Pengembangan bahan matriks synroc pertama kali dikemukakan sebagai alternatif pengganti gelas borosilikat untuk imobilisasi limbah cair aktivitas tinggi (LCAT), dengan ide dasar memasukkan limbah hasil belah dan aktinida ke dalam kisi-kisi kristal mineral sintetis yang telah diketahui mempunyai umur yang sangat panjang (beberapa juta tahun) di alam. Sebagai ilustrasi ditemukan chemical zoning dari mineral zirconite alam dalam umur 40 juta tahun yang ditemukan di Adamello Itali Utara, kristal tersebut mengandung : 2,7 – 17,1 % berat ThO2 dan 0,7 – 6,0 % berat UO2 dan telah dihitung dosis peluruhan α adalah 0,2 – 1,0 x 1016α /mg yang ekivalen dengan umur suatu synroc yang disimpan selama 105 - 106 tahun [6]. Mineral-mineral yang dipilih terutama adalah mineral silikat (pollucite CsAlSi2O6, Strosium feldspar SrAl2Si2O8), fosfat (monasit, CePO4, apatite Ca5(PO4)3F) dan oksida (fluorite-structured UO2) dan campuran fase-fase tersebut yang dibentuk melalui proses sintering pada suhu sekitar 1100 oC setelah alumina, fosfat, dan silika ditambahkan pada limbah hasil fisi. Tingkat muat limbah dalam Supercalcines ini bisa mencapai 70 % berat.
I
Immoobbiilliissaassii DDeennggaann BBaahhaann MMaattrriikkss SSyynnrroocc
T
Tiittaannaatt
Pada tahun 1978, RINGWOOD [7] menemukan synroc titanat yang merupakan gabungan mineral titanat yang jauh lebih tahan terhadap air dibanding dengan sederetan mineral-mineral supercalcine. Proses pembentukan synroc dilakukan melalui pencampuran LCAT dengan bahan prekusor oksida sehingga menjadi slurry, dilanjutkan dengan pengeringan slurry pada suhu 130 oC (sehingga menjadi serbuk), dikalsinasi pada suhu 750 oC dengan media Ar-44% H2, kemudian dituang ke dalam baja tahan karat dan dilakukan proses pres- panas pada suhu 1150-1200 oC dan tekanan 500-1000 bar sehingga terbentuk keramik monolit synroc multi fase yang sangat padat dan kompak [8]. Proses ini adalah proses dengan pres-panas isostastik yang telah dikembangkan di Australia, Inggris, Amerika dan Jepang. Komposisi prekusor oksida (dalam % berat) adalah : Al2O3 (5,4); BaO (5,6); CaO (11,0); TiO2
synroc adalah: Hollandite [Ba(AlTi)2Ti6O16], Zirconolite (CaZrTi2O7), dan Perovskite (CaTiO3), selain itu terdapat fase titan-oksida dan fase paduan dalam jumlah lebih kecil. Pembentukan fase-fase utama mineral synroc tersebut terjadi pada suhu tinggi sekitar 1150 - 1200 0C.
Sebagaimana tujuan awal pengembangan synroc, maka telah dikembangkan synroc-C yaitu jenis synroc titanat yang dikembangkan untuk imobilisasi LCAT yang ditimbulkan dari proses olah- ulang bahan bakar nuklir bekas. Fase-fase penyusun synroc –C (synroc standar) titanat yang mengandung 20 % berat limbah aktivitas tinggi dan radionuklida yang masuk ke dalam kisi-kisi berbagai fase mineral yang ada ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Komposisi dan mineralogi synroc-C (synroc standar) titanat yang mengandung 20 % berat limbah aktivitas tinggi [6].
Fase mineral % berat
Radionuklida dalam kisi fase
mineral -Hollandite, Ba(Al,Ti)2Ti6O16 - Zirconolite, CaZrTi2O7 - Perovskite, CaTiO3 - Titan Oksida - Fase paduan - Fase Oksida lain
30 30 20 10 5 5 - Cs dan Rb. - LTJ dan An - Sr, LTJ, An. - Tc, Pd, Rh, Ru, dll. LTJ = logam tanah jarang, An=unsur aktinida
Pada pengembangan synroc titanat terbentuk fase turunan dari fase utama dengan unsur-unsur yang terkandung dalam limbah, yaitu : pyrochlore (CaATi2O7, A = Gd, Hf, Pu, dan U) yang merupakan turunan zirconolite dengan penambahan unsur penyerap neutron (Hf dan Gd) untuk mencegah terjadinya kritikalitas, brannerite (AnTi2O6, An = aktinida), dan freudenbergite (Na2Fe2Ti6O16). Fase- fase turunan mineral synroc titanat dan radionuklida penyusunnya ditunjukkan pada Tabel 2.
Hasil pengujian karakteristik blok synroc titanat limbah yang dilakukan oleh ANSTO (Australia) yang menggunakan proses pres-panas isostastik pada suhu tinggi (1200 oC) memberikan densitas sekitar antara 2,1-3,4 g/cm3, yaitu tergantung jenis limbah (kandungan radionuklida) dan tingkat muat limbah (waste loading) [8]. Synroc titanat mampu mengungkung lebih kuat untuk unsur radioaktif dengan nomor massa yang lebih tinggi (seperti uranium) dibanding dengan unsur-unsur ringan.
Laju pelindihan untuk uranium pada hari pertama sekitar 5,0 x10-4 g.cm-2.hari-1, kemudian
Gunandjar, dkk. ISSN 0216 - 3128 105
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014 Pusat Sains dan Teknologi Akselerator - BATAN
Yogyakarta, 10 - 11 Juni 2014 harga minimum sekitar 5,0 x 10-6 g.cm-2.hari-1 [9].
Berdasar kemampuan tersebut maka pada perkembangan terakhir synroc titanat sangat baik digunakan untuk imobilisasi limbah yang mengandung uranium seperti yang akan dilakukan dalam penelitian ini. Berdasar Tabel 1 dan Tabel 2, uranium yang terkandung dalam limbah akan terperangkap dalam fase zirconolite, perovskite, pyrochlore dan brannerite.
Tabel 2. Fase-fase turunan dalam mineral synroc-C (standar) titanat dan radionuklida yang menjadi penyusun fase mineral [6].
Fase Turunan Radionuklida Penyusun Fase Turunan - Pyrochlore a) CaATi2O7 - Brannerite b) An Ti2O6 -F reudenbergite c) Na2Fe2Ti6O16 - Ca dan A (Gd, Hf, Pu, U) - Aktinida (An). - Na, Fe A=Gd, Hf, Pu, dan U. An=Unsur aktinida. a) Turunan zirconolite. b) Turunan perovskite. c) Turunan hollandite. I ImmoobbiilliissaassiiDDeennggaannBBaahhaannMMaattrriikkss SSyynnrroocc FFoossffaat t
Imobilisasi dengan matriks synroc fosfat belum dikembangkan. Pada penelitian ini akan dikembangkan dengan matriks synroc fosfat dengan tidak menggunakan titan oksida sebagai salah satu komponen precursor yang diharapkan lebih murah. Komposisi standar yang akan dicoba adalah (dalam % berat) adalah : Al2O3 (5,4); BaO (5,6); CaO (11,0); Ca3(PO4)2 (71,4) dan ZrO2 (6,6). Beberapa pembentukan fase-fase utama mineral synroc SC- fosfat yang diperkirakan terjadi pada suhu tinggi sekitar 1200 0C dengan reaksi sebagai berikut : BaO+Al2O3+2Ca3(PO4)2→Ba(AlCa)2P2O9+4CaO+
3,5 O2 (1) ZrO2 +2 Ca3(PO4)2→ CaZrP2O8 + 5CaO+ 2,5 O2 (2) CaO + Ca3(PO4)2→ Ca4P2O9 (3) Kemudian juga terbentuk fase-fase turunan yaitu antara lain CaAP2O8 (A=Pu, U, Gd, Hf), AnP2O9 (An=aktinida), dan Na2Fe2P2O9. Radionuklida dalam limbah akan terperangkap dalam kisi-kisi fase mineral dan bahkan ada beberapa radionuklida sebagai penyusun fase pada fase turunan. Struktur kimia fase-fase mineral synroc fosfat ditunjukkan pada Gambar 1.
(a)
Hp-Barium Aluminium Fosfat, [Ba.Al2]P2O9(b)
Zp-Kalsium zirkonil fosfat, CaZrOP2O7(c)
Pp-Kalsium fosfat, [Ca4P2O9](d)
Pyp-Kalsium uranil fosfat : CaUO2P2O7 (turunan Zp-Kalium zirkonil fosfat)(e)
Bp-Uranil fosfat : [UO2]4[P2O9] (turunan Pp-Kalsium fosfat)(f)
Bp-Thorionil fosfat : [ThO]4[P2O9] (turunan Pp- Kalsium fosfat) Gambar 1. Struktur kimia fase-fase utama dan faseturunan mineral synroc fosfat [6]. Teknologi pembentukan blok synroc limbah yang telah dikembangkan di Australia, USA, Inggris, dan Jepang adalah dengan pres-panas isostatik atau hot isostatic pressing (HIP). Proses HIP ini memerlukan alat pres-panas suhu tinggi. Salah satu alternatif proses lain adalah melalui proses sintering suhu tinggi tanpa pres dan proses ini telah dipelajari di Lawrence Livermore National Laboratory [8,10]. Pada penelitian ini akan dipelajari imobilisasi limbah sludge yang mengandung uranium dengan matriks synroc fosfat tanpa melalui proses pres-panas, tetapi melalui proses sintering pada suhu tinggi yang cukup memerlukan tungku pemanas. Pada penelitian ini dicoba proses sintering pada suhu 1100-1300 oC
106 ISSN 0216 - 3128 Gunandjar, dkk. selama waktu 1 - 5 jam. Kualitas hasil imobilisasi
(dengan tingkat muat 10 – 70 % berat) ditentukan dengan melakukan uji karakteristik yang meliputi uji densitas, uji kuat tekan, dan laju pelindihan.