Hasil Penelitian P2PLR Tahun 2002
SISTEM PENANGANAN GAS BUANGAN DAN TRANSPORTASI GELASLIMBAH HASIL V!TRIFIKASI L!MBAH CAIR AKTIVITAS TINGG! Herlan Martono, Aisyah Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif
ABSTRAK SISTEM PENANGANAN GAS BUANGAN DAN TRANSPORTASI GELAS-UMBAH HASIL VITRIFIKASI LlMBAH CAIR AKTIVITAS TI~,jGGI. Suhu peleburan gelAs-limbah dalam melter 1150°C, sedangkan suhu gas buangan dalam melter !ebih rendah yaitu antara 300 500°C. Fungsi utama dari susunan s!stem peralatan penanganan gas buangan adalah menurunkan suhu gas buangan. Alat ini adalah air film cooler, disamping itu setiap peralatan yang lain pad a sistem ini mempunyai kemampuan untuk menyerap gas dan partikel sehingga gas buangan yang keluar ke lingkungan tidak memberikan dampak radio!ogis. Peralatan ini meliputi Submerged Bed Scrubber, Venturi Scrubber, Wat~r Scrubber, High Efficiency Mist Eliminator (HEME), penyerap ruthenium dan filter HEPA. Transportasi atau penanganan canister setelah pengisian dan penimbangan geias-limbah dalam canister meliputi pengelasan tutup, dekontaminasi, inspeksi kontaminasi permukaan (smer tes dan pengukuran radiasi dengan detektor) , pengamatan visual, sealing inspection, pengamatan dimensi, penyimpanan sementara canister selama 3D -50 tahun dengan sistem pendingin.
ABSTRACT OFF GAS TREATMENT SYSTEM AND TRANSPORTA TION OF WASTE GLASS VITRIFICA TION PRODUCT OF HIGH LEVEL LIQUID WASTE. The melting temperature of waste glas,5' in the melter about 1150oC, while the temperature of off gas in the melter is lower between 300 -50ifc, Prior function of the off gas treatment system is decreasing temperature of off gas, This 8,IJparatus i:; air film cooler. The other every apparatus of this system have performance for absorbing gas and parlicle, so that off gas out from the stack to environment have not radiologies hazard. These apparatus are Submerged Bed Scrubber, venturi scrubber, water scrubber, High Efficiency Mist Eliminator (HEME), ruthenium absorber, and HEPA filter. Transporlativn or handling of canister after filling and weighting waste-glass in the canister are decontamlrlation, surface contamination inspection (smer test and radiation measurement by detector), visual inspection, sealing inspection, dimention inspection, interim storage of canister by cooling system for 30 -50 years.
PENDAHULUAN Melter dengan sistem pemarlas Joule, 111emanfaatkan lelehan gelaslimbah pada suhu diatas 600°C sebagai penghantar listrik yang dapat menimbulkan panas. Pada sistem ini diharuskan ada geias-limbah dalam melter sampai setinggi di atas elektrode, walaupun tidak dalam keadaan operasi. Pengislan pertama kali dilakukan menggunakan glass cullet, yaitu geias-limbah yang tidak aktif yang komposisinya sarna dengan geias-limbah aktif yang digunakan(1]. Oleh karena itu pada operasi melter sebagai pemanas awal ialah heater dan microwave sampai suhu geias-limbah mencapai 600°C. Setelah itu elektrode dari inconel 690 dihidupkan sehingga terjadi arus listrik. Pada keadaan ini pemberian energi melalui elektrode dan microwave. Adanya golongan platina (Ru, Rh, Pd) yang berada di dasar melter mengganggu aliran listrik, sehinggi;1 bentuk dasar melter dibuat keru.:ut.
~ ~
Hasil Penelitian P2PLR Tahun 2002
Melter dengan sistem pemanas Joule dioperasikan pad a suhu 1150oC untuk mengola.h limbah cair aktivitas tinggi (LCA T). Kapas:tas melter 750 kg lelehan geias-limbah dengan komposisi 75% bahan pembentuk gelas dan 25% LCAT dengan. komposisi seperti ditunjukkan pada Tabel[1]. Komposisi limbah simulasi ini diperoleh dengan program komputer Origen 2 berdasarkan atas jenis reaktor PWR dengan fraksi bakar 45000 MWd/MTU, pengkayaan uranium 4,5% dan lama pendinginan 4 tahun. Dalam geias-limbah banyaknya Na20 ditentukan sebesar 10% berat. Jika kadar Na20 diatas 10% berat, maka akan terjadi pemisahan fase yang berwarna kuning dari natrium molibdar2,3]. Pada setiap operasi melter, pengeluaran lelehan gelas ~imbah sebanyak 300 kg dengan laju pengumpanan 9 kg/jam limbah dan bahan pembentuk gelas. Tabel 1. Komcosisi Oksida
~=
-Sj'6;AlZO3
,c
Gelas-limbah
Sim'Jlasi[~] OkSfda
~/o Berat.
4655 ~" 5,01
~=
1420 ,-
~]~=
-sro-
2..99 ,
Bad
2,99
ZrO;t
~
9,99 -
~~
RhzO3
~
~
W
~L 1,15~~ 0.31 015 ,
~~
017 ,
~
0..26
MoO3
165 -!-Cr203
0,10
0,71
C~lO
CeO Znco
~
"v, 0',c1--
"$bi'O;"
LlzO
PzOs
% Berat
PdQ "'~2Q...,..,
CdQ?
2,26
~SnO2
~
C
0,13 o '0 ,4
=~= ~L 0.03 ;
0,02~I§:=
TeO3
~
Y203
~ ~
--:Qi!L
0,3$ 1,76
Prt;Ot1
035 ,
Nd203 -
125 022 ~, 0,05
Sm203 EU203
,.
Batas setinggi 10 cm di atas elektrbqe merupakan batas bawah gelaslimbah dalam melter, sedangkan batas atas ditentukan dari volume canister (batas bawah + volume canister dibagi luas permukaan melter). Pada saat melter dioperasikan, permukaan lelehan geias-limbah diukur untuk mengetahui batas atas dan batas bawah lelehan geias-limbah. Metode pengukurannya menggunakan sistem elektronik yang memanfaatkan perbedaan tahanan, jika elektrode kontak dengan lelehan geias-limbah dan elektrode kontak dengan gas. Distribusi suhu lelehan geias-limbah dalam melter ditentukan atau diukur dengan termokopel yang dibuat dari inconel 600. Posisi termokopel dapat dinaikkan atau diturunkan sehingga suhu pada tempat
12
Hasil Penelitian
P2PLR Tahun 2002
tertentu dapat diukur. Tekanan gas dalam melter diatur dengan system Pressure Indicated Controle (PIC). Tekanan gas dalam melter sekitar -100 mm H2O. Jika tekanan gas dalam melter tinggi misalnya -50 mm H2O, maka katup (valve) akan menutup dan gas akan mengalir dari melter ke sistem pengolahan gas buang, sehingga tekanan turun sampai -100 mm H2O. Jika tekanan gas dalam melter rendah, misalnya -200 mm H2O, maka katup akan terbuka dan udara mengalir melalui pipa masuk ke dalam melter sehingga tekanan gas naik sampai -100 mm H2O. Kapasitas gas buangan dari melter 240 -300 Nm3/jam. Suhu gas buangan dalam melter ialah sekitar 300 -500°C. Gas buangan merlJpakan limbah radioaktif dalam bentuk gas yang tidak disimpan, akan tetapi langsung diolah. Gas yang telah relatif bersih dibuang ke lingkungan. Pengeluaran gelas melalui bottom drain dimulai setelah pengumpanan bahan pembentuk gelas dan limbah selesai, dan permukaan lelehan gelasiimbah dalam keadaan puncak panas (hot top condition). B:asanya keadaan tersebut dicapai sekitar 4 jam setelah pengumpanan selesai. Oi dalam melter tidak ada pengadukan. Pencampuran terjadi karena adanya aliran !elehan geias-limbah yang timbul akibat perbedaan suhu sehingga terjadi perbedaan berat jenis.
SISTEM PENGOLAHAN GAS BUANGAN Skema sistem pengolahan gas bL:-lngan dari melter ditunjukkan pada Gambar 1. Pada sistem ini, gas buangun dari melter dib~rsihkan dengan mengambil partikel dan gas. Peralatan df':lgan efisiensi tinggi digunakan agar supaya dapat mengambil partikel halus can gas Ru[4). Sistem pcngolaharl gas buangan dari melter disusun sesuai de!lgan fungsi setiap peralatan yaiuJ sebagai pend!ngin, untuk mengambil pa.1}kel halus don gas RU[s,6].Peralatan untuk pengolahan gas buangan dari ~elter dengan kapasitas 240 300 Nm3/jam dengan suhu 300 -500°C
adalah sebagai berikut :
r. \.oiIL1ll.
1"
,)
Hasil Penelitian
P2PLR Tahun 2002
Air Film Cooler Suhu gas buangan yang keluar dari melter didinginkan dengan udara yang dimasukkan ke dalam air film cooler sehinga udc.ra bercampur gas buangan. Laju aliran udara masuk air film cooler sekitar 70 Nm3/jam. Suhu gas buangan turun menjadi 200°C. Submerged Bed Scrubber (SBS) Kapasitas air dalam SOS ialah 1,5 m3. Faktor dekontaminasi (FO) untuk NOx = 2, partikel 3 -5 dan gas (volatil) Ru lebih dari 50(1). Pressure drop pad a SBS sekitar; 800 -900 mm H2O. Peralatan S8S mengandung bola keramik (AI2O3) yang berdiameter 10 -20 mm. Bola keramik berfungsi untuk menaikkan luas permukaan kontak antara gas dan air, serta berfungsi juga sebagai pengaduk. Oi dalam SBS ini gas buangan didinginkan sampai suhu sekitar 40°C.
Venturi Scrubber Venturi Scrubber digunakan untuk mengolah gas buangan yang berasal dari SBS. Laju resirkulasi air penyerap (scrubbing water) ialah 275 I/jam dan laju aliran gas (pemasukan udara dan gas buangan) ialah 315 m3/jam. Perbandingan air/gas sekitar 0,85. Kecepatan gas sekitar 85 m/detik. Pressure drop pada venturi scrubber sekitar 1200 mm H2O. Faktor dekontaminasi venturi scrubber untuk NOx, partikel, dan gas Ru masingmasing 1, 10, dan 3[1]. Didalam venturi scrubber gas buangan didinginkan
sampaisuhu32°C. Water Scrubber Tipe water scrubber adalah perforated plate. [Ii ,jalam water scrubber air penyerap diresirkulasikan. Laju sirkulasi air peny,erap ialah 70 !/jam. Pada setiap plate perlu air pending in. Pressure drop r'dda water scrubber ialah sekitar 400 mm H2O. Setiap perforated plate mempunyai 300 lubang dengan diameter setiap !ubang 3 mm. Faktor dek')ntaminasi water scubber untuk partikel 3 -5 dan untuk gas Ru 50[1]. Gas buangan di da!am water scrl.!bber didinginkan sampai suhu 28°C.
*
High Efficiency Mist Elimf'1ator (HEME) Peralatan HEME mengandung fiber glass dan mempunyai efisiensi yang tinggi IJntuk dekontaminasi partikel. Faktor dekontaminasi HEME terhadap partikel lebih besar 100. Pressure drop pada HElv1E sekitar 200 -300 mm H2O. Setelah operasi, fiber glass dicuci atau dialiri dengan air melalui water spray nozzle. Air yang mengalir turun dalam HEME mengandung partikel. Gas buangan dari HEME dipanaskan dengan pemanas, kemudian dialirkan ke alat penyerap RU[1].
*
Penyerap Ruthenium Laju penyerapan Ru dari melter tergantung pada suhu dan komposisi LCA T. Penyerapan Ru ditekan dengan adanya bermacam-macam reduktan, 14
Hasi! Penelitian
P2PLR Tahun 2002
seperti formaldehid, asam formiat, dan Quia karena hal ini akan menekan ok3idasi Ru. Adanya gas inert akan mengurangi penguapan Ru. Pada proses suhu tinggi seperti vitrifikasi, Ru dalam gas buangan sebagai RUO4 dan di atas suhu 800°C sebagai RUO3. Fraksi Ru dalam bentuk uap yang meninggalkan melter sekitar 1 -15%. Untuk menyerap Ru dalam gas buangan digunakan silica gel. Proses penyerapan dilakukan pada 65°C. Uap Ru diumpankan ke penyerap silica gel, dengan memanaskan gas buang sebelum masuk ke alat penyerap Ru. Faktor dekontaminasi alat penyerap Ru lebih dari 1000. Pressure drop penyerap Ru sekitar 600 mm H2O. Oleh karena silica gel padat, maka sangat sukar untuk rr.enganalisis Ru. Dalam percobaan, sampling Ru yang menguap dilakukan dengan penyerap campuran larutan 6 N HCI + C2HsOH pada suhu GoC. Perbandingan volume HCI 6 t~ ! C2HsOH adalah 99. Analisis Ru dilakukan dengan Induction Coupling Plasma Fluoresence Photometer.
*
Filter HEPA Filter HEPA dapat digunakan sebagai langkah akhir pengolahan gas buangan dalam vitrifikasi. Dari semua komponen filtrasi, filter HEPA adalah yang paling efektif untuk menangkap partikel kecil yang berukuran minimum sekitar 0,1 -0,3 ~. Faktor dekontaminasi filter HEPA untuk partikel berdiameter sarna, dipe!lgaruhi, oleh laju alir gas buangan, suhu, pressure drop dar: relative humidity (Iembab. nisbi). Urrlur filter HEPA untuk penanganan gas ini belum diteliti. Faktor dekontaminasi filter HEPA terhadap partikel sekitgr 1000. Filter HEPA ini perlu untuk menjamin dekontaminasi gas buargan yang akan dibuang melalui stack dan kemudian ke lingkungan. Pressure drop filter HEPA sekitar 50 mm H20[1].
TRANSPORTASI
CANISTER
Sistem transportasi canister ditunjukkan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :
pada Gambar
Gambar 2. Sistem Transportasi
15
Canister[1]
2[1], Oar; gambar
Hasil Penelitian P2PLR Tahun 2002
* *
Transportasi canister kosong dengan transfer car, sampai dj bavvah melter. Oi bawah melter, canister dihubungkan dengan drain nozzle (Iubang pengeluaran gelas~limbah) dari melter. Berat canister kosong mula-mula diukur. Selanjutnya drain nozzle dibuka, sehingga lelehan gelas limbah mengalir dari melter ke dalam canister melalui nozzle yang dibuat dari inconel 690. Suhu nozzle sekitar 1000oC yang dipanaskan secara induksi. Laju alir lelehan geias-limbah tergantung viskositas dan viskositas tergantung komposisi dan suhu. Berat geias-limbah dalam canister diukur terusmenerus. Jika berat gelas limbah dalam canister mencapai 295 -300 kg (volumenya 110 liter yaitu 93% volume canister), maka penuangan lelehan gelas-iimbah dihentikan dengan cara mendinginkan drain nozzle menggunakan pendingin udara dan menutupnya. Hubungan canister dengan drain nozzle melter dilepas. Dengan transfer car canister dipindahkan ke tempat peralatan ias. Pengelasan tutup canister dilakukan dengan peralatan las. Pendinginan canister dilakukan selama 24 jam. Canister diangkat dan dipindahkan dengan "crane" ke peralatan dekontaminasi. Oekontaminasi dilakukan dengan air dan sikat kav'lat. * Canister dipindahkan dengan "crane" ke peralatan inspeksi kontaminasi permukaan. Kontaminasi pada permukaan canister diuji dengan "smer tesf' dan kemudian diukur dengan detektor. Pengamatan secara visual dilakukan. * "Sealing inspection" (pengujian segel), canister yang berisi geias-limbah diuji pada beberapa kondisi yang diperkir:akan di dalam fasilitas penyimpanan sementara, sehingga canister akan dipanaskan sebelum "Sealing inspection" dilakukan. Aliran sistem "Sealing inspection" ditunjukkan pada Gambar 2[1]. Canister dipanaskan pada suhu antara 350-400°C. Udara yang melewati "bell jar' yang menutupi tutup canister diamati. Jika unsur radioaktif lepas dari canister melewati pori hasil las, Cs akail disaring dengan filter HEPA dan Ru diabsorpsi dengan kolom penyerap berisi campuran larutan HCI6 N dan etanol pada DoC. Aktivitas terserap diukur dengan detektor. * Pengamatan dimensi, untuk menguji perubahan diameter dan tinggi. Pengamatan ini untuk menentukan canister dapat dimasukkan ke dalam lubang ditempat penyirnpanan sementara. * Canister yang berisi geias-limbah selanjutnya dipindahkan ketempat penyimpanan sementara dan disimpan selama 30-50 tahun, dengan sistem pendingin untuk mencegah terjadinya devitrifikasi.
KESIMPULAN 1. Sistem penanganan gas buangan berfungsi untuk menurunkan suhu, menyerap gas dan partikel sehingga gas buangan yang keluar ke lingkungan tidak memberikan dampak radiologis. Sistem peralatan ini meliputi air film cooler, submerged bed scrubber, venturi scrubber, water scrubber, HEME, penyerap ruthenium, dan filter HEPA. 16
Hasil Penelitian P2PLR Tahun 2002
2 Transportasi gelas
atau penanganan canister setelah pengisian dan penimbangan -limbah meliputi dekontaminasi, inspeksi kontaminasi permukaan,
pengamatan penyimpanan
visual, sealing inspection, sementara canister selama
pengamatan 30-50 tahun
dimensi dan dengan sistem
pendingin.
DAFT AR PUST AKA 1. Martono H., Characterization of Waste Glass and Treatment of High Level Liquid Waste, Report at Tokai Work, PNC, 1988 2. International Atomic Energy Agency, Characteristic of Solidified High Level Waste Products, Technical Report Series No.187, IAEA, Vienna, 1979 3. International Atomic Energy Agency, Chemical Durability and Related Properties of Solidified High Level Waste Forms, Technical Report Series No.257, IAEA, Vienna, 1985 4. International Atomic Energy Agency, Control of Semi volatile Radionuclides in Gaseous Effluents at Nuclear Facilities, Technical Report Series No.220, IAEA, Vienna, 1982 5. Klein M, Weyers C and Goossens WRA, Off Gas Cleaning of A Liquid Waste Vitrifier, Radioactive Waste Management, DOE Nuclear Air Cleaning Conference, 1984 6. Klein M, Weyers C and Goossens WRA, Behavier of Ruthenium, Cesium and Antimony in High Temperature Processes For Waste Conditioning, Radioactive Waste Management, DOE Nuclear Air Cleaning Conference, 1984
17
