BAB II TEORI DASAR
2.6 Paduan Al, Baja Tahan Karat, Zirconium
FAIZUL AZMY NIM : 01303 - 049
UNIVERSITAS MERCU BUANA
17 LMFBR, densitas daya reaktor sangat tinggi tekanan pendingin sangat lambat ( Na K ), ukuran teras reaktor relative kecil sebab didalam teras reaktor tidak ada moderator.
2.5.2 Dasar Pemilihan Bahan Penunjang Reaktor Nuklir
Dasar pemilihan bahan reaktor nuklir dapat dikatagorikan 2 hal yaitu menyangkut sifat umum dan sifat khusus ( nuklir ). Sifat umum sama sifat rancang bangun konvensional misalnya kekuatan mekanik, keuletan, integritas, kemudahan fabrikasi / permesinan,ketahanan korosi, transfer panas, stabilitas thermal, kompabilitas, kemudahan dipasaran dan biaya. Sedangkan sifat khusus meliputi sifat neutronik, radioaktivitas, stabilitas terhadap iradiasi, interaksi kimia, inter difusi partikel dan daur ulang.
Absorbs neutron sangat tergantung pada luas tampang serapan neutron bahan masing – masing logam / paduan, sehingga sangat erat kaitannya dengan ekonomi neutron. Interaksi kimia dan interdifusi pertikel antara bahan bakar kelongsong atau gap antara bahan bakar kelongsong selama iradiasi bahan bakar pada temperatur tinggi yaitu pada suhu 500oC dipermukaan kelongsong bahan bakar terbentuk gas hasil belah. Hal demikian akan menyebabkan reaksi kimia dan difusi antar partikel. Pada umumnya interaksi kimia dan difusi antar partikel dapat menyebabkan penurunan integritas struktur dan stabilitas iradiasi bahan pada suhu tinggi.
2.6 Paduan Al, Baja Tahan Karat, Zirconium
Paduan Al, baja tahan karat dan paduan Zr adalah paduan logam yang mendukung komponen reaktor riset atau daya dalam bentuk tangki bertekanan, pipa, kanal pendingin, pipa / kelongsong, bahan struktur dan lain – lain. Ketiganya harus tahan korosi dalam air / uap air, sifat mekanik baik, ulet dan mempunyai sifat khusus baik yaitu berkaitan dengan sifat nuklir.
FAIZUL AZMY NIM : 01303 - 049
UNIVERSITAS MERCU BUANA
18
2.6.1 Paduan Aluminium ( Al )
Aluminium dan paduan aluminium merupakan logam ringan, yang penggunaannya sangat luas, baik untuk industri kimia, listrik, pesawat terbang, bangunan dan industri nuklir terutama untuk reaktor riset. Logam paduan aluminium umumnya dibuat dengan cara menambahkan unsur – unsur pemadu ke dalam Al, misalnya unsur Cu, Mg, Si, Mn, Zn atau Ni secara satu – persatu atau bersamaan. Hal ini dimaksudkan agar memberikan sifat yang baik, diantaranya meningkatkan ketahanan korosi, tahan aus dan koefisien pemuaian yang rendah.
Berdasarkan standard Aluminium Accociation ( AA, Amerika ) yang disesuaikan dengan standard ALCOA ( Aluminium Company of Amerika ), maka AA menggunakan penandaan dengan 4 angka, misalnya seri 1001, 1100 sampai seri 7079. Paduan aluminium seri 6061 ( jenis AlMg2Si ) dapat dipakai dalam industri nuklir, dipakai sebagai bejana tekan reaktor riset, sebagai pelat / kelongsong elemen bakar reaktor riset dan bahan struktur / pendukung lainnya. Komposisi pemadu AlMg2Si adalah unsur Mg dan Si, masing – masing sebesar 0,8 – 2,1 % Mg dan 0,4 – 0,8 % Si. Logam ini dapat diperlaku-panaskan dan mempunyai sifat sangat liat, mampu bentuk baik untuk penempaan, dapat diekstrusi pada suhu kamar dan tahan korosi pada suhu rendah. Sebagai contoh dapat dilihat sifat mekanik AlMg2Si pada Tabel 2.3 berikut ini.
Tabel 2.3 Sifat mekanik paduan AlMg2Si No Paduan Kondisi u, kg/mm2 u, kg/mm2 E, % VH Batang lelah, kgf/mm2 1 6061 0 T4 T6 12,60 24,80 31,60 5,60 14,80 28,00 30 28 15 30 65 95 6,30 9,50 9,50 2 6063 T5 T6 T8 19,00 24,60 26,00 14,80 21,80 24,60 12 12 11 60 73 82 6,70 6,70 -
FAIZUL AZMY NIM : 01303 - 049
UNIVERSITAS MERCU BUANA
19
2.6.2 Baja Tahan Karat
Seperti halnya paduan Al, Zr dan logam lain untuk bahan struktur dalam reaktor thermal, baja tahan karat dan paduan Ni sangat dominan dalam reaktor pembiak cepat. Baja tahan karat ausenit merupakan perpaduan antara besi, chromium dan nikel yang dapat dilihat pada Tabel 2.4.
Sifat nuklir baja tahan karat austenit misalnya luas tampang serapan neutron, absorbsi dan luas tampang scattering cepat atau thermal sangat tergantung komposisi unsur pemadu. SS tipe 304 dan 304 L diperlukan sebagai bejana bertekanan LMFBR. Sedangkan tipe 316 atau 316 L dipakai sebagai kelongsong bahan bakar LMFBR, sedangkan tipe 309 S Nb dan 347 dipakai sebagai bejana bertekanan atau bahan struktur untuk reaktor LMFBR. Batas temperatur permukaan baja tahan karat austenit dengan logam Na cair dibatasi pada suhu 650oC. disamping itu ketahanan korosi baja tahan karat dibatasi pada suhu dibawah 650oC. diatas suhu tersebut dimungkinkan akan terjadi retak korosi tegangan ( SCC ) pada permukaan kelongsong akibat dorongan bahan bakar, terjadi korosi batas butir setelah pemanasan diatas suhu sensitisasi, terjadi perapuhan pada fasa sigma dan terjadi reaksi kimia dengan gas hasil belah Cs I, Cd I2, Cs Te, CsI2. Disain LMFBR, panas, korosi dan batas struktur dari baja tahan karat austenite terjadi sebagai akibat efek siklus thermal ( misalnya siklus thermal, tegangan, shock akibat panas dan fatik akibat panas ), difusi antara bahan bakar kelongsong dan korosi pelepasan pada suhu diatas 650oC.
Tabel 2.4 Komposisi baja tahan karat austenit No Komposisi AISI type Unsur pemadu, % w C, max Cr Ni Mo Nb Fe 1 304 0,08 18-20 8-11 Balance 2 304 L 0,03 18-20 8-11 3 309 S Nb 0,03 22-26 12-15 0,64 4 316 0,03 16-18 10-14 2-3 5 316 L 0,03 16-18 10-14 2-3
FAIZUL AZMY NIM : 01303 - 049
UNIVERSITAS MERCU BUANA
20
6 347 0,08 17-19 9-12 0,80
2.6.3 Logam Paduan Zirconium
Zirconium terdapat di alam dalam bentuk ( Zr, Hf ) SiO4 atau ZrO2. Di alam keberadaan Zr selalu tercampur dengan hafnium ( Hf ) dan mempunyai sifat kimia yang mirip satu dengan lainnya, sehingga sulit untuk dipisahkan. Namun demikian keduanya mempunyai sifat neutronik yang berbeda, misalnya penampang serapan neutron thermal Zr ( 0,18 barn ) sedangkan Hf sekitar 105 barn, sehingga keberadaan Hf harus dipisahkan.
Pemungutan Zr dari alam dilakukan melalui beberapa tahapan, diantaranya adalah dengan cara khlorinasi, pemisahan Zr dari Hf, proses reduksi, proses peleburan sponge dan fabrikasi menjadi logam paduan sesuai dengan keinginan. Reaksi khlorinasi :
ZrO2 (SiO2,HfO2) + Cl2 ZrCl4 (SiCl4,HfCl4) + O2
Proses terjadi pada suhu 1200oC, dengan aliran gas Cl2kemudian didinginkan. Zr Cl4 dan Hf Cl4 yang terbentuk mempunyai temperatur sublimasi berdekatan, maka pemisahan yang dilakukan adalah dengan cara ekstraksi menggunakan pelarut organic MIBK ( Methyl Isobutil Keton ), yang mana Zr tinggal dalam fasa terlarut, sedangkan Hf kedalam fasa organic. ZrOCl2 atau HfOCl2 kemudian dilarutkan dalam H2SO4 dan NH4OH. Hasilnya dikalsinasi menjadi ZrO2 atau pemisahan Zr dan Hf dapat dilakukan dengan distilasi ekstrakstif dari Zr Cl4 dan Hf Cl4 didalam lelehan KCl – Al Cl3 pada suhu 350oC dan tekanan 1 atm. Zr Cl4 yang terbentuk direduksi dangan Mg melalui proses Kroll dengan suatu reaksi sebagai berikut :
Zr Cl4 ( gas ) + 2 Mg ( cair ) 2 MgCl2 ( cair ) + Zr ( padat )
Alat yang dipakai berupa tungku dengan 2 lapis pemanas, lapisan bawah suhu 825oC ( peleburan Mg ), lapisan kedua dengan suhu 450oC. pada suhu 450oC, ZrCl4 sedikit demi sedikit menyublim dan bereaksi dengan Mg cair dan turun kedasar
FAIZUL AZMY NIM : 01303 - 049
UNIVERSITAS MERCU BUANA
21 tungku dalam bentuk ZrCl2, Zr-Mg dan Zr. Zr-Mg yang dihasilkan kemudian didistilasi hampa pada suhu 1000oC dan Zr yang diperoleh disebut Zr sponge.
Untuk melebur Zr sponge, sebelumnya sponge dikompaksi dulu atau dapat juga dihaluskan ditambah zircaloy scrap atau atom unsur pemadu lain, kemudian dilebur dalam tungku busur listrik hampa. Hasil proses peleburan ini disebut zircaloy ingot dan siap difabrikasi. Proses fabrikasi yang dilakukan terhadap zircaloy-ingot mengalami beberapa tahapan pengerjaan, diantaranya penempaan, perolan panas / dingin, ekstruksi dan perlakuan panas. Ingot ditempa pada suhu 980oC menjadi bentuk pelat, pejal atau kawat kemudian dirol dan dianil atau untuk membentuk menjadi pipa maka dilakukan ektruksi perolan dan anil ( reamlers ).
Paduan zirconium mempunyai tiga daerah perubahan fase. Fase α mempunyai daerah suhu antara 25oC – 865oC dengan struktur Kristal hexagonal. Daerah fase α+β yaitu pada suhu 865oC – 963oC dengan struktur Kristal hexagonal + bcc, diatas suhu 963oC berubah menjadi fase β dapat mengakibatkan paduan menjadi keras, getas dan keuletan turun. Untuk memperbaiki kualitasnya dapat dilakukan pemanasan pada suhu 0,4 – 0,6 ( Tm ) dan diharapkan keuletan meningkat sedangkan kekerasannya turun sedikit.
2.6.4 Unsur Pemadu Zirconium
Unsur – unsur pemadu dalam zirconium banyak ragamnya. Jenis dan jumlah komposisi sangat mempengaruhi kualitas. Disamping itu, perlakuan terhadap logam paduan dapat mempengaruhi kualitas bahan misal dengan cara penempaan, rol dingin, pemanasan dan pemanasan-pendinginan cepat. Maka dari itu, agar logam paduan yang diperolehmemenuhi sifat umum dan sifat nuklir diperlukan penelitian dan pengembangan terutama dengan cara memvariasikan jenis / besarnya unsur pemadu.
Unsur pemadu yang dipakai diantaranya Besi ( Fe ), Chrom ( Cr ), Nikel ( Ni ), Niobium ( Nb ), Nitrogen ( N ) dan Oksigen ( O ). Pemadu tersebut dapat meningkatkan kekuatan mekanik dan meningkatkan ketahanan korosi pada suhu
FAIZUL AZMY NIM : 01303 - 049
UNIVERSITAS MERCU BUANA
22 tinggi ( <400oC ) dan tergantung dari jenis / besarnya komposisi unsur pamadu. Besarnya komposisi dan unsur pemadu menentukan kualitas logam paduan dan memberikan nama paduan, hal ini dapat dilihat pada Tabel2.5.
Tabel 2.5 Komposisi dan unsur pemadu beberapa jenis paduan zirconium
No Zr-alloy Sn Fe Cr Ni N O Nb 1 Zircaloy-2 1,22-1,7 0,07-0,2 0,05-0,15 0,03-0,08 0,03-0,08 0,010 - 2 Zircaloy-3 0,2-0,3 0,20-0,30 - - 0,010 - - 3 Zircaloy-4 1,1-1,5 0,20-0,24 0,06-1,40 - 0,010 0,01-0,16 - 4 Zr – Nb 2,5 - - - 2,5 5 Zr-Nb 2,5-Sn 1,0 - - - 2,5
Tabel 2.6 Sifat baja tahan karat ( BTK ), zircaloy2/4 dan aluminium
No Sifat BTK Zry-2/4 Al
1 Absorbsi neutron thermal, barn 2,8 0,18 0,20
2 Titik lebur, oC 1450 1850 660
3 Konduktivitas, W/m K 18 18 230
4 Tegangan luluh ( 400oC ), N/m2 180 120 <15 5 Tegangan luluh teriradiasi ( 400oC ), N/m2 800 500 - 6 Kecepatan korosi (steam 400oC), Mg/dm2 ≤0,03 1 - 7 Kecepatan korosi ( iar 300oC ), Mg/dm2 - 0,04 8
FAIZUL AZMY NIM : 01303 - 049
UNIVERSITAS MERCU BUANA
23 Jenis paduan zircaloy diatas mempunyai ketahanan korosi yang cukup baik pada suhu tinggi dalam air maupun uap air. Sedangkan ketahanan Zr-Nb dan Zr-Nb-Sn terhadap korosi lebih baik dibandingkan zircaloy-2,3 atau4. Untuk memperoleh gambaran tenteng sifat baja tahan karat, paduan zircaloy-2/4 dan aluminium dapat dilihat pada Tabel 2.6.
2.6.5 Penguatan Logam Paduan Zirconium
Kekuatan logam, terutama yang berkaitan dengan kekerasan, kekuatan tarik / luluh secara langsung dapat dikaitkan dengan sukar / mudahnya logam terdeformasi atau sulit / mudahnya pergeseran dislokasi. Sehingga metoda untuk meningkatkan kekuatan paduan zirconium merupakan usaha menghambat gerakan dislokasi.
Ada beberapa cara untuk mengubah kekuatan logam paduan Zr, diantaranya dengan pengerjaan dingin, penghalusan butir, perubahan tekstur, perlakuan panas, perlakuan panas / pendingin cepat dan lain – lain. Pengerjaan dingin yang meliputi perolan dingin, penempaan, ekstrusi / cold working dapat menaikkan beberapa sifat logam, tetapi juga menurunkan beberapa sifat logam yang lain. Efek pengerjaan dingin dapat memperkecil ukuran butir dan perubahan jumlah batas butir, semakin banyaknya batas butir dapat menghambat gerak dislokasi sehingga logam menjadi lebih keras, tetapi disertai penurunan keuletan. Halusnya butir terbentuk sebagai akibat besarnya deformasi yang diberikan dan memperbanyak tempat – tempat yang energinya tinggi sehingga butir menjadi pipih memanjang dan apabila dipanaskan, tempat – tempat yang energinya tinggi akan mengalami pengintian butir baru sewaktu rekristalisasi berlangsung sehingga butir menjadi halus.
Deformasi plastis dapat mengakibatkan kekuatan mekanik bertambah, mungkin bermanfaat untuk tujuan tertentu, untuk itu perlu dipulihkan kekondisi awal ( dipanaskan ) agar memungkinkan pengerjaan lebih lanjut untuk mendapatkan sifat – sifat yang optimum. Tahapan pemanasan melalui proses pemilihan, rekristalisasi dan pertumbuhan butir. Setiap tahapan disertai perubahan mekanik, elektrik dan
FAIZUL AZMY NIM : 01303 - 049
UNIVERSITAS MERCU BUANA