PENENTUAN LAJU KOROS! KELONGSONG

BAHAN BAKAR REAKTOR KARTINI

DENGAN nETODE AKTIVASI

Yohannes Sardjono

Sutjipto

PUBat Penelitian Muklir Yogyakarta

ABSTRAK

Telah selesai dilakukan perhitungan laju korosi

kelongsong bahan bakar reaktor dengan metode aktivasi•. Pada

perhitungan ini terlebih dahulu dilakukan pengambilan

salah satu isotop atau lebih dari isotop produk korosi

yang berada pada permukaan bahan bakar. Dari perhitungan

diatss didapatkan bahwa laju korosi kelongsong bahan bakar

adalah 230138,0707 x 10-18 gr/cm2.detik dengan memakai

isotope produk korosi Ni-65 yang terlarut sebesar 210

inti/cm2•

ABSTRACT

A Calculation of the corrosion rate of the cladding

reactor fuel element with activation method has been made.

The first step of the calculation was to take one is more

isotope from the isotope corrosion product on surface of the

cladding fuel element. The experiment showed that the

corrosion rate of the cladding reactor fuel element which was

based on dissolving an isotope corrosion product Ni-65 of 210

atom nucleus/cm2 is 230138 . 10-18 g/cm2 detik.

468

PENDAHULUAN

Korosi adalah peristiwa hilangnya elektron dari metal ke

lingkungan (biasanya lingkungan ini adalah air dan oksigen)

dan membentuk hasil korosi yang disebut oksida. Misalnya saja

kelongsong bahan bakar reaktor Kartini yang terbuat dari

55-304untuk type 104 dan Al-1100F untuk type 102 oleh karena

mengalami proses korosi secara elektrokimia maka permukaan

korosi dalam bentuk oksida.

Pada tabel I dan II dapat dilihat prosentase unsur-unsur

yang menyusun kelongsong 55-304 dan Al-1100F dan jika

mengalami proses korosi secara elektrokimia dalam air

pendingin primer maka sebagian unsur tersebut akan membentuk

oksida dalam permukaan kelongsong. Karena oksida tersebut

berada dalam medan netron maka oksida akan mengalami proses

aktivasi dan aktif yang besar aktivitasnya tergantung dari

kelimpahan unsur penyusun, luas tampang lintang serapan

mikroskopis dan lama irradiasi dalam teras reaktor.

5elain dari proses elektrokimia pada teras juga terjadi

korosi oleh karena adanya tegangan kontak antara dua logam

yang berbeda jenisnya yang dikenal dengan proses galvanic

corrosion. Pada proses ini terjadi pada kelongsong 55-304

dengan grid penyangga bahan bakar yang terbuat dari Al-1100F.

Dengan metoda aktivasi prod uk korosi dapat ditentukan

laju korosi kelongsong bahan bakar reaktor yaitu dengan

memompa air pendingin primer dalam teras dan dialirkan lewat

resin penukar ion (seperti gambar I) maka diharapkan prod uk

korosi yang teraktivasi dapat diserap resin penukar ion.

Kemudian dianalisa secara radiometris maka hasilnya

dapat ditampilkan pada tabel III dan setelah memasukkan

beberapa parameter yang terdapat pada tabel III pada rumus 7

maka laju korosi kelongsong dapat dihitung.

469

II. PERHITUNGAN :

Bentuk persamaan'defferensial untuk pembentukan korosi dalam

teras

( 1 )

Dimana ~C = Consentrasi atom yang teraktivasi oleh reaksi

a ( n, '0 ) b.C. = Penampang lintang mikroskopis neutron thermal

untuk serapan.

Q. = Fluks neutron thermal (n/cm2 - sec).

Nbc = Consentrasi isotop atom b yang telah dibentuk

dalam teras dengan reaksi a ( n, ff) b.

?b = Constanta peluruhan dari atom b.t := waktu (sec).

Penyelesaian PD linear orde 1 ( 1 ) adalah

( 2 )

Untuk analisis selanjutnya

dNbC 0,5. C • Ae • Nbc

dt ~( 3 )

-Dimana : C = laju korosi ( gr/cm2 - sec

Ae = luas permukaan bahan yang teraktivasi dalam air.

Ae = luas permukaan sistim primer dalam teras sebagai

tempat terdipositnya hasil korosi (cm2).

Nb8 = atom b yang telah terdeposit dalam permukaan

kelongsong.

0,5 = assumsi yang diambil untuk perbandingan crud

yang terdeposit dibagi crud total,

Untuk persamaan (2)jika t 1/2 atom b kecil maka

- Ab t1 - e ) = 1 sehingga

•

470

( 4 )

( 5 )

o , 5 C Ae Qa"cra Qe

[1 -Ab t -Ab t 1)..bNlI'" =

-"bte _e/..b ~

Atau ~b2

Nb·AsC =

( 7 )

V. Q. (1

- ')..b t- /--b t

o , 5 Ae Q."- /-b t e- e)

Dimana : C = laju korosi (gm/em2 see).

Nb. = hasil korosi untuk isotop b yang terdeposit

pada kelongsong bahan bakar (inti/em2).

As = luas permukaan kelongsong bahan bakar dalam air

(em2).

0,5 = (hasil korosi yang terdeposit)

total) .

(hasil korosi

Ae = luas permukaan bahan bakar yang teraktivasi

( em2 ) •

Qa" = eonsentrasi inti a pada kelongsong yang

teraktivasi a(n, ([ )b. (atom/gram)

•

471

~a = aktivasi urituk inti a (cm2/atom),

Q. = fluks neutron (n/cm2 det).

~h = (0,693) : (t 1/2) untuk inti b.

III. HASIL DAN PEnBAHASAN

Dari identifikasi terhadap produk korosi kelongsong

bahan bakar didalam teras reaktor didapatkan bahwa Mn-57

Cu-67, Zn-69, Ni-65, Mn-58, Cu-66, Zn-65, Mn-56 dan Al-30

masing-masihg jumlah inti persatuan Iuas bahan bakar adalah

2, 0, 1,210, 0,2,41,4 dan 0 inti/cm2•

Setelah diadakan perhitungan dengan data-data terse but diatas

didapatkan bahwa laju korosi kelongsong bahan bakar adalah

berbeda-beda yaitu 2,9x10-16; 1819,7x10-16; 2301,38x10-16;

38113,8x10-16; 6,7x10-20 dan 86,35x10-20 gram/cm2.detik

(tabel III).

Perbedaanitu dikarenakan tidak sempurnanya pengambilan

isotope prod uk korosi yang menempeldipermukaankelongsong

bahan

bakar,danhalini dapat diatasidenganpengambilan

salah

satuelement bahan bakarkemudianditempatkanpada

salah

satuuji kebocoran bahan bakar dandilarutkandalam

larutan AP-CITROX (KMnO~ 5 g/L * Citric acid C6HeC2H20 10g/L)

atau melalui elektrokimia H3PO~ 10 % dan rapat arus 60 mA/cm2

selama 5 menit).

IV. ICESH1PULAN

Dengan memakai metoda aktivasi dapat digunakan untuk

menentukan laju korosi kelongsong bahan bakar dalam teras

reaktor. Pada penentuan ini sang at dipengaruhi oleh

kesempurnaan pengambilan isotope prod uk korosi dari hasil

aktivasi selama bahan bakar berada dalam teras reaktor. Oleh

karena hasil perhitungan in! belum sempurna, tapi walaupun

demikian dapat disimpulkan bahwa laju korosi kelongsong bahan

bakar 2,3 x 10-13 gr/cm2.detik

DAFTAR PUSTAKA.

1 . A. L. Medm; LITERATURE SURVEY FOR ACTIVITY BUILD-UP ON

REACTOR PRIMARY SYSTEM COMPONENT; Alco. Product, Inc;

Schenectady; New York January 15, 1958.

2. I.A.E.A.; Water Chemistry and Corrosion Problems in

Nuclear Power Plant; Proceedings of A Sympusium, Vienna,

22 - 26 November 1982.

473

TABEL I. - BEBERAPA KOMPOSISI BERAT HASIL KOROSI DARI KELONGSONG

BAHAN BAKAR TYPE 104 DALAM TERAS REAKTOR (TYPE KELONGSONG

SS - 304>.

A. Dari basil reaksi (n, 11' >

:~::~~~~~:~_::::~~ __I Intil Kelimpahan I Intil'Waktu I Energi /Unsur IBerat(gr) IInduk (gram) IHasil paro (Kev)---------------------------------------------------------------------Carbon I 0,1405921 C12 10,139031 I C13 I stabil 1 tidak ada

I I 1 I I 1I I·C13 11,560571x10-3 C14 5730 t 1 tidak ada/---------------------------------------------------------------------Manganese I 3,51480 I Mn5513,51480 I Mn5612,579 j 1 2112,8 (10);

I I I I I 1 1810,7 (20);1 I I· I 846,9 (70).

Phosphorus I 0,0790831 p31 10,079083 1 p32 114,26 h I tidak ada·---------------------------------------------------------------------

Sulfur I 0,0527221 S32 10,050096 I S33 I stabil tidak adaI S33 13,954150X10-4 S34 stabil tidak ada

1 I .1 S34 2,219596x10-3 S35 87,5 h tidak ada /

I S36 18,962740X10-6 S37 5,05 m 3103;---------------------------------------------------------------------

Silicon I 1,75740 I Si2811,66988150 I Si291 stabil tidak adaI Si291o,08207058 Si30 stabil tidak ada

I I -1 Si3010,05447940 Si31 2,62 j 1266---------------------------------------------------------------------

Chromium 135,14800 I Cr5°10,043500 I Cr51 127,70 j I 320,0 (100)

I I cr52129,4505092 1 Cr531 3,55 m tidak adaCr53 3,339060 I Cr54 stabil tidak adaI I 1

1 1 Cr5410,82949280 ICr55 stabil 1 tidak ada---------------------------------------------------------------------Nickel 121,08880 I Ni58114,4036504 I Ni5917,5x104jl tidak ada

I I I 1 1

I 1 Ni6015,50417680 1 Ni61 stabil I tidak adaI Ni61 10,23619456 I Ni62 stabil I tidak ada

II I II I Ni6210,75708792 Ni631 100 t I tidak ada

I I I 1 I II I Ni6410,19190808 I Ni65 2,52 j 366,5 (10);I I 1 I I 11115,4 (30);1 1 I I 1 11481,7 (50).---------------------------------------------------------------------

Iron 1113,958601 Fe5416,609598974 I Fe55 1 2,7 t I tidak ada

I I Fe561104,6139975 I Fe571 stabil I tidak ada

I I 1 I I 1I 1 Fe5712,450109964 I Fe58 stabil I tidak adaI I 1 I 1 I

1 I Fe5810,330479948 I Fe59 1 45,1 h I 192,5 (2);I I I 1 1098,6 (50);1 I 1 1 11291,5 (40).

474

B. Dari hasil reaksi (n, p)

-------------------------------------------------------------------

~~:~:~:~~~:_~~::~~IIntil Keliropahan I Intil Waktu I Energi /Unsur IBerat(gr)IIndukl (gram) IHasil pare (Kev)~--~---------------------------------------------------------------

Carbon 1 o,1405921 C'2 10,139031 I B'2 12o,2X10-3dI4439;I 1 C13 11,560571x10-3 B13 117,4x10-3dI3684.-------------------------------------------------------------------

. I 1 1 I IMangane-I 3,51480 1 Mn6513,51480 I Cr5513,55 ro 1528

~:_----_!---------I-----I-~-----------I-----I----------1-----------

. 1 I 1 I I

Phospho-I 0,079083 p31 10,079083 I Si3212,62 j 11266,2(100)1 I I I

-------_._--------1-----1-------------1-----1----------1-----------

Sulfur I 0,0527221 532 10,050096 I p32 14,26 h Itidak ada1 533 13,954150x10-41 p33 25,3 h Itidak ada

I I I II 534 12,219596x10-3 p34 1 12,4 h 121271 1 I I

I 536 18,962740x10-61 p36 I 5,5 d 13290I 1 I I I-------------------------------------------------------------------

Silicon I 1,75740 I 5i28 1,66988150 I Al281 2,41 ro 11778,9(100)

I 5i29 0,08207058 I Al291 6,56 ro 11273,3':100)I 5i30 0,05447940 I Al301 3,60 d 11779

~------_I_--------I----- -------------1-----1----------1-----------

Chroroiwn135,1480 I Cr50 0,04350 V50 4.1011t .Itidak ada

I Cr5229,4505092 V52 3,75 ro ·11434,4(100)I I I·I Cr533,33906 V63 1 1,61 ro 11006;I 1 I 11289 .I Cr54 0,8294928 1 V54 149,8 ro 1 835;I I 1 I 989;I 1 1 I 2259 •-------~------------------------------------------------------------I

21,088801 Ni58Nickel

Iron 113,95860

Ni60

Ni61

Ni62

Ni64

Fe54

Fe56

Fe5'7

Fe58

14,4036504

5,50417680

0,23619456

0,75708792

0,19190808-------------6,609598974

104,6139975

2,450109964

0,330479948

C058

C060

C061

C062

C064

Mn54

Mn56

Mn6'7

Mn68II

70,8 h9,2 j5,27 t

1 ,65 j

13,50 ro1 ,50 ro0,30 s----------312,21

h

2,579 jI1810,7;846i9;12113.

1,61ro

65,3 d3,0 d

~~~----~------------------------------------------------------------

475

TABEL II • BEBERAPA '~OnpOSISI BERAT TERJADINYA HASIL ~OROSI

DARI KELONGSONG BAHAN BAKAR TYPE 102 DAN BAHAN

STRUKTUR LAIN DALAn TERAS REAKTOR (TYPE AL-1100F).

A. Dari hasil reaksi (n, zr)

0,8235 I Si2810,75951405 I Si291 stabill tidak ada

I I I I ISi2910,03845745 1 Sisol stabill tidak ada

----------,---------I-~~::I~~~~~~~~~~---I-~~:~I-~~~~-=!-~~~~~~~~::~I I : 1

0,8235 I Fe5410,047763 I Fe55 2,7 jI -

- I Fe56 0,755973 I Fe57 stabill tidak ada

I I I II Fe5710,01770525 Fe58 stabil

I Fe5sI2,388150X10-S Fe59 45,1 h11099;_ I - I - 11292.

----------1--------- -----I~------------ ----- -------I-----~~-----·Cuprum 1 0,164700 Cu6s10,1139724 CU64112,7 j 11345,5 (100)

I I CU6610,0507276 CU6615,10 m11039,0 (100)

:::::::::-;-~:~:~~;~:-:::::~:~:~~;~-----i-::::I~:~;:-~I-~:;:~~~~:--I 1 12113.1 1 1 I

~~~:~~~~~:~_~::~~~~~IIntilUnsur IBerat(gr) Induk

Silicon

Iron

Kelimpahan I Intil Waktu I Energi /(gram) IHasill para (Kev)

tidak ada

Zink I 0,0823591 Zn6410,040046805 1 Zn651244,O h11115,4 (100)

1 I 1 IZn66 I 0,02297565 I Zn671 stabil tidak adaZn6713,376350x10-sl Zn681 stabill tidak ada

I I I 1

Zn6810,0154818 I Zn69114,0 j I 574

1 I 155,6 m I 319Zn7oI5,105700x10-4 Zn71 1 3,94 jI386;487;620.2,5 m 1512;910;390.

I---------~I~-~------I-----I-------------I-----I-------1-----------

- .. - - 1

Almunium 180,4147751 A127180,414775 I A12812,241 ml17791-------------------------------------------------------------------

476

B. Dari hasil reaksi (n, p).---------------------------------------------------------------------

:~~:~~~~~:~_~::~~~~~IInti! Kelimpahan I Intil Waktu I Energi /Unsur IBerat(gr)IIndukl (gram) IHasill para (Kev)---------------------------------------------------------------------1 I 1 I I I .

Silicon I 0,8235 I Si2810,75951405 ! A12812,241 m 11779

Si2910,03845745 I A12916,56 m 11273;2426;I 1 1 12028.

Si3010,02552850 I A13013,60 d 12235;1263;I 1 13498.

----------'---------'-----'_------------1-----1--------1-------------

· .. I 1 1

Iron I 0,8235 I Fe5410,047763 Mn54 312,21 hl835 .I IFe5610,755973 I Mn56 2,579 j 1847;1811 ;2113

1 I 1

Fe5710,01770525 I Mn57 1,61 m I 14;122;692.I I I

Fe5812,388150x10-31 Mn58 65,3 d 1811;1323;4591 I

----------'---------'_----'_------------1----- --------1-------------· .. I .Cuprum I 0,1647 I CU631 0,1139724 I Ni63 100 t I tidak ada

1 I I

CU6510,0507276 I Ni65 2,52 j 11482;1115;366----------'---------'-----'_------------1-----1--------1-------------

· .. I 1 1

Manganese 1 0,0411751 Mn5510,041175 I Cr551 3,55 m 11528,I! I I I 1----------------------------------------------------------------------

1 I

Zink 10,08235 I zn6410,040046805 I CU64 12,7 j 11346Zn66 0,02297565 I CU66 5,10 m 11039;834I I I

Zn6713,376350X10-31 CU67 2,58 h I 185;93;91.I IZn6s10,0154818 1 Cu6S 3,75 m 11077

. 1 I 31 d 11077;1261I I Zn70I5,105700x10-41 Cu70 46 d 1885;902;1252.I I I I 5 d 1885

----------1---------1-----1-------------1----- --------1-------------1 I I I I

Almunium 180,4147751 A1271 80,414775 I Mg271 9,46 m 1844;1014.1 I I I I I---------------------------------------------------------------------

TABEL III : HASIL PERHITUNBAN LAJU KtlRD9I KELDNGSDNB BAHAN BAKARREAKTDR KARTINI

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

I Preduk 1 ~lbS(jnU/tm2) I 'A. rdeUk-l) I ,?\2(deUk-2) I IJ/;(lnU/grlt .carllpur1ln) r (.fa ( cII2 ) I 0a(n/cm2detik) I tldeUk) 1 [;(grm/cII2detik) r

r Keresl I I I I . I I 1 I :1-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------.

I. Hn-57 1 2' I 717 x 10-5 1 514x10-7 I 265154,3929 j( 1014 I 13,3xI0-241 1 x . 1012 I 432x104 129 x 10-171-------- ---------------I---~----------I-------~------I------------------------1-----------1----------------1----------1-----------------

I Cu-67 0 I 7 x 10-5 I 49x10~10 I 565855,8956 x 1014 1 3,B~10-241 1 x 1012 1 432x104 I. -1 ---------------I--------------I----------J---I------------------------1-----------1----------------1----------:-----------------

I In-69 1 1 20 x 10-5 I 400x10-10 1 199B,265 x 1014 1 1,lxI0-24, I x 1012 1 432xl04 118,2 x 10-141-------- ---------------1--------------1--------------1------------------------1-----------1----------------1----------1-----------------,

1 Ni-65 210 1 8 x 10-5 I 46x10-10 1 12695,592 x 1014 I 4,6xI0-24, 1 x 1012 432x104 ~23 x 10-13 I1-------- ---------------1--------------1--------------1------------------------1-----------1---------------- ----------1-----------------1

I Hn-58 0 t 1061 x 10-5 111,2570xI0-IO 1 24501,359 x 1014. 1 ·13,3xI0-241 . 1 ~ 1012 432xl041-------- ---------------1--------------1--------------1------------------------I----------~I--~------------- ----------1-----------------1

I Cu-66 2 r 226)( 10-5 1 51076:<10-10 I 7053,1068 x 1014 i 3,8dO-241 1 x 1012 432x104 138 x 10-131-------- ---------------1--------------1--------------1------------------------I-----------r-~-~---~-------- ----------1-----------------

: In-65 41 I 32 x 10-9 1 1024x10-18 1 5653,4112 K 1014 1 1,lxI0-241 . 1 x 1012 432x104 167,5 x 10-201-------- ---------------I---------~----I--------------I------------------------1-----------1---------------- ----------1-----------------

1 Hn-56 1 4 1 7 x 10-5 1 49x10-10 r 125053,9727 x 1020 I 13,3xI0-241 1 x 1012 432x104 186,4 x 10-201--------1---------------1--------------1--------------1------------------------1-----------.1---------------- ----------!-----------------

1 AI-30 I 0 I 19250 x to-51 0,037056 I . 7B08,796 x 1014 10,235xI0-24, 1 x 1012 432xl04

~~

478

TANYA JAWAB

1. Sucipto

Laju korosi yang diperoleh untuk tiap-tiap produk korosi

tidak sama. Adakah cara lain sehingga dimungkinkan laju

korosi yang dihasilkan relatif sama atau dengan kata lain

laju korosi yang diperoleh mendekati hasil sebenarnya.

Jawaban

Laju korosi yang diperoleh (C) jika memakai untuk tiap­

tiap produk korosi dari kelongsong yang larut dalam air

dan tertangkap resin hasilnya pasti sama, tapi kenyataan-

"'nya tidak, hal ini disebabkan oleh ketidak sempurnaan alat

yaitu terutama pengisapan air dengan pompa debit alirannya

kurang dan ini untuk tahun-tahun mendatang akan disempur­

nakan.

2. Ir. Utaja

Dari rumus = ••..••••• -------Qo ( )

berarti Qo (fluks) nol ---) C = ?Ini bagaimana, tanpa fluks korosinya malah tinggi ?

Jawaban :

Dari : C =

Jika Qa = 0, berarti tanpa neutron, maka produk korosi

tidak dapat diamati, karena analisa radiometris hanya

dipakai untuk menganalisa radionuklida yang aktif.

3. Ir. Arlinah Kusnowo

a. Mohon ditinjau kembali rum,us

C =Xb2 Nb" As

Va Qa (1- hte- 7I.bt: - e- ~b t:)

dari s8£i

479

a. dirosnsi

b. ketergantungannya terhadap fluks

c. arti fJ.sis

b. Pada kesiropulan: Laju korosi = 2,3x10-13 gr/cro2.detik

apakah itu hanya karena aktivasi ?jika karena fluks neutron, berarti harus sebanding

dengan fluks

Jadi jika f = 1013 n/cro2.detik --->korosi = 2,3 grApakah ini tidak terlalu besar

Jawaban

a. - Dari segi diroensi

C =,52 cro-2 cm2 cm-2 gr1 cm-2 cm2 51

C = gr/cm2 5

Jadi dari segi dimensi sudah betul bahwa laju korosi

gr/cm2• 5

- Kebergantungannya terhadap fluks tidak ada, karena

pada pembilang (Nb-) da ~a (fluks neutron pada

penyebut saling meniadakan, maksudnya %a naik maka

Nb- 'naik juga demikian juga jikapa turun maka Nb­

juga turun, sehingga C tidak berpengaruh terhadap

fluks

Dari segi arti fisis, bahwa laju korosi tergantung

pada lamanya kelongsong berada pada medium air (H20)

yaitu OH-1

b. Harga C = 2,3 X 10-13 gr/cm2.detik bukan karena

aktivasi melainkan harga dari oksida logam sebagai

penyusun kelongsong bahan bakar yang terlepas dari

kelongsong yang tertangkap resin penukar ion.

Memang fluks neutron dalam teras dipakai untuk mengak­

tifkan oksida logam yang selanjutnya oksida logam yang

aktif ini dianalisa dengan spectrometer gamma.