Pro siding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

PENGARUH v ARIAS[FLUEN NEUTRONCEPAT 14 MeV TERHADAPSIFAT-SIFAT MEKANIK KELONGSONG DAHAN DAKAR NUKLIR AIMg1

Darsono2,dan Tjipto SUjitno2ABSTRAK

PENGARUH VARIASI FLUEN NEUTRON CEPAT 14 MeV TERHADAP SIFAT MEKANIK KELONGSONGBAHAN BAKAR NUKLIR AIMg. Dalam sistim instalasi reaktor nuklir, kelongsong bahan bakar nuklir merupakan materia! yangpertamakali berinteraksi dengan radiasi yang keluar dari sistim bahan bakar nuklir, ini berarti materia! kelongsong mempunyaikebolehjadian terbesar untuk cepat rusak dibanding dengan material lainnya. Parameter-parameter yang sangat dominanmempengaruhi tingkat kerusakan material yang diiradiasi dengan neutron cepat 14 MeV adalah fluen neutron, nomor daD massa atomsasaran serta kualitas dari material sasaran, terutama tingkat kemumiannya. Dalam makalah ini disajikan basil-basil penelitiantentang pengaruh variasi fluen neutron cepat 14 Me V terhadap perubahan sifat mekanik kelongsong bahan bakar nuklir AlMg. Hasil-basil tersebut meliputi perubahan kekuatan material dan perubahan kekerasannya. Dari basil percobaan yang telah dilakukandiperoleh basil bahwa untuk variasi fluen dari orde 10. neutron/cm2 sampai orde 1013 neutron/cm2, temyata perubahan kekuatanmaupun kekerasannya tidak begitu berarti.

ABSTRACTTHE INFLUENCES OF FLUENCE VARIATION OF 14 MeV FAST NEUTRON TO THE MECHANICAL

PROPERTIES OF AIMg NUCLEAR FUEL CLADDINGS. Claddings, as the first barriers, is the first material that will interactwith radiation or fission product. Compared with the other materials used in nuclear reactor installation, the radiation damageprobability of claddings is the largest. The main parameters detemtining the degree of radiation damage due to the bombardment of 14MeV fast neutron are, fluence, number and mass atom of the target as well as the impurity of target materials. The experimental resultsof the influences variation of 14 MeV fast neutron bombarment to the mechanical properties of AlMg claddingsare discussed in thispaper. The experimental results are, changes in strength and hardness. From experiment done, it has been found that, there is nosignificance chanfng in stren~ and hardness for AlMg claddings bombarded by 14 MeV fast neutron under neutron fluences of 10.

neutron/cm2 -101 neutron/cm

pasangan kekosongan daD sisipan, pada suatusaat neutronpun juga akan kehabisan energinyadaD pada kedalaman tertentu akan terhenti daDtertangkap daD akan menghasilkan transmutasiinti dengan menghasilkan isotop baru [2].

Dengan kehadirannya isotop-isotop tersebutberarti pada bahan akan tercipta cacat bidang

(plane defect). Dengan terbentuknya cacat-cacat tersebut maka pada bahan akan terjadimedan tegangan dalam (internal stress) yangcukup besar. Dengan demikian untukmenggerakan cacat-cacat tersebut diperlukanenergi yang lebih besar lagi dengan kata lainbahan menjadi jauh lebih kuat. Juga denganterbentuknya cacat-cacat tadi pada bahan akanmengalami perubahan sruktur mikro maupunstruktur kristalnya. Perubahan struktur tersebuterat sekali dengan perubahan sifat mekanik,fisik, elektrik maupun kimianya [3].

Akibat yang lebih serius lagi yaitu kalausampai kekosongan tadi berkumpul maka akanterbentuklah suatu rongga, hal ini berartimaterial akan mengalami perubahan dimensi(menjadi lebih besar) sedang kerapatannya (p)menurun. Disamping itu produk fisi yangberwujud gas akan cenderung mengisi ronggarongga tersebut sehingga bisa mengakibatkanpenggembung an (swelling). Dan denganterjadinya perubahan dimensi sebagai akibatterbentuknya rongga clan atau swelling makasistim instalasi reaktor nuklir akan terganggu[3].Parameter-parameter yang akan mempengaruhitingkat kerusakan material yang diiradiasidengan neutron adalah energi clan massaneutron, nomor daD mass a atom sasaran serta

PENDAHULUANKelongsong bahan bakar nuklir yang

merupakan lapis pertama daTi lima sistimpertahanan berlapis yang diterapkan dalaminstaIasi reaktor nuklir mempunyai fungsi utamauntuk mencegah keluarnya produk fisi daTibahan bakar. Prod uk fisi adalah produk-produkhasil reaksi pembelahan inti atom baik itu yangberupa gas ataupun padatan. Produk fisitersebut bersifat radioaktif dan harus selaluterkungkung didalam bahan bakar nuklir.Karena bahan kelongsong berada dalam medanradiasi neutron maka akan cepat mengalamikerusakan [1].

Kerusakan-kerusakan itu bisa mencakupcacat titik, garis ataupun bidang. Cacat-cacattersebut timbul sebagai akibat daTi terpentalnyaatau bergesernya atom-atom sasaran daTi posisi

kisinya, sehingga tempat-tempat yangditinggalkan oleh atom yang bergeser tadimenjadi kosong (vacancies) keadaan demikiandinamakan cacat titik (point defect). Atom-atom yang terpental tadi bila energinya masihcukup besar, maka ia akan mampu menggeseratom-atom disekitarnya yang kebetulantertumbuk, sehingga untuk satu neutron akanbisa menghasilkan lebih daTi satu kekosonganbahkan bisa sampai ribuan atom tergantung daTibesar kecilnya energi awal daTi partikelpenumbuknya. Proses demikian berlangsungsecara berkesinambung an dan akan berhentikalau energinya habis akibat kehilanganenerginya setiap kali terjadi tumbukan. Lokasidimana atom-atom tadi berhenti menyisipdiantara atom atom tetangganya(in terstition).B ersamaandengan terben tuknya

1. Dipresentasikan pad. Seminar Ilmiah PPSM 19962. Pus.t Penelitian Nuklir Yogyakarta-BATAN

132

Ms = massa atom sasaran(amu).lamanya proses irradiasi. Lamanya prosesirradiasi berhubungan dengan jurillah neutronyang diterima bahan persatuan luas permukaansasaran (fluen) [4].

Tingkat kerusakan bahan sasaran akibatradiasi (radiation damage) sangat ditentukanoleh jumlah cacat-cacat yang terbentuk selamaproses irradiasi. lumlah cacat-cacat tersebutsangat ditentukan oleh jumlah atom-atomsasaran yang tergeser/terpental. Parameter-parameter yang menentukan jumlah atom yangtergeser daTi posisi asalnya adalah energineutron, jumlah neutron yang menumbukpersatuan luas (fluen) serta energi ikat atomsasaran relatif terhadap posisinya (Ed),Selanjutnya energi ikat tersebut dinamakanenergi yang diperlukan untuk menggeser atom-atom sasaran daTi posisi awalnya (displacementenergy). Bila energi neutron E < Ed, makaenergi neutron sebesar E tersebut tidak akanmampu menggeser atom sasaran daTi posisiasalnya, atom sasaran coma bergetar disekitarposisi setimbangnya, jadi tidak ada atom yangbergeser. Secara matematis dapat dituliskandalam bentuk persamaan [2,3,4,5].

dimana,

aoap =

(Z~/3 + Z~/3 )1/:

80 = jari-jari atomBohr(5,29xl0-9 cm)Er= energi Rydberg (13,6 eV)

Besarnya fluen neutron dapat dihitung melaluipersamaan ,

cptF = ( 5 )

(1)hila E < Edv(E)=O

dimana,II> = fluks neutron (neutron/cm2 detik)t = waktu aktivasi neutron (detik)

Sedang banyaknya atom sasaran persatuanvolume (kerapatan atom) sasaran dihitung

dengan persamaan,

Bila energi neutron Ed < E < 2Ed berarti energineutron yang ditransfer ke atom-atom sasaransehingga dihasilkan satu atom PKA (PrimaryKnock-On Atom) minimal Ed, energi yangtersisa tentunya kurang daTi Ed. Energi neutronyang tersisa tersebut tentunya tidak akanmampu menggeser atom berikutnya, hanyamampu menggetarkan atom disekitar posisiseimbangnya. Jadi untuk energi ion pactadaerah tersebut cuma mampu menghasilkansatu atom yang bergeser. Secara matematisdapat dituliskan dalam bentuk persamaan,

P N A

ms(6)No =

dengan,p = rapat massa atom sasaran (g/cm3)

NA = bilangan Avogadro (6,0223 x 1023

atom/g atom)ms= massa atom sasaran (g)No= kerapatan atom sasaran (atom/cm3)

Jumlah rata-rata atom yang bergeser akibatinteraksi berkas neutron dengan atom-atomsasaran diberikan oleh persamaan,

(2)v(E) = Ibila Ed < E < 2 Ed

Nd = DO'Vd(E)N (7)Sedang hila energi ion E > Ed , maka menurutOlander [13]jumlah atom yang bergeserdiberikan oleh persamaan,

Dalarn makalah ini disajikan basil-basilpenelitian tentang pengarub variasi fluenneutron cepat 14 MeV terhadap perubahan sifatmekanik kelongsong bahan bakar nuklir AIMg.Hasil-hasil tersebut meliputi perubahankekuatan bahan dan perubahan kekerasannya.Dari basil percobaan yang telah dilakukandiperoleh basil bahwa untuk variasi fluen dariorde 109 neutron/cm2 sarnpai orde 1013neutron/cm2, ternyata perubahan kekuatanmaupun kekerasannya tidak begitu berarti.

0,8 EM

2Ed(3)bilaE> Edv(E) =

dimana.

Em =

METODEPERCOBAAN1) Penyiapan Spesimen

Eo= energi mula-mula neutron (keV).Em = energi maksimum yang ditransfer ke

atom sasaran.Mn = massa neutron (amu).

133

4MnMs2 Eo

(Mn+ Ms)

Lembaran paduan aluminium-magnesium(AIMg) dengan ketebalan 3 nirn dibentukmenjadi potongan uji tarik dengan ukuranseperti yang disajikan pada gambar 1.

2) Aktivasi NeutronGenerator Neutron yang digunakan dalam

penelitian ini adalah generator neutron tire J 25-150 keY buatan SAMES -Perancis, adapunskema generator neutron disajikan padagambar 2

terjadi tumbukan antara deuterium dengan intitarget akan terjadi interaksi nuklir yang

menyebabkan keluarnya partikel neutron daTitarget dengan energi yang cukup tinggi.Tekanan udara didalam somber ion sekitar 10-3mmHg clan selama operasi tekanan tabongpemercepat haros dipertahankan antara 10's -10.6 mmHg.Tekanan clan kehampaan rendah tersebut dapat

diperoleh dengan menggonakan pompa rotaryclan difosi.

3) Uji Kekuatan TarikUntuk menguji perubahan kekuatan sebelum

dan sesudah irradiasi neutron, peralatan yangdigunakan adalah alat uji kekuatan tarik"Tensile Testing machine" Merk Shimatsumilik PAU-UGM. Lebar daD potongan uji tarikdiukur dengan mikrometer, selanjutnyapotongan uji dijepitkan pada penjepit mesin ujitarik. Informasi yang terekam dalam kertasberupa kurva kekuatan tarik (tensile strength)terhadap perpanjangan (elongation e, %).

Wo=9mm, Lo=62mm, G= 18mmWc=3mm, D =26mmGambar I. : Potongan uji tarik AIMg

4) Uji KekerasanKekerasan dapat didetinisikan sebagai

ketahanan bahan terhadap deformasi plastis,sedangkan angka kekerasannya didetinisikansebagai beban terpasang (gf = gram force)dibagi dengan luas permukaan jejak (mm1.Dalam pelaksanaan uji keras maka bahan yangakan diuji diletakkan pada tempatnya,kemudian ditekan dengan indentor (bisa knoop,vickers atau brinell) pada beban tertentu, makaindentor tersebut akan meninggalkan jejak(misal bujur sangkar), kemudian diukur luasanjejak tersebut. Dari data beban terpasang clanluasan jejak tersebut dapat dihitung angkakekerasannya. Peralatan untuk uji keras adalah"Digital Type microhardness Tester Mx T 70"merk Matsuzawa milik PAU -UGM.

H : PemercepatI: LcnsaJ : Pembagi'teganganL : Alat Ukur Hampa

M : KatubN: Target

Keterangan :A : Sistern KendaliB : Perisai Radiasi (ternbok)C : Motor K : Sistern HampaE : EkstraktorF: Surnber IonG : Kurnparan Magnit

Gambar 2.: Skema Generator NeutronTipe J 25 -150 keY

Generator neutron tersebut menghasilakanDeuton cepat yang diperoleh dari reaksi inti 3H(d,n) 4He, yaitu target tritium sebagai sasaranditembaki dengan deuterium. Energi neutroncepat yang dihasilkan dari reaksi adalah 14MeV. Adapun prinsip kerja generator neutronadalah sebagai berikut; dalam sumber ion, gasdeuterium mengalami ionisasi oleh osilatorradio frekuensi. Ion positip yang dihasilkanakan mengalarni penolakan oleh teganganekstraktor clan melalui saluran sempit diarahkankedalam tabung pemercepat yang dihubungkandengan tegangan tinggi Cockroft-Walton.Dalam ruang pemercepat ion deuteriummengalami 'proses percepatan oleh medan listrikclan difokuskan dalam bentuk berkas ionmenuju inti target. Ion terse but memiliki energikinetik yang cukup tinggi, sehingga apabila

BASIL DAN PEMBABASANHasil uji tarik clan uji keras untuk

kelongsong bahan bakar nuklir yang diirradiasiaktivasi neutron untuk berbagai variasi fluendari orde 109 neutron/cm2 sampai orde 1013neutron/cm2 disajikan pacta tabel 1. Dari basiluji tarik maupun uji keras yang disajikan padatabel 1. terlihat bahwa dengan bertambahnyanilai fluen, ternyata kekuatan, baik itu kekuatantarik maksimum (O'u), kekutan luluh (O'y)maupun kekuatan patahnya (O't> juga mengalamikenaikan, walaupun kenaikannya belum begitumenyolok. Fenomena kenaikan tersebut dapatdijelaskan sebagai berikut. Sebagai akibatinteraksi neutron cepat dengan bahan sasaran,maka pada bahan sasaran akan terbentuk cacat-cacat, baik itu cacat titik, garis, maupun bidang.

134

Cacat-cacat tersebut bisa berupa kekosongan(vacancies) ataupun sisipan atom-atom target.Disamping itu juga akan terbentuk unsur barnsebagai akibat dari tranmutasi inti (ini berartibahan sasaran akan bertambah unsurpaduannya). Dengan terbentuknya cacat-cacattersebut maka pada bahan sasaran akan terjadimedan tegangan dalam yang cukup besar, jugadengan adanya atom yang menyisip, maka kisi-kisi atom akan mengalarni distorsi (ini berartimaterial akan mengalami perubahan struktur

kristalnya).Adanya cacat-cacat, medan tegangan dalam

yang cukup besar daD adanya unsur barn,tentunya akan menaikan kerapatan dislokasi,dengan semakin rapatnya dislokasi berarti akanmenaikan kekuatan bahan. Denganbertambahnya fluen berarti akan menaikanjumlah kerapatan dislokasi. Untuk kisaranfluen antara 109 neutron/cm2 sampai orde 1013neutron/cm2 ternyata kenaikan kekuatan belumbegitu berarti. Dari data uji keras juga terlihatbahwa dengan naiknya fluen kekerasannyapunjuga mengalami kenaikan. Fenomena kenaikankekerasan material tersebut disampingdisebabkan oleh semakin rapatnya dislokasi,kemungkinan besar juga disebabkan olehadanya prod uk fisi yang berujut gas (misal He).Produk fisi yang berujud gas tersebut

cenderung mengisi ruang kosong (vacancies)daD membentuk rongga, yang tentunya ronggatersebut akan memberi kontribusi yang cukupbesar terhadap kegetasan material. Fenomena

kegetasanTabel I : Data Uji tarik & Keras Kelongsong

Bahan Bakar Nuklir AIMg untukberba~ai Varia~i tluen Neutron.

terhadap perubahan sifat mekanik kelongsongbahan bakar nuklir dari paduan Aluminium-Magnesium (AIMg) dapatlah diambil beberapa

kesimpulan,I. Untuk neutron energi tunggal (14 MeV)

dan dengan material tertentu (AIMg), makayang dominan mempengaruhi tingkatperubahan siafat mekanik material adalahfluen neutron, semakin tinggi fluen temyataperubahan sifat mekanik yang teramati

juga semakin bertambah.2. Untuk variasi fluen neutron antara 109

neutron/cm2 san:lpai orde 1013 neutron/cm2,temyata perubahan kekuatan maupunkekerasannya belum begitu berarti.

3. Dari data perpanjangan juga terlihat bahwabahan juga sudah mengalami sedikitpenggetasan, hal ini ditunjukan denganturunnya nilai perpanjangan (e).

UCAPAN TERIMA KASmDengan selesainya penelitian ini penulis

mengucapkan banyak terima kasih kepada,Bpk. Agus Tri Purwanto, Bpk. Supriyanto danBpk. Suraji yang telah banyak membantu dalamproses aktivasi neutron.

No Fluenn/l:m2

KHNcr.kgimm

O"y

kg/1nIn2

CJr

kg/mm2

e%

14,(149

~,286

~~I

II.HO~~I

13.10

I

0,484 I II~ I 49,30I~

~~~

I 58,70

I-L--L-~~, u,ux 10

x

DAFTAR PUSTAKA1 BENJAMIN, M., Nuclear Reactors

Materials And Application, VNR Comp.,1983.

2 DONALD R. OLANDER, FundamentalAspects of Nuclear Reactor Elements,TID-267 I I-Pi, ERDA, 1976.

3 BRIAN R. T. FROST., Nuclear FuelElements, Design, Fabrication &Performance, Pergamon Press, 1982.

4 THOMPSON,T.J.,et al., The Technologyof Nuclear Reactor Safety, Vol. ReactorMaterials and Engineering, The M.I. T.Press, 1973.

5 ANDERSON, W., THEILACKER J.S.,Neutron Absorber Materials of ReactorControls, Book I, US Atomic EnergyAgency Commision, 1962

0,508

1,(X)8

~

16'S3 14,54 14,14

12.6(!

II:]} DISKUSI

material tersebut diperkuat data perpanjangan(e,%) yang semakin menurun dengan naiknyanilai fluen. Dengan kata lain dengan naiknyakekuatan material selalu diikuti denganpenurunan keuletan material (material menjadilebih getas).

Wagiyo :Kalau pengujian kekuatan tarik dilakukansetelah pengujian kekerasan, apakah jejakindentor tidak berpengaruh terhadap basil ujikekuatan tariknya.Darsono :Tidak berpengaruh, karena gaya indentor yangdiberikan pada spesimen cukup kecil. Dandibuktikan dengan spesimen uji yang langsungdiuji tarik dan yang melalui identor. Temyatahasilnya tidak jauh berbeda.

KESIMPULANDari uraian, pembahasan serta hasil-hasil

percobaan yang telah dilakukan tentangpengaruh variasi fluen neutron cepat 14 MeV

135