1

Teknologi Pembuatan Bahan Bakar Pelet Reaktor Daya Berbasis Thorium Oksida

EXECUTIVE SUMMARY

Dalam rangka untuk mengatasi adanya kekurangan energi yang terjadi di

dalam negri saat ini, maka banyak penelitian yang bermunculan tentang pembangkit

energi yang ramah lingkungan dan tidak lagi menggunakan bahan bakar fosil seperti

minyak bumi, gas dan batu bara. Hal ini dilakukan untuk mengantisipasi adanya

semakin menipisnya cadangan bahan bakar fosil di dunia saat ini dan semakin

mahal serta kurang ramah lingkungan.

PLTN dengan bahan bakar (BB) berbasis thorium makin menarik perhatian

dunia apalagi bila dikaitkan dengan kecelakaan nuklir di Fukushima Jepang akhir-

akhir ini.

Penggunaan bahan nuklir berbasis thorium oksida telah dikembangankan oleh

beberapa negara maju sebagai bahan bakar nuklir untuk mengurangi dan

menggantikan uranium yang banyak digunakan sebagai bahan bakar untuk

pembangkit listrik (PLTN) di dunia. Pada umumnya bahan bakar reaktor daya

sebagai reaktor pembangkit tenaga listrik, banyak menggunakan bahan bakar

berbentuk pelet yang mengandung uranium, yaitu UO2 (uranium oksida) atau PuO2

(Plutonium oksida). Penggunaan bahan bakar ini semakin ditinggalkan karena

dampak negatif yang ditimbulkan terhadap lingkungan dan dapat digunakan sebagai

senjata pemusnah masal. Cadangan thorium secara global jauh lebih besar dari

cadangan uranium di alam, yaitu sekitar 3 atau 4 kali dibandingkan dengan

uranium, oleh karena itu dapat menjadi sumber daya yang melimpah dan

berkelanjutan. Thorium bukan bahan fisil namun dapat diubah menjadi U-233

dengan mereksikannya dengan neutron menjadi isotop fisil.

Di sisi lain, logam thorium tersedia cukup melimpah di Indonesia dan murah,

karena monasit (yang mengandung thorium sekitar 0,26-14,9%) sudah ada sebagai

produk samping dari Tailing Pasir timah dan juga Terak II yang berasal dari Industri

tambang timah di Kep. Banka dan belitung, dan juga saat ini sudah ditemukan pula

bahan baku pasir timah di Kalimantan, Kep. Riau (Kondur) dan Halmahera.

Sehingga Indonesia tidak perlu lagi berhubungan dengan kartel uranium yang dapat

2

memainkan harga uranium sesuka hati. Lagi pula, limbah monasit membawa produk

samping yang berupa logam tanah jarang (di antaranya adalah Y, La, Ce, Pr, Nd)

yang mempunyai harga cukup mahal di dunia saat ini.

Bahan bakar Thorium oksida yang apabila digunakan sebagai bahan bakar nuklir

akan bereksi secara keseluruhan menjadi U233 dengan adanya neutron didalam

teras reaktor nuklir secara terus menerus dan sekaligus menghasilkan energi yang

dapat digunakan sebagi energi listrik.

Dengan telah berhasilnya penelitian yang dilakukan oleh Ki Won Kang dan

kawan-kawan dari Korea Atomic Energy Research Institute, mengenai pembuatan

bahan bakar pelet campuran thorium oksida dan uranium oksida dengan

perbandingan 65 % : 35 % berat (ThO2 dan UO2). P. Balakrishna) dan Kawan-

kawan dari Departmen of Atomic Energy Nuclear Fuel Complex, Hyderabad, India

juga telah melakukan penelitian bembuatan Blanket assemblies yang terdiri dari

bahan bakar nuklir berbasis thorium oksida yang digunakan untuk bahan bakar pada

teras Fast Breeder Reactor, menunjukkan bahwasanya logam thorium dapat

digunakan sebagai bahan bakar nuklir yang dapat dicampur dengan uranium untuk

dijadikan bahan bakar berbentuk pelet.

Pada penelitian ini telah dilakukan pembuatan bahan bakar pelet campuran

thorium oksida – uranium oksida dengan komposisi 70 % - 30 % berat, yang akan

digunakan untuk bahan bakar reaktor daya sebagai reaktor pembangkit listrik tenaga

nuklir. Pelet ThO2 bisa dibuat, sama seperti pelet UO2 cara perlakuaannya, melalui

pengolahan serbuk keramik; preparasi serbuk, pencampuran, “milling”, “pressing”

dan sintering. Hal ini secara umum dapat dilakukan dengan mengetahui sifat-sifat

dari serbuk thorium oksida seperti luas permukaan dan ukuran partikel, besar

partikel metode pencampuran dan teknologi sintering. Luas permukaan serbuk UO2

berkisar dari 2 sampai 5 g/m2, dan pelet hijau serbuk UO2 dapat disinter sekitar

1700oC. Perlu dicatat bahwa titik leleh ThO2 adalah 3300oC dan lebih tinggi 500°C

dari pada UO2 tersebut. Hal ini menunjukkan bahwa sintering ThO2 memerlukan

suhu yang lebih tinggi daripada UO2. Namun, sangat sulit dan tidak ekonomis untuk

menaikkan suhu sintering ThO2 di atas 1800°C. Sehingga sangat penting dalam

fabrikasi pelet ThO2 untuk mempersiapkan serbuk ThO2 yang dapat disinter pada

suhu relatif rendah. Untuk mendapatkan suhu sinter yang relatif rendah diperlukan

adanya teknik pencampuran secara baik.

3

Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah 3 buah pelet hasil sinter dan 3

buah pelet mentah dengan spesifikasi sebagai berikut :

Tabel 1. Hasil uji karakterisasi dari pelet (Th,U)O2 dengan perbandingan 30 % - 70 % ThO2 berat

Jenis serbuk

: (U+Th) Oksida eks pelarut HCl

Laju pemanasan : 250 der/jam

Posisi Hidrolik : 0

Suhu sinter : 1750 der C

Tinggi Dies

: 58

Waktu sinter : 4 jam

Posisi Punch

: 20

Laju pendinginan : 150 der/jam

Tekanan

: 5 MP

Atmosfir

: Helium

No.

Diameter Pelet (mm) Diameter Rata-rata

(mm)

Tinggi Pelet (mm) Tinggi Rata-rata

(mm)

Vol. Kotor Pelet (cc)

Vol. Bersih

(cc)

Berat Pelet

(g)

Densitas (g/cc)

Densitas Teoritis

(%) 1 2 3 1 2

Pelet Mentah

1 11,12 11,13 11,13 13,85 13,79 13,82 1,3427 1,3427 6,7631 5,0370 53,5846

2 11,16 11,16 11,16 14,07 14,08 14,08 1,3761 1,3761 6,9355 5,0400 53,6171

3 11,15 11,14 11,15 12,85 12,85 12,85 1,2529 1,2529 6,6159 5,2803 56,1731

Pelet Sinter

1 10,29 10,41 10,45 10,38 12,22 12,36 12,29 1,0401 1,0401 6,7043 6,4455 68,5694

2 10,51 10,42 10,47 10,47 12,47 12,44 12,46 1,0711 1,0711 6,8927 6,4352 68,4591

3 10,35 10,34 10,5 10,40 11,58 11,64 11,61 0,9851 0,9851 6,6559 6,7564 71,8768

Gambar 1. 5 buah pelet hasil sinter dan 3 buah pelet mentah dari pelet (Th,U)O2

dengan perbandingan 30 % - 70 % ThO2 berat

4

Gambar 2. Struktur mikro dari pelet (Th,U)O2 hasil sinter dengan perbandingan

30 % - 70 % ThO2 berat

Nilai True Density (TD) dari pelet (Th,U)O2 hasil sinter dengan perbandingan 30 % - 70 %

ThO2 berat adalah 9,4087 g/cc

Tabel 2. Hasil uji analisis komposisi serbuk thorium oksida menggunakan alat

uji Spektograf Emisi Atomik Spektroskopi

Nama

Contoh

Kode

Contoh

Label Parametrer Hasil Uji Satuan Metode Uji

Serbuk

Thorium

oksida

076/P/KA/10

Thorium

oksida

murni

B

Cd

Mg

Pb

Fe

Al

Cu

Cr

Si

0,12

< 0,10

< 5,00

1,51

11,59

13,16

<1,00

1,77

11,25

g/g

g/g

g/g

g/g

g/g

g/g

g/g

g/g

g/g

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

5

Thorium

oksida dari

pasir

monasit

B

Cd

Mg

Pb

Fe

Al

Cu

Cr

Si

0,102

< 0,10

< 5,00

1,07

9,17

8,47

<1,00

1,24

7,56

g/g

g/g

g/g

g/g

g/g

g/g

g/g

g/g

g/g

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Spek.emisi

Dari hasil yang diperoleh pelet (Th,U)O2 hasil sinter dengan perbandingan 30 % - 70 %

ThO2 mempunyai kualitas baik, dan dapat digunakan untuk dipakai sebagai bahan bakar

eksperiment pada operasi rektor daya pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN)