PENGARUH P'ENCUCIAN DAN KALSINASI TERHADAP SIFAT GEL TO:RIUM-URANIUM DAN ThO2-U3OS

~

_{Prosiding Pertemuan} dan Presentasi I/miah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999

198

_{Buku II}

51/

PENGARUH P'ENCUCIAN DAN KALSINASI TERHADAP SIFAT GEL TO:RIUM-URANIUM DAN ThO2-U3OS

Damunir, Sukarsono, Bangun Wasito

P3TM-Batan, J/. Babarsari Katak Pas 1008, Yagyakarta 55010

ABSTRAK

PENGARUH PENCUCIAiN DAN KALSINASI TERHADAP SIFA T GEL TORIUM-URANIUM DAN ThOz-U30S .Pengaroh pencucian dan kalsinasi terhadap sifat gel folium-uranium dan ThO~U30B telah diteliti. Endapan campuran Th(OH)4 dan (NH4)2U207 dibuat dengan mereaksikan larotan campuran Th(NO3)4 dan UO2(NO3)2 dengan NH40H 8 M pada pH 7 dan suhu 80 DC. Larotan campuran mengandung 2 mol Thl1 dan uranium dalam campuran adalah 15 % terhadap folium.

Sol Th-U dibuat dengan GarB melarotkan kembali endapan kedalam larotan HNO3 0,1 M pada suhu 80 DC sambil diadu,/{. Keasaman diukur pada pH 3,8 menggunakan pH meter: Empat puluh gram PVMiter larotan ditambahkan ke dalam larotan sol panas dan diaduk selama 20 menit.

Untuk mendapatkan gel Th-U berbentuk bola, sol Th-U diteteskan kedalam larotan NH40H 3 M pada suhu kamar: Gel yang terbentuk beropa butiran bola-bola kecil, lalu disating, dicuci dan dipanaskan. Pengaroh waktu pencucian dipelajati dati 5-30 menit, waktu kalsinasi dati 0,5-5 jam dan suhu kalsinasi 300-800 DC. Kualitas hasil ditentukan oleh sifat fisis gel Th-U dan ThO~U30B yaitu densitas hasil diukl:Jr memakai larotan CCI4 dan piknometer; diameter butiran bola diukur memakai mikrometer: Hasil percobaan menunjukkan bahwa pencucian dan kalsinasi betpengaroh terhadap £J'ensitas dan diameter butiran bola gel dan oksida folium -uranium.

Kondisi optimum berlang,sung pada waktu pencucian 15 menit, waktu kalsinasi 3-4 jam dan suhu kalsinasi 700-800 DC. Sei~elah pemanasan pada suhu 120 DC selama 4 jam diperoleh gel dengan densitas, 3,83 giml dan o'iameter rerata butiran bola kecil, 1615.ll m. Setelah gel dikalsinasi pada suhu 700 DC selama 4 jam, diperoleh ThO~U30B yang memiliki densatas rerata sebesar 8,73 g/ml dan diameter rerata sebeasr 997.urn.

ABSTRACT

THE EFFECT OF WASHING AND CALCINATION ON THE PROPERTIES OF THORIUM- URANIUM GEL AND ThOrU3OB .The effect of washing and calcination on the properties of thorium-uranium gel ;ana' ThO~U308 has been investigated. Precipitation of mixed Th(OH)4 and (NH4)2U207 was made by reacting mixed solution of Th(NO3)4 dan UO2(NO3)2 with 8 M of NH40H

at pH 7 and at the temperature of 80 DC. This mixed solutions contained 2 mol Thl1 and the uranium content was 15 ~~ of Th. Th-U sol was prepared by dissolving the precipitate ion into 0,1 M of HNO3 stirred and he,ated at 80 DC. Its acidity was alT8nged at pH of 3,8 using pH meter. Fifty mililiter of 40 g PVM sol,ution was added into hot sol and stirred for 20 minutes. In order to find Th-U gel in the spherici31 shape, this Th-U sol was dropped into 3 M of HNO3 at ambeint temperature. The fonned gel were microspheres; they were filtered, washed and dried.. The effect of washing time was studied for 5 -30 minutes, calcination times were 0,5-5 hours and the calcination temperature Ivas between 300-800 DC. The product quality was characterized from the gel and particle properties such as gel density using picnometer and CCI4, particle size using micrometer. The results :)'howed that washing and calcination processes influenced the gel and thorium-uranium oxides density and particle size. The optimum conditions occured at washing time of 15 minutes, calcination time of 3-4 hours and cacination temperature of 700-800 °c. After being dried at 120 °c for 4 hours, gel density was 3,83 giml and its average size was 1615}JIT/.

After the gel was calcinated at 700 °c for 4 hours, ThO2-U308 fonned have an average density of 8,73 giml and average di,3meter of 997 }JIT/

Damunir, dkk

ISSN 0216-3128 Teknologi Proses

PENDAHULUAN

nitrat dan polivinil alkohol dari gel torium-uranium paling baik adalah 10 menit memakai amonium hidroksida 1 % dan air. Senyawa kirnia yang belum terpisahkan selama pencucian dapat dihilangkan dengan pemansan dan kalsinasi. Molekul air kristal dapat dihilangkan pada suhu 150 -200 °c selama 10 -16 jam, sedangakan untuk menghilangkan sisa amonium hidroksida dan polivinil alkohol dapat dilakukan dengan kalsinasi pada suhu 200 -800 °c selama 2-24 jam. Pada kalsinasi, zat diatas terkomposisi menjadi H2O, CO2 dan NOx (2.4,6) .

Dalam penelitian ini dipelajari waktu pencucian, waktu kalsinasi dan suhu kalsinasi terhadap sifat fisis gel dan oksida torium-uranium.

TATA KERJA BAHAN

Bahan kimia yang digunakan terdiri daTi torium nitrat basil reekstraksi torium konsentrat, uranium dioksida perancis. Bahan daTi Merck berupa amonium hidroksida, polivinil alkohol, karbon tetra khloida, asam sulfat, asam nitra!, asam amido sulfamat, ferro sulfat dan air bebas mineral dari PPNY.

ALAT

Satu perangkat potensiometer Metrohm, pH meter Beckmann, pengaduk magnit, alat pemanas (Furnace), eksikator, gelas piala, termometer, mikrometer, cawan porselin, piknometer dan batang pengaduk.

CARA KERJA

Dalam penelitian ini diamati tiga variabel, yaitu pengaruh waktu pencucian, waktu kalsinasi dan suhu kalsinasi.

Pengaruh waktu pencucian,

Dibuat endapan campuran torium hidroksida clan amonium diuranat, dengan mereaksikan 100 ml yang mengandung 2 mol Th/l clan UfTh = 15 % dengan amonium hidroksida 8 M pada pH 7 dn suhu 70 °c. Endapan disaring menggunakan kertas saring Watmann dengan bantuan pompa vakum, lalu dicuci dengan amonium hidroksida 1 % clan air bebas mineral sampai larutan fitratnya menunjukkan pH 7. Setelah itu dikeringkan pada suhu 80 °c selama 2 jam. Kemudian endapan diubah menjadi larutan koloid dengan menambahkan asam nitrat 0,1 M, lalu dipanaskan pada suhu 80 °c sambil diaduk. Larutan koloid yang dihasilkan diambil sebanyak 1 ml dam dianalisis kandungan torium clan uraniumnya. Sebanyak 40 g PV Alliter larutan ditambahkan kedalam larutan

B

ahan bakar campuran torium & uranium banyak digunakan sebagai bahan bakar reaktor suhu tinggi. Salah satu jenisnya adalah bahan bakar kernel (Th,U)O2' Bahan bakar kernel (Th,U)O2 mempunyai densitas tinggi daD berbentuk bola, dapat dibuat melalui gelasi eksternal. Proses ini diawali dengan pembuatan gel torium-uranium, kemudian perubahan gel menjadi bahan bakar reaktor suhu tinggi. PembuauLn gel torium-uranium mempunyai beberapa tahapan yaitu pembuatan endapan campuran torium hidroksida & amonium

diuranat, peptisasi daD prosrl~s gelasfl-4) .Dalam pembuatan gel torium-uranium sering mengalami kesulitan karena banyaknya faktor yang berpengaruh. Oleh sebab itu, dalam penelitian ini masalah tersebut penting dipeliljari.

Pembuatan endapan campuran torium hidroksida& amonium diur~mat dibuat dengan mereaksikan larutan torium dan uranium nitrat dengan amonium hidroksida p;ida pH 7-8, Uffh<25

% daD suhu 80 °C(3-4) .:,etelah itu endapan dipeptisasi (dibuat sol) dengarl melarutkan kembali dengan asam nitrat atau ion nitrat. Pada proses peptisasi terjadi hidrolisis torium dan uranium menjadi partikel koloid, kemudian diubah menjadi larutan sol. Larutan sol torilllffi-uranium dipakai sebagai umpan gelasi. Agar dapat menjadi gel dibutuhkan zat aditif senya1Na organik seperti:

golivinil alkohol (pV A), polis;akarida dan lain-lain 2). Polivinil alkohol ditambah}~an ke dalam larutan sol torium-uranium sambil di:iduk agar reaksinya sempurna. Polivinil alkohol dapat bereaksi dengan torium-uranium membentuk senyawa polimer ikatan silang pada kondisi pH 3,8, NO3ffh = 0,31 , Uffh

=10 -25 % , 40 g/1 PYA d~Ln suhu 70 -90 °C dengan waktu peptisasi 20 menit. Setelah itu larutan sol diteteskan ke dalam medium amonium hidroksida pada suhu kamar dl~ngan menggunakan jarum suntik, menghasilkan gel torium-uranium

berbentuk bola(2-4) .

Gel yang dihasilkan pada proses gelasi masih mengandung sisa poli1rinil alkohol, asam nitrat, amonium nitrat dan zat lain yang tidak bereaksi. Senyawa kimia ini dapat mempengaruhi kualitas gel yang dihasilkan, seperti densitasnya rendahdan mudah pecah menjadi serbuk torium dan uranium hila terjadi dekomposisi tennal. Oleh sebab itu zat yang tidak bereaksi tt:rsebut harus harus dihilangkan. Salah satu metowmya adalah dengan cara pencucian, pemanasan daD ]kalsinasi (1-7).

Pencucian gel sangat penting, terutama untuk memisahkan zat yang mudah larut seperti amonium nitrat, asam nitr;at dan amonium hidroksida. Menurut Ringel (3) , waktu pencucian untuk menghilangkan sisa am,onium nitrat, asam

Damunir, dkk Teknologi Proses ISSN 0216-3128

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BA TAN, Yogyakarta 14 -15 Juli 1999

200 Buku 1/

koloid daD diatur keasarnannya pacta pH 3,8 menggunakan pH meter daD diaduk selama 20 menit sehingga dihasilkan larutan s(J,f kental. Agar terjadi gel, larutan sol diteteskan kedalarn larutan NH4OH 3 M dengan menggunakan jarurn suntik. Gel torium- uranium yang dihasilkan dicuci dengan N~OH 1 % daD air bebas mineral selanla 5 menit, masing- masing tiga kali. Kemudian ~~el direndarn didalarn air bebas mineral selarna 24 jarn, untuk menghilangkan sisa arnonium hidroksida. Setelah percobaan selesai, percobaan diulangi lagi untuk waktu pencucian 10, 15, 20, :~5 daD 30 menit. Gel yang dihasilkan dikeringkan d:ilarn udara selarna 24 jam sarnpai satu minggu. Setelah itu gel dipanaskan pacta suhu 120DC selarna 4 j~lm, kemudian diukur diarnter butiran menggunak;an mikrometer daD densitas menggunakan larutan CC4 daD piknometer.

Setelah itu gel dikalsinasi pacta suhu 700 DC selarna 4 jam. Gel yang telah dikalsinasi ditentukan densitas daD ukuran butiran dengan car~l yang sarna.

Tabell. Pengaruh waktu pencucian gel torium- uranium basil proses ekstemal gelasi terhadap densitas dan diameter butiran bola gel torium-uranium setelah pemanasan pacta suhu 120 °C dan oksida ThOz-U3Og setelah dikalsinasi 700 °c

Pengaruh Waktu kalsinasi,

Dengan cara yang sarna, percobaan diulangi dengan menvariasikaJl waktu kalsinasi gel torium-uranium yang mengandlung 2 mol Th/l, NO3- m = 0,31 daD 40 PVAlIIaruum selarna 0,5,1,2,3, 4 daD 5 jarn pacta suhu 700 °C, kemudian hasilnya dikarakterisasi seperti cara diatas.

Pengaruh suhu kalsinasi,

Dengan cara yang sarna, percobaan diulangi dengan menvariasikwl suhu kalsinasi, 300

°C, 400 °C, 500 °C, 600 °C, 700 °C clan 800 °C, kemudian dikarakterisasikan se:perti cara diatas.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Tabel 1 menunjukkan bahwa pemanasan dan kalsinasi gel basil pencucian ~OH 1 % dan air mempengaruhi sifat fisis ~~el torium -uranium dan oksida torium-uranium tc~rutama densitas dan

diameter butiran bola. Setelah pemanasan padasuhu 120 °C , densitas gel sebesar 3,26 -3,86 g/ml dan diameter butiran bola kecil sebesar 1289 -1615 J.1m.

Setelah kalsinasi pada suhu 700 °c, densitas oksida ThO2-U3OS sebesar sebesar 7,86 -8,71 g/ml dan diameter bola keci1 sebesar 996-1074 J.1m. Ringel et al(3) melakukan penelitian peDllisahan sisa senyawa organik, amonium nitrat dan asam nitrat dari gel torium-uranium dengan metoda pencucian menggunakan ~OH 1 0;0 dan air. Mareka menemukan waktu pencuciarl paling baik adalah setelah 10 menit. Sedangkan dari basil percobaan diperoleh kondisi pencucian p,aling baik selama 15 menit, densitas oksida ThO2-U3OS sebesar 8,71 g/ml dan diameter butiran bola sebesar 1036 J.1m.

Damunir, dkk

ISSN 0216-3128 Teknologi Proses

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah

P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-1:5Juli 1999 Buku II 201

gambar 2. Dapat dilihat pada gambar 2, perubahan berat kristal yang terjadi selanla kalsinasi pada suhu 400-800 °c adalah relatif stabil. Perubahan berat kristal pada setiap perubahan suhu pemanasan juga terjadi perubahan struktur kristal oksida torium- uranium dari amorf menjadi kristalin. Menurut Boeksechoten et al(6), krista.l oksida Th02-O308 terbentuk pada suhu 500-1000 °c clan stabil pada suhu 700 °c. Maka untuk percobaan seterusnya kalsinasikan gel dilakukan pada suhu 700 °c.

100~

~ 80.

! 60. _"

m

~ 40.

~~

.:: 20.

o.

oksida ThO2-UJOs. Hal ini mirip dengan hasil penelitian Ganguly, et al(4) dan Hass et al(S) .

Pada tabel 3 ditunjukkan bahwa perubahan suhu kalsinasi gel torium-uranium dapat mempengaruhi densitas , warna dan ukuran butiran bola kecil oksida ThO2-UJOs. Pada suhu 300-800 °C terjadi perubahan densitas dan ukuran butiran bola kecil, sedangkan warnanya tetap coklat. Butiran bola kecil stabil pada suhu 700-800 °c selama 4 jam. Densitasnya sebesar 8,76 giml dan diameter butiran bola kecil sebesar 984 flm. Maka dari hasil percobaan diatas dapat disimpulkan bahwa kalsinasi gel torium-uranium paling baik selama 3-4 jam pada suhu 700-800 °c .

KESIMPULAN

0 200 400 600 800 1000

Suhu, 0<;

Gambar 2. Pengaruh perubahan suhu terhadap persen berat gel torium-uranium Tabel2. pengaruh waktu kal!;inasi gel Th-U hasil

proses ekstemal lanltan Sol Th-U yang mengandung 2 moll'h/l dan um = 15 % pada pH 3,8 dan suhu 80 °C

Dari basil percobaan dan pembahasan diatas dapat disimpulkan;

1. Waktu pencucian, waktu daD suhu kalsinasi berpengaruh terhadap densitas daD diameter butiran gel torium -uranium daD oksida Th02- U30s

2. Kondisi optimum waktu pencucian gel torium- uranium adalah 15 menit, waktu kalsinasi selama 3-4 jam daD suhu kalsinasi 700-800 °c 3. Gel torium-uranium basil pencucian selama 15

menit mempunyai densitas 3,83 giml daD diameter butiran bola sebesar 615 Ilm, setelah pemanasan padasuhu 120 °c selama 4 jam.

Densitas oksida Th02-U3OS setelah gel dikalsinasikan pacta suhu 700 °c selama 4 jam rerata, 8,73 girol daD diameter butiran bola rerata, 997 Ilm

Tabel 3. Pengaruh suhu kalsulasi gel Th-U basil proses gelasi sol Th-U yang mengandung 2 mol Th/l dan um = 15 % , NO3" m = 0,31 pada pH 3,8 dan suhu 80 °C

DAFT AR PUST AKA

2

3.

WEISSERRT,L.R.," Fabrication of Thorium Fuel", American Nuclear Society, USA, Washington, DC, pp 1-19 January(1968).

NICKEL,H.," development of coated Fuel Particles. KF A Contribution Within the Frame of the Germany High Temperature Reactor Fuel Development Program, Kernforscunglage Juelich, KFA, lliI-687-RW, pp 1-12, August(1970).

RINGEL,H.D and ZIMMER,E.,"The external Gelation of Thorium For Preparetion Of ThO2 and (Th,U)O2 Fuel kernel", Nuclear Tecnology, Vol 45, pp. 278 -298, Act (1979).

GANGULY,C. LANGEN,H. ZIMMER,E.,

"Sol -Gel Microsphere Pelletization Process For Fabrication Of High Density ThO2-U3OS Fuel For Advenced Pressured Heavy Water Reactor", Kernforscunglage Juelich GmbH,

4.

ISSN 0216-3128 Teknologi Proses

Damunir, dkk

Prosiding Perlemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999

202 Buku II

Nuclear Tecnology, V,ol 73, pp 8495, Apr(1986).

RINGEL. H.D., MATHEWS., SWANSON, M.L.,"Fabrication of Large (Th,U)02 Microsphere", White shell Nuclear Research Establishment, Pinawa, Man, Canada, May 10, 79-N- 78(1978).

BOEKSCHOTEN and KEMA. N. V., The Formation of Compound s: in The U03 -Th02 system, J. In org Nucl Chl~m, Vol 30, pp. 119- 126(1968).

RINGEL,H,. "Washing 01' Gel Particle in Wet Chemical Manufacture of Reactor Fuel Particle", KFA, pp.I-IO, July(1980).

HAAS. P., and CLINTON., "Preparation of Thoria-Urania and Mixed Oxide Microsphere", Oak Ridge Natioanl Laboratory, Oak Ridge, Tennesse, Vol 5, No 3, pp 236-244, September(1966)

5.

6.

7.

8.

TANYA JAWAB

sebagai inti bahan bakar berlapis (Th, U)O]

untuk bahan bakar reaktor suhu tinggi

(R17).

Endang Susiantini :

)1. Kenapa pacta suhu > 700 °C ukuran butir tetap?

Damunir:

..t;. Pada suhu kalsinasi > 700 'C semua zat organik don anorganik seperti sisa PVA, NH.,OH; NH3 dan H]O terdekomposisi menjadi gas H]O, CO] dan NO". Kemudian terpisah dengan meninggalkan kristal oksida ThO] -U30s dan akhirnya tinggal oksida ThO] -U30s dengan berat yang tetap.

Ngasifudin :

)1. Bagaimana mekanisme pengaturan suhu kalsinasi dari 300 °C sid 800 °C untuk waktu kalsinasi ~ jam?

Damunir:

..t;. Pengatur suhu kalsinasi gel torium-uranium dari 300 'C sid 800 'C selama ~ jam, dilakukan secara manual, misalnya satu sam pel untuk dikalsinasi pada suhu 300 'C selama ~ jam, setalah itu ditentukan densitasnya dalam CCi., menggunakan piknometer dan diameter butiran bola oksida ThO] -UjOs dengan mikrometer. Demikian seterusnya untuk sam pel yang lain.

Nusin Samosir :

)1. Hasil akhir kalsinasi adalah oksida Th02 -U3O8 yang diperoleh dengan densitas 8173 glml dan diameter butiran bola 997 J.lm, apakah sudah bulat dan siap digunakan sebagai inti bahan bakar R1T? Atau masih diperlukan proses lanjut agar dapat dipakai sebagai inti bahan bakar

R1T?

Damunir:

..t;. Hasil akhir oksida ThO] -U3Os dengan densitas 8,73 glml dan diameter butiran bola gel 997 ;un yang diperoleh menunjukkan kondisi optimum pembuatannya. Hasil tersebut belum dapat digunakan sebagai inti bahan bakar RTT karena harus melalui proses reduksi U3Os menjadi UO] dan karakterisasi sifat fisis yang lain seperti kuat tekan, stabilitasnya pada suhu lebih tinggi.

Sugondo:

);.. Pacta penjelasan disebutllcan suhu optimum kalsinasi. Apakah sudah dibandingkan dengan diagram rasa sistem tersebu.t?

Damunir:

-<)- Pada suhu kalsinasi optimum 700 -800 CC terjadi perubahan fas,a dalam kristal gel torium-uranium mejadi kristal oksida ThO2 - UjOa. Perubahan sisteJi'1 fasa tersebut belum dipelajari atau diband'ingkan dengan hasil penelitian yang dila)Cukan oleh peneliti

sebelumnya maupun dengan data yang terdapat dalam literatur.

ImamB:

);.. Apa manfaat yang bisa d,iambil dari sifat gel Torium -Uranium dan oksida ThO2 -U3Os setelah mengalami pencucian dan kalsinasi bagi teknologi terkait yang bel~guna bagi kemajuan pembangunan teknologi nuklir?

Damunir:

-<)- Manfaat yang dapat Griambil dari sifat gel Torium -Uranium dan ThO2 -UjOa dari hasil penelitian ini ad'alah dapat diketahui kondisi optimum pembuatan kernel (Th, U)O2

Damunir, dkk Teknologi Proses

ISSN 0216-3128