Analisis Pemadatan, Pengkerutan, Dan Pertumbuhan Butir Sintering UO2

7262019 Analisis Pemadatan Pengkerutan Dan Pertumbuhan Butir Sintering UO2

httpslidepdfcomreaderfullanalisis-pemadatan-pengkerutan-dan-pertumbuhan-butir-sintering-uo2 14

ISSN 0852-4777 ANALISIS SINTEBING

ANALISIS PEMADA TAN PENGKERUT AN DAN

PERTUMBUHA~J BUTIR SINTERING UO2

Sugondo

ABSTRAK

Analisis didasarkan pada loncatan acak atom difusi atom pada padatan dan gelembung sabun

Suhu sinter ditentukan sesuai yang dilakukan dalam laboratorium yaitu 1600oC dan diperoleh waktu

pemadatan sempurna ialah 3016 detik Pada kondisi tersebut terjadi pengkerutan panjang 1133

dan perubahan ukuran butir sebesar 568 pm Hasillaboratoirum yang pernah dikarakterisasi pada

suhu 1650degC dan waktu 2 jam diperoleh ukuran butir sebesar 50-70ilm dan pengkerutan 155

Perbedaan hasil teoritis dan laboratorium terletak pada anggapan bahwa secara teoritis susunan

atom dan kisi kristal UO2 dianggap sempurna Pada sintering di laboratoirum terjadi penyimpangan

susunan atom dan kisi kristal yang disebabkan oleh porositas rasio OU cacat krista pengotor dan

atmosfir lingkungan

PENDAHULUAN

sintering Densitas adalah ciri karakteristik

pemadatan pengkerutan merupakan karakte-

ristik bahan dan mikrostruktur adalah

visualisasi karakteristik bahan secara

menyeluruh

Sintering adalah proses pembakaran dan

pemadatan sesuatu yang dibentuk dari partikel

serbuk Pada pemadatan terjadi proses ikatan

antar partikel dan partikel yang sudah berikatan

tumbuh bergerak mendesak porositas atau

rongga antar partikel [1 Pem-bakaran

dimaksudkan untuk meningkatkan energi

aktivitasi dan energi transportasi atom

TEORI SINTERING

Tujuan sintering adalah untuk memper-

kuat ikatan partikel hasil pengompakan melalui

perpindahan atom Perpindaham atom terjadi

karena adanya difusi atom aliran panas

susunan kristal dan pertumbuhan butir Difusi

yang dimaksud adalah pergerakan atom atau

kekosongan sepanjang permukaan atau batas

butir atau menembus volume bahan

Proses sintering dipakai untuk pemadatan

pelet mentah hasil kompakan bahan bakar

nuklir uranium dioksida (UO2) Pelet ini

berbentuk silinder yang mempunyai rasio tinggi

pelet terhadap garis tengahnya sarna dengan

satu

Daya dorong sintering adalah perbedaan

energi bebas atau potensia kimia antar

permukaan partikel yang dipusatkan pada titik

kontak partikel berdekatan Meknisme yang

mudah difahami adalah pertama partikel saling

kontak kedua melalui difusi ketiga

penggabungan (Necking) keempat pertum-

buhan butir

Jika energi aktivasi beras~1 dari panas

maka terjadi pemindahan massa antar butir

melalui mekanisme difusi dengan pergerakan

loncatan acak Partikel atau butir yang sudah

bergabung akan tumbuh dan menuju sJatu

bentuk yang mempunyai luas permukaan

terendah misalnya bentuk bola yang

merupakan suatu bentuk ideal dan bentuk

poligon yang mempunyai sisi paling banyak (11

Kesempurnaan proses penggabungan

kedua partikel dikarakterisasi oleh rasio leher

(neck) yaitu jari-jari kontak kedua partikel x)

terhadap jari-jari serbuk (r) Rasio ini (xr)

berbanding langsung dengan tegangan antar

Parameter yang digunakah untuk

mengendalikan proses sintering adalah densi-

tas laju pemanasan suhu dan waktu

-~

URANIA No 21-22ThnVIJanuari-April 2000

45



Analisis Pemadatan Pengkerutan dan Pertumbuhan Butir Sintering OU2

SUGONDO

daya dorong Mobilitas (Mb) adalah kecepatan

persatuan daya dorong Jika daya dorong

sarna dengan tegangan antar maka persatuan

volume (J m-3) maka mobilitas mempunyai

satuan (ms1)(Jm-3) atau m4 J-1 Dengan

asumsi butir berbentuk bola maka formulasi

matematisnya adalah

muka (y) jarak yang ditempuhtebal batas butir

(8) laju difusi (0) volume atom laquop) waktu

sintering (t) dan berbanding terbalik dengan

suhu (T) Berdasarkan pada korelasi tersebut

maka diperolehformulasi sebagai berikut(1)

(xr =[192E+6 y cpDOpr4)

kT

(1)

(3)

2 902 = 2 Mb y

Keterangan

9 = diameter butir cm

Mb= mobiltas cm4j-1

Keterangan

x = jari-jari kontak partikel (Ieherneck) cm

r = jari-jari serbuk cm

k = adalah konstanta Boltzmann JK-1

0 = konstanta difusi cm2s-1

) = lebar batas butir cm

y = tegangan mukaJcm-2

(Igt volume atom cm3

t = waktu 5

T = suhu K

Mobilitas atom yang bergerak menyebe-

rangi batas butir adalah

(4)

b = (0 lt1raquo(8k T)

Jika volume atom laquop) batas butir (8) suhu

(T) dan konstanta Boltzmann (k) dianggap

konstan maka difusi (0) yang variatif

tergantung pada suhu

Pengkerutan yang terjadi masih mengi-

kuti formulasi di atas Kemiripan formulasi

didasarkan pada kesamaan antara mekanis-

medifusi kekosongan dan difusi atom

METODE

Formulasi untuk pengkerutan adalah

Analisis dilakukan berdasarkan model

matematis eksperimental dan teoritis dengan

dukungan konstanta yang diperoleh dari acuan

Konstanta difusi (0) dihitung berdasarkan

rumusan aktivasi Arhenius melalui mekanisme

loncatan acak Volume atom UO2 dihitung

berdasarkan model geometris partikel bola

Pertumbuhan butir didasarkan pada

penggabungan dua partikel bola Oiasumsikan

suhu sintering 1600 DCdan waktu 2 jam

(3 E+5 0 0 y ltp)(kT) ] (tIr4

11)6=

(2)

Keterangan

L = besar butir cm


8 = lebar batas butir cm

y = tegangan muka Jcm-2

~ = volume atom cm3

r = diameter serbuk cm

t = waktu s

T = suhu K

K = konstanta Boltzmann JK

HASIL DAN PEMBAHASAN


pe1gurangan energi di batas butir dan permu-

kaan butir sebagai akibatrl~a luas permukaan

total murni Sebagai das8r perubahan adalah

teorr gelembung sabun menurut teori ini daya

dorong sebanding dengan tegangan antar

muka dikalikan luas Pertumbuhan butir dika-

rakterisasi dengan kecepatan tumbuh Seba-

gai batasan kecepatan adalah mobilitas dan

Untuk menyelesaikan perkiraan waktu

pemadatan dengan persamaan-1 diperlukan

konstanta difusi (0) sebagai fungsi SUhU[2]

seperti tertera dalam persamaan berikut

D = 26 E-5 exp (- 29876T) cm2 S1 (5)

Sesuai dengan suhu sintering 1600degC

(1873 OK)maka



SUGONDO

Analisis Pemadatan Pengkerutan dun PertumbuhanButir Sintering OU2

= 56800 ~lm

D = 30732 E-11 cm2 s

Pemadatan untuk setiap butir serbuk UO2

yang bergabung adalah 75 maka waktu yang

diperlukan 632 Sosedangkan untuk bergabung

sempurna (xr = 1) maka waktu yang

diperlukan selama 3016 s Dalam percobaan

umumnya setelah disinter selama 2 jam butir

kristal sudah terlihat artinya butir serbuk tidak

terlihat lagi

Tebal batas butir1] kurang lebih 5 nm (5E-

7cm)

Volume atom untuk U02 dengan jari-jari

ion[3] U+4 = 097 Ao dan 0-2 = 140 AO dan

partikel U02 berbentuk bola maka

= 43 7t r3

= 43 7t (O97)3 + 2(1 40)3

= 268111 E-24 cm3

Pengkerutan sebagai hasil perhitungan

ialah 1133 Hasil percobaan pad a kondisi

sinter 1600oc selama 2 jam UO2 pelet

mengalami pengkerutan ke arah tinggi sebesar

155 Perbedaan teoritis dan hasil labora-

torium menunjukkan perbedaan 30 Perbe-

daan ini mungkin dapat difahami dari penataan

atom dan kisi yang secara teoritis diarlggap

sempurna sedangkan hasil percobaan merll-

pakan realistis yang ditentukan oleh porositas

OU cacat kristal pengotor dan atmosfir

lingkungan

Tegangan antar muka[4) pad a suhu 1770

k sebesar 075 J m-2 (75 E-5 Jcm-1

Serbuk UO2 mempunyai kehalusan 400

mesh (625 E-3 cm)

Jika rasio leher penggalTbungan terhadap

partikel sebesar 075 maka waktu yang

diperlukan adalah

t = (xr)6(r4) [ (kT)(192 E+2 Y p D8) = (075)6

(625 E-3)4 (13806 E-23) (192 E+6) (75 E-5)

(268111 E-24) (30732 E-11) (5 E-7) = 632 s

Dari pustaka 5 didapat ukuran butir UO2

hasil sinter paja suhu 1650degC selama 2 jam

sebesar 50-70 Ilm dengan densitas 983

Dari perhitungan diperoleh ~g = 568 ~lm Jika

go dianggap diameter butir serbuk UO2 sebesar

625 ~lm maka pad a suhu sinter 1600degC dan

selama 20 jam diameter butir serbuk UO2 (g)

menjadi 6818 Ilm Hasil perhitungan ini

terlihat sudah mendekati hasil percobaan

pustaka 5 di atas

Untuk (xr) = 1 artinya kedua partikel berga-

bung sempurna diperlukan waktu 3016 s

Perkiraan pengkerutan

(~UL)6 = (3E+5) (5E-7)(3O732 E-11 )(75 E-5)

(268111 E-24) (9000) (13806 E-23)

(625 E-3)4 = 21143 E-6

~UL = 01133

KESIMPULAN

Perkiraan pertumbuhan butir

c Berdasarkan perhitungan teoritis pad a

kondisi suhu 1600degC dan waktu pemanasan

20 jam maka diperoleh waktu solidifikasi

sempurna 3016 s menyebabkan pembesaran

butir sebesar 568 ~lm dan mengalami

pengkerutan 1133

Mb = (30732 E-11) (268111 E-24) I (5E-7)

(13806 E-23) (1873) = 63728 E-8 cm4 s-J-1

Ukuran butir yang diperoleh dari

perhitungan masuk ke dalam interval hasil

Perubahan ukuran butlr (g-go)

9 2 -902 = 2 Mb y t

1 9 = ( 2 Mb Jt) 12

= [(2) (63728 E-8) (75 E-5)

(9000)r2

= 56800 E-4 cm

= 56800 E-3 mm = 568 ~lm

47

RANIA No 21-22ThnVIJanuari-ApriI2000



SUGONDO

Analisis Pemadatan Pengkerutan dan Pertumbuhan Butir Sintering OUz

percobaan yaitu berdiameter antara 50-70 Jlm

sedangkan untuk pengkerutan diperoleh

perbedaan 30

Analisis teorotis pemadatan pengkerutan

dan pertumbuhan butir sintering UO2

apakah secara praktis dapat digunakan

Sugondo

DAFTAR PUSTAKt

Pertama menentukan dimensi pelet

mentah untuk dimensi pelet matang yang

diinginkan

Kedua menentukan waktu dan suhu sinter

untuk memperoleh ukuran butir yang

diinginkan

2 Yu5uf Nampira

Apakah perumusan tersebut dapat

digunakan untuk seramik secara umum

Jenis kristal sebelum dan sesudah sintering

tetap apakah selama siintering terjadi

perubahan fasa

Sugondo

1 CHIANG YM BERNIE DP and

KINGERY WD Physical Ceramic John

Wiley amp Sons Inc New York 1996 p351-

501

2 CAHN RV HMSEN P and KRAMER

EJ Materials Science and Technology

VCH Verlagesell Schaft mbH Vol 10A

Part1 p142-148

3 KITTEL C Introduction to Solid State

Physics 4th ed John Wiley amp Sons Inc

New Y ork~ 1971 p442-465

4 MATZKE HJ and INOUE T The Surface

Energy of UO2 as Determined by Hertzian

Identation Journal of NIJclear Materials 91

(1980) p205-220

5 BECVAR J lAf)DSPERSKY H

URBANEK V DOLEZPL J Comparison

of properties and structure of sintered UO2

prepared as pellets with those of UO2

microspheres prepared by the sol-gel

technique Proceedings of an International

Sympsium on water reactor fuel element

fabrication 6-10 November 1978 IAEA

V ENA 1979 p192

Perumusan ini dapat digunakan untuk

seramik secara umum

Tidak terjadi perubahan rasa tetapi terjadi

pertumbuhan butir melalui difusi loncatan

acak

Penulis adalah

Pejabat Fungsional Peneliti dan

Stat Bidang Teknologi Bahan Bakar

Reaktor Daya P2TBDU BATAN

TANYAJAWAB

1 Hadi Hartuyo

Kembali ke Jurnal



Analisis Pemadatan Pengkerutan dan Pertumbuhan Butir Sintering OU2

SUGONDO

daya dorong Mobilitas (Mb) adalah kecepatan

persatuan daya dorong Jika daya dorong

sarna dengan tegangan antar maka persatuan

volume (J m-3) maka mobilitas mempunyai

satuan (ms1)(Jm-3) atau m4 J-1 Dengan

asumsi butir berbentuk bola maka formulasi

matematisnya adalah

muka (y) jarak yang ditempuhtebal batas butir

(8) laju difusi (0) volume atom laquop) waktu

sintering (t) dan berbanding terbalik dengan

suhu (T) Berdasarkan pada korelasi tersebut

maka diperolehformulasi sebagai berikut(1)

(xr =[192E+6 y cpDOpr4)

kT

(1)

(3)

2 902 = 2 Mb y

Keterangan

9 = diameter butir cm

Mb= mobiltas cm4j-1

Keterangan

x = jari-jari kontak partikel (Ieherneck) cm

r = jari-jari serbuk cm

k = adalah konstanta Boltzmann JK-1


) = lebar batas butir cm

y = tegangan mukaJcm-2

(Igt volume atom cm3

t = waktu 5

T = suhu K

Mobilitas atom yang bergerak menyebe-

rangi batas butir adalah

(4)

b = (0 lt1raquo(8k T)

Jika volume atom laquop) batas butir (8) suhu

(T) dan konstanta Boltzmann (k) dianggap

konstan maka difusi (0) yang variatif

tergantung pada suhu

Pengkerutan yang terjadi masih mengi-

kuti formulasi di atas Kemiripan formulasi

didasarkan pada kesamaan antara mekanis-

medifusi kekosongan dan difusi atom

METODE

Formulasi untuk pengkerutan adalah

Analisis dilakukan berdasarkan model

matematis eksperimental dan teoritis dengan

dukungan konstanta yang diperoleh dari acuan

Konstanta difusi (0) dihitung berdasarkan

rumusan aktivasi Arhenius melalui mekanisme

loncatan acak Volume atom UO2 dihitung

berdasarkan model geometris partikel bola


penggabungan dua partikel bola Oiasumsikan

suhu sintering 1600 DCdan waktu 2 jam

(3 E+5 0 0 y ltp)(kT) ] (tIr4

11)6=

(2)

Keterangan

L = besar butir cm


8 = lebar batas butir cm

y = tegangan muka Jcm-2

~ = volume atom cm3

r = diameter serbuk cm

t = waktu s

T = suhu K

K = konstanta Boltzmann JK

HASIL DAN PEMBAHASAN


pe1gurangan energi di batas butir dan permu-

kaan butir sebagai akibatrl~a luas permukaan

total murni Sebagai das8r perubahan adalah

teorr gelembung sabun menurut teori ini daya

dorong sebanding dengan tegangan antar

muka dikalikan luas Pertumbuhan butir dika-

rakterisasi dengan kecepatan tumbuh Seba-

gai batasan kecepatan adalah mobilitas dan

Untuk menyelesaikan perkiraan waktu

pemadatan dengan persamaan-1 diperlukan

konstanta difusi (0) sebagai fungsi SUhU[2]

seperti tertera dalam persamaan berikut

D = 26 E-5 exp (- 29876T) cm2 S1 (5)

Sesuai dengan suhu sintering 1600degC

(1873 OK)maka



SUGONDO


= 56800 ~lm

D = 30732 E-11 cm2 s








terlihat lagi


7cm)


ion[3] U+4 = 097 Ao dan 0-2 = 140 AO dan


= 43 7t r3

= 43 7t (O97)3 + 2(1 40)3

= 268111 E-24 cm3












lingkungan




mesh (625 E-3 cm)



diperlukan adalah

t = (xr)6(r4) [ (kT)(192 E+2 Y p D8) = (075)6

(625 E-3)4 (13806 E-23) (192 E+6) (75 E-5)

(268111 E-24) (30732 E-11) (5 E-7) = 632 s










pustaka 5 di atas




(~UL)6 = (3E+5) (5E-7)(3O732 E-11 )(75 E-5)

(268111 E-24) (9000) (13806 E-23)

(625 E-3)4 = 21143 E-6

~UL = 01133

KESIMPULAN







pengkerutan 1133

Mb = (30732 E-11) (268111 E-24) I (5E-7)

(13806 E-23) (1873) = 63728 E-8 cm4 s-J-1




9 2 -902 = 2 Mb y t

1 9 = ( 2 Mb Jt) 12

= [(2) (63728 E-8) (75 E-5)

(9000)r2

= 56800 E-4 cm

= 56800 E-3 mm = 568 ~lm

47




SUGONDO




perbedaan 30




Sugondo

DAFTAR PUSTAKt



diinginkan



diinginkan

2 Yu5uf Nampira





perubahan fasa

Sugondo




501




Part1 p142-148



New Y ork~ 1971 p442-465




(1980) p205-220









V ENA 1979 p192


seramik secara umum



acak

Penulis adalah




TANYAJAWAB

1 Hadi Hartuyo

Kembali ke Jurnal



SUGONDO


= 56800 ~lm

D = 30732 E-11 cm2 s








terlihat lagi


7cm)


ion[3] U+4 = 097 Ao dan 0-2 = 140 AO dan


= 43 7t r3

= 43 7t (O97)3 + 2(1 40)3

= 268111 E-24 cm3












lingkungan




mesh (625 E-3 cm)



diperlukan adalah

t = (xr)6(r4) [ (kT)(192 E+2 Y p D8) = (075)6

(625 E-3)4 (13806 E-23) (192 E+6) (75 E-5)

(268111 E-24) (30732 E-11) (5 E-7) = 632 s










pustaka 5 di atas




(~UL)6 = (3E+5) (5E-7)(3O732 E-11 )(75 E-5)

(268111 E-24) (9000) (13806 E-23)

(625 E-3)4 = 21143 E-6

~UL = 01133

KESIMPULAN







pengkerutan 1133

Mb = (30732 E-11) (268111 E-24) I (5E-7)

(13806 E-23) (1873) = 63728 E-8 cm4 s-J-1




9 2 -902 = 2 Mb y t

1 9 = ( 2 Mb Jt) 12

= [(2) (63728 E-8) (75 E-5)

(9000)r2

= 56800 E-4 cm

= 56800 E-3 mm = 568 ~lm

47




SUGONDO




perbedaan 30




Sugondo

DAFTAR PUSTAKt



diinginkan



diinginkan

2 Yu5uf Nampira





perubahan fasa

Sugondo




501




Part1 p142-148



New Y ork~ 1971 p442-465




(1980) p205-220









V ENA 1979 p192


seramik secara umum



acak

Penulis adalah




TANYAJAWAB

1 Hadi Hartuyo

Kembali ke Jurnal



SUGONDO




perbedaan 30




Sugondo

DAFTAR PUSTAKt



diinginkan



diinginkan

2 Yu5uf Nampira





perubahan fasa

Sugondo




501




Part1 p142-148



New Y ork~ 1971 p442-465




(1980) p205-220









V ENA 1979 p192


seramik secara umum



acak

Penulis adalah




TANYAJAWAB

1 Hadi Hartuyo

Kembali ke Jurnal

Documents

Analisis Pemadatan, Pengkerutan, Dan Pertumbuhan Butir Sintering UO2