PROSES SINTERING PADA KERNEL URANIUM DIOKSIDA (UO2)

Fitrotun Aliyah, Prof. Ir. Wahyudi Budi Sediawan, SU., Ph.D.

2013 | Tesis | S2 Teknik Kimia

Proses sintering kernel UO2 merupakan salah satu bagian dari persiapan elemen bahan bakar nuklir untuk reaktor HTR. Proses sintering adalah tahapan akhir dalam pembuatan kernel bahan bakar sebelum dilakukan proses coating atau pelapisan. Tahapan ini sangat penting dalam keseluruhan proses karena akan menentukan kelayakan kernel UO2 sesuai dengan spesifikasi bahan bakar reaktor HTR. Penelitian ini dilakukan dengan persiapan sampel bahan baku, kemudian pemanasan dengan suhu tinggi dalam atmosfer gas Argon,dan analisis kernel hasil sintering. Analisis diameter kernel dilakukan menggunakan Dinolite capture, analisis densitas dilakukan dengan piknometer, dan analisis luas muka spesifik dan volume pori total dilakukan dengan NOVA-1000. Pemodelan matematis yang digunakan yaitu Model I (Reaksi Searah), Model II (Reaksi Seri dengan ks dan kp mengikuti persamaan Arrhenius) dan Model III (Reaksi Seri dengan ks dan kp mengikuti persamaan modified Arrhenius). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan kernel UO2 dengan densitas yang tinggi yaitu ≥ 95%TD, untuk memodelkan secara matematis proses sintering dan untuk memperoleh nilai parameter – parameter sintering yaitu As, Es, Ap, Ep, dan ρC. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa densitas tertinggi mencapai 92,56%TD atau sekitar 10,1441 g/cm3 yaitu pada sintering suhu 1400°C dengan waktu sintering 2 jam. Diameter yang dihasilkan yaitu sekitar 919μm, luas muka spesifik 4,4213 m2/g, dan volume pori total 4,7515x10-3 cm3/g. Pemodelan matematis yang sesuai yaitu Model III (Reaksi Seri dengan ks dan kp mengikuti persamaan modified Arrhenius) dengan nilai ralat rerata 1,02%. Nilai parameter sintering yang dihasilkan dari optimasi program MATLAB dengan Model III yaitu energi aktivasi sintering (Es) sebesar 24 kJ/mol, energi aktivasi perusakan (Ep) 16 kJ/mol, dan densitas kernel C (ρc) 8,34 g/cm3. Sedangkan nilai frekuensi tumbukan sintering (As) dan frekuensi tumbukan terjadinya perusakan (Ap) bergantung pada suhu dengan persamaan: 𝐴𝑠=1,8188 x 10−2𝑇 dan 𝐴𝑝=4,9753 x 106 𝑇−2.

UO2 kernel sintering process is one of parts of the preparation of nuclear fuel elements for High Temperature Reactor. Sintering process is the final stage in the manufacture of the fuel kernel prior to coating process. This stage is very important in the whole process because it will determine the feasibility of UO2 kernel according to the High Temperature Reactor fuel specifications. This research was conducted by preparing the raw materials sample, heating sample to high temperatures in argon gas atmosphere, and analyzing the kernel from sintering process. Kernel diameter analysis was conducted by the Dinolite capture, density analysis was conducted by Pycnometer, specific surface area and total pore volume analysis was conducted by NOVA-1000. Mathematic models used were Model I (Single Reaction), Model II (Series Reactions with ks and kp following Arrhenius equation) and Model III (Series Reactions with ks and kp following modified Arrhenius equation). The aims of this research are: to get UO2 kernel with a high density which is ≥ 95% TD, to develope mathematic model of the sintering process and to obtain the value of the parameters sintering i.e. As, Es, Ap, Ep, and ρC. It turned out that the highest density is 92.56% TD or approximately 10.1441 g/cm3 that was at the sintering temperature of 1400 ° C within 2 hours. The diameter is about 919μm, specific surface area is 4.4213 m2/g, and total pore volume is 4.7515x10-3 cm3/g. Model III (Series Reactions with ks and kp following modified Arrhenius equation) is the best fit of Mathematic models with the value of average error is 1.02%. Sintering parameters resulted from curve fitting with Model III are the activation energy of sintering (Es) of 24 kJ/mol, the activation energy of destruction (Ep) of 16 kJ/mol, and the density of the kernel C (ρC) of 8.34 g/cm3. Meanwhile the value of the collision frequency of sintering (As) and the collision frequency of destruction (Ap) depend on the temperature by the equation of: 𝐴𝑠=1.8188 x 10−2𝑇 and 𝐴𝑝=4.9753 x 106 𝑇−2.

Kata Kunci : sintering, UO2, densitas, parameter sintering