## PENENTUAN UNSUR IMPURITAS DALAM SERBUK U 3 SI 2
DENGAN MENGGUNAKAN ALAT ICPS
Dian A (1) , Arif N (1) dan Sutri I (1)

## 1.  Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir-BATAN

## Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang

## ABSTRAK
PENENTUAN UNSUR IMPURITAS DALAM SERBUK U 3 SI 2 MENGGUNAKAN ALAT ICPS.
Analisa  unsur  impuritas  di  dalam  serbuk  U 3 Si 2 (Al,  B,  Cd,  Co,  Cu,  Fe,  Ni,  Li,  Zn  )  telah  dilakukan dengan  menggunakan  alat  ICPS.  Tujuan  penelitian    ini  adalah  untuk  memverifikasi    kesesuaian antara  spesfikasi  serbuk  U 3 Si 2 dengan  persyaratan  standar  yang  ditetapkan  oleh  IAEA.  Preparasi sampel dilakukan dengan melarutkan 1 g serbuk U 3 Si 2 ke dalam HNO 3 6M, kemudian disaring dan diekstraksi menggunakan  TBP/ Heksan ( 7: 3). Hasil  analisa menunjukkan bahwa secara kualitatif sebagian besar  unsur logam (Al, B, Cd, Co, Cu, Fe, Ni, Li, Zn) dapat terdeteksi. Analisa kuantitatif dengan  ICPS  dilakukan  melalui  bantuan    kurva  kalibrasi,  yang  diperoleh  dari  data  analisa    larutan standar SRM SPEX. Hasil analisa kuantitatif menunjukkan  bahwa konsentrasi unsur Al, Co, Fe, Ni, Zn  dalam  serbuk  U 3 Si 2 diperoleh  lebih  rendah  dari  batas  maksimum  yang  direkomendasikan  oleh IAEA.    Sedangkan  konsentrasi  unsur  B,  Cd,dan  Li  tidak  dapat  ditentukan  karena  intensitas  unsur tersebut  berada di luar daerah linieritas pengukuran. Besaran akurasi dan presisi alat dari masing- masing  unsur  berada  dalam kisaran  10%  sedangkan  presisi  metode  menunjukkan  sebagian  besar unsur berada di luar batas penerimaan yaitu lebih besar dari 10 %.
Kata Kunci : U 3 Si 2 dan  ICPS.

## ABSTRACT
ELEMENT IMPURITY DETERMINATION IN U 3 SI 2 POWDER  BY USING ICPS EQUIPMENT . The analysis  of    trace  elements  in  U 3 Si 2 powder  (Al,  B,  Cd, Co, Cu, Fe, Ni,  Li,  Zn  )  has  been  done  by using  ICPS. The aim of this activity is to get the data support or comparator in verification between work  is  to  verify  the  trace  elements  content  quantitatively  in  U 3 Si 2 powder  and  to  verify    its specification  toward  the  required  standard  specified  by  IAEA.  Sampel  preparation  is  carried  out  by dissolving  of  1  g  U 3 Si 2 powder,  in  HNO 3 6M,  then  filtered  and  extracted  with  TBP/  Hexane  (7:3). Result of analysis, indicate that all metal element (Al, B, Cd, Co, Cu, Fe, Ni, Zn, Li) which is required in  nuclear  fuel  element  specification,  can  be  detected  qualitatively.  Quantitative  analysis    is  done through  the curve calibration that is obtained from measuring of standard  SRM SPEX. The result of quantitative analysis indicate that the concentration of element Al, Co, Fe, Ni, Zn in U 3 Si 2 powder  is lower than the maximum boundary which is recommended by IAEA. While concentration of element B, Cd and Li cannot be determined by this methode because intensity reside in outside area of linier measurement.  The  value  of  accuracy    and  precision    instrument    of  each  elements  stays  in  the range    10%.  While  precision  method  shows  most  element  reside  in  beyond  the  bounds  of acceptance, that is bigger than 10%.
Keyword : U 3 Si 2 dan  ICPS.

## PENDAHULUAN
Pada  tahun  1998,    P.T  BATAN Teknologi    telah  melakukan  fabrikasi  pelat elemen  bakar  (PEB)  jenis  silisida  U 3 Si 2 -Al dengan  TMU  2,9  g/cm 3 sebagai  pengganti elemen  bakar  lama  jenis  oksida  U 3 O 8 -Al.  Dan pada  tahun  2001  P.T  BATAN  Teknologi  telah berhasil  memasukkan  bahan  bakar  silisida U 3 Si 2 -Al  dengan  TMU  2,9  g/cm 3 ke  seluruh teras  Reaktor  Serba  Guna  G.A.Siwabessy Serpong.
Elemen  Bakar  Pelat (PEB)  U 3 Si 2 -  Al merupakan  terdiri  dari  inti  elemen  bakar  (IEB) U 3 Si 2 -Al  dan  kelongsong  AlMg2  sebagai pembungkusnya.  Fabrikasi  inti  elemen  bakar diawali  dari  pembuatan  serbuk  U 3 Si 2 melalui peleburan logam U dan Si dengan perbandingan  tertentu.  Hasil  leburan  berupa ingot  U 3 Si 2 kemudian  dikenakan  proses penggerusan,  pengayakan  dan  pencampuran (homogenitas).  Serbuk  U 3 Si 2 yang  diperoleh dari  proses  tersebut,  selanjutnya  dikenai  uji kualitas. Uji kualitas dilakukan untuk mengontrol  mutu  produk  melalui  pengecekan kesesuaian  antara  spesifikasi  produk  dengan persyaratan yang ditetapkan sehingga penggunaannya kelak tidak mengancam keselamatan  masyarakat,  lingkungan  dan operator  penggunanya.  Uji  kualitas  yang dilakukan  antara  lain  adalah  uji  impuritas [1] . Berdasarkan  standar  spesifikasi  bahan  bakar U 3 Si 2 –  Al,  dipersyaratkan  bahwa  kandungan unsur-  unsur  impuritas  yang  terdapat  pada bahan    serbuk  U 3 Si 2 harus  barada  di  bawah persyaratan maksimum yang ditetapkan IAEA [2] .
Pada  umumnya  uji  impuritas  dilakukan dengan menggunakan cara kimia yaitu dengan metode spektrometri seperti Atomic Absorption Spectrotmetre (AAS)  dan Inductively  Coupled Plasma- Atomic Emission Spectrometre
(ICPS).  Selama  ini,  P.T.  BATAN  Teknologi sebagai  fabrikan  elemen  bakar  U 3 Si 2 -Al  telah menggunakan  metode  AAS  pada  pengujian
impuritas  U 3 Si 2 .  Untuk  mendapatkan  data dukung dan pembanding yang telah ada maka pada  kegiatan  ini  dilakukan    pengujian impuritas U 3 Si 2 menggunakan ICPS.
Berdasarkan  pustaka [3] ,  alat  ICPS  memiliki spesifikasi  yang  dapat  menganalisa  80% unsur  yang  ada  dalam  sistim  periodik  dengan kemampuan deteksi mencapai kandungan part per million (ppm) sehingga alat ini dimungkinkan  mampu  menganalisa  unsur- unsur  impuritas  dalam  serbuk  U 3 Si 2 ,  seperti yang  tercantum    pada  Tabel  1.  Kelebihan pengukuran alat ini adalah memiliki selektivitas yang  tinggi  dan  pada  setiap  analisa  dapat mendeteksi  beberapa  unsur  sekaligus  secara berurutan.
ICPS-Plasma  40    merupakan  alat analisa  kimia  yang  berada  di  Laboratorium Fisiko  Kimia –  BPR  –  PTBN-  BATAN.  Prinsip kerja alat ini berdasarkan pengukuran intensitas energi / emisi yang dipancarkan oleh atom  atom  dari  unsur-  unsur  yang  mengalami peristiwa  perubahan  tingkat  energi  atom (eksitasi  dan  ionisasi).  Ion  logam  dijadikan aerosol  homogen  dan  selanjutnya  diatomisasi dalam  keadaan  gas.  Pada  keadaan  gas, terjadi  eksitasi  dan  deeksitasi  elektron  berikut memancarkan  radiasi    /  energi  yang  dapat diukur  dengan  detektor.  Radiasi  /  energi  yang dipancarkan  dan  diukur  tersebut  merupakan karakteristik  dari  setiap  unsur  sehingga fenomena  ini  dijadikan  metode  untuk  analisa kualitatif.  Kuantitas  unsur  analit  dalam  sampel dapat diketahui dari hubungan kesebandingan antara  konsentrasi  unsur  dengan  intensitas pancaran energi dari setiap unsur [4] .
Pada  penelitian  ini  akan  dilakukan analisa  unsur-  unsur  yang  terdapat  di  dalam serbuk  U 3 Si 2 sesuai  yang  ditetapkan    oleh IAEA.  Data  yang  diperoleh  diharapkan    dapat digunakan    sebagai  verifikasi  kesesuaian dengan  spesifikasi  yang  telah  didapatkan  dari pengujian sebelumnya.

## TEORI
Sehubungan  semakin  besarnya  tuntutan pelanggan  dalam  mendapatkan  hasil    analisa yang  dapat  dipercaya,  maka  diperlukan metode  analisa  yang  andal.  Oleh  karena  itu pada  penentuan  unsur-unsur  impuritas  ini dilakukan perhitungan dengan beberapa ketentuan  yaitu :
-  Limit deteksi dan limit kuantisasi
Limit  deteksi  (LoD)  adalah    kosentrasi terendah dalam suatu sampel yng masih dapat  terdeteksi  oleh  suatu  alat.  Besar limit  deteksi    biasanya  dinyatakan dengan  nilai  rata-rata  blanko  +  3  S, dimana  S  adalah  standar  deviasi (simpangan baku) dari blanko.
Σ (x-x rerata ) 2
(S 2 ) =                            ....................(1)
n-1
Limit  kuantisasi  (LoQ)  biasanya  disebut limit pelaporan adalah kosentrasi terendah  dari            suatu  sampel    yang dapat  ditentukan  dengan    besar  presisi dan  akurasi    yang  dapat        diterima. Besar limit kuantisasi biasanya dinyatakan dengan nilai rata-rata  blanko + 10 S.
-  Presisi dan akurasi
Presisi  atau  kecermatan  menunjukkan besarnya  fluktuasi  dari  hasil  penentuan yang berulang kali (repeatability) , sedangkan  akurasi    atau  ketepatan menunjukkan seberapa jauh suatu
analisa menyimpang dari harga
sebenarnya  (standar).  Suatu  metode dapat  mempunyai  kecermatan  yang tinggi  tetapi  diragukan  ketepatannya, sebaliknya mungkin suatu metode mempunyai  kecermatan  kurang  baik namun  metode  tersebut  ketepatannya mendekati  harga  sebenarnya (accurate) seperti yang ditunjukkan pada Gambar-1 sampai 3.
Besaran  presisi  ditunjukkan  oleh  nilai relative  standard  deviation (RSD)  yang dihitung  dari  data  pengukuran  berulang  pada suatu  titik  tertentu  meggunakan  rumus sebagai berikut :
RSD = (SD/ Nilai  rata-rata)  X 100 %
Dengan :
Σ (x-x rerata ) 2
SD = √                       ............       (2) n-1
Besaran    akurasi  dihitung  dari  selisih nilai  yang  diperoleh  dari  pengukuran  dengan
Gambar 1.  Akurasi tinggi , presisi tinggi Gambar 2.  Akurasi rendah , Presi- si tinggi
Gambar 3. Akurasi tinggi , presisi rendah
nilai  benar  yaitu  nilai  yang  tercantum  dalam sertifikat bahan standar.

## TATA KERJA
Analisa  unsur  logam  menggunakan alat  ICPS  merupakan  metode  komparatif untuk    penentuan  secara  kuantitatif  yang dilakukan  melalui    kurva  kalibrasi.  Kurva kalibrasi    merupakan  hubungan  antara intensitas pengukuran dan konsentrasi larutan  standar,  yang    diperoleh  dari pengukuran  larutan  standar  dengan  variasi konsentrasi.    Larutan  standar  dibuat  dari bahan  standar  SRM  SPEX  1000  ppm  yang diencerkan  menjadi    beberapa  deret  standar larutan dengan variasi konsentrasi.
Pembuatan  larutan  sampel  U 3 Si 2 dilakukan  dengan  menimbang  serbuk  U 3 Si 2 sebanyak  1g,  kemudian  dilarutkan  menggu- nakan  20  mL  larutan  HNO 3 6M  dan  dipa- naskan  sampai  kering.  Larutan  yang  sudah kering  dilarutkan  dengan  larutan  HNO 3 3M dan disaring. Hasil saringan diuapkan sampai kering  dan  dilarutkan  kembali  dengan  HNO 3 3M  sebanyak  10  mL.  Selanjutnya  larutan dimasukkan  ke  dalam  labu  takar  25  mL  dan ditambah HNO 3 3M sampai tepat tanda batas. Larutan  kemudian  diekstraksi  menggunakan 25 mL TBP/Heksan ( 7:3), ekstraksi dilakukan 3  kali.    Fasa  air  dipisahkan  dan  siap  untuk dianalisa.  Larutan  blanko  dibuat  dari  20  mL HNO 3 dan diperlakukan sama seperti pembuatan  larutan sampel.
Analisi larutan standar dengan variasi konsentrasi  digunakan  untuk  membuat  kurva kalibrasi,  sedangkan  analisa  kandungan
unsur  dalam  sampel  ditentukan  dari  nilai intensitas  yang  diukur  dan  disubtitusikan  ke dalam  persamaan  regresi  yang  dihasilkan dari kurva kalibrasi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisa kualitatif dan kuantitatif unsur- unsur impuritas (Al, B, Cd, Co, Cu, Fe, Ni, Li, Zn)  dalam  serbuk  U 3 Si 2 telah  dilakukan menggunakan  metode  ICPS.  Penentuan unsur  secara  kualitatif  berdasarkan  besaran panjang gelombang dari garis spektra masing-  masing  unsur,  yang  diperoleh  dari hasil optimasi pengukuran. Optimasi pengukuran  dilakukan  dengan  penetapan pembatasan panjang gelombang untuk unsur- unsur  dengan  kisaran  25  nm.  Penetapan  ini dilakukan  dengan  menggunakan  larutan standar  dari  unsur  yang  akan  dianalisa  dan besaran  panjang  gelombang  yang  diperoleh disimpan untuk pengukuran secara kuantitatif. Analisa kuantitatif diperoleh melalui pengukuran  deret  larutan  standar  masing- masing  unsur  dengan  7  kali  pengulangan. Hasil  pengukuran  tersebut  berupa  besaran intensitas  dan  selanjutnya  besaran  tersebut diplotkan    dengan    konsentrasi  deret  larutan standar masing- masing unsur untuk membuat  kurva  kalibrasi.  Pada  setiap  kurva kalibrasi kemudian dilakukan evaluasi dengan menggunakan  metode least  square [4] untuk menentukan    daerah  kerja  linier  dan  persa- maan  regresi  dengan  melakukan  identifikasi batas atas dan bawah pengukuran. Selain itu ditentukan  pula  nilai  koefisien  regresi  serta limit  deteksi  pengukuran.  Hasil  perhitungan tersebut tercantum pada
Tabel 1.
Tabel 1. Data daerah kerja, koefisien regresi dan limit deteksi   pengukuran  U 3 Si 2 Unsur Daerah Kerja (ppm ) Persamaan Regresi Koefisien Regresi (%) LD/ LQ* ( ppm) Al 2 - 10 Y = 11,3 X + 53,45 99,67 0 / 1,199 B 0 - 10 Y = 120,47 X + 7,1733 99,95 0,461/ 0,925 Cd 0 - 10 Y = 13, 567 X + 10,147 95,58 1,060/ 4,021 Co 0.8 - 10 Y = 24,175 X – 0,155 99,79 0,126/ 0,925 Cu 0 - 10 Y= 333,94 X + 7,8144 99,90 0,039 / 0,14 Fe 0.2 - 2 Y = 171,13 X + 0,2867 99,41 0,04/ 0,21 Ni 1 - 10 Y = 23,572 X – 5,4383 99,99 1,565/ 2,857 Li 10 - 80 Y = 4556 X + 20249 98,14 0 / 0 Zn 0- 10 Y = 22,369 X – 6,1721 99,99 0,962/ 3,486
*) LD= Limit deteksi LQ = Limit kuantisasi
Pada  Tabel  1  terlihat  bahwa  besaran koefisien  regresi  dari  persamaan  regresi setiap  unsur  berkisar  antara  95,58  %  sampai dengan  99,99%.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa ketepatan  persamaan  linier  terhadap  data ukur  cukup  baik  karena  berada  di  atas  nilai yang  direkomendasikan  oleh  ASTM  yaitu 95% [5] .    Pada  pengukuran  ini  ditentukan  pula parameter  unjuk  kerja  alat  yaitu  presisi  dan akurasi, yang diperoleh dengan cara melakukan  pengukuran  salah  satu  larutan standar  yang  berada  pada  daerah  kerja  linier (pengukuran dilakukan dengan 7 kali pengulangan).  Hasil  pengukuran  rata-rata
tersebut dibandingkan dengan nilai sebenarnya  seperti  yang  tercantum  pada sertifikat    bahan  standar  dan  selisihnya memberikan  nilai  penyimpangan,  sedangkan presisi  pengukuran  ditunjukkan  dari  nilai relative  standard  deviation (RSD).  Data  hasil perhitungan  kedua  unjuk  kerja  tersebut seperti  yang  tercantum  pada  tabel  2.  Pada tabel  2  terlihat  bahwa  besaran  akurasi  dan presisi  unsur  Al  diperoleh  11,26  %  dan akurasi 87,92 %. Hal ini dimungkinkan proses pembilasan  belum sempurna sehinnga masih ada  sisa  sampel  dalam  sistim  pengukuran dari
analisa
sebelumnya.
Tabel 2. Nilai presisi dan akurasi alat ICPS pada pengukuran impuritis serbuk U 3 Si 2 Unsur Presisi ( RSD,%) Akurasi (%) B 3,945 99,33 Cd 10,34 98.25 Li 1,136 98,37 Co 8,57 97,06 Zn 5,75 94,24 Al 11,26 87,92 Cu 1,840 97,88 Fe 1,512 97,72 Ni 5,63 98,89
Analisa  kuantitatif  sampel  serbuk U 3 Si 2 dilakukan  dengan  pengukuran  larutan sampel  sebanyak  7  kali  pengulangan.  Hasil pengukuran  berupa  intensitas,  selanjutnya nilai  tersebut  digunakan  untuk  menghitung konsentrasi  dengan  cara  mensubtitusikan
nilai  intensitas  rata-rata  tersebut    ke  dalam persamaan regresi.  Selain itu ditentukan pula presisi metode dengan menghitung nilai RSD dari  setiap  unsur  yang  dianalisa.  Data  hasil perhitungan dituangkan  pada Tabel 3.
Tabel 3. Persyaratan TECDOC-467, IAEA dan pengukuran serta Nilai Presisi
Unsur Nilai Persyaratan IAEA maksimum ( ppm ) Konsentrasi Pengukuran, (ppm) Presisi Metode (RSD, %) Keterangan Al 600 97,32 30,95 B 10 ttd 15,7 Intensitas  pengukuran di luar daerah linieritas. Cd 10 ttd 15,58 Intensitas  pengukuran di luar daerah linieritas. Co 10 5,32 37,46 Cu 80 15,1 3,20 Li 10 ttd Intensitas  pengukuran di luar daerah linieritas. Zn 1000 13,67 16,8 Ni + 12,3 15,58 Fe + 0,615 15,12 Catatan : ttd = tidak terdeteksi
+  = Nilai batas persyaratan Fe + Ni = 1000 ppm
Pada  Tabel  3  terlihat  bahwa  nilai konsentrasi  unsur  Al,  Co,  Cu,  Zn,  Ni  dan  Fe dalam  serbuk  U 3 Si 2 lebih  rendah  dari konsentrasi  maksimum  yang  dipersyaratkan oleh  IAEA,  sedangkan    unsur  B,  Cd  dan  Li tidak  dapat  ditentukan.    Intensitas    unsur  B, Cd  dan  Li  masing-  masing  diperoleh  sebesar 29,6  ,  217,71  dan  104,5  sedangkan  nilai intensitas batas bawah dan atas pada daerah lineritas pengukuran dari ketiga unsur tersebut  berturut-turut  adalah  38,71 – 1222,9
;  28,7 –  152,9  dan  56495  –  377964.  Pada Tabel  4  terlihat  bahwa  nilai  RSD  dari sebagian  besar  unsur  yang  dianalisa  berada di  atas  10  %.  Mengacu  pada  pustaka [3] yang menyatakan bahwa presisi pengukuran menggunakan ICPS berkisar pada  RSD ≤ 10
%  maka  hasil  pengukuran  ini  masih  kurang tepat.  Fenomena  ini  diduga  akibat  fluktuasi dari  intensitas  pengukuran  berulang    sangat
besar  disebabkan  oleh    kemungkinan  larutan sampel  tidak  homogen  masih    mengandung partikel  Si  yang  tidak    larut.  Pada  proses penyaringan  partikel  Si  tidak  sempurna tertahan  kertas  saring  dengan  sempurna, walaupun  telah  digunakan  kertas  saring berukuran  halus.  Keberadaan  partikel  Si tersebut  dalam  sistem  pengukuran  akan mendistorsi  isyarat  yang  timbul  dari  unsur yang  dianalisa  sehingga  dapat  memperbesar atau  memperkecil  konsentrasi  unsur  tersebut akibat turut memberikan kontribusinya berupa isyarat positif dan negatif .

## SIMPULAN
Secara  kuakitatif  semua  unsur  logam impuritas  yang  terdapat  dalam  serbuk  U 3 Si 2 (sesuai  standar  spesifikasi  bahan  bakar
U 3 Si 2 )  dapat  dideteksi  dengan  ICPS.  Hasil analisa secara kuantitatif menunjukkan bahwa  konsentrasi  unsur  Al,  Co,  Cu,  Zn,  Fe dan Ni   yang diperoleh lebih rendah dari nilai maksimum  yang    dipersyaratkan  oleh  IAEA, sedangkan  konsentrasi  unsur  B,  Cd,dan  Li tidak  dapat  ditentukan  karena  intensitas berada  di  luar  daerah  linieritas  pengukuran. Nilai  akurasi  dan  presisi  alat  dari  masing- masing  unsur  berada  dalam  kisaran  10%, sedangkan nilai presisi dari pengukuran unsur Al,  B,  Cd, Cu,  Zn, Fe  dan  Ni  lebih  besar  dari 10 %.

## DAFTAR PUSTAKA
1. SURIPTO.A,”    Proses  Pembuatan
Elemen Bakar Nuklir, Diklat Keselamatan  dan  Sarana  Dukung Elemen Bakar Nuklir ”, Pusat Elemen
Bakar  Nuklir-  Pusdiklat-  BATAN, Serpong (1988) 2.  IAEA  -  TECDOC- 467,” Standardiza- tion  of  Specifications  and  Inspection Procedures  For  LEU  Plate –  Type  ” , Vienna, 1988
3. ANONIM,” Operation  Mannual  ICPS
– Plasma “, Perkin Elmer.
4.  HOBART H.WILLARD,” Instrumenal Methoda  of  Analysis ” ,  Wadsworth
Inc, 1988
5.  ROBERT. L.  ANDERSON ,” Practical
Statistic s Of Analytical Chemit “ , Van Nostrand  Reinhold  Company,  New York, 1987.
6. ASTM,” Optical Emission Spectrome- tric  Analysisi  Of  Alumibium  And Aluminium  Alloy  By  The  Point  To Plane Technic, Volume 03.05, 2000.