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