Sintesis Superkonduktor YBa 2 Cu 3 O 7-x Secara Kopresipitasi untuk Aplikasi Industri Nuklir (Yustinus Purwamargapratala)
SINTESIS SUPERKONDUKTOR YBa 2 Cu 3 O 7-x SECARA KOPRESIPITASI

## UNTUK APLIKASI INDUSTRI NUKLIR

## Yustinus Purwamargapratala
Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) – BATAN
Kawasan PUSPIPTEK, Serpong, Tangerang

## ABSTRAK
SINTESIS  SUPERKONDUKTOR  YBa 2 Cu 3 O 7-x SECARA  KOPRESIPITASI UNTUK  APLIKASI INDUSTRI  NUKLIR. Telah  dilakukan  penelitian  sintesa  superkonduktor  YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO-123) secara  kopresipitasi.  Campuran  garam-garam  nitrat  dengan  komposisi  stoikiometris  1:2:3  diatur tingkat  keasamannya  dengan  penambahan  amonia  sehingga  terjadi  pengendapan  bersama. Dengan  perlakuan  panas  untuk  proses  pirolisis,  kalsinasi,  dan  sinter  maka  didapatkan superkonduktor.  Hasil  uji  meissner  menunjukkan  adanya  levitasi,  observasi x-ray  diffraction menunjukkan  adanya  fasa  YBCO-123,  hal  ini  didukung  dengan  adanya  morfologi  YBCO-123  dari hasil scanning  electro  microscopic ,  sedangkan  hasil  pengukuran LCR meter menunjukkan fenomena konduktansi yang meningkat dengan penurunan temperatur.
Kata kunci : sintesa, YBa 2 Cu 3 O 7-x , kopresipitasi, industri nuklir

## ABSTRACT
SYNTHESIS  OF  YBa 2 Cu 3 O 7-x SUPERCONDUCTOR  BY  COPRESIPITATION  FOR  NUCLEAR INDUSTRY  APPLICATIONS .  Synthesis  research  has  been  done  superconducting  YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO-123)  in  copresipitation.  Mixture  of  nitrate  salts  with  1:2:3  composition  stoichiometry  acid levels  regulated  by  the  addition  of  ammonia  that  occur  with  precipitation.  With  heat  treatment  for pyrolysis  process,  calsination,  and  sintering  the  obtained  superconductors.  Meissner  test  results indicate  levitation,  observed  X-ray  diffraction  showed  the  existence  of  YBCO-123  phase,  it  is supported by the morphology of the YBCO-123 scanning electro microscopic results, while the LCR meter  measurement  results  show  that  the  phenomenon  of  conductance  increases  with  decreasing temperature.
Keywords : synthesis, YBa 2 Cu 3 O 7-x , copresipitation, nuclear industry

## PENDAHULUAN
Sistem  reaktor  fusi  terdiri  dari  bagian plasma teras, selimut, bejana vakum, magnet superkonduktor,  dan  lain-lain.  Dibandingkan dengan  reaktor  fisi,  reaktor  fusi  tidak  akan mengalami lepas kendali, dan sedikit menghasilkan  produk  radioaktif,  sehingga
memiliki tingkat keselamatan yang tinggi. Ada dua  cara  untuk  menahan  plasma  sehingga tidak  bersentuhan  dengan  dinding  reaktor.
Cara pertama
adalah dengan mengeksploitasi  inersia  (massa)  partikel. Pada  metode  ini  bahan  bakar  fusi  berbentuk pelet  ditembaki  dengan  partikel  berenergi tinggi  atau  dengan  sinar  laser  dari  segala
arah.  Hasilnya  berupa  partikel   dan  neutron bergerak  ke  arah  dinding  reaktor  untuk diserap  energinya.  Metode  ini  dinamakan inertial  confinement .  Cara yang  kedua memanfaatkan mutan partikel.
Partikel-
partikel  bermuatan  (dalam  hal  ini  plasma) dapat  dijaga  agar  mengorbit  pada  satu lintasan di dalam reaktor dengan menggunakan medan magnet superkuat yang dibangkitkan  oleh  superkonduktor.  Pada magnetic  confinement ini,  superkonduktor berguna  untuk  menahan  plasma  bersuhu sekitar  50  juta  derajat  celsius  agar  tetap berada di tengah-tengah tokamak itu.
Sebagian besar netron yang dihasilkan dalam proses  fusi  akan  terhambur  ke  dinding pertama  tokamak  yang  harus  dibuat  dari material  khusus  mengingat  beban  panas yang  dialaminya  berkisar  10  juta  watt  per meter  kuadrat.  Netron  yang  diserap  dinding ini akan melepaskan sebagian besar energinya. Energi inilah
yang kelak dipergunakan menggerakkan turbin pembangkit listrik.
Dinding  ini  juga  berguna  sebagai media  untuk  proses breeding tritium  untuk kembali diinjeksikan ke dalam plasma sebagai  bahan  bakar.  Contoh  reaktor  tipe  ini adalah Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) yang  dibangun  di  Princeton  USA,  Joint European Torus di Culham Laboratory Oxford Inggris,  atau  Tokamak  JT-60  yang  baru dibangun di Jepang.
Negara-negara Eropa,
Jepang,
Rusia,  dan  Amerika  Serikat  bergabung membangun International  Thermo-nuclear Experimental  Reactor (ITER)  yang  akan menjadi  tokamak  terbesar  di  dunia.  ITER dibangun untuk menyelidiki efisiensi pembakaran  termonuklir  dan  mekanisme pengendalian  plasma.  Untuk  tujuan  ini,  ITER memfokuskan diri pada pembangunan superkonduktor terbesar di dunia, penguasaan  teknologi cryogenic ,  kerapatan tinggi,  pembiakan  serta  penanganan  tritium,
pemanasan plasma, pengendalian jarak jauh, dan  robotika,  yang  belum  pernah  ada sebelumnya. [1-2]
Penggunaan superkonduktor
memungkinkan tidak ada energi yang terbuang  ketika  superkonduktor  menghantar arus  listrik.  Dengan  tidak  adanya  resistansi dalam  superkonduktor  maka  sirkuit  yang menggunakan  superkonduktor  tidak  akan menjadi  panas  sehingga  semakin  banyak sirkuit  yang  bisa  dikompres  dimensinya. Dengan  menggunakan  konduktor  biasa, maka semakin banyak material yang
dikompres mengakibatkan sirkuit bisa terbakar karena panas yang terakumulasi dari resistansi  material  tersebut.  Superkonduktor bisa  berfungsi  sebagai  transistor  yang  dapat mengamplifikasi signal listrik  dengan  sangat cepat  dan  dapat  mendeteksi  medan  magnet yang sangat kecil [3].
Banyak jenis material superkonduktor yang  telah  diteliti  antara  lain  BSCCO,  YBCO, GdBaCuO,  dan  lain-lain.  Penelitian  tersebut menggunakan  berbagai  metode  reaksi  kimia basah atau pun solid state reaction Penelitian menggunakan metode kimia basah yang  telah  dilakukan  misalnya  metode  solgel dan  metode molten  salt [4-9] . Metode kopresipitasi  merupakan  bagian  dari  metode reaksi kimia basah, yang merupakan pengembangan dari metode presipitasi.
Pada  metode  presipitasi,  masing- masing  material  dasar  diendapkan  dengan suatu  reaktan.  Hasil  pengendapan  tersebut kemudian  digabungkan  untuk  pembentukan senyawaan yang diharapkan secara stoikiometris.  Pada  metode  kopresipitasi material-material  dasar  diendapkan  bersama secara  stoikiometris  dengan  reaktan  tertentu. Dengan demikian alur proses metode kopresipitasi lebih sederhana daripada presipitasi.
Pada penelitian ini digunakan metode kopresipitasi.  Metode  kopresipitasi  dilakukan dengan  cara  melarutkan  bahan  pembentuk superkonduktor  YBCO-123,  yaitu  garam- garam  nitratnya.  Dengan  pengaturan  kondisi fasa  cairnya  maka  akan  terjadi  pengendapan bersama  yaitu  kopresipitasi  dari  ytrium, barium,  dan  tembaga.  Perlakuan  panas  yang diberikan  terhadap  endapan  tersebut  akan membentuk suatu oksida secara stoikiometris yang merupakan superkon-duktor YBCO-123.
Dengan  metode  ini  diharapkan  dapat terbentuk  superkonduktor  yang  stoikiometris berukuran butir sangat kecil dan memperbaiki sifat fisisnya yaitu efek meissner, konduktifitas,  morfologi,  struktur  fasa,  dan
lain-lain. Untuk itu hasil sintesa dikarakterisasi dengan  uji  effek  meissner, impedance conductance  resistance  meter  (LCR), X-ray difractometer ( XRD), dan scanning  electro microscopy (SEM).

## TATA KERJA
Bahan  yang  digunakan  dalam  pene-litian ini adalah ytrium nitrat, barium nitrat, tembaga oksida,  asam  oksalat,  asam  nitrat,  ammonia. Sedangkan peralatan  yang digunakan adalah neraca  semi  analitis,  peralatan  gelas,  alat  uji meisnner,  pengaduk  dan  pemanas  magnet, alat kompaksi, X-ray  difractometer, dan  LCR- meter.
Gambar 1. Alur proses sintesa superkonduktor YBa 2 Cu 3 O 7-x dengan  metode kopresipitasi
Y(NO 3 ) 2 Ba(NO 3 ) 2 CuO Asam
Nitrat
Pelarutan Pengendapan Asam Oksalat Amonia Pengeringan Pirolisis Kompaksi Sintering 940 0 C Kalsinasi 900 0 C YBa 2 Cu 3 O 7-x
Bahan garam-garam nitrat dari ytrium dan barium dicampur dengan tembaga oksida dan  asam  oksalat  dengan  perbandingan  mol 1:2:3.  Ditambahkan  asam  nitrat  sebagai pelarut.  Larutan  diendapkan  kembali  dengan penambahan  ammonia  pekat.  Campuran endapan  dan  larutan  diaduk  dan  dipanaskan sehingga terjadi pengeringan. Tahapan berikutnya  adalah  pirolisis  suhu  300 o C  hasil pirolisis  berupa  gumpalan  serbuk  sehingga perlu  digerus  dengan  mortar  dan  dikalsinasi pada  suhu  900 o C    selama  10  jam,  serbuk halus  yang  didapatkan  kemudian  dikom- paksi.  Hasil  kompaksi  berupa  pelet  dengan diameter 1,5 cm dan ketebalan sekitar 3 mm, disinter  pada  suhu  940 o C  selama  10  jam.
Superkonduktor
yang
didapatkan
dikarakterisasi
menggunakan alat
uji
meisnner, X-ray difractometer
(XRD),
Scanning  Electro  Microscopy (SEM)  dan Impedance  Conductance  Resistance  meter (LCR).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Garam-garam  nitrat  yang  dilarutkan dalam  air  dengan  komposisi  tertentu  akan melarut sehingga
pada tahapan pencampuran  semua  reaktan  dalam  bentuk larutan.  Penambahan  asam  oksalat,  dan ammonia akan mengkondisikan tingkat keasaman  yang  sesuai  untuk  terjadinya pengendapan  bersama  (kopresipitasi)  ytrium, barium,  dan  tembaga.  Pengaturan  keasaman (pH)  dilakukan  sangat  berhati-hati  dan perlahan  serta  diikuti  pengadukan  dengan kecepatan  putar  yang  stabil  dan  dilakukan  di ruang  asam  sehingga  pengendapan  terjadi secara  efektif  dan  homogen.  Campuran berupa slurry berwarna  biru  muda  kebiru berlin, hal ini menunjukkan terjadinya pengendapan.  Hasil  penge-ringan  bahan  ini berupa  gel  dan  dicuplik  sebagai  cuplikan prekursor dan dianalisis dengan difraksi sinar- X (XRD).
Gambar 2. Pola difraksi sinar-X cuplikan prekursor
Hasil  analisis  prekursor  seperti  diper- lihatkan pada Gambar 2,
yang menunjukkan bahwa hasil kopresipitasi merupakan  campuran  dari  fasa  YBCO-123, YBCO-211, Y(NO 3 ) 3 , BaCO 3 , dan CuCO 3 . Hal ini menunjukkan bahwa pada tahap kopresipitasi  yang  dilakukan  dengan  pH  7 telah  terbentuk  YBCO-123  meskipun  dengan fraksi  massa  yang  masih  kecil.  Adanya YBCO-211  menunjukkan  bahwa  sebagian  Y, Ba, dan Cu membentuk fasa 211, sedangkan sisanya  masih  dalam  bentuk  nitrat  dan karbonat.
Proses  pirolisis  dilakukan  dengan memanaskan  prekursor  pada  suhu  350 o C selama  2  jam  di  dalam  tungku  pemanas, tungku  tersebut  dilengkapi  dengan  insta-lasi pirolisis untuk menangani gas yang dihasilkan.  Gas  hasil  pirolisis  merupakan  gas
beracun,  yang  pada  tahap  awal  ber-warna kekuningan  dan  akhirnya  tak  berwarna Proses pirolisis ini untuk meng-hilangkan gas- gas yangb tidak diharapkan.
Hasil pirolisis erupa serbuk ber-warna coklat kehitaman dan dianalisis menggunakan  difraksi  sinar-X.  Pola  difraksi sinar-X diperlihatkan pada Gambar 3.Gambar 3.  tersebut  menunjukkan  bahwa  hasil  proses pirolisis  adalah  berupa  oksida-oksida  YBCO- 123,  YBCO-211,  Y 2 O 3 ,  BaCO 3 ,  BaO,    dan CuO  sedangkan  hasil  proses  yang  berupa gas  CO 2 ,  CO,    NO 2 ,  dan  NO  merupakan  gas yang  beracun  dihisap  melalui  instalasi pirolisis. Instalasi ini selain berfungsi menghisap  gas  dan  juga  melarutkan  gas tersebut dalam media air sebelum dibuang ke lingkungan.
Gambar 3. Pola difraksi sinar-X cuplikan hasil pirolisis.
Adanya  BaCO 3 dalam  cuplikan  hasil pirolisis  mungkin  terjadi  karena  titik  leleh  dari BaCO 3 810 o C  belum  tercapai,  dengan demikian belum terjadi degradasi BaCO 3 .
Proses kalsinasi dilakukan pada suhu puncak  900 o C  sebanyak  tiga  kali  masing- masing  selama  10  jam.  Hasil  kalsinasi dianalisis dengan difraksi sinar-X dan
diperlihatkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Pola difraksi sinar-X cuplikan hasil kalsinasi.
Gambar  4.  menunjukkan  bahwa  hasil kalsinasi  terdiri  dari  fasa  YBCO-123,  YBCO- 211  dan  BaO.  Keberadaan  fasa  BaO  ini menunjukkan  bahwa  pada  tahap  kalsinasi belum  semua  komponen  membentuk  YBCO- 123.  Hal  ini  didukung  oleh  munculnya  YBCO-
211.  Sedangkan  pada  hasil  sinter  cuplikan tersebut  menunjukkan  bahwa  fasa  yang muncul  adalah  YBCO-123,  fasa  lain  tidak nampak,  seperti  diperlihatkan  pada  Gambar 5.
Gambar 5. Pola difraksi sinar-X cuplikan
Hasil ini menunjukkan bahwa fasa 211
telah bereaksi dengan BaO dan menghasilkan YBCO-123 sehingga fraksi fasa 123 meningkat.
Pembuktian  adanya  superkonduktor YBCO-123 antara lain dengan cara melakukan pengujian efek Meissner. Pengujian ini
dilakukan  dengan  mendinginkan  cuplikan  di dalam  nitrogen  cair  kemudian  meletakkan cuplikan  tersebut  di  atas  magnet  permanen. Cuplikan  tersebut  yang  menunjukkan  levitasi di  atas  magnet  membuktikan  adanya  fasa superkonduktor.
Gambar 6.   Uji efek Meissner Pembuktian lain
adanya fasa superkonduktor  YBCO-123  adalah  dengan pengamatan  morfologi.  Pengamatan  yang dilakukan  dengan  SEM  (S canning  Electron
Microscopic) terhadap
cuplikan hasil
kopresipitasi  diperlihatkan  pada  Gambar  7.
Gambar 7. menunjukkan morfologi superkonduktor YBCO-123.
Gambar 7. Morfologi cuplikan hasil sintering
Pengukuran  dengan  mengguna-kan LCR  meter variasi  suhu  cuplikan  80-300  K menunjukkan  adanya  pola  superkonduktifitas, seperti ditunjukkan pada Gambar 8.
Pada  Gambar  8,  terlihat  bahwa  ada hubungan erat antara suhu dan nilai konduktifitas  cuplikan.  Pada  suhu  semakin rendah nilai konduktifitasnya semakin meningkat,  hal  ini  menunjukkan  karakteristik dari superkonduktor. Peningkatan nilai konduktifitas ini terjadi karena  cuplikan
mengarah  pada  suhu  kritisnya,  dimana  pada suhu  kritis  maka  resistansi  superkonduktor adalah  nol  sehingga  tercapai  konduktifitas maksimumnya.  Dalam  sistem  pengukuran, resistansi  dipengaruhi  oleh  faktor  kontak  dan impuritas  bahan  sehingga  nilai  resistansi  nol ini  dalam  pengukuran  sulit  tercapai  maka dilakukan pendekatan  konduktifitas pada suhu nitrogen cair (77 K) adalah 9,3 x 10-3 mho.
Gambar 8. Kurva hasil pengukuran konduk tifitas cuplikan hasil sintering.

## SIMPULAN
Superkonduktor YBCO-123 dapat disintesa  dengan  metode  kopresipitasi  yaitu dengan  menggunakan  garam-garam  nitrat ytrium,  barium,  dan  tembaga.  Pengaturan tingkat  keasaman  merupakan  bagian  sangat penting  dalam kopresipitasi.  Nilai  konduktifitas superkonduktor YBCO-123 hasil sintesa adalah 9,3 x 10-3 S/ cm.

## DAFTAR PUSTAKA
1.  YUDIONO, ”Tahun 2050 Reaktor Fusi Dioperasikan ”, Jakarta , Kompas, 23 Juli
2004.
2.  KOMPAS MINGGU, ” Menunggu Rampungnya Raktor Fusi ”, Jakarta, 14 April 1996 3.  INFOTEKKOM, ”Sifat-Sifat Superkon- duktor ”, Jakarta, 24 April 2008.
4.  YUSTINUS PURWAMARGAPRATALA
DAN  WISNU  ARI  ADI, ”  Interaksi  Ag dengan  superkonduktor  BSCCO  fasa 2223 ”,  Jurnal  Ilmiah  Teknik  Mesin,
Universitas  Trisakti,  Jakarta  Volume  8, Nomor  1,  Januari  2006,  Terakreditasi Nomor  39/DIKTI/Kep/2004,  Halaman  10- 20.
5.  YUSTINUS PURWAMARGAPRATALA, WISNU A ADI, ENGKIR S,UKIRMAN DAN
DIDIN, ”  Karakterisasi  Sifat  Intrinsik  Ring YBa 2 Cu 3 O 7-x Tanpa  dan  Dengan  Bahan Aditif PVA ”, Jurnal Sains Materi Indonesia,
ISSN  1411-1098,  Edisi  Khusus  Oktober 2006, Halaman 160-165. Akreditasi No.39/DIKTI/KEP/2004 6.  YUSTINUS PURWAMARGAPRATALA, ENGKIR  SUKIRMAN  DAN  DIDIN  S., ”Pengaruh  Suhu  dan  Waktu  Sinter Terhadap Penumbuhan Fasa Superkonduktor  GdBa2Cu3O7-x ”, Jurnal Sains  Materi  Indonesia, ISSN  1411-1098, Edisi  Khusus  Oktober  2007,  Halaman  77- 82. Akreditasi No.39/DIKTI/KEP/2004
7.  ENGKIR  SUKIRMAN,  YUSTINUS  P, WISNU A ADI, DAN DIDIN S., ” Pengaruh
Prekursor Nonstoikiometris Terhadap Pembentukanm Fasa Superkonduktor
YBCO  Pengaruh  Dopping  Ca  Terhadap Struktur  Kristal  Superkonduktor  YBCO ”,
Jurnal Sains Materi Indonesia, ISSN 1411- 1098,  Edisi  Khusus  Desember  2008,
Halaman 187-194.
8.    DIDIN  S.,  YUSTINUS  P,  WISNU  A  ADI DAN, E SUKIRMAN, ”Pengaruh Annealing
Terhadap  Pembentukan  Superkonduktor YBa2Cu3O7-x  Fasa  123  Hasil  High Energy  Milling ”, Jurnal  Sains  Materi
Indonesia, ISSN  1411-1098,  Edisi  Khusus Desember 2008, Halaman 181-186.
9.  ENGKIR  SUKIRMAN,  WISNU  ARI  ADI, DIDIN  S.  DAN  YUSTINUS  P., ”  Proses
Pelelehan  YBa2Cu3O7-x ”, Prosiding
Pertemuan  Ilmiah  Iptek  Bahan  ‘04 , Serpong,  7  September  2004,  Halaman 233-240.