Has;/ Penelitian dan Keg;atan PTLR Tahun 2006 /SSN 0852 - 2979

RET ARDASI RADIONUKLIDA DALAM MATERIAL BUFFER:DIFUSI ZIRKONIUM DALAM NA-BENTONIT

Pratomo Budiman-Sastrowardoyo, Teddy Sumantri

Pusat Teknologi Limbah Radioaktif, BATAN

ABSTRAKRETARDASI RADIONUKLIDA DALAM BUFFER MATERIAL: D1FUSI ZIRKONIUM DALAM

NA-BENTONIT. Penelitian tentang difusi zirkonium dalam natrium-bentonit telah dilakukan. Bentonitasal Kulonprogo Yogyakarta dipilih dalam penelitian ini, sebagai contoh bahan lempung asalIndonesia. Sedangkan zirkonium digunakan karena salah satu radionuklidanya telah terseleksi untukdigunakan dalam pengkajian unjuk kerja engineered barrier sistem penyimpanan limbah. Percobaannon-steady state satu-dimensi dilakukan dengan mengadopsi metoda in-diffusion, untuk memperolehkoefisien difusi dinamik sebagai fungsi densitas kering bentonit. Teknik analisis aktivasi neutron (AAN)dilakukan untuk menghitung konsentrasi zirkonium dalam slice benton it. Sementara hasil AAN belumdiperoleh, dari penelusuran diperoleh koefisen difusi dinamik zirkonium dalam Na-bentonit Kunigel V1(Jepang). Diamati adanya koefisien difusi dinamik zirkonium turun terhadap densitas Na-bentonit.Diperlihatkan pula koefisien diffusi dinamik zirkonium lebih rendah dibandingkan dengan HTO, Tc danCs dalam bentonit Kunigel V1, maupun dengan Co dan Pb dalam bentonit Kulonprogo, namun lebihtinggi dibandingkan dengan koefisien diffusi dinamik Am dalam bentonit Kunigel V1. Sementara

perhitun~an spesiasi untuk zirkonium masih dalam pelaksanaan, dapat diperkirakan spesi-spesi yangialah Zr +, ZrOH3+, Zr(OH)4(aq)dan Zr(OH)5"' Rendahnya koefisien difusi dinamik berkaitan dengantingginya faktor retardasi dan koefisien distribusi, yang dengan demikian akan menunda pelepasanradionuklida dari fasilitas penyimpanan limbah ke geosfir.

ABSTRACTRETARDATION OF RADIONUCLIDE IN BUFFER MATERIAL: DIFFUSION OF ZIRCONIUM

IN NA-BENTONITE. Study on diffusion of zirconium in sodium-bentonite has been performed. Thebenton it from Kulonprogo Yogyakarta was selected as a sample of clay material from Indonesia.While, zirconium was used in this study, in raison that one of their radionuclides has been selected tobe applied in the performance assessment of engineered barrier. One dimensional non-steady statediffusion experiment was conducted, adopting in-diffusion method, to get the apparent diffusioncoefficient as a function of dry density in Na-bentonite. Neutron activation analysis technique (NAA)has carried out to calculate the zirconium concentration in bentonite slice. Because the results on NAAhave been finished not yet, from literature study it has been gained the apparent diffusion coefficient ofzirconium in Na-bentoite Kunigel V1 (Japan). It is observed that apparent diffusion coefficients ofzirconium decrease with increasing dry density of Na-bentonie. It were shown also that apparentdiffusion coefficient of zirconium lower than there of HTO, Tc and Cs in bentonite Kunigel V1, and withCo dan Pb in bentonite Kulonprogo. Awhile the speciation of zirconium is on going, it could estimatedthe species of zirconium should existe inj form of Zr4+, ZrOH3+, Zr(OH)4(aQ)dan Zr(OH)5". The low ofapparent diffusion coefisient related to the high of retardation coefficient and distribution coefficient, sothat the release of radionuclides from a disposal facility to geosphere will be retarded.

PENDAHULUAN

Telah disepakati di banyak negara, bahwa benton it terkompaksi berpotensi untuk

digunakan sebagai calon buffer material dalam sistem penyimpanan limbah. Hal ini terutama

karena konduktivitas hidraulik yang rendah serta faktor retardasi yang tinggi terhadap

pelepasan radionuklida dari fasilitas sistem penyimpanan limbah radioaktif (1,2). Rendahnya

211

HasH Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

[1]

konduktivitas hidraulik benton it berfungsi untuk menghambat intrusi air tanah ke dalam

fasilitas penyimpanan, yang karenanya akan menunda korosi canister dan overpack limbah

terse but. Kemampuan tersebut diperkirakan menurun sedikitnya setelah beberapa ratus

tahun. Selanjutnya itu fungsi isolasi bentonit terhadap pelepasan radionuklida akan

menonjol. Berkaitan dengan konduktivitas hidraulik bentonit yang rendah, migrasi

radionuklida banyak dideskripsikan dalam mekanisme difusi. Karena itu koefisien difusi

memiliki peran penting, untuk digunakan dalam pengkajian unjuk kerja engineered barrier

sistem penyimpanan limbah.

Sejumlah penelitian tentang migrasi radionuklida dalam bentonit telah banyak

dilakukan. Namun pad a penelitian-penelitian tersebut, lebih banyak digunakan jenis benton it

Wyoming (USA), dan Kunigel V1 (Jepang) (3-10]. Sedangkan penggunaan benton it asal

Indonesia, yang juga memiliki potensi masih sangat langka. Karena itu dalam penelitian ini

digunakan bentonit asal Nanggulan, Kulonprogo Yogyakarta, yang merupakan jenis kalsium

(13).

Dalam penelitian ini zirkonium digunakan sebagai unsur model, disamping salah satu

radionuklidanya telah terseleksi untuk digunakan dalam pengkajian unjuk kerja engineered

barrier sistem penyimpanan limbah. Dalam reaktor radionuklida 93Zr terbentuk sebagai hasil

fisi uranium dalam bahan bakar, disamping sebagai hasil aktivasi netron pada selongsong

bahan bakar berbasis zirkonium (12). Limbah yang mengandung 93Zr, dari sumber tersebut

termasuk dalam kategori aktivitas tinggi dan umur panjang (T"Y2 = 1,5 106 tahun). Sehingga

karenanya cukup layak dipertimbangkan untuk digunakan dalam pengkajian unjuk kerja

engineered barrier dalam sistem penyimpanan limbah.

TEORI

Teori dasar difusi ini banyak dibahas dalam pustaka (13). Persamaan dasar difusi

satu dimensi diberikan oleh hukum Fick II, seperti berikut:

a C(t,x) = Do a2C(t,x)a t a x2

dimana C(t,x) ialah konsentrasi unsur terdifusi dalam spesimen benton it untuk waktu t dan

jarak x.

Penyelesaian secara analitik persamaan [1] dapat dilakukan dengan menggunakan

syarat awal dan syarat batas: Untuk sumber planar, dengan zat terlarut berada pad a jumlah

kecil dalam suatu sistem selinder dengan panjang takhingga, diasumsikan proses difusi

independen terhadap panjang jejak difusi. Syarat awal dan syarat batas ditulis seperti

berikut:

212

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006

C(t,x) = 0, t = 0 dan x 1=0;

C(t,x) = 0, t1=Odan X=±oo;

<f)

M = fC(t,x)dx-<f)

ISSN 0852 - 2979

[2]

dimana M ialah jumlah total zirkonium terdifusi per satuan luas (kg.m-2), solusi persamaan [1]

dapat ditulis sebagai:

C(t,x) = t ex [~]M 2-JOat P 40at

yang akan digunakan untuk mengevaluasi selanjutnya koefisien difusi dinamik Da dapat

diperoleh dari koefisien arah garis variasi konsentrasi, C(t,x), sebagai fungsi jarak jejak, x,

dalam bentuk log.

Beberapa unsur mempunyai kelarutan rendah. Pada penggunaan konsentrasi unsur

yang melampaui kelarutannya, Co, maka syarat awal dan syarat batas dapat dapat ditulis

sebagai:

C(t,x) = 0, t = 0 dan x 1=0 ;

C(t x) = C t > 0 dan x = 0, 0' ,

Solusi persamaan [1] dapat ditulis sebagai

C~',x)= ert{2~~,t]dimana erfc(Z) ialah fungsi eror komplementer:

2 z [ 21..Jerfc(Z) = 1- I J exp -11 }l11"";IT. 0

[4]

[5]

[6]

dimana

Dari persamaan [4] tersebut koefisien difusi dinamik tidak dapat langsung diperoleh. Dengan

mengunakan ekspansi Maclarin, maka persamaan [2] dapat ditulis sebagai:

C(t x) 2 <f) Z211-1-'-= I--:L(-I)"-I----Co E11=1 (n - I)!(2n - I)

x

Z = ~. Selanjutnya koefisien difusi dinamik dapat dihitung dengan2"'1} Da t

menggunakan program komputer

213

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

TATA KERJA

Bahan dan ALat.

Bentonit asal Nanggulan Kulon Progo Yogyakarta digunakan dalam penelitian ini.

Bentonit ini termasuk jenis Ca-bentotit, dengan komposisi kimia disajikan pada Tabel 1.

Penyediaan Na-bentonit dilakukan dengan perendaman dalam NaCI 24 jam, lalu pencucian

dilakukan hingga bebas dari ion klorida (11). Sebelum penggunaannya, bentonit dikeringkan

pada 110°C selama 24 jam. Larutan zirkonium 0,001 M disiapkan dengan pelarutan ZrOCI2

(BM=178.13) dalam aquades.

Tabel 1. Komposisi kimia bentonit asal Nanggulan, Kulonprogo DIY.

No ParameterKomposisiMethods

1

Si02 84,79Gravimetri

2

AI203 undetecableSSA

3

Fe203 undetecableSSA

4

CaO 3,22kompleksometri5

MgO 0,40SSA

6

Free Acid 0,08Titrimetri

7PH (10% larutan) 6,5Elekrometri

8Loss on ignition 13,29Gravimetri

Peralatan utama yang digunakan dalam penelitian ini, ialah kolom difusi, fasilitasreaktor dan instrumen NAA.

Metode.

Percobaan difusi non-steady satu dimensi dengan metoda in-diffusion dilakukan

dengan menggunakan sel difusi, bahan stainless steel, pada densitas kering bentonit 800,

1000, 1200 dan 1400 kg.m-3. Perendaman sel difusi berisi bentonit dilakukan dengan air

destilasi, selama 15 hingga 50 hari untuk mencapai kondisi jenuh air pada spesimen

bentonit. Perendaman sel difusi dilanjutkan setelah ke salah satu sisi spesimen bentonit

diteteskan 0,1 ml larutan zirkonium 0,001 M. Proses difusi dilaksanakan dengan untuk

selama waktu 40 hingga 70 hari. Pada Gambar 1 disajikan skema perendalam sel difusi

berisi bentonit, untuk proses penjenuhan dan proses difusi.

214

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006

b l'nto nit

Gambar 1. Skema perendaman kolom difusi, untuk :A. Proses Saturasi BentonitB. Proses Difusi Zirkonium Dalam Bentonit

ISSN 0852 - 2979

Spesimen benton it dipotong-potong untuk memperoleh slice benton it dengan

ketebalan 0,2 mm. Pelarutan zirkonium dalam slice bentonit dilakukan menggunakan 15 ml

larutan HN03 1 M, lalu pemisahan suspensi dilakukan dengan syringe-filter 0,45 ~lm..

Untuk setiap 0,3 ml filtrat larutan zirkonium dimasukkan ke vial 0,5 ml, dikeringkan

dalam desikator dan siap untuk diirradiasi. Vial-vial berisi sam pel Zr, bersama vial Zr standar

dan foil Au, dimasukkan kedalam shutle irradiasi, dan irradiasi dilakukan di RSG Batan

Serpong. Aktivitas Zr-65 (T = 54 hari) yang terjadi diukur dengan bantuan detektor HpGe di

PTBIN. Dengan komparasi terhadap Zr standar, massa Zr dalam sam pel dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan berikut:

A = N<1>a(l- C-Af) [7]

Dengan A dan N masing-masing ialah aktivitas Zr-65 dan massa Zr dalam vial. Simbol a

ialah penampang reaksi Zr-64 (n,y) Zr-65. Fluks neutron <P diperoleh menggunakan

persamaan [7], untuk reaksi Au-197 (n,y) Au-198. Koefisien difusi selanjutnya diperoleh

dengan menggunakan persamaan [2].

HASIL DAN PEMBAHASAN

Karena irradiasi terhadap sam pel belum terlaksana maka dalam makalah ini disajikan

koefisien difusi Zr untuk bentonit Kunigel Vi, Jepang (13). Diperlihatkan bahwa koefisien

difusi dinamik zirkonium dalam kedua jenis benton it, berada pada tingkat magnifik yang

sama, dan sedikit menurun terhadap densitas kering benton it. Hal ini karena kuantitas spesi

tersebut kurang dominan dibandingkan spesi lambat (7-9). Selanjutnya fenomena ini masih

215

Hasi! Pene!itian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 !SSN 0852 - 2979

perlu difahami lebih jauh dengan mempelajari spesiasi zirkonium pad a kondisi tersebut.

Pada Gambar 2 disajikan profil koefisien difusi dinamik zirkonium sebagai fungsi densitas

kering benton it. Seperti telah banyak difahami, pada Gambar terse but koefisien difusi

dinamik turun terhadap kenaikan densitas kering benton it. Demikian pula, diperlihatkan

bahwa koefisien difusi dinamik radionuklida dalam Na-bentonit lebih rendah dari pada dalam.

1.0 &09

5- 1.0&11-;;;:::=Qc'"

;§ 1.0&13'"o~

1.0&15

o 500 1000 1500 2000 2500

Densitas (kg/m3)

Gambar 2. Koefisien disperse Zr vs densitas benton it

Dari hasH pengukuran koefisien difusi dinamik dapat diperkirakan faktor retardasi, Rd,

dan koefisien distribuasi, Kd, unsur dalam bentonit terkompaksi. Faktor retardasi, Rd,

didefinisikan sebagai ratio koefisien difusi dalam badan air dan koefisien difusi dinamik

dalam benton it, seperti pada persamaan [8] berikut:

DpRd =0 [8]a

dimana: Rd ialah faktor retardasi, Sedangkan Dp dan Da (m2.s-1) masing masing ialah

koefisien difusi 3H dalam badan air dan koefisien difusi dinamik radionuklida dalam bentonit.

Untuk memperoleh nilai koefisien difusi 3H dalam badan air, dapat dilakukan

pendekatan melalui pengukuran koefisien distribusi 3H pad a bentonit. Menurut SATO (6),

dengan test serapan secara catu koefisien distribusi 3H pada bentonit demikian kecil dan

dapat diabaikan, karena itu koefisien difusi dalam badan air dapat diasumsikan sebagai

koefisien difusi dinamik 3H dalam spesimen bentonit. Selanjutnya faktor retardasi dapat

diperoleh dengan menggunakan koefisien difusi dinamik 3H seperti diberikan pad a

216

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

persamaan [8]. Dari perhitungan diperlihatkan bahwa koefisien difusi dinamik yang rendah

memberikan koefisien retardasi yang tinggi, dan pelepasan radionuklida akan terhambat.

Hubungan antara koefisien distribusi dinamik dengan koefisien distribusi, Kct,

diberikan oleh persamaan [9] berikut (8):

D = <l>Dp [9]a <I> + pKd

dimana Kd ialah koefisien distribusi (m3.kg"1), ~ dan p porositas bentonit dan densitas

kering benton it (kg.m"3).

Pada Gambar 2 disajikan kurva koefisien difusi Zr dalam benton it Kunigel V1,

dibandingkan dengan koefisien difusi 3H, 99mTc,Se dan Cs dalam benton it Kunigel V1, serta

koefisien difusi Pb dalam bentonit Nanggulan Kulon Progo (bentuk Na-bentonit dan Ca

Bentonit. Diperlihatkan bahwa koefisien difusi Zr sangat rendah dibandingkan unsur-unsur

lain seperti terse but di atas. Namun bila dibandingkan dengan koefisien difusi unsur Am,

koeifisien difusi Zr lebih tinggi. Dalam hal ini dapat dinyatakan bahwa migrasi Zr dalam

bentonit terkompaksi sangat lambat. Atau dengan kata lain retardasi Zr dalam bentonit

besar. Dikaitkan dengan aplikasinya pad a di fasilitas penyimpanan, maka migrasi Zr sangat

lambat.

Selanjutnya dapat pula dilakukan perhitungan spesiasi, menggunakan data

termodinamika yang ada (14). Dengan penyusunan persamaan neraca massa untuk Zr

dapat dihitung spesi-spesi Zr dalam larutan: Zr.,.o< = ZrH {I + f [::.')} untuk kondisi air

murni. alau Zr To< = Zr ,. { 1+ f 1::") + 7P,JLj}unluk kondis; adanya ligan lain dalam fasa

larutan. Diperlihatkan bahwa dalam kondisi air murni (pelarut sederhana), terdapat spesi­

spesi Zr dalam larutan: Zr4+, ZrOH3+, Zr(OH)4(aQ)dan Zr(OH)s".

Hasil yang diperoleh ini masih perlu dilengkapi dengan hasil penelitian lain yang lebih

detail dan rinci, sehingga akan diperoleh pemahaman yang lebih komprehensif tentang

kelakuan radionuklkida dalam sistem penghalang ganda (engineered barrier).

KESIMPULAN

Dengan metoda in-diffusion telah diperoleh koefisien difusi dinamik timbal, yang

berada pad a orde magnifik yang sama, baik dalam Na-bentonit maupun Ca-bentonit .

Diamati adanya spesi zirkonium yang berbeda dengan nilai koefisien difusi dinamik berbeda

pula. Selanjutnya dari koefisien difusi dinamik yang rendah dapat diperkirakan faktor

217

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

retardasi dan koefisien distribusi yang tinggi, yang merupakan faktor favorabel bagi

penghambatan migrasi radionuklida dalam bahan penyangga. Sehingga akan menunda

pelepasan radionuklida ke geosfir. Koefisien difusi dinamik yang rendah memberikan

koefisien retardasi tinggi, yang akan menunda pelepasan radionuklida dari sistem

penyimpanan limbah. Hasil perkiraan spesiasi dapat diperlihatkan kemungkinan spesi-spesi

yang ada untuk Zr dalam larutan, ialah Zr4+, ZrOH3+, Zr(OH)4(aq)dan Zr(OH)s".

Sekalipun telah diperoleh data penting, yang diharapkan dapat digunakan dalam

pengkajian unjuk kerja engineered barrier dalam sistem penyimpanan limbah. Banyak aspek

yang masih perlu dipelajari untuk memperoleh penjelasan lebih detail. Sementara tapak

penyimpanan belum ditetapkan, perlu dilakukan studi yang dapat mengantisipasi

kemungkinan kondisi yang secara riil terdapat dalam formasi geologi.

UCAPAN TERIMA KASIH

Disamapaikan ke Perusahaan Daerah Anindya Propinsi Daerah Istimewa Yogyakarta, Unit

Pertambangan, atas bantuan bahan yang digunakan dalam penelitian ini

DAFTAR PUSTAKA

1. R. PUSH, "Use of Clays as Buffer in Radioactive Repository", Lulea University, Lulea

Swedia (1983).

2. PNC, "Research and Development on Geological Disposal of High-Level Radioactive

Waste", PNC-TN1410 93-012, PNC Technical Report, Tokyo (1993).

3. A. MUURINEN, J. RANTAN EN, P. PENTTILA-HIL TUNEN, "Diffusion Mechanisms of

Strontium, Cesium and Cobalt in Compacted Bentonite", Sci. Basis Nucl. Waste

Manag. IX, 617 (1985).

4. B. CHRISTIANSEN, B. TORSTENFEL T, "Diffusion of Nickel, Strontium, Iodine, Cesium

and Americium in Loosely Compacted Bentonite at High pH", Radiochim. Acta 44/45,

219 (1988).

5. B. TORSTENFEL T, K. ANDERSSON, H. KIPATASI, B. ALLARD, U. OLOFSSON,

"Diffusion Measurements in Compacted Bentonite", Sci. Basis Nucl. Waste Manag.,

295 (1982).

6. B. TORSTENFEL T, B. ALLARD, K. ANDERSSON, H. KIPATAS I, L. ELiASSON, U.

OLOFSSON, H. PERSSON, "Radionuclide Diffusion and Mobility in Compacted

Bentonite", SKB TR 83-34, Stockholm (1983).

7. J.L. CONCA, T. ASHIDA, H. SATO, "Apparent and Simple Diffusion Coefficient in

Compacted Bentonite", Proceeding International Conference on High-Level

Radioactive Waste Management 2, 1382 (1991).

218

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

8. H. SATO, T. ASHIDA, Y. KOHARA, M. YUI, N. SASAKI, "Effect Dry Density on Diffusion

of Some Radionuclides in Compacted Bentonite", J. Nucl. Sci. Techno!. 29 (9), 873

(1992).

9. B. TORSTENFEL T, "Migration of Fission Product Strontium, Technetium, Iodine, and

Cesium in Clay", Radiochim. Acta 39,97 (1986).

10. S. LUMINGKEWAS, "Konversi bentonit-Ca menjadi bentonit-Na melalui teknik

pertukaran ion", Thesis S2-FMIPA UGM, Yogyakarta (1996).

11. M. BENEDICT, T.H. PIGFORD, H.W. LEVI, "Nuclear Chemical Engineering", 2nd Ed.,

McGraw-Hili Book Company, New York, 1981

12. J. CRANK, "The Mathematics of Diffusion", 2nd ed, Oxford Univ. Press, London (1975).

13. H SA TO, M. YUI, H. YOSHIKAWA, "Diffusion of Se and Zr in Sodium Bentonite", . Basis

Nucl. Waste Manag. (Vol 353), 269 (1995).

14. W. HUMMEL, U. BERNER, E. CURTI, F.J. PEARSON, T. THOEN EN, "Nagra/PSI

Chemical Thermodynamic Data Base 01101", Radiochim. Acta, 90, 805 (2002).

219