Pengaruh temperatur Pengerolan Petal Elemen bakar terhadap Kekerasan dan Panas Jen;snya (Masrukan)

PENGARUH TEMPERA TUR PENGEROLAN PELA T ELEMENDAKAR TERHADAP KEKERASAN DAN PANAS JENISNY A

Masrukan daDAslinaB.GStafPeneliti Puslitbang Teknologi Bahan Bakar Nuklir dan Daur Ulang-BA TAN

ABSTRAK

PENGARUH TEMPERA TURPENGEROLAN PELA T ELEMEN DAKAR TERHADAP KEKERASAN DAN PANAS

JENISNY A. Telah dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh temperatur pengerolan terhadap pelat elemen bakar (PEB)

terhadap kekerasan daD panas jenisnya. Mula-mula komposit demen bakar yang terdiri atas Ups-AI sebagai inti dan pelatAIMgSi I sebagai kelongsong dirol pads temperatur425, 450, 475, 500 dan 525"C dengan deformasi tetap sehingga menjadi pelatelemen bakar (PEB). PEB hasil pengerolan panas selanjutnya diuji kekerasan dan panas jenisnya. Hasil uji kekerasan mikro darisuatu temperatur pengerolan menunjukkan kekerasan yang hampir sarna antara daerah sekitar antarmuka dengan tempat yanglebihjauh (300 mm). Untuk antar temperatur pengerolan terlihat semakin tinggi temperatur pengerolan menyebabkan kekerasanrata-ratanya semakin naik. Kenaikan kekerasan mencapai optimum pads temperatur 500 "C. Sementara itu, pads pengukuranpanas jenis diperolah hasil untuk suatu temperatur pengerolan terjadi kenaikan panas jenis pads pengukuran sampai temperatur250 °C kemudian menurun daD naik lagi setelah melampaui temperatur 350 "C. Apabila dilihat antar temperatur pengerolannyaterlihat kenaikan panas jenis dengan naiknya temperatur pengerolan. Dengan melihat hasil uji kekerasan dan panas jenisnya,maka temperatur pengerolan maksimum dalam pembuatan PEB adalah pads temperatur 500 "C.

ABSTRACT

EFFECTS OF ROLLING TEMPERATURE ON THE HARDNESS AND REA T CAPACITY OF FUEL ELEMENT

PLATE. An experiment on the effects of rolling temperature variation on the hardness and heat capacity of fuel element plate has

been carried out. The fuel element composite, which comprises Up.-AI as the fuel meat and AIMgSi as the fuel cladding, wasrolled at various temperature of 425,450, 475, 500, and 525.C with constant deformation into fuel elementt plate. Microhardnesstest ofthe fuel element plate of a given rolling temperature showed that there was a similiarity in the hardness value along the areabetween interface area and more distant area (300 mm). The average hardness increased with increasing temperature and achievedan optimum hardness at 500 oC. On the other hand, the heat capacity ofthe fuel element of a given rolling temperature increasedwith increasing temperature up to 250 .C which then decreased with increasing temperature at temperature range between 250and 350.C and increased with increasing temperature at above 350 .C. The heat capacity of the fuel element increased withincreasing roIling temperature. Based on the hardness and heat capacity test results, the maximum roIling temperature in theproduction offuel element plate was obtained at 500 .C.

Kata kuncl: AIMgSi I, Temperatur, Pengerolan, Kekerasan dan Panas lenis.

PENDAHULUAN

Pelat clemen bakar (PEB) reaktor riset terdiri dari

bahan bakar UJOs-AI atau paduan UxSi -AI yangditutup dengan paduan aluminium darijenis AIMg2 atauAIMgSi.. Pengembangan bOOanbakar maju berdensitastinggi dari paduan UxSiy sedang dilakukan oleh PusbangTeknologi Bahan Bakar Nuklir clanDaur Ulang (P2TBDU)untuk mengganti bahan bakar yang telah ads yaitu

Ups-AI. Pads fabrikasi menjadi pelatelemen bakar(pEB),antara pelat tutup clan pelat bingkai aksu mengalamiproses pengerolan panas. Akibat pengerolan panastersebut, antarmuka (sambungan) pelat akan mengalamipeningkatan kekerasan. Distribusi kekerasan di sekitarantarmuka menggambarkan difusi un sur yang ads.Peningkatan kekerasan terjadi akibat adanya deformasiyang menyebabkan adanya difusi atom di sekitarantarmuka. Seisin itu, selama di dalam reaktor PEB akan

mengalami reaksi fisi, timbul panas clan interaksi aurora

bahan bakar dengan kelongsong [I]. Panas yang terjadiakibat reaksi fisi tersebut barns segera dibuang kelingkungan melalui kelongsong bOOan bakar. Banyaksedikitnya panas yang dapat dipindahkan ke sekelilingdipengaruhi oleh sifat daTi bahan bakar clan kelongsongitu sendiri yaitu panas jenis yang dimiliki (Cp). Bahanyang mempunyai panas jenis tinggi akan mampumemindahkan panas lebih besar clandemikian sebaliknya.Kelongsong bOOanbakar diharapkan mempunyai panasjenis yang cukup besar agar dapat memindahkan panassecara cepat.

Dalampenelitianinidilakukanpenelitianuntukmelihatpengaruh temperaturpengerolan terhadap kekerasan dan panasjenis kelongsong. Dengan mengetahui kekersan dan panasjenisnya maka dapat diketahui temperatur perolan yang tepatdari kelongsong bahan bakar dalam pembuatan PEB. Bahanbakar yang digunakan dalam penelitian ini adalah oksidaUps-AI dengan kelongsong paduan AIMgSi..

219

Pengaruh temperatur Pengerolan Pelat Elemen bakar terhadap Kekerasan dan Panas Jenlsnya (Masrukan)

Tabel 1. Hasil Uji Kekerasan Mikro (Hv) Pelat Elemen Bakar (PEB) Dalam Arab Sejajar Pengerolan

a, Temperatur Pengerolan 425 "C

KekeraSan rata-rata (1+2+3) = 53 Hv

Rentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (51,1-55,2) Hv

b, Temperatur Pengerolan 450 "C

Kekerasan rata-rata (1+2+3) = 54,8 HvRentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (54,1-55,1) Hv

c, Temperatur Pengerolan 475 "C

Kekerasan rata-rata (1+2+3) = 55,9 HvRentang kekerasn rata-rata (1+2+3) = (54,2-57,7)Hv

d, Temperatur Pengerolan 500 "C

Kekerasan rata-rata (1+2+3) = 60,8 HvRentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (59,7-62) Hv

No Jarak <Irata-rata Hv rata-rata <Irata-rata Hv rata-rata <Irata-rata Hv rata-rata(I'm) (mm) (mm) (mm)

Tltik I Tltik 1 Tltik 2 Tltik 2 Tltik 3 Tlttk 3I 300 60 51,5 58,7 53,8 53,7 64,32 200 59,2 52,9 54,5 54,2 55,1 61,13 100 58,9 53,4 59,5 52,4 54,6 62,24 0 58,9 54,2 58,l 54,6 54 63,65 -50 58,5 54,2 60 51,1 58 55,16 -150 60 51,5 60 51,1 58 55,17 -200 59,2 52,9 60,2 Sl,5 58,7 53,78 -350 60 51,5 60,2 Sl,5 58,7 53,7

Rata-rata 59,3 52,8 59,4 52,5 '8,7 '3,8Rentans (58,5-60) (5 1,5-54,2) (54,5-60,2) (51,5-54,6) (53,7-58,7) (51,5-53,7)

No Jarak <Irata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata(11m) (mm) (mm) (mm)

Tltik I Tltik I Tltlk 2 Tltik 2 Tltik 3 Tltik 31 300 57,5 56,1 58,5 54,2 60 '1,52 200 57,5 56,1 58,5 54,2 59 53,33 100 58 55,1 58,5 54,2 56,5 58,14 0 57,7 55,7 60 5 I ,5 56,2 58,65 -50 58,5 54,2 56,5 58,1 58,7 53,76 -150 58 55,1 56,7 57,6 58,5 54,27 -200 57,7 55,7 56,1 57,5 58,9 53,38 -350 - -

Rata-rata 57,8 55,4 58,2 54,8 58,5 54,2Rentans (54,2-56,1) (54,2-56,1) (58,2'54,8) (54,2-58,1) (56,2-60) (54,2-58,6)

No larak d rata-rata Hv rata-rata d rata-ra', Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata(11m) (mm) (mm) (mm)

Tllik 1 Tillk 1 Titik 2 Titik 2 Titik 3 Tltik 31 300 57,5 56,1 58,1 54,9 56,5 58,12 200 58 55, I 56,1 58 58 55,13 100 57,4 56,3 59,2 52,9 57 57,14 0 57,7 55,7 56,7 57,7 57,5 56,15 -50 57,6 55,9 57 57,1 58,2 54,76 -ISO 57,S 57,S 57,S 56,1 58 55,17 -200 58,2 54,9 58 55,1 57,S 56,18 -350 - - - - - -

Kata-rata 57,7 55,7 57,52 56,1 57-;5 ,Rentans (57,4-58,2) (54,9-56,1) (54,1- 58,9) (52,9-58,9) (56,5-58,2) 54,7-58,1)

No Jarak d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata

(11m) (mm) (mm) (mm)Titik I Tiuk 1 Tltik 2 Tltlk 2 Tlttk 3 Tltik 3

I 300 55,2 60,8 55,6 60 55 6T;r2 200 55 61,3 55,2 60,8 55,5 60,23 100 55 61,3 54,5 62,4 55,5 60,24 0 54,7 62,4 55,7 59,5 55,7 59,85 -50 54,7 62 56 59,1 54,5 61,36 -150 54,5 62,4 55 61,3 56 59,17 -200 54,7 62 55,5 60,1 55,7 59,88 -350 - - - - - -

Rata-rata 54,8 61,7 54,1 60,5 55 60;rRentang (55,2-54,7) (60,8-62,4) (54,1-5.,7) (59,1-62,4) (55-55,7) (59,1-61,3)

Pros/ding Pertemuan IlmJah Ilmu Pengetahuan don Teknologi Bahan '99Serpong, 19 -20 Oktober 1999 ISSN 1411-2213

,"e. Temperatur Pengerolan 525 DC

Kekerasan rata-rata (1+2+3) = 61,8 Hv

Rentang kekerasan rata-rata (1+2+~) =60:8~';~) Hv

Tabel 1. Hasiol Uji Kekerasan Mikro (Hv) Pelat .. Elemen Bakar (PEB) Dalam Aarah Melintan,g

a. Temperatur Pengerolan 425 DC

Kekerasan rata-rata (\+2+3) = 53,5 HvRentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (51,1-55,1) Hv

b. Temperatur Pengerolan 450 DC

Kekerasan rata-rata (\+2+3) = 55,2 HvRentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (54,2-56,8)Hv

c. Temperatur Pengerolan 475 DC

Kekerasan rata-rata (1+2+3) = 57,4 Hv

Rentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (56,1-58,7) Hv

No Jarak d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata

(IJm) (mm) (mm) (mm)ltik I Tlilk I Tltik 2 Tlilk 2 Tltlk 3 Tllik 3

I 300 54,9 61,5 55,6 60,2 54,7 622 200 54,2 63,3 55 61,3 55,2 60,83 100 54,8 61,8 54 63,6 54,5 62,44 0 54.7 62 54,5 63,4 54,8 61,75 -50 54,7 62 54,3 62,9 54,3 636 -150 54,5 60,2 55,4 60,4 55,1 61,37 -200 54,4 62,6 55 61,3 54,5 62,58 -350 - - - - - -

Rata-rata 54,7 61,9 54,8 61,3 54,7 61,9Rentang (55,2-54,9) (60,2-63,6) (54 - 55 ) (60,2,1-63,6) (54,3-55,2) (60,8,1-62,5)

No Jarak d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata(IJm) (mm) (mm) (mm)

Titik I Titik I Titik 2 Titik 2 Tltik 3 Tlilk 3I 300 60 SI,I 60 51,1 59,5 52,42 200 57,7 55,6 59,2 55,6 58,5 54,23 100 59 53,1 60 51,1 58,7 53,84 0 58,5 54,0 60 SI,I 59,2 52,95 -50 58,7 54,1 60 SI,I 60 51,56 -150 58,7 53,9 59,2 52,9 59,7 527 -200 60 57 59 53,3 59,5 52,48 -350 - - - - - -

Rata-rata 58,9 55,6 59,6 52,3 59,3 52,5Renlang (57,7-60) (SI,I-55,6) (59,2-55,6) (51,1-55,6) (59,2-60) (52-54,9)

No Jarak d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rala-rata(IJm) (mm) (mm) (mm)

Titik I Titik I Titik 2 Titik 2 Titik 3 Titik 3I 300 58,5 54,3 58 55,1 58,2 54,72 200 58,5 54,3 57,2 56,7 58 55,13 100 57,7 55,7 57,2 56,7 57 57,14 0 59 53,3 58 55,1 58,4 54,45 -50 58,3 54,6 57,5 56,1 57,5 56,16 -150 58,3 54,6 58,4 54,4 58,7 53,87 -200 57 57,1 57,5 56,1 58,5 54,28 -350 - - - -

Rala-rata 58,2 54,9 57,7 55,7 58 55,1Rentang (57-59) (53,3-57,1) (57,2-58,4) (55,1-56,1) (57-58,7) (53,8-57,1)

No Jarak cI rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata

(J.1m) (mm) (mm) (mm)Titik I Titik I Titik 2 Titik 2 Titik 3 Titik 3

I 300 56,2 58,7 57 57,1 58 55,12 200 57 57,1 56,7 57,7 58 55,13 100 56,8 58,1 56,2 58,7 57,5 56,14 0 56 59,1 56 59,1 57,2 56,75 -50 55,8 59,5 56,5 58,1 56,8 57,56 -150 56,2 58,7 57,5 56,1 57 57,17 -200 57 57,1 57,5 56,1 57,5 56,18 -350 - - - - - -

Rata-rata 55,2 58,3 56,7 57,6 57,4 56,2Rentang (54-56) (57,1-59,5) (56-57,5) (56,1-59,1) (56,8-57,5) (55,1-58,7)

Pengaruh temperatur Pengerolan Petal Elemen bakar terhadap Kekerasan dan Panas Jenlsnya (Masrukan)

d. Temperatur Pengerolan 500 "C

Kekerasan rata-rata (1+2+3) = 60,4 HyRentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (58,9- 62,9) Hy

e. Temperatur Pengerolan 525 "C

Kekerasan rata-rata (1+2+3) = 61,83 HyRentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (50,5- 62,9) Hy

sarna pula. Apa hila diamati basil uji kekerasan antartemperatur pengerolan seperti tertera pada Gambar 3terlihatkenaikankekerasanapabilatemperaturpengerolansemakin naik. Kekerasan rata-rata pada temperaturpengerolan 425,450,475,500 clan525 °Cberturut- turutadalah 53, 54,8; 55, 60,8clan61,8Hv untukarab sejajarpengerolan dan53,5; 55,2; 57,4; 60,4dan61,8 Hvuntukarab melintang. Kondisi ini disebabkanpada temperaturpengerolan yang semakin tinggi clan dengan adanyadeformasi menyebabkan semakin rapatnya antarmukayang terjadi clan semakin besamya difusi. Difusidipengaruhi oleh waktu (t) clantemperatur (T), sehinggasemakin tinggi temperatur pengerolan semakin besardifusiunsur-unsurke arabantarmuka[2].Namun,apabHadiamati kenaikan kekerasan akibat temperaturpengerolannya dapat dilihat bahwa kenaikan kekerasanmencapai optimum pada temperatur pengerolan 500 °Cyaitudari 55Hv (temperaturrol475 °C) menjadi60,8 Hv(temperaturrol500 °C)untuksejajararabpengerolanclandari 57,4 Hv (temperatur rol475 °C) menjadi 60,4 Hv(temperatur rot 500 °C). Hal ini disebabkan laju difusidari unsur-unsur pemadu telah mencapai optimum padatemperaturtersebutmeskipunterjadikenaikantemperatur,tetapitidakmemberikan kenaikankekerasanyangberarti.Olehkarena itupengeroalanPEBdibatasipada temperatur500 °C. Selain faktor tersebut diatas pengerolan diatas500 °C dapat menyebabkan permukaan bagian luarterkelupas sehingga gelembung udara masuk clanmengakibatkan pelepuhan (blister) [1].

Analisis Panas Jenis (Cp)

HasHpengukuran panas jenis yang diukur padatemperatur 100, 150,200, 250 clan300 °C untuk setiapsampel ditampilkan dalam bentuk gambar yaitu padaGarnbar 3. Dari Gambar 3 dapat dilihat bahwa panasjenis untuk PEB yang diukur pada temperatur 100, 150,200, 250 clan300 °C clandirol pada temperatur 425 °Cmempunyaipanasjenis sebesar0,32; 0,44;0,51; 0,57 clan0,17 Jig °C.Demikianpula untuk temperatur pengerolan450,475,500 clan525°Cmempunyaikecenderunganyangsarnadimanapanasjenisnya akan naik sarnpaitemperatur250 °C kemudian menurun clan akan naik lagi setelahmencapai temperatur 350 °C. Keadaan tersebutdisebabkan pada temperatur 250 °Cterjadirekristalis~.dati petal AIMgSiI sehingga panas yang ada digunakanuntuk proses tersebut (pengintiartbutir baru). Setain it1.t,petal dati paduan AIMgSil merupakan paduan yangdapat dikeraskan dengan perlakuan panas (agehardening) [3,4], dimana paduan tersebut mengalarnitranformasi rasa karena adanya endapan (MgzSi)sehingga setelah mencapai temperatur 250 °C sebagianpanas yang masuk digunakan untuk pertumbuhanendapan yang mengakibatkan panas jenisnya menurun[3,4]. Namun, setelah pertumbuhan endapan s~lesai(setelah temperatur 350°C)terjadi kenaikan panas jenislagi.Apabila dilihattemperatur pengerolannya, semakintinggi temperatur pengerolan semakin besar panasjenisnya misalnya pada pengukuran temperatur 100 °C

No Jarak d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata . Hv rata-rata

(j.lm) (mm) (mm) (mm)Titik 1 Titik 1 Titik 2 Titik 2 Titik 3 Tttik 3

1 300 54 63,6 56,7 57,6 55,1 61,12 200 55 61,3 57 57,1 55 61,33 100 55,1 61,1 54 63,6 54,S 61,34 0 55 61,3 55,2 60,S 54,S 61,75 -50 55,1 60,2 56,2 5S,5 55 62,46 -] 50 56 59,] 55 6],3 55,2 61,37 -200 55,S 60,2 55,S 60,2 55,S 60,SS -350 - - - - - -60,2

Rata-tata 55,2 60,] 55,6 59,S 55 61,3

Rentang (54-56) (59,1-63,6) (55-56,7) (57,]-63,6) (55-55,S) (60,2-61,7)

No Jarak d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata Hv rata-rata d rata-rata . Hv rata-rata

(j.lm) (mm) (mm) (mm)Titik 1 Tltik 1 TltIK2 Tltlk 2 Tltik 3 Tltik 3

1 300 55,2 60,S 54,7 62 55,2 60,S2 200 55 6],3 54,S 64,4 55 6],33 ]00 54,S 61,7 54 63,6 54,S 61,74 0 54,7 62 53,7 64,3 54,S 62,45 -50 54,S 62,4 54,S 62,4 54,7 62

6 -] 50 55,7 59,7 54 63,6 55 6],37 -200 55,2 60,7 54,8 6],7 55,5 60,2S -350 - - - - - -

Rata-rata 55 60,1 54,3 62,86 54,9 61,4

Rentang (54,7-55,7) (59,1-63,6) (53,7-54,8) (61,7-64,3) (54,7-55,5) (60,2-627)

Prosidlng Pertemaan llmiah lima Pengetahuan dun Teknologi Bahan'99Serpong, 19 -20 Oktober 1999 ISSN 1411-2213

panas jenis PEB yang dirol pada temperatur 425, 450,475,500 daD525 DCadalah sebesar0,32; 0,50; 0,63; 0,64daD0,70 Jig DC.Demikian pula untuk pengukuran padatemperatur 150, 200, 250 daD 300 DCmempunyaikecenderungan yang sarna yaitu apabila temperaturpengerolansemakintinggisemakinbesarpulapanasjenisyangterjadi.Keadaaninidapatdijelaskanbahwa semakintinggi temperatur pengerolan maka semakin rapatantarmuka yang terjadi clansemakin rapat pula jarakantaraatom-atomnya.Dengan semakinrapat jarak antaraatom-atomnya maka semakin besar panas yangdibutuhkanuntuk menaikkan temperaturtiap derajat tiapgramnya.

Dari pengujian kekerasan daDpanas jenis PEByang dirol pada berbagai temperatur maka dapat dilihatkorelasi antara kekerasan clanpanas jenisnya. Dengankala lain bahwa semakin tinggi temperatur pengerolansemakin tinggipula kekerasan clanpanasjenisnya yangdisebabkan semakin rapatnya jarak antara antom yangterjadi.

0.9

0.8

0.7

0.6

i 0.5:!. 0.4

0.3

..

A Temp. Rot 4750C

XTemp. Rol 500oC0.2 .0.1

XTemp.Ro15250C

0 -

0 100 400 500200 300

T(oC)

Gambar 4. Kurva panas jenis terhadap temperaturpengamatan pada berbagai temperatur pengerolan

KESIMPULAN

- PEB basil pengerolan mempunyai kekerasan yangsarna antara daerah di sekitar antarmuka dengan ditempat yang lebihjauh (sampai 300 Jim) pada suatutemperatur pengerolan. Sementara itu untuk antartemperaturpenggerolanmenunjukkankekerasanyangsei.1akin tinggi apabila temperatur pengerolansemakin tinggi pula. Kenaikan kekerasan mencapaioptimum pada temperatur pengerolan 500 DC.HasH pengukuran panas jenis menunjukan bahwauntuksuatutemperaturpengerolanbila diukur sampaitemperatur 250 DCmenunjukkan harga panas jenisyang semakin tinggi kemudian menurun daDakannaik lagisetelahmencapaitemperatur350DC.Apabiladilihat antar temperatur pengerolannya dapatditunjukkan semakin tinggi temperatur pengerolanakan semakin tinggi nilai panas jenisnya.Untuk membuat PEB diharapkan temperatur

pengerolantidakmelebihi 500 Dc.

DAFT AR PUST AKA

[I]. FROST, B R T, Nuclear Fuels Elements, 1111Edition,England, 1982

[2]. PORTER, D. A, ESTERLING, K. E, PhaseTransformation in Metal and Alloy,2ndEdition, Chapma and Hall, 1992.

[3]. MONDOLFO, L F, Aluminum Alloys: Structure andP; operties, Butterwrths, London -Boston, 1976.

[4]. POLMEAR, Light Alloy: Metallurgy of the LigthMetal, 1111Edition, London, 1981.