Transcript

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

PENENTUAN LUAS MUKA SERBUK OKS IDAHASIL PROSES OKSIDASI-REDUKSI PELET U02 SINTER

Aminhar, Mujinem, Sugeng Rianto

ABSTRAK

PENENTUAN LUAS MUKA SERBUK OKS IDA HASIL PROSES OKSIDASI-REDUKSI

PELET U02 SINTER. Telah dilakukan penentuan luas muka serbuk oksida hasil prosesoksidasi-reduksi pelet U02 sinter menggunakan surface areameter model sorptomatic1800 sebagai bagian karakterisasi serbuk untuk kontrol kualitas, apakah nilai luas mukamemenuhi persyaratan yang ditetapkan yaitu 4,5 ± 1 m2fgr. Metode analisis didasarkanpada teori BET yaitu pengukuran volume adsorbate yang teradsorpsi f terdesorspsiisotherm is sebagai lapisan tunggal pad a temperatur N2 cairo Gas pengisi yangdigunakan adalah gas N2, memiliki luas bagian molekul 16,2.10.20 m2. sam peldipreparasi dengan outgassing selama 2 jam pada 150°C, 5.10.2 mmHg, kemudianditimbang dengan teliti. Alat dikalibrasi menggunakan bahan standard A1203,diperolehhasil luas mukanya sebesar 0,613 m2fgr, berarti nilai tersebut masuk daerahpenerimaan 0,576 ± 0,042 m2fgr. Hasil penentuan luas muka serbuk oksida hasilproses oksidasi dan reduksi masing-masing adalah = 0,5656 m2fgr dan = 0,6661 m2fgr.

Nilai luas muka serbuk oksida ini berbeda jauh dari nilai spesifikasi yang dipersyaratkan.Hal ini dimungkinkan oleh beberapa hal antara lain, preparasi sam pel yang belumsempurna dan telah terjadi pergeseran sifat fisik serbuk oksida hasil proses oksidas­reduksi dari sifat aslinya khususnya luas muka.

Kata Kunci : Surface areameter Sorptomatic, adsorbate, White test, BET luas muka.

PENDAHULUAN

Pad a peletisasi di Laboratorium Bidang Bahan' Bakar Nuklir (B3N-PTBN) sering ditemuikegagalan pelet yang cukup berarti, yang mungkin disebabkan antara lain oleh karakter serbuk yangbelum terpenuhi dan paramater - parameter lainnya proses selama peletisasi. Pelet-pelet yanggagal dan tidak memenuhi syarat penampilan fisik tersebut biasanya mengalami retak,bergelembung bahkan pecah. Jumlah pelet yang gaga 1dinilai masih memiliki nilai ekonomis yangtinggi, sehingga dilakukan proses olah ulang(1) untuk mengembalikannya menjadi bahan baku awallagi sebagai serbuk U02, melalui proses oksidasi-reduksi. Proses oksidasi adalah perlakuanterhadap gagalan pelet sinter dengan cara pemanasan pada suhu 700°C selama 7 jam dengankondisi atmosfir sehingga berubah menjadi serbuk U308. Sedangkan proses reduksi adalahperlakuan terhadap bahan hasil oksidasi (U308) dengan cara pemanasan pad a suhu 800°C selama2 jam dengan kondisi dialiri gas H2odiharapkan hasil proses reduksi adalah serbuk U02.

Sebelum dijadikan umpan untuk proses peletisasi, serbuk oksida hasil proses oksidasi­reduksi tersebut dikarakterisasi secara fisik & kimia, salah satu diantaranya adalah analisis luasmuka serbuk. Persyaratan luas muka serbuk U02 sebagai bahan pembuatan pelet elemen bakarnuklir reaktor daya, yaitu berkisar 4,5 ± 1 m2fgr (2). Dengan demikian maka serbuk hasil prosesoksidasi-reduksi .dianalisis luas mukanya untuk mengetahui apak"lh luas mukanya memenuhipersyaratan tersebut.

Alat yang digunakan untuk analisis luas muka serbuk adalah Surface Areameter

Sorptomatic seri 1800 buatan Carlo Erba Italy. Prinsip kerjanya didasarkan atas kemampuan sensortekanan mengukur bervariasi tekanan yang dihasilkan dari proses adsorpsi dan desorpsi isothermisbagian volume adsorbate gas nitrogen (N2) yang dimasukkan pada kondisi temperatur nitrogen cairsebagai lapisan tunggal (monolayer) atau menentukan berapa bagian volume adsorbate yangdiserap oleh sam pel (Va) dari jumlah volume total adsorbate yang dimasukkan (Vi)[3.4J.Denganmengetahui jumlah volume adsorbate yang dimasukkan dan mengetahui jumlah volume adsorbate

229

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

yang tidak diserap pad a berbagai tekanan kesetimbangan (Pa), maka volume adsorbate yangdiserap sam pel pada berbagai tekanan kesetimbangan Pa dapat dihitung. Jadi data keluaran prosesyang sebenarnya adalah data tekanan gas, untuk itu dibuatlah program pengolahan data dantampilannya sehingga data akhir analisis sudah berupa data luas muka m2fgr.

Metode analisis luas muka diawali dengan operasi white test untuk mendapatkan kurvahubungan volume gas yang dimasukkan terhadap tekanan hasil proses. Data tekanan operasi whitetest diolah berdasar hukum gas ideal PV = nRT. Untuk analisis luas muka adalah bersifat isothermisdan jenis gas sama, maka tekanan proses merupakan fungsi dari volume gas, P = f{V). Pad a operasisampel akan dihasilkan data variasi tekanan kesetimbangan (Pa) yang memungkinkandiketahuinya volume gas yang diadsorpsi pada keadaan tersebut (Va). Data-data yang didapat padaoperasi sampel selanjutnya diolah dengan persamaan BET ( Brunauer-Emmett- Teller ).

Yang perlu diperhatikan dari aplikasi persamaan BET adalah berdasarkan teori analisisluas muka akan memberikan data yang representatif untuk daerah tekanan relatif 0,05 sampaidengan 0,35. Untuk mendapatkan tekanan relatif yang dapat memenuhi teori BET maka prosesadsorpsi desorpsi gas N2 pad a suhu cairnya memerlukan kondisi tingkat kevakuman tertentu dalammanual a/at dipersyaratkan 5.10-2 mmHg. Upaya lain untuk mendapatkan hasil analisis yangrepresentatif, sebelum dianalisis sam pel serbuk oksida uranium dipersiapkan terlebih dahuludengan dikenakan proses outgassing, yaitu pengusiran gas dan uap air yang terkandung dalamsam pel dengan pemanasan selama waktu tertentu disertai pemvakuman, sehingga pada peristiwaadsorpsi dan desorpsi gas dapat mengisi ke seluruh permukaan serbuk termasuk ke dalam porinya.

Sebelum digunakan analisis, alat surface area digunakan untuk menganalisis bahanstandard AI203 dengan spesifikasi 0.576±0.042 m2fgr untuk mengetahui kehandalannya. Diperolehdata analisis standard 0.613 m2fgr, yang berarti alat siap untuk analisis. Pada analisis luas mukaserbuk oksida uranium, sam pel dipreparasi pada suhu 150°C selama 2 jam dengan kondisi vakum5.10-2 mmHg. Setelah dipreparasi di unit outgassing, sampel dipindahkan ke unit analisis.Parameter-parameter analisis yang ditetapkan pad a analisis serbuk oksida uranium adalahtekanan operasi pada 850 mmHg, waktu adsorpsi 6 menit, kesetimbangan adsorpsi dibuat 6 titik.

TEORI

Secara garis besar Surface Areameter bekerja berdasarkan atas kemampuan sensortekanan mengukur bervariasi tekanan yang dihasilkan dari proses adsorpsi dan desorpsi isothermisbagian volume adsorbate gas nitrogen (N2) yang dimasukkan pada kondisi temperatur nitrogen cairsebagai lapisan tunggal (monolayer) atau menentukan berapa bagian volume adsorbate yangdiserap oleh sam pel (Va) dari jumlah volume total adsorbate yang dimasukkan (Vi). Denganmengetahui jumlah volume adsorbate yang dimasukkan dan mengetahui jumlah volume adsorbateyang tidak diserap pada berbagai tekanan kesetimbangan (Pa), maka volume adsorbate yangdiserap sam pel pada berbagai tekanan kesetimbangan Pa dapat dihitung. Pelaksanaan analisisluas permukaan melalui dua tahapan proses yaitu operasi white test untuk mendapatkan kurvakalibrasi buret yang menggambarkan hubungan volume gas tertentu yang dimasukkan terhadaprespon tekanan yang muncul dan operasi sam pel untuk mengetahui volume gas yang terserap olehsampel pada berbagai tekanan kesetimbangan. Data variasi tekanan proses yang diperoleh darioperasi white test dan operasi sampel, selanjutnya diolah menggunakan gabungan persamaan gasideal dan persamaan BET. Tahapan proses analisis surface area dapat dijelaskan sebagai berikutadalah :

1. Operasi White test ( Operasi tanpa sam pel)

Operasi white test adalah analisis yang dikerjakan tanpa sam pel atau analisis buretkosong, dengan cara memasukkan sejumlah volume gas adsobate yang telah diketahui volumenyake dalam buret sam pel kosong secara berulang dan mengukur kenaikan tekanan yangdihasilkan.hingga diperoleh tekanan jenuh. Tujuannya untuk mengetahui korelasi antara volumegas yang dimasukkan dan respon tekanan yang dihasilkan, sehingga dari operasi white test akandiperoleh kurva kalibrasi buret yang menggambarkan korelasi antara volume adsorbate dan respon

230

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

tekanan yang dihasilkan. Hubungan antara volume gas dan tekanan ini dapat dijelaskan denganteori gas ideal:

PV = nRT

Dimana :P =

V =

n =R =

T =

Tekanan gasVolume gasJumlah mol gasTetapanSuhu kelvin

(1 )

Pada operasi surface area karena dikerjakan pada suhu tetap dan jenis gas yang samamaka nilai N, R dan T pada persamaan di atas adalah tetap, sehingga volume gas merupakanfungsi tekanan atau dapat ditulis sebagai V = f (P). Pemasukan volume gas yang sudah diketahuisecara berulang, Vi1, Vi2, Vi3 dan seterusnya memberikan data kenaikan tekanan kesetimbanganPi1, Pi2, Pi3 dan seterusnya sampai diperoleh keadaan tekanan jenuh Po. Operasi white testharus dikerjakan untuk setiap penggunaan buret yang berbeda

2. Operasi Sam pel

Operasi sam pel adalah analisis luas permukaan terhadap sam pel serbuk tertentu,dikerjakan dengan cara memasukkan gas adsorbate ke dalam buret berisi sam pel serbuk dan akanmenghasilkan data kena!kan variasi tekanan kesetimbangan Pa'1, Pa'2, Pa'3 dan seterusnya.Dengan memplot kurva kenaikan tekanan pad a operasi sam pel terhadap kurva kenaikan tekananpada operasi white test, maka volume adsorbate yang tidak diserap (Vg) pada titik-titikkesetimbangan Pa'1, Pa'2, Pa'3 dapat diketahui, sehingga dengan mudah volume adsorbate yangdiserap sam pel (Va) dapat dihitung. Dengan prinsip serupa volume adsorbate yang didesorpsi dapatpula.dihitung.

Titik-titik Va yang telah didapat dari operasi sampel memungkinkan perhitungan luaspermukaan serbuk menggunakan persamaan BET sebagai berikut :

Pa (C-l) Pa 1----=--x-+--Va(Po-Pa) VmC Po VmC

.......... (2)

Dimana :

Pa = Tekanan kesetimbangan adsorpsiPo = Tekanan jenuh adsorpsiVa = Volume gas yang diserap pad a tekanan kesetimbangan PaVm = Volume gas yang diserap sebagai lapis an tunggalC = Tetapan energi adsorpsiPal Po = Tekanan relatif

Untuk sistem yang sama maka nilai Vmdapat ditulis dengan :

Pa = m Pa + bVa(Po-Pa) Po

dan nilai C tetap, sehingga persamaan BET

............ (3)

Persamaan 3 tampak sebagai persamaan linier biasa y = mx + b, dengan nilai m adalahkemiringan garis dan nilai b adalah interseptnya. Berdasarkan studi yang telah dibuktikandinyatakan bahwa persamaan BET memiliki kelinieran yang baik pada daerah nilai tekanan relatif(Pa/Po) berkisar 0,05 - 0,35.

231

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

C-1m=--VmC

1b=­VmC

C=_1_Vmb

ISSN 0854 - 5561

....... (4)

....... (5)

Jika nilai C pada persamaan ( 5 ) disubsitusikan ke dalam nilai C pada persamaan ( 4 )dapat ditulis sebagai berikut :

1 -1m = Vmb 1

1 =~- bVm * _ Vm

Vmb

1

Vm= -bm+

....... (6)

....... (7)

Nilai Vm pada persamaan (7) inilah yang akan dipakai sebagai dasar perhitungan luaspermukaan serbuk. Jika nilai - nilai Va yang diperoleh pada setiap titik tekanan kesetimbangananalisis sam pel dibuat grafik dengan

ordinatPa

y=Va(Po - Pa)

dan absisPa

x = ---Po

........... (8)

maka dengan mudah nilai Vm pad a persamaan (7) dapat ditentukan. Proses selanjutnyamengkonversi besaran volume gas menjadi besaran luas permukaan dengan cara sebagai berikut :

1. Menghitung jumlah molekul gas yang diserap dalam setiap 1 cc (Z)

Z = 6.023.1023 molekul22414cc

2. Menghitung luas yang ditutupi oleh 1 cc gas yang diserap ( So )

So = Z * a (9)

dim ana, a = luas bagian molekul gas

3. Menghitung luas yang ditutupi oleh Vm cc gas ( S )

S = So * Vm

4. Menghitung luas permukaan spesifik serbuk (SS )adalah :

S So * Vm Z * a * VmSS=-= ----=---W W W

dimana, W = berat sam pel serbuk

232

............ (10)

............. (11)

ISSN 0854 - 5561

VACCUM

N 2 GAS

REDUCED

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

MEASURlt~GUNIT

ooo

8

S .e

TATA KERJA

Gambar 1. skematik a/at Ukur surface Area Sorptomatic 1800

1. AlatSeperangkat Surface areameter Sorptomatic 1800Timbangan analitisSendok sam pelTabling dewarSeperangkat komputerCorong sam pelSeperangkat buret sam pel

2. Bahan

- Gas N2 UHP

- Udara tekan

- N2 cair

- Grease vakum rotary

Isolatif gas

- Sam pel serbuk hasil oksidasi-reduksi

3. Cara Kerja1. Pemanasan Alat

Surface areameter dipanasi selar.la 30 menit dengan pengesetan sebagaiPower ON

- Tekanan operasi N2 ( Pe ) : 850 mmHgN2 measurement system 2 kg/cm2

N2 level 0.5 - 1 k~/cm2Air system 3 kg/cm

233

berikut :

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

2. Pelaksanaan Analisis

A. Analisis White test buret kosong tanpa sampel ( kalibrasi buret)

ISSN 0854 - 5561

Buret kosong dilakukan outgassing dengan parameter, suhu = 150°C,selama 2 jam dengan tingkat kevakuman = 5.10-2 mmHgBuret pengukuran dipindahkan dan dipasang pada unit analisisKevakuman buret diperiksa harus minimal 5.10-2 mm Hg denganmengaktifkan V4 dan membuka kran valve buret, jika sudah tercapaiSurface areameter diset sebagai berikut :Time Adsorpsi & Desorpsi 6 'Saklar Introduction piston y.j

Introduction Dial Total = 13; Reduced = 7Saklar V1, V2, V3, piston AutoSaklar Coolant ON

1/4

1/2Saklar putar MODEDitunggu hingga analisis selesai

Saklar 1/2

ADS

V4 di OFF

B. Preparasi Sam pel Standard Dan Sam pel Serbuk Oksida Uranium

- Sam pel standard dan sam pel serbuk oksida uranium masing - masing beratnya ± 5gr, dimasukkan ke dalam buret pengukuran yang telah ditimbang dan telahdikalibrasi

Buret pengukuran berisi sam pel dilakukan outgassing dengan parameter, suhu=150°C, selama 2 jam dengan tingkat kevakuman = 5.10-2 mmHg.

Setelah proses outgassing selesai, kemudian buret berisi sam pel ditimbang denganteliti sebagai berat kering sam pel

C. Analisis Bahan Standard Dan Sam pel Serbuk Oksida UraniumBuret pengukuran dipasang pada tempatnya di unit analisisKevakuman buret diperiksa harus minimal 5.10-2 mm Hg denganmengaktifkan V4 dan membuka kran valve buret, jika sudah tercapaiSurface areameter diset sebagai berikut :Time Adsorpsi & Desorpsi 6 'Saklar Introduction piston y.j

Introduction Dial Total = 10; Reduced = 7Saklar V1, V2, V3, piston AutoSaklar Coolant ON

1/4

1/2Saklar putar MODEDitunggu hingga analisis selesai

Saklar 1/4

ADS

V4 di OFF

HASIL DAN PEM BAHASAN

Serbuk oksida hasil proses oksidasi-reduksi dilakukan penentuan luas mukanyamenggunakan alat Surface areameter Sorptomatic seri 1800. Hasil analisis penentuan luas mukatersebut ditanlpilkan pada Tabel1.

Tabel1. Hasil analisis luas muka A1203. U30a dan U02

No

010203

Nama Sam pel

234

Hasil Pengujian~0,61300,56560,6661

KeteranganSDesifikasi, m2j

0.576±0.042

4,5 ± 1

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

Dari Tabel 1. terlihat hasilluas muka sampel standard AI203 adalah sebesar 0,6130m2jg, serbuk U30S (hasil proses oksidasi) sebesar 0,5656 m2jg dan serbuk U02 (hasil prosesreduksi) sebesar 0,6661 m2jg. Untuk hasil luas muka sam pel standar AI203 sebesar 0,6130 m2jg,

harga ini masih memenuhi spsesifikasi (0,576±0.042 m2jgr ), yang berarti alat Surface areameterSorptomatic seri 1800 dalam keadaan siap untuk analisis. Sedangkan untuk serbuk uranium oksidahasil proses reduksi luas mukanya sebesar 0,6661 m2jg, nilai ini berbeda jauh dari nilai spesifikasiyang dipersyaratkan (4,5 ± 1 m2jg). Hal ini dimungkinkan oleh beberapa hal antara lain:

>- Preparasi sampel yang belum sempurna memungkinkan masih ada sebagian gaspengotor yang terperangkap dalam pori dan menghambat adsorpsi gas N2 olehsam pel. Dugaan ini muncul karena keadaan serbuk hasil proses oksidasi-reduksitampak bergumpal dibandingkan serbuk umpan awalnya. Untuk itu perlu dilakukanoptimasi preparasi pada analisis selanjutnya, dengan penambahan waktuoutgassing atau menaikkan suhu outgassing menjadi 200°C, dengan tetapmempertimbangkan kemungkinan terjadinya perubahan sifat sam pel

>- Kemungkinan telah terjadi pergeseran sifat fisik serbuk oksida hasil oksidasi- reduksidari sifat aslinya khususnya luas muka. Hal ini diakibatkan oleh terjadinyapertumbuhan butir atau penyatuan batas butir pada waktu proses sintering. Prosesoksidasi-reduksi tidak menjadikan kembalinya sifat fisis serbuk oksida sepertisifatnya seperti semula.

KESIMPULAN

Dari kegiatan penentuan ini diperoleh data luas muka serbuk hasil oksidasi U30S adalahsebesar 0,5656 m2jgr dan luas muka serbuk oksida hasil reduksi U02 sebesar 0,6661 m2jgr, nilailuas muka serbuk oksida ini berbeda jauh dari nilai spesifikasi yang dipersyaratkan. Hal inidimungkinkan oleh beberapa hal antara lain, preparasi sampel yang belum sempurna dan telahterjadi pergeseran sifat fisik serbuk oksida hasil proses oksidasi-reduksi dari sifat aslinya khususnyaluas muka.

DAFTAR PUSTAKA

'[1] TRI YULIANTO, Diktat Pelatihan Supervisor Dan Operator IEBE, Serpong Maret 2009[2] ANONIM, Buku Petunjuk Kendali Kualitas Fabrikasi Elemem Bakar Nuklir, 198[3] S. LOWELLI"lntroduction to Powder Surface Area", John Wiley & Sons, New York, 1991[4] ANON 1M, Sorptomatic 1800 Instruction Manual, Carlo Erba Strumentazione, Italy, 1988

235

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

PERBAIKAN DAN VJI FVNGSI SVB SISTEM SEKSI 1100 PCP

Agus Sartono, Sardjono AK

ABSTRAK

PERBAIKAN DAN UJI FUNGSI SUB SISTEM SEKSI 1100 PCP. Telah dilakukan

revitalisasi dan pengujian Sub.Sistem 1100 pad a unit Pilot Convertion Plant (PCP)di Instalasi Elemen Bakar Eksperimental yang terdiri dari sistem tungku Oksidasiuntuk memproses Amonium diuranat (ADU) menjadi serbuk U30S, dan sistemtungku Reduksi untuk memproses serbuk U30S menjadi serbuk U02. Perbaikandilakukan pad a sistem panel kendali dengan mengganti seluruh komponen yangrusak, kemudian dilakukan pengujian untuk meyakinkan bahwa perbaikan yangdilakukan telah sesuai dengan yang diharapkan.

Pengujian pada komponen pengganti menunjukkan bahwa panel kendali tersebutdapat beroperasi sesuai dengan prosedur yang telah ditetapkan. Pengujiankebocoran pad a tanur oksidasi yang telah diperbaiki tidak mendapatkan indikasiadanya kebocoran pada seal yang diganti, demikian juga dengan pengujiankebocoran pad a tanur reduksi juga tidak ditemukan indikasi kebocoran padasistem tanur tersebut, sehingga dapat disimpulkan bahwa tanur tersebut dapatdioperasikan dengan aman.

Kata kunci : revitalisasi, tanur, oksidasi, reduksi.

PENDAHULUAN

Salah satu program Bidang Bahan Bakar Nuklir di tahun 2009 adalah revitalisasiLaboratorium Pemurnian dan Konversi Yellow cake atau biasa dikenal dengan PCP, yaitu sebuahlaboratorium . pemrosesan uranium dari bahan yellow cake yang diperoleh dari alam hinggadiperoleh serbuk U02 derajat nuklir. Rangkaian pemrosesan uranium ini terdiri dari pelarutan yellowcake, pemurnian, pemekatan, pengendapan, pemisahan serbuk , kalsinasi dan reduksi. Selain jalurutama proses untuk memperoleh serbuk U02 derajat nuklir tersebut terdapat pula sub unitpendukung seperti penyiapan umpan, penyiapan larutan, pengolahan larutan induk, penyimpananlarutan limbah, dan pelarutan gagalan serbuk.

Keseluruhan rangkaian ini dalam pengoperasiannya diawasi secara simultan dari ruangkendali sehingga setiap perubahan parameter proses yang ada dilapangan akan terekam di ruangkendali, dan tindakan yang diperlukan untuk mengantisipasi setiap perubahan dapat dilakukan dariruang kendali. Beberapa tindakan yang tidak dapat dilakuakan dari ruang kendali masih harusdilakukan secara in-situ, sehingga keberadaan operator dilapangan juga masih diperlukan. Sepertihalnya dengan sistim Oksidasi dan reduksi pada seksi 1100, setiap tindakan perubahan parameterdilakukan dan diamati secara langsung di lapangan, sedangkan setiap terjadi kegagalan operasi,maka kegagalan tersebut akan termonitor dari ruang kendali.

PERBAIKAN SUB SISTEM SEKSI1100 PCP

Seksi 1100 merupakan bagian dari PCP yang terdiri dari beberapa peralatan yaitu : Tanur Oksidasi,Tanur Reduksi, Sistim penyaring gas buang, panel kendali proses Oksidasi dan Reduksi, Sistimpenyaring Ammonium Diural (ADU), dan Sistim pasivasi serbuk U02.

Perbaikan Seksi 1100 dilakukan secara menyeluruh mulai dari Tanur Oksidasi dan reduksi besertapanel kendali dan rangkaian pendukungnya, seperti glovebox, menara cuci gas buang dansebagainya.

236


Recommended