studi status teknik pengayaan

172 ISSN 0216 - 3128

STUDI STATUS TEKNIK PENGAYAAN D20

Sukarsono, Imam Dahroni, Didik HerhadyPusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

ABSTRAK

Sukarsono, dkk.

Telah dilakukan studi status teknik pengayaan air berat baik yang telah dilakukan di Indonesia maupun didunia. Proses pembuatan air berat yang sudah dileliti meliputi distilasi air, distilasi hidrogen, pemisahandengan laser, elektrolisa dan pertukaran isotop. Pertukaran isotop sendiri dapat menggunakan pasanganbahan kimia seperti air-hidrogen suljit, ammonium-hidrogen, aminomethan-hidrogen, dan air- hidrogen.Untuk proses pertukaran isotop ada yang dijalankan pada satu panas (mono thermal) atau dua panas(bilhermal). Negara produsen terbesar air berat adalah Kanada. Negara-negara yang sudah mempunyaipabrik air berat adalah Amerika Serikat, Norwegia dan India. Proses yang banyak digunakan untukproduksi air berat adalah pertukatan isotop Girdler-Sulphide (G-S), distilasi dan elektrolisa, yang masingmasing mempunyai kekurangan dan keunggulannya sendiri. Penelitian yang sudah dilaksanakan di BATANYogyakarta bertujuan untuk melihat karakteristik pemisahan air berat, meliputi distilasi, elektrolisa danpertukaran isotop. Beberapa peratalan sudah berdiri adalah distilasi 3 buah dengan kolom pirek tinggi 2 m,stainless steel tinggi 3 m dan baja 6 m. Peralatan elektrolisa yang ada adalah 50 buah sel elektrolisa, danunit pertukaran isotop dengan katalisator Ni-Cr203 dan Pt-Carbon. Peralatan tersebut dalam keadaan yangbelum siap dioperasikan.

ABTRACT

Technical status study of heavy water enrichment in Indonesia and also in the world has been done. Heavywater enrichment processes have been investigated were water disstilation, hydrogen disstilation, laserenrichment, electrolysis and isotop exchange. For the isotop exchange, the chemical pair can be used werewater-hydrogen sulphite, ammonium-hydrogen, aminomethan-hydrogen, and water-hydrogen. For theisotope exchange, there was carried out by monothermal or bithermal. The highest producer of heavy wateris Canada, and the other producer is USA, Norwegian and India. The processes be used in the world areisotope exchange Girdler Sulphide (GS), distillation and electrolysis. Research of heavy water carried out inBatan Yogyakarta, has a purpose to know the characteristic of heavy water purification. Several apparatuswhich has erected were 3 distillation colm: Pyrex glass of 2 m tall, stainless steel colm of 3 m tall and steelof 6 m tall. Electrolysis apparatus is 50 cell electrolysis and an isotope exchange unit which has catalyst: Ni-Cr203 and Pt-Carbon. These apparatus were not ready to operate ------ -----------

PENDAHULUAN

Penelitian air berat di BATAN sudah dimulaisejak tahun 1978 sejak BATAN di Yogyakartamasih bernama Pusat Penelitian Tenaga AtomYogyakarta. Pada waktu PPTA BATAN berubahnama menjadi Pusat Penelitian Bahan Murni danInstrumentasi, penelitian air berat tetap dilakukan diYogyakarta. Pada sekitar tahun sembilan puluhan,penelitian ini dihentikan karena orientasi reaktornuklir tidak mengacu ke reaktor nuklir berbahanbakar uranium alam lagi.

Dengan mulai ramai dibicarakanpembangunan PLTN yang diharapkan dapatberoperasi tahun 20 I6, dan adanya pertimbangandisamping beberapa reaktor PWR yang mulaidibangun 20 I0, akan dibangun juga reaktor denganbahan bakar DUPIC yang menggunakan bahanbakar bekas dan bermoderator air berat, timbullahwacana untuk menghidupkan lagi penelitian airberat, sebagai persiapan penggunaan 020 padabahan bakar DUPIC di masa yang akan datang.

Tulisan ini akan membahas sejauh manapenelitian air berat sudah pernah dilakukan diBATAN Yogyakarta, bagaimana pengembanganpenelitian air berat di masa yang akan datang danjuga perkembangan produksi dan penelitian air beratdi dunia.

Bahan Dasar

Air berat adalah senyawa oksida dari isotophydrogen dengan rumus kimia (020). Air beratbanyak~t--d~lraIam;-- gas alam,petroleum dan sebagainya. Air berat di alamkadar kadarnya sangat kecil sekali seperti dalamair alam reratanya hanya sebesar 147 ppm(I).Metode untuk mengambil air berat dari air alam dandari gas alam telah banyak dilakukan, tetapi yangsangat penting adalah pengkayaan air berat dariair alam. Hal tersebut disebabkan jika bahandasar deuterium dari bahan gas alam dan petroleumakan mengalami hambatan antara lain (1,2): I.Harus melalui proses kimia lebih dahulu, misaldiubah dahulu dalam bentuk gas hidrogen,

Prosiding PPI - PDlPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

Sukarsono, dkk. ISSN 0216 - 3128 /73

amoniak dan sebagainya yang akan menambahbeaya operasi, 2. Jumlah air berat yang dihasilkansangat sedikit sekali jika dibandingkan dengankebutuhan air berat yang digunakan pada suatureaktor daya ( PHWR )

Sebagai ilustrasi persoalan dalam pemisahanair berat, dari 1000 ton amoniak per hari hanyadapat menghasilkan 75 ton deuterium per tahun,padahal untuk suatu operasi awal reaktor daya600M W, dibutuhkan air berat sebanyak 500 ton.Hal lain yang perlu diperhatikan untuk operasiselama satu tahun harus disediakan 10 ton air beratuntuk mengganti bahan moderator tersebut yangterdegradasi / hilang.

PROSES PEMISAHAN AIR BERA T

Karena hanya terdiri dari satu macam isotophidrogen, pemisahan deuterium dari air lebihmudah dibandingkan separasi isotop dari unsurunsur lain. Pemisahan isotop deuterium dan airdapat dilakukan melalui proses fisika dan kimia.Meskipun kandungan deuterium di alam yangsangat kecil, (di bawah satu bagian dalam 6000bagian), deuterium dapat diekstrak denganperkiraan biaya kurang lebih $300 / kg D20. Biayapemisahan ini relative kecil bila dibandingkanuntuk memisahkan emas dari batuannya diperlukanbiaya diatas 6000 $/ kg.

Untuk menggambarkan faktor ekonomisproses produksi DzO, dapat dilihat distilasifraksinasi air, Untuk proses pemisahan. Pada 13kPa (51°C) tekanan uap bentuk deutererium padafase cair berkurang 5,5% dibandingkan dengan

pada fase uap, atau dapat dinyatakan sebagai factorpemi-sahan .

Konsentrasi deuterium dalam fase uapa = 1.055 = ------------

Konsentrasi deuterium dalam fase cair

Besaran a ini turun pada suhu yang naikdan karena besaran a pada titik didih normal hanya1.015, maka penggunaan vakum sangatmenguntungkan untuk menjaga harga a masih tetaptinggi pada titik didih air karena air mendidih padasuhu yang rendah.

Proses pemisahan deuterium bisamenggunakan berbagai macam metode. Diantarametode-metode tersebut ada yang sudah terbukti,dan digunakan untuk memproduksi air berat, adajuga yang masih dalam taraf penelitian. Rangkumanproses pemisahan air berat dapat dilihat dalamTabel 1.

Ada lima batasan karakteristik yang dapatdigunakan untuk membuat pertimbangan terhadapproses pembuatan DzO yaitu distilasi air, distilasihodrogen, elektrolisa air, pemisahan isotop denganlaser dan pertukaran isotop. Tabel 1membandingkan beberapa proses yang mungkinuntuk produksi DzO dalam 5 kriteria tersebut. Halhal yang menyebabkan proses tidak ekonomisdicetak dengan huruf tebal proses yang bagusdicetak dengan huruf miring. Tabel 1 tersebut berisiproses yang mungkin untuk memproduksi DzO dariair, gas atau bahan lain, tetapi tidak semuanyaekonomis untuk dilakukan dalam skala komersial.

Tiap proses mengandung hal yang positif dan halyang negatif.

Tabell. Rangkuman Proses Pemisahan Air Berat(20)

Proses FaktorEnergiKecepatanAliranMasukanpemisahan

dibutuhkanPemisahanberlawananDistilasi Air

1,015-1,055San!!at tin!!!!iModerateYaAir

Distilasi cairan H2-1,5ModeratPelanYaH2 sangat

murniElektrolisa air5-10San!!at tin!!!!iCepattidakAir

Pemisahan isotopSangat be-sarMederat?PelanTidakCFCs

dengan laser>20.000 Denting

Pertukaaraan Air-H2S1,8-2,3TinggiCepatYaAir

Pertukaran Ammonia-

2,8-6moderatLambat-YaH2

Hidrogendiperlukan

katalisPertukaran3,5-7ModeratLambat-YaH2

Aminometan-H2diperlukan

katalisAir-Hydrogen2-3,8ModeratHampir tidakYaAir

ada-diperlukan katalis

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN


174 ISSN 0216 - 3128 Sukarsono, dkk.

Dalam Tabel 1, hal-hal yang menyebabkanproses tidak ekonomis dicetak dengan huruf tebalproses yang bagus dicetak dengan huruf miring.Tabel 1 tersebut berisi proses yang mungkin untukmemproduksi D20 dari air, gas atau bahan lain,tetapi tidak. semuanya ekonomis untuk dilakukandalam skala komersial. Tiap proses mengandunghal yang positif dan hal yang negatif.

Elektrolisa air mempunyai factor pemisahanyang besar, tetapi satu-satunya jalan untukmenggunakan proses ini adalah secara berulangyaitu menggabungkan antara oksigen dan hidrogenmenjadi air dan kemudian kembali dielektrolisasehingga energi yang diperlukan sangat intensif.Elektrolisis tidak tergantung pada kesetimbangantetapi pada efek kinetik isotop, hidrogenberkembang lebih cepat dari deuterium, sedangfaktor pemisahan dari proses lain adalah tergantungdari nilai termodinamik yang tertentu dantergantung pada suhu, sedang kecepatannyatergantung dari detail dari peralatannya.

Penelitian untuk pemisahan air berat yangpernah dilakukan adalah:

a. Distilasi vakum : 1). Air, 2). Hidrogenb. Elektrolisa air

c. Pemisahan isotop dengan laserd. Pertukaran isotop : 1). Air-hidrogen suIfit, 2).

Ammonium- Hidrogen, 3). Aminomethanhidrogen, 4). Air- hydrogen

A. Distilasi Fraksinasi Air Herat

Gambar I menggambarkan distilasi vakumair. Air dididihkan dan diembunkan pada bagianatas kolom isian, sedang kolom isian sebagaitempat terjadinya kontak antara air dan uap,sehingga terjadi kesetimbangan uap-aiT. Kolomisian diberi packing yang sifatnya terbasah I olehair (bersifat suka air), biasanya dari bronse fosfoT.Melalui bahan isian tersebut cairan dan uap kontaksecara berulang-ulang. Cairan yang turun, akandiperkaya deuteriumnya sedang uap yang naikmenjadi berkurang deuteriumnya. Kontak antaracair-uap yang berulang-ulang, akan meningkatkanpemisahan deuterium. Karena factor pemisahanyang sangat kecil, biasanya kontak itu dilakukantemlang-ulang sampai ratusan kesetimbangan.Proses distilasi cukup sederhana, panasditambahkan pada dasar dan pendingin padabagian atas. Proses dilakukan secara tertutup.Proses tambahan dibutuhkan untuk sistem kecil

untuk mengeluarkan udara bocoran, pembuatan airmurni untuk mencegah korosi yang akan melapisipacking. Hal yang membatasi proses distilasi iniadalah: a. lumlah air yang harus diuapkan basarsehingga energi yang dibutuhkan besar pula, b.

Faktor pemisahan sangat kecil, sehingga aliraninternal antara boiler dan kondensor harus 13 kali

lebih besar dari aliran air masuk, c. Diperlukanproses penguapan yang sangat besar, d. Bahanbaku yang dimasukkan dibandingkan dengan hasilyang diperoleh sangat banyak, e. Konsentrasi Ddalam air umpan sangat sedikit. Untuk produksiD20, maka sejumlah tertentu, maka sejumlah100.000 kali produk hams dididihkan dandiembunkan. Karena itu proses ini tidak dapatdijadikan sebagai proses pemisahan 020 yangutama. Meskipun demikian, distilasi air untukpemisahan air berat ada juga segi positifnya yaitu:a. Proses sangat cepat, b. Dapat dilakukan kontaklawan arah dari cair dan uap, c. lumlah air tersediatanpa batas

Hi3. sil At.a 5

Unpan

He. sil Dssa. r

Bfa porator

Gambar 1. Diagram Pemisahan air beratdengan distilasi

Prinsip dari metode proses distilasi adalahdidasarkan atas perbedaan titik didih atau sifatvolatilitas daTi komponen penyusun dalamsenyawa air alam. Oi dalam air alam terdapatcampuran dari H20 , HOO dan 020 yangdalam kondisi berkesetimbangan reaksi sebagaiberikut ( 1,3,7,8) :

2HDO (1)

Deuterium dalam kondisi kadar yangrendah hampir seluruhnya berupa senyawa HOO,jadi persamaan reaksi (I) kesetimbangannyabergeser kekanan, sedangkan apabila kadardeuterium meningkat dan mencapai kadar yangtinggi berujud senyawa 020 yang berartikesetimbangan reaksi (1) bergeser ke kiri .

Oalam proses distilasi campuran ketigapersenyawaan H20, HOO dan 020 dianggaphanya terdiri dari dua senyawa saja yaitu H20 danD20. Untuk hal tersebut ada beberapa asumsiyang harus dipenuhi yaitu: a, Hargakesetimbangan dari persamaan (I) diasumsikanbernilai 4, b. Campuran dari senyawa tersebutadalah ideal, C. Berlaku asumsi bahwa hubungan



Sukarsono, dkk. ISSN 0216 - 3128 175

ratio tekanan uap mumi HzO terhadap HOO =ratio tekanan uap mumi HOO terhadap OzO, d.Oistribusi keberadaan senyawa HOO, HzO danOzO dalam keadaan setimbang dan acak.

Oengan anggapan tersebut harga faktorpemisah dari campuran ke tiga komponen tersebutdi atas adalah dapat di sederhanakan menjadi :

a= ........... (2)

Ln Xp ( 1 - X F ) / XF ( 1 - Xp }

Nmin =(3)

Ln 0-

Oalam hal ini notasi XF adalah fraksiumpan OzO dan Xp adalah fraksi produk OzO,jika dimisalkan rraksi umpan OzO sebesar 149ppm dan produk diinginkan 99,8 % OzO , makaharga Nmin [lumlah plat minimum] adalah :

Lo (0,998 [ 1- 0,000149 ] / 0,000149[ 1- 0,998]Nmin

Lo 1,05

= 308 buah [ unit pemisah minimum]

Untuk kebutuhan plat sesungguhnya dibutuhkan< 1,3) sebesar = 2 x 308 = 616 buah

2). Perhitungan tinggi kolom

Menurut Benedict (I) apabila dimisalkansebuah unit pemisah diperlukan tinggi rerata 20cm maka tinggi kolom distilasi yang diperlukanuntuk mengkayakan air berat dari air alam [149ppm] menjadi air berat bahan moderator [99,8 %]maka diperlukan tinggi sepanjang = 616 x 20cm atau 123 meter.

Oalam praktek dilapangan dibuat minimal4 buah kolom yang masingmasing mempunyaitinggi 30 meter.

3). Perhitungan diamater kolom

Menghitung diameter menggunakan duarumusan langkah yaitu :

(1) Menghitung steam yang lewat dalam kolomdistilasi

Perhitungan diambil dari ratio molarminimum< 1,3) antara aliran Steam (G) terhadapproduk (P) dan di dapatkan korelasi sebagaiberikut :

... (4)[ CfP ]

SUHU Tekanan uapa [ faktor[ 0 C]

HzOpemisah ]

0

4,581,12

20

17,541,074

40

55,301,059

60

149,401,035

80

3551,035

100

7601,026

Oalam hubungan ini pO HzO dan pO OzO adalahtekanan uap mumi HzO dan OzO, sedangkansimbol a adalah disebut faktor pemisahan.

Faktor pemisahan menggambarkan mudahtidaknya suatu campuran senyawa tertentu dapatdipisahkan. lika harga faktor pemisah sarnadengan I, maka kedua campuran tersebut tidakmungkin dapat dipisahkan, sedangkan apabilaharga faktor pemisahan tersebut lebih besar dari 1

maka berarti dapat dipisahkan. Semakin besarharga faktor pemisahan semakin mudah dilakukanpemisahan. Oi bawah ini ditampilkan hubunganantara harga faktor pemisah dengan tekanan uapHzO pada Tabel 2.

Oari Tabel 2, maka jelaslah prosesdisitilasi air berat akan mendapatkan hasil yangbaik apabila dilakukan pada kondisi vakum ataupada kondisi tekanan kurang dari 760 mmHgwalaupun harga faktor pemisahnya relatif adalahkecil.

Tabel 2. Hubungan suhu , tekanan uap H20dan harga faktor pemisah

a. Perhitungan jumlah Tray/ Unit pemisahdan tinggi kolom

Rumus untuk menghitung jumlah plat!unit pemisah yang dibutuhkan suatu kolomdistilasi dapat dihitung secara teoritis sebagaiberikut ,

1) Menentukan jumlah unit pemisah kesetimbangan

Oengan menggunakan rumus Fenske(3)

[ (]iP

Korelasi terse but memberikan arti bahwa

untuk mendapatkan produk air berat 1 molderajad nuklir diperlukan steam / uap [ umpanberupa gas/uap air alam ] sebanyak 141 .000 molatau dilapangan sebesar hampir mencapai200.000 mol steam.




(2) Perhitungan diameter melalui besarnya aliranmassa steam persatuan vol urn (14).

Korelasi hubungan diameter D dengan

aliran massa adalah sebagai berikut

.......... (5)

Dalam hal ini D= diameter, 0 = massa steam

M = Bm gas /steam, V p = aliran per satuanmassa.

Harga diameter dapat diperoleh daripersamaan tersebut harganya sangat besarmengingat jumlah steam aliran (0) sangattinggi. Dari pengalaman dilapangan diperolehdata, bahwa dengan pengakayaan air berat sebesar92 % untuk produksi 3 ton air berat pertahundiperlukan D = 10 Inch dan tinggi kolom 20meter. Jadi jelaslah bahwa untuk proses distilasihambatan atau kendala yang harus dihadapiadalah: a). Masalah energi panas yang disediakan

untuk mengubah fase cair air menjadi, b). fasegas adalah sangat besar sekali, c). Bahan peralatanproses sangat besar baik ukuran maupunjumlahnya.

Hal yang menguntungkan: a). Rancangbangunnya sederhana, b). Proses pemisahannyasecara fisik tidak rum it, c). Untuk prosespengayaan tingkat akhitr ukuran dan jumlahnyarelatif kedl.

B. Pemisahan dengan Elektrolisa

Metode Elektrolisis

Proses elektrolisis air alam adalah suatu

proses yang menggunakan tenaga listrik untukmemisahkan isotop deuterium dan hidrogen.Proses ini mempunyai harga faktor pemisahantara 2-8 kali lipat dibandingkan dengan secaradistilasi (1,2).

Prinsip pengayaan adalah berdasarkanperbedaan mobilitas ion H + dan D+ dalam selelektrolisis. Massa deuterium lebih besar dari

massa hidrogen, oleh karena itu di bagianelektrolit makin lama makin banyak kandungandeuteriumnya dibandingkan dengan dibagianprod uk yang dihasilkan yaitu berupa campurangas H2 dan O2, Oleh karena itu di bagianelektrolisis semakin kaya kandungandeuterium (3,7).

Untuk menginginkan konsentrasi air beratsampai ke derajad nuklir [99,8%] diperlukanjumlah stage sebanyak 16 buah apabiladigunakan umpan air alam .

Harga faktor pemisah dari proseselektrolisis ini dipengaruhi oleh (1,3) :

1. Tipe/jenis dari sel elektrolisis, 2. Kondisi suhu

operasi, 3. Material katode, 4. Komposisielektrolit.

Hal - hal yang dapat menurunkan hargafaktor pemisah antara lain: 1. Pengotor dalamumpan, 2. Efek polarisasi, 3. Percikan dari busacairan sel, 4. Suhu sel yang sangat tinggi, 5. Jeniselektrolit asam lebih jelek dari pada basa.

C. Pemisahan air Berat dengan Laser

Pemisahan dengan laser menawarkan

kemungkinan yang sangat menarik(20) Oambar 2menggambarkan konsep yang didasarkan padaperbedaan rrekuensi resonansi dari ikatan akhirdari atom protium dan deuterium. Dalam teori

orang dapat menset laser pada rrekuensi yang tepatuntuk ikatan dengan deuterium, dan memutuskanyasehingga dapat diperoleh deuterium yang be bas,dengan tingkat selektivitas yang tinggi. Tetapipemecahan ikatan kimia dengan photon tunggal,

memerlukan energi ultra violet dan mahal. Hal inidihindari dengan penemuan dari Marling dariLaboratorium Lawrence Livermore. Cascade dari

foton sinar infra merah dapat diatur selektifapabila foton disetel pada transisi pertama padagrounds tate elektronik. Molekul deuteriumsederhana yang tersedia melimpah dalam jumlahyang banyak seperti air, hydrogen, ammonia danmetana, tidak dapat digunakan untuk proses ini.Molekul tersebut harus diubah menjadi molekulyang selektof terhadap foton misalnyaklorotlourokarbon. Setiap pemecahan senyawa

yang selektif dengan foton, dihasilkan 1 atondeuterium. Senyawa yang selektif foton tersebutdideuterasi kembali dengan mengkontakkan secaraberlawanan arah dengan air.

Bahan yang mempunyai sifat selektifterhadap foton yang baik adalah klorotlourokarconyang mempunyai faktor pisah sampai 26.000.Sayangnya klorotluorokarbon ini tidak ramahlingkungan, karena dapat merusak lapisan ozon diangkasa.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN


Sukarsono, dkk. ISSN 0216 - 3128 177-Pertukaran

~Molekul

1:~

H,O

MiskinD ~.~DGambar 2. Pemisahan Air Berat dengan Laser

D. Pemisahan dengan Pertukaran Kation

Proses yang tertampil di Tabel 1 tergantungdari faktor pemisahan dari 2 senyawa kimiadipengarui oleh tipe reaksi yang terjadi:

HX + DY -)0. DX + HY.

Berdasar pada panas yang digunakan dalamkolom pertukaran isotop dapat dibedakan menjadiproses monotermal dan bitermal.

a. Monotermal versus Proses Bitermal

Pemisahan isotop, melibatkan satu senyawayang berbentuk gas dan cairoFactor pemisah untukpasangan senyawa yang ada dalam daftar tersebutcukup besar dan dapat digunakan dengan 2pendekatan: monotermal dan bitermal. Gambardibawah ini untuk menggambarkan perbedaanantara keduanya.

Gambar 3. Diagram Proses Pertukaran Isotop

Proses monotermal sangat sederhana, uapdeuterium bersetimbang dalam cairan, sehinggacair harus diubah menjadi gas dengan penguapandan digunakan untuk memperkaya deuterium daricairan yang masuk. Efek ini dapat ditingkatkandengan aliran cairan yang berlawanan arah. Kolompertukaran yang pendek, sudah dapat mencapaipengayaan yang tinggi. Prinsip pemisahan terjadikarena deuterium dalam cairan dapat diekstraksisehingga konsentrasi gas keluar dapat lebih rendahnilainya l/a. dari konsentrasi masukan. Problempada monotermal adalah bagaimana proseskonversi <X deuterium yang dalam air hanya 100ppm, maka diperlukan 10.000 mol untuk produksiI mol DzO, dengan berat molekul air 20. Energiyang dibutuhkan secara termodinamika untukdisosiasi DzO adalah 120GJ/kg DzO.

Proses bitermal, lebih komplek, tetapmenghindari kebutuhan konversi kimia, untukprosesnya. Proses bitermal memaanfaatkanhubungan terbalik dari faktor pemisahan dan suhu,Sehingga tower dingin dari proses bitermal

memperkaya cairan dengan D dan menstriping Ddari gas. Cairan kemudian diteruskan ke towerpanas yang mempunyai faktor pemisahan yangkecil. Konsekuensinya D dalam cairan dipaksakembali ke gas dan tower panas mengurangkan Dsecara progresif dan mengayakan gas. Cairan disiniadalah umpan yang masuk dan gas diumpan balik.Catatan, ekstraksi D dari umpan, dibatasi denganratio faktor pemisahan <X da~i dalam bagian panas<Xh dan bagian dingin <Xc

b. Pasangan untuk pertukaran isotop

Kombinasi air HzS adalah dasar dari prosesbitermal Girdler-Sulphide (G-S). Proses inidigunakan untuk produksi DzO di Kanada dan dibanyak tempat di dunia. Proses GS ini telahdikembangkan oleh AECL dan Ontario Hydro,dengan membuat peningkatan: penyelesaianproblem buih dengan bahan anti buih pada airmasuk, problem korosi dengan memilih bahan nonkorosi, dan mengkontrol proses, sehingga adaperbaikan kontak antara cair dan uap, sehinggaproses dapat berjalan efektif. Sebagai hasil, 1980




Kanada telah sukses, memproduksi 2000 tonlhari,020. Proses OS ini memerlukan air jumlah besar,energi (> 1OMg/kg 020). Senyawa H2S adalahbahan yang beracun kuat dan korosif. Factorpemisah tidak bervariaasi terhadap perubahansuhu yang pendek.

PABRIK AIR BERAT DI DUNIA

Produsen air berat yang terbesar adalah diKanada yaitu Bruce Heavy Water Plant di Ontario,Canada, menggunakan proses menggabungkan duabagian dalam 1 step atau yang disebut sebagaibitermal. Pada bagian atas ("dingin," 30-40 0c),deuterium dari H2S berpindah ke air dan padabagian bawah ("panas," 120-140 0c) deuteriumberpindah dari air ke H2S sehingga terjadipengayaan deuterium lebih banyak. Pengayaandibagai dalam 3 stage, pada stage 1 gas dikayakan

dari 0.015% deuterium ke 0.07%, stage 2dikayakan ke 0.35%, dan stage 3 dikayakan antara10% and 30% deuterium. Untuk pengayaan lebihlanjut produk dikirin ke unit distillation untukmenyempumakan menjadi 99.75% air berat atau"reactor-grade"

Produsen lain yang sudah menerapkanbermacam-macam proses pengayaan air beratadalah India. Kegiatan pengayaan air berat dimulaidi Chemical Engineering division of BhabhaAtomic Research Centre (BARC) tahun 1960 danpilot plan Heavy Water Division of the Centre yangmempelajari proses pertukaran H2S-H20 exchangedan pembuatan pabrik Nangal Punjab (August,1962). Pada saat ini kegiatan produkasi sudahberkembang sehingga India mempunyai 8 plan airberat di India(22).

Tabel 3. Pabrik Air Berat di India

Sr.NoHeavy Water Plant ProcessDate of

Location

commissioning

I.Nangal, Punjab Hydrogen Liquification and DistillationAug,1962

2.

Baroda, Oujarat Monothermal Ammonia-Hydrogen ExchangeJuly, 1977

3.

Tuticorin. Tamilnadu Monothermal Ammonia-Hydrogen ExchangeJuly,1978

4

Talcher. Orissa Bi-thermal Ammonia- Hydrogen ExchangeMarch, 1978

5.

Kota, Rajasthan Hydrogen Sulphide - Water ExchangeApril, 1985

6.

ThaI, Maharashtra Monothermal Ammonia - Hydrogen ExchangeFebruary, 1987

7.

Hazira, Oujarat Monothermal Ammonia - Hydrogen ExchangeFebruary, 1991

8.

Manuguru,AndhraHydrogen Sulphide Water Exchange

December, 1991Pradesh

Salah satu pabrik di India adalah pabrik diTalcher. Pabrik di Talcher ini menggunakanproses bitermal menggunakan pasangan kimiaAmmonium- Hidrogen.

Gambar 4. Pabrik Air Berat di Talcher



Sukarsono, dkk. ISSN 0216 - 3128 /79

Bahan bakunya adalah gas sintesis yangmengandung camp 1 bag nitrogen dan 3 baghydrogen yang mengandung 140 ppm (0.014%)deuterium. Gas dialirkan ke ke pabrik 99,600Nm3/hr tekanan 10-15 Kg/cm2 dimumiakan untukmenghilangkan O2, CO, CO2, Oil dan uap air dandijenuhkan dengan ammonia dengan mencucidengan cairan ammonia dan larutan amonia daripotassium amide. Kemudian dilewatkan kolompada 30 deg. C, deuterium dalam gas dikontakkandengan aliran amonia untuk mendapatkanpengayaan deuterium dengan katalis potasiumamide. Gas sistesis deplesi dikirim kembali pabrikgas.

Pada bagian pertukaran isotop, bagianpengayaan terdiri dari 2 stage, yang pertama terdiridari dua kolom striping panas dan dingin. Tiapstage terdiri dari pasangan kolom dingin dan panas.Konsentrasi deuterium maksimum dalam larutan

ammonia di bagian bawah dari kolom dingin dandalam gas sintesis pada bagian atas kolom panas.Gas kemudian dialirkan ke pengayaan selanjutnya.Konsentrasi maksimum pada deuterium pada stageini adalah pada cairan ammonia pada dasar kolomke 3 yang mengandung D20 17.5% dikirim untukproses selanjutnya

Cairan amonia didistilasi untuk memisahkankatalis potassium amide dan di dikontakkandengan air demineralisasi dalam kolom pertukatanammonia - air yang dioperasikan pada tekanan 2kg/cm2. Sebagian dari deuterion dalam amoniapindah ke air. Ammonia yang deuteriumnya sudahdiambil kemudian setelah dicampur dengan katalisdikembalikan pada bagian pengayaan. Air yangsudah diperkaya dengan D didistilasi untukmendapatkan air berat "nuclear grade"

Tabel 4. Data kondisi operasi pabrik air berat di Talcher

Proses digunakanPertukaran NH3-H2 (Bitermal)

Kapasitas Pabrik

62.5 Te/Th

Tanggal dimulai proyek

4-10-1972

Tanggal Operasi

31-3-1985Modal

Rs. 7383 LakhsLuas

4.48 Ha

Jumlah Pegawai404 (pada 1-4-1991)

Tekanan Operasi

320 Kg/Cm2Kecepatan Air Gas Sintesa

99600 NM3/Hr

Berat Peralatan terberat

350 Te

Diameter maksimum peralatan

2.5 M

Tinggi tower maksimum

40M

Kebutuhan daya

72 MWH/hari

Kebutuhan air

4800 M3/hari

Kebutuhan gas

Nil

Kebutuhan air Bebas Mineral480 Kg/hari

Negara lain yang membuat air berat adalahAmerika Serikat. Amerika mengembangkan ProsesGirdler Sulfide kapasitas besar di Dana, Indianaplant pada 1945 and at the Savannah River Plant,selatan Carolina pada 1952. SRP dioperasikanDuPont untuk USDOE sampai 1980. Negara lainyang sudah mempelajari pengayaan air berat adalahNorwegia dan Argentina

METODE ANALISIS AIR BERA T

Berbagai macam metode analisis air berattelah dilakukan penelitian yaitu meliputi :

I. Teknik analisis air berat dengan peralatanMass Spektrometer MAT 250

2. Teknik analisis air berat dengan peralatanGas Khromatografi

3. Teknik analisis airberat dengan peralatanlrifra Red



/80- ISSN 0216 - 3128 Sukarsono, dkk.

EVALUASI PENGKA YAAN AIR BERA T DIPTAPB

1. Di bidang peralatan proses

Peralatan proses yang telah ada di unit bidang Kimia dan Teknologi Proses Bahan adalah sebagai berikut

4. Teknik analisis airberat dengan peralatanmetode Falling Drops

Dengan bertumpu dua modal dasar tersebutPTAPB memulai merintis penelitian prosespengayaan air berat dari air alam yang didukungoleh beberpa tenaga sarjana dan sarjana mudadari disiplin ilmu teknik kimia , teknik nuklirdan MIPA Kimia dan dibantu tenaga STMkimia, mekanik dan elektrik.

Proses pengkayaan air berat di PT APBtelah dilakukan sejak tahun 1976 sampai tahun1994. Dari hasil pantauan dan informasi dariberbagai pihak kondisi sarana dan prasaranalaboratorium tempat proses pengkayaan air beratadalah sebagai berikut:

1. Di bidang peralatan proses

Peralatan proses yang telah ada di unitbidang Kimia dan TeknoIogi Proses Bahanadalah sebagai berikut :

a. Unit distilasi

Tabel 3. Daftar perala tan penelitian distilasi air menjadi deuterium

No

2

3

Jenis I macamPeralatan

Unit distilasidari bahan stainless steel!

Unit distilasidari bahan besibaja

Unit distilasibahan kaea (I)

Kondisi peralatan

1. Kolom distilasi bahan SS, D=15em, H= 1,5 m, berisi Bahan isian kaeaberbentuk silinder berlubang. D= ± I embuatan PTA PB (PPBMI )

2. Pemanas elektrik dari hasil kumpar ankawat nikelin buatan PTAPB, Suhupemanas < 100°C, Kontrol tekananvakum < 760 mHg sistem manual.

3. Pendingin menggunakan air alam yangdidinginkan AC sampai suhu 15- 20° C

I. Kolom distilasi bahan SS , D=5 em, H= 3 m, berisi bahan isian berupa kasabentuk Dixon buatan PTAPB ( PPBMI)

2. Pemanas elektrik dari hasil kumparankawat nikelin buatan PTAPB, Suhupemanas< 100°C, Kontrol tekananvakum < 760 mHg sistem manualbergabung dengan unit distilasi 1.

3. Pendingin menggunakan airalam yangdidinginkan AC sampai suhu 15 - 20°Cbergabung dengan unit distilasi 1

Kolom distilasi bahan dari kaea Pyrex. Dkolom = 5,7 em L = 300 em .Berisi bahanisian jenis logam bentuk spiral. Sistimpemanas listrik berupa mantel jaket yangmemanasi labu umpan kapasitas 8 liter,Kontrol tekanan vakum seeara otomatis

dengan operasi sid < 760 mmHg dan suhu< 100° C

Keterangan

Dibuat Th 1984Proses baru dilakukan tingkatskala labo ratoris dan hanya dipakai sebagai umpan unitelektrolisis. Kapa-sitas 1,2 It Ijam.Hasil proses pengkayaan masihsangat rendah yaitu 170 ppm

Dibuat tahun 1984 bersamaan

dengan unit distilasi 1. Sampaisaat ini baru dieoba skalalaborato-ris dan masih mengalamikendala pada bagian bahanisiannya dan hasil produk yangsangat kotor akibat terjadinyakarat dari kolomnya.Belummedapatkan karak-teristik dariperalatan prosesnya

Peralatan skala labora-toris adalahbuatan Perancis tahun 1978, Telahdiuji karakterisik ala1. Sepertiharga HETP untuk berbagaitekanan vakum, kadar HDO yangdiperoleh adalah 255 ppm padaoperasi suhu 300 mmHg.

Tereatat ada 3 unit kolom distilasi yangsudah terinstal tetapi dengan berjalannya waktu,peralatan tersebut sudah tidak dapat dioperasikan,

perlu pembenahan untuk dapat dioperasikan. Darisegi ketinggian kolom isiannya, peralatan tersebutjauh dari kebutuhan minimum tinggi plate yang



Sukarsono, dkk. ISSN 0216 - 3128 181

diperlukan untuk menghasilkan pemisahan yangcukup signifikan. Peralatan tersebut hanya dapatdigunakan untuk mendapatkan karakteristikpemisahan air berat dengan menggunakan metodedistilasi. Karakristik pemisahan tersebut padasaatnya dapat digunakan untuk pedoman dalammembuat peralatan komersial.

b. Unit Elektrolisis

Unit elektrolisa pada saat mulaidioperasikan keadaannya masih bagus, dan dapatberlahan lancar. Untuk saat sekarang kalau alattersebut akan dihidupkan lagi diperlukanpembenahan peralatan meskipun tidak sebanyakalat distilasi.

Tabel 4. Daftar peralatan penelitian elektrolisa air menjadi deuterium

NO Peralatan

Unit Elektrolisis

Kondisi Peralatan

Peralatan proses sel elektro-lisis terdiridari bagian- 2 komponen pokok :I. 50 buah sel elektrolisis masing-

masing berbentuk silinder2. Unit rectifier pengatur besar arus

listrik3. Unit pendingin Air yang telah

didinginkan dengan AC sampai suhu20°C

4. Unit evaporator, suatu pemumianlarutan elektrolit hasil dari residu

yang kaya air berat dari setiap tingkat

Keterangan

Peralatan skala pilot baikperancangan maupun Instalasinyadibuat oleh PTAPB .Oari hasil uji coba peralatannyayang dilakukan selama periodetersebut telah diperoleh data - datasbb:

I. Harga faktor pemisah a > 10,kerapatan arus 0, IA/cm2

2. Suhu operasi 30° C besar arus 40A, dan tegangan 3-3,5 Volt.

3. Pada proses pengkayaan secarasinambung diperoleh peng-kayaan sid 2775ppm

4. Efisiensi Energi 46%5. Kebutuhan enegi/mol, 185 Kcal.

c. Unit Pertukaran Isotop

Pada proses pertukaran isotop H20-HOO,di lapangan biasanya dipadukan dengan proseselektrolisis dan biasanya di tempatkan padaposisi stagel tingkat ~ 3 karena mulai tingkat ini

produk gas mengandung kadar deuterium tinggi.Oi bawah ini disajikan kondisi peralatanpertukaran isotop terse but sebagai berikut :

Tabel 5 Daftar peralatan Pertukaran isotop untuk pembuatan air berat menjadi deuterium

NO Peralatan Kondisi peralatanKeterangan

Unit pertukaran

Baru skalalaboratories , berupa 2Selama periodesaat itu telahI

Isotope HO- H2Okolom kaca yang terdiri dari 2 buahdiketahui kondisikarakteristik

kolom yaitu kolom tempat terjadi-alat seperti batasan operasi suhu

nya reaksi pertukaran isotope diper-yangbaikdanmasalah

mukaan katalisatordandikolomkatalisatortelah dicobaseperti

lainterjadi reaksi pertukaran sehing-Ni- Cr203,Pt - Carbon .Harga

ga pengayaan

HOOdalamairfactorpemi-sah 2-4 , kondisiterjadi .

operasi 80°C - 100° C

Unit pertukaran isotop

Baru skala laboratories danBelum diperoleh data Skala2

HOO - H2S peralatan dari gelas. Sehinggalaboratories maupun skala pilotoperasi nya hanya dilakukan pada tekanan I atm.

Prosiding PPI • PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN



KESIMPULANI. Penelitian di BAT AN Yogyakarta meneliti

karakteristik proses pengayaan air beratdengan metode distilasi, elektrolisa dan

pertukaran isotop.

2. Untuk menghidupkan penelitian air beratperlu revitalisasi unit peralatan distilasi danunit elektrolisa dan pertukaran isotop karenakomponen banyak rusak

3. Untuk sampai pada tahap produksi perluperalatan yang mempunyai stagekesetimbangan banyak sampai ribuan (tinggikolom puluhan meter).

4. Diperlukan alat analisis air berat kadar rendahdan tinggi.

5. Diperlukan standar air berat.

DAFTAR PUSTAKA1. BENEDICT M., "Nuclear Chemical

Engineering", Second Edition, Mc Graw HillBook Conpany, New York, 1981

2. MALONEY, J.O., dkk, Production of HeavyWater". First Edition, Part I, Mc Graw HillBook Company, New York, 1955

3. VILLANi S., "Isotop Separation", Publishedby American Nuclear Society, 1976.

4. RAE Hk, " Separation of Hydrogen Isotopes", Acs. Symp. Ser., 1979, Vol. 68, hal I sId26.

5. MAJALAH," Nuclear India ", Vol. 21, No.5, 1983.

6. HAMMERL Y, MWH, Stevano W.J . Bradleyand Jp Butller, Report AECL 5512, April1976.

7. BABINGTON WP, dkk. , "Production Of

Heavy Water Savanah River and Dana Plant s",Printed for the united states Atomic EnergyDevition. DP 400, Juli, 1959

8. KIRSHENBAUM I, "Physical Properties andAnalysis of Heavy Water Mc Graw HillBooks Company, First Edition, page 34-324.Inc., New York, 1951

9. HARUZUMI IZA W A, "Gaseous ExchangeReaction of Deuterium between hydrogen andwater on Hydrophobic Catalyst SuportingPlatina" Journal of Nuclear and Technology,Vol 16, No 10 Hal 741-749, Oktober 1979

10. RAM MAN MSC, dkk, "improvevementRelating to Power Consumtion on theElectrolytic Production of Heavy Water,Departement of Chemical Engineering, IndianInstitute of Science of BangaIove- I 2Chemical Age OfIndia, Vol 3,1962

II. SELA PATRIX, 1., dkk., "A. Review ofProcesses and Plants For large ScaleProduction of Heavy water" , Chemical

Engineering Progress, Vol. 50, No 5, Nol, 3640, 1964

12. CHARLES A, Law, " Why The GS Processstill Stops Competitors", Canadian NuclearTechnology, Vol 3, No 1,36-40, 1964.

13. BAIQUNI A, SUDARSONO, " PolaPengembangan Energy Nasional dilihat darisegi Tenaga Nukiir " , Batan, Seminar EnergyNasianai ,Juli, 1974.

14. TREY BALL, RE., "Transfer MassOperation" ,

15. PECULLEA, M., "Enrichment andIsotope Analysis of Deuterium for theManufacture of Heavy Water" , IAEA, 1991

16. DAHRONI, I., dkk., "Harga RekoveriPemisah Pada Aiat Eiektrolisis di Lab.SBR "

PPNY - BA TAN, Prosiding Pertemuan danPresentasi ilmiah , Penelitian Dasar dan ilmu

Pengetahuan dan Teknologi Nukilr,Y ogyakarta, ISSN 02 I6- 3 I 28, 6-8 Maret1989.

17. DAHRONi I, dkk , "Pengaruh keadaanElektrode Terhadap Harga Faktar PemisahPada Proses Pengayaan Air Berat " ,Prosiding Pertemuan dan Presentasi iimiah ,Penelitian Dasar dan ilmu Pengetahuan danTeknoiogi Nuklir, Yogyakarta, ISSN 02163128,21-22 Maret 1'390

18. DAHRQNI, I., " Harga Rekoveri Deuterium.Pada Proses Elektroiisis Cara Catu Memakai

membran Asbes , Prosiding Pertemuan danPresentiasi ilmiah Penelitian Dasar dan ilmu

Pengetahuan dan Teknologi Nuklir,Yogyakarta, ISSN 02 I 6- 3 I28, 28-30 April1992.

19. DAHRONI., I., dkk., " Penyusunan Unit SelElektrolisis Bertingkat dalam UsahaPengayaan Air Berat", Prosiding Pertemuandan Presentiasi ilmiah Penelitian Dasar dan

ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir,Yogyakarta, ISSN 0216- 3128, 26-28 April1994.

20. MILLER, A. I., " Heavy Water: AManufacturers' Guide for the HydrogenCentury, Published in the Canadian NuclearSosiety Bulletin, Vol 22 No. I, February,2001

2 I. NUCLEAR INDIA, Published by TheDepartement of Atomic Energy GovernmentofIndia, Vol 361N0 I, July 2002

22. HEAVY WATER BOARD, Published by TheDepartement of Atomic Energy Governmentof India, Http://www. dae.gov.in/heavywaterboard.org/docs/history .htm, 2006.



studi status teknik pengayaan

Documents