TAHANAN JENIS GELAS-LIMBAH DAN KAPASITAS PANAS UNTUK OPERASI MELTER PADA VITRIFIKASI LIMBAH CAIR AKTIVITAS TINGGI

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengelolaan Limbah VIII Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-RISTEK

ISSN 1410-6086

TAHANAN JENIS GELAS-LIMBAH DAN KAPASITAS PANAS UNTUK OPERASI MELTER PADA VITRIFIKASI LIMBAH CAIR AKTIVITAS TINGGI Wati *) ABSTRAK TAHANAN JENIS GELAS-LIMBAH DAN KAPASITAS PANAS UNTUK OPERASI MELTER PADA VITRIFIKASI LIMBAH CAIR AKTIVITAS TINGGI. Pengaruh suhu dan frekuensi terhadap tahanan jenis gelas-limbah dan perhitungan kapasitas panas untuk operasi melter pada vitrifikasi limbah cair aktivitas tinggi telah dipelajari. Komposisi limbah ditentukan dengan computer code ORIGEN 2 berdasarkan atas bahan bakar bekas dari Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) jenis PWR (Pressurized Water Reactor) 1.000 MWe, fraksi bakar 45.000 MWD/MTU, pengkayaan uranium 4,5 %, tenaga spesifik 38 MW/MTU dan pendinginan selama 4 tahun. Kandungan produk fisi dalam gelas limbah ditentukan sebesar 9,20 % berat dan kandungan limbah 25 % berat. Pembentukan gelas-limbah dilakukan pada suhu 1150 °C selama 2,5 jam, annealing dilakukan pada 510 °C selama 2 jam dalam crucible grafit dan selanjutnya dilakukan pendinginan dengan laju 16,7 °C/jam sampai suhu kamar. Tahanan jenis gelas-limbah ditentukan dengan elektrode platina yang telah diketahui tetapan selnya. Tahanan jenis gelas-limbah pada frekuensi tertentu, jika suhu bertambah maka tahanan jenisnya berkurang. Sedangkan pada suhu tertentu, jika frekuensi bertambah maka tahanan jenisnya bertambah. Pada suhu 1150 °C dan frekuensi 100 kHz, tahanan jenis gelaslimbah adalah 5,20 ohm cm. Data tahanan jenis ini diperlukan untuk sistem pemanas Joule dalam melter. Peleburan gelas-limbah sebanyak 300 kg, dengan densitas 2,74 g/cm3, sehingga volumenya 110 liter. Untuk volume melter yang ditempati 110 liter gelas-limbah diperoleh kedalaman, lebar, dan panjang melter masingmasing adalah 24, 48, dan 96 cm. Dari perhitungan panas, maka diperoleh tenaga panas sebesar 116,45 kW. Panas ini belum cukup untuk melebur 300 kg gelas-limbah dan perlu ditambahkan panas dari heater atau microwave. Kata kunci : tahanan jenis, kapasitas panas, gelas-limbah, vitrifikasi, limbah cair aktivitas tinggi ABSTRACT SPECIFIC RESISTANCE OF WASTE-GLASS AND HEAT CAPACITY FOR MELTER OPERATION IN VITRIFICATION OF HIGH LEVEL LIQUID WASTE. The effect of temperature and frequency on the specific resistance of waste-glass and calculation of heat capacity for melter operation in vitrification of high level liquid waste have been studied. The composition of waste was determined by computer code ORIGEN 2 based on spent fuels from NPP-PWR 1.000 MWe, burn up 45.000 MWD/MTU, 4,5 % uranium enrichment, specific power 38 MW/MTU and cooling time for 4 years. The contents of fission products in waste-glass were determined 9,20 % of weight and waste loading 25 % of weight. The wasteglass formation were conducted at temperature 1150 °C for 2,5 hours, annealing at 510 °C for 2 hours in grafit crucible and cooling with rate 16,7 °C/hour until room temperature. Specific resistance of waste-glass is determined by platina electrode knowing its cell constant. The specific resistance of waste-glass at certain frequency as the temperature increases so the specific resistance decreases. At certain temperature, as the frequency increases so the specific resistance increases. Specific resistance of waste-glass at the temperature of 1150 °C and the frequency of 100 KHz is 5,20 ohm cm. The specific resistance data is used for Joule heating system in the melter. The amount of melted waste-glass is 300 kg, with density of 2,74 g/cm3, so its volume is 110 liters. Volume of melter contains 110 liters of waste-glass, can be determined on depth, width, and length of melter are 24, 48, and 96 cm respectively. From the calculation of energy, Joule heat is 116,45 kW. This heat capacity was not enough for melting 300 kg and must be added of heat from heater or microwave. Keyword : specific resistance, heat capacity, waste-glass, vitrification, high level liquid waste.

PENDAHULUAN Limbah Cair Aktivitas Tinggi (LCAT) dihasilkan dari ekstraksi siklus I proses olah-ulang bahan bakar nuklir bekas. Pada ekstraksi siklus I proses olah-ulang dilakukan pemisahan U, Pu, dan unsur aktinida yang lain dari hasil belah. Larutan yang mengandung U, Pu, unsur aktinida , dan sedikit hasil belah diproses lebih lanjut untuk mengambil U

dan Pu, sedangkan larutan yang banyak mengandung hasil belah dan sedikit aktinida serta mempunyai keasaman yang tinggi antara 6 – 8 M sebagai LCAT. Negara yang melakukan proses olah ulang dapat memanfaatkan U sisa dan Pu yang terjadi dalam bahan bakar untuk bahan bakar reaktor pembiak cepat (fast breader reactor). Imobilisasi limbah cair aktivitas tinggi dari ekstraksi siklus I proses olah ulang dapat

*) Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN

127


dilakukan dengan synroc, vitromet dan gelas. Gelas dipilih karena relatif lebih mudah membuatnya dari pada synroc dan vitromet serta gelas mempunyai stabilitas dalam jangka panjang. Pada saat ini gelas borosilikat secara luas telah digunakan oleh negara-negara maju seperti Jepang, Perancis, Inggris, India, Pakistan dan teknik pembuatannya telah digunakan dalam skala industri. Di Korea gelas digunakan untuk imobilisasi limbah aktivitas rendah dengan tujuan untuk meningkatkan aspek keselamatan dan ekonomi. Komposisi limbah dapat ditentukan dengan analisis atau dengan computer code ORIGEN-2 berdasarkan atas sejarah elemen bahan bakar nuklir bekas seperti pengkayaan uranium, fraksi bakar (burn–up), tenaga spesifik dan lama pendinginan. Hasil perhitungan LCAT simulasi sangat penting untuk aplikasi penelitian proses imobilisasi LCAT skala laboratorium. Untuk mempelajari proses vitrifikasi skala laboratorium, disamping harus ditentukan komposisi LCAT simulasi juga harus ditentukan komposisi bahan pembentuk gelas (glass frit) sehingga diperoleh komposisi gelas-limbah yang

ISSN 1410-6086

memenuhi persyaratan standar. Pada makalah ini komposisi limbah ditentukan dengan computer code ORIGEN-2 [1] berdasarkan atas bahan bakar bekas dari Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) jenis PWR (Pressurized Water Reactor) 1.000 MWe, fraksi bakar 45.000 MWD/MTU, pengkayaan uranium 4,5 %, tenaga spesifik 38 MW/MTU dan pendinginan selama 4 tahun yang ditunjukkan pada Tabel 1[1]. Komposisi gelas-limbah dalam percobaan di laboratorium dirancang mempunyai titik lebur 1150 ºC karena pertimbangan korosi bata tahan api dari melter pada penerapan dalam skala industri. Makin tinggi titik lebur makin cepat laju korosi bata tahan api, yang berarti umur melter lebih pendek dan lebih banyak menimbulkan limbah radioaktif padat sekunder. Titik lebur gelas yang mempunyai struktrur amorf adalah suhu dimana viskositas lelehan gelas-limbah 100 poise. Sebagai contoh gelaslimbah dengan titik lebur 1150 ºC ditunjukkan pada Tabel 2. Dimana penentuan komposisi gelas-limbah dilakukan dengan cara penetapan kandungan hasil belah dalam gelas-limbah 9,20 %, kandungan limbah 25 % dan Na2O sekitar 10 % berat. Bahan pembentuk gelas (glass frit) yang digunakan adalah SiO2 62,3; B2O3 19,0; Al2O3 6,7; Li2O 4,0; CaO 4,0; dan ZnO 4,0 % berat.

Tabel 1. Komposisi LCAT dari bahan bakar bekas PWR 1.000 MWe, fraksi bakar 45.000 MWD/MTU, pengkayaan U235 4,5 %, tenaga spesifik 38 MW/MTU dan pendinginan selama 4 tahun[1]. Oksida Na2O Fe2O3 NiO Cr2O3 P 2O 5 SeO2 Rb2O SrO Y 2O 3 ZrO2 MoO3 Tc2O7 RuO2 Rh2O3 PdO Ag2O CdO SnO2 Sb2O3

128

Rasio dalam limbah 0,16480 0,09047 0,01473 0,01683 0,00947 0,00114 0,00557 0,01446 0,00852 0,06991 0,07192 0,01672 0,04121 0,00736 0,02204 0,00104 0,00176 0,00153 0,00037

Oksida TeO2 Cs2O BaO La2O3 CeO2 Pr6O11 Nd2O3 Pm2O3 Sm2O3 Eu2O3 Gd2O3 ZrO2 Gd2O3 UO3 NpO2 PuO2 Am2O3 Cm2O3

Rasio dalam limbah 0,00843 0,03905 0,02575 0,02051 0,04192 0,01936 0,06766 0,00068 0,01218 0,00248 0,00192 0,02557 0,12129 0,03806 0,00809 0,00146 0,00525 0,00047


Pada pembuatan gelas-limbah secara simulasi, unsur Tc diganti oleh Mn, aktinida (U, Np, Am, Cm) diganti oleh Ce dan Pm diganti oleh Nd. Hasil perhitungan komposisi gelas-limbah ditunjukkan pada Tabel 2. Beberapa unsur yang menentukan sifat gelaslimbah, yaitu : • Unsur Mo, Zr, dan Cr dapat membentuk fase pemisah dan mempengaruhi kekentalan gelaslimbah. • Unsur Fe, Si, dan Al akan menaikkan suhu pembentukan gelas-limbah. Pada umumnya gelas borosilikat dengan kandungan SiO2 lebih besar dari 40 % mempunyai sifat yang baik [2]. • Adanya unsur boron (kandungan B2O3 ± 15%) dapat menstabilkan gelaslimbah serta dapat menurunkan suhu pembentukan dan kekentalan gelaslimbah. • Unsur Na menurunkan suhu pembentukan dan kekentalan gelaslimbah, tetapi menaikkan laju pelindihan. • Unsur Pu lebih sukar disatukan dengan gelas dari pada unsur U. Fase pemisah akan terjadi jika konsentrasi PuO lebih dari 4 % di dalam gelaslimbah [2]. • Unsur-unsur grup platina (Ru, Rh, Pd) adalah tidak larut di dalam gelaslimbah, dan akan mengganggu aliran listrik yang timbul pada melter dengan pemanas joule.

ISSN 1410-6086

Pembentukan gelas-limbah dilakukan pada suhu 1150 °C selama 2,5 jam, annealing dilakukan pada 510 °C selama 2 jam dalam crucible grafit dan selanjutnya dilakukan pendinginan dengan laju 16,7 °C/jam sampai suhu kamar. Solidifikasi LCAT dengan gelas borosilikat yang dikenal dengan proses vitrifikasi dilakukan di dalam melter. Melter dengan pemanas Joule, tenaga panas lebih efisien dan umur melter lebih lama dibanding melter dengan pemanas induksi. Salah satu karakteristik gelas-limbah hasil vitrifikasi adalah tahanan listrik (electrical resistivity) atau tahanan jenis (specific resistance). Tahanan listrik gelas-limbah ditentukan dengan alat pengukur tahanan listrik dengan memasukkan elektrode platina yang telah ditentukan tetapan selnya dan dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut [3] : K=

R

(1)

ρ

K = tetapan sel (ditentukan menggunakan gelas standar = 0,766 cm-1), R = tahanan listrik (ohm) dan ρ = tahanan jenis (ohm cm). Berdasarkan persamaan 1 tersebut di atas, apabila tahanan listrik gelas-limbah pada berbagai suhu dan frekuensi dapat diukur, maka tahanan jenisnya (specific resistance) dapat dihitung.

Tabel 2. Komposisi gelas-limbah simulasi dalam prosen berat dengan kandungan produk fisi dalam gelas-limbah sebesar 9,20 % berat dan kandungan limbah 25 % berat. Oksida

Prosen Berat (% Berat)

Oksida

Prosen Berat (% Berat)

SiO2 B2O3 Al2O3 Li2O CaO ZnO Na2O P2O5 Fe2O3 Cr2O3 NiO Gd2O3 Sb2O3 Rb2O Cs2O SrO BaO ZrO2

46,55 14,20 5,01 2,99 2,99 2,99 9,99 0,17 1,65 0,31 0,27 2,26 0,01 0,10 0,71 0,26 0,47 1,75

MoO3 MnO2 RuO2 Rh2O3 PdO Ag2O CdO SnO2 SeO2 TeO3 Y2O3 La2O3 CeO2 Pr6O11 Nd2O3 Sm2O3 Eu2O3

1,31 0,31 0,75 0,13 0,40 0,02 0,03 0,03 0,02 0,15 0,16 0,38 1,76 0,35 1,25 0,22 0,05

129


Tahanan jenis gelas-limbah ini diperlukan untuk operasi melter yang menggunakan sistem pemanas Joule. Pada suhu tinggi gelas merupakan penghantar listrik yang dapat menimbulkan panas. Pada pengukuran tahanan listrik, grup platina karena mengganggu dalam pengukuran maka diganti dengan unsur-unsur yaitu Ru diganti oleh Fe, Rh oleh Co dan Pd oleh Ni.

MELTER DENGAN PEMANAS JOULE Melter dengan pemanas Joule, yaitu melter keramik pada suhu tinggi dengan pemanasan menggunakan arus listrik yang melewati lelehan gelas-limbah. Lelehan gelas pada suhu di atas 600 °C dapat menjadi penghantar listrik yang menimbulkan panas. Elektrode yang digunakan adalah paduan nikel-krom yang dikenal dengan inconel 690. Melter dengan pemanas Joule mengharuskan adanya gelaslimbah dalam melter, sampai sekitar 10 mm di atas elektrode, walaupun melter tidak dalam keadaan operasi. Adanya gelaslimbah dalam melter ini digunakan untuk operasi berikutnya. Untuk operasi melter, ada beberapa tahap yang dilakukan yaitu [1,4] :

Pemanas awal, yang dilakukan dengan heater (pemanas) dan microwave yang frekuensinya 915 MHz dan kapasitas

maksimumnya 50 kW. Pemanasan awal ini dilakukan sampai pada suhu 600 °C. Pemanasan dengan elektrode yang menimbulkan aliran listrik. Pada suhu 600 °C atau lebih, lelehan gelas-limbah dapat menghantarkan arus listrik. Aliran arus listrik melalui lelehan gelas-limbah antara 2 elektrode yang tercelup dapat menimbulkan panas sampai 1150 °C. Pembentukan gelas-limbah, dilakukan pada 1150 °C. Setelah pengumpanan selesai dan permukaan lelehan gelaslimbah dalam keadaan puncak panas, maka lelehan gelas-limbah siap untuk dikeluarkan dari melter ke canister dari baja tahan karat 304. Selanjutnya canister yang berisi gelaslimbah ditutup, kemudian tutup dilas, permukaan canister didekontaminasi, dan selanjutnya disimpan di tempat penyimpanan sementara dengan pendingin udara selama 30-50 tahun.

Skema melter dengan sistem pemanas Joule ditunjukkan pada Gambar 1 [1], dimana : h = tinggi gelas-limbah yang akan dikeluarkan, l1 = panjang melter antara dua elektrode, l2 = kedalaman melter pada bagian berbentuk kerucut dan 10 mm adalah batas gelas-limbah yang harus ada di dalam melter walaupun melter tidak dioperasikan.

Gambar 1. Skema melter dengan sistem pemanas Joule [1].

130

ISSN 1410-6086


Panas Joule adalah energi yang dilengkapi dengan supply tenaga listrik. Untuk melter, panas Joule dinyatakan sebagai berikut [5] : P = i2 R = z (CD)2 L (W) D

(2)

dimana : z = specific resistance (tahanan jenis) gelas-limbah (ohm cm), CD = electrode current density (densitas arus elektrode), L = panjang melter (4 kali kedalaman), W = lebar melter (2 kali kedalaman) dan D = kedalaman melter. Pada makalah ini disajikan pengaruh suhu dan frekuensi terhadap tahanan jenis gelas-limbah dan perhitungan kapasitas panas Joule untuk operasi melter pada vitrifikasi limbah cair aktivitas tinggi.

ISSN 1410-6086

TAHANAN JENIS GELAS-LIMBAH DAN KAPASITAS PANAS UNTUK OPERASI MELTER PADA VITREIFIKASI LIMBAH CAIR AKTIVITAS TINGGI Hasil pengukuran tahanan listrik lelehan gelas-limbah pada berbagai suhu dan frekuensi dapat dilihat pada Tabel 3 [1]. Tahanan listrik gelas-limbah pada suhu 1205 ºC dan frekuensi 100 kHz adalah 3,195 ohm, maka berdasarkan persamaan 1 tersebut di atas, tahanan jenisnya (specific resistance) adalah 3,195 ohm/0,776 cm-1 = 4,17 ohm cm. Dengan cara yang sama, apabila tahanan listrik gelas-limbah pada berbagai suhu dan frekuensi dapat diukur, maka tahanan jenisnya (specific resistance) dapat dihitung. Hubungan antara tahanan jenis, frekuensi dan suhu ditunjukkan oleh Tabel 4 dan dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.

Tabel 3. Tahanan listrik gelas-limbah pada berbagai suhu dan frekuensi [1]. FREKUENSI (kHz) 1 2 5 10 20 50 100

TAHANAN LISTRIK GELAS-LIMBAH (ohm) Suhu gelas-limbah (ºC) 1205 1100 1001 900 801 701 3,422 5,084 8,210 16,186 40,56 139,02 3,358 4,996 8,085 15,930 39,68 135,46 3,297 4,714 7,958 15,662 38,80 131,72 3,260 4,865 7,880 15,490 38,22 129,50 3,232 4,823 7,812 15,328 37,72 127,61 3,205 4,780 7,739 15,157 37,21 125,40 3,195 4,780 7,701 15,064 36,90 124,04

Tabel 4. Tahanan jenis gelas-limbah pada berbagai temperatur dan frekuensi. Frekuensi (kHz) 1 2 5 10 20 50 100

1205 4,47 4,38 4,30 4,25 4,22 4,18 4,17

Tahanan Jenis (ohm.cm) Temperatur Gelas-Limbah (°C) 1100 1001 900 801 6,64 10,72 21,13 52,95 6,52 10,55 20,80 51,80 6,15 10,39 20,45 50,65 6,35 10,29 20,22 49,89 6,30 10,20 20,018 49,24 6,24 10,10 19,797 48,58 6,21 10,05 19,66 48,17

701 181,49 176,84 171,96 169,06 166,59 163,70 161,93

131


ISSN 1410-6086

Gambar 2. Hubungan antara tahanan jenis, suhu dan frekuensi dari gelas-limbah. Tabel 5. Karakteristik gelas-limbah dibanding standar PNC[1]. Karakteristik gelas-limbah Densitas

Standar PNC 2,74 g/cm3 83 x 10-7 °C-1 (pada 30-300 °C) 501 °C 0,87 kkal/m2.jam °C (pada 100 °C) 604 °C 4,8 ohm.cm (pada 1150 °C) 40 poise (pada 1150 °C)

Gelas-limbah 2,75 g/cm3 88 x 10-7 °C-1 (pada 30-300 °C) 502 °C 1,025 – 1,099 kkal/m2.jam °C (pada 100 °C) 616 °C 5,20 ohm cm (pada 1150 °C) 43 poise (pada 1150 °C)

Laju pelindihan (statik, 100 °C, 24 jam)

2,3 x 10-5 g/cm2hari

2,1 x 10-5 g/cm2hari

Panas jenis

0,21 kal/g °C (pada 100 °C)

-

Koefisien muai panjang Titik transformasi Daya Hantar Panas Titik pelunakan Tahananan jenis Kekentalan

Pada frekuensi tertentu, jika suhu bertambah maka tahanan jenisnya berkurang. Pada suhu tertentu, jika frekuensi bertambah maka tahanan jenisnya bertambah. Pada suhu tinggi tahanan jenisnya rendah sehingga tenaga listrik yang diberikan elektrode juga rendah. Tahanan jenis pada suhu 1150 ºC dan frekuensi 100 kHz adalah 5,20 ohm cm, dimana nilai ini sedikit lebih besar dibandingkan dengan standar Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corporation (PNC) yaitu 4,80 ohm cm pada suhu dan frekuensi yang sama, seperti ditunjukkan pada Tabel 5 [1]. Oleh karena

132

itu tenaga listrik yang diberikan elektrode sedikit lebih tinggi. Untuk sistem pemanas Joule perlu dipilih gelas dengan tahanan jenis rendah sehingga gelas merupakan konduktor listrik yang baik dan menimbulkan panas yang besar. Tahanan jenis gelas pada suhu kamar sangat tinggi yaitu 1014 – 1018 ohm cm. Oleh karena itu gelas-limbah pada suhu rendah sebagai isolator, dan pada suhu tinggi di atas 600 ºC dapat menghantarkan arus listrik yang menimbulkan panas. Panas yang timbul tersebut dapat dimanfaatkan untuk proses vitrifikasi limbah cair aktivitas tinggi skala industri. Tahanan listrik gelas-limbah


dipengaruhi oleh unsur Na. Makin tinggi kandungan Na dalam gelas-limbah, maka makin tinggi hantaran listriknya, ini berarti makin rendah tahanan listriknya [1]. Walaupun Na berperan dalam hantaran listrik, namun keberadaannya dalam gelaslimbah dibatasi karena menurunkan ketahanan kimia dan kandungan Na2O melebihi 10 % berat akan menimbulkan pemisahan fase [1]. Tahanan listrik gelaslimbah dipengaruhi juga oleh suhu, karena pada suhu yang lebih tinggi mobilitas atom dan ion akan lebih cepat. Dari Tabel 3 dan 4 dapat dilihat bahwa makin tinggi suhu, maka tahanan listrik maupun tahanan jenis gelas-limbah makin kecil. Electrode current density (densitas arus elektrode) dibatasi disebabkan korosi elektrode, karena biasanya gelas-limbah radioaktif sebagai pengoksidasi. Elektrode yang biasanya digunakan dalam industri gelas komersial (yaitu molibdenum), tidak sesuai untuk digunakan dalam vitrifikasi limbah cair aktivitas tinggi. Paling sedikit umur elektrode sesuai dengan umur refractory (bata tahan api). Kelebihan ketahanan oksidasi paduan nikel-krom telah diuji dan digunakan lebih 3 tahun operasi, tanpa adanya korosi yang berarti. Pengujian tersebut dilakukan dengan pendinginan elektrode dan densitas arus dipertahankan pada harga rendah (0,30-0,45 A/cm2). Joule Heated Ceramic Melter milik JNC-Jepang menggunakan elektrode dari paduan nikel-krom yang disebut inconel 690. Inconel 690 mempunyai ketahanan korosi yang tinggi dalam lelehan gelas-limbah. Laju korosi inconel 690 yaitu 0,024 mm/hari, lebih rendah dibanding logam yang lain. Fenomena fisika yang terjadi dalam Joule Heated Ceramic Melter saling berkaitan dan sangat kompleks. Dimensi rongga peleburan selalu dianggap : panjang sebanding dengan 4 kali kedalaman dan lebar sebanding 2 kali kedalaman (persamaan 2). Pada proses vitrifikasi skala industri, kandungan limbah dalam gelaslimbah adalah 25 % berat. Densitas gelaslimbah 2,7-3,0 g/cm3. Elektrode yang digunakan adalah paduan nikel-krom yang disebut inconel 690, yang tahan korosi. Electrode current density (densitas arus elektrode) yang digunakan agar inconel 690 tahan korosi adalah 0,30-0,45 A/cm2. Densitas arus elektrode ini merupakan

ISSN 1410-6086

fungsi volume melter, kedalaman melter, dan bentuk umpan yaitu cair atau padat. Umpan bentuk cair, densitas arus elektrodenya lebih besar daripada umpan bentuk padat. Volume melter yang makin besar akan menghasilkan densitas arus elektrode yang makin kecil. Electrode current density sebagai fungsi ukuran melter untuk umpan cair ditunjukkan pada Tabel 6 [5]. Melter dengan sistem pemanas Joule berisi 750 kg gelas-limbah, dengan 450 kg gelas-limbah harus selalu ada dalam melter untuk pembangkit panas pada operasi berikutnya. Pemanasan awal digunakan heater atau microwave dengan frekuensi 915 MHz sampai suhu 600 ºC. Selanjutnya elektrode dihidupkan, sehingga terjadi aliran listrik dalam gelas-limbah. Heater dan microwave juga berfungsi untuk menambah panas jika pemanas Joule kurang. Selanjutnya umpan dimulai untuk membuat 300 kg gelaslimbah, dengan komposisi 25 % berat limbah cair aktivitas tinggi dan 75 % berat bahan pembentuk gelas (glass frit). Lelehan gelaslimbah 300 kg tersebut selanjutnya dituang dari melter ke canister. Densitas gelas-limbah tersebut 2,74 g/cm3 (2740 kg/m3), maka volume melter yang ditempati gelas-limbah adalah 300 kg/2740 kg/m3 = 110 liter. Dari Tabel 4, suhu gelas-limbah yang dioperasikan pada 1150 ºC maka tahanan jenis (specific resistance) gelas-limbah adalah 5,20 ohm cm. Dari Tabel 6, untuk volume melter 110 liter diperoleh kedalaman melter (D) adalah 24 cm dan electrode current density (CD) untuk umpan limbah cair adalah 0,45 A/cm2. Dengan diketahui kedalaman melter, maka panjang dan lebar melter dapat ditentukan. Panjang melter = 4 X kedalaman melter = 4 X 24,00 cm = 96 cm, sedangkan lebar melter = 2 X kedalaman melter = 2 X 24,00 cm = 48 cm. Skema melter dengan sistem pemanas Joule berdasarkan perhitungan tersebut ditunjukkan pada Gambar 3. dimana : D = kedalaman melter, W = lebar melter dan L = panjang melter. Berdasarkan persamaan 2 besarnya panas Joule adalah : P = z (CD)2 L (W) D = 5,20 ohm.cm (0,45 A/cm2)2 (96 cm) (48 cm) (24 cm) = 116,45 kW.

133


Pada melter dengan kapasitas 300 kg, besarnya kebutuhan panas adalah [1,6] :

ISSN 1410-6086

frekuensi bertambah maka tahanan jenisnya bertambah. Pada suhu 1150 °C dan frekuensi 100 KHz, tahanan jenis gelas-limbah adalah 5,20 ohm cm, sedikit lebih tinggi dari pada gelas-limbah standar Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corporation (PNC) – Jepang yaitu 4,8 ohm cm pada suhu dan frekuensi yang sama. Data tahanan jenis ini diperlukan untuk sistem pemanas Joule dalam melter. Untuk 300 kg gelas-limbah ukuran melter yang digunakan yaitu dalam, lebar dan panjang masing-masing 24, 48, dan 96 cm. Peleburan gelas-limbah dilakukan pada 1150 °C, maka tahanan jenis gelaslimbah 5,20 ohm cm. Untuk 300 kg (110 liter) gelas-limbah dan untuk umpan cair diperoleh densitas arus elektrode 0,45 A/cm2. Panas Joule yang diperoleh sebesar 116,45 kW. Panas ini belum cukup untuk melebur 300 kg gelas-limbah dan perlu ditambahkan panas dari heater atau microwave.

Panas untuk penguapan air = 9,74 kW Panas untuk kalsinasi = 25,00 kW Panas untuk peleburan = 42,86 kW Panas yang hilang untuk pendingin elektrode, hilang bersama gas buang, dan melalui dinding melter = 40,66 kW Panas total yang digunakan = 118,26 kW Panas Joule tersebut ternyata masih belum cukup untuk melebur 300 kg gelas-limbah. Jika panas Joule tidak cukup, maka ditambahkan panas dari heater atau microwave. KESIMPULAN Tahanan listrik gelas-limbah pada frekuensi tertentu, jika suhu bertambah maka tahanan jenisnya berkurang. Sedangkan pada suhu tertentu, jika

Tabel 6. Densitas arus elektrode fungsi ukuran melter untuk umpan cair [5]. Volume melter (liter)

Kedalaman melter (cm)

30 60 100 200 400 700

16 20 24 29 37 44

Densitas arus elektrode (A/cm2) 0,64 0,56 0,50 0,42 0,40 0,37

Gambar 3. Skema melter dengan sistem pemanas Joule dengan ukuran D = 24 cm, W = 48 cm dan L = 96 cm.

134


DAFTAR PUSTAKA 1.

MARTONO H., Characterization of Waste-Glass and Treatment of High Level Liquid Waste, Report at Tokai Work, JNC-Japan, Juli 1988. 2. IAEA, Characteristics 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 Forms, Technical Report Series No. 257, IAEA, Vienna, 1985. 4. SASAKI N., Solidification of The High Level Liquid Waste From The Tokai Reprocessing Plant, Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corporation (PNC)-Japan, 1994.

*) Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN

ISSN 1410-6086

5. CHRIS C. C, Nuclear Waste Glass Melter Design Including The Power and Control System, IEEE Transactions on Industry Applications, 1992. 6. MARTONO H., dkk, Rotary Calciner Metallic Melter dan Slurry-Feed Ceramic Melter Untuk Pengolahan Limbah Cair Aktivitas Tinggi, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, Yogyakarta, 2007.

135


136

ISSN 1410-6086

TAHANAN JENIS GELAS-LIMBAH DAN KAPASITAS PANAS UNTUK OPERASI MELTER PADA VITRIFIKASI LIMBAH CAIR AKTIVITAS TINGGI

Recommend Documents