ISSN 0854 - 5561 HasH-hasH Penelitian EBN Tahun 2010

UJI PASCA IRADIASI BAHAN BAKAR DAN BAHAN STRUKTURPEMERIKSAAN METALOGRAFI BAHAN BAKAR URANIUM

SILISIDA TINGKAT MUAT URANIUM (TMU)4,8 GRAMjCM3 PRA IRADIASI

Nusin Samosir, Martoyo Usman Sujadi, Supardjo

ABSTRAK

UJI PASCA IRADIASI BAHAN BAKAR DAN BAHAN STRUKTUR PEMERIKSMNMETALOGRAFI BAHAN BAKAR URANIUM SILISIDA TINGKAT MUAT URANIUM

(TMU) 4,8 GRAM/CM3 PRA IRADIASI. Uji pasca iradiasi Bahan Bakar Nuklir dan bahanstrukturnya adalah mutlak dHakukan dalam pengembangan bahan bakar, untuk konfirmasiintegritas dan unjuk kerja bahan bakar selama diiradiasi di reaktor, memverifikasi ketidakseuaian desain serta untuk memberikan data kepercayaan yang tinggi kepada pabrikatorakan bahan bakar yang akan diproduksi. Dalam Penelitian ini dilakukan pemeriksaanstruktur mikro dan uji kekerasan Bahan Bakar Uranium silida dengan tingkat muat uraniumyang berbeda 2,9 g/cm3 - 5,2 g/cm3 dengan kelongsong AIMg2. Dan pemeriksaan strukturmikro dan uji kekerasan Bahan Bakar Uranium silida dengan tingkat muat uranium 4,8g/cm3 dengan bahan kelongsong yang berbeda AIMg2 dan AIMgSi pra iradiasi sebagaipersiapan pengujian bahan bakar pasca iradiasi . Dari hasil pemeriksaan struktur mikro danuji kekerasan memperlihatkan bahwa bahan bakar Uranium silisida dengan kelongsongAlmg2 dengan tingkat muat uranium 4,8 gram Icm3 hingga 5,2 gram/cm3 cenderungte~adi cacat dog born sedangkan dengan kelongsong AIMgSi hal ini tidak te~adi karenakekuatanlkekerasan lebih tinggi dari AIMg2. Persyaratan bahan bakar penting yang lainnyaantara lain: sifat korosi, sifat termal akan dHaporkan dalam tulisan penelitan bersamadengan rekan lainnya.

Kata Kunci : Bahan Bakar U3Si2-AI, Tingkat Muat Uranium, Kekerasan ,Kelongsong AIMg2& AIMgSi

PENDAHULUANUji pasca iradiasi bahan bakar dan bahan struktur adalah salah satu Program utama

Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir PTBN dalam mendukung tersedianya data base Agenda RisetNasional (ARN) yaitu tersedianya data base science Technology dibidang energy Nuklir dalamrangka memenuhi jaringan listrik Jawa Madura dan Bali dan akan beroperasinya PLTN pertamadalam waktu yang tidak terlalu lama. Dalam penelitian saat ini yang dilaporkan bukanlah hasilpenelitian pasca iradiasi melainkan pengembangan dan persiapan uji pasca iradiasi untuk bahanbakar yang sedang dikembangkan yaitu bahan bakar uranium silisida dengan tingkat muat uraniumtinggi (4,8 g/cm\ Karena usia peralatan dan sarana penunjang penelitian pasca iradiasi di hotcelyang tidak dapat berfungsi dengan baik yang walaupun dengan usaha dan dana untukmemperbaiki yang tidak sedikit namun hingga saat ini peralatan utama hotcell belum dapatdioperasikan untuk penelitian pasca iradiasi. Oleh karena itu laporan kami saat ini adalah Uji bahanbakar uranium silisida tingkat muat uranium tinggi pra iradiasi.

Penelitian dan Pengembangan Bahan bakar yang lebih ekonomis dan lebih canggih terusdilakukan. Pusat Teknologi Dan Pengembangan Bahan Bakar Nuklir (PTBN) Batan saat ini sedangmengembangkan bahan bakar tipe pelat dengan bahan bakar uranium silisida dengan tingkat muat

597

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010 ISSN 0854 - 5561

uranium 4,8 g/cm3 dan 5,2 g/cm3. Dalam proses pabrikasi bahan bakar uranium silisida, dengansemakin naiknya TMU kekerasan meat bahan bakar semakin meningkat. Konsekuensinya prosespabrikasi mengalami kesulitan dalam mendistribusikan dispersan( partikel U3Si2-AI) dalam pelatelemen bakar hingga mencapai ketebalan 1,3 mm dengan harapan dispersan relatif homogen agartidak terjadi ketebalan kelongsong yang tidak memenuhi persyaratan. Untuk dapat memenuhipersyaratan dengan makin meningkatnya tingkat muat uranium yang lebih keras diperlukan bahankelongsong yang lebih kuat/keras pula agar dapat mengimbangi proses pabrikasi hingga ketebalan

pelat elemen bakar 1,3 mm. Dan Kelongsong paduan AIMgSi diharapkan dapat memenuhi seba~aikelongsong bahan bakar uranium Silisida hingga tingkat muat uranium 4,8 gram dan 5,2 gram fcm .

BAHAN, ALAT DAN METODA PENELITIAN

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini, 5 pelat elemen bakar uranium silisida denganTingkat muat Uranium 2,9 - 5,2 gramfcm3 dengan bahan kelongsong AIMg dan buah pelat elemenbakar uranium silisida dengan Tingkat muat Uranium 4,8 gramfcm3 masing-masing dengankelongsong AIMg2 dan AIMgSi.

Alat yang digunakan Peralatan Metalografi, Mikroskop Optik dan alat uji kekerasan VickersMetoda Penelitian : Pemeriksaan Struktur mikro secara metalografi dan uji kekerasan

dengan metoda vickers

Metoda penelitian dilakukan dengan cara pelat elemen bakar uranium silisida denganberbagai TMU 2,9, 3,6. 4,2 dan 4,8 serta 5,2 grfcm3 dipotong dengan ukuran 10 x 15 mm , kemudiandilakukan proses persiapan metalografi yaitu pemotongan , mounting ,gerinda , poles dan etsadengan reagen kimia untuk memunculkan truktur mikro serta dHakukan perekaman fotografi denganperbesaran 50x dan 200x.

Sam pel-sam pel yang telah di poles juga dHakukan uji kekerasan dengan cara vickersdengan menggunakan beban HV2(1,96 KN ASTM). HasH pemeriksaanmetalografi dan dengan hasHuji kekerasan dianalisis untuk sebagai data banding baik untuk bahan kelongsong yang akandikembangkan maupun untuk data banding untuk uji pasca iradiasi yang akan datang.

HASIL DAN PEMBAHASAN

HasH Pemeriksaan dan Uji kekerasan Bahan Bakar uranium silisida kelongsong AIMg2dengan TMU yang berbeda dapat dilihat pada Gambar 1 sampai dengan Gambar 5 dan Kekersandapat dilihat pad a tabel 1, sedangkan Gambar 6 sampai Gambar 9 adalah Mikrostruktur· BahanBakar uranium silisida dengan TMU 4,8 gfcm3 dengan bahan kelongsong paduan AIMg2 . Gambar10 sampai dengan Gambar 11. Struktur mikro bahan bakar uranium silisida TMU 4,8 grfcm3dengan bahan kelongsong paduan AIMgSi.

1. HasH Gambar truktur mikro Bahan Bakar uranium silisida dengan TMU 2,9- 5,2 gramfcm3

50 x

Gambar 1. Struktur makro dan mikro U3Si2-AI TMU 2,9 gfcm3, 50 x dan 200x

598

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010

200xGambar 2. Struktur makro dan mikro U3Si2-AI TMU 3,6 g/cm3, 50 x dan 200x

50 x

1200x

Gambar 3. Struktur makro dan mikro U3Si2-AI TMU 4,2 g/cm3, 50 x dan 200x

•....~50 x

Gambar 4. Struktur makro dan mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3, 50 x dan 200x dietsa

1200x

Gambar 5. Struktur makro dan mikro U3Si2-AI TMU 5,2 g/cm3, 50 x dan 200x dietsa

599

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010 ISSN 0854 - 5561

Tabel1. Hasil uji kekerasan bahan bakar uranium silisida denganvariasi TM UTM

Kekerasan sisiKekerasan sisi kiri HVNU

kananHVN2,9 6 q/cm3

55555 55 555

3,6 q/cm3

33331 33 191

4,2 q/cm3

00000 52,52,552,54,8 q/cm3

00000 55 3555,2 g/cm3

33133 00 000

2. Gambar mikrostruktur Bahan bakar Uranium Silisida kelongsong AIMg2 dengan TMU 4,8 g/cm3

sisi kiri tengah sisi kanan

Gambar 6. Sisi Dekat, Struktur mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3, 50 x, dietsa

sisi kiri tengah sisi kanan

Gambar 7. Tengah, Struktur mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3, 50x, dietsa

Sisi kiri sisi kana

Gambar 8. Sisi Jauh, . Struktur mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3, 50 x, dietsa

600

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian ESN Tahun 2010

Gambar 9. Mikrografi U3Si2-AI tingkat muat uranium 4,8 g/cm3 , dietsa 200x,posisi tengah tampak pada kelongsong jejak uji kekerasan mikro

Tabel 1. Kekerasan Kelong ong PES U3Si2-AI - AIMg2

Bahan KondisiUji Kekerasan Vickers HV2 (F = 1,96 N),ASTM:

PosisiSisi Oekat (SO)

Sisi Tegah (c)Sisi Jauh (SJ)HVd

HVd HVd HVd HVdHV0 HVNrerata

reratareratareratareratarerata

AIMg2

dirol0,3138,60,2944,10,2944,10,2847,30,2847,30,2847,344,7

Keteragan : Masing masing 10 (sepuluh) kali pegujian ( 5 kali kelongsong atas, 5 kali kelongsongbawah)

601

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010 ISSN 0854 - 5561

3. Gambar struktur mikro bahan bakar uranium Silisida TMU 4,8 gram /cm3 kelongsong AIMgSi

Tengah 200xI

Gambar 11. Tenaah, Struktur mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3, 50x dan 200x, dietsa

602

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010

Sisi kiri 200x I . - ..,,- .. n I Sisi kanan 200 x

Gambar 12 : Sisi Jauh, Struktur mikro U3Si2-AI TMU 4,8 g/cm3, 50x dan 200x, dietsa

603

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010

PEMBAHASAN

ISSN 0854 - 5561

Oari hasil pemeriksaan struktur mikro bahan bakar Uranium Silisida dengan TMU 2,9gram/cm3 hingga TMU 5,2 gr/cm3 memperlihatkan bahwa semakin tinggi tingkat muat uraniumsemakin berkurangnya ketebalan kelongsong khususnya di daerah terbentuknya caeat dogborn.Pada pelat elemen bakar(PEB) dengan TMU 2,9- 3,6 gram/em3 eaeat dog born belum terjadiseperti diperlihatkan pada Gambar 1 dan Gambar 2 . Pada ,PEB dengan TMU 4,2 , 4,8 dan 5,2g/em3 eaeat dogborn mulai terjadi namun untuk TMU 4,2 g/em relatif masih dapat diterima .sedangkan untuk TMU 4,8 g/em3 dan 5,2 g/em3 eaeat dogborn sudah harus pertimbangkan teknikpabrikasinya agar eaeat dogborn ini jangan terjadi. Terjadinya eaeat dogborn ini adalah karenasemakin tingginya kekerasan meat dengan semakin naiknya tingkat muat uranium di satu sisi danberkurangnya kandungan AI matrik disisi lain yang mengakomodasi partkel meat U3Si2-AI saatdipabrikasi. Sementara ruang I volume tempat mengungkung meat ( AI dan partike U3S2-AI) tetap.Idealnya AI matrik dapat mengakomodasi partikel U3Si2 saat dipabrikasi yaitu saat mengurangiketebalan dari 75 em hingga ketebalan 1,3 mm dengan eara kombinasi rol panas dan dinginbeberapa kali dengan arah rol yang bergantian. Jadi terjadinya eaeat dog born adalah kitidakmampuan matrik AI mengakomodasi partikel U3Si2 saat dipabrikasi sehingga keluar dari zona meatyang diinginkan ke zona kelongsong pengungkung karena kelongsong tidak mampu menahan meattersebut . Pada Gambar 4 dan 5 Pelat elemen bakar denganTMU 4,8 dan 5,2 g/em3 tampak pad adaerah eaeat dog born yang ditunjukkan tanda panah akibat tidak mampunya matrik AImengakomodasi partikel U3Si2 dan tampak juga adanya ukuran partikel U3Si2 yang agak kasarsehingga mengurangi kompatibel dengan matrik AI saat proses pabrikasi (pengerolan). Oari hasiluji kekerasan Tabel 1. Menunjukkan semakin tinggi TMU Kelongsong PEB semakin tinggikekerasanya yaitu mulai dari kekerasan 45 HVN untuk PEB dengan TMU 2,9 g/em hinggakekerasan 60 HVN untuk PEB dengan TMU 5,2 g/em3 . Terrjadi variasi kekerasan pada PEBdengan TMU 3,6 , 4,2 dan 4,8 g/em3 yaitu antara 49 HVN hingga 55 HVN hal ini kemungkinandisebabkan karena sam pel telah di etsa sebelum di uji kekerasannya.

Hasil pengamatan struktur mikro bahan bakar uranium silisida dengan TMU yang sama4,8g/em3, namunkelongsongnya berbeda yaitu AIMg2 dan ALMgSi Memperlihatkan bahwa strukturmikro PEB bahan bakar uranium silisida TMU 4,8 g/em3 kelongsong AIMg2 eenderung terjadinyaeaeat dogborn dapat dilihat pada Gambar 6 sampai dengan Gambar 9. Sedangkan untuk PEBkelongsong AIMgSi eaeat dogborn tersebut tidak terjadi walaupun diperbesar hingga 200x sepertidiperlihatkan Gambar 10 sampai dengan Gambar 12.

Kelongsong AIMg2 dan AIMgSi yang diproses(dirol) sama dengan tahapan prosespengerolan PEB hingga ketebalan 1,3 mm , kemudian diuji kekerasan

Kekerasan kelonsong AIMg2 diapat dilihat pada Tabel 2 mempunyai kekerasan antara42-51 HVN dalam berbagai kondisi ketebalan ,dan yang paling keras adalah bahan raw ( bahanyang dijual dipasaran) hal ini terjadi karena pada proses akhir produksi dilakukan pengerjan dinginsebelum dipasarkan agar kekuatan lebih tinggi untuk menghindari perubahan bentuk dan dimensidalam proses transportasi. Kelongsong AIMgSi mempunya kekerasan antara 65 - 115 HVNpada berbagai kondisi ketebalan dapat dilihat pada Tabel 3. Juga raw material mempunyaikekerasan yang paling tinggi yaitu 115 HVN . Oari hasil uji kekerasan ini memperlihatkan bahwakekerasan kelongsong AIMgSi hampir dua kali kekerasan AIMg2 (115 : 65) ,dengan kekerasanlkekuatan AIMgSi dan dari hasil pemeriksaan struktur mikro PEB U3Si2-A dengan TMU 4,8 g/em3 (Gambar 10 samapi Gambar 12) diharapkan akan lebih baik dan lebih kompatbel dengan bahanbakar uranium silisida.dengan tingkat muat yang lebih tinggi pada masa yang akan datang.

KESIMPULAN

Oari hasil Pemeriksaan struktur mikro Bahan Bakar Uranium Silisida dengan tingkat muat Uranium4,8 gr/em3 dengan kelongsong AIMg2 dan AIMgSi dapat disimpulkan sebagai berikut :

1. Semakin Tinggi Tinggkat muat uranium kekerasab Bahan bakar semakin meningkat2. Semakin tinggi TMU uranium 4,8 g/em3 semakin sukar untuk dipabrikasi dengan eenderung

terbentuh eaeat dogborn.

604

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2010

3. Kekerasan kelongsong AIMgSi lebih tinggi dai pada kekerasan kelongsong AIMg2 yaitumasing-masing 115 dan 45 antara 110 -115 HV N dan 38 - 45 HVN

Kelongsong Paduan AIMgsi diharapkan akan lebih baik dari kelongsong paduan AIMg.

DAFT AR PUST AKA

[1] SUPARDJO, Pelat Elemen Bakar U3Si2-AI Tingkat Muat Uranium 2,96g/cm3, Prosiding Hasil­Hasil Penelitian EBN Tahun 2008

[2] MONDOLFO,LF," Aluminium Alloys, Structures And Properties, London 1976[3] JOHN E. HATCH, Aluminium Properties and physical Metallurgy ASM, Metal Park, Ohio, 1983

605