Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

STUDI PENGOLAHAN LlMBAH RADIOAKTIF CAIR AKTIVIT AS TINGGIDENGAN BAHAN SYNROC

GunandjarPusat Teknologi Limbah Radioaktif , BATAN

ABSTRAKSTUDI PENGOLAHAN LlMBAH RADIOAKTIF CAIR AKTIVITAS TINGGI DENGAN BAHAN

SYNROC. Telah dilakukan studi tekonologi pengolahan limbah radioaktif cair aktivitas tinggi (LCAT)umur panjang dengan bahan synroc. Synroc adalah bentuk limbah kristalin yang tersusun darigabungan fase-fase titanat yang stabil dan dipilih karena kestabilan geokimia dan kemampuankolektif untuk imobilisasi semua unsur radioaktif dalam limbah radioaktif aktivitas tinggi. Semua studiilmu pengetahuan dasar memberikan konfirmasi bahwa laju pelindihan dan kerusakan akibat radiasipeluruhan-a terhadap synroc relatif sangat rendah dan dapat diterima. Pengembangan komposisisynroc untuk imobilisasi limbah tergantung pada kandungan radionuklida, untuk LCAT yangmengandung aktinida dikembangkan synroc kaya zirconolite, CaZrTi207, untuk limbah uranium danplutonium dikembangkan synroc kaya pyroch/ore,CaATi207 dengan penambahan unsur-unsurabsorber netron (A = Hf dan Gd) untuk mencegah kritikalitas, dan untuk limbah yang mengandung Tcdan Cs/Sr (dari produk proses pemanasan LCAT) dikembangkan synroc kaya fasehollandite/pirovskite, Ba(AI,TihTi6016/ CaTi03. Di Indonesia, adaptasi teknologi pengolahan LCATdengan bahan synroc akan dilakukan untuk LCAT yang ditimbulkan dari produksi radioisotop 99Modan uji pasca-iradiasi elemen bakar nuklir.

Kata kunci : pengelolaan limbah radioaktif,imobilisasi limbah radioaktif, limbah radioaktifaktivitas tinggi, synroc, penyimpanan lestari.

ABSTRACTSTUDY OF HIGH LEVEL LIQUID RADIOACTIVE WASTE TREATMENT USING SYNROC

MATERIALS. The study of long life of high level liquid radioactive wastes (HLLW) treatment usingsynroc materials was carried out. Synroc is a crystalline wasteform comprising a stable assemblageof titanate phases chosen for their geochemical stability and collective ability to immobilize all theradioactive elements present in high level liquid radioactive wastes (HLLW). All basic science studiesconfirm that the leach-rates and a-decay damage in synroc relatively very low and acceptable.Development of synroc for waste immobilisation depend on the containing of radionuclides. For theHLLW containing of actinides was developed zirconolite, CaZrTi207 rich synroc, for the wastecontaining of uranium and plutonium was developed pyrochlore,CaATi207 rich synroc with neutronabsorbers (A = Hf and Gd) were needed to suppress criticality potential, whereas for the wastecontaining of Tc and Cs/Sr (from the heat producing of HLLW) was developed hollandite/pirovskite,Ba(AI,TihTi6016/ CaTi03 rich synroc. In Indonesia, adaptation of HLLW immobilization technologyusing synroc materials will be carried out for HLLW generated from 99Moradioisotope production andpost irradiation examination of nuclear fuel element.

Key words: Radioactive waste management, immobilisation of radioactive waste, highlevel radioactive waste, synroc, ultimate disposal.

PENDAHULUAN

Beberapa teknologi proses imobilisasi limbah radioaktif menjadi kemasan limbah yang

siap disimpan telah dikembangkan oleh negara-negara maju di bidang nuklir, yaitu teknologi

sementasi, vitrifikasi, polimerisasi, bitumenasi, superhigh temperature method (SHTM), dan

synroc. Oi Indonesia, Pusat Teknologi Limbah Radioaktif - BATAN telah menerapkan

dengan mantap teknologi sementasi untuk imobilasasi limbah khususnya golongan limbah

radioaktif aktivitas rendah (LAR) dan limbah radioaktif aktivitas sedang (LAS) umur paroh

pendek (T1/2 < 30 tahun). Selanjutnya untuk pengelolaan limbah radioaktif aktivitas tinggi

(LAT) umur panjang khususnya untuk limbah cair akltivitas tinggi (LCAT) yang ditimbulkan

15

Hasil Pene/itian don Kegiatan PTLR Tahun 2006 /SSN 0852 - 2979

dari proses pemanfaatan tenaga nuklir, maka perlu disiapkan teknologi imobilisasi limbah

menjadi kemasan limbah yang mampu bertahan selama waktu penyimpanan yang panjang

di dalam fasilitas penyimpanan lestari geologi tanah dalam (Deep Geological Disposal

Facility). Oi Indonesia saat ini, LCAT ditimbulkan dari produksi radioisotop 99Modan dari

kegiatan uji pasca iradiasi elemen bakar nuklir.

Oi negara-negara maju di bidang nuklir, strategi pengelolaan LCAT yang

mengandung unsur-unsur hasil belah dari proses olah-ulang bahan bakar bekas dalam

gelas borosilikat (hasil imobilisasi LCAT dengan vitrifikasi), yang diikuti dengan

penyimpanah lestari geologi tanah dalam ternyata masih menghadapi masalah karena hasil

penelitian para ahli geokimia bahwa limbah gelas borosilikat ternyata tidak stabil bila

disimpan di dalam tanah akibat adanya pemanasan gamma ( gamma heating) di dalam

gelas dan perbedaan temperatur bumi (geothermal gradient) yang dapat menimbulkan

temperatur lebih dari 100°C. Selain itu tidak dapat dijamin terhindar kontak air tanah

dengan gelas, walaupun serangkaian lapisan tambahan seperti wadah limbah dari logam

(metal container) dan overparck (bungkus luar) telah digunakan di dalam fasilitas

penyimpanan lestari [1].

Mengingat pentingnya masalah tersebut, maka dalam makalah ini akan dipelajari salah

satu teknologi imobilisasi limbah radioaktif dengan bahan pengungkung synroc sebagai

alternatif untuk imobilisasi LCAT umur panjang menjadi kemasan limbah yang siap

disimpan di fasilitas penyimpanan lestari. Synroc adalah suatu bahan imobilisasi limbah

bentuk kristalin yang terdiri dari gabungan fase-fase kristal titanat yang stabil. Synroc ini

dipilih karena kestabilan geokimia dan kemampuan kolektif untuk imobilisasi semua unsur­

unsur radioaktif dalam LAT [2]. Pada bab-bab selanjutnya dalam makalah ini akan

menguraikan, menganalisis dan mengkaji tentang teknologi proses pembuatan synroc,

pengembangan synroc, dan studi daya tahan limbah synroc terhadap fasa air dan radiasi,

serta adaptasi teknologinya di Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN), Indonesia.

PROSES PEMBUA TAN SYNROC LlMBAH

Pembuatan synroc dengan precursor oksida

Proses pembuatan synroc standar dilakukan dengan mereaksikan precursor oksida

dengan limbah cair aktivitas tinggi (LCAT). Campuran kemudian dikeringkan, dikalsinasi,

dan dipress-panas pada kondisi temperatur reduksi - 1200 °c untuk membentuk suatu

keramik multi fase yang padat. Komposisi precursor oksida (dalam % berat) adalah : Alz03

(5,4); BaO (5,6); CaO (11,0); TiOz (71,4) dan ZrOz (6,6) [1]. Fase-fase mineral utama

dalam synroc adalah: hollandite [Ba(AI,Ti)zTi6016], zirconolite (CaZrTiz07), dan perovskite

(CaTi03), selain itu terdapat fase titan-oksida dan fase-fase paduan (alloy phases) dalam

jumlah lebih kecil. Fase-fase penyusun synroc-C yang mengandung 20 % berat LAT dan

16

Hasil Penelitian don KegiaJan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

Ba(ALTihTi6016 (Hollandite) + H20 + 202 (4)

CaZrTi207 (Zirconolite) + H20 (5)

CaTi03 (Perovskite) + H20 (6)

radionuklida-radionuklida yang masuk ke dalam kisi-kisi berbagai fase mineral yang ada

ditunjukkan pada Tabel1.

Tabel1 : Komposisi dan mineralogi synroc-C (synroc standar) yang mengandung 20%beratLAT [1].

Fase mineral % beratRadionuklida dalam kisi fase mineral

Hollandite, Ba(AITi)z Ti6016

30- Cs dan Rb.

Zirconolite, CaZrTi207

30- Logam tanah jarang (RE), Aktinida

(An).Perovskite, CaTi03

20- Sr, Logam tanah jarang (RE), dan

Aktinida (An).Titan Oksida

10-Tc, Pd, Rh, Ru, dU.

Fasepaduan(Alloy5

phases)

Pembentukan fase-fase utama mineral synroc terjadi pada suhu tinggi sekitar 1200 DC

dengan reaksi sebagai berikut :

BaO + Ab03 + 8 Ti02 -7 Ba(AI,TihTi6016 (Hollandite) + 202 (1)

CaO + Zr02 + 2Ti02 -7 CaZrTi207 (Zirconolite) (2)

CaO + Ti02 -7 CaTi03 (Perovskite) (3)

Selanjutnya telah dikembangkan dengan memodifikasi synroc-C menjadi beberapa turunan

synroc untuk imobilisasi jenis limbah yang sesuai.

Pembuatan synroc dengan precursor slurry

Pembuatan synroc telah dikembangkan dengan menggunakan campuran slurry yang

mengandung Ba dan Ca hidroksida dan alkoksida dari AI, Ti, dan Zr yang transesterified

sebagai precursor yang lebih baik dari pad a penggunaan precursor oksida [3]. Campuran

limbah dan precursor dikalsinasi dalam kondisi atmosfir gas H2/N2 (atau H2/Ar) pad a

temperatur 750 DC, kemudian 2% berat logam titan dicampurkan dengan serbuk dari hasil

kalsinasi, dan dipres-panas pad a temperatur - 1150 DC dan tekanan 20 MPa untuk

menghasilkan pengembangan dan densifikasi (pemadatan) fase secara sempurna.

Pembentukan fase-fase utama mineral synroc terjadi pada temperatur -1150 DC denganreaksi sebagai berikut :

Ba(OH)z + AI203 +

Ca(OH)z + Zr02 +

Ca(OH)z + Ti02

17

Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

Precusor slurry ini memberikan reaktivitas pada kondisi padat (solid state) yang lebih

baik dengan terbentuknya fase-fase utama hollandite, zircono/ite, dan perovskite, serta

sejumlah kecil titan oksida dan paduan logam. Pada pengembangan synroc dikenal pula

beberapa fese lain yang terbentuk dari turunan fase utama dengan unsur-unsur yang lain

yang terkandung dalam limbah, yaitu: pyrochlore (CaATi207, dengan A = Gd, Hf. Pu, dan

U), brannerite (AnTi206• dengan An = aktinida), dan freudenbergite (Na2Fe2Ti6016).

Pembuatan synroc dengan spray-dried synroc precursor

Penelitian pada produksi precursor dengan spray-dried (spray-dried synroc precursor)

didasarkan pada metode sol-gel. Keuntungan utama dari precursor ini adalah bahwa

metode ini menghindari debu yang terjadi dalam operasi proses pembuatan synroc, tidak

seperti yang terjadi dengan bahan-bahan precursor standar yang terdiri dari partikel-partikel

halus. Sifat-sifat microsphere sol-gel dikontrol dengan proses kimia. Pada pembuatan

precursor simulasi non-radioaktif telah diperoleh pembentukan microsphere sol-gel dengan

diameter 20 - 50 J..Lm,yang mempunyai sifat aliran yang baik sekali dan mudah

mengabsorpsi larutan LAT [4].

PENGEMBANGAN SYNROC BERDASAR JENIS LlMBAH

Pada tahun 1985-1990 berkembang jenis-jenis LCAT yang mempunyai potensi untuk

diimobilisasi dengan synroc. Jenis limbah tersebut adalah : a). limbah yang mengandung

kelompok unsur transuranium (TRU) dalam LCAT yang ditimbulkan dari proses olah-ulang

bahan bakar bekas di Eropa dan kelompok unsur aktinida dari Jepang, khususnya yang

mengandung americium (Am) dan curium (Cm); b). limbah yang mengandung radionuklida

mobile umur panjang hasil pemanasan LCAT yaitu campuran 135Cs(T1/2= 2,3 juta tahun)

dan 99Tc(T112=210.000 tahun), yang juga mengandung 90Sr (T1/2= 28 tahun); c). limbah

plutonium(Pu) yang ditimbulkan dari program persenjataan Amerika Serikat yang berlebihan;

dan d). limbah sludge yang mengandung logam tanah jarang, aktinida, 90Sr dan garam

alkali, serta limbah yang mengandung 135CSdan kontaminan tinggi non-radioaktif.

Untuk imobilisasi berbagai jenis limbah yang berbeda-beda tersebut dikembangkan

turunan synroc dengan memodifikasi komposisi fase-fase mineral synroc-C. Komposisi

mineral synroc dipilih sesuai karakterisasi unsur-unsur radionuklida yang terkandung dalam

limbah sedemikian sehingga dapat terserap masuk ke dalam kisi-kisi fase mineral synroc.

Beberapa pengembangan synroc dari berbagai jenis limbah dapat dilihat pada Tabel2.

Pengembangan diawali dengan synroc-C (standar) yang mempunyai tingkat muat 20%

berat LAT, kemudian dikembangkan proses pembuatan synroc dengan precursor slurry dan

sudah di-scaled-up menjadi fasilitas Synroc Demonstration Plant di ANSTO (Australia).

Hasil pengembangan synroc keramik (synroc-C) ini dapat menahan muatan limbah sampai

18

Hasil Penelitian clan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

30%berat LAT (Iebih tinggi dari synroc-C standar yang dibuat dengan precursor oksida) [1].

Limbah simulasi synroc ini telah difabrikasi pada skala - 30 kg dalam bentuk silinder

dengan diameter -350 mm dan tinggi 150 mm. Hampir 6 ton synroc ini telah diproduksi

dengan laju produksi secara nominal 10 kg/jam. ANSTO juga telah mengembangkan synroc

dengan teknologi fabrikasi menggunakan spray-dried synroc precursor dengan laju produksi

10 kg~am dan menghasilkan synroc yang telah dipress-panas dengan sifat-sifat yang dapat

diterima [2]. Disamping itu kolaborasi antara ANSTO dengan Lawrence Livermore National

Laboratory telah melakukan studi teknologi fabrikasi synroc melalui penerapan sintering

tanpa tekanan untuk imobilisasi LCAT khususnya yang mengandung unsur-unsur aktinida.

Pengembangan ini diperoleh synroc-C kaya zirconolite sampai 80 %berat (untuk

mengungkung aktinida), sedang fase yang lain masing-masing hanya 5%berat [1].

Sejumlah 35% berat PuOz dapat diimobilisasi dalam synroc kaya zirconolite ini (meningkat

dibanding synroc-C standar yang hanya 12%berat PuOz). Monoclinic zirconolite dapat

mengakomodasi Pu dalam larutan padat dalam posisi Ca dan Zr dalam synroc [5].

Khusus untuk limbah plutonium (Pu) dan uranium (U) dikembangkan synroc-F kaya

pyrochlore (CaATiz07, A=Gd, Hf, Pu, dan U) sebagai turunan zirconolite dengan absorber

netron Gd dan /atau Hf untuk menghindari kritikalitas. Untuk limbah kaya Pu fase pyrochlore

ditingkatkan sampai 95% berat [6].

Untuk imobilisasi limbah sludge (LAT) yang mengandung Cs dan kontaminan tinggi

NazO, SiOz dan besi oksida yang ditimbulkan dari program pertahanan Amerika Serikat di

Salvanah River Plant, telah dikembangkan synroc-D dengan memodifikasi komposisi

synroc-

C kaya hollandite [7]. Selanjutnya untuk limbah sludge (LAT) yang mengandung logam

tanah jarang , aktinida , Sr, dan garam alkali (natrium nitrat / nitrit) dikembangkan suatu

komposit gelas synroc yang mengandung fase zirconolite dan perovskite. Formulasi ini

mempunyai tingkat muat limbah cukup tinggi sekitar 70%berat [8,9].

Tabel2. Beberapa pengembangan jenis synroc dari berbagai jenis limbah [1,5,6,7,8,9,10].

Jenis limbah dan I Hasil Pengembanganradionuklida

dalam limbahLCAT tipe purex,radionuklida hasil belah,aktinida dan logam tanahjarang.

1. Dengan precursor oksida tingkatmuat 20%berat LAT, denganprecursor slurry tingkat muatsampai 30%berat LAT[1].12%berat PuOz dapatdiimobilisasi dalam synroc-C1,51.

19

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

Fase zirconolite sampai80%berat untuk mengungkungaktinida, sedang fase yang lainmasing-masing hanya 5%berafJ•

35%berat PU02 dapatdiimobilisasi dalam synroc kayazirconolite [5].

Pu I Synroc-F, 90% Pyrochlore (CaATb07), dan 5% hollandite[Ba(AI,Tih Tis01S]'

LCAT kaya Pu danmengandung U.

LCAT tipe purex, kaya Akti(Np,Pu, Am, Cm, dll).

Limbah sludge (LAT)mengandung Cs dankontaminan tinggi Na20,Si02 dan besi oksida .

Pelepasan Tc dan Cs dalamkondisi reduksi pada prosessynroc masing-masing adalah <0,0001% dan 0,1% [10].

Proses komposit hybrid synrocgelas dengan peleburan, densitas3,4 g/cm3 dan tingkat muat -70%limbah [8,9].

Synroc (dengan absorber netron)kaya pyrochlore, 95% tersusun (Ca, Gd, Hf, Pu, dan U) titanat,dan 5% Hf doping (sebagaiturunan fase zirconolite [6].Oikembangkan untuk Limbahsludge tangki dari programpertahanan di Salvanah RiverPlant, USA [7].

mengandung

Limbah Tc dan Cs/Sr(volatil) hasil pemisahandari limbah purex untukmengurangi efek gammaheating [1].

Limbah sludge (LAT)mengandung logam tanahjarang , Aktinida , Sr, dangaram alkali (Natriumnitratlnitrit)

LCATdan U.

4. Synroc-D,modifikasi

synroc-C kayahollandite,

Ba(AI,TihTis01S5. Synroc gelas

komposit kayaZirconolite(CaZrTi207) danPirovskite(CaTi03).

6. Synroc kayahollandite /perovskite,Ba(AI,TihTis01SICaTi03.

3. Synroc kayapyrochlore(CaATb07, A=Gd,Hf, Pu, dan U).

2.· Synroc-C kayazirconolite(CaZr Tb07)'

Secara terpisah juga telah dilakukan penelitian untuk technesium (Tc) dan caesium

(Cs) yang merupakan unsur-unsur ideal untuk diimobilisasi ke dalam synroc [10].

Radionuklida 99Tc dan 135Csadalah radionuklida umur panjang yang dalam bentuk gelas

limbah (dari proses vitrifikasi) mempunyai laju pelepasan (release rates) relatif tinggi dan

mudah tersebar ke lingkungan. Radionuklida Tc dan Cs adalah mudah menguap pada

temperatur oksidasi lingkungan yang tinggi yang digunakan dalam proses imobilisasi

dengan teknik vitrifikasi. Oleh karena itu telah dikembangkan bentuk synroc yang kaya

dengan fase hollandite/perovskite, Ba(AI,TihTis01S I CaTi03, untuk imobilisasi limbah yang

mengandung Tc dan Csl Sr dari produk proses pemanasan LCAT. Oi bawah kondisi

reduksi yang digunakan dalam proses synroc, pelepasan (penguapan) Tc dan Cs telah

ditunjukkan masing-masing adalah < 0,0001% dan 0,1% [10]. Radionuklida Tc dapat

diimobilisasi dalam synroc sebagai paduan logam atau sebagai Tc 4+, dimana posisinya

dapat mengganti Ti 4+ dalam semua fase titanat [111.Pengembangan berbagai jenis synroc

tersebut menggambarkan fleksibilitas komposisi limbah keluarga synroc jenis keramik.

20

Hasil Penelitian dan Kegiman PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

Tingkat muat limbah (LAT) dalam synroc cukup tinggi yaitu tiga kali lebih tinggi

dibanding dengan tingkat muat LAT dalam gelas borosilikat, sehingga limbah synroc

memberikan penghematan biaya cukup besar dalam fabrikasi wadah limbah (canistef),

transport, penyimpanan sementara dan penyimpanan lestari geologi tanah dalam [12].

STUDI DAYA TAHAN SYNROC LlMBAH

Study daya tahan synroc limbah terhadap fasa air

Studi daya tahan I synroc-C simbah tandar terhadap fasa air antara lain telah

digunakan X-Ray Photoelectron Spectroscopy untuk studi dekalsinasi fase perovskite

pada kedalaman < 5 nm setelah proses pelindihan dalam air bebas ion pada temperatur 90

dan 150 DC, ditunjukkan adanya Ca dalam cairan pelindihan yang menghalangi dekalsifikasi

[1]. Sedang penggunaan Transmition Electron Microscopy, diperoleh mikrograf tampang

lintang transmisi elektron pada permukaan synroc yang terlindih selama satu tahun pada

larutan penyangga fase air pH = 4 pada temperatur 150 DC, diamati adanya pelindihan

terhadap butiran fase perovskite, dan tidak terbukti adanya pelindihan fase synroc yang lain.

Kedalaman permukaan yang terlindih pada fase perovskite mendekati 0,2 ~m [13].

Selanjutnya penggunaan Scondary Ion Mass Spectroscopy dan Energy Recoil Analysis of

Aqueous Components, Alpha Recoil Spectroscopy juga ICP-analysis melengkapi data studi

ketahanan synroc dalam fase air yang terlarut. Spektrum deuterium (0) dengan analisis

tenaga recoil (tenaga terpelanting) untuk pengamatan synroc yang terlindih selama 20 hari

dalam 020 pada temperatur 190 OC, menunjukkan bahwa penetrasi deuterium rata-rata

(kemungkinan sebagai 00-) hanya - 15 nm [14]. Sedang penggunaan Alpha-Recoil

Spectroscopy menunjukkan adanya beberapa unsur aktinida pada permukaan synroc yang

terlindih. Beberapa data analisis pelindihan (leaching) untuk studi daya tahan synroc limbah

terhadap fase air dapat dilihat pada Tabel3.

Penelitian imobilisasi limbah transuranium dengan unsur-unsur utama aktinida (Np,

Pu, Am, dan Cm) menjadi synroc telah dilakukan. Imobilisasi aktinida dalam synroc fase

zirconolite dan perovskite adalah sangat tinggi, dan partisi aktinida antara 2 fase

tersebut mudah terjadi [3]. Laju pelindihan aktinida dari synroc sangat rendah, bahkan dalam

kondisi oksidasipun sangat rendah dan menurun dengan urutan : Np > Pu > Am> Cm. Laju

pelindihan total secara normal pada 70 DCsetelah 1000 hari cenderung mendekati 10'5- 10-6

g.m'2.hari'1[11].Laju pelindihan total Pu dari synroc-C dalam jangka panjang juga sangat

rendah yaitu -1x10·6 g.m·2.harr1. Laju pelindihan untuk Gd juga - 1x10'6 g.m'2.harr\

sedang laju pelindihan untuk Ti, Zr dan Hf berada di bawah batas deteksi. Sedang

daya

21

Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

Tabel 3. Beberapa data analisis laju pelindihan (leaching rates) dari berbagai jenis synroc

dan limbah [1,5,11,15,16,17].

Jenis synroc

UnsurLaju Pelindihan

Waktudan limbah

yang(g.m-2.harr1)

Mediumpengujian

Peneliti

terlindih Synroc-C,

Np, Pu,10-5 - 10-6(lajuAir bebas1000 hariVance

limbah TRU.

Am,pelindihanion, dkk[11 ].

Cm.

total), 70°C

Np<Pu<Am<CmSynroc-C,

Cs5 x 10-5Air bebas2 - 3 tahunJostsons

limbah Cs dan

Tc< 5 x 10-5ion, dkk [16]

Tc.

70°C

Synroc-C,

Pu1x 10-0Air bebas Jostsons

limbah Pu

Gd1x 10-6ion, dkk [5]

dengan

Ti, Zr, HfTak terdeteksi70°C

penambahan Gd.Synroc-C kaya

Pu1 x 10-:>Air bebas Weber dkk

zirconolite,LCA T

Gd1 x 1O-sion, [15]

mengandung

70 DC

Pu. Synroc-C

Alkali dan< 1x10-1*)Air bebas*) beberapaVance [1]

dengan

alkali ion,hari

precursor slurry,

tanah1 x 10-5U)90°Cpertama.

LCAT.

**) 2000 hari

Synroc limbah

Ba2,0 x 10-;!Air bebas7 hariLevins [17]

dari produksi

Cs1,3 X 10-1ion,

99Mo(44%berat

Sr1,3 x 10-1 70°C

limbah

Ti3,0 x 10-5

simulasi).

U9,0 x 10-5

tahan pelindihan Pu dalam synroc pada muatan yang lebih tinggi kemungkinan turun

karena fasa induk (host phase) yang mengungkung Pu menjadi amorf akibat radiasi <x,

tetapi peningkatan laju pelindihan Pu dalam fase zirconolite setelah amorfisasi telah diteliti

hanya naik dengan faktor 10 dari 1x10-6menjadi 1x10-5 g.m-2.hari-1 [15]. Sedang pengukuran

laju pelindihan unsur-unsur Tc dan Cs dari synroc menunjukan suatu kecepatan yang

22

Hasil Penelitian dan KegiaJan PTLR Tahun 2006ISSN 0852 - 2979

menurun dengan waktu. Untuk CS, laju pelindihan pada 70°C turun setelah beberapa

tahun menjadi 5x10-5g.m-2.hari-1, dan laju pelindihan untuk Te lebih rendah lagi [16].

Pada synroe hasil pembuatan menggunakan precursor slurry mempunyai ukuran butir

untuk masing-masing komponen mineral adalah dalam sub-mikron dan memberikan sifat

mekanik yang lebih baik. Laju pelindihan pada 90°C dalam air terhadap kebanyakan unsur­

unsur, khususnya alkali dan alkali tanah adalah lebih keeil dari 0,1 g.m-2.harr1 selama

beberapa hari pertama, dan kemudian turun seeara asymptotic ke suatu harga -10-5g.m­

2.harr1 setelah 2000 hari. Laju pelindihan 10-5g.m-2.harr1 sesuai dengan - 1 nm/hari [1].

Oi sini dapat dilihat bahwa laju pelindihan untuk beberapa unsur yang terkandung

dalam synroc sangat rendah. Sahkan untuk synroc limbah dari produksi 99Moterlihat ada

beberapa unsur yang tidak terlindih yaitu : Pu, Gd, dan Hf (dalam fase pyrochlore), aktinida

Np, Am, dan Cm (dalam fase brannerite), Rb (dalam fase hollandite), dan unsur-unsur hasil

belah golongan logam transisi Te, Pd, Rh, Ru, dll (dalam fase paduan AI titanati17J•

Kemungkinan unsur-unsur tersebut sangat terikat kuat dalam fase masing-masing atau

kandungan dalam limbah sangat keeil. Laju pelindihan unsur-unsur dari berbagai jenis

synroc tersebut relatif sangat rendah dan tidak ada perbedaan yang signifikan.

Oaya tahan synroc limbah terhadap air jauh lebih tinggi dibanding dengan limbah gelas

borosilikat (vitrifikasi). Oalam air murni pada temperatur 95°C dan 200°C, laju pelindihan

untuk Cs, Ca, Sr, dan Sa dalam synroc adalah 500 sampai 2000 kali lebih keeil dari pada

dalam gelas borosilikat. Sedang untuk laju pelindihan Nd, Zn, Ti dan U dalam synroc adalah

sekitar 10.000 kali lebih keeil dari pada dalam gelas borosilikat. Laju pelindihan synroc

limbah pada dasarnya konstan terhadap tingkat muat limbah dari 9 - 20 % berat LAT [12].

Studi daya tahan synroc limbah terhadap radiasi

Studi daya tahan limbah synroc terhadap radiasi dilakukan dengan studi difraksi

terhadap mineral-mineral sejenis synroc metamict dengan iradiasi elektron, netron dan ion­

ion berat terhadap euplikan sintetis dan euplikan-cuplikan yang ditambah (doping) dengan

radionuklida pemancar a yaitu 244Cm(T1/2 = 18 tahun) dan 238pU(T1/2 = 87 tahun). Proses

kerusakan yang signifikan terhadap bentuk limbah synroc hanya terjadi karena adanya

peluruhan a, dengan kerusakan utama timbul dari atom-atom yang terpelanting (recoil),

bukan partikel a itu sendiri. Karena recoil atom mempunyai jangkauan yang sangat pendek

(-20 nm), maka kerusakan terjadi pada fase-fase yang mengandung aktinida pemanear a.

Hasil- hasil penelitian pengaruh radiasi a terhadap synroc dapat dilihat pada Tabel 4.

23

Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

Tabel 4. Pengaruh radiasi a terhadap kerusakan synroc (Iaju pelindihan dan swelling)

[15.18,19.20.21.22,23].

£;jtjpu dan £44Cm Terjadi swelling 4,0 - 6,9

(11,2% berat %volume. Perbedaan swelling

236PU02 atau pada berbagai fase tidak

4%berat menyebabkan micro-cracking

244Cm203dengan Sedang pada synroc kaya Na,

dosis sampai 1,5 micro-cracking baru teramati pada

x 1019 alg pada dosis -1x 1016peluruhan a/g.

300 OK).

Aktinida

Jenis synroc

Synroc-C standar

dan Synroc fase

amort zirconolite.

Synroc kaya

zircono-lite dan

pyrochlor.

Synroc-C dan

speci-men fase

tunggal untuk

zirconolite dan

perovskite.

Synroc fase

zircono-lite,

pyrochlore dan

brannerite.

Doping unsur

pemancar a

pemancar a.

pengaruh radiasi a terhadap

synroc

(Iaju pelindihan dan swelling)

Laju pelindihan meningkat 10 kali

menjadi 1x10-4 sampai 1x10'5 g.m'

2.harr1.

Terjadi swelling - 6 % volume.

Terjadi perubahan bentuk dengan

faktor mendekati 3 dibanding

dengan tidak didoping dengan

aktinida pemancar a.

Peneliti

Weber dkk.

Mitamura

dkk [15.18].

Clinard dkk

[19].

Ewing dkk,

Houg & Mar­

ples,Mitamu­

ra dkk

[20,21.22]

Smith dkk

[23].

Hasil penelitian (Tabel 4) menunjukkan bahwa adanya 236pUdan 244Cmdalam synroc

menyebabkan terjadinya swelling (menggembung) dan peningkatan laju pelindihan. Laju

pelindihan untuk amort zirconolite dan limbah synroc standar yang didoping dengan 244Cm

meningkat walaupun hanya -10 kali dibanding bila tidak didoping dengan 244Cm (menjadi

sekitar 1x10·4 sampai 1x10·5 g.m'2.hari·1) [15,18]. Peningkatan laju pelindihan terse but

ditandai dengan perubahan bentuk dari fase yang memuat radionuklida pemancar a

e44Cm). Adanya 236pUdan 244Cmpada fase zirconolite / pyrochlore dan pada synroc-C

menyebabkan terjadinya swelling sekitar 4-6,9%volume [19,20,21]. Dosis iradiasi ion-ion

berat (sebagai simulasi inti recoil a) menyebabkan perubahan bentuk terhadap fase-fase

yang mengandung aktinida [23]. Oleh karena itu perlu menjadi perhatian utama terhadap

bentuk limbah kristalin dari limbah TRU yang mengandung aktinida dalam konsentrasi tinggi

24

Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

akan kemungkinan terjadinya kerusakan akibat peluruhan a yang dapat mengubah

bentuk kristal mereka. Perubahan bentuk tersebut berperan secara signifikan terhadap

perubahan sifat-sifat fisika dan kimia. Walaupun demikian perbedaan swelling pada

berbagai fase kristalin juga tidak menyebabkan micro-cracking (peretakan mikro) dalam

synroc-C. Sedang pada synroc kaya natrium (Na), dimana jumlah freudenbergik

(Na2Fe2Ti6016) yang signifikan distabilkan oleh Na dan micro-cracking baru dapat diamati

pada dosis sekitar 1x1018peluruhan a/g [22].

Kejadian secara alami pada synroc fase zirconolite yang mendapat paparan radiasi

sampai sekitar 3x1020peluruhan a/g telah ditunjukkan dapat menahan unsur-unsur aktinida

selama periode waktu sampai 2,5x109 tahun [25]. Oalam uji dipercepat menunjukkan

bahwa perubahan sifat mikrostruktur zirconolite sintetis mirip dengan zirconolite alam yang

mengandung uranium (U) dan/atau torium (Th) dan perubahan bentuk terjadi pada dosis

radiasi a yang serupa.

Kerusakan akibat radiasi a dapat diminimalisasi dengan annealing secara termal.

Penekanan kerusakan dengan annealing secara signifikan telah diamati pada eksperimen

kerusakan a terhadap synroc-C pada temperatur serendah-rendahnya 200°C [26]. Oari

eksperimen tersebut menunjukkan laju pertumbuhan kerusakan a pada 200°C adalah 40%

lebih rendah dari pada yang diamati pada 30°C. Proses annealing secara termal ini

berperan penting untuk konsep ko-imobilisasi 135Cs dan 244Cm dalam synroc untuk

memberikan pemuatan (loading) 244Cmyang tinggi, karena panas peluruhan 135CSdapat

digunakan untuk membatasi kerusakan akibat radiasi a dari 244Cmselama penyimpanan.

Oari hasil-hasil penelitian tersebut dapat diketahui perilaku synroc akibat radiasi a

pada dosis tinggi yang menunjukan bahwa kerusakan synroc relatif sangat rendah dan

masih dapat diterima. Selain itu tidak ada tanda adanya proses terjadinya peretakan antar­

butiran (intergranular cracking) pada pengepresan panas synroc-C.

ADAPTASI TEKNOLOGIIMOBILISASI LCAT DENGAN SYNROC DI BATAN

Oi Indonesia, LCAT ditimbulkan dari Instalasi Radiometalurgi (IRM) dan Instalasi

Produksi Radioisotop (IPR) yang ada di Fasilitas Penelitian Tenaga Nuklir Kawasan

Puspiptek Serpong. LCAT dari IRM berupa limbah yang ditimbulkan dari kegiatan uji pasca

iradiasi elemen bakar nuklir yang mengandung unsur-unsur (radionuklida) hasil belah dan

aktinida, sedang LCAT dari IPR berupa limbah dari kegiatan produksi radioisotop

molibdenium (99Mo)melalui jalur iradiasi target uranium (93% 235U)di dalam reaktor. LCAT

dari produksi radioisotop 99Momengandung unsur-unsur hasil belah, sisa uranium,

dan unsur-unsur aktinida (TRU) minor. Imobilisasi kedua jenis limbah ini telah

c!ipelajari di Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN dengan teknik vitrifikasi [27,28] dan

25

Hasil Pene/itian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 /SSN 0852 - 2979

dengan teknik polimerisasi [29]. Sedang hasil-hasil penelitian dan pengembangan synroc

sebagaimana telah diuraikan di atas mempunyai prospek yang lebih baik dan dapat diadopsi

dan dikembangkan sebagai alternatif untuk imobilisasi kedua jenis LCAT yang ditimbulkan

dari IRM dan IPR tersebut. Adaptasi teknologi imobilisasi dengan synroc untuk kedua jenis

LCAT tersebut dapat dilakukan berdasar skema pada Gambar 1 dan Gambar 2

yang masing-masing ada 2 alternatif. Untuk LCAT dari IPR yaitu langsung diimobilisasi

dengan synroc atau dilakukan ekstraksi dengan asam dietil heksil fosfat untuk memisahkan

235Udan unsur hasil belah, kemudian baru dilakukan imobilisasi dengan synroc. Sedang

untuk LCAT dari IRM juga dapat langsung diimobilisasi dengan synroc atau dilakukan

ekstraksi dengan TBP-Oodekan sehingga diperoleh LCAT-II (yang mengandung unsur hasil

belah dan kontaminan TRU dan U) dan limbah cair transuranium (LCTRU) yang

mengandung TRU, U dan kontaminan unsur hasil belah, baru kemudian dilakukan

imobilisasi dengan synroc. Jenis synroc yang dipilih (pada Gambar 1 dan Gambar 2)

berdasarkan kandungan radionuklida dalam limbah. Adaptasi teknologi imobilisasi dengan

synroc untuk kedua jenis LCAT tersebut masih perlu dilakukan penelitian dan

pengembangan lebih lanjut.

KESIMPULAN

Teknologi imobilisasi LCAT yang mengandung radionuklida hasil belah dan aktinida

(transuranium) dengan synroc merupakan alternatif untuk mengganti teknologi imobilisasi

gelas-borosilikat, karena synroc mempunyai kestabilan geokimia dan kemampuan kolektif

untuk imobilisasi semua unsur radioaktif dalam LCAT, serta ketahanan terhadap air tanah

dalam penyimpanan lestari geologi tanah dalam. Studi ilmu pengetahuan dan penelitian

dasar memberikan konfirmasi bahwa laju pelindihan dan kerusakan akibat radiasi

peluruhan-a. terhadap synroc relatif sangat rendah dan dapat diterima. Pengembangan

komposisi synroc untuk imobilisasi limbah tergantung pada kandungan radionuklida, untuk

LCAT yang mengandung aktinida dikembangkan synroc-C kaya zirconolite (CaZrTi207),

untuk limbah uranium dan plutonium dikembangkan synroc-C kaya pyrochlore (CaATi207)

dengan penambahan unsur-unsur absorber netron untuk mencegah kritikalitas, dan untuk

limbah yang mengandung Tc dan Cs/Sr dikembangkan synroc kaya fase

hollandite/pirovskite, Ba(AI,TihTis01S I CaTi03• Tingkat muat LAT dalam synroc dapat

ditingkatkan dengan memperkaya fase dalam synroc yang sesuai dengan kandungan

radionuklidanya. Oi Indonesia, Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN akan melakukan

adaptasi teknologi imobilisasi dengan bahan synroc untuk imobilisasi LCAT melalui

penelitian dan pengembangan lebih lanjut sesuai dengan karakterisasi LCAT yang

26

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

ditimbulkan dari produksi radioisotop 99Modan kegiatan uji pasca-iradiasi elemen bakar

nuklir.

DAFT AR PUSTAKA

1. VANCE E.R., Status of Synroc Ceramics for HLW, Proceedings of The 2nd Bianual

International Workshop on HLRW Management, Dep.of Nuclear Engineering, Faculty of

Engeneering, Gadjah Mada University, Yogyakarta, August 10-12, 1999.

2. LEVINS, D.M and JOSTSONS, A., R&D in Radioactive Waste Management at ANSTO, The 2nd

Seminar on RWM, Regional Cooperation in Asia, Kuala Lumpur - Malaysia, October 14-16, 1996.

3. RINGWOOD, A.E, KESSON, S.E, REEVE, K.D., LEVINS, D.M and RAMM, E.J., In Radioactive

Waste Form for the Future, Elsevier, North-Holland, p. 233-334,1988.

4. SIZGEK,E.R.,et.al., Production of Synroc Ceramics from Titanate Gel Microspheres, in Scientific

Basis for Nuclear Waste Management XVII, Materials Research Society, Pittsburgh, PA, USA, p.

305-312,1994.

5. JOSTSONS, A., et.al., Surplus plutonium Disposition via Immobilisation in Synroc, Spectrum '96,

International Topical Meeting on Nuclear and Hazardous Waste Management, Seattle, WA, August

18-23,1996.

6. STEWART M.N.A, et.al., Environmental Issues and Waste Management Technologies in the

Ceramic and Nuclear Industries IV, American Ceramic Society, Mesterville, OH, USA, in press.

7. RINGWOOD, A.E., KESSON, S.E and WARE, N.G., Immobilization of US Defence Nuclear Waste

Using the Synroc Process, in Scientific Basis for Nuclear Waste Management, Vol 2, Plenum Press,

New York, p 265, 1980.

8. VANCE E.R.,et.al., A Melting Route to Synroc for Hanford HLW Immobilisation, in Scientific Basis

for Nuclear Waste Management XIX, Materials Research Society, Pittsburgh, PA, USA, p. 289-296,

1996.

9. JOSTSONS A., VANCE E.R. and MERCER, D.J., Advanced HLW Management Strategies

Employing Both Synroc and Borosilicate Glass Wasteforms, Proceedings of Global'95, p.774,

Versailles, France, September 11-14, 1995.

10. HART K.P. et.al., Immobilization of Separated Tc and Cs/Sr in Synroc, in Scientific Basis for

Nuclear Waste Management XIX, Materials Research Society, Pittsburgh, PA, USA, p. 281­

288, 1996.

11. VANCE E.R., JOSTSONS, A and HART K.P., Synroc as a Ceramic Wasteform for Deep

Geological Disposal, International Confeference on Deep Geological Disposal of Radioactive Waste,

Winnipeg, September 16-19,1996.

12. RINGWOOD A.E.,et.al., Synroc : Leaching Performance and Process Technology, Research

School of Earth Science, The Australian National University, Australia, p. 495-506, 1982.

13. SMITH K.L., et.al., In Scientific Basis for Nuclear Waste Management XX, Materials Research

Society, Pittsburgh, PA, USA, p.349, 1997.

14. DYTLEWSKI N., VANCE E.R. and BEGG B.D., Journal of Nuclear Materials, 231, p. 257,1996.

27

Hasi/ Pene/itian don KegiaJan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

15. W.J.wEBER, J.W. WALD and HJ.MATZKE, "Effects of Self-Radiation Damage in Cm-Doped

Gd2Ti207 and CaZrTi207, Journal of Nuclear Materials, 138, p.196, 1986.

16. JOSTSONS A.,et.al., Immobilisation of High Concentrations of Partitioned Long-Lived

Radionuclides in Synroc, Tenth Pacific Basin Nuclear Conference, Kobe, Japan, October 1996.

17. LEVINS D.M, ANSTO's Waste Management Action Plan, The 3rd Seminar on Radioactive Waste

Management, Nuclear Cooperation in Asia, China, 1997.

18. H. MITAMURA, et.al, "a-Decay Damage Effects in Curium-Doped Titanate Ceramic Containing

Sodium-Free High Level Nuclear Waste", Journal of American Ceramic Society, 77 [9], p. 2255­

2264, 1994.

19. F.W.Jr.CLlNARD, D.E.PETERSON, D.L.ROHR and L.W.HOBBS, Journal of Nuclear Materials,

126, p. 245, 1984.

20. RC. EWING, W.J.WEBER and F.W.Jr.CLlNARD, "Radiation Effects in Nuclear Waste Forms for

High Level Radioactive Waste", Program in Nuclear Energy, 2~, p.63, 1995.

21. HOUG and JAC. MARPLES, "The Radiation Stability of Synroc": Final Report, AEA

Technology Report, AEA-FS-0201 (H), 1993.

22. H.MITAMURA, et.al., "Self-Irradiation Damage of a Curium-Doped Titanate Ceramic Containing

Sodium-Rich High Level Nuclear Waste", Journal of American Ceramic Society, Vol. 73 [11]

p.3433, 1990.

23. K.L.SMITH, N.J.ZALUZEC and G.RLUMPKIN, "Scientific Basis for Nuclear Waste Management

XXI, Materials Research Society, Pittsburgh, PA,USA, p931, 1998.

24. G.RLUMPKIN and R.C.EWING, "Scientific Basis for Nuclear Waste Management VIII", Materials

Research Society, Pittsburgh, PA, USA, p.647, 1985.

25. G.RLUMPKIN, K.P.HART, P.J. McGLINN, T.E. PAYNE, RGIERE and C.T.WILLIAMS,

"Retention of Actinides in Natural Pyrochlores and Zirconolites", Radiochemica Acta, Vol. 66/67, p.

469, 1994.

26. K.D.REEVE, et.al , "Reformulation of Synroc for Purex High Level Nuclear Wastes Containing

Further Chemical Additions",Proceedings of International Ceramic Conference, Austceram 92,

CSIRO, Australia, p.1014, 1992.

27. MARTONO, H. dan AISYAH, "Efek Radiasi Terhadap Gelas Limbah Hasil Vitrifikasi, Presiding

Pertemuan Dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar Iptek Nuklir", P3TM-BATAN, Yogyakarta, 2002.

28. MARTONO, H. dan WIDIATMO, "Perancangan Melter Untuk Pengolahan Limbah Cair Aktivitas

Tinggi Secara Vitrifikasi, Seminar Hasil Penelitian Dan Kegiatan P2PLR 2001", Serpong, 2002.

29. AISYAH dkk, "Pengaruh Keasaman dan kandungan Limbah pada Imobilisasi Limbah Trasuranium

dari IRM dengan Polimer", Seminar Hasil Penelitian Dan Kegiatan P2PLR 2003, Serpong, 2004.

28