Daf/llillir dall SlikarsOIlO ISSN 0216 - 3128 73

- --- - ---

PENGARUH ASAM BEBAS DAN NISBAH N03/U LARUTANURANIL NITRAT PADA PROSES EMULSIFlKASI NUKEM

Damunir, SukarsonoPusli/bang Teknologi Majll BATAN, Yogyakar/a

ABSTRAK

PENGARUH ASAM BEBAS DAN NISBAH NG/U LARUTAN URANIL NITRAT PADA PRGSESEMULSIFIKASI NUKEM. Pengandl asam bebas dan nisbah NGj'/U laru/an urani!nitra/ pada proses

emulsifiksi Nukem Lelah dile/ili. Peneli/ian ini mempelajari pengamh asam bebas dan nisbah NGj'/U laru/anurani! ni/ra/ /erhadap sifa/ fisis kemel VjGs berupa densilas dan porosi/as. Larutan urani! ni/ra/ yangmengandung 152,26 g VII, Nisbah NGj'/U = 0,68 dan asam bebas 0,38 M dine/ralkan dengan NH4GH

13,45 M. Laru/an diubah menjadi sol dengan menaf/lbalikan 8 g PVA /llarn/an, 25 ml /llaru/an Parafin dan10 ml/llam/an Mono sarbitol olea/ sambi! diaduk dan dipanaskan pada suhu 80°C selama 20 men it. Untllkmendapa/kan gel berben/uk bola kedl, larn/an sol digelasikan kedalam larn/an medium NH4GH 13,45 Mpada /empera/ur mangan. Gel yang /erben/uk berupa bola kedl, lalu disaring, dicuci dengan lsoprapanol,NH4GH 2,5 %, air dan dipanaskan pada suhu 120°C. Se/elah itu dikalsinasikan pacla sullll 800°C selama4 Jam, menghasi!kan kemel UjGs . Dengan cara yang sama dipelajari penganlh asam bebas. divariasi,0,64-2 M dan perubahan Nisbah NGj'/U,divariasi,O,69 - 3. Karak/erisasi hasil diten/ukan dari sifat fisiskemel oksida UjGs yailll densi/as dan porosi/as memakai metoda Miller. Hasi! percobaan melllll/jukkanba/nva asam bebas dan Nisbah NGj'/V larutan urani! nitra/ berpengaruh /erhadap sifat fisis kernel oksida

uranium. Kondisi paling baik pada asam bebas = 1-1,6 M dan NGj'/U=I,6.

ABSTRACT

THE INFLUENCE GF FREE ACID AND NGj'/U RATIO. GF URANYL NITRATE SGLUTIGN GN NUKEMEMULSIFlCA TlGN PRGCESS. The i/!(1uence of free acid and NGj-/U ratio of IIranyl nitrate on Nukem

Emulsifcation process have been sllldied. The investigated studied il!fluence of free acid alld No.,·/U ratioof uranylllitrate on physical properties of uranium oxides in form the density. porosity and diamater size of

UjGs. Uranyl nitrate solution containing of/ 52,26 g U/l, 0.68 of NGj-/U ratio and 0,38 M .fi-ee acid wasneutralized by 13,45 M NH4GH. The sollltion was changed into sol by adding 8 K PVA/I soilltion. 25 1111

Parafin/l solution and 10111/1solution Mono sarbitol oleate by Mixed and heated at 80°Cfor 20 men Illes.In order to find spherical gel. the sol solution was dropped into 13,45 M NH4o.H solution at 1'00111temperature. The shape formed of the gel was small sperical/hen of the formed gels werefil/ered, washed byIsopropanal alcohol, 2,5 % NH4GH . waier alld heat at 120°C. -1fier /hatthe gels were calcined at 800°Cat 4 haul'S, they forllled U.,Gs oxide particles. Under a similar method. The investigated the influence waschange of free acid in uranyl nitrate solution by variated. 0,64-2 M and the il!fluence NGj-/U ratio byvariated. 0.69 - 3. Cracteriza/ion of result was obtained from physical properties of UjGs oxides in form ofdensity and porosity using Miller Method .. The experimen result hawed the condition change offree acidand NGj'/U ratio of uranyl nitrate solution influence on physical properties of UjGs kernel in forllled thedensity and porosity of UjGs. The accura/ed condition of free acid was 1-1,6 M and NG3'/U ratio was1.6 of uranyl nitrate solution.

PENDAHULUAN

P embuatan kernel uranium dioksida berbentukbola sebagai bahan baku bahan bakar reactorsuhu tinggi, dimulai dengan proses sol-gel. Prosessol-gel emulsifikasi Nukem yang menggunakanlarutan uranil nitrat, dicampurkan dengan zat aditif

polivinilalkohol(PV A), emulsikator parafin danstabilisator sarbitol mono oleat(SP AN-80) padasuhu 70-90 °C menghasilkan sol, kemudian diubahmenjadi gel berbentuk butiran bola kecil, dengancara meneteskan sol kedalam larutan mediumamonium hidroksida pad a suhu kamar. Butiran gelmemadat selama gerak jatuh vibrasi didalamlarutan medium karena adanya reaksi kimia antarabutiran gel dengan molekul amonia. Gel kemudian

dicuci, dipisah dan dikeringkan. Gel yang sudahkering dikalsinasi untuk menghasilkan kernel U,Os(I)

Untuk mendapatkan kernel oksida uraniumtersebut diperlukan larutan uranil nitrat yangmempunyai asam bebas (ion H+), ion nitrat ataunisbah NOiU yang sesuai, karena dapatmempengaruhi proses gelasi gel dalam mediumamonium hidroksida dan kualitas kernel oksida

uranium ditunjukkan dengan densitas, porositas,ukuran butir dan lain lain. Haas (1977f) danAbdel Halim( 1987) (3) , mempelajari pengaruhasam bebas dan nisbah NOiU larutan uranil nitratpada pembuatan kernel oksida uranium, marekamendapat kondisi paling baik yaitu pada nisbahN03'/U = 1,5 - 1,7, dan asam bebas = 1,4 M.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

•••.•==]LEa~ru~ta~n~u~ra~n~iIFn~I~·tr~a~t~y~a~n~g~·m~em~p;;;u~n~y:;;al~'~as~a~m~'='""i"=~2~~P;::e=n=g~a=ru~h~a~s~a""'m=b~b;"!""'''''''=~d==l ===~.~..:;~b b ...• e as pa a arutan urande as, Ion mtrat dan msbah N03'/U terlalu kecil nitratterbentuk dispersi partikel padat dalam larutan

a~ibatnya pada proses peptisasi campuran uranil . Larutan U02(N03)2, diambil sebanyak 6 mlmtrat dengan PVA, parafin dan SPAN-80 d~n dlmasukkan ke dalam glas piala 100 ml, lalumenghasilkan larutan sol padat, sulit digelasikan dltambahkan 1,5 ml NH40H 13,45 dan diaduk

d~la~ medium amonium hidroksida. Gel yang sampa~ homogen, kemudian air distil at ditambahdlhasllkan dari sol yang demikian tidak baik sampal volumenya menjadi 20 m!. Larutan inilongcong, mudah rusak dan pecah menjadi kernel mempunyai kadar U=152,26 g/l, N03'/U = 0,83oksida uranium berpori-pori atau pecah menjadi d~n asam bebas 0,38 M. Sambil diaduk danserbuk oksida uranium pada suhu tinggi. dlpa?askan pada .suhu 60-90 °C selama 20Sedangkan larutan uranil nitrat yang mempunyai memt, larutan dmbah menjadi sol ken tal dengan

asam bebas, ion nitrat dan nisbah N03'/U terlalu menambahkan 8 g PV A I Ilarutan, 25 ml/llarutanbesar terbentuk larutan encer, pada proses peptisasi Para fin p.a, 10 mill larutan SPAN-80 p.a. Untukseperti diatas menghasilkan sol encer, pada proses ~endapatkan gel bulat seperti bola, larutan sol

gelasi menghasilkan gel tidak bulat, mudah pecah dlteteskan. kedalam larutan medium NH40H 13,45menjadi kernel oksida uranium berpori-pori atau M melalUl alat penetes berdiameter 0,86 rom. Gelpecah menjadi serbuk oksida uranium pada suhu yang t~rbentuk didiamkan dan dicuci dengantinggi. Oleh karena asam bebas dan ion nitrat atau Isopropll alkohol, amonium hidroksida 2,5 % dannisbah N03'/U larutan uranil nitrat merupakan air distil~t, lalu dikeringkan pada suhu 80°Cfaktor yang sangat penting dan berpengaruh ~elama 4 jam~ kemudian dikalsinasi pada suhu 800

terhadap kualitas kerne~o . a uranium yang C selama 4 Ja~ dengan menhasilkan kernel U30g.d~ha~i~kan dari proses ol-g I~ sehingga perlu Setelah selesal, percobaan diulangi dengan caradlteht!. Dalam penelitian .. , dipelajari pengaruh yang sarna untuk keasaman larutan U02(N03)2:perubahan konsentrasi asam bebas dan nisbah 0,64; 1,2; 1,64; 1,80 dan 2,0 dengan menambahkanNO)'/U larutan uranil nitrat terhadap perubahan l~rutan HC~ 5 M. Kernel yang dihasilkandensitas dan porositas kernel U)Og. dlten~kan slfat fisisnya yang meliputi densitas,

porosltas dengan metoda Miller (5,6) •

74 ISSN 0216 - 3128 DamufI;r dafl Sukarsoflo

TAT A KERJA

Alat

Alat alat yang digunakan dalam penelitianIlll antara lain satu perangkat alat pemanas,Piknometer, mikroskop optis dan lain-lain.

Bohall

Bahan bahan yang digunakan dalampenelitian ini an tara lain serbuk U30S, asamnitrat, Polivinil alkohol, Parafin, Mono sarbitololeat(SP AN-80), amonium hidroksida, air distalat,isopropil alcohol dan lain-lain

Cora kerja

1. Larutan U02(N03h

Larutan uranil nitrat yang digunakan untukmempelajari pengaruh molaritas keasaman dannisbah NO)"lU terhadap kualitas kernel oksidauranium dibuat dengan melarutkan serbuk U)OSdengan HNO) 13,4 M pada suhu diatas titik didiklarutan. Setelah itu dianalisis kadar uranium denganmetoda modifikasi Titan (4) , keasaman dan nitrat

dengan metoda titrasi alkalimetri. Diperoleb kadarU =507,54 g/l, asam bebas = 2,5 M, kadar nitrattotal = 6,76 M dan nisbah NO)'/U = 0,83.

3. Pengaruh Nisbah NOiU larutan uranilnitrat

Dengan cara yang sarna, dipelajaripengaruh nisbah NO)/U pada larutan uranil nitratdengan memvariasikan nisbah NO)/U larutan =0,69; 1~00; 1,2; 1,6; 2,0 2,2; 2,5; 2,8 dan 3dengan menambahkan larutan NH4NO) 5 M.

PEMBAHASAN

Pada Gambar 1 dan Tabel 1 ditunjukkanbahwa larutan uranil nitrat yang mempunyai kadarU=152,26 g II, nisbah NO)'/U =0,83 dan asambebas yang divariasi dari 0,38 - 2,0 M, digunakansebagai umpan proses gelasi emulsifikasi Nukemdan dicampur dengan 8 g PVAll, 25 ml parafin/ldan 10 ml Span-80/1 pada suhu 70-90 °C selama 20menit berpengaruh pada densitas dan porositasserta ukuran butir kernel U)Os. Pada Gambar 1dapat dilihat, bahwa kondisi asam bebas dalamlarutan uranil nitrat paling baik adalah padakonsentrasi 1,2-1,6 M. Menurut AbdelHalim( 1987) kondisi asam bebas dalam larutanuranil nitrat paling baik untuk pembuatan kerneloksida uranium adalah 1,4 M. Pada kondisi iniuranium dan zat aditif polivinil alkohol dapatbereaksi sempurna membentuk gel dan kernel U)OSbasil kalsinasi yang baik, bulat, tidak berpori danmempunyai densitas lebih besar. Padakonsentrasi asam bebas < 1,2 M, ion hidrogen

Damullir dall Sukarsollo ISSN 0216 - 3128 75

- ._- -- ..- -- -.- -.._~-~ ..- ..~----_ •..._.- --- ...-.. ---'-.- ..--.---. -----.---

dalam larutan uranil terlalu sedikit, sehingga pada uranium dapat bereaksi sempurna denganproses peptisasi menghasilkan sol padat. Gel hasil menghasilkan sol kental sehingga pada prosesproses gelasi tidak baik, mudah pecah pada proses gelasi dalam larutan medium amonium hidroksidakalsinasi pada suhu 800°C selama 4 jam dengan menghasilkan gel berbentuk bulat.menghasilkan kernel oksida uranium yangmempunyai densitas kecil. Pada konsentrasi asambebar >1,6 M, ion hidrogen dalam larutan uranilnitrat terlalu besar, pada proses peptisasimenghasilkan larutan sol encer dan gel yangterbentuk juga tidak baik, sehingga pada proseskalsinasi menghasilkan kernel U30g yangmempunyai densitas keci1. Molaritas asam bebaspada larutan uranil nitrat paling baik untukpembuatan kernel oksida uranium adalah 1,2­I,GM.

E7

0,6.50:5 0 6M :)

Qj

5.5c <D 5-'"(f)~ 4.5

'Vi c 4Cl) 0! 3.5

30.2 0.4

0.6 0.8

---

1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

Tabel 1. Pellggaruh Molaritas asam bebaslarlltall llralli! 11 itra I terhadap analisisPorositas kemel U30S

Molaritas asamPorositas kernelNo

bebas Uranil nitratU30g(% Vol)(M)1

0,38 34,59

2

0,68 36,41

3

1,20 30,99

4

1,40 31,29

5

1,60 32,31

6

1,80 33,45

7

2,00 37,21

Catatan: Pengaturan kensentrasi asam bebaspada larutan uranil nitrat digunakan HCI 5 M

---> Molaritas asam bebas U02(N03)2, M

Gambar l. Pellgaruh Molaritas keasamall la-rutall uralli! lIitrat terhadapdellsitas kemel U30S

Pada Tabel 1 ditunjukkan pcngaruh asambebas terhadap analisis porositas kernel U30g.Perubahan porositas disebabkan oleh perbedaanpori -pori yang tcrdapat pada padatan. Porositaskernel oksida uranium paling kecil sebesar 30,99­32,31 %Vol. Pada kondisi ini, konsentrasi asambcbas dalam larutan uranil nitrat berkisar antara1,2-1,G M dan kernel oksida uranium yangdihasilkan mempunyai pori-pori lebih kecildibandingkan dcngan pori-pori kernel oksidauranium yang dihasilkan pada konsentrasi asambebas dalam larutan uranil nitrat < 1,2 dan > I,G M.

Pada Gambar 2 ditunjukkan, larutan uranilnitrat yang mempunyai kadar 152,26 gUll, asambebas 1,4 M dan nisbah N03/u yang divariasi dari0,G8-3, digunakan sebagai umpan gelasi dandicampurkan dengan PVA, parafin dan SPAN-80dengan komposisi yang sama seperti diatasberpcngaruh terhadap densitas kernel U30g.

Densitas kernel paling besar di hasilkan padanisbah NOiU= I ,G. Menurut Haas( 1977), kondisiNO)U dalam larutan uranil nitrat paling baikadalah pada nisbah NOiU =1,5-1,7. Pada kondisiini terbentuk larutan uranil nitrat dcfisien

asam(ADUN), sedangkan polivinil alkohol dan

7

3

0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2----> Nisbah N03/U larut,an U02(N03)2

Gambar 2. Pellgarllh perubahall Ilisbah NO/Upada IIrallil Ililrat terlwdap dellsilaskemel kemel U30S

Demikian juga kernel U30g hasil kalsinasi gel pada

suhu 800°C selama 4 jam mempunyai pori-porilebih kecil. Pada kondisi nisbah NO)U< I,G

terbentuk dispersi partikel padat dalam larutansehingga reaksi uranium dan PYA menghasilkansol padat, sulit digelasikan dalam larutan mediumamonium hidroksida, gel yang terbentuk tidakbulat, loncong, mudah pecah pada \Vaktu kalsinasi.Pada kondisi nisbah N03/u >1,6, larutan uranilnitrat bcrsifat asam dan konsentrasi ion nitratnyatinggi, schingga pad a proses pcptisasi pcncam-

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

76 ISSN 0216 - 3128 Damllllir dall SllkarSOllO

--~-~~-----------_._------------puran PVA dengan uranium menghasilkan solencer, gel yang terbentuk pada proses gelasi tidak

baik, tidak bulat, lemas, mudah pecah pada proseskalsinasi dengan menghasilkan kernel oksida yangmempunyai densitas lebih kecil.

Pada Tabel 2 ditunjukan pengaruhperubahan nisbah N03/U terhadap analisis

porositas kernel U30g. Porositas kernel oksida

uranium paling kecil dihasilkan pad a kondisinisbah N03/U =1,6 yaitu sebesar 23,75%Vol.Sedangkan pada kondisi nisbah N03/U< 1,6 dan

N03/U > 1,6, kernel U30g hasil kalsinasi gel

pada suhu 800°C selama 4 jam mempunyaiporositas lebih besar. Pada kondisi nisbah tersebut

kernel yang dihasilkan mempunyai pori-pori lebihbesar dibandingkan dengan pori-pori kernel yangdihasilkan pada kondisi nisbah N03/U =1,6.

Tabcl 2. Pengaruh perbandingan NO/U pada/Irani! nitra! terhadap analisisporositas kernel UJO"

PerbandinganPorositas kernelNo

N03/UU30S (% Vol)

I

0,68 37,752

1,00 26,523

1,60 23,754

2,00 31,815

2,50 33,196

2,80 33,99

7

3,00 30,50

Catatan : Pengaturan perubahan nisbah N03-/udigunakan laruatan NH4N03 5 M

Dari hasil percobaan dan pembahasandiatas dapat dipahami bahawa kondisi larutanuranil nitrat paling baik yang dapat digunakansebagai kondisi proses pembuatan kernel oksidauranium dan bahan bakar uranium dioksida denganproses sol-gel emulsifikasi Nukem adalah padakonsentrasi asam bebas = 1,2-1,6 M, rerata =1,4 M

dan nisbah N03-/u =1,6.

KESIMPULANDari hasil percobaan dan pembahasan diatas

dapat disimpulkan:

1. Pada proses emulsifikasi Nukem, asam bebasdan nisbah N03-/u dalam larutan uranil nitratberpengaruh terhadap perubahan densitasdan porositas kernel U30S

2. Kondisi larutan uranil nitrat terbaik yang dapat

dipakai untuk pcmbuatan kernel U30S adalah

._-_.~_._---~. __ .~_~ _ ._"_U._"u _.• ~ .__.~ .•

pada kondisi asam bebas = 1,2 - 1,6 M dannisbah N03-/U= 1,6

SARAN

Penelitian ini perlu dilanjutkan pada larutanuranil nitrat mempunyai kadar asam bebas > 2 Mdan nisbah N03-/u > 3, karena pada kondisiterse but kernel oksida uranium yang dihasilkanmempunyai densitas terlalu kecil, pori-pori terlalubesar dan kualitasnya kurang baik< 1-3).

DAFT AR PUST AKA

1. NICKEL,H .," Development of Coated FuelParticles , KFA Cntributions. Within the

Frame of German High Temperature ReactorFuel Development Program, Kernfor­scunganlage, KFA, Jul-684-R W, Translation,August, (1970).

2. HAAS,P.A., BEGOVICH,J. M., RYON, A.Dand VAVRUSKA,J .S.," Chemical Flowsheet

Condition For Preparing Urania Sphere byInternal Celation', Oak Ridge NationalLaboratory, OAK Ridge, Tennessee 37830,Operated by Union Carbide Corproration forthe Departement of Energy, ORNL/TM­6850, Dist Category UC-77, (1977).

3. ABDEL HALlM,A.S., ELSA YEDALl,M.,AFIFI,Y_K and AFIF1,N.,"Thermal and X-rayAnalysis Studies of U03 Gel Microspheres",Journ"al of Thermal Anaysis,Vo132(I987)1071-1097, August 27, (1986).

4. SIGIT DAN SUMARTONO,W.P," Penentuan

Potensiometrik Uranium dengan ModifikasiMetode Titan'" Prosiding Loka karya Kimiadan Teknologi PBMl Nuklir -BATAN,Y ogyakarta, (1987).

5. MILLER, R.S AND O'LEARY, J ," PremeryChracterization and standariation of Uranium

and Thoria Powder for Extrusion", Allis­

Chalmer, Manufacturing Compony, NuclearPower Departement, U.S AEC Contact NoAT(II-I-767). From meeting ofcharacterization of uranium dioxide Oak

Ridge, December 12-13,1961, pp 298-328

6. MIKHAEL,R.S.H and ROBEN.E.," Micro

structure and Thermal Analysis of solidSurface", JohnWilIey & Son by WileyHeyden LTD, New York, pp 1-29, (1983).

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

DamulI;r dall Sukarsollo ISSN 0216-3128 77

Tumpal P.Bagaimana cara mengatur tingkat keasamanlarutan uranium terhadap sifat fisis kernelU30g.

TANyA-JAWAB------- ---- n --·-----T--------- .---Banyak--UO;-y~ng -terbentuk dipe~garuhioleh besarnya asam bebas ( H+ ) dannisbah NO/V dalam uranil nitrat. JikaV03 yang dihasilkan tidak sesuai akanberpengaruh pada sifat jisis kernel V30S

yang dihasilkan meliputi densitas danporositasnya.

Damunir

Pengaturan keasaman larutan uranil nitTatyang digunakan pada proses emulsifikasiNukem adalah menggunakan HCl5 M.

Endang S.

Bagaimana mekanisme pengaruh asam bebas/N03/ U tcrhadap densitas dan porositas ?

Damunir

Pertama kali ion nilral atau nisbahNOl V dalam uranif nilral dinerralkandengan NH~OH 13,45 M membentukkompleks [VO:(OH) cl+:. Serelah if It

bereaksi dengan ion H+ dari asam bebas,membenruk kompleks [VO:(OH)F danH:O. Kemudain fe/jadi reksi spollfanifaslIIelllbenruk dispersi koloid V03 danmelllbebaskan ion H- kelllbali. Seperrireaksi berikul ;UO,INO<l, + 2NII.01I-+/OO:«J#},r' + 2,\'II.NO,

/<J():f()lI;f +11 (awm bebas)-+/<J().-(.()/.Ifj- +/1,0...,....

fW);fQlIH _ +-'- UQ, ~ __----1:L

UO,I,\'O,), + 2 NII,OIl...,.... UO., + 2N/i,;\'0 .• ++-'-

Abdul Latief

Dari gambar 1, densitas vs molaritas asambebas, maka densitas yang diperoleh relatifsarna. Berapa batas densitas U30g yangdiinginkan ?

Damunir

Bafas densitas kernel V30S yangdiinginkan dari hasi/ proses Sol - gelemulsifikasi Nukem, sebagai bahan bakuunfuk bahan bakar reakfor suhu finggiadalah ~ 96 % Dr , (Dr = densitasfeoritis). Harga Dr unfuk kernel V30S

adalah 8,40 g/ ml (Miller, 1961). Hasilpercobaan, densitas kernel V30S palingbesar adalah 5,8 g/ml .. sama dengan5,8/8.4 x 100% = 69,05 %. lebih kecil dari95 % Dr. Jadi belum melllenuhi balas

kriferia yang diperlukan sebagai bahanbaku untuk bahan bak"r reaklOr dimas.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003