Teknologi Pembuatan Bahan Bakar Pelet Reaktor Daya Berbasis Thorium Oksida
EXECUTIVE SUMMARY
Dalam rangka untuk mengatasi adanya kekurangan energi yang terjadi di dalam negri saat ini, maka banyak penelitian yang bermunculan tentang pembangkit energi yang ramah lingkungan dan tidak lagi menggunakan bahan bakar fosil seperti minyak bumi, gas dan batu bara. Hal ini dilakukan untuk mengantisipasi adanya semakin menipisnya cadangan bahan bakar fosil di dunia saat ini dan semakin mahal serta kurang ramah lingkungan. PLTN dengan bahan bakar (BB) berbasis thorium makin menarik perhatian dunia apalagi bila dikaitkan dengan kecelakaan nuklir di Fukushima Jepang akhirakhir ini. Penggunaan bahan nuklir berbasis thorium oksida telah dikembangankan oleh beberapa negara maju sebagai bahan bakar nuklir untuk mengurangi dan menggantikan uranium yang pembangkit
banyak digunakan sebagai bahan bakar untuk
listrik (PLTN) di dunia. Pada umumnya bahan bakar reaktor daya
sebagai reaktor pembangkit tenaga listrik, banyak menggunakan bahan bakar berbentuk pelet yang mengandung uranium, yaitu UO2 (uranium oksida) atau PuO2 (Plutonium oksida). Penggunaan bahan bakar ini semakin ditinggalkan karena dampak negatif yang ditimbulkan terhadap lingkungan dan dapat digunakan sebagai senjata pemusnah masal. Cadangan thorium secara global jauh lebih besar dari cadangan uranium
di alam, yaitu sekitar 3 atau 4 kali dibandingkan dengan
uranium, oleh karena itu dapat menjadi sumber daya yang melimpah dan berkelanjutan. Thorium bukan bahan fisil namun dapat diubah menjadi U-233 dengan mereksikannya dengan neutron menjadi isotop fisil. Di sisi lain, logam thorium tersedia cukup melimpah di Indonesia dan murah, karena monasit (yang mengandung thorium sekitar 0,26-14,9%) sudah ada sebagai produk samping dari Tailing Pasir timah dan juga Terak II yang berasal dari Industri tambang timah di Kep. Banka dan belitung, dan juga saat ini sudah ditemukan pula bahan baku pasir timah di Kalimantan, Kep. Riau (Kondur) dan Halmahera. Sehingga Indonesia tidak perlu lagi berhubungan dengan kartel uranium yang dapat 1
memainkan harga uranium sesuka hati. Lagi pula, limbah monasit membawa produk samping yang berupa logam tanah jarang (di antaranya adalah Y, La, Ce, Pr, Nd) yang mempunyai harga cukup mahal di dunia saat ini. Bahan bakar Thorium oksida yang apabila digunakan sebagai bahan bakar nuklir akan bereksi secara keseluruhan menjadi U233 dengan adanya neutron didalam teras reaktor nuklir secara terus menerus dan sekaligus menghasilkan energi yang dapat digunakan sebagi energi listrik. Dengan telah berhasilnya penelitian yang dilakukan oleh Ki Won Kang dan kawan-kawan dari Korea Atomic Energy Research Institute, mengenai pembuatan bahan bakar pelet
campuran thorium oksida dan uranium oksida dengan
perbandingan 65 % : 35 % berat (ThO2 dan UO2). P. Balakrishna) dan Kawankawan dari Departmen of Atomic Energy Nuclear Fuel Complex, Hyderabad, India juga telah melakukan penelitian bembuatan Blanket assemblies yang terdiri dari bahan bakar nuklir berbasis thorium oksida yang digunakan untuk bahan bakar pada teras Fast Breeder Reactor, menunjukkan bahwasanya logam thorium dapat digunakan sebagai bahan bakar nuklir yang dapat dicampur dengan uranium untuk dijadikan bahan bakar berbentuk pelet. Pada penelitian ini telah dilakukan pembuatan bahan bakar pelet campuran thorium oksida – uranium oksida dengan komposisi 70 % - 30 % berat, yang akan digunakan untuk bahan bakar reaktor daya sebagai reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir. Pelet ThO2 bisa dibuat, sama seperti pelet UO2 cara perlakuaannya, melalui pengolahan serbuk keramik; preparasi serbuk, pencampuran, “milling”, “pressing” dan sintering. Hal ini secara umum dapat dilakukan dengan mengetahui sifat-sifat dari
serbuk thorium oksida seperti luas permukaan dan ukuran partikel, besar
partikel metode pencampuran dan teknologi sintering. Luas permukaan serbuk UO2 berkisar dari 2 sampai 5 g/m2, dan pelet hijau serbuk UO2 dapat disinter sekitar 1700oC. Perlu dicatat bahwa titik leleh ThO2 adalah 3300oC dan lebih tinggi 500°C dari pada UO2 tersebut. Hal ini menunjukkan bahwa sintering ThO2 memerlukan suhu yang lebih tinggi daripada UO2. Namun, sangat sulit dan tidak ekonomis untuk menaikkan suhu sintering ThO2 di atas 1800°C. Sehingga sangat penting dalam fabrikasi pelet ThO2 untuk mempersiapkan serbuk ThO2 yang dapat disinter pada suhu relatif rendah. Untuk mendapatkan suhu sinter yang relatif rendah diperlukan adanya teknik pencampuran secara baik. 2
Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah 3 buah pelet hasil sinter dan 3 buah pelet mentah dengan spesifikasi sebagai berikut : Tabel 1. Hasil uji karakterisasi dari pelet (Th,U)O2 dengan perbandingan 30 % - 70 % ThO2 berat
Jenis serbuk Posisi Hidrolik Tinggi Dies Posisi Punch Tekanan
: (U+Th) Oksida eks pelarut HCl
Laju pemanasan
: 250 der/jam
:0
Suhu sinter
: 1750 der C
: 58
Waktu sinter
: 4 jam
: 20 :5 MP
Laju pendinginan
: 150 der/jam
Atmosfir
: Helium
Diameter Pelet (mm) No. 1
2
3
Diameter Rata-rata (mm)
Vol. Kotor Pelet (cc)
Vol. Bersih (cc)
Berat Pelet (g)
Densitas (g/cc)
2
Tinggi Ratarata (mm)
Densitas Teoritis (%)
Tinggi Pelet (mm) 1
Pelet Mentah 1
11,12
11,13
11,13
13,85
13,79
13,82
1,3427
1,3427
6,7631
5,0370
53,5846
2
11,16
11,16
11,16
14,07
14,08
14,08
1,3761
1,3761
6,9355
5,0400
53,6171
3
11,15
11,14
11,15
12,85
12,85
12,85
1,2529
1,2529
6,6159
5,2803
56,1731
1
10,29
10,41
10,45
10,38
12,22
12,36
12,29
1,0401
1,0401
6,7043
6,4455
68,5694
2
10,51
10,42
10,47
10,47
12,47
12,44
12,46
1,0711
1,0711
6,8927
6,4352
68,4591
3
10,35
10,34
10,5
10,40
11,58
11,64
11,61
0,9851
0,9851
6,6559
6,7564
71,8768
Pelet Sinter
Gambar 1. 5 buah pelet hasil sinter dan 3 buah pelet mentah dari pelet (Th,U)O2 dengan perbandingan 30 % - 70 % ThO2 berat 3
Gambar 2. Struktur mikro dari pelet (Th,U)O2 hasil sinter dengan perbandingan 30 % - 70 % ThO2 berat Nilai True Density (TD) dari pelet (Th,U)O2 hasil sinter dengan perbandingan 30 % - 70 % ThO2 berat adalah 9,4087 g/cc Tabel 2. Hasil uji analisis komposisi serbuk thorium oksida menggunakan alat uji Spektograf Emisi Atomik Spektroskopi
Nama
Kode
Contoh
Contoh
Label
Thorium oksida murni
Serbuk Thorium oksida
076/P/KA/10
Parametrer
Hasil Uji
Satuan
Metode Uji
B
0,12
g/g
Spek.emisi
Cd
< 0,10
g/g
Mg
< 5,00
Spek.emisi
g/g
Pb
1,51
g/g
Fe
11,59
g/g
Al
13,16
g/g
Cu
<1,00
g/g
Spek.emisi
Cr
1,77
g/g
Spek.emisi
Si
11,25
g/g
Spek.emisi
Spek.emisi Spek.emisi Spek.emisi
4
B
0,102
g/g
Spek.emisi
Cd
< 0,10
g/g
Spek.emisi
pasir
Mg
< 5,00
g/g
Spek.emisi
monasit
Pb
1,07
g/g
Spek.emisi
Fe
9,17
g/g
Spek.emisi
Al
8,47
g/g
Spek.emisi
Cu
<1,00
g/g
Spek.emisi
Cr
1,24
g/g
Spek.emisi
Si
7,56
g/g
Spek.emisi
Thorium oksida dari
Dari hasil yang diperoleh pelet (Th,U)O2 hasil sinter dengan perbandingan 30 % - 70 % ThO2 mempunyai kualitas baik, dan dapat digunakan untuk dipakai sebagai bahan bakar eksperiment pada operasi rektor daya pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN)
5
