Prosiding P/1~sentasi IImiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU & P2BGN -BA TAN Jakarta, 22 Februari 2000 ISSN 1410-1998

KARAKTERISASI DAN KOMPARASI SERBUK UO2 DARI PROSES ADU DAN

AUC SELAMA PROSES PENGOMPAKAN.

Meniek RachmawatiPusat Pengembangan T eknologi Bahan Bakar Daur Ulang -BAT AN

ABSTRAK

KARAKTERISASI DAN KOMPARASI SERBUK UO2 DARI PROSES ADU DAN AUC SELAMAPROS;ES PENGOMPAKAN. Pemahaman karakter berbagai serbuk dengan sifat-sifat yangberbeda selama proses pengompakan dan sintering akan memberikan informasi yang bergunauntuk mendapatkan kondisi fabrikasi yang optimal. Penelitian dilakukan dengan mengamatidistribusi ukuran dan bentuk partikel serbuk UO2 dari proses ADU dan AUC menggunakan SEM.Kemudian ditambahkan pelumas Zn-stearat sebanyak 0,4% berat ke dalam masing-masingserbuk sebelum dikompakkan dengan tekanan 4 dan 5,4 ton/cm2. Kelakuan serbuk selamapengompakan dilakukan dengan melakukan karakterisasi panjang, kerapatan, dan struktur mikrodan kekuatan mekanik pelet mentah UO2 ex-ADU dan ex-AUC menggunakan mikrometer, SEM,dan UTM.Hasil penelitian menunjukkan bahwa serbuk UO2 ex-ADU reproducibility dan kerapatanpelet rnentah UO2 ex-ADU lebih rendah dibandingkan dengan serbuk UO2 ex-AUG. Hal ini terlihat

pada fluktuasi panjang yang lebih besar dan kerapatan pelet mentah UO2 ex-AUC (6,415 g/cm3)

yang lebih tinggi dibandingkan dengan pelet mentah UO2 ex-ADU (6,117 g/cm3). Disamping itukemampuan serbuk UO2 ex-ADU terhadap tekanan lebih rendah akibat fraksi halusnya yanglebih banyak. Pada tekanan 3MP kekuatan mekanik mentah UO2 ex-AUC (47,144 kgf) lebihrendah dibandingkan dengan pelet UO2 ex-ADU (63,364 kgf). Sedangkan pada 5,4 ton/cm2kekuatan mekanik pelet mentah UO2 ex-AUC (92,86 kgf) lebih tinggi dibandingkan dengan peletmentah UO2 ex-ADU (82,664 kgf). Disarankan untuk melakukan penanganan serbuk awal untukmendalpatkan karakteristik serbuk yang optimal dengan melakukan pengompakan awal danpenggranulasian untuk memperbaiki mampu alir serbuk UO2 ex-ADU sehingga reproducibility

dapat (jiperbaiki.

ABSTRACT

CHARACTERISA TION AND COMPACTION BEHA VIOUR OF UO2 POWDERPREPARED FROM ADU AND AUC. UO2 powder prepared from ADU and AUC route process arecharacterised primarily in terms of compaction and sintering behaviour. Scientific understanding ofthe phenomena will give useful information leading to processing and product improvement. Theinvestigation has been done by characterisinq the particle size/shape distribution using SEM andcompacting the powder at 4 and 5.4 tonslcm .The behaviour of the powder under compaction isobserved by characterizing the pellet length, green density, microstructure, and the compressionstrength using micrometer SEM, and Universal Testing Machine. The results of the experimentShow that the UO2 powder ex- AUC has particles of spherical type and separate individually

which provide the flowable characteristic, important for the die filling aspect during compactionstep. The UO2 powder ex- ADU is more or less agglomerated and contains very fine particlescausing the difficulty in pressing. Therefore the green density resulted from UO2 ex-AUC (6.415

g/cm3) is higher than UO2 powder of UO2 ex- ADU(6.117 g/cm3. UO2 at lower pressure (4tonslcm2) the compression strength ex-AUC green pellet (47,144 kgf) is lower than UO2 ex-ADU(63,364 kgf), and at higher temperature the compression strength of ex-AUC (92,86 kgf) is higherthan UO2 ex-ADU (82,664 kgf). It is suggested that UO2 ex -ADU has to be precompacted and

granulated in order to increase its flowability so that the pellet length can easily be controlled

during pressing ("improve reproducibility).

PENDAHULUAN

Pengornpakan adalah prosespengubahan serbuk rnenjadi kornpakandengan sifat-sifat tertentu rnisalnyakerapatan. Pad a proses pengornpakan,respon serbuk terhadap compaction stresstidaklrlh sarna akan tetapi tergantungkarakteri~tik serbuk. Meskipun teknikfabrikasi secara konsisten akan

mempengaruhi kualitas pelet, akan tetapikualitas pelet terutama ditentukan olehkarakteristik serbuk UO2 awal yangdigunakan[1]. sedangkan karakteristik serbukawal UO2 akan ditentukan oleh prosesfabrikasinya [2.3] .

Karakteristik serbuk UO2 dapatdikelompokkan menjadi 2 yaitu karakteristikkimia dan fisika. Karakteristik kimiadipersyaratkan terutama dikaitkan dengan

226

ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi //miah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU & P2BGN -SA TAN Jakarta, 22 Februari 2000

penyerapan netron[1]. Sedangkankarakteristik fisika dipersyaratkan terutamrdikaitkan dengan teknologi fabrikasinya [4.Karakteristik fisik yang erat kaitannya denganteknologi fabrikasi meliputi: luas permukaanpartikel (sutface area) dan derajadaglomerasi [5]. Karakteristik serbuk lainnyayang erat kaitannya dengan sifat fisik diatasadalah O/U, bulk dan tap density serta green

density.

Serbuk UOz yang berasal dari prosesAUC mempunyai bentuk partikel bulat(spherical) dan terpisah antara partikel satu

dengan lainnya sehingga mempunyai mampualir yang lebih bagus (mikrograp 2).

Mikrograp 1. Partikel serbuk UO2 ex-ADU yangcenderung mengaglomerasi. bentuktak beraturan, dan fraksi halus yanglebih besar dibandingkan serbukUO2 ex-AUG.

Karakteristik kompakan dapatdikelompokkan menjadi 5: 1). Struktur mikroseperti ukuran butir; 2). Struktur pori poriyang meliputi ukuran, bentuk daninterkoneksinya; 3). Sifat-sifat mekanik

seperti "strength", "toughness", "fatique", 4).Karakteristik permukaan (korosifitas, filtrasi,katalitis); 5). Karakteristik fisik (termal,elektrik, magnetik).

Berdasarkan pertimbangan tersebut,perlu dilakukan penelitian untuk memahamikarakter serbuk selama proses fabrikasinya.Pemahaman ini merupakan langkah kearahpenguasaan teknologi fabrikasi dengans2saran perbaikan kualitas produk denganbiaya fabrikasi yang minimum. Disampingitu, penelitian ini akan memberikanpengalaman empirik yang akanmemungkinkan BEBE mampu memfabrikasipelet UO2 dengan berbagai kualitas serbukUO2 yang berbeda. Hal ini akan mengurangiketergantungan bahan dasar.

PROSEDUR PENELITIAN

Penelitian dilakukan denganmenggunakan serbuk UO2 yang berasal dariproses ADU dan AUG. Dilakukanpengamatan distribusi ukuran dan bentukpartikel menggunakan SEM. Pada masing-masing serbuk dicampurkan pelumas Zn-stearat 4% berat sebelum dikompakkan

2dengan tekanan 4 dan 5,4 ton/cm. Peletmentah hasil pengompakan diukurkerapatan, kekuatan mekaniknya, danstruktur mikronya menggunakan mikrometer,SEM, dan Universal Testing Machine.

Mikrograp 2. Partikel serbuk UO2 ex-AUC yangberbentuk "spherical", terpisah satusarna lainnya dan mempunyaimampu alir yang lebih baik

Karakteristik Pelet Mentah UO2

Tabel1. Harga kerapatan dan kekuatanmekanik pelet mentah UO2 ex-ADUdan UO2 ex-AUG.

Ex-AUCex-ADUPelletmentah UO2

HASIL DAN BAHASAN

5,88 (3MP),6,42 (4MP)

5.49 (3 MP).6.12 (4MP)

Kerapatan,3g/cm.Karakteristik Serbuk

1

63,3682,66

47.14 (3MP),92.86 (4MP)

KekuatanI

mekanik, kgfDari mikrograp 1 terlihat bahwa

serbuk UO2 ex-ADU berbentuk tidak bulat(non-spherical) dan mengandung serbuk

halus serta cenderung mengaglomerasi.

227

(3MP), I

(4MP)

Prosiding Presentasi /Imiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP21BDU & P2BGN -BA TAN Jakarta, 22 Februari 2000 ISSN 1410-1998

Perilaku Serbuk

PengompakanPad a Proses

Serbuk UO2 dari proses AUC yangberbentuk spherical (Micrograp 2) akan

mempunyai mampu alir yang lebih baik[6]. Halini sangat penting pada aspek pengisiancetakan dies selama proses pengompakan.

Akibatnya panjang pelet akan lebih mudahdikontrol selama pengompakan sehingga

dapat memperbaiki reproducibility. Hal inidapat terlihat pada Gambar 1 (a). yangmenunjukkan bahwa fluktuasi (kisaran)panjang pelet mentah UO2 ex-AUC yanglebih kecil dibandingkan dengan peletmentah UO2 ex-ADU. Kecenderungan yangsarna terjadi pada tekanan yang lebih besar(5,4 ton/cm1, akan tetapi panjang peletmentah UO2 ex-ADU lebih pendekdibandingkan pelet mentah UO2 ex-AUC(bandingkan Gambar 1a. dan b.) Bentukpartikel yang tak beraturan dari serbuk UO2ex-ADU akan memberikan apparent densityyang lebih rendah dan memberikankerapatan pelet mentah yang lebih rendah

dibandingkan serbuk UO2 ex-AUC (Tabel 1dan Gambar 2).

Perbedaan bentuk partikel dari kedua serbuk UO2 juga akan mempengaruhibentuk dan ukuran pori pelet mentah yangdihasilkan (Mikrograp 3). Hal ini serna kinjelas pada tekanan yang lebih besar pada,(Mikrograp 4.) terlihat bentuk dan ukuran poripelet rnentah UO2 ex-AUC bulat dan lebihhalus. Sedangkan bentuk dan ukuran poripelet rnentah UO2 ex-ADU rnernanjang tegaklurus arah kornpakan dan lebih besar. Ukuranpori yang lebih besar akan collapse padatekanan yang lebih rendah dibandingkandengan pori yang lebih halus.

Oleh karena itu, 10 dari 28 peletrnentah UO2 ex-ADU patah pad apengornpakan serbuk UO2 ex-ADU padatekanan 5,4 ton/crn2. Patahan ini akibatpenjalaran retak (crack propagation) tegaklurus arah kornpakan (Mikrograp 5).

Ukuran partikel akan rnernpengaruhifriksi antar partikel, packing, dan ukuran pori.Ukuran partikel yang sernakin halus akan

E 10.5E~ 10.4.

10.3 :10.2 ,

"Q) 10.1.-& 10 ~

9.9 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

--'> q --~ ~ ",-- ",'> ",qNomor pelet

E 12.5g 12.c 11.5

1110.5

--10Q)'"ai 9.5Co

g> ~ ~ 0) ~~ ~ '\.~ ~ '\.0)CIJ

'-g- NomJr peletQ I -+- Parjarg peIet ~h AUC I

II -e-- Parjarg pelet ~h ADU I i

(a) Tekanan pengompakan 4 ton/cm2 (b) Tekanan pengompakan 5,4 ton/cm2

Gambar 1. Reproducibility yang lebih baik atau panjang pelet UO2 ex-AUC yang relatif lebihstabil dibandingkan dengan serbuk UO2 ex-ADU.

E 6.2 E 6.6 I.§. 6 .§. 6.5~ 5.8 ~ 6.4--g 5.6 ~ 6.3E 5.4 ~ 6.2.":gi 5.2 i 6.1~ 5 ~ 6c 4.8 "toP. 4 6 Co 5.9ro .mCo 4 4 ~ 5.8ro .~

~ ,,~'\ ~ ~ ~ ~ I:\. ~ ~ ~ -.'\ ~~ ~'!I ,,~ ~~ ",'" "", ~~ " ~ "' ~ '\i IV Nomor pelet

Nomor pelettan pelet mentah AUC

-+-Kerapatan pelet mentah AUC tan pelet mentah ADU-e- Kerapatan pelet mentah ADU

(a). Tekanan pengompakan 4 ton/cm2 (b) Tekanan pengompakan 5,4 ton/cm2

Gambar 2. Kerapatan pelet mentah UO2 ex-AUC yang lebih besar dibandingkan dengan peletmentah UO2 ex-ADU

228

ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi /Imiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP27BDU & P2BGN -BA TAN Jakarta, 22 Februari 2000

SIMPULAN

Serbuk UO2 ex-AUC mempunyai bentukpartikel spheris (spherical) dan terpisah satudengan lainnya. Sedangkan serbuk UO2 ex-ADU mempunyai bentuk partikel non-sphericaldan cenderung mengaglomerasi. Serbuk UO2ex-ADU memiliki fraksi ukuran partikel halusyang lebih banyak dibandingkan dengan serbukUO2 ex-AUG. Karakteristik tersebut memberikankonsekuensi sebagqi berikut :

1. Serbuk UO2 ex-AUC lebih mudah

dikompakkan u~tuk mendapatkan kerapatanpelet mentah y~ng tinggi daripada serbukUO2 ex-ADU. '

2. Kontrol dimens, pelet UO2 ex-AUC lebihmudah dibandingkan pelet UO2 ex-ADU.

3. Kerapatan pelet mentah UO2 ex-AUC," sepanjang kornpakan lebih homogen

dibandingkan pelet UO2 ex-ADU.

mempunya1 friksi antar partikel dandinding dies yang semakin tinggi sehinggadiperlukan tekanan pengompakan yangbesar untuk mengatasi friksi tersebutuntuk mendapatkan kompakan dengankerapatan yang tinggi (Tabel 1 danGambar 2). Disamping itu parlicleworkhardening akan lebih besar karenajarak dislokasi (slip) yang lebih kecil padapartikel yang lebih halus sehinggakerapatan pelet mentah yang dihasilkanakan lebih rendah (Tabel 1 dan Gambar2). Ukuran partikel yang lebih halus akanmenimbulkan variasi tekanan yangsemakin besar yang akan menghasilkankerapatan kompakan yang tidak homogen

sepanjang kompakan.

Derajad aglomerasi ak~n

mempengaruhi pengompakan 6].

Aglomerasi terjadi karena luas mukaserbuk yang tinggi dan cenderung tidakmengalir bebas serta mempunyaiapparent density yang rendah. Hal iniakan mempengaruhi aspek pengisian diessehingga menyulitkan kontrol panjangkompakan (Gambar 1.) dan pencapaian

kerapatan kompakan tinggi (Gambar 2.).Lebih lanjut luas permukaan partikel yangtinggi akan menimbulkan friksi antarpartikel dan dinding cetakan yang lebihbesar sehingga homogenitas kompakanal{an turun.

SARAN

Disarankan untuk melakukanpenanganan serbuk awal untuk mendapatkankarakteristik serbuk yang optimal untukkepentingan proses. Berdasarkan hal tersebut,dilakukan peng'ompakan awal danpenggranulasian untuk memperbaiki mampu alirserbuk UO2 ex-A[j>U sehingga reproducibility

dapat diperbaiki.

(b)(a)

(c) (d)Micrograph 3. a, b: Petet mentah UO2-ex ADU (4 ton/cm2), c, d pelet mentah UO2-

2ex AUC (5,4 ton/cm ).

229

Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir VP2TBDU & P2BGN -BA TAN Jakarta, 22 Febroari 2000 ISSN 1410-1998

(b)(a)

(c) (d)

Mikrograp 4. a. b. UO2 ex-AUC (5,4 ton/cm1. c, d. UO2 ex-ADU (5,4 ton/cm1.

PUSTAKA untuk memperbaiki mampu alir serbuk UO2 exADU, tetapi tentu saja harus meninjau sifatnuklir bahan kimia tersebut ?

Meniek Rachmawati.Dari yang sara baca, penambahan bahan

kimia untuk memperbaiki mampu alir belumada. Hal ini karena mampu alir kaitannyadengan karakteristik fisik serbuk intrinsik/ekstrinsik ( mohon dilihat di sub bab bahasandalam makalah sara. Sedangkanpenambahan zat kimia kaitannya denganserapan netron.

2.. SungkonoMengapa tujuan penelitian anda dengankesimpulan yang diperoleh tidak nyambung.Tujuan penelitian terlalu umum ?Mohon dijelaskan fenomena mechanical

interlocking.

[1]. GLODEANU, F. M AND BALAN. V, 1988,Correlation Between VOz Powder and PelletQuality in PHWR Fuel Manufacturing, Journalof Nuclear Materials Vol.153, page 156-159North Holland, Amsterdam.

[2]. YI MING PAN, CHE BAG MA AND NIEN -

HAN HSU, 1981, Journal of NuclearMaterials, Vol. 99, page 135-147, NorthHolland Publishing Company, Amsterdam.

[3]. CHOTARD, A, 1991, Fabrication,Characteristics and in-Pile Performance ofVOz Pellets Prepared from Dry RoutePowder, Key Engineering Materials, Vol.56-57, page 471-488, Switzerland.

[4]. RADFORD, K.C. AND POPE, I.M, 1983, UOzFuel Pellet Microstructure Modification,Journal of Nuclear Materials, page 305-313,North Holland Publishing Company,Amsterdam.

[5]. YANAI DKK, Characterisation of CeramicPowder Compact, Journal of NuclearMaterials, July 1955 Vol. 224 (1), p.79-84.

[6]. DEJU DKK, Study of External Friction DuringUOz Powder Compaction, Joumal of Nuc.Mat., 1980, Vol. 25 (6), p.713-722.

TANYAJAWAB

Meniek Rachmawati.Oi dalam suatu penulisan ilmiah, kesimpulan

menyatakan apakah hipotesa terbukti adatidak sedangkan tujuan dari penelitian danpengembangan fabrikasi bahan bakar adalahpenguasaan teknologi fabrikasi (Ii hat tujuan di

proposal uspen kita)..Fenomena mechanical interlocking mohon

dibaca di dalam makalah saya.FutichahPada penanganan serbuk awal disarankanuntuk dikompakkan await granulasi, apakahtidak ada cara lain (misalkan secara kimia)

230