ISSN 0852-4777 BAHAN BAKAR REAKTOR RISET
PROSES PRODUKSI UF4 DARI BERBAGAI ANEKA BAHANDASAR
*Hendro Wahyono dan **Ghaib Widodo
PENDAHULUAN Untuk pengendapan UF4 digunakan
larutan UO2F2 sebagai umpan melalui proses
reduksi kimia dengan berbagai bahan reduktor
seperti : SnCI2, CuCl, FeCb, dan Na2S204 dan
bahan pengendap HF. Proses di bawah
pemanasan dan pengadukan dilakukan di
dalam suatu reaktor yang terbuat dari bahan
stainless steel berlapiskan bahan teflon.
Proses pengendapan tersebut dapat dilihat
pada reaksi berikur3] :
UO2F2+SnCI2+4HF ~UF 4+SnCIF2+2H2O
UO2F2+FeCb+4HF ~UF 4+FeCIF2+2H2O
UO2F2+CuCI+4HF ~UF 4+CuCIF2+2H2O
UO2F2+2Na2S203+2HF~UF 4+Na2S40e+2NaOH
(2)(3)(4)
(5)
Garam hijau yang dikenal dengan nama
uranium tetraflourida (UF4) merupakan bahan
dasar pad a proses pembuatan elemen bakar
jenis paduan logam[1] atau sebagai bahan
pembuat uranium heksaflourida (UFs) pada
proses pengkayaan (enrichment)!2J.Untuk memperoleh hasil bahan baku
paduan logam yang baik perlu diperhatikan
kualitas serbuk UF4-nya, selain reaktan yang
digunakan. Untuk meyakinkan kualitas
tersebut biasanya dilakukan analisis
terhadapnya dan hasil analisis tersebut paling
tidak mempunyai spesifikasi seperti pada
Tabel1.
Berbagai macam bahan dasar seperti :
UFs, UO2(NO3)2, UO31 UO21 dan U3Os dapat
diproses menghasilkan produk garam UF4 dan
setiap pemrosesan bahan dasar tersebut
mempunyai ciri khas nama proses yang
berlainan.
Pemisahan padatan UF 4 dilakukan pad a
suhu kamar melalui pemisah vakum. Proses
berikutnya adalah proses pengeringan,
homogenisasi sampai diperoleh UF4 yangberkualitas.
PROSES PEMBUATAN SERBUK UF4 2. Proses Reduksi
Proses pembuatan UF4 dengan aneka
bahan dasar dapat dikelompokkan, sepertidiuraikan secara ringkas sebagai berikut :
Bahan Dasar UF6
Proses reduksi UF6 sedikit diperkaya
menjadi UF4 menggunakan hidrogen dimulai
pengembangannya pad a Union Carbide
Nuclear Company, USA[6j berskala pilot plant
yang kemudian dilanjutkan hingga skala pabrik
oleh National Lead Company, Ohio.
Bahan umpan UF6 diuapkan dari dalam
silinder-simpannya dicampur dengan amonia
yang terdisosiasi pad a reaktor pipa tegak pad a
suhu sekitar 371°C (700°F). Reaksi yang
terjadi seperti berikut:
1. Proses hidrolisis
Proses pengontakan umpan UFe denganair dilakukan melalui injecting nozzle pad a
tekanan 3 kgf/cm3 dan suhu 900C[3J untuk
menghasilkan UO2F2. Proses pengontakan
tersebut dapat dilihat pad a persamaan reaksi
(1 y2J:
UFs + H2 + 1/3N2 -:; UF4 + 2 HF + 1/3N2 (6)
Padatan UF4 yang terbentuk jatuh ke
bagian bawah reaktor, dikumpulkan, dibubuk,ditimbang, dicampur dengan produk UF4 dari
UF6 + 2H2O UO2F2 + 4HF 1)
URANIA No.23-24rrhn VI/Juli-Oktober 2000
HENDRO W AHYONO daD GHAIB WIDODO Proses Produksi UF4 dari Proses Aneka Bahan Dasar
batch lainnya, dan dikemas. Sementara, 9as-
gas yang berisi HF, debu UF4, N2 dan H2
diolah terlebih dahulu untuk dipungut UF4 dan
gas HF-nya sebelum dibuang ke udara.
200 -300 gUll sebagai katolit, hidrazin 0,5 -
0,9 M, dan asam nitrat 1 -2 M sebagai anolit
dilakukan di dalam pilot plant dengan dimensi
elektroda 63 x 24 cm pad a tegangan listrik
antara 2,75 -3 volt, dan membutuhkan total
arus 100 amper.Bahan Dasar UO2(NO3)2
2. Proses Flurex1. Proses Excer
Proses "Excer" (Ion Exchange, Conver-
sion, Electrolytic reduction) merupakan metoda
pembuatan UF4 melalui perubahan larutan
garam uranil menjadi UF4(4). Untuk
memperoleh produk UF 4, dapat ditempuh
melalui beberapa tahapan proses. Setelah
uranium dalam keadaan murni dan pekat,
selanjutnya dilakukan reduksi U(VI) menjadi
U(IV) melalui reduksi elektrolitik. Sel dua bilik
anoda dan katoda yang dipisahkan oleh
selembar membran tukar kation digunakan
untuk mereduksi uranium. Membran tukar
kation sangat selektif dalam memisahkan
katolit dari anolit dalam sel elektroliser.
Membran yang tidak dapat ditembus oleh
cairan tetapi hanya kation saja yang mampu
menembusnya, dapat pula menjaga suasanareduktif pad a bilik katoda dari oksidasi asam.
Sebagai larutan elektrolit dapat digunakan
berbagai asam seperti: asam sulfat, asam
nitrat, asam klorida dan sebagainya. Pad a bilik
katoda terjadi reduksi uranium seperti reaksi
berikut :UO22+ + 4H+ + 2e- <:=> U4+ + 2H2O (7)
Dalam proses ini uranil direduksi menjadi
uranium (IV) fluorida hidrat dan selanjutnya
diendapkan menjadi UF4- Laboratorium
Hanford[6] telah mengembangkan proses ini
dengan mengubah uranil nitrat dalam suasana
asam nitrat menjadi uranium (IV) fluorida hid rat
atau logam alkali atau amonium uranium (IV)
fluorida. Uranil dipisahkan dari ion nitrat dan
direduksi menjadi U (IV), dan akhirnya
diendapkan menjadi uranium (IV) fluorida.
Proses ini dilakukan di dalam sel elektrolitik
yang terdiri dari tiga wadah dan dipisahkan
oleh membran tukar ion. Secara skematik
diperlihatkan pad a Gambar 1.
Larutan uranil nitrat diumpankan melalui
bagian tengah dari wadah. Ion nitrat akan
bermigrasi melalui membran tukar anion
menuju ruang anoda, sedangkan ion uranil
bermigrasi dari ruang umpan melalui membran
tukar kation menuju ruang katoda untuk
direduksi menjadi U (IV). Platina merupakan
bahan anoda yang baik karena tahan terhadap
korosi dalam suasana asam nitrat, sedangkan
untuk katoda digunakan Hg. Pengendapan
uranium (IV) fluorida terjadi pada ruang
katoda. Reaksi elektroda yang terjadi dapat
ditunjukkan pad a reaksi (9), (10), dan (11)-
berikut :
Sementara, pada bilik anoda' hanya
terjadi pembentukan oksigen dari air seperti
reaksi berikut :H2O ~ O2 + 4H+ + 4e- (8)
U(IV) yang dihasilkan pada bilik katoda
mempunyai sifat mudah teroksidasi kembali
menjadi U(VI) sehingga dalam reduksi
elektrolitik diperlukan zat stabilisator seperti :
hidrazin, asam sulfamat, urea dan sebagainya.
Pad a instalasi Prefre, Tarapur5] membuat
U(IV) dari U(VI) dalam suasana asam nitrat
menggunakan stabilisator hidrazin. Dengan
menggunakan umpan uranil nitrat berkadar
Bilik katoda :U02++ +5HF+NH4+ +2e" .:::>NH4UFs+2H2O+H+ (9)
Bilik anoda :H2O .:::> 0,502 + 2H+ + 2e" (10)
Reaksi keseluruhan :U02+++5HF+4NH4+ .:::>
NH4UFs+O,502+H2O+3H+ (11)
Hasil NH4UFs didekomposisi secara
mudah menjadi UF4 menggunakan pemanas
HENDRO W AHYONO dan GHAIB WIDODO Proses Produksi UF4 dari Proses Aneka Bahan Dasar
pad a suhu sekitar 34SoC. Selain NH4UFs,
hidrat dari UF4 seperti logam alkali uranium
(IV) fluorida : NaUFs dan KUFs dapat pula
diproduksi pad a kondisi operasi yang sesuai.
6UO2F2+CeH100s+12HF ~ 6UF4+6CO+11H20 (15)
Dengan
perolehankemurnian
mempunyaiekonomi.
dua tahapanhasil
UF4 akan
yang tinggi dan
keuntungan lebih
proses ini
mempunyaiproses inidari segiBahan Dasar UO3
1. Proses fluorinasiBahan Dasar UO2
1. Proses Hidrofluorinasi
Proses menggunakan gas HF ini
dilakukan pad a suhu 500°C selama 4 jam
dengan tekanan atmosfir H2 dan HF kering
(tanpa H2O) dalam muffle furnace berdinding
inkonef81. Proses yang berlangsung di dalam
suasana HF berlebihan ini bersifat bolak-balik
(reversible), dan sebagian gas HF atau H2F2
terlarut di dalam embunan dan dikeluarkan,
Proses hidrofluorinasi UO2 menggunaka'n gas
HF dapat ditunjukkan pad a reaksi (16)
Pada proses ini bahan dikontakkan
dengan pereaksi fluoro-hidrokarbon seperti :
CCI2F2, CCI3F. atau C2CI2F 4. Pereaksi tersebut
dapat bereaksi,langsung terhadap UO3[7].Proses fluorinasi UO3 dapat juga disebut
proses freonisasi, sebab dalam prakteknya
menggunakan pereaksi dikloro-difluorometana
( CCI2F2 ) atau freon 12, dan dilakukan pad a
suhu 400°C!7J. Proses tersebut mengikuti
persamaan reaksi (12)
UO3+2 CCI2F2 ~ UF4+CO2+COCI2+ CI2 (12)
Pad a proses ini, selain diperoleh hasil
dengan kemurnian yang lebih tinggi,
kandungan oksidanya juga rendah dan bebas
air. Akan tetapi dalam penggunaannya,
freon-12 dapat merusak lapisan Olon
sehingga perlu dipertimbangkan lebih lanjut.
UF4+
H2O 16)UO2 + 4HF ~
Dalam reaksi sintesa UF4 sangat
dibutuhkan suasana reduktif. Hal ini
disebabkan H2O yang ditimbulkan akan
membentuk senyawa uranilfluorida menurut
persamaan reaksi (17) dan (18)
2.
Proses Fluorox
Proses yang terdiri dari dua tahap ini
dapat mengubah bahan serbuk UO3 menjadi
UF4 dengan kemurnian tinggi dan
menggunakan pereaksi CsH,oOso Tahappertama dilakukan reduksi UO31 seperti
ditunjukkan reaksi (13YS] berikut :
2U02 + O2 + 4HF <=> 2U02F2 + 2H2O (17)
U02F2 + 2H2O <=> U02(OH)2+ 2HF (18)
Dalam rute pembuatan logam U, secara
termodinamik hampir tidak mung kin UO2
tereduksi secara langsung menjadi logam U,
kecuali dengan menggunakan logam-logam
alkali dan AI. Tetapi penggunaan logam-logam
alkali dan AI tersebut masih memiliki
kelemahan, yaitu mempunyai titik didih rendah,
se;hingga reagen akan habis menguap
sebelum reaksi selesai. Sementara, dalam
penggunaan AI tidak boleh berlebihan
meskipun hanya sedikit saja. Hal ini dapat
menyebabkan terbentuknya paduan dengan U,sehingga akan mengurangi kemurnian U[8].
Bahan Dasar Serbuk U3O8
6UO3+C6H100s+24HF-t6UF4+6CO+17H20 (13)
Tahap kedua dilakukan konversi UF4
menjadi UFs menggunakan oksigen mengikutireaksi (14)
2UF4 + 02~UO2F2 + UFs 14)
Hasil UO2F2 dapat dipisahkan denganmudah dari UF6 dan selanjutnya dikontakkan
kembali dengan pereaksi C6H1oOs sepertiditunjukkan pad a persamaan reaksi (15)
9~
URANIA No.23-24/Thn VI/Juli-Oktober 2000
HENDRO W AHYONOdan GHAIB WIDODO Proses Produkri UF4 dari Proses Aneka Bahan Dasar
4.
1. Hidrofiourinasi Serbuk U30S
Bahan dasar serbuk U3O8 sebenarnya
bukan merupakan serbuk U3O8 yang berdiri
sendiri, melainkan campuran yang dikatakan
sebagai U3O8 mentah (campuran UO3 dengan
U3O8) atau campuran ketiganya yaitu UO3,
U3O81 dan UO2. pernyataan tersebut seperti
yang disampaikan oleh KATZ, karena ketiga
bahan ini apabila diproses akan menghasilkan
UF4 seperti ditunjukkan pad a reaksi-reaksi (14)
dan (16r91.
5.
6.
500OC-~U3O6+HF .UF4 + 2UO2F2+H2O {19}
Diagramatik untuk produksi UF4 dari
berbagai macam bahan dasar dapat
diperlihatkan pad a Gambar 2.
7
8.
FATHURRACHMAN, "Pemanfaatan Mem-
bran Alih-ion dalam Teknologi Kimia
Nuklir", Urania No. 41Th 1/1995, halo 30.
M.K.T., NAIR, R.K., SINGH, D.O., BAJPAI,
A.K., VENUGOLAPAR, R.R., SINGH, P.B.,GURBA, and M., THOMAS,"Role of Ion
Transfer Membrane in The Production of
Uranous Nitrate", Prefre Plant, Tarapur,
1992.W.E., SHAW, W.C., MANSER, R.G.,GEIGER, and S.H., SMILEY, "Natural
Slighthy Enriched, or Depleted Uranium
Chemistry", Chapter 8, USAEC Report K-
1248, Union Carbide Nuclear Co., K-25
Plant (1956) p. 380.
E., SULISTYONO, "Usaha Pemendekan
Proses Pembuatan UF4", URANIA No. 3/
Th 1/1995, halo 13.
A., SURIPTO, "Proses Pembuatan Elemen
Bakar Nuklir", Diklat Keselamatan dan
Sarana Dukung Elemen Bakar Nuklir,
Pusat Pendidikan dan Latihan-BATAN,
Serpong (1995), halo 12 -13.
J.J., KATZ, G.J. SEABORG, L.R. MORSS,
"The Chemistry of the Actinide Element",
Vol. 1 ,2nd edition, Katz Seaborg and
Morss,(1985) pp. 279 -280.
PUSTAKA
9.
NUKEM," Basic and Detail Engineering
Process Element Fabrication Plant for
BAT AN", Vol. 4 Nukem VT 2.0080., Hanau
(1983).N.H., GITTUS, "Uranium", Set in Monotype
Baskerville Type, Printed in Great Britain
by William Clowes and Sons, Ltd., London
and Beccles (1963), pp.148-152.
E.U.C., FRANJDLlCH, SALIBA-SILVA,A.M., M.A, ZORZETTO, "Alternative Route
for UFs Conversion towards UF4 to
Produce Metallic Uranium", Instituto de
Pesquisas Energeticas e Nucleares
(IPEN/CNEN-SP), Departemento do Cicio
do Combustivel, Brasil (1992).
3.
Penulis adalah
*pejabat Fungsional Pranata Nuklir,** Pejabat Peneliti dan keduanya adalah
Stat Bidang Teknologi Pascairadiasi dan
Daur Ulang, P2TBDU, BAT AN
HENDRO W AHYONO dan ORAlB WIDODO Proses Produksi UF4 dari Proses Aneka Bahan Dasar
Tabel1 : Spesifikasi garam hijau UF4[6]
AnalisisSpesifikasi
Maksimum Minimum
UF4 (Uranium tetratfluorida) 96,0%
Tidak larut dalam (NH4)2C2O4 2,5 %
Larut dalam air (UO2Fv 4,0%
Fe (besi) 45 ppm
Cr (kromium) 20 ppm
Co (kobal) 65 ppm
Ni (nikel)
Total impuritas
densitas
65 ppm
130 ppm
3,0 gr/cc
Gambar 1 : Skematis Sel Elektrolitik Proses Flurex.
11URANIA No.23-24/Thn VI/Juli-Oktober 2000
HENDRO W AHYONO dan GHAIB WIDODO Proses Produksi UF 4 dari Proses Aneka Bahan Dasar
_HF/100-2000C~
Gambar 2 : Reaksi Pembentukan Produk UF 4.
Top Related