Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

SINTERING SUHU RENDAH ATAS KOMPAKAN SERBUKHALUS U02 DENGAN VARIASI KANDUNGAN

PELUMAS Zn-STEARAT

Taufik Usman

ABSTRAK

SINTERING SUHU RENDAH ATAS KOMPAKAN SERBUK HALUS U02 DENGANVARIASI KANDUNGAN PELUMAS ZN-STEARAT. 35 sampel serbuk halus U021olos 38IJm dengan berat yang sarna, yakni 6,8 gr dibagi dalam 7 kelompok. Setiap kelompoksam pel dicampur bersama pelumas dengan persentase berat 0,2 , 0.4 , 0,8 , 1,2 , 1,6 ,2,0 , dan 3,0 hingga homogen. Setelah itu dikompakkan dengan tekanan yang sarnayakni 7 ton. Kompakan serbuk halus yang diperoleh ternyata mempunyai densitas yangberbeda yang bergantung pada kandungan pelumasnya. Densitas kompakan yangmaksimal (59,96% DT) diperoleh pada kandungan pelumas 0,4% berat. Semuakompakan tersebut kemudian disinter pada suhu rendah (1100° c) dengan laju kenaikansuhu 250° c Ijam dan waktu sinter 3 jam. Pelet sinter U02 jenis PWR yang diperolehternyata mempunyai densitas yang berbeda pula, bergantung pada kandunganpelumasnya. Densitas yang tertinggi (93,11 % DT) diperoleh pada pelet sinterU02 yangberasal dari kompakan dengan kandungan pelumas 0,4% berat. Untuk BBRD jenisPWR (enrichment), densitas tersebut memenuhi persyaratan.

PENDAHULUAN

Bahan bakar reaktor daya (BBRD) atau pelet sinter U02 jenis PWR adalah berdensitastinggi yakni sekitar 93-95% DT. Untuk memperolehnya, kompakan serbuk U02 ukuran menengah(150-800 IJm) perlu disinter dengan suhu tinggi yakni 1700° c. sintering suhu tinggi tentumenyebabkan biaya produksi besar., resiko kerusakan alat sinter cukup tingggi dan periode waktusinter cukup lama. Oleh karenanya suhu sinter perlu diturunkan. Hal ini sesuai dengankecenderungan Negara maju saat ini, yang melakukan penyinteran BBRD pada suhu rendah(1200°c).

Salah satu usaha untuk menurunkan suhu sinter adalah dengan penggunaan serbuk halusU02· Dari berbagai penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa kompakan atau pelet mentah yangberasal dari serbuk yang lebih halus dapat disinter pada suhu yang lebih rendah. Dalam prosespengompakannya akan terajadi friksi atau gesekan antara sesama serbuk dan antara serbuk dengancetakannya atau dinding Dies. Friksi sesama serbuk menyebabkan densitas kompakan menjadirendah karena terbentuknya Bridging yakni jembatan antar partikel serbuk. Sementara itu, friksiantara serbuk dengan Dies menyebabkan pengikisan dinding Dies, bahkan sering menyebabkankompakannya pecah atau retak. Untuk mengatasi hal ini, maka ke dalam serbuk perlu dicampurkanpelumas hingga homogen. Dalam hal ini menggunakan Zn-stearat sebagai pelumas. Masalahnyaadalah seberapa banyak pelumas dicampurkan ke dalam serbuk U02, sebab jika berlebihan,pelumas juga dapat menyebabkan densitas kompakan turun, karena transmisi tekanan tidakmaksimal. Oleh karenanya penelitian ini perlu dilakukan.

TEORI

Teori Pengompakan

Pengompakan serbuk U02 dimaksudkan untuk memberikan bentuk, ukuran, dan rapat massa

tertentu terhadap kompakan yang dihasilkan. Selama proses pengompakan akan terjadi friksi atau

gesekan sesama partikel serbuk yang berdekatan. Friksi ini menyebabkan pengelasan

40

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

dingin atau cold welding. Akibatnya terbentuk kohesi sisa (perpaduan), berupa titik kontak antarpartikel serbuk atau the point of particle contact dalam kompakan atau pelet mentah. Melalui titikkontak inilah pertukaran atom-atom berlangsung selama proses sintering. Makin halus ukuranserbuk, makin banyak jumlah serbuk atau jumlah titik kontak tersebut dan makin cepat pertukaranatom-atom selama penyinteran sehingga densitas pelet meningkat dengan cepat.

Teori SinteringProses sintering terbagi dalam 3 tahapan yakni :

a) Tahap awal (initial stage)

Proses sintering berawal pada titik kontak antar partikel serbuk. kemudian titik kontak tersebutbertambah luas dan membentuk neck atau leher. Neck ini kemudian menjadi batas butir ataugrain-boundary. Pada saat bersamaan, rongga antar partikel serbuk mengecil dan membentukpori.

b) Tahap pertengahan (intermediate stage)Dalam tahap ini batas butir membesar dan porinya mengecil dengan cepat. Akibatnya peletmengalami shringkage atau pengerutan dan densitasnya meningkat tajam. Hal ini terjadi selamakenaikan suhu dari 300°C hingga suhu puncak. Disini terjadi densifikasi secara cepat karenaadanya interaksi antara pori dan batas butir.Selama pertumbuhan butir (grain growth) :• Pori-pori dapat dikeluarkan oleh pergerakan batas butir sehingga densitas pelet meningkat.• Pori-pori tersebut ditinggalkan oleh pergerakan batas butir dalam butir, sehingga densitas

pelet tetap

c) Tahap akhir (final stage)

Tahap ini berlangsung selama soaking time atau selama pelet pada suhu puncak. Densifikasipelet berlangsung lambat karena yang terjadi hanya perubahan bentuk dan pengecilan pori-poridalam butir. Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa pelet sinter U02 berdensitas tinggi dapatdihasilkan dari sintering suhu rendah atas kompakan serbuk halus.

Mekanisme sintering

Terbagi atas surface transport dan bulk transport. Secara sederhana kedua mekanisme inidapat dijelaskan :

• Surface transportMekanisme sintering surface transport adalah mekanisme yang disebabkan adanya aliran atauperpindahan massa dari permukaan ke permukaan partikel serbuk, yang mengakibatkanpertumbuhan neck. Akan tetapi kedua partikel serbuk tersebut tidak mengalami shringkage(pengerutan) sehingga peletnya tidak terdensifikasi (tidak mengalami perubahan dimensi).Mekanisme surface transport meliputi difusi permukaan dan evaporasi kondensasi yang biasanyaterjadi pada tahap awal sintering

• Bulk transportMekanisme sintering bulk transport adalah mekanisme yang disebabkan adanya aliran atauperpindahana massa dari dalam partikel serbuk (sumber massa internal) ke daerah necksehingga pertumbuhan neck semakin cepat. Mekanisme ini meliputi difusi volume (kisi), difusibatas butir, aliran plastis dan sebagainya. Dalam mekanisme ini terjadi shringkage partikel serbukatau densifikasi pelet. Mekanisme ini biasanya terjadi pada tahap pertengahan dan tahap akhirsintering.

41

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

TAT A KERJA

ISSN 0854 - 5561

1. Pembuatan serbuk halus U02 lolos 38 !-1mdan pencampuran pelumas• Sejumlah serbuk awal U02 jenis CAMECO yang berukuran sekitar 150-700 !-1mdiayak

dalam ayakan kecil dengan frekuensi 50 hz, sehingga diperoleh serbuk halus U02 lolos 38!-1m.

• Serbuk halus tersebut kemudian ditimbang dengan berat tetap 6,8 gr sebanyak 35 sam pel.Sam pel tersebut dibagi atas 7 kelompok dan setiap kelompok terdiri dari 5 sam pel.

• Setiap sam pel dalam kelompoknya dicampur dengan pelumas Zn-stearat hingga homogendengan persentase berat yang sama, masing-masing kelompok adalah 0,2 , 0,4, 0,8 ,1,2 , 1,6 , 2,0 , 3,0% berat.

2. Pengompakan serbuk halus dan penyinterannya• Sam pel tersebut kemudian dikompakkan dengan tekanan yang sama yakni 7 ton, dengan

parameter proses; punch-atas 21 mm, kedalaman dies = 66 mm dan putaran hydraulic = 4.• Kompakan serbuk halus U02 yang dihasilkan kemudian dihitung densitasnya, lalu disinter

dengan kenaikan suhu 250°C/ jam, suhu sinter 1100°C, waktu sinter 3 jam dan lajupenurunan suhu 150°C/jam

• Pelet sinter yang dihasilkan kemudian dihitung densitasnya dan diamati grain-size melaluiuji metalografi

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengompakan dengan tekanan yang sama ( 7 ton) atas 35 sam pel serbuk halus U021010s38 !-1mdengan 7 variasi kandungan pelumas Zn-stearat telah berhasil dilakukan dengan baik menjadikompakan serbuk halus atau pelet mentah U02• Data mengenai densitasnya dapat dilihat pada tabelI. Pelet mentah dengan kandungan pelumas yang sama (0,2% berat) ternyata mempunyai densitasyang hampir sama. Sedangkan pelet mentah dengan kandungan pelumas yang berbeda mempunyaidensitas yang berbeda pula. Hal ini menunjukkan bahwa kandungan pelumas dalam serbuk dapatmempengaruhi densitas kompakannya.

Dari tabel II ditunjukkan bahwa pelet mentah dengan kandungan pelumas terendah, yakni0,2% berat mempunyai densitas 58,48% DT. Kenaikan kandungan pelumas 0,4% berat, ternyatadapat meningkatkan densitasnya menjadi 59,98% DT. Kenaikan kandungan pelumas selanjutnyadari 0,8 hingga 3,0% berat Zn-stearat, ternyata menurunkan densitasnya dari 57,71 hingga 53,42%DT. Densitas tertinggi diperoleh pada kandungan pelumas 0,4% berat yakni 59,98% DT, sedangkanyang terendah adalah pada kandungan pelumas 3,0% berat yakni 53,42% DT. Fenomena yangsama dengan serbuk U02 ini juga ditemukan pada kompakan dari serbuk besi (Fe) 150 !-1m

Fenomena tersebut dapat dilihat pada gambar 1. Yang menjadi pertanyaan adalah kenapakandungan pelumas dalam serbuk dapat mempengaruhi densitas kompakannya. Dalam prosespengompakkan serbuk ada istilah applied pressure (penerapan tekanan) dan transmitted pressure(transmisi tekanan). Pada dasarnya penerapan tekanan harus sama dengan transmisi tekanan.Tetapi karena adanya friksi sesama serbuk dan antara serbuk dengan Dies, serta adanyakandungan pelumas dalam serbuk, maka transmisi tekanan selalu lebih kecil daripada penerapantekanan. Variasi transmisi tekanan dapat dibandingkan pad a densitas kompakan yang dicapai.Transmisi tekanan yang maksimal ternyata dicapai pada kompakan (pelet mentah) dengankandungan pelumas 0,4% berat, karena densitasnya terbesar yakni 59,96% DT. Hal ini didugakarena pelumasan atas permukaan semua partikel serbuk cukup memadai dan tidak berlebihan.Kelebihan pelumasan tentu akan mempertebal permukaan partikel serbuk dan mengurangi transmisitekanan. Hal ini terjadi pad a serbuk pad a kandungan pelumas 3,0% berat, yang menghasilkankompakan dengan densitas terendah yakni 53,42. Jadi optimasi pelumasan serbuk perlu dilakukanagar diperoleh densitas kompakan maksimal.

Kandungan pelumas Zn-stearat ternyata juga berpengaruh pada densitas pelet sinter.Bahkan pengaruhnya lebih besar dibandingkan terhadap densitas pelet mentah. Dengan kandunganpelumas 0,2% berat dalam serbuk, maka densitas pelet sinternya adalah 90,36 % DT. Kenaikankandungan pelumas, 0,4% berat menyebabkan densitasnya meningkat menjadi 93,11 % DT.Kenaikan kandungan pelumas selanjutnya dari 0,8 hingga 3,0% berat, ternyata menurunkan

42

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

densitasnya dari 90,36 hingga 73,48% DT. Densitas pelet sinter yang terbesar diperoleh padakandungan pelumas 0,4% berat, yakni 93,11 % DT. Untuk bahan bakar jenis PWR (enriched),densitas tersebut telah memenuhi persyaratan BBRD. Penurunan densitas pelet sinter akibatkenaikan kandungan pelumas dalam pelet mentah mungkin disebabkan karena ketebalan pelumasdiatas permukaan aglomer serbuk dalam kompakan bisa memperlambat proses sintering ataudensifikasi pelet. Terutama dalam pertumbuhan neck (Ieher), batas butir dan butir (grain growth).

Pencapaian densitas yang tinggi (93,11 % DT) dari pelet sinter UOz dengan kandunganpelumas 0,4% berat dalam serbuk halusnya menunjukkan bahwa pelumasan tersebut tidakmempengaruhi proses sintering terutama pada tahap awal dim ana titik kontak antar partikel serbuktumbuh menjadi neck (leher) dan batas butir (grain boundary).

TABEL 1. Densitas pelet mentah (7 ton) dan pelet sinter (1100° C) jenis PWR dari serbuk halus UOz--.-- -- "'-.0. __ .I~_ .. ,.,. ___ .. ____ .........._" """""'"11_"" _II """'--'-"'1 J-IIM "",,'u"',,",u

DENSIT AS PELETDENSITAS PELET

No

% BeratMENTAH UOzSINTER UOz

Zn stearat grl cm3grl cm3%DT %DT

1

6,42058,479,91890,332

6,42158,489,92190,383

0,26,24558,529,92690,414

6,42258,499,92290,375

6,41858,459,91590,316

6,58359,9610,22393,117

6,57959,9210,21993,688

0,46,58759,9910,22893,169

6,58159,9410,22193,0910

6,58459,9710,22493,1211

6,33257,67,9,92390,3812

6,34157,769,91890,3313

0,86,33657,709,92190,3614

6,34157,759,92890,4215

6,33257,679,91490,2316

6,31657,539,48186,4317

6,31457,509,45986,1518

1,26,32157,579,47886,2519

6,31857,549,43885,9620

6,31957,559,43185,8021

6,22456,699,10182,8922

6,21856,639,08482,7423

1,66,22356,689,09282,8124

6,22156,669,08482,7425

6,21156,579,10582,9326

6,13055,838,72379,4527

6,13155,848,71079,3228

2,06,12955,828,68379,0829

6,12955,798,73579,5630

6,12855,818,71379,3631

5,86253,398,09273,7032

5,86153,378,09073,6933

3,05,84253,218,09272,9834

5,85353,318,06673,4 735

5,86353,808,07973,58

43

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

Tabelll

ISSN 0854 - 5561

Densitas rata-rata pelet mentah ( 7 ton) dan pelet sinter ( 11000e )jenis PWR dari serbukhalus U021olos 38 Um dengan persentase berat pelumas ( Zn-stearat ) yang berbeda.( dari Tabell ).

DENSITAS PELETDENSIT AS PELET

NO

% ( Berat )MENTAH U02SINTER U02

Zn-Stearatgr/ cm3

%DTgr/ cm3%DT

1

0,26,42158,489,92090,36

2

0,46,58359,9610,22393,11

3

0,86,33657,719,92190,35

4

1,26,31757,549,45786,14

5

1,66,21956,659,09482,83

6

2,06,12855,828,71379,36

7

3,05,85653,428,08473,48

-+-- Densitas pelet mentah U02

--- Densitas pelet sinter U02

N 100.000 :J•..Q)-c 90.00"iij -Q)QjQ.c_

80.00CUt- "0.s::.~.19~c 70.00Q) E~Qj 60.00Q.

UI.19"iijc 50.00

Q) 0 0.000.50

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

Kandungan pelumas Zn-stearat dalam serbuk halus U02 1010538 !-1m(% berat)

Gambar 1. Grafik pengaruh kandungan pelumas Zn- stearat dalam serbuk halus U02 terhadapdensitas pelet mentah dan pellet sinter U02

44

ISSN 0854 - 5561

KESIMPULAN

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

1. Dengan menggunakan ayakan kecil, maka serbuk halus U02 lolos 38 IJm dapat dihasilkan dariserbuk awal CAMECO

2. Kandungan pelumas (Zn-stearat) dalam serbuk halus U02 lolos 38 um dapat mempengaruhidensitas dari pelet mentah dan pelet sinter

3. Campuran 0,4% berat pelumas (Zn-stearat) dalam serbuk halus U02 lolos 38 IJm dapatdikompakkan dan disinter pada suhu rendah (1100° C) menjadi pelet sinter berdensitasmaksimal, yakni 93,11 % DT

SARAN

Perlu dipesan ayakan besar berukuran kecil, 38 IJm dan 53 IJm

DAFT AR PUST AKA

[1] SAMIR M., ABDEL AZIM, contribution to fuel element fabrication of U02 pellets using lowersintering Temperatures, Cairo Egypt, 1 juli 1994.

[2] RANDAL M.G. Powder metallurgy Science, Printed in Princeton, New Jersey 1984.[3] KINGERY W.D., introduction to Ceramics, Jhon Wiley & Sons, Inc., 1976

45