ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

ANALISIS KOMPOSISI KIMIA SERBUK HASIL PROSESHYDRIDING-DEHYDRIDING PADUAN U-Zr

Asminar, Rahmiati, Siamet Pribadi

ABSTRAK

ANALISIS KOMPOSISI KIMIA SERBUK HASIL PROSES HYDRIDING-DEHYDRIDING

PADUAN U-Zr. Telah dilakukan analisis komposisi kimia serbuk hasil proses hydriding­dehydriding paduan U-Zr menggunakan alat Spektrofotometer Serapan Atom. Cuplikandengan kadar paduan yang di ke~akan masing-masing 2%, 6%, 10%, dan 14% beratdianalisis dalam fasa air dengan media asam nitrat. Uranium yang merupakan unsurmayor dalam larutan harus dipisahkan terlebih dahulu karena mengganggu dalampenentuan unsur-unsur tersebut. Pemisahan dilakukan dengan ekstraksi pelarutmenggunakan Tri Butil Posfat-Hexan sebagai ekstrakstor. Tujuan percobaan ini untukmengetahui unsur-unsur pegotor di dalam bahan bakar U-Zr hasil leburan dan kadar Zr didalam leburan. Hasil analisis untuk contoh paduan 2 % diperoleh kandungan Zr = 1.974%,untuk contoh paduan 6% diperoleh kandungan Zr = 5,868 %, untuk contoh paduan 10%diperoleh kandungan Zr = 10,523%, untuk contoh paduan 14 % diperoleh Zr = 13,974%. Untuk unsur pengotor sebagian besar masih memenuhi persyaratan sebagai bahanbakar, kecuali unsur AI dan Ca.

Kata kunci : U-Zr, Analisis, Ekstraksi

PENDAHULUAN

Bahan Bakar Nuklir U-Zr merupakan bahan utama yang digunakan untuk membuatelemen bakar nuklir reaktor riset. Dalam proses pembuatan elemen bakar nuklir selalu diperlukanbahan bakar nuklir yang mempunyai tingkat kemurnian tinggi (nuclear grade). Meskipun bahan bakarmasih mengandung unsur-unsur pengotor tetapi unsur-unsur pengotor tersebut harus tetapmemenuhi spesifikasi yang telah ditetapkan untuk pembuatan elemen bakar nuklir. Kandunganunsur-unsur pengotor dalam bahan bakar nuklir itu perlu diketahui secara pasti jumlahnya karena dapatmengganggu proses yang te~adi dalam reaktor. Zirkonium mempunyai sifat mekanis dan fisis yanglebih baik dibanding bahan lainnya terutama dalam daya serap netron termalnya yang sangat rendah,sehingga tidak mengurangi netron termal yang dibutuhkan untuk reaksi fisi yang terjadi didalam reaktornuklir(1).

Unsur-unsur pengotor yang menyertai bahan nuklir antara lain unsur: Cu, Cd, Fe, Mn,Mg, U, Cr, Ni, dan Zn . Adanya unsur-unsur pengotor yang melebihi dari spesifikasi yang telahditentukan dapat menurunkan kualitas dari bahan bakar nuklir tersebut. Sebagai contoh unsur Cdmempunyai tampang serap neutron yang tinggi, sehingga akan mengganggu operasi di dalamreaktor. Berkenaan dengan sifat netronik tersebut maka kandungan unsur pengotor harus dibatasijumlahnya dalam bahan bakar. Dengan demikian keberadaan unsur-unsur tersebut betul-betulharus diperhatikan.

Salah satu teknik yang digunakan untuk menentukan kandungan pengotor adalah dengancara spektrofotometri serapan atom . Spektrometri serapan Atom adalah suatu metode yang dapatdigunakan untuk analisis unsur-unsur dalam suatu bahan berdasarkan penyerapan energi olehatom-atom yang berada pada tingkat dasar untuk mengeksitasi elektron terluar proses penyerapanenergi terjadi pada panajng gelombang yang spesifik dan karakteristik untuk tiap unsur. Prinsiputama dari metode SSA bahwa, bila larutan suatu senyawa tertentu diaspirasikan ke dalam nyala makasenyawa ini akan menguap lalu akan terurai menjadi uap-uap atom bebas (proses atomisas/). Uap-uapatom bebas tersebut akan menyerap energi radiasi yang berasal dari lampu katoda cekung padapanjang gelombang yang khas dan karakteristik untuk setiap unsur. Akibat dari proses penyerapanradiasi tersebut elektron dari atom-atom bebas tereksitasi ketingkat energi yang lebih tinggi. Intensitas

53

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

radiasi yang diserap sebanding dengan jumlah atom dalam contoh sehingga dengan mengukurintensitas radiasi yang diserap (absorbansi) atau mengukur intensitas radiasi yang diteruskan(transmitasi), maka konsentrasi unsur di dalam cuplikan dapat ditentukan(3).

Metoda analisis ini banyak dipakai untuk menentukan kadar unsur logam dalam suatubahan. Penggunaan spektrometri serapan atom (SSA) untuk analisis unsur logam memberikankeuntungan berupa sensitivitas yang cukup tinggi, waktu analisa relatif singkat ketelitian danketepatan dapat dipercaya dan tanpa pemisahan dari logam-Iogam pengganggu lainnya. (6).

Hubungan serapan dengan konsentrasi atom dirumuskan dalam hukum Lambert Beer yaitu :

Log lollt = A (1)

am.b.c = A (2)

dim ana :

10 = Intensitas mula-mula

It = Intensitas sinar yang diteruskan

am = koefisien serapan media

b = panjang burner

c = kepekatan atom-atom yang mengabsorpsi

Karena am dan b merupakan suatu yang tetap, maka serapan contoh dapat langsungdibandingkan dengan serapan larutan standar yang telah diketahui konsentrasinya dengan membuatsuatu grafik antara konsentrasi dan absorbansi..

Karena am dan b merupakan suatu yang tetap, maka serapan contoh dapat langsungdibandingkan dengan serapan larutan standar yang telah diketahui konsentrasinya dengan membuatsuatu grafik antara konsentrasi dan absorbansi seperti grafik dibawah ini :

grafik hubungan absorbansl vs konsentrasl unsur Zr y= 0.000x _0.023R2 = 0.999

0.30.25

~ 0..2<If

of! 0.15o~ 0.1

0.05

oo 500

konsentrasl

1000 1500 2000

Dengan membuat kurva hubungan absorbansi terhadap konsentrasi unsur logam yang adadalam larutan standar maka akan diperoleh garis lurus dengan persamaan (2):

Y = ax + b (3)

Dengan menginterpolasikan absorbansi yang diperoleh dari pengukuran dalam unsurlogam dalam cuplikan dapat diketahui. Kadar dari masing-masing unsur pengotor dalam cuplikandapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

54

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

Kadar logam = A x V ~g/g (4)

B

dengan :

A = konsentrasi (hasil interpolasi dari kurev kalibrasi

V = Volume labu untuk pengenceran contoh (ml)

B = Berat cuplikan (g)

Untuk dapat dilakukan analisis dalam bahan paduan harus dilarutkan terlebih dahulu agardapat dilakukan analisis. Proses pelarutan paduan Uranium dengan Zirkonium dilakukan denganmenggunakan air raja dan asam florida pekat. Zirkonium hanya membentuk satu oksida yangpenting yaitu zirkonia Zr02, yang bersifat amfoter. Garam-garam zirkonium normal , seperti ZrCI4,mudah terhidrolisis dalam larutan sehingga menjadi garam-garam zirkonil yang mengandung radikalbivalen Zr02+. Zirkonium juga mudah membentuk ion-ion kompleks seperti heksafluorozirkonat (IV)[ZrF6f yang dihasilkan dengan memanaskan zirkonia dengan kalium hidrogen fluorida (5).

Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui Kandungan Zr dan Uranium dalam paduanUranium-Zirkonium hasil peleburan menggunakan alat Spektrofotometer Serapan Atom. Untukkandungan Uranium digunakan alat Titroprosessor.

TAT A KERJA

Bahan :

Paduan U-Zr, Asam nitrat 65 %, Larutan standar unsur Zr, Udara tekan, Gas Acetilen, Gas nitrogenOxide, Air bebas mineral, Asam Florida pekat

Alat:

- SSA, Varian model AA1475, Stabilizerr, Timbangan Analitik, Alat-alat gel as, Botol contoh,Pemanas Listrik, fumehood

Cara Kerja

• Persia pan larutan standar.

Table 1. Data konsentrasi larutan standard untuk masing-masing unsur

No. Unsur Konsentrasi (DDm)1.

Mn 1242.

Ni1.63.26.43.

Cd0.10.20.44.

MQ0.10.20.35.

Cr 2466.

Cu 1237.

Li0.40.81.08.

Fe 2469.

Zn0.10.20.410.

Co1.63.26.411.

AI204010012.

Zr507.61015.21522.8

55

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

• Persia pan Larutan Contoh

Larutan contoh uji yang dibuat terdiri dari paduan U-Zr 2%, paduan U-Zr 6%, paduan U-Zr 10% dan paduan U-Zr 14%. Masing masing contoh uji dipotong dan di timbang sebanyak 1,0gram kemudian dilarutkan dengan 2 ml HF dan diuapkan, lalu di dinginkan, tambahkan 10 ml HN033 M, dipanaskan kembali sampai kisat, larutan yang terjadi diencerkan dengan HN03 3 M dalamlabu ukur 25 ml dan ditepatkan hingga tanda batas dengan air bebas mineral. Langkah selanjutnyamasing-masing larutan di pipet 25 ml dan diektraksi dengan 25 ml TBP:Hexan dalam perbandingan7:3 untuk memisahkan unsur pengotor dari uraniumnya, campuran kedua fasa didiamkan selama 5menit sehingga fasa air dan fasa organik terpisah dengan baik sedangkan fasa airnya dianalisismenggunakan alat SSA. Ekstraksi ini diulang dua kali.

• Persia pan larutan blanko

Dibuat larutan blanko dengan menggunakan pereaksi yang sama dengan persiapan seperti terhadaplarutan contoh.

• Pengukuran dengan SSA- Ke dalam nyala dialirkan air dan penunjukan alat ukur dibuat nol- Setelah itu ke dalam nyala berturut-turut dialirkan larutan standar dari unsur yang dianalisis mulai

dari konsentrasi yang terkecil.- Dicatat absorbansi dari setiap larutan standar.- Kemudian larutan contoh dialirkan ke dalam nyala, dan dicatat nilai absorbansi dari unsur yang

dianalisis.

- Kemudian dihitung konsentrasi cuplikan yang ada dalam larutan dengan menggunakan regresilinear.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Tabel 2. Data hasil pengukuran absorbansi kandungan unsur-unsur pengotor dalam larutan standar

No. Unsur Konsentrasi dan Absorbansi standar

1.

MnKonsentrasi124Absorbansi

0.0160.0350.059

2.

NiKonsentrasi1.63.26.4Absorbansi

0.0120.020.035

3.

CdKonsentrasi0.10.20.4Absorbansi

0.0410.0780.134

4.

MgKonsentrasi0.10.20.3Absorbansi

0.0150.030.046

5.

CrKonsentrasi24 6Absorbansi

0.010.0160.022

6.

CuKonsentrasi12 3Absorbansi

0.0160.0350.048

7.

LiKonsentrasi0.40.81.0Absorbansi

0.0240.0450.09

8.

FeKonsentrasi24 6Absorbansi

0.0120.0230.037

9.

ZnKonsentrasi0.10.20.4Absorbansi

0.0050.0070.012

56

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

10. CoKonsentrasi1.63.26.4Absorbansi

0.0150.0230.036

11.

AIKonsentrasi2040100Absorbansi

0.0190.0370.085

12.

ZrKonsentrasi507.61015.21522.8Absorbansi

0.0750.1860.29

Tabel 3. Absorbansi masing-masing sampel

No. Unsur Absorbansi sampel(2%)

(6 %)(10 %)(14 %)

1.

Mn0.0020.0010.0020.003

2.

Ni0.004-0.0050.0040.011

3.

Cd0.001-0.0040.001-0.008

4.

Mg0.0050.0330.0250.036

5.

Cr0.0060.010.0130.017

6.

Cu0.0070.0220.0230.006

7.

Li-0.0080.019-0.007-0.009

8.

Fe0.0170.0170.0120.027

9.

Zn0.0110.0130.0280.021

10.

Co-0.006-0.003-0.005-0.006

11.

AI0.0080.0080.0180.021

12.

Zr0.0060.0970.0450.049

Dengan menginterpolasikan absorbansi cuplikan ke dalam kurva kalibrasi hubungan antarakonsentrasi larutan standar terhadap absorbansi dari larutan contoh, maka konsentrasi dari unsur Zryang terdeteksi dapat dketahui. Pada Gambar 1 ditampilkan kurva interpolasi unsur Zr

graflk hubungan absorbansl vs konsentrasi unsur Zr y = o,ooOx _ 0,023R"= 0,999

Q3Q~I Q2i 0,15oi 0.'

0,00°

o 500

konsentrasl

1000 1500 2000

Gambar 1. Grafik hubungan absorbansi vs konsentrasi unsur Zr

57

Hasil-hasH Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

Dengan menginterpolasikan absorbansi unsur Zr ke kurva kalibrasi maka diperoleh onsentrasiZr dalam larutan tersebut sebesar 513.5 ppm, selanjutnya dengan menggunakan rumus padapersamaan (4) didapat :

(513.5 I-Ig/mL)(50 mL)

Kadar Zr (%) = ---------------- 100%

1.3005 9

= 1.974%

Tabel 4. Data hasH uji unsur Zr dalam paduan U-Zr dan kandungan Uranium dalam logam U

Yang direncanakan Hasil ujiKandungan Udalam U Logam2%

1.974

6%

5.86899,64 %

10 %

10.523

14 %

13.974

Tabel5. HasHanalisis paduan U-Zr dan pengotor

HasH analisisSertifikat

No.

Unsur (ppm)

2%

6 %10 %14 %

1.

Mn< LD< LD< LD< LD±5

2.

Ni25.4<LD5.2470.26± 30

3.

Cd< LD< LD<LD<LD±2

4.

Mg24.35224.29614.25624.662± 50

5.

Cr36.45119.145137.25236.76± 100

6.

Cu20.76721.64821.4 7518.98020

7.

Ca105.454108.883110.976113.367

8.

Fe27.65518.5510.023.31

9.

Zn15.12118.20917.79720.508100

10.

Co8.4716.9217.8715.88510

11

AI456.555538.744395.803340.988600

12

Zr1.9745.86810.52313.974

KESIMPULAN

Dari hasH analisis Uranium-Zirkonium hasH peleburan seperti terlihat pad a tabel 1. terdapatpenyimpangan untuk contoh yang direncanakan 2% hasH uji sebesar 1.9861 %, untuk contoh yangdirencanakan 6% hasil uji sebesar 5.868%, untuk contoh yang direncanakan 10% hasH uji sebesar10.523%, untuk contoh yang direncanakan 14% hasHuji sebesar 13.974% . bHadilihat hasH diatas maka

58