pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

42
BAB III DASAR TEORI PEMBUATAN KERNEL U 3 O 8 METODE GELASI EKSTERNAL MENGGUNAKAN ZAT ADITIF PVA DAN PENSTABIL THFA 3.1. Uranium Uranium adalah unsur dengan lambang U, nomor atom 92, termasuk dalam deret aktinida, berupa logam putih keperakan. Uranium memiliki 92 proton dan 92 elektron, dan berelektron valensi 6. Inti uranium mengikat sebanyak 141 sampai dengan 146 neutron, sehingga terdapat 6 isotop uranium. Isotop yang paling umum adalah uranium-238 (146 neutron) dan uranium-235 (143 neutron). Semua isotop uranium tidak stabil dan bersifat radioaktif lemah. Uranium memiliki bobot atom terberat kedua di antara semua unsur-unsur kimia yang dapat ditemukan secara 23

description

pembuatan kernel u3o8 menggunakan zat aditif pva dan penstabil thfa

Transcript of pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

Page 1: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

BAB III

DASAR TEORI

PEMBUATAN KERNEL U3O8 METODE GELASI EKSTERNAL

MENGGUNAKAN ZAT ADITIF PVA DAN PENSTABIL THFA

3.1. Uranium

Uranium adalah unsur dengan lambang U, nomor atom 92, termasuk dalam deret

aktinida, berupa logam putih keperakan. Uranium memiliki 92 proton dan 92

elektron, dan berelektron valensi 6. Inti uranium mengikat sebanyak 141 sampai

dengan 146 neutron, sehingga terdapat 6 isotop uranium. Isotop yang paling umum

adalah uranium-238 (146 neutron) dan uranium-235 (143 neutron). Semua isotop

uranium tidak stabil dan bersifat radioaktif lemah. Uranium memiliki bobot atom

terberat kedua di antara semua unsur-unsur kimia yang dapat ditemukan secara alami.

Massa jenis uranium kira-kira 70% lebih besar daripada timbal, namun tidak sepadat

emas ataupun tungsten. Uranium dapat ditemukan secara alami dalam konsentrasi

rendah, beberapa bagian per juta (ppm) dalam tanah, bebatuan, dan air.

Uranium yang dapat dijumpai secara alami adalah uranium-238 (99,2742%),

uranium-235 (0,7204%), dan sekelumit uranium-234 (0,0054%). Uranium meluruh

23

Page 2: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

24

secara lambat dengan memancarkan partikel alfa. Umur paruh uranium-238 adalah

sekitar 4,47 milyar tahun, sedangkan untuk uranium-235 adalah 704 juta tahun.

Uranium-235 merupakan satu-satunya isotop unsur kimia alami yang bersifat fisil

(yakni dapat mempertahankan reaksi berantai pada reaksi fisi nuklir), sedangkan

uranium-238 dapat dijadikan fisil menggunakan neutron cepat. Selain itu, uranium-

238 juga dapat ditransmutasikan menjadi plutonium-239 yang bersifat fisil dalam

reaktor nuklir. Isotop uranium lainnya yang juga bersifat fisil adalah uranium-233,

yang dapat dihasilkan dari torium.

Di alam uranium terdapat dalam bentuk mineralnya. Agar dapat digunakan

sebagai bahan bakar reaktor nuklir, maka mineral dari uranium harus diolah terlebih

dahulu hingga diperoleh uranium yang memiliki tingkat kemurnian tinggi. Sebagai

bahan bakar reaktor nuklir, uranium yang dipakai adalah dalam bentuk oksidanya

yaitu UO2 . Senyawa uranium yang umum dikenal mempunyai ion UO22+.

Pembuatan bahan bakar uranium dipersiapkan dari bijih uranium melalui

beberapa tahap pengolahan (Abdul Latief, Bambang Galung S dan Marwoto

1987:117). Tahap pertama adalah pengolahan bijih uranium menjadi konsentrat

uranium yang biasa disebut yellow cake. Konsentrat uranium ini kemudian diekstrak

untuk menghilangkan pengotor-pengotornya (tahap pemurnian konsentrat uranium).

Tahap selanjutnya adalah pengendapan menjadi ammonium diuranat, kalsinasi

ammonium diuranat, reduksi U3O8, serta passivasi UO2 hasil reduksi. Tahap passivasi

Page 3: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

25

UO2 ini dilakukan dengan cara mengalirkan gas nitrogen kedalam serbuk UO2, yang

berada dalam tempat tertutup dan dalam waktu tertentu. Tahap ini bertujuan untuk

mempertahankan perbandingan jumlah mol oksigen dengan jumlah mol uranium dari

UO2 hasil reduksi sehingga diperoleh UO2 yang mempunyai perbandingan mol O/U

stabil yaitu 2:1.

Konsentrat uranium hasil pengolahan bijih uranium selain mengandung oksida

atau campuran garam diuranat, juga masih mengandung unsur-unsur lain yang harus

dipisahkan karena unsur-unsur tersebut mempunyai penampang lintang serapan

neutron yang tinggi, misalnya unsur boron, kadmium dan torium.

Reaksi yang terjadi pada pengolahan bijih uranium (Bambang G.S, 1983:153-

155), diuraikan sebagai berikut:

1). Pelarutan konsentrat uranium

U3O8 (s) + 8 HNO3 (aq) 3 UO2(NO3)2 (aq) + 2 NO2 (g) + 4 H2O (l)

2). Ekstraksi pelarut memakai tributil pospat (TBP)

UO22+ (aq) + 2 NO3

- (aq) + 2 TBP UO2(NO3)2. 2TBP (aq)

3). Striping dengan HNO3 encer bertujuan untuk menarik keluar uranium yang

semula berada dalam fase organik menjadi fase cair.

Page 4: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

26

UO2(NO3)2. 2TBP (org) + 2 HNO3 (aq) UO2(NO3)2 (aq) + 2TBP + 2

HNO3 (aq)

4). Reaksi pengendapan menjadi ammonium diuranat

a). UO2(NO3)2 (aq) + HNO3 (aq) + 3NH4OH (aq) UO2(OH)2 (s) +

3NH4NO3(aq) + H2O (l)

b). 2 UO2(OH)2 (s) + 2 NH4OH (aq) (NH4)2U2O7 (s) + 3 H2O (l)

5). Kalsinasi ammonium diuranat menjadi UO3 atau U3O8

a). (NH4)2U2O7 (s) 250-400˚ 2 UO3 (s) + 2 NH3 (g) + H2O (g)

b). UO3 (s) 1/3 U3O8 (s) + 1/6 O2 (g)

½ (NH4)2U2O7 (s) 1/3 U3O8 (s) + 1/6 O2 (g) + NH3(g) + ½ H2O (g)

6). Reduksi UO3 atau U3O8 menjadi UO2

a). UO3 (s) + H2 (g) 650-900˚ UO2 (s) + H2O (g)

b). 1/3 U3O8 (s) + H2 (g) 650-900˚ UO2 (s) + 2/3 H2O (g)

Senyawa-senyawa uranium yang memegang peranan penting dalam proses

pembuatan bahan bakar nuklir adalah senyawa uranil (terutama uranil nitrat dan

uranil klorida) dan senyawa uranat (terutama uranium diuranat). Uranium nitrat

Page 5: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

27

(UO2(NO3)3) dapat dibuat dengan melarutkan logam uranium atau oksida-oksida

uranium dalam asam nitrat. Larutan uranil nitrat berwarna kuning kehijauan dan

bersifat asam karena adanya proses hidrolisis yang biasanya juga disertai dengan

pembentukan ion-ion polimer. Larutan uranil nitrat pekat dapat mengkristal

membentuk uranil nitrat hidrat [UO2(NO3)2.XH2O] yang mengandung dua sampai

enam molekul air tergantung pada konsentrasi asam nitrat dalam larutan.

3.2. Penggunaan UO2 Sebagai Bahan Bakar Reaktor Nuklir

Uranium dioksida (UO2) merupakan jenis bahan bakar nuklir yang paling banyak

digunakan saat ini. Jenis bakar ini terutama digunakan untuk jenis reaktor termal.

Dibawah ini contoh berbagai macam tipe reaktor dengan bahan bakar UO2

Tabel 3.1. Contoh tipe-tipe reaktor daya menggunakan UO2 sebagai bahan bakarnya

Tipe Moderator Pendingin Bahan Bakar Kelongsong Status

HWR D2O D2O/H2O Pellet UO2 Zircaloy Teruji

LWR H2O H2O Pellet UO2 Zircaloy Teruji

HTR Karbon He/CO2 Partikel UO2,UC2 Karbon Tipe Baru

FBR Na/He Pellet(U,Pu)O2 Besi-Baja Tipe Baru

Keterangan: HWR = Heavy Water Reactor

LWR = Light Water Reactor

Page 6: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

28

HTR = High Temperatur Reactor

FBR = Fast Breder Reactor

Pembuatan elemen bahan nuklir dalam bahan bakar tipe HWR, BWR, PWR

dan reaktor pembiak cepat pada dasarnya sama. Tahap pabrikasinya terdiri

pembuatan pellet bahan bakar dalam bentuk keramik, yang terdiri dari UO2 (untuk

reaktor tipe baru kadang-kadang dicampur dengan PuO2) dan kemudian pellet ini

dimasukkan dalam tabung yang terbuat dari paduan logam tertentu, zircalloy atau

besi baja. Untuk RST/HTR, bahan dasarnya kernel UO2, (Th-U)O2, (U-Pu)O2 maupun

UC2. Kernel UO2 mempunyai beberapa kelebihan dantaranya tahan terhadap radiasi,

tetapi UO2 juga mempunyai kekurangan yaitu kemampuan daya hantar panas yang

rendah. RST merupakan reaktor yang dirancang untuk digunakan sebagai sumber

energi panas dan pembangkit listrik. HTR mempunyai suhu operasi normal yang

tinggi yaitu antara 1120˚C-1350˚C dan mampu menghasilkan energi panas sampai

950˚C.

Menurut Galkin, dkk (1966 : 19), oksida ini dapat diperoleh dari proses

reduksi oksida-oksida uranium yang lebih tinggi dalam lingkungan gas-gas inert,

dengan reaksi sebagai berikut:

UO3(s) + H2 (g) UO2(s) +H2O(g)

1/3 U3O8 (s) + 2/3 H2 (g) UO2 (s) +2/3 H2O(g)

Page 7: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

29

Suryana (1995:5-6) melaporkan bahwa, UO2 yang digunakan sebagai bahan

bakar nuklir secara umum harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:

1. Bahan yang dipergunakan harus memiliki kemurnian tinggi

2. Perbandingan stoikiometri O/U harus tepat 2,00 karena pada kondisi ini UO2

memiliki konduktivitas panas yang paling tinggi

3. Kerapatannya harus tinggi mendekati kerapatan teoritis UO2 (10,96 g/ml), pada

kondisi ini UO2 mempunyai konduktifitas panas, elastisitas dan perilaku

dimensional (dimensional behavior) yang paling baik

4. Porositas butiran bahan bakar harus merata dan berukuran antara 1-10 µm, karena

porositas berkaitan erat dengan kerapatan UO2 dan perilaku dimensional bahan

dalam reaktor.

5. Permukaan bahan bakar harus halus dan tidak ada retakan atau serpihan

6. Kandungan bahan fisil (pengkayaan = enrichment) berkisar antara 1-6 % berat

U235 tergantung pada jenis reaktornya

Uranium dengan pengkayaan sekitar tiga persen digunakan sebagai bahan

bakar dalam bentuk senyawa uranium dioksida. Serbuk UO2 ini dikompakkan

menjadi bentuk pil melalui proses “Cold Processing” dan “sintering”. Agar diperoleh

berat jenis yang mendekati harga teori, pil-pil ini disusun dalam tabung dari zircaloy-

Page 8: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

30

4 yang dilas rapat pada kedua tutup ujungnya, membentuk sebuah bahan bakar

(Marsongkohadi dkk, 1978 : 326). Disamping itu, ada elemen bahan bakar yang

berbentuk bola bulat dengan proses cetak dingin dari partikel berlapis (kernel UO2

sebagai intinya) dan bahan matrik grafit yang dicampur dengan bahan pengikat.

Pencetakan dilakukan pada tekanan tertentu, kemudian dipanaskan untuk membentuk

bola elemen bakar (Busron Masduki dan Wardaya, 1994 : 1819).

3.3. Reaktor Suhu Tinggi (HTGR-High Temperature Gas Cooled Reactor)

Reaktor suhu tinggi merupakan salah satu reaktor yang sangat menguntungkan

(sangat ekonomis dan memiliki keselamatan yang handal, sampah yang dihasilkan

minimal) dan memungkinkan untuk dibangun di Indonesia terutama di daerah-daerah

terpencil yang membutuhkan energi listrik tidak begitu besar (50-490 MWE). Selain

menghasilkan listrik, panas tinggi yang dihasilkan sebagai hasil samping pada

operasi HTR dapat digunakan untuk industri kimia yang lain, misalnya untuk

desalinasi air laut, gasifikasi batubara, produksi hidrogen, maupun proses industri

kimia lain yang memerlukan panas.

Berbagai macam tipe HTR telah banyak dibangun di dunia antara lain HTR-

10, HTR-500, THTR-300, dan HTGR-1160. Dengan berbagai variasi daya antara 10-

3000 MW. Contoh desain reaktor HTGR disajikan dalam Gambar 3.1.

Page 9: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

31

Gambar 3.1. Skema HTR dengan desain pebble bed

Di berbagai negara, HTR dengan berbagai tipe dan elemen bakarnya bisa

berupa partikel berlapis ( dengan lapisan BISO maupun TRISO coated particle) yang

dipres menjadi bentuk bola dalam matrik grafit atau dipres dengan desain blok

prismatik. Partikel berlapis adalah kernel yang dilapisi dengan SiC dan PyC atau

ZrC. Lapisan tersebut terutama berfungsi untuk menahan tekanan maupun hasil fisi

yang dihasilkan saat reaktor beroperasi. Inti partikel berlapis bisa berupa kernel UO2,

campuran (Th-U)O2, uranium karbida atau campuran (U-Pu)O2 . Gambar 3.2.

dibawah ini menunjukan bentuk bahan bakar Pebble bed dan prismatik.

Page 10: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

32

Gambar 3.2. Tipe bahan bakar untuk reaktor HTGR

Elemen bahan bakar yang digunakan pemerintah USA dan Jepang adalah

bentuk prisma hexagonal (blok prismatik), sedangkan di Jerman, Afrika Utara dan

Cina menggunakan bahan bakar bentuk bola (Pebble bed). (Kyung-Chai Jeong,et al.

2007).

Gambar 3.3. Bentuk elemen bahan bakar pebble bed (triso)

Page 11: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

33

Desain pebble bed banyak digunakan karena mempunyai keuntungan lebih

ekonomis, dengan daya yang sama, suhu elemen bakar 200ºC lebih rendah dari

bentuk prismatik. Secara garis besar, proses pembuatan elemen bakar HTR bentuk

bola dengan inti kernel UO2, (Th-U)O2, UCO maupun (U-Pu)O2 dapat dibagi menjadi

3 tahap yaitu pembuatan kernel, pelapisan kernel dan pembentukan elemen bakar

bentuk bola dalam matrik grafit.

3.4. Pembuatan Kernel UO2

Kernel merupakan bagian terdalam dari partikel berlapis yang berbentuk bulat.

Proses pembuatan bahan bakar kernel UO2 secara umum dapat dibagi menjadi dua

yaitu: Proses kimia kering (dry chemical process) dan proses kimia basah (wet

chemical process). Proses kimia kering memakai serbuk sebagai umpan, sedangkan

proses kimia basah memakai umpan berupa larutan garam uranil dengan konsentrasi

tinggi atau sol uranium oksida hidrat.

Pada pembuatan kernel dengan proses kimia kering (granulasi), merupakan proses

granulasi dengan menggunakan “disk” (piringan) yang diputar. Proses ini merupakan

proses granulasi terbaik untuk pembuatan kernel dari bahan awal berbentuk serbuk

UO2 atau U3O8 atau campurannya dengan ThO2 digiling, ditambahkan serbuk karbon.

Campuran ini lalu dilekatkan dalam serbuk grafit dan dipanaskan pada suhu 2550 ºC

hingga melebur untuk membentuk karbida. Kernel oksida uranium atau oksida

uranium-thorium diperoleh dengan menghilangkan karbon. Proses selanjutnya adalah

Page 12: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

34

sintering dalam suasana H2 atmosferis pada suhu 1700 ºC. Kernel yang diperoleh

mempunyai kerapatan maksimal 90% kerapatan teoritis. (Kerapatan teoritis UO2 =

10.9 g/mL) ( Busron Masduki dan Wardoyo, 1994).

Untuk pembuatan kernel dengan proses kimia basah, digunakan larutan atau sol

sebagai umpan. Umpan merupakan campuran dari ADUN yang sudah di

prenetralisasi, yang ditambahkan dengan aditif kemudian diteteskan ke dalam kolom

berisi medium dan akan berubah menjadi gel yang stabil. Proses dilanjutkan dengan

pencucian, pengeringan, kalsinasi dan sintering. Kernel yang diperoleh dengan proses

kimia basah mampu mempunyai ρ maksimal : 95%- 98% ρ teori.(Nickel 1970 : 3-4)

Proses pembuatan kernel dengan proses kimia basah menggunakan umpan

larutan uranil nitrat UO2(NO3)2. Dalam proses gelasi eksternal yaitu gelasi karena

adanya dehidrasi pada butiran, larutan uranil nitrat diubah menjadi sol UO2.

Keuntungan pembuatan kernel uranium dengan proses sol-gel antara lain

kemurnian tinggi dan temperatur prosesnya rendah. Larutan uranil nitrat di

prenetralisasi terlebih dahulu untuk memastikan tercapai derajad keasaman yang

diinginkan. Prenetralisasi dilakukan dengan penambahan ammonia, kemudian

dilanjutkan penambahan aditif organik (PVA dan THFA). (Kyung-Chai Jeong, et al.

2007).

Skema proses pembuatan UO2 disajikan pada gambar 3.4.

Page 13: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

35

Uranium oxide Off gas

Nitric Acid

Organic additives

Amonium hidroxyde Amonium hydroxide

Washing agents Washing agents

Off gas

R

Gambar 3.4. Skema proses pembuatan UO2

3.5. Pembuatan Larutan Uranil Nitrat

Larutan uranil nitrat dapat diperoleh dengan melarutkan oksida uranium dalam

asam nitrat (HNO3). Supardi (1977: 7-8 ) melaporkan reaksi pembuatan uranil nitrat

sebagai berikut:

Uranium solution

preparation

Heat treatment

Calcining, sintering

Kernel formation, washing and

drying

Sleving sorting, Quality Control

Product

To kernel coating

Building ventilation

.Stack

.HEPA filter

.Scruber

Uranium Recovery

Recycle

Waste

Page 14: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

36

2 U3O8(s) + 14 HNO3(aq) 6 UO2(NO3)2(aq) + NO2(g) +NO(g)+ 4H2O(l)

UO2(s) +4 HNO3(aq) UO2(NO3)2(aq) + 2 NO2(g) +2H2O(l)

Pelarutan oksida uranium dalam asam nitrat berjalan eksotermis, meskipun

demikian diperlukan panas dari luar untuk memulai reaksi. Laju reaksi pelarutan

meningkat seiring dengan peningkatan suhu , tetapi suhu diatas 70˚C harus dihindari

karena mengakibatkan penurunan kelarutan uranium nitrat. Suhu pelarutan optimal

berkisar antara 50-60˚C sehingga proses pendinginan perlu dilakukan untuk

mengatasi panas yang berlebihan (Haas,P.A.;Begovich,J.M.;Ryon,D.Dan

Vavruska,J.S:13)

Pelarutan berlangsung sempurna bila asam nitratnya mempunyai konsentrasi

tinggi, tetapi umpan gelasi membatasi jumlah nitrat dan dikehendaki larutan uranil

nitrat yang defisien asam (ADUN).

Menurut Haas dkk, (1979 : 16), larutan ADUN secara sederhana dapat

didefinisikan sebagai suatu sistem yang terdiri dari UO3, HNO3 dan H2O sehingga

perbandingan NO3-/U ≤ 2 atau UO3, UO2(NO3)2 dan H2O. Suatu sistem larutan yang

terdiri dari UO2(NO3)2 dan H2O belum dapat disebut ADUN karena secara teoritis

perbandingan NO3-/U ≥ 2. Secara tepatnya, larutan ADUN adalah larutan uranil nitrat

yang kekurangan asam dan dapat dituliskan sebagai UO2(OH)X(NO3)2-X dengan X

antara 0,3-0,5.

Larutan ADUN dapat dibuat dengan dua cara yaitu: pelarutan oksida-oksida

uranium dalam HNO3 dan proses denitrasi (penghilangan nitrat) larutan uranil nitrat.

Proses denitrasi larutan uranil nitrat dapat dilakukan dengan beberapa metode yaitu

Page 15: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

37

ekstraksi pelarut, penambahan larutan NH3 ke dalam larutan uranil nitrat, penguapan

vakum, dan denitrasi menggunakan uap air panas.

Pada penelitian ini dilakukan pembuatan ADUN melalui pelarutan oksida

uranium dalam HNO3, yaitu melarutkan oksida uranium (UO3) dalam larutan HNO3

dengan konsentrasi dan volume tertentu. Pelarutan dilakukan dengan penambahan

sedikit demi sedikit serbuk UO3 ke dalam HNO3, sambil diaduk. Dalam pelarutan

tersebut, suhu dijaga antara 50-60˚C, suhu dibawah 50˚C mengakibatkan

terbentuknya banyak nitrit dalam larutan. Sedang suhu diatas 60˚C menyebabkan

terbentuknya endapan putih yang sukar larut dalam larutan ADUN

3.6. Pembuatan Umpan Gelasi (Larutan sol)

Pembuatan kernel UO2 melalui proses sol – gel dengan menggunakan umpan

berupa sol urania. Menurut Turner .. sol didefinisikan sebagai suatu dispersi partikel-

partikel zat padat dalam medium cair. Partikel-partikel zat padat tersebut berukuran

antara 1-5000nm, sehingga dapat bergerak secara acak sesuai gerak Brown dalam

medium cair tanpa mengendap. Berdasarkan proses pembentukan partikel koloid,

pembuatan sol dapat digolongkan menjadi dua yaitu dispersi dan kondensasi.

Pembuatan sol dengan proses kondensasi didasarkan pada penggabungan partikel-

partikel terlarut dalam larutan membentuk suatu partikel berukuran lebih besar yang

masih dapat terdispersi dalam larutan . Dialisis, pertukaran ion, ekstraksi pelarut dan

netralisasi merupakan contoh pembuatan sol dengan proses kondensasi. Pembuatan

Bu Anis, 02/15/13,
Ini pnelitian siapa???
Bu Anis, 02/15/13,
larutan. (tanpa spasi)
Bu Anis, 02/15/13,
(tahun publiasi)
Bu Anis, 02/15/13,
hapus
Page 16: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

38

sol urania berdasarkan proses kondensasi dilakukan dengan cara mengekstraksi

larutan U(IV) nitrat menggunakan pelarut organik (alkohol atau amina alifatik

berantai panjang). Pada proses ekstraksi tersebut, asam nitrat akan terekstrak dari

larutan dan pertumbuhan kristal uranium (IV) oksida akan terjadi.

Pada penelitian Pembuatan Kernel U3O8 Metode Gelasi Eksternal Mengunakan

Zat Aditif PVA dan Penstabil THFA ini, pembuatan sol dilakukan dengan proses

dispersi berdasarkan pada pemecahan partikel berukuran besar (endapan) menjadi

partikel-partikel berukuran koloid. Pembuatan sol urania dengan proses disperse

diartikan dengan pelarutan UO3 maupun U3O8 dalam HNO3 atau mereduksi larutan

uranil nitrat dengan reduktor tertentu, kemudian larutan U(IV) nitrat yang diperoleh

diendapkan dengan penambahan sedikit larutan HCl atau HNO3. Larutan HNO3 atau

HCl tersebut berfungsi memutuskan ikatan antar partikel dalam endapan sehingga

endapan terdispersi menjadi partikel koloid. Pembuatan sol urania secara dispersi

dilakukan dengan cara melarutkan UO3 atau U3O8 dalam HNO3, dengan suhu

pelarutan antara 50-60 ˚C, sehingga diperoleh ADUN( Acid Deficient Uranil nitrate).

Larutan sol atau umpan gelasi merupakan campuran dari larutan ADUN yang

telah dilakukan prenetralisasi dengan ammonia hingga mencapai pH tertentu, PVA ,

dan THFA. Larutan umpan ini merupakan koloid dengan cara pembuatan secara

dispersi, dimana pendispersinya merupakan zat aditif dan fase terdispersinya

merupakan oksida uranium dalam uranil nitrat, proses ini disebut peptisasi. Larutan

uranil nitrat (ADUN) dan PVA merupakan dua cairan yang tidak saling campur saat

disatukan dalam bejana, disinilah diperlukan pemanasan hingga kurang lebih 70˚C

Page 17: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

39

serta THFA untuk menstabilkan larutan umpan disetiap proses. Pada pencampuran ini

terbentuk emulsi, yang jika didiamkan dalam waktu yang lama akan terbentuk dua

lapisan. Larutan sol ini memiliki sifat liofil atau suka air, hal ini dapat dilihat dari

sifat-sifatnya antara lain mantap (stabil), mengandung zat organik, kekentalan tinggi,

tidak menunjukkan gerakkan brown, kurang menunjukkan efek tyndall, umumnya

dapat dibuat gel dan umumnya dibuat dengan metode dispersi

Menurut Kyung-Chai Jeong, et al. (2007), penyiapan kernel dimulai dengan

melarutkan serbuk uranium oksida dalam asam nitrat. Uranium trioksida dipilih

sebagai materi dasar, karena larutan UN masih sedikit asam, maka dilakukan

prenetralisasi dengan larutan ammonia hingga mencapai pH tertentu sebelum

presipitasi. Prenetralisasi mempengaruhi solidifikasi selama proses gelasi. PVA

ditambahkan untuk mengatur viskositas larutan dan menstabilkan bentuk kebulatan

dari butiran gel. Disini THFA diperlukan sebagai aditif untuk menghindari berbagai

kerusakan yang disebabkan oleh penyusutan partikel komponen ADU selama gelasi

dalam larutan ammonia, aging dan pencucian.

Gambar 3.4. dan 3.5. menunjukkan serbuk uranium oksida dan larutan uranil

nitrat.

Page 18: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

40

Gambar 3.5. Serbuk Uranium oksida (UO3) Gambar 3.6. Larutan uranil nitrat

3.7. Proses Gelasi

Gelasi didefinisikan sebagai proses perubahan suatu tetesan sol (larutan umpan )

yang bergerak bebas dalam suatu medium cair menjadi butiran gel dengan ukuran

tertentu. Proses gelasi dibagi menjadi dua, yaitu gelasi internal dan gelasi eksternal.

Pada proses gelasi internal gelasi terjadi akibat adanya reaksi kimia pada butiran,

dengan adanya kenaikan suhu maka terjadilah pengendapan logam berat. Umpan

berupa sol urania seperti pada proses KFA (Jerman) maupun larutan ADUN pada

proses KEMA (Belanda ) dan ORNL (Amerika). Pada proses ini, larutan ADUN atau

sol urania ditambahkan urea dan HMTA (heksametilen tetramin, C6H12N4) pada suhu

0-10˚C. Urea berfungsi membentuk senyawa kompleks uranil urea yang dapat larut

dalam air dan untuk mencegah terjadinya komplek uranil nitrat HMTA yang tidak

larut dalam air. Larutan umpan tersebut kemudian diteteskan dalam larutan medium

organik panas. Medium organik yang sering digunakan dalam gelasi ini antara lain:

paraffin cair, silikon cair, CCl4, 2-etil heksanol dan trikloroetilen. Kelebihan proses

Page 19: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

41

gelasi internal antara lain proses gelasi yang berlangsung cepat dan diperoleh partikel

dengan diameter 10 µm sampai dengan 1500 µm. Kekurangan dari proses gelasi

internal antara lain memerlukan kolom medium yang panjang antara 2-3 m, kolom

berisi medium dengan suhu yang tinggi, sehingga cukup berbahaya.

Adapun proses gelasi eksternal banyak dikembangkan untuk membuat kernel

ThO2 atau campuran ThO2 dan UO2. Prinsip gelasi eksternal berdasarkan difusi NH3

ke dalam tetesan sol sehingga sol mengendap dan membentuk butiran gel. Sol dibuat

dengan cara melarutkan uranil nitrat (ADUN) yang telah diprenetralisasi dengan

ammonia, dalam PVA dan THFA dengan magnetik stirrer, disertai pemanasan.

Pengendapan gel dilakukan dengan meneteskan sol kedalam kolom yang berisi gas

dan larutan NH3 pekat. Saat tetesan sol melewati gas NH3 maka gas NH3 akan

terdifusi ke dalam permukaan sol sehingga permukaan sol mengeras dan terbentuk

butiran. Aditif yang biasa digunakan dalam proses ini antara lain: methocel, THFA,

PVA dan SPAN-80. Pembuatan gel dengan proses gelasi eksternal yang telah

dilakukan antara lain proses SNAM dan proses emulsifikasi NUKEM. Keseluruhan

proses sol gel untuk prosedur pembuatan kernel, menggunakan presipitasi UO22+

dalam larutan UO2(NO3)2 dengan NH3 untuk menghasilkan partikel komponen ADU

yang berbentuk butiran gel mikrosperis.

Proses gelasi eksternal menggunakan teknologi sol-gel menghasilkan produk

dengan kualitas tinggi, perlakuan suhu rendah serta kontrol komponen yang mudah

(Kyung-Chai Jeong, et al. 2007). Kelebihan proses gelasi eksternal antara lain mudah

dalam penyiapan umpan awal, proses gelasi dilakukan pada suhu kamar, tidak

Page 20: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

42

memerlukan penambahan zat kimia tertentu pada larutan umpan untuk membantu

terjadinya proses gelasi. Kekurangan proses gelasi eksternal antara lain waktu yang

dibutuhkan lama, gel yang dihasilkan kurang stabil karena mudah berubah menjadi

sol (peptisasi) jika terkena air, sulit untuk menghasilkan kernel dengan ukuran kurang

dari 800µm, serta tidak mampu menghilangkan sisa nitrat pada butiran gel, sehingga

menyebabkan keretakan pada proses pemanasan lebih lanjut. Gambar 3.7.

menunjukkan diagram alir untuk preparasi bahan bakar kernel UO2 .

Gambar 3.7. Diagram alir untuk preparasi bahan bakar HTGR

Page 21: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

43

3.8. Proses Perendaman dan Pencucian

Tujuan perendaman adalah menyempurnakan proses gelasi agar terjadi

pertumbuhan butir sehingga diperoleh gel yang cukup stabil. Pencucian bertujuan

untuk menghilangkan medium gelasi dari permukaan gel, menghilangkan sebagian

besar nitrat, sisa-sisa bahan aditif yang ditambahkan pada umpan gelasi dan hasil

samping dari proses gelasi di dalam gel serta untuk menyempurnakan proses

hidrolisis uranium pada gel. Untuk proses gelasi yang menggunakan bahan organik

sebagai medium gelasi, proses pencucian dapat dilakukan dengan pelarut organik

yang mudah menguap. Pelarut organik yang biasa digunakan antara lain: CCl4,

Isopropil alkohol, aseton, dan heksana. Sebelum pencucian, gel memiliki rumus

umum: UO2(NO3)Y(OH)2-Y.H2O sedangkan setelah pencucian mempunyai rumus

umum UO2(OH)2.2H2O.

Pencucian dan perendaman gel dengan NH4OH encer dapat menyempurnakan

proses hidrolisis uranium dan dapat memperbaiki kualitas kernel yang dihasilkan.

3.9. Proses Pengeringan

Butiran gel uranium yang telah dicuci dikeringkan pada suhu 100˚C, pengeringan

dilakukan secara bertahap untuk menghindari keretakan selama pengeringan.

Menurut Haas, dkk(1979:38), pencucian ini bertujuan untuk menghilangkan

medium organik yang menempel pada permukaan gel, menghilangkan sebagian besar

nitrat, dan sisa-sisa bahan aditif yang ditambahkan pada umpan gelasi.

Page 22: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

44

Medium gelasi yang menempel pada permukaan gel harus dihilangkan karena

dapat mengganggu pada proses pengeringan dan pemanasan. Medium organik

mempunyai titik didih tinggi (lebih dari 100˚C) dapat menutupi pori-pori pada

permukaan gel, sehingga menghambat penguapan air dan zat-zat volatil yang tidak

dibutuhkan dari dalam butiran serta dapat menyebabkan keretakan butiran gel pada

proses pemanasan.

Bambang Herutomo (1998:27) menyatakan bahwa laju pemanasan pada

proses pengeringan perlu dioptimasi. Jika laju pemanasan terlalu tinggi, dapat

menyebabkan keretakan gel karena penguapan air dan bahan volatil lain dalam

butiran gel terlalu cepat, sedangkan jika laju pemanasan terlalu lambat dapat

menyebabkan pengerutan (shrinkage) butiran gel dan penutupan pori sehingga dapat

mengganggu jalannya proses selanjutnya. (Abdel Halim dkk, 1987:1072) menyatakan

bahwa proses pengeringan yang baik dilakukan pada laju pemanasan 5˚C/menit. Pada

penelitian ini, dilakukan sampai tahap kalsinasi saja.

3.1.0. Kalsinasi

Salah satu proses yang penting dalam pembuatan bahan bakar kernel UO2 adalah

kalsinasi. Kalsinasi merupakan suatu bentuk perlakuan panas suhu tinggi. Dalam

proses sol-gel emulsifikasi NUKEM, kalsinasi dapat diartikan sebagai suatu proses

pemanasan butiran gel uranium-PVA-NH3 (U-PVA-NH3) hingga terbentuk senyawa

uranium oksida (U3O8). Dalam rangkaian pembuatan bahan bakar kernel UO2,

Page 23: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

45

kalsinasi dilakukan sebelum proses reduksi dan dilakukan dalam atmosfer udara.

Tujuan dari kalsinasi adalah untuk menghilangkan semua zat yang tidak dibutuhkan

dari dalam butiran gel (senyawa non uranil) serta untuk membentuk kernel U3O8

(Herhadi dkk, 2007).

3.1.1. Reduksi

Proses ini bertujuan mengubah U3O8 menjadi UO2. U3O8 perlu diubah menjadi

UO2 karena lebih stabil pada suhu tinggi, serta memiliki kerapatan tinggi, sesuai

untuk bahan bakar nuklir. Proses ini dilakukan dalam tungku reduksi dalam

lingkungan gas H2. Reduksi berlangsung kurang lebih selama 2 jam pada suhu 800-

900˚C. Suhu yang terlalu tinggi memungkinkan terjadinya pelelehan sehingga dapat

menutup pori-pori. Prosesnya sangat dipengaruhi oleh suhu , tekanan parsial, zat

reduktor, komposisi dan sifat-sifat fisis dari oksida asal. Proses reduksi meliputi

proses kimia yaitu reduksi U3O8 menjadi UO2 dengan reaksi:

1/3 U3O8 (s) + 2/3 H2(g) UO2 (s) + 2/3 H2O (g)

3.1.2. Sintering

Sintering yaitu pemanasan pada suhu mendekati titik leleh UO2 yang bertujuan

untuk menaikkan kerapatan dan memperbaiki sifat fisik butiran kernel UO2. Dari

proses ini diharapkan diperoleh kernel UO2 dengan kerapatan tinggi mendekati

kerapatan teoritisnya.

Page 24: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

46

Herutomo( 1998:27) melaporkan bahwa kerapatan kernel yang dihasilkan

dipengaruhi oleh laju pemanasan dan lama proses sintering.

Proses sintering harus bebas dari O2 supaya tidak terjadi oksidasi. Biasanya mikro

butiran UO2 dimasukkan ke dalam furnace yang terus menerus dialiri gas H2 dan

dipanaskan pada suhu tinggi (1100-1800˚C). Setelah proses sintering akan diperoleh

kernel UO2 tersinter.

3.1.3. Karakterisasi

3.1.3.1. Penentuan Kerapatan U3O8 Menggunakan Piknometer

Penentuan kerapatan dapat dilakukan dengan alat autopiknometer maupun

piknometer. Pada penelitian ini, digunakan piknometer untuk mengukur kerapatan

sejati.

Ada beberapa macam kerapatan, padatan maupun serbuk, karena adanya

perbedaan struktur mikro. Kerapatan tersebut antara lain kerapatan sejati, rapat curah,

dan rapat goyang. Pada penelitian ini, digunakan kerapatan sejati.

Rapat sejati merupakan perbandingan massa terhadap volume yang ditempati oleh

massa tersebut. Rapat sejati ditentukan dengan mengukur banyaknya zat cair yang

dipindahkan bila padatan tersebut dimasukkan ke dalam zat cair yang inert.

Metode analisis untuk penentuan rapat sejati zat padat menggunakan piknometer

didasarkan pada penetrasi cairan ke dalam seluruh ruangan kosong. Cairan yang

digunakan harus inert dengan zat padat yang dapat ditentukan rapat sejatinya. Sebagai

Page 25: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

47

contoh, untuk uranium dioksida digunakan CCl4 atau aseton. Pada penelitian ini

digunakan CCl4 untuk mengukur kerapatan U3O8.

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya hargan rapat sejati padat

dengan menggunakan cairan antara lain:

1) Banyaknya pori-pori

Serbuk yang memiliki pori-pori lebih banyak akan mempunyai sifat rapuh.

Keadaan ini ditunjukkan oleh nilai rapat sejati yang rendah. Sebaliknya, serbuk

dengan jumlah pori-pori yang sedikit akan mempunyai nilai rapat sejati yang tinggi

dan bersifat mampat.

2) Waktu kontak serbuk dengan cairan

Selama analisis akan terjadi kontak antara serbuk dengan cairan. Makin lama

waktu kontak antara serbuk dengan cairan maka kesempatan cairan untuk

berpenetrasi akan lebih sempurna, tetapi keadaan ini akan mencapai titik

optimumnya, yaitu penambahan waktu kontak, nilai rapat sejati tidak dapat

mengalami perubahan lagi.

3) Macam cairan penetrasi

Macam cairan akan berpengaruh terhadap kemampuan cairan untuk masuk ke

dalam pori-pori. Makin ringan cairannya, akan memberikan waktu penetrasi yang

Page 26: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

48

lebih singkat. Oleh karena itu sebaiknya digunakan cairan yang ringan. Kerapatannya

dapat dihitung setelah massa dan volume sampel diukur dengan rumus sebagai

berikut:

ρ Kernel = (1)

dengan:

a : volume piknometer

b :Berat kernel atau gel

c : volume kloroform

3.1.3.2. Analisis Kebulatan Kernel Menggunakan Mikroskop Optik

Untuk melihat kebulatan kernel (sphericity) digunakan mikroskop optik,

perbesaran yang digunakan adalah 40 kali.

Mikroskop (bahasa Yunani: micros = kecil dan scopein = melihat) adalah

sebuah alat untuk melihat objek yang terlalu kecil untuk dilihat dengan mata kasar.

Ilmu yang mempelajari benda kecil dengan menggunakan alat ini disebut mikroskopi,

dan kata mikroskopik berarti sangat kecil, tidak mudah terlihat oleh mata.

Struktur mikroskop

Ada dua bagian utama yang umumnya menyusun mikroskop, yaitu:

Page 27: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

49

1. Bagian optik, yang terdiri atas kondensor, lensa objektif, dan lensa okuler.

2. Bagian non-optik, yang terdiri atas kaki dan lengan mikroskop, diafragma, meja

objek, pemutar halus dan kasar, penjepit kaca objek, dan sumber cahaya.

Perbesaran

Tujuan mikroskop cahaya dan elektron adalah menghasilkan bayangan dari benda

agar menjadi lebih besar. Pembesaran ini tergantung pada berbgai faktor, diantaranya

titik fokus kedua lensa( objektif f1 dan okuler f2, panjang tubulus atau jarak(t) lensa

objektif terhadap lensa okuler, dan yang ketiga adalah jarak pandang mata

normal(sn). Rumus:

(2)

Sifat bayangan

Baik lensa objektif maupun lensa okuler keduanya merupakan lensa cembung.

Secara garis besar lensa objektif menghasilkan suatu bayangan sementara yang

mempunyai sifat semu, terbalik, dan diperbesar terhadap posisi benda mula-mula, lalu

yang menentukan sifat bayangan akhir selanjutnya adalah lensa okuler. Pada

mikroskop cahaya, bayangan akhir mempunyai sifat yang sama seperti bayangan

sementara, semu, terbalik, dan lebih lagi diperbesar. Pada mikroskop elektron

bayangan akhir mempunyai sifat yang sama seperti gambar benda nyata, sejajar, dan

Page 28: pembuatan kernel U3O8 metode gelasi eksternal

50

diperbesar. Jika seseorang yang menggunakan mikroskop cahaya meletakkan huruf A

di bawah mikroskop, maka yang ia lihat adalah huruf A yang terbalik dan diperbesar.

Gambar 3.8 menunjukan mikroskop digital dan Gambar 3.9 menunjukkan Mikroskop

optik.

Gambar 3.8. Mikroskop digital Gambar 3.9. Mikroskop optik