Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

PENGUTIAN DENSITAS DAN FRAKSI SERBUKHASn. PROSES HYDRIDING-DEHYDRIDINGPADUAN LOGAM U-Zr

Aminhar, Mujinem

ABSTRAK

PENGUJIAN DENSITAS DAN FRAKSI SERBUK HASIL HYDRIDING - DEHYDRIDING

PADUAN LOGAM U-Zr. Analisis densitas dan fraksi serbuk hasil proses hydriding­dehydriding menggunakan alat ultrapyenometer 1200-e dan vibrosieve. Tujuanpengujian ini untuk mengetahui densitas serbuk U-Zr yang akan digunakan sebagaidata input (masukan) pad a pembuatan bahan bakar U-Zr. Hasil pengujian menunjukkanbahwa semakin tinggi kadar Zr mengakibatkan semakin rendah nilai densitas U-Zr.Pada 2% Zr, serbuk U-Zr mempunyai nilai densitas sebesar 18,5918 glee akan menjadi17,2776 glee pada 6% Zr

Kata kunei : U-Zr, Hydriding-Dehydriding, Fraksi Serbuk.

PENDAHULUAN

Pengembangan bahan bakar reaktor riset ditujukan untuk memperoleh paduan uraniumyang mempunyai densitas tinggi, agar jumlah uranium yang bisa ditambahkan ke dalam bahan

bakar tiap satuan volume menjadi lebih besar. BeberaRa jenis paduan uranium dikembangkan untukmaksud tersebut, diantaranya adalah paduan U-Zr( ). Paduan U-Zr dibuat dengan eara meleburlogam U dan Zr di dalam tungku peleburan busur listrik. Paduan U-Zr tersebut kemudian dilakukanproses hydriding - dehydriding dan hasilnya berupa serbuk. Serbuk tersebut dikenai berbagaipengujian untuk mengetahui karakteristiknya, seperti sifat mekanik, mikrostruktur, fisik, dan kimia.Karakteristik bahan bakar tersebut dalam pereobaan yang akan dilakukan diantaranya adalah sifatfisik, dim ana uji sifat fisis yaitu uji densitas dan ukuran butir.

Pengujian fraksi (ukuran butir) dapat ditentukan dengan alat Vibrosieve. Vibrosieve.Pengujian fraksi ini merupakan suatu metode untuk menganalisis distribusi ukuran butir denganmenggunakan alat ukur ayakan dengan berbagai variasi dan proses analisisnya dipereepat denganbantuan energi getar I vibrasi. Ayakan disusun berdasarkan ukuran diameternya, paling atas denganukuran terbesar. Partikel yang akan dianalisis ditempatkan pada susunan ayakan paling atas.Setelah pengayakan, partikel akan terpisah sesuai dengan interval ukurannya masing-masing.

Sementara itu pengujian densitas dapat ditentukan dengan alat Ultrapyeno-meter1200-emerk Quantaehrome. Prinsip kerja alat ini berdasarkan hukum gas ideal PV = nRT, yaitu volumesample ditentukan dengan pengukuran variasi tekanan gas yang dihasilkan dari setiap operasipenetrasi gas dengan tekanan awal sama yang dikerjakan pada suhu tetap. Dengan mengukurvariasi tekanan gas yang dihasilkan pada saat operasi wadah kosong dan tekanan gas yangdihasilkan pad a saat operasi sam pel, maka volume sampel dapat ditentukan. Densitas diperolehdengan eara membandingkan besaran berat sam pel terhadap data volume sam pel yang diperolehpad a analisis.

Ketepatan hasil analisis densitas serbuk ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain :kondisi awal serbuk dan kondisi operasi analisis seperti waktu kesetimbangan, volume atau beratsam pel, tekanan (P) target dan wadah sam pel (Ve) yang dipilih(2)(3).Selain beberapa faktor yangdisebutkan di atas faktor lain yang tak kalah pentingnya adalah peralatan yang digunakan harusterbebas dari debu atau lemak yang menempel yang memungkinkan juga memberi sumbangankesalahan analisis. Tujuan dari kegiatan ini adalah untuk memperoleh nilai densitas serbuk U-Zryang akan digunakan sebagai data dalam membuat bahan bakar.

60

HasH-hasH Penelitian EBN Tahun 2009

TEORI

ISSN 0854 - 5561

Alat Ultrapycnometer 1200e adalah alat penentu densitas sam pel padat bermacam jenismineral seperti: alumina, silika, keramik, semen, katalis, logam, plastik dll. Oalam analisis inidigunakan gas helium, karena sifat-sifatnya yang sesuai untuk teknik pengukuran densitas danukuran molekul gas helium kecH yaitu 0.2 nm. Hal ini memungkinkan terjadinya penetrasi gashelium ke dalam pori-pori sampel yang lebih baik sehingga hasil pengukuran volume lebih akurat.

Prinsip kerja alat didasarkan pada hukum gas ideal PV = nRT, yaitu volume sam pelditentukan dengan pengukuran variasi tekanan gas yang dihasilkan dari setiap operasi penetrasi gasyang bertekanan awal sama yang dikerjakan pada suhu tetap. Volume sam pel dapat ditentukandengan mengukur variasi tekanan gas yang dihasilkan pada saat operasi wadah kosong dantekanan gas yang dihasilkan pada saat operasi sam pel. Oensitas diperoleh dengan caramembandingkan besaran berat sampel terhadap data volume sam pel yang diperoleh pada analisis.Prinsip kerja dan teknik pengukuran sam pel dapat dilihat pada blok diagram alat seperti padaGambar 1, dan penjabaran rumusan hukum gas ideal adalah sebagai berikut:

~ Kondisi awal wadah sam pel ketika valve dibuka pada kondisi lingkungan setelah pembersihandengan gas helium adalah :Pa V c = n R Ta (1)

~ Kondisi wadah sam pel bila sejumlah sam pel dengan volume sebesar Vp dimasukkan maka,Pa (Vc - V P ) = n1 R Ta (2)

~ Saat tekanan diposisikan di atas tekanan lingkungan dengan membuka valve gas heliumP2 (V c - V P ) = n2 R Ta ( 3)

~ Kondisi ketika valve penghubung wadah sam pel dan volume added ( V-added) dibuka makatekanan akan turun menjadi P3P3 (V c - V P + Va ) = n2 R Ta + na R Ta (4)

~ Selanjutnya PaVa dapat digunakan untuk menggantikan naRTa, sehinggaP3 (V c - V P + VA ) = n2 R Ta + PaVA ••••• (5)

~ Substitusi P2 (Vc - Vp) untuk n2RTa, menghasilkanP3 (V c - Vp + VA ) = P2 (Vc - Vp) + Pa VA (6) atau

............. (7)

~ Lalu direduksi dengan menambahkan dan mengurangkan dengan Pa pad a P2 dan P3,

Vp = Vc _. CRI1..-..P3) VA = Vc + VA (8)( P3 - Pa) - (Pl - Pa) 1 _ Pl - Pa

P3 - P~ Sehingga, rumus yang berlaku untuk Ultrapycnometer 120d'e adalah

V - V + VAp - c 1 - (Pl1 P3) (9)

dengan :Vp = Volume sampleVc = volume sel dalam keadaan tertutupVa = volume added

P2 = tekanan saat tekanan dinaikkan diatas tekanan ambientP3 = tekanan saat valve volume added dibuka

61

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

Evacuation rate

needle valve

Pressure

Transducer

Relief valve

Rller

vceII-~-~14-Vasmail -1>

ISSN 0854 - 5561

Vent

<f Va large

Gambar 1. Blok diagram alat U1trapycnometer 1200-e

TATA KERJA

1. Alat yang digunakan

Seperangkat alat Ultrapycnometer 1200-e (dua unit Ultrapyc, neraca analitik dan komputer),tissue, sarung tangan karet, cawan porselin, desikator, glove-box dan Vibrosieve

2. Bahan yang digunakan

Serbuk U-Zr (2 %, 6 %,10 %,14 %.55 %) dan gas Helium UHP

3. Cara Kerja

Pengujian densitas dengan Ultrapycnometer 1200-e

- Pemanasan alat : Alat dihidupkan, dengan dialiri gas helium pad a tekanan 19 psi, ditunggualat sampai stabil minimal 30 menit.

- Diatur parameter sample dan parameter analisis me liputi: tekanan (P) target, equilibriumtime, Flow of Purge, Max runs, Number of Runs Average and Deviation Requested

- Kemudian serb uk U-2%Zr ditimbang. Dimasukkan ke dalam wadah sampet Vc Smallkemudian pindahkan ke alat. Ditekan tombol RUN (angka 1), lalu ditekan kembali tombol Start(angka 3), alat U1trapycnometer 1200-e akan menganalisis sam pel secara automatis. Hasilana lisis akan terbaca pad a layar monitor (komputer).

- Diulangi pekerjaan analisis untuk sam pel U-6%Zr, U-10%Zr, U-14%Zr dan U-55%Zr

Pengujian Fraksi ukuran butir dengan Vibrosieve

100 gram serbuk U-6%Zr ditimbang, kemudian ditempatkan pada bagian atas ayakan VibroSieve yang dioperasikan di dalam Glove Box.

- Waktu pengayakan diatur selama 2 jam dengan kecepatan skala 40 dan jenis ayakannyadipilih kontiniu. Operasi pengayakan dimulai

- Setelah pengayakan, fraksi-fraksi serbuk dikeluarkan dari penampung-penampung ayakan

- Semua fraksi ditimbang dengan neraca analitis dan % berat (w/o) setiap fraksi ditentukan.

62

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

- Batas penerimaan untuk kontrol grain ditetapkan bahwa serbuk terayak seeara sempurnadengan melewatkannya melalui ayakan 125 mikron 0 %, tidak kurang dari 75 % melaluiayakan 90 mikron dan tidak kurang dari 25 % melalui ayakan 40 mikron.

Diulangi pekerjaan analisis untuk sam pel U-10%Zr.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Serbuk U-Zr hasil proses hydriding-dehydriding paduan U-Zr dilakukan pengujian densitasmenggunakan alat Ultrapycnometer, sedangkan untuk pengujian fraksi butir menggunakan alatVibrosieve. Hasil analisis pengujian densitas ditampilkan pada Tabel 1, sedangkan hasil analisispengujian fraksi butir ditampilkan pad a Tabel 2

Tabel 1. Hasil pengujian densitas serbuk U-Zr

Kode Sam pelBeratHasil UiiNo

Sam pelVolume (ee)

Densitas (glee)(a)1

U- 2 % Zr11,83340,636518,59182

U- 6 % Zr10,96590,634717,27763

U-10 % Zr11,29160,667716,91184

U- 14 % Zr10,66740,705015,13035

U- 55 % Zr7,49070,80539,3014

Dari Tabel 1 terlihat serbuk U-Zr hasil proses hydriding-dehydriding paduan U-Zr apabilakadar Zr bertambah maka nilai densitas U-Zr berkurang, misalnya pada kadar Zr sebesar 2% serbukU-Zr mempunyai densitas sebesar 18,5918 glee, akan menjadi sebesar 17,2776 glee apabila kadarZr menjadi 6%. Demikian pula untuk kadar Zr yang lain, akan mengalami keeenderungan yangsarna apabila Zr bertambah. Hal ini dapat dipahami, karena densitas U murni lebih besardibandingkan logam Zr murni. Logam U murni mempunyai densitas kira-kira sebesar 19,06 gleesedangkan Zr sebesar 7,89 glee. Dengan demikian, penambahan Zr yang semakin besar akanmenjadikan jumlah logam U berkurang sehingga densitas U-Zr menjadi berkurang.

Tabel 2. Hasil pengujian fraksi serbuk U-Zr

% massa yang terayakNo

AyakanAyakanAyakanKeterangan

125JJm

90 JJm40 JJm

1

16,70170,76512,534

2

15,89371,03113,076Sam pel serbuk

3

17,17370,58412,243U-Zr 6 %

Rata-rata

16,58970,79312,618

1

16,46770,87812,655

2

15,37371,54613,081Sampel serbuk

3

17,05270,47612,472U-Zr 10 %

Rata-rata

16,29770,96612,736

63

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

Dari Tabel 2 terlihat diperoleh serbuk yang lolos ayakan 90 IJm mencapai rata-rata 70%dari total serbuk yang diayak baik untuk serbuk U-6% Zr maupun U-10% Zr. Untuk keperluanpembuatan bahan bakar dispersi, ukuran serbuk yang digunakan sebesar antara 40 hingga 901Jm.

KESIMPULAN

Dari pengukuran densitas serbuk U-Zr hasil proses hydriding-dehydriding paduan U-Zrterlihat bila kadar Zr di dalam paduan bertambah maka densitasnya akan menurun. Hasil analisispengujian densitas U- 2% Zr sebesar 18,5918 grIce, U- 6% Zr sebesar 17,2776 grIce, U-10% Zrsebesar 16,9118 grIce, U- 14% Zr sebesar 15,1303 gr/cc dan U- 55% Zr sebesar 9,3014 gr/cc.

Dari pengujian Fraksi serbuk hasil pengayakan diperoleh serbuk yang lolos ayakan 90 IJmmencapai rata-rata 70% dari total serbuk yang diayak baik untuk serbuk U-6% Zr maupun U-10%Zr.

DAFT AR PUST AKA

[1] KAUFMANN A. 1972. Nuclear Reactor Fuel Elements. Metallurgy And Fabrication, US AtomicEnergy Commission. New York. Intersience Publisers, Jhon Wiley and Sons.

[2] ANONIM, Operation Manual For Ultrapyc 1200-e, Quantachrome Instrument 1900 CorporateDrive, Boynton Beach Florida, 2008

[3] MUJINEM, dkk. Kalibrasi Alat Ultrapycnometer dengan Kalibrator Volum, 2009

64