ISSN 0852-4777 PROSES ULANG BAHAN BAKAR BEKAS CARA BASAH-~ -

PROSES PENGOLAHAN LIMBAH NUKLIR BEKAS

* R. Didiek Herhady dan **Sigit

ABSTRAK

Reaktor nuk/ir menggunakan bahan bakar nuk/ir baik berbasis uranium (UO2J maupun berbasis

laTium (ThO2, campuran ThO2 -UO2J. Se/ama pemakaiannya di dB/am reaktor, bahan bakar tersebut

menga/ami reaksi penangkapan neutron yang menghasi/kan bahan bakar baru misa/nya Pu-239, U-

233 dan hasi/ be/ah. Bahan bakar pasca pemakaian di reaktor ternyata masih mengandung bahan

fisi/ yang sangat berharga sehingga per/u untuk dipungut kemba/i agar dapat dimanfaatkan. Untuk

mempero/eh bahan tersebut di/akukan proses ekstraksi dengan menggunakan ekstraktan tertentudan /ingkungan asam nitrat. Terhadap bahan bakar bekas berbasis uranium di/akukan proses

PUREX guna memisahkan U, Pu dan hasi/ be/ah dengan menggunakan ekstraktan Tri-n-butil pospat

(TBP), sedangkan terhadap bahan bakar bekas berbasis laTium untuk memisahkan Th, U, Pr danhasil be/ah dilakukan dengan proses THOR EX. Limbah nuk/ir bekas mengandung hasil be/ah yang

memancarkan radiasi tinggi sehingga dapat merusakkan media seke/iling seperti ekstraktan dan

rasa air. Kerusakan karena radiasi yang dia/ami TBP mengakibatkan terbentuknya DBP dan MBP,

dan kerusakan terhadap asam nitrat berupa penurunan tingkat keasaman. Ke dUB hat tersebut

menyebabkan penurunan hasil ekstraksi.

PENDAHULUAN bermanfaat (Sr-90, CS-137)[1-3J. Dengan

banyaknya unsur yang masih dapat diguna-

kan dan cukup berharga, maka diperlukan

pengolahan kembali limbah nuklir yang

sekaligus untuk menangani limbah radioaktif.

Tujuan pengolahan bahan bakar tersebutadalah untuk memungut dan memurnikan

kembali sisa U-235, Pu-239 yang terbentuk,

dan pemisahan unsur hasil fisi. Bahan fisil

yang terambil dari proses ulang selanjutnya

dapat dipakai untuk pembuatan elemen bakar

nuklir baru. Pengolahan kembali limbah nuklir

bekas dapat dilakukan secara proses basah

dan proses kering. Proses basah sudah lebih

mapan, sedangkan proses kering saat ini

~ulai dikembangkan di negara maju.

Dalam bahan bakar nuklir terdapat bahan

fisil yang dapat mengalami pembelahan jika

bereaksi dengan neutron dan bahan tertii

(pembiak) yang dapat menghasilkan bahanfisil. Bahan fisil yang digunakan adalah U-233,

U-235, Pu-239 dan Pu-241 , sedangkan bahan

tertii misalnya U-238, U-239, Th-232 dan Pu-

240.[1]

Oi dalam reaktor, bahan bakar mengala-

mi beberapa reaksi yaitu reaksi pembelahan

inti antara baha.n fisil dengan neutron sehingga

dihasilkan energi dan reaksi penangkapan

neutron oleh bahan tertii yang mengakibatkan

terjadinya reaksi rantai yang mengkibatkan

bahan fisil baru dan unsur elemen berat stabil

atau tidak stabil terutama isotop U dan Pu

(Gambar 1). Akibat reaksi pembelahan

terjadilah perubahan komposisi bahan bakar

sehingga menurunkan reaktivitasnya dan pad a

waktu tei1entu bahan bakar harus diganti.

Bahan bakar bekas setelah pemakaiannya di

reaktor masih mengandung unsur-unsur yang

sangat berguna misalnya bahan fisil yang

belum terbakar (U-235), bahan fisil baru yang

terbentuk (Pu-239), unsur hasil belah yang

Pengolahan limbah nuklir bekas dengan

cara basah (aqueous) yang banyak dilakukan

di instalasi nuklir adalah dengan metoda

ekstraksi. Metoda ini sangat selektif, energi

yang dibutuhkan sedikit, dapat dila~ukan

secara catu maupun sinambung, mudah

dikendalikan dari jarak jauh sehingga lebih

menjamin keselamatan selama operasi

berlangsung, mempunyai efisiensi tinggi dan

unsur-unsur dapat diperoleh secara murni.

17URANIA No. 23-24/Thn. VI/Juli-Oktober 2000

R.

DIDIK HERHADY dun SIGIT Proses Pengolahan Limbah Nuk/ir Hekas

Untuk dapat melakukan ekstraksi, maka

bahan bakar di dalam elemen bakar bekas

perlu dipisahkan lebih dahulu dari kelongsong,

kemudian dilakukan pelarutan dengan asam'

nitrat.

larutan penggaram aluminium nitrat dan

asam nitrat.

Proses Purex

Proses ini menggunakan ekstraktan

TBP dan larutan penggaram asam nitrat

untuk pemungutan dan pemisahan uranium

dan plutonium dari unsur-unsur hasil belah.

Proses Purex memiliki kelebihan dibanding-

kan dengan yang lain yaitu pengurangan

volum limbah, fleksibel dalam kondisi proses

dan biaya operasi rendah. untuk mengetahui

lebih mendalam, maka Proses Purex dibahas

secara tersendiri.

Proses pemisahan bahan bakar nuklir

tersebut tergantung dari jenis bahan bakar.

Bahan bakar nuklir ada dua macam yaitu

bahan bakar berbasis uranium (UOv, dan

bahan bakar berbasis torium misal (U, Th)O2.

ThO2 sehingga cara pengolahannya berbeda.

Pad a tulisan ini dibahas cara penanganan

limbah nuklir dari ke dua bahan tersebut.

PENGOLAHAN LlMBAH

BAKAR BASIS URANIUMOARI BAHAN

PENGOLAHAN LlMBAH NUKLIR DENGAN

PROSESPUREXPengolahan kembali limbah nuklir dari

bahan bakar berbasis uranium dilakukan

dengan metoda ekstraksi dengan berbagai

jenis pelarut. Proses ekstraksinya ada

beberapa macam, misalnya :

Proses PUREX (Plutonium Uranium

Recovery by Extraction) merupakan prosesyang paling efisien untuk mengolah kembali

bahan bakar nuklir bekas pakai dengan basis

uranium. Sesuai dengan namanya, proses

Purex mempunyai tujuan untuk pengambilan

ulang (recovery) secara proses ekstraksi dari

bahan bakar berharga uranium dan plutonium

dan pemisahannya dari unsur-unsur hasil

belah yang terbentuk selama reaktor

beroperasi. Proses Purex menggunakan

ekstraktan TBP yang diencerkan dalam karbon

tetra klorida (CCI4) atau hidrokarbon rantai

lurus misalnya kerosen, n-dodekan, n-heksan

dsb. Dalam industri biasanya digunakan TBP

30%-kerosen.

Proses Redox

Pada proses ini digunakan pelarut

organik metil isobutil keton (hekson) serta

larutan penggaram aluminium nitrat yang

ditambah-kan dalam fasa air guna

memperbaiki pemisahan antara uranium dan

plutonium. Proses Redox dilakukan pada

suasana acid defiency. Pad a proses tersebut

uranium lebih mudah terekstraksi ke fasa

organik pada valensi VI, sedangkan

plutonium pad a valensi IV.

Proses Purex sebagai bagian dari

pengolahan limbah nuklir secara keseluruhan

terdiri dari seksi ekstraksi dan stripping

(Gambar 2). Pad a tahap awal pengolahan

limbah nuklir bekas diawali dengan proses

de cladding yaitu pemotongan elemen bakar

bekas dan pemisahan bahan bakar dari

kelongsong. Bahan bakar uranium ini

kemudian dilarutkan dengan HNO3 yang

kemudian diatur konsentrasi dan keasaman-

nya untuk selanjutnya digunakan sebagai

umpan ekstraksi yang berisi uranil nitrat,

plutonil nitrat dan hasil belah nitrat dan

dialirkan ke dalam suatu kolom ekstraksi pad a

Proses Hekson-25

Pada proses ini juga digunakan pelarut

hekson dan larutan penggaram aluminium

nitrat, tetapi digunakan untuk pemungutan

dan pemisahan uranium diperkaya tinggi

dengan U-235 20 % dari hasil belah.

Proses TBP-25

Proses ini juga diaplikasikan untuk

pemungutan dan pemisahan uranium

diperkaya dengan U-235 20 % dari hasil

belah, tetapi menggunakan esktraktan Tri-n-

butil pospat (TBP) konsentrasi 5 % dan

URANIA No. 23-24/Thn.VI/Juli-Oktober 200018

R. DIDIK HERHADY daD SIGIT Proses Pengolahan Limbah Nuk/ir Bekas

bagian tengah. dari bagian bawah kolom

dialirkan TBP 30%-kerosen sebagai fasa

organiknya dan dari alas dialirkan asam nitrat

sebagai larutan pencuci. Pada ekstraksi ini

terjadi pemisahan antara hasil belah (HB) yangterbawa oleh HNO3 pencuci dan U(VI) dan

PU(IV) yang terekstrak oleh TBP. EkstrakranTBP yang mengandung U & Pu kemudian

dialirkan ke kolom stripping Pu pada bagian

tengah. Pada ujung bawah dialirkan pelarut

TBP segar, sedangkan dari alas dialirkan

asam nitrat yang mengandung reduktor yang

cukup kuat untuk mereduksi Pu(IV) menjadi

Pu(III), tetapi tidak cukup kuat untuk mereduksi

U(VI).

mengalami degradasi menjadi DBP (di butilpospat), MBP (mono butil pospat), butil

alkohol, butil eter, hidrokarbon dan asam

pospat. Jika TBP mengalami radiasi pad a

dosis sangat tinggi, maka akan terbentuk

polimer yang memiliki sifat seperti asam

pospat atau posponat rantai panjang.

Degradasi asam nitrat akibat radiasi

Radiasi yang ditimbulkan oleh hasil belah

juga menyebabkan kerusakan pad a asamnitrat yang digunakan pada proses Purex.

Hasil degradasi asam nitrat yaitu berupa

pemutusan ikatan yang membentuk ion atau

radikal bebas H+, OH", H2O, NO, NO2. Ion H+

dapat berubah menjadi radikal be bas Hyang

akan menurunkan konsentrasi asam dalam

sistem dan memperkecil efisiensi ekstraksi[s.6].

Pada kolom tersebut terjadi pemisahan di

mana Pu masuk ke fasa air, sedangkan

uranium tetap dalam fasa organik. Untuk

mengambil U dari fasa organik, dilakukan

proses stripping. Fasa organik TBP yang

mengandung uranium dimasukkan dalam

kolom stripping U dari dasar, sedangkan dari

atas dialirkan H2O untuk mengambil U dari

fasa organik. Fasa organik (TBP) kemudian

diregenerasi untuk dapat digunakan kembali.

Data mengenai pengolahan limbah nuklir

dengan proses Purex dapat dilihat pada Tabel

1 yang berhubungan dengan skema aliran

dalam Gambar 2.

Pengaruh radiasi terhadap hasil ekstraksl

Dalam proses Purex, radiasi terhadap

TBP dan asam nitrat menyebabkan kerusakan

pada TBP dan penurunan keasaman sehingga

menimbulkan banyak kerugian misalnya :

daya retensi yang besar dari hasil belah

terutama Zr dan Nb dalam fasa organik

sehingga memperbesar radioaktivitas fasa

organik dan memperkecil faktor

dekontaminasiPENGARUH RADIASI TERHADAP KEBER-

HASILAN EKSTRAKSI U dan Pu lebih tertahan dalam fasa

organik sehingga menyulitkan dalam

proses strippingLimbah nuklir yang berupa bahan bakar

habis pakai di reaktor masih mengandung

unsur-unsur hasil belah yang memancarkan

sinar radioaktif dengan tenaga cukup tinggi.

Adanya radiasi ini dapat menyebabkan

kerusakan baik terhadap TBP-kerosen sebagai

fasa organik maupun terhadap HNO3 sebagai

larutan pencuci.

pembentukan emulsi antara ke due fasa

sehingga menurunkan efisiensi

Pad a proses ekstraksi uranium dari hasil

belah rutenium menggunakan pesawat penga-

duk pengenap 12 stage dan ekstraktan TBP

30%-kerosen dan asam nitrat sebagai pencuci

yang keduanya telah diiradiasi dengan sinar

gamma pad a dosis tertentu terlihat bahwa

makin tinggi dosis radiasi menyebabkan

penurunan keasaman serta faktor dekon-

taminasi (FDRu-u) dan rekoveri U (Tabel 2).

Degradasi TBP akibat radiasi

Selain radiasi yang berasal dari unsur-unsur hasil belah, timbulnya panas reaksi sertahidrolisis oleh asam nitrat, TBP dapat

19URANIA No. 23-24/Thn.VI/Juli-Oktober 2000

Proses Pengolahan Limbah Nuk/ir BekasR. DIDIK HERHADY daD SIGIT

Thorex pad a prinsipnya ada 3 proses yaitu

ekstraksi, partisi dan stripping (Gambar 3) dan

data pengolahannya dapat dilihat pada Tabel

3. Data diperoleh dengan basis 200 kg Th/hari,

iradiasi pad a fliks 1013 n/cm2/dt selama 150

hari, lama pendinginan 60 hari, salven TBP

42,5 %-Amsco[4].

Kerusakan asam nitrat yang ditunjukkan

dengan penurunan keasaman serta degradasi

TBP yang diakibatkan radiasi gamma tidak

dikehendaki, karena akan mempengaruhi hasil

ekstraksi yang dapat dilihat dari besarnya

rekoveri (perolehan kembali) uranium dan

faktor dekontaminasi.

Dekontaminasi Th den U-233 dari limbah

aktivitas tinggi karena umur pendek Pa-233

merupakan problem tersendiri. Faktor primer

yang menentukan disain proses adalah tujuan

pemilihan pemisahan produk yang meliputipemisahan awal protaktinium aktivitas tinggi

den hasil fisi dari produk uranium den torium,

pemisahan den rekoveri torium dari U-233

serle rekoveri den isolasi U-233. Sesudah

peluruhan Pa-233 menjadi U-233, prosesselanjutnya adalah rekoveri dari fasa air.

Faktor lain yang didasarkan pede kemudahan

operasi den teknis adalah penggunaan

ekstraktan tunggal TBP 42,5 % dalam pelarut

aromatik dalam olefin bebas parafin digunakan

sebagai pelarut pede ORNL, sedangkan KAPL

menggunanan TBP 30 %. Selain itu aluminium

nitrat digunakan sebagai larutan pad a siklus

pemisahan awal.

BAHAN'PENGOLAHAN LIMBAH

BAKAR BASIS TORIUM

OARI

Selain bahan bakar uranium, torium

merupakan bahan nuklir bersifat tertii yang

dapat diubah menjadi bahan fisil. Torium-232

bila menangkap neutron akan berubah

menjadi isotop U-233 yang bersifat fisil.

Uranium-233 lebih mudah dipisahkan dari Th-

232 secara kimia. Reaksi penangkapan

neutron oleh Th-232 akan menghasilkan Th-

233 yang mengalami peluruhan denganmemancarkan sinar [3- (t1/2 = 23,2 menit)

menjadi Pa-233 yang juga meluruhmemancarkan [3- (t1/2 = 27,4 hari) menjadi U-

233.

Pemakaian torium sebagai bahan bakar

nuklir harus dicampur dengan bahan fisil lain

misalnya U-235 atau Pu-239. Bahan bakar

campuran U- Th dapat digunakan pad a reaktor

daya maupun reaktor suhu tinggi. Penangananlimbah nuklir bekas dari bahan bakar berbasis

torium pada prinsipnya mirip dengan bahan

bakar nuklir basis uranium. Namun untuk

reaktor suhu tinggi terdapat perbedaanterutama pad a proses pelarutan bahan bakar

bek~s. Bahan bakar reaktor suhu tinggi

berbentuk partikel yang dilapisi denganpirokarbon dan SiC yang bersifat stabil.

Pengolahan limbah bahan bakar bekas basis

torium untuk pemisahan/pemurnian bahan fisil

dan tertii menggunakan Proses Thorex yang

dirancang berdasarkan teknologi proses keringradioaktif dengan pemisahan seefisien dan

seekonomis mung kin. Proses Thorex yang

dikembangkan oleh ORNL berlangsung secara

proses kontinyu dengan pendinginan relatif

pendek.

Pada pelarutan torium, digunakan

katalisator fluor yang dapat mengakibatkanproblem korosi pada penampung limbah

karena Th akan membentuk kompleks dengan

fluor, demikian juga pada rafinat yang

mengandung ion fluor yang tidak terkompleks.

Aluminium merupakan pengompleks yang baik

untuk ion fluor dalam sistem asam dan

menjadi lebih efisien dalam sistem basa, atau

asam defisit atau aluminium nitrat yang dapat

mengurangi korosivitas alat.

Selain proses Thorex, masih ada proses

lain yaitu Proses Hekson -U-233 dan Proses

Interim-23. Proses Hekson -U-233 dirancanguntuk rekoveri dan dekontaminasi U-233.

Setelah pelarutan bahan bakar bekas, larutan

diatur kondisinya untuk umpan ekstraksi yang

dimasukkan pad a bagian tengah kolom. U-

233 diekstraksi dengan pelarut hekson.

Torium, Pa-233 dan hasil fisi masih berada

pad a fasa air. Torium nitrat berada dalamPengolahan limbah nuklir dengan proses

R. DIDIK HERHADY clan SIGIT Proses Pengolahan Limbah Nuklir Bekas

umpan dan bertindak sebagai larutan

penggaram. Fasa organik mengandung 99,9

% U-233 dialirkan ke dasar kolom striping.

Untuk radiasi bahan umur panjang (>100 hari)

dan pendinginan pereode pendek «12 bulan),

diperlukan siklus dekontaminasi agar Pa-233

meluruh habig, dan fasa air diolah ulang untuk

mendapatkan rekoveri U-233 maksimal.

torium. Teknologi pengolahan limbah nuklir

dengan proses basah dapat dikembangkan

lebih lanjut dengan proses kering untuk

mengurangi volum limbah yang terbentuk.

DAFTARPUSTAKA

1 BENEDICT, M., PIGFORD, T.H,,: "Nuclear

Chemical Engineering", Mc. Graw HillBook Com pany, New York, 1981,

FOREMAN, C.E" "Nuclear Fuel Repro-

cessing", Nuexco-Monthly Report to the

Nuclear Industry, No. 286. pp. 29-38,

1992.

Proses Interim-23 seperti juga proses

Hekson -U-233 dirancang untuk rekoveri dan

dekontaminasi U-233 tetapi dengan

menggunakan pelarut TBP 1,5 % dalam

pengencer hidrokarbon. Pad a umumnya

prinsip yang digunakan dalam proses Purex

sarna dengan proses ini. Setelah pelarutan

bahan bakar bekas torium, umpan dibuat

sesuai dengan kondisi yang diperlukan lalu

dimasukkan dalam kolom ekstraksi U-233.

Hasil fisi, protaktinium dan torium masih dalam

fasa air (rafinat). Larutan AI(NO3)3 digunakan

untuk mengambil torium dan hasil fisi dari fasa

organik. Ekstrak yang mengandung U- 233

dimasukkan ke dalam kolom striping. Produk

fasa air diproses lanjut pad a siklus berikutnya

yaitu penukar ion dengan resin Dowex-50.

Pelarut bekasnya kemudian diregenerasi agar

dapat digunakan kembali.

2

3. LONG, J.T., : "Engineering for NuclearFuel Reprocessing American Society", LaGrande Park, Tenesse, ORNL, 1978.

4. STOllER, S.M., RICHARDS, R.R.,"Reactor Handbook", vol. II, Reprocessing,2nd ed., Interscience Publishers, Inc., NewYork, 1961.

HART, E.J., "Radiation Chemistry". Vol. I.

Aqueous Media, Biology, Dosimetry,American Chemical Society, Washington,1968.

5,

HERHADY, R. 0" MASDUKI, B.,

SUCAHYO, D. H., C. SUPRIYANTO,

"Pengaruh TBP-Kerosen dan HNO3

Teriradiasi Gamma Terhadap Rekoveri U

dan Faktor Dekontaminasi Ru-U Pad a

Ekstraksi Pemisahan Uranium", PPI Litdas

Iptek Nuklir, PPNY BATAN, Yogyakarta,

1998

6.Dari ketiga proses tersebut di atas,

Proses Hekson-U-233 dan Interim-23

merupakan pelengkap dari Proses Thorex

yaitu untuk memurnikan U-233.

KESIMPULAN

Penulis adalah

*)Pejabat Fungsional Pranata Nuklir dan

Stat Pusat Penelitian dan

Pengembangan Teknologi Maju

**)Pejabat Peneliti dan Stat Pusat

Pen gem bang an Teknologi Bahan Bakar

Nuklir dan Daur Ulang, P2TBDU, BAT AN

Pengolahan kembali limbah nuklir yang

berupa bahan bakar pasca pemakaian di

reaktor telah memberikan hasil yang sangat

memuaskan, efisien dan aman terhadap

ling kung an karena tidak ada unsur radioaktif

edikitpun yang terbuang ke lingkungan.

Proses Purex digunakan dengan hasil

yang sangat baik terutama untuk bahan bakar

nuklir berbasis uranium, sedangkan prosesThorex memberikan kemapanan dalam

pengolahan bahan bakar nuklir berbasis

Proses Pengolahan Limbah Nuklir SekasR. DIDIK HERHADY dan SIGIT

Gambar 1. Komposisi bahan bakar sebelum, dan sesudah pemakaian di reaktor airbertekanan (PWR) burn up 33000 MWD/T.

Gambar 2. Skema proses pengolahan limbah nuklir dengan Proses Purex[41,

R DIDIK HERHADY dan SIGIT Proses Pengolahan Limbah Nuklir Bekas

Tabel1. Data pengolahan limbah nuklir dengan proses Purex untuk 1 ton bahan bakar U[4]

Uraian 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Volum, m3 2,12 10,037 '1,589 3,393 10,829 10,848 '°,922 11,734 14,957 2,519 11,055

Fasa Air

Organik

Air Air Organik Air Air Organik Air Air urganiK

HNO3. M 0,95 2,0 0,93 0,2 0,57 1,84 0,06 0,01 0,29

U.M 1,80 < 0,2 0,352 0,035 0,323 1,5

NaNO3, M 0,03 0,028

Pu, % 100 < 0,1 > 99,5 99,4 0,

Hasil Belah.% 99,9 < 0,005

Tabel 2. Pengaruh radiasi gamma terhadap keasaman dan hasil ekstraksi.[6]

Oasis radiasi, Keasaman, MFDRu.U Rekoveri U. %

Sebelum radiasi Sesudah radiasirad

102

104

106

108

3 2,96 2,22 94,93

3 2,92 2,12 93.54

92,203 2,89 2,04

3 2,74 1,97 87,76

R. DJDIK HERHADY daD SIGIT Proses Pengolahan Limbah Nuk/ir Hew

~

Stri-ping 11

!I

10

Gambar 3. Diagram alir Proses Thorex[4]

Tabel 3. Data proses pengolahan limbah nuklir dengan Proses Thorex.14]

Ekstraksi

3 I

Partisi

6 I 7 I 8Uraian

1 2 4 5 110 1

Laju"l/h

HNO3. M

AI(NO3)3, M

TBP, %

Th-232, g/l

U, g/l

F",M

Pa, g/l

H3PO4, M

FeSO4, M

576

-0,4

0,55

576

-0,21

0,55

2880 1152

-0,3

0,55

1036

-0,4

576

0,01

576

0,19

3794

0,002

760

0,01

760

0,025

794

-

42,5

-

42,5

<0,01

10.5

0,03

-

42,5

<0,01

0,043

0,01

2,5

0,01

-

350

0,28

0,06

<0,05

0,21

<10ppm

-

58

kelumit

0,025 10ppm

>0,053

0,003

0,01

-

0,003

0,01

URANIA No. 23-24/Thn.VI/Juli-Oktober 200024