APLIKASI DAN TREND PERKEMBANGAN BAJA DAN PADUAN PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR. Pudji Untoro, Syahrul 8. 8arahap, Soegeng Waluyo 8.S.

Prosiding Seminar ke-7 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serla Fasilitas Nuklir

Bandung, 19 Februari 2002 _{ISSN: 0854 -2910}

APLIKASI DAN TREND PERKEMBANGAN BAJA DAN PADUAN PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR

Pudji Untoro, Syahrul 8. 8arahap, Soegeng

Waluyo 8.S.

Pusat Pengembangan Sistem Reaktor Maju (P2SRM)-BATAN

ABSTRAK

APLIKASI DAN TREND PERKEMBANGAN BAJA DAN PADUAN PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR. Perkembangan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) sebagai pemasok lisrik saat ini mengalami masa stagnasi yang cukup lama yang dimulai setelah terjadinya kecelakaan reaktor nuklir di Tschemobyl. Perkembangan selanjutnya tertuju pada desain lebih kecil untuk peningkatan efisiensi dan keselamatan yang lebih handal dengan biaya pembangunan murah dan waktu konstruksi yang pendek. Untuk mencapai sasaran tersebut muncul berbagai desain barn dengan dasar sistem yang telah ada melalui "advanced presurized-water reactor" (APWR) dan "advanced boiling water reactor (ABWR). Potensi yang lebih radikal adalah "pebble bed modular reactor (pMBR)" dari Afrika Selatan yang merupakan pengembangan lanjut high temperature reactor (HTR) dari Jerman. Dengan adanya perkembangan disain baru tersebut menuntut pula adanya dukungan material barn yang sesuai dengan kebutuhan desain. Pada makalah ini ditinjau penggunaan baja dan paduan dan trend perkembangannya pada PL TN, potensi penggunaan material maju dan langkah-langkah usaha untuk mempersiapkannya khususnya penelitian baja dan paduan logam untuk PL TN di BAT AN.

;fy p ~ -c

~

IfAff T /'f?M.J-

~.> -Jtf

j

,

ABSTRA

CT

oJ- ~J£

..-fI'l'

~~1

~ ~ C--

,

The development of Nuclear Power Plant (NPP) is for electricity production now in

the long stagnation time after the Chernobyl accident. New developments

are mostly

based on smaller reactor designs, with less dependence

on safety-protection system,

lower capital cost, and short construction

times. One route is through a new advanced

pressurized-water reactor (APWR) and advanced boiling-water reactor (ABWR)

designs that are based on the existing systems.

A more radical and exciting prospect is

a South African-led pebble bed modular reactor (PMBR) design, based on the high

temperature

reactor concept as developed

in Germany. Such new designs need also a

new material for the calculation of the concept. In this paper, present steels and alloys

at the NPP and future trend of material and the prospects of the advanced

material and

the possibility steel and alloy research

for NPP in BA TAN

1)~-v-e.-4

~

~,

A-f( a-:1

Prosiding Seminar ke-7 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir

Bandung, 19 Februari 2002 _{ISSN: 0854- 2910}

1. PENDAHULUAN

Setelah kejadian kecelakaan nuklir di Tschemobyl, maka kecenderungan didunia untuk membangun PL TN menjadi menurun. Bahkan sebagian negara maju memutuskan untuk menghentikan kelanjutan program nuklirnya misalnya. Secara paralel diberbagai negara berusaha pula untuk meningkatkan keandalan PL TN-nya dengan memperbaiki sistem keselamatan clan efisiensinya, sehingga secara keseluruhan akan menurunkan harga jual listriknya. Selain itu berkembangnya teknologi menuntuts pula persyaratan-persyaratan yang tinggi penggunaan material maju khususnya dalam rangka efisiensi proses agar lebih ekonomis pada harga jual produknya.

Adanya permasalahan lingkungan global akhiIr-akhir ini clan kebutuhan untuk perkembangan duma berkelanjutan maka diperlukan aturan untuk pengurangan emisi CO2 dari berbagai industri clan transportasi. Sehingga peran PL TN akan menjadi penting untuk menanggulangi permasalahan lingkungan tersebut.

Diberbagai negara kebutuhan listrik dipenuhi dari pembangkit panas baik batubara, gas maupun nuklir yang merupakan dukungan utama untuk memasok kebutuhan listriknya. Sehingga kebutuhan untuk mengefisiensikan sistem pembangkit listriknya menjadi pokok masalah yang hams segera diselesaikan. Walaupun sebagian besar pembangkit panas dipenuhi dari turbin uap, pembangkit kombinasi turbin gas clan uap menjadi alternatif pilihan yang banyak digunakan untuk menaikkan efisiensi.

Selama ini temperatur operasi gas turbin antara 1100 ~ 1250 °C clan akhir-akhir ini telah mencapai sekitar 1450 °C /1/. Tujuan dari peningkatan temperatur operasi tersebut selain untuk efisiensi juga untuk mengurangi emisi CO2. Oleh karena itu kecenderungan untuk makin menaikkan temperatur operasi yang didukung dengan penggunaan material maju yang cocok untuk kondisi tersebut akan menjadi tema yang masih menarik pada masa yang akan datang.

Perkembangan PL TN maju cenderung juga menuju kearah peningkatan efisiensi yang menuju pada harga jual listrik yang lebih ekonomis, sehingga usaha untuk menekan biaya pembangunan, sistem minimal yang handal clan waktu konstruksi yang pendek menjadi sasaran penelitian pada saat ini. Dengan adanya basil penelitian material barn yang dipasarkan, akan mendukung pula disain sistem PL TN barn yang lebih ekonomis clan ramah lingkungan. Dukungan material barn yang mempunyai kekuatan clan sifat-sifat mekanik clan fisika lebih baik diharapkan akan diperoleh sistem PL TN barn yang handal clan ekonomis untuk menjawab tantangan kebutuhan energi pada masa yang akan datang. Selain itu dukungan penelitian clan pengembangan di

mencakup juga beberapa komponen rumah penggerak batang kendali, pipa-pipa ventilasi seal-seal sambungan, nozzel, flange dan pipa pipa monitor pengukuran dsb.

Akibat irradiasi neutron menyebabkan terjadi tabrakan neutron dengan kisi atau atom pacta material sehingga menyebabkan perubahan kekuatan, kekerasan, kerapuhan maupun keuletanya. Dari sisi metalurgi penguatan irradiasi juga dapat terjadi dan mempunyai pengaruh positif, tetapi integritas bejana dapat dipengaruhi oleh adanya penurunan sifat kerapuhan akibat irradiasi neutron. Sehingga sifat tersebut merupakan faktor yang sangat penting didalam disain dan pemilihan material untuk PL TN. Pengaruh kerusakan irradiasi neutron pacta material diketahui dari penelitian yang dilakukan di Oak Ridge national Laboratory yang dinyatakan dalam parameter

Prosiding Seminar ke-7 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serra Fasilitas Nuklir Bandung, 19 Februari 2002

ISSN: 0854- 2910

ringan rate penggantiannya sekitar 0.03 dpa/yr. Oleh karena itu, kerusakan displacement akibat irradiasi neutron merupakan bagian kecil dari keseluruhan penggantian atom pada material. Proses "interstitial" dan pengosongan dari bagian penggantian atom tidak

terjadi rekombinasi, tetapi malahan bergerak masuk dan berkumpul. Pergerakan

"defect clusters" yang

"defects': /kerusakan kisi dapat juga menghasilkan

formasi

mengandung "interstitial"

clan juga dapat membentuk "microvoids" atau cavitasi (Gambar 1) /4/.

Pada saat ini sekitar 16. % dari sekitar 438 PLTN yang ada didunia menggunakan bejana tekan dari baja A 508-B atau A 533-B, disamping itu banyak pula di beberapa negara menggunakan baja tahan karat~ 88-304 atau 88-316. Jenis baja tersebut dipilih karena sifat kekuatan clan keuletannya, disamping mempunyai sifat positif mampu tempa clan mampu 1as. Baja-baja tersebut sebe1umnya diper1akukan pendinginan cepat (quenching) clan dipanaskan (tempering) untuk mendapatkan struktur mikro martensit dan/atau bainit. Selain itu ada bebera negara telah menggunakan standar negaranya masing-masing dengan nama material tersendiri seperti Rusia, Perancis clan Jepang. Disamping digunakan sebagai material bejana tekan, baja tahan karat SS-334 clan 316 digunakan pada sistem pemipaannya khususnya jenis BWR, karena pada lingkungan air clan uap temperatur tinggi harus mempunyai ketahanan korosi yang tinggi. Penggunaan baja SS tersebut untuk cladding bahan bakar clan material struktur reaktor didalam bejana tekan harus mempunyai sifat tidak menyerap energi neutron thermal (thermal neutron cross section rendah).

Pada Tabel 1 ditunjukkan beberapa jenis baja yang kebanyakan digunakan pada PLTN dengan komposisi kimianya. Baja SS-304 clan SS-316 (grade nuklir) mempunyai kandungan karbon maksimum 0.020 % clan nitrogennya antara 0.06 -0.1 % , disamping itu tidak ada kandungan molibdenum (Mo).

Paduan logam bukan berbasis besi yang digunakan pada sistem PL TN terutama berbasis Nickel, Titanium clan Zirconium (Tabel I). Beberapa komponen utama khususnya jenis PLTN BWR misalnya untuk turbin uap dan sistem penukar panas biasanya menggunakan paduan nickel alloy 600, selain itu pada komponen jet pump beams didalam bejana reaktor digunakan material paduan nickel alloy x- 750. Didalam sistem pembangkitan daya khususnya yang menghasilkan panas maka penukar panas merupakan komponen yang penting dalam rangka memindahkan panas dari aliran media pada media pendingin (air), sehingga biasanya digunakan material dengan kandungan chrom tinggi sehingga mempunyai ketahanan korosi yang tinggi.

Prosiding Seminar ke-7 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir

Bandung, 19 Februari 2002 _{ISSN: 0854 -2910}

Tabell

: Komposisi kimia (wt-%) jenis baja-baja yang digunakan di PLTN

II

:~_:::':.~:;:.::i:::::::': ::fj:ij::i::~:~:::~~:::I.

)£r

Md

.Iq:' ::i:~jj~:::: ::g~

';:N'

_::::::::n:l 1:;::::::':!: A-533 ba! 0.5

0.5

.3 0.2 A-302 bal 0.2 0

0.5

1.3

0.2

A-50B bar 0.5 0.45 0.55 0.5

0.27

9Cr-1 MoVnNb bal 0,2 9"(') 1.0 0.5

0.3

_0,10 0.05

0.2

_{0.08 Nb}

12Cr-1 MoVW bal 0,5

12.0

1.0

0.5 0.4

0,2- 0.3

O.5W

$$-304 bal 8-10 17-19 2.0

1.0

0.06 $$-316 bal 13.0 18.0

2.5

2.0 O~8 0,05 0.05

0.05

-Alloy 600 7-9 bal 16 0.2 0.3 0.06 Alloy X-750 Interrnetalik TiAI bal 14-17 0.5 1.3 0.2 0.08 0.01 bal 30.9 AI

MA-754 bal 20 0.05 AI203

Zircalloy 2 0.

0.05

0.1

1.4 Sn

-0.2

Zircalloy 4

0.1

1.4 Sn

Paduan berbasis Titan digunakan sebagai condenser utama disamping juga

digunakan pada pipa-pipa penukar panas, canister, cladding, clan spent fuels untuk limbah radioaktif rendah. Penggunaan paduan dengan kandungan cobalt tinggi biasanya untuk komponen-komponen valves, pompa-pompa clan batang kendali. Sedangkan paduan berbasis zirkonium digunakan pada semua jells PL TN clan dapat digolongkan menjadi 4 golongan yaitu /4)

Reactor grade Zirconium murni yang biasanya digunakan lining dalam clan

.

cladding.

Zircalloy 2 yang merupakan paduan Zr dengan Pb clan Fe, Cr, Ni yang digunakan sebagai material dalam lingkungan uap clan air panas

Zircalloy 4 yang merupakan modifikasi Zircalloy 2 dengan tidak adanya kandungan

.

nickel clan kandungan besi yang lebih besar.

pada

Zr-2.5Nb yang sangat tahan terhadap lingkungan

'superheated

water"

temperatur tinggi clan biasanya digunakan untuk tabung tekanan pada PL TN jenis

Prosiding Seminar ke-7 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serra Fasilitas Nuklir

Bandung, 19 Februari 2002 ISSN: 0854 -2910

3. TREND PERKEMBANGAN MATERIAL

Perkembangan material saat ini menuju pada suatu era yang menuntut pada proses pembuatan yang lebih sederhana clan waktun yang lebih cepat, sehingga secara keseluruhan basil produknya lebih ekonomis. Penelitian material barn berkembang saat ini demikian sangat pesat clan lebih cepat dari dua puluh tahun sebelumnya. Hal tersebut dipicu dengan adanya kebutuhan pasar clan perkembangan teknologi /5/. Oleh karena itu perlu menjadi perhatian para insinyur untuk melihat perkembangan saat ini clan perkembangan material maju yang dihasilkan dari berbagai penelitian. Kemajuan penelitian material telah menghasilkan sifat-sifat material maju dengan pesat dimana kenaikan ~emajuan sifat tersebut dengan waktu mendekati eksponensial. Beberapa contoh dapat diambil dari berbagai bidang clan berbagai jenis material yang ditunjukkan seperti pada Gambar 2. Sehingga diharapkan pada masa yang akan datang hasil-hasil penelitian tersebut dapat digunakan untuk mensubstitusi komponen komponen industri

saat ini dengan material-material yang mempunyai sifat lebih baik. Salah satu usaha untuk memperbaiki kekuatan paduan pada temperatur tinggi dengan mencampurkan partikel oksida kedalam paduan dengan proses "Mechanical Alloying" (MA) yang dikenal dengan paduan "Oxide Dispersion Strengthened"! ODS (Gambar 3).

Pada Gambar 4 /6/ adalah penelitian yang telah dihasilkan dari pusat penelitian Juelich-Jerman alam rangka mengurangi berat jenis paduan dengan membuat paduan berpori. Dengan bentuk struktur mikro berpori clan kekuatannya sarna dengan paduan pejal, maka diharapkan akan rnengurangi berat kornponen industri clan berirnplikasi pada harga keseluruhan rnenjadi lebih ekonomis.

Pengurangan berat merupakan parameter yang sangat penting didalam desain khususnya pacta perhitungan-perhitungan mekanik. Sehingga paduan dengan kandungan aluminium dan magnesium merupakan kandidat penting untuk memenuhi persyaratan tersebut. Perkembangan saat ini tertuju pada paduan intermetalik. Suatu jalan lain dilakukan pula pada besi cor clan baja dengan merubah ukuran clan bentuk (dari flake besar menjadi spheroidal) daTi grafit dan struktur didalam matriknya akan dapat menaikkan sifat mekaniknya. Dengan struktur yang biasanya campuran femt clan perlit menjadi bainit, sehingga struktur tersebut clan mengandung grafit spheriodal akan didapatkan baja paduan rendah dengan sifat mekanik yang sangat bagus clan murah.

Sifat kekuatan panas dan creep dapat dipenuhi dengan berkembangan

paduan

intermetalik yang mempunyai ikatan logam dan kovalen pada kisi-kisi kristal yang teratur. Paduan intermetalik mempunyai kerapatan. yang rendah dan keuletan serta

ISSN: 0854 -2910 mudah dibentuk. Sifat penting lainya adalah ketahanan korosi temperatur tinggi dengan adanya lapisan proteksi yang terbentuk daTi elemen paduan logamnya misalnya Aluminium, Silisium. Dari berbagai jenis paduan intermetalik paduan berbasis nickel (NiAl, Ni3Al), besi (FeAl, Fe3Al), titan (TiAl, Ti3Al, TisSi2, TiSi2) clan Molibdenum (MoSi2) merupakan jenis paduan masa depan yang akan berperan untuk indl]~tri , temperatur tinggi /7/.

Paduan TiN telah diuji coba pada lingkungan helium yang digunakan sebagai simulasi lingkungan pada sistem PLTN "High Temperature Gas-Cooled Reactors (HTGR) menunjukkan hasil yang lebih baik dari paduan nikel ODS /8/.

Persiapan penelitian paduan maju telah dimulai dengan adanya kerjasama penelitian pengembangan material untuk catalitic converter illN 99/004 clan akan dilanjutkan dengan kerjasama dalam pengembangan paduan intermetHik Ti A 1

~~--- ~..~.

Disamping itu telah dibentuk pula kelompok intermetalik yang melibatkan berbagai pusat di BATAN clan instansi lain baik Universitas maupun lembaga penelitian. Dengan kerjasama terpadu baik SDM maupun fasilitas diharapkan nantinya dapat digunakan sebagai langkah awal untuk mempersiapkan diri untuk menyambut program PL TN di

lndonsia.

4. KESIMPULAN

sangat mahal.

Usaha clan langkah-langkah penelitian material maju perlu disiapkan untuk menghadapi program PL TN di Indonesia.

5.

DAFTAR PUSTAKA

/1./ R. Tanaka, Research and development of ultra-high temperature materials in Japan, Proceedings of High-Temperature Corrosion and Protection, 2000

Prosiding Seminar ke-7 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir Bandung, 19 Februari 2002

ISSN:

0854 -2910

/2./J.0.

Stiegler and L.K. Mansur, radiation Effects in Structural Materials, Ann Rev. Mater. Sci., Vol 9 (1979) 405

13.1 L.K. Mansur and E.E. Bloom, Radiation Effects in Reactor Structural Alloys, J Met., Vol 34 (1982) 23

/4./R.L.

Klueh, Effect of Neutron Irradiation on Properties of Steels, ASM Handbook, Vol 2 (1996) 653

15./M.F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, Pergammon Press, 1992 /6./ http://www.fz-juelich.de/

/7,/ G. Frommeyer, Werkstotfe flIer extreme Belastungen, Frankfurter Algemeine Zeitung, 13.1.1993

/8./1. Mutoh, K. Romma, T. Tanabe, M. Nakamura, J. Nucl. Mat. 23 (1996) 132

Gambar 1. Kavitasi terbentuk akibat iradiasi neutron pad a baja 88-316 yang

ditunjukkan dengan pori-pori kecil putih

Prosiding Seminar ke-7 Teknologi don Keselamatan PLTN Serlo Fasilitas Nuklir

Bandung. 19 F ebruari 2002 _{ISSN.. 0854 -2910}

tXtJrllW SIlUCftK8d Ma8li8l$ ~~ .pox« meIM

[

~;;~gnterfaclal ..:')'Iics. EngineMng

cast ,~ JigIW .,.. poI,..-s

-~eIoys ~CeI'anO:s

r~I'::~~2~~

~ --phase steels MI~structUre/

~es Disloc.don Theory

I n-moc:~lstry' I I Phase DiagramS I -r

c ,.

~ ~, ... -c

~

..

... 0 Go Z 0 t: -c > 0 z ~

I EXPERIENCE BASED EVOwnoH I

I NATURAL MATERIAlS I

---gokS ,... /Id.w aJw« I KNOWLEDGE BASED I I SYNnfESlS I

,..

100000 10000 ~ 0 1000 I~OO 1800 1900 19~O 1960 1980 1990 2000

B.Co ~ I ~ A.D. Year

Gambar 2. Trend perkembangan berbagai jenis material secara eksponensial

Approximate year of introduction

Gambar 3 : Perkembangan Paduan Maju untuk Operasi Temperatur Tinggi

Prosiding Seminar ke-7 Telalologi dan Keselamatan PLTN Serra Fasilitas Nuklir

Bandung, 19 Februari 2002 .' . ISSN: 0854 -2910

Gambar 4. Baja jenis 88-316 daD paduan Inconel 600 dengan kerapatan

rendah (porous)