ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

PROSES HIDRIDING-DEHIDRIDING PADUAN LOGAM U-Zr

Agoeng Kadarjono, Masrukan

ABSTRAK

PROSES HIDRIDING-DEHIDRIDING PADUAN LOGAM U-Zr. Penelitian dan pengembanganbahan bakar reaktor riset dengan tujuan menaikkan muatan uranium yang lebih tinggi sudahmerupakan program internasional. Bahan bakar terpilih berasal dari paduan U-Mo, U-Zr,dan U-N. Persoalan utama dari bahan bakar ini adalah mengubah bentuk paduan ke bentukserbuk. Beberapa teknik yang sudah diperkenalkan berupa teknik atomisasi, cryogenicmechanical crushing, dan teknik hidriding-dehidriding. Pemilihan teknik hidriding-dehidridingdidasarkan pada ketersediaan alat dan kemudahan proses. Teknik hidriding-dehidridingdilakukan dengan cara mereaksikan paduan U-Zr dalam suasana gas H2' dengan harapanhidrogen akan mengikat zirconium membentuk senyawa ZrHx sedangkan logam uranium akanmemisah dan terdistribusi secara merata didalam matriks zirconium hidrid. Pada proseshidriding, paduan U-6%Zr dan U-10%Zr dipanaskan didalam reaktor pada suhu dibawah suhueuthectik (± 565°C) dan divakum hingga tekanan 10 -3 mbar selama 10 jam, kemudian diisigas hidrogen secara terukur dan secara perlahan suhu diturunkan hingga suhu kamarsehingga diharapkan hidrogen dapat terabsorpsi membentuk paduan U-6%Zr dan U-10%ZrHxyang rapuh. Selanjutnya paduan U-10%ZrHx didehidriding untuk mendesorpsi gas hidrogendengan cara pemanasan dari suhu kamar hingga suhu 600°C, kemudian paduan yang rapuhdan bebas hidrogen ini digerus dan diayak menjadi serbuk U-Zr kembali. Hasil serbuk U-Zrdiambil gambarnya dengan mikroskop optik. Gambar yang diperoleh menunjukkan bentukserbuk U-Zr (6% Zr dan 10% Zr) mempunyai bentuk anguler yang tidak beraturan dan ukuranserbuk yang bervariasi (halus dan kasar).

Kata kunci: Bahan bakar nuklir, reaktor riset, paduan U-Zr, hidriding-dehidriding

PENDAHULUAN

Penelitian dan pengembangan bahan bakar reaktor riset dengan tujuan menaikkan muatanuranium yang lebih tinggi sudah merupakan program internasional. Beberapa kandidat bahan bakardewasa ini sudah mengarah ke penggunaan basis paduan U-Mo, U-Zr, dan U-N. Dari ketigakandidat tersebut, paduan U-Mo memiliki tingkat muat yang lebih tinggi dibanding U-Zr atau U-N,namun paduan ini mempunyai kelemahan yaitu kestabilan panas yang rendah dengan membentukswelling.[1] Bahan bakar U-Zr, walaupun mempunyai tingkat muat lebih rendah, namun memilikitingkat keselamatan yang paling tinggi sebagaimana yang dihasilkan oleh General Atomic berupabahan bakar reaktor TRIGA (Training, Research and Isotope Production by General Atomic).Sedangkan bahan bakar paduan U-N digunakan untuk reaktor generasi ke IV (reaktor maju). Bahanbakar paduan U-Zr untuk reaktor TRIGA berupa tipe dispersi yaitu uranium terdispersi secarahomogen sebagai logam bebas didalam matriks zirconium hid rid dengan membentuk paduan U­ZrH1.S• Bahan bakar ini dikembangkan dengan konsep keselamatan melekat, yaitu dapatmengeliminasi kecelakaan reaktor akibat reaktivitas berlebih (prompt negative temperaturecoefficient of reactivity) yaitu suatu keadaan dimana reaktivitas didalam reaktor menjadi takterkendali neutron yang dilahirkan akan secara otomatis menyerap hidrogen pada elevasi suhusehingga keadaan reaktor yang lebih buruk dapat dihindarkan. Meskipun tidak ada informasi yangjelas tentang cara pembuatan bahan bakar TRIGA dan teknologi ini sudah cukup tua, namun bahanbakar ini pada intinya dibuat dengan cara mereaksikan logam uranium dan zirconium dengan gashidrogen. [2]

Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir (PTBN) sedang mengembangkan bahan bakar barudalam usahanya untuk mencari bahan bakar alternatif sebagai pengganti bahan bakar yang sudahada. Hingga saat ini Badan Tenaga Nuklir Nasional (BAT AN) masih menggunakan bahan bakar

49

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

dispersi berasal dari paduan U-Si dengan muatan uranium 3,2 gU/cm3 dan mengembangkan muatanuranium 4,8 gU/cm3p] Walaupun paduan U-Si mempunyai tingkat kestabilan yang baik, namunmuatan yang dimiliki masih sangat rendah, kurang efisien, dan kurang ekonomis untuk operasisebuah reaktor, serta sulit memisahkan logam Si dari paduannya ketika didaur ulang. [4]

Sebagai bahan bakar nuklir dispersi, maka paduan logam yang berbentuk padat dan uletharus diubah kedalam bentuk serbuk hingga diameter partikel < 125 ~m. Sifat ulet paduanmenyebabkan proses pembuatan serbuk sulit dilakukan dengan cara permesinan/mekanik (grindingmill/ball mill), sehingga hal ini merupakan suatu tantangan dan perlu pemilihan teknik yang tepat.Teknik pembuatan serbuk dapat dilakukan dengan cara antara lain atomisasi (sudah dipatenkan olehKorean Atomic Energy research Institute, tahun 2001), cryogenic mechanical crushing, dan teknikhid ridi ng-deh idrid ing.[1,5]

Penelitian ini memilih paduan U-Zr karena tam pang lintang serapan neutron mikroskopik Zrrendah, sifat mekanik dan fisik cukup baik [6], berdensitas tinggi, dan tersedia di dalam negeri. Teknikyang dicoba adalah teknik hidriding-dehidriding terhadap paduan U-Zr dalam suasana gas H2,dengan harapan hidrogen akan mengikat zirconium membentuk senyawa ZrHx sedangkan logamuranium akan memisah dan terdistribusi secara merata didalam matriks zirconium hidrid. Pemilihan

teknik hidriding-dehidriding didasarkan pada ketersediaan alat, kesederhanaan proses, dan mampumenghasilkan serbuk yang lebih homogen.

Dari pemilihan paduan dan teknik yang digunakan diharapkan dapat memperoleh ukuranserbuk yang sesuai persyaratan bahan bakar untuk reaktor riset.

BAHAN DAN TAT AKERJA

Paduan U-Zr yang mengandung 6% dan 10% berat zirconium dibuat dengan cara meleburlogam U dan Zr didalam suatu tungku busur listrik yang memiliki 1 torch busur listrik. Sebelumpeleburan, logam U dipickling dalam larutan HN03 3M pad a suhu 70°C sehingga logam uraniumnyabebas oksida, sedangkan tungku divakum dan diisi dengan gas Ar beberapa kali untuk mengusirudara yang ada didalam tungku. Peleburan dilakukan 4 - 5 kali dan kuat arus 150 Amp, dengan caramembalik hasil leburan setiap kali peleburan. IngoUpaduan hasil peleburan selanjutnya dihidriding.Pada proses hidriding, paduan U-6%Zr dan U-10%Zr dipanaskan dalam sebuah reaktor pada suhudibawah suhu euthectik (± 565°C) dan divakum hingga tekanan 10 -3 mbar selama 10 jam, kemudiandiisi gas hidrogen secara terukur (1000 mbar) dan secara perlahan suhu diturunkan hingga suhukamar sehingga diharapkan hidrogen dapat terabsorpsi membentuk paduan U-6%ZrHx dan U­10%ZrHx yang rapuh. Untuk mendapatkan paduan U-Zr kembali, paduan U-6%ZrHx dan U-10%ZrHxdidehidriding untuk mendesorpsi gas hidrogen dengan cara pemanasan dari suhu kamar hinggasuhu 600°C. Paduan U-Zr yang rapuh dan bebas hidrogen ini digerus dan diayak menggunakanvibro-sieve yang dioperasikan didalam glove box menjadi serbuk. Hasil serbuk U-Zr diambilgambarnya dengan mikroskop optik

•.•• enrolr

Drecord••.

•.•• klor

pO.p. p."p.".ku. dlfusl

11_. H2

utungku·

Gambar 1. Skema peralatan hidriding-dehidriding

50

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil percobaan dalam bentuk mikrograph ditampilkan dalam Gambar 2 dan 3.

Gambar 2. Mikrostruktur serbuk U-6%Zr

Gambar 3. Mikrostruktur serbuk U-10%Zr

Gambar 2 dan 3 merupakan gambar serbuk hasil hidriding-dehidriding dengan menerapkanparameter pemanasan dibawah suhu 565°C dan diturunkan hingga suhu kamar dalam suasanatekanan 1000 mbar gas H2 untuk U-6%Zr dan U-10%Zr yang telah diayak menggunakan alat vibro­sieve. Oari kedua gambar tersebut secara fisik tidak terlihat perbedaan antara kedua serbuk, tetapikeduanya mempunyai bentuk anguler yang tidak beraturan. Ketidak-beraturan bentuk tersebut dapatdimengerti mengingat untuk menjadikan serbuk dari paduan yang sudah rapuh tersebut dikerjakandengan mortar/palu yakni dengan cara menggerus. Oari kedua gambar tersebut dapat dilihatsebagian serbuk berukuran kasar dan yang lainnya berukuran halus. Hal ini karena kekuatanpenggerusan yang tidak berimbang (kadang kuat atau kadang lemah) sehingga menghasilkan fraksiserbuk yang bervariasi dan dapat mengakibatkan munculnya atau bercampurnya fraksi serbuk halusdalam fraksi serbuk kasar ketika dilakukan pengayakan.

51

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

KESIMPULAN

ISSN 0854 - 5561

Percobaan pembuatan serb uk U-Zr dengan kandungan 6% dan 10% Zr menggunakanteknik hidriding-dehidriding menghasilkan serbuk U-Zr berbentuk anguler tidak beraturan danberukuran yang bervariasi (halus dan kasar).

DAFT AR PUST AKA

[1] SUPARDJO .• SUWARNO, H.• KADARJONO. A.,"Karakterisasi Paduan U-7%Mo dan U­7%Mo.x%Si (x = 1, 2, dan 3) Hasil Proses Peleburan Dalam Tungku Busur Listrik",

[2] SUWARNO, H., "Karakter Bahan Bakar Reaktor TRIGA", Prosiding Seminar Nasional ke-11Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir, ISSN: 0854 - 2910, Malang, 15September 2005

[3] M.1. SOLONIN., et.al.,"Development of the Method of High Density Fuel Comminution byHydride-Dehydride Processing", International RERTR Meeting Programme, Las Vegas, Nevada,October 1-6, 2000.

[4] MASRUKAN, dkk.,"Pengembangan Paduan UZr Sebagai Bahan Bakar Reaktor Riset", ProsidingLaporan Teknis, PTBN-BATAN, 2008

[5] KAUFMANN, A.,"Nuclear Reactor Fuel Elements: Metallurgy And Fabrications", US AtomicEnergy Commission, New York Interscience Publishers, Jhon Wiley and Sons, 1972.

[6] BRETSCHER, MM., MATOS, J E.,"Neutronics Performance of High Density LEU Fuels InWater-Moderated And Water-Reflected Research Reactors", Argonne National Laboratory 9700,South Cass Avenue, Argonne, Illinois 60439, July 1996.

52