KINETIKA DAN MEKANISME TRANSPOR PADA REAKSI REDUKSI U3O8 DENGAN GAS H2

ARIYANI KUSUMA DEWI, Prof. Ir. Wahyudi Budi Sediawan, S.U., Ph.D.

2014 | Tesis | S2 Teknik Kimia

Reduksi U3O8 menggunakan gas H2 merupakan salah satu tahap penting dalam pembuatan inti bahan bakar reaktor nuklir suhu tinggi (HTR) yaitu kernel UO2. Penelitian mengenai reduksi U3O8 sudah banyak dilakukan namun lebih ditekankan pada pencarian kondisi optimum. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari mekanisme transpor dan laju reaksi, merumuskan model matematika dan menentukan parameter proses reduksi U3O8. Reduksi U3O8 dilakukan dalam tungku suhu tinggi (Opale Furnace) dengan mengalirkan gas H2 yang digunakan sebagai reduktor dengan tekanan gas dijaga konstan 50 mmHg. Dari penelitian terdahulu diperoleh kondisi optimum proses reduksi berkisar pada suhu 750-800 oC selama 3-4 jam. Hal ini digunakan sebagai basis dalam penentuan variabel penelitian. Variabel penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah suhu : 700 oC, 800 oC, 900 oC, dan waktu: 10 menit, 20 menit, 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam. Sampel kernel U3O8 ditimbang sebelum dan sesudah reduksi untuk mengetahui massa yang hilang dan konversi reaksi. Pengukuran rasio O/U dengan metode gravimetri dilakukan pada sampel hasil reduksi untuk mengetahui apakah reaksi reduksi sudah terjadi. Dari penelitian ini diperoleh bahwa persamaan laju reaksi reduksi dapat didekati dengan reaksi orde satu terhadap gas H2 dan Volume Reaction Model untuk konsumsi reaktan U3O8, serta pendekatan ukuran kernel berubah selama reaksi. Dari simulasi model matematika diketahui bahwa difusi merupakan rezim yang mengontrol reaksi secara keseluruhan, dengan nilai konstanta kecepatan reaksi permukaan (????) dan difusivitas efektif pada padatan awal (??????) dipengaruhi suhu dengan persamaan ???? = 422,843 (− ??.?????? ?? ), dan ?????? = 1,98??10????exp (− ??.???? ?? ).

U3O8 reduction using H2 gas is an important step in the manufacture of High Temperature Reactor ( HTR ) nuclear fuel core. Preliminary studies in the reduction of U3O8 emphasized on the optimum conditions determination. This research aims to study the transport mechanism and reaction rate, to formulate mathematical models and to determine the process parameters of U3O8 reduction. U3O8 reduction performed in a high temperature furnace (Opale furnace) with H2 gas as reducing agent with the gas pressure was kept constantly 50 mmHg . From previous studies found that the optimum conditions of U3O8 reduction process at temperature range of 750-800 °C for 3-4 hours . It was used as basis of determining the research variables . Research variables that used in this study were temperatures: 700 °C, 800°C, 900 °C, and times: 10 minutes, 20 minutes, 1 hour, 2 hours, 3 hours, 4 hours. U3O8 kernels sample were weighed before and after the reduction process to determine the weight loss and the conversion of reaction . Measurement of O/U ratio performed on the reduction results sample to determine whether the reduction reaction has been occurred . This study showed that the reduction reaction rate could be approximated by the first order reaction to H2 gas and the volume reaction model for U3O8 reactants consumption, with changing particle size. From the simulation of mathematical models, it was known that diffusion regime controled the overall reaction, with the value of surface reaction rate constants (????) and effective diffusivity in the initial solid (??????) were affected by temperature with equations: ???? = 422.843 (− ??,?????? ?? ), and ?????? = 1.98??10????exp (− ??,???? ?? ).

Kata Kunci : reduksi U3O8, kinetika, mekanisme transpor, volume reaction model