PEMBUA TAN DAN ANALISIS LOGAM mDRIDA P ADUAN U- Th-ZrUNTUK PEMGEMBANGAN BAHAN BAKAR BARU

Hadi Suwarno

Pusat Pengembangan Teknologi Bahan Bakar Nuklir don Daur Ulang, BATANKawasan Puspiptek Serpong, Tangerang 15310

ABSTRAK

PEMBUATAN DAN ANALISIS LOGAM HIDRIDA PADUAN U.Th-lr UNTUK PEMGEMBANGAN BAHAN BAKAR BARU. Untukmempelajari sifat-2 logam paduan U-Th-Zr-H (komposisi atom (U,Th):Zr = 1:2), yang akan dipromosikan sebagai bahan bakar nuklir, telah

dilakukan pengukuran perubahan dimensi dan berat log am paduan akibat proses hidridasi serta analisis mikrostruktur logam paduan U-Th-Zr-H.Proses hidridasi harus dilakukan pacta kondisi tertentu untuk menghindari terbentuknya senyawa biner UH3, ThH2, dan Th.HI5. Hasil analisismikrostruktur menunjukkan bahwa sebelum proses hidridasi logam paduan U- Th-Zr terdiri dari fasa rl-UZr2 dan Th dan tidak dijumpai adanya fasaTh-Zr. Setelah hidridasi dihasilkan senyawa stabil ThZr2H7.x dan ZrH2.Y, Harga x pada senyawa ThZr2Hx dan y pacta senyawa ZrHy tergantung dariproses pembuatannya. Sementara itu, logam U yang acta dalam logam paduan U-Th-Zr-H terdispersi secara homogen diantara matriks fasaThZr2Hx dan ZrHy. Proses hidridasi menimbulkan perubahan volume spesimen maksimum sebesar dVN = 16,6 %. Logam paduan U-Th-Zrmemiliki berat jenis yang tinggi, kestabilan fisik, dan dapat dipromosikan sebagai bahan bakar baru.

ABSTRACT

SYNTHESIS AND ANALYSIS OF METAL HYDRIDE U.Th.Zr ALLOY FOR THE DEVELOPMENT OF NEW FUEL ELEMENT. In orderto study the properties of U- Th-Zr-H alloys (atomic compositions of (U, Th):Zr = 1 :2), which will be used for nuclear fuels, changes in the dimensions

and weights of the alloy on hydrogenation and microstructure analysis of the alloys have been examined. Hydriding must be conducted underspecific condition in order to avoid the formation of binary hydrides of UH3, ThH2, and Th4H15. Microstructure analysis showed that before hydridingthe U- Th-Zr alloys consist of o-UZr2 and Th phases but no Th-Zr phases were performed. On hydriding, the stable compounds identified as ThZr2H7-x and ZrH2-Y alloys were obtained. The values of x and y in the compounds depend on the hydriding conditions. On hydriding the U metal in the alloyis dispersed homogeneously among the boundary of the ThZr2H7-x and ZrH2-Y alloys. Hydriding results in the volume change of the specimen tomaximum of dVN = 16.6%. The U- Th-Zr-H alloys exhibit their high density, physical stability, and can be promoted as a new type of nuclear fuel.

PENDAHULUAN

Bahan bakar reaktor riset bentuk senyawahidrida, U-ZrHx, telah digunakan cukup lama di reaktortipe TRIGA. Sejak awal pengembangannya sampai saatini telah dibuktikan bahwa bahan bakar hidrida inimemiliki karakteristik yang sangat spesiflk, khususnyamemiliki faktor keamanan melekat yang berupa sifatreaktivitas negatif pada elevasi suhu reaktor. Bahanbakar U-ZrHx yang dikembangkan oleh General Atomicberupa tipe dispersi, yaitu uranium terdispersi secarahomogen sebagai logam bebas di dalam matrikszirkonium hidrida. Tidak ada informasi yang jelastentang tara pembuatan bahan bakar TRIGA ini karenaketerbatasan jurnal yang ada, meskipun teknologiTRIGA sudah cukup tua, yaitu dikembangkan sejaktahun 1957 [1]. Pembuatan paduan U-ZrHx ini sangatspesifik karena tanpa perlakuan khusus adanya hidrogenakan menyebabkan terbentuknya senyawa UH3 daJl

paduan padat U-Zr berubah menjadi serbuk sebagaisenyawa biller U-H clan Zr-H.

Logam paduan U- Th sudah cukup lama ditelitidalam bentuk oksida, karbida, dan beberapa logampaduan dalam rangka pengembangan bahan bakar nuklir.Studi logam paduan U- Th-Zr-H dimaksudkan untukmencari paduan uranium yang dapat dipromosikansebagai bahan bakar barn tipe hidrida yang diharapkanmemiliki karakteristik lebih baik, khususnya terhadapTRIGA. Substitusi Th oleh logam minor actinidesmemungkinkan paduan ini dikembangkan pula sebagaifuel target. Analisis sifat fisis atas logam paduan diatasberupa pengukuran difusivitas panas dan konduktivitaspanas bahan, oleh penulis, menunjukkan bahwa logampaduan memiliki kestabilan yang tinggi pada rentangsuhu sampai 1173 ~, lebih baik dibanding dengan sifat

133~, 2ft J~ 2000

p~ ~ A~ ~ H~ p~ 11-11.-2,. ~ p~~ ~ ~ ~H~ s...w~

Spesimen kemudian dimasukkan ke dalam tangki reaksidan seluruh sistem divakumkan dengan kevakumantinggi, berkisar 2-5 x 10-6 Pa, untuk menghilangkankontaminan yang ada didalam sistim. Dalam sistim inivakum tinggi dibangkitkan dari sebuah pompa turbomolecular yang digabung dengan sebuah pompa rotary.Dalam suasana vakum tinggi pemanas kemudiandioperasikan sampai suhu 1173 oK. Setelah suasanavakum pada suhu tinggi tercapai, kemudian proseshidridasi mulai dilakukan dengan memasukkan sejumlahhidrogen ke dalam sistem. Jumlah hidrogen yang diserapoleh logam paduan dihitung berdasarkan perubahantekanan di dalam sistim dan pengukuran perubahan berat

spesimen.

termal UO2 yang telah umum dipakai sebagai bahanbakar reaktor daya [2].

Dalam makalah ini akan dibahas tara proseshidridasi logam paduan U- Th-Zr sedemikian rupasehingga logam paduan padat tidak hancur menjadiserbuk yang diakibatkan oleh pembentukan senyawabiDer UH3, ThH2, dan ~H1S, analisis perubahan dimensidan berat logam paduan sebelum dan setelah proseshidridasi, analisis dengan pendar sinar-X, dan basilpengamatan mikrostruktur.

BAHAN DAN METODE

Preparasi spesimenLogarn paduan U- Th-Zr dengan komposisi atom

U:Th:Zr = 1:1:4, 1:2:6,2:1:6 daD 1:4:10 dibuat denganmenggunakan tungku busur listrik. Kemumian U daD Zradalah 99,9%, sedangkan untuk Th adalah 99,99%.Bahan logarn diperoleh dari Nuclear Fuel Industries,Jepang. Untuk menjarnin logam paduan basil leburanhomogen, peleburan dilakukan dengan 5-7 kali proseslebur dalam suasana gas argon daD dengan membalikbutton basil leburan untuk setiap kali peleburan. Buttonkemudian dipotong-potong menjadi bentuk balok dengandimensi sekitar 5 x 5 x 6 mm3 dan berat sekitar Ig. BeratdaD dimensi balok dimonitor sebelum dan sesudahhidridasi.

Pengamatan visual dan pengukuran dimensiPengamatan visual dilakukan terhadap logam

paduan sebelum dan sesudah proses hidridasi. Dimensipaduan diukur dengan mikrometer digital denganketelitian 5 mikrometer dan berat ditimbang dengantirnbangan analitis.

Proses hidridasiGambar 1 adalah diagram sederhana peralatan

untuk proses hidridasi, basil rancangan sendiri yangmampu menghasilkan tekanan vakum tinggi. Peralatandibangun di the University of Tokyo, Jepang. Sebe:lumhidridasi dilakukan sebuah spesimen U- Th-Zr berbentukbalok dibungkus dengan foil dari logam tungsten.

Pendar Sinar-XUntuk menganalisis logam paduan basil leburan

sebelum dan setelah proses hidridasi digunakan mesinJEaL tipe JDX-3500, X-Ray Diffractometer, di Tohokul.,niversity, Jepang. Analisis dilakukan pada suhu kamardan dalam bentuk padatan.Pengamatan mikrostruktur

Setiap spesimen yang diuji dipoles dengankertas SiC ukuran tingkat kekasaran 400 -2000 danmikrostruktur dianalisis dengan Mikroskop SapuanElektron (scanning electron microscopy), di TohokuUniversity, Jepang.

Gambar 1. Diagram sistim hidridasi -dehidridasi

~, zg J~ ZOOO134

p~ ~ A~ ~ H~ p~ U-TI.-2. ~ Pl-o~ g..J.,... ~ g HU,;. 5-tMo.D

Spesimen hidrida yang diperoleh berdasarkan datatekanan maupun data penimbangan berat (sebagaikontrol) alas spesimen temyata mempunyai komposisiatom U:Th:Zr:H = 2:1:6:13.3, 1:1:4:9.5, 1:2:6:15.2, daD

1:4:10:27, seperti ditampilkan dalam Tabell. Dari labelterlihat bahwa konsentrasi hidrogen didalam spesimenadalah sebagai fungsi dari suhu. Lagipula, spesimenmenyerap hidrogen dalam jumlah yang hampir sarnauntuk setiap tahap hidridasi. Sedikit perbedaan dijumpaidalam basil ini kemungkinan disebabkan oleh holdingtime yang berbeda untuk setiap percobaan, khususnyauntuk spesimen dengan komposisi U:Th:Zr= 1:4:10.Lebih dari 40 spesimen telah dihidridasi daD memilikibasil yang mirip untuk setiap tahap proses hidridasi, yaitupacta konsentrasi H/(Th+Zr) = :tl pacta tekanan 35 kPa,H/(Th+Zt) = :t1,2 pacta 75 kPa, daD H/(Th+Zr) = -tl,34

pacta 100 kPa, pacta suhu proses 1173 oK.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses hidridasiGambar 2 menampilkan urutan hidridasi

terhadap spesimen dan data tekanan kesetimbanganplateau (plateau pressure) untuk sistim M-MHx (Madalah logam)[3,4,5,6,7]. Garis dengan label Th- ThHzmenunjukkan tekanan plateau untuk kesetimbanganreaksi:

Th + H2 = ThH2(1)

1~.: .!:e:.::':::'.

~'~r"ThZr'H'

1E404,

~..

Titik1. 2,~'.5...,.. tilik-2 op.,..i

1E.03

1E.02

"" """ZrH-ZrH.. ",-"",h.ThH~

ThZr,H,

~ Zr.ZrH.,

Hila tekanan hidrogen di dalam sistem (Peq) berada diatas garis plateau ini maka kesetimbangan akan bergeserke kanan membentuk ThH2. Sebaliknya, hila tekananhidrogen di dalam sistim lebih rendah maka ThH2 tidakakan terbentuk. Hal yang sarna berlaku pula untuktekanan kesetimbangan sistem Zr-H. Untuk sistem Zr-Htampak bahwa reaksi kesetimbangan sistem Zr-Hbervariasi dengan tekanan clan suhu.

Dalam Gambar 2 ditampilkan pula sistem Th-Zr-Hdalam bentuk kesetimbangan ThZr2- ThZr2H3 clanThZr2H4. Data kesetimbangan ini diperoleh dari referensi[3], yaitu untuk ThZr2H4 dipilih pada komposisi konstandengan rasio [H]:[M] = 4:3 clan membentuk tekanan

plateau pada rentang suhu 575 -1110 oK.Dari Gambar 2 tampak bahwa sistem temer Th-Zr-H

dikelilingi oleh sistem biner Zr'-H clan Th-H. Untukmenghindari terbentuknya sistem biner clan untukmemacu pertumbuhan sistem temer Th-Zr-H, makakondisi operasi proses hidridasi harus dipilih pada:

1E+O1I I I

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3

1000 KIT

Gambar 2. Tahap operasi proses hidridasi ditampilkanbersama dengan garis kesetimbangan senyawa

Th-H, Zr-H, dan Th-Zr-H [3,4,5,6,7].

Tabel1. Konsentrasi hidrogen di dalam spesimenpada tekanan yang bervariasi, pada 1173 oK,

didinginkan menjadi 1073 oK dan 773 oK.

P < Peq(Th-ThH2),P < P eq(ZrH-ZrHi.4), daDP> P eq(ThZr2- ThZr2H3),

IKompOSiSiPaduanI

(M)

x dalam MH.pada 1173 oK

Didinginkanmenjadi

I

I 35kPa I 75kPa U : Th : Zr (Titik I) (TitiUt IOOkPa I 1073 oK I rooK(Titik 3) (Titik 4) ~(Iilik 5)

~6

223M

10

9;4Q

~~11

~1J.~

!.?..111,2

~~

!.?:d-27

H/(Th+Zr)pada 1173 K

Didinginkanmenjadi

KomposisiPaduan

MU : Th : Zr 3S kPa

2:1: 6 ,I : I : 4 0,98I : 2: 6 1,10I : 4 : 10 1,12I:O~IO 0,9

serta pada suhu 1173 oK, karena ThH2 clan ZrH2terbentuk pada suhu di bawah 1173 oK [3,5]. Denganmempertahankan kondisi ini maka kapasitas serapanhidrogen menjadi besar. Hal ini akan dibuktikan denganpengamatan mikrostruktur bahwa senyawa biller Th-Htidak terbentuk. Juga, senyawa biDer U-H tidak terbentukkarena suhu operasi yang tinggi. Sementara ituzirkonium hidrida tetap terbentuk karena adanyakelebihan Zr untuk pembentukan senyawa temerThZr2H7-x.

Dari Gambar 2 tampak bahwa hidridasi dimulaipada tekanan 35 kPa kemudian dinaikkan menjadi 75kPa clan akhimya menjadi 100 kPa, setelahkesetimbangan reaksi dicapai pada setiap saat. Dariseluruh percobaan diperoleh basil rasio H/(Th+Zr)hampir sarna pada setiap kondisi, seperti ditampilkandalam Tabel 1.

Setelah hidridasi dengan tekanan yangbervariasi clan setelah tekanan 100 kPa dicapai kemudiansistem didinginkan secara bertahap sampai suhu 773 oK.

~I 2~ J~ 2000 135

Pl...l.,~1L~ ~ ~ ~ H~ p~ U-Tt.~ ~ p~~ ~ ~ g..,...H~~~

dengan data yang ditampilkan oleh Tabel 2 yangmenunjukkan bahwa konsentrasi hidrogen di dalamlogam paduan U-Zr lebih kecil dibanding dengan U- Th-Zr.

Hasil pengamatan secara visual atas proseshidridasi ini menunjukkan bahwa logam paduan tidakmengalami proses penyerbukan dan tetap sebagai logampaduan metalik. Hal ini sangat menarik karena meskipunhidrogen memilki sifat menghancurkan logam melaluiproses amorphisasi dan kristalisasi, namun dalampenelitian ini ditunjukkan logam tetap solid.

Perubahan berat, dimensi, daft densitasTabel 2 memperlihatkan perubahan dimensi

logam paduan akibat proses hidridasi pada suhu 1073 oK.Dalam tabel tersebut dL/L (%) adalah ekspansi rata-2balok yang diukur perubahan panjangnya. dV N (%)adalah ekspansi volumetrik, daD dV/dw {cm3g-1 adalahrasio perubahan I volume per perubahan berat (setelahhidridasi). Rasio karena ekspansi bertambah secara lineardengan pertambahan kandungan thorium di dalampaduano Fasa-fasa yang terkandung di dalam logampaduan adalah ZrHz_x serta ThZrzH7-x, sedangkan logamU terdistribusi secara homogen diantara kedua senyawahidrida tersebut, seperti ditunjukkan dalam pengamatanmikrostruktur. Linearitas pertambahan konsentrasihidrogen di dalam logam paduan dengan pertambahanthorium dapat diekspresikan dengan persamaan sbb:

Analisis difraksi sinar-XGambar 3 clan 4 adalah hasil analisis dengan

difraksi sinar-X. Dari Gambar 3 tampak bahwa prosespeleburan menyebabkan semua uranium bereaksi denganzirkonium membentuk rasa o-UZr2' Hal ini dapat dilihatdari tidak adanya logam uranium yang terdeteksi.Sementara thorium bebas juga terdeteksi. Tidak adanyasenyawa Th-Zr yang terbentuk sepanjang prosespeleburan menunjukkan bahwa thorium memang tidakmembentuk rasa baru dengan zirkonium [8]. Ada puncaksangat lemah terdeteksi di sini sebagai ThO2. Senyawaini mungkin terbentuk selama proses peleburanberlangsung yang disebabkan oleh adanya oksigen sisa didalam tungku lebur.

Setelah proses hidridasi dengan kondisi tertenturasa o-UZr2 berdekomposisi menjadi uranium bebassedangkan zirkonium mengikat thorium membentukbiner hidrida sebagai ThZr2H7_x. Sedangkan kelebihanzirkonium mengikat hidrogen membentuk senyawa ZrH2-Y' Hal ini akan terlihat jelas pada pengamatanmikrostruktur .H/U = 3,2 + 4,06 Th/U (2)

dengan anggapan bahwa hidrida yang terbentuk adalahZrH1,6 dan ThZr2H4,O6'

Tabel 2. Perubahan dimensi dan beratkarena hidridasi pada suhu 1073 oK.

Perubahan karena HidridasiU- Th-Zr-H H/Th+Zr dUL

N~~~~

dVN~~~~91

dV/dW-.!:!!!L

16~1,8~lL

1:1:4:7,11:2:6:11,3

1:4:10:19,41:0:10:11,2

~1&~

1..12 29

Gambar 3. Difraksi sinar-X logam paduan U- Th-Zr.Tabel 3. Densitas teoritis beberapa fasa terkait

dan ekspansi teoritis setelah hidridasi.

Oensitas teoritis untuk ZrH2_y dan ThZr2H7-xdihitung dari data difraksi sinar-X untuk hidrida dandeuterida dalarn Ref. [3,5], sernentara ekspansi teoritisdiperoleh dengan perkiraan. Hasil perhitungan yangditarnpilkan dalarn Tabel 3 rnenunjukkan bahwahidrogen yang diserap oleh paduan Th-Zr adalah lebihban yak dibanding dengan logarn Zr. Hal ini sesuai

Sesuai dengan hasil analisis pendar sinar-X,hasil peleburan terdiri alas rasa stabil o-UZr2 dan Thbebas. Tidak ada Th yang bersenyawa dengan Zr. Hal ini

~, 2g J~ 2000136

p~ .l A~ ~ H~ P...l U-TI.-z. t../L P~~ E..t ~ 800M.HU;. 5..111,..,...

sesuai dengan kaidah rasa untuk sistim Th-Zr [8], yaituhanya sedikit kelarutan Zr di dalam Th daD sebaliknya,daD itupun terjadi pada suhu yang tinggi. Gambar.5(a)adalah paduan U:Th:Zr = 1:2:6 dengan pembesaran 5000kali. Disini terlihat bahwa hanya ada 2 rasa utama yangdengan Energy Dispersive X-Ray Scanning (EDS) dapatdiidentifikasi sebagai 8-UZr2 (major component) yangditunjukkan oleh warna gelap daD Th bebas yangditunjukkan oleh warna.terang. Hal ini dapat dilihat lebihjelas pada Gambar 5c, paduan U :Th:Zr = 2: 1:6 denganpembesaran 10000 kali, dimana Th membentuk sepertijaringan (warna terang) diantara rasa 8-UZr2 (warnagelap ).

Setelah proses hidridasi Th clan Zr membentuksenyawa stabil yang diidentifikasi sebagai senyawaThZr2H7-x{ditunjukkan oleh warDa kelabu) clan kelebihanZr di dalam paduan membentuk ZrH2_y (warna gelap).Sementara itu uranium, ditunjukkan oleh WarDa terang,memisah dari senyawa stabil 8-UZr2 clan terdistribusisecara homogen sebagai logam bebas di antara partikelThZr2H7-x clan ZrH2-Y' Ukuran butir partikel uranium didalam logam paduan tergantung dari konsentrasi Udalam U-Th-Zr. Semakin besar kandungan U-nya,semakin besar ukuran partikel U di dalam paduan U- Th-Zr-H. Perbedaan butiran partikel U ini dapat dilihatdengan jelas pada Gambar 5b clan 5d.

proses penyerbukan karena dapat dihindari terbentuknyasenyawa biller U-H dan Th-H dan basil hidridasi tetapberupa logam paduan solid. Kapasitas hidrogen di dalampaduan U- Th-Zr lebih besar dibanding dengan U-Zr yangberarti memiliki sifat moderasi netron yang lebih baik.

Perubahan dimensi dan berat paduan U- Th-Zrakibat hidridasi dan mikrostruktur paduan telahdianalisis. Meskipun perubahan dimensi (dV N) akibathidridasi sedikit lebih besar dibanding paduan U-Zrnamun paduan tetap solid. Paduan basil hidridasimenunjuk;kan densitas yang cukup tinggi dan tidakmudah rapuh (durable) menurut basil mikrostruktur.Analisis awal ini menunjukkan bahwa logam hidridapaduan U-Th-Zr dapat dipromosikan sebagai bahanbakar baru.

Uji lanjutan berupa uji paska iradiasi masihberlangsung untuk melengkapi data spesifik bahan bakarreaktor yang diperlukan.

UCAP AN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih disampaikan kepadaNuclear Fuel Industries Company, Jepang, yang telahmenyediakan bahan dasar untuk penelitian ini. Terimakasih juga disampaikan kepada Materials ResearchInstitute, Tohoku University, Jepang, yang telahmenyediakan fasilitas untuk pembuatan paduan U-ln-Zr.

DAFTARPUSTAKA

[1].

[2].

(b) U:Th:Zr:H = 1:2:6:15,2,Pembesaran 5000X

(a) U:Th:Zr = 1 :2:6,Pembesaran 5000X

[3]

[4].

[5].[6].

(c) U:Th:Zr = 2:1 :6,Pembesaran 10000X

(d) U:Th:Zr:H = 2:1:6:13,3,Pembesaran 10000X

Gambar 5. Logam paduan U- Th-Zrsebelum dan sesudah proses hidridasi [7]

KESIMPULAN

M. T. SIMNAD, Nuclear Engineering and Design,64(1981)403-422.H. SOW ARNO, Difusivitas dan KonduktivitasPanas Logam Paduan U-Th-Zr dan U-Th-Zr-H,Proceedings, Presentasi Ilmiah Daur Bahan BakarNuklir IV, PEBN:"BATAN, Jakarta, 1-2 Desember1998, halo 145-151.W. BARTSCHER AND J. REBIZANT, J. Less-Common Metals, 136(1988)305-394.D.T. PATERSON AND J. REXER, J. Less-Common Metals, 4( 1962)96-97 .R.L. BECK, Trans. ASM, 55(1962)542-555.H.E. FLOTOW ET AL., The ChemicalThermodynamics of Actinide Elements andCompounds, Part 9: The Actinide Hydrides, lAEA,Vienna, 1984.W. BARTSCHER, Diffusion Defect Data B, SolidState Phenom, Vol. 49-50, Addison-Wesley, 1996,

p.163-181.T .B. MASSALSKI, Binary Alloy Phase Diagrams,Second edition, Vol. 111, ASM International, 1990,p. 3490.

[8].

Telah dilakukan percobaan pembuatan senyawahidrida daTi logam paduan U-Th-Zr. Proses hidridasidengan kondisi tertentu dapat mencegah terjadinya

137~, 2g J~ 2000