Instalasi Elemen Bakar Eksperimental (IEBE) adalah salah satu instalasi nuklir di Kawasan Nuklir Serpong. Instalasi ini digunakan untuk litbang teknologi produksi bahan bakar nuklir untuk reaktor daya (PLTN), yaitu:
Produk serbuk UO2 kemudian dikirim ke bagian fabrikasi untukdiproses lebih lanjut menjadi produk akhir berupa perangkat bakar nuklir (fuel bundles). Proses fabrikasi meliputi: pembuatan pelet UO2sinter, penyiapan komponen dan perakitan elemen bakar, serta perakitan perangkat bakar nuklir.
IEBE pada dasarnya adalah pabrik bahan bakar nuklir skala pilot dengan kapasitas produksi 100 kg serbuk UO2 per-hari dan 3 perangkat bakar HWR per-hari. Instalasi ini dibangun untuk meningkatkan kapasitas dan daya saing ilmiah-teknis nasional dalam pengembangan dan penerapan sistem energi nuklir yang berkelanjutan.
Proses Produksi Serbuk UO2
Fabrikasi Perangkat Bakar
Proses fabrikasi perangkat bakar di IEBE meliputi: pembuatan pelet UO2 sinter, pembuatan komponen perangkat bakar (spacer, pad, end cap, end plate, dan penyiapan kelongsong), perakitan elemen bakar dan perangkat bakar. Bahan dasar yang digunakan meliputi serbuk UO2 alam, zircaloy-2 (tube, strip dan bar), serbuk grafit, dan beryllium strip.
Salah satu komponen utama elemen bakar nuklir reaktor daya tipe LWR maupun HWR adalah pelet UO2densitas tinggi berbentuk silindris. Pelet ini dibuat dari serbuk UO2 melalui proses kompaksi dingin dan sintering suhu tinggi (1700oC) dalam suasana gas hidrogen.
Tujuan peletisasi UO2 adalah mendapatkan densitas bahan bakar yang tinggi (94 – 96% densitas teori), menciptakan kungkungan yang kuat bagi nuklida hasil fisi, serta mendapatkan geometri yang seragam dan standar sesuai persyaratan.
Proses peletisasi diawali dari pencampuran serbuk UO2 dengan pelumas Zn-stearat dan kemudian dikompakan dengan mesin kompaksi. Kompakan UO2 yang diperoleh kemudian dihancurkan lagi dan dibentuk butiran-butiran melalui proses crushing, granulating and sieving.
Proses granulasi dilakukan mengingat serbuk UO2 yang digunakan adalah serbuk hasil proses pengendapan ADU yang berukuran halus dan berbentuk tidak beraturan sehingga sangat sulit dikompakkan secara dingin (cold pressing).
Terhadap butiran UO2 kemudian dilakukan proses pengompakan akhir secara dingin menjadi pelet mentah (green pellet) yang harus memenuhi persyaratan dimensi dan densitas (50 - 60% densitas teori). Densitas pelet mentah yang diperoleh sangat dipengaruhi oleh tekanan pengompakkan, karakteristik serbuk, dan adanya bahan tambahan atau aditif.
Pengompakan akhir dilakukan dengan mesin tekan tipe double acting press yang dapat beroperasi secara kontinyu. Pengompakan akhir ini dilakukan pada tekanan yang lebih tinggi dibandingkan tekanan pada pengompakan awal agar diperoleh densitas pelet mentah 5 - 6 gr/cm3 atau 50 - 60% densitas teori.
Untuk mendapatkan pelet berderajat keramik dan memiliki densitas tinggi (sekitar 95% densitas teori) dilakukan proses penyinteran terhadap pelet mentah.
Secara umum penyinteran didefinisikan sebagai suatu proses dimana serbuk yang dicetak-tekan menjadi massa yang kompak melalui pemanasan pada temperatur di bawah titik leburnya.
Di IEBE proses penyinteranpelet UO2 dilakukan pada temperatur sekitar 1700 oC selama 3 – 4jam dalam suasana atmosfir reduksi (gas H2). Proses sintering ini akan menghasilkan pelet UO2 berderajat keramik yang keras dan kuat dengan densitas 95 – 96 % densitas teori UO2.
Pembuatan bantalan (spacer & pad) diawali denganpemotongan lembaran zircalloy menjadi pelat kecil (sub pelat). Kemudian salah satu sisi sub pelat dilapisi dengan berilium (Be) yang dilakukan dalam mesin penguap Be. Mengingat toksisitas Be yang tinggi, pekerjaan pelapisan dilakukan di ruang khusus untuk menangani Be. Sub pelat yang telah terlapisi Be kemudian dibentuk menjadi penjarak (spacers) dan bantalan (pads) dengan mesin press yang dilakukan di dalam glovebox.
End capsdibentuk dari Zircalloy rod, setelah dipotong kemudian dibubut dengan mesin bubut pusat (SchaublinLathe). Adapunend plates dibuat dari lembaran/pelat Zircalloy yang dipotong sesuai persayaratan ukuran kemudian di-milling. Setiapend plate diberi cap (tanda) untuk memudahkan dalam perakitan berkas (identifikasi).
Dalam Penyiapan kelongsong, Zircalloy tubedipotong sesuai panjang kelongsong. Kemudian dibawa ke Lab. Be untuk ditempeli spacer dan pad. Proses penempelan pertama-tama dilakukan dengan alat tack weldingdan dilanjutkan dengan proses patri keras (brazing).
Proses selanjutnya adalah melapisi permukaan bagian dalam kelongsong dengan grafit. Pelapisan dilakukan dengan mengalirkan suspensi koloidal grafit ke dalam kelongsong sehingga terbentuk lapisan tipis, dan kemudian dipanggang dalam vakum tinggi grafit yang menempel dengan kuat.
Tahapan proses perakitan elemen bakar (pin) meliputi pengelasan end cap pertama dengankelongsong, pemasukan baris pelet UO2 sinter ke dalam kelongsong yang salah satu ujungnya telah ditutup dengan end cap, pengelasan end capkedua, pengerjaan akhir ujung-ujung batang dan pencucian.
Proses pengelasan end cap - kelongsong dilakukan dengan mesin las restansi gaya magnit (magnetic force resistance welding machine) di dalam kotak khusus yang kedap udara ( welding box ) sehingga kotak tersebut bisa divakumkan dan diisi kembali dengan gas pelindung las ( He, Ar ). Tujuan pemvakuman ini adalah untuk menghindari oksidasi selama proses pengelasan. Tekanan pemvakuman mencapai 10 -3 torr dan tekanan gas pelindung sekitar 1 atm.
Selanjutnya kelonsong diisi dengan pelet UO2sinter yang telah dikeringkan pada kondisi vakum tinggi. Kemudian kelongsong ditutup dengan end cap kedua dengan cara pengelasan memakai las gaya magnetik. Dalam waktu bersamaan diisikan pula gas He. Bekas-bekas lasan luar dihilangkan dengan mesin bubut dan dilakukan pembentukan tutup ujung elemen bakar nuklir sebagai proses pengerjaan akhir.
Setelah elemen bakar selesai dibuat, dilakukan perakitan menjadi perangkat bakar nuklir. Sebanyak 18 buah elemen bakar yang telah dipersiapkan pada tahapan sebelumnya, disusun pada alat pemegang (jig and fixture) yang dilengkapi dengan pelat ujung. Pengelasan dilakukan satu persatu melalui urutan tertentu dengan memakai sistem las titik (resistance spot welding).
Tahapan paling akhir yang dilakukan adalah proses oksidasi berkas elemen bakar dengan alatautoclaving. Proses ini dimaksudkan untuk membentuk lapisan tipis oksida-ZrO2 pada permukaan batang elemen bakar yang akan meningkatkan ketahanan korosi perangkat bakar dalam servisnya di teras reaktor. Autoclaving dilakukan dalam tungku bejana tekan yang berisi uap air pada temperatur sekitar 400 0C dan tekanan 10 atm selama waktu 24 jam.
Pengujian Kualitas
Pengujian dilakukan terhadap serbuk UO2 dan pelet UO2 serta Zircaloy (kelongsong, bar dan strip) bertujuan untuk mengendalikan dan mem-pertahankan kualitas produk – perangkat bakar.
Pengujian untuk serbuk uranium dioksida meliputi pengujian komposisi isotopik uranium, komposisi kimia (kandungan uranium total, O/U ratio, kadar pengotor, kadar air, kadar Cl- dan F), ukuran partikel, densitas ketuk, dan luas muka.
Pengujian kualitas pelet UO2 hasil sinter meliputi pengujian geometri, kekasaran permukaan, struktur mikro, komposisi isotopik uranium, O/U ratio, kandungan F dan Cl, kandungan C (karbon), H (hidrogen) dan N (nitrogen).
Pengujian bahan Zircalloy meliputi pengujian ultrasonik, metalografi, korosi, kimia (kandungan C, kandungan N, kandungan H, dan komposisi Fe, Cr, Ni, Sn.).
Pengujian elemen bakar (batang bahan bakar), meliputi pengujian visual, dimensi, kebocoran, kontaminasi Uranium pada permukaan elemen bakar, tekanan internal gas elemen bakar, struktur mikro lasan end cap - kelongsong, uji mekanik (uji tarik, uji sobek).
Pengujian perangkat bakar (fuel bundle) meliputi pengujian visual, dimensi, kebocoran, kontaminasi Uranium, berat perangkat bakar, struktur mikro lasan end plate – elemen bakar, uji mekanik (ketahanan puntir lasan end plate).
Penutup
Kemampuan dan penguasaan teknologi produksi bahan bakar nuklir diharapkan dapat meningkatkanbargainning power terhadap opsi domestifikasi industri bahan bakar nuklir yang merupakan salah satu upaya strategis untuk memperkuat dan meningkatkan kapasitas nasional dalam program introduksi PLTN pada tahun 2025, maupun untuk mendukung pengembangan dan penerapan sistem energi nuklir inovatif di masa mendatang dalam kerangka pembangunan yang berkelanjutan.
Kegiatan pengembangan teknologi yang saat ini sedang dilaksanakan di IEBE diprioritaskan untuk mendapatkan:
- Pemurnian dan konversi Yellow Cake menjadi serbuk UO2 derajat nuklir, dan
- Fabrikasi perangkat bakar nuklir untuk PLTN tipe reaktor air berat (HWR).
Produk serbuk UO2 kemudian dikirim ke bagian fabrikasi untukdiproses lebih lanjut menjadi produk akhir berupa perangkat bakar nuklir (fuel bundles). Proses fabrikasi meliputi: pembuatan pelet UO2sinter, penyiapan komponen dan perakitan elemen bakar, serta perakitan perangkat bakar nuklir.
IEBE pada dasarnya adalah pabrik bahan bakar nuklir skala pilot dengan kapasitas produksi 100 kg serbuk UO2 per-hari dan 3 perangkat bakar HWR per-hari. Instalasi ini dibangun untuk meningkatkan kapasitas dan daya saing ilmiah-teknis nasional dalam pengembangan dan penerapan sistem energi nuklir yang berkelanjutan.
BongkahanYellow Cake (dalam wadah drum 200 liter) dihancurkan dan kemudian diayak. Butiran yang lolos ayakan dilarutkan dalam asam nitrat (HNO3) membentuk larutan uranil nitrat (UNH) untuk umpan proses pemurnian. Pelarutan ini sekaligus memisahkan unsur-unsur pengotor yang tak larut dalam asam nitrat. Pemisahan dilakukan dengan cara sentrifugasi.
Larutan UNH bebas pengotor tak larut, dibawa ke seksi pemurnian untuk diambil pengotor terlarut dengan metode ekstraksi pelarut organik (TBP-Kerosene). Proses pemurnian ini menggunakan duaMixer Settler, yang pertama untuk ekstraksi (pengambilan pengotor) dan yang kedua untuk re-ekstraksi (pengambilan U-murni).
Proses ekstraksi diawali dengan mereaksikan UNH dengan TBP - Kerosene. Reaksi ini menghasilkan kompleks organik (UO2(NO3)2.TBP) yang larut dalam kerosene. Oleh karena pengotor tidak beraksi dengan TBP dan tetap berada dalam fasa air, maka pengotor dapat dipisahkan dari uranium fasa organik dalam kerosene.
Proses re-ekstrasi dilakukan dengan mereaksikan larutan uranium fasa organik dengan asam nitrat encer. Uranium dalam fasa organik akan bereaksi dengan asam nitrat membentuk fasa air UNH yang terpisah dari TBP-Kerosene. Larutan UNH murni ini kemudian dipekatkan dengan cara penguapan, dan selanjutnya direaksikan dengan NH4OH membentuk endapan ammonium diuranate (ADU - (NH4)2U2O7). Endapan ADU dipisahkan dari air induknya dengan sentrifugasi.
Endapan ADU yang diperoleh kemudian dikeringkan dengan aliran udara panas dan selanjutnya dikalsinasi pada temperatur 700 oC dalam atmosfir udara. Proses ini akan menghasilkan serbuk U3O8. Untuk mendapatkan serbuk UO2, dilakukan proses reduksi oksida terhadap serbuk U3O8. Proses dilakukan dengan cara memanaskan serbuk U3O8 pada temperatur 700 oC dalam atmosfir gas hidrogen.
Serbuk UO2 hasil reduksi kemudian dipasifkan dengan cara mengalirkan campuran udara dan nitrogen pada suhu kamar. Proses ini bertujuan agar UO2 yang diperoleh terlindungi dari kontak dengan uap air yang terkandung di udara. Apabila tidak dipasivasi, UO2 hasil reduksi akan bereaksi dengan uap air yang terkandung dalam udara membentuk U3O8 kembali.Fabrikasi Perangkat Bakar
Proses fabrikasi perangkat bakar di IEBE meliputi: pembuatan pelet UO2 sinter, pembuatan komponen perangkat bakar (spacer, pad, end cap, end plate, dan penyiapan kelongsong), perakitan elemen bakar dan perangkat bakar. Bahan dasar yang digunakan meliputi serbuk UO2 alam, zircaloy-2 (tube, strip dan bar), serbuk grafit, dan beryllium strip.
Salah satu komponen utama elemen bakar nuklir reaktor daya tipe LWR maupun HWR adalah pelet UO2densitas tinggi berbentuk silindris. Pelet ini dibuat dari serbuk UO2 melalui proses kompaksi dingin dan sintering suhu tinggi (1700oC) dalam suasana gas hidrogen.
Tujuan peletisasi UO2 adalah mendapatkan densitas bahan bakar yang tinggi (94 – 96% densitas teori), menciptakan kungkungan yang kuat bagi nuklida hasil fisi, serta mendapatkan geometri yang seragam dan standar sesuai persyaratan.
Proses peletisasi diawali dari pencampuran serbuk UO2 dengan pelumas Zn-stearat dan kemudian dikompakan dengan mesin kompaksi. Kompakan UO2 yang diperoleh kemudian dihancurkan lagi dan dibentuk butiran-butiran melalui proses crushing, granulating and sieving.
Proses granulasi dilakukan mengingat serbuk UO2 yang digunakan adalah serbuk hasil proses pengendapan ADU yang berukuran halus dan berbentuk tidak beraturan sehingga sangat sulit dikompakkan secara dingin (cold pressing).
Terhadap butiran UO2 kemudian dilakukan proses pengompakan akhir secara dingin menjadi pelet mentah (green pellet) yang harus memenuhi persyaratan dimensi dan densitas (50 - 60% densitas teori). Densitas pelet mentah yang diperoleh sangat dipengaruhi oleh tekanan pengompakkan, karakteristik serbuk, dan adanya bahan tambahan atau aditif.
Untuk mendapatkan pelet berderajat keramik dan memiliki densitas tinggi (sekitar 95% densitas teori) dilakukan proses penyinteran terhadap pelet mentah.
Secara umum penyinteran didefinisikan sebagai suatu proses dimana serbuk yang dicetak-tekan menjadi massa yang kompak melalui pemanasan pada temperatur di bawah titik leburnya.
Di IEBE proses penyinteranpelet UO2 dilakukan pada temperatur sekitar 1700 oC selama 3 – 4jam dalam suasana atmosfir reduksi (gas H2). Proses sintering ini akan menghasilkan pelet UO2 berderajat keramik yang keras dan kuat dengan densitas 95 – 96 % densitas teori UO2.
Pembuatan bantalan (spacer & pad) diawali denganpemotongan lembaran zircalloy menjadi pelat kecil (sub pelat). Kemudian salah satu sisi sub pelat dilapisi dengan berilium (Be) yang dilakukan dalam mesin penguap Be. Mengingat toksisitas Be yang tinggi, pekerjaan pelapisan dilakukan di ruang khusus untuk menangani Be. Sub pelat yang telah terlapisi Be kemudian dibentuk menjadi penjarak (spacers) dan bantalan (pads) dengan mesin press yang dilakukan di dalam glovebox.
End capsdibentuk dari Zircalloy rod, setelah dipotong kemudian dibubut dengan mesin bubut pusat (SchaublinLathe). Adapunend plates dibuat dari lembaran/pelat Zircalloy yang dipotong sesuai persayaratan ukuran kemudian di-milling. Setiapend plate diberi cap (tanda) untuk memudahkan dalam perakitan berkas (identifikasi).
Proses selanjutnya adalah melapisi permukaan bagian dalam kelongsong dengan grafit. Pelapisan dilakukan dengan mengalirkan suspensi koloidal grafit ke dalam kelongsong sehingga terbentuk lapisan tipis, dan kemudian dipanggang dalam vakum tinggi grafit yang menempel dengan kuat.
Tahapan proses perakitan elemen bakar (pin) meliputi pengelasan end cap pertama dengankelongsong, pemasukan baris pelet UO2 sinter ke dalam kelongsong yang salah satu ujungnya telah ditutup dengan end cap, pengelasan end capkedua, pengerjaan akhir ujung-ujung batang dan pencucian.
Proses pengelasan end cap - kelongsong dilakukan dengan mesin las restansi gaya magnit (magnetic force resistance welding machine) di dalam kotak khusus yang kedap udara ( welding box ) sehingga kotak tersebut bisa divakumkan dan diisi kembali dengan gas pelindung las ( He, Ar ). Tujuan pemvakuman ini adalah untuk menghindari oksidasi selama proses pengelasan. Tekanan pemvakuman mencapai 10 -3 torr dan tekanan gas pelindung sekitar 1 atm.
Selanjutnya kelonsong diisi dengan pelet UO2sinter yang telah dikeringkan pada kondisi vakum tinggi. Kemudian kelongsong ditutup dengan end cap kedua dengan cara pengelasan memakai las gaya magnetik. Dalam waktu bersamaan diisikan pula gas He. Bekas-bekas lasan luar dihilangkan dengan mesin bubut dan dilakukan pembentukan tutup ujung elemen bakar nuklir sebagai proses pengerjaan akhir.
Setelah elemen bakar selesai dibuat, dilakukan perakitan menjadi perangkat bakar nuklir. Sebanyak 18 buah elemen bakar yang telah dipersiapkan pada tahapan sebelumnya, disusun pada alat pemegang (jig and fixture) yang dilengkapi dengan pelat ujung. Pengelasan dilakukan satu persatu melalui urutan tertentu dengan memakai sistem las titik (resistance spot welding).
 |  |  |
Pengujian Kualitas
Pengujian dilakukan terhadap serbuk UO2 dan pelet UO2 serta Zircaloy (kelongsong, bar dan strip) bertujuan untuk mengendalikan dan mem-pertahankan kualitas produk – perangkat bakar.
Pengujian untuk serbuk uranium dioksida meliputi pengujian komposisi isotopik uranium, komposisi kimia (kandungan uranium total, O/U ratio, kadar pengotor, kadar air, kadar Cl- dan F), ukuran partikel, densitas ketuk, dan luas muka.
Pengujian kualitas pelet UO2 hasil sinter meliputi pengujian geometri, kekasaran permukaan, struktur mikro, komposisi isotopik uranium, O/U ratio, kandungan F dan Cl, kandungan C (karbon), H (hidrogen) dan N (nitrogen).
Pengujian bahan Zircalloy meliputi pengujian ultrasonik, metalografi, korosi, kimia (kandungan C, kandungan N, kandungan H, dan komposisi Fe, Cr, Ni, Sn.).
Pengujian elemen bakar (batang bahan bakar), meliputi pengujian visual, dimensi, kebocoran, kontaminasi Uranium pada permukaan elemen bakar, tekanan internal gas elemen bakar, struktur mikro lasan end cap - kelongsong, uji mekanik (uji tarik, uji sobek).
Pengujian perangkat bakar (fuel bundle) meliputi pengujian visual, dimensi, kebocoran, kontaminasi Uranium, berat perangkat bakar, struktur mikro lasan end plate – elemen bakar, uji mekanik (ketahanan puntir lasan end plate).
Penutup
Kemampuan dan penguasaan teknologi produksi bahan bakar nuklir diharapkan dapat meningkatkanbargainning power terhadap opsi domestifikasi industri bahan bakar nuklir yang merupakan salah satu upaya strategis untuk memperkuat dan meningkatkan kapasitas nasional dalam program introduksi PLTN pada tahun 2025, maupun untuk mendukung pengembangan dan penerapan sistem energi nuklir inovatif di masa mendatang dalam kerangka pembangunan yang berkelanjutan.
Kegiatan pengembangan teknologi yang saat ini sedang dilaksanakan di IEBE diprioritaskan untuk mendapatkan:
- Kemampuan memproduksi pelet UO2 sinter sesuai persyaratan,
- Kemampuan melaksanakan pengelasan tutup ujung – kelongsong sesuai spesifikasi,
- Kemampuan melaksanakan sintesa dan karakterisasi bahan struktur elemen bakar nuklir (zircalloy),
- Kemampuan melaksanakan uji kualitas sesuai standar yang ditetapkan, serta
- Kemampuan mengelola instalasi nuklir yang aman dan selamat.
(Bambang Herutomo (herutomo@batan.go.id)
Categories:
Artikel
,
Pengetahuan
0 komentar:
Post a Comment