajari efek kimia yang terjadi pada suatu t zatt akibat kib t radiasi di i pengion i
Kimia Nuklir : Cabang Ilmu Kimia yang mempelajari transformasi inti
Radiokimia • Bagian dari Ilmu Kimia • Mendukung perkembangan Teknologi Nuklir di berbagai bidang
LINGKUP RADIOKIMIA U Unsur radioaktif di ktif & sifat-sifatnya if t if t Radionuklida alam
Radionuklida buatan Penembakan
Radiokimia
Pembuatan Radionuklida
(Reaksi inti) Pemisahan Analisis
Pemanfaatan Radionuklida Perunut
AAN Pengenceran Isotop Titrasi Radiometri
Tujuan Setelah mengikuti materi ini, peserta mampu menjelaskan prinsip radiokimia Secara Khusus : 1. Menjelaskan keseimbangan dalam peluruhan 2. Menjelaskan radionuklida alam 3. Menjelaskan reaksi inti 4. Menjelaskan radionuklida buatan 5. Menjelaskan pemisahan radionuklida
Sistematika • • • • • •
Bab I : Pendahuluan Bab II : Radionuklida Alam Bab III : Peluruhan Radioaktif Bab IV : Reaksi Inti Bab V : Pembuatan Radionuklida Bab VI : Metode Pemisahan Radiokimia
Bab II Radionuklida Alam
Bab II. Radionuklida Alam I.Tunggal, gg , dihasilkan oleh sinar kosmik 3H, 7Be, 10Be, 14C 22Na, 24Na, 32S, 32P, 33P 35P, P 36Cl, Cl 38S, S 38Cl, Cl 39Cl II. Tunggal, berasal dari batuan 40K, 50V, 87Rb, 115In, 123Te, 138La, 142Ce, 144Nd, 147Sm, 152Gd, 156Dy, 174Hf, 176Lu, 180Ta, 187Re, 190Pt III. Deret III D t Radionuklida R di klid (Peluruhan (P l h berantai) b t i) 232Th ....... 208Pb 1. Deret Thorium (4n) 2. Deret Uranium (4n+2) 238U ....... 206Pb 3. Deret Aktinium (4n+3) 235U ....... 207Pb
Natural Radiation
4,47.109 tahun
238U
234Th
24,1 hari 234Pa
2,46.105 tahun 7,54.104 tahun 1599 tahun 3,8 hari
1,17 menit 234U
230Th
226Ra
222Rn
218Po
3,1 menit 214Pb
218At
27 menit 214Bi
218Rn
19,9 menit 214Po
163,7 s 210Pb
22,6 tahun 206Hg
210Bi 206Tl
5,01 hari 210P0
138,38 hari 206Pb
Deret Uranium
Radionuklida Alam Dalam Tubuh : • K-40, β dan γ, T1/2 : 1,27.109 tahun • Kelimpahan K-40 di alam : 0,0117 %
TENORM Technically T h i ll Enhanced E h d Naturally N t ll Occurring Radioactive Material • • •
Proses mineral dan pembakaran bahan bakar fossil fuel Dalam proses pemisahan, radionuklida alam gg di bahan sisa tertinggal Konsentrasi radionuklida alam dalam bahan sisa lebih tinggi dibanding awalnya
Radionuklida di udara
Tanaman
Tanah
Air permukaan
Paparan eksternal Hewan dan Hasil hewan Pernafasan
Tanah lapisan d l dalam
Ai ttanah Air h
manusia
Ikan
Air minum
Radionuklida di Lingkungan Media
Radionuklida
Udara
131I, 134Cs, 137Cs
Air
3H, 89Sr, 90Sr, 131I, 134Cs, 137Cs
Fresh water and marine
54Mn, 55Fe, 59Fe, 60Co, 65Zn, 95Zr, 95Nb, 106Ru,
foodchain
110mAg, 125Sb, 131I, 137Cs, 141Ce, 144Ce
Milk
89Sr, 90Sr, 131I, 134Cs, 137Cs
Meat
134Cs, 137Cs
Vegetation
89Sr, 90Sr, 95Zr, 95Nb, 103Ru, 106Ru 131I, 137Cs, 141Ce, 144Ce
S il Soil
90Sr, S 134Cs, C 137Cs, C 238Pu, P 239/240Pu, P 241Am, A 242Cm
Bab III Peluruhan Berantai
Deret Radionuklida Peluruhan berantai digambarkan : • N(1) → N(2) → N(3) N(i) radionuklida ke-i
…….. N(i-1)→ N(i 1) N(i)
Laju Peluruhan
dN 1 1 N 1 dt
dN2 1 N1 0 N0 dt
dN 3 2 N 2 3 N 3 dt
dN i i 1 N i 1 i N i dt
Persamaan Bateman
N i N ( C1 e 0 1
C1
1t
C 2e
2t
C 3e
3t
... C i e
i t
)
12 ...i 1 (2 1 )(3 1 ))...((i 1 ) C2
12 ...i 1 (1 2 )(3 2 )...( ) (i 2 ) Ci
12 ...i 1 (1 i )(3 i )...(i 1 i )
Decay Chain, Secular Equilibrium
1000
100 Parent
Log of Activity
Daugther Total 10
1 0
10
20
30
40
Time
Gambar II.1: Kesetimbangan Sekular
8
D Decay Ch Chain, i T Transient i tE Equilibrium ilib i
7 6 5
Log Acttivity
4
Parent Daughter
3
T t l Total
2 1 0 0
20
40
60
80
100
120
Time
Gambar II.2: II 2: Kesetimbangan Transien
Decay Chain, No Equilibrium
Log of Activity
100
Parent 10
Daughter T l Total
1 0
20
40
60
80
100
120
Time
Gambar II.3: Tanpa Kesetimbangan
Bab IV Reaksi Inti
Reaksi Inti X + a
Y + b
Atau X ( a,b ab)Y Keterangan g : X : nuklida sasaran Y : radionuklida hasil reaksi inti a : partikel penembak b : partikel hasil reaksi inti
Macam Reaksi Inti • Reaksi fotonuklir Contoh : 9Be(γ,n)8Be
• Reaksi penangkapan :
(n, γ), (p, γ), (d,p), (d,α) • Reaksi fisi : U235 + nt Y1 + Y2 + ((2-3)n ) c+Q
Reaksi Penangkapan (n, γ), (p, γ), (d,p), (d,α) Contoh : 23Na ( n, ԃ) 24Na • 24Mg ( d • d, α) 22Na 197Au ( n, ԃ) 198Au • Sumber partikel : • Reaktor nuklir • Akselerator
Reaksi Fisi
U235 + nt Y1 + Y2 + (2-3)nc + Q
Reaktor Nuklir Komponen Utama : 1. 2 2. 3. 4. 5. 6. 7 7. 8.
Bahan Bakar Nuklir M d Moderator Pendingin g Kendali Batang Reflektor Bejana Perisai Penukar Panas:
Bab V Pembuatan Radionuklida
Radionuklida Buatan
• • • •
Kedokteran Pertanian Peternakan Industri
Cara Pembuatan Radionuklida 1. Penangkapan/aktivasi dengan neutron 2. Hasil belah (fisi) uranium. 3 Penangkapan/aktivasi dengan partikel 3. bermuatan. z+2 (n,p)
z+1
(n,ϒ)
z z-1
(d,p) (α,p)
z2 z-2
(d,ϒ)
(d,p)
(n,d) (n d) (ϒ,p)
(d,α)
A z
(ϒ,n) (n,2n)
Y
(d,n)
(p,n)
(d,2n)
(α n) (α,n) A-2
A-1
A
A+1
A+2
Hipotesa Compound Nucleus
4He
+ 60Ni
63Zn 64Zn
1H
+ 63Cu
+n
62Zn 62Cu
+ 2n + 1H + n
Kecepatan Reaksi Kecepatan Reaksi : Ri = I n σi x Ri = jumlah proses / reaksi inti yang terjadi pada sasaran per satuan waktu I = jumlah partikel penembak per satuan waktu n = jumlah nuklida yang terdapat dalam sasaran per satuan volume σi = tampang lintang untuk reaksi inti x = tebal sasaran
Aktivitas Radionuklida Aktivitas radioisotop (A) setelah iradiasi dengan neutron λtir) A = NΦσ(1 – e-λtir Keterangan : N : jumlah nuklida sasaran Φ : fluks u s neutron eu o ((neutron/s.cm eu o /s c 2) σ : tampang lintang mikroskopis ( barn = 10-24 cm2) λ : tetapan peluruhan dari radioisotop yang terbentuk tir : waktu iradiasi
Pemilihan Reaksi Inti • • • •
jenis nuklida sasaran tampang lintang reaksi pengaruh hb besar energii partikel tik l penembak b k tingkat kemurnian radionuklida yang dihasilkan
Contoh Reaksi Inti Unsur H Be F Na Mg Al
Reaksi Inti 6Li(n )T 6Li(n, )T 6Li(d, n)7Be 19F(n,2n)18F 23Na(n, )24Na 26Mg(n, )27Mg 27Al(n, Al(n )28Al
Umur Paro 12 3 tahun 12,3 tahun 53,4 hari 109,7 menit 15,0 jam 9,5 menit 2 3 menit 2,3 menit
Aktivasi Neutron RADIONUKLIDA
RADIASI
WAKTU PARO
153Sm
β,γ
1,93 hari
192Ir I
β,γ
73,8 hari
65Zn
ε ,γ, β
243,8 hari
β,γ
2,67 hari
86Rb
β , γ, ε
18,65 hari
166Ho
β,γ
1,12 hari
60Co
β,γ
5,27 tahun
32P
β
14.28 hari
90Y
Hasil Belah RADIONUKLIDA
JENIS
UMUR PARO
RADIASI 9Mo
β,γ
67 Jam
125I
β,γ
60 hari
131I
β,γ
8.04 hari
Partikel Bermuatan (Akselerator) Produk
Jenis
Umur
R di i Radiasi
P Paro
18F
β+ , ε
1 83 jam 1,83
201Tl
ε,γ
3,04 hari
56Co
β+ , ε , γ
77,3 hari
Pemilihan Senyawa Sasaran • • • •
kestabilan senyawa pada kondisi iradiasi kandungan unsur lain kemurnian radionuklida kemudahan penanganan selanjutnya (pemisahan)
Target Iradiasi
Generator Radioisotop • Radionuklida umur paro pendek • Radionuklida induk berumur paro relatif panjang • Anak dipisahkan secara kimia (sederhana) • 98Mo – 99mTc • 137Cs – 137mBa
Penandaan / Pelabelan • Sintesis dan pertukaran atom. Senyawa bertanda
Penggunaan
153Sm Sm-EDTMP EDTMP
Diagnosis/pengobatan kanker tulang dan
Atau SmCl3
pengobatan leukemia
192Ir Ir-hairpin hairpin
Terapi “cervic cervic cancer cancer” dan “mamae mamae cancer” (low dose rate)
201 Tl
F atau 201 Tl F3 Diagnosis g gangguan g gg jjantung g
Na2 99MoO4
Generator
99mTc
Na131I (oral, injeksi) Diagnosis dan terapi thyroid H3 32PO4 18F
(FDG)*
Pertanian Kedokteran nuklir
Bab VI Pemisahan Radiokimia
Tujuan Pemisahan Radiokimia • Isolasi dari radionuklida lain • Mengkonsentrasikan / mengumpulkan radionuklida dalam jjumlah kecil dari volume/massa yang besar g serapan p diri dan mendapatkan p • Menghindari geometri yang sesuai untuk kondisi pengukuran
Teknik Khusus
1. 2 2. 3. 4. 5 5.
Carrier / Pengemban S Scavenger Collector Milking Radiochemical Yield
Teknik Khusus • Carrier / Pengemban – Isotopic Contoh : Cs non radioaktif untuk 137Cs – Non isotopic p Contoh: Ba untuk 226Ra
Teknik Khusus S Scavenger – A1 cenderung dibarengi oleh keberadaan A2, A3,... – Bila diperlukan memisahkan A1 from A2, A3, ... – Penambahan X sebelum proses pemisahan
Teknik Khusus Collector mengumpulkan radionuklida dalam jumlah sedikit dari massa atau volume yang relatif besar Contoh : AMP digunakan untuk mengumpulkan Cs dalam air laut
Teknik Khusus Milking Pemisahan anak dari induknya C t h: Contoh ββ90Sr 90Y 90Zr (stable) Pemisahan 90Y dari 90Sr 137mBa B dari d i 137Cs C
Teknik Khusus • Radiochemical Yield / Recovery
As AC – Gravimetry, colorimetry – Standard internal
Metode Pemisahan Proses Kimia: – menyangkut electron orbital – Sama untuk non radioaktif and radioaktif
Metode Pemisahan Kimia: • • • • •
Pengendapan Ekstraksi Pelarut Khromatografi Elektrokimia Distilasi
Pengendapan K sp M 1 M 2 n
m
– Pada tingkat kelumit, nilai hasil k li kkelarutan kali l t tid tidak k ttercapaii – carrier ditambahkan – Pemisahan dengan • pengendapan centrifugal • penyaringan i
Ekstraksi Pelarut • Pemisahan dengan pelarut yang tidak bercampur
D
A org A aq
• D >> 1 • Tingkat makro dan mikro
Contoh : Preparasi Radiokimia
untuk Analisis Pu dalam Sampel Tanah Filtrat
+ TOA-xylene
+ 8 M HNO3 + 10 M HCl + NH4I.HCl
aq
org org
org aq
org aq
org
aq
+ Xylene aq
Khromatografi • Perbedaan kecepatan migrasi • Tingkat makro dan mikro • Jenis : – Khromatografi kolom – Khromatografi kertas – electrochromatography – Khromatografi gas
Khromatografi • Penukaran Ion nHR HR + M Mn+
M res Kd M sol
MR + nH MRn H+
Contoh : Preparasi Radiokimia untuk Analisis Pu dalam Sampel Tanah 8 M HNO3
Filtrat
10 M HCl C NH4I.HCl
Anion Colum Dowex 1-X8, 100-200 100 200 mesh
Eluent
Elektrokimia • Perbedaan energi potensial • Elektrolisis secara internal • Elektrolisis El kt li i d dengan arus lilistrik t ik
Potensial (E Potensial (E0) Elektrode
Potensial (E ( 0)
K ═ K+ + e‐
+ 2,92
¼U ═ ¼U+4 + e ¼U ═ + e‐
+ 1 40 + 1,40
½H2 + OH‐ ═ H2O + e‐
+ 0,83
Pu+3 ═ Pu+4 + e + e‐
+ 0 72 + 0,72
½Cu ═ ½Cu+2 + e‐
‐ 0,34
OH‐ ═ ¼O2 + ½ H2O + e‐
‐ 0,40 ,
¼Po ═ ¼Po+4 + e‐
‐ 0,40
Fe+2 ═ Fe+3 + e‐
‐ 0,77
Ag ═ Ag+ + e‐
‐ 0,80
Contoh : Preparasi Radiokimia untuk Analisis Pu dalam Sampel Tanah
larutan Pt anode
0.5 Ampere, 2 hours
Stainless steel katode
Distilasi • Suhu penguapan • Senyawa volatil
Review – Sebutkan 3 jenis radionuklida alam dan contohnya; y – Sebutkan 3 sistem peluruhan berantai dan contohnya; – Jelaskan 3 reaksi inti; – Jelaskan 3 cara p produksi radioisotop; p – Jelaskan 3 teknik khusus dalam Pemisahan Radiokimia – Jelaskan 5 metode Pemisahan Kimia
