Prosiding Pertemuan dan Presentasi //miah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Ju/i 1999
70
Buku 11
/1
ANALISIS
STRUKTUR PADA PELET
URANIA
SINTER
TORIA
Pristi Hartati, Tunjung Indrati, Hidayati
P3TM-BATAN, JI. Babarsari Kalak Pas 1008, Yagyakarla 5501,
Arie Handayani
P3IB-BATAN, Kawasan PUSPIPTEK, Serpong, Tangerang
ABSTRAK
ANAL/SIS STRUKTUR PADA PELET SINTER TORIA -URANIA. Peter campuran folia -urania untuk dapat menjadi bahan bakar reaktor setelah memenuhi persyaratan dati sitar fisis dan sitar mekaniknya serial struktumya, baik struktur mikro maupun struktur krista/nya. Peter dati campuran serb uk folium oksida dan uranium oksida disinter dengan waktu penahanan suhu puncak se/ama 4 jam pada berbagai suhu puncak diantara 1300" -1700"C. Pada 1300"C temyata U+4 sudah mu/ai masuk ke krista/ ThO2 membentuk larutan padat (Th, U)O2, wa/aupun be/urn sempuma. /ndikasi adanya /arutan padat sempuma tetjadi pada suhu 1700oC dengan bentuk /arutan padat substitusi (Th,U)O2 dengan bidang ref/eksi (111) dan (311). Secara mikrostruktur ukuran butir rata-rata yang didapat ada/ah 4,S8,urn, sehingga be/urn memenuhi syarat untuk bahan bakar nuk/ir dimana harus mempunyai ukuran butir>10,urn.
ABSTRACT
STRUCTURAL ANALYSIS OF SINTERED PELLET THORIA -URANIA. As the fuel of a nuclear power reactor the physical and mechanical properties as well as the structure of the pellet thoria -urania must be examined. Pellet thoria -urania is sintered at several peak temperatures from 13000 C -17000 C and soaking time of 4 hours. At 130ifc it is found that U+4 is solved into ThO2 crystal and built (Th, U)O2 solid solution but still incompleted. The completed solid solution occured at 17000 C in fonn of substitution solid solution at reflection planes 111 and 311. Microstructural analysis shows that the grain growth is still not. perfect; the grain size is 4.58,ld11, and it is not up to the required of the nuclear power reactor fuel (the grain size must be >10j.lm.
PENDAHULUAN
C
ampuran toria -urania merupakan bahan bakar reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir. Bahan bakar tersebut dapat berbentuk pelet campuran toria -urania atau kernel. Pelet toria -urania dibuat dengan proses sinter yaitu pemanasan pelet mentah basil pengompakan serbuk campuran toria -urania pacta suhu dibawah titik lelehnya. Dengan pengaruh suhu dan waktu partikel -partikel yang sudahteraglomerasi akan menjadi suatu sistem materi
yang bersifat koheren dan kompak (I), Pelet yang dihasilkan disamping dilihat sifat mekanik dan sifat fisisnya juga harus dilihat struktumya, baik struktur mikro maupun struktur kristalnya. Penelitian ini bertujuan untuk meninjau keberhasilan pembuatanpelet sinter toria -urania. Secara mikrostruktur akan
dilihat pertumbuhan butir dan pori -pori yang terbentuk selama proses sinter, sedang dari kristalografmya akan diidentifIkasi sejauh mana
larutan padat (Th,U)Oz dapat terbentuk.
Pacta proses sinter pelet secara keseluruhan akan mengalami perubahan dimensi atau penyusutan walaupun berat pelet relatif tetap. Proses ini diawali dengan adanya titik kontak pacta setiap partikel yang terdapat dalam hasil kompakan.
Adanya pemanasan akan menyebabkan energi
termal naik sehingga atom -atom akan berdifusi dan acta kekosongan. Titik kontak ini lama kelamaan akan melebar dan berubah menjadi bidang kontak. Selanjutnya akan terjadi proses pertumbuhan daerah leher yang disebabkan oleh difusi ion -ion pacta batas butir. Difusi atom ini ketempat kosong, sedangkekosongan akan berdifusi kedaerah batas butir
sehingga akan terjadi pengurangan jarak antar pusatPristi Hartati, dkk Kimia Nuklir
-pusat butir. Pengurangan jarak ini akan diikuti dengan penyusutan volume °butir sehingga secara keseluruhan pelet akan menyusut atau terjadi " shrinkage". Bila pengurangan jarak antara pusat butir berhenti maka peristiwa selanjutnya adalah pergerakan kurva batas butir. Atom -atom yang melintasi batas butir akan menimbulkan daya dorong adanya pertumbuhan butir sehingga butir yang kecil akan bergabung dengan butir besar dan basil akhimya adalah pertumbuhan butir(2). Secara skematis tahapan -tahapan pacta proses sinter dari titik kontak hingga pertumbuhan butir dapat digambarkan seperti gambar 1 (3).
secara teoritis intensitas tidak memperhitungkan faktor alat dan suhu sehingga persamaan dapat
ditulis
(2)
1= AK(Lp) .J .1 Fhkl/2
dimana A = faktor absorpsi K = faktor alat
Lp = faktor lorent = (1+cos2 2B) /(sin2(}cosB) J = faktor multiplisitas
TATA
KERJA
Bahan
Serbuk uranium oks ida, Serbuk torium
oksida, Serbuk
kalsium oksida
a. bidang singgung
Alat
Mesin pencampur
("ball mill"), Alat press,
Tungku sinter, Alat pemotong pelet ("diskcotome"
), Alat SEM, Alat X- ray defraksi
por~~
c. .venggabungan
d pembentuka,?
pori
Cara Kerja
Serbuk uranium oksida, torium oksida dan
kalsium oksida dicampur
dalam alat pencampur.
Campuran serbuk tersebut digranulasi dan
dikompakan pacta tekanan 100 kg/cm2 untuk
mendapatkan
pelet mentah
umpan proses
sinter.
Pelet dipanaskan dalam tungku sinter
dengan
penahanan
suhu puncak 4 jam pacta
berbagai
suhu sinter.
Pelet basil sinter diukur dimensinya,
densitasnya
dan kekerasannya
Pelet dipotong menjadi dua, sebagian
digerus untuk dianalisa dengan defraktometer
sinar
X dengan filter Ni dan target Co pacta
arus 30 mA
dan tegangan
30 kv.
Potongan pelet yang lain dilihat mikro
strukturnya dengan SEM, sebelumnya dibingkai
dulu dengan resin dan dipoles dengan kertas poles
SiC ukuran 240, 400, 800, 1200, 1500 dan 2400.
Hasil fui kemudian dietsa untuk memperoleh
batas
butir yang jelas.
HASIL DAN PEMBAHASArl
Sifat fisis dan sifat mekanik
Sifat -sifat pelet sinter yang dihasilkan pada
berbagai suhu dapat dilihat pada tabel 1 ataugambar
2.
Tabell. Sifat pelet pada berbagai suhu sinter (tekanan pengompakan pelet lOOkg/cm2, penahanan suhu puncak 4 jam)
e.grain deyelopment f pertumbuhan
butir
Gambar
I. Tahapan
-tahapan Jlada proses sinter.
IdentifIkasi struktur kristal suatu bahan
dapat menggunakan
defraksi sirlar -X. Sinar-X yang
digunakan adalah sinar monokromatis
clan
bila sinar
tersebut mengenai
suatu bahan
yang dianalisa maka
akan didifraksikan oleh atom -atom pada bidang
tertentu. Data keluaran daTi basil analisa ini berupa
kurva antara sudut observasi (28) clan intensitas
puncak bidang. Intensitas terjadi karena haniburan
atom yang ada pada bidang tertentu berinteraksi
dengan sinar x monokromatis yang akan
dipengaruhi oleh faktor absorpsi (A), faktor lorent
(Lp), faktor multiplisitas (J), faktor hamburan
atomik (F), faktor alat (K) clan faktor suhu
(B16.7).
1= AK(Lp). J..I Fhkll2. exp{-(B/A) sin 8} (1)
I suhu sinter, 0 C p, g/cc 7,5380 8,0485
8,7845
9,6163 p leorllis, % I kekerasan VHN 1300 75,00 80,08 87,40 95,68 498,5:t 3,26 523,9:t 5,78 584,7:t 4.14 653,4:t 3,65 1400 1500 1700 b. Suhu 1400 °C c. Suhu 1500°C S(j)u srter,CGambar 2. Hubungan antara suhu sinter dengan
sifat pelet
Dari tabel I dan gambar 2 terlihat bahwa
kenaikan suhu sangat rnernpengaruhi
harga densitas
dan kekerasannya. Hal tersebut didasari pacta
fenornena
yang sarna yaitu adanya difusi, kernudian
difusi bersama -sarna deformasi plastis selanjutnya
acta
pertumbuhan butir, pengurangan
pori -pori dan
secara rnakro terjadi densifIkasi. Kenaikan suhu
akan rnenyebabkan koefisisen difusi bertambah
besar sesuai dengan
persamaan
Archenius
(4).
0 = Do exp (-Q/RT)
(3)
dimana Do = konstanta
difusi
T = suhu oC
Q = energi aktivasi
Koefisien difusi pelet bertambah besar
rnaka pertumbuhan butir akan bertarnbah
cepat, lni
berarti bahwa penutupan pori -pori dan densifikasi
cepat, akibat selanjutnya rnaka penyusutan pelet
juga sernakin besar. Densifikasi ini juga didukung
dengan adanya perubahan sifat kristal secara
keseluruhan. Hal
ini
akan dilihat
pacta
rnikrostruktumya.
d. Suhu 1700 C
Gambar 3. Mikrostruktur pe!etpada berbagai suhu
sinter
Struktur
mikro
Gambar 3 merupakan gambar struktur mikro pelet basil sinter. Perbesaran gambar basil " Scanning Electron Microscope" sebesar 3500X untUk gambar 3b clan 3c clan 5000X untUk gambar 3a clan 3d.
Dari gambar terlihat bahwa suhu cukup
berpengaruh
pada pertumbuhan butir pelet toria
-urania. Sesuai dengan yang dinyatakan didepan
bahwa pertumbuhan
butir karena adanya gerak atom
dibatas butir yang didukung dengan adanya difusi;
Adanya difusi ini maka terjadi pergerakan kurva"
batas butir yang arahnya kepusat sehingga butir
kecil akan bergabung menjadi satu butir besar.
Pristi Hartati, dkk ISSN 0216-3128 Kimia Nuklir
-,
~t '-" ." .;."-"'-'
.;.E
-! -+ ",-1 -, ,- -1 -,-, ,"'... 1 J- " " -, t-1
--+--+~
1
I
! I ., ! c- ---!'----Proses ini adalah proses perturnbuhan butir yang laju perturnbuhannya tergantung pacta suhu (5). Sernakin tinggi suhu akan semakin besar butir yang
terbentuk.
d 3 -do3 = ko exp(-A Hv I RT) (4) d = diameter butir pacta waktu t = t , do = diameter butir pacta waktu t=0 ko = kontanta
A Hv = panas penguapan R = konstanta gas
T = Ternperatur absolut, oK t = waktu, rnenit
Dengan rnetode Heyn ukuran butir rata-rata yang didapat 4,58~rn, sehingga pelet ini belurn
rnernenuhi syarat sebagai bahan bakar reaktor
dirnana ukuran butir harus>10~rn .Hal ini terjadi karena kesetirnbangan belurn tercapai, sehingga perturnbuhan butir belurn sernpurna terbentuk, disebabkan waktu dan suhu sinter yang relatif rnasih rendah. Disarankan agar suhu sinter lebih tinggi dari 17000C dan atau waktu penahanan suhu puncak lebih besar dai 4 jarfl, sehingga butir yang dihasilkan akan lebih besar dan rnernenuhi persyaratan bahan bakar ..1~:=-;;=:1.-""
.~;--_c -:-
:,-."
,. a -M"-,.,,,,-,
H M M f: _0 i ,---;- il.
I'
.!~
' C~~+ ~~e~
M,.,
S~g-
0-~-
s -' -j 1 -J -", I
-L
,' ." ---I1--,-
.
~--~~!-!~~.~
:.
-i -t--+ -I'" , Ion.. , ,:".n
-t~
..,.
"
---;---~
--~ l -; I ,..
t
;~;~;~~~~;~~~-
-!
~-
---,-- --j-
:-ri--~ I..),...J ,,~-~N NO" ... ,..." ,dot,Gambar 4. Kurva difJraksi serb uk taria -urania pada berbagai suhu sinter
Pada gambar -gambar selanjutnya (4c,4d clan 4e) dengan adanya kenaikan suhu sinter puncak defraksi yang dipunyai uranium semakin sedikit, ini menunjukan bahwa ~ yang berdifusi ke ThOz semakin besar karena adanya kenaikan suhu sesuai dengan yang ditulis pada persamaan (1). Puncak -puncak defraksi yang terjadi pada pelet yang telah dipanaskan intensitasnya berbeda dengan sebelum dipanaskan, hal ini disebabkan karena konstribusi atom ~ yang telah larut dalam struktur kristal ThOz. Larutan padat yang terjadi adalah larutan
padat substitusi. 1ni dilihat dari puncak -puncak defrak~i dari pelet sinter yang mempunyai intensitas lebih tinggi dari pacta yang belum disinter, karena sumbangan harga faktor hamburan atom ~ lebih besar dari harga faktor hamburan dari atom Th +4 yang digantikannya. Pacta bidang 111 jumlah atom
Th +4 akan berkurang karena kedudukan Th +4 digantikan oleh atom ~. P~da gambar 5b mempunyai intensitas puncak paling tinggi dari pacta yang lain, karena pada suhu 1300°C atom Th+4
" "..,1."
Struktur kristal
Kurva defraksi serbuk campuran toria
-urania dapat digunakan untuk menentukan
apakah
larutan padat toria -urania sud!ili terjadi atau belum.
Kurva -kurva tersebut tertera pada gambar 4 yang
merupakan sample campuran yang belum
dipanaskan dan yang sudah dipanaskan dalam
berbagai suhu puncak dengan waktu penahanan
4
jam
,.i.
Dari kurva difraksi pelet yang belum dipanaskan terlihat jelas bahwa sebagian besar strukturnya adalah kristal kubik pusat muka ThO2 yaitu pacta sudut observasi 28 sebesar 2,024° ; 37,171°; 53;642°;63,936°, 67,187° dengan punCak
defraksi pacta bidang 111; 200;220;311 ;222 sedang uranium oksida ~ada 28 sebesar 32,891°; 38,201°, 55,105°, 65,778 dengan puncak defraksi pacta bidang 111; 200; 220; 311, untuk CaD tidak terdeteksi karena terlalu sedikit komposisinya. Gambar 4b merupakan kurva defraksi pelet basil sinter suhu 13000C, disini terlihat 0+4 sudah mulai masuk ke ThO2 membentuk larutan padat (Th,U)O2, ini terlihat pacta sudut observasi 28 = 32,078°, sedang pacta 28 = 32,8370 masih terlihat adanya uranium, karena belum seluruh uranium masuk ke ThO2. Sedangkan bergesemya puncak -puncak
defraksi ini disebabkan karena bergeraknya atom yang diakibatkan oleh adanya kenaikan suhu seperti yang disebut didepan. Demikian juga untuk puncak -puncak defraksi yang lain.
ISSN 0216-3128
Kimia Nuklir Pristi Hartati, dkk
belum seluruhnya lepas dari kisi kristalnya, sehingga yang terjadi belum larutan padat sempuma. Larutan padat sempuma terjadi setelah disinter 1700°C yang terlihat dari habisnya uranium ( puncak -puncak uranium pada gambar 4e sudah tidak muncul lagi) dan tingginya intensitas relatif stabil.
6.
CULLITY,
B.D., "Elements of
X-Ray
Diffraction", Addison Weslwy Publishing
Company,
Inc, Massachusetts,
1978
TUNJUNG INDRATI Y, ARI HANDAYANI,
BUDI KUSY ANTO, Analisis Struktur Kristal
relet (Th,U)O2 Hasil Sinter Suhu 12000C,
Prosiding PPI Pranata
Nuklir, 1998.
7.
KESIMPULAN'
TANYA JAWAB
Dari penelitian ini dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut:
Densitas pelet (Th,U)O2 yang dihasilkan dari penyinteran pada suhu 1700°C dan penahanan suhu puncak selama 4 jam adalah 9,6163 g/CC atau 95,68% dari densitas teoritis .lni sudah memenuhi syarat sebagai bahan bakar reaktor daya.
Kekerasan pelet (Th,U)O2 yang dihasilkan pelet pad a penyinteran 1700°C adalah 653,4 :!: 3,65 VHN yang belum memenuhi syarat sebagai bahan bakar ( 7004VHN ).
Dari struktur mikronya pelet yang dihasilkan belum memenuhi syarat sebagai bahan bakar reaktor, baik pori -pori maupun diameter butir yang didapat. Dari identifikasi struktur kristal, larutan padat (Th,U)O2 sempuma terbentuk pada suhu sinter pelet 1700°C dan penahanan suhu puncak selama 4 jam.
UCAP AN TER:[MAKASIH
Diucapkan terima kasih kepada sdri. Ari
Handayani BSc, sill Budi Kusyanto dan sdr paryadi
yang telah membantu
penelitian ini hingga selesai.
DAFT AR pus'r AKA
2.
3.
4.
MUCHLIS.B, Sintering, Pusdiklat, Badan
Tenaga Atom Nasional, Bandung,1984
VAN VLACK L.H, Elements of Materials
Science
and Engineering,
4th ed, USA,1980
MOORTHY V.K, KULKARNI A.K,RAO
S. V .K, Relation between the origin, powder
characteristics and sintering tretrnent on
densification and microstructures
of compacts
of urania and toria, India,
1974.
BERMAN
R.M &
BELLE.J,Mechanical
Properties of Th02 and Th02 -U02, Thorium
Dioxide: Properties and Nuclear Application,
DOE/NE -0060, Washington,1984
NICHOLS F .A, Further Comments on the
Theory of Grain Growth in Porous Compacts,
Journal of The American Ceramic Society,
51,no 8,1968.
5,
Misyetti
>- lbu Mengatakan bahwa pelet yang dihasilkanbelum memenuhi syarat untuk digunakan sebagai bahan bakar reaktor, terutama daTi kualitas pori-pori serta diameter butiran yang diperoleh. Hal ini tentu dipengaruhi oleh tahap-tahap proses yang dilakukan. Yang ingin saya tanyakan adalah
>- Apakah sinter 1700 DC masih perlu dioptimasi? >- Berapa perbandingan U clan Th yang paling baik
untuk pembentukan larutan padat untuk keperluan ini?
Pristi Hartati
-<> Suhu 1700 'C sudah dioptimasi pada penelitian sebelumnya (Prosiding 1998). Hanya perlu ditinjau lagi mengenai modus sinter terutama laju kenaikan suhu ataupun penurunan suhu.
-<> Belum pernah dilakukan penelitian ini. Kris Tri Basuki
>- Bagaimana fenomena struktur yang terjadi pada kenaikan suhu, densitas naik akibat difusi clan menaikkan ukuran butir.
>- Apakah a clan b pada no. 1 tidak terjadinya keterbalikan fenomena?
Pristi Hartati
-<> Dapat dilihat pada persamaan (3) dimana pada waktu suhu naik koefisien difusi bertambah besar. Koefisien difusi bertambah berarti densifikasi semakin cepat atau penyusutan pelet semakin besar sehingga densitas naik Dari persamaan (4) terlihat bahwa suhu naik, diameter butir juga semakin besar.
-9- Ada keterlibatan proses yaitu dua-duanya proses difusi yang dominan.
Sukirno
>- Pada suhu 1300 DC, if4 masuk ke kristal ThO2;' Dari mana diketahui benar-benar benar sudah masuk? Dan bagaimana analisanya?
Pristi Hartati, dkk Kimia Nuklir
A
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah
P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999 Buku II 75
~ Tadi dikatakan U = 10 %. Bagaimana kalau
lebih dari 10 %, misalnya 50 % atau lebih besar
lagi?
Pristi Hartati
..}. Ana/isisnya dengan X-Ray Defraksi. Diketahui benar-benar benar sudah masuk ke ThO] dari tinggi puncak (Th, U) pada bidang (III) ternyata i"!tensitasnya /ebih dari pe/et sebe/um dipanaskan.
..}. Jika V lebih dari 10 % kemungkinan masih dapat masuk ke ThO] sE?lama masih di bawah batas kelarutannya. Blla V lebih besar /agi (> 50 %) kemungkinan Th+~ yang akan masuk ke VOl, hila V 50 % antara if~ dan Th +~ akan berkompetisi.
Sam in
);- Bagaimana bentuk struktur kristal toria urania hasil dari XRD?
);- Struktur mikro, mikrostruktur, ukuran partikel, mohon penjelasannya.
Pristi Harlati
-<).. Bentuk struktur krista/ toria urania tetap
kubik pusat muka, karena /ogam yang
di/arutkan tidak akan merubah struktur
krista/ dari /ogam utama.
-<).. Struktur mikro dan mikro struktur
