Post on 19-Jun-2019
ISSNO852-4777 BAHANBAKAR REAKTOR DAYA
PENINGKA TAN DAY A KUNGKUNG GAS HASll. FISIDALAM BAHAN BAKAR UO 2
Sugondo
ABSTRAK
Usaha peningkatan keanda/an bahan bakar dan penurunan kerusakan iradiasi telah dilakukan daTi
tahun ke tahun. Jika bahan bakar mampu mengungkung gas hasil fisi tanpa menga/ami kerusakan
pada derajat bakar lebih besar 50 GWd/t. U maka harga listrik daTi reaktor nuklir menjadi sangat
murah dan mempunyai angka keselamatan tinggi. Kerusakan elemen bakar yang menonjol ia/ah
diakiibatkan oleh interaksi pelet kelongsong (PCI). Salah satu penyebab PCI adalah adanya gas
hasil fisi yang terbebaskan (fission gas release/FGR) daTi bahan bakar yang menyebabkan bubble
swelling. Usaha pengurangan FGR yang dilakukan ia/ah dengan memperbesar butir kristal UO2.
menambah aditif ke da/am bahan bakar, pelet duplek, dan pelet anular. Berdasarkan observasi
diperoleh bahwa pengurangan FGR yang paling efektif ada/ah dengan penambahan aditif kaolinit
dan bentonit.
PENDAHULUAN PCI antara lain modifikasi bentuk, modifikasi
mikrostruktur, penurunan densitas, optimasi
sifat mekanik, pelet anular, pelet duplek, dan
BB mikrobola.
Kapasitas reaktor nuklir sampai saat ini
masih dapat ditingkatkan. Bahan bakar nuklir
(BBN) adalah salah satu parameter utama
untuk peningkatan derajat bakar. Unjuk kerja
BBN dibatasi oleh karakteristik material, yaitu
material bahan bakar (BB) dan material bahan
kelongsong. Keterbatasan ini terbukti ketika
derajat bakar ditingkatkan, misal sampai lebih
besar 40 Gwd/t. Kerusakan yang menonjol
disebabkan oleh interaksi BB dengan
kelongsong (PCI). Penyebab PCI ialah karena
ketidakmampuan BB menahan tekanan
internal gas hasil fisi.
Hubungan antara suhu BB dan gas fisi
terbebaskan kemungkinan saling terkait,
artinya jika suhu meninggi maka gas yang
keluar BB meningkat sebaliknya jika gas yang
terbebaskan membesar maka suhu BB
meningkar1.2J. Gas hasil fisi yang keluar dari,BB
dapat di,<urangi dengan menambah jarak
difusi dan mengurangi laju difusi. Jarak difusi
dapat ditambah dengan memperbesar butir
dan laju difusi dapat dikurangi dengan
penurunan suhu BB.
Usaha peningkatan keandalan BB dan
penurunan kerusakan telah dilakukan dari
tahun ke tahun, misalnya saat ini sudah
dioperasikan reaktor daya yang mampu
mencapai kapasitas derajat bakar sebesar 50GWd/t.U Walaupun demikian, PCI masih
sebagai penyebab utama kerusakan bahan
bakar. Jika bahan bakar mampu mengungkung
gas hasil fisi tanpa mengalami kerusakan pad a
derajat bakar lebih besar 50 GWd/t.U maka
harga listrik dari reaktor nuklir menjadi sangat
murah dan mempunyai angka keselamatan
tinggjl11. Beberapa penelitian untuk mengurangi
Berdasarkan uraian di atas jelas bahwa
gas hasil fisi terbebaskan merupakan
penyebab kerusakan elemen bakar (EB) pad a
saat iradiasi Pad a tulissn ini diuraiksnbeberapa metoda untuk merlgurangi gas hasil
fisi terbebaskan dari BB.
PEMBESARAN BUTIR UO2
Ada dua cara untuk membesar butir
UO2, yaitu dengan cara pemanasan aniling
(aneaJing) dan melalui penambahan aditif.
57URANIA No.21-22/Thn.VI/Janu,ari-April 2000
SUqONDO Peningkalan Daya Kungkung Gas Hasi/ Fisi Da/am'Bahan Bakar VOl
Pertumbuhan butir pada aniling drpacu dengan
tenaga dorong panas, sedangkan pertumbuh-an butir pad a penambahan aditif dipercepat
oleh unsur pengotor. Suhu aniling atau suhu
rekristalisasi kurang lebih dua pertiga suhu
leleh.
Butir UO2 yang lebih besar mampu
menurunkan laju creep dan kekuatan fracture,
dan meningkatkan densitas. Niobia, titania,
dan kromia menaikkan densitas. sebaliknya
magnesia mengurangi densitas relatif terhadapdensitas teoritis UO2. Aditif sedikit berpengaruh
terhadap konduktivitas panas. Titania dan
magnesia meningkatkan energi aktivasi creepUO2. yaitu 375 kj/mol menjadi 455 kj/mol pad a
magnesia dan 475 kj/mol pada titania. Laju
creep juga proposional terhadap ukuran butir.
Magnesia menambah stiffening dan titania
meningkatkan plastisitas sebanyak tiga kalipada suhu 1400oC. Niobia meningkatkan laju
creep sepuluh kali lipat pad a suhu 1200-
1300°C. Rasio gas keluar pelet pada butir 40
~lm t~rhadap 18 ~Im adalah 1,7. Aditif niobia
mampu membentuk gelembung pada butir
sehingga gas yang keluar sedikit. Hal ini
disebabkan oleh penurunan laju difusi atom.
PEMANGGANGAN PELET UO2
Pemanggal1gan ialah istilah pemanasan
rekristalisasi suatu pelet mentah (green pellet)
yang dihasilkan dari pengompakan serbuk.
Banyak faktor yang mempengaruhi hasil
pemanggangan, tetapi yang dibicarakan disinihanya suhu dan waktu untuk memperoleh
ukuran butir berbeda. Pelet mentah urania
(uranium oksida) dipanaskan selama 2 jampada suhu 1200, 1300, 1400, 1500, 1600,
1750, 1850; dan 1900°C, secara berurutan.
Pemanasan tersebut menghasilkan pelet
matang dengan ukuran butir sebagai berikut :
1,7; 3,7; 8; 20; 30; 50; 60; dan 80 11m.
Sementara, pemanasan selama 12 jam pad a
suhu 1400; 1600; dan 1900, secara berurutan
menghasilkan ukuran blitir sebesar 25; 35, dan
85 ~lm(3J.
PElET DUPlEKS
relet dupleks[3j terdiri dari dua bag ian,
bagian dalam adalah pelet UO2 yang diperkaya
(pelet inti) dan bagian luar adalah cincin
uranium alam (pelet cincin). relet dupleks
dapat dibuat dengan dua metode. Metode
pertama, pelet cincin UO2 alam dikompak dan
disinter terlebih dahulu kemudian diisi pelet inti
UO2 diperkaya yang sudah di sinter. Metode
kedua, dibuat pelet cincin mentah dan pelet inti
mentah dengan densitas rendah. Setelah pelet
inti dimasukkan pelet cincin dikompakkan lagi,
selanjutnya dipanggang. Pada metoda perta-
ma, proses manufaktur dapat distandarisasi
sehingga diperoleh dimensi yang presisi. Pad a
metoda kedua, pelet inti dan pelet cincin
mempunyai karakteristik homogen. Pada
metoda pertama, gagalan uranium diperkaya
mudah dipisahkan, sedangkan pada metoda
kedua uranium diperkaya tersebut sulitdipisahkan. \
Aditif pelet UO2
Penambahan aditif kemungkinan mem-
percepat atau memperlambat pertumbuhan
batas butir UO2, tergantung pada konsentrasi
dan sifat unsur atau senyawa yang
ditambahkan. Konsentrasi aditif diusahakan
serendah mung kin. Hal ini dimaksudkan untuk
memp6rkecil pinalti pengkayaan. Oleh karena
itu, perlu dipilih unsur yang mempunyai
serapan netron termal rendah. Aditif
diharapkan dapat membentuk larutan padat
dengan UO2. Kemampuan pengaruh aditif
terhadap pertumbuhan butir tergantung pada
valensi, reaktivitas, dan tentu saja berjari-jari
lebih kecil dari pad a kisi UO2 sehingga mampu
membentuk larutan padat secara interstisi dan
substitusi. Pengaruh aditif terhadap ukuran
butir dapat dilihat pad a Tabel1.
Pada pelet dupleks, derajat bakar pelet
cincin lebih kecil dibanding pelet inti diperkaya
sehingga suhu pelet cincin lebih kecil
dibanding suhu pelet inti. Akibatnya difusi gas
58 URANIA No.21 & 22/Thn.VI/Januari-ApriI2000
SUGONDO Peningkatan Daya Kungkung Gas Hasi/ Fisi Da/am Bahqn Bakar UO;
yang keluar oksida lebih kecil dibandingkan
pelet non dupleks. Pengaruh pada sifat
mekanik, ekspansi radial pelet cincin lebih kecil
dibandingkan pelet dupleks. Menurut
perhitungan, kompatibilitas pelet cincin UO2
alam mampu bertahan hingga derajat bakar
70-80 Gwd/t.U.
PCI dapat. dikurangi dengan sistem pelet
dupleks. Pembesaran butir hanya mampu
mengurangi gas fisi keluar BB setelah derajat
bakar 30 Gwd/t. Pembesaran butir juga
m~ningkatkan laju creep dan bergabungnya
gele~bung gas fisi. Dengan demikian, jika
hanya pembesaran butir yang dikontrol maka
hal itu tidak mampu mengurangi gas fisi ke~uar
BB. Jadi penambahan aditif mampu menurun-
kan gas keluar pelet tidak hanya dari
parameter ukuran. butir tetap: juga melalui
interaksi kim1a terhadap karakteristik BB dan
kelongsong.
Suhu pada pusat pelet dupleks hingga
derajat bakar 40 GWd/t lebih rendah jika
dibandingkan dengan pelet biasa. Hal itu
berarti gas fisi keluar dari pelet juga kecil.
Setelah derajat bakar 5 GWd/t suhu pusat
pelet dupleks sekitar 600°C dibandingkan pelet
biasa sebesar 1100°C, sedangkan suhu
maksimum pelet dupleks 850°C dan pelet
bi~sa 1200°C. Pada daya 150% pelet dupleks
dengan butir 70 ~lm setelah derajat bakar 15
GWd/t suhu pusat pelet dupleks 850°C
dibandingkan dengan pelet biasa berdaya
100% suhu 1000°C. Sementara suhumaksimum pelet dupleks pada daya 150%
sebesar 1200°C sam a dengan pelet biasa
pada daya 100%. Tekanan gas internal dalam
EB mempunyai perbedaan antara pelet biasa
dengan pelet dupleks setelah derajat bakar
20 Gwd/t. Pad a derajat bakar 40 Gwd/t, untuk
pelet dupleks UO2 yang mempunyai ukuran
butir 8 J.lm memberikan tekanan interval pin EB
sebesar 800 Ibf/m2 dibandingkan pelet biasa
sebesar 2250 Ibf/m2 pad a daya 100%.
Sementara, pelet duplek dengan butir UO2
70 J.lm memberikan tekanan internal
1250 Ibf/in2 pad a daya 150% dibandingkan
1900 Ib f/in2 pad a pelet biasa dengan daya
100%. Dengan demikian jelas pelet biasa
mampu menurunkan gas keluar BB sekitar tiga
kali lebih kecil.
PELETANlILAR
Pelet anular diKembangkan untuk reaktor
Candul51. Antar pelet pad a EB diselipkan
piringan grafit yang berfungsi sebagaiakselerasi perpindahan panas dari pusat BB
dan mengurangi perubahan bentuk akibat
penggelembungan (s\velling) dan gas fisi
keluar BB. relet pendek dengan anular juga
mengurangi keretakan pelet. Adanya lapisan
grafit pad a dinding dalam (Interior) kelongsong,
maka deformasi kelongsong mampu diturun-
kan menjadi lebih kecil 0,4% pad a laju
generasi panas linear (LHGR) sebesar
44-62 kw/m dan derajat bakar 35 G'Nd/t.
PEMBEBASAN GAS HASIL FISI (FISSION
GAS RELEASE/FGR)
Gas fisi yang diamati adalah 85Kr. Uji
pecah dilakukan pada saat suhu uji ram (ramp)
1800 °c. Pad a saat pecah gas fisi ke luar
dengan cepat dan selanjutnya gas fisi ke luar
terus secara perlahan. Penurunan laju keluar-
nya gas fisi setelah uji pecah diinterpretasi
sebagai proses difusi gas fisi dari dalam butir
menuju batas butir. FGR total yang paling
sedikit berasal dari bahan bakar UO2 dengan
butir besar tanpa aditif, kemudi21n diikuti bahan
bakar dengan aditifbentonit dan kaolinit.
Perbaikan 88 dapat dilakukan melalui
dua sumber. Dengan memperkecil tekanan
gas fisi memungkinkan perimbangan tekanan
deferensial sepanjang E8 selama reaktor
beroperasi. Dengan pelet dupleks perubahanvolume akibat suhu menjadi kecil sehingga
ekspansi termal selama power ramp dapat
dikurangi. Berdasarkan argumentasi tekanan
gas fisi internal dan ekspansi terma! BB, maka
Penambahan titania dan niobia mampu
memperbesar butir yaitu hingga 85 !.1m dan
11 0 ~m tetapi FGR total sebesar 61,2 % dan
59
SUGONDO Peningkatan Da.va Kungkllllg Gas lfasil Fisi Dalam Bahan Bakar va;
64,3 %. Pad a penambahan kaolin it dan
bentonit, BB mempunyai ukuran butir sebesar
15 flm dan 28 flm, dan FGR-nya sebesar 27,8
% dan 24,7 %. Data tersebut menunjukkan
bahwa titania dan niobia mengakibatkan
peningkatan difusi sedangkan kaolinit danbentonit menghambat laju difusi (Perbedaan
FGR saat uji pecah dan FGR total disebabkan
adanya difusi). UO2 tanpa aditif dengan ukuranbutir sebesar 43 ~Im mengakibatkan FGR total
sebesar 12,0 % dan dengan penambahan
kaolinit dan benton it s~cara berurutanJ
menghasilkan butir 15 ~lm dan 28 ~Im
mengakibatkan FGR total sebesar 27,8% dan
24,7%. Dari uraian tersebut berarti bahwa
pengurangan laju FGR yang paling efektif ialah
dengan memperbesar butir jika dibandingkarl
dengan aditif niobia dan titania. Akan tetapi,aditif kaolinit dan benton it terlihat paling efektif
untuk pengurangan FGR.
3
4
5
KESIMPULAN
6
Meeting on Light Water Reactor Fuel
Performance, Fluorida, 17-21 April 1994,
p.321.BECVAR J., LANDSPERSKY H.,
URBANEK V., DOLEZAL J., "Comparisonof properties and structure of sintered UO2
prepared as pellets with those of UO2
microspheres prepared by the sol-gel
technique", Proceedings of an InternationalSympsium on water reactor fuel element
fabrication, 6-10 November 1978, IAEA,VIENA 1979, p.185-209
AINSCOUGH J.B., RAVEN L.F.A.,
SAWBRIDGE P.T., "Fission Retentive UO2
Fuels", Proceedings of an International
Symposium on water reactor fuel element
fabrication, 6-10 Novemb,er 1978, IAEA,
VIENA 1979, p.185-209.
CAHN R.W, HMSEN P., and KRAMER
E.J., "Oxide Fuels, Materials Science and
Technology", VCH Verlagesell Schaft mbH,
Vo110A, Part1
KUBO T., HOSOKAWA T., UNE K.,
KASHIBE S., TAKEI K., ISHII Y., IKEDA
T., OGUMA M., ITa K., ROSENBAUM
H.S., AND ROWLAND T.C., "Fission Gas
behavior In Advanced UO2 With Controlled
Microstructures", Proceedings 1994International Topical Meeting on Light
Water Reactor Fuel Performance, Fluorida,
17-21 April 1994, p.650-658.
1
2.
Usaha pengurangan pembebasan gas
hasil fisi (fission gas release/FGr) bahan
bakar UO2 dapat dilakukan dengan
memperbesar butir kristal, penambahan
aditif, penggunaan pelet dupleks, dan peletanular.
Berdasarkan observasi diperoleh bahwa
pengurangan FGR yang paling efektif
adalah dengan penambahan aditif kaolinit
c;ian bentonit.
Penulis adalah
Pejabat Fungsional Peneliti danStat Bidang Teknologi Bahan Bakar
Reaktor Daya, P2TBDU, BATAN
DAFTAR PUSTAKA
DEHAUDT P., EMINET G., CHARLES M.,
AND LEMAIGNAN C., "Microstructure of
UO2 in a VJide Range of Burnups and
Temperatures Impacts on Fission Gas
Release Mechanisms", Proceedings 1994
International Topical Meeting on Light
Water Reactor Fuel Performance, Fluorida,
17-21 April 1994 , p.140.
PIRON J.P., et al., "Fuel Microstructure
and RIM, Effect at High Burn-Up",
Proceedings 1994 International Topical
SUGONDO Peningkatan Daya Kungkung Gas Hasil Fisi Dalam Bahan Bakar VO]
Tabel1. Pengaruh aditif terhadap ukuran butir UOi31
Tabel-2: Pembebasan gas hasil fisi (FGR) dan penggelembungan (swelling) bahanbakar UO}6)
TANYAJAWAB
Ghoib Widodo Sugondo
Jenis aditif apa yang dipilih, mineral
kaolinit atau bentonit?Bedasarkan fission gas release (FGR)
27,8% untuk kaolinit dan 24,7% untuk
benton it maka aditif yang lebih baik untuk
FGR adalah benton it.
-URANIA No. 21& 22/Thn.VI/Januari-ApriI2000 61