EFEK RADIASIVITRIFlKASI

TERHADAP GELAS LIMBAH HASIL

Berlan Martono daD AisyahPusat Pengembangan dan Pengolahan Limbah Radio Aktif BATAN. Se1pong

ABSTRACT 1c,?~jj:1.,iEFEK RADIASI TERHADAP GELAS LIMBAH HASIL VITRIFIKASI. Limbah cair aktivitas tinggi

adalah limbah yang ditimbulkan dari ekstraksi siklus I proses olah ulang bahan bakar nuklir bekas. Limbahini mengandung sedikit aktinida dan banyak hasil belah. Radiasi alfa dan gamma yang dipancarkan olehaktinida dan hasil belah yang terkandung dalam LCAT akan menyebabkan perubahan karakteristik gelas-limbah. Percobaan dilakukan dengan mendoping. mengiradiasi dan memanaskan gelas-limbah hasilvitrifikasi. Adanya radiasi alfa akan menyebabkan perubahan komposisi yang dapat dideteksi denganperubaJ/an densitas dan kekuatan makanik gelas-limbah. Semakin tinggi dosis radiasi alfa akanmengakibatkan kenaikan perubahan densitas dan kekuatan mekaniknya. walaupun perubahan kekuatanmekanik ini tidak cukup berarti. Besamya perubahan densitas ge/as-limbah juga tergantung dari jenis gelas-/imbahnya dan mencapai titik jenuh pada dosis kumulatif diatas 5 x Id4 peluruhan alfa/m3. Radiasi beta-gamma yang dipancarkan oleh hasil be/ah yang terkandung dalam LCAT akan menaikkan suhu gelas-/imbah yang menyebabkan perubahan struktur dari amort menjadi kristal yaitu terjadinya devitrifikasi.Adanya devitrifikasi akan menaikkan /aju pe/indihan gelas-limbah. Besamya dosis radiasi gamma tidakmengakibatkan terjadinya devitrifikasi.

ABSTRACT :1

THE RADIATION EFFECT TO WASTE GLASS THAT RESULTING OF VITRIFICATION. The highlevel liquid waste (HLLW) is generated from the first step extraction of the nuclear fuel reprocessing. Thiswaste was contain of few of actinide and nzany of fission product. The alfa radiation of actinide that containon the HLLW cause the clzange the waste glass characteristic. The experiment was conducted by the doping,irradiation and heating of waste glass resulting from vitrification. The alfa radiation cause the change ofcomposition tlzat could be detected from change of waste glass density and mechanical strength. Theincreasing of alfa radiation dose cause the increasing change of density and mechanical strength, althoughthe change of mechanical strength is not significant. Degree of clzange of waste glass density also depend ontype of waste-glass and reach for saturated point at over of 5x1OZ" alfa decay/m3. The gamma radiation offission product that contain on the HUW can increasing of waste glass temperature that cause the structurechange. so devitrification was occur. The devitrification can the increasing of leaching rate. The kumulatifof gamma dose rate was not cause the devitrification.

PENDAHULUAN

U mumnya vitrifikasi digunakan untukimobilisasi limbah cair aktivitas tinggi dari

ekstraksi siklus I proses olah ulang bahan bakarnuklir bekas. Kandungan limbah tersebut sebagianbesar adalah hasil belah dan sedikit aktinida. Padasaat ini Korea telah mengambil kebijaksanaanmenggunakan vitrifikasi untuk mengolah limbahaktivitas rendah dan sedang [I]. Adapunpertimbangan penggunaan vitrifikasi tersebutadalah reduksi volume yang sangat tinggi danfaktor keselamatan. Vitrifikasi adalah proses yangpaling mahal, tetapi karena reduksi volume yangtinggi, kandungan limbah dalam gelas yang sangattinggi, serta mahalnya lahan maka kalau

diperhitungkan biaya pengelolaan (pengolahan,transportasi, disposal, dan pemantauan) masih jauhlebih murah. Di Korea limbah aktivitas tinggi daribahan bakar bekas tidak ada, karena bahan bakarbekas dicampur dengan bahan bakar baru untukdibuat bahan bakar jenis DUPIC.

Ada beberapa pertimbangan yang rentingpada pemilihan bahan untuk imobilisasi limbah,yang juga berkaitan dengan penyimpanan lestari,yaitu [2]:

1. Proses petnbuatan yang sederhana dan mudah

2. Kandungan limbah (waste loading)

3. Ketahanan kimia (laju pelindihan)

4. Kestabilan terhadap radiasi

5. Kestabilan terhadap panas (dalam hal gelas-limbah adalah devitrifikasi),

6. Integritas fisiko

Bel1dasarkan alas pertimbangan diatas danketahanann~a dalam jangka lama, maka gelasborosilikat telah digunakan untuk imobilisasiLCA T secara industri oleh negara-ncgara maju.aelas borosilikat lebih tahan korosi dan mengalamidevitrifikasi pada suhu yang lcbih tinggi dibandinggelas fosfat[3]. Kandungan limbahnya dalam gelas

Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002

Herlan Marlono dan Aisyah ISSN 0216 -3128 113

microcracking diamati, tetapi tidak mempengaruhiintegritas fisik geias-limbah, seperti ditunjukkanoleh perubahan densitas yang mencapai kejenuhansetelah dosis kumulatif sekitar 5x1O24 peluruhanalfa/m3°[2].

Perubahan kekuatan mekanik yangdiakibatkan pengaruh radiasi alfa tidak cukupberarti [2]. Kemungkinan dapat terjadi retak(fracture) gelas limbah yang disebabkan oleh sisategangan termal yang dapat menaikkan luaspermukaan pelindihan. Retak dapat jugadisebabkan adanya gelembung gas helium.

borosilikat lebih tinggi dibandingkan dengan gelasaluminosilikat [2]. Gelas dipilih karena relatif lebihmudah membuatnya daripada synroc dan vitrometsserta gelas mempunyai kestabilan dalam jangkalama [3,4.]. Synroc merupakan mineral titanat yangmempunyai ketahanan kimia yang tinggi.Pengembangan synroc untuk imobilisasi LCA Tsecara simulasi dilakukan di Australia, Inggris dan

Jepang [3,5.].

Pada skala industri, LCAT yang telahdievaporasi dicampur dengan bahan pembentukgelas kemudian dilelehkan sampai homogen didalam melter pada suhu 1150oC selama 2,5 jam.Lelehan gelas dari me Iter dialirkan ke dalamcanister daD kemudian disimpan di dalam fasilitaspenyimpanan sementara (interim storage).

Pada makalah ini akan dibahas efek radiasiterhadap geias-limbah hasil vitrifikasi limbah cairaktivitas tinggi. Sebagai contoh di PNC-Jepang,satu canister mengandung 300 Kg geias-limbahdengan kandungan limbah 25% (75 kg) yangaktivitasnya 4.1 OS Ci, dengan laju pelepasan panas1,4 kW [5].

Laju Pelindihan Gelas-Limbah YangMengandung Aktinida

Seperti yang telah diuraikan bahwa efekradiasi alfa yang dipancarkan oleh aktinida dalam

geias-limbah mengakibatkan adanya perubahandensitas, kekuatan mekanik, dan adanyamicrocracking. Geias-limbah yang telah menerimadosis alfa kumulatif melampaui dosis yangmengakibatkan kerusakan struktur, lajupelindihannya tidak berubah lebih dari 2 atau 3kalinya. Uji laju pelindihan gelas-limbah UKl89dengan soxhlet untuk gelas borosilikat-limbah yangdidoping dengan unsur Cm244 dan PU238 ditunjukkanpada Gambar 2 [2]. Komposisi gelas limbah UK189 ditunjukkan pada Tabell.

Pengaruh Radiasi Beta-Gamma

Sebelum proses vitrifikasi dilakukan, LCA Ttelah didinginkan selama 4 tahun untuk mengurangiaktivitasnya. Walaupun LCAT telah didinginkan,aktivitasnya masih tinggi. Dalam melter LCAT danbahan pembentuk gelas dilelehkan pada suhusekitar I 150°C. Setelah terbentuk lelehan gelas-limbah, lelehan tersebut dimasukkan ke dalamcanister (wadah dari baja tahan karat yangberbentuk silinder) daD selanjutnya disimpan ditempat penyimpanan sementara. Sebagai contoh diJepang, setiap canister dengan diameter luar 430rom, tinggi 1040 mm daD tebal dinding 6 mmmempunyai volume 118 liter. Volume gelas-limbahdalam canister 110 liter (93% volume canister) ataugelas-limbah dalam canister 300 kg. Banyaknyalimbah dalam canister 75 kg, yang aktivitasnya4.105 Ci daD melepaskan panas sekitar 1,4 kW [5].Untuk bahan canister, P2PLR BATAN sedangmempelajari efek panas terhadap bahan canister,diantaranya baja tahan karat 304, 304L, 316 dan321.

Sampai periode 30-50 tahun radionuklidahasil belah memancarkan radiasi gamma yangmenimbulkan panas besar, sehingga suhunya dapatmencapai lebih dari 500°C. Suhu sekilar 500°Cmerupakan suhu lransisi gelas (Tg) yailu perubahan

Pengaruh Radiasi Alfa

Aktanida (uranium, neptunium, plutonium,americium dan curium) di dalam gelas-limbahmeluruh dengan memancarkan radiasi alfa. Efekradiasi alfa yang dipancarkan aktinidamemungkinkan terj!ldinya reaksi inti, karenapartikel alfa dan partikel recoil alfa mempunyaienergi yang cukup untuk menimbulkan reaksi intidengan inti atom-atom yang berada dalam strukturgelas dengan tumbukan elastis [2,3]. Secaraeksperimen pengaruh radiasi alfa terhadap gelasdilakukan menggunakan gelas limbah yangmengandung isotop aktinida, yaitu PU238 (yn =87,8 tahun), Cm242 (yn = 163 hari), Am 241 (yn =433 tahun) dan Cm 244 (yn = 18,1 tahun). Dengan

menggunakan isotop, doping gelas dengankonsentrasi beberapa kali lebih besar daripadakonsentrasi aktinida yang sesungguhnya di dalamgelas, memungkinkan percepatan efek radiasi alfadengan faktor 103 -10 .Efek radiasi alfa ini dapatdiamati dari perubahan densitas dan kekuatanmekanik. Sebagai contoh perubahan yang dapatdiamati dalam beberapa gelas-limbah milik PNL(Pasific North West Laboratory) yang mempunyaikomposisi berbeda-beda , didoping dengan Cm244ditunjukkan pacta Gambar 1 [3], dengan komposisigelas limbah PNL 72-68a dan PNL 76-68ditunjukkan pacta Tabell.

Beberapa gelas-limbah menyusut karenapengaruh radiasi alfa, beberapa bertambahdensitasnya daD tidak acta yang mengalamiperubahan densitas melebihi 1%. Adanya

Proslding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NukllrP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

ISSN 0216 -3128114 Herlan Martono dan Aisyah

.lebih tahan terhadap devitrifikasi karena kadar Si I

nya lebih tinggi sehingga titik lelehnya lebih tingi~Kadar Fe dan Al juga menaikkan titik Ieleh.Akibatnya viskositasnya makin tinggi sehinggasukar terjadi devitrifikasi. Kadar Si gelas-limbahP2PLR 46,40%, gelas-limbah PNL 72-68 dan 76-68 masing-masing 27,27 dan 39,97% berat. KadarAl dan Fe gelas-limbah P2PLR masing-masing2,18 dan 3,29% berat, sedangkan untuk gelas-limbah PNL tidak mengandung Al dan Fe [3].

Pacta operasi dalam skala industri, untukmencegah terjadinya devitrifikasi maka waktu yangdiperlukan untuk transportasi setelah lelehan gelas-limbah dituang daTi melter ke canister sampaitempat penyimpanan harus lebih kecil daripadawaktu terjadinya kristaliasasi. Pacta penyimpanansementara, gelas-limbah disimpan dengan sistempendingin pacta suhu di bawah Tg untuk mencegahterjadinya devitrifikasi. Kerusakan sistcmpendingin akan mengakibatkan naiknya suhusehingga terjadi devitrifikasi. Terjadinyadevitrifikasi dapat menaikkan laju pelindihan gelas-limbah. Setelah 30 -50 tahun, panas akibatpeluruhan radiasi beta-gamma sudah jauhmenurun, sehingga tidak diperlukan lagi sistem

pendingin.

daTi lelehan gelas menjadi padat. Tenaga radiasigamma yang dipancarkan oleh radionuklida hasilbelah lebih kecil dari 2 MeV sehingga tidakmengakibatkan terjadinya reaksi inti. Radiasi betayang dipancarkan radionuklida dalam gelas limbahtidak mengakibatkan terjadinya reaksi inti. Pactasuhu yang tinggi dan dalam waktu yang lama akanterjadi kristalisasi dalam gelas yang disebutdevitrifikasi. Dalam geias-limbah devitrifikasiterjadi antara suhu 500-950°C [3]. Oleh karena

komposisi geias-limbah sangat kompleksmemungkinkan terjadinya pembentukan berbagaijenis kristal. Perubahan struktur gelas yang amortmenjadi kristal menaikkan laju pelindihanradionuklida dalam gelas[2,4]. Jadi radiasi beta-gamma yang dipancarkan oleh radionuklida dalamgelas tidak mengakibatkan reaksi inti yangmenimbulkan perubahan komposisi tetapimenimbulkan panas yang tinggi yangmengakibatkan perubahan struktur.

Oleh karena itu adanya devitrifikasi harusdihindarkan dengan menggunakan sistempendingin pacta penyimpanan sementara.

Pengaruh Devitrifikasi Ter-HadapPelindihan Gelas -Limbah

Geias-limbah P2PLR- BAT AN yangdipanaskan pada suhu 850°C selama 50 jam,menunjukkan laju pelindihan sebesar 20 kali

dibanding jika gelas tidak dipanaskan [7J. Lajupelindihan geias-limbah tanpa pemanasan adalah

1,2xIO.7 g cm-2 hari-l, sedangkan denganpemanasan pada suhu 850°C selama 50 jam adalah2,4xI0-6 g cm-2 hari.l. Pada kondisi pemanasantersebut prosen berat kristal yang terbentuk adalah

6,9%[7].

LAju

Pengaruh Dosis lrradiasi Beta-GamaTerhadap Kristalisasi Gelas-Limbah

Contoh gelas-limbah diiradiasi menggu-nakan akselerator (fluks 1,75.1013 elektron percm2detik, energi 3 MeV) untuk mencapai dosis lOllfad, dan hasil pengamatan menunjukkan tidakadanya perubahan [2,3.1. Geias-limbah P2PLR-

BAT AN diiradiasi dengan irradiator gamma CO60

dengan dosis 20 kGy., dan hasil pengamatanmenunjukkan tidak adanya perubahan [6.) Jadiirradiasi bela-gamma sampai dosis lOt I fad lid'ak

menunjukkan adanya devitritikasi.

Pengaruh Suhu Dan Lama PemanasanGelas-Limbah Simulasi Terhadap Kris-Talisasi

Secara eksperimen penentuan pengaruhsuhu dan lama pemanasan terhadap kristalisasigeias-limbah (kinetika kristalisasi) disajikan dalam

diagram time-temperature-transformation (777').Gambar 3 menunjukkan data TTf untuk beberapa

gelas borosilikat daTi PNL dengan komposisi gelaslimbah seperti ditunjukkan pacta Tabel 1.,sedangkan diagram TTf untuk gelas borosilikat-limbah P2PLR-BATAN disajikan pacta Gambar 4

dengan komposisi gelas limbah seperti ditunjukkan

pacta Tabel2 [6].

Gambar 3 menunjukkan bahwa pacta suhu

650°C selama satu hari, kristalisasi belum terjadi.Pacta suhu diatas 500°C (diatas Tg) kristalisasiterjadi dalam jangka lama. Pacta Gambar 4

menunjukkan bahwa pacta suhu 775°C dan waktu

pemanasan selama 25 jam kristalisasi dapat terjadi.

Pacta suhu 750°C kristalisasi dapat terjadi pactawaktu yang lama sekali, karena suhu tersebut masih

diatas Tg.

Pacta suhu di alas 900°C (Gambar 3) dan di

alas 1025°C (Gambar 4), kristaliasasi lidak terjadi.

Hal ini disebabkan karena suhu lersebut telah

mendekati titik leleh gel as limbah sehingga gerakan

alom-alomnya lerlalu cepat dan atom-atomnya

tidak dapat mengatur diri unluk membenluk krislal.

Gelas borosilikal-limbah P2PLR BATAN dengan

komposisi seperli yang disajikan pada Tabcl 2,

---

Proslding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NukllrP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl2002

ISSN 0216.3128 115Herlan Martono dan Aisyah

116 ISSN 0216-3128 Herlan Mar/ono dun Aisyah

100

'1'-=-

:a.c'"'E.9c: 10co

.c'6o~""Qjc.;,°(ij'-I

10 205 10 15

Dosis Kumulatif (X1024 peluruhan alfa/m3)

Tabel 2. Komposisi Gelas-Limbah P2PLR

Gambar 2. Laju Pelindihan gelas-lirnbah PNLUK J 89 yang didoping denganCrn244 dan PU23S

OKsmASi02

B2O)

NazOcaO

AlzO3

Fez03NiO

Crz03srOCszO

BaO

La203

ceOz

WL 20 (o/c BERAT)

46,40

17,4410,00

8,952,183,290,69

1,580,23

~0.37

~7,77

1000

900

.

800

EE 700~'"

600

.,.- 76-68 I18- 72-68 I

....

500

40010

Wak1u (hari)

100 ,=

Gambar 3. Diagram TIT untuk beberapa gelas-limbah milik PNL

"..,...

1

'0'~ 0.8VIS'Uic 0.6GICCIII 0.4

.cIII.c202GIDo

E "'

60 1 2 3 4 5

Oasis Kumulatif (X1024 peluruhan alfa/m3)

jj.., ..Perubahan densitas gelas-limbah

d 'd . C 244yang I opIng mGambar 1. w.o,.,..,

Diagram 77T untuk gelas-limb£lhP2PLR- BATAN

Gambar 4.

Proslding Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NukllrP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002

ISSN 0216.3128 117Herian Martono dan Aisyah

.Benar. efek radiasi yang menimbulkanpanas tinggi (suhu 550 -950 °C) dalamjangka yang lama menimbulkankristalisasi.

TANYAJAWAB

M. Yazid..Berapa fad dosis ambang untuk terjadinya

perubahan kristalisasi pada gelas limbah ?

..Menurut pendapat kami, yang terjadi bukanefek radiasi langsung, tetapi efek panas yangditimbulkan karena radiasi ?

Supardi...Kalau limbah tersebut sudah dipisahkan dari

logam-logam aktinidanya barD divitrifikasi,apakah radiasi alpha akan menyebabkanperubahan. mohon dijelaskan.

Hertan Martono.Dosis radiasi ~-y tidak menimbulkan

kristalisasi gelas limbah. Radiasi ~-ymenimbulkan panas yang tinggi, sehinggasuhu gelas limbah 550°C -950°C dalamjangka lama yang menimbulkankristalisasi.

Herlan Martono.Adanya ekstraksi yang tidak sempurna itu,

maka acta sedikit aktinida dalam LCA T,maka tidak acta pengaruh radiasi alphaterhadap gel as -limbah daD itu yang

diharapkan.

Prosidlng Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr

P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002