ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi I/miah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2000

PENGARUH SUHU PEMANASAN TERHADAP PEMUAIAN DAN MIKROSTRUKTUR PELATELEMEN BAKAR MINI U3Si2-AI DENGAN TINGKAT MUAT URANIUM 3,6 g/cm3

Aslina Br.Ginting, Nusin Samosir, Suparjo,Hasbullah NasutionPusat Pengembangan Teknologi Bahan Bakar dan Daur Ulang

ABSTRAK

PENGARUH SUHU PEMANASAN TERHADAP PEMUAIAN DAN MIKROSTRUKTUR PELATELEMEN BAKAR MINI U3Sb-AI DENGAN TINGKAT MUAT URANIUM 3,6 g/cm3. PEB miniU3Si~AI dengan TMU 3,6 g/cm3 dengan ukuran 50x20 mm telah dianalisis besar pemuaiannyadengan menggunakan dilatometer. Analisis dilakukan pada variasi suhu pemanasan 170°C,350°C dan 550°C dengan waktu lunda (delay time) selama 4 hari dalam media gas Argon. Hasilanalisis menunjukkan bahwa PEB mini U3Si2-AI dengan TMU 3,6 g/cm3 mempunyai koefisienmuai yang relatif stabil dengan waktu pemanasan tetapi mengalami pemuaian yang cukup besardengan naiknya suhu pemanasan. Pada suhu 170°C PEB U3Si2-AI mengalami pemuaian sebesar

83 hingga 212 11m dengan koefisien muai panas 24,2x10-6fC hingga 24,3x10-6fC, sedangkanpada suhu pemanasan 350°C mengalami pemuaian 333 hingga 475 11m dengan koefisien muaipanas 25,5x10-6fC hingga 26,2x10-6fC. Pemanasan hingga 550°C, PEB mini U3Si2-AImengalami pemuaian sebesar 433 hingga 724 11m dengan koefisien muai panas 26,6x10-6fChingga 28.6x10-6fC. PEB mini U3Si~AI dengan TMU 3,6 g/cm3 setelah dipanaskan di dalamtungku dilatometer pad a variasi suhu di alas kemudian dianalisis mikrostrukturnya denganmenggunakan SEM-EDS. Hasil ~nalisis mikrostruktur menunjukkan bahwa pada pemanasan170°C tidak terlihat perubahan mikrostruktur, tetapi pada pemanasan 350°C dan 550°C terlihatinteraksi kelongsong AIMg2 dengan daging elemen bakar yang cukup besar. Data pemuaian danperubahan mikrostruktur ini dapat digunakan sebagai asupan kepada fabrikator elemen bakarreaktor riset dalam membuat elemen bakar jenis silisida dengan TMU yang lebih tinggi.

ABSTRACT

EFFECT OF TEMPERATURE ON THE EXPANSION AND MICROSTRUCTURE OF U3SirAIMINI PLA TE FUEL OF 3,6 g/cm3 URANIUM LOADING. Expansion analysis has been conductedto 50x20-mm U3SirAI mini plate of 3,6 g/cm3 uranium loading using dilatometer. The analysis wascarried out at various temperatures of 17d'C, 35d'C and 55d'C in Argon medium with delay time4 days. The result showed that the fuel plate was relatively stable with increasing of heating timebut underwent significant expansion. Heating at 17d'c, 35d'C and 5500C resulted in theexpansion of the U3Si?AI fuel plate u~ to 83 -212 ,ld11, 333 -475 1ilT}, and 433 -724 ,ld11 withcoefficient expansion of 24.2 x10. tc -24. 3x 10.6tC, 25.5x10.6tC -26.2x10-6tC and26.6x10-6tc -28.2x10-6tC respectively. Microanalysis of the U3Si?AI mini plate fuel with SEM-EDS upon heating at those temperature variation showed that microstructure change didn't occurat 1700C, mean while interaction between AIMg2 cladding and the fuel meat appeared to takeplace at 3500C and 55d'C. Data on the expansion and microstructure change of U3Si2-AI fuelplate upon heating are of great important for the manufacturelfabrication of research fuel plate to

produce siliside fuel element for higher uranium loading.

PENDAHULUAN

Dalam peningkatan dan pemahamantentang elemen bakar reaktor riset denganmenggunakan bahan bakar dispersi U3Si2-AItingkat muat uranium (TMU) tinggi,diperlukan pengetahuan penunjang untukmemahami sifat fisis dan metallografi darielemen bakar. Sifat fisis yang perlu dipahamiadalah konduktivitas panas, kapasitas panas,entalpi dan pemuaian sedangkan sifatmetalografinya adalah perubahanmikrostruktur pelat elemen bakar (PEB)U3Si2-AI yang disebabkan oleh interaksi

kelongsong AIMg2 dengan daging (meat)elemen bakar. PEB mini U3Si2-AI denganTMU 3,6 g/cm3 sebelum digunakan sebagai

elemen bakar di dalam reaktor harusdiketahui lebih dulu sifat fisis dan sifatmetalurginya karena diduga PEB U3Si2-AIsesudah diradiasi di dalam reaktor akanmengalami perubahan sifat fisis dan sifatmetalurginya. Tujuan diketahuinya sifat fisisdan sifat metalurgi tersebut adalah untukmembandingkan dan memahami perubahankarakter yang dialami PEB U3Si2-AI sebelumdan sesudah diradiasi.

Pada penelitian sebelumnya telahdilakukan penentuan karakteristik termalyang mencakup konduktivitas panas,kapasitas panas dan entalpi dari PEB U3Si2-AI dengan TMU 2,9; 3,6; 4,2; 4,8 dan 5,2g/cm3. Untuk melengkapi data-data tersebut,pada penelitian ini akan dilakukan analisis

277

Prosiding Presentasi IImiah Daur Bahan Bakar Nuk/ir VP27BDU dan P2BGN-BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2000

ISSN 1410-1998

pengukuran berJangsung. Pengukuranpemuaian PEB U3Si2-AI mini dengan TMU3,6 g/cm3 dilakukan dengan variasitemperatur yaitu pada suhu operasi reaktor170°C dan di atas suhu operasi reaktor yaitupada suhu 350°C dan 550°C dengan waktutunda selama 4 hari. Dan hasil pengukuran

diperoleh besarnya pemuaian yang dialamaioleh PEB U3Si2-AI tersebut.

PEB U3Si2-AI yang teJah dipanaskandengan Dilatometer dipotong searahhorizontal, kemudian dilakukan preparasimetalografi yang mencakup pemotongan,mounting dengan resin, grinda, poles danetsa. Kemudian dilakukan analisis perubahanmikrostruktur dengan menggunakan alatSEM-EOS. Oari analisis mikrostrukturtersebut diketahui interaksi kelongsongdengan daging eiemen .-bakar akibatpemanasan.

pemuaian (ill) yang dialami PEB U3Si2-AIdengan TMU 3,6 g/cm3. Penentuanpemuaian PEB U3Si2-AI dilakukan denganmenggunakan alat dilatometer pada simulasisuhu operasi reaktor 170°C dan di alas suhuoperasi reaktor 350°C dan 550°C denganwaktu lunda 4 hari. PEB U3Si2-AI 3,6 g/cm3setelah dipanaskan di dalam tungkudilatometer kemudian dilakukan analisismikrostruktur dengan menggunakan alatSEM-EDS.

Pemilihan variasi suhu pemanasan diatas berdasarkan kepada suhu operasireaktor pada 170°C sedangkan suhu 350°Cadalah suhu titik rekristalisasi dari AIMg2dimana pad a suhu tersebut kelongsongAIMg2 akan mengalami perubahan fasa danpemanasan pada suhu 550°C adalah suhumulai terjadinya peristiwa peleburankelongsong AIMg2 dan matriks AI.Perbedaan suhu pemanasan diduga PEBmini U3Si2-AI dengan TMU 3,6 g/cm3 akanmengalami pemuaian dan perubahanmikrosrtuktur yang berbeda karenamengalami interaksi AIMg2 dengan dagingelemen bakar yang berbeda-beda, sehinggadipandang perlu untuk melakukan suatupenelitian pengukuran besarnya pemuaiandan perubahan mikrostruktur yang dialamioleh PEB mini U3Si2-AI TMU 3,6 g/cm3 dansekaligus untuk membuktikan hipotesa dialas.

HASIL DAN BAHASAN

PEB mini U3Si2-AI dengan TMU3,6 g/cm3 telah dianalisis besar pemuaiandan koefisien muai panasnya denganmenggunakan dilatometer. Pengukuranpemuaian dilakukan dengan variasi suhuyaitu pad a 170°C, 350°C dan 550°C denganwaktu tunda selama 4 hari dalam media gasArgon. Hasil pengukuran yang disajikan padaTabel-1 dan Gambar-1 menunjukkan bahwapada suhu 170°C dengan waktu tunda 4 hariPEB mini U3Si2-AI mengalami pemuaiansebesar 83 J.1m pada 0,1 hari hingga 212 11mpada hari ke 4 dengan koefisien muai panassebesar 24,2x10-6fC hingga 24,3x10-6fC.Sedangkan pemanasan pad a 350°C yaitusuhu rekristalisasi kelongsong AIMg2, PEB

U3Si2-AI mengalami peningkatan pemuaiansebesar 333 J.1m hingga 475 J.1m de~ankoefisien muai panas sebesar 25,5x10 fchingga 26,2x10-6fC. Pada pemanasan hingga550°C mengalami pemuaian sebesar 433 11mhingga 724 J.1m dengan koefisien muai panassebesar 26,6x10-6fc hingga 28,4x10-6fC. Biladitinjau dari perubahan nilai koefisien muaipanas pad a pemanasan 170°C, maka PEBmini U3Si2-AI dapat dikatakan relatif stabilterhadap pemanasan dan waktu pemanasankarena tidak terjadi peningkatan nilai koefisienmuai panas (a) yang besar. Tetapi pada suhupemanasan 350°C dan 550°C terjadipemuaian yang lebih besar denganpeningkatan koefisien muai panas yang besar.Hal ini te~adi karena peningkatan suhu

pemanasan yang menyebabkan peningkatanenergi yang memungkinkan atom-atom

Data sifat fisis dan data metalogafiyang diperoleh dapat digunakan untukmempelajari fenomena yang dialami olehPEB U3Si2-AI yang disebabkan olehpemanasan serta dapat digunakan untukmembandingkan dalam usaha mempelajarifenomena yang disebabkan oleh radiasi [1) .

TATA KERJA

Pengukuran pemuaian dan koefisienmuai panjang dilakukan di laboratoriumBidang Teknologi Daur Ulang dan PascaIradiasi BAT AN dengan menggunakan alatdilatometer. Dalam melakukan pengukurandisiapkan data kalibrasi dari sam pel standarSaphir dengan kondisi pengukuran yangsarna dengan sam pel uji. SamRel PEBU3Si2-AI mini dengan TMU 3,6 g/cm3 denganukuran 50x20 mm dimasukkan ke dalamtungku dilatometer, kemudian chambertungku dilatometer divakumkan sampaitekanan 10-2 bar. Setelah tekanan vakumtercapai, chamber dilatometer dialiri gasArgon secara terus menerus selama

278

ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2000

bergetar pad a jarak atom yang lebih besar2]

sehingga terjadi proses pemuaian yangmenyebabkan pertambahan panjang (AL) yanglebih besar.

Terjadinya pemuaian yang dialamioleh PEB mini U3Si2-AI dengan TMU 3,6g/cm3 juga didukung oleh data mikrostrukturseperti yang ditunjukkan pada gambar 2-9.Analisis mikrostruktur terhadap PEB U3Si2-AImini segar (tanpa perlakuan) terlihat denganjelas posisi bagian kelongsong AIMg2 danbagian daging elemen bakar U3Si2-AI dandapat diamati juga besarnya butir darikelongsong AIMg2 seperti yang terlihat padagambar 2. Sedangkan mikrostruktur PEBU3Si2-AI pada pemanasan 170°C denganwaktu tunda 4 hari tidak terlihat dengan jelasinteraksi kelongsong AIMg2 dengan dagingelemen bakar seperti yang ditunjukkan padaGambar 3. Mikrostruktur PEB U3Si2-AI hasilpemanasan pad a suhu 350°C jelas terlihatinteraksi kelongsong AIMg2 dengan dagingelemen bakar. Analisis mikrostruktur PEBU3Si2-AI dilakukan dengan cara pemetaan(mapping) terhadap unsur AI, Mg danUranium. Pada gambar 4, 5 dan 8 jelasterlihat unsur AI telah berinteraksi ke dalamdaging elemen bakar, sedangkan unsur Mgberada pada batas bingkai (frame) darikelongsong AIMg2 dengan daging elemenbakar dan unsur uranium sebagian telahberinteraksi ke bagian kelongsong AIMg2

Gambar 2. PEB U3Si2-AI (tanpa pemanasan)

Gambar 3. PEB U3Si2-AI hasil pemanasan170°C

279

Prosiding Presentasi lfmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU dan P2BGN-BATAN Jakarla, 22 Pebruari 2000

ISSN 1410-1998

Gambar 7. Mapping Mgunsur hasil

Gambar 8. Mapping unsur U hasil pemanasan

Gambar 6. Mapping unsur AI hasil pemanasanpad a suhu 550°C

Gambar 9. Mapping unsur U hasilpemanasan pada suhu 550°C

pemanasan selain meningkatkan pemuaianjuga meningkatkan interaksi kelongsongAIMg2 dengan daging elemenbakar .Pemanasan PEB mini U3Si2-AI padasuhu 550°C menunjukkan bahwa unsur AIsemakin banyak berinteraksi dengan dagingelemen bakar dan unsur uranium jugasemakin banyak berinteraksi ke bagian

Mikrostruktur PEB mini U3Si2-AI hasilpemanasan pada suhu 550°C dapat diamatibahwa interaksi kelongsong AIMg dengandaging elemen bakar terjadi lebih besar jikadibandingkan dengan PEB mini U3Si2-AIpad a suhu pemanasan 350°C seperti yangditunjukkan pada gambar 4 dan 6. Analisisini menunjukkan bahwa peningkatan suhu

280

ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP27BDU dan P2BGN-BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2000

kelongsong AIMg2. Sedangkan unsur Mgsemakin banyak terdapat di batas bingkai(frame) PEB. Hal ini menunjukkan bahwa

pemanasan dapat menyebabkan terjadinyaikatan logam (intermetalik) antara unsururanium dengan AI sedangkan unsur Mgtidak mengalami interaksi dengan unsururanium [1,4f.

Examination of U3Si2 Powder,U3SiiAI (38 wlo) Miniplates, IAEA-TECDOC 643 (4) (1985) 15-122

R.F.DOMAGALA, T.C.WINCEK,J.L.SNELGROVE , M.I.HOMA ANDR.R. HEINRICH, DTA Study of U3Si2-AI Reactions, IAEA -TECDOC-643

(3),1992.

[5].

KESIMPULANTANYAJAWAB

Suhu pemanasan pada suhu 170°Cdengan waktu tunda 4 hari di dalam tungkudilatometer tidak mengalami perubahankoefisien muai panjang dan perubahanmikrostruktur dari PEB mini U3Si2-AI denganTMU 3,6 g/cm3. Sedangkan padapemanasan 350°C dan 550°C PEB miniU3Si2-AI tersebut men gal ami perubahankoefisien muai panjang dan pemuaian yangcukup besar. Disamping terjadi pemuaianyang besar PEB mini U3Sb-AI jugamengalami interaksi kelongsong AIMg2dengan daging elemen bakar.

Soedardjo.Mengapa yang diteliti hanya muai

panjang? Bagaimana dengan muaivolume?

.Mengapa dipilih suhu 170, 350 dan550°C? Bagaimana dengan suhu di alas550°C?

.Apa "ada pertambahan butir

(pembesaran) pada paduan U3Si2 AI,kalau ada pad a unsur apa?

SARAN

Data termal dari PEB U3Si2-AI inidapat digunakan sebagai masukan kepadafabrikator bahan bakar reaktor riset jenissilisida dalam merancang bahan bakardengan tingkat muat uranium yang lebihtinggi untuk menunjang keselamatan operasireaktor.

PUSTAKA

r

[2]

AslinaPada penelitian ini yang dianalisis hanyamuai panjangnya saja karena alatDilatometer yang ada di laboratorium DUPIhanya dapat menganalisis ~L (pertambahanpanjang) dan (X (koefisien muai panjang).Dari nilai tersebut dapat ditentukan ~V(pertambahan volume) dan y (koefisien muaivolume) dengan cara mencari korelasi antara~L dan ~V. Hal ini akan dilakukan pada

penelitian selanjutnya..Pemilihan penentuan pertambahan

panjang pada suhu 170, 350 dan 550°Cdidasarkan pada:a. Suhu 170°C adalah suhu operasi

reaktor I berapa besar pemuaianyang terjadi pada PEB U3Si2-AI mini,jika dipanaskan pada suhu 170°Csebelum bahan bakar diiradiasi.

b. Suhu 350°C adalah suhu titikrekristalisasi matrik AI, diduga pad asuhu ini mulai terjadi interaksikelongsong AIMg2 dengan meat

U3Si2.c. Suhu 550°C adalah suhu titik

mendekati titik cair matrik AI dankelongsong AIMg2. Suhu >550oCtidak dianalisis karena pada suhutersebut kelongsong AIMg2 danmatrik AI sudah mencair dan nilaipemuaian tidak dapat dianalisa lagi.

.Pertambahan butir atau pembesaranbutir tidak terjadi pad a paduan U3Si2-AIakibat pemanasan tetapi pengaruhpemanasan tersebut akan menyebabkaninteraksi kelongsong AIMg2 atau matrik AI

[3]

SNELGROVE, J.L.,.DOMAGALA,R.F, HOFMAN, G.L., WINCEK, T.C.,COPELAND, G.L., HOBBS, R.W.and SENN, R.L., The Use of U3Si2Dispersed AI in Plate Type Elementsfor Research and Test Reaktor,ANURERTRrrM-11, 1987.

SAITO, J., KOMORI, Y., SAKURAI,F.AND ANDO, H., Measurement ofThermal Conductivity of UraniumSilicide Aluminium Dispersion Fuel,Departement of JMTR Project OraiResearch Establishment, JAERI,Orai-machi, Higashiibaraki-gun,Ibaraki-ken, (1991).SURIPTO, A., Konduktivitas TermalBahan Bakar Dispersi U3Si-AI danU3Si2-AI, Urania, Buletin Daur BahanBakar Nuklir, 3 (1995).

TOFT, P., JENSIN, A., DifferentialThermal Analysis and Metalographic

[4].

281

Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 Pebruari 2000 ISSN 1410-1998

Nudia Barenzani.Dalam analisis pemuaian dengan

Dilatometer men gap a dilakukan dalammedia gas Argon? .

dengan meat elemen bakar U3Si2membentuk senyawa baru Ualx (UAb.UAI3 dan UAI4). Pembentukan senyawaini telah dianalisis dengan alat XRD pada

penelitian sebelumnya.Jika pemanasan hanya dilakukan

terhadap kelongsong AIMg2 maka terjadipembesaran butir. karena akibat prosesperolan dalam fabrikasi masih adategangan sisa di dalam kelongsongAIM92. Adanya tegangan sisa tersebutal<'an menyebabkan pengintian danakhirnya tumbuh menjadi butir baru danmenjadi bertambah besar akibatpemanasan.

Aslina.Analisis pemuaian harus dilakukan dalam

media gas Argon, karena gas Argonadalah gas inert yang tidak akanmemberi pengaruh reaksi terhadappemuaian PES mini U3Si2-AI sehinggayang terukur adalah niJai pemuaian yang

sebenarnya tanpa pengaruh dari mediasekitarnya.

282