pengayaan uranium
DESCRIPTION
Reaktor NuklirTRANSCRIPT
Physics Study ProgramFaculty of Mathematics and Natural SciencesInstitut Teknologi Bandung
FI-4241Topik Khusus Fisika Reaktor
Konversi & Pengayaan UraniumAbdul Waris, Ph.D
PHYSI S
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Pengantar
Sebagian besar reaktor daya yang beroperasi di dunia saat ini adalah LWRs, yang mana memerlukan sedikit pengayaan isotop U-235 dalam total komposisi dari uranium.
Pada pengembangan awal dari fasilitas-fasilitas pengayaan uranium, banyak proses telah dicoba.
Dua proses yang cukup sukses adalah proses separasi magnetic dan proses difusi gas. Sejak saat itu teknologi difusi gas telah terbukti sebagai teknologi yang paling efisien dan ekonomis untuk memproduksi uranium yang diperkaya dalam jumlah yang banyak.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Pengantar…
Proses difusi gas memanfaatkan senyawa dalam bentuk gas, uranium hexafluoride (UF6), yang
berasal dari konversi U3O8, yang merupakan hasil
penggilingan uranium.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Extraction of Uranium
Courtesy of: http://chemcases.com/nuclear/nc-06.htm
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Pemurnian U3O8
Untuk bahan bakar reaktor, Uranium harus memiliki kemurnian tinggi.
=> U3O8 harus dimurnikan sebelum dikonversi ke UF6,
Ada 2 metode pemurnian - PUREX proses: uranyl nitrate diekstraksi secara
selektif dari larutan dengan pelarut oxygenated organic tertentu, misalnya : diethyl ether,
methyl isobutyl keytone, dan tributyl phosphate. - Metode menggunakan UO4. 2H2O, yang
diendapkan secara kuantitatif dari larutan asam lemah garam uranyl.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Konversi Uranium ke Uranium Hexafluoride
Uranium hexafluoride dipilih untuk difusi gas karena sifatnya yang khusus. Diagram fasa dari dapat dilihat dalam gambar di samping.
Pada suhu kamar UF6 berfase padat sehingga mudah ditangani. Begitu suhunya dinaikkan sedikit (di atas triple point) berubah menjadi gas, membuatnya ideal untuk proses gas difusi, yang mana memerlukan uranium dalam bentuk uap untuk separasi isotopik.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Konversi Uranium ke Uranium Hexafluoride …
Lebih lanjut karena massa fluor cukup ringan => tidak menggangu proses difusi molekul uranium
Menarik untuk diingat bahwa UF6 adalah satu-satunya senyawa uranium dalam fase gas pada suhu sedang (moderate temperature)
Sifat-sifat fisik dasar dari UF6Density of solid 4.68 g/cc
Density of liquid 3.63 g/cc
Melting point 64.05 0C
Boiling point 56.54 0C
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Konversi Uranium ke Uranium Hexafluoride …
Untuk konversi U3O8 ke UF6 digunakan salah satu dari dua (2) proses kimia berikut:- proses hydrofluor kering (dry hydrofluor)- proses ekstraksi pelarut basah (wet solvent extraction)
Proses hydrofluor kering adalah 4 tahap berikut: U3O8 digerus menjadi serbuk halus Serbuk dimasukkan dalam reaktor dengan suhu 1000-1200 0F dan
direduksi dengan hidrogen => diperoleh UO2 UO2 dilewatkan pada 2 hydrofluorination fluidized bed reactor,
sehingga bereaksi dengan HF pada suhu 900 – 10000FUO2 + 4HF => 2H2O + UF4
Uranium tetraflouride (UF4) adalah garam hijau, padat tidak menguap titik lebur tinggi (1700 – 18000F)
UF4 + F2 => UF6 (Uranium Hexafluoride ) Karena beberapa pengotor yg menguap mengikuti UF6, maka perlu
dimurnikan lebih lanjut dengan destilasi fraksi (fractional distillation)
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Konversi Uranium ke Uranium Hexafluoride dengan dry hydrofluor process (proses kering)
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Konversi Uranium ke Uranium Hexafluoride dengan Wet solvent extraction process (proses basah)
Proses basah juga menggunakan tahap-tahap reduksi, hidroflorinasi dan florinasi, tetapi dilakukan dengan solvent extraction untuk membuang ketakmurnian (impurities)
Akan tetapi karena UF6 yang dihasilkan proses ini sudah murni, maka distilasi fraksi tidak diperlukan.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Konversi Uranium ke Uranium Hexafluoride dengan Wet solvent extraction process (proses basah) …
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
PENGAYAAN URANIUM
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Enriched UraniumNatural Abundance of Uranium Isotopes
Enriched uranium contains more than 1% U-235. Normally the quantity of U-235 is increased to around 5% for use in nuclear fuels (reactors, rocket fuel elements). The uranium in nuclear weapons is enriched to much greater levels, which is called highly enriched uranium if the concentration of U-235 is above 20%.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Pengayaan Uranium (Uranium Enrichment)
Metode Pengayaan Uranium: Metode difusi gas (Gaseous diffusion) Metode sentrifugal gas (Gas centrifuge) Electromagnetic isotope separation Metode separasi penyemprot (separation
nozzle method) Metode Alvis (Alvis method)
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Pengayaan uranium dengan metode difusi gas (gaseous diffusion method)
Metode separasi gas merupakan metode separasi dan pengayaan uranium yang paling ekonomis dan paling baik.
Proses Pemisahan dan pengayaan uranium dengan metode difusi gas berdasarkan pada perbedaan laju aliran 235U dan 238U dalam UF6 yang dialirkan melewati suatu penghalang tipis (thin
barrier) yang mengandung jutaan pori-pori halus.
Figure Courtesy of: http://www.nrc.gov/materials/fuel-cycle-fac/ur-enrichment.html
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Pengayaan uranium dengan metode difusi…
Jika molekul UF6 dipertahankan pada suhu T, maka energi kinetiknya adalah: kT =0.5MV2.
Karena rasio kecepatan dua molekul hanya ditentukan oleh massanya,
(3.1)
U235F6 akan sedikit lebih cepat dibandungkan dengan U238F6
adalah parameter untuk mengukur kemampuan memisahkan 2 isotop dalam metode ini.
21
L
H
H
L
M
M
V
V
004289.1196238
1962382121
x
x
M
M
L
H
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Pengayaan uranium dengan metode difusi…
Persamaan (3.1) memberikan nilai teoretis untuk , nilai praktisnya diberikan perhitungan distilasi Reyleigh yaitu 1.003
Berkurangnya nilai ini adalah karena:- tekanan balik downstream- Nonseparable flow yang melewati barrier.
Kelemahan Metode difusi gas Faktor separasi yang sangat kecil untuk
pengayaan yang kecil saja (2-3%) diperlukan pengulangan proses ribuan kali.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Prinsip Separasi
Pada Kebanyakan proses separasi, perbedaan fisik dari isotop yang akan dipisah cukup kecil => kemampuan separasi dalam 1 tahap sangat kecil => masing-masing tahap harus disambung dalam cascade
Sebagai contoh: untuk memproduksi uranium dengan pengayaan 4% 235U dan kadar sisa pada tail 0.25% diperlukan 1200 tahap pemisahan pada pabrik pemisahan dengan metode difusi gas.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Faktor Separasi
Abundance ratio: N/(1-N)N = fraksi mol dari isotop yang diharapkan
(1-N) = fraksi mol isotop yang lain Faktor separasi, , adalah :
=(NP/(1-NP)) / (NF/(1-NF))
Feed (F) Product (P)
Waste/tail (W) Separation plant
NP = konsentrasi produk
NF = konsentrasi feed
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Faktor Separasi (lanjutan…)
Untuk limbah, dapat pula didefinisikan faktor separasi untuk limbah, , sebagai berikut:
=(NP/(1-NP)) / (NF/(1-NF))
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Aspek Kuantitatif dari Metode Difusi Gas
Faktor yang harus diketahui:- Jumlah uranium alam yang dibutuhkan (feed) sesuai tingkat
pengayaan yang diinginkan.- Biaya per unit produksi
Secara kuantitatif hal di atas akan dijelaskan sebgai berikut.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Metode Difusi Gas
Ada 6 variabel eksternal yang tercakup dalam metode difusi gas, yang dihubungkan oleh persamaan berikut:
F = P + WxfF = xpP + xwW
Dimana:xf = fraksi berat U-235 dalam feed materialxp = fraksi berat U-235 dalam produk (pengayaan yg diharapkan)xw = fraksi berat U-235 dalam aliran limbah (depleted uranium), dikenal juga sebagai tail (ekor) dari pabrik pengayaanF = jumlah kg feed material (per satuan waktu)P = jumlah kg produk yg diperkaya (per satuan waktu)W = jumlah kg uranium dalam aliran limbah (per satuan waktu)
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Metode Difusi Gas… Laju feed, dan laju limbah adalah:
F = P(xp-xw)/(xf-xw)W = P(xp-xf)/(xf-xw)
Feed factor: F/P = (xp-xw)/(xf-xw)
Waste factor:W/P = (xp-xf)/(xf-xw)W/P = (F/P) - 1
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
SWU (Separation work unit) Selain masalah feed factor, perlu juga untuk
menghitung usaha fisik yang dilakukan untuk mendapatkan tingkat pengayaan tertentu, yang mana akan menentukan biaya pengayaan uranium
Biaya pengayaan uranium ini dinyatakan dengan suatu parameter yang dikenal dengan separation work unit (SWU).
Seseorang harus memikirkan jumlah SWU sebagai yang berhubungan langsung dengan sumber daya yang diperlukan untuk mendapatkan pengayaan pada level tertentu, xp.
Sumber daya yang diperlukan untuk separasi isotop adalah energi listrik, sehingga jumlah SWU menentukan biaya pengayaan uranium
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
SWU (Separation work unit)…
Jumlah SWU yang dihasilkan oleh enrichment plant selama periode waktu T diberikan oleh:SWU=[P.V(xp)+W.V(xw) – F.V(xf)]. T
V(xi) = separation potentials
V(xi) = (2xi – 1)ln [xi/(1-xi)]
dimana xi menyatakan xp, xf, dan xw.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
SWU (Separation work unit)…
Karena P, W, F adalah laju aliran massa, maka satuan SWU adalah kg, atau lebih umum disebut kg-SWU.
Selama waktu T , plant menghasilkan P.T kg uranium yg diperkaya. Sehingga jumlah SWU per unit produk adalah:
SF = SWU/PT=V(xp)+(W.V(xw)/P) – (F.V(xf)/P SF dikenal juga sebagai SWU factor. Nilai SWU factor digambarkan/ditabelkan
bersamaan dengan “feed factor”.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
SWU…
Nilai FF dan SF untuk pengayaan sampai 5% dengan xw = 0.2%
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
SWU… Walaupun SWU factor tidak berdimensi
(satuanya kg-SWU/kg) persamaan terakhir memberikan jumlah SWU yang diperlukan per kilogram produk yang diperkaya dan bukan per ton atau per gram.
Jika rumus untuk SWU dibagi dengan waktu T, diperoleh kg-SWU/waktu.
Untuk pabrik pengayaan, waktu T biasanya 1 tahun dan diperoleh kg-SWU/tahun, suatu besaran yang biasa digunakan untuk menyatakan kapasitas dari suatu pabrik pengayaan uranium.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Jumlah stages
Jumlah stages, N, yang diperlukan untuk mencapai tingkat pengayaan tertentu dapat ditentukan dari persamaan berikut.
dimana adalah faktor separasi
11
1ln
ln
2
pw
wp
xx
xxN
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Contoh soal
a). Tentukan berapa kilogram uranium alam yang harus disuplai sebagai feed dari suatu pabrik pengayaan jika seseorang membutuhkan 30.000 kg uranium yang diperkaya sampai 3% U-235 (persen berat). Asumsikan bahwa tails adalah 0.2%.
b). Berapa jumlah SWU yang diperlukan untuk separasi.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Contoh soal: Jawab …
a). Feed factor adalah:
Sehingga total feed adalah.
productkgfeedkgP
F
/479.52.0711.0
2.03
productkgfeedkgproductkgF /479.5000.30
uraniumfeedkg 370.164
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Contoh soal: Jawab…
b). Hitung dahulu potensial separasi untuk feed, produk, dan waste.
SWU factor adalah:
Sehingga total jumlah SWU adalah:
268.303.01
03.0ln]1)03.02[()(
188.6002.01
002.0ln]1)002.02[()(
869.400711.01
00711.0ln]1)00711.02[()(
xxV
xxV
xxV
p
w
f
307.4869.4479.5188.61479.5268.3 kg
SWU
SWUkgSWUkg 210.129/307.4000.30
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Metode sentrifugal gas
Metode ini pertama kali dikembangkan oleh J.W. Beams di Univ. Virginia, dimana berhasil memisahkan isotop dari sejumlah elemen ringan dalam suatu ultrasentifugal.
Pekerjaan yang serupa juga dilakukan selama perang dunia ke-2 di Jerman oleh G. Zippe.
Belakangan, di tahun 1950an Groth dan asistennya di Jerman mengembangkan dan membangun suatu rangkaian setrifugal gas yang lebih besar.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Metode sentrifugal gas Sentrifugal bekerja dengan prinsip bahwa
dalam silinder atau drum yang berputar gaya sentrifugal cenderung untuk menekan molekul gas dalam silinder ke arah dinding yang lebih luar.
Akan tetapi kecepatan karena agitasi termal cenderung untuk meredistribusi kembali molekul gas ke seluruh volume silinder. Molekul yang lebih ringan lebih terpengaruh oleh efek ini karena kecepatannya lebih besar sehingga molekul yang lebih ringan dengan konsentrasi yang lebih tinggi akan terkumpul dekat pusat drum yang berotasi.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Metode sentrifugal gas
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Metode Sentrifugal Gas…
Sentrifugal gas beroperasi berdasarkan prinsip difusi yang disebabkan oleh perbedaan tekanan. Gas UF6 dilewatkan melalui sentrifugal yang
sedang berputar. Sentrifugal memaksa isotop yang lebih berat (U-238) untuk pindah ke sisi luar dari sentrifugal. Bagian yang diperkaya akan mengikuti lintasan a1. Bagian yang tersisa akan
mengikuti lintasan yang ditunjukkan oleh a2.
Figure from: Avery, D. G., and Davies, E., Uranium Enrichment by Gas Centrifuge, Mills & Boon Limited, London, 1973.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Metode Sentrifugal Faktor separasi, , adalah :
=exp [(MH -ML)2a2 / 2RT]
Karena adalah sekitar 1, maka =1 + [(MH -ML)2a2 / 2RT]
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Separasi Elektromagnetik (Electromagnetic Separation)
The method of electromagnetic isotope separation relies on the use of ions and a magnetic field. As ions are accelerated and the passed through a magnetic field their path will be deflected. Isotopes that have different mass will be deflected by differing amounts. This allows for the different isotopes to be collected by determining the path they will have due to their charge and a known magnetic field and placing collectors at those locations.
Figure from: Avery, D. G., and Davies, E., Uranium Enrichment by Gas Centrifuge, Mills & Boon Limited, London, 1973.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Separation Nozzle Method
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
AVLIS Method
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Atomic vapor laser isotopic separation
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Terima kasih...
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Uranium and Aerospace
Nuclear Powered Aerospace Vehicles Nuclear Satellites Nuclear Rockets
Aerospace Based Weapons Systems Nuclear Weapons Carried by Rockets Depleted Uranium Ammunition
Why do you care about uranium as an aerospace engineer?
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Nuclear Powered Satellites Many deep space satellites use nuclear power. A process called radioisotope thermoelectric generation (RTG) is utilized. This process uses plutonium which is only produced by nuclear reactors. All of which run off of enriched uranium or a fuel that was produced in a reactor that does. Some satellites that use nuclear power are:
• Pioneer• Viking• Voyager• Cassini• Galileo
For more information on RTG’s visit: http://me.eng.sunysb.edu/mec290/rtgs/ For more information on the production of plutonium visit: http://www.fas.org/nuke/intro/nuke/plutonium.htm
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI SPictures Courtesy of: http://me.eng.sunysb.edu/mec290/rtgs/
Pioneer Viking
Voyager CassiniGalileo
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Nuclear Weapons
Enriched uranium is used in nuclear weapons carried by advanced rocket systems.
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Sources for More InformationBalsmeier, Aaron, L. “Extraction and Enrichment of Uranium” University of Kansas, Department of Aerospace Engineering, University of Kansas, 2002
http://www.fas.org/nuke/intro/nuke/uranium.htm
http://www.uic.com.au/uicchem.htm
http://www.rossing.com/uranium_production.htm
http://www.wma-minelife.com/uranium/uranium.html
http://chemcases.com/nuclear/nc-06.htm
http://www.energyres.com.au/ranger/mill_diagram.pdf
http://www.usec.com/v2001_02/HTML/Facilities_PaducahOverview.asp
http://www.uic.com.au/nip33.htm
http://www.uic.com.au/index.htm
http://www.silex.com.au/
http://www.nrc.gov/materials/fuel-cycle-fac/ur-milling/ur-milling-fac.html
http://www.nrc.gov/materials/fuel-cycle-fac/ur-enrichment.html
http://me.eng.sunysb.edu/mec290/rtgs/
http://www.fas.org/nuke/intro/nuke/plutonium.htm
Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
PHYSI S
Referensi
R. G. Cochran and N. Tsoulfanidis, “The Nuclear Fuel Cycle: Analysis and Management”, ANS, 1999
W. Marshall, “Nuclear Power Technology Vol. 2 Fuel Cycle”, Clarendon Press Oxford, 1983
P.D. Wilson, “The Nuclear Fuel Cycle: From Ore to Waste”, Oxford, 2001