PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN BADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL

PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN BADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL

Cabang Ilmu Kimia yang mempelajari unsur radioaktif, pembuatannya, sifat-sifatnya, pengukurannya dan

pemanfaatannya

Kimia Radiasi :

Cabang Ilmu Kimia yang mempelajari efek kimia yang terjadi pada t t kib t di i i

suatu zat akibat radiasi pengion

Kimia Nuklir :

Cabang Ilmu Kimia yang mempelajari transformasi inti Cabang Ilmu Kimia yang mempelajari transformasi inti

Radiokimia

• Bagian dari Ilmu Kimia

Mendukung perkembangan Teknologi • Mendukung perkembangan Teknologi

U di ktif & if t if t

LINGKUP RADIOKIMIA

Unsur radioaktif & sifat-sifatnya

Radionuklida Radionuklida Radionuklida Radionuklida

alam buatan

Penembakan Penembakan

Radiokimia Pembuatan (Reaksi inti) Radionuklida Pemisahan Pemisahan Analisis AAN Analisis AAN Pengenceran Isotop Titrasi Radiometri Pemanfaatan Radionuklida Perunut

Tujuan

Tujuan

Setelah mengikuti materi ini, peserta mampu Setelah mengikuti materi ini, peserta mampu menjelaskan prinsip radiokimia

Secara Khusus :

1. Menjelaskan keseimbangan dalam peluruhan 2. Menjelaskan radionuklida alam

3. Menjelaskan reaksi inti

4. Menjelaskan radionuklida buatan

Sistematika

Sistematika

• Bab I : Pendahuluan

• Bab II : Radionuklida Alam • Bab III : Peluruhan Radioaktif • Bab IV : Reaksi Inti

• Bab V : Pembuatan Radionuklida

Bab II

Bab II. Radionuklida Alam

Bab II. Radionuklida Alam

I.Tunggal, dihasilkan oleh sinar kosmikgg ,

3_H, 7_Be, 10_Be, 14_C

22_Na, 24_Na, 32_S, 32_P, 33_P 35_{PP, Cl, S, Cl, Cl}36_Cl 38_S 38_Cl 39_Cl

II. Tunggal, berasal dari batuan

40_K, 50_V, 87_Rb, 115_In, 123_Te, 138_La, 142_Ce, 144_Nd, 147_Sm, 152_Gd, 156_Dy, 174_Hf, 176_Lu, 180_Ta, 187_Re, 190_Pt

III D t R di klid (P l h b t i)

III. Deret Radionuklida (Peluruhan berantai)

1. Deret Thorium (4n) 232_{Th ...} 208_Pb

2. Deret Uranium (4n+2) 238_{U ...} 206_Pb

238_U 234_Th 4,47.109 _tahun 24,1 hari 234_Pa 234_U 2,46.105 _tahun 1,17 menit 230_Th 226_Ra 222_Rn 7,54.104 _tahun 3,8 hari 1599 tahun 218_Po 214_Pb 218_At 3,1 menit 27 menit 214_Bi 218_Rn 214_Po 210_Pb 19,9 menit 163,7 s Pb 206_Hg 210_Bi 206_Tl 210_P0 5,01 hari 22,6 tahun 206_Pb 138,38 hari Deret Uranium

Radionuklida Alam

Radionuklida Alam

Dalam Tubuh :

• K-40, β dan γ, T_1/2 : 1,27.109 _tahun

TENORM

T h i ll E h d N t ll

TENORM

Technically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Material

• Proses mineral dan pembakaran bahan bakar fossil fuel

fossil fuel

• Dalam proses pemisahan, radionuklida alam tertinggal di bahan sisagg

• Konsentrasi radionuklida alam dalam bahan sisa lebih tinggi dibanding awalnya

Radionuklida di udara

Paparan eksternal

Tanaman Tanah Air permukaan eksternal Tanah lapisan d l Ikan Hewan dan Hasil hewan Pernafasan dalam Ai t h Air minum Air tanah Air minum

Radionuklida di Lingkungan

Media Radionuklida

Radionuklida di Lingkungan

Udara 131_I, 134_Cs, 137_Cs

Air 3_H, 89_Sr, 90_Sr, 131_I, 134_Cs, 137_Cs

Fresh water and marine foodchain

54_Mn, 55_Fe, 59_Fe, 60_Co, 65_Zn, 95_Zr, 95_Nb, 106_Ru, 110m_Ag, 125_Sb, 131_I, 137_Cs, 141_Ce, 144_Ce Milk 89_Sr, 90_Sr, 131_I, 134_Cs, 137_Cs Meat 134_Cs, 137_Cs Vegetation 89_Sr, 90_Sr, 95_Zr, 95_Nb, 103_Ru, 106_Ru 131_I, 137_Cs, 141_Ce, 144_Ce S il 90_S 134_C 137_C 238_P 239/240_P 241_A

Soil 90_Sr, 134_Cs,137_Cs, 238_Pu, 239/240_Pu, 241_Am, 242_Cm

Bab III

Deret Radionuklida

Peluruhan berantai digambarkan :

Deret Radionuklida

Peluruhan berantai digambarkan :

N(1) N(2) N(3) N(i 1) N(i) • N(1) → N(2) → N(3) …….. N(i-1)→ N(i) N(i) radionuklida ke-i

Laju Peluruhan

Laju Peluruhan

1 dN _dN 1 1 1 N dt dN    2 _{1 1 0 0} N N dt dN     3 3 2 2 3 N N dt dN     i i i i i N N dt dN     _{1 1}

Persamaan Bateman

Persamaan Bateman

) ... ( 1 2 3 3 2 1 0 1 t i t t t i i e C e C e C e C N N          ) )...( )( ( ... 1 1 3 1 2 1 2 1 1 _{     }         i i C ) ) ( )( ( _{2 1 3 1 i 1} ) ) ( )( ( ... ₁ 2 1 2 _{     }     i C ) )...( )( (₁ ₂ ₃ ₂ _i ₂ ) )...( )( ( ... 1 3 1 1 2 1 i i i i i i C                1 3 1 i i i i

Decay Chain, Secular Equilibrium

1000

100

Log of Activity Parent

10 Daugther Total 1 0 10 20 30 40 Time

8

D Ch i T i t E ilib i

6

7 Decay Chain, Transient Equilibrium

3 4 5 Parent Daughter T t l tivity 1 2 Total Log Ac t 0 0 20 40 60 80 100 120 Time

Gambar II 2: Kesetimbangan Transien Gambar II.2: Kesetimbangan Transien

Decay Chain, No Equilibrium 100 ivi ty 10 Log of A ct Parent Daughter T l Total 1 0 20 40 60 80 100 120 Time

Bab IV

Reaksi Inti

Reaksi Inti

X + a Y + b X + a Y + b Atau X ( a b ) Y Atau X ( a,b ) Y Keterangan :g X : nuklida sasaran

Y : radionuklida hasil reaksi inti a : partikel penembak

Macam Reaksi Inti

Macam Reaksi Inti

• Reaksi fotonuklirReaksi fotonuklir

Contoh : 9_Be(γ,n)8_Be • Reaksi penangkapan : (n, γ), (p, γ), (d,p), (d,α) • Reaksi fisi : U235 _{+ n} t  Y1 + Y2 + (2-3)nc + Q t 1 2 ( ) c Q

Reaksi Penangkapan

Reaksi Penangkapan

(n, γ), (p, γ), (d,p), (d,α) Contoh : • 23_{Na ( n, ԃ)} 24_Na 24_{Mg ( d α)} 22_Na • 24_{Mg ( d, α)} 22_Na • 197_{Au ( n, ԃ)} 198_Au Sumber partikel : Sumber partikel : • Reaktor nuklir • Akselerator

Reaksi Fisi

Reaksi Fisi

U235 _{+ n}

Reaktor Nuklir

Reaktor Nuklir

Komponen Utama : Komponen Utama :

1. Bahan Bakar Nuklir 2 M d 2. Moderator 3. Pendingin 4. Batang Kendalig 5. Reflektor 6. Bejana 7 Perisai 7. Perisai 8. Penukar Panas:

Bab V

Radionuklida Buatan

Radionuklida Buatan

• Kedokteran • Pertanian • PeternakanPeternakan • Industri

Cara Pembuatan Radionuklida

Cara Pembuatan Radionuklida

1. Penangkapan/aktivasi dengan neutron 1. Penangkapan/aktivasi dengan neutron 2. Hasil belah (fisi) uranium.

3 Penangkapan/aktivasi dengan partikel 3. Penangkapan/aktivasi dengan partikel

bermuatan. _z+2 (n d) z+1 (n,p) (n,d)_(ϒ,p) (d,α) z (n,ϒ)_(d,p) A

Y

(ϒ,n)_(n,2n) z z-1 (α,p) (d,ϒ)_(d,p) (d,n) (p,n)_(d,2n) z 2 (α n) z-2 (α,n)

Hipotesa

Compound Nucleus

Hipotesa

Compound Nucleus

4_{He +} 60_Ni 63_{Zn + n}

64_Zn 62_{Zn + 2n}

Kecepatan Reaksi

Kecepatan Reaksi

Kecepatan Reaksi :

Kecepatan Reaksi :

R

_ii

= I n σ

_ii

x

R_i = jumlah proses / reaksi inti yang terjadi pada sasaran per satuan waktu

I = jumlah partikel penembak per satuan waktu n = jumlah nuklida yang terdapat dalam sasaran

per satuan volume per satuan volume

σ_i = tampang lintang untuk reaksi inti x = tebal sasaran

Aktivitas Radionuklida

Aktivitas Radionuklida

Aktivitas radioisotop (A) setelah iradiasi Aktivitas radioisotop (A) setelah iradiasi dengan neutron

A = NΦσ(1 e-λtir₎

A = NΦσ(1 – e λtir₎

Keterangan : Keterangan :

N : jumlah nuklida sasaran

Φ : fluks neutron (neutron/s.cm2₎

Φ u s eu o ( eu o /s c )

σ : tampang lintang mikroskopis ( barn = 10-24 _cm2₎

λ : tetapan peluruhan dari radioisotop yang terbentuk t_ir : waktu iradiasi

Pemilihan Reaksi Inti

Pemilihan Reaksi Inti

• jenis nuklida sasaranjenis nuklida sasaran • tampang lintang reaksi

h b i tik l b k

• pengaruh besar energi partikel penembak • tingkat kemurnian radionuklida yang

Contoh Reaksi Inti

Contoh Reaksi Inti

Unsur Reaksi Inti Umur Paro

H 6Li(n )T 12 3 tahun H 6Li(n, )T 12,3 tahun Be 6Li(d, n)7Be 53,4 hari F 19_F(n,2n)18_{F 109,7 menit} Na 23Na(n, )24Na 15,0 jam Mg 26_{Mg(n, )}27_{Mg 9,5 menit} Al 27_{Al(n )}28_{Al 2 3 menit} Al Al(n, ) Al 2,3 menit

Aktivasi Neutron

Aktivasi Neutron

RADIONUKLIDA RADIASI WAKTU PARO

RADIONUKLIDA RADIASI WAKTU PARO

153_{Sm β , γ 1,93 hari} 192_I 192_{Ir β , γ 73,8 hari} 65_{Zn ε ,γ, β 243,8 hari} 90_{Y β , γ 2,67 hari} 86_{Rb β , γ, ε 18,65 hari} 166_{Ho β , γ 1,12 hari} 60_{CoCo β , γβ , γ 5,27 tahun5,27 tahun} 32_{P β 14.28 hari}

Hasil Belah

Hasil Belah

RADIONUKLIDA JENIS RADIASI UMUR PARO RADIASI 9_{Mo β , γ 67 Jam} 125_{I β , γ 60 hari} 131_{I β , γ 8.04 hari}

Partikel Bermuatan

(Akselerator)

Produk Jenis R di i Umur P Radiasi Paro 18_{F β}+ _{ε 1 83 jam} 18_{F β}+ _{, ε 1,83 jam} 201_{Tl ε , γγ 3,04 hari} 56_{Co β}+ _{, ε , γ 77,3 hari}

Pemilihan Senyawa Sasaran

Pemilihan Senyawa Sasaran

• kestabilan senyawa pada kondisi iradiasi • kandungan unsur lain

• kemurnian radionuklida

• kemudahan penanganan selanjutnya (pemisahan)

Target Iradiasi

Target Iradiasi

Generator Radioisotop

Generator Radioisotop

• Radionuklida umur paro pendekRadionuklida umur paro pendek

• Radionuklida induk berumur paro relatif panjang

panjang

• Anak dipisahkan secara kimia (sederhana) • 98_{Mo –} 99m_Tc

Penandaan / Pelabelan

Penandaan / Pelabelan

• Sintesis dan pertukaran atom. Senyawa bertanda Penggunaan

153_{Sm-EDTMPSm EDTMP Diagnosis/pengobatan kanker tulang dan}

Atau SmCl₃

Diagnosis/pengobatan kanker tulang dan pengobatan leukemia

192_{Ir-hairpinIr hairpin Terapi “cervic cancer” dan “mamaeTerapi cervic cancer dan mamae}

cancer” (low dose rate)

201 _{Tl F atau} 201 _{Tl F}

3 Diagnosis gangguan jantung

3 g g gg j g

Na₂ 99_MoO

4 Generator 99mTc

Na131_{I (oral, injeksi) Diagnosis dan terapi thyroid}

H₃ 32_PO

4 Pertanian

Bab VI

Tujuan Pemisahan Radiokimia

Tujuan Pemisahan Radiokimia

• Isolasi dari radionuklida lainIsolasi dari radionuklida lain

• Mengkonsentrasikan / mengumpulkan radionuklida dalam jumlah kecil dari j volume/massa yang besar

• Menghindari serapan diri dan mendapatkan g p p

Teknik Khusus

1. Carrier / Pengemban 2 S 2. Scavenger 3. Collector 4. Milking 5 Radiochemical Yield 5. Radiochemical Yield

Teknik Khusus

• Carrier / Pengemban

Teknik Khusus

• Carrier / Pengemban

– Isotopic

Contoh : Cs non radioaktif untuk 137_Cs

– Non isotopicp

Teknik Khusus

S

Teknik Khusus

Scavenger

– A1 cenderung dibarengi oleh keberadaan A2, A3,...

– Bila diperlukan memisahkan A1 from A2, A3, ... – Penambahan X sebelum proses pemisahan

Teknik Khusus

Collector

Teknik Khusus

Collector

mengumpulkan radionuklida dalam jumlah sedikit dari massa atau volume yang relatif sedikit dari massa atau volume yang relatif besar

Contoh :

AMP digunakan untuk mengumpulkan Cs dalam air laut

Teknik Khusus

Milking Milking

Pemisahan anak dari induknya

C t h Contoh : β- _β -90_Sr 90_Y 90_{Zr (stable)} Pemisahan 90_{Y dari} 90_Sr 137m_{B d i} 137_C 137m_{Ba dari} 137_Cs

Teknik Khusus

• Radiochemical Yield / RecoveryRadiochemical Yield / Recovery

s

A

C s

A





– Gravimetry, colorimetry – Standard internal

Metode Pemisahan

Proses Kimia:

Metode Pemisahan

Proses Kimia:

– menyangkut electron orbital

Sama untuk non radioaktif and radioaktif – Sama untuk non radioaktif and radioaktif

Metode Pemisahan Kimia:

• Pengendapan • Ekstraksi Pelarut • Khromatografi

• Elektrokimia • Distilasi

Pengendapan

Pengendapan

   

n m

sp M M

K  _{1 2}

– Pada tingkat kelumit, nilai hasil k li k l t tid k t i

kali kelarutan tidak tercapai – carrier ditambahkan

– Pemisahan dengan

• pengendapan centrifugal i

Ekstraksi Pelarut

Ekstraksi Pelarut

• Pemisahan dengan pelarut yang tidakPemisahan dengan pelarut yang tidak bercampur

 

A _org D  • D >> 1

 

A _aq D 

Contoh :

Preparasi Radiokimia

untuk Analisis Pu dalam Sampel Tanah untuk Analisis Pu dalam Sampel Tanah

Filtrat Filtrat + TOA-xylene + 8 M HNO _aq + 8 M HNO₃ + 10 M HCl org org aq + 10 M HCl org aq + NH₄I.HCl _org aq + Xylene org aq org aq

Khromatografi

Khromatografi

• Perbedaan kecepatanPerbedaan kecepatan migrasi

• Tingkat makro dan mikro • Tingkat makro dan mikro • Jenis :

– Khromatografi kolom – Khromatografi kertas – electrochromatography – Khromatografi gas

Khromatografi

• Penukaran Ion

Khromatografi

Penukaran Ion HR M + _{MR H}+ nHR + Mn+ _{MRn + nH}+

 

 

 

sol res d M M K 

Contoh : Preparasi Radiokimia

untuk Analisis Pu dalam Sampel Tanah

8 M HNO Filtrat 8 M HNO₃ 10 M HCl NH₄₄I.HClC Anion Colum Dowex 1-X8, 100-200 mesh 100 200 mesh Eluent

Elektrokimia

Elektrokimia

• Perbedaan energi potensialPerbedaan energi potensial • Elektrolisis secara internal

El kt li i d li t ik • Elektrolisis dengan arus listrik

Potensial (E

0

)

Potensial (E )

( 0₎ Elektrode Potensial (E0₎ K ═ K+ _+ e‐ _+ 2,92 ¼U ═ ¼U+4 _{+ e}‐ _{+ 1 40} ¼U ═ ¼U+4 _{+ e + 1,40} ½H₂ + OH‐ ═ H

2O + e‐ + 0,83 Pu+3 ═ Pu+4 _{+ e}‐ _{+ 0 72}

Pu Pu + e + 0,72

½Cu  ═ ½Cu+2 _+ e‐ _{‐ 0,34} OH‐ ═ ¼O

2 + ½ H2O + e‐ ‐ 0,40

2 2 ,

¼Po ═ ¼Po+4 _+ e‐ _{‐ 0,40} Fe+2 ═ Fe+3 _+ e‐ _{‐ 0,77} Ag ═ Ag+ _+ e‐ _{‐ 0,80}

Contoh : Preparasi Radiokimia

untuk Analisis Pu dalam Sampel Tanah

Pt anode

larutan

0.5 Ampere, 2 hours

Stainless steel katode

Distilasi

Distilasi

• Suhu penguapanSuhu penguapan • Senyawa volatil

Review

Review

– Sebutkan 3 jenis radionuklida alam dan contohnya;y

– Sebutkan 3 sistem peluruhan berantai dan contohnya;

– Jelaskan 3 reaksi inti;

– Jelaskan 3 cara produksi radioisotop;p p

– Jelaskan 3 teknik khusus dalam Pemisahan Radiokimia