Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

PERBANDINGAN VITRIFIKASI DAN PEMISAHAN KONDISIONING UNTUKPENGOLAHAN LlMBAH CAIR AKTIVITAS TINGGI.

Herlan Martono, AisyahPusat Teknologi Limbah Radioaktif, BATAN

ABSTRAK.

PERBANDINGAN VITRIFIKASI DAN PEMISAHAN KONDISIONING UNTUKPENGOLAHAN LlMBAH CAIR AKTIVITAS TINGGI. Telah dipelajari perbandingan pengolahanlimbah cair aktivitas tinggi secara vitrifikasi dan pemisahan kondisioning untuk mendapatkankeunggulan dan kekurangan karakteristiknya. Pada proses vitrifikasi, limbah cair aktivitas tinggidicampur dengan bahan pembentuk gelas yang dilelehkan pada titik lebumya, selanjutnyadidinginkan sampai suhu kamar. Pemisahan kondisioning meliputi proses kalsinasi limbah cairaktivitas tinggi, sublimasi, reduksi, dan peleburan. Hasil proses vitrifikasi adalah gelas-limbah,sedangkan hasil proses pemisahan kondisioning adalah New Ceram. Pada pemisahan kondisioningtanpa penambahan bahan aditif untuk solidifikasi, sehingga reduksi volume besar. Konsekuensi halini adalah fasilitas pengolah, transportasi, dan disposal yang lebih kecil serta berkurangnya frekuensihandling. Jadi reduksi biaya fasilitas dan pengelolaan limbah besar. Pada penyimpanan sementaragelas-limbah hasil vitrifikasi dilakukan selama 30 - 50 tahun dengan sistem pendingin untukmenghindari terjadinya devitrifikasi. Pada pemisahan kondisioning, semua Cs menyublim pada 1000°C, sehingga dapat mengurangi lama penyimpanan sementara selama 27 tahun. Pada pemisahankondisioning praktis tidak ada limbah sekunder, sedangkan pada proses vitrifikasi timbul limbahsekunder dari hasil pengolahan gas buang. Dari segi proses, vitrifikasi lebih sederhana dan teknologiini telah dilakukan di PTLR BATAN dalam skala laboratorium ..

ABSTRACT.COMPARATION OF VITRIFICATION AND SUPER HIGH TEMPERATURE METHOD ON

HIGH LEVEL LIQUID WASTE TREATMENT. The comparation of high level liquid waste treatmentby vitrification process and superhigh temperature method has been studied to find advantance anddisadvantance for each method. For vitrification process, high level liquid waste was mixed by glassfrit and melted at the melting point, then cooled up to room temperature. The steps of the process ofsuper high temperature method are calcination of high level liquid waste, sublimation, reduction, andmelting. The product of vitrification process is waste-glass, but the product of super high temperaturemethod is New Ceram. Super high temperature method without aditif for solidification, so that volumereduction is high. So the facilities of treatment, transportation, and disposal are decreased, alsoreducing handling frequency. These make a significant reduction cost of waste managementlntermstorage for waste-glass were conducted by cooling systeem for 30 - 50 years, to avoid devitrification.In the super high temperature method, due to the sublimation of Cs at 1000 °C, so decreasing lifetime of interm storage for 27 years. There is no secundary waste in the super high temperaturemethod, but in the vitrification process arising secondary waste is treated by off gas treatment system.From process view, vitrification process is more simple complicated and this technology was beingtested in Radioactive Waste Technology Center-BAT AN in the laboratory scale.

PENDAHULUAN.

Limbah Cair Aktivitas Tinggi (LCA T), umumnya dihasilkan dari ekstraksi pelarut

siklus I proses olah ulang bahan bakar nuklis bekas. Komposisi LCA T banyak mengandung

hasil belah dan sedikit aktinida, dengan komposisi oksidanya seperti ditunjukkan pada Tabel

1 [1].

40

Hasil Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

Tabel1. Komposisi Limbah Cair Aktivitas Tinggi yang berbentuk Oksida dari Bahan bakarbekas PWR, fraksi bakar 45.000 MWO/MTU, pengkayaan uranium 4,50%, panaspeluruhan 38 MW/MTU dan pendinginan 4 tahun [1]

Oksida % Berat

Na20

16,48

Fe203

9,05

NiO

1,47

Cr203

1,68

P205

0,95

Se02

0,11

Rb20

0,56

SrO

1,45

Y203

0,85

Zr02

6,99

Mo03

7,19

TC207

1,67

RU02

4,12

Rh203

0,74

Pd~

2,20

Zr02

2,56

U02

3,81

Np02

0,81 Oksida % Berat

Ag20

0,11

CdO

0,18

SnO

0,15

Sb203

0,04

Te02

0,84

Cs20

3,91

BaO

2,58

La203

2,05

Ce02

4,19

Pre011

1,93

Nd203

6,77

Pm203

0,07

Sm203

1,22

EU203

0.24

Gd203

12,32

PU02

0.14

Am203

0,52

Cm203

0,05

Volume LCAT 1 m3, aktivitas jenis LCAT adalah 4 x 105 Ci/m3, dengan proses

vitrifikasi menjadi gelas-limbah yang volumenya 110 liter dan dimasukkan ke dalam canister

yang terbuat dari baja tahan karat AISI 304 L yang volumenya 118 liter. Radionuklida yang

terkandung dalam gelas - limbah tersebut memancarkan radiasi gamma yang tinggi,

sehingga dapat menimbulkan panas yang suhunya melebihi 500 DC. Suhu di atas 500 DC

(Tg: suhu transformasi gelas) dan dalam jangka lama dapat menimbulkan kristalisasi dalam

gelas - limbah, yang dikenal dengan devitrifikasi. Radiasi alfa yang dipancarkan oleh

aktinida dalam gelas limbah dapat mengakibatkan terjadinya reaksi inti, sehingga terjadi

perubahan komposisi gelas - limbah. Adanya devitrifikasi dan perubahan komposisi gelas _

limbah harus dihindari karena mengakibatkan kenaikkan laju pelindihan radionuklida dari

gelas - limbah. Oleh karena itu untuk menghindari terjadinya devitrifikasi dapat dilakukan

dengan penyimpanan sementara gelas - limbah dalam canister di interim storage yang

harus dilengkapi dengan sistem pendingin selama 30 - 50 tahun [2,3,4]. Devitrifikasi dapat

juga dihindari dengan menentukan kandungan hasil belah dalam gelas-limbah 10 % [2].

Untuk memperkecil terjadinya perubahan komposisi dilakukan dengan menurunkan

kandungan unsur aktinida dalam gelas - limbah yaitu dengan menurunkan kandungan

41

Hasil Penelitian dan Kegialan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

limbahnya. Perubahan komposisi dapat ditentukan dari perubahan densitas dan kuat tekan

[4]. Masalah dalam vitrifikasi adalah volume dan tenaga panas besar, serta biaya untuk

pengelolaan limbah sekunder mahal.

Super High Tempereture Method (SHTM) merupakan proses pengolahan LCAT

dengan pemisahan - pemadatan (pemisahan kondisioning) tanpa penambahan bahan aditif,

sehingga reduksi volumenya besar. Metode ini relatif baru, yang beberapa tahun terakhir

ini dikembangkan di USA, Jepang, Perancis, dan Rusia. Metode ini belum dioperasikan

dalam skala industri. Tahap pertama proses ini adalah kalsinasi yang merubah unsur ­

unsur dalam larutan asam nitrat pada 700°C dalam udara menjadi oksida. Cesium yang

menyublim pada pemanasan 1000 °c selama 2 jamadalah 98 %, pada 900°C selama 2

jam adalah 90 %, dan pada 800°C selama 5 jam adalah 90 % [5]. Sublimasi dilakukan

dalam gas argon. Pengambilan Cs dan Ba dapat mengurangi waktu pendinginan selama 30

tahun, sedangkan pengambilan Cs, Ba, Sr, dan Y dapat mengurangi waktu pendinginan

selama 45 tahun.

Super High Temperatur Method menghasilkan limbah padat aktivitas tinggi yang

kompak mengandung aktinida (solid high active waste containing actinides) dengan

pemisahan Cs (40 % high thermal power fission product) dan hasHbelah logam mulia hanya

dengan sedikit penambahan senyawa titanium nitrida (TIN). Bahan dilelehkan pada 1600

°C. Reduksi unsur-unsur golongan platina dalam hasil belah berbentuk logam ingot. Residu

yang tidak direduksi berbentuk oksida ingot. Logam ingot dan oksida ingot merupakan

komposisi limbah aktivitas tinggi yang paling kompak dari senyawa hasil belah titanat yang

membantu sebagai matriks. Logam hasH belah dan oksida menjadi padat. tanpa

penambahan atau pencampuran dengan bahan matriks seperti gelas, bitumen, polimer, dan

semen.

PROSES PENGOLAHAN LlMBAH CAIR AKTIVIT AS TINGGI.

• Proses Vitrifikasi.

Proses vitrifikasi LCAT dengan gelas borosilikat ditunjukkan pada Gambar 1 [1].

Pemanas melter dihidupkan sehingga suhu gelas - limbah mencapai 600°C. Gelas­

limbah dalam melter sampai tinggi di atas elektrode selalu ada walaupun melter tidak

dioperasikan. Hal ini digunakan untuk start up pada pemanasan melter dengan sistem

Joule heating Pada suhu 600°C, elektrode dihidupkan sehingga gelas - limbah dapat

menghantarkan arus listrik yang menimbu!kan panas. Pada saat itu pengumpanan bahan

pembentuk gelas (glass frit) dan LCAT dimulai. Perbandingan bahan pembentuk gelas

borosilikat dan LCAT 3/1 dimasukkan ke dalam melter dengan laju pengumpanan 9 kg/jam.

Komposisi umpan 6,75 kg/jam bahan pembentuk gelas dan 2,25 kg/jam (16,10 liter/jam)

LCAT. Kapasitas pengumpanan 300 kg. Pelelehan bahan pembentuk gelas dan LCAT

42

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

dilakukan pada suhu 1150 °C selama 2 jam. Pada vitrifikasi perlu penambahan bahan gelas

10 kali hasil belah. Gas yang keluar dari melter diolah dengan sistem penanganan gas

buangan, yang meliputi alat air film cooler, submerged bed scrubber (S8S), venturi

scrubber, water scrubber, high efficiency mist eliminator (HEME), ruthenium adsorber, dan

filter HEPA. Lelehan gelas - limbah hasil vitrifikasi dituang dari melter ke canister pada

suhu 1000 °C. Pengelasan tutup canister dilakukan, kemudian dekontaminasi dilakukan.

Tahap selanjutnya pemeriksaan fisik canister dilakukan untuk melihat kerusakan canister

yang meliputi perubahan dimensi dan kebocoran hasillas. Selanjutnya canister disimpan di

tempat penyimpanan sementara dengan sistem pendingin.

BahanGelas

MEL TER

Pemanas

Air

Penangkap4 .AirPendi­

ngin~

Blower

HEPAFilter

AirPendi­nginkeluar

WaterScrubber

tipePerforatedPlate

Ke Cerobong

Ke Pengolahan limbahcair sekunder

Gambar 1. Bagan proses vitrifikasi LCA T dengan gelas borosilikat [1]

• Proses Super High Temperature Method.

Fasilitas ini lebih kecil daripada vitrifikasi, karena tidak adanya penambahan bahan

matriks dan reduksi volume hasil besar sehingga kapasitas penyimpanan lebih kecil pula.

Proses pengolahan LCAT dengan SHTM ditunjukkan pada Gambar 2 [5,6].

43

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

Cerobong

Scrubber

~i·····::::::::=:::::::·r·::::~=-~r::~::,=:~::~;~B-:-~-~/~c-r-! ~····"'·······"'UJ·· ..·L=t········ ..· · ,

Penangkap Pe~angkap

r · :>··· !::·$ ·R.IL IS; }.?gine

Reduction

Oksida

Gambar 2. Diagram proses super high temperature method LCAT [5,6.].

Proses ini bertujuan menghasilkan solid high active waste containing actinides

dengan pemisahan Cs dan logam mulia menggunakan penambahan sedikit TIN. Limbah

aktivitas tinggi berfungsi sebagai matriksnya sendiri tanpa pencampuran bahan matriks

gelas. Teknologi baru ini perlu dipertimbangkan kelayakannya dibandingkan teknologi yang

telah dioperasikan dalam skala industri. Reduksi volume limbah aktivitas tinggi dengan

proses SHTM sekitar 1/10 dibandingkan teknologi vitrifikasi [5].

Tahap proses SHTM meliputi kalsinasi, sublimasi, reduksi, dan peleburan. Larutan

nitrat dari hasil belah, aktinida, dan produk korosi dikalsinasi pada suhu 700 DC,sehingga

menjadi HBOx, AnOx, dan CPOx (HB = hasil belah, An = aktinida, dan CP = produk korosi).

Uap air dan gas NOx yang keluar diserap dengan scrubber. Proses sublimasi oksida hasil

kalsinasi dilakukan pada suhu 1000 DCdalam media gas argon. Unsur Cs dan Rb menguap

pada suhu tersebut. pengaruh waktu perlakuan terhadap sublimasi Cs ditunjukkan pada

Gambar 3.

100908070605040302010o

o

1000 ·c

6

Gambar 3. Pengaruh waktu terhadap sublimasi Cs [5,6]

44

Hasil Penelitian clan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

Pada suhu 1000 °C, selama 1 jam, sekitar 90 % Cs dapat diuapkan. Oksida logam alkali

tanah dan oksida lain dari unsur seperti Ru, Te perlu diperhatikan karena titik didihnya

rendah. Unsur Ru menyublim dalam bentuk RU04' Unsur Te tidak menyublim dan menyatu

dengan Pd membentuk senyawa [5].

Oksida unsur platina, unsur transisi, dan unsur non logam direduksi dengan unsur ­

unsur seperti 8, AI, Si, dan Ti. Logam dan oksida hasil belah mempunyai titik leleh yang

tinggi. Reduksi oksida golongan platina (RU02, Rh03, dan Pd~) menjadi logam Ru, Rh, dan

Pd terjadi pada 1000 °C dalam media gas argon. Reduksi dilakukan dengan TIN, menurut

reaksi sebagai berikut :

MOx + TIN ------> M + TiOy + Z N2

dimana M adalah Ru, Rh, dan Pd.

Oksida lain yang tereduksi menjadi logam adalah Mo, Te, Se, dan produk korosi

[5,6]. Partikel logam yang kecil terdispersi dalam oksida hasil belah yang tidak tereduksi.

Untuk memisahkan logam dan oksida, semua bahan harus dilebur. Oksida dan logam

dilelehkan pada 1600 °C dalam media gas argon, sehingga fase oksida dan logam

dipisahkan menjadi lapisan atas oksida ingot dan lapisan bawah logam ingot. Oksida

dipadatkan menjadi padatan yang monolit dengan reduksi volume yang tinggi. Unsur­

unsur grup platina direcovery sebagai ingot kira - kira 90 %. Hasil proses SHTM dikenal

sebagai New Ceram (Nuclear Rare Earth Waste Ceramics).

Pemisahan dan solidifikasi mineral dengan pelelehan dikembangkan juga di Rusia

dengan konsep yang berbeda dengan Jepang. Pengolahan LCAT dilakukan dengan

penukar ion sehingga diperoleh hasil belah dan Zr, Mo, Pd dan Fe. Hasil belah disolidifikasi

dengan bahan pembentuk gelas. Unsur Zr, Mo, Pd dan Fe disolidifikasi dengan semen.

Proses vitrifikasi ini mereduksi volume 1,6 kali dibandingkan vitrifikasi LCAT [7]. Solidifikasi

LCAT dengan bahan kristal secara peleburan dilakukan, karena bahan kristalin lebih stabil.

PEM8AHASAN.

Kuantitas limbah dinyatakan dalam berat, volume dan banyaknya LCAT. 8erat dan

volume berpengaruh terhadap skala fasilitas pengolahan dan frekuensi handling. 8erat dan

volume limbah yang besar perlu peralatan yang besar seperti melter untuk pengolahan

LCAT atau dengan menambah jumlah melter. Pada proses vitrifikasi perlu penambahan

bahan gelas 10 kali hasil belah, sedangkan pada SHTM sedikit / tanpa penambahan aditif.

Pada proses vitrifikasi, solidifikasi semua hasil belah dalam matriks gelas sedangkan pada

SHTM sebagai matriks adalah hasil belah yang dilelehkan sebagai oksida hasil belah. Jika

jumlah LCAT direduksi dengan 1/10, frekuensi handling berkurang 1/10 pada pengolahan.

Perbandingan beberapa karakteristik SHTM dan hasil vitrifikasi ditunjukkan pada Tabel 2 [5].

45

Hasi/ Penelitian don Kegiatan PTLR Tahun 2006 /SSN 0852 - 2979

Tabel2. Perbandingan beberapa karakteristik SHTM danhasil vitrifikasi [5].

Karakteristik SHTMVitrifikasiSatuan

Berat

45500kg/ton UVolume

8,6185I/ton UDensitas

5,282,7g/cm3Jumlah/banyaknya

1201000canister/ton PlantLaju lindih

IJgcm-2 harr1Cerium

0,0500,0102Cesium

-0,0983

Strontium1,2950,0485

Silika-3,061

Titanium< 0,042-

Barium4,12400,0518

Dari data di atas menunjukkan bahwa pada SHTM frekuensi untuk penyimpanan,

dan disposal juga berkurang. Fasilitas SHTM untuk pengolahan, penyimpanan sementara,

dan disposal kecil dibandingkan vitrifikasi. Hal ini mengakibatkan reduksi biaya pengelolaan

cukup besar.

Dari segi laju pelindihan hasil proses SHTM memenuhi persyaratan, hampir sama

dengan proses vitrifikasi. Ini menunjukkan bahwa kualitas New Ceram cukup baik dan

karena densitasnya besar maka merupakan most compact HAW. Gas buangan ,Cesium

dapat dimanfaatkan untuk sumber radiasi gamma, sehingga praktis tidak menimbulkan

limbah sekunder. Pada sistem penanganan gas buangan proses vitrifikasi tidak timbul

adanya uap Cs. Gas yang ada dalam sistem penanganan gas buangan adalah NOx, volatil

Ru, dan partikel. Faktor dekontaminasi untuk setiap peralatan dalam sistem penanganan

gas buangan dari proses vitrifikasi adalah: Untuk NOx submerbed bed scrubber 2, venturi

scrubber 1. Untuk Ru submerged bed scrubber > 50, venturi scrubber 3 , water scrubber

50, dan penyerap Ru 1000. Untuk partikel submerged bed scrubber 5, venturi scrubber

10, water scrubber 5, high efficiency mist eliminator> 100. Penyerapan Ru ditekan dengan

adanya bermacam - macam reduktan seperti formaldehid, asam formiat, dan gula karena

akan menekan oksidasi Ru. Pada proses suhu tinggi Ru dalam gas buangan sebagai RU04

dan di atas 800°C sebagai RU03' Fraksi Ru dalam bentuk uap yang meninggalkan melter

adalah 1 - 15 %. Pada vitrifikasi perlu adanya penanganan limbah sekunder.

Pada proses vitrifikasi dalam lelehan gelas - limbah unsur Cs sukar untuk menguap.

Hal ini juga ditunjukkan oleh profil suhu dalam melter yang memungkinkan Cs tertahan

dalam lelehan gelas, sehingga hasil gelas - limbah mengandung Cs. Profil suhu dalam

melter pada proses vitrifikasi yang dioperasikan pada 1150 °C, setelah selesai

pengumpanan ditunjukkan pada Gambar 4 [1].

46

Hasi/ Penelitian clan Kegiatan PTLR rahun 2006 ISSN 0852 - 2979

850800

_ 750

E 700E 650- 600;:, 550

~ 500.a 450E 40019 350.e 300._ 250

sa 200~. 1501= 100

50o

400 500 600 700 800 900 100 110 120o 0 0

Suhu (OC)

Gambar 4. Profil suhu di tengah melter [1].

Sebagian besar hasil belah, seperti Cs mempunyai titik didih sangat rendah 668°C.

Cesium oksida dalam kalsinasi LCAT diuraikan pada suhu tinggi dan cesium menyublim.

Dengan proses pemisahan - kondisioning, untuk menguapkan 90 % Cs pada 800 °C

diperlukan waktu 5 jam, pada 900 °C selama 2 jam, dan pada 1000 °C selama 1 jam. Laju

sublimasi terbesar terjadi pada suhu yang tinggi. Oleh karena itu sublimasi dilakukan pada

suhu 1000 DC. Demikian pula reduksi juga dilakukan pada suhu 1000 DC. Hal ini sangat·

menguntungkan pada penyimpanan sementara hasil solidifikasi atau imobilisasi. Pada

penyimpanan sementara hasil vitrifikasi dilakukan dengan sistem pendingin selama 50

tahun untuk menghindari terjadinya kristalisasi gelas. Untuk mencapai kondisi yang sarna

dengan pelepasan panas setelah Cs dipisahkan, dicapai pada penyimpanan sementara

setelah 23 tahun. Hal ini menghemat biaya penyimpanan sementara yang sangat mahal

selama 27 tahun. Thermal power (tenaga panas) ratio untuk pendinginan selama 50 tahun

ditunjukkan pada Gambar 5 [5].

3000

2500l 2000I1500

J

1000

500

__ Ln total

-a--An total

--0-- Sr+Y__ Cs+Ba

___ Spent fuel

Waktu Pendlnglnan (tahun)

Gambar 5. Thermal power ratio pendinginan limbah aktivitas tinggi selama 50 tahun [5].

47

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

KESIMPULAN.

Reduksi volume pada proses SHTM jauh lebih besar dibandingkan proses vitrifikasi.

Hal ini akan menurunkan frekuensi pengelolaan (pengolahan, penyimpanan sementara, dan

disposal). Skala fasilitas yang diperlukanpun lebih kecil, sehingga reduksi biaya cukup

besar.

Pada SHTM Cs yang menyublim dapat dimanfaatkan sebagai sumber radiasi

gamma. Pada proses ini praktis tidak menimbulkan limbah sekender. Gas Cs sukar keluar

dari melter, karena terhalang lelehan hasil vitrifikasi dan suhu serta pemanasan yang belum

cukup dibandingkan pada SHTM. Pada proses vitrifikasi ada hasil pengolahan gas buangan

yaitu Nox, Ru, dan partikel yang merupakan limbah sekender.

Adanya Cs yang terpisah dari LCAT, mengakibatkan pengurangan penyimpanan

sementara hasil solidifikasi selama 27 tahun.

Proses vitrifikasi lebih sederhana dibandingkan SHTM. Kemudahan proses

menunjukkan bahwa proses vitrifikasi lebih sederhana dibandingkan SHTM, karena hanya

meliputi pelelehan dan pendinginan. Proses SHTM melibatkan suhu yang lebih tinggi

dibanding proses vitrifikasi.

Teknologi vitrifikasi untuk pengolahan limbah cair aktivitas tinggi simulasi dalam

skala laboratorium telah dikuasai di PTLR BATAN, sehingga untuk persiapan ke skala

industri lebih mudah walaupun masih perlu adanya bantuan teknik dari negara maju.

DAFT AR PUST AKA

1. MARTONO H., Characterization of Waste-Glass and Treatment of High Level LiquidWaste, PNC-Japan, NBS, 1988.

2. IAEA., Characteristic of Solidified High Level Waste Products, Technical Report SeriesNo. 187, IAEA,Vienna,1979.

3. IAEA., Chemical Durability and Related Properties of Solidified High Level Waste Form,Technical Report Series No. 257, IAEA,Vienna,1985.

4. MENDEL J.E., The Fixation of High Level Waste in Glasses, PNL Richland, Washington99352, 1985.

5. HORIE MISATO, Super High Temperature Method, Waste Management Seminar,Arizona, USA,2000

6. HORIE MISATO, The Study of Partition and Solidification With Super High TemperatureMethod, Tokai Works, Japan, 1990.

7. DZEKUN E.E. et.all, Alternative Technique for High Level Radioactive WastePartitioning, Moscow, Rusia, 1995

8. SOBOLEV I.A, et. All, Synthetic Melted Rock Type Materials, PNC TN 8420, Japan,1995.

48