70
Prosiding Pertemuan danPresentasi //miah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Ju/i 1999
Buku11
/1
ANALISIS URANIA
STRUKTUR
PADA PELET
SINTER
TORIA
Pristi Hartati, Tunjung Indrati, Hidayati P3TM-BATAN,
JI. Babarsari
Kalak
Pas 1008,
Yagyakarla
5501,
Arie Handayani P3IB-BATAN,
Kawasan
PUSPIPTEK,
Serpong,
Tangerang
ABSTRAK ANAL/SIS STRUKTUR PADA PELET SINTER TORIA -URANIA. Peter campuran folia -urania untuk dapat menjadi bahan bakar reaktor setelah memenuhi persyaratan dati sitar fisis dan sitar mekaniknya serial struktumya, baik struktur mikro maupun struktur krista/nya. Peter dati campuran serb uk folium oksida dan uranium oksida disinter dengan waktu penahanan suhu puncak se/ama 4 jam pada berbagai suhu puncak diantara 1300" -1700"C. Pada 1300"C temyata U+4 sudah mu/ai masuk ke krista/ ThO2 membentuk larutan padat (Th, U)O2, wa/aupun be/urn sempuma. /ndikasi adanya /arutan padat sempuma tetjadi pada suhu 1700oC dengan bentuk /arutan padat substitusi (Th,U)O2 dengan bidang ref/eksi (111) dan (311). Secara mikrostruktur ukuran butir rata-rata yang didapat ada/ah 4,S8,urn, sehingga be/urn memenuhi syarat untuk bahan bakar nuk/ir dimana harus mempunyai ukuran butir>10,urn.
ABSTRACT STRUCTURAL ANALYSIS OF SINTERED PELLET THORIA -URANIA. As the fuel of a nuclear power reactor the physical and mechanical properties as well as the structure of the pellet thoria -urania must be examined. Pellet thoria -urania is sintered at several peak temperatures from 13000 C -17000 C and soaking time of 4 hours. At 130ifc it is found that U+4 is solved into ThO2 crystal and built (Th, U)O2 solid solution but still incompleted. The completed solid solution occured at 17000 C in fonn of substitution solid solution at reflection planes 111 and 311. Microstructural analysis shows that the grain growth is still not. perfect; the grain size is 4.58,ld11,and it is not up to the required of the nuclear power reactor fuel (the grain size must be >10j.lm.
PENDAHULUAN C ampuran toria -urania merupakan bahan bakar reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir. Bahan bakar tersebut dapat berbentuk pelet campuran toria -urania atau kernel. Pelet toria -urania dibuat dengan proses sinter yaitu pemanasan pelet mentah basil pengompakan serbuk campuran toria -urania pacta suhu dibawah titik lelehnya. Dengan pengaruh suhu dan waktu partikel -partikel yang sudah
teraglomerasiakan menjadi suatu sistem materi yang bersifat koheren dan kompak (I), Pelet yang dihasilkan disamping dilihat sifat mekanik dan sifat fisisnya juga harus dilihat struktumya, baik struktur mikro maupun struktur kristalnya. Penelitian ini bertujuan untuk meninjau keberhasilan pembuatan pelet sinter toria -urania. Secara mikrostruktur akan
ISSN 0216-3128
dilihat pertumbuhan butir dan pori -pori yang terbentuk selama proses sinter, sedang dari kristalografmya akan diidentifIkasi sejauh mana larutan padat (Th,U)Oz dapat terbentuk. Pactaproses sinter pelet secara keseluruhan akan mengalami perubahan dimensi atau penyusutan walaupun berat pelet relatif tetap. Proses ini diawali dengan adanya titik kontak pacta setiap partikel yang terdapat dalam hasil kompakan.
Adanya pemanasan akan menyebabkan energi termal naik sehingga atom -atom akan berdifusi dan acta kekosongan. Titik kontak ini lama kelamaan akan melebar dan berubah menjadi bidang kontak. Selanjutnya akan terjadi proses pertumbuhan daerah leher yang disebabkan oleh difusi ion -ion pacta batas butir. Difusi atom ini ketempat kosong, sedang
kekosonganakan berdifusi kedaerah batas butir sehingga akan terjadi penguranganjarak antar pusat
Kimia Nuklir
Pristi Hartati, dkk
-pusat butir. Pengurangan jarak ini akan diikuti dengan penyusutan volume °butir sehingga secara keseluruhan pelet akan menyusut atau terjadi "
secarateoritis intensitas tidak memperhitungkan faktor alat dan suhu sehingga persamaandapat
ditulis
shrinkage". Bila pengurangan jarak antara pusat butir berhenti maka peristiwa selanjutnya adalah pergerakan kurva batas butir. Atom -atom yang melintasi batas butir akan menimbulkan daya dorong adanya pertumbuhan butir sehingga butir yang kecil akan bergabung dengan butir besar dan basil akhimya adalah pertumbuhan butir(2). Secara skematis tahapan -tahapan pacta proses sinter dari titik kontak hingga pertumbuhan butir dapat digambarkan seperti gambar 1(3).
1= AK(Lp) .J .1 Fhkl/2
(2)
dimana A = faktor absorpsi K = faktor alat Lp = faktor lorent = (1+cos2 2B) /(sin2(}cosB) J = faktor multiplisitas
TATA
KERJA
Bahan Serbuk uranium oksida, Serbuk torium oksida,Serbukkalsiumoksida Alat Mesin pencampur("ball mill"), Alat press, Tungku sinter, Alat pemotongpelet ("diskcotome" ), Alat SEM,Alat X- ray defraksi
a. bidangsinggung
Cara Kerja
por~~
c. .venggabungan
d pembentuka,? pori
e.grain deyelopment f pertumbuhanbutir GambarI. Tahapan-tahapanJladaprosessinter. IdentifIkasi struktur kristal suatu bahan dapatmenggunakandefraksisirlar-X. Sinar-Xyang digunakanadalahsinar monokromatisclanbila sinar tersebutmengenaisuatubahanyang dianalisamaka akan didifraksikan oleh atom -atom pada bidang tertentu. Datakeluaran daTibasil analisaini berupa kurva antara sudut observasi (28) clan intensitas puncak bidang. Intensitasterjadi karenahaniburan atom yang ada pada bidang tertentu berinteraksi dengan sinar x monokromatis yang akan dipengaruhioleh faktor absorpsi(A), faktor lorent (Lp), faktor multiplisitas (J), faktor hamburan atomik (F), faktor alat (K) clanfaktor suhu(B16.7). 1=AK(Lp).J..I Fhkll2.exp{-(B/A)sin 8}
Pristi Hartati, dkk
Serbukuranium oksida,torium oksida dan kalsiumoksidadicampurdalam alatpencampur. Campuranserbuktersebutdigranulasidan dikompakan pacta tekanan 100 kg/cm2 untuk mendapatkanpeletmentahumpanprosessinter. Pelet dipanaskan dalam tungku sinter denganpenahanansuhupuncak4 jam pactaberbagai suhusinter. Pelet basil sinter diukur dimensinya, densitasnyadankekerasannya Pelet dipotong menjadi dua, sebagian digerus untuk dianalisadengandefraktometersinar X denganfilter Ni dan targetCo pactaarus 30 mA dantegangan30 kv. Potongan pelet yang lain dilihat mikro strukturnya dengan SEM, sebelumnya dibingkai dulu denganresin dan dipoles dengankertas poles SiC ukuran 240, 400, 800, 1200, 1500 dan 2400. Hasil fui kemudiandietsa untuk memperolehbatas butir yangjelas.
HASIL
DAN PEMBAHASArl
Sifat fisis dan sifat mekanik Sifat -sifat pelet sinter yang dihasilkan pada berbagai suhu dapat dilihat pada tabel 1 ataugambar2. Tabell.
(1)
Kimia Nuklir
Sifat pelet pada berbagai suhu sinter (tekanan pengompakan pelet lOOkg/cm2, penahanan suhu puncak 4 jam)
ISSN 0216-3128
I
suhu sinter, 0 C
p, g/cc
p leorllis, % I kekerasanVHN
1300
7,5380
75,00
498,5:t3,26
1400
8,0485
80,08
523,9:t 5,78
1500
8,7845
87,40
584,7:t4.14
1700
9,6163
95,68
653,4:t 3,65
S(j)u srter,C
Gambar2. Hubungan antara suhu sinter dengan sifat pelet Dari tabel I dan gambar 2 terlihat bahwa kenaikansuhu sangatrnernpengaruhi hargadensitas dan kekerasannya. Hal tersebut didasari pacta fenornenayang sarnayaitu adanyadifusi, kernudian difusi bersama-sarna deformasiplastisselanjutnya actapertumbuhanbutir, penguranganpori -pori dan secara rnakro terjadi densifIkasi. Kenaikan suhu akan rnenyebabkan koefisisen difusi bertambah besarsesuaidenganpersamaan Archenius(4). 0 = Doexp (-Q/RT)
b. Suhu 1400 °C
(3)
dimana Do = konstantadifusi T = suhuoC Q = energi aktivasi Koefisien difusi pelet bertambah besar rnaka pertumbuhanbutir akan bertarnbahcepat,lni berarti bahwapenutupanpori -pori dan densifikasi cepat, akibat selanjutnya rnaka penyusutanpelet juga sernakinbesar. Densifikasi ini juga didukung dengan adanya perubahan sifat kristal secara keseluruhan. Hal ini akan dilihat pacta rnikrostruktumya. Struktur
c. Suhu 1500°C
d. Suhu1700 C
mikro
Gambar 3 merupakan gambar struktur mikro pelet basil sinter. Perbesaran gambar basil " Scanning Electron Microscope" sebesar 3500X untUk gambar 3b clan 3c clan 5000X untUk gambar 3a clan3d.
ISSN 0216-3128
Gambar3. Mikrostrukturpe!etpada berbagai suhu sinter Dari gambar terlihat bahwa suhu cukup berpengaruhpada pertumbuhanbutir pelet toria urania. Sesuai dengan yang dinyatakan didepan bahwapertumbuhanbutir karenaadanyagerakatom dibatasbutir yang didukung denganadanyadifusi; Adanya difusi ini maka terjadi pergerakankurva" batas butir yang arahnya kepusat sehingga butir kecil akan bergabungmenjadi satu butir besar.
Kimia Nuklir
Pristi Hartati, dkk
i~~~:
Proses ini adalah proses perturnbuhan butir yang laju perturnbuhannya tergantung pacta suhu (5). Sernakin tinggi suhu akan semakin besar butir yang
terbentuk. d 3-do3 = koexp(-A HvI RT)
(4)
-,
E '-"
d do ko A Hv R T t
= = = = = = =
diameter butir pactawaktu t = t , diameter butir pactawaktu t=0 kontanta panas penguapan konstanta gas Ternperatur absolut, oK waktu, rnenit Dengan rnetode Heyn ukuran butir ratarata yang didapat 4,58~rn, sehingga pelet ini belurn
rnernenuhi syarat sebagai bahan bakar reaktor dirnana ukuran butir harus>10~rn .Hal ini terjadi karena kesetirnbangan belurn tercapai, sehingga perturnbuhan butir belurn sernpurna terbentuk, disebabkan waktu dan suhu sinter yang relatif rnasih rendah. Disarankan agar suhu sinter lebih tinggi dari 17000C dan atau waktu penahanan suhu puncak lebih besar dai 4 jarfl, sehingga butir yang dihasilkan akan lebih besar dan rnernenuhi persyaratan bahan bakar.
-1 -,-, -! J-
-, ! I !
t-
"
.,c-
,.
jam
Dari kurva difraksi pelet yang belum dipanaskan terlihat jelas bahwa sebagian besar strukturnya adalah kristal kubik pusat muka ThO2 yaitu pacta sudut observasi 28 sebesar 2,024° ; 37,171°; 53;642°;63,936°, 67,187° dengan punCak defraksi pacta bidang 111; 200;220;311 ;222 sedang uranium oksida ~ada 28 sebesar 32,891°; 38,201°, 55,105°, 65,778 dengan puncak defraksi pacta bidang 111; 200; 220; 311, untuk CaD tidak terdeteksi karena terlalu sedikit komposisinya. Gambar 4b merupakan kurva defraksi pelet basil sinter suhu 13000C, disini terlihat 0+4 sudah mulai masuk ke ThO2 membentuk larutan padat (Th,U)O2, ini terlihat pacta sudut observasi 28 = 32,078°, sedang pacta 28 = 32,8370 masih terlihat adanya uranium, karena belum seluruh uranium masuk ke ThO2. Sedangkan bergesemya puncak -puncak defraksi ini disebabkan karena bergeraknya atom yang diakibatkan oleh adanya kenaikan suhu seperti yang disebut didepan. Demikian juga untuk puncak -puncak defraksi yang lain.
1
1 --+--+~
.I' ~
"-,.,,,,-, i
~g-
s
1, -J I -"
il
,.,
-~-
0
-'
".n
---I
1--,-
M
~~e~
-L ,'
-j
M
,---;-
M
S
.
:.~--~~!-!~~.~ -i -t--+
t
I
:,-."
H
' C~~+
.!
.
1
.~;--_c -:_0
,Ion..
,-
"
---
-M
f:
."
.;.
---!'-
a
-I'"
Kurva defraksi serbuk campurantoria urania dapat digunakanuntuk menentukanapakah larutanpadattoria -urania sud!iliterjadi ataubelum. Kurva -kurva tersebutterterapada gambar4 yang merupakan sample campuran yang belum dipanaskan dan yang sudah dipanaskan dalam berbagai suhu puncak denganwaktu penahanan4
",-1 -+ ,"'...
~t
"-"'-' -,
.;.
.1~:=-;;=:1.-""
Struktur kristal
Pristi Hartati, dkk
."
,
" "..,1."
-t~..,. "---;---
,:
--~ -;
~ l
I ,.
,.i.
;~;~;~~~~;~~~-! ~---,-- --j-
-~
,,~-~N
:-riI..),...J
NO"
,..." ,dot,
...
Gambar 4. Kurva difJraksi serb uk taria -urania pada berbagai suhu sinter Pada gambar -gambar selanjutnya (4c,4d clan 4e) dengan adanya kenaikan suhu sinter puncak defraksi yang dipunyai uranium semakin sedikit, ini menunjukan bahwa ~ yang berdifusi ke ThOz semakin besar karena adanya kenaikan suhu sesuai dengan yang ditulis pada persamaan (1). Puncak puncak defraksi yang terjadi pada pelet yang telah dipanaskan intensitasnya berbeda dengan sebelum dipanaskan, hal ini disebabkan karena konstribusi atom ~ yang telah larut dalam struktur kristal ThOz. Larutan padat yang terjadi adalah larutan padat substitusi. 1ni dilihat dari puncak -puncak defrak~i dari pelet sinter yang mempunyai intensitas lebih tinggi dari pacta yang belum disinter, karena sumbangan harga faktor hamburan atom ~ lebih besar dari harga faktor hamburan dari atom Th +4 yang digantikannya. Pactabidang 111 jumlah atom Th +4 akan berkurang karena kedudukan Th +4 digantikan oleh atom ~. P~da gambar 5b mempunyai intensitas puncak paling tinggi dari pactayang lain, karena pada suhu 1300°C atom Th+4
Kimia Nuklir
ISSN 0216-3128
7.
belum seluruhnya lepas dari kisi kristalnya, sehingga yang terjadi belum larutan padat sempuma. Larutan padat sempuma terjadi setelah disinter 1700°C yang terlihat dari habisnya uranium ( puncak -puncak uranium pada gambar 4e sudah tidak muncul lagi) dan tingginya intensitas relatif stabil.
6.
CULLITY, B.D., "Elements of X-Ray Diffraction", Addison Weslwy Publishing Company,Inc, Massachusetts, 1978 TUNJUNG INDRATI Y, ARI HANDAYANI, BUDI KUSYANTO, Analisis Struktur Kristal relet (Th,U)O2 Hasil Sinter Suhu 12000C, ProsidingPPI PranataNuklir, 1998.
KESIMPULAN' Dari penelitian ini dapat disimpulkan beberapa hal sebagaiberikut: Densitas pelet (Th,U)O2 yang dihasilkan dari penyinteran pada suhu 1700°C dan penahanan suhu puncak selama 4 jam adalah 9,6163 g/CC atau 95,68% dari densitas teoritis .lni sudah memenuhi syarat sebagai bahan bakar reaktor daya. Kekerasan pelet (Th,U)O2 yang dihasilkan pelet pada penyinteran 1700°C adalah 653,4 :!: 3,65 VHN yang belum memenuhi syarat sebagaibahan bakar ( 7004VHN ). Dari struktur mikronya pelet yang dihasilkan belum memenuhi syarat sebagai bahan bakar reaktor, baik pori -pori maupun diameter butir yang didapat. Dari identifikasi struktur kristal, larutan padat (Th,U)O2 sempuma terbentuk pada suhu sinter pelet 1700°C dan penahanan suhu puncak selama 4
TANYA
Misyetti >- lbu Mengatakan bahwa pelet yang dihasilkanbelum memenuhi syarat untuk digunakan sebagai bahan bakar reaktor, terutama daTi kualitas pori-pori serta diameter butiran yang diperoleh. Hal ini tentu dipengaruhi oleh tahap-tahap proses yang dilakukan. Yang ingin saya tanyakan adalah >- Apakah sinter 1700 DCmasih perlu dioptimasi? >- Berapa perbandingan U clan Th yang paling baik untuk pembentukan larutan padat untuk keperluan ini? Pristi Hartati -<>Suhu 1700 'C sudah dioptimasi pada penelitian sebelumnya (Prosiding 1998). Hanya perlu ditinjau lagi mengenai modus sinter terutama laju kenaikan suhu ataupun penurunan suhu. -<>Belum pernah dilakukan penelitian ini.
jam.
UCAP AN TER:[MAKASIH Diucapkan terima kasih kepada sdri. Ari HandayaniBSc, sill Budi Kusyantodan sdr paryadi yangtelah membantupenelitianini hinggaselesai.
DAFT AR pus'r AKA
JAWAB
Kris Tri Basuki >- Bagaimana fenomena struktur yang terjadi pada kenaikan suhu, densitas naik akibat difusi clan menaikkan ukuran butir. >- Apakah a clan b pada no. 1 tidak terjadinya keterbalikan fenomena?
MUCHLIS.B, Sintering, Pusdiklat, Badan TenagaAtom Nasional,Bandung,1984 2. VAN VLACK L.H, Elements of Materials Pristi Hartati Scienceand Engineering,4th ed,USA,1980 -<>Dapat dilihat pada persamaan (3) dimana 3. MOORTHY V.K, KULKARNI A.K,RAO pada waktu suhu naik koefisien difusi S.V .K, Relation betweenthe origin, powder bertambah besar. Koefisien difusi bertambah characteristics and sintering tretrnent on berarti densifikasi semakin cepat atau densificationand microstructuresof compacts penyusutan pelet semakin besar sehingga of uraniaand toria, India,1974. densitas naik Dari persamaan (4) terlihat 4. BERMAN R.M & BELLE.J,Mechanical bahwa suhu naik, diameter butir juga Propertiesof Th02 and Th02 -U02, Thorium semakin besar. Dioxide: Properties and Nuclear Application, -9- Ada keterlibatan proses yaitu dua-duanya DOE/NE -0060, Washington,1984 proses difusi yang dominan. NICHOLS F.A, Further Comments on the 5, Theory of Grain Growth in Porous Compacts, Sukirno Journal of The American Ceramic Society, >- Pada suhu 1300 DC, if4 masuk ke kristal ThO2;' Dari mana diketahui benar-benar benar sudah 51,no8,1968. masuk? Dan bagaimana analisanya?
ISSN 0216-3128
Kimia Nuklir
Pristi Hartati, dkk
A
Prosiding Pertemuan danPresentasi llmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999
Buku II
~ Tadi dikatakan U = 10 %. Bagaimanakalau lebih dari 10 %, misalnya50 % ataulebih besar lagi? Pristi Hartati ..}. Ana/isisnya dengan X-Ray Defraksi. Diketahui benar-benar benar sudah masuk ke ThO] dari tinggi puncak (Th, U) pada bidang (III) ternyata i"!tensitasnya /ebih dari pe/et sebe/um dipanaskan. ..}. Jika V lebih dari 10 % kemungkinan masih dapat masuk ke ThO] sE?lama masih di bawah batas kelarutannya. Blla V lebih besar /agi (> 50 %) kemungkinan Th+~ yang akan masuk ke VOl, hila V 50 % antara if~ dan Th +~akan berkompetisi.
Pristi Hartatl dkk
Kimia Nuklir
75
Sam in );- Bagaimana bentuk struktur kristal toria urania hasil dari XRD? );- Struktur mikro, mikrostruktur, ukuran partikel, mohon penjelasannya. Pristi Harlati -<)..Bentuk struktur krista/ toria urania
tetap
kubik pusat muka, karena /ogam yang di/arutkan tidak akan merubah struktur krista/dari /ogamutama. -<)..Struktur
mikro
dan
mikro
struktur
maksudnyasarna.Mikro struktur maksudnya ada/ah adari kala "micro structure" yang artinya
struktur
mikro.
maksudnya diameter pertumbuhanbutir.
Ukuran partike/
sete/ah
terjadi
ISSN 0216-3128
