Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN 0854 - 5561

PERSIAPAN IRADIASI zry-2 TUBE DAN BAHANzry-4 Sn RENDAH

Sugondo, Futichah, Sungkono, Yatno Dwi Susanto,Djoko Kisworo, Mugiono

ABSTRAK

PERSIAPAN IRADIASI Zry-2 TUBE DAN BAHAN Zr'J-4 Sn RENDAH. Telah dilakukan

persiapan iradiasi bahan tersebut antara lain: Pembuatan kapsul dari bahan alumunium,

pembuatan sampel kelongsong Zry-2, pembuatan sampel Zircaloy-4 Sn rendah, dan

prediksi perubahan sifat bahan akibat iradiasi. Perubahan sifat yang akan diamati ialah

sifat mekanik, deformasi, creep, strain bending, korosi, perubahan fasa dan metalorafi.

Hasil persiapan yang dilakukan ialah Telah disiapkan kapsul iradiasi untuk iradiasi

bahan zirkaloi di RSG-GAS. Telah disiapkan bahan zirkaloi zircaloy-4 Sn rendah,

zircaloy-2, dan zircaloy-4 untuk diiradiasi di RSG-GAS. Perkiraan high f1uence exposure= 2.5x1 021nvt dan low f1uence eXDosure = 1.7x1 020nvt.

PENDAHULUAN

Latar BelakangA. Zry-2 tube

Zircaloy-2 merupakan bahan kelong­

song salah satu reaktor jenis Pressurized

Heavy Water Reactor (PHWR), seperti Cirene

yang ada di BTBBRD-P2TBDU. Spesifikasi

kelongsong adalah sebagai berikut. panjang500 mm, diameter luar 20 mm, tebal

kelongsong 0,51 mm. Individu kelongsong

dibuat suatu berkas elemen bakar yang

disebut bundle. Spesifikasi berkas ialah

panjang 500 mm,.~ermasuk tutup dan diameterberkas 104,6 mm.

Kelongsong tersebut telah dikarakteri­

sasi pra-iradiasinya, antara lain mikrostruktur,

sifat mekanik, dan komposisi kimia. Karakte­

risasi yang menyangkut fabrikasi meliputi

pikling, pelapisan karbon, pasivasi, danpelasan.

Tahap selanjutnya akan dilakukan

karakterisasi iradiasi dan paska iradiasi.

B. Bahan Zry-4 Sn rendahPaduan zirkonium/zirkaloi yang biasa

digunakan dalam industri nuklir, diantaranya

zircaloy-4 untuk PWR dan zircaloy-2 untuk

BWR. Dalam reaktor nuklir, zirkaloi diperlukan

sebagai pelindung bahan bakar dari pending in,

pengungkung gas hasil fisi, pemindah panas

146

(dari bahan bakar ke pendingin), dan bahan

struktur. Dengan demikian maka zirkaloi harus

mempunyai sifat mekanik yang baik, tahan

korosi pada suhu tinggi, dan serapan netron

rendah. Sebagai contoh, zircaloy-2 untuk

reaktor air didih (BWR) dan zircaloy-4

digunakan untuk reaktor air bertekanan (PWR)

dengan suhu kelongsong 349°C untuk PWRdan 390°C untuk BWR(1).

Untuk meningkatkan efisiensi daya

re8ktor maka daya komulatif harus ditingkatkan

tetapi yang menjadi masalah adalah bahwa

bahan kelongsong zircaloy-2 dan zircaloy-4tidak tahan korosi pada kondisi ini(2). Bahan

kelongsong lain yang tahan korosi ialah zirlo(Zr-1 %Nb-1 %Sn)(2). Penambahan pemadu

besi dengan konsentrasi antara 0,2% - 1%

pada paduan Zr-1%Sn dapat menurunkan laju

korosi(3) dan gejala yang sama pada paduanZr-1%Nb.

Usaha peningkatan unjuk kerja elemen

bakar PWR untuk mencapai derajat bakar 60 ­

65 GWd/t, dikembangkan zirka!ci baru yang

mengandung niobium(4). Dibandingkan sifat

ketahanan korosi di antara paduan zirkonium

maka penurunan kadar timah menunjukkanpeningkatan ketahanan korosi.(5) Berkaitan

dengan usaha tersebut maka dipersiapakan uji

paska iradiasi dan pad a tahap awal ialah

persiapan iradiasi.

ISSN 0854 - 5561

Sasaran

Tahun ini, kesiapan sampel untuk

diradiasi dalam RSG-GAS. Pencapaian tahun

lalu, karakterisasi sampel pra-iradiasi. Tahun

depan, iradiasi sampel dalam RSG-GAS.

Tujuannya untuk memperoleh informasi/paket

teknologi tentang karakterisasi teriradiasi Zry-2

tube untuk PHWR dan bahan Zry-4 untuk

PWR, 2008. Sasaran akhir diperoleh data

karakterisasi teriradiasi Zry-2 tube untuk

PHWR dan bahan Zry-4 untuk PWR, 2008

METODA

A. Ruang lingkup

Pembuatan kapsul dari bahan

alumunium, pembuatan sampel kelong­

song Zry-2, pembuatan sampel Zircaloy-4Sr; i8ncl:!!:

B. Rancangan dan metoda

a. Pembuatan kapsul dari bahan alumunium

Membuat kapsul berbentuk silider dari

bahan alumunium. Penutupuan kapsul

dengan sistem ulir yang dapat dibuka

dengan manipulator Sebanyak 3 buah.

b. Pembuatan sam pel kelongsong Zry-2

Membuat sampel zircaloy-2 berbentul< pin

dari kelongsong elemen bakar Cirene.

Sebanyak 9 buah.

c. Pembuatan sam pel zircaloy-4 Sn rendah

Membuat ingot zircaloy-4 Sn rendah dengan

tungku lebur busur listrik sebanyak 15 buah,

dikuencing dalam air ding in, dinormalisasi,diro\. dan dianil

d. Bahan utama yang digunakan

Bahan alumunium untuk kapsul, tube

zircaloy-2 model Cirene. paduan zircaloy-4Sn rendah

e. Peralatan yang digunakan (berdasarkan

urutan proses)

Tungku lebur busur listrik untuk membuat

paduano Tu:;;ku rerlakuan panas untuk

kuencing, normalisasi, dan ani!. Mesin

potong intan untuk memotong sampel

zircaloy-4 Sn rendah. Mesin bubut untuk

membuat sampel zircaloy-2 berbentukcincin

147

Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

f. Tata kerja/prosedur

1. Pembuatan kapsul dari bahan alumunium

Membuat kapsul berbentuk silinder

sebanyak 3 buah dengan ukuran. panjang200 mm dan diameter luar 120 mm.

Penutupan kapsul dengan sistem ulir yang

dapat dibuka dengan manipulator.

2. Pembuatan sam pel kelongsong Zry-2

Membuat sam pel zircaloy-2 berbentuk pin

ukuran panjang 50 mm dan diameter

diameter luar 20 mm, tebal kelongsong 051

mm. Sebanyak 9 buah.

3. Pembuatan sampel Zircaloy-4 Sn rendah

Membuat ingot Zircaloy-4 Sn rendah

dengan tungku lebur busur listrik. Ingot

dipanaskan pada suhu 1000DC selama 2

jam dan dikuencing dalam air dingin.

Kemudian dipanaskan pada 'J50DC selama

4 jam dan didinginkan dalam tungku, dirol

dengan reduksi 40%. dipanaskan pada

750DC selama 6 jam dan didinginkan dalam

tungku. Kemudian dibuat bentuk pelat

dengan ukuran panjang 10 mm, tinggi 5

mm, dan lebar 3 mm, sebanyak 15 buah.

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Interaksi netron dengan bahan

Interaksi netron dengan bahan dapat

menyebabkan kerusakan bahan yang disebut

kerusakan iradiasi (irragiation damage), yaitu

suatu proses yang meriyebabkan perubahan

struktur kimia dan kristalografi. Pada proses

iradiasi netron berarti ada perpindahan energi

kinetik netron kepada atom target dan jika

energinya cukup. atom dapat berpindah tempatdari site asal mula atom berada ke site baru

dimana atom berhenti bergerak. Perpindahan

tempat atom Ini menghasilkan pasangan cacat

tatanan atom (defects), yaitu kekosongan plus

interstisi. Atom pertama yang mendapat energi

netron, kemungkinan mempunyai kelebihan

energi dan memindahkan ke atom lain, yang

disebut atom kedua (secondary atom). Atom

kedua juga mengalami perpindahan tempat

(displacement), proses ini disebut tumbukan

hambur (collision cascade).Kerusakan bahan akibat iradiasi netron

ditentukan oleh f1uence. yaitu fluks netron

/

Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

dikalikan waktu. Skala kerusakan bahan

dikarakterisasi oleh fraksi atom yang pindah

per satuan volume terhadap total atom per

satuan volume dengan satuan displacementper atom (dpa).

Hamburan atom zirkonium (Zr) akibat

iradiasi netron diekspresikan dengan formulasebagai ber!kut:

N =CJ~

Keterangan(J = tampang lintang hamburan elastik(elastic scatering cross section), m-2

,h f1 1 -2 -I't'= U (s netron, nm s

Tenaga netron sebesar 1 MeV

mengakibatkan energi rekoil (recoil energy).

yaitu energi loncat sebesar (ET)Max= 40 keV

dan (ET)Min= 20 keV. Energi rekoil banyak

yang hilang dalam proses interaksi elastis yang

pertama disebabkan oleh interaksi Coulomb,

yang disebut nuclear stopping regime.

Kehilangan energi elastis kedua disebabkan

oleh Screen Rutherford Scattering.

Energi yang diperlukan untuk pcrpindahan satu

atom Zr (Ed) sebesar. Ed = 25 sid 27 eV

Sedangkan jumlah ion sekunder (n) yang

disebabkan oleh atom primer akibat collision

cascade sebesar. (n) = kET/Ed

k adalah parameter efisiensi dan harganyamendekati 0.8.

Korelasi kerusakan bahan dengan f1uence

adalah sebagai berikut

D = b~t

Keterangan

d = kerusakan bahan. dpa

~ = fluks netronb = konstanta ± 2x1 0-25

t = waktu, detik

B. Prediksi perubahan sifat bahan akibatiradiasi

1. Pengaruh iradiasi pada sifat mekanikKerusakan bahan akibat iradiasi

berakibat pada interstisi atom. kekosongan,

dislokasi. perubahan mikrostruktur dan

presipitasi. Perubahn Inl mengakibatkan

pengerasan atau penguatan bahan. Korelasi

148

ISSN 0854 - 5561

perubahan kekuatan luluh dan fluence adalah

sebagai berikut:

!'.ay = A (1_e-S01) 1/2

Keterangan

!'.ay = perubahan kekuatan luluh

A = nilai jenuh !':lay = 59 000 psiB = konstanta = 1.1x 10-21

0t = netron eksposur

High exposure = 2.5x1021nvt

Low exposure = 1.7x1 020nvt

Berdasarkan f1uence yang dibutuhkan maka

perhitungan waktu iradiasi adalah sebagaiberikut:

PERHITUNGAN WAKTU IRADIASI

FLUENCE DIBUTUHKAN. nml\-2300E+21

FLUKS RSG-GAS, nml\-2sl\-1

1.40E+14

WAKTU IRADIASI, S

2.14E+07

WAKTU IRADIASI, JAM

5.95E+03

WAKTU IRADIASI, HARI

2.48E+02

WAKTU IRADIASI, BULAN

8.27E+OO

2. Deformasi(6)

Perubahan diameter (diameter strain), pad a

kelongsong juga terjadi perubahan diameter

akibat iradiasi. Perubahan diameter dapat

diukur secara ekperimental dengan

profilometer.

c.D = {(Dmax+ Dmin)x1/2}-1

KeteranganDmax= diameter terukur maksimum

Dmin= diameter terukur minimum

Do = diameter awal

3. Bending Strain(6)

Bending Strain juga merupakan fenomenakerusakan bahan akibat iradiasi

Zmajor= Am/(Bm)2Zminor= Bm/(Am)2

Keterangan

Am = Ruji sumbu major

Bm= Ruji sumbu minor

rc = 1/Z = Radius kurva elips

ISSN 0854 - 5561

Pergeseran permukaan kurva(Y)

Perubahan ruji kelongsong juga

mengalami perubahan dan mengakibatkan

bentuk bulat menjadi elips

Y = (rct)/{log(rc+t12)/( rc-t/2)

Keterangan

rc = ruji kurva elips

t = tebal kelongsong

4. Creep(6)

Iradiasi juga dapat mempercepat laju

creep. Laju creep (E) akibat iradiasi adalah

sebagai berikut

E =2.768x1O's x el\{1.5Tx10'2 + 9.663 (J x 10's}x t1\1.655Tx1 0.3 - 0.297

Keterangan:

E = laju creep, in/jam

T = temperatur, K

t = waktu, jam

(J = kekuatan luluh, psi

5. Korosi(6)

Diidentifikasi perubahan berat

6. Perubahan Miklostruktur(6)

Diidentifikasi dengan MIKROSKOP OPTIK.

SEM. DAN TEM)

7. Perubahan Fasa(6)

Diidentifikasi dengan DIFRAKSI SINAR-XATAU NEUTRON

C. Kapsullradiasi

Rancang bangun kapsul iradiasi berbentuk

silider dengan ukuranan panjang 200 mm dandiameter luar 120 mm. Gambar-1. Sampel

tube pada Gambar-2. Penutupan kapsul

dengan sistem ulir yang dapat dibuka dengan

manipulator. Hasil rancang bangun kapsul

iradiasi dapat dilihat pada Gambar-3 <.Jan

sampel tube pada Gambar-4. B3h:::~ k2psulberdasarkan standar AI JIS No. AI 1060

Nuclear Grade.

149

Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

D. Sampel Zircaloy-4 Sn Rendah

Ingot Zircaloy-4 Sn rendah dengan tungku

lebur busur listrik, Gambar-5. Ingot dan sampel

tube iradiasi dapat dilihat pad a Gambar-4.

KESIMPULAN

1. Telah diprediksi perubahan sifat bahan

akibat iradiasi dengan fluks High eksposure

= 2.5x1 021 nvt dan Low eksposure = 1.7x1 020

nvt.

2. Telah disiapkan kapsul iradiasi untukiradiasi bahan zirkaloi di RSG-GAS

3. Telah disiapkan bahan zirkaloi zircaloy-4 Sn

rendah, zircaloy-2, dan zircaloy-4 untukdiiradiasi di RSG-GAS

PUSTAKA

1. LAMBERT J.D.B. AND STRAIN R., Oxide

Fuels, vol. 10 A, in, Materials Science and

Technology, VCH,Germany, p 121.2. HARBOTTLE J.E. AND STRASSER A.A.,

Towards Failure-Free Fuel, Fuel Review

1994: Design, Nuclear Engineering

International, 1994. p 28-30.3. LUSTMAN B. AND KERZE F.J.R .. The

Metallurgy of Zirconium 1st ed. McGraw-Hili

INC. New York. 1955, p 632.

4. FUCHS H.P . et al. . "Cladding and

Structural Material Development For The

Advanced SiE}Rlens PWR Fuel "FOCUS".

ANSI ENS Topical meeting on LWR fuel

Performance. April 21-24. 1991. Avignon.France

5. KIDO 1.. A Study on Enhanced Uniform

Corrosion of Zircaloy-4 Cladding During

High Burnup Operation in PWRs. 6ttl

intenatlonal Symposium on Environmental

Degradation of Materials in Nuclear Power

System Water Reactor, San Diego, USA,1993.

6. WOODS C.R .. Propreties of Zircaloy-4

Tube, Bettis Atomic Power Laboratory,Pittsburch, PA, USA, WAPD-Tm-585. 1966.

p 144

., c.:.:

Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

Gambar-1: Rancang bangun kapsul iradiasi

__L II "II!

Gambar-2: Rancang bangun sampel tube

150

ISSN 0854 - 5561

ISSN 0854 - 5561

Gambar-3: Kapsul.iradiasLdarib3han paduanAl

Gambar-4: In;jct zi1:caloy-4Sn rendah dansampel b.Jbe, Al JIS No. Al1060Nuclear Grade

151

Hasil Hasil E€nelitian EBN Tahun 2005

Gambar-5: In;jct ziIcaloy-4 Sn rendah