ISSN 1978-0176
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 482 Elisabeth Ratnawati dkk
PENENTUAN UNSUR-UNSUR PADA ENDAPAN CORROSSION
COUPON SISTEM PENDINGIN SEKUNDER RSG-GAS
DENGAN METODE ANALISIS AKTIVASI NEUTRON
Elisabeth Ratnawati(1), Diyah Erlina Lestari(2) dan Rachmat Triharto(3)
PRSG Gedung 31, Batan, Puspiptek Serpong 15313 Email: betty_3504@yahoo.com
ABSTRAK
PENENTUAN UNSUR-UNSUR PADA ENDAPAN CORROSSION COUPON SISTEM PENDINGIN SEKUNDER RSG-GAS DENGAN METODE ANALISIS AKTIVASI NEUTRON. Telah dilakukan
penentuan unsur-unsur dalam endapan yang menempel pada corrosion coupon yang dipasang secara berkala dalam pipa sistem pendingin sekunder RSG-GAS. Hal ini dilakukan untuk mengetahui apakah endapan tersebut berasal dari produk korosi atau merupakan endapan yang disebabkan oleh adanya lapisan inhibitor korosi maupun pengotor lain. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa ketiga endapan yang diambil dalam waktu yang berurutan mengandung unsur besi (Fe) yang relatif tinggi. Pada corrosion coupon yang dipasang tanggal 26 Januari 2010 s/d tanggal 22 April 2010 kandungan Fe mencapai 67% dari seluruh berat cuplikan yang di analisis, sedangkan untuk pemasangan tanggal 10 Mei s/d 30 Oktober 2010, kandungan Fe adalah 71%. Demikian juga kandungan Fe pada pemasangan yang berikutnya yaitu tanggal 30 Oktober s/d Maret 2011 adalah sebesar 71%. Selain Fe, terdeteksi pula unsur yang lain diantaranya, seng (Zn), natrium (Na) dan kromium (Cr). Berdasarkan analisis kualitatif endapan yang menempel pada material corrosion coupon tersebut, terdeteksi pula unsur Mn dan Al. Unsur-unsur dalam endapan yang menempel pada corrosion coupon merupakan gabungan unsur-unsur yang larut dalam air pendingin dan unsur material pipa.
Kata kunci : corrosion coupon, inhibitor, unsur.
ABSTRACT
DETERMINATION OF THE ELEMENTS ON THE CORROSION COUPON SEDIMENT OF THE RSG-GAS‘S SECONDARY COOLING SYSTEM USING NEUTRON ACTIVATION ANALYSIS METHOD. Determination of the elements on the corrosion coupon sediment which are sticked on
RSG-GAS’s secondary cooling system pipes has been periodically done. The purpose of this determination is to know whether those sediments are produced by the corrosion product or caused by the existence of corrosion inhibitor layer as well as another contaminant. The results indicate that those three sediments that were taken in consecutive time contained a high amount of iron element (Fe). On the corrosion coupon which is installed on January 26th 2010 until April 22 2010, the amount of Fe reached 67% of the whole amount of analyzed samples. While on May 10th 2010 until October 30 2010 installation, the amount of Fe reached 71%. And so do the Fe amount for the next installation, October 30th 2010 until March 2011, reached 71%. Beside Fe, it can be detected the other elements such as Zinc (Zn), Natrium (Na) and Chromium (Cr). Based on the qualitative analysis of the sediment that sticked in the corrosion coupon material, it can also be detected the existence of Mn and Al. Elements in the sediment attached on the corrosion coupon are combination of elements that dissolve in the cooling water and pipe material elements.
Keyword : corrosion coupon, inhibitor, element
1.PENDAHULUAN
Reaktor GA. Siwabessy yang memiliki daya termal nominal 30 MW dilengkapi dengan dua
sistem pendingin, yaitu pendingin primer dan sekunder. Sistem pendingin primer berguna sebagai pendingin teras reaktor, sebagai moderator dan dikondisikan terkungkung, sedangkan
ISSN 1978-0176
Elisabeth Ratnawati dkk 483 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
pendingin sekunder berfunsi untuk menyerap panas dari pendingin primer dan melepaskannya ke lingkungan. Sistem pendingin sekunder menggunakan bahan baja karbon untuk semua jenis pipa dan katub yang berada di luar gedung reaktor. Baja karbon adalah salah satu jenis logam yang relatif lebih mudah terkorosi. Untuk mengendalikan laju korosi maka dalam sistem pendingin tersebut ditambahkan inhibitor yang berfungsi sebagai penghambat laju korosi. Untuk menentukan laju korosi didalam pipa dipasang corrosion coupon, yang akan digunakan untuk perhitungan laju korosi dengan metode pengurangan berat. Penelitian ini
bertujuan untuk mengetahui jenis unsur dalam endapan yang menempel pada corrosion coupon. Dengan demikian dapat diketahui apakah unsur-unsur tersebut berasal dari endapan unsur-unsur-unsur-unsur yang terdapat dalam air pendingin reaktor atau hanya merupakan lapisan inhibitor yang berfungsi sebagai pelindung material. Metode yang digunakan adalah analisis aktivasi neutron. Penggunaan teknik analisis berkaitan erat dengan pemanfaatan fasilitas iradiasi yang ada di RSG-GAS, disamping karena metode ini memiliki sensitivitas yang relatif tinggi dan didukung dengan kemampuan analisis multi unsur secara simultan.
2.DASAR TEORI
Sistem Pendingin Sekunder
Sistem pendingin reaktor adalah suatu sistem penyerapan panas/kalor melalui media fluida pendingin dari tempat terjadinya reaksi fisi yaitu didalam teras reaktor hingga pelepasan panas ke lingkungan. Secara umum sistem pendingin di RSG-GAS dibagi menjadi dua bagian besar yaitu sistem pendingin primer dan sistim pendingin sekunder. Sebagai medium pembawa panas, pada sistem pendingin sekunder digunakan air yang berasal dari penyedia air setempat (PAM Puspiptek) tanpa
pengolahan lebih lanjut. Pipa dan katup sistem pendingin sekunder RSG-GAS yang berada di luar gedung reaktor, terbuat dari baja karbon. Baja karbon adalah salah satu jenis logam yang relatif lebih mudah terkorosi dibandingkan logam lain. Dalam sistem pendingin sekunder, kerak terbentuk oleh unsur-unsur yang larut dalam air pendingin dan unsur kimia dari material pipa. Komponen khas kerak yang dijumpai pada sistem air pendingin sekunder adalah Kalsium karbonat, Kalsium dan Seng Fosfat, Kalsium Sulfat, Silika dan Magnesim Silikat(1). Berikut adalah spesifikasi kualitas air pendingin sekunder.
.
Tabel 1: Spesifikasi Air Pendingin Sekunder
Spesifikasi Kualitas Air Pendingin Sekunder (2) Spesifikasi Kualitas Air Proses (Puspiptek)
PH 6,5 – 8 PH 7 – 7,5
Konduktivitas normal 950 µs/cm Konduktivitas normal -
Konduktivitas maks 1500 µs/cm Konduktivitas maks 150 µs/cm
Kalsium sebagai CaCO3 maks 280 ppm Kalsium sebagai CaCO3 maks 34 ppm
SO4-2 maks 320 ppm SO4-2 maks 67,8 ppm
Hardness total maks 480 ppm Hardness total maks 40 ppm
Fe total maks 1 ppm Fe total maks 1 ppm
Cl- maks 1775,5 ppm Cl- maks 7,1 ppm
Laju korosi maks 3 mpy
2.1.CORROSION COUPON
Corrosion coupon atau biasa juga disebut kupon korosi merupakan lempengan logam yang dipasang pada pipa sistim pendingin reaktor dalam periode waktu tertentu sebagai monitor korosi. Laju korosi yang terjadi dapat dihitung dengan metode pengurangan berat menggunakan rumus yang telah ditentukan. Dimensi dari corrosion coupon adalah 3x0,5x1/16 inc. Secara periodik corrosion coupon dilepas dan diganti dengan yang baru. Berikut
adalah gambar corrosion coupon. Gambar 1: corrosion coupon
2.2.REAKSI AKTIVASI
Reaksi aktivasi neutron adalah iradiasi suatu target dengan neutron untuk menghasilkan
spesi radioaktif yang biasanya disebut sebagai radionuklida. Jumlah radionuklida yang dihasilkan tergantung pada jumlah inti dalam target, jumlah neutron yang diterima oleh inti target, waktu
ISSN 1978-0176
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 484 Elisabeth Ratnawati dkk
iradiasi, jenis inti dalam target, dan faktor tampang lintang reaksi. Radionuklida yang terbentuk akan meluruh sesuai dengan perubahan waktu dengan skema peluruhan yang karakteristik. Hal ini berarti distribusi hasil iradiasi akan dipengaruhi oleh waktu peluruhan(3). Teknik aktivasi neutron merupakan teknik analisis yang memanfaatkan berkas neutron, partikel bermuatan atau foton, yang masing-masing dihasilkan di dalam suatu reaktor, siklotron atau sejenisnya. Metode analisis aktivasi neutron didasarkan pada reaksi penangkapan neutron thermal oleh target melalui reaksi (n, γ). Neutron termal diabsorbsi oleh inti target dan menghasilkan
inti baru dan neutron baru yang bersifat tidak stabil. Inti ini selanjutnya cenderung akan mencapai keadaan setimbang (stabil) dengan melepaskan kelebihan energinya melalui transisi isomerik, atau melalui peluruhan γ- atau γ+ yang umumnya diikuti pula oleh pancaran sinar-γ. Sinar-γ yang dipancarkan pada umumnya bersifat karakteristik untuk suatu radionuklida tertentu, dan sifat ini digunakan untuk mengidentifikasi suatu radionuklida hasil aktivasi. Diagram prinsip dasar teknik analisis aktivasi neuron dapat dilihat dalam gambar
2.
Gambar 2: Diagram Prinsip dasar Teknik AAN
Neutron termal adalah neutron yang berada dalam kesetimbangan termal dengan kecepatan gerakan atom-atom yang termoderasi. Distribusi energi neutron termal ini adalah Maxwelliam, dengan kemungkinan kecepatannya adalah 2200 m.det-1 pada temperatur 20oC yang berkorelasi dengan energi 0,025 eV.
Berdasarkan fenomena ini, maka dimungkinkan untuk menentukan unsur yang terkandung dalam suatu benda, baik secara kualitatif maupun kuantitatif secara simultan tanpa dipengaruhi oleh sifat-sifat kimia dari cuplikan.
Dalam metode komparatif AAN, kuantitas unsur dalam analit berbanding lurus dengan sinyal yang diukur oleh detektor, yaitu laju pencacahan radiasi yang spesifik untuk nuklida yang akan ditentukan. Pada metode ini, sejumlah masa unsur yang diketahui jumlahnya (Ws) diiradiasi bersama-sama dengan sampel yang akan ditentukan kuantitas unsurnya. Keduanya baik sampel maupun standar, selanjutnya dicacah secara berurutan pada posisi geometri pencacahan yang sama. Formulasi untuk menghitung kuantitas unsur dalam sampel adalah sebagai berikut(3):
...(1)
dengan : Cu : konstr. analit dalam sampel (Np)cuplikan : luas puncak cuplikan
(Np)standar : luas puncak standar Wstandar :berat unsur standar
NEUTRON: thermal Epithermal cepat
Inti tereksitasi Radionuklida
Hasil
Inti Stabil
Partikel bermuatan Sinar gamma
ISSN 1978-0176
Elisabeth Ratnawati dkk 485 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
3. METODE PENELITIAN
Metode penelitian ini dibuat dengan tahapan-tahapan sebagai berikut :
3.1. Sampling: Sampel diambil dengan cara
melepaskan endapan yang menempel pada corrosion coupon . Ada tiga buah corrosion coupon yaitu yang dipasang yaitu pada periode waktu:(1). 26 Januari 2010 s/d 22 April 2010, (2). 10 Mei 2010 s/d 30 Oktober 2010 (3). 30 Oktober 2010 s/d Maret 2011
3.2. Preparasi sampel dan unsur standard: Ketiga
cuplikan tersebut beserta bahan acuan standard SRM 2702, Inorganic Marine Sedimen(4). ditimbang seberat ± 30-40 mg, masing masing dibuat duplo, dimasukkan dalam vial polietilen yang telah direndam dalam larutan HNO3 dengan perbandingan 1:1 selama 24 jam kemudian dibilas dengan aquadest dan aceton. Hal ini dilakukan untuk menghilangkan pengotor yang kemungkinan menempel pada vial tersebut. Selanjutnya baik cuplikan maupun bahan standard yang telah dimasukkan dalam vial polietilen, dimasukkan dalam kapsul iradiasi.
3.3. Iradiasi neutron: Iradiasi dilakukan di fasilitas
iradiasi rabbit sistem RSG-GAS dengan fluks neutron 3,5x1013n.cm-2. s. selama 1 jam untuk penentuan unsur-unsur dengan waktu paruh panjang. 10 menit untuk waktu paruh medium dan 1 menit untuk radionuklida yang memilki waktu paruh pendek.
3.4. Pengukuran sinar γ : Pada analisis dengan metode AAN komparatif, untuk pengukuran energi sinar-γ dilakukan dengan spektrometri gamma menggunakan detektor HPGe. Berdasarkan hasil pengukuran akan diperoleh spektrum energi sinar-γ dan intensitas unsur-unsur yang terkandung dalam cuplikan yang teraktivasi.
3.5. Analisis kualitatif dan kuantitatif : Analisis
kualitatif dilakukan untuk mengidentifikasi unsur-unsur yang terkandung dalam cuplikan. Sedangkan analisis kuantitatif dilakukan dengan metode komparatif yaitu dengan membandingkan antara luas puncak dari cuplikan dibagi dengan luas puncak standar.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan hasil analisis kualitatif terhadap ketiga endapan corrosion coupon yang telah diiradiasi diperoleh beberapa jenis nuklida yang dapat teridentifikasi. Pada iradiasi dengan waktu paruh pendek (0,5-5 menit) dapat terdeteksi beberapa nuklida yaitu Al-28 dan Mn-56. Sedangkan irradiasi dengan waktu paruh medium (5-30 menit) nuklida yang nampak adalah Na-24, As-76 dan Br-82. Untuk iradiasi dengan waktu panjang (1 jam)
dapat terdeteksi Fe-59, Zn-65, Cr-51, La-140 dan Sc-46. Pada analisis secara kualitatif terhadap endapan corrosion coupon ini ternyata unsur utama penyusun kerak (Kalsium) tidak terdeteksi. Hal ini disebabkan oleh karena adanya kendala peralatan. Demikian juga Silika tidak dapat terdeteksi dengan metode ini karena Silika memiliki keboleh jadian yang amat kecil pada reaksi yang menggunakan neutron thermal. Berdasarkan hasil analisis kuantitatif menunjukkan bahwa diantara sepuluh jenis unsur, besi (Fe) merupakan unsur yang paling dominan. Pada endapan corrosion coupon-1 mengandung Fe sebesar 677.900,00 ± 32.539,20 mg/kg, atau sekitar 67% dari berat seluruh cuplikan. Sedangkan kandungan Fe pada endapan yang terdapat dalam corrosion coupon-2 adalah 718.693,14 ± 25.900,69 mg/kg (71,8 %). Pada endapan corrosion coupon -3,. konsentrasi Fe adalah 711.770,63 ± 23.590,31 mg/kg (71%). Unsur lain yang dapat dianalisis secara kuantitatif adalah seng (Zn), natrium (Na), kromium (Cr), mangan (Mn), arsen (As), brom (Br), lanthanum (La) dan scandium (Sc).
Berdasarkan hasil analisis kuantitatif cuplikan endapan pada coupon corrosion dengan metode AAN ini kandungan Fe yang nampak lebih dominan. Hal ini disebabkan karena besi (Fe) merupakan unsur utama dari carbon steel, material yang digunakan dalam sistem pendingin sekunder. Disamping Fe, terdeteksi pula unsur Mn dan Al dalam endapan yang menempel pada endapan Corrosion Coupon. Karena unsur-unsur tersebut merupakan unsur-unsur minor yang terdapat dalam bahan carbon steel yang digunakan pada sistem pendingin sekunder RSG-GAS(3). Dilihat dari segi waktu antara pemasangan dan pengambilan, semakin lama periode pemasangan, maka semakin tinggi pula konsentrasi Fe dalam endapan tersebut. Hal ini terlihat dari hasil analisis kuantitatif terhadap ke tiga endapan corrosion coupon. Pada endapan corrosion coupon yang kedua dan ketiga, dimana pemasangan relatif lebih lama dibanding dengan corrosion coupon yang pertama, konsentrasi besi (Fe) dalam cuplikan lebih tinggi dari yang pertama. Dengan demikian maka dapat dikatakan bahwa konsentrasi Fe dalam endapan berbanding lurus dengan waktu pemasangan. Dalam penelitian ini analisis kuantitatif tidak dapat dilakukan untuk unsur Al karena keterbatasan peralatan dan jumlah sampel yang tersedia. Meskipun demikian hal ini tidak dianggap penting. Karena dari hasil pemantauan korosi dengan menggunakan corrosion coupon, perhitungan laju korosi per tahun masih berada dalam batas yang diperbolehkan. Berikut adalah Tabel hasil analisis kualitatif dan kuantitatif Endapan Corrosion Coupon.
ISSN 1978-0176
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 486 Elisabeth Ratnawati dkk
Tabel 2: Hasil Analisis Kualitatif Endapan Corrosion Coupon
JENIS NUKLIDA ENERGI (keV) JENIS NUKLIDA ENERGI (keV)
Al-28 1,778.99* Cr-51 320.08* Br-82 776.52* Zn-65 1,115.55* Sc-46 889.38* 1,120.55 Na-24 1,368.60* 2,754.00 Mn-56 846.76 1,810.72* 2,113.05 As-76 559.10* Fe-59 142.65 192.35 1,099.25* 1,291.60 La-140 328.76 432.49 487.02 751.64 815.77 867.85 919.55 925.19 1,596.21*
Tabel 3: Hasil Analisis Kuantitatif Endapan Corrosion Coupon NAMA SAMPEL TANGGAL PEMASANGAN TANGGAL PENGAMBILAN JENIS UNSUR KONSENTRASI mg/kg % corrosion coupon -1 26 Januari 2010 22 April 2010 Fe 677.900,00±32.539,20 67 Zn 21.012,26 ± 798,57 2,1 Mn 561,40 ± 13,05 0,0561 Na 234,40 ± 10,31 0,0234 Cr 138,95 ± 12,89 0,0138 As 19,58 ± 1,29 0,0019 Br 13,77 ± 0,94 0,0013 La 6,78 ± 0,30 << Sc 1,183 ± 0,193 << corrosion coupon -2 10 Mei 2010 30 Oktober 2010 Fe 718.693,14±25.900,69 71 Zn 28.893,04 ± 730,96 2,8 Na 470,10 ± 13,68 0,0470 Mn 363,89 ± 10,61 0,0363 Cr 1.059,34 ± 12,86 0,1 Br 37,22 ± 1,41 0,0037 As 36,74 ± 1,58 0,0036 La 17,81 ± 0,29 << Sc 2,37 ± 0,16 << corrosion coupon -3 30 Oktober 2010 Maret 2011 Fe 711.770,63±23.590,31 71 Zn 19.326,35 ± 518,61 1,9 Mn 783,59 ± 15,81 0,0783 Na 253,15 ± 8,30 0,0253 As 29,46 ± 1,17 0,0029 Br 17,78 ± 0,74 0,0017 Cr 660,40 ± 10,89 0,06 La 4,28 ± 0,13 << Sc 1,99 ± 0,16 <<
ISSN 1978-0176
Elisabeth Ratnawati dkk 487 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
5. KESIMPULAN
Berdasarkan analisis unsur yang terdapat dalam endapan corrosion coupon dengan menggunakan metode analisis aktivasi neutron dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Unsur-unsur dalam endapan yang menempel pada corrosion coupon merupakan gabungan unsur-unsur yang larut dalam air pendingin dan unsur material pipa
2. Tidak semua unsur dalam cuplikan dapat terdeteksi dengan metode ini.
3. Perhitungan laju korosi pada sistem pendingin sekunder perlu terus menerus dilakukan.
6. DAFTAR PUSTAKA
1. DIYAH ERLINA LESTARI, Penelusuran Unsur Pembentuk Kerak Pada Sistem Pendingin Sekunder Reaktor GA.Siwabessy Dengan Metode Analisia Aktivasi Neutron (Prosiding Seminar Hasil Penelitian P2TRR tahun 2000) Pusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset Badan Tenaga Nuklir Nasional, (2000) 115 2. BADAN TENAGA ATOM NASIONAL,
Safety Analysis Report Vol 1, rev.8 MPR G.A Siwabessy, Jakarta (1986)
3. IAEA-TECDOC-564, “Practical Aspects of Operating a Neutron Activation Analysis Laboratory”, a technical document issued by the IAEA, Vienna 1990.
4. NIST, “Certificate of Analysis Standard Reference Material 2702 Inorganics in Marine Sediment”, Gaithersburg, MD 20899, Certificate Issue date January 07, 2004.
