/SSN 0852 - 2979
Has;/ Penelitian dan Keg;atan PTLR Tahun 2006
RET ARDASI RADIONUKLIDA DALAM MATERIAL BUFFER: DIFUSI ZIRKONIUM DALAM NA-BENTONIT
Pratomo Budiman-Sastrowardoyo, Teddy Sumantri Pusat Teknologi Limbah Radioaktif, BATAN
ABSTRAK RETARDASI RADIONUKLIDA DALAM BUFFER MATERIAL: D1FUSI ZIRKONIUM DALAM NA-BENTONIT. Penelitian tentang difusi zirkonium dalam natrium-bentonit telah dilakukan. Bentonit asal Kulonprogo Yogyakarta dipilih dalam penelitian ini, sebagai contoh bahan lempung asal Indonesia. Sedangkan zirkonium digunakan karena salah satu radionuklidanya telah terseleksi untuk digunakan dalam pengkajian unjuk kerja engineered barrier sistem penyimpanan limbah. Percobaan non-steady state satu-dimensi dilakukan dengan mengadopsi metoda in-diffusion, untuk memperoleh koefisien difusi dinamik sebagai fungsi densitas kering bentonit. Teknik analisis aktivasi neutron (AAN) dilakukan untuk menghitung konsentrasi zirkonium dalam slice benton it. Sementara hasil AAN belum diperoleh, dari penelusuran diperoleh koefisen difusi dinamik zirkonium dalam Na-bentonit Kunigel V1 (Jepang). Diamati adanya koefisien difusi dinamik zirkonium turun terhadap densitas Na-bentonit. Diperlihatkan pula koefisien diffusi dinamik zirkonium lebih rendah dibandingkan dengan HTO, Tc dan Cs dalam bentonit Kunigel V1, maupun dengan Co dan Pb dalam bentonit Kulonprogo, namun lebih tinggi dibandingkan dengan koefisien diffusi dinamik Am dalam bentonit Kunigel V1. Sementara perhitun~an spesiasi untuk zirkonium masih dalam pelaksanaan, dapat diperkirakan spesi-spesi yang ialah Zr +, ZrOH3+, Zr(OH)4(aq)dan Zr(OH)5"' Rendahnya koefisien difusi dinamik berkaitan dengan tingginya faktor retardasi dan koefisien distribusi, yang dengan demikian akan menunda pelepasan radionuklida dari fasilitas penyimpanan limbah ke geosfir. ABSTRACT RETARDATION OF RADIONUCLIDE IN BUFFER MATERIAL: DIFFUSION OF ZIRCONIUM IN NA-BENTONITE. Study on diffusion of zirconium in sodium-bentonite has been performed. The benton it from Kulonprogo Yogyakarta was selected as a sample of clay material from Indonesia. While, zirconium was used in this study, in raison that one of their radionuclides has been selected to be applied in the performance assessment of engineered barrier. One dimensional non-steady state diffusion experiment was conducted, adopting in-diffusion method, to get the apparent diffusion coefficient as a function of dry density in Na-bentonite. Neutron activation analysis technique (NAA) has carried out to calculate the zirconium concentration in bentonite slice. Because the results on NAA have been finished not yet, from literature study it has been gained the apparent diffusion coefficient of zirconium in Na-bentoite Kunigel V1 (Japan). It is observed that apparent diffusion coefficients of zirconium decrease with increasing dry density of Na-bentonie. It were shown also that apparent diffusion coefficient of zirconium lower than there of HTO, Tc and Cs in bentonite Kunigel V1, and with Co dan Pb in bentonite Kulonprogo. Awhile the speciation of zirconium is on going, it could estimated the species of zirconium should existe inj form of Zr4+, ZrOH3+, Zr(OH)4(aQ)dan Zr(OH)5". The low of apparent diffusion coefisient related to the high of retardation coefficient and distribution coefficient, so that the release of radionuclides from a disposal facility to geosphere will be retarded. PENDAHULUAN Telah digunakan karena
disepakati
negara,
bahwa benton it terkompaksi
sebagai calon buffer material dalam sistem penyimpanan
konduktivitas
pelepasan
di banyak
radionuklida
hidraulik
yang
rendah
serta faktor
dari fasilitas sistem penyimpanan
211
retardasi
berpotensi
untuk
limbah. Hal ini terutama yang
limbah radioaktif
tinggi
terhadap
(1,2). Rendahnya
HasH Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
konduktivitas
hidraulik
benton it berfungsi
fasilitas penyimpanan,
yang karenanya
terse but. Kemampuan tahun.
tersebut
Selanjutnya
menonjol.
memiliki
itu
Berkaitan
radionuklida
Sejumlah
fungsi
menghambat
akan menunda
isolasi
bentonit
dalam
untuk digunakan
intrusi
air tanah
ke dalam
korosi canister dan overpack
menurun
konduktivitas
dideskripsikan
peran penting,
untuk
diperkirakan
dengan
banyak
sistem penyimpanan
ISSN 0852 - 2979
sedikitnya
terhadap
hidraulik mekanisme
setelah
pelepasan
bentonit difusi.
dalam pengkajian
beberapa
ratus
radionuklida
yang
Karena
limbah
rendah,
akan migrasi
itu koefisien
difusi
unjuk kerja engineered
barrier
limbah.
penelitian
tentang
migrasi
radionuklida
dilakukan.
Namun pad a penelitian-penelitian
tersebut,
Wyoming
(USA),
(3-10].
dan Kunigel V1 (Jepang)
Indonesia,
yang juga memiliki
digunakan
bentonit asal Nanggulan,
dalam
bentonit
lebih banyak digunakan Sedangkan
penggunaan
telah
banyak
jenis benton it benton it asal
potensi masih sangat langka. Karena itu dalam penelitian Kulonprogo
Yogyakarta,
yang merupakan
ini
jenis kalsium
(13). Dalam penelitian radionuklidanya
ini zirkonium
telah terseleksi
barrier sistem penyimpanan
digunakan
untuk digunakan
dalam pengkajian
limbah. Dalam reaktor radionuklida
fisi uranium dalam bahan bakar, disamping bahan bakar berbasis zirkonium termasuk
sebagai unsur model, disamping
(12). Limbah yang mengandung
dalam kategori aktivitas tinggi dan umur panjang
karenanya
cukup
layak dipertimbangkan
untuk digunakan
engineered
barrier dalam sistem penyimpanan
(T"Y2
unjuk kerja engineered
93Zr terbentuk
sebagai hasil aktivasi
salah satu
sebagai hasil
netron pada selongsong 93Zr, dari sumber tersebut
= 1,5 106 tahun). Sehingga
dalam
pengkajian
unjuk
kerja
limbah.
TEORI Teori dasar difusi ini banyak dibahas dalam satu dimensi diberikan
pustaka (13). Persamaan
dasar difusi
oleh hukum Fick II, seperti berikut:
a C(t,x) = Do a2C(t,x) a t a x2 dimana C(t,x) ialah konsentrasi
[1] unsur terdifusi dalam spesimen
benton it untuk waktu t dan
jarak x. Penyelesaian
secara analitik persamaan
[1] dapat dilakukan
dengan
menggunakan
syarat awal dan syarat batas: Untuk sumber planar, dengan zat terlarut berada pad a jumlah kecil dalam
suatu sistem
independen berikut:
terhadap
selinder
panjang
dengan
jejak
difusi.
panjang Syarat
212
takhingga, awal
diasumsikan
dan syarat
batas
proses ditulis
difusi seperti
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
C(t,x) = 0, t = 0 dan x 1=0; C(t,x) = 0, t1=Odan
X=±oo;
M=
fC(t,x)dx -
dimana M ialah jumlah total zirkonium
terdifusi per satuan luas (kg.m-2),
solusi persamaan
[1]
dapat ditulis sebagai: [2]
C(t,x) t ex P[~] M = 2-JOat 40at yang akan digunakan diperoleh
untuk
dari koefisien
mengevaluasi
selanjutnya
arah garis variasi konsentrasi,
koefisien
difusi dinamik
Da dapat
C(t,x), sebagai fungsi jarak jejak, x,
dalam bentuk log. Beberapa yang melampaui
unsur mempunyai kelarutannya,
kelarutan
rendah. Pada penggunaan
Co, maka syarat awal dan syarat
konsentrasi
unsur
batas dapat dapat ditulis
sebagai: C(t,x) = 0, t = 0 dan x 1=0 ; C(t , x) = C 0' t > 0 , dan x = 0 Solusi persamaan
[1] dapat ditulis sebagai
[4]
C~',x)= ert{ 2~~,t] dimana erfc(Z) ialah fungsi eror komplementer:
erfc(Z) = 1Dari persamaan mengunakan
2
I
z
"";IT. 0J
[4] tersebut
ekspansi
[
[5]
21..J
exp -11 }l11 koefisien difusi dinamik tidak dapat langsung diperoleh.
Maclarin, maka
persamaan
C(t x) 2 -'-= I--:L(-I)"-I---Co E (n - I)!(2n
11=1
Dengan
[2] dapat ditulis sebagai:
Z211-1
[6]
- I)
x
dimana Z = menggunakan
2"'1}
~.Da t
Selanjutnya
koefisien
program komputer
213
difusi
dinamik
dapat
dihitung
dengan
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
ISSN 0852 - 2979
TATA KERJA Bahan dan ALat.
Bentonit asal Nanggulan Kulon Progo Yogyakarta digunakan dalam penelitian ini. Bentonit ini termasuk jenis Ca-bentotit, dengan komposisi kimia disajikan pada Tabel 1. Penyediaan Na-bentonit dilakukan dengan perendaman dalam NaCI 24 jam, lalu pencucian dilakukan hingga bebas dari ion klorida (11). Sebelum penggunaannya, bentonit dikeringkan pada 110°C selama 24 jam. Larutan zirkonium 0,001 M disiapkan dengan pelarutan ZrOCI2 (BM=178.13) dalam aquades. Tabel 1. Komposisi kimia bentonit asal Nanggulan, Kulonprogo DIY. Si02 Fe203 CaO AI203 Titrimetri Parameter Elekrometri Free Acid SSA Methods Gravimetri SSA undetecable Komposisi Loss PH (10% on ignition larutan) 13,29 6,5 0,40 kompleksometri 84,79 3,22 0,08 No MgO
Peralatan utama yang digunakan dalam penelitian ini, ialah kolom difusi, fasilitas reaktor dan instrumen NAA. Metode.
Percobaan difusi non-steady
satu dimensi dengan metoda in-diffusion
dilakukan
dengan menggunakan sel difusi, bahan stainless steel, pada densitas kering benton it 800, 1000, 1200 dan 1400 kg.m-3. Perendaman sel difusi berisi bentonit dilakukan dengan air destilasi, selama 15 hingga 50 hari untuk mencapai kondisi jenuh air pada spesimen bentonit. Perendaman sel difusi dilanjutkan setelah ke salah satu sisi spesimen bentonit diteteskan 0,1 ml larutan zirkonium 0,001 M. Proses difusi dilaksanakan dengan untuk selama waktu 40 hingga 70 hari. Pada Gambar 1 disajikan skema perendalam sel difusi berisi benton it, untuk proses penjenuhan dan proses difusi.
214
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
b l'nto nit
Gambar 1. Skema perendaman kolom difusi, untuk : A. Proses Saturasi Bentonit B. Proses Difusi Zirkonium Dalam Bentonit
Spesimen ketebalan
benton it dipotong-potong
0,2 mm. Pelarutan
zirkonium
larutan HN03 1 M, lalu pemisahan
untuk
memperoleh
slice
dalam slice bentonit dilakukan
benton it dengan
menggunakan
suspensi dilakukan dengan syringe-filter
Untuk setiap 0,3 ml filtrat larutan zirkonium
dimasukkan
15 ml
0,45 ~lm..
ke vial 0,5 ml, dikeringkan
dalam desikator dan siap untuk diirradiasi. Vial-vial berisi sam pel Zr, bersama vial Zr standar dan foil Au, dimasukkan Serpong. PTBIN.
kedalam
shutle
irradiasi,
dan irradiasi
dilakukan
di RSG Batan
Aktivitas Zr-65 (T = 54 hari) yang terjadi diukur dengan bantuan detektor Dengan
komparasi
dengan menggunakan A = N<1>a(l-
terhadap
persamaan
Zr standar,
massa
Zr dalam
HpGe di
sam pel dapat dihitung
berikut: [7]
C-Af)
Dengan A dan N masing-masing
ialah aktivitas Zr-65 dan massa Zr dalam vial. Simbol
ialah
(n,y) Zr-65.
penampang
persamaan
reaksi
[7], untuk
dengan menggunakan
Zr-64
reaksi
Au-197
persamaan
Fluks
(n,y) Au-198.
neutron Koefisien
a
menggunakan
difusi selanjutnya
diperoleh
[2].
HASIL DAN PEMBAHASAN Karena irradiasi terhadap koefisien
difusi Zr untuk bentonit
difusi dinamik
zirkonium
dalam
sam pel belum terlaksana maka dalam makalah ini disajikan Kunigel Vi,
kedua jenis benton it, berada
sama, dan sedikit menurun terhadap tersebut
kurang dominan
Jepang (13). Diperlihatkan
magnifik
yang
densitas kering benton it. Hal ini karena kuantitas
spesi
dibandingkan
pada tingkat
bahwa koefisien
spesi lambat (7-9). Selanjutnya
215
fenomena
ini masih
!SSN 0852 - 2979
Hasi! Pene!itian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
perlu difahami
lebih jauh dengan
Pada Gambar
2 disajikan
kering
profil koefisien
benton it. Seperti
dinamik
turun
mempelajari
telah
terhadap
banyak
kenaikan
spesiasi
zirkonium
difusi dinamik difahami,
densitas
bahwa koefisien difusi dinamik radionuklida
zirkonium
pada
kering
pad a kondisi sebagai
Gambar
fungsi densitas
terse but koefisien
benton it. Demikian
dalam Na-bentonit
tersebut.
pula,
difusi
diperlihatkan
lebih rendah dari pada dalam.
1.0 &09
5-
1.0&11
-;;;
:::
= Q c'"
;§ 1.0&13 '" o ~
1.0&15 o
500
1000
1500
2000
2500
Densitas (kg/m3)
Gambar 2. Koefisien disperse Zr vs densitas benton it Dari hasH pengukuran dan
koefisien
didefinisikan
distribuasi, sebagai
koefisien difusi dinamik dapat diperkirakan Kd, unsur
ratio koefisien
dalam
bentonit
difusi dalam
dalam benton it, seperti pada persamaan
terkompaksi.
badan
faktor retardasi, Faktor
air dan koefisien
retardasi, difusi
Rd, Rd,
dinamik
[8] berikut:
0 Dp
Rd
dimana:
=
[8]
a
Rd ialah faktor
retardasi,
Sedangkan
Dp dan Da (m2.s-1)
masing
koefisien difusi 3H dalam badan air dan koefisien difusi dinamik radionuklida Untuk pendekatan
memperoleh melalui
dengan test serapan dapat diabaikan, koefisien diperoleh
difusi
pengukuran
koefisien
difusi
koefisien
distribusi
secara catu koefisien
karena dinamik
dengan
nilai
itu koefisien 3H dalam
menggunakan
dalam
3H
distribusi
difusi dalam
air,
3H pad a bentonit. 3H pada bentonit
badan
spesimen
bentonit.
koefisien
difusi
216
badan
masing
dalam bentonit. dapat
Menurut demikian
dilakukan SATO (6), kecil dan
air dapat diasumsikan
Selanjutnya
dinamik
3H
faktor seperti
ialah
retardasi diberikan
sebagai dapat pad a
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
persamaan
[8]. Dari perhitungan
memberikan
diperlihatkan
bahwa koefisien
difusi dinamik yang rendah
koefisien retardasi yang tinggi, dan pelepasan radionuklida
Hubungan
antara
diberikan oleh persamaan D = a
koefisien
distribusi
dinamik
dengan
akan terhambat.
koefisien
distribusi,
[9] berikut (8):
Dp
Kct,
[9]
+ pKd
dimana
Kd ialah koefisien distribusi
(m3.kg"1), ~ dan p porositas
bentonit dan densitas
koefisien
benton it Kunigel
kering benton it (kg.m"3). Pada dibandingkan
Gambar
2 disajikan
kurva
difusi
difusi
Bentonit.
Diperlihatkan
Pb dalam
bentonit
Nanggulan
bahwa koefisien
Kulon Progo
difusi Zr lebih tinggi. terkompaksi
sangat
(bentuk
dengan
koefisien
Dalam hal ini dapat dinyatakan
lambat.
besar. Dikaitkan dengan aplikasinya
Na-bentonit
difusi Zr sangat rendah dibandingkan
lain seperti terse but di atas. Namun bila dibandingkan
bentonit
V1,
dengan koefisien difusi 3H, 99mTc,Se dan Cs dalam benton it Kunigel V1, serta
koefisien
koeifisien
Zr dalam
Atau dengan
pad a di fasilitas penyimpanan,
unsur-unsur
difusi unsur Am,
bahwa
kata lain retardasi
dan Ca
migrasi
Zr dalam
Zr dalam
maka
bentonit
migrasi Zr sangat
lambat. Selanjutnya termodinamika
dapat
pula
dilakukan
yang ada (14). Dengan
perhitungan
penyusunan
dapat dihitung spesi-spesi Zr dalam larutan:
murni. alau Zr larutan.
=
To<
Zr ,. {
Diperlihatkan
1+
f 1::")
bahwa dalam
Zr.,.o<
spesiasi,
persamaan
= ZrH {I + f
menggunakan
neraca
massa
[::.')} untuk
data
untuk Zr
kondisi air
j}unluk kondis; adanya ligan lain dalam fasa
+ 7P,JL
kondisi air murni (pelarut
sederhana),
terdapat
spesi-
spesi Zr dalam larutan: Zr4+, ZrOH3+, Zr(OH)4(aQ)dan Zr(OH)s". Hasil yang diperoleh detail dan rinci, sehingga kelakuan radionuklkida
ini masih perlu dilengkapi dengan hasil penelitian lain yang lebih akan diperoleh
pemahaman
dalam sistem penghalang
yang
lebih komprehensif
ganda (engineered
tentang
barrier).
KESIMPULAN Dengan berada
metoda
pad a orde
in-diffusion
magnifik
yang
Diamati adanya spesi zirkonium pula.
Selanjutnya
dari
koefisien
telah diperoleh sama,
koefisien
baik dalam
difusi
Na-bentonit
dinamik maupun
timbal,
yang
Ca-bentonit
yang berbeda dengan nilai koefisien difusi dinamik berbeda difusi
dinamik
217
yang
rendah
dapat
diperkirakan
faktor
.
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
retardasi dan koefisien distribusi yang tinggi, yang merupakan faktor favorabel bagi penghambatan migrasi radionuklida dalam bahan penyangga. Sehingga akan menunda pelepasan radionuklida ke geosfir. Koefisien difusi dinamik yang rendah memberikan koefisien
retardasi tinggi,
yang akan menunda
pelepasan
radionuklida
dari sistem
penyimpanan limbah. Hasil perkiraan spesiasi dapat diperlihatkan kemungkinan spesi-spesi yang ada untuk Zr dalam larutan, ialah
Zr4+, ZrOH3+,
Zr(OH)4(aq)dan Zr(OH)s".
Sekalipun telah diperoleh data penting, yang diharapkan dapat digunakan dalam pengkajian unjuk kerja engineered
barrier dalam sistem penyimpanan limbah. Banyak aspek
yang masih perlu dipelajari untuk memperoleh penjelasan lebih detail. Sementara tapak penyimpanan
belum
ditetapkan,
perlu
dilakukan
studi
yang
dapat
mengantisipasi
kemungkinan kondisi yang secara riil terdapat dalam formasi geologi. UCAPAN TERIMA KASIH Disamapaikan ke Perusahaan Daerah Anindya Propinsi Daerah Istimewa Yogyakarta, Unit Pertambangan, atas bantuan bahan yang digunakan dalam penelitian ini DAFT AR PUSTAKA 1. R. PUSH, "Use of Clays as Buffer in Radioactive Repository", Lulea University, Lulea Swedia (1983). 2. PNC, "Research and Development on Geological Disposal of High-Level Radioactive Waste", PNC-TN1410 93-012, PNC Technical Report, Tokyo (1993). 3. A. MUURINEN, J. RANTAN EN, P. PENTTILA-HIL TUNEN, "Diffusion Mechanisms of Strontium, Cesium and Cobalt in Compacted Bentonite", Sci. Basis Nucl. Waste Manag. IX, 617 (1985). 4. B. CHRISTIANSEN, B. TORSTENFEL T, "Diffusion of Nickel, Strontium, Iodine, Cesium and Americium in Loosely Compacted Bentonite at High pH", Radiochim. Acta 44/45, 219 (1988). 5. B. TORSTENFEL T, K. ANDERSSON, H. KIPATASI, B. ALLARD, U. OLOFSSON, "Diffusion Measurements in Compacted Bentonite", Sci. Basis Nucl. Waste Manag., 295 (1982). 6. B. TORSTENFEL T, B. ALLARD, K. ANDERSSON, H. KIPATAS I, L. ELiASSON, U. OLOFSSON,
H. PERSSON,
"Radionuclide
Diffusion and Mobility in Compacted
Bentonite", SKB TR 83-34, Stockholm (1983). 7. J.L. CONCA, T. ASHIDA, H. SATO, "Apparent and Simple Diffusion Coefficient in Compacted
Bentonite",
Proceeding
International
Radioactive Waste Management 2, 1382 (1991).
218
Conference
on
High-Level
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
8.
H. SATO, T. ASHIDA,
Y. KOHARA, M. YUI, N. SASAKI, "Effect Dry Density on Diffusion
of Some Radionuclides
in Compacted
Bentonite",
J.
Nucl.
Sci. Techno!.
29 (9), 873
Technetium,
Iodine, and
(1992). 9.
B. TORSTENFEL
T, "Migration
Cesium in Clay", Radiochim. 10. S.
LUMINGKEWAS,
pertukaran
McGraw-Hili
Acta 39,97
(1986).
"Konversi
bentonit-Ca
S2-FMIPA
UGM, Yogyakarta
ion", Thesis
11. M. BENEDICT,
of Fission Product Strontium,
T.H. PIGFORD,
Book Company,
12. J. CRANK, "The Mathematics
menjadi
bentonit-Na
melalui
teknik
(1996).
H.W. LEVI, "Nuclear Chemical
Engineering",
2nd
Ed.,
New York, 1981 of Diffusion",
13. H SA TO, M. YUI, H. YOSHIKAWA,
2nd
ed, Oxford Univ. Press, London (1975).
"Diffusion of Se and Zr in Sodium Bentonite",
. Basis
Nucl. Waste Manag. (Vol 353), 269 (1995). 14. W. HUMMEL,
U. BERNER,
Chemical Thermodynamic
E. CURTI,
F.J. PEARSON,
T. THOEN EN, "Nagra/PSI
Data Base 01101", Radiochim. Acta, 90, 805 (2002).
219
