## INTERAKSI BAHAN BAKAR U 3 Si 2 -Al DENGAN KELONGSONG
AlMg2 PADA ELEMEN BAKAR SILISIDA TMU 2,96 gU/cm 3

## PASCA IRADIASI
Aslina Br.Ginting, Maman Kartaman, Supardjo Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan, 15314 e-mail: aslina@batan.go.id
(Naskah diterima : 12-12-2014, Naskah direvisi: 26-01-2015, Naskah disetujui: 28-01-2015)

## ABSTRAK
INTERAKSI  BAHAN  BAKAR  U 3 Si 2 -Al  DENGAN  KELONGSONG  AlMg2  PADA  ELEMEN BAKAR SILISIDA TMU 2,96 gU/cm 3 PASCA IRADIASI . Telah dilakukan analisis interaksi bahan bakar  U 3 Si 2 -Al  dengan  kelongsong  AlMg2  pada  pelat  elemen  bakar  (PEB)  U 3 Si 2 -Al  tingkat muat uranium  (TMU)  2,96  gU/cm 3 pasca  iradiasi.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  pengaruh radiasi  terhadap  perubahan  mikrostruktur  PEB  selama  di  reaktor.  Untuk  mengetahui  pengaruh radiasi terhadap mikrostruktur PEB U 3 Si 2 -Al perlu dipahami interaksi kelongsong AlMg2 dengan inti elemen  bakar  U 3 Si 2 -Al  pra  maupun  pasca  iradiasi.  Pengujian  pra  iradiasi  dilakukan  pemanasan PEB  U 3 Si 2 -Al  TMU  2,96  gU/cm 3 dengan  ukuran  10x10  mm  di  dalam  tungku  DTA  (Differential Thermal Analysis) dengan variasi temperatur 450, 550, 650, 900 dan 1350 o C. PEB U 3 Si 2 -Al TMU 2,96  gU/cm 3 pasca  iradiasi  dilakukan  pemotongan  di  dalam hotcell dengan  ukuran  2x10  mm sebanyak 3 (tiga) sampel bagian bottom , middle dan top PEB. Potongan PEB U 3 Si 2 -Al TMU 2,96 gU/cm 3 pra  maupun  pasca  iradiasi  dikenakan  preparasi  metalografi  meliputi mounting ,  grinda, poles, dan etsa. Pengamatan mikrostruktur interaksi bahan bakar U 3 Si 2 dengan kelongsong AlMg2 dalam  PEB  U 3 Si 2 -Al  pra  iradiasi  dilakukan  menggunakan Scanning  Electron  Microscope (SEM- EDS), sedangkan pengamatan mikrostruktur PEB U 3 Si 2 -Al pasca iradiasi dilakukan menggunakan mikroskop optik di dalam hotcell . Hasil interaksi U 3 Si 2 dengan matrik Al maupun kelongsong AlMg2 pada PEB U 3 Si 2 -Al pra iradiasi terjadi aglomerat dengan pembentukan senyawa baru U(Al,Si)x dan UAlx.  Pembentukan  aglomerat  semakin  besar  dengan  meningkatnya  temperatur  pemanasan. Interaksi  U 3 Si 2 dengan  matrik  Al  maupun  kelongsong  AlMg2  pada  PEB  U 3 Si 2 -Al  pasca  iradiasi diperoleh hasil bahwa  pada kelongsong bagian  atas  dan  bawah terjadi  lapisan  oksida dan  pada bagian tengah PEB terbentuk layer senyawa U(Al,Si)x berwarna abu-abu terang dengan ketebalan sekitar 1-3 mikron. Dari hasil analisis ini diperoleh bahwa PEB U 3 Si 2 -Al pra maupun pasca iradiasi ke duanya menghasilkan senyawa intermetalik U(Al,Si)x
Kata kunci: interaksi, PEB U 3 Si 2 -Al, kelongsong AlMg2, pra dan pasca iradiasi

## ABSTRACT
INTERACTION OF U 3 Si 2 -Al FUEL ELEMENT WITH AlMg2 CLADDING ON POST IRRADIATION WITH  LOADING  OF  URANIUM  2.96  gU/cm 3 .  Interaction  of  U 3 Si 2 -Al  fuel  element  with  AlMg2 cladding on post irradiation of 2.96 gU/cm 3 loading of uranium (TMU) of U 3 Si 2 -Al fuel elements plate (PEB) has been analyzed. The purpose of this research is to study the changes of microstructure of nuclear fuel elements during iradiation in reactor core. Understanding on interaction of U 3 Si 2 -Al fuel meat with AlMg2 cladding onpre and post irradiation needed to study the influence of radiation on fuel elements plate. PEB U 3 Si 2 -Al with 2.96 gU/cm 3 by size 10 × 10 mm were heated in DTA (Differential Thermal Analysis) furnace with temperature variation at 450, 550, 650, 900 and 1350 o C to perform pre irradiation test.Post irradiation samples were cut by size 2 × 10 mm as many as three
samples taken from bottom, middle, and top of PEB in hotcell.The metallography preparation for each  pieces of pre and  post irradiation samples of  U 3 Si 2 -Al fuel elements  platewith  2.96  gU/cm 3 weredone through steps mounting, grinding, polishing, and etching.Scanning Electron Microscope (SEM-EDS) were used to observe the pre irradiation microstructure of fuel elements U 3 Si 2 -Al with AlMg2  cladding  interaction,  while  the  post  irradiationmicrostructure  were  observed  by  optical microscope in hot cell. The result show the interaction of U 3 Si 2 with Al matrix or AlMg2 cladding in pre irradiation PEB U 3 Si 2 -Aloccurred agglomeration formed new compouds of U(Al,Si)x and UAlx formation.  Agglomeration  formation  on  heated  pre  irradiation  samples  were  bigger  while  heating temperature increased. The post irradiation sampels shoed the oxide layer were formed outside the AlMg2  cladding  and  the  inner  side  of  caldding  that  contact  to  the  fuel  meat  formedlight-grey U(Al,Si)xlayer at 1-3 micron of thickness.
Keywords : Interaction, U 3 Si 2 -Alfuel elements plate, AlMg2 cladding, pre and post irradiation .

## PENDAHULUAN
Beberapa  pengujian post  irradiation examination (PIE) yang dilakukan di laboratorium  Instalasi  Radiometalurgi  (IRM), antara  lain  adalah  uji  tanpa  merusak  ( Non Destructive  Test ,  NDT)  yang  meliputi ketebalan  PEB,  distribusi  hasil  fisi, swelling , kelengkungan,  cacat  secara  visual,  dan  uji merusak (Destructive Test , DT) yang meliputi analisis  metalografi,  mekanik  dan  analisis burn  up secara  radiokimia.  Interaksi  bahan bakar  U 3 Si 2 -Al  dengan  kelongsong  AlMg2 pada  pelat  elemen  bakar  (PEB)  U 3 Si 2 -Al tingkat  muat  uranium  (TMU)  2,96  gU/cm 3 pasca iradiasi merupakan bagian analisis PIE yang harus dilakukan karena mempengaruhi unjuk  kerja  PEB  U 3 Si 2 -Al.  Terjadinya  proses interaksi  kelongsong  AlMg2  dengan meat U 3 Si 2 -Al disebabkan oleh radiasi sinar gamma selama diradiasi dengan daya 15 MW di dalam teras  reaktor.  Distribusi  temperatur  di  dalam bahan  bakar  rata-rata  sebesar  120 o C,  tetapi akibat  radiasi  kadangkala  menyebabkan terjadinya hot  spot pada  posisi  tertentu  di dalam  bahan  bakar  yang  menyebabkan distribusi  temperatur  meningkat  menjadi 170 o C [1] .  Peningkatan  temperatur  disebabkan oleh radiasi yang terkorelasi dengan lamanya bahan  bakar  diradiasi  di  reaktor  dengan burn up tertentu menyebabkan kandungan hasil fisi dan  unsur  bermassa  berat (heavy  element , HE) meningkat. Terbentuknya hasil fisi dan HE menyebabkan  tekanan  di  dalam meat bahan bakar meningkat, sehingga mendesak
kelongsong AlMg2. Tujuan penentuan
interaksi  kelongsong  AlMg2  dengan  inti elemen bakar U 3 Si 2 -Al adalah untuk mengetahui pengaruh radiasi terhadap unjuk kerja bahan bakar selama di iradiasi di dalam teras reaktor.
Sebelum melakukan pengujian interaksi  kelongsong  AlMg2  dengan  inti elemen  bakar  atau meat U 3 Si 2 -Al  pasca iradiasi  di  dalam hotcell ,  terlebih  dahulu dilakukan  pengujian  interaksi  kelongsong AlMg2 dengan meat U 3 Si 2 -Al pra iradiasi atau secara  uji  dingin  di  luar hotcell .  Pengujian secara  dingin  dilakukan  dengan  proses pemanasan PEB U 3 Si 2 -Al TMU 2,96 gU/cm 3 di dalam  tungku  DTA (Differential  Thermal Analysis) dengan  variasi  temperatur.  Tujuan pengujian analisis metalografi PEB pra iradiasi untuk  memperoleh  metode  baku  yang selanjutnya digunakan dalam pengujian metalografi  PEB  pasca  iradiasi  di  dalam hotcell .  Terjadinya  interaksi meat U 3 Si 2 -Al dengan kelongsong AlMg2 pada PEB U 3 Si 2 -Al pra  iradiasi  disebabkan  oleh  beberapa  faktor antara  lain:  saat  pembuatan  ingot  U 3 Si 2 -Al menggunakan  busur  listrik,  dimana  matrik  Al dipanaskan  hingga  melebur  dan  leburannya berinteraksi  langsung  dengan  logam  U membentuk fase  baru  U(Al,Si) 3 dan  senyawa UAl x .  Faktor  kedua  yang  mempengaruhi interaksi  adalah  persentase  lompong  atau porositas  di  dalam  volume meat .  Porositas meat U 3 Si 2 -Al  yang  dihasilkan  pabrikator bahan  bakar  bervariasi  antara  satu  dengan lainnya, misalnya untuk ANL 3  -15 % volume
(Aslina Br.Ginting, Maman Kartaman, Supardjo)
bahan bakar, 4 % volume untuk CERCA, 7-8% volume  untuk  NUKEM,  9-10%  volume  untuk B&W serta 5-9 % volume untuk PT. BATEK [2] . Peningkatan  porositas  di  dalam meat diduga akan  mempengaruhi  sifat  metalografi  PEB U 3 Si 2 -Al.  Faktor  lain  yang  menyebabkan terjadinya  interaksi meat U 3 Si 2 -Al  dengan kelongsong AlMg2 adalah proses perolan PEB U 3 Si 2 -Al.
Analisis  metalografi  terhadap  PEB U 3 Si 2 -Al  TMU  2,96  gU/cm 3 pasca  iradiasi diawali  dengan  pemotongan  PEB  dengan dimensi  2x10  mm  sebanyak  3  (tiga)  posisi sampel. Potongan sampel tersebut merupakan  hasil  pemotongan  pada  bagia n bottom (10  cm  dari  bawah ),  middle (30  cm dari  bawah)  dan top (10  cm  dari  atas).
Pemotongan  sampel  tersebut  berdasarkan distribusi  hasil  fisi  yang  diperoleh  dari  hasil analisis  menggunakan gamma  scanning . Fenomena  yang  diamati  dalam  analisis metalografi adalah interaksi kelongsong AlMg2 dengan meat  b ahan  bakar  U 3 Si 2- Al,  interaksi antara meat  b ahan  bakar  U 3 Si 2 dengan matrik  Al,  interaksi  antara  U 3 Si 2 dengan matrik  Al  yang  menyebabkan  adanya buble dan void dan  yang  terakhir  adalah  analisis ikatan antar muka atau interface celah antara kelongsong dengan meat bahan bakar [3]

## METODOLOGI
a. Analisis mikrostruktur PEB U 3 Si 2 -Al TMU 2,96 gU/cm 3 pra iradiasi
Bahan yang digunakan dalam penelitian  ini  adalah  PEB  U 3 Si 2 -Al  dengan TMU  2,96  gU/cm 3 yang  dipotong  dengan ukuran  10x10  mm  menggunakan diamond cutting .  Potongan PEB U 3 Si 2 -Al dimasukkan ke dalam krusibel alumina dan dipanaskan di dalam  tungku  DTA  dari  temperatur  30 o C hingga
1500 o C
dengan kecepatan pemanasan  10 o C/menit  dalam  media  gas argon [4] .  Hasil  pengukuran  hingga  1500 o C diperoleh  femonena  reaksi  termik  berupa termogram DTA yang menyatakan besarnya temperatur  reaksi  matrik  Al  dan  kelongsong AlMg2  dengan  inti  elemen  bakar  atau meat
U 3 Si 2 .  Setelah  diketahui  femonena  reaksi termik yang terjadi pada temperatur 450, 550, 650,  900  dan  1350 o C,  kemudian  disiapkan potongan  PEB  U 3 Si 2 -Al  lainnya  dengan ukuran 10x10 mm (4 buah) dan dipanaskan dalam  tungku  DTA  pada  masing-masing temperatur  di  atas  dengan  waktu  tunda selama  1  jam.  Cuplikan  PEB  U 3 Si 2 -Al  hasil pemanasan dengan DTA kemudian di mounting dengan  resin kemudian  dilakukan preparasi metallografi yang mencakup penggerindaan dan pemolesan mulai dari grit 200,  400,  800,1200  dan  2400  sampai permukaan  cuplikan  menjadi  halus  dan mengkilap. Setelah permukaan cuplikan halus, dilakukan  pengetsaan  menggunakan  larutan kimia kemudian dilakukan analisis mikrostruktur antara lain interaksi bahan bakar U 3 Si 2 dengan  matrik  Al  dan  kelongsong AlMg2  menggunakan Scanning  Electron Microscope (SEM-EDS) merek JEOL.
b. Analisis mikrostruktur PEB U 3 Si 2 -Al TMU 2,96 gU/cm 3 pasca iradiasi
Analisis  mikrostruktur  yang  dilakukan adalah  interaksi  kelongsong  AlMg2  dengan meat bahan  bakar  U 3 Si 2 -Al  pasca  iradiasi. Kegiatan analisis mikrostruktur diawali dengan pemotongan PEB U 3 Si 2 -Al TMU 2,96 gU/cm 3 pasca  iradiasi  dengan  ukuran  2x10  mm sebanyak  3  (tiga)  sampel  pada  bagian bottom , middle dan top dari  PEB.  Potongan sampel tersebut kemudian dipreparasi dengan tahapan sbb [5] .
 proses mounting menggunakan  resin akrilik dan hardener .  proses penggerindaan menggunakan kertas  amplas  SiC  dengan  ukuran bervariasi  dari  kasar  hingga  halus  yaitu dari grit 500, 800, 1200, 2000 dan 2400.
 proses  pemolesan  menggunakan  kain poles dari beludru dan pasta diamond dari ukuran 3 sampai 1 mikron.
 pencucian  sampel  menggunakan  alat ultrasonic dalam  media  alkohol  atau  air demineral.
 pengamatan mikrostruktur dengan menggunakan mikroskop optik di hotcell .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  analisis  interaksi  termokimia PEB  U 3 Si 2 -Al  TMU  2,96  gU/cm 3 hasil pemanasan  hingga  1500 o C  diperoleh  berupa termogram  DTA  ditunjukkan  pada  Gambar  1. Gambar 1 pada posisi 1 menunjukkan bahwa pada  temperatur  451 o C  terjadi  perubahan aliran panas (heat flow) yang menunjukkan titik eutektik paduan  AlMg2 . Pada  temperatur 550 o C, posisi 2 terjadi perubahan fasa dari fasa  menjadi fasa (L +  )  yang ditunjukkan oleh perubahan base  line aliran  panas . Hal  ini didukung  oleh  diagram  fasa  biner  antara  Al dengan  Mg  yang  menunjukkan  bahwa kemampuan  larut  padat (solid  solubility) paduan AlMg2 terjadi pada temperatur 451 o C, sehingga diatas temperatur tersebut kelongsong
AlMg2
telah mengalami perubahan  fasa [5,6] .  Oleh  karena  itu  untuk penyiapan sampel PEB U 3 Si 2 -Al untuk analisis mikrostruktur  dimulai  dari  pemanasan  450 o C (titik eutektik paduan AlMg2).
Gambar 1. Termogram reaksi termokimia PEB U 3 Si 2 -Al TMU 2,9 gU/cm 3
Pada  pemanasan  639 o C,  posisi  3 PEB  U 3 Si 2 -Al  mulai  mengalami  reaksi  termik yang  ditunjukkan  oleh  adanya  puncak endotermik dengan  menyerap sejumlah panas. Puncak endotermik tersebut menunjukkan  terjadinya  peleburan  matrik  Al dan kelongsong AlMg2 yang diikuti oleh suatu puncak  eksotermik  pada  temperatur  650 o C pada  posisi  4.  Reaksi  eksotermik  tersebut menunjukkan terjadinya reaksi antara lelehan matrik  Al  dan  AlMg2  dengan  U 3 Si 2 yang membentuk senyawa U(Al,Si) x . Reaksi eksotermik tersebut berdekatan dengan puncak  endotermik  (posisi  3),  karena  terjadi
pengikatan  atau  difusi  lelehan  matrik  Al  dan AlMg2 ke dalam inti elemen bakar U 3 Si 2 secara cepat.  Hal  ini  terjadi  karena  lelehan  matrik  Al mempunyai  kontak  antar  muka  dengan  gaya gerak  yang  lebih  besar  sehingga  ikatan intermetalik  lelehan  Al  dengan  U 3 Si 2 terjadi secara  simultan  dengan  reaksi  peleburan matrik  Al.  Reaksi  termokimia  antara  U 3 Si 2 dengan  matrik  Al  membentuk  senyawa U(Al,Si) x [2,4] dengan tahapan perubahan fasa sbb :
U 3 Si 2 +  Al  (solid)  U 3 Si 2 (solid)  +  Al  (liq) ...........................................................(639 o C) U 3 Si 2 (solid)  +  Al  (liq  )  U 3 Si 2 (solid)+
U(Al,Si) 3 + U (solid) ............................(650 o C)
U 3 Si 2 + U(Al,Si) 3 + U(solid)  U(Al,Si) 3 + U 3 Si ...........................................................(900 o C) U(Al,Si) 3 + U 3 Si  UAlx + Si ..........(1372 o C)
Pada kisaran temperatur 800 hingga 900 o C  pada  posisi  5  terjadi  perubahan  fasa dari  U 3 Si 2 menjadi  U 3 Si  yang  ditunjukkan dengan  adanya  perubahan  aliran  panas (base line) pada termogram DTA PEB U 3 Si 2 - Al  pada  Gambar  1.  Hal  ini  terjadi  karena adanya  reaksi  antara  U solid  state dengan partikel U 3 Si 2 membentuk U 3 Si [7] . Pada  pemanasan  1300 o C  hingga 1400 o C  atau  pada  posisi  6  tampak  terjadi perubahan aliran panas yang ditandai adanya puncak endotermik yang menunjukkan terjadinya pembentukan senyawa UAl x dalam fasa cair dan peleburan unsur Si.
Terbentuknya puncak endotermik pada temperatur  tersebut  menunjukkan  terjadinya pengikatan atau pembentukan senyawa U-Al x dan  Si  bebas  dari  senyawa  U(Al,Si) 3 . Pembentukan  senyawa  UAl x (UAl 2 ,UAl 3 dan UAl 4 ) [5,7] sangat dipengaruhi oleh temperatur, waktu , kandungan matrik Al dan kandungan uranium.
Pada  proses  pendinginan,  PEB U 3 Si 2 -Al  dengan  TMU  2,9  gU/cm 3 diperoleh dua  puncak  eksotermik  yang  menunjukkan terjadinya  reaksi  solidifikasi  senyawa  UAl x pada  posisi  7.  Reaksi  solidifikasi  tersebut reversible dengan reaksi pembentukan senyawa  UAl x pada  temperatur  1439 o C  atau
pada posisi 6. Reaksi solidifikasi ini menunjukkan bahwa pemanasan pada temperature  1372 o C  terjadi  peleburan  dan pembentukan  senyawa  UAl x (fasa  cair)  dan pada  proses  pendinginan  senyawa  UAl x kembali  menjadi  solid  (fasa  padat).  Selain terjadi  reaksi  solodifikasi  senyawa  UAl x pada posisi 7, pada proses pendinginan juga terjadi reaksi  solidifikasi  matrik  Al  pada  temperatur 600 o C atau pada posisi 8. Hal ini disebabkan karena  pada  TMU  2,96  gU/cm 3 matrik  Al bereaksi dengan uranium membentuk senyawa  UAl x pada  temperatur  1350 o C. Namun,  matrik  Al  tidak  habis  bereaksi membentuk  senyawa  UAl x ,  sehingga  pada proses pendinginan sisa matrik Al mengalami reaksi  solidifikasi  seperti  yang  terlihat  pada posisi 8 Gambar 1.
a.
Analisis
mikrostruktur
PEB U 3 Si 2 -Al  TMU  2,96  gU/cm 3 pra iradiasi
Hasil analisis  mikrostruktur  PEB U 3 Si 2 -Al TMU 2,96  gU/cm 3 pra  iradiasi pada masing-masing temperatur
pemanasan ditunjukkan pada Gambar 2 hingga Gambar 7. Hasil  analisis  mikrostruktur  yang  dilakukan terhadap  PEB  U 3 Si 2 -Al  TMU  2,96  gU/cm 3 segar  (tanpa  pemanasan)  ditunjukkan  pada Gambar 2.
Gambar  2.  PEB  U 3 Si 2 -Al  TMU  2,96  g  U/cm 3
(tanpa pemanasan)
Gambar  2  terlihat  jelas  posisi kelongsong  AlMg2  berada  pada  bagian  tepi atas dan bawah, sedangkan inti elemen bakar U 3 Si 2 -Al  terdistribusi  secara  merata  pada bagian tengah PEB U 3 Si 2 -Al.
Mikrostruktur PEB U 3 Si 2 -Al TMU 2,96 gU/cm 3 pra  iradiasi  hasil  pemanasan  pada
temperatur  450 o C  ditunjukkan  pada  Gambar 3.  Paduan  aluminium  magnesium  atau  AlMg tidak  dapat  dikeraskan  melalui  perlakuan panas  ( non  heat  treatable  alloys), namun magnesium  mempunyai  batas  kemampuan larut  padat (solid  solubility) dalam  aluminium terjadi  pada  temperatur  451 o C.  Berdasarkan fenomena  inilah,  maka  analisis  mikrostruktur dilakukan terhadap cuplikan PEB U 3 Si 2- Al yang mengalami pemanasan di dalam tungku DTA pada  temperatur  450 o C  dengan  waktu  tunda selama 1 jam.
Gambar  3.  Ikatan  antar  muka  kelongsong AlMg2 pada pemanasan 450 o C
Gambar  3  menunjukkan  adanya morfologi  ikatan  antar  muka  ( interface bonding) kelongsong  AlMg.  Ikatan  antar muka terjadi karena temperatur perolan pada 450 o C  dan  proses  anil  pada  temperatur 480 o C  mampu  meningkatkan  luas  bidang kontak antar muka yang mempercepat difusi atom  antar  muka,  sehingga  menghasilkan ikatan  antar  muka  logam  yang  lebih  baik. Mikrostruktur  PEB  U 3 Si 2 -Al  pada  pemanasan 450 o C belum menunjukkan terjadinya interaksi antara kelongsong AlMg2 dengan inti elemen bakar U 3 Si 2 -Al.
Pemanasan  pada  temperatur  550 o C
(di  atas  temperatur  kemampuan  larut  padat paduan AlMg2) diperoleh mikrostruktur seperti yang  terlihat  pada  Gambar  4.  Terjadi  migrasi unsur  Al,  Mg,  U  dan  Si  yang  diidentifikasi menggunakan SEM-EDS seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a sampai 4d. Hasil analisis  mikrostruktur  cuplikan  PEB  U 3 Si 2 -Al
pada  pemanasan  550 o C  dilakukan  dengan cara  pemetaan (mapping) terhadap  unsur  Al,
Mg, U dan Si [8] . Pada Gambar 4a, terlihat jelas bahwa unsur Al telah berinteraksi ke dalam inti elemen  bakar (IEB)  U 3 Si 2 dan  unsur  uranium maupun  unsur  Si  sebagian  telah  berinteraksi ke arah kelongsong AlMg2 seperti yang terlihat pada Gambar 4c dan 4d. Sementara itu, unsur Mg tetap berada dibatas bingkai (frame) AlMg2 seperti yang terlihat pada Gambar 4b.
Hal  ini  menunjukkan  bahwa  pada temperatur  pemanasan  550 o C,  telah  terjadi ikatan  logam (intermetallik )  antara  unsur uranium dengan Al, sedangkan unsur Mg tidak mengalami  interaksi  dengan  unsur  uranium karena unsur Mg mempunyai jumlah yang kecil dengan energi yang lebih kecil [7] . Selain  pada  pemanasan  450 o C  dan 550 o C,  PEB  U 3 Si 2 -Al  juga  mengalami  reaksi termokimia  pada  pemanasan  650 o C,  900 o C dan 1350 o C seperti yang terlihat pada Gambar 1.  Hasil  analisis  mikrostruktur  terhadap cuplikan PEB U 3 Si 2 -Al pada pemanasan 650 o C menunjukkan terjadinya lelehan matrik Al dan lelehan  kelongsong  AlMg2.  Lelehan  Al  dan AlMg2  berinteraksi  dengan  inti  elemen  bakar U 3 Si 2 membentuk  gumpalan  kecil  atau aglomerat  yang  mengikuti  pola  orientasi retakan partikel U 3 Si 2 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar  5.  Mikrostruktur  PEB  U 3 Si 2 -Al  pada pemanasan 650 o C
Aglomerat  yang  terbentuk  (berwarna putih  abu-abu)  mempunyai  ukuran  butir  yang kecil dengan jumlah lebih banyak seperti yang terlihat pada Gambar 5 posisi –2. Hasil analisis menggunakan EDS memperlihatkan
aglomerat  yang  terbentuk  pada  posisi-2 tersebut mempunyai perbandingan atom U : Al
:  Si  =  17,97  :  55,60  :  26,44.  Sementara  itu, pada Gambar 5, posisi-3 dapat diamati bahwa aglomerat yang terbentuk mempunyai diameter butir lebih kecil dibandingkan dengan aglomerat yang terbentuk pada posisi-2. Hal ini disebabkan  karena  masih  kurang  waktu pemanasan  hingga  menyebabkan  daya  ikat antar aglomerat masih lemah. Namun dengan pemanasan  lebih  lanjut,  aglomerat  pada posisi-3  akan  tumbuh  menjadi  aglomerat dengan ukuran butir lebih besar. Hasil analisis dengan  menggunakan  EDS  menunjukkan aglomerat  yang  terbentuk  pada  posisi-3 mempunyai  perbandingan  atom  U:  Al  :  Si  = 10,40 : 80,95 : 8,65, sedangkan pada posisi-1 daerah  yang  berwarna  hitam  dominan  terdiri dari unsur Al dengan perbandingan atom U : Al :Si = 1,65 : 98,02 : 0,38.
Pengamatan mikrostruktur PEB U 3 Si 2 -Al  pada  pemanasan  900 o C  terlihat pengikatan  inti  elemen  bakar  U 3 Si 2 dengan matrik  Al  dan  kelongsong  AlMg2  semakin besar  seperti  yang  ditunjukkan  pada  Gambar 6.  Fenomena  ini  terjadi  karena  pada temperatur  tinggi  reaksi  termokimia  terjadi lebih  besar  karena  partikel  U  dan  Al  memiliki energi aktivasi yang besar.
(Aslina Br.Ginting, Maman Kartaman, Supardjo)
Gambar  6.  Mikrostruktur  PEB  U 3 Si 2 -Al  pada pemanasan 900 o C Apabila
dibandingkan
antara pertumbuhan  aglomerat  yang  terjadi  pada Gambar 5 dengan aglomerat yang terjadi pada Gambar 6, baik pada posisi 1, 2 dan 3 interaksi terjadi  semakin  besar.  Hal  ini  dikarenakan terjadi ikatan antar logam intermetallic matrik Al dengan  U 3 Si 2 secara  perlahan  lahan  yang menyebabkan pertumbuhan
aglomerat semakin  besar  dengan  naiknya  temperatur. Pertumbuhan  aglomerat  pada  pemanasan 900 o C  ini  terjadi  karena  proses  rekristalisasi senyawa U 3 Si 2 -Al. Pada saat proses pabrikasi PEB  U 3 Si 2 -Al,  inti  elemen  bakar  U 3 Si 2 mengalami  deformasi  dengan  tegangan  sisa tertentu, sehingga sewaktu dilakukan pemanasan dalam tungku DTA pada temperatur  900 o C  atau  di  atas  temperatur rekristalisasi  U 3 Si 2 .  Inti  elemen  bakar (meat) U 3 Si 2 -Al  mengalami  pengintian  yang  diikuti pertumbuhan aglomerat dengan arah orentasi yang  berbeda-beda. Hasil  analisis  komposisi dengan  menggunakan  EDS  menunjukkan bahwa  aglomerat  yang  terbentuk  pada Gambar 6, posisi-2 mempunyai perbandingan atom  U  :  Al  :  Si  =  20,9  :  62,57  :  16,53. Pembentukan aglomerat pada posisi-3 mempunyai ukuran butir lebih besar dibandingkan  dengan  aglomerat  pada  posisi- 3, Gambar 5. Aglomerat posisi-3 pada Gambar 6 mempunyai orentasi dan gaya gerak ke arah aglomerat yang terbentuk pada posisi-2. Hal ini menunjukkan bahwa aglomerat dengan ukuran kecil akan berdifusi ke dalam aglomerat
dengan  ukuran  lebih  besar.  Hasil  analisis dengan  menggunakan  EDS  menunjukkan bahwa  aglomerat  pada  posisi-3  Gambar  6 mempunyai  perbandingan  atom  U  :  Al  :  Si  = 15,08 : 67,95:16,97, sedangkan pada posisi-1 Gambar 6 terlihat dominan terdiri dari unsur Al dengan perbandingan atom U : Al : Si = 5,68 : 93,06 : 1,26.
Mikrostruktur  PEB  U 3 Si 2 -Al  hasil pemanasan  pada  temperatur  1350 o C  seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7
Gambar  7.  Mikrostruktur  PEB  U 3 Si 2 -Al  pada pemanasan 1350 o C
Pada Gambar 7 jelas terlihat pengikatan  ikatan  elemen  bakar  U 3 Si 2 oleh lelehan  matrik  Al  dan  kelongsong  AlMg2 semakin  besar.  Fenomena  ini  menyebabkan pembentukan  dan  pertumbuhan  aglomerat semakin  besar  dengan  orentasi  yang  teratur. Hal  ini  dapat  terjadi  karena  pertumbuhan aglomerat pada pemanasan 1350 o C mengalami  pertumbuhan  lebih  cepat  karena pergerakan  atom  antar  partikel  lebih  cepat dengan  naiknya  temperatur  pemanasan.
Aglomerat  yang  terbentuk  pada  pemanasan 650 o C  dan  900 o C  dengan  butir  lebih  kecil secara  teratur  berdifusi  ke  aglomerat  yang mempunyai butir lebih besar dan membentuk suatu  aglomerat  dengan  ukuran  butir  yang lebih  besar  dengan  jarak  antar  butir  semakin kecil  seperti  yang  terlihat  pada  posisi-2. Mikrostruktur  PEB  U 3 Si 2 -Al  pada  pemanasan 1350 o C ini selain terjadi pertumbuhan aglomerat  juga  terbentuk  butir  dendrit  seperti yang terlihat pada Gambar 7, posisi-3. Dendrit
yang terbentuk disebabkan adanya lelehan Al dan  pada  proses  pendinginan  mengalami pembekuan  melalui  mekanisme  pengintian dan  pertumbuhan  butir.  Hal  ini  didukung  oleh data  analisis  dengan menggunakan  alat  DTA di mana proses pendinginan pada temperatur 600 o C terjadi reaksi solidifikasi unsur Al seperti yang  ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Hasil analisis komposisi menggunakan alat SEM/EDS, aglomerat yang terbentuk posisi- 2 pada  Gambar  7  mempunyai  perbandingan atom  U  :  Al  :  Si  =  58,88  :  22,86:  18,26. Sementara  itu,  dendrit  yang  terbentuk  pada posisi-3  mengandung  unsur  Al  lebih  besar mempunyai  yang  mempunyai  perbandingan atom U: Al : Si = 10,84 : 85,39 : 3,77 yang relatif sama  dengan  posisi  -1  tetapi  mempunyai perbandingan atom U : Al : Si = 7,46 : 82,94 : 10,61.
b. Analisis  mikrostruktur  PEB  U 3 Si 2 - Al TMU 2,96 gU/cm 3 pasca iradiasi
Pengamatan mikrostruktur
PEB U 3 Si 2 -Al  TMU 2,96  gU/cm 3 pasca  iradiasi mengalami  beberapa  kendala.  Hal  ini disebabkan  karena  beberapa  alat  dukung belum  siap  digunakan  dan  juga  kondisi hotcell yang  belum  bersih  dari  kontaminasi, sehingga
pelaksanaan
pengujian
mikrostruktur dengan Mikroskop Optik belum dapat dilaksanakan secara optimal.
Gambar  8.  Mikrostruktur  kelongsong  PEB U 3 Si 2 -Al (bagian atas)
Namun
dengan
keterbatasan
peralatan, preparasi metalografi dapat dilakukan sampai kondisi poles mengunakan pasta intan ukuran 0,25 mikro. Hasil analisis mikrostruktur PEB U 3 Si 2 -Al TMU 2,96 gU/cm 3 pasca  iradiasi  hasil  potongan  PEB  U 3 Si 2 -Al
TMU 2,96 gU/cm 3 pasca iradiasi bagian atas (top) ditunjukkan pada Gambar 8, sedangkan mikrostruktur  hasil  potongan  bagian  tengah (midlle) dan  bawah (bottom) masing-masing ditunjukkan  pada  Gambar  9  dan  10.  Dari masing-masing analisis mikrostruktur terlihat adanya  penampang  lintang  lapisan  oksida pada  permukaan  bahan  kelongsong.  Hal  ini terjadi  disebabkan  oleh  proses  oksidasi kelongsong  AlMg2  dengan  udara  di  dalam kolam air pendingin.
Gambar 9a, 9b dan 9c menunjukkan mikrostruktur  pada  zona  inti  elemen  bekar (IEB)  terlihat  partikel  U 3 Si 2 berinteraksi dengan matrik Al membentuk fasa baru atau senyawa  intermetalik  U(Al,Si) x [10] .  Fasa  baru tersebut ditunjukkan dengan  warna  abu-abu terang dengan ketebalan sekitar 1-3 mikron. Adanya fasa baru senyawa U(Al,Si) x tersebut diperjelas  dengan  melakukan  pengamatan mikrostruktur  pada  zona  inti  U 3 Si 2 -Al  seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9a dan 9c.
Gambar 9a. Layer senyawa U(Al,Si) x pada inti U 3 Si 2 -Al (bagian tengah) [11]
Gambar  9b.  Layer  U(Al,Si)x  di  inti  U 3 Si 2 -Al (bagian tengah) [10]
Gambar 9c. Layer U(Al,Si)x pada inti U 3 Si 2 -Al (bagian tengah) [11]
Penelitian  lain  menyatakan  bahwa untuk  bahan  bakar  U 3 Si-Al  yang  telah mengalami  iradiasi  hingga burn-up 60% mengalami  interaksi  antara  partikel  bahan bakar U 3 Si dengan matrik Al [12] . Mikrostruktur bahan  bakar  yang  diamati  menggunakan mikroskop optik menunjukkan adanya reaksi antara partikel U 3 Si dengan matrik Al seperti ditunjukkan  pada  Gambar  9d.  Ketebalan layer yang dihasilkan sekitar 5 mikron untuk burn-up 40%  dan  20  mikron  untuk burn-up 80%
Gambar  9d.  Mikrostruktur  partikel  bahan bakar U 3 Si dengan matrik Al [12]
Mikrostruktur PEB U 3 Si 2 -Al TMU 2,96 gU/cm 3 pasca  iradiasi  hasil  potongan  PEB U 3 Si 2 -Al  TMU 2,96  gU/cm 3 pasca  iradiasi bagian  bawah (bottom) ditunjukkan  pada Gambar 10.
Gambar  10.  Mikrostruktur  kelongsong  PEB U 3 Si 2 -Al (bagian bawah) [11]
Analisis  mikrostruktur  PEB  U 3 Si 2 -Al
TMU 2,96  gU/cm 3 pasca  iradiasi  hasil potongan  PEB  U 3 Si 2 -Al  TMU 2,96  gU/cm 3 pasca  iradiasi  bagian  bawah (bottom) dan bagian  atas (top) menunjukkan  hasil  yang hampir  sama.  Pada  permukaan  bahan kelongsong AlMg2
terlihat adanya penampang  lintang  lapisan  oksida  yang terjadi  karena  adanya  intekasi  kelongsong AlMg2 dengan air pendingin di dalam kolam reaktor.
Hasil pengamatan mikrostruktur PEB U 3 Si 2 -Al
pasca iradiasi diatas memperlihatkan  bahwa  pengamatan  dan pengujian  mikrostruktur  dengan  mirksokop optik  mampu  menunjukkan  perilaku  bahan selama  iradiasi.  Lapisan  oksida  pada permukaan  kelongsong  dan  juga  senyawa intermetalik U(Al,Si) x pada antarmuka dispersan  U 3 Si 2 dengan  matrik  Al  dapat terlihat  dengan  jelas.  Untuk  itu  pada pengujian mikrostruktur yang akan dilakukan di  IRM  terhadap  bahan  bakar  PEB  U 3 Si 2 -Al TMU  4,8  maupun  5,2  gU/cm 3 ,  secara keseluruhan dapat dilakukan dengan mengikuti  tahapan  preparasi  metalografi hingga sampel kondisi poles sampei 1 atau ¼ mikron  dan  pengamatan  menggunakan mikroskop  optik  pada  perbesaran  optimum hingga perbesaran 500 atau 1000 kali.

## SIMPULAN
Interaksi  termokimia  pada  PEB U 3 Si 2- Al TMU  2,96  pra  iradiasi  terjadi  antara bahan bakar U 3 Si 2 dengan matrik Al maupun kelongsong  AlMg2  mulai  pada  temperatur pemanasan  550 o C.  Pada  temperatur  630 o C terjadi  peleburan  matrik  Al  dan  kelongsong AlMg2 dan lelehan matrik Al dan kelongsong AlMg2 secara  langsung  berinteraksi dengan U 3 Si 2 membentuk aglomerat dengan senyawa  baru  U(Al,Si) x dan  UAl x pada temperatur  900 o C  dan  1350 o C.  Dari  analisis mikrostruktur diketahui bahwa pembentukan aglomerat  terjadi  semakin  besar  dengan meningkatnya temperatur pemanasan.
Sememtara  itu,  dari  analisis  mikrostruktur PEB U 3 Si 2- Al TMU 2,96 pasca iradiasi, terlihat
jelas  adanya  lapisan  oksida  serta  interaksi partikel  U 3 Si 2 dengan  matrik  Al  membentuk fasa baru atau senyawa intermetalik U(Al,Si) x . Fasa  baru  tersebut  ditunjukkan  dengan warna  abu-abu  terang  dengan  ketebalan sekitar 1-3 mikron.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  I.  P.  Hastuti,  T.M.  Sembiring,  Suparjo, Suwardi,  (2010), ”LAK  Insersi  Elemen Bakar  Uji  Silisida  3  Pelat  Tingkat  Muat 4,8 dan 5,8 gU/cm 3 di Teras RSG- GAS”, PRSG-BATAN.
[2]  R.F.  Domagala,  T.C.  Wincek,  J.L. SnelgrovE, M.I. Homa and R.R. Heinrich, (1992), “ DTA  Study  of  U 3 Si 2 - Al  and  U 3 Si 2 -  Al  Reactions ”,  IAEA  - TECDOC - 643(4).
[3]  A.  Br.  Ginting,  D.  Anggraini,  Boybul,  A. Nugroho,  R.  Kriswarini,  (2014),  Bunga Rampai,  Proseding  Hasil  penelitian Pusat  Teknologi  Bahan  Bakar  Nuklir, Pusat  Teknologi  Bahan  bakar  Nuklir- BATAN, ISBN: 978-602-71975-0-3.
[4]  P.  Toft,  A  Jensin,  (1995) ,  ” Differential Thermal  Analysis  and  Metalographic
Examination  of  U 3 Si 2 Powder,  U 3 Si 2 /Al
(38w/o)  Minipletes ”,  IAEA-  TECDOC 643(4), page 15-122.
[5]  A.  Soba,  A.  Denis,  (2007), “ An
Interdiffusional  Model  for  Prediction  of the  Interaction  Layer  Growth  in  the
System Uranium-Molybdenum/
Aluminium ” Journal of Nuclear Materials .
[6]  E.  Perez,  Y.  H,  Sohn,  D.D.  Keiser, (2008), ” U-Mo/Al Alloys Diffusion Couples  Fuel/  Cladding  Interactions”,
NIST  Diffusion  Workshop,  May  12, 2008, Idaho National Laboratory, University of Central Florida.
[7]  C. Kyu Rhee, S. Pyun and I. Hiun Kuk,
(2011), ” Phase Formation and Growth at Interface Between U 3 Si and Aluminium” Korea  Atomic  Energy  Institute,  Daejon 305-606, Korea, April.
[8]  J.  Allenou,  O.  Tougait,  M.  Pasturel,  X. Iltis,  F.  Charollais,  M.C.  Anselmet,  P.
Lemoine, ( 2011), ” Interdiffusion Behaviors in Doped Molybdenum
Uranium  and  Aluminium  or  Aluminium Siliocon  Dispersion  Fuel:  Effects  of  the Microstructure”,  Journal  of  Nuclear Materials.
[9]  J. Gan, B. Miller, D. Keiser, A. Robinson, P.  Medvedev,  D.  Wachs,  (2010), ” TEM Characterization  of  Irradiated  U 3 Si 2 /Al Dispersion  Fuel”,  RERTR  2010-32nd, International  Meeting  On  Reduced Enrichment  For  Research  and  Test Reactor,  Idaho  National  Laboratory , P.O.  Box  1625,  Idaho  Falls,  ID  83415, USA.
[10]  S.  Van  Den  Berghe,  A.  Leenaers,  E. Koonen, P. Jacquet, L. Sannen, (2010), “ Microstructure  Of  U 3 Si 2 Fuel  Plates Submitted  To  A  High  Heat  Flux”, SCK•CEN, Reactor Materials Research, Boeretang  200,  B-2400  Mol  Belgium,
RERTR 2010-32 nd , International
Meeting  On  Reduced  Enrichment  For Research  and  Test  Reactor,  Idaho National  Laboratory ,  P.O.  Box  1625, Idaho Falls, ID 83415, USA.
[11]  F. Wang, B. Wen, L. Ren, L. Jiang, G. Li and  Y.  Zhou,  (2011), PIE  of  LEU  Fuel Elements  With  T6061  Cladding,  Water Reactor  Fuel  Performance  Meeting
Chengdu, China, Sept. 11-14, 2011.
[12]  G. Ruggirello, H. Calabroni, M. Sanchez and G. Hofman, (2009), ” Post-
Irradiacion Examination of U 3 Si X -Al Fuel Element Manufactured And Irradiated In Argentina .