PROSES PENGOLAHAN LIMBAH NUKLIR...
Transcript of PROSES PENGOLAHAN LIMBAH NUKLIR...
ISSN 0852-4777 PROSES ULANG BAHAN BAKAR BEKAS CARA BASAH-~ -
PROSES PENGOLAHAN LIMBAH NUKLIR BEKAS
* R. Didiek Herhady dan **Sigit
ABSTRAK
Reaktor nuk/ir menggunakan bahan bakar nuk/ir baik berbasis uranium (UO2J maupun berbasis
laTium (ThO2, campuran ThO2 -UO2J. Se/ama pemakaiannya di dB/am reaktor, bahan bakar tersebut
menga/ami reaksi penangkapan neutron yang menghasi/kan bahan bakar baru misa/nya Pu-239, U-
233 dan hasi/ be/ah. Bahan bakar pasca pemakaian di reaktor ternyata masih mengandung bahan
fisi/ yang sangat berharga sehingga per/u untuk dipungut kemba/i agar dapat dimanfaatkan. Untuk
mempero/eh bahan tersebut di/akukan proses ekstraksi dengan menggunakan ekstraktan tertentudan /ingkungan asam nitrat. Terhadap bahan bakar bekas berbasis uranium di/akukan proses
PUREX guna memisahkan U, Pu dan hasi/ be/ah dengan menggunakan ekstraktan Tri-n-butil pospat
(TBP), sedangkan terhadap bahan bakar bekas berbasis laTium untuk memisahkan Th, U, Pr danhasil be/ah dilakukan dengan proses THOR EX. Limbah nuk/ir bekas mengandung hasil be/ah yang
memancarkan radiasi tinggi sehingga dapat merusakkan media seke/iling seperti ekstraktan dan
rasa air. Kerusakan karena radiasi yang dia/ami TBP mengakibatkan terbentuknya DBP dan MBP,
dan kerusakan terhadap asam nitrat berupa penurunan tingkat keasaman. Ke dUB hat tersebut
menyebabkan penurunan hasil ekstraksi.
PENDAHULUAN bermanfaat (Sr-90, CS-137)[1-3J. Dengan
banyaknya unsur yang masih dapat diguna-
kan dan cukup berharga, maka diperlukan
pengolahan kembali limbah nuklir yang
sekaligus untuk menangani limbah radioaktif.
Tujuan pengolahan bahan bakar tersebutadalah untuk memungut dan memurnikan
kembali sisa U-235, Pu-239 yang terbentuk,
dan pemisahan unsur hasil fisi. Bahan fisil
yang terambil dari proses ulang selanjutnya
dapat dipakai untuk pembuatan elemen bakar
nuklir baru. Pengolahan kembali limbah nuklir
bekas dapat dilakukan secara proses basah
dan proses kering. Proses basah sudah lebih
mapan, sedangkan proses kering saat ini
~ulai dikembangkan di negara maju.
Dalam bahan bakar nuklir terdapat bahan
fisil yang dapat mengalami pembelahan jika
bereaksi dengan neutron dan bahan tertii
(pembiak) yang dapat menghasilkan bahanfisil. Bahan fisil yang digunakan adalah U-233,
U-235, Pu-239 dan Pu-241 , sedangkan bahan
tertii misalnya U-238, U-239, Th-232 dan Pu-
240.[1]
Oi dalam reaktor, bahan bakar mengala-
mi beberapa reaksi yaitu reaksi pembelahan
inti antara baha.n fisil dengan neutron sehingga
dihasilkan energi dan reaksi penangkapan
neutron oleh bahan tertii yang mengakibatkan
terjadinya reaksi rantai yang mengkibatkan
bahan fisil baru dan unsur elemen berat stabil
atau tidak stabil terutama isotop U dan Pu
(Gambar 1). Akibat reaksi pembelahan
terjadilah perubahan komposisi bahan bakar
sehingga menurunkan reaktivitasnya dan pad a
waktu tei1entu bahan bakar harus diganti.
Bahan bakar bekas setelah pemakaiannya di
reaktor masih mengandung unsur-unsur yang
sangat berguna misalnya bahan fisil yang
belum terbakar (U-235), bahan fisil baru yang
terbentuk (Pu-239), unsur hasil belah yang
Pengolahan limbah nuklir bekas dengan
cara basah (aqueous) yang banyak dilakukan
di instalasi nuklir adalah dengan metoda
ekstraksi. Metoda ini sangat selektif, energi
yang dibutuhkan sedikit, dapat dila~ukan
secara catu maupun sinambung, mudah
dikendalikan dari jarak jauh sehingga lebih
menjamin keselamatan selama operasi
berlangsung, mempunyai efisiensi tinggi dan
unsur-unsur dapat diperoleh secara murni.
17URANIA No. 23-24/Thn. VI/Juli-Oktober 2000
R.
DIDIK HERHADY dun SIGIT Proses Pengolahan Limbah Nuk/ir Hekas
Untuk dapat melakukan ekstraksi, maka
bahan bakar di dalam elemen bakar bekas
perlu dipisahkan lebih dahulu dari kelongsong,
kemudian dilakukan pelarutan dengan asam'
nitrat.
larutan penggaram aluminium nitrat dan
asam nitrat.
Proses Purex
Proses ini menggunakan ekstraktan
TBP dan larutan penggaram asam nitrat
untuk pemungutan dan pemisahan uranium
dan plutonium dari unsur-unsur hasil belah.
Proses Purex memiliki kelebihan dibanding-
kan dengan yang lain yaitu pengurangan
volum limbah, fleksibel dalam kondisi proses
dan biaya operasi rendah. untuk mengetahui
lebih mendalam, maka Proses Purex dibahas
secara tersendiri.
Proses pemisahan bahan bakar nuklir
tersebut tergantung dari jenis bahan bakar.
Bahan bakar nuklir ada dua macam yaitu
bahan bakar berbasis uranium (UOv, dan
bahan bakar berbasis torium misal (U, Th)O2.
ThO2 sehingga cara pengolahannya berbeda.
Pad a tulisan ini dibahas cara penanganan
limbah nuklir dari ke dua bahan tersebut.
PENGOLAHAN LlMBAH
BAKAR BASIS URANIUMOARI BAHAN
PENGOLAHAN LlMBAH NUKLIR DENGAN
PROSESPUREXPengolahan kembali limbah nuklir dari
bahan bakar berbasis uranium dilakukan
dengan metoda ekstraksi dengan berbagai
jenis pelarut. Proses ekstraksinya ada
beberapa macam, misalnya :
Proses PUREX (Plutonium Uranium
Recovery by Extraction) merupakan prosesyang paling efisien untuk mengolah kembali
bahan bakar nuklir bekas pakai dengan basis
uranium. Sesuai dengan namanya, proses
Purex mempunyai tujuan untuk pengambilan
ulang (recovery) secara proses ekstraksi dari
bahan bakar berharga uranium dan plutonium
dan pemisahannya dari unsur-unsur hasil
belah yang terbentuk selama reaktor
beroperasi. Proses Purex menggunakan
ekstraktan TBP yang diencerkan dalam karbon
tetra klorida (CCI4) atau hidrokarbon rantai
lurus misalnya kerosen, n-dodekan, n-heksan
dsb. Dalam industri biasanya digunakan TBP
30%-kerosen.
Proses Redox
Pada proses ini digunakan pelarut
organik metil isobutil keton (hekson) serta
larutan penggaram aluminium nitrat yang
ditambah-kan dalam fasa air guna
memperbaiki pemisahan antara uranium dan
plutonium. Proses Redox dilakukan pada
suasana acid defiency. Pad a proses tersebut
uranium lebih mudah terekstraksi ke fasa
organik pada valensi VI, sedangkan
plutonium pad a valensi IV.
Proses Purex sebagai bagian dari
pengolahan limbah nuklir secara keseluruhan
terdiri dari seksi ekstraksi dan stripping
(Gambar 2). Pad a tahap awal pengolahan
limbah nuklir bekas diawali dengan proses
de cladding yaitu pemotongan elemen bakar
bekas dan pemisahan bahan bakar dari
kelongsong. Bahan bakar uranium ini
kemudian dilarutkan dengan HNO3 yang
kemudian diatur konsentrasi dan keasaman-
nya untuk selanjutnya digunakan sebagai
umpan ekstraksi yang berisi uranil nitrat,
plutonil nitrat dan hasil belah nitrat dan
dialirkan ke dalam suatu kolom ekstraksi pad a
Proses Hekson-25
Pada proses ini juga digunakan pelarut
hekson dan larutan penggaram aluminium
nitrat, tetapi digunakan untuk pemungutan
dan pemisahan uranium diperkaya tinggi
dengan U-235 20 % dari hasil belah.
Proses TBP-25
Proses ini juga diaplikasikan untuk
pemungutan dan pemisahan uranium
diperkaya dengan U-235 20 % dari hasil
belah, tetapi menggunakan esktraktan Tri-n-
butil pospat (TBP) konsentrasi 5 % dan
URANIA No. 23-24/Thn.VI/Juli-Oktober 200018
R. DIDIK HERHADY daD SIGIT Proses Pengolahan Limbah Nuk/ir Bekas
bagian tengah. dari bagian bawah kolom
dialirkan TBP 30%-kerosen sebagai fasa
organiknya dan dari alas dialirkan asam nitrat
sebagai larutan pencuci. Pada ekstraksi ini
terjadi pemisahan antara hasil belah (HB) yangterbawa oleh HNO3 pencuci dan U(VI) dan
PU(IV) yang terekstrak oleh TBP. EkstrakranTBP yang mengandung U & Pu kemudian
dialirkan ke kolom stripping Pu pada bagian
tengah. Pada ujung bawah dialirkan pelarut
TBP segar, sedangkan dari alas dialirkan
asam nitrat yang mengandung reduktor yang
cukup kuat untuk mereduksi Pu(IV) menjadi
Pu(III), tetapi tidak cukup kuat untuk mereduksi
U(VI).
mengalami degradasi menjadi DBP (di butilpospat), MBP (mono butil pospat), butil
alkohol, butil eter, hidrokarbon dan asam
pospat. Jika TBP mengalami radiasi pad a
dosis sangat tinggi, maka akan terbentuk
polimer yang memiliki sifat seperti asam
pospat atau posponat rantai panjang.
Degradasi asam nitrat akibat radiasi
Radiasi yang ditimbulkan oleh hasil belah
juga menyebabkan kerusakan pad a asamnitrat yang digunakan pada proses Purex.
Hasil degradasi asam nitrat yaitu berupa
pemutusan ikatan yang membentuk ion atau
radikal bebas H+, OH", H2O, NO, NO2. Ion H+
dapat berubah menjadi radikal be bas Hyang
akan menurunkan konsentrasi asam dalam
sistem dan memperkecil efisiensi ekstraksi[s.6].
Pada kolom tersebut terjadi pemisahan di
mana Pu masuk ke fasa air, sedangkan
uranium tetap dalam fasa organik. Untuk
mengambil U dari fasa organik, dilakukan
proses stripping. Fasa organik TBP yang
mengandung uranium dimasukkan dalam
kolom stripping U dari dasar, sedangkan dari
atas dialirkan H2O untuk mengambil U dari
fasa organik. Fasa organik (TBP) kemudian
diregenerasi untuk dapat digunakan kembali.
Data mengenai pengolahan limbah nuklir
dengan proses Purex dapat dilihat pada Tabel
1 yang berhubungan dengan skema aliran
dalam Gambar 2.
Pengaruh radiasi terhadap hasil ekstraksl
Dalam proses Purex, radiasi terhadap
TBP dan asam nitrat menyebabkan kerusakan
pada TBP dan penurunan keasaman sehingga
menimbulkan banyak kerugian misalnya :
daya retensi yang besar dari hasil belah
terutama Zr dan Nb dalam fasa organik
sehingga memperbesar radioaktivitas fasa
organik dan memperkecil faktor
dekontaminasiPENGARUH RADIASI TERHADAP KEBER-
HASILAN EKSTRAKSI U dan Pu lebih tertahan dalam fasa
organik sehingga menyulitkan dalam
proses strippingLimbah nuklir yang berupa bahan bakar
habis pakai di reaktor masih mengandung
unsur-unsur hasil belah yang memancarkan
sinar radioaktif dengan tenaga cukup tinggi.
Adanya radiasi ini dapat menyebabkan
kerusakan baik terhadap TBP-kerosen sebagai
fasa organik maupun terhadap HNO3 sebagai
larutan pencuci.
pembentukan emulsi antara ke due fasa
sehingga menurunkan efisiensi
Pad a proses ekstraksi uranium dari hasil
belah rutenium menggunakan pesawat penga-
duk pengenap 12 stage dan ekstraktan TBP
30%-kerosen dan asam nitrat sebagai pencuci
yang keduanya telah diiradiasi dengan sinar
gamma pad a dosis tertentu terlihat bahwa
makin tinggi dosis radiasi menyebabkan
penurunan keasaman serta faktor dekon-
taminasi (FDRu-u) dan rekoveri U (Tabel 2).
Degradasi TBP akibat radiasi
Selain radiasi yang berasal dari unsur-unsur hasil belah, timbulnya panas reaksi sertahidrolisis oleh asam nitrat, TBP dapat
19URANIA No. 23-24/Thn.VI/Juli-Oktober 2000
Proses Pengolahan Limbah Nuk/ir BekasR. DIDIK HERHADY daD SIGIT
Thorex pad a prinsipnya ada 3 proses yaitu
ekstraksi, partisi dan stripping (Gambar 3) dan
data pengolahannya dapat dilihat pada Tabel
3. Data diperoleh dengan basis 200 kg Th/hari,
iradiasi pad a fliks 1013 n/cm2/dt selama 150
hari, lama pendinginan 60 hari, salven TBP
42,5 %-Amsco[4].
Kerusakan asam nitrat yang ditunjukkan
dengan penurunan keasaman serta degradasi
TBP yang diakibatkan radiasi gamma tidak
dikehendaki, karena akan mempengaruhi hasil
ekstraksi yang dapat dilihat dari besarnya
rekoveri (perolehan kembali) uranium dan
faktor dekontaminasi.
Dekontaminasi Th den U-233 dari limbah
aktivitas tinggi karena umur pendek Pa-233
merupakan problem tersendiri. Faktor primer
yang menentukan disain proses adalah tujuan
pemilihan pemisahan produk yang meliputipemisahan awal protaktinium aktivitas tinggi
den hasil fisi dari produk uranium den torium,
pemisahan den rekoveri torium dari U-233
serle rekoveri den isolasi U-233. Sesudah
peluruhan Pa-233 menjadi U-233, prosesselanjutnya adalah rekoveri dari fasa air.
Faktor lain yang didasarkan pede kemudahan
operasi den teknis adalah penggunaan
ekstraktan tunggal TBP 42,5 % dalam pelarut
aromatik dalam olefin bebas parafin digunakan
sebagai pelarut pede ORNL, sedangkan KAPL
menggunanan TBP 30 %. Selain itu aluminium
nitrat digunakan sebagai larutan pad a siklus
pemisahan awal.
BAHAN'PENGOLAHAN LIMBAH
BAKAR BASIS TORIUM
OARI
Selain bahan bakar uranium, torium
merupakan bahan nuklir bersifat tertii yang
dapat diubah menjadi bahan fisil. Torium-232
bila menangkap neutron akan berubah
menjadi isotop U-233 yang bersifat fisil.
Uranium-233 lebih mudah dipisahkan dari Th-
232 secara kimia. Reaksi penangkapan
neutron oleh Th-232 akan menghasilkan Th-
233 yang mengalami peluruhan denganmemancarkan sinar [3- (t1/2 = 23,2 menit)
menjadi Pa-233 yang juga meluruhmemancarkan [3- (t1/2 = 27,4 hari) menjadi U-
233.
Pemakaian torium sebagai bahan bakar
nuklir harus dicampur dengan bahan fisil lain
misalnya U-235 atau Pu-239. Bahan bakar
campuran U- Th dapat digunakan pad a reaktor
daya maupun reaktor suhu tinggi. Penangananlimbah nuklir bekas dari bahan bakar berbasis
torium pada prinsipnya mirip dengan bahan
bakar nuklir basis uranium. Namun untuk
reaktor suhu tinggi terdapat perbedaanterutama pad a proses pelarutan bahan bakar
bek~s. Bahan bakar reaktor suhu tinggi
berbentuk partikel yang dilapisi denganpirokarbon dan SiC yang bersifat stabil.
Pengolahan limbah bahan bakar bekas basis
torium untuk pemisahan/pemurnian bahan fisil
dan tertii menggunakan Proses Thorex yang
dirancang berdasarkan teknologi proses keringradioaktif dengan pemisahan seefisien dan
seekonomis mung kin. Proses Thorex yang
dikembangkan oleh ORNL berlangsung secara
proses kontinyu dengan pendinginan relatif
pendek.
Pada pelarutan torium, digunakan
katalisator fluor yang dapat mengakibatkanproblem korosi pada penampung limbah
karena Th akan membentuk kompleks dengan
fluor, demikian juga pada rafinat yang
mengandung ion fluor yang tidak terkompleks.
Aluminium merupakan pengompleks yang baik
untuk ion fluor dalam sistem asam dan
menjadi lebih efisien dalam sistem basa, atau
asam defisit atau aluminium nitrat yang dapat
mengurangi korosivitas alat.
Selain proses Thorex, masih ada proses
lain yaitu Proses Hekson -U-233 dan Proses
Interim-23. Proses Hekson -U-233 dirancanguntuk rekoveri dan dekontaminasi U-233.
Setelah pelarutan bahan bakar bekas, larutan
diatur kondisinya untuk umpan ekstraksi yang
dimasukkan pad a bagian tengah kolom. U-
233 diekstraksi dengan pelarut hekson.
Torium, Pa-233 dan hasil fisi masih berada
pad a fasa air. Torium nitrat berada dalamPengolahan limbah nuklir dengan proses
R. DIDIK HERHADY clan SIGIT Proses Pengolahan Limbah Nuklir Bekas
umpan dan bertindak sebagai larutan
penggaram. Fasa organik mengandung 99,9
% U-233 dialirkan ke dasar kolom striping.
Untuk radiasi bahan umur panjang (>100 hari)
dan pendinginan pereode pendek «12 bulan),
diperlukan siklus dekontaminasi agar Pa-233
meluruh habig, dan fasa air diolah ulang untuk
mendapatkan rekoveri U-233 maksimal.
torium. Teknologi pengolahan limbah nuklir
dengan proses basah dapat dikembangkan
lebih lanjut dengan proses kering untuk
mengurangi volum limbah yang terbentuk.
DAFTARPUSTAKA
1 BENEDICT, M., PIGFORD, T.H,,: "Nuclear
Chemical Engineering", Mc. Graw HillBook Com pany, New York, 1981,
FOREMAN, C.E" "Nuclear Fuel Repro-
cessing", Nuexco-Monthly Report to the
Nuclear Industry, No. 286. pp. 29-38,
1992.
Proses Interim-23 seperti juga proses
Hekson -U-233 dirancang untuk rekoveri dan
dekontaminasi U-233 tetapi dengan
menggunakan pelarut TBP 1,5 % dalam
pengencer hidrokarbon. Pad a umumnya
prinsip yang digunakan dalam proses Purex
sarna dengan proses ini. Setelah pelarutan
bahan bakar bekas torium, umpan dibuat
sesuai dengan kondisi yang diperlukan lalu
dimasukkan dalam kolom ekstraksi U-233.
Hasil fisi, protaktinium dan torium masih dalam
fasa air (rafinat). Larutan AI(NO3)3 digunakan
untuk mengambil torium dan hasil fisi dari fasa
organik. Ekstrak yang mengandung U- 233
dimasukkan ke dalam kolom striping. Produk
fasa air diproses lanjut pad a siklus berikutnya
yaitu penukar ion dengan resin Dowex-50.
Pelarut bekasnya kemudian diregenerasi agar
dapat digunakan kembali.
2
3. LONG, J.T., : "Engineering for NuclearFuel Reprocessing American Society", LaGrande Park, Tenesse, ORNL, 1978.
4. STOllER, S.M., RICHARDS, R.R.,"Reactor Handbook", vol. II, Reprocessing,2nd ed., Interscience Publishers, Inc., NewYork, 1961.
HART, E.J., "Radiation Chemistry". Vol. I.
Aqueous Media, Biology, Dosimetry,American Chemical Society, Washington,1968.
5,
HERHADY, R. 0" MASDUKI, B.,
SUCAHYO, D. H., C. SUPRIYANTO,
"Pengaruh TBP-Kerosen dan HNO3
Teriradiasi Gamma Terhadap Rekoveri U
dan Faktor Dekontaminasi Ru-U Pad a
Ekstraksi Pemisahan Uranium", PPI Litdas
Iptek Nuklir, PPNY BATAN, Yogyakarta,
1998
6.Dari ketiga proses tersebut di atas,
Proses Hekson-U-233 dan Interim-23
merupakan pelengkap dari Proses Thorex
yaitu untuk memurnikan U-233.
KESIMPULAN
Penulis adalah
*)Pejabat Fungsional Pranata Nuklir dan
Stat Pusat Penelitian dan
Pengembangan Teknologi Maju
**)Pejabat Peneliti dan Stat Pusat
Pen gem bang an Teknologi Bahan Bakar
Nuklir dan Daur Ulang, P2TBDU, BAT AN
Pengolahan kembali limbah nuklir yang
berupa bahan bakar pasca pemakaian di
reaktor telah memberikan hasil yang sangat
memuaskan, efisien dan aman terhadap
ling kung an karena tidak ada unsur radioaktif
edikitpun yang terbuang ke lingkungan.
Proses Purex digunakan dengan hasil
yang sangat baik terutama untuk bahan bakar
nuklir berbasis uranium, sedangkan prosesThorex memberikan kemapanan dalam
pengolahan bahan bakar nuklir berbasis
Proses Pengolahan Limbah Nuklir SekasR. DIDIK HERHADY dan SIGIT
Gambar 1. Komposisi bahan bakar sebelum, dan sesudah pemakaian di reaktor airbertekanan (PWR) burn up 33000 MWD/T.
Gambar 2. Skema proses pengolahan limbah nuklir dengan Proses Purex[41,
R DIDIK HERHADY dan SIGIT Proses Pengolahan Limbah Nuklir Bekas
Tabel1. Data pengolahan limbah nuklir dengan proses Purex untuk 1 ton bahan bakar U[4]
Uraian 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Volum, m3 2,12 10,037 '1,589 3,393 10,829 10,848 '°,922 11,734 14,957 2,519 11,055
Fasa Air
Organik
Air Air Organik Air Air Organik Air Air urganiK
HNO3. M 0,95 2,0 0,93 0,2 0,57 1,84 0,06 0,01 0,29
U.M 1,80 < 0,2 0,352 0,035 0,323 1,5
NaNO3, M 0,03 0,028
Pu, % 100 < 0,1 > 99,5 99,4 0,
Hasil Belah.% 99,9 < 0,005
Tabel 2. Pengaruh radiasi gamma terhadap keasaman dan hasil ekstraksi.[6]
Oasis radiasi, Keasaman, MFDRu.U Rekoveri U. %
Sebelum radiasi Sesudah radiasirad
102
104
106
108
3 2,96 2,22 94,93
3 2,92 2,12 93.54
92,203 2,89 2,04
3 2,74 1,97 87,76
R. DJDIK HERHADY daD SIGIT Proses Pengolahan Limbah Nuk/ir Hew
~
Stri-ping 11
!I
10
Gambar 3. Diagram alir Proses Thorex[4]
Tabel 3. Data proses pengolahan limbah nuklir dengan Proses Thorex.14]
Ekstraksi
3 I
Partisi
6 I 7 I 8Uraian
1 2 4 5 110 1
Laju"l/h
HNO3. M
AI(NO3)3, M
TBP, %
Th-232, g/l
U, g/l
F",M
Pa, g/l
H3PO4, M
FeSO4, M
576
-0,4
0,55
576
-0,21
0,55
2880 1152
-0,3
0,55
1036
-0,4
576
0,01
576
0,19
3794
0,002
760
0,01
760
0,025
794
-
42,5
-
42,5
<0,01
10.5
0,03
-
42,5
<0,01
0,043
0,01
2,5
0,01
-
350
0,28
0,06
<0,05
0,21
<10ppm
-
58
kelumit
0,025 10ppm
>0,053
0,003
0,01
-
0,003
0,01
URANIA No. 23-24/Thn.VI/Juli-Oktober 200024