Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -2l Oktober 1998 ISSN 1410-2897

BAHAN-BAHAN UNTUK INDUSTRI REAKTOR NUKLIR53b

Soedyartomo SoentonoBATAN, JI. K.H. Abdul Rohim, Kuningan Barat, Mampang Prapatan, Jakarta 12710

ABSTRAK

BAHAN-BAHAN UNTUK INDUSTRI REAKTOR NUKLIR.Adanya reaktor nuklir dengan jumlah yang cukup besar,hampir 800 dewasa ini, Berta adanya kesinambungan baik dekomisioning maupun pembangunannya dengan jumlah reaktor nukliryang beroperasi selalu meningkat selama lebih dari empat dekade telah mengakibatkan tumbuhnya industri bahan-bahan untukkeperluan pembangunan clan operasi serta dekomisioning. Bahan-bahan untuk industri reaktor nuklir mencakup bahan yang jugadigunakan oleh berbagai industri lain dan bahan yang khusus hanya untuk keperluan reaktor nuklir seperti bahan bakar nuklir,bahan selimut, bahan struktur, bahan moderator, bahan pendingin, bahan retlektor, bahan perisai. clan bahan kendali. Bahan-bahankhusus untuk reaktor nuklir dibahas secara singkat dari segi sifat neutronik clan interaksinya dengan neutron clan radiasi Berta sifatketeknikan konvensional tertentu sesuai dengan keperluan penggunaannya. Dikemukakan pula status penelitian clanpengembangannya dalam mengantisipasi keinginan untuk memperpanjang waktu paksi reaktor nuklir, peningkatan keandalankeselamatan Berta penurunan paparan radiasi baik bagi pekerja, masyarakat, maupun lingkungan Berta kesinambungan tersedianyabahan bakar nuklir.

ABSTRACTNUCLEAR REACfOR MATERIALS. The existance of nuclear reactors in operation in a quite number, closes

currently up to 800, and the evidence of continuing their decommissioning as well as construction with the increasing number ofthe nuclear reactor in operation for more than four decades have led to the emergence of industries producing materials needed forconstruction, operation, and decommmisioning. Materials utilized for nuclear reactor industries cover various materials requiredalso by other industries and materials only utilized in nuclear reactors e.g. nuclear fuels, blanket materials, structural materials,moderators, coolants, reflectors, shieldings, and materials for controlling the nuclear chain reaction (neutron absorbing materials).The requirements of these materials cover special requirements, depending on their functions, e.g. their neutronic and interactionwith neutron and radiation behaviours as well as conventional engineering requirements are discussed briefly. The currentresearch and development of these materials are also briefly presented to anticipate the desire to lengthen the life-time of nuclearreactors, enhance the safety reliability, and decrease the exposure doses to the worker, public, and environment as well as thecontinuity of nuclear fuel availability.

KATA KUNCIBahan-bahan reaktor nuklir

PENDAHULUANyang diperlukan oleh reaktor nuklir saja. Sebagian lagi,misal bahan bakar nuklir, bahan untuk kendali reaktor,dsb, khusus diproduksi untuk memasok keperluanreaktor nuklir. Demikian pula berbagai bahan diperlukansebagai pasokan untuk industri bahan bakar nuklir baikyang umum digunakan oleh industri lain maupun yangkhusus hanya untuk industri bahan bakar nuklir. PadaGambar I. dapat dilihat keterkaitan berbagai industri(yang tentu saja memerlukan bahan tertentu) yangterkait dengan pembangunan dan operasi suatu reaktornuklir.

Pada saat ini hampir 800 reaktor nuklir beroperasidi dunia. terdiri atas lebih dari 440 reaktor daya (pLTN)dan lebih dari 320 reaktor riset yang memanfaatkanreaksi nuklir fisi (pembelahan) dengan neutron termaldan beberapa reaktor nuklir menggunakan pembelahandengan neutron cepat. Puluhan reaktor nuklir telahdidekomisioning dan puluhan pula sedang dibangun.Jumlah reaktor nuklir yang beroperasi selalu meningkatsejak lebih dari 4 dekade daD telah menumbuhkanindustri yang menghasilkan bahan-bahan yang diper-lukan baik untuk konstruksi maupun operasi reaktornuklir serta dekomisioningnya baik dalam bentukkomponen, instmmen, alat, maupun masih dalam bentukbahan, misal air (termasuk air berat) untuk pendinginmaupun moderator neutron (dapat pula berbentuk gas,grafit). 8udah barang tentu sebagian dari bahan yangdiperlukan diproduksi oleh berbagai industri yangmemasok keperluan komponen, instrumen, alat, danbahan untuk berbagai kepentingan tidak khusus untuk

Sebagai contoh dalam pembangunan reaktornuklir untuk pembangkit listrik (pL1N) 1000 MW tipeair tekan (Pressurized Water Reactor, PWR) diperlukanpipa 60.000 m, bahan di las 50.000 m, pompa 280,

berbagai wadah/tangki 260, penukar panas 250, berbagaikatup 12.650 yang terdiri dari 10.600 yang dioperasikansecarn manual, 450 dioperasikan dengan motor, dan 1600dipasang untuk untai ukur. OJ samping itu komponenlistrik yang diperlukan mencakup transformer besar 21,

Soedyartomo Soentono22

Prosiding Perlemuan Ilmiah Sains Materi 1/1Serpong, 20 -21 Oktober1998 ISSN 1410-2897

INDUSTRMESINPRESISI

USTRlKBERAT

MESINBERAT

MESINRING AN

..,INDUSTRlIELEKTRONIIC ,..,

liPEKWMNSiP /--/,,~~~~~...J;:- = INDUSTIUKIMIA -rt

INDUSTRI LOOAM.IIKiM~ DASAR--."UPERT AMBANGAN

Gambar I. Keterkaitan berbagai industri pada pembangunan danoperasi reaktor nuklir

kabeI430.000 m yang terdiri dari untuk voltage tinggi20.000 m dan voltase rendah 410.000 In, serta drive 900.Di samping itu diperlukan pula instrumen kendali yangterdiri dari video display 8 unit, rekorder 60, indikator500, aIarm winOOw 1000, cubicle 200, modul 16.000, dankabel instrumen 1.500.000 m. Sudah barang tentu PLTNjuga memerlukan pekerjaan sipil yang membutuhkan se-men 60.000 t. agregat 200.000 m3, conC1Ue 200.000 m3,formworl< 350.000 m2, reinforrement 20.000 t. embe<kledpart 2000 t., high tension steel 500 t., dan cat yang dapat SIFAT BAHAN UNTUK REAKTORdidekontaminasi 200.000 m2 [1,2J. Pada Tabell dapat NUKLIRdilihat kebutuhan bahan bakar, penga-yaan bahan bakar,moderator, daD bahan kelongsong (cladding) pada Pemilihan bahan untuk industri reaktor nuklirbelbagai reaktor nuklir (PLTN)[3J. harus memperhatikan sifat bahan yang diharapkan

Pada pembahasan selanjutnya. lingkup diba-tasi paling mendukung fungsinya dalam sistem reaktor

Tabel I. Kebutuhan bahan untuk HWR daD LWR

temtama hanya untuk bahan-bahan yang diper-lukanoleh reaktor nuklir yang menggunakan pembelahandengan neutron termal, yang tidak diperlukan olehindustri lain khususnya pada tahap konstruksi dantahap operasi, yaitu bahan bakar nuklir, bahan selimut,bahan struktur, bahan moderator, bahan pendingin,bahan

reflektor, dan bahan perisai, serta bahan kendali

(penyerap neutron) [4,5].

Jenis PLTN HWR PWR BWR

I

Daya MWeI

Kebutuhan Awa! :

I -lJ alam, t (U)i

-lJ kaya, t (U)i

% lJ-23S

-Separative ~ swuI

-Zircalloy, tI

-Kelongsong, krn

-Air befit, tI

I Konsumsi per tahun :I

-lJ alam, t (U)

I -lJ kaya, t (U)

% lJ.23SI

-Separative \\Ork, swui

-Zircalloy, tI

.Kelongsong, krn

-Air beratI

-Jumlah bundel EB

626 1031 610 1000 6S0 )000

84,0 135,0 220,0

49,7

2,46

157,5

17,3

123,0

363,3

82,0

2,46

260,1

28,S

203,0

296,1

89,0

1,90

177,4

24,6

121,2

364,0

109,4

1,90

218,1

30,3

149,0

.10,2

81,0

480,0

-

16,4

130,2

776,7

100.8 162,0 82,0

12,4

3,6

69,84,7

30,9

135,5

20,4

3,6

114,9

7,7

51,0

44

112,4

20,4

3,03

89,S

5,9

28,7

114

138,2

24,9

3,03

109,2

7,2

35,0

140

.17,7

92,6

5,0

5067

-

18,8

148,8

8.2

8143

-

27

Semua bilangan yang disajikan belum memperltitungkan gagalan

Soedyartomo Soentono 23

Prosiding Perlemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

lingan, dll. Bagi bahan di industri reaktor nuklir makafabrikabilitas ini sangat penting untuk diperhatikanterutama untuk tangki reaktor daD juga elemen bakar.Demikian pula fabrikabilitas sel penyungkup mempe-rtimbangkan sifat-sifat khusus tertentu sesuai tujuanpenggunaannya seperti interaksinya dengan neutron,sifat neutronik, radioaktivitas imbas, kestabilan terhadapradiasi, interaksi kimiawi, interdifusi partikel, kemudahanpenanganan dan olah ulang reaktor nuklir yang sangatbesar yang harus dapat dilakukan fabrikasinya dikondisi lapangan. Kemampuan bahan untuk dapatdibentuk dengan operasi mesin misal pemotongan,pengerolan, penempaan, pembubutan, dll juga sangatperin diperhatikan karena sifat ini mempengaruhiseberapa tipis lembar bahan masih dapat dibentukdengan mesin. Sebagai contoh konponen strukturreaktor nuklir hanya dapat dikonstruksi setelah terbuktibahwa bahan nuklir (bahan dengan kualitas tertentusehingga sifatnya terhadap reaksi nuklir, radiasi,neutronik memenuhi syarat sebagai bahan yangdigunakan dengan fungsi tertentu dalam reaktor nuklir)yang dipilih dapat difabrikasi daD dibentuk denganmesin.

nuklir itu sendiri, khususnya bahan yang digunakan dibagian pulau nuklir (bagian di mana reaksi nuklir misalreaksi berantai neutro~ dengan bahan bakar, reaksiaktivasi den~ partikel radiasi, aktivasi imbas, medanradiasi yang berpotensi untuk menimbulkan bahayaradiasi) yang harus mempunyai integritas dan keandalankeselamatan yang tinggi. Pacta dasarnya pemilihanbahan haruslah memperhatikan sifat-sifat keteknikankonvensional tertentu sesuai dengan tujuan peng-gunaannya seperti kekuatan mekanik, keliatan, keuletan,integritas struktur, fabrlkabilitas, dapat dibentuk dengan

mesin, ketahanan terhadap korosi, penghantar panas,kestabilan tennal, kompatibilitas bahan, dan tentu sajaketersediaan di pasaran daD harga. Di samping itupemilihan bahan seperti yang telah disebut di muka jugahams mempertimbangkan sifat-sifat khusus tertentusesuai penggunaanya seperti interaksinya dengan neu-tron, sifat neutronik, radio-aktivitas imbas, kestabilanterhadap radiasi, interaksi kimiawi, interdifusi partikel,kemudahan penanganan dan olah ulang.

a. Sifat umum baban untuk Reaktor nuklir

Sifat umum bahan untuk reaktor nuklir yangbarns dipertimbangkan dalam pe:milihannya padadasarnya meliputi sifat-sifat yang umum diperlukanuntuk bahan industri lainnya seperti terlihat padaTabel2 [4].

Kekuatan mekanik adalah kemampuan suatubahan atau bagian struktur menahan tekanan yang hamsditahannya akibat beban eksternal atau pelayanan. Padaumumnya kekuatan mekanik bahan haruslah cukupmemadai/mampu memikul fungsinya pada operasireaktor. Keliatan adalah sifat mekanik bahan untukmampu berubah bentuk (berdeformasi) dalam me nahantegangan tanpa gagal melaksanakan fungsinya,sedangkan keuletan adalah kemampuan menahan bebankejut baik mekanik maupun termal tanpa gagal fungsi(dapat diketahui dengan melihat kekuatan impaknya),sering pula diartikan sebagai gabungan kekuatanmekanik dan keliatan bahan. Integritas struktur adalahkestabilan mekanik suatu struktur, misal integritas elemenbakar dan batang kendali di dalam reaktor nuklir. Suatubahan dalam suatu komponen yang digunakan daiamsuatu reaktor nuklir dapat terjamin integritasnya hilamempunyai kekuatan mekanik, keliatan/keuietan, danstabilitas mekanik yang mencukupi untuk digunakandalam kondisi operasi yang terjelek.

Fabrikabilitas adalah ukuran kelaikan suatubahan untuk dapat difabrikasi dengan proses standar

pembentukan, penyambungan, pengelasan, penge-

Tabe\ 2. Sifat umum bahan guna pemi\1

lukaan

padatan bersih danri

lap adanya bahan kimia,engotor berlebihan pada1m cairan pendingin

lcegahan terhadap adanyai tertutup, tabung, pipa, daD

19an basil fabrikasi dan arealan dengan mesin terhadap, yang statik maupun yang

Ketahanan terhadap korosi mernpakan sifatbahan logam yang selalu hams diperhatikan dalampemilihan bahan logam untuk digunakan di reaktornuklir. Tingkat ketahanan terhadap korosi dari bahanyang dipilih hams selalu disesuaikan dengan kondisioperasi yang akan dihadapi. Korosi yang tak dapatdiduga atau pernbahan cepat pada laju korosi sangatlahtidak diinginkan daD harns dihindari khususnya padasambungan, bagian tangki tekan yang kena perlakuanmesin, kelongsong bahan bakar, sistem pipa, dll yangrentan korosi pada reaktor air ringan (light water reac-tor, LWR). Kriteria untuk ketahanan terhadap korosi,berdasarkan basil percobaan daD pengalaman dalampraktek dapat dilakukan dengan melakukan hal-halsbb:

1. penjagaan agar permcairan pendingin mun

2. penghindaran terha(kontaminan, daD pipermukaan padatan d

3 .pemeriksaan dan pelkebocoran pada tangkkonduit

4. perlindungan sambullyang dikenai pengerj:serangan korosi, baildinamik

ihannya untuk bahan reaktor nuklir

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20- 21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

operasi reaktor nuklir.Ketersediaan bahan dan harga di pasaran adalah

pertimbangan ekonomi dasar dati suatu disain rekayasadaD juga pemilihan bahan. Betapapun sesuainya sifatbahan daD kesesuaiannya terhadap disain rekayasa,bahan tersebut haruslah tersedia secara komersial dipasar dengan harga yang cukup teljangkau. Pemilihanbahan dalam rekayasa reaktor nuklir memerlukanberbagai kompromi dan optimasi banyak faktor yanghams diperhatikan daD berpengaruh pada kinerja.Pertimbangan ekonomi pemilihan bahan menjadi salahsatu faktor dominan dalam industri reaktor nuklir yangtentu saja tanpa mengalahkan faktor keselamatan

operasi.

5. perawatan terhadap sifat mekanik. termal, dan sifatlainnya dari bahan yang digunakan hila serangankorosi tak dapat dihindari

6. pengurangan terhadap efek radiasi pada lajukorosi serendah-rendahnya

7. penghindaran oksidasi padatan pada suhu tinggidan iradiasi (radiasi yang intens dan oksidasi suhutinggfi dapat meningkatkan laju korosi bahan

nuklir).Perpindahan panas, atau transmisi, dapat

mengikuti tiga macam mode, yaitu konduksi panas,konveksi panas, daD radiasi panas. Konduksi daDkonveksi panas adalah dua mode perpindahan panaspenting yang harus diperhatikan dalam disain nuklirdan pemilihan bahan. Oleh karena itu konduktivitastermal, difusivitas termal, daD konveksi termal, ataukoefisien perpindahan panas, yang mewakili sifat-sifatutama perpindahan panas suatu bahan juga sangatlahpenting untuk dipertimbangkan. Panas yang ditimbulkanterutama dari bahan bakar dalam suatu reaktor nuklirharuslah dapat dipindahkan secara efisien dan diman-faatkan melalui sistem penghasil uap, atau unit turbo-generator, untuk menghasilkan daya listrik. Berbagaiproses pemindahan panas, pemanfaatan, daD peng-generasian daya dari suatu reaktor nuklir memer-lukanbahan yang memiliki sifat-sifat perpindahan panas yangbaik.

b. Sifat khums bahan untuk reaktor nuklir

Setiap cabang disain rekayasa, dengan mem-perhatikan operasinya, selalu memiliki syarat khususterhadap sifat bahan yang digunakan. Sebagai contoh,dalam rekayasa pesawat ruang angkasa keringananbahan untuk bahan struktur adalah sifat khusus utamayang diperlukan. Sifat khusus yang diperlukan untukbahan yang digunakan dalam industri reaktor nuklirtimbul karena bahan akan digunakan dalam medanradiasi nuklir, atau iradiasi, dan sistem reaktor yangberkeandalan tinggi. Sifat bahan yang digunakan untukkomponen reaktor dapat sangat berubah hila terkenaradiasi dengan dosis tinggi. Sifat khusus bahan yangharus dipertimbangkan guna pemilihannya untuk bahanreaktor nuklir dapat dilihat pada Tabel 3 yang berikut

[4,5,6].

Kestabilan termal adalah suatu sifat pentingbahan yang digunakan pada kondisi operasi dengansuhu tinggi. Dalam pmktek umumnya kekuatan mekanik,integritas struktur, daD ketahanan terhadap korosi daribahan struktur dan pipa menurun dengan naiknya suhu[5]. Khususnya konduktivitas termal oksida U dan Pusangat turun pada suhu dekat dengan titik leburnyadalam suatu reaktor nuklir yang dioperasikan pada dayatinggi. Sementara itu pendingin mungkin menguapmembentuk aliran dua phase yang rumit dan menjadi takstabil pada suhu tinggi. Jadi stabilitas termal yang baiksangatlah diperlukan untuk keselamatan operasi reaktornuklir.

Neutron mempunyai pemn yang paling pentingdalam reaktor nuklir fisi. Sifat-sifat neutronik terdiri atasabsorpsi neutron, baik untuk pembelaban (fission)maupun penangkapan (capture), daD hambumn neutron(scaterring), atau tumbukan (collision). Ukuran ke-mungkinan untuk absorpsi daD bamburan disebuttampang lintang absorpsi (absorption cross section) dantampang lintang bamburan (scaterring cross section).Berbagai bahan untuk komponen, rnisal bahan bakar,ballaD struktur, bahan moderator, baban selimut, bahanpendingin, daD bahan untuk kendali suatu reaktor nuklirfisi masing-masing akan memiliki syarat sifat-sifatneutronik yang berbeda. Untuk ekonomi neutron,sebagai confab, bahan untuk struktur sebaiknyamempunyai tampang lintang absorpsi neutron yangkecil.

Kompatibilitas bahan adalah suatu kriteria yangsangat penting yang hams dipenuhi oleh semua bahankomponen dalam suatu sistem. Dengan kata lain, bahanyang dipilih untuk setiap komponen sistem hams dapatberfungsi dengan baik daD konsisten. Dalam suatureaktor air ringan, misalnya, bahan yang digunakanuntuk membuat bejana tekan haruslah kompatibeldengan bahan pendingin. Bahan yang digunakan untukkelongsong haruslah kompatibel dengan baik bahanbakar maupun bahan pendingin. Ketahanan terhadapkorosi bahan bejana dan bahan kelongsong haruslahcukup kuat sehingga bahan struktur daD bahanpendingin kompatibel dan berfungsi dengan baik padasaat reaktor beroperasi. Oleh karena itu, sifat-sifatperpindahan panas yang baik, stabilitas termal yangtinggi, dan kompatibilitas bahan yang memadai sangat-lab penting, esensial, dan kompatibel untuk keselamatan

Absorpsi neutron termal dan atau neutron cepatoleh bahan reaktor nuklir dapat mengawali transmutasinuklir daD produksi isotop baik yang stabil maupun takstabil. Radiasi yang dipancarkan, rnisal sinar a, b, g, dlldaTi transmutasi nuklir daD produksi isotop disebutradioaktivitas imbas daTi reaksi nuklir. Radioaktivitasimbas sebaiknya mempunyai waktu paruh yang pendekdaD energi yang lemah. Apabila radioaktivitas imbasyang dihasilkan mempunyai waktu paruh panjang daD

25Soedyartomo Soentono

Prosiding Perlemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20- 21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

sinar g yang dipancarkan berenergi tinggi 16] akansangat menyulitkan pelaksanaan inspeksi, perbaikan,percobaan, dan juga perawatan reaktor nuklir karenahams dilakukan pada kondisi radiasi yang intensif.Radioaktivitas imbas juga dapat menghasilkan panas

Tabe\ 3. Sifat khusus bahan guna pernilihannya untukbahan reaktor nuk\ir

Sifat-sifat neutronik lnteraksi kimiawiRadioaktivitas imbas Interdifusi partikelStabilitas iradiasi Kernudahan diolah-ulang

peluruhan, sebagai tambahan panas iradiasi dalambejana tekan.

Bahan reaktor nuklir dapat berubah sifatnyakarena iradiasi nuklir .Partikel iradiasi yang pentinguntuk diperhatikan adalah neutron dan basil fisi.Walaupun basil fisi mempunyai energi yang sangattinggi tetapi jangkau jarak tembusnya sangat kecil danoleh karena itu sebagian besar perubahan fisik yangterjadi diwadahi di bahan bakar. Dengan demikianhampir semua efek radiasi, atau kerusakan, pada bahanreaktor nuklir terutama disebabkan oleh neutron,khususnya radiasi neutron cepat. Efek radiasi utamapada bahan bakar nuklir adalah pertumbuhan iradiasi (ir-radiation growth), pertumbuban siklus termal (thermal-cycling growth), pembengkakan akibat iradiasi (irradia-tion swelling), dan krip akibat iradiasi (irradiationcreep) [7]. Efek radiasi pada bahan struktur serupadengan yang terjadi pada bahan bakar yaitu per-tumbuhan siklus termal yang mengakibatkan retak(crack) dan kelelahan (fatique), pembengkakan, dan krip[8]. Kiranya dapat difahami bahwa pembengkakan, krip,retak dan kelelahan ill akan membatasi stabilitas iradiasibaik bahan b3kar maupun bahan struktur [9, 10, 11 ].

lnteraksi kimia dan interdifusi partikel antarabahan bakar dan kelongsong, atau gap bahan bakar-kelongsong, pada elemen bakar yang diradiasi padasubu tinggi (bagian luar permukaan kelongsong >5000C,sedangkan bagian dalam oksida bahan bakar 15000C)sering terlibat pada pengamatan cuplikan basil uji pascairadiasi. Adanya potensial oksigen yang tinggi,pengotor gas yang diabsorpsi, berbagai gas basil fisi,bahan bakar oksida dengan densitas rendah lebihresponsif terhadap interaksi bahan bakar-kelongsongdan interdifusi partikel daripada bahan bakar oksidadengan densitas tinggi. Hal ill sangat mempengaruhikonduktan gap baban bakar-kelongsong, atau koefisienperpindahan panas gap. Perubahanlkerusakan antarbutir bahan bakar dipengaruhi oleh mekanisme per-pindahan uap yang dapat dipercepat oleh subu bahanbakar yang lebih tinggi (densitas bahan bakar yanglebih rendah) danjuga oleh porositas yang lebih terbuka.Berbagai basil fisi, misal Cs, Cd, Mo, Zr, dU pada zonabahan bakar bagian luar berdifusi ke bahan kelongsongdi dekatnya, sementara beberapa unsur dari bahankelongsong (55 austenistik untuk reaktor biak cepatcairan-iogam, liquid-metal fast breeder reactor) berdifusi

26

ke pennukaan bahan bakar. Hasil serupa interaksi kimiadan interdifusi partikel seperti ini dapat pula dilihat padaelemen bakar reaktor riset yang telah diradiasi daDdemikian pula pada elemen bakar reaktor daya air ringan.Pada umurnnya, interaksi kima dan interdifusi partikeldapat memperlemah integritas struktur dan stabilitasiradiasi dari bahan bakar yang dipakai pada SUbu tinggiselama rnasa pakainya.

Bahan bakar reaktor riset daD daya mempunyaiketerbatasan masa pakainya daD memerlukan olah ulangsecara kimia. Tujuan utarna olah ulang adalah untukmengambil kembali bahan fisil yang sangat berharga,yaituU dan Pu, yang masih tersisa dan terbentuk selarnapemakaiannya di reaktor nuklir. Ada dua sebab mengapaelemen bakar bekas memerlukan olah ulang kimia,

yaitu:I. Reaktivitas reaktor, menggunakan bahan bakar

bekas, menjadi tertaIu rendah karena konsurnsibahan fisil daD akumulasi basil fisi yangmenyerap neutron

2. Elemen bakar telah secara gradual rusak akibatkorosi, tennal, radiasi, dan berbagai efek mekanik(pembengkakan dan krip akibat iradiasi).Pengolahan bahan bakar bekas menggunakan

teknik ekstraksi pelarut dilaksanakan dengan skala besarkarena kemudahannya untuk mengambil U daD Pu yangberharga daTi berbagai campurannya. Oleh sebab itukemudahan olah ulang bahan bakar adalah salah satukriteria pemilihan sifat bahan yang di gunakan untukbahan bakar daD bahan kelongsong.

BAHAN YANG DIPILm UNTUK REAK-TORNUKLIR

Seperti yang telah disebut di mUka reaktor nukliryang telah beroperasi pada saat ini adalah reaktor nuklirfisi, yang memanfaatkan reaksi pembelahan unsur berat(bahan fisil, bahan dapat belah, bahan bakar nuklir)dengan neutron baik yang berenergi rendah (slow/ther-mal neutron, neutron lambat/termal) maupun yangberenergi tinggi, > I MeV (fast neutron, neutron cepat).

Reaktor nuklir fusi (nuclear fusion reactor), yangmernanfaatkan reaksi nuklir penggabungan unsur ringan(reaksi D- T, T -T) masih dalam tahap penelitian daDpengembangan. Sudah barang tentu sifat daD jenisbahan yang digunakan daIam berbagai reaktor nuklir iniberbeda. Pembahasan selanjutnya lebih ditekankan padabahan yang digunakan pada reaktor nuklir fisi.

Komponen utarna suatu reaktor nuklir fisi besertabahan dasar (bahan utamanya) dapat dilihat pada Ta-bel 4.

a. Bahan bakar nuklir [3,5,6,12]

Bahan bakar nuklir komersial sampai dengan saatini adalah bahan bakar nuklir fisi yang, pada dasarnyabahan yang dapat dibelah oleh neutron menghasilan

Soedyartomo Soentono

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober1998 ISSN 1410-2897

Tabel 4. Kornponen utama daD bahan utama rektor nuklir fisi

energi dan berbagai basil belah. Neutron yang digu-nakan wnumnya neutron tennal, sedangkan bahan bakarnuklir fisi yang dibelah menggunakan neutron cepatbelum banyak digunakan secara komersial karenawnumnya masih dalam skala peraman misal digunakandalam reaktor biak cepat (fast breeder reactor, FBR).Bahan bakar nuklir (bahan fisil) yang terdapat di alamadalah 23~U yang jumlahnya terbatas. Walaupundemikian bahan fisil baru dapat diperoleh dari bahanfertil melalui reaksi nuklir di dalam reaktor pada saatpembakaran bahan fisil. Pada Tabel 5 dapat dilihatbahan fisil dan fertil, sedangkan pada Tabel 6 dapatdilihat komposisi isotopik uraniwn alamo

Tabel 5. Bahan fisil dan bahan fertil

2). Daurbahan bakarTh-U

90 Th232 + oni -..90 Th233 + "f

90 Th233 ~~ ;, ~ 91Pa233 + ~-

91Pa233 ~1.1I1..; ~ 921P33 + ~.

Bahan Fisit BahanFer1i1

Uranium 213Uranium 215Plutooium 239

Uranium 218Thorium 232

Tabel 6. Komposisi isotopik Uranium alam

No.Massa

KomiX'sisiIsotop

(%)

Massalsotop(AMU)

WaktuPand1

(Tabuo)

2,60 x 10~8

8,50 x 1094,51 x 10

234235238

0,00580,72099,274

234,0409235,0439238,0508

233U (dengan waktu paruh, t1/2, 1,6 x 105 taboo)daD 239pu (dengan tl/2 24.360 tahun) adalah isotopsintetis, buatan, bahan bakar fisil yang dapat dibuatdengan proses penangkapan neutron, atau absorpsi,oleh 232Th dan 23SU. Reaksi nuklir yang terjadi tidakhanya menghasilkan berbagai isotop tetapi juga daurbahan bakar dalam operasi reaktor daya sebagai berikut

[4,5,12].

1). U-Pu, atau daur bahan bakar daur ulang campu-

ran U-Pu :

+ on! -+ 9~ UJ39 + "(

Reaksi-reaksi nuklir tersebut dapat dilaksanakansecara lengkap dengan iradiasi neutron dalam reaktor.Umurnnya hampir semua reaktor daya menggunakanbahan bakar yang diperkaya dengan 235U dengan daurbahan bakar U-Pu atau daur bahan bakar daur ulangcampuran U-Pu. Daur bahan bakar Th-U belum ber-kembang dengan baik karena dalam daur bahan bakarini basil peluruhan 232U yang memancarkan sinar y kuatdaD neutron energetik daTi reaksi nuklir «x,n) olehbemagai unsur ringan yang menyertai 232U memerlukanolah ulang jarak jauh. Isotop 235U diperkaya secarakomersial dengan proses difusi gas daD juga sen-trifugasi menghasilkan bahan bakar yang sediki:.diperkaya kandungan 235U, 3-5% untuk reaktor daya dan<20% untuk reaktor riset. Proses pengayaan dapatdilakukan pula dengan pemisahan menggunakan laserdan pertukaran kimia. 239Pu (sering bercampur dengan24opU, 241pU karena iradiasi neutron sinambung daDdiperoleh dari olah ulang bahan bakar bekas) umurnnyadigunakan sebagai bahan bakar di reaktor biak cepat,atau dicampur dalam bentuk senyawa oksida dengan Uuntuk bahan bakar reaktor daya air riniaD fisi termal. Ualam dapat digunakan sebagai bahan bakar di reaktorberpendingin gas daD bermoderator air berat padadensitas daya rendah. Sudah barang tentu bahan bakarnuklir hams hanya mengandung pengotor, temtamayang menyerap neutron, dengan konsentrasi yangsangat rendah. Oleh sebab itu bahan bakar nuklir perinberbagai proses untuk memurnikannya sehinggamencapai kemurnian tertentu yang umurnnya disebutberderajat nuklir (nuclear grade).

b, Bahan struktur

Bahan struktur berperan untuk mewadahi secarafisik (untuk proteksi bahan bakar), kekuatan mekanik,daD stmktur penyangga (kerangka) bagi berbagai

~3-'-'~ 93Np~39 + ~.

93NpJ39 J,3h1ri ..94PUJ39 + I)"

27Soedyarlomo Soentono

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20- 21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

Tabe\ 7. Bahan struktur reaktor

komponen reaktor. Bahan struktur yang utarna terdiriatas kelongsong bahan bakar (fuel cladding, can ataujacket), bejana tekan, kanal pendingin bahan bakar, platpenyangga teras, atau grid, dan sistem pipa pendingin.Bahan-bahan yang dipilih untuk digunakan sebagaibahan struktur dapat dilihat pada Tabel 7.

Pemilihan bahan strnktur bervariasi sesuai

dengan keperluan utarnanya, bergantung pada jenisreaktor fisi yang memerlukalUIya. Sebagai contoh, bahankelongsong yang digunakan untuk reaktor riset terrnaladalah AI, untuk reaktor berpendingin gas adalahpaduan Mg, dan untuk reaktor daya air ringan dan airberat adalah paduan Zr, serta untuk reaktor biak cepat,misal LMFBR, bahan kelongsong yang digunakanadalah SS. Untuk reaktor riset di Bandung daD reaktorKartini di Yogya digunakan bahan kelongsong AI danjuga SS, sOOangkan untuk reaktor riset di Serpong (RSG-GAS) bahan kelongsong yang digunakan adalah

paduan AlMg.Logam U dan oksidanya dengan mudah bereaksi

dengan udara, air, daD logam cair yang umumnyadigunakan sebagai pendingin reaktor. Logam U dan jugaoksidanya bersifat korosif pada suhu yang lebih tinggi.Oleh sebab itu kedua bahan bakar ini harns dike-longsongi dengan bahan struktur yang kompatibel baikdengan kedua bahan bakar ini maupun dengan

pendingin.

c. Bahan moderator, reflektor, dan selimut

Suatu moderator digunakan untuk melambatkan(mengurangi energi) neutron cepat dari yang berenergikinetik relatif tinggi ke neutron berenergi termal dalamsuatu reaktor termal. Reflektor radial dan axial dapatmerefleksikan neutron yang terhambur atau neutronbocor (leaking neutrons) kembali ke teras baik reaktortermal maupun reaktor cepat. Bahan selimut (baik yangradial maupun yang axial) sekeliling teras reaktor,sebagai suatu selimut digunakan untuk membiakkanbahan bakar barn dengan terjadinya absorpsi neutronyang bocor atau neutron yang meninggalkan bahan

Tabel 8. Syarat nuklir dan bahan utama UI

28 Soedyartomo Soentono

fertil, misal Th alam, 23%, atau U terdeplesi, 2380, yangada dalaD1 reaktor biak cepat.

Syarat khusus nuklir untuk bahan moderatorclan bahan reflektor sarna untuk suatu reaktor nuklirtermal. Syarat nuklir dan bahan utarna yang biasanyadipilih untuk moderator dan reflektor dapat dilihat padaTabel 8. Tampang lintang hamburan neutron yang tinggidari bahan moderato, clan reflektor menghasilkanseringnya tumbukan dengan sudol yang besar clanjarak tempuh yang relatif pendek bagi neutron cepatselama pelaD1batan yang mengakibatkan berkurangnyaneutron yang bocor dan yang keluar dari teras. Bahanpraktis terbaik untuk moderator, juga reflektor, adalahair berat, D20, air ringan, H2O, alan bahan yang

mengandung banyak hidrogen (HJ.Syarat nuklir untuk bahan selimut di reaktor cepat

sangatlah berbeda dari syarat nuklir bahan moderatorclan reflektor di reaktor termal. Sifat nuklir yangdiperlukan untuk bahan selimut di reaktor biak cepatadaIah:

a. bahan fertilb. tampang lintang absorpsi neutron besarc. tampang lintang haD1buran neutron rendahd. kemudahan olah ulang bahan bakar.

Sebagai tambahan berbagai syarat nuklir, bahanmoderator, reflektor, dan bahan selimut padat hams pulamempunyai sifat-sifat bahan struktur. Bahan-bahan inihamslah mempunyai kekuatan mej{anik, stabilitas termal,stabilitas iradiasi, fabrikabilitas, dan ketahanan korosiyang memadai. Sifat perpindahan panas yang cukup baikbagi bahan moderator dan reflektor juga diperlukanuntuk dapat menaD1pung dan mendesipasi kehilanganenergi neutron sewaktu melambat di reaktor termal,sedangkan untuk bahan selimut adalah mendesipasienergi termal sewaktu penangkapan neutron dan emisiradiasi di dalaD1 reaktor cepat.

d. Bahan elemen (batang) kendali

Untuk menjamin adanya keselamatan, pelepasanenergi nuklir terkendali, suatu reaktor nuklir harus selalu

ntuk moderator daD refle

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20- 21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

Tabel 9. Syarat utarna daD bahan yang dapat digunakan untuk elemen (batang) kendali

-SS) untuk batang kendali. Oksida logam tanah jarang,EU2O3' Er2O3' atau G~O3 dicampur dengan bahan bakarU sebagai absorber dapat bakar (burnable absorber)untuk mengendalikan dan memperoleh pendataran daya(power flatenning) di reaktor daya air ringan (khususnyaBWR). Paduan Hf-Ag, daD Cd-In-Ag, yang merupakanabsorber efektif neutron berenergi termal sampai denganepitermal, digu~akan untuk reaktor air tekan (PWR).Pada PWR tertentu, dengan memvariasikan konsentrasiasam borat, H3B,oO3' di daIam air, shim kimia untukpengendalian pelengkap dapat dilakukan daD terbuktiefektif. Umumnya, LWR dapat dikendalikan dengan tigatara, yaitu batang kendali, absorber dapat bakar, daDshim kimia.

e. Bahan pendingin

Oleh karena tujuan utama penggunaan pendinginadalah untuk memindahkan daD memanfaatkan panas,atau energi termal, dari reaktor nuklir daya, sifat-sifatperpindahan panas yang baik adalah syarat dasar bahanpendingin. Dengan kala lain, konduktivitas termal tinggi,densitas rendah, daD panas jenis tinggi dengankekentalan rendah adalah syarat dasar bahan pendingin.Sebagai tambahan, densitas rendah dapat mengurangidaya pompa yang diperlukan. Titik leleh (melting point)rendah, untuk menghindari kemungkinan terjadinyapemadatan pendingin, daD titik uap (boiling point)tinggi, untuk meminimumkan tekanan uap sertamemaksimumkan suhu operasi daD efisiensi termalPLTN, sangatlah diinginkan. Syarat utama dan bahanuntuk pendingin reaktor dapat dilihat pada TabeIIO.

Syarat utama mencakup sifat termal, nuklir, daD

dikendalikan dalam batas-batas yang tepat. Keselamatanreaktor dapat dicapai dengan mengendalikan :

a. laju generasi neutronb laju kehilangan neutron akibat kebocoranc. laju kehilangan neutron akibat absorpsi parasitik

dalam teras.Dalam operasi reaktor yang lama, empat faktor

penting hams diperhatikan untuk elemen (batang)kendali, yaitu :

a. turnnnya reaktivitas akibat deplesi bahan bakaratau derajat-bakar (burn-up)

b. terbentuknya bahan bakar barn akibat iradiasineutron

c. terakumulasinya basil belah yang mengabsorpsineutron

d. terbakarnya (bum-out) secara bertahap elemen(batang) kendali.Keempat faktor ini memerlukan penyesuaian

yang tepat dengan gerakan presisi elemen (batang)kendali. Umumnya digunakan tiga macam elemen(batang) kendali, yaitu : batang pengatur (regulatingrods), batang shim (shim rods), daD batang keselamatan(safe~y rods) untuk penyesuaian halus, sedang, dankasar atau pengendalian laju generasi neutron, jugapengendalian reaktivitas teras reaktor. Syarat utamapemilihan bahan untuk elemen (batang) kendali daDbahan yang mungkin dapat digunakan dapat dilihat padaTabe19.

Unsur-unsur dengan tampang lintang absorpsineutron tennal tinggi OOalah Cd (2450 barn), B (755 00rn),Hf(I05 00rn), Ir (440 00rn), dan unsur tanahjarnng. Olehkarena Hf, Ir, daD unsur tanah jarang mahal, terlebih

Tabel 10. Syarat utama daD bahan terpilih untuk pendingin reaktor

sifat kimia bahan pendingin. Khusus untuk reaktor airringan, fungsi air tidak hanya sebagai pendingin tetapijuga sebagai moderator, reflektor, perisai, daD substan

dahulu dipilih Cd daD B. Walaupun demikian keduaunsur ini tidaklah memenuhi semua persyaratan yangdikehendaki. Umumnya digunakan senyawa B41 OC (B4C

29.Yoedyartomo Soentono

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

Tabeili. Syarat utama dan bahan yang dipilih untuk perisai reaktor

lingkungan, misal penghindaran pemanasan global,hujan asam, dan pencemaran, yang semakin menge-tatkan barns pencemaran pemanfaatan berbagai energiprimer, serta kesadaran untuk mengurangi pengurasansomber daya alam energi karena adanya keterbatasansumber daya alaltl itu sendiri serta adanya pertambahannilai yang lebih tinggi untuk pemanfaatannya bagikepentingan industri selain energi. Dernikian pulaadanya keinginan dan tuntutan untuk meningkatkankeandalan keselamatan reaktor nuklir, walaupun telahterbukti jauh lebih tinggi keandalan keselamatannya biladibandingkan dengan keselamatan industri konven-sional, baik terhadap operator, masyarakat, maupunlingkungan serta kesinambungan tersedianya bahanbakar nuklir.

Penelitian dan pengembangan keselamatan nukliryang mencakup keselamatan reaktor dan keselamatanradiasi untuk reaktor nuklir generasi sekarang ini (10-6KLT/tahun) telah berhasil meningkatkan keandalankeselamatan reaktor dan radiasi jauh di alaS generasisebelumnya (IO-4KLT/tahun, sedangkan PLTN Cher-nobyl >10-3KLT/tahun). Walaupun dernikian litbang dibidang ini terns dilanjutkan, diantaranya denganmeningkatkan sifat bahan yang digunakan untukindustri reaktor nuklir. Berbagai bahan barn dikem-bangkan untuk bahan bakar diantaranya agar mampumenghasilkan derajat bakar yang lebih tinggi, mem-punyai integritas yang lebih baik untuk dapat digunakandalam kondisi operasi reaktor yang lebih sulit. Demikianpula untuk bahan struktur, dikembangkan bahan yanglebih tahan korosi dan mempunyai integritas yang lebihbaik pada kondisi operasi yang lebih sulit (pernbahansuhu lebih tinggi, medan radiasi lebih tinggi, lajupeningkatan suhu lebih tinggi, basil korosi tidakmeningkatkan radiasi bagi pekerja, masyarakat, danlingkungan, dll). Penelitian dan pengembangan pening-katan keselamatan dengan konsep reaktor nuklir barn,rnisal accelerator driven reactor (energy amplifier),juga memerlukan penelitian dan pengembanganpeningkatan sifat bahan yang digunakan seperti untuktarget yang menghasilkan neutron secara sinambung.Dernikian pula penelitian dan pengembangan pening-katan sifat bahan yang mengarah kepada pembuatanbahan barn yang digunakan untuk reaktor biak cepatdaD reaktor nuklir fusi untuk peningkatan kesinam-bungan tersedianya bahan bakar nuklir baik fisi rnaupun

fusi serta gabungan keduanya.

kerja untuk pembangkitan listrik di PL1N jenis air ringan.

f. Bahan perisai

Bahan perisai yang digunakan dalam reaktornuklir dapat dibedakan menjadi tiga grup bergantungpada fungsinya, yaitu :a. unsur berat atau agak berat untuk atenuasi radiasi y

dan melambatkan neutroncepat menjadi ~ 1 MeV

secara hamburan inelastikb. unsur medium dan senyawanya untuk mengham-

burkan dan melambatkan neutron berenergi < 1

MeV secara hamburan elestikc. unsur ringan, substan hidrogeneous, dan boron

untuk melambatkan neutron cepat, melambatkandaD menangkap neutron tanpa menghasilkan sinar ysekunder.

Bahan perisai yang umum digunakan di reaktornuklir adalah Pb, Fe, semen, B, dan substan hidro-geneous untuk perisai biologik dan terma!. Syarat utamadan bahan yang dipilih untuk perisai dapat dilihat padaTabeill.

Fe, sebagai karbon stil atau S8, digunakan untuk(sampai barns tertentu) perisai tennal teras reaktor. Pb,sebagai paduan maupun senyawa, digunakan untukatenuasi sinar g sebagai periasi biologik. Baik kongkritbiasa maupun yang khusus misal barit (barytes)digunakan juga untuk perisai biologik. Kongkrit yangmengandung air dan mineral unsur berat dapatmengatenuasi neutron, sinar y primer dan sekunder.8ubstan hidrogeneous atau air biasa adalah bahanperisai neutron yang paling efektif dan ekonomis.Senyawa boron, misal asam borat, borax, dan berbagaiborat sangat baik untuk ditambahkan pada perisai airuntuk meningkatkan laju penangkapan neutron denganemisi sinar g sekunder minimum. Di dalam perisai Pb-air, akan lebih baik bila ditambahkan boron kedalam airuntuk perisai neutron daD y. Bora!, suatu senyawa bo-ron padat mengandung B 4 C dan AI digunakan untukkeperluan tertentu sebagai perisai neutron.

PENELlnANDANPENGEMBANGANBAHAN UNTUK REAKTOR NUKLIR

Penelitian daD pengembangan bahan untukindustri reaktor nuklir terns berlanjut didorong olehkenyataan bahwa peningkatan pemanfaatan PLTNdiperlukan sebagai akibat tuntutan keselamatan

Soedyartomo Soentono30

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

PENUTUP [4]. KAPLAN, I., Nuclear Physics, Addison-WesleyPublishing Co., Reading, Massachusetts MenloPark, California, London, Sydney, Manila, 1975;

[5]. MA, B.M., Nuclear Reactor Materials and Applica-tions, Van Nostrand Reinhold Co, New York, Cin-

cinnati, Toronto, Melbourne, 1983;[6]. mill, Heat Generation and Temperature Distribu-

tion in Cylindrical Reactor Pressure Vessels,Nuclear Engineering and Design, 11(1), 1970;

[7]. MA, B.M., and Murphy, G., Radiation and CreepAnalysis for Strain and Stress Distributions in Tu-bular Fuel Elements, Nuclear Science and Engi-

neering,20(4),1964;[8]. MA, B.M., Irradiation Swelling, Creep, Thermal-

Shock and Thermal Fatique Analysis of CylindricalCTR First Wall, Nuclear Engineering and Design,

28, 1974;[9]. HOFFMANN, H., Crack Formation, Crack Healing

and Porosity Distribution During Irradiation ofUO2and (U,Pu)O2" J. Nucl. Materials 54(1), 1974;

[10]. FISK, R.L., Creep-Rupture Properties of 20% Cold-Worked Type 316 SS after High Fluence NeutronIrradiation, Nuclear Technology, 35, 1977;

[ 11]. MA, B. M., Irradiation Creep and Growth of ReactorStructural Materials, Int. Com. on FundamentalMechanism of Radiation-Induced Creep andGrowth, Chalk River, Ontario, Canada, 8-10 May1978;

[12]. GLADSTONE, S., SESONSKE, A., Nuclear ReactorEngineering, Van Nostrand Reinhold Company,New York, Cincinnati, Toronto, London, Melbourne,1%7.

Seperti yang terjadi pada industri lainnya,kegagalan operasi suatu sistem atau proses industrisebagian disebabkan oleh kekeliruan pernilihan bahan,demikian pula pada industri reaktor nuklir. Oleh sebabitu pada pembahasan di alas dikemukakan berbagaisyarat yang harus diperhatikan dalam pernilihan bahanyang digtmakan dalarn industri reaktor nuklir yang hamsmempunyai kinerja dan keandalan keselarnatan yangtinggi pada kondisi operasi yang direncanakan.Walaupun pada saat ini industri bahan untuk reaktornuklir telah tumbuh dengan baik seiring denganpemanfaatan reaktor nuklir dalam jumlah yang cukupbesar serta selalu meningkat selama lebih dari empatdekade, penelitian daD pengembangan bahan barnuntuk digunakan di industri reaktor nuklir ternsdikembangkan untuk memenuhi keinginan dan tuntutanpeningkatan keandalan kinelja keselamatan baik untukoperator, rnasyarakat. dan lingkungan serta kesinam-bungan ketersediaan bahan bakar nuklir dalam rangkaoptimasi pemanfaatan sumber daya alam energi serta

pelestarian lingkungan.

PUSTAKA

[1]. SOENTONO, S., Korosi di Industri Nuklir, Proc.Seminar on Nuclear Technique (!LA) for Monitor-ing Wear and Corrosion in IndustIy, BATAN-IAEA-IGNSNZ, Serpong, 20 luli 1998;

[2]. ANONYM, Construction of Nuclear Power Plant,IAEA TRS 285, IAEA Vienna, 1989;SOENTONO, S., Pengernbangan Industri Daur

Bahan Bakar Nuklir Untuk Menopang ProgramPLTN, Pros. Perternuan daD Presentasi IlrniahPenelitian Dasar Urnu Pengetahuan daD Teknologi

Nuklir,ISSN02I6-3I28, Yogyakarta28-30 April 1992;

[3J

31Soedyartomo Soentono