KARAKTERISASI SIFAT TERMAL DAN MIKROS- TRUKTUR PELAT ELEMEN BAKAR (PEB) U 3 SI 2 -AL DENSITAS 4,8 GU/CM 3 DENGAN PADUAN ALMGSI SEBAGAI KELONGSONG

(1)

KARAKTERISASI

SIFAT

TERMAL DAN

MIKROS-TRUKTUR PELAT ELEMEN BAKAR (PEB) U

3

SI

2

-AL

DENSITAS 4,8 GU/CM

3

DENGAN

PADUAN

ALMGSI

SEBAGAI KELONGSONG

Aslina Br. Ginting, Dian Anggraini

Kawasan PUSPIPTEK Gedung 20 & 65 Serpong Tangerang 15314 Banten E-mail: ptapb@batan.go.id

ABSTRAK

KARAKTERISASI SIFAT TERMAL DAN MIKROSTRUKTUR PELAT ELEMEN BAKAR (PEB) U3Si2

-Al DENSITAS 4,8 gU/cm3 DENGAN PADUAN AlMgSi SEBAGAI KELONGSONG. Pada penelitian ini

telah dilakukan pembahasan hasil karakterisasi sifat termal dan mikrostruktur terhadap pelat AlMgSi segar, AlMgSi rol dan PEB U3Si2-Al densitas 4,8 gU/cm3 (dengan kelongsong AlMgSi). Analisis termal meliputi

kapasitas panas dan konduktivitas panas dilakukan menggunakan alat DSC (Differential Scanning Calometry) pada temperatur 30oC hingga 450oC dengan kecepatan pemanasan 5oC/menit dalam media gas Argon,sedangkan analisis mikrostruktur untuk mengamati ikatan antar muka (interface bonding) kelongsong dengan menggunakan SEM (Scanning Electron Microcope). Hasil analisis termal menunjukkan bahwa kelongsong AlMgSi mempunyai kapasitas panas, konduktivitas panas lebih besar serta mempunyai koefisien muai panjang lebih kecil dibanding kelongsong AlMg2. Hasil analisis mikrostruktur diperoleh morfologi ikatan antar muka (interface bonding) kelongsong AlMgSi lebih baik dibanding kelongsong AlMg2. Hasil analisis kapasitas panas, konduktivitas panas dan mikrostruktur yang diperoleh pada penelitian ini dapat melengkapi data sifat kimia , kekeraran, laju korosi dan sifat termal lainnya yang telah diperoleh pada penelitian sebelumnya. Data tersebut diharapkan dapat digunakan sebagai masukan kepada pabrikator PEB U3Si2-Al untuk mendesain elemen bakar reaktor riset dengan muatan uranium yang tinggi menggunakan

kelongsong AlMgSi.

Kata Kunci : PEB U3Si2-Al, densitas 4,8 gU/cm3,Kelongsong AlMgSi ,Mikrostruktur dan Termal

ABSTRACT

CHARACTERIZATION OF THERMAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE OF FUEL ELEMENT PLATE U3Si2-Al WITH 4,8 gU/cm3 DENSITY USING AlMgSi ALLOY CLADDING. Characterization of thermal properties and microstructure of fresh AlMgSi, rolled AlMgSi, and fuel element plate of U3Si2-Al with 4,8 gU/cm

3

density and AlMgSi cladding has been done. The results was compared to those of fresh AlMg2, rolled AlMg2 and fuel element plate of U3Si2-Al with 4,8 gU/cm3 and AlMg2 cladding.

The thermal analysis includes heat capacity and heat conductivity analysis using DSC (Differential Scanning Calometry) at 30oC to 450oC with heating rate 5oC/minute in argon gas media. The microstructure examination includes interface bonding of the cladding using SEM (Scanning Electron Microcope). The thermal analysis shows that the heat capacity, heat conductivity and elongation coeffecient of AlMgSi cladding is greater than that of AlMg2 cladding. The microstructure analysis, on the other hand, shows that the interface bonding of AlMgSi is better than that of AlMg2 cladding. The data of heat capacity, heat

conductivity and microstructure obtained from this research will complete the data of the same sample obtained in the previous research such as chamical properties, hardness, corrosion rate and other thermal properties. All those data is important as input data for the fabricator of U3Si2-Al fuel element plate in

designing research reactor fuel element with high uranium loading using AlMgSi cladding.

Key words: U3Si2-Al fuel element plate, density 4,8 gU/cm3, AlMgSi cladding ,Microstructure dan Thermal

PENDAHULUAN

erdasarkan penelitian dan hasil analisis fabrikator ditunjang dengan keselamatan operasi reaktor bahwa pelat elemen bakar (PEB) U3Si2-Al

dengan densitas uranium 2,9 dan 3,6 gU/cm3 sangat baik di gunakan sebagai bahan bakar di dalam reaktor[1,2], sedangkan di Indonesia khususnya BATAN untuk densitas uranium 4,8 dan 5,2 gU/cm3 data analisis fabrikasi menunjukkan bahwa kedua

pelat elemen bakar tersebut tidak mengalami kendala dalam proses fabrikasi tetapi penggunaannya di dalam reaktor sedang dalam penelitian, namun di luar negeri densitas 4,8 gU/cm3 sudah digunakan sebagai bahan bakar reaktor riset. Bila muatan uranium ditingkatan menjadi 4,8 dan 5,2 gU/cm3 menyebabkan kekerasan inti elemen bakar akan meningkat sehingga akan berpengaruh terhadap proses perolan kelongsong AlMg2 karena terjadi

(2)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 19 Juli 2011 fenomena dogbone pelat elemen bakar reaktor riset

[3,4]

. Oleh karena itu dalam meningkatkan muatan uranium, dilakukan penelitian dan pengembangan bahan struktur kelongsong bahan bakar densitas lebih tinggi. Seiring dengan berkembangnya penggunaan bahan bakar yang mempunyai densitas lebih tinggi baik jenis U3Si2-Al maupun UMo-Al, maka perlu

mengembangkan kelongsong yang lebih kompatibel dengan bahan bakar. Perkembangan itu, perlu mencari beberapa alternatif bahan kelongsong sebagai pengganti kelongsong AlMg2 yang

digunakan Batan Teknologi pada saat ini.

Paduan AlMgSi merupakan paduan aluminium dengan kandungan unsur pemadu utama adalah Mg dan Si yang mudah diperoleh di pasaran [5]. Penambahan unsur paduan tersebut pada logam aluminium dapat menghasilkan kondisi yang larut padat atau menghasilkan senyawa logam fasa kedua pada temperatur 595oC. Terjadinya peningkatan kekuatan dan kekerasan paduan AlMgSi disebabkan oleh penguatan larut padat dan penguatan fasa kedua. Penguatan dengan fasa kedua yang tarjadi pada paduan AlMgSi dapat ditingkatkan lagi dengan cara mengusahakan agar fasa kedua yang terjadi berbentuk partikel halus berupa endapan yang terdistribusi secara merata. Penguatan seperti ini dikenal dengan pengerasan endapan (precipitation hardening). Paduan AlMgSi juga termasuk dalam paduan yang dapat dikeraskan dengan perlakuan panas (heat treateable alloy) [6] serta partikel halus yang terdapat pada paduan AlMgSi dapat dimanfaatkan pula sebagai tempat berkumpulnya cacat titik yang diakibatkan oleh panas atau radiasi, sebagai akibatnya berdampak baik kepada penurunan elongasi atau swelling bahan bakar, sehingga sangat baik digunakan sebagai kelongsong bahan bakar nuklir. Kondisi demikian ini merupakan keunggulan paduan AlMgSi dan merupakan perbedaan yang sangat mendasar bila dibandingkan dengan kelongsong AlMg2 yang non heat treateable alloy.

Selain keunggulan tersebut, proses pabrikasi paduan AlMgSi menjadi kelongsong hampir sama dengan proses pabrikasi kelongsong AlMg2.

Tahapannya meliputi penyiapan, perolan dan anil pelat AlMgSi menjadi frame dan cover yang dilanjutkan dengan pembuatan PEB U3Si2-Al

densitas 4,8 gU/cm3. Perbedaan proses pabrikasi PEB U3Si2-Al menggunakan kelongsong AlMgSi adalah

pada temperatur perolan dan anil, proses perolan kelongsong AlMg2 dilakukan pada temperatur 415oC yang di ikuti proses anil pada 425oC, sedangkan kelongsong AlMgSi di rol pada temperatur 450oC dan dianil pada 480oC. Disamping itu paduan AlMgSi juga mempunyai keunggulan lain dibanding kelongsong AlMg2 yang sangat erat kaitannya

dengan persyaratan yang harus dimiliki oleh kelongsong bahan bakar densitas tinggi yaitu sifat kimia dan sifat fisik, sehingga keunggulan

kelongsong AlMgSi perlu dibuktikan dengan cara membandingkan dengan kelongsong AlMg2.

TATA KERJA

Analisis Termal

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah pelat AlMgSi segar, pelat AlMg2 segar, AlMgSi rol, AlMg2 rol, PEB U3Si2-Al densitas 4,8

gU/cm3 (dengan kelongsong AlMgSi) dan PEB U3Si2-Al densitas 4,8 gU/cm3 (dengan kelongsong

AlMg2). Pelat AlMgSi segar dipotong dengan dimensi 3x3x1,37 mm, kemudian cuplikan AlMgSi segar dimasukkan ke dalam krusibel dan ditimbang seberat 120 mg. Selanjutnya krusibel yang berisi cuplikan AlMgSi segar dimasukkan ke dalam chamber DSC (Differential Scanning Calometry) dan di vakum hingga tekanan 10-1 bar. Analisis termal dilakukan pada temperatur 30oC hingga 450oC dengan kecepatan pemanasan 5oC/menit dalam media gas Argon. Hasil analisis termal berupa termogram DSC kemudian di evaluasi sehingga diperoleh kapasitas panas pelat AlMgSi segar tersebut. Hal yang sama dilakukan terhadap pelat AlMg2 segar, AlMgSi rol, AlMg2 rol, PEB U3Si2-Al densitas 4,8

AlMg2) sehingga diperoleh sifat kapasitas panas

masing-masing bahan.

Analisis Mikrostruktur

Pelat AlMgSi segar, pelat AlMg2 segar, AlMgSi rol, AlMg2 rol, PEB U3Si2-Al densitas 4,8

AlMg2) yang sudah dipotong kemudian di mounting

dengan resin ,selanjutnya dilakukan preparasi yang meliputi grinda dan poles hingga permukaan cuplikan menjadi halus. Setelah permukaan cuplikan halus kemudian dietsa dan dilakukan analisis mikrostruktur dengan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope). Hasil analisis mikrostruktur pelat AlMgSi di evaluasi dan dibandingkan dengan mikrostruktur pelat AlMg2, demikian juga dilakukan terhadap AlMgSi rol dan PEB U3Si2-Al (dengan

kelongsong AlMgSi).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisis Termal

Analisis termal yang dilakukan meliputi analisis kapasitas panas dan konduktivitas panas terhadap pelat AlMg2 (segar), pelat AlMgSi (segar), AlMg2 rol ,AlMgSi rol, PEB U3Si2-Al densitas 4,8 gU/cm3

(kelongsong AlMg2) dan PEB U3Si2-Al densitas 4,8

gU/cm3 (kelongsong AlMgSi). Analsisis dilakukan dengan menggunakan alat Differential Scanning Calorimetry (DSC) pada kondisi operasi 30oC hingga 450oC dengan kecepatan pemanasan 5oC/menit. Hasil

(3)

analisis kapasitas panas masing-masing paduan di tampilkan pada Gambar 1 s/d 3. Dari hasil analisis tersebut dapat diketahui bahwa pelat AlMgSi segar, AlMgSi rol maupun PEB U3Si2-Al densitas

4,8gU/cm3 (kelongsong AlMgSi) mempunyai kapasitas panas yang lebih besar dibandingkan dengan pelat AlMg2 segar, AlMg2 rol maupun PEB

U3Si2-Al densitas 4,8 gU/cm3 (menggunakan

kelongsong AlMg2).

Gambar 1. Kapasitas Panas Pelat AlMgSi Segar dan AlMg2 Segar

Gambar 2. Kapasitas Panas Pelat AlMgSi Rol dan AlMg2 Rol

Gambar 3. Kapasitas Panas PEB U3Si2-Al

densitas 4,8 gU/cm3 (menggunakan kelongsong AlMgSi) dan (AlMg2)

Hal ini didukung oleh analisis termal lainnya yaitu besaran konduktivitas panas dan koefisien muai panjang seperti yang terlihat pada Tabel 1. Kelongsong AlMgSi mempunyai besaran konduktivitas panas (k) sebesar 201 W/moC jauh lebih besar dibanding konduktivitas panas kelongsong AlMg2 sebesar 155 W/moC. Disamping

itu kelongsong AlMgSi mempunyai besaran koefisien muai panjang sebesar 23 x 10-6/oC yang lebih kecil dibanding koefisien muai panjang kelongsong AlMg2 sebesar 24 x 10-6/oC. Kelongsong

AlMgSi memiliki konduktivitas panas yang lebih tinggi karena mempunyai unsur Si sebagai pemadu, dimana Si merupakan semikonduktor yang memiliki daya hantar panas baik dan mempunyai mobilitas elektron yang tinggi, sedangkan penambahan unsur Mg dapat meningkatkan kekuatan (strength) paduan tanpa mengurangi keuletan (ductility) paduan AlMgSi [6].

Tabel 1. Data Konduktivitas panas dan koef muai panjang Kelongsong Konduktivitas Panas (W/moC) Koef.Muai Panjang (oC-1) AlMg2 155 24 x 10-6 AlMgSi 201 23 x 10-6

Besaran karakter termal yang meliputi kapasitas panas, konduktivitas panas dan koefisien muai panjang suatu bahan merupakan sifat termal yang sangat penting diketahui sebelum digunakan menjadi kelongsong bahan bakar. Besaran kapasitas panas dan konduktivitas panas dapat diketahui jumlah panas yang dapat diserap serta jumlah panas yang dapat dihantarkan dari bahan bakar U3Si2-Al ke air

pendingin melalui kelongsong bahan bakar sehingga tidak terjadi akumulasi panas didalam bahan bakar. Persyaratan kelongsong bahan bakar lainnya adalah sebaiknya mempunyai besaran koefisien muai panjang yang kecil karena dari besaran ini dapat digunakan untuk mengetahui berapa besar pertambahan panjang atau perubahan dimensi (swelling) pelat elemen bakar akibar panas atau radiasi. Swelling dapat terjadi pada bahan bakar disebabkan karena selama bahan bakar di irradiasi di reaktor akan mengalami reaksi fisi dan sekaligus menghasilkan produk fisi baik dalam bentuk gas maupun padat. Selain mengalami reaksi fisi juga mengalami beban statik maupun dinamik menyebabkan terjadi perubahan gas didalamnya yang diakibatkan oleh pengaruh temperatur tinggi. Bila kelongsong yang digunakan tidak mempunyai daya hantar panas dan koefisien panas yang baik dapat menyebabkan pengelembungan bahan bakar yang berproses menjadi swelling. Selain mempunyai sifat termal yang baik, paduan AlMgSi juga termasuk dalam paduan yang dapat dikeraskan dengan perlakuan panas (heat treateable alloy) [6] serta partikel halus yang terdapat pada paduan AlMgSi dapat dimanfaatkan pula

(4)

Yogyakarta, 19 Juli 2011 sebagai tempat berkumpulnya cacat titik yang

diakibatkan oleh radiasi, sebagai akibatnya berdampak baik kepada penurunan elongasi atau swelling bahan bakar.

Dari hasil analisis sifat termal yang meliputi kapasitas panas, konduktivitas panas serta koefisien muai panjang menunjukkan bahwa kelongsong AlMgSi mempunyai keunggulan dibandingkan dengan kelongsong AlMg2.

Analisis Mikrostruktur

Analisis mikrostruktur telah dilakukan terhadap pelat AlMgSi (segar) , pelat AlMg2 (segar), PEB

U3Si2-Al densitas 4,8 gU/cm3 (dengan kelongsong

AlMgSi) dan PEB U3Si2-Al densitas 4,8 gU/cm3

(dengan kelongsong AlMg2). Cuplikan yang telah

dipreparasi metallografi selanjutnya dianalisis mikrostrukturnya menggunakan SEM. Hasil analisis mikrostruktur pelat AlMgSi (segar) dan pelat AlMg2

(segar) terlihat jelas perbedaan morfologi ikatan antar muka (interface bonding) pelat AlMgSi dengan ikatan antar muka pelat AlMg2 seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5. Proses pabrikasi kelongsong AlMgSi pada temperatur perolan 450oC menghasilkan morfologi ikatan antar muka relatif lebih sempurna dibandingkan dengan morfologi ikatan antar muka kelongsong AlMg. Hal ini disebabkan karena temperatur perolan pada 450oC yang dilanjutkan dengan proses anil pada temperatur 480oC mampu meningkatkan luas bidang kontak antar muka yang mempercepat difusi atom antar muka sehingga menghasilkan ikatan antar muka logam yang lebih baik[7].

Gambar 4. Mikrostruktur ikatan antar muka

kelongsong AlMgSi

Dari Gambar 6 dan 7 dapat diketahui bahwa proses perolan pada temperatur 450oC dan proses anil pada 480oC yang di kenakan terhadap kelongsong AlMgSi menghasilkan ikatan antar mukaIEB U3Si2

-Al dengan kelongsong -AlMgSi lebih baik dibandingkan dengan ikatan antar muka IEB U3Si2

-Al dengan kelongsong -AlMg2 yang mengalami

perolan pada temperatur 415oC dan proses anil pada 425oC. Hal ini disebabkan karena proses perolan pada temperatur 480oC selain dapat meningkatkan

kerapatan ikatan antar muka kelongsong AlMgSi yang lebih baik melalui peningkatan deformasi, dapat juga mengurangi atau memperkecil perbedaan kekerasan antar muka bahan bakar U3Si2-Al dengan

kelongsongnya. Pengurangan perbedaan kekerasan ini diharapkan mampu mengeleminasi dan mencegah kemungkinan terjadinya dogbone[8]. Dari hasil analisis mikrostruktur ini dapat dinyatakan bahwa karakter paduan AlMgSi baik digunakan sebagai kelongsong dari pelat elemen bakar (PEB) densitas 4,8 gU/cm3.

Gambar 5. Mikrostruktur ikatan antar muka kelongsong AlMg2

Gambar 6. Mikrostruktur ikatan antar muka PEB U3Si2-Al (kelongsong AlMgSi)

Gambar 7. Mikrostruktur ikatan antar muka

(5)

KESIMPULAN

PEB U3Si2-Al densitas 4,8 gU/cm3 dengan

menggunakan kelongsong AlMgSi mempunyai sifat termal dan mikrostruktur yang lebih baik dibanding PEB U3Si2-Al densitas 4,8 gU/cm3 dengan

menggunakan kelongsong AlMg2. Dari hasil

karakterisasi termal dan mikrostruktur yang dilakukan pada penelitian ini dapat dibuktikan bahwa paduan AlMgSi dapat dijadikan salah satu alternatif menjadi kelongsong bahan bakar U3Si2-Al dengan

densitas 4,8 gU/cm3. Hasil analisis kapasitas panas, konduktivitas panas dan mikrostruktur yang diperoleh pada penelitian ini dapat melengkapi data sifat kimia , kekeraran, laju korosi dan sifat termal lainnya yang telah diperoleh pada penelitian sebelumnya. Data tersebut diharapkan dapat sebagai masukan kepada pabrikator PEB U3Si2-Al untuk mendesain elemen

bakar reaktor riset dengan muatan uranium yang tinggi menggunakan kelongsong AlMgSi.

DAFTAR PUSTAKA

1. SNEGROVE J.L, DOMAGALA R.F, HOFMAN G.L, TWINCEK.C, COPELAND G.L, HOBBS R.W and SENN R.L, “The Use of U3Si2

Dispersed Al in Plate Type Fuel Elements for Research and Test Reaktor”, ANL / RERTR /TM -11,1987.

2. TIM KESELAMATAN REAKTOR SERBA GUNA “Laporan Analisis Keselamatan Penggantian Elemen Bakar Oksida ke Silisida Densitas 2,96 g/cm3”, RSG. OTH/LAK/01/98. 3. ASLINA BR GINTING, Perbedaan Reaksi

Termokimia Bahan Bakar U3O8-Al Dengan

U3Si2-Al, Prosiding Pertemuan Ilmiah Penelitian

Dasar Ilmu Pengetahuan Dan Teknologi Nuklir, Yogyakarta 26-27 Mei 1998.

4. ASLINA GINTING,” Analisa Termal Pelat Elemen Bakar U3si2-Al Variasi Tingkat Muat

Uranium”, Persentasi Peneliti Muda P2TBDU, Serpong 19-20 November 2002.

5. MASRUKAN,” Karakterisasi AlMgSi Untuk Pelat Sisi Ditinjau Sebagai Kelongsong Bahan Bakar Reactor Riset” Hasil-Hasil Penelitian Elemen Bakar Nuklir P2TBDU-BATAN, 1989-1999.

6. JHON E.HATCH,” Aluminum Properties and Physical Metallurgy”, American Society for Metals,Metal Park,Ohio,1984.

7. MASRUKAN,”Pengaruh Temperatur Perolan Terhadap Strukturmikro Dan Ikatan Antarmuka Pelat AlMgSi1”, Urania,Buletin Triwulan Daur Bahan Bakar Nuklir,No.41/Thn.XI/2005,ISSN 0852-4777.

8. OS INANOV, “ Phase Diagrams of Uranium Alloys” Amerind Publishing Co.PVT.LYD,New Delhi-Bombay – Calcutta- New York-1983

TANYA JAWAB

Suroso

− Kenapa dalam penelitian ini yang dianalisa hanya sifat thermal dan mikrostruktur saja. Padahal banyak sifat-sifat yang lain harus dianalisa untuk menyatakan kelonsong AlMg Si tersebut baik.

Aslina Br. Ginting

• Pada penelitian ini yang dianalisis hanya sifat thermal an sifat mikrostruktur. Tetapi pada penelitian sebelumnya telah dianalisis sifat komposisi kimia, laju korosi dan sifat mekaniknya. Dari analisis keseluruhan inilah maka dapat dinyatakan bahwa kelongsing AlMg Si lebih baik dari kelongsong AlMg2.

Ign. Djoko Irianto

− Dalam penelitian ini, kenapa paduan AlMg Si dibuat sebagai kelongsong bbn yang selama ini telah dibuat kelongsong bbn dari AlMg2?

− Bagaimana dengan lisensi?

• Bila pelat elemen bakar (PEB) U3Si2 Al

ditingkatkan kadar U-235 nya dari tingkat

muat uranium (TMU) 2,96 grU/Cm3

menjadi 4,8 grU/Cm3 maka kelongsong AlMg2 mengalami efek god bone pada saat

perolah karena kekerasan PEB U3Si2Al

densitas 4,8 gr U/cm3 lebih keras dari PEB U3Si2Al densitas 2,96 gr/cm3, sehingga

harus diganti dengan kelongsong AlMgSi. • Mengenai lisensi, kita tetap mengacu pada

bahan bakar U308 yaitu pada SIEMENS. Pande Made Udiyana

− Bagaimana proses fabrikasi bahan bakar U3Si2Al menggunakan kelongsong AlMg2

dibanding kelongsong AlMgSi?

• Mengenai proses fabrikasi yang dilakukan

terhadap bahan bakar U3Si2Al

menggunakan kelongsong AlMg2 adalah

sama dengan proses fabrikasi terhadap kelongsong AlMgSi proses perolanpada

kelongsong AlMg2 dilakukan pada

T=425⁰C sedangkan proses perolan pada kelongsong AlMgSi dilakukan pada T=480⁰C (proses fabrikasi lainya semua sama).

(6)