Prosiding Seminar Teknologi dan Keselama/all PLTNSer/a Fasililas Nuklir

Serpong. 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR -BATAN

WATAK "IN-PILE BAHAN BAKAR URANIUM DIOKSIDADALAM REAKTORAIR RINGAN

Oleh:

Bambang HerutomoPusat Elemen Bakar Nuklir - Badan Tenaga Atom Nasional

ABSTRAKWatak "in-pile" Bahan Bakar Uranium Dioksida dalam Reaktor Air Ringan. Uranium

dioksida (U02) dalam bentuk pelet tersinter telah digunakan secara luas sebagai bahan bakar reaktordaya. Akibat iradiasi di dalam teras reaktor, pelet bahan bakar mengalami perubahan-perubahan baikdalam struktur mikronya maupun bentuk dan dimensinya. Perubahan yang terjadi sangat dipengaruhioleh karakteristik pelet tersinternya dan kondisi operasinya.

ABSTRACTIn-pile Behaviour of Uranium Dioxide Fuels In The Light Water Reactor. The uranium

dioxide (U02) in the form of sinter cd pellets have veen widely used as fuel of power reactor. Due toirradiation efects in the reactor core, the fuel pellets have undergone changes in their microstructureas well as their shape and dimension. Those changes are influenced by characteristics of their sinteredpellets and their operation conditions.

I. PENDAHULUAN

Penggunaan yang meluas·uranium dioksida (U02)dalam bentuk pelet tersinter sebagai bahan bakar reaktordaya terutama didasari olehsifat-sifat baikyangdimiliki­nya, sepertill,6j titik lelehnya tinggi, kestabilan dimensio­nal dan struktural-nya baik, mampu menahan atom-atomhasil belah, sudah dipabrikasi, dll. Akan tetapi pelet ter­sinter U02juga memiliki sifat-sifatjelek, yaitu rapuh danmudah retaj, daya hantar dan densitasnya rendah.

Pembuatan pelet U02 yang memenuhi persyaratansebagai bahan bakar reaktor daya dapat dilakukan denganmudah dan ekonomis melalui proses "cold pressing, high

temperature sintering and grinding" terhadap serbuk U02dapat tersinter. Karakteristik pelet tersinter sepertidensitas, struktur pori dan butir, dll. sangat dipengaruhioleh mutu serbuk dan variabble-variable dalam prosespenyinteran.I41

Akibat iradiasi di dalam teras, pelet bahan bakarU02 me'ngalami perubahan-perubahan dalam komposisi,strukturmikro, bentuk dan dimensinya sehingga mempe­ngaruhi kinerja elemen bakar. Semua perubahan yangterjadi sangat dipengaruhi oleh komposisi kimia danstruktur-mikro pellet, temperaturdan daya operasi, "burn­up", sejarah operasi, dll.

Dalam makalah ini dibahas watak "in-pile" bahanbakar U02 dalam reaktordaya airringan, yaitu pembang­kitan panas dan distribusi temperatur, restrukturisasi,perubahan dimensi, pelepasan gas hasil belah dan inter­aksi pelet kelongsong serta pengaruhnya terhadap kinerjaelemen bakar.

II. WATAK "IN-PILE" BAHAN BAKAR U02ILL Pemban!!kitan Panas Distribusi Temperature

Temperatur merupakan variabel yang paling domi­nan dalam mempengaruhi watak "in-pile" bahan bakar

U02 karena banyak proses-proses fisis seperti ekspansi .volume, densifikasi, pelepasan gas hasil belah, restruk­turisasi, watakmulur, dll. sangatdipengaruhi oleh tempe­ratur operasi bahan bakar.

Temperatur operasi dan distribusinya di dalambahan bakar ditentukan oleh besar-kecilnya panas yangdibangkitkan dan daya hantarpanas bahan bakar. lumlahpanas yang dibangkitkan umumnya dinyatakan dalambentuk panas linier, yaitujum lah panas yang dibangkitkanper-satuan panjang bahan bakar. Untuk meningkatkanefisiensi pembangkitan tenaga diinginkan bahan bakardengan daya linier setinggi-tingginya. Akan tetapi demikeselamatan operasi, pembangkitan panas tersebutdibatasi dalam jangkau 10 sid 17 kW/rt (reaktor airringan).I'S]

Distribusi temperatur di dalam bahan bakar sangat

dipengaruhi oleh daya hantar panas pelet U02 yang har­ganya dipengaruhi oleh temperatur, porositas dan stoiki­ometri; yaitu menurun dengan kenaikan temperatur danjumlah porositas serta maksimum pada kondisi stoikio­metri.12.6]. Selama operasi distribusi temperatur di dalambahan bakar akan berubah perlahan-lahan sebagai fungsiwaktu yang disebabkan oleh berubahnyajumlah porositas,stoikiometri, terbentuknya gelembung-gelembW1g gashasil belah, berubahnya lebar celah antara pelet - kelong­song, pelepasan gas hasil belah, terdepositnya pengotor­pengotor di permukaan kelongsong, dll.

II.2. Restrukturlsasl.

Rendahnya daya hantar panas U02 tersinter telahmemaksa bahan bakar dioperasikan pada temperatur

240

Prosiding Seminar Tekn%gi dan Kese/amatan PLTNSerta Fasilitas Nuk/ir

tinggi dalam usaha meningkatkan efisiensi pembangkitantenaga. Keadaan ini mengakibatkan bahan bakar meng­alamai restrokturisasi karena pertumbuhan butirdan per­gerakan pori. Untuk bahan bakar berporositas tinggiyang dioperasikan pada temperatur (di pusat) di atas1800 °c tetapi masih di bawah titik lelehnya, proses re­strukturisasi akan menghasilkan kanal di tengah-tengahpelet bakar (lihat gambar 1).

Serpong. 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR -BATAN

"vapour transport" at au "evaporation-condentation".Pergerakan pori tersebut meninggalkanjejak berbentukgaris-garis sepanjang lintasan yang dilalui yangmerupakan ciri khas zona butir kolumnar. Akumulasipori di pusat bahan bakar akan menghasilkan kanaldalam arah aksial.

Proses restrukturisasi tersebut beIjalan sang at cepat,yaitu sejak reaktor mencapai tingkat daya dan akan ber-

Gambar 1 : Tampang lintang bahan bakar U02 setelah mengalami restrukturisasi.

Dari gambartersebut secarajelas dapat dilihat bah­wa tampang lintang pelet terbagi dalam beberapa zonaberdasarkan bentuk butirnya, yaitu [1,2,6,10,11]

Zona tcrluar,yaituzona yang tersusun atas butiranyang relatifsama, baik bentukmaupun ukuratmya, denganhasil pabriksai. Zona ini berlaku untuk yang memilikitemperatur di bawah 1500 °C.

Zona butlr "coualxed",yaituzona terjadinya per­tumbuhan butir secara merata dan isotropis (zona yangbertemperaturantara 1500 - 1800 0e). Laju pertumbuhanbutir ini juga dipengaruhi oleh densitas pelet, yaitusemakin tinggi densitas semakin tinggi laju pertumbuhanbutirnya. Efek nyata dari pertumbuhan butir "equaixid"adalah mereduksi laju pelepasan gas hasil belah dantemperatur operasi bahan bakar.

Zona butir kolumnar, yaitu zona yang memiliki bu­tiran panjang dan sempit serta berorientasi ke arah pus atbahan bakar (temperaturtinggi). Butiran ini terjadi padazona yang bertemperatur > 1800 °c tetapi masih di ba­wah titik lelehnya. Butiran ini terbentuk karena gerakanpori menuju ke pusat bahan bakar melalui mekanisme

henti kira-kira setelah 24 jam. Efek nyata restro1<turisasiterhadap kinerja bahan bakar adalah menurunnya tempe­ratur operasi bahan bakar.

Pada bahan bakar reaktor air ringan yang biasanya

digunakan pelet U02 berdensitas sekitar 95% dari den­sitas teorinya dan dioperasikan pada temperaturdi bawah1800 °c, restrukturisasi hanya menghasilkan butiran"equaixed".

II.3. Peretakan Bahan Bakar

Besarnya gradien suhu yang terdapat di dalambahan bakarsebagai akibat rendahnya daya hantarpanas

pelet U02 telah menimbulkan tegangan thermal yangbesar sehingga apabila terjadi perubahan daya pelet akanretak, baikdalam arah radial maupun aksial. Pada gambar2 dapat dilihat tipikal retakan yang terjadi.

Pada operasi daya konstran, retakan yang terjadidapat tertutup kembali. Penutupan retak terutama teIjadipada daerah pelet yang bertemperatur di atas 1200 °C.Hal ini erat kaitannya dengan karakteristik mulur ("creep")U02 (plastisitas meningkat dengan naiknya suhu).

241

Prosiding Seminar Tekn%gi dall Kese/amatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

Gambar 2 : Tipikal retakan aksial dan radial bahan bakar D02

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR - BATAN

"r'

II

!I

Adanya aliran plastis dari pelet bagian dalam ter­sebut dapat menyebabkan retakan (fragmen) pelt padadaerah luarmengalami relokasi. Sedangkan aliranplastiske arah aksial akan mengakibatkan ujung-ujung peletmengalami deformasi yang menghasilkan bentuksepertibambu (melebarpada kedua ujungnya). Dntuk mengatasikeadaaan tersebut, pada ujung-ujung peletdibuat cekung­an ("dishing").

Selain dipengaruhi temperatur, sifat plastisitas D02juga dipengaruhi oleh perbandingan O/U, yaitu semakinbesarperbandingan O/U semakin meningkat kekuatannyaterhadap deformasi plastis. Hal ini bermanfaat untukmereduksi tegangan pada kelongsong akibat relokasi re­takan pelet.

II.4. Perubahan Dimensi Bahan Bakar.

II.4.a. Ekspansi ThermalEkspansi thermal mengakibatkan pertambahan di­

mensi pelet dalam arah radial dan aksial. Ekspansi dalamarah radial akan mengurangi lebar celah antara pelet dankelongsong sehingga meningkatkan daya hantar panascelah. Jika ekspansi tersebut lebih besar dibandingkanlebar celah yang disediakan maka kontak antara peletdan kelongsong akan terjadi. Keadaan ini tidak diingin­kan karena dapat membahayakan integritas kelongsong.

Akibat ketidak seragaman ekspansi maka padaujung-ujung pelet akan melebar sedangkan pada daerahtengah menyempit (deform as i).

II.4.b. Dcnsifikasi

Densifikasi merupakan penyebab utama kegagalanelemen bakar pada era 1970-an (kelongsong pecah).Densifikasi adalah penyusutan volume tanpa pengaruhgaya dari luar sebagai akibat berkurangnya porositas

(jumlah atau ukuran).Menurut Ainscough(6J, peristiwa densifikasi pada

bahan bakar D02 sudah terjadi pada temperatur seren­dah 400°C dan lajunya cenderung naik dengan kenaikantemperatur. Kecepatan berkurangnya porositas sangatdipengaruhi 0 leh ukuran pori. D ntuk pori dengan diame­ter kurang dari 1mikron diel iminasi lebih cepat dibandingdengan pori yang berdiameter lebih besar dari 1 mikron.Laju densifikasi menurun sesuai dengan kenaikan "burnup" dan akan berhenti setelah mencapai sekitar 30000MWDrrUl'4).

Mekanisme densifikasi telah diterangkan secaraje­las oleh Sthele dan Assman[S.6), yaitu dimulai dengan

pembentukan kekosongan di dalam kisi D02 melalui"fission spikepore interaction process". Dengan aktivasithermal, kekosongan yang terbentuk bennigrasi bersama­sama dengan pori menuju bidang batas butir. Selanjutnya,kekosongan dan pori akan mengalami annihilasi setelahmencapai batas butir yang mengakibatkan konstraksivolume. Selama proses migrasi dimungkinkan terjadinyapemakanan kekosongan atau pori halus oleh pori yangmempunyai ukuran relatif besar sehingga pori besardika-takan mempunyai kecenderungan untukbertambahbesar. Hal ini telah ditunjukkan oleh hsail penelitianFhesley dkk.l6) yaitu untuk pori yang berdiameter lebihdari 10 mikron meningkatjumlahnya selama densifikasidan penyusutanjumlah pori sangatterasa untukpori yangberdiameter kurang dari 1 mikron.

Efek nyata dari densifikasi adalah membesamyalebar celah pelet - kekosongan yang mengakiba~kan tu­runnya day a hantar panas celah dan tekanan dalam ele­men bakar. Penurunan tekanan dalam yang cepat dapatmerusak integritas kelongsong

242

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

II.4.c. "Swelling""Swelling" terjadi sebagai hasil dari penumpukan

nuklida hasil belah, baik padatan maupun gas di dalammatrik bahan bakar. Dari hasil-hasil penelitian ditunjuk­kan bahwa laju "swelling" meningkat dengan kenaikantemperatur. Hal ini erat kaitannya dengan pengintianatom-atom gas hasil belah xenon dan kripton memben­tuk gelembung-gelembung gas dengan diameter sekitar500 A. Dikarenakan gelembung-gelembung gas tersebutmempunyai densitasjauh lebih rendah dibanding dengan

densitas UOz maka akan menempati ruang yang besar didalam matrik bahan bakar. Aktivasi thermal menyebab­kan gelembung gas berdifusi yang kemudian diendapkandi batas butir. Selama berdifusi gelembung-gelembunggas tersebut dapat tumbuh meneapai radius 1 sampai 5mikron dan menyebakan "swelling" lokal sekitar 10 %(tergantung "burn up" dan temperatur).

Terbentuknya gelembung-gelembung gas tersebutmengakibatkan penurunan daya hantarpanas bahan bakarsehingga akan terjadi kenaikan temperatur operasinyadan keadaan ini akan meningkatkan laju difusi dan peng­endapan gelembung-gelembung gas di batas butir yangselanjutnya meningkatkan laju "swelling".

Efek nyata dari peristiwa "swelling" adalah berku­rangnya lebar eelah antara pelet dengan kelongsong yangmengakibatkan kenaikan koefisien hantaran panasnya.Akan tetapi apabila "swelling" lebih besar dibandingdengan eelah yang disediakan maka akan terjadi interaksiantara pelet dengan kelongsong

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR -BATAN

Karakteristik perubahan dimensi pelet akibat densi­fikasi dan "swelling" sebagai fungsi "burn-up" dan struk­tur-mikro dapat dilihat pada gambar 3. Dari gambartampak bahwa peristiwa densifikasi sangat dominanpada awal irradiasi dan lajunya menurun sesuai dengankenaikan "burn-up" dan jenuh setelah meneapai 6000 ­10000 MWD/tU (khususnya untuk pelet dengan strukturpori halus - grafik A). Setelah itu, perubahan dimensilebih didominasi oleh peristiwa "swelling".

II.4.d. Karaktcrlstik Mulur ("Creep") VOz

Laju mulur bahan bakar UOz sangat dipengaruhioleh tegangan temperatur, ukuran butirdan perbandinganIoksigen dengan uranium (O/U)l2J• Karakteristik laju mulur

UOz sebagai fungsi tegangan menunjukkan hubunganlinier yang diskontinyu. Pada daerah tegangan rendah,kemiringan garis yang menyatakan hubungan laju mulurdengan tegangan lebih landai dibanding pada tefangantinggi seperti terlihat pada gambar 4. Diskonti-nyuitastersebut disebabkan oleh perubahan mekanisme mulur,yaitu dari mulur difusi ke mulur panjatan dislokasi.Tegangan transisi terjadinya perubahan mekanisme mulurdipengaruhi oleh ukuran butir dan stoikiometeri (O/U).Semakin besar angka O/U dan ukuran butir, semakinkeeil tegangan transisinya[2,6].

Pengaruh ukuran butirterhadap lajumulurterutamasangat terasa pada daerah di bawah tegangan transisi,yaitu samin keeil ukuran butir maka semakin besar lajumulumya .. Sedangkan stoikiometeri, pengaruhnya terasa

!IVV.

o

~~,.

2·

-u .•.

,tl.t~. volum. clu"94

r.sultant

~O BO OW.d/IV• I __

b\1r"..up

-- -- -- -- -- --

" pOri .hrlnk'04'­ -rJ::\ - _'<Y -_

---- - - - - - - --=--:--=--:......•..-

Gambar 3 : Tipikal perubahan volume pelet UOz sebagai fungsi "bum up" dan struktur pori

243

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan PLTNSerla Fasililas Nuklir

untuksegala daerah tegangan, yaitusemakin besarangka '6 14 12 10OIU maka semakin besar pula laju mulumya (pada , 0" ~, : I I Itemperatur dan tegangan yang sama)[2].

Serpong. 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR - BATAN

T, 100'C .8 6 !ir-r---t-- I

l':i< 10·'c: 8

b 6~c:

.c..;

~ 18·110\ ~, .i1'\1g7.~--'; 11"lui(y

o 5S4pm 9'~inlDS.5% LlI:t\liIY

o I'. to 19·•.•m I 0 IO·,.,m 9'1ins~"in, 97.5-. thntity9".8~.dtntily

0121014·"m9, .•;nlSJ7;';'density

10-4

,

..:: 10-~

...;

10-8

10-86.0

\\\\\\1\

0.0

Induct<!

10.0 12.0

liT, 104 °K-'

IG.O

1. 7 1 J 7 I

STAE5S. kN/m1 • 10··Gambar 6: Karakteristik mulur "in-pile" V02

Tabel1: Fraksi gas hasil belah yang terlepas dari matrikbahan bakar V02 sebagai fungsi temperatur

Secara garis besar, hubungan antara temperaturdengan mekanisme pelepasan gas hasil belah diringkaskansbb:

Pada temperatur rendah « 1000 0C), mobilitas a-

11.5. PclcDasan Gas-Gas Hasil Bclah

Gas stabil hasil belah xenon (Xe) dan kripton (Kr)memegang peranan penting dalam mempengaruhikeinerja elemen bakardikarenakan gas-gas tersebut tidaklarut di dalam matrik bahan bakar sehingga dapat terlepasdari bahan bakar kemudian mengisi ruang-ruang kosongyang ada di dalam elemen bakar (pori, retakan, celah,dB.). Gas-gas yang terlepas akan menyebakan kenaikantckanan dalam elemen bakar dan komposisi gas pengisicelah.

Mekanisme pelepasan gas hasil belah dari matrikbahan bakar sangat dipengaruhi oleh temperatur ope­rasi(I,2,s,6J.Hubungan antara temperaturdengan fraksi gasyang terlepas dapat dilihat pada tabel 1. Sedangkangambar 6 dapat dilihat hubungan antara daya linierdengan fraksi gas yang terlepas.

Gambar 5 : Karakteristik laju mulur V02.

Karakteristik mulur "in-pile" V02juga dipengaruhioleh temperatur operasinya. Pada temperatur> 1200 °C,laju mulumya didominsi oleh mekanisme aktivasi ther­mal sedangkan pada temperatur< 1200 °C,laju mulumyadiperkuat oleh adanya kerusakan bahan karena iradiasi("irradiation-echanced creep"). Karakteristik laju mulur

"out-of pile" dan "in-pile" V02 sebagai fungsi tempera­tur dapat dilihat pada gambar 6.

Efek nyata dari peristiwa mulur adalah bertambah­nya dimensi pelet, baik dalam arah radial maupun aksial.Pertambahan dimensi dalam arah radial akan memper­sempit leqar celah (koefisien hantaran panas naik) mau­pun interaksi pelet kelongsong. Sedangkan mulur ke arahaksial menyebabkan timbulnya tegangan yang besarpada ujung-ujung pelct sehingga pada ujung-ujung pelettersebut terjadi pertambahan diameter yang lebih besardibanding yang di tengah ("bamboing").

Selain itu adanya distribusi temperaturdi dalam pe­lat menyebabkan terjadinya perbedaan laju mulur. Padabagian tengah pelet, yaitu pada daerah yang memilikitemperatur > 1200 °C laju mulumya jauh lebih besardibanding dengan daerah luar yang bertemperatur <1200 °C, sehingga bagian pelet sebelah luar mengalamiretak dan relokasi.

Jangkau temperatur(0C)< 1000

1000 - 13001300 - 1600

> 1600

Fraksi gas yang terlepas(%)

< 0,5 setelah 3 tho< 10 setelah 3 tho< 60 setelah 3 tho< 95

244

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNSerta Fasililas Nuklir

tom-atom gas hasil belah masih terlalu rendah (seolah­olah dibekukan di dalam matrik bahan bakar). Hanyaatom-atom gas yang tertentu di dekat permukaan bebasyang dapat terlepas melalui mekanisme langsung (akibatenergi kinetik) maupun dengan "recoil" dan "knockout".Dikarenakan pelepasan hanya terjadi di dekat permukaan(sedalam 10 mikron dari permukaan) maka fraksi yangterlepas relatif kecil.

I•JO

I'. 70'-~UIoJVJIe

10

oJ50

LlUE An rowEn. W/cm

Gambar 7 : Hubungan antara daya linier dengan fraksi

gas belah yang terlepas dari UOr

Pada temperatur antara 1000 - 1600 °C, mobilitasgas di dalam matrik bahan bakar bertambah besar sesuaidengan kenaikan temperatur. Pada daerah ini terjadiproses pengintian atom-atom gas membentukgelembung­gel em bung gas dan berdifusi dengan kecenderungan kearah temperatur tinggi yang kemudian diendapkan dibatas butir. Proses pelepasan gas terjadi apabila bidangbatas butir sudahjenuh dengan gel embung sehingga ter­jadi persambungan antargelembungyang mengakibatkanterbentuknya terowongan atau pori terbuka. Selain ituakumulasi gelembung di batas butir akan memperlemahikatan antar butir sehingga peristiwa retak ("crack")mudah terjadi. Untuk selanjutnya, gas-gas hasil belahakan dilepaskan melalui pori terbuka atauretakan tersebut.Dikarenakan temperatur masih relatifrendah dan prosesdifusi merupakan difusi gelembung maka difusi berjalanlambat dan hanya gelembung-gelembung yang terbentukdi dekat batas butir saja yang dapat tcrlepas.

Pada temperatur tinggi (> 1600 0c) semua gel em-

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR-BATAN

bung yang dapat terbentuk dapat mencapai batas butirdalam waktu yang relatif singkat (orde hari sampaibeberapa bulan). Apabila terbentuk butir kolurnnar, yaitupada daerah yang bertemperatur > 1800 °C, mekanismeevaporasi-kondensasi menuju kanal at au lubang di pusatbahan bakar.

II. 6. Interaksl Pelet - Kelon2:son2:Interaksi pelet-kelongsong tetjadi apabila lebar ce­

lah antarpelet kelongsong yang disediakan tidak mampulagi mengakomudasi pertambahan diameter pelet mau­pun "creep-down" kelongsong akibat aplikasi tekananpendingin.

Ditinjau dari segi hantaran panas. Interaksl mem­bawa keuntungan karena panas yang dibangkitkan bahanbakar langsung dipindahkan ke kelongsong tanpa mela­lui celah sehingga mereduksi temperatur bahan bakar.Selain itu, interaksijuga dapat merusak integritas kelong­song, baik akibat interaksi mekanik maupun korositegangan. lradiasi neutron cepat menyebabkan keuletanbahan kelongsong menurun sehingga rapuh. Pada kondisiini apabila terjadi penaikan daya reaktor secara tiba-tiba,adanya interaksi dapat mengakibatkan pecahnya kelong­song.

Pengalaman operasi menunjukkan bahwa kerusakankelongsong akibat korosi tegangan lebih banyakdijurnpaidibanding akibat interaksi mekanik. Besamya kerusakanakibatkorosi tegangan tergantungpada besamya tegang­an dan konsentrasi iodiurn. Dari hasil penelitian Peehdkk,l2J ditunjukkan bahwa harga ambang konsentrasiiodiurn untukterjadinya retakan kelongsong karena korositegangan adalah 1 - 3 x 10-2g/m3 ; di bawah harga am­bang tersebut retakan tidak terjadi. Selain dipengaruhioleh tegangan dan konsentrasi iodiurn,lama waktu untukgagal juga dipengaruhi oleh temperatur dan "fluence"

- neutron cepat.Untuk mengurangi efek interaksi pelet-kelongsong,

beberapa usaha telah dilakukan mulai dari disain bahanbakar maupun mode pengoperasian reaktor, yang antaralain dengan mengurangi tempcratur operas ibahan bakar,mengikat iodiurn bebas, melapisi permukaan kelongsongbagian dalam dengan zirkoniurn, mereduksi "swelling"dan mulur, mengurangi gerakan batang kendali danmenghindari terjadinya perubahan daya yang cepat, dll.

245

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamaran PLTNSerra Fasililas Nuklir

Serpong, 9-10 Febroarl 1993PRSG, PPTKR-BATAN

UOz prorllo ..

(alter the ramp)" "",

.~ ~~..••,." " _ i"_'

cllJddlng

UO 2.

dishing

stress <Jnd

Iodine pClJk

0.1 mill. I I

-:--. -'--./.', ---

. ICIi1lltJlng

(ZlrclJloy)

grain growth

Ilsslol1 gas worscnsI1c<Jt transler

paths 01 tllc volillile

fission products

,/ ..\

Gambar 7 : Sketsa mekanisme interaksi pelet-kelongsong dan "microphotograph" penetrasi retakan.

III. PEMBAHASAN

Watak "in-pile" bahan bakar U02 seperti yangditerangkan diatas sangat dipengaruhi oleh karakteristikpelat tersintemya seperti kandungan bahan dapat belahdan bahan penyerap, kemurnian kimia (kandungan uapair, gas-gas residu), stoikiometri, densitas dan struktur­mikro (strukturpori,struktur butir), dimensi dan geometriserta kekasaran permukaan pelet, dll. maupun kondisioperasinya seperti daya linier atau temperatur, "bum­up", modus pengoperasian reaktor, dll.

Jumlah kandungan bahan dapat belah ~3S) yangterdapat qi dalam bahan bakar menentukan besamyapanas yang dapatdibangkitkan. Sedangkan bahan penye­rap (racun dapat bakar) digunakan untuk mengatur dis­tribusi (aksial) pembangkitan panas.

Kemurnian kimia bahan bakarerat kaitannya dalammenjaga integritas kelongsong. Pengotor-pengotor kimiaseperti hidrogen, halida dan nitrogen yang terlepas daribahan bakardapat menimbulkan kerusakan pada kelong­song. °leh karena itu keberadaannya harus dikendal ikandalamjumlah sekecil-kecilnya. Hidrogen yang terlepasdari bahan bakar darpat bereaksi dengan bahan kelong­song (zirkaloy) membentuk zirconium hidride ("sun­burst") yang menyebabkan kelongsong menjadi rapuh.Pengotor-pengotor halida (F, Cl) merupakan sumberkorosi dan dapat mcnambah cfck hidrogcn mclalui pcla-

rutan lapisan oksida yang menempel di permukaan dlamkelongsong membentuk oksida halida. Sedangkanpengotor nitrogen menyebabkan turunnya daya tahankorosi logam zirconium.

Stoikiometri atau perbandingan ° dan U (O/U)sangat berpengaruh terhadap daya hantar panas dan si­fat-sifat plastisitas pelet bahan bakar serta pembebasan

hasil belah iodium. Daya hantar panas U02 mencapaimaksimum untuk OIU = 2 (stoikiometri). Pengikataniodum oleh cesium (CsI) terjadi apabila harga OIU antara2,0 - 2,02. Untuk harga OIU lebih besar dari 2,02, hasiI

belah volatil iodium akan berupa iodium bebas (12),

Dalam hal lain, kenaikan harga OIU juga menyebabkankenaikan sifat plastisitas U02•

Densitas, struktur butir dan strukturpori sangat ber­pengaruh terhadapdaya hantarpanas, sifat-sifat mekanik,laju mulur, densifikasi, "swelling" maupun penahanangas-gas hasiI belah. Pada dasamya diinginkan bahanbakardengan densitas setinggi-tingginya agardaya hantarpanasnya baik. Akan tetapi adanya porositas juga diper­

lukan untuk mereduksi "swelling" dan pelepasan gas-gashasiI belah.

Dimensi dan geometri pelet maupun kekasaranpermukaan erat kaitannya dengan efisiensi hantaranpanas ke pendingin. Semakin kecil dimensi bahan bakarmaka semakin besar pula transfer panas ke pendingin.

246

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNSerta Fasilitas Nuklir

Semakin kecil dimensi bahan bakar maka semakin besar

pula transfer panas ke pendingin sehingga temperaturoperasi bahan bakar dapat lebih rendah. Reduksi tempe­ratur operasi bahan bakar banyak membawa manfaat da­lam perbaikan kinerjanya seperti mereduksi laju densi­fikasi, ekspansi thermal, swelling", pelepasan gas hasilbelah, laju mujur, maupun interaksi pelet-kelongsong.Selain .itu, disain dan pabrikasi pelet dengan kanal dipusat juga telah dilakukan dalam usaha mereduksitemperatur di pusat bahan bakar dan sebagai penampunggas hasil belah. Tipe bahan bakar ini diaplikasikan untukmengatasi problema-problema yang timbul dalam bahanbakar "burn-up" tinggi. Sedangkan kekasaran permukaanberpengaruh terhadap hantaran panas celah. Permukaanpelet yang halus akan memperkecil toleransi lebar celahsehingga diperoleh lebar celah yang optimum.

Daya atau temperaturbahan pakarmerupakan salahsatu parameter yang sangat berpengaruh terhadap watak"in-pile" bahan bakar sehingga harus dikendalikan. Re­duksi temperatur operasi dengan jalan memperkecilpanas linieryangdibangkitkan oleh bahan bakarmerupa­kan "trend" disain elemen bakar maju ("burn-up" tinggi).Reduksi temperatur dilakukan denganjalan memperke­cil diameter pelet atau membuat pelet bahan bakardengan kanal di pusatnya.

"Burn-up" sangat mempengaruhi komposisi kimiabahan bakar, "swelling", kenaikan tekanan dalam, dl!.Problema utama dalam aplikasi bahan bakar "bum-up"tinggi adalah kenaikan tekanan dalam elemen bakar.

Pengaturan "burn-up" dapat dilakukan dengan mengaturkandungan bahan dapat belah dan racun dapat bakar.

Pengoperasian reaktor mengikuti beban ("load fol­lowing") merupakan modus operasi reaktor masa depan.Dalam modus operasi seperti ini peristiwa peretakan danrelokasi bahan bakar serta interaksi pelet kelongsongmenjadi sangat dominan. Perubahan daya yang tiba-tibaakan memperbesar laju terjadinya peretakan. Sedangkankenaikan daya secara cepat dapat menimbulkan tegangan

DAFT AR PUST AKA

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

sentak yang besar pada kelongsong sebagai akibatekspansi thermal bahan bakar ke arah radia!.

IV. KESIMPULAN

Kinerja, baik thermik maupun mekanik, dari suatuelemn bakar reaktor air ringan sangat dipengaruhi oleh

watak "in-pile" bahan bakarnya (pelet U02 tersinter), se­perti pembangkitan panas dan distribusi temperatur, re­strukturisasi dan perubahan struktur-mikro, pelepasangas hasil belah, peretakan dan relokasi, densifikasi,"swelling", maupun mulur. Sedangkan watak "in-pile"

bahan bakar U02 tersebut sangat dipengaruhi oleh karak­teristik pelet tersinternya serta kondisi operasinya. I

Temperatur operasi bahan bakar merupakan salahsatu parameter kunci karena banyak peristiwa-peristiwadi dalam bahan bakar yang dipengaruhi oleh temperatur.Rendahnya daya hantar panas bahan bakar U02 telahmemaksa bahan bakar tersebut dioperasikan pada tem­peratur yang relatif tinggi dalam usaha meningkatkanefisiensi pembangkitan daya reaktor. Efekyang perlu di­perhatikan dalam operasi temperaturtinggi tersebut ada­lah meningkatnya fraksi gas hasil belah yang terlepasdari bahan bakar dan terganggunya stabilitas dimensipelet karena ekspansi thermal, kenaikan laju mulur,densifikasi, maupun "swelling".

Reduksi temperaturoperasi dan pelepasan gas hasilbelah merupakan "trend" disain bahan bakar reaktor airring at maju ("burn-up" tinggi). Reduksi temperatur telahdilakukan dengan cara memperbanyak susunan elemenbakar dalam satu perangkat elemen bakar (memperkecildiameter bahan bakar) maupun dengan mempabrikasipelet dengan kanal di pusatnya. Reduksi pelepasan gashasil belah dilakukan dengan meningkatkan kekuatanbahan bakar untuk menahan gelembung gas hasil belahyang antara lain dilakukan dengan memperbesarukuranbutir dan mengatur struktur pori. Reduksi temperaturdengan sendirinya juga ikut mereduksi pelepasan gashasil belah.

1. Brian R.T. Frost, "Nuclear Fuel Element (Design, Fabrication and Performance)", Pergamon Press First Edition,1982.

2. Donald R. Olander, "Fundamental Aspect of Nuclear Reactor Fuel Elements", TID-26711-Pl, 19763. H. Assman et.a!., "Oxide Fuel for Light Water Reactor- A Standarized Industrial Product", 4th International Meeting

on Modern Ceramic Tech., CIMTEC, May 28 - 31 1979, Saint Vincent, Italy.5. H. Stehle, "Performance of Oxide Nuclear Fuel in Water Cooled Power Reactor", J. Nuc. Mat. 153 (1988) 3 - 156. H. Stehle et.a!., "Uranium Dioxide Properties for LWR Fuel Rods", Nuc. Eng. and Dsg. 33 (1975) 230 - 2607. G. Milleret.a!., "ResinterTesting in Relation to In-Pile Densification", Journal ofNuc. Mat. 153 (1988) 213 - 2208. G. Muhling, "Spesification, Fabrication and Characterization of Fuel" , Kernforschungszentrum Karlshuree GmbH,

Germany.9. GB. Greenough et.a!., "Uranium Dioxide Fuel in The MK II Gas Cooled Reactor (AGR)", Nconf.49/P/501

10. JAL Robertson et.a!., "U02 Performance - the Importance of Temperature", Int. Conf. on the Peaceful Uses ofAtomic Energy Vo!. 11 p. 472

11. T.J. Pashos et.a!., "Irradiation of Ceramics Fuels" Proc. of the Fourth Int. Conf. on the Peaceful Uses of Atomic

Energy, Vol II p 472.

12. J.T. Adrian Roberts, "Struktucal Material in Nuclear Power System", Plenumpress, New York & London. 1981

247

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan PLTNSerla Fasililas Nuklir

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

13. -----------------------, "Review of Fuel Element Developments for Water Cooled Nuclear Power Reactors" IAEATechDoc. No. 299, 1989.

14. Robert G. Cochran et.a!., "The Nuclear Fuel Cycle: Analysis and Management", ANS-1990.

DISKUSI

GUNANJAR

I. Definisi pelet U02 mengakibatkan penyusutan volume lebih lanjut dapat menyebabkan pecahnya kelongsong.Mohon dijelaskan berapa % penyusutan volume pelet U02 tersebut ?Apakah hal tersebut disebabkan karena kurang sempurnanya proses sintering pelet U02 pada waktu fabrikasi ?

2. Menurot hem at kami % penyusutan volume pelet U02 itu relatifsangat kecil, sehingga pecahnya kelongsong bukankarena penyusutan tersebut. Mohon penjelasan !

BAMBANG HERUTOMO

1. Besamya penyusutan volume karena densifikasi sangat dipengaruhi oleh ukuran (struktur) pori yang terdapat didalam bahan bakar. Untuk bahan bakar dengan struktur pori halus ( < 1 /Am)maka penyusutan volumenya akanlebih besardibanding dengan yang mempunyai strukturpori kasar(dengan densitas yang sarna). Untuk bahan bakardengan struktur pori halus « 1 /Am), laju penyusutan (LlVNo) dapat emncapai sekitar 8 %.Efek ketidaksempumaan dalam proses sintering akan berpengaruhjuga terhadap penyusutan volume. Akan tetapiefeknya tidak begitu besar. Hal ini telah dibuktikan dengan proses sintering (2000° C) terhadap pelet yang telahdisinter (T=1400 , 8-24 jam) temyata setelah diiradiasi masih mengalami densifikasi dengan prosentasepenyusutan yang lebih besar. Selain itu proses densifikasi telah teramati pada temperaturserendah 400°C. MenurotStehle dan Assman, Densifikasi disebabkan karena adanya proses pembentukan kekosongan di dalam kisi U02melalui "fission Spike-Pore Interaction Process". Dengan adanya aktivasi thermal, kekosongan yang terbentukbermigrasi bersama-sama dengan pori menuju ke bidang batas butir. Selanjutnya kekosongan dan pori mangalamiannihilasi setelah mencapai batas butir sehingga terjadi konstraksi.

2. Bila ditinjau dari prosentase penyusutan volume memang kecil (sekitar 8 %). Akan tetapi, karena laju penyusut­annya besar, maka seolah-olah kelongsong mendapatlmenerima tegangan kejut (dari pendingin) sebagai akibatreduksi tekanan dalam elemen bakar.

Adanya tegangan kejut ini yang diduga keras menyebabkan beberapa bahan bakar gagal ("clad collapse) pada era1970-an. Setelah dilakukan perbaikan struktur pori (posi stabil, ukuran relatif besar) temyata "clad collapse"setelah dimasukkan dalam reaktor dapat direduksi.

TRIWlKANTORO

Pada operasi Temperaturtinggi, gas hasil belah tinggi. Bagaimana pengaruh temperaturoperasi yang tinggi terhadapukuran butir dan sifat mulur bahan bakar ?

BAMBANG HERUTOMO

Secara umum dikatakan bahwa Temperatur mempengaruhi laju pertumbuhan butir (bukan ukuran butir) dan lajumulur, yaitu semakin tinggi temperatur maka semakin tinggi pula laju pertumbuhan butir dan laju mulumya. Untuk

bahan bakar U02, maka pertumbuhan butir hanya terjadi pada T> 1500°C. Di bawah temperaturtersebutbelum terjadipertumbuhan butir dan bentuk maupun ukuran butir masih identik dengan hasil fabrikasi. Pada temperatur antara1500°C - 1800°C akan terjadi pertumbuhan butir secara isotropis yang disebut butir "Equixed". Pertumbuhan butir"equaixed" ini terjadi karena adanya difusi atom-atom yang melintasi batas butir dari daei"ah yang mempunyaikerapatan atom jarang yang disebabkan oleh aktivasi terma!. Sedangkan pada temperatur di atas 1800°C sid titiklelehnya akan terbentuk butir kolumnar dengan bentuk panjang dan sempit serta berorientasi ke arah pusat bahanbakar sebagai hasil difusi/migrasi porosiats melalui mekanisme "Vapour Transport".

Sedangkan pengaruh temperatur terhadap laju mulur U02 adalah semakin tinggi temperatur (untuk tegangan yangsarna) maka semakin tinggi laju mulumya. Di dalam "In-pile", laju mulur bahan bakar U02 selain dipengaruhi olehTemperatur operasi juga dipengaruhi oelh kerusakan bahan akibat iradiasi neutron. Pada T > 1200°C laju mulurnyadidominasi oleh mekanisme aktivasi thermal (Thermal Crup). Sedangkan pada T < 1200°C laju mulumya diperkuatoleh kerusakan karena iradiasi neutron ("irrdiation enhanced Crup").

248