p~ ~N~ H~ N~ ~ ~ X Kt 3, rSSN 1410-"J~g~

ANALISIS PENYEBAB PERUBAHAN DINDING DAN FILAMEN PEMANAS TUNGKUSINTER UO2 MENGGUNAKAN FLUORESENSI SINAR-X

YusufNampira, Rosika Kriswarini, Ratih Langenati

Pusat Pengembangan Teknologi Bahan Bakar Nuklir dan Daur Ulang -BATAN

ABSTRAKANALISIS PENYEBAB PERU BAHAN DINDING DAN FILAMEN PEMANAS TUNGKU SINTER UO2 MENGGUNAKAN

FLUORESENSI SINAR.X. Sintering pelet UO2 dilakukan pada temperatur 1700oC dan menggunakan gas H2 sebagai atmosfer. Dinding tungkuadalah bata alumina dan elemen pemanas adalah filamen silikonkarbida dibungkus molibdenum. Setelah tungku digunakan terbentuk lapisanhitam pada dinding tungku dan kerak pada permukaan filamen. Penyebab keadaan ini perlu diketahui untuk menentukan penggunaan tungkuselanjutnya, sehubungan dengan itu unsur pelapis dan unsur dalam kerak dianalisis dengan metode fluoresensi sinar-x. Perbedaan kandunganpada permukaan bata dinyatakan sebagai perbandingan jumlah cacah sinar-x karakteristik masing masing unsur terhadap jumlah cacah sinar-xaluminium. Hasil analisis ini menunjukkan adanya kenaikan kandungan sulfur pada permukaan yang mempunyai kebolehjadian bersinggungandengan atmosfer tungku, sehingg kemungkinannya sulfur merupakan bagian dari pengotor gas H2 yang digunakan dalam proses sintering.

ABSTRACTCAUSE OF CHANGES ON BRICK AND FILAMENT HEATER OF UO2 SINTERING FURNACE ANALYSIS BY X.RAY

FLUORESCENCE. Sintering of UO2 pellets were reformed at temperature 17000c and H2 gas atmosphere. Furnace wall was alumina brick andthe heating element was filament of siliconcarbide which covered by molibdenum. After this fumace was used, black color coating material wasproduced on the brick surface and bumts come to the filament surface. The Oligi~ uf this situatiorl is important to decide the fumace application inthe future. The coating elements and burnst materials were analyzed by X-ray fluorescence method. The differences of elements contents on thebrick surfaces were explained as ratio of count number of element x-ray characteristic to count number of aluminium x-ray characteristic. Theresult indicated the sulphur contents rises as the surface has more contact with the fumace atmosphere. The sulphur may be an impurity of H2gas used in the sintering process.

PENDAHULUAN

Penggunaan tungku sinter pada pembuatanbahan bakar U02 adalah untuk menyinter pelet U02mentah sehingga mencapai kualitas yang diinginkan.Penyinteran bahan bakar tersebut dilakukan padatemperatur 1700°C dalam lingkungan gas H2. Hal inidibutuhkan agar oksigen yang berlebih dapat dikurangimelalui proses reduksi sehingga diperoleh pelet U02dengan angka banding 0/0 mendekati 2,0.

Tungku tersebut mempunyai dinding batakeramik alumina, pada dua sisi vertikal terdapat lubanguntuk tempat filamen pemanas silikon karbida denganpelapis molibden. Adapun bentuk bata keramik iniditunjukkan dalam Gambar 1. Setelah digunakan dalambeberapa waktu dinding ini mengalami perubahan yaitutimbulnya lapisan warna hitam dan terbentuknya kerakpad a dinding filamen. Perubahan ini kemungkinandisebabkan oleh terjadinya pemanasan yang berlebih atauterjadinya suatu reaksi antara din ding maupun filamendengan unsur dalam U02 pelet mentah atau unsur lainyang merupakan sebagai pengotor dalam bahan prosesyang dilakukan. Sehubungan dengan hal tersebut di atasmaka acta 2 kemungkinan penyebab perubahan tersebut

yaitu: Perubahan yang disebabkan oleh faktor bahanyang di proses (seng stearat, dan uranium), hila hasilanalisis pada dinding dan filamen tungku menunjukkanadanya unsur penyusun dinding sinter, seng, uranium,silikat dan molibdenum. Sedangkan hila hasil analisismenunjukkan adanya unsur selain un sur di atas, hal inimenunjukkan bahwa penyebab perubahan tersebutdisebabkan oleh bahan pengotor dalam bahan pendukungproses (pengotor dalam gas Hv. Guna mengetahuikeadaan yang sebenamya maka perlu dilakukanpenganalisaan baharl tersebut, sehingga dapat dilakukantindak lanjut tentang penggunaan tungku sinter tersebut.Analisis unsur pada permukaan bahan dapat dilakukandengan metode fluoresensi sinar-x [1,2].

Analisis tersebut didasarkan pada analisisspektrum sinar-x karakteristik yang dihasilkan padainteraksi fotolistrik antara sinar-x yang berasal darisumber-sinar-x dengan atom atom pada permukaanbahan yang dianalisis [2,3,4]. Oalam interaksi tersebutdihasilkan sinar-x sinambung dan sinar-x karakteristikdari suatu atom yang ditunjukkan oleh energi puncakspektrum yang di hasilkan. Setiap unsur mempunyai

~, 2g J~ 200082

A~ p~ p~ ~ u". f~ p~ 1~ ~ UO, H~ F~ ~-XV..u.e N~, J/d..

spektrum dengan puncak pada tertentu, energi spektrumini digunakan sebagai dasar analisis kualitatif unsur.Sedangkan kuantitatif unsur dilakukan denganpengukuran jumlah cacah puncak yang dianalisis denganmembandingkannya dengan suatu standar. Jumlah cacahsinar-x yang terukur dalam analisis mengikuti persamaandi bawah ini [5]:

permukaan bata yang dekat dengan proses sinter UO2.Oleh sebab itu permukaan bata bagian de pan merupakan

permukaan yang berhubungan langsung dengan prosessinter dilakukan, sehingga permukaan ini mempunyai

kebolehjadian bersinggungan dengan bahan bahan prosesterse but, diantaranya gas atmosfer sintering. Spektrurnbasil analisis permukaan bagian belakang keramik

menggambarkan puncak spektrum yang menunjukkanadanya unsur: oksigen, aluminium, silikon, sulfur,kalium, kalsium, cerium dan besi. Spektrum yangdihasilkan dari analisis permukaan depan, permukaanatas balok dinding dan keramik alas dasar tungkumenunjukkan adanya unsur tersebut. Hasil iniditunjukkan dalam Gambar 2. Sedangkan spektrum basilanalisis kerak filamen menunjukkan adanya unsursilikon, sulfur dan molibdenum, seperti yang ditunjukkandalam Gambar 3.

Y : n N crX(E) G(1)

dengan Y : jumlah cacah sinar-x yang dihasilkan dariperistiwa fotolistrik, N : jumlah atom persatuan luas, n :

jumlah kejadian pada partikel, crX(E): tampang lintangproduksi sinar-x clan G : faktor geometri clan lingkunganpengukuran.

Gambar Bata tungku sintering

BAHAN DAN TAT A KERJA

j;'.~~:.~-;~.,~~:_.;~Oomb,,2d Sp'klnomn~"K",i';"""'."m;'d"ul"",k"

,. ;;;-..~;;;-..;;;~"'";;~'",,;;:=..Oombu" Sp'k""",fI~"K". .no,., p ..b',;M"",

=". Oombu 2b Sp'k""m fI~~K",; "",,., p'mo.kun b,O;" d..." b...

::~!!-~-:;. k ~~.:-:::-".:,,~,:~.,;;=..

0 " S..kl",m fI~'R",; ,;""., p'nu"kun b"OM ""ok,". ba"

Gambar 2. Spektrum fluoresensi sinar-xdari permukaan bata tungku sintering

Keramik dinding daD keramik dasar tungkusintering serta kerak pada permukaan filamen digunakansebagai bahan uji. Sedangkan peralatan yang digunakanadalah alat fluoresen sinar-x EDX (DX 95) PHILIPS,menggunakan sumber tabung Mo daD detektorsemikonduktor SiLi yang berada di Pusat PengembanganBahan Bakar Nuklir dan Daur Ulang -BAT AN.

Masing masing permukaan bahan keramikdianalisis dengan menembak sinar-x dari tabung dengantegangan sumber sebesar 15 kV dan kuat arus listrik 100~A. Tekanan ruang analisis 500 mtoTT. Pencacahansinar-x dilakukan selama 300 detik. Spektrum yangdihasilkan dianalisis secara kualitatif daD dicacah jumlahsinar-x untuk setiap puncak spektrum yang dianalisis.Sebanyak 30 mg kerak permukaan filamen ditempelkandengan menekannya pada permukaan baja tahan karatpada tekanan 500 kN. Sampel tersebut dianalisis dengantegangan sumber 20 kV dan kuat arus listrik 45 ~A.Hasil spektrum yang dianalisis secara kualitatif danditentukan jumlah cacah sinar-x untuk setiap puncakspektrum tersebut.

rr~ ,. :;:-:-.. ~.~':;! ~

~ ~J411r_~~ ,o.=~~'~:~""'~'o"',"J".""""""O' '. c,,- ,",.. , , ,.".0""""" S",""" n...".,.. ,,',' podO ",","""","", """"'" "..{

Gambar 3. Spektrum fluoresensi sinar-xdari serbuk kerak filamen pemanas

Bata dinding tungku tersebut merupakankeramik alumina, hal ini ditunjukkan dalam spektrumhasil analisis menunjukkan puncak paling tinggi beradapada energi sinar-x karakteristik aluminium dari transisielektron kulit K. Dengan asumsi kandungan aluminiumterse but tetap pada permukaan dan berdasarkanpersamaan 1 (kandungan unsur berbanding lurus

HASIL DAN PEMBAHASAN

Permukaan bagian belakang bata dindingsintering berwama putih, bagian ini berdekatan dengandinding luar sinter, sedang bagian depan bata merupakan

~, zg J~ ZOOO 83

A~ p~ p~ ~ ~ F~ p~ T+ ~ liD, H~ F~ ~Y--e N~I ~.

terhadap cacah sinar-x karakteristik unsur yangbersangkutan), maka untuk mengetahui perbedaankandungan unsur pada beberapa permukaan bata dindingtungku selanjutnya, analisis ditekankan pada perubahankandungan unsur lainnya secara relatif terhadapkandungan aluminium. Dalam hal ini dinyatakan sebagaiperbandingan cacah sinar-x karakteristik unsur lainterhadap cacah sinar-x karakteristik aluminium.Berdasarkan kebolehjadian terjadinya singgungan antarapermukaan bata dinding tungku dengan bahan yangdisinter daD atmosfer penyinteran, permukaan batabagian belakang mempunyai kemungkinan paling kecil.Oleh sebab itu pengotoran unsur proses sinter pactapermukaan sampel bagian belakang bata relatif lebihkecil, sehingga bagian ini didigunakan sebagai dasaranalisis perubahan yang terjadi pacta permukaan lainnya.

Adapun kandungan unsur pacta masing masingpermukaan mempunyai perbedaan kandungan relatifunsur terhadap aluminium, seperti ditunjukkan dalamTabel I. Hasil analisis unsur dalam kerak filamenmenunjukkan adanya unsur silikon, karbon clan sulfuryang relatif tinggi, di samping itu kan dunganmolibdenum yang rendah. Hal ini menunjukkan bahwafilamen tersebut telah mengalami pengikisan logam Mopembungkus silikonkarbida, kerusakan ini disebabkanadanya senyawa sulfur dari luar bahan yangmenyebabkan terjadinya korosi pada pembungkusfilamen, keadaan ini berlanjut sampai pacta bagian dalamfilamen pemanas sehingga terjadi pelepasan unsur unsurpenyusun filamen tersebut. Keadaan ini ditunjukkanpula terjadinya peningkatan unsur tersebut pactapermukaan bagian atas balok dinding tungku yangberhubungan langsung dengan filamen tersebut.Adapun peningkatan unsur pacta permukaan ini sangatnyata, diantaranya: silikon sebesar :!: 70 kali, sulfur:!: 9kali, fosfor + 2 kali clan oksigen + 14 kali lebih tinggidaTi pada kandungan unsur tersebut pacta permukaanbagian belakang bata keramik. Sedangkan hasil analisis

permukaan dinding depan menunjukkan peningkatankandungan sulfur sebesar:!: 22 kali, fosfor :!: 5 kali,oksigen :!: 10 kali lebih tinggi dibandingkan dengan

kandungan nya pacta bagian belakang. Perbandingankandungan sulfur pacta permukaan keramik dasar tungkudengan kandungannya pada permukaan keramik bagianbelakang bata dinding yang sekitar 5 kali. Keadaan diatas menunjukkan bahwa peningkatan kandungan unsurtersebut bukan disebabkan oleh adanya panambahanunsur dari luar bata alumina. Bila ditinjau daTi bahanyang di proses (pelet U02) tidak mengandung unsurtersebut.

dasar tungku, hal ini sesuai dengan arah aliran gas dalamtungku, yang bermula dari bagian atas dan keluaran nyapada bagian bawah. Berdasarkan keadaan di ataskemungkinan utama penyebab perubahan dindingtungku tersebut disebabkan adanya gas pengotor padagas H2 yang digunakan sebagai atmosfer dalam sinteringVO2.

Tabel1. Cacah sinar-x karakteristik unsur relatifterhadap cacah aluminium hasil analisis sam pel

menggunakan fluoresensi sinar-x

KESIMPULAN

Berdasarkan analisis un sur dan perbedaankandungan unsur relatif pada bagian permukaan batakeramik alumina dinding tungku dan kerak padapermukaan filamen menggunakan fluoresensi sinar-xmenunjukkan perbt:daan kandungan sulfur dan fosforpada masing masing bagian batao Kandungan unsurtersebut sesuai dengan kebolehjadian permukaan dindingtungku berhubungan dengan atmosfer penyinteran UO2,hal ini menunjukkan bahwa penyebab perubahanpermukaan keramik tungku dan filamen pemanas adalahadanya sulfur dan fosfor dalam bahan pendukung proses,dalam hal ini gas hidrogen yang digunakan mengandunggas pengotor. Untuk penelitian selanjutnya pengotordalam gas atmosfer yang digunakan perlu dianalisis, danperlu digunakan perangkap gas korosif (Sax) pada sistemmasukan gas ke dalam tungku.

DAFTAR PUSTAKA

[1].

[2],Oari perbedaan kandungan unsur sulfur danfosfor pacta bagian permukaan bata dan keramik dasarmenunjukkan bahwa semakin besar kebolehjadianpermukaan tersebut berhubungan dengan atmosfertungku mempunyai kandungan sulfur relatif semakinbesar. Keadaan ini ditunjukkan pula oleh kandungansulfur pacta permukaan depan bata dinding keramik yanglebih besar dari kadungan nya pacta permukaan keramik

[3].

Application Report, Measurement of Film Oxideof Silicon Wafer by X-Ray Spactrometry, XRF066, Rigaku Co.BERTIN, F.P,Principles and Practice of X-RaySpectrometric Analysis, 2nd ed., Plenum, NewYork (1975).TERTIAN, R. and CLAISE, F., Principles ofQuantitative X-Ray Fluorescence Analysis, Heiden& Son Ltd., Rheine (1982).

84 ~, 2g J~ 2000

A~ p~ p~ ~ ~ F~ P--.1--+ ~ UO, H~ F~ ~-xV~ N~, ~.

[4].

JENKINS, R. and DE VRIES, .J .L.,Practical X-Ray Spectrometry, 2nd ed. Macmillan, London(1969).

[5). MITCHELL,I. V. and BARFOOT ,K.M., Particleinduced x*ray emmission analysis application toanalytical problems, Nuclear Science Applicationsan International Journal, August 1981.

TANYA-JAWAB

Penanya: Agung N.O.I. Bagaimana prinsip dasar penggunaan fluoresensi sinar-x untuk analisis bahan ?2. Apa keuntungan analisis menggunakan metode ini ?3. Mohon penjelasan tentang rumus Y = n N crX(E) G. bagaimana aplikasinya di lapangan ?

Jawaban1.

2.3.

lnteraksi antara sinar-x terhadap bahan akan menghasilkan fluoresensi sinar-x yang mempunyai spektrumsinambung clan spektrum diskrit (sinar-x karakteristik), berdasarkan analisis sinar-x karakteristik inianalisis bahan dilakukan.Keuntungan analisis menggunakan metode ini yaitu analisis dapat dilakukan dengan cara tidak merusak.Rumus tersebut menunjukkan hubungan antara jumlah cacah sinar-x karakteristik yang diukur denganjumlah atom dalam satuan luas, tampang lintang produksi s.inar-x sesuai dengan atom yang ada dalamsarnpel, atmosfer clan geometri pengukuran. Aplikasinya di lapangan analisis sarnpel dilakukan denganmembandingkan dengan suatu standar, agar faktor geometri clan jumlah kejadian (n) antara sampel clanstandar mempunyai harga yang sarna maka standar yang digunakan mempunyai matrik clan luasan sarnpelsarna dengan luasan standar yang dianalisis.

Penanya: Neni Kurmawati (AKA Bogor)1. Bagaimana dasar analisis kualitatif dan kuantitatif menggunakan metode ini ?2. Bagaimana teknis penyiapan sampel menggunakan metode peletisasi ?3. Bagainana efek matrik pada analisis dengan metode ini ?

Jawaban :1. Dasar analisis kualitatif yaitu dengan kesesuaian antara energi puncak spektrum sinar-x karakteristik dalam

spektrum yang dihasilkan dengan energi sinar-x karaktristik untuk setiap atom (tabel sinar-x karaktristik).Sedangkan analisis kuantitatif didasarkan pada pengukuran jumlah cacah sinar-x karakteristik dari suatuunsur, untuk memudahkan penentuan kuantitatif suatu unsur dilakukan dengan tara relatif yaitumembandingkannya dengan suatu standar.

2. Metode penyiapan sampel dilakukan pada sampel serbuk dengan menambahkan matrik dari bahan yangmengandung unsur yang berbeda dari unsur dalam sampel, parameter penekanan sampel sarna denganparameter penekanan standar.

3. Dalam analisis dengan metode ini, terjadinya sinar-x un sur dalam sampel tidak hanya akibat interaksi atomdengan sinar-x dari sumber (sinar-x primer), akan tetapi sinar-x yang dihasilkan dari interaksi sinar-xprimer dengan atom matrik akan berpengaruh pula pada jumlah sinar-x unsur yang diukur. Disamping ituatom atom matrik tersebut dapat menyerap sinar-x dari unsur yang di analisis. Oleh sebab itu matriksampel sangat berpengaruh pada analisis dengan metode ini.

85~, 2'1 J~ 2000