Urania
Vol. 15 No. 3, Juli 2009 : 116 - 170 ISSN 0852-4777
152
PENGARUH RASIO H/D TERHADAP KEKRITISAN PADA DESAIN
TANGKI PELARUTAN SERBUK U
3O
8MENGGUNAKAN ASAM
NITRAT DENGAN KAPASITAS SETARA 10 Kg /J KERNEL UO
2Prayitno
Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir – BATAN, Tangerang
Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang
ABSTRAK
PENGARUH RASIO H/D TERHADAP KEKRITISAN PADA DESAIN TANGKI PELARUTAN SERBUK U3O8 MENGGUNAKAN LARUTAN ASAM NITRAT DENGAN KAPASITAS SETARA 10
Kg/J KERNEL UO2. Telah dilakukan desain tangki berpengaduk untuk melarutkan serbuk U3O8
dengan menggunakan pelarut asam nitrat. Tangki dilengkapi dengan pemanas uap air dalam coil yang dicelupkan dalam tangki. Serbuk U3O8 yang dilarutkan dalam larutan asam nitrat membentuk
larutan uranil nitrat, air dan gas NO. Telah dipilih tangki tegak berpengaduk dengan bagian bawah berbentuk kerucut, bagian atas berbentuk elliptical head 2:1, temperatur pelarutan 80oC, kecepatan pengaduk 300 RPM dengan bahan konstruksi Inconel alloy 22. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa tangki menggunakan pipa standar dengan ukuran nominal diameter 10 in, schedule no. 10, diameter luar tangki 10,75 in (27,31 cm), diameter dalam 10,42 in (26,47 cm), tinggi tangki 27,651 cm, dan tinggi kerucut 15,973 cm memenuhi persyaratan keselamatan nuklir, karena diameter tangki hasil perhitungan masih lebih rendah dari nilai diameter aman, serta mempunyai proporsi H/D optimum yang memiliki berat tangki terendah.
Kata kunci : Desain, tangki pelarutan, U3O8, HNO3, proporsi H/D.
ABSTRACT
THE INFLUENCE OF H/D RATIO AGAINST CRITICALITY ON THE DESIGN OF DISSOLUTION
TANK OF U3O8 POWDERS USING NITRIC ACID SOLUTION WITH CAPACITY OF 10 KG/HR
UO2 KERNEL. The design of dissolution tank for dissolving U3O8 powders using nitric acid solution
has been performed. Powders that have been dissolved in nitric acid solution form uranyl nitrate solution, water and NO gas. The agitated vertical tank with cone bottom head, 2:1 semi elliptical top
head, dissolution temperature of 80 oC, agitation speed of 300 RPM, with construction material INCONEL alloy 22. Calculation results showed that the tank with standard pipe size of 10 inch ND, schedule number of 10, outside diameter of 10.75 inch (27.31 cm), inside diameter of 10.42 inch (26.47 cm), tank height of 27.651 cm, and cone height of 15.973 cm fulfill the nuclear safety requirement, because the calculated tank diameter is still below the safe diameter value, and it has optimum H/D proportion that has the lowest tank weight.
ISSN 0852-4777 Tangki Pelarutan Serbuk U3O8 Menggunaan Asam Nitrat Pengaruh Rasio H/D Terhadap Kekritisan Pada Desain Dengan Kapasitas Setara 10 Kg/J Kernel UO2
(Prayitno)
153
PENDAHULUAN
Salah satu tahapan pengembangan bahan bakar nuklir jenis kernel untuk reaktor nuklir temperatur tinggi (High Temperature Reactor, HTR) dan reaktor temperatur sangat tinggi (Very High Temperature Reactor, VHTR) dengan metode sol-gel adalah menyiapkan larutan uranil nitrat yang diperoleh dengan cara melarutkan serbuk U3O8 dalam asam nitrat. Proses pelarutan
tersebut membentuk larutan uranil nitrat, air dan gas NO yang dilakukan dalam tangki berpengaduk dengan pemanas uap air dalam coil yang dicelupkan ke dalam tangki. Desain tangki yang memenuhi persyaratan amat diperlukan, agar proses pelarutan berlangsung dengan aman dan ekonomis.
Dimensi tangki pelarutan serbuk U3O8
dalam asam nitrat berpengaruh terhadap keselamatan nuklir. Tangki pelarutan tersebut mengandung setara dengan 10 kg/j kernel UO2 atau sekitar 533 gram U/liter dengan
pengkayaan U235 5% berat. Kadar U235 tersebut mempengaruhi kekritisan tangki pelarutan. Oleh karena itu, agar proses pelarutan U3O8 dalam asam nitrat tersebut
berlangsung aman serta menggunakan tangki berpengaduk yang ekonomis maka perlu dilakukan kajian pengaruh diameter terhadap kekritisan pada desain tangki pelarutan.
Lingkup kajian ini adalah menentukan
diameter tangki yang aman dari kekritisan nuklir serta variasi perbandingan antara tinggi tangki dengan diameter tangki (H/D), sehingga diperoleh dimensi tangki yang aman serta optimum. Dalam perancangan ini akan ditentukan perbandingan H/D untuk memperoleh berat tangki terendah dengan diameter tangki yang aman dari segi keselamatan nuklir.
TEORI
Serbuk U3O8 dipilih sebagai bahan
dasar untuk pembuatan larutan uranil nitrat, karena U3O8 merupakan senyawa uranium
yang stabil, dengan persamaan pelarutan sebagai berikut[1] :
3 U3O8 + 20 HNO3
9 UO2(NO3)2 + 10 H2O + 2 NO (1)
Proses pelarutan serbuk U3O8 dalam
HNO3 menggunakan model
“unreacted-core-shrinking untuk partikel bola, yaitu serbuk U3O8 diasumsikan sebagai partikel bola dan
terlarut homogen dalam larutan asam nitrat melalui permukaan luarnya[1].
Urania
Vol. 15 No. 3, Juli 2009 : 116 - 170 ISSN 0852-4777
154
Gambar 1. Tangki pelarutan serbukU3O8
Adapun volume tangki pelarutan dapat ditentukan dengan persamaan berikut [2]:
V = + (2)
dengan h= D tan α, serta untuk H/D =R (=slenderness ratio), maka diameter tangki dapat dihitung
dengan persamaan berikut :
D= (3) dengan V volume tangki(ft3), H tinggi tangki tegak(ft), h tinggi tangki bagian kerucut(ft), D
diameter tangki(ft), yang
merupakan ½ sudut kerucut.
Kadar maksimum U235 yang
terkandung dalam serbuk U3O8 adalah 5%,
maka massa uranium, volume cairan yang terkandung dalam tangki pelarutan, dan diameter tangki perlu dianalisis dari segi kekritisan nuklir agar terjamin keselamatan alat tersebut.
Untuk itu perlu menentukan nilai aman alat yang didasarkan pada reflektor air dengan tebal 20 cm dengan menggunakan persamaan berikut [3]:
Nilai aman = C x MCV (4)
dengan C = faktor keamanan, dan MCV = nilai kekritisan minimum, serta besarnya nilai C dan MCV pada berbagai pengkayaan U235 dalam larutan uranil nitrat seperti terlihat pada Tabel 1[3]:
1
2
H
D
h
Keterangan Gambar :
1 = Motor pengaduk 2 = Penaduk H = Tinggi tangki D = Diameter tangki h = Tinggi kerucut L = Panjang sudu α = Sudut ½ kerucut L
ISSN 0852-4777 Tangki Pelarutan Serbuk U3O8 Menggunaan Asam Nitrat Pengaruh Rasio H/D Terhadap Kekritisan Pada Desain Dengan Kapasitas Setara 10 Kg/J Kernel UO2
(Prayitno)
155 Tabel 1. MCV larutan uranil nitrat
C Pengkayaan U perlu menentukan tebal dinding shell, dinding bagian bawah (bottom head) berbentuk kerucut dan dinding bagian atas (top head) berbentuk elliptical head 2:1 dari tangki pelarutan jenis silinder tegak dengan persamaan berikut [4]: bahan konstruksi, dipilih inconel alloy 22
(100101 psi), dan E efisiensi sambungan (0,85).
Urania dalam tangki berpengaduk. Adapun koefisien perpindahan panas pada coil dalam tangki berpengaduk dinyatakan dengan persamaan berikut [4]:
= 0,87 (12)
dengan : hc koefisien perpindahan panas
Btu/(hr)(ft2)(oF), N kecepatan pengaduk (rph), ρ densitas rerata(lb/cuft), µ viskositas cairan(lb/(ft)(hr)), dan L panjang sudu(ft). Clean overall coefficient (UC) dan design
dengan : hoi koefisien perpindahan panas uap
air (steam) dalam coil( 1500 Btu/(jam)(ft2)(oF)), Rd dirt factor (diambil Rd=0,005)
Perbedaan temperatur antara coil dan tangki berpengaduk dapat ditentukan dengan persamaan berikut [4] :
t = (15)
Kebutuhan tenaga pengadukan dapat ditentukan dengan persamaan berikut [4] :
Hp=1,29 x 10-4D1,1L2,72N`2,86y0,3z0,6µ’0,14ρ0,86
Persamaan (16) berlaku jika panjang sudu lebih besar dari 0,3 diameter tangki (L> 0,3D) , dan tinggi sudu dari bagian bawah tangki lebih kecil dari 1/6 panjang sudu (B<L/6), z = tinggi cairan dalam tangki ((H+h)x0.8) dengan y tebal pengaduk (ft), N’ kecepatan pengadukan (rps), dan µ’ viskositas (lb/ft.det).
TATA KERJA
Dalam menentukan spesifikasi tangki pelarutan U3O8 dengan pengkayaan U235
maksimum 5% berat dalam HNO3 kapasitas
setara dengan 10 kg kernel UO2 ini tahapan
yang ditempuh adalah sebagai berikut : tahap pertama menentukan kebutuhan pelarut HNO3, dan menentukan volume tangki.
Selanjutnya menentukan nilai diameter aman dari kekritisan nuklir, pemilihan bahan konstruksi, dilanjutkan dengan memvariasi H/D dari 0,5 sampai 9, sehingga diperoleh dimensi tangki (diameter tangki, tinggi shell, tinggi kerucut, tebal tangki) dan berat tangki. Kemudian menganalisis berbagai dimensi tangki tersebut untuk memperoleh dimensi tangki yang aman dari kekritisan nuklir yang mendapatkan berat tangki terendah, serta menentukan kebutuhan tenaga untuk pengadukan.
Perhitungan melibatkan persamaan 1 hingga 16 dengan bantuan program Excel. Sementara pustaka 5, 6, 7 digunakan untuk mendapatkan data densitas, viskositas, panas jenis, dan penentuan standar bahan konstruksi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam perhitungan ini data masukan yang digunakan adalah sebagaimana terlihat dalam Tabel 2.
ISSN 0852-4777 Tangki Pelarutan Serbuk U3O8 Menggunaan Asam Nitrat Pengaruh Rasio H/D Terhadap Kekritisan Pada Desain Dengan Kapasitas Setara 10 Kg/J Kernel UO2
(Prayitno)
157 Tabel 2. Data masukan
1 Kapasitas tangki setara dengan UO2
kernel
10 kg
2 Pelarut HNO3 6 M
4 Temperatur pelarutan 80 oC
5 Bahan konstruksi INCONEL
alloy 22
6 Allowable Stress 100.101 lb/sq in
7 Efisiensi sambungan 0,85
8 Rd 0,005
Dalam perhitungan ini dipilih tangki berpengaduk dengan pemanas uap air dalam coil yang dicelupkan dalam tangki, dengan bahan konstruksi inconel alloy 22. Bahan konstruksi tersebut dipilih karena mempunyai ketahanan korosi yang baik dalam asam nitrat pekat dengan tingkat korosi 76 mpy yang lebih baik dibanding dengan bahan konstruksi lainnya seperti inconel alloy C-4 (217 mpy), inconel alloy C-276 (888 mpy), dan inconel alloy 686 (231 mpy). Dari data masukan tersebut didapat hasil perhitungan seperti terlihat dalam Tabel 3 dan Gambar 2.
Tabel 3. Hasil perhitungan Diameter
aman, cm
H/D Diameter
tangki (D)
cm
Tinggi tangki
(H)
cm
Tinggi kerucut
(h)
cm
Berat tangki
(W)
kg
0,5 33,144 16,572 19,145 11,22
1 27,653 27,653 15,973 11,13
2 19,915 45,145 11,504 11,84
3 18,186 59,746 10,505 12,67
4 16,934 72,744 9,782 13,44
5 15,969 84,672 9,224 14,15
6 15,192 95,813 8,775 14,81
7 14,547 10,341 8,403 15,41
8 13,999 116,372 8,086 15,98
27.325
(Diperoleh dari pers. 4 dan Tab. 1 dengan MCV= 37.82; C=0.85)
Urania
Vol. 15 No. 3, Juli 2009 : 116 - 170 ISSN 0852-4777
158
Gambar 2. Hubungan antara diameter terhadap berat tangki
Dari Tabel 3 terlihat bahwa nilai diameter aman adalah 27,325 cm, sehingga tangki pelarutan dengan proporsi H/D= 0,5 dan 1 tidak aman dari kekritisan nuklir, karena diameter yang diperoleh yaitu 33.144 dan 27.653 cm. Sementara untuk tangki pelarutan dengan proporsi H/D=2 sampai dengan H/D=9 diameter yang diperoleh aman dari kekritisan nuklir, sebab diameter yang diperoleh lebih kecil dari nilai diameter aman.
Namun, dari segi ekonomi yaitu proporsi H/D tangki optimum apabila harga H/D diperoleh sedemikian rupa, sehingga didapat berat tangki terendah. Dari Tabel 3 dan Gambar 2 terlihat bahwa untuk H/D=2 sampai dengan H/D=9 berat tangki yang diperoleh makin naik, sedangkan pada H/D=1 tangki yang diperoleh mempunyai berat terendah, tetapi ukuran diameter tangki yang diperoleh di atas nilai diameter aman dari kekritisan nuklir. Oleh karena itu, perlu dipilih ukuran tangki yang terbuat dari pipa inconel alloy 22 standar yang memiliki proporsi H/D sedikit di atas 1 sehingga aman dari kekritisan nuklir, tetapi di bawah H/D=2 , sehingga menjadi optimum karena beratnya rendah. Untuk itu dipilih bahan konstruksi tangki dari pipa inconel alloy 22 standar dengan diameter nominal 10 in, schedule no 10, dengan OD=10,75 in (27,31 cm), dan ID=10,42 in
(26,47cm), tinggi tangki 27,653 cm, tinggi kerucut 15,973 cm. Untuk mengaduk larutan uranil nitrat dalam tangki dengan kecepatan pengadukan 300 RPM membutuhkan tenaga pengaduk sebesar ¼ Hp yang diperoleh dari pers.16.
SIMPULAN
Dari perhitungan tangki berpengaduk catu untuk melarutkan serbuk U3O8 yang
setara 10 kg/j kernel UO2 dengan pemanas
uap air dalam coil yang dicelupkan dalam tangki dan mempertimbangkan keselamatan nuklir serta proporsi H/D optimum diperoleh spesifikasi tangki sebagai berikut : bahan konstruksi Inconel alloy 22 standar dengan ukuran nominal diameter 10 in, schedule no. 10, diameter luar tangki 10,75 in (27,31 cm), diameter dalam 10,42 in (26,47 cm) , tinggi tangki 27,651 cm, tinggi kerucut 15,973 cm, serta tenaga pengadukan sebesar 0,25 Hp.
PUSTAKA
1. YASUIKE, Y.; IKEDA, Y and TAKASHIMA, Y.,” Kinetics Study on Dissolution of U3O8 Powders in Nitric
ISSN 0852-4777 Tangki Pelarutan Serbuk U3O8 Menggunaan Asam Nitrat Pengaruh Rasio H/D Terhadap Kekritisan Pada Desain Dengan Kapasitas Setara 10 Kg/J Kernel UO2
(Prayitno)
159 Research and Innovation, 1995, p.
1-3.
2. MOSS, D. R.,” Pressure Vessel Design Manual”, 3rd Edition, Gulf Professional Publishing, New York, 2004, p. 28-109.
3. ANNO, J., ROUYER, V. and
LECLAIRE, N., ”Minimum Critical Values of Uranyl and Plutonium Nitrate Solutions Calculated by Various Routes of the French Criticality Codes System CRISTAL Using the New Isopiestic Nitrate Density Law”, Institut de Radioprotection et de Surete Nucleaire (IRSN) BP 17 92262 Fontenay aux Roses Cedex, France, 2007, p.1-5.
4. KERN, D.Q., ” Process Heat Transfer”,
International Student Edition, MacGraw-Hill International Book Company, London, 1983, p.718-723. 5. PERRY, R. H. and GREEN, D. W.,
”Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”, 6th Edition, Mc Graw Hill Book Company, 1984, p.3-6 s/d 3-158. 6. KRIGENS, A. G.,” Compilation of Physical and Chemical Properties of Materials and Streams Encountered In The Chemical Processing Department “, Addendum to HW-53786, Process Design Engineering, Facilities Department Engineering Department, Chemical Processing Division, 1968, p.9-16.
7. ANONIM, ”Specials Metals”,
