ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006
STUDI PENGOLAHAN
LlMBAH RADIOAKTIF CAIR AKTIVIT AS TINGGI DENGAN BAHAN SYNROC
Gunandjar Pusat Teknologi Limbah Radioaktif , BATAN ABSTRAK STUDI PENGOLAHAN LlMBAH RADIOAKTIF CAIR AKTIVITAS TINGGI DENGAN BAHAN SYNROC. Telah dilakukan studi tekonologi pengolahan limbah radioaktif cair aktivitas tinggi (LCAT) umur panjang dengan bahan synroc. Synroc adalah bentuk limbah kristalin yang tersusun dari gabungan fase-fase titanat yang stabil dan dipilih karena kestabilan geokimia dan kemampuan kolektif untuk imobilisasi semua unsur radioaktif dalam limbah radioaktif aktivitas tinggi. Semua studi ilmu pengetahuan dasar memberikan konfirmasi bahwa laju pelindihan dan kerusakan akibat radiasi peluruhan-a terhadap synroc relatif sangat rendah dan dapat diterima. Pengembangan komposisi synroc untuk imobilisasi limbah tergantung pada kandungan radionuklida, untuk LCAT yang mengandung aktinida dikembangkan synroc kaya zirconolite, CaZrTi207, untuk limbah uranium dan dengan penambahan unsur-unsur plutonium dikembangkan synroc kaya pyroch/ore,CaATi207 absorber netron (A = Hf dan Gd) untuk mencegah kritikalitas, dan untuk limbah yang mengandung Tc dan Cs/Sr (dari prod uk proses pemanasan LCAT) dikembangkan synroc kaya fase hollandite/pirovskite, Ba(AI,TihTi6016/ CaTi03. Di Indonesia, adaptasi teknologi pengolahan LCAT dengan bahan synroc akan dilakukan untuk LCAT yang ditimbulkan dari produksi radioisotop 99Mo dan uji pasca-iradiasi elemen bakar nuklir. Kata kunci : pengelolaan limbah radioaktif,imobilisasi limbah radioaktif, limbah radioaktif aktivitas tinggi, synroc, penyimpanan lestari. ABSTRACT STUDY OF HIGH LEVEL LIQUID RADIOACTIVE WASTE TREATMENT USING SYNROC MATERIALS. The study of long life of high level liquid radioactive wastes (HLLW) treatment using synroc materials was carried out. Synroc is a crystalline wasteform comprising a stable assemblage of titanate phases chosen for their geochemical stability and collective ability to immobilize all the radioactive elements present in high level liquid radioactive wastes (HLLW). All basic science studies confirm that the leach-rates and a-decay damage in synroc relatively very low and acceptable. Development of synroc for waste immobilisation depend on the containing of radionuclides. For the HLLW containing of actinides was developed zirconolite, CaZrTi207 rich synroc, for the waste containing of uranium and plutonium was developed pyrochlore,CaATi207 rich synroc with neutron absorbers (A = Hf and Gd) were needed to suppress criticality potential, whereas for the waste containing of Tc and Cs/Sr (from the heat producing of HLLW) was developed hollandite/pirovskite, Ba(AI,TihTi6016/ CaTi03 rich synroc. In Indonesia, adaptation of HLLW immobilization technology using synroc materials will be carried out for HLLW generated from 99Moradioisotope production and post irradiation examination of nuclear fuel element. Key words:
Radioactive waste management, immobilisation of radioactive waste, high level radioactive waste, synroc, ultimate disposal.
PENDAHULUAN Beberapa teknologi proses imobilisasi limbah radioaktif menjadi kemasan limbah yang siap disimpan telah dikembangkan oleh negara-negara maju di bidang nuklir, yaitu teknologi sementasi, vitrifikasi, polimerisasi, bitumenasi, superhigh temperature synroc.
Oi Indonesia,
method (SHTM), dan
Pusat Teknologi Limbah Radioaktif - BATAN telah menerapkan
dengan mantap teknologi sementasi untuk imobilasasi limbah khususnya golongan limbah radioaktif aktivitas rendah (LAR) dan limbah radioaktif aktivitas sedang (LAS) umur paroh pendek
(T1/2
< 30 tahun). Selanjutnya untuk pengelolaan limbah radioaktif aktivitas tinggi
(LAT) umur panjang khususnya untuk limbah cair akltivitas tinggi (LCAT) yang ditimbulkan
15
Hasil Pene/itian don Kegiatan PTLR Tahun 2006
/SSN 0852 - 2979
dari proses pemanfaatan tenaga nuklir, maka perlu disiapkan teknologi
imobilisasi limbah
menjadi kemasan limbah yang mampu bertahan selama waktu penyimpanan yang panjang di dalam fasilitas penyimpanan lestari geologi tanah dalam (Deep Geological Disposal Facility). Oi Indonesia saat ini, LCAT ditimbulkan dari produksi radioisotop 99Mo dan dari kegiatan uji pasca iradiasi elemen bakar nuklir. Oi negara-negara
maju di bidang nuklir, strategi
pengelolaan
LCAT yang
mengandung unsur-unsur hasil belah dari proses olah-ulang bahan bakar bekas dalam gelas
borosilikat
(hasil
imobilisasi
LCAT
dengan
vitrifikasi),
yang
diikuti
dengan
penyimpanah lestari geologi tanah dalam ternyata masih menghadapi masalah karena hasil penelitian para ahli geokimia bahwa limbah gelas borosilikat disimpan
ternyata tidak stabil bila
di dalam tanah akibat adanya pemanasan gamma ( gamma heating) di dalam
gelas dan perbedaan temperatur bumi (geothermal gradient) yang dapat menimbulkan temperatur lebih dari
100°C.
Selain itu tidak dapat dijamin terhindar kontak air tanah
dengan gelas, walaupun serangkaian lapisan tambahan seperti wadah limbah dari logam (metal container)
dan overparck
(bungkus luar) telah digunakan
di dalam fasilitas
penyimpanan lestari [1]. Mengingat pentingnya masalah tersebut, maka dalam makalah ini akan dipelajari salah satu teknologi
imobilisasi limbah radioaktif dengan bahan pengungkung synroc
alternatif untuk imobilisasi
LCAT umur panjang
disimpan di fasilitas penyimpanan lestari.
sebagai
menjadi kemasan limbah yang siap
Synroc adalah suatu bahan imobilisasi limbah
bentuk kristalin yang terdiri dari gabungan fase-fase kristal titanat yang stabil. Synroc ini dipilih karena kestabilan geokimia dan kemampuan kolektif untuk imobilisasi semua unsurunsur radioaktif dalam LAT [2].
Pada bab-bab selanjutnya dalam makalah ini akan
menguraikan, menganalisis dan mengkaji tentang teknologi proses pembuatan synroc, pengembangan synroc, dan studi daya tahan limbah synroc terhadap fasa air dan radiasi, serta adaptasi teknologinya di Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN), Indonesia. PROSES PEMBUA TAN SYNROC LlMBAH Pembuatan synroc dengan precursor oksida Proses pembuatan synroc standar dilakukan dengan mereaksikan precursor oksida dengan limbah cair aktivitas tinggi (LCAT). Campuran kemudian dikeringkan, dikalsinasi, dan dipress-panas pada kondisi temperatur reduksi - 1200 °c untuk membentuk suatu keramik multi fase yang padat. Komposisi precursor oksida (dalam % berat) adalah : Alz03 (5,4);
BaO (5,6);
CaO (11,0); TiOz (71,4) dan ZrOz (6,6) [1]. Fase-fase mineral utama
dalam synroc adalah: hollandite [Ba(AI,Ti)zTi6016], zirconolite (CaZrTiz07), (CaTi03),
dan perovskite
selain itu terdapat fase titan-oksida dan fase-fase paduan (alloy phases) dalam
jumlah lebih kecil. Fase-fase penyusun synroc-C yang mengandung 20 % berat LAT dan 16
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian don KegiaJan PTLR Tahun 2006
radionuklida-radionuklida ditunjukkan Tabel1
yang masuk
ke dalam kisi-kisi berbagai
fase mineral yang ada
pada Tabel1.
: Komposisi LAT [1].
dan mineralogi
synroc-C (synroc standar) yang mengandung
20%berat
Tc, Pd,paduan Rh, Ru, dU. % berat 5 Cs dan Rb. 20 30 Radionuklida dalam kisi fasedan mineral Sr, Logam tanah jarang 10 ---- (Alloy Logam tanah jarang (RE), (RE), Aktinida Fase mineral (An). Aktinida (An).
Pembentukan
fase-fase
utama mineral synroc terjadi pada suhu tinggi sekitar 1200 DC
dengan reaksi sebagai berikut : BaO
+
Ab03
CaO
+
Zr02
CaO
+
Ti02
Selanjutnya
CaTi03
(1) (2)
(Perovskite)
dengan memodifikasi
synroc-C
(3) menjadi beberapa turunan
precursor slurry
synroc telah dikembangkan
dengan menggunakan
dan alkoksida
dikalsinasi
dan dipres-panas pengembangan
Pembentukan fase-fase reaksi sebagai berikut :
dalam
+ AI203 +
Ca(OH)z
+ Zr02
Ca(OH)z
+ Ti02
+
atmosfir
precursor gas
2% berat logam titan dicampurkan pad a temperatur dan
utama mineral
Ba(OH)z
kondisi
densifikasi
-
campuran
oksida [3]. Campuran
H2/N2 (atau
(pemadatan)
fase
20 MPa
untuk
secara
sempurna.
-1150
DC dengan
pada temperatur
Ba(ALTihTi6016 (Hollandite)
+ H20
CaZrTi207 (Zirconolite)
+
CaTi03 (Perovskite)
H2/Ar) pad a
dengan serbuk dari hasil
1150 DC dan tekanan
synroc terjadi
17
slurry yang
dari AI, Ti, dan Zr yang transesterified
yang lebih baik dari pad a penggunaan
750 DC, kemudian
menghasilkan
+ 202
CaZrTi207 (Zirconolite)
-7
dan precursor
kalsinasi,
-7
Ba dan Ca hidroksida
precursor
temperatur
Ba(AI,TihTi6016 (Hollandite)
imobilisasi jenis limbah yang sesuai.
Pembuatan mengandung
-7
2Ti02
synroc dengan
Pembuatan
limbah
+
8 Ti02
telah dikembangkan
synroc untuk
sebagai
+
H20
+ H20
+ 202
(4) (5) (6)
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006
Precusor slurry ini memberikan reaktivitas pada kondisi padat (solid state) yang lebih baik dengan terbentuknya fase-fase utama hollandite, zircono/ite, dan perovskite, serta sejumlah kecil titan oksida dan paduan logam. Pada pengembangan synroc dikenal pula beberapa fese lain yang terbentuk dari turunan fase utama dengan unsur-unsur yang lain yang terkandung dalam limbah, yaitu:
pyrochlore (CaATi207, dengan A = Gd, Hf. Pu, dan
U), brannerite (AnTi206• dengan An = aktinida), dan freudenbergite (Na2Fe2Ti6016). Pembuatan synroc dengan spray-dried synroc precursor Penelitian pada produksi precursor dengan spray-dried (spray-dried synroc precursor) didasarkan pada metode sol-gel. Keuntungan utama dari precursor ini adalah bahwa metode ini menghindari debu yang terjadi dalam operasi proses pembuatan synroc, tidak seperti yang terjadi dengan bahan-bahan precursor standar yang terdiri dari partikel-partikel halus. Sifat-sifat microsphere sol-gel dikontrol dengan proses kimia. Pada pembuatan precursor simulasi non-radioaktif telah diperoleh pembentukan microsphere sol-gel dengan diameter 20 -
50
J..Lm,yang mempunyai sifat aliran yang baik sekali dan mudah
mengabsorpsi larutan LAT [4]. PENGEMBANGAN
SYNROC BERDASAR JENIS LlMBAH
Pada tahun 1985-1990 berkembang jenis-jenis LCAT yang mempunyai potensi untuk diimobilisasi dengan synroc. Jenis limbah tersebut adalah : a). limbah yang mengandung kelompok unsur transuranium (TRU) dalam LCAT yang ditimbulkan dari proses olah-ulang bahan bakar bekas di Eropa dan kelompok unsur aktinida dari Jepang, khususnya yang mengandung americium (Am) dan curium (Cm); b). limbah yang mengandung radionuklida mobile umur panjang hasil pemanasan LCAT yaitu campuran 135Cs(T1/2= 2,3 juta tahun) dan 99Tc (T112=210.000 tahun), yang juga mengandung 90Sr (T1/2= 28 tahun); c). limbah plutonium(Pu) yang ditimbulkan dari program persenjataan Amerika Serikat yang berlebihan; dan d). limbah sludge
yang mengandung logam tanah jarang, aktinida, 90Sr dan garam
alkali, serta limbah yang mengandung 135CSdan kontaminan tinggi non-radioaktif. Untuk imobilisasi berbagai jenis limbah yang berbeda-beda tersebut dikembangkan turunan synroc dengan memodifikasi komposisi fase-fase mineral synroc-C. Komposisi mineral synroc dipilih sesuai karakterisasi unsur-unsur radionuklida yang terkandung dalam limbah sedemikian sehingga dapat terserap masuk ke dalam kisi-kisi fase mineral synroc. Beberapa pengembangan synroc dari berbagai jenis limbah dapat dilihat pada Tabel2. Pengembangan diawali dengan synroc-C (standar) yang mempunyai tingkat muat 20% berat LAT, kemudian dikembangkan proses pembuatan synroc dengan precursor slurry dan sudah di-scaled-up menjadi fasilitas Synroc Demonstration Plant di ANSTO (Australia). Hasil pengembangan synroc keramik (synroc-C) ini dapat menahan muatan limbah sampai
18
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian clan Kegiatan PTLR Tahun 2006
30%berat LAT (Iebih tinggi dari synroc-C standar yang dibuat dengan precursor oksida) [1]. Limbah simulasi synroc ini telah difabrikasi
pada skala - 30 kg dalam bentuk silinder
dengan diameter -350 mm dan tinggi 150 mm. Hampir 6 ton synroc ini telah diproduksi dengan laju produksi secara nominal 10 kg/jam. ANSTO juga telah mengembangkan synroc dengan teknologi fabrikasi menggunakan spray-dried synroc precursor dengan laju produksi 10 kg~am dan menghasilkan synroc yang telah dipress-panas dengan sifat-sifat yang dapat diterima [2]. Disamping itu kolaborasi antara ANSTO dengan Lawrence Livermore National Laboratory telah melakukan studi teknologi fabrikasi synroc melalui
penerapan sintering
tanpa tekanan untuk imobilisasi LCAT khususnya yang mengandung unsur-unsur aktinida. Pengembangan
ini diperoleh
mengungkung aktinida),
synroc-C
kaya zirconolite
sampai
sedang fase yang lain masing-masing
80
%berat
(untuk
hanya 5%berat [1].
Sejumlah 35% berat PuOz dapat diimobilisasi dalam synroc kaya zirconolite ini (meningkat dibanding synroc-C standar yang hanya 12%berat PuOz). Monoclinic zirconolite dapat mengakomodasi Pu dalam larutan padat dalam posisi Ca dan Zr dalam synroc [5]. Khusus untuk limbah plutonium (Pu) dan uranium (U) dikembangkan synroc-F kaya pyrochlore (CaATiz07, A=Gd, Hf, Pu, dan U) sebagai turunan zirconolite dengan absorber netron Gd dan /atau Hf untuk menghindari kritikalitas. Untuk limbah kaya Pu fase pyrochlore ditingkatkan sampai 95% berat [6]. Untuk imobilisasi limbah sludge (LAT) yang mengandung Cs dan kontaminan tinggi NazO, SiOz dan besi oksida yang ditimbulkan dari program pertahanan Amerika Serikat di Salvanah River Plant, telah dikembangkan
synroc-D dengan memodifikasi komposisi
synrocC kaya hollandite [7]. Selanjutnya untuk limbah sludge (LAT) yang mengandung logam tanah jarang , aktinida , Sr, dan garam alkali (natrium nitrat / nitrit) dikembangkan suatu komposit gelas synroc yang mengandung fase zirconolite dan perovskite. Formulasi ini mempunyai tingkat muat limbah cukup tinggi sekitar 70%berat [8,9]. Tabel2. Beberapa pengembangan jenis synroc dari berbagai jenis limbah [1,5,6,7,8,9,10].
1.
Jenis limbah dan radionuklida dalam limbah LCAT tipe purex, radionuklida hasil belah, aktinida dan logam tanah jarang.
Hasil Pengembangan
I
Dengan precursor oksida tingkat muat 20%berat LAT, dengan precursor slurry tingkat muat sampai 30%berat LAT[1]. 12%berat PuOz dapat diimobilisasi dalam synroc-C 1,51.
19
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
2.· Synroc-C kaya zirconolite (CaZr Tb07)'
3. Synroc kaya pyrochlore (CaATb07, A=Gd, Hf, Pu, dan U).
zirconolite sampai LCAT tipe purex, kaya Akti Fase 80%berat untuk mengungkung (Np, aktinida, sedang fase yang lain Pu, Am, Cm, dll). masing-masing hanya 5%berafJ• 35%berat PU02 dapat diimobilisasi dalam synroc kaya zirconolite [5]. LCAT mengandung Pu I Synroc-F, 90% Pyrochlore (CaA dan U. Tb07), dan 5% hollandite [Ba(AI,Tih Tis01S]' LCAT kaya Pu mengandung U.
4. Synroc-D, modifikasi synroc-C kaya hollandite, Ba(AI,TihTis01S 5. Synroc gelas komposit kaya Zirconolite (CaZrTi207) dan Pirovskite (CaTi03). 6. Synroc kaya hollandite / perovskite, Ba(AI,TihTis01SI CaTi03.
dan
Limbah sludge (LAT) mengandung Cs dan kontaminan tinggi Na20, Si02 dan besi oksida .
Synroc (dengan absorber netron) kaya pyrochlore, 95% tersusun ( Ca, Gd, Hf, Pu, dan U) titanat, dan 5% Hf doping (sebagai turunan fase zirconolite [6]. Oikembangkan untuk Limbah sludge tangki dari program pertahanan di Salvanah River Plant, USA [7].
Limbah sludge (LAT) mengandung logam tanah jarang , Aktinida , Sr, dan garam alkali (Natrium nitratlnitrit)
Proses komposit hybrid synroc gelas dengan peleburan, densitas 3,4 g/cm3 dan tingkat muat -70% limbah [8,9].
Limbah Tc dan Cs/Sr (volatil) hasil pemisahan dari limbah purex untuk mengurangi efek gamma heating [1].
Pelepasan Tc dan Cs dalam kondisi reduksi pada proses synroc masing-masing adalah < 0,0001 % dan 0,1% [10].
Secara terpisah juga telah dilakukan penelitian untuk technesium (Tc) dan caesium (Cs) yang merupakan
unsur-unsur
ideal untuk diimobilisasi
ke dalam
synroc [10].
Radionuklida 99Tc dan 135Csadalah radionuklida umur panjang yang dalam bentuk gelas limbah (dari proses vitrifikasi) mempunyai laju pelepasan (release rates) relatif tinggi dan mudah tersebar ke lingkungan.
Radionuklida Tc dan Cs adalah mudah menguap pada
temperatur oksidasi lingkungan yang tinggi yang digunakan dalam proses imobilisasi dengan teknik vitrifikasi. Oleh karena itu telah dikembangkan bentuk synroc yang kaya dengan fase hollandite/perovskite, Ba(AI,TihTis01S I CaTi03, untuk imobilisasi limbah yang mengandung
Tc dan Csl Sr dari produk proses pemanasan LCAT.
Oi bawah kondisi
reduksi yang digunakan dalam proses synroc, pelepasan (penguapan) Tc dan Cs telah ditunjukkan masing-masing adalah < 0,0001 % dan 0,1% [10]. diimobilisasi dalam synroc sebagai paduan logam atau sebagai Tc dapat mengganti Ti
4+
Radionuklida Tc dapat 4+,
dimana
posisinya
dalam semua fase titanat [111.Pengembangan berbagai jenis synroc
tersebut menggambarkan fleksibilitas komposisi limbah keluarga synroc jenis keramik. 20
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiman PTLR Tahun 2006
Tingkat muat limbah (LAT) dalam synroc
cukup tinggi yaitu tiga kali lebih tinggi
dibanding dengan tingkat muat LAT dalam gelas borosilikat, sehingga limbah synroc memberikan penghematan biaya cukup besar dalam fabrikasi wadah limbah (canistef), transport, penyimpanan sementara dan penyimpanan lestari geologi tanah dalam [12].
STUDI DAY A TAHAN SYNROC LlMBAH Study daya tahan synroc limbah terhadap fasa air Studi daya tahan I synroc-C simbah tandar terhadap fasa air antara lain telah digunakan
X-Ray Photoelectron Spectroscopy
untuk studi dekalsinasi fase perovskite
pada kedalaman < 5 nm setelah proses pelindihan dalam air bebas ion pada temperatur 90 dan 150 DC, ditunjukkan adanya Ca dalam cairan pelindihan yang menghalangi dekalsifikasi [1]. Sedang penggunaan Transmition Electron Microscopy, diperoleh mikrograf tampang lintang transmisi elektron
pada permukaan synroc yang terlindih selama satu tahun pada
larutan penyangga fase air pH = 4 pada temperatur 150 DC, diamati adanya pelindihan terhadap butiran fase perovskite, dan tidak terbukti adanya pelindihan fase synroc yang lain. Kedalaman permukaan yang terlindih pada fase perovskite mendekati 0,2
~m [13].
Selanjutnya penggunaan Scondary Ion Mass Spectroscopy dan Energy Recoil Analysis of Aqueous Components, Alpha Recoil Spectroscopy juga ICP-analysis melengkapi data studi ketahanan synroc dalam fase air yang terlarut.
Spektrum deuterium (0) dengan analisis
tenaga recoil (tenaga terpelanting) untuk pengamatan synroc yang terlindih selama 20 hari dalam
020
pada temperatur 190 OC, menunjukkan bahwa penetrasi deuterium rata-rata
(kemungkinan sebagai
00-) hanya - 15 nm [14].
Sedang penggunaan Alpha-Recoil
Spectroscopy menunjukkan adanya beberapa unsur aktinida pada permukaan synroc yang terlindih. Beberapa data analisis pelindihan (leaching) untuk studi daya tahan synroc limbah terhadap fase air dapat dilihat pada Tabel3. Penelitian imobilisasi limbah transuranium dengan unsur-unsur utama aktinida (Np, Pu, Am, dan Cm) menjadi synroc telah dilakukan. zirconolite
dan
perovskite
tersebut mudah terjadi
[3].
adalah
Imobilisasi aktinida dalam synroc fase
sangat tinggi, dan
partisi aktinida
antara
2 fase
Laju pelindihan aktinida dari synroc sangat rendah, bahkan dalam
kondisi oksidasipun sangat rendah dan menurun dengan urutan : Np > Pu > Am> Cm. Laju pelindihan total secara normal pada 70 DCsetelah 1000 hari cenderung mendekati 10'5- 10-6 g.m'2.hari'1[11].Laju pelindihan total Pu dari synroc-C dalam jangka panjang juga sangat rendah
yaitu
-1x10·6 g.m·2.harr1. Laju pelindihan untuk Gd juga - 1x10'6 g.m'2.harr\
sedang laju pelindihan untuk Ti, Zr dan Hf berada di bawah batas deteksi. Sedang daya
21
Synroc-C, Np
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006
Tabel 3. Beberapa data analisis laju pelindihan (leaching rates) dari berbagai jenis synroc dan limbah [1,5,11,15,16,17]. Peneliti Unsur Medium yang U) UPu, Air< bebas 10-5 1x10-1 O-s 0-5 0-6 Jostsons hari 2 -beberapa 3 tanah tahun Tc 1x Ti Jostsons terdeteksi 5 1000 hari Cs 70°C 1pertama. x<1xVance 1x1 Gd Weber hari 1x 10-5 Pu Ba alkali Alkali dan Air bebas Air bebas Ti, Zr, Hf ion, Air bebas i7 on, Am, 1,3 2,0 10-;! 9,0 xx10-:> X Air 10-5 10-1 10-1 bebas 70°C total), Sr Levins [17] [5]Waktu Vance [1] 90°C 10-5 10-5 -0-0 10-6(laju 3,0 dkk [15] [16] pelindihan dkk[11 ]. dkk *) Np, ion, ion, *)Tak ion, (g.m-2.harr1) Laju Pelindihan pengujian Jenis synroc Gd. Synroc-C kaya
tahan pelindihan Pu dalam synroc pada
70 70°C DC
**) 2000 hari
muatan yang lebih tinggi kemungkinan turun
karena fasa induk (host phase) yang mengungkung Pu menjadi amorf
akibat
radiasi
<x,
tetapi peningkatan laju pelindihan Pu dalam fase zirconolite setelah amorfisasi telah diteliti hanya naik dengan faktor 10 dari 1x10-6menjadi
1x10-5 g.m-2.hari-1 [15]. Sedang pengukuran
laju pelindihan unsur-unsur Tc dan Cs dari synroc menunjukan suatu kecepatan yang
22
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan KegiaJan PTLR Tahun 2006
menurun dengan waktu.
Untuk CS, laju pelindihan pada 70°C
turun setelah beberapa
tahun menjadi 5x10-5g.m-2.hari-1, dan laju pelindihan untuk Te lebih rendah lagi [16]. Pada synroe hasil pembuatan menggunakan precursor slurry mempunyai ukuran butir untuk masing-masing komponen mineral adalah dalam sub-mikron dan memberikan sifat mekanik yang lebih baik. Laju pelindihan pada 90°C dalam air terhadap kebanyakan unsurunsur, khususnya alkali dan alkali tanah adalah lebih keeil dari 0,1 g.m-2.harr1 selama beberapa hari pertama, dan kemudian turun seeara asymptotic ke suatu harga -10-5g.m2.harr1 setelah 2000 hari. Laju pelindihan 10-5 g.m-2. harr1 sesuai dengan - 1 nm/hari [1].
Oi sini dapat dilihat bahwa laju pelindihan untuk beberapa unsur yang terkandung dalam synroc sangat rendah. Sahkan untuk synroc limbah dari produksi 99Moterlihat ada beberapa unsur yang tidak terlindih yaitu : Pu, Gd, dan Hf (dalam fase pyrochlore), aktinida Np, Am, dan Cm (dalam fase brannerite), Rb (dalam fase hollandite), dan unsur-unsur hasil belah golongan logam transisi Te, Pd, Rh, Ru, dll (dalam fase paduan AI titanati17J• Kemungkinan unsur-unsur tersebut
sangat terikat kuat dalam fase masing-masing
atau
kandungan dalam limbah sangat keeil. Laju pelindihan unsur-unsur dari berbagai jenis synroc tersebut relatif sangat rendah dan tidak ada perbedaan yang signifikan. Oaya tahan synroc limbah terhadap air jauh lebih tinggi dibanding dengan limbah gelas borosilikat (vitrifikasi).
Oalam air murni pada temperatur 95°C dan 200°C, laju pelindihan
untuk Cs, Ca, Sr, dan Sa dalam synroc adalah 500 sampai 2000 kali lebih keeil dari pada dalam gelas borosilikat. Sedang untuk laju pelindihan Nd, Zn, Ti dan U dalam synroc adalah sekitar 10.000 kali lebih keeil dari pada dalam gelas borosilikat. Laju pelindihan synroc limbah pada dasarnya konstan terhadap tingkat muat limbah dari 9 - 20 % berat LAT [12]. Studi daya tahan synroc limbah terhadap radiasi Studi daya tahan limbah synroc terhadap radiasi dilakukan dengan studi difraksi terhadap mineral-mineral sejenis synroc metamict dengan iradiasi elektron, netron dan ionion berat terhadap euplikan sintetis dan euplikan-cuplikan yang ditambah (doping) dengan radionuklida pemancar a yaitu 244Cm(T1/2 = 18 tahun) dan 238pU(T1/2 = 87 tahun). Proses kerusakan yang signifikan terhadap bentuk limbah synroc hanya terjadi karena adanya peluruhan a, dengan kerusakan utama timbul dari atom-atom yang terpelanting (recoil), bukan partikel a itu sendiri. Karena recoil atom mempunyai jangkauan yang sangat pendek (-20 nm), maka kerusakan terjadi pada fase-fase yang mengandung aktinida pemanear a. Hasil- hasil penelitian pengaruh radiasi a terhadap synroc dapat dilihat pada Tabel 4.
23
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006
Tabel 4. Pengaruh radiasi a terhadap kerusakan synroc (Iaju pelindihan dan swelling) [15.18,19.20.21.22,23]. Doping unsur Jenis synroc
a
pemancar
pengaruh radiasi
a terhadap Peneliti
synroc (Iaju pelindihan dan swelling)
dan Synroc fase
Laju pelindihan meningkat 10 kali Weber dkk. menjadi 1x10-4 sampai 1x10'5 g.m' Mitamura
amort zirconolite.
2.harr1.
dkk [15.18].
Synroc kaya
Terjadi swelling - 6 % volume.
Clinard
Synroc-C standar
zircono-lite dan
dkk
[19].
pyrochlor. Synroc-C dan
£;jtjpu dan £44Cm Terjadi
speci-men fase
(11,2%
tunggal untuk
236PU02
zirconolite dan
4%berat
menyebabkan
perovskite.
244Cm203dengan
Sedang
dosis sampai 1,5
micro-cracking baru teramati pada
x
1019
300 Synroc fase zircono-lite,
berat atau
alg pada
swelling
%volume. pada
4,0 - 6,9
Perbedaan
berbagai
Ewing dkk,
swelling
Houg & Mar-
tidak
ples,Mitamu-
fase
micro-cracking
pada synroc kaya Na,
ra
dkk
[20,21.22]
dosis -1x 1016peluruhan a/g.
OK).
Aktinida
Terjadi perubahan bentuk dengan
Smith
pemancar a.
faktor
[23].
mendekati
pyrochlore dan
dengan
brannerite.
aktinida pemancar a.
tidak
3
didoping
dibanding
dkk
dengan
Hasil penelitian (Tabel 4) menunjukkan bahwa adanya 236pUdan 244Cmdalam synroc menyebabkan terjadinya swelling (menggembung) dan peningkatan laju pelindihan.
Laju
pelindihan untuk amort zirconolite dan limbah synroc standar yang didoping dengan 244Cm meningkat walaupun hanya -10 kali dibanding bila tidak didoping dengan 244Cm (menjadi sekitar 1x10·4 sampai 1x10·5 g.m'2.hari·1) [15,18]. Peningkatan laju pelindihan terse but ditandai dengan perubahan bentuk dari fase yang memuat radionuklida pemancar a e44Cm).
Adanya 236pUdan 244Cmpada fase
zirconolite / pyrochlore dan pada synroc-C
menyebabkan terjadinya swelling sekitar 4-6,9%volume [19,20,21]. Dosis iradiasi ion-ion berat (sebagai simulasi inti recoil a) menyebabkan
perubahan bentuk terhadap fase-fase
yang mengandung aktinida [23]. Oleh karena itu perlu menjadi perhatian utama terhadap bentuk limbah kristalin dari limbah TRU yang mengandung aktinida dalam konsentrasi tinggi
24
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006
akan kemungkinan terjadinya kerusakan bentuk kristal mereka.
akibat
peluruhan
a
yang
dapat
mengubah
Perubahan bentuk tersebut berperan secara signifikan terhadap
perubahan sifat-sifat fisika dan kimia.
Walaupun demikian perbedaan swelling pada
berbagai fase kristalin juga tidak menyebabkan micro-cracking (peretakan mikro) dalam synroc-C.
Sedang
pada synroc
kaya natrium (Na), dimana jumlah
freudenbergik
(Na2Fe2Ti6016) yang signifikan distabilkan oleh Na dan micro-cracking baru dapat diamati pada dosis sekitar 1x1018peluruhan a/g [22]. Kejadian secara alami pada synroc fase zirconolite yang mendapat paparan radiasi sampai sekitar 3x1020 peluruhan a/g telah ditunjukkan dapat menahan unsur-unsur aktinida selama periode waktu sampai 2,5x109 tahun [25].
Oalam uji dipercepat menunjukkan
bahwa perubahan sifat mikrostruktur zirconolite sintetis mirip dengan zirconolite alam yang mengandung uranium (U) dan/atau torium (Th) dan perubahan bentuk terjadi pada dosis radiasi a yang serupa. Kerusakan akibat radiasi a dapat diminimalisasi dengan annealing secara termal. Penekanan kerusakan dengan annealing secara signifikan telah diamati pada eksperimen kerusakan a
terhadap synroc-C pada temperatur serendah-rendahnya 200°C
[26]. Oari
eksperimen tersebut menunjukkan laju pertumbuhan kerusakan a pada 200°C adalah 40% lebih rendah dari pada yang diamati pada 30°C.
Proses annealing secara termal
ini
berperan penting untuk konsep ko-imobilisasi 135Cs dan 244Cm dalam synroc untuk memberikan pemuatan (loading) 244Cmyang tinggi, karena panas peluruhan 135CSdapat digunakan untuk membatasi kerusakan akibat radiasi a dari 244Cmselama penyimpanan. Oari hasil-hasil penelitian tersebut dapat diketahui perilaku synroc akibat radiasi a pada dosis tinggi yang menunjukan bahwa kerusakan synroc relatif sangat rendah dan masih dapat diterima. Selain itu tidak ada tanda adanya proses terjadinya peretakan antarbutiran (intergranular cracking) pada pengepresan panas synroc-C. ADAPTASI TEKNOLOGIIMOBILISASI
LCAT DENGAN SYNROC DI BATAN
Oi Indonesia, LCAT ditimbulkan dari Instalasi Radiometalurgi (IRM) dan Instalasi Produksi Radioisotop (IPR) yang ada
di Fasilitas Penelitian Tenaga Nuklir Kawasan
Puspiptek Serpong. LCAT dari IRM berupa limbah yang ditimbulkan dari kegiatan uji pasca iradiasi elemen bakar nuklir yang mengandung unsur-unsur (radionuklida) hasil belah dan aktinida, sedang LCAT dari IPR berupa limbah dari kegiatan produksi radioisotop molibdenium (99Mo)melalui jalur iradiasi target uranium (93% 235U)di dalam reaktor. LCAT dari produksi radioisotop 99Mo mengandung unsur-unsur hasil belah, sisa uranium, dan unsur-unsur
aktinida
(TRU) minor.
Imobilisasi
kedua
jenis
limbah
ini
telah
c!ipelajari di Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN dengan teknik vitrifikasi [27,28] dan
25
/SSN 0852 - 2979
Hasil Pene/itian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
dengan teknik polimerisasi [29]. Sedang hasil-hasil penelitian dan pengembangan
synroc
sebagaimana telah diuraikan di atas mempunyai prospek yang lebih baik dan dapat diadopsi dan dikembangkan sebagai alternatif untuk imobilisasi kedua jenis LCAT yang ditimbulkan dari IRM dan IPR terse but. Adaptasi teknologi imobilisasi dengan synroc untuk kedua jenis LCAT tersebut
dapat dilakukan berdasar skema pada Gambar
1 dan Gambar 2
ada 2 alternatif. Untuk LCAT dari IPR yaitu langsung diimobilisasi
yang masing-masing
dengan synroc atau dilakukan ekstraksi dengan asam dietil heksil fosfat untuk memisahkan 235Udan unsur hasil belah, kemudian baru dilakukan imobilisasi dengan synroc. Sedang untuk LCAT dari IRM juga dapat langsung diimobilisasi
dengan synroc atau dilakukan
ekstraksi dengan TBP-Oodekan sehingga diperoleh LCAT-II (yang mengandung unsur hasil belah dan kontaminan TRU dan U) dan limbah cair transuranium
(LCTRU) yang
mengandung TRU, U dan kontaminan unsur hasil belah, baru kemudian dilakukan imobilisasi dengan synroc.
Jenis synroc yang dipilih (pada Gambar 1 dan Gambar 2)
berdasarkan kandungan radionuklida dalam limbah. Adaptasi teknologi imobilisasi dengan synroc
untuk
kedua
jenis
LCAT
tersebut
masih
perlu
dilakukan
penelitian
dan
pengembangan lebih lanjut. KESIMPULAN Teknologi imobilisasi LCAT yang mengandung radionuklida hasil belah dan aktinida (transuranium) dengan synroc merupakan alternatif untuk mengganti teknologi imobilisasi gelas-borosilikat, karena synroc mempunyai kestabilan geokimia dan kemampuan kolektif untuk imobilisasi semua unsur radioaktif dalam LCAT, serta ketahanan terhadap air tanah dalam penyimpanan lestari geologi tanah dalam. Studi ilmu pengetahuan dan penelitian dasar memberikan
konfirmasi
bahwa laju pelindihan
dan
kerusakan
peluruhan-a. terhadap synroc relatif sangat rendah dan dapat diterima.
akibat radiasi Pengembangan
komposisi synroc untuk imobilisasi limbah tergantung pada kandungan radionuklida, untuk LCAT yang
mengandung aktinida dikembangkan synroc-C kaya zirconolite (CaZrTi207),
untuk limbah uranium dan plutonium dikembangkan synroc-C kaya pyrochlore (CaATi207) dengan penambahan unsur-unsur absorber netron untuk mencegah kritikalitas, dan untuk limbah
yang
mengandung
Tc
dan
Cs/Sr
dikembangkan
hollandite/pirovskite, Ba(AI,TihTis01S I CaTi03• Tingkat muat
synroc
kaya
fase
LAT dalam synroc dapat
ditingkatkan dengan memperkaya fase dalam synroc yang sesuai dengan kandungan radionuklidanya. Oi Indonesia, Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN akan melakukan adaptasi teknologi imobilisasi penelitian dan pengembangan
dengan bahan synroc untuk imobilisasi lebih lanjut sesuai dengan karakterisasi
26
LCAT melalui LCAT yang
ISSN 0852 - 2979
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
ditimbulkan dari produksi
radioisotop 99Mo dan kegiatan uji pasca-iradiasi elemen bakar
nuklir. DAFT AR PUSTAKA 1. VANCE
E.R.,
International
Status of
Workshop
Synroc on
Ceramics
HLRW
for
Management,
HLW, Dep.of
Proceedings of Nuclear
The
Bianual
2nd
Engineering,
Faculty
of
LEVINS, D.M and JOSTSONS, A., R&D in Radioactive Waste Management at ANSTO, The
2nd
Engeneering, Gadjah Mada University, Yogyakarta, August 10-12, 1999. 2.
Seminar on RWM, Regional Cooperation in Asia, 3.
Kuala Lumpur - Malaysia, October 14-16, 1996.
RINGWOOD, A.E, KESSON, S.E, REEVE, K.D., LEVINS, D.M and RAMM, E.J., In Radioactive Waste Form for the Future, Elsevier, North-Holland, p. 233-334,1988.
4.
SIZGEK,E.R.,et.al., Production of Synroc Ceramics from Titanate Gel Microspheres, in Scientific Basis for Nuclear Waste Management XVII, Materials Research Society, Pittsburgh, PA, USA, p. 305-312,1994.
5. JOSTSONS, A., et.al., Surplus plutonium Disposition via Immobilisation in Synroc, Spectrum '96, International Topical Meeting on Nuclear and Hazardous Waste Management, Seattle, WA, August 18-23,1996. 6.
STEWART
M.N.A, et.al., Environmental Issues and Waste Management
Technologies in the
Ceramic and Nuclear Industries IV, American Ceramic Society, Mesterville, OH, USA, in press. 7.
RINGWOOD, A.E., KESSON, S.E and WARE, N.G., Immobilization of US Defence Nuclear Waste Using the Synroc Process, in Scientific Basis for Nuclear Waste Management, Vol 2, Plenum Press, New York, p 265, 1980.
8. VANCE E.R.,et.al., A Melting Route to Synroc for Hanford HLW Immobilisation, in Scientific Basis for Nuclear Waste Management XIX, Materials Research Society, Pittsburgh, PA, USA, p. 289-296, 1996. 9.
JOSTSONS
A., VANCE E.R. and MERCER, D.J., Advanced HLW Management Strategies
Employing Both Synroc and Borosilicate Glass Wasteforms, Proceedings of Global'95, p.774, Versailles, France, September 11-14, 1995. 10. HART Nuclear
K.P. et.al., Immobilization of Separated Tc and Cs/Sr in Synroc, Waste
Management
in Scientific Basis for
XIX, Materials Research Society, Pittsburgh, PA, USA, p. 281-
288, 1996. 11. VANCE
E.R., JOSTSONS, A and
HART
K.P., Synroc as a Ceramic Wasteform for Deep
Geological Disposal, International Confeference on Deep Geological Disposal of Radioactive Waste, Winnipeg, September 16-19,1996. 12. RINGWOOD A.E.,et.al., Synroc : Leaching Performance and Process Technology, Research School of Earth Science, The Australian National University, Australia, p. 495-506, 1982. 13. SMITH
K.L., et.al., In Scientific Basis for Nuclear Waste Management XX, Materials Research
Society, Pittsburgh, PA, USA, p.349, 1997. 14. DYTLEWSKI N., VANCE E.R. and BEGG B.D., Journal of Nuclear Materials, 231, p. 257,1996.
27
ISSN 0852 - 2979
Hasi/ Pene/itian don KegiaJan PTLR Tahun 2006
15. W.J.wEBER, J.W. WALD and HJ.MATZKE, "Effects of Self-Radiation Damage in Cm-Doped Gd2 Ti207 and CaZrTi207, Journal of Nuclear Materials, 138, p.196, 1986.
16. JOSTSONS
A.,et.al.,
Immobilisation
of
High
Concentrations
Radionuclides in Synroc, Tenth Pacific Basin Nuclear Conference, 17. LEVINS D.M, ANSTO's
Waste Management Action Plan, The
of
Partitioned
Long-Lived
Kobe, Japan, October 1996.
3rd
Seminar on Radioactive Waste
Management, Nuclear Cooperation in Asia, China, 1997. 18. H. MITAMURA, et.al, "a-Decay Damage Effects in Curium-Doped Titanate Ceramic Containing Sodium-Free High Level Nuclear Waste",
Journal of American Ceramic Society, 77 [9], p. 2255-
2264, 1994. 19. F.W.Jr.CLlNARD, D.E.PETERSON,
D.L.ROHR and L.W.HOBBS, Journal of Nuclear Materials,
126, p. 245, 1984. 20. RC. EWING, W.J.WEBER and F.W.Jr.CLlNARD, "Radiation Effects in Nuclear Waste Forms for High Level Radioactive Waste", Program in Nuclear Energy, 2~, p.63, 1995. 21. HOUG
and
JAC.
MARPLES,
"The
Radiation
Stability of
Synroc":
Final Report,
AEA
Technology Report, AEA-FS-0201 (H), 1993. 22. H.MITAMURA, et.al., "Self-Irradiation Damage
of a Curium-Doped
Titanate Ceramic Containing
Sodium-Rich High Level Nuclear Waste", Journal of American Ceramic
Society, Vol. 73 [11]
p.3433, 1990. 23. K.L.SMITH, N.J.ZALUZEC and G.RLUMPKIN,
"Scientific Basis for Nuclear Waste Management
XXI, Materials Research Society, Pittsburgh, PA,USA, p931, 1998. 24. G.RLUMPKIN and R.C.EWING, "Scientific Basis for Nuclear Waste Management VIII", Materials Research Society, Pittsburgh, PA, USA, p.647, 1985. 25. G.RLUMPKIN,
K.P.HART,
P.J. McGLINN,
T.E.
PAYNE,
RGIERE
and
"Retention of Actinides in Natural Pyrochlores and Zirconolites", Radiochemica
C.T.WILLIAMS, Acta, Vol. 66/67, p.
469, 1994. 26. K.D.REEVE, et.al , "Reformulation of Synroc for Purex High Level Nuclear Wastes Containing Further Chemical Additions",Proceedings
of International Ceramic Conference, Austceram 92,
CSIRO, Australia, p.1014, 1992. 27. MARTONO, H. dan AISYAH, "Efek Radiasi Terhadap Gelas Limbah Hasil Vitrifikasi, Presiding Pertemuan Dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar Iptek Nuklir", P3TM-BATAN, Yogyakarta, 2002. 28. MARTONO, H. dan WIDIATMO, "Perancangan Melter Untuk Pengolahan Limbah Cair Aktivitas Tinggi Secara Vitrifikasi, Seminar Hasil Penelitian Dan Kegiatan P2PLR 2001", Serpong, 2002. 29. AISYAH dkk, "Pengaruh Keasaman dan kandungan Limbah pada Imobilisasi Limbah Trasuranium dari IRM dengan Polimer", Seminar Hasil Penelitian Dan Kegiatan P2PLR 2003, Serpong, 2004.
28
