PENENTUAN ENERGI AKTIVASI SINTER PELET (Th,U)O2P ADA T AHAP PERTUMBUHAN BUTIR

Tundjung Indrati Y, Pristi Hartati, MurdaniP3TM -BATAN. J/. Babarsari Katak Pas 1008. YQgyakartaAri HandayaniP31B -BATAN, Serpang -TangerangAslina br GintingP2EBNDU -BATAN, Serpang -Tangerang

ABSTRAK

PENENTUAN ENERGI AKTIVASI SINTER PELLET (Th,U)Oz PADA TAHAPPERTUMBUHAN BUTIR. Penentuan energi aktivasi pelet (Th,U)Oz pada tahap pertumbuhanbutir telah dipelajari menggunakan dilatometer dan Scanning Electrone Microscope (SEM).Metoda perhitungannya dengan metoda yang berdasarl<an kurva penyusutan pellet dan.berdasarl<an analisis metalurgi kuantitatif. Pelet mentah diperoleh daTi proses kompaksipenekanan tunggal. Pellet tersebut dipanaskan menggunakan dilatometr dengan temperaturpemanasan dan soaking time yang divariasikan. Dilatometer diopersikan dengan lajupemansan 11 °C/menit dan sistem reaktomya dialiri gas argon 2 liter/jam. Energi aktivasi tahapdensifikasi hanya dapat dihitung berdasarl<an metoda kurva openyusutan sedangkan energiaktifasi tahap pertumbuhan butir dapat dihitung dengan due metoda yaitu berdasarl<an kurvapenyusutan dan metoda metalografi kuantitatif. Oleh karena kemampuan operasi dilatometerhanya sampai 1200 °c maka kurva penyusutan yang diperoleh dapat untuk menghitung energiaktivasi tahap densilikasi sebesar 4,492 kkal/mo/. Energi aktivasi tahap pertumbuhan butirsebesar 25,277 kkal/mol dapat diprediksi dengan memvariasikan harga n. Harga energi aktivasiini berl<esesuaian dengan energi aktivasi yang berdasarl<an perhitungan dengan metodametalografi kuantitatif 25,042 kkal/mol. Jadi secara keseluruhan energi aktivasi proses sinterpelet (Th, U)O2 sekitar 29, 769 kkal/mol

ABSTRACT

DETERMINA TION OF SINTERED (Th,U)O2 PELLET A T THE GRAIN GROWTH STEP. Thedetennination of sintered Th, U)O2 pellet at the grain growth step have been done by dilatometerand Scanning Electron Microscope (SEM). The calculation methode based on the densificationcurve and quantitatife meta/Jurgy. The green pe/Jet be produced by single action compaction.Its pe/Jet was heated on the dilatometer with heating rate 11 °C/menit and in the argonatmosfier, 2 liters/hour. The activation energy at the densification step can be calculated bydensification curve only, but the activation energy at the grain growth step can be calculaten bydensification curve or quatitative meta.llurgy. The capability of the dilatometer can be operateduntil 1200 °c, so the densification curve based on the experience can be used to calculate:.activation energy at the densification step, 4.492 kcaVmole. The activation energy at the graingrowth step, which is 25,277 kcaVmole, can be predicted by trial and error on n value. Thatactivation energy is almost the same with activation energy that based on the quatitativemeta/Jurgy methode 25.042 kcallmole. A/J of the activation energy for the (Th,U)O2 pe/Jetsintering process is 29.769 kcaVmole

PENDAHULUAN

B ahan bakar campuran ThOz clan UO2+. , yangdigunakan dalam reaktor daya Reaktor CANDU

dan Reaktor bertekanan -Presurized High WaterReactor (PHWR) pembuatannya melalui salah satuproses yang disebut sinter (sintering). Pada prosessinter pelet campuran ThOz dan UO2+. terjadi

fenomena larut padat sehingga terbentuk rasa(Th,U)O2' Tujuan dilakukan proses sinter adalahuntuk mendapatkan pelet (Th,U)O2 yang memenuhipersyaratan desain elemen bahan bakar suatu reaktordaya. Ini memerlukan penguasaan dan pemahamanteknologi proses sintetl.2)

Menurut KINGERY mekanisme yangdominan pada proses densifikasi adalah difusi

Prosiding Penemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli2000

,

pertumbuhan butir. Kedua tahap tersebut tidakterpisah sarna sekali tetapi dinyatakan '. dalam

tahapan yang peristiwanya dominan, tetapi keduatahap tersebut masing masing peristiwa salin~mengisi satu sarna lain. Menurut KINGERY()mekanisme yang dominan pacta proses densifikasiadalah difusi volumik sedangkan pacta pertumbuhanbutir difusi batas butir. Pengkajian perubahandimensi (L\L/L) atau disebut penyusutan diperolehdari penyinteran relet menggunakan dilatometer,sedangkan kajian pengkajian metalografi kuantitatifdapat diperoleh den§an bantuan hasil foto SEMdengan metoda Heyn ,4).

volumik sedangkan pada tahap pertumbuhan butiradalah difusi batas butir. Pada penelitian terdahulutelah dipelajari tentang analisis mekanisme sinterpelet (Th,U)O2 dimana barn diketahui mekanismesintering yang terjadi dan besar energi aktivasi padatahap densifikasi karena keterbatasan kemampuandilatometer yang hanya dapat dioperasikan sampai1200 °c. Data terse but mengacu pada metoda yangberdasarkan kurva penyusutan. Difusi yang terjadipada tahap densikisai adalah difusi volumik karenakonstanta yang didapat sebesar -3,5 sedangkanbesarnya energi aktivasi tahap densifikasi sebesar4.492 kal/mol. Jadi energi aktivasi secarakeseluruhan dari proses sinter belum selesai dalampengkajiannya. Oleh sebab itu diperlukan penelitiandan sekaligus perhitungan untuk mengkaji energiaktivasi tahap pertumbuhan butir. Penelitian inidilakukan seperti pad a penelitian anal is ismekanisme sinter pelet (Th,U)O2 yaitumenggunakan dialtometer dan Scanning ElectronMicroscope (SEM). Kurva penyusutan diperolehdengan memanaskan atau menyinter pellet dalamdilatometer untuk setiap tahapan temperatur dansoaking time yang dipelajari. Pellet hasil sinterkemudian dianalisis mengunakan metodametalografi kuantitatif. Metoda metalografikuantitatif ini mengukur besarnya ukuran butirdengan menggunakan metoda Heyn (3.4,5)

Jadi tujuan penelitian ini adalahmenentukan energi aktivasi proses sinter tahapdensifikasi dan tahap pertumbuhan butir. Metodaperhitungan yang digunakan berdasarkan kurvapenyusutan dan pertumbuhan butir .Dari duametoda tersebut hasil perhitungannya dibandingkanuntuk dapat saling mengoreksi. Berdasarkanperhitungan diatas kemungkinan akan diperolehjuga beberapa tetapan kinetika. Besamya energiaktivasi berguna dalam perhitungan perancangantungku sinter yang berkapasitas kecil maupun yangbesar. Disamping hat terse but juga untukmenentukan kapasitas pelet yang akan disinterdalam tungku pemanas yang mungkin telah tersedia,sehingga dapat diperhitungakan effisiensi

pemakaian energi listriknya.

Kurva Penyusutan

Pengkajian perubahan dimensi (AL/L)dengan adanya temperatur dan waktu dapat untukmenganalisis parameter kinetik proses sinter,

d{AUL) dt = {K/(AUL)n} (1)

Nilai n clan K adalah konstanta (tetapan) yangtergantung dari mekanisme perpindahan massa dangeometri. Bila difusi volumik yang dominan makanilai n .s I, sedangkan hila difusi batas but-if yangdam inan maka n ~ 2, I. Ha!ga K dapat ditetapkandengan persamaan Arhenius seperti tertulis pad apersamaan 2.

K = Ko{{exp) O/RT) (2)

Harga Q pada persamaan 2 merupakan harga energiaktivasi, T adalah temperatur sedangkan R adalahkonstanta gas. Harga n dan Q dapat ditentukanberdasarkan teknik yang digunakan yaitu nonisotermal atau isotermal. Jika teknik yang digunakannon isotermal, nilai Q dapat ditentukan denganpersamaan sebagai berikut

Metalografi kuantitatif

Perhitungan besarnya butir (LJ pada pelethasil sinter dapat ditentukan dengan metoda Heyn.Besar butir Lk dapat diperoleh berdasarkanpengeplotan kertas transparan yang telah digambarigaris-garis sejajar (L) berjumlah delapan (n) denganpanjang 6,25 cm pads gambar strukturmikrospesimen pelet (Th,U)O2 dengan perbesaran tertentu(V). Rumus Heyn dinyatakan sbb :

TEORI

Dalam proses sinter bahan keramik,fenomena yang terjadi adalah adanya perpindahanmassa yang menhasilkan densifikasi danpertumbuhan butir (coarsening). Perpindahan massadalam bahan tersebut diakibatkan oleh adanya difusivolumik, difusi permukaan dan difusi batas

butir(3,S.8).Pad a proses sinter pellet terjadi dua tahap

proses yaitu tahap densifikasi (penyusutan) dan

_.-V(I-Pk) (3)

Berdasarkan metoda tersebut maka besarbutir untuk pelet hasil sinter pad a kondisi isotermaldengan fungsi waktu dapat diperhitungkan,Sehingga' rumus kinetika pertumbuhan butir padakondisi isotermal menurut AINSCOUGH(7) yang

rk=--~

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

Serbuk campuran ThO2 dan UO2+x (10 %berat) hasil granulasi mekanik bertahap sebanyak 4 -5 gram dikompaksi dengan metoda penekanantunggal. Pelet mentah yang diperoleh diukurdimensi dan ditimbang lagi untuk kepastianberatnya. Pelet terse but dimasukkan dalamdilatometer dan dipanaskan sampai temperatur 1200°c, dalam suasana argon dan laju pemanasan 11 °CImenit. Waktu penahanan temperatur puncakdivariasikan 1 sampai 4 jam. Kurva penyusutan darihasil pemanasan pelet tersebut dianalisa denganrum us I dan 2 sehingga diperoleh energi aktivasitahap densifikasi. Grafik penyusutan tahapdensifikasi yang telah diubah dengan hubungan In(dIll) vs t digunakan sebagai dasar untukmenentukan energi aktivasi tahap pertumbuhan butirdengan memvariasikan harga n sepanjang absissebelah kiri (1m atau pacta harga temperatursemakin tinggi. Pelet (Th,U)O2 dipotong, dibingkaidengan epoksi resin, dipoles, dietsa dandikeringkan. Spesimen yang telah siap diambilgambamya menggunakan Scanning ElectronMicroscope (SEM) dengan pcrbesaran 3100 X.Hasil gambar struktur mikro digunakan untukanalisa metalografi kuantitatif dengan metod~ Heyn.Data besar butir tersebut digunakan sebagai dasaruntuk menentukan harga konstanta kecepatanpertumbuhan butir pad a kondisi isotermal. Dariharga konstanta tersebut dapat untuk menghitungharga energi aktivasi tahap pertumbuhan butir.Energi aktivasi pacta tahap pertumbuhan yangdihitung dengan dua metoda tersebut diatasdiharapkan besamya berkesesuaian.

mengacu pacta BURKE dapat dituliskan sebagaibeikut:

(dD/dt) = kiD (4)

hila diintegrasikan akan menjadi

02 -002 = 2 kt = 2 ko exp (-E/RT)t (5)

dan k = ko exp (-E/RT) (6)

Notasi yang terdapat pacta persamaan 4 dan 5mempunyai arti sebagai berikut :D = besar butir (didapat dari perhitungan metoda

Heyn.k dan n = suatu konstantat = waktu untuk pertumbuhan butir

Dengan menggambarkan kurva persamaan5 dengan ordinat (D2 -Dov dan absis waktu sinteratau waktu penahanan temperatur puncak (t) dalamjam maka akan diperoleh garis lurus. Berdasarkangaris lurus inilah maka harga 2k akan diperoleh.Untuk menghitung energi aktivasi maka persamaan6 dapat digunakan dengan memperhitungkan ko =

0,5 J.1m.

TATA KERJA

Tahapan penelitian penentuan energiaktivasi pacta tahap pertumbuhan butir dapatdicermati pacta gambar 1.

S ~uk ~am putan ThO z clan UOz+xhasil gtanue5i

mekarik beiahap

KOOI ~ksi ~ne;OI1antun~alHASIL DAN PEMBAHASAN

Penentuan energi aktivasi tahappertumbuhan butir dapat menggunakan dua metodayaitu metoda kurva penyusutan dan metalografikuantitatif.

~

KlfVa penyusl.llan1ahCf)de1sif.; asi

I Grafiklr(dlll)ustlT IEn~gi akl*'asi1ihap ~enstitasi ~apat dtentutan"

Kurva penyusutan

Menurut TUNDJUNG dkk(4) kurvapenyusutan relet sinter sampai temperatur 1200 °csetelah diolah menggunakan rumus 1 menggunakanrumus 1 menghasilkan graflk berupa garis lurusdengan sumbu tegak In (dVl) dan sumbu da~ar !IT.Berdasarkan grafik terse but dapat untukmenentukan energi aktivasi tahap difusi densifikasisebesar 4.492 kaVmol. Gambar tersebut dapatdigambar ulang seperti pada gambar 2. Titik Amerupakan titik tolak untuk mencoba-coba ataumemvariasikan beberapa harga n yang dapatdicermati pacta gambar 3.

P ~enhla1 ~e'9i a~1iuas i t.lh~

p~tl.m byha1 bYtir

~

~~~~Gambar 1. Blok diagram tahapan penelitian

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM.BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000

Tunjung fndrati 1-: dkk ISSN 0216-3128 337JJf

"

Ln (d 1/1) pertama harga n tinggi demikian juga harga energi0 aktivasinya. Trial 1 sampai dengan 5 memenuhi

-2 syarat bila ditinjau dari harga n, tetapi bila ditinjau-4 harga susutannya yaitu dl pacta trial yang ke lima

sudah tidak mungkin. Oleh karena itu hanya tinggal~ 4 harga n yang memenuhi syarat yaitu 12,08;-8 10,375; 9,125; 7,25 daD 3,29 dengan harga Q =

96,049 kkaVmo; 25,277 kkaVmol; 8,985 kJ<aVmol-10 dan 2,0915 kkal/mol. Untuk memilih harga n daD Q

-12 (energi aktivasi tahap pertumbuhan butir) yang

6,5 7 7,5 8 8,5 berlaku digunakan basil perhitungan energi aktivasi11r (1 0~)(1/"K) dengan metoda pertumbuhan butir.

Gambar 2. Grafik In dill vs liT pada tahap

densifikasi

~

Metalografi kuantitatif

Hasil perhitungan besar butir pelet(Th,U)O2 dengan metoda Heyn tertera pada tabel 2dimana perbesaran gambar 3100 X, jumlah garisobservasi = 8 dengan panjang 6,25 cm. relet

(Th,U)O2 tersebut hasil sinter pada temperatur 1200°c dengan warn penahanan temperatur puncakselama 1,2,3 clan 4jam. Dari tabel2 terbaca bahwasemakin lama penahanan temperatur puncakdilakukan maka akan semakin besar butir yangterukur tetapi sebaliknya semakin sedikit jumlahgang potong antara garis observasi clan besar butir.

Tabel2. Pengaruh waktu penahanan temperaturpuncak (1200 DC) terhadap besar butir pelet(Th,U)O2 hasil sinter clan perhitungan (D2-Do1 dim ana Do = 8,84 ~m

8

6

4 .

~~oS

-2

-4

-6

-8

-10

-12 , , ., ., 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6;5 1 1,5 8 8,5

1ITx1('~ (1"K

Gambar 3. Grajik In dill vs lIT pada tahapdensijikasi dan pertumbuhan butir

Berdasarkan gambar 3 maka dapat dibuatsuatu tabel beberapa harga pokok untuk menghitung

besarnya energi aktivasi tahap pertumbuhan butir.

Tabelt. Beberapa konstanta clan besamya EncrgiAktivasi tahap pertumbuhan butir dalamtahap trial and error (coba-coba), panjangpelet 6 rom.

02-0 2350 0

.-300.2 5 0 . ---? 200 ...150.

100.1 2 3 4

Wak!u penahanan temperatur puncak

Gambar 4. Penentuan harga konstanta kecepatanpertumbuhan butir pelet (Th. U)O] padatemperatur isotermal

Data tabel 2 dapat digunakan untukmenentukan besamya konstanta kecepatanperumbuhan butir secara isotermal pada temperatur1200 °c. Untuk hal tersebut digambarkan suatu

Berdasarkan gambar 3 ternyata semuagrafik tidak semua memenuhi syarat untuk

mempunyai harga nominasi n ?; 2, I. Pada trial yang

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000

grafik sebagai sumbu tegak adalah (02.001 daDsumbu datar waktu, jam (gambar 4).

Berdasarkan rumus 6 dan harga ko = 0..5~m maka harga energi aktivasi pad a tahappertumbuhan butir sebesar 25,042 kat/mol .Hargaini hampir sarna dengan harga energi aktivasi tahappertumbuhan butir yang ditentukan dengan metodakurva penyusutan dengan nomor trial ke 2.

Berdasarkan perhitungan dengan 2 metodatersebut maka metoda metalografi kuantitatif lebihcepat ditentukan namun bila gambar strukturmikrotelah tersedia. Oengan menggunakan kedua metodatersebut maka penentuan energi aktivasi dapat salingmengoreksi sekaligus menetukan harga yang pasri.Harga keseluruhan energi aktivasi proses sinter pelet(Th,U)O2 adlah 29,769 kkal/mol atau 29,534 kkal/mol. Harga tersebut hampir mirip dengan encrgiaktivasi sinter pelet UO2

qxidizing atmosphere, Journal of NuclearMaterials, 1994.

3. KINGERY.WD, BOWEN HK, UHLMAN DR,Inroduction to ceramic, Jon Willey and Sons,New York, 1980,469 -490.

4. TUNDJUNG INDRATI Y, dkk, AnalysisMekanisme Sinter Pellet (Th,U)O2. procedingPPI, P3TM, 1999.

5. BELLE. J, Uranium Dioxide: Property andNuclear Application, atomic Energy Commision,Washington DC, 1961,234 -343.

6. BANISTER M.J, Shape Sensitivity of InitialSintering Equations, Journal Amer. Ceram.Soc,51 (10), 1968, P 548 -553.

7. AINSCOUGH. J.B, OLDFIELD.B. WandWARE. J.O, Isothermal Grain Growth Koneticsin sintered U02 pellets, Journal of NuclearMaterials, 49 (1973/74),117 -128.

8. VAN FlACK. L.H, Elements of MaterialsScience and engineering, 2 nd ed, Mc Gwar Hill

Book Co, Singapore, 1960, 337 -553.KESIMPULAN

TANYA JAWAB

Kesimpulan yang dapat diperoleh darikertas kerja ini adalaha. Besamya energi aktivasi untuk proses sinter pelet

(Th,U)O2 dapat ditentukan dengan 2 metoda yaitukurva penyusutan dan metalografi kuantitatif.Kedua metoda tersebut dapat saling melengkapidan saling mengoreksi.

b. Untuk penetuan energi aktivasi tersebut disertaidengan suatu percobaan menggunakandilatometer sehingga diperoleh kurva susutan danpelet basil sinter yang dapat dijadikan spesimenmetalografi kuantitatif.

c. Besamya energi aktivasi pada tahap pertumbuhanbutir dengan metoda kurva penyusutan adalah25,277 kkai/mol. Harga tersebut berkesesuaiandengan energi aktivasi tahap pertumbuhan butirdengan metoda metalografi kuantitatif yaitusebesar 25,042 kkai/mol.

d. Besamya energi aktivasi proses sinter pelet(Th,U)O2 secara keseluruhan = 29,769 kkal/mol

atau 29,534 kkai/mol. Kedua harga tersebutdiperoleh dari penambahan harga energi aktivasitahap densifikasi dengan tahap pertumbuhan butirdengan metoda penyusutan dan pertumbuhanbutir.

DAFTAR PUSTAKA.

Imam Dahroni);- Bagaimana penjelasannya energi aktivasi secara

keseluruhan, proses sinter pelet (Th.U)O2 dari25,042 / 25,277 (dua metode) menjadi sekitar29,769 kkaVrnol ?

);- Apakah sudah dibandingkan dengan hasilpenelitian orang lain?

Tunjung .-9- Proses sinter terdiri dari dua' tahap

densifikasi don pertumbuhan butir.Keduanya akan terjadi penyusutan hanyapada tahap densifikasi penyusutan /ebihcepat terjadi tetapi pada tahap pertumbuhanbutir penyusutannya pelon didominasi o/ehtumbuhnya butir. O/eh karena energi aktivasipada tahap densifikasi te/ah dipero/eh 4,492kkal/mo/ ketika mempe/ajari mekanismesinter. Sehingga energi aktivasi kese/uruhan= (25,227 + 4,492) = 29,769 kka//mo/.

-9- Sudah dibandingkan dengan hasi/ thesis PhDo/eh Aybers hanya do/am thesis tersebutharga E /ebih besar karena Thorium Oksidayang digunakan do/am pene/itian Aybers/ebih sedikit dimana atom Th bergerak /ebihlambat masuk ke badan struktur krista! VO]sehingga energi yang diberikan lebih besar.

1. BENJAMIN. M,MA, Nuclear Reactor Materialsand Applications, Van Nostrad Reinhold Co,New York, 1983,297 -353.

2. A YBERS, M. T, The Study Apparent ActivationEnergy of (Tho,s, Tho,VO2 in reducing the

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BA T AN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000

Tunjung lndrati Y, dkk ISSN 0216-3128 339

JI Q 1In -= n + la-

I (R)n + 1 T

sehingl1a n = sebagai harga intersep,Q/R(n+ ) = slope (dari literatur).

Sehingga harga Q dapat ditentukan, karenan dari harga rata-rata; R diketahui.

.{.o Dari cara pertumbuhan butirD1-Do1 = 2ka

Ketika data tabel2 diperoleh D1-Do1, maka kdidapat dan E juga diperoleh denganpersamaan b, k=ko exp (ElRT)

Prosiding Pertemuan den Presentasi IImiah Penelitian Oeser Ilmu Pengetahuan den Teknologi NuklirP3TM.BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000