(Yusuf Nampira, Agus Jamaludin, Samiyoto)
DISTRIBUSI PERUBAHAN SERBUK URANIUM OKSIDA DALAM

## DRUM PENYIMPANAN

## Yusuf Nampira, Agus Jamaludin, Samiyoto
Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir-BATAN
Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan, 15314
e-mail: ynampira@gmail.com
(Naskah diterima : 18-08-2014, Naskah disetujui: 22-09-2014)

## ABSTRAK
DISTRIBUSI  PERUBAHAN SERBUK URANIUM DIOKSIDA DALAM DERUM PENYIMPANAN . Serbuk  uranium  dioksida  telah  disimpan  dalam  drum  selama  beberapa  kurun  waktu.  Serbuk  ini mengalami pertambahan berat, pertambahan berat ini kemungkinan disebabkan terjadinya kontak antara serbuk dengan udara sekitar. Bilamana spesifikasi serbuk tersebut berubah maka parameter yang digunakan untuk pembuatan pelet akan berbeda. Guna memastikan kondisi tersebut maka dilakukan  penelitian  tentang  pola  kandungan  uap  air  dan  angka  banding  O/U  dalam  UO 2 dari beberapa posisi kedalaman. Sampling serbuk uranium dilakukan secara radom pada kedalaman 10cm, 20cm, 30cm, 40cm dan 50cm. Kandungan uap air dalam serbuk dianalisis dengan metode grafimetri, sedangkan penentuan angka banding dilakukan dengan cara grafimetri dan fluoresensi sinar-X  dengan  memantau  intensitas  sinar-X        U-M  .  Makin  sering  serbuk  dalam  drum penyimpanan kontak dengan udara terjadi, maka kandungan molekul air dan angka banding O/U dalam  serbuk  yang  bersangkutan  akan  meningkat.  Dalam  waktu  penyimpanan  sekitar  20  tahun perubahan  spesifikasi  tersebut  terjadi  sampai  pada  serbuk  dengan  kedalaman  30  cm  dari permukaan serbuk dalam drum .
Kata kunci : Serbuk UO 2 , atmosfer udara, molekul air, angka banding O/U

## ABSTRACT

## DISTRIBUTION  OF  CHANGES  IN  URANIUM  DIOXIDE  POWDER  IN  CONTAINER  STORAGE
Distribution of changes In uranium dioxide powder in container storage has been done. Uranium dioxide powder was stored in drums for some period of time. The powder is put on more weight, weight gain is probably due to the contact between the powder with the air atmosphere. When the powder specification changes, the parameters used for the manufacture of pellets will be different. To ensure these conditions, conducted research on the pattern of moisture content and O/U ratio of  the  UO 2 powder  of  some  depth  positions  in  the  drum.  Sampling  were  done  by  radom  from uranium powder at a depth of 10cm, 20cm, 30cm, 40cm and 50 cm. Moisture content in the powder was  analyzed  by  the  grafimetry method,  while  the  comparative  figure  determination  is  done  by grafimetry and X-ray fluorescence to monitor the intensity of the X-ray U-M  . The more often the powder in contact with air storage drum occurs, the content of water molecules and the O/U ratio in  the  corresponding  powder  will  increase.  Within  about  20  years  storage  specification  changes occurred until the powder to a depth of 30 cm from the surface of the powder in the drum.
Keywords: UO 2 powder, air atmosphere, water molecules, O / U ratio.

## PENDAHULUAN
Bahan bakar yang digunakan dalam reaktor  daya  sebagian  besar  berupa  bahan bakar keramik dari uranium dioksida. Bahan bakar  nuklir  tersebut  berbentuk  pelet  yang dibuat  dari  serbuk  uranium  oksida.  Pelet bahan  bakar  tersebut  dibuat  melalui  proses pembentukan  pelet  mentah.  Pelet  mentah dibuat  dari serbuk  uranium  dioksida  dengan proses  kompaksi,  dan  kemudian  disinter dalam  atmosfer  gas  hidrogen  sehingga diperoleh  pelet  sinter  yang  utuh  dan memenuhi  spesifikasi [1,2] .  Adapun  beberapa parameter  serbuk  yang  memberi  efek  pada proses kompaksi
dan sinter
dan menghasilkan  keseragaman  produk  pelet diantaranya  :  mampu  alir,  karakteristik kompaksi, kekerasan butiran uranium dioksida, angka banding O/U dan sebagainya [3,4,5] .
Telah  terjadi  penambahan  berat serbuk  UO 2 disimpan  dalam  wadah  (drum) pada rentang waktu yang panjang. Besarnya perubahan ini ditentukan oleh kebolehjadian serbuk  tersebut  kemungkinannya  dise- babkan  oleh  adanya  hubungan  langsung udara  atau  terjadinya  hubungan  antara serbuk yang telah menyerap partikel gas dari udara dengan serbuk disekitarnya.
Perubahan  spesifikasi  ini  kemungkinkan akan menyebabkan perubahan pada proses pembentukan pelet. Perubahan ini kemungkinannya  tidak  hanya  terjadi  pada serbuk di permukaan tetapi juga terjadi pada bagian keseluruhan serbuk dalam drum. Bila kandungannya  gas  atau  uap  yang  terserap dalam  serbuk  UO 2 signifikan  mengubah spesifikasi  serbuk  UO 2 ,  hal  ini  akan mempengaruhi  proses  dan  kualitas  produk pelet sinter yang dihasilkan.
Bahan serbuk pada umumnya mudah  menyerap  uap  air  di  udara.  Kontak antara serbuk dengan udara kering, penyerapan uap air ini menghasilkan lapisan molekul  tunggal,  sedangkan  kontak  antara udara  mempunyai  relatif  humiditas  lebih besar  dari  80%  dengan  serbuk  mengha- silkan  multi  lapisan  molekul  air  atau
masuknya  molekul  air  pada  sistem  kapiler partikel.  Beberapa  tipe  adsorpsi  air  dalam serbuk, kinetikanya tergantung pada [6,7] : Tingkat  adsorpsi  permukaan  sesuai dengan  perbedaan  antara  tekanan  parsial uap  air  dalam  udara  lingkungan  dan  tingkat kejenuhan senyawa serbuk.
Diffusi molekul air dalam kristal, laju diffusi  tergantung  pada  koefisien  diffusi  dan konsentrasi gradient air dalam kristal.
Gambar 1. Bentuk adsorpsi molekul air dalam serbuk
Bentuk  serapan  molekul  air  dalam serbuk  ini  ditunjukkan  dalam  Gambar  1. Penyerapan  molekul  air  ini  menyebabkan menurunkan reologi partikel dan kemungkinan  juga  menghasilkan  suatu aggregate yang  mempunyai  ketahanan mekanik tinggi. Adapun kontak antara serbuk UO 2 dengan  O 2 dalam  udara  kering  akan terjadi reaksi oksidasi, melalui reaksi sebagai berikut : [8]
Sangat cepat diffusi nukleasi dan pertumbuhan Adanya oksigen dan air
menyebabkan
terbentuknya senyawa UO 3 .2H 2 O, melalui reaksi dibawah ini : [9] O H UO O H O UO 2 3 2 2 2 2 .
2 5 , 0   
Berkaitan  dengan  perubahan  UO 2 tersebut  di  atas,  maka  dilakukan  analisis kandungan  molekul  air  dan  O/U  dalam serbuk UO 2 pada perbedaan posisi kedalaman  serbuk  dalam  wadah  tersebut terutama. Guna memperoleh gambaran pola perubahan  spesifikasi  serbuk  UO 2 dalam drum.

## TATA KERJA

## Bahan dan alat yang digunakan
Bahan  yang  digunakan  Serbuk  UO 2 buatan  Cameco  di  dalam  drum  dengan spesifikasi  kandungan  molekul  air  :  0,18  % berat,  O/U:  2,13  (data  sertifikat  material). Bahan  UO 2 serbuk  dalam  drum  penyim- panan  sebagai  sampeldan  standar  U 3 O 8 CRM 123-7 New Brunswick Laboratory.
Alat yang digunakan yaitu : timbangan analitik digunakan untuk menimbang  berat  serbuk  UO 2 ,  oven  listrik digunakan untuk menguapkan bahan mudah menguap  yang  teradsorpsi  dalam  serbuk UO 2 ,  tungku  pemanas  untuk  memanaskan serbuk UO 2 dalam rangka untuk oksidasi dan Fluoresensi sinar-X digunakan untuk mengukur kandungan uranium dalam serbuk UO 2 .

## Langkah kerja
Serbuk UO 2 permukaan dalam drum pada  waktu  yang  berbeda  diambil  sebagai sampel dengan perbedaan waktu penyimpanan,  ditentukan  kandungan  air dengan penimbangan sebuk awak dan berat serbut setelah mengalami pemanasan sampel  pada  110 o C  selama  4  jam.  Sampel serbuk  UO 2 diambil  dari  dalam  drum menggunakan metode random pada kedalaman 10cm, 20cm, 30cm, 40cm,        50
cm dari serbuk permukaan dalam drum yang berbeda.  Kandungan  uap  air  dan  bahan mudah menguap ditentukan dengan menimbang  berat  sampel  sebelum  dan sesudah  pemanasan  120 o C  selama  4  jam. Angka banding U/O setiap sampel ditentukan dengan metode grafimetri sampel dipanaskan  pada  500 o C  setelah  didinginkan ditimbang,  kemudian  dipanaskan  hingga temperatur  900 o C  setelah  dingin  ditimbang. Angka  banding  O/U  sampel  juga  ditentukan melalui  pengukuran  kandungan  uranium menggunakan fluoresensi sinar-x.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Selama penyimpanan serbuk uranium  dioksida  dalam  drum  mengalami perningkatan berat secara signifikan, keadaan  ini  ditunjukkan  dalam  Gambar  2. Peningkatan  berat  serbuk  tersebut  seiring dengan makin lamanya  waktu penyimpanan dan  seringnya  tutup  drum  dibuka  untuk pengambilan serbuk, hal ini disebabkan oleh seringnya  terjadi  kontak  antara  udara  yang mengandung uap air dengan serbuk permukaan di dalam drum. Laju adsorpsi uap air  oleh  serbuk  UO 2 dari  berbagai  sampel serbuk  UO 2 yang  diambil  dari  berbagai kedalaman  drum  mempunyai  nilai  sama, yaitu antara 0,027% sampai dengan 0,030 % berat  sebuk/jam.  Keadaan  ini  ditunjukkan dalam Gambar 3.

## Gambar 2. Laju perubahan kandungan air dalam massa penyimpanan
Gambar 3 . Laju penyerapan uap air dalam udara oleh serbuk UO 2
Angka  banding  O/U  ditentukan dengan  cara  menimbang  sampel  serbuk uranium  oksida  dan  mengukur  kandungan uranium dalam sampel. Analisis O/U dilakukan  dengan  cara  membandingkan kandungan  uranium  dalam  sampel  dengan kandungan  uranium  dalam  suatu  kurva
hubungan antara angka banding O/U dengan kandungan uranium dalam standar. Kandungan  uranium  disetarakan  dengan intensitas  sinar-X  karakteristik  U-M  yang diperoleh dari pengukuran.
Adapun hubungan tersebut ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Hubungan antara intensitas uranium dengan nilai O/U
Kontak  antara  udara  dengan  serbut UO 2 menyebabkan  terjadinya  adsorpsi  gas dan  uap  yang  dikandung  dalam  udara  ke dalam  serbuk  UO 2 .  Pada  awalnya  adsorpsi uap air oleh serbuk UO 2 merupakan adsorpsi tunggal  pada  permukaan  semakin  lama terjadi  penumpukan  molekul  air  pada permukaan, dan diikuti dengan proses diffusi molekul air melalui pori-pori ke dalam serbuk. Penumpukan  molekul  air  pada  permukaan serbuk  mengalami  perpindahan  melalui kontak  permukaan  antar  serbuk  sehingga molekul air pada serbuk yang satu berpindah ke  serbuk  lainnya.  Melalui  mekanisme  ini
terjadinya  perpindahan  molekul  air  pada serbuk  di  lapisan  bawahnya. Sebagian  dari molekul air tersebut akan mengalami proses diffusi  ke  dalam  serbuk.  Melalui  mekanisme tersebut maka semakin dalam serbuk berada dalam  drum  akan  mengandung  molekul  air makin  kecil.  Kandungan  air  dalam  serbuk UO 2 permukaan  sekitar  1.06  %  berat,  pada kedalaman  30  cm  sekitar  0,22  %  berat, sedangkan  kandungan  air  dalam  serbuk dekat  dengan  serbuk  di  permukaan  relatif lebih  besar  dari  pada  serbuk  dibawahnya. Hal ini ditunjukkan dalam Gambar 5
Gambar 5. Kandungan molekul air dalam serbuk UO 2 pada berbagai kedalaman dalam drum penyimpanan
Uap  air  dalam  udara  diserap  oleh serbuk UO 2 , molekul air terikat dalam serbuk UO 2 menyebabkan  terjadinya  pertumbuhan butir  UO 2 ,  dan  diikuti  masuknya  O 2 yang terlarut  dalam  uap  air  pada  struktur  UO 2 . Peristiwa tersebut memungkinkan terjadinya reaksi oksidasi pada serbuk UO 2 . Reaksi O 2 terlarut  dalam  air  dengan  serbuk  UO 2 merupakan suatu reaksi oksidasi
O H 2 . UO O H 2 O 5 , 0 UO 2 3 2 2 2   
yang  berlangsung  cepat.  Seperti  data adsorpsi  molukul  air  pada  serbuk  yang ditunjukkan  pada  Gambar  6  serbuk  pada permukaan  atas  hingga  kedalaman  10  cm. Serbuk yang berada pada daerah kedalaman antara  10  cm  sampai  dengan  30  cm  lebih kecil  kontak  dengan  udara,  semakin  dalam keberadaan sebuk
dalam
drum kebolehjadian interaksi tersebut sangat kecil.
Penyerapan molekul air di daerah ini melalui kontak  antar  permukaan  serbuk.  Hal  ini terjadi  setelah  sebuk  UO 2 yang  berada  di atasnya  jenuh  mengadsorpsi  molekul  air. Molekul  air  yang  teradsorpsi  sebagian  akan terdifusi kedalam serbuk dan terdifusi melalui celah  diantara  serbuk  dalam  drum.  Bagian molekul air  yang  didifusikan diantara serbuk akan  diadsorpsi  oleh  sebuk  di  bawahnya, sehingga kontak  secara  langsung  udara dengan serbuk  pada  bagian  lebih  dalam drum makin kecil. Oleh sebab itu perubahan kandungan air dan angka banding O/U dalam serbuk dan sangat bergantung pada kecepatan diffusi molekul air dari serbuk UO 2 di permukaan drum. Keadaan ini ditunjukkan nilai  angka  banding  O/U  dalam  serbuk uranium  oksida  pada  serbuk  bagian  dalam drum lebih kecil dibandingkan dengan angka banding  O/U  pada  serbuk  permukaan (Gambar 5)
Gambar 6. Nilai angka banding O/U dan % berat kandungan H 2 O dalam serbuk pada beberapa posisi
Kandungan  uap  air  dalam  serbuk UO 2 pada kedalaman lebih dari 30 cm relatif tetap  pada  nilai  antara  0,2  sampai  dengan 0,25.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  diffusi molekul  air  tersebut  melalui  celah  antar
sebuk  pada  serbuk  UO 2 pada  posisi  ini sangat  kecil.  Sesuai  dengan  kejadian tersebut di atas maka spesifikasi serbuk UO 2 dalam drum penyimpanan ditunjukkan dalam Gambar 7, yaitu semakin jauh posisi serbuk
UO 2 dari  titik  kontak  udara  dengan  serbuk UO 2 menyebabkan proses diffusi molekul air dan  O 2 melalui  celah  antar  serbuk  makin dominan, akan tetapi jumlah molekul air yang didifusikan  sangat  tergantung  kecepatan pencapaian  kondisi  jenuh  molekul  air  yang diadsorpsi  oleh  serbuk  UO 2 .  Sehubungan dengan  hal  tersebut  maka  kandungan molekul air dan angka banding O/U semakin
kecil.  Hasil  tersebut  menunjukkan  bahwa sebuk UO 2 pada permukaan telah mengalami oksidasi dengan angka banding O/U disekitar 2,66  hal  tersebut  menunjukkan  bahwa  UO 2 tersebut  telah  berubah  menjadi  U 3 O 8 sedangkan  serbuk  pada  kedalaman  30  cm dari  permukaan  angka  banding  O/U  dalam serbuk sekitar 2,13.
Gambar 7. Hubungan antara nilai O/U dengan posisi sampling serbuk UO 2

## SIMPULAN
Dari hasil percobaan maka dapat disimpulkan  bahwa  semakin  sering  serbuk dalam  drum  penyimpanan  akan  menyebab- kan  molekul  gas  yang  terkandung  di  dalam udara  diadsorpsi  oleh  serbuk  UO 2 .  Serapan udara tersebut mengubah spesifikasi kandungan uap air dan angka banding O/U. Tingkat  kandungan  molekul  air  dan  angka banding  O/U  dalam  serbuk  sebanding dengan kebolehjadian serbuk tersebut berhubungan  dengan  udara.  Dalam  waktu penyimpanan  sekitar  20  tahun  telah  terjadi perubahan  spesifikasi  serbuk  dipermukaan sampai kedalaman 30 cm, sedangkan serbuk di  kedalaman  lebih  dari  30  cm  dari permukaan  serbuk  dalam  drum  belum mengalami perubahan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Anonymous,  Oxide  Fuels  Complex.
Nuclear  fuel  manufacture  in  one  of  the most advanced manufacturing  plants in the  world,  Westinghouse,  Springfields Fuels  Ltd,  SalwickPreston,  Lancashire, UK page 2-5.
[2].  MP.Odeychuk,  S.A.  Sirenko,  (2014). Preparation  of  Pellets  From  Uranium Dioxide  Without  Binder ,  Fuctional Materials 21, No 3, page 329-332
[3]. Aurică  Barbu,  Mihai  Ovidiu  Cojocaru, (2013). The  Cold  Pressing  behavior  of Uranium Dioxide and Triuranium
Octooxide  Mixed  Powders ,  U.P.B.  Sci. Bull., Series B, Vol. 75, Iss. 4, page 221- 230.
[4].  Mahmoud R. Ghavi (2013). Nuclear Fuel Cycle Reactor Fuel Design and Fabrication ,  Center  of  Nuclear  Studies,
SPSU, page 1-33
[5].  Komuyer,L dan Affolter,C (29
September  2005). Absorption  evapo- ration kinetics of water vapour on highly hygroscopic powder ,
Powder Technology,  Vol  157,  4th  French Meeting  on  Powder  Science  and Technology, issues 1-3, page 67-71.
[6].  Ali  Nakhodachi,  (Januari  2005). An
Overview  of  the  Effect  of  Moisture  on
Compaction and Compressio n, Pharmaceutical  Technology,  Page  50-
58
[7].  Brett, Gary T (2005). Surface Oxidation Study  of  Uranium  Dioxide  under  Wet and  Dry  Condition ,  Departement  of  the air  force,  air  University,  Air  Force Institute of Technology, Ohio, Page 7-12
[8].  Delegard,  C.H.,  Schemidt,  A.J.(  2005). Uranium  Metal  Behaviour  in  Water,
Sludge  and  Grout  Matrices ,  Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington, Page 2.1-2.2.