ISSN 0852-4777
BAHAN BAKAR REAKTOR RISET
PROSES PRODUKSI UF4 DARI BERBAGAI ANEKA BAHAN
DASAR
*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 yang berkualitas.
PROSES PEMBUATAN SERBUK UF4
2. Proses Reduksi
Proses pembuatan UF4 dengan aneka
bahan dasar dapat dikelompokkan, seperti
diuraikan 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 dengan air 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)
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 Flurex
1. 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 suasana
reduktif 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
perolehan
kemurnian
mempunyaiekonomi.
dua
tahapan
hasil UF4 akan yang tinggi dankeuntungan lebih
proses
ini
mempunyai
proses
ini
dari
segi
Bahan Dasar UO3
1. Proses fluorinasi
Bahan 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 Tahap pertama 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 mengikuti reaksi (14)
2UF4 + 02~UO2F2 + UFs
14)
Hasil UO2F2 dapat dipisahkan dengan mudah dari UF6 dan selanjutnya dikontakkan kembali dengan pereaksi C6H1oOs seperti ditunjukkan pad a persamaan reaksi (15)
9
~
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]
Analisis
Spesifikasi
Maksimum
Minimum
UF4 (Uranium tetratfluorida)
96,0%
Tidak larut dalam (NH4)2C2O4 2,5 %
Larut dalam air (UO2Fv
4,0%
Fe (besi)
45 ppmCr (kromium)
20 ppm
Co (kobal)
65 ppmNi (nikel)
Total impuritas
densitas
65 ppm 130 ppm 3,0 gr/ccGambar 1 : Skematis Sel Elektrolitik Proses Flurex.
11
HENDRO W AHYONO dan GHAIB WIDODO Proses Produksi UF 4 dari Proses Aneka Bahan Dasar
_HF/100-2000C~
