SIMULASI KOMPOSISI KOMPOSIT ELASTIS KARET ALAMSENY A W A BORON UNTUK PROTEKSI RADIASI NEUTRON

Sri Mulyono Atmojo

Pusat Standardisasi don Jaminan Mutu Nuklir -BATAN

ABSTRAK

SIMULASI KOMPOSISI KOMPOSIT ELASTIS KARET ALAM SENYAWA BORON UNTUK PROTEKSI RADIASI NEUTRON. Telahdilakukan simulasi perancangan shielding elastis dari karet alam senyawa boron. Rancangan shielding ini berupa komposit yang berukuran 15 x 15x 0,22 cm dengan vanasi komposisi senyawa boron dari 25 part per one hundred rubber (pphr) sampai dengan 225 pphr. Selain itu dibuat simulasikomposisi senyawa boron dari 25 -225 pphr, sedangkan berat karet alam dan B4C tetap, masing-masing 100 gram dan 25 gram. Senyawa boronyang digunakan adalah H2B03, Na2B407, B203 dan B4C. Dan hasil perh!tungan menunjukkan bahwa komposit senyawa boron B203 dan B4Cmemberikan koefisien penampang lintang serapan cukup besar. Sedangkan simulasi B4C dengan senyawa yang lain menunjukkan bahwa dengankomposisi B4C hanya 25 pphr yang dicampur dengan senyawa yang lain dapat diperoleh pula koefisien penampang lintang serapan neutron yangcukup besar. Oleh karena itu, dengan gambaran yang diperoleh dari simulasi tersebut, dimungkinkan untuk memilih dan menetapkan komposisisenyawa sehingga dapat digunakan sebagai dasar perencanaan pembuatan shielding/bahan proteksi radiasi neutron.

ABSTRACT

THE COMPOSITION SIMULATION OF THE COMPOSITE BASE ON NATURAL RUBBER BORON COMPOUND FOR NEUTRONRADIATION PROTECTION. The design of an elastic shield was investigated. Elastic shield is a composite which is made of the natural rubber andboron compound. Size of the composite is 15 x 15 x 0,22 cm and their composition variation are 25 part per one hundred rubber (pphr) up to 225pphr of the boron compound H2803, Na28407, 8203 and 84C respectively. The result of the design show that the composite of boron compoundhave the great cross section. Likewise, the simulation process base on the natural rubber plus 25 pphr boron carbide have great coefisien crosssection. Therefore, the simulation can be used to determine the composition of the boron compound.

PENDAHULUAN

Berbagai jenis peralatan proteksi radiasi neutrondiciptakan untuk keperluan keselan1atan kerja terhadapradiasi neutron. Peral.atan ini berfungsi sebagai shielding(perisai) radiasi neutron dan digunakan di reaktor risetmaupun reaktor daya serta di fasilitas penunjangnya.Peralatan ini dibuat dari komposit karet alan1 senyawaboron. Berdasar penelusuran yang telah dilakukan,sampai saat ini shielding radiasi neutron dibuat daribahan-bahan padat yang kaku, misalnya logam atau karetyang dicampur boron. Nan1un tidak ada yangmenggunakan karet alan1 yang dicampur boron. Karetalam yang merupakan sumber daya alam yang selaluterbarukan clan merupakan produk negara Indonesia,akan menjadi andal.an sebagai bahan utama komposit inidalan1 pemanfaatannya sebagai shielding radiasi neutron.Karet alan1 digunakan sebagai matrik komposit,sedangkan senyawa boron berfungsi sebagai penyerapradiasi neutron. Daya serap bahan terhadap radiasineutron tergantung pada cross-section (penampang

lintang, cr) bahan.ll] Sedangkan cr merupakan fungsi darimassa jenis. Oleh karena itu komposisi bahan-bahanpembuat komposit akan menentukan kemampuanpenyerapannya terhadap radiasi neutron. Selainkomposisi yang mempengaruhi daya serapnya, faktortebal tipisnya bahan juga menentukan besar kecilnyadaya serap. Untuk memudahkan perancangan, beberapaparameter dibuat tetap. Parameter-parameter tersebutantara lain: volume komposit clan bahan-bahan pengolahkaret sedangkan komposisi bahan pengisi/penyerapbervariasi. Proses yang digunakan adalah proseskonvensional, sehingga diharapkan nantinya parapembuat barang teknik karet akan sangat familierterhadap pengolahan karet, serta akan memudahkanperhitungan komposisi. clan keberhasilan pengolahankaret akan lebih terjamin. Sebagai bahan dasarperancangan adalah karet alam rase padat yang dicampurdengan senyawa boron. Besaran senyawa boron inidinyatakan dengan ukuran part per one hundred rubber

41~, 6 J~ 2001

~ ~ ~ ~ ~ At,."... ~A g.., ~ p~ ~ N~5s.' H..t,-.. At-jt1

saja yang diperhitungkan. Untuk keperluan shieldingelastis ini, karet alam dan senyawa boron merupakanunsur-unsur yang dominan. Tabel 1 berikut merupakantabel yang digunakan untuk menghitung cr makroskopik.

Tabel1. Daftar cr mikroskopik beberapaunsur dalam sampel. [6]

No Namaunsur

cr.X 10-24 cm

cr.x IO-24cm

O"fx IO-24cm

12345

H0CB

Na

0,3320.00020.0037

7550.505

38

4,2

4,84

4

(pphr). Berdasarkan kepada volume tetap tersebut, dapatdibuat variasi komposisi senyawa boron. Empat jenissenyawa boron, yaitu: H2B03, Na2B4O7, B2O3 daD B4C,digunakan dalam pembuatan rancangan pembuatansimulasi ini Hasil perhitungan yang diperoleh adalahbesamya massa jenis (p), koefisien penampang lintangbahan (0') dan daya serap terhadap radiasi neutron termaldalam %. Pemilihan bahan-bahan ini harus memenuhipersyaratan yang ditetapkan yaitu: bahan harusmempunyai 0' besar, interaksinya dengan neutron tidakmengakibatkan reaksi fisi daD tidak menghasilkan isotopyang berumur panjang,[2]

Perhitungan meliputi komposit dengan empat senyawaboron dan dengan menggunakan simulasi empat senyawatersebut yang berbasis kepada berat karet alam 100 gramdan boron karbida 25 gram, serta kom-posisi dan ketebalan. cr, : penarnpang lintang absorpsi, cr,: penampang lintang hamburan, crr

penarnpang lintang pembelahan

TEORI

METODA PENGHITUNGANPada perancangan ini, karet alam rase padat

yang mempunyai rumus empiris C,oH'6, [3] dicampur

dengan senyawa boron: H2B03, Na2B4O7, B2O3 danB4C, masing-masing dengan berbagai komposisi.Volume sampel adalah' 15 x 15 x 0,22 cm. Jikaintensitas berkas neutron sebelum dan sesudah melewatisampel diukur, maka berlaku hubungan :

Untuk menentukan besarnya E, terlebih dahuluharus menghitung besarnya volume daD berat setiapsenyawa boron daD karet alam pacta setiap komposit.Selanjutnya dihitung besamya p setiap komposit daDkemudian ditentukan harga E makroskopik totalkomposit, serta yang terakhir dihitung besamya dayaserap terhadap radiasi neutron termal.Untuk keperluan perhitungan diatas, digunakanpersamaan berikut :

<1>0 x e-1:x [4]<l> (1)=

atau,<1>0 x e-Nax [4]<I> (2)=

= G / V [5] (6)p

dimana, p adalah massa jenis bahan, gram.cm-3, V adalahvolume bahan yang diperlukan untuk setiapkomposisi pada volume sampel yang tetap (V komposit =

49,5 cm3)

di mana, <I> adalah intentisitas berkas neutron sesudahmelewati sampel, n.cm-2.dt-l, <1>0 adalah intensitas berkasneutron sebelum melewati sampel, n.cm-2.dt-l, cr adalahpenampang lintang mikroskopik sampel, cm-2, x adalahtebal sampel, cm, ~ adalah penampang lintangmakroskopik sampel, cm-', N adalah jumlah inti atomper-unit volume, atom.cm-3 .

Sedangkan N dapat ditentukan sebagai berikut :

N = P NA / A [4] (3)

di mana, p adalah massa jenis unsur, gram.cm-3, NAadalah bilangan Avogadro, 6,002 x 1023, A adalah nomoratom.

~ (4)= (pNA/A) X L(Wj x O"i)

Daya serapnya dapat ditentukan dengan persamaanberikut:

( <1>0 -<1» / <1>0 x 100 % (5] (5)

Pada persamaan (1) cr adalah penampang lintangmikroskopik unsur pembentuk sampel. Maka untuksampel yang berupa komposit harus dihitung besarnya crmakroskopik. Oalam hal ini, unsur-unsur yang dominan

Contoh perhitungan.Untuk dengan karet alam dengan komposisi 25

pphr senyawa boron H2BO3, dapat dihitung sebagaiberikut :Karet alam mempunyai massa jenis 0,95 gr/cm3,sehingga untuk berat 100 gram volumenya adalah: 100/0,95 cm3 = 105 cm3, Sedangkan volume H2BO3 denyanberat 25 gram, mempunyai volume: 25 / 1,435 cm =

17,42 cm3,Untuk volume sampel 15 x 15 x 0,22 cm3 =

49,5 cm3, masing-masing bahan mempunyai volumesebagai berikut:Volume karet alam = ( 105 x 49,5) / ( 105 + 17,42) cm3= 42,6 cm3 clan volume H2BO3 = ( 49,5 -42,6 ) cm3 = 6,9cm3, Berat karet alam = 42,6 x 0,95 gr = 40,5 gram clanberat H2BO3 = 6,9 x 1,435 gr = 9,9 gram,

Demikian perhitungan dilakukan untuk semuakomposisi senyawa H2BO3, serta untuk semua jenis

~, 6: J~ 200142

~ ~ ~ ~ ~ AlA ~~ ~ ~ p~ ~ N~~ HI.t, At-j..

senyawa boron yang lain. Tabel 2 berikut merupakantabel basil perhitungan massa jenis tersebut.

Tabel 2. Hasil perhitungan massa jenis berbagaikomposisi senyawa boron.

Komposit Ihr

Karet alarn

25

50

75

100

125

150

175

200

225

H2BO3(~/cm3)

Na2B4O7(gr/cm3)

8203

-( gr~lB4C

(gr/cm3)0,951.02

].071],11]],]44I, ]701,]911,2111,2271,24

0;951,0451,1181,1781,231,271,351,381,361,38

0,951,05241,1341,2011,2561,3021,3421,381,4061,43l-

0,951,0861,201

1,31,381,46,52251,58

1,631),68

menggunakan persamaan (5) yang dimodifikasi menjadi:daya serap = ( 1 -e-};x ) x 100 %. Sehingga untuk

komposit karet alam H2BO3 denyan komposisi 25 pphr,daya serapnya sebesar : ( 1 -e-4,83 XO,22) X 100 % = 66 %.Sedangkan untuk karet alam sebesar : ( 1 -e-2,78 x 0,22 ) X100 % = 45,78 %.

Demikian seterusnya, metoda ini digunakanuntuk menghitung besarnya daya serap setiap kompositpacta setiap komposisi. Hasil perhitungan sepertiditunjukkan pacta Tabel 4 berikut.

Selanjutnya dibuat simulasi komposisi senyawaboron dengan berbagai variasi, berbasis pacta berat karetalam 100 gram dan berat boron karbida 25 gram. Hasilperhitungan massajenis seperti tertera pacta Tabel 5,sedangkan basil perhitungan koefisien penampanglintang dan daya serap terhadap radiasi neutron sepertipacta Tabel 6 daD Tabel 7 berikut ini.

[(aret aIam adalah karet alam tanpa campuran senyawa boron,komposisi 25 pphr dst. adaIah komposisi komposit terdiri daTi 25 gramsenyawa boron pada setiap 100 gram karet aIam

Tabel 4. Hasil perhitungan daya serap

berbagai komposisi senyawa boron.

Selanjutnya dihitung Lsb untuk setiap senyawaboron clan Lkaretalam menggunakan persamaan 3 clan 4,serta dihitung Ltotal komposit untuk setiap komposisi clansetiap jenis senyawa boron. Hasil perhitungan Lsb H2B03adalah: 12,56 cm-l, Lsb Na2B4O7 = 16,7 cm-l, Lsb B2O3= 25,49 cm-l, Lsb B4C = 87,47 cm-l clan Lkaret slam =

2,783 cm-I.Untuk komposisi 25 pphr H2B03 : Ltotal ko25 =

Pko' X ( 100 / 125 X O'ka + 25 / 125 x O'sb ), dimanaindeks: ko adalah komposit, ka adalah karet alam, sbadalah senyawa boron, total ko 25 adalah total kompositkomposisi 25 pphr. Sehingga Ltotal ko.25 = 1,02 x ( 100 I125 x 2,783 cm-l + 25/125 x 12,56 cm-l) = 4,833 cm-1

Oemikian perhitungan ini dilakukan untuksemua komposisi clan semua senyawa. Hasil yangdiperoleh seperti pada Tabel 3 berikut ini.

Komposithr

Karet alarn255075100125150175200225

8203(%)

B4C(%)

Kare! alam adalah karet alam tanpa campuran senyawa boron,komposisi 25 pphr dst. adalah komposisi komposit terdiri daTi 25 gramsenyawa boron pada setiap 100 gram karet alam

Tabel 3. Hasil perhitungan ~Iolalberbagai koml?osisi senyawa boron Tabel 5. Hasil perhitungan massa jenis

berbagai komposisi senyawa boron, dengan basisbe rat karet alam 100 gram

dan be rat boron karbida 25 gram

-

H2BO3(gram/~.l

Na2B4O7-(g~~~)-

Komposit(pphr)

Karet alam255075100125150175200225250

8203( gram/cm3)

0,951,1331,1691,1941,21791,23791,25391,2671,278.51,28851,2973

0,951,16661,232

1,28521,331,35

1,402

1,4312

1,457

1,4739

~

Karet alam adalah karet alam tanpa campurali-senyawaboron,komposisi 25 pphr dst. adalah komposisi komposit terdiri daTi 25 gramsenyawa boron pada setiap 100 gram karet alam

0,951,16021,21751,26431,30351,33631,36441,39081,41231,43141,4483 -

Karet alam adalah karet alam tanpa campuran senyawa boron,komposisi 25 pphr dst. adalah komposisi komposit terdiri dari 25 gramsenyawa boron pada setiap 100 gram karet alam

Berdasar kepadabesarnya daya

Tabel 3 tersebut, dapatserap koD1posit dengandihitung

~, 6 J~ 2001 43

~ ~ ~ ~ K...,.a Ali- ~~ ~ ~ p~ ~ N~.(..' 114-- ,4'-1"

sekitar 99,99 %. Hasil perhitungan seperti tertera padaTabel 8.

Tabel 6. Hasil perhitungan Ltotalberbagai komposisi senyawa boron, berbasis karet__9@!!1_1QOaram dan boron karbida 25 qram,

PEMBAHASAN

Dari Tabel 4, terlihat hampir semua senyawaboron menunjukkan bahwa pada komposisi 50 pphrkeatas perubahan penampang lintang serapan komposittidak terlalu besar. Hal ini berarti bahwa pada komposisitersebut, merupakan daerah yang dapat digunakan untukproteksi radiasi neutron. Bahkan untuk senyawa B4C, halterse but sudah terlihat pada komposisi 25 pphr. Padakomposisi ini, sudah menampakkan nilai yang konstansekitar 99 %. Hasil pembuatan simulasi komposisi,menunjukkan bahwa senyawa boron karbida tetapdominan dalam meningkatkan daya serap bahan terhadapradiasi neutron. Hal ini terlihat dengan adanya kenaikankoefisien penampang lintang yang tidak terlalu besar,seperti terlihat pada Tabel 7. Bahkan pada ssimulasi

dengan senyawa H2BO3, penambahan jumlah H2BO3malah menurunkan daya serapnya. Hal ini mungkindisebabkan karena volume bahan pengisi lebih besar atausarna dengari bahan matrik, Namun bila tebal sampeldibuat lebih besar (menjadi 0,5 cm), semua kompositcukup baik bila digunakan sebagai bahan penyerapradiasi neutron seperti terlihat pada Tabel 8. Pada tabeltersebut, terlihat bahwa hanya dengan komposisi 50 pphr,sampel sudah mempunyai daya serap sebesar 99 % lebih.Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa hampir semua

senyawa menunjukkan penyerapan yang cukup baik,sehingga memungkinkan untuk digunakan sebagaishielding/proteksi radiasi neutron. Tetapi sebagai barangteknik karet, senyawa ini masih memerlukan kajianapakah akan mempengaruhi proses terjadinya vulkanisasikaret atau tidak. Untuk keperluan ini harus ditinjau sifatmasing-masing senyawa. H2BO3 bersifat asaro,sedangkan karet alam bersifat basa. Dalam prosespencampuran karet, dua sifat ini akan menyulitkan prosesterjadinya vulkanisasi. Oleh karena itu diperlukan kajianlebih lanjut, hila H2BO3 akan digunakan sebagai bahanpencampur karet alaIn, misalnya dengan dipanaskansehingga akan menjadi senyawa yang netral. Sedangkansenyawa Na2B4O7 hila digunakan sebagai campuran,maka unsur Na perlu diperhatikan. Senyawa ini mudahmenangkap uap air, sehingga akan menyebabkanterjadinya butiran-butiran pada permukaan karet yangmenyebabkan tidak terpenuhinya persyaratan ujimekanik komposit yang direncanakan. Namun dayaserap yang diperoleh cukup besar, sehingga denganmemperhatikan kekurangan yang ada, maka pemakaiansenyawa ini dimungkinkan. B2O3 merupakan senyawaberbentuk oks ida, sehingga bersifat netral. Umumnyasenyawa oksida tidak mengganggu proses vulkanisasi.Oleh karena itu, pemakaiah senyawa B2O3 sangatdimungkinkan, sebab selain hal tersebut diatas, nilai dayaserap komposit ini cukup besar. Mengingat perananboron karbida sangat besar untuk menghasilkan dayaserap yang tinggi, maka kemungkinan pemanfaatan

Karet alam adaJah karei-aJan; tanpa campuran senyawa boron,komposisi 25 pphr dst. adaJah komposisi komposit terdiri dari 25 gramsenyawa boron pada setiap 100 gram karet alam

Karet alam adalah karet aIam tanpa campuran senyawa boron,komposisi 25 pphr dst. adalah komposisi komposit terdiri daTi 25 gramsenyawa boron pada setiap 100 gram karet aIam

Karet alam adalah karet alam tanpa campuran senyawa boron,komposisi 25 pphr dst. adalah komposisi komposit terdiri dari 25 gramsenyawa boron pada setiap 100 gram karet alam

Jika basis ketebalan diubah, maka akandiperoleh daya serap yang semakin meningkat. Olehkarena itu dicoba dihitung besarnya daya serap kompositdengan ketebalan sampel sekitar 0,5 cm. Denganmenggunakan persamaan (I) dapat ditentukan besarnyadaya serap tersebut. Perhitungan ini dilakukan hanyauntuk beberapa komposisi yang dayaserapnya mencapai

~I 6 J~ 200144