PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHANBADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL

Cabang Ilmu Kimia yang mempelajari unsur radioaktif, pembuatannya, sifat-sifatnya, pengukurannya danpemanfaatannya

Kimia Radiasi :Cabang Ilmu Kimia yang mempelajari efek kimia yang terjadi pada

t t kib t di i isuatu zat akibat radiasi pengion

Kimia Nuklir :Cabang Ilmu Kimia yang mempelajari transformasi intiCabang Ilmu Kimia yang mempelajari transformasi inti

Radiokimia

• Bagian dari Ilmu KimiaMendukung perkembangan Teknologi• Mendukung perkembangan Teknologi Nuklir di berbagai bidang

U di ktif & if t if t

LINGKUP RADIOKIMIA

Unsur radioaktif & sifat-sifatnya

Radionuklida RadionuklidaRadionuklida Radionuklidaalam buatan

PenembakanPenembakanRadiokimia Pembuatan (Reaksi inti)

RadionuklidaPemisahanPemisahan

Analisis AANAnalisis AANPengenceran IsotopTitrasi Radiometri

Pemanfaatan Radionuklida

Perunut

TujuanTujuan

Setelah mengikuti materi ini, peserta mampuSetelah mengikuti materi ini, peserta mampu menjelaskan prinsip radiokimia

Secara Khusus :1. Menjelaskan keseimbangan dalam peluruhan2. Menjelaskan radionuklida alam3. Menjelaskan reaksi inti4. Menjelaskan radionuklida buatan5. Menjelaskan pemisahan radionuklida

SistematikaSistematika

• Bab I : Pendahuluan• Bab II : Radionuklida Alam• Bab III : Peluruhan Radioaktif• Bab IV : Reaksi Inti• Bab V : Pembuatan Radionuklida• Bab VI : Metode Pemisahan Radiokimia

Bab IIRadionuklida Alam

Bab II. Radionuklida AlamBab II. Radionuklida Alam

I.Tunggal, dihasilkan oleh sinar kosmikgg ,3H, 7Be, 10Be, 14C22Na, 24Na, 32S, 32P, 33P35P 36Cl 38S 38Cl 39ClP, Cl, S, Cl, ClII. Tunggal, berasal dari batuan40K, 50V, 87Rb, 115In, 123Te, 138La,142Ce, 144Nd, 147Sm, 152Gd, 156Dy,174Hf, 176Lu, 180Ta, 187Re, 190PtIII D t R di klid (P l h b t i)III. Deret Radionuklida (Peluruhan berantai)1. Deret Thorium (4n) 232Th ....... 208Pb2. Deret Uranium (4n+2) 238U ....... 206Pb3. Deret Aktinium (4n+3) 235U ....... 207Pb

Natural Radiation

238U234Th

4,47.109 tahun

24,1 hari

234Pa

234U2,46.105 tahun

1,17 menit

230Th226Ra

222Rn

7,54.104 tahun

3,8 hari

1599 tahun

218Po

214Pb 218At

3,1 menit

27 menit214Bi 218Rn

214Po210Pb

19,9 menit

163,7 s

Pb

206Hg 210Bi

206Tl 210P0

5,01 hari

22,6 tahun

206Pb138,38 hari

Deret Uranium

Radionuklida AlamRadionuklida Alam

Dalam Tubuh :• K-40, β dan γ, T1/2 : 1,27.109 tahun• Kelimpahan K-40 di alam : 0,0117 %

TENORM

T h i ll E h d N t ll

TENORM

Technically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Material

• Proses mineral dan pembakaran bahan bakar fossil fuelfossil fuel

• Dalam proses pemisahan, radionuklida alam tertinggal di bahan sisagg

• Konsentrasi radionuklida alam dalam bahan sisa lebih tinggi dibanding awalnya

Radionuklida di udara

Paparaneksternal

Tanaman Tanah Air permukaan

eksternal

Tanah lapisand l

Ikan

Hewan danHasil hewan

Pernafasan dalam

Ai t h Air minumAir tanah Air minum

manusia

Radionuklida di Lingkungan

Media Radionuklida

Radionuklida di Lingkungan

Udara 131I, 134Cs, 137Cs

Air 3H, 89Sr, 90Sr, 131I, 134Cs, 137Cs

Fresh water and marine

foodchain

54Mn, 55Fe, 59Fe, 60Co, 65Zn, 95Zr, 95Nb, 106Ru, 110mAg, 125Sb, 131I, 137Cs, 141Ce, 144Ce

Milk 89Sr, 90Sr, 131I, 134Cs, 137Cs

Meat 134Cs, 137Cs

Vegetation 89Sr, 90Sr, 95Zr, 95Nb, 103Ru, 106Ru131I, 137Cs, 141Ce, 144Ce

S il 90S 134C 137C 238P 239/240P 241ASoil 90Sr, 134Cs,137Cs, 238Pu, 239/240Pu, 241Am, 242Cm

Bab IIIPeluruhan Berantai

Deret Radionuklida

Peluruhan berantai digambarkan :

Deret Radionuklida

Peluruhan berantai digambarkan :

N(1) N(2) N(3) N(i 1) N(i)• N(1) → N(2) → N(3) …….. N(i-1)→N(i)

N(i) radionuklida ke-i

Laju PeluruhanLaju Peluruhan

1dN dN11

1 Ndt

dN 0011

2 NNdt

dN

33223 NN

dtdN

iiiii NN

dtdN

11

Persamaan BatemanPersamaan Bateman

)...( 321321

01

ti

ttti

ieCeCeCeCNN

))...()((...

11312

1211

i

iC)) ()(( 11312 i

)) ()((... 121

2

iC))...()(( 22321 i

))...()((...

131

121

iiii

iiC

131 iiii

Decay Chain, Secular Equilibrium

1000

100

Log of ActivityParent

10

Daugther

Total

1

0 10 20 30 40

Time

Gambar II.1: Kesetimbangan Sekular

8

D Ch i T i t E ilib i

6

7Decay Chain, Transient Equilibrium

3

4

5

Parent

Daughter

T t ltivity

1

2

Total

Log

Act

00 20 40 60 80 100 120

Time

Gambar II 2: Kesetimbangan TransienGambar II.2: Kesetimbangan Transien

Decay Chain, No Equilibrium

100

ivity

10

Log

of A

ct

Parent

Daughter

T lTotal

1

0 20 40 60 80 100 120

Time

Gambar II.3: Tanpa Kesetimbangan

Bab IVReaksi Inti

Reaksi IntiReaksi Inti

X + a Y + bX + a Y + b

Atau X ( a b ) YAtau X ( a,b ) Y

Keterangan :gX : nuklida sasaranY : radionuklida hasil reaksi intia : partikel penembakb : partikel hasil reaksi inti

Macam Reaksi IntiMacam Reaksi Inti

• Reaksi fotonuklirReaksi fotonuklirContoh : 9Be(γ,n)8Be

• Reaksi penangkapan : (n, γ), (p, γ), (d,p), (d,α)

• Reaksi fisi : U235 + nt Y1 + Y2 + (2-3)nc + Qt 1 2 ( ) c Q

Reaksi PenangkapanReaksi Penangkapan

(n, γ), (p, γ), (d,p), (d,α)

Contoh :• 23Na ( n, ) 24Na

24Mg ( d α) 22Na• 24Mg ( d, α) 22Na• 197Au ( n, ) 198Au Sumber partikel :Sumber partikel :• Reaktor nuklir• Akselerator

Reaksi FisiReaksi Fisi

U235 + nt Y1 + Y2 + (2-3)nc + Q

Reaktor NuklirReaktor Nuklir

Komponen Utama :Komponen Utama :

1. Bahan Bakar Nuklir 2 M d2. Moderator3. Pendingin4. Batang Kendalig5. Reflektor6. Bejana7 Perisai7. Perisai8. Penukar Panas:

Bab VPembuatan Radionuklida

Radionuklida BuatanRadionuklida Buatan

• Kedokteran• Pertanian• PeternakanPeternakan• Industri

Cara Pembuatan RadionuklidaCara Pembuatan Radionuklida

1. Penangkapan/aktivasi dengan neutron1. Penangkapan/aktivasi dengan neutron2. Hasil belah (fisi) uranium.3 Penangkapan/aktivasi dengan partikel3. Penangkapan/aktivasi dengan partikel

bermuatan. z+2(n d)z+1 (n,p) (n,d)(ϒ,p) (d,α)

z(n,ϒ)(d,p)

(ϒ,n)(n,2n)YA

z

z-1 (α,p)(d,ϒ)(d,p) (d,n)

(p,n)

(d,2n)

z 2 (α n)z-2 (α,n)

A-2 A-1 A A+1 A+2

Hipotesa Compound NucleusHipotesa Compound Nucleus

4He + 60Ni 63Zn + n

64Zn 62Zn + 2n

1H + 63Cu 62Cu + 1H + n

Kecepatan ReaksiKecepatan Reaksi

Kecepatan Reaksi :Kecepatan Reaksi :

Ri = I n σi xi i Ri = jumlah proses / reaksi inti yang terjadi pada sasaran

per satuan waktuI = jumlah partikel penembak per satuan waktun = jumlah nuklida yang terdapat dalam sasaran

per satuan volumeper satuan volumeσi = tampang lintang untuk reaksi inti x = tebal sasaran

Aktivitas RadionuklidaAktivitas Radionuklida

Aktivitas radioisotop (A) setelah iradiasiAktivitas radioisotop (A) setelah iradiasi dengan neutron

A = NΦσ(1 e-λtir)A = NΦσ(1 – e λtir)

Keterangan :Keterangan :N : jumlah nuklida sasaranΦ : fluks neutron (neutron/s.cm2)Φ u s eu o ( eu o /s c )σ : tampang lintang mikroskopis ( barn = 10-24 cm2)λ : tetapan peluruhan dari radioisotop yang terbentuktir : waktu iradiasi

Pemilihan Reaksi IntiPemilihan Reaksi Inti

• jenis nuklida sasaranjenis nuklida sasaran• tampang lintang reaksi

h b i tik l b k• pengaruh besar energi partikel penembak• tingkat kemurnian radionuklida yang

dihasilkan

Contoh Reaksi IntiContoh Reaksi Inti

Unsur Reaksi Inti Umur ParoH 6Li(n )T 12 3 tahunH 6Li(n, )T 12,3 tahunBe 6Li(d, n)7Be 53,4 hariF 19F(n,2n)18F 109,7 menitNa 23Na(n, )24Na 15,0 jamMg 26Mg(n, )27Mg 9,5 menitAl 27Al(n )28Al 2 3 menitAl Al(n, ) Al 2,3 menit

Aktivasi NeutronAktivasi Neutron

RADIONUKLIDA RADIASI WAKTU PARORADIONUKLIDA RADIASI WAKTU PARO153Sm β , γ 1,93 hari192I192Ir β , γ 73,8 hari65Zn ε ,γ, β 243,8 hari90Y β , γ 2,67 hari86Rb β , γ, ε 18,65 hari166Ho β , γ 1,12 hari60Co β , γ 5,27 tahunCo β , γ 5,27 tahun32P β 14.28 hari

Hasil BelahHasil Belah

RADIONUKLIDA JENIS

RADIASI

UMUR PARO

RADIASI9Mo β , γ 67 Jam

125I β , γ 60 hari

131I β , γ 8.04 hari

Partikel Bermuatan (Akselerator)

Produk Jenis

R di i

Umur

PRadiasi Paro

18F β+ ε 1 83 jam18F β+ , ε 1,83 jam

201Tl ε , γ 3,04 hariγ

56Co β+ , ε , γ 77,3 hari

Pemilihan Senyawa SasaranPemilihan Senyawa Sasaran

• kestabilan senyawa pada kondisi iradiasi• kandungan unsur lain • kemurnian radionuklida• kemudahan penanganan selanjutnya

(pemisahan)(pemisahan)

Target IradiasiTarget Iradiasi

Generator RadioisotopGenerator Radioisotop

• Radionuklida umur paro pendekRadionuklida umur paro pendek• Radionuklida induk berumur paro relatif

panjangpanjang• Anak dipisahkan secara kimia (sederhana)• 98Mo – 99mTc• 137Cs – 137mBa

Penandaan / PelabelanPenandaan / Pelabelan• Sintesis dan pertukaran atom.

Senyawa bertanda Penggunaan

153Sm-EDTMP Diagnosis/pengobatan kanker tulang danSm EDTMP

Atau SmCl3

Diagnosis/pengobatan kanker tulang dan

pengobatan leukemia

192Ir-hairpin Terapi “cervic cancer” dan “mamaeIr hairpin Terapi cervic cancer dan mamae

cancer” (low dose rate)201 Tl F atau 201 Tl F3 Diagnosis gangguan jantung3 g g gg j g

Na2 99MoO4 Generator 99mTc

Na131I (oral, injeksi) Diagnosis dan terapi thyroid

H3 32PO4 Pertanian

18F (FDG)* Kedokteran nuklir

Bab VIPemisahan Radiokimia

Tujuan Pemisahan RadiokimiaTujuan Pemisahan Radiokimia

• Isolasi dari radionuklida lainIsolasi dari radionuklida lain • Mengkonsentrasikan / mengumpulkan

radionuklida dalam jumlah kecil dari jvolume/massa yang besar

• Menghindari serapan diri dan mendapatkan g p pgeometri yang sesuai untuk kondisi pengukuran

Teknik Khusus

1. Carrier / Pengemban2 S2. Scavenger 3. Collector4. Milking5 Radiochemical Yield5. Radiochemical Yield

Teknik Khusus

• Carrier / Pengemban

Teknik Khusus

• Carrier / Pengemban– Isotopic

Contoh : Cs non radioaktif untuk 137Cs– Non isotopicp

Contoh: Ba untuk 226Ra

Teknik Khusus

S

Teknik Khusus

Scavenger– A1 cenderung dibarengi oleh keberadaan

A2, A3,...– Bila diperlukan memisahkan A1 from A2, A3, ...– Penambahan X sebelum proses pemisahan

Teknik Khusus

Collector

Teknik Khusus

Collectormengumpulkan radionuklida dalam jumlah sedikit dari massa atau volume yang relatifsedikit dari massa atau volume yang relatif besar

Contoh :AMP digunakan untuk mengumpulkan Cs dalam air laut

Teknik Khusus

MilkingMilkingPemisahan anak dari induknyaC t hContoh :

β- β-

90Sr 90Y 90Zr (stable)

Pemisahan 90Y dari 90Sr137mB d i 137C137mBa dari 137Cs

Teknik Khusus

• Radiochemical Yield / RecoveryRadiochemical Yield / Recovery

sA

C

s

A

– Gravimetry, colorimetry– Standard internal

Metode Pemisahan

Proses Kimia:

Metode Pemisahan

Proses Kimia:– menyangkut electron orbital

Sama untuk non radioaktif and radioaktif– Sama untuk non radioaktif and radioaktifMetode Pemisahan Kimia:

• Pengendapan • Ekstraksi Pelarut• Khromatografi• Elektrokimia • Distilasi

PengendapanPengendapan

mnsp MMK 21

– Pada tingkat kelumit, nilai hasil k li k l t tid k t ikali kelarutan tidak tercapai

– carrier ditambahkan– Pemisahan dengan

• pengendapan centrifugali• penyaringan

Ekstraksi PelarutEkstraksi Pelarut

• Pemisahan dengan pelarut yang tidakPemisahan dengan pelarut yang tidak bercampur

orgAD

• D >> 1 aqA

D

• Tingkat makro dan mikro

Contoh : Preparasi Radiokimiauntuk Analisis Pu dalam Sampel Tanahuntuk Analisis Pu dalam Sampel Tanah

FiltratFiltrat+ TOA-xylene

+ 8 M HNO aq+ 8 M HNO3

+ 10 M HCl

org

org aq+ 10 M HCl

org aq+ NH4I.HCl org

aq + Xyleneorg

aqorg aq

KhromatografiKhromatografi

• Perbedaan kecepatanPerbedaan kecepatan migrasi

• Tingkat makro dan mikro• Tingkat makro dan mikro• Jenis :

– Khromatografi kolom– Khromatografi kertas– electrochromatography– Khromatografi gas

Khromatografi

• Penukaran Ion

Khromatografi

Penukaran Ion

HR M + MR H+nHR + Mn+ MRn + nH+

sol

resd M

MK

Contoh : Preparasi Radiokimiauntuk Analisis Pu dalam Sampel Tanah

8 M HNO

Filtrat8 M HNO3

10 M HCl

NH4I.HCl4 C

Anion ColumDowex 1-X8, 100-200 mesh100 200 mesh

Eluent

ElektrokimiaElektrokimia

• Perbedaan energi potensialPerbedaan energi potensial• Elektrolisis secara internal

El kt li i d li t ik• Elektrolisis dengan arus listrik

Potensial (E0)Potensial (E )

( 0)Elektrode Potensial (E0)

K ═ K+ + e‐ + 2,92

¼U ═ ¼U+4 + e‐ + 1 40¼U ═ ¼U+4 + e + 1,40

½H2 + OH‐ ═ H2O+ e‐ + 0,83

Pu+3 ═ Pu+4 + e‐ + 0 72Pu Pu + e + 0,72

½Cu  ═ ½Cu+2 + e‐ ‐ 0,34

OH‐ ═ ¼O2 + ½ H2O+ e‐ ‐ 0,402 2 ,

¼Po ═ ¼Po+4 + e‐ ‐ 0,40

Fe+2 ═ Fe+3 + e‐ ‐ 0,77

Ag ═ Ag+ + e‐ ‐ 0,80

Contoh : Preparasi Radiokimiauntuk Analisis Pu dalam Sampel Tanah

Pt anodelarutan

0.5 Ampere, 2 hours

Stainless steel katode

DistilasiDistilasi

• Suhu penguapanSuhu penguapan• Senyawa volatil

ReviewReview

– Sebutkan 3 jenis radionuklida alam dan contohnya;y

– Sebutkan 3 sistem peluruhan berantai dan contohnya;

– Jelaskan 3 reaksi inti; – Jelaskan 3 cara produksi radioisotop;p p– Jelaskan 3 teknik khusus dalam Pemisahan

Radiokimia– Jelaskan 5 metode Pemisahan Kimia