KARAKTERISTIK BETON SEBAGAI WADAH BAHAN BAKAR BEKAS PADAPENYIMPANAN SECARA KERING

Dewi Susilowati, Herlan Martono, Husen ZamroniPusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif -BATAN

ABSTRAKKARAKTERISTIK BETON SEBAGAI WADAH BAHAN BAKAR BEKAS PADA PENYIMPANAN SECARA

KERING. Telah dilakukan penelitian tentang karakteristik beton sebagai wadah cajon bahan bakar bekas pads

penyimpanan secara kering. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan bahan beton yang sifatnya memenuhi

kriteria untuk digunakan sebagai wadah pad a penyimpanan bahan bakar bekas secara kering. Blok beton dibuat dari

semen dan pasir. Oksida Logam (PbO) dalam bentuk serbuk ditambahkan ke dalam campuran semen dan pasir

dengan variasi antara 4, 8, 12, 16 dan 20 % berat. Campuran diaduk sampai homogen dan dituangkan kedalam

cetakan tabung polietilen. Blok beton didiamkan selama 28 hari sampai mengering. Blok beton hasil cetakan diuji kuat

tekan dengan menggunakan slat Paul Weber, hantaran panas dengan variasi temperatur antara 50, 100, 150 dan 200

°C menggunakan slat ukur hantaran panas Dynatech dan serapan radiasinya menggunakan sumber radiasi gamma Co-

60. Hasil pengujian menunjukkan bahwa blok beton dengan kandungan PbO 20% merupakan blok beton yang paling

baik dibandingkan blok beton yang lain dalam percobaan ini dilihat dari segi kekuatan mekanik, hantaran panas dankemampuan menahan radiasinya. .

ABSTRACTCHARACTERISTICS OF CONCRETE AS SPENT FUEL CANISTERS FOR DRY STORAGE. The research of

characteristics on concrete canisters as model for dry storage of spent fuel has been conducted. Aim of the research isto find of the statisfied characteristics concrete canister for spent fuel dry storage. The concrete blocks have been madefrom cement and sand. The Pb oxide (PbO) has been added to the mixture of cement-sand in were varies between4,8,12,16 and 20 wieght percent. The mixture have been mixing until homogen and pour out in the polyethylene sample.The concrete blocks have been still in ambient temperature until dried in 28 days. The concretes produced in the formblocks. Its tested for compression strenght using Paul Weber device, its thermal conductivity were varies temperaturebetween 50,100,150 and 200 °C using thermal conductivity device Dynatech and tested of radiation protection usingradiation Gamma source of Co-60. The test was shown that the concrete block contain 20 % PbO, was best resultcompared with the others block in this research to looked at values of compression strength, thermal conductivity and

coefficient atenuation linier.

panasnya lebih rendah dibandingkan secarabasah. Oleh karena itu penyimpanan secarakering tidak dilakukan pada tahap awalpenyimpanan. Penyimpanan secara keringmempunyai banyak keuntungan dibandingpenyimpanan secara basah karena biayaawal murah, mudah perawatannya, volumelimbah yang dihasilkan sedikit dan untukperluasan penyimpanan di masa mendatangsangat fleksibel. Perluasan penyimpanandengan sistem kolam terbatas dan untukperluasan yang besar perlu dibuat tempatpenyimpanan yang baru.

Ada beberapa metode penyimpanansecara kering diantaranya adalah silostorage. Struktur fasilitas penyimpanan inimeliputi silo beton dan plat besi baja [1,2].Diameter dalam silo 1,2-1,6 m, diameter luar2,5-3,0 m, dan tinggi 5,5-6,0 m. Bahanperisai adalah beton dan besi baja. Lajudosis yang diperkenankan adalah lebih kecildaripada 2 mrem/jam pada permukaan luarsilo. Sebagai pelindung pada penyimpananadalah canister, kelongsong dan overpack(dengan aliran udara) atau silo (tanpa aliranudara). Bahan bakar bekas yang disimpansecara silo storage adalah yang telah

PENDAHULUANBahan bakar bekas yang dikeluarkan

dari teras reaktor mengeluarkan panas danradiasi yang tinggi sehingga harus disimpandi dalam kolam reaktor selama minimum 1tahun. Periode awal penyimpanan padakolam reaktor ini untuk mengurangisejumlah radionuklida yang volatil, medanradiasi dan panas peluruhan.

Setelah periode awal penyimpanan,bahan bakar bekas dikeluarkan dandisimpan di tempat penyimpanan sementarabahan bakar bekas (Interim Storage ForSpent Fuel= ISFSF). Letak ISFSF dapatberada di reaktor (AR) atau jauh dari reaktor(AFR). Pad a penyimpanan bahan bakarbekas, aspek keselamatan penyimpananharus diperhatikan, denganmempertahankan keutuhan kelongsong danwadah melebihi umur fasilitas.

Penyimpanan bahan bakar bekassecara basah, umumnya dilakukan dalamkolam dekat reaktor. Penyimpanan sistemkering hanya dapat dilakukan setelah 3-5tahun penyimpanan secara basah. Hal inidisebabkan pad a penyimpanan bahan bakarbekas secara kering, kapasitas pengambilan

97

ukuran 1x 5 cm. Contoh dibiarkan keringsecara alami selama 28-30 hari.

Pengujian kuat tekan contoh dilakukandengan menggunakan alat Paul Weber,Hantaran panas contoh diuji denganmenggunakan alat Dynatech dengan variasitemperatur 50, 100, 150 dan 200°C.Pengujian koefisien atenuasi contohmenggunakan sumber gamma Co-60.

Kuat tekan perlu ditentukan sehubungandengan resiko yang dihadapi selama dalampengangkutan atau bahan mengalamibenturan. Kuat tekan bahan contoh dihitungdengan menggunakan persamaan :

mengalami pendinginan selama 5 tahunatau lebih. Penyimpanan dengan cara inidilakukan di Canada untuk bahan bakarbekas Candu dan di USA untuk bahan bakarbekas PWR. Batas temperatur penyimpananuntuk 5-10 tahun penyimpanan adalah 380-340°C[3]. Untuk menjamin keutuhan bahanbakar selama penyimpanan dilakukanpemantauan temperatur Canister danradioaktivitas udara dalam silo.

Untuk menurunkan temperatur dalamsilo maka perlu hantaran panas bahan(beton) silo yang tinggi. Untuk itu dicobaaditif PbO dalam beton untuk meningkatkanhantaran panasnya[4]. Hal ini mirip denganpenambahan PbO dalam gelas limbah hasilvitrifikasi yang disebut vitromet, dalamupaya menaikkan hantaran panas gelas-limbah. Adanya PbO dalam beton jugamenaikkan koefisien atenuasi linier terhadapsinar gamma[S]. Oleh karena itu dibuat betonyang mengandung berbagai variasi PbO danditentukan kuat tekan, hantaran panas dankoefisien atenuasi liniernya untuk lebihmeningkatkan keselamatan padapenyimpanan bahan bakar bekas dalam silo.Data yang diperoleh juga bermanfaat untukperancangan silo.

WxR2

s= (1)

Dimana,S = kuat tekan (N/mm1;W = kekuatan maksimal saat contoh

beton pecah (N); danR = jari-jari blok beton (cm1.

Pengujian hantaran panas dilakukanuntuk mengetahui kemampuan blok betondalam menghantarkan panas bahan bakarbekas. Konduktivitas panas bahan betondihitung dengan persamaan :

TATA KERJAR =N (~ ) -R.Q 0 (2)

BahanPasir dengan ukuran butir 60-80 mesh

semen jenis portland tipe I merk tiga roda [61

dan PbO serbuk dari Merck dengankemurnian 99 %. Cetakan contoh digunakantabung polietilen diameter 5 cm dan tinggi 5cm.

k=~

{3}

d

MetodeContoh beton dibuat dengan

mencampurkan pasir, semen dan air denganperbandingan 300: 400 : 140 dalam gram[6]dan ditambahkan PbO dengan variasi 4, 8,12, 16 dan 20 %. Pengadukan bahan-bahandalam keadaan kering dilakukan agar

diperoleh campuran yang homogen.Penambahan air dilakukan kemudian dandilakukan pengadukan sampai tercampurrata hingga membentuk adonan. Adonanyang telah homogen dituangkan ke dalamcetakan polietilen. Contoh beton dibuatdalam dua ukuran, untuk pengujian kuattekan contoh dibuat dengan ukuran 5x5 cm,sedangkan untuk pengujian hantaran panasdan koefisien atenuasi dibuat dengan

Dimana,Rs = tahanan panas bahan;K = konduktivitas panas bahan uji;D = tebal bahan;N = konstanta kesebandingan;T1 = temperatur permukaan bahan bagian

bawah;T u = temperatur permukaan bahan bagian

alas;Q = keluaran transducer fluks panas; danRo = tahanan panas kontak. Panas

mengalir dari T1 ke T u

Pengujian koefisien atenuasi radiasidilakukan dengan maksud mengetahuipengaruh Pb terhadap serapan radiasi blokbeton terhadap radiasi yang ditimbulkan daridalam bahan bakar bekas. Perhitungan

98

koefisien atenuasi radiasi bahan digunakanpersamaan :

=1 e -~o. (4)

0,693HVL

(5)~Pb =

Dimana,Ix = intensitas radiasi setelah melewati

perisai radiasi setebal x;10 = intensitas radiasi sebeium melintasi

perisai radiasi;~ = koefisien atenuasi radiasi; danHVL = tebal perisai yang diperlukan untuk

menjadikan besaran semula menjadi

setengahnya.

Adanya PbO dalam beton akan mengisiruang antara butiran pasir, sehinggamenunjukkan kuat tekan yang makin baik.Penambahan PbO dari 8-20 % dalam betonmenunjukkan bahwa kuat tekan betonsemakin meningkat. Untuk beton, makintinggi kekuatan tekannya maka makin tinggipula kekuatan tarik dan kekuatanlenturnya[7]. Keadaan ini akan meningkatkanfaktor keselamatan dalam penyimpanankarena wadah beton lebih tahan terhadapbenturan.

Pengujian hantaran panas betondengan variasi kandungan PbO dantemperatur, disajikan pada Gambar 2. Untukpengujian dengan kandungan PbO yangmakin tinggi pada berbagai temperatur ,memperlihatkan hantaran panas semakinmeningkat. Hal ini disebabkan karenaadanya Pb yang bersifat logam dalamcampuran beton sehingga meningkatkanhantaran panas beton. Untuk suatukandungan PbO tertentu dalam beton,makin tinggi temperatur akan menaikkanhantaran panas beton. Hal ini karena padatemperatur yang makin tinggi gerakan iondan elektron pembawa panas semakincepat. Pada temperatur 50°C-200°C,hantaran panas beton terhadap temperaturmasih linier karena hanya ada hantaranpanas secara konduksi dalam beton. Pad atemperatur yang sang at tinggi, hantaranpanas beton terhadap temperatur tidak linierlagi, karena disamping hantaran panaskonduksi ada hantaran panas secararadiasi[2J. Adanya hantaran panas yangtinggi, menunjukkan tidak adanya akumulasipanas dalam wadah beton. Jadi terjadinyapelelehan bahan bakar bekas dalam wadahbeton dapat dihindari.

HASIL DAN BAHASANPada Gambar 1 disajikan hasil

pengujian kuat tekan pada contoh beton,Untuk contoh beton dengan kandungan PbO4 % menunjukkan kuat tekan yang relatiflebih baik yaitu 42 kN/cm2 dibandingkandengan kuat tekan dari beton standar tanpakandungan PbO yaitu 29,90 kN/Cm2,Adanya PbO dalam beton, berpengaruhpada mutu beton ditinjau dari kekuatanmekaniknya, Hal ini dapat dijelaskan, karenabeton terdiri dari semen, pasir dan air,Pasta semen dan air mengisi ruangan diantara butiran pasir[1], Biasanya pasirditambahkan untuk pengisian sempurnadari ruangan di antara batuan, Selain itudiperlukan pula kelebihan pasta semen10%, dibandingkan dengan kebutuhanteoritis, Jika hal tersebut tidak dilakukanmaka akan terjadi kekosongan-kekosongandalam campuran,

70,000

60,000

! 50,000

~ 40,000i

J 30,000

~ 20,000~ 10,000

.00 5 10 15

Be rat PbO(%)

25

Gambar 1. Kuat tekan blok beton fungsi kandungan PbO

99

Hasil pengujian koefisien atenuasiradiasi beton dengan variasi kandunganPbO disajikan pada Gambar 3. Pengujiandilakukan dengan sumber gamma Co-60.Oari hasil pencacahan awal sebelummelewati perisai (beton) adalah 1,085101cpm. Pada pengujian beton dengankandungan PbO 4 % dengan ketebalancontoh bervariasi terjadi penguranganintensitas radiasi setelah melewati perisai(beton). Pad a ketebalan yang semakinbesar menunjukkan hasil cacahan yangsemakin menurun. Gejala ini jugaditunjukkan pada contoh-contoh beton yanglain dengan variasi kandungan PbO antara 8% sampai dengan 20 % dengan variasi tebalsarna, dengan cacahan yang semakin

menurun. Hal tersebut menunjukkankoefisien atenuasi linier dari beton semakinmeningkat karena adanya PbO dalam betonyang semakin besar. Beton dengankandungan PbO paling tinggi mempunyaikemampuan menahan radiasi paling baik,karena peranan Pb yang sifat alamiahnya

mempunyai kemampuan sebagai perisairadiasi[3]. Dari hasil uji tersebut betondengan kandungan PbO 20% paling baikdigunakan sebagai perisai radiasi calonwadah bahan bakar bekas. Jika ditinjau darisegi keselamatan radiasi, kenaikkankoefisien atenuasi linier yang tinggimemungkinkan penggunaan bahan yangtipis, sehingga volume dan berat bahanmakin kecil.

Gambar 2. Konduktivitas panas blok beton fungsi kandungan Pb Padavariasi temperatur 50 -200°C

Gambar 3. Koefisien atenuasi Radiasi fungsi ketebalan blok beton dankandungan(%) PbO

100

3.SIMPULANKesimpulan yang dapat diambil dari

penelitian di alas adalah, bahwapenggunaan aditif PbO yang makin tinggi didalam campuran pembuatan gel beton calonwadah bahan bakar bekas, menaikkan kuattekan, hantaran panas maupun koefisienatenuasi liniernya. Beton dengan kandunganPbO 20 % merupakan formula yang lebihbaik dibandingkan dengan formula yang laindalam percobaan ini, ditinjau dari segikekuatan mekanik, hantaran panas dankemampuan menahan radiasi sinar gamma.

4

5.

6

7

WIRYOSIMIN. S., Mengenal as asproteksi radiasi, ITB, Bandung, 1995AECL, Summary of The Environmentalimpact Statement on The Concept ForDisposal of Canada's Nuclear FuelWaste, Ontario Hydro, Canada, 1994IAEA, Characteristic of SolidificatiedHigh Level Waste Products, TechnicalReport Series, 187, IAEA, vienna, 1979.IPLR. Pengolahan Limbah Cair danSemi cair Melalui Proses Sementasi.Laporan Kegiatan non Penelitian.Bidang Teknologi Evaporasi. IPLR,1994.SURDIA. T, SAITO. S, PengetahuanBahan Teknik,Pradnya Paramita PT,Jakarta 1985

DAFTAR PUSTP.KA1. VAN VLACK, SRIATI. OJ., Ilmu dan

Teknologi Bahan, Ed. IV., PenerbitErlangga, Jakarta, 1986

2. STANEK. J, Electric Melting of GlassOepartement of Silicate, Institute ofChemical Technology Prague, ElsivierScientific Publishing Company, NewYork, 1977.

Pad mono (LIPI)

Pertan~aan:1. Apakah bahan bakarbekaslangsungdibuang?2. Berapa perbandingan pasir, semen dan air yang digunakan ?3. Apakah ada radionuklida yang mudah menguap ?

Jawaban :1. Bahan bakar bekas yang baru keluar dari reaktor masih mengandung unsur radioaktif dan

panas yang tinggi, maka perlu suatu wadah penyimpanan yang mempunyai sifat dapatmenghantarkan panas yang ditimbulkan bahan bakar bekas ke lingkungan sehinggakelongsong bahan bakar tidak leleh dan unsur radioaktif masih terkungkung dalamkelongsong. Wadah mempunyai kekuatan mekanik sehingga tahan retak, dan mempunyaisifat absorpsi terhadap radiasi yang dipancarkan. Penyimpanan sementara ini dilakukanuntuk meluruhkan radionuklida, sampai aktivitas bahan bakar bekas aman untuk disimpandalam lapisan tanah dalam.

2. Pasir: semen: air = 300 : 400 : 140 (gr)

3. Ada yaitu gas radon

Ir. Sulanjono (PT. Puri Fajar Mandiri)

Pertan~aan:1. Apakah pembuatan betan ini sudah dilakukan secara skala industri/pilat plant?2. Menggunakan semen tipe apa ?

101

Jawaban :1. Untuk beton standar, sudah digunakan secara periodik di P2PLR sebagai wadah limbah

level rendah dan sedang tapi untuk beton dengan penambahan aditif PbO baru dalamskala laboratorium.

2. Type portland cement I

---0000000---

102