Prosidin Pertemuan l/miah Sai1ls Mater; 1997 lssn i STRUKTURMIKRO DAN SIFAT MEKANIK PELET SINTER UO2 MURNI DAN YANG DIDOPING TiO21

Prosidin Pertemuan l/miah Sai1ls Mater; 1997 lSSN i410 -2897

STRUKTURMIKRO

DAN SIFAT MEKANIK PELET SINTER UO2

MURNI DAN YANG DIDOPING TiO21

~

),2

~

Dani Gustarnan SyariF

ABSTRAK

STRVKTVRMIKRO DAN SIFAT MEKANIK PELET SINTER VOl MVRNI DAN YANG DIDOPING TIO1. Struktunnikro dan sifat mekanik khususnya kekerasan dan ketangguhan patah pelet sinter VOl baik mumi maupun yang didoping Ti01 telah dipelajari menggunakan teknik metalografi dan indentasi mikro. Doping Ti01 diketahui telah mengubah struktunnikro pelet sinter 00,. Yang paling menonjol ialah bahwa TiO, telah mengubah butir pelet sinter menjadi jauh lebih besar dari pada butir pelet sinter 001 mumi. Tempi doping TiO, relatiftidak mengubah struktur pori pelet sinter. Kekerasan relatif meningkat dan ketangguhan patah menurun dengan bertambahnya konsentrasi TiO,.

ABSTRAcr

THE MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF PURE AND TIOz DOPED-UOz SINTERED PELLET. Microstructure and mechanical properties especially microhardness and fracture toughness of pure and TiO2-doped UO2 had been studied using metalography and micro indentation techniques. It was known that TiO2 doping changed the microstructure of VO2 sintered pellet. The prominent result was that TiO2 changed grains of the TiO,-doped VO,sintered pellet considearable larger than those of pure one. However, TiO, doping did relatively not change the pore structure of the sintered pellet. The hardness relatively increased and the fracture toughness decreased as increasing concentration ofTiO, .

KEY WORD

Microstructure, Hardness, Fracture-toughness, Doping

PENDAHULUAN

VO2 daD tidak membentuk larutan padat sarna sekali

dengan dopan kemudian tersegregasi di barns butir sebagai rasa kedua (second phase). Ketiga, dopan masuk kedalam VO2 daD sebagian darinya membentuk larutan padat sementara sebagian lagi tersegregasi di barns butir sebagai rasa kedua. Ketiga kondisi ini dapat menghasilkan pelet dengan karakteristik yang berbeda. Strukturmikro daD sifat

mekanik adalah dua diantara beberapa sifat yang

dapat dipengaruhi oleh tiga kondisi tadi. Oleh karena itu sejauh mana pengaruh dopan khususnya TiO2 terhadap strukturmikro daD sifat mekanik, dalam hal ini kekerasan daD ketangguhan patah, dibahas pada makalah ini.

PERCOBAAN

Serbuk 002 dicampur dengan serbuk Ti02 dengan komposisi sesuai label 1 lalu diaduk (blended) di dalam alat pengaduk (Blender) selama 2 jam. Serbuk hasil campuran kemudian dipres dengan tekanan 2,5 ton/cm2 dan diusahakan agar setiap pelet mentah mempunyai berat dan dimensi yang hampir sarna. Pelet mentah yang dihasilkan kemudian disinter pada suhu 1700°C selama 4 jam dengan menggunakan gas hidrogen sebagai atmosfir sinter.

Rapat masa pelet mentah dan sinter ditentukan

melalui penimbangan dan pengukuran dimensi. Pelet sinter kemuclian diamplas dengan kertas amplas nomor 240,400,600,800, 1000, 1500,2400 clan 4000, lalu dipoles dengan bantuan pasta intan peningkatan bumup yang dilakukan untuk

meningkatan nilai ekonomi sebuah PL TN memerlukan bahan bakar dengan kinerja tinggi yang mampu mencegah kegagalan bahan bakar akibat peningkatan bumup terse but. Dalam rangka meningkatkan kinerja bahan bakar, berbagai pengembangan teknik fabrikasi relet UO2 telah clan sedang dilakukan di beberapa negara sejak beberapa tahun kebelakang[I-3]. Salah satu teknik yang sedang dikembangkan itu adalah teknik doping yaitu teknik yang dilakukan dengan mendop(doping) UO2 dengan berbagai dopan (additij) seperti TiO2[ 4- 7], Nb2Os[ I ,2,7] clan AI2O3[8]. Penambahan dopan ini dilakukan untuk memperoleh strukturmikro tertentu yang membuat relet mampu menahan lebih lama gas basil belah (fission gas) di dalam dirinya sehingga mengurangi berbagai penyebab kegagalan bahan bakar di antaranya interaksi pelet-kelongsong (PCI:Pellet Cladding Interaction) dan/atau membuat pelet lebih plastis selama pemakaiannya. Namun penambahan dopan kedalam UO2 dapat mengubah karakteristik relet UO2 lainnya seperti sifat termal, sifat listrik clan sifat mekanik. Sifat yang terakhir menjadi titik perhatian penelitian ini.

Masuknya dopan kedalam UO2 dapat menghasilkan tiga kondisi berikut ini. Pertama, dopan masuk kedalam UO2 clan membentuk larutan padat sempuma baik berupa larutan padat substitusi maupun interstisi. Kedua, dopan masuk kedalam

I Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 2Pusat Penelitain TeknikNuklir- BAT AN

Prosidin Pertemuan I/miah Sains Materi1997 ISSN 1410 -2897

(diamond paste). Permukaan hasil pemolesan dari Tabell. Komposisi campuran 00 dan TiO

setiap pelet kemudian dipotret menggunakan dalam % berat. 2 2

mikroskop optik. Indentasi dengan beban 500 gram kemudian dijatuhkan pada permukaan hasil poles setiap sam pel sebanyak 10 buah dengan indentasi diusahakan jatuh di tempat yang berbeda. Kekerasan vikers dihitung dari panjang diagonal indentasi rata-rata rnenggunakan persamaan (1) clan ketangguhan patah dihitung dari panjang retakan rata-rata dengan menggunakan persamaan (2) (Lihat Gambar 1)[9]. Cara penentuan ketangguhan patah pelet VOz dengan indentasi mikro dibahas dengan detil pacta referensi [9]. Setelah semua indentasi pada pelet dihilangkan clan pelet dipoles kembali, serta permukaan basil polesnya dietsa menggunakan larutan dari campuran H2O, HzOz clan HzSO4,

pelet-relet

tersebut kemudian dipotret memakai

mikroskop optik untuk melihat struktur butir. Rapat Masa

Vkuran butir rata-rata ditentukan dari foto-foto yang Seluruh pelet mempunyai penampilan luar dihasilkan dengan metode intersep linear[10]. Untuk yang sangat baik. Tidak ditemukan retak secara mengetahui adanya rase kedua beberapa pelet visual. Timbulnya retak dipengaruhi oleh pembuatan dievaluasi mengunakan SEM (Scanning Electron relet mentah clan cara penyinteran, namun basil yang

Microscope) yang memiliki fasilitas BSE (Back diperoleh memperlihatkan bahwa pembuatan pelet Scattered Electron) dan pemetaan sinar-x (x-ray mentah clan penyinteran telah dilakukan dengan

maping). baik.

No

002

TiO2

1 2 3 4

5

6 7 100

99,99

99,97

99,95

99,92

99,9

99,8

0 0,01 0,03 0,05 008, 0,1

0,2

HASIL

DAN DISKUSI

2

,8544.P/d

)

Dengan, Hv = Kekerasan

Vickers bahan(Kgtmm1

P = Beban indenter

yang dijatuhkan

pada bahan (Kg).

d = panjang rata-rata diagonal indentasi

(mm).

1/2

K1c = P[Hv.(P/4c)]

( 2)

Rapat rnasa pelet rnentah clan sinter pada berbagai koitsentrasi TiO2 diperlihatkan pada Tabel 2. Rapat rnasa seluruh pelet sinter cukuptinggi yaitu rata-rata lebih besar dart pada 95% r.m.t.(Rapat masa teoritis), narnun pengaruh konsentrasi TiO1- terhadap besar rapat rnasa pelet sinter secara signifikan tidak dapat dilihat di sini karena pelet yang dihasilkan merniliki rapat masa yang harnpir sarna. Perbedaan rapat masa yang terjadi terlihat lebih dorninan dipengaruhi oleh rapat rnasa pelet rnentahnya daTi pada oleh penarnbahan iiO2. Narnun dernikian hingga konsentrasi panarnbahan 0,2 % dapat dikatakan bahwa doping TiO2 tidak memberikan pengaruh negatif terhadap rapat rnasa pelet. sinter.

Tabel 2. Rapat masa pelet mentah dan sinter daTi 002

yang didoping TiO2. Dengan, k,c = ketangguhan patah.

f3 = Konstanta (0,093[9]).

Hv = k~kerasan bahan (Persamaan 1). P = Beban indenter yang dijatuhkan

pada bahan (Kg).

c = Panjang retakan diukur daTi sudut indentasi(Lihat gambar 1).

~

d1

C =(C1 +C2+C3+C4ji4 d " (d1 + d2)/2/

ramblir I. Indentasi pada permukaan bahan.

Pros;dinJ! Pertemuan Ilm;ahSa;ns Mater; 1997 ISSN 1410 -2897

Struktur Butir Dan Mekanisme Pertumbuhan Butir Cepat

Hasil pengamatan menggunakan SEM melalui fasilitas BSE clan pemetaan sinar-x memperlihatkan bahwa rasa kedua absen, baik di dalam butir maupun di batas butir seperti diperlihatkan pada Gambar 2 sebagai salah satu contoh. Ini menandakan bahwa sebagian besar TiO2 telah larut padat di dalam VO2, namun apakah larutan padat terbentuk secara substitusi atau interstisi tidak dapat dilihat daTi data SEM ini. Secara tidak langsung penentuan hal itu akan dilakukan dengan membahas data struktur butir berikut ini.

b

a

d

c

47~m

-b

a

_{Gambar 3. Struktur butir pelet 002, (a) Mumi (Tanpa}

doping), (b) Didoping 0.03% Ti02.(c) Didoping 0,1 % berat Ti02.(d) Didoping 0,2 % berat Ti02

Radford & Pope[ll], Matzke[4] dan Kileen[7] rnendapatkan bahwa Ti02 tereduksi rnenjadi Ti2O3 di dalarn V02 ketika disinter pada suhu di atas 1600°C di dalarn atrnosfir gas hidrogen. Dengan rnendeduksi penernuan ini, rnaka pada penelitian saat inipun karena penyinteran dilakukan pada kondisi yang relatif sarna yaitu pada suhu 1700°C di dalam gas hidrogen, Ti02 telah tereduksi rnenjadi Ti2O3. Ada dua cara bagi ion Tf+ untuk rnasuk ke dalam kristal V02 yaitu rnasuk secara substitusi dan secara interstisi. Kernudian jika ion Ti3+ rnasuk secara substitusi kedalarn kristal V02 rnaka rnekanisrnenya akan rnengikuti persarnaan (3).

d

c

12,4f.lm

Gambar 2. Hasil pemotretan SEM pada pelet dengan doping 0,2 % TiO2. (a) Mode SE(Secondary Electron), (b) Mode BSE (Back Scattered Electron), (c) Pemetaan sinar-x untuk unsur U(Ma), (d) Pemetaan sinar-x untuk unsur Ti

(Ka).

Ti2O3 = 2Til-(U) +30(0) + OV2+

...(3)

dengan, Ti'-(U) = Ion Ti valensi tiga yang menempati subkisi uranium di dalam kristal V02.

0(0) = Jon oksigen yang menempati subkisi oksigen di dalam kristal V02.

OV2+ = Kekosongan oksigen. Pengaruh Ti02 terhadap struktur butir

nampak sangat jelas seperti diperlihatkan oleh Gambar 3. Penambahan Ti02 kedalam V02 telah mengubah ukuran butir menjadi jauh lebih besar dari pada ukuran butir V02 mula -mula (tanpa doping). Mekanisme terjadinya pertumbuhan butir yang begitu cepat selama penyinteran yang telah menghasilkan butir-butir besar dapat diterangkan sebagai berikut.

Beberapa literatur memperlihatkan bahwa pertumbuhan butir cepat dapat terjadi oleh terbentuknya cacat kristal tertentu di dalam kristal V02 akibat masuknya ion dopan[I-8]. Oi sini cacat kristal tersebut telah meningkatkan kecepatan difusi kation logam di dalam kristal. V02 yang kemudian

memicu pertumbuhan butir menjadi lebih cepaL

Cacat yang terjadi sesuai persamaan (3) adalah kekosongan oksigen. Cacat ini bukanlah cacat yang dapat menpercepat pertumbuhan butir setJerti dikonflrmasi oleh Akabori & Fukuda[12]. Jadi meku~:~me pertumbuhan cepat tidak mengikuti persamaan (3). Yang paling mungkin adalah bahwa ion Ti valensi 3 telah masuk secara interstisi

Prosidin Pertemuan llmiah Sains Materi 1997 /SSN /410 -2897

kedalam kristal UO2. Menurut Matzke[4] clan tidak dialami oleh pori yang teramati pada penelitian Radford & Pope[ll] cacat semacam ini dapat ini yakni pori intragranular.

meningkatkan difusi kation yang kemudian

mempercepat pertumbuhan butir. Kekerasan Dan Ketangguhan Patah

Dua faktor yaitu struktur pori clan ukuran butir yang secara teoritis dapat mempengaruhi sifat mekanik relet UO2 baik mumi maupun yang didoping TiO2 khususnya kekerasan dan ketangguhan patah akan ditinjau pada penelitian ini. Pengaruh TiO2 terhadap sifat mekanik relet diakomodasi oleh kedua faktor tersebut karena kedua faktor inilah sebenamya yang secara langsung dapat dipengaruhi oleh penambahan TiO2.

Kekerasan (Hv) dan ketangguhan patah (Krc) sebagai fungsi konsentrasi TiO2 diperlihatkan pada Gambar 5 dan 6. Seperti terlihat pada Gambar

5, terdapat kecenderungan bahwa kekerasan meningkat dengan bertambahnya konsentrasi TiO2. Untuk logam yang tidak memiliki pori kekerasan berbanding terbalik dengan ukuran butir. Kekerasan logam menurun dengan bertambah besamya ukuran butir. Pada keramik hubungan ini tidak selalu nampak karena keramik memiliki porositas. Tinggi rendahnya porositas ini tergantung pada cara fabrikasinya. Peningkatan kekerasan mengikuti pertambahan konsentrasi TiO2 yang terjadi di sini lebih disebabkan oleh struktur pori/porositas masing-masing relet sinter dari pada oleh ukuran butir sebab seperti telah diterangkan pada bagian lain diskusi ukuran butir bertambah dengan pertambahan TiO2 sedangkan pertambahan butir umumnya diikuti oleh penurunan kekerasan.

Struktur Pori

Struktur pori yang dimjliki oleh relet sinter VO2 mumi daD yang didoping TiO2 sangat beragam. Perubahan yang terjadi dari struktur pori relet VO2 mumi ke strukturpori relet VO2 yang didoping, dan dari relet VO2 yang didoping dengan konsentrasi rendah ke pelet VO2 yang didoping dengan konsentrasi tinggi tidak memiliki kecenderungan atau tendensi yang jelas. Nampaknya perbedaan struktur pori dari tiap sampel lebih dipengaruhi oleh rapat masa relet mentahnya dari pacta oleh penambahan TiO2. Struktur pori dari pelet VO2 mumi dan beberapa relet yang didoping TiO2 diperlihatkan pada Gambar 4.

b

a .I .I .I .I . 70000 N

~

{}!

I

i

~ ~ ,,:

.-,

65000

~

.!-'-.

d

47~m

-I.

RIOOO

Gambar 4. Struktur pori pelet U02 (a) Murni (Tanpa doping), (b) Didoping 0.03% TiOz. (c) Didoping 0, I % berat TiOz. (d) Didoping 0,2 % berat TiOz

55000

soooo

Seperti ditunjukkan oleh Gambar 3, pori yang terbentuk sebagian merupakan pori intragranular. Dapat dilihat bahwa pertumbuhan pori tidak sejajar dengan pertumbuhan butir. Meskipun pertumbuhan butit: semakin besar dengan membesamya konsentrasi TiO2, tetapi pertumbuhan pori tidak ikut membesar. Kingery [13] dan Dani[14] memperlihatkan bahwa pori intergranular tumbuh mengikuti pertumbuhan butir. Pertumbuhan pori sejenis ini berlangsung melalui penggabungan pori-pori kecil menjadi pori yang lebih besar seiring

dengan membesamya butir selama

penyinteran[13,14]. Pertumbuhan pori semacam ini

..I .I .I .I ' . 000 000 010 0'5 o~ 025

Konsentrasi 1102( % bera )

Gambar

5. Kekerasan

scbagai

fungsi konsentrasi

TiOz,-Ketangguhan patah cenderung menurun dengan bertambahnya konsentrasi TiO2 seperti terlihat pada Gambar 6.

293

~ 600_to

E

E m ~ -500 .c

..

'8 D-C ..400 .c ~ Q Q C ~

" 300

,

A

:-.-~

Pros;d;nr! Perlemuan /lm;ah Sa;ns Mater; 1997 ISSN 1410 -2897

700 .I .I .I .I ..dipengaruhi oleh rapat masa pelet mentah dari pada oleh penambahan TiOz.

Pori-pori yang terjadi baik di dalam pelet VOz mumi maupun yang didoping TiOz didominasi oleh pori intragranular yang pertumbuhannya tidak sejajar dengan pertumbuhan butir.

Kekerasan cenderung meningkat clan ketangguhan patah cenderung menurun dengan bertambahnya konsentrasi TiOz tetapi perubahan kekerasan yang terjadi lebih disebabkan oleh rapat masa pelet mentahnya dari pada oleh TiOz.

-.

'00

UCAP AN TERIMA KASIH

I .I ' I .I ' I . 000 O~ 010 015 O~ 025

Konsen!rasl TlO2 ( % ber.! )

Gambar 6. Ketangguhan patah sebagai fungsi konsentrasi

TiO2 Penulis mengucapkan terima kasih kepada

seluruh teknisi laboratorium peletisasi clan kontrol kualitas kelompok Metalurgi, PPTN-BA TAN atas

bantuan yang diberikan dalan pembuatan pelet daD karakterisasinya, dan Sdri. Ari Handayani dari Laboratorium SEM, Balai Tekno Kimia, PPSM-BA TAN, Serpong atas bantuan yang diberikan dalam evaluasi menggunakan SEM clan EDAX. Ricote dkk.[16] memperlihatkan bahwa ketangguhan

patah menurun dengan bertambahnya ukuran butir clan meningkat dengan bertambahnya porositas. Pada penelitian ini pengaruh ukuran butir lebih dominan dari pada porositas/struktur pori. Hal ini sangat dimungkinkan karena pelet dengan butir besar cenderung memiliki tegangan patah (fracture stress) yang rendah. Secara kuantitatif hal ini digambarkan pula oleh pertambahan panjang retakan rata-rata akibat pertambahan ukuran butir seperti terlihat pada Gambar 7. Dengan menggunakan hubungan antara ketangguhan patah clan panjang retakan sesuai persamaan (2), nampak bahwa ketangguhan patah meningkat dengan membesarnya panjang retakan.

DAFTAR PUSTAKA

[1] UNE K. et al., Fission Gas Behavior During Post

Irradiation Annealing of Large

Grained VO2

Fuel Irradiated to 23 GWD/ton, J. Nucl. Sci.

Technol.,

30[3], 221, June (1993).

[2] Y ANAGISA W A K., Behavior of Nb2O$ Doped 002 Fuel in Reactivity Initiated Accident Conditions, Ibid, 28[5](1991)459.

[3] DANI GVSTAMAN S., et al., The Out-pile

Characteristics and in-pile Performance of

Additive-doped V02 Fuel Pellets, JAERI

Memo 06-259, (1994).

MATZKE HJ., On The Effect of Ti02

Additions on Deffect Structure, Sintering and

Gas Release of V02, AECL Report,

AECL-2585, Chalk River, Ontario, May (1966).

[4]

[5] AINSCOUGH J.B., et al., The Effect of Titania

on Grain Growtll alld Densification of Sintered

UO2, J.NucJ.Mater.

52(1974)191.

KESIMPULAN

[6] KIM HAN SOO, et al., Contribution of Dopants

to Sinterability of V02 in Reducing and Oxidizing Atmosphere, Proceedings of The Workshop On Manufacturing Technology And Process For Reactor Fuels, Tokai, Japan, March

22-23, (1995).

Penambahan TiO2 sangat berpengaruh terhadap struktur butir pelet sinter VO2. Ini ditunjukkan oleh membesamya ukuran butir secara luar biasa seiring dengan penambahan konsentrasi TiO2, tetapi pengaruh TiO2 terhadap struktur pori

tidak terlihat. Oi sini perubahan struktur pori lebih

[7] KILLEEN J.C., Electronic and Mass Transport

Prosidin Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 lSSN 1410 -2897 Properties of Pure and Doped UO2, Doctor [12] AKABORI M., FUKUDA K., Effect of Thesis, University of London, (1982). Additives on Irradiation-Induced Change of Lattice Parameter in ThO2, J.Nucl.Sci. Technol., [8] DANI GUSTAMAN S., et al., The Effect of 28[9](1991)841.

AI2O) Doping on Density and Grain Size of UOl Fuel Pellet, Being admitted to Atom Indonesia (1997).

[13] KINGERY W.D., Introduction to Ceramics, 2

nd, John Wliley & Sons.Inc.,

(1976).

[9] DANI GUST AMAN S., Penentuan Sifat Mekanik relet UO2 Dengan Metode Indentasi Mikro, Segera terbit di BULETIN BAT AN (1997).

[14] DANI GUSTAMAN S., Metallurgical Study on UO2 Fuel Added With Nb and Ca, Master Thesis, Tokai University, (1995).

[15] KUN WOO SONG, et al., Pore Growth in Sintered V02, J. Nucl. Mater. 209(1994)263. [J 0] Anonymous, ASTM EJ 12, (1986).

[II} RADFORD K.C., POPE I.M., UO2 Fuel Pellet Microstructure Modification Through Impurity Addition, I.Nucl.Mater. 116(1983)305.

[16] J. R.ICOTE, et al., Mechanical characterization of calcium-modified lead titanate ceramics by indentation methods, J. Mat. Sci.

29(1994)3248.