Prosidin Pertemuan l/miah Sai1ls Mater; 1997 lSSN i410 -2897

STRUKTURMIKRO DAN SIFAT MEKANIK PELET SINTER UO2MURNI DAN YANG DIDOPING TiO21

~

),2

~

Dani Gustarnan SyariF

ABSTRAKSTRVKTVRMIKRO DAN SIFAT MEKANIK PELET SINTER VOl MVRNI DAN YANG DIDOPING TIO1.

Struktunnikro dan sifat mekanik khususnya kekerasan dan ketangguhan patah pelet sinter VOl baik mumi maupun yang didoping Ti01telah dipelajari menggunakan teknik metalografi dan indentasi mikro. Doping Ti01 diketahui telah mengubah struktunnikro pelet sinter00,. Yang paling menonjol ialah bahwa TiO, telah mengubah butir pelet sinter menjadi jauh lebih besar dari pada butir pelet sinter 001mumi. Tempi doping TiO, relatiftidak mengubah struktur pori pelet sinter. Kekerasan relatif meningkat dan ketangguhan patah menurundengan bertambahnya konsentrasi TiO,.

ABSTRAcrTHE MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF PURE AND TIOz DOPED-UOz SINTERED

PELLET. Microstructure and mechanical properties especially microhardness and fracture toughness of pure and TiO2-doped UO2 hadbeen studied using metalography and micro indentation techniques. It was known that TiO2 doping changed the microstructure of VO2sintered pellet. The prominent result was that TiO2 changed grains of the TiO,-doped VO,sintered pellet considearable larger than thoseof pure one. However, TiO, doping did relatively not change the pore structure of the sintered pellet. The hardness relatively increasedand the fracture toughness decreased as increasing concentration ofTiO, .

KEY WORD

Microstructure, Hardness, Fracture-toughness, Doping

PENDAHULUAN VO2 daD tidak membentuk larutan padat sarna sekalidengan dopan kemudian tersegregasi di barns butirsebagai rasa kedua (second phase). Ketiga, dopanmasuk kedalam VO2 daD sebagian darinyamembentuk larutan padat sementara sebagian lagitersegregasi di barns butir sebagai rasa kedua. Ketigakondisi ini dapat menghasilkan pelet dengankarakteristik yang berbeda. Strukturmikro daD sifatmekanik adalah dua diantara beberapa sifat yangdapat dipengaruhi oleh tiga kondisi tadi. Oleh karenaitu sejauh mana pengaruh dopan khususnya TiO2terhadap strukturmikro daD sifat mekanik, dalam halini kekerasan daD ketangguhan patah, dibahas padamakalah ini.

PERCOBAAN

Serbuk 002 dicampur dengan serbuk Ti02dengan komposisi sesuai label 1 lalu diaduk(blended) di dalam alat pengaduk (Blender) selama 2jam. Serbuk hasil campuran kemudian dipres dengantekanan 2,5 ton/cm2 dan diusahakan agar setiap peletmentah mempunyai berat dan dimensi yang hampirsarna. Pelet mentah yang dihasilkan kemudiandisinter pada suhu 1700°C selama 4 jam denganmenggunakan gas hidrogen sebagai atmosfir sinter.Rapat masa pelet mentah dan sinter ditentukanmelalui penimbangan dan pengukuran dimensi. Peletsinter kemuclian diamplas dengan kertas amplasnomor 240,400,600,800, 1000, 1500,2400 clan4000, lalu dipoles dengan bantuan pasta intan

peningkatan bumup yang dilakukan untukmeningkatan nilai ekonomi sebuah PL TNmemerlukan bahan bakar dengan kinerja tinggi yangmampu mencegah kegagalan bahan bakar akibatpeningkatan bumup terse but. Dalam rangkameningkatkan kinerja bahan bakar, berbagaipengembangan teknik fabrikasi relet UO2 telah clansedang dilakukan di beberapa negara sejak beberapatahun kebelakang[I-3]. Salah satu teknik yangsedang dikembangkan itu adalah teknik doping yaituteknik yang dilakukan dengan mendop(doping) UO2dengan berbagai dopan (additij) seperti TiO2[ 4- 7],Nb2Os[ I ,2,7] clan AI2O3[8]. Penambahan dopan inidilakukan untuk memperoleh strukturmikro tertentuyang membuat relet mampu menahan lebih lama gasbasil belah (fission gas) di dalam dirinya sehinggamengurangi berbagai penyebab kegagalan bahanbakar di antaranya interaksi pelet-kelongsong(PCI:Pellet Cladding Interaction) dan/atau membuatpelet lebih plastis selama pemakaiannya. Namunpenambahan dopan kedalam UO2 dapat mengubahkarakteristik relet UO2 lainnya seperti sifat termal,sifat listrik clan sifat mekanik. Sifat yang terakhirmenjadi titik perhatian penelitian ini.

Masuknya dopan kedalam UO2 dapatmenghasilkan tiga kondisi berikut ini. Pertama,dopan masuk kedalam UO2 clan membentuk larutanpadat sempuma baik berupa larutan padat substitusimaupun interstisi. Kedua, dopan masuk kedalam

I Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997

2Pusat Penelitain TeknikNuklir- BAT AN

2Q(}

Prosidin Pertemuan I/miah Sains Materi1997 ISSN 1410 -2897

(diamond paste). Permukaan hasil pemolesan dari Tabell. Komposisi campuran 00 dan TiOsetiap pelet kemudian dipotret menggunakan dalam % berat. 2 2

mikroskop optik. Indentasi dengan beban 500 gramkemudian dijatuhkan pada permukaan hasil polessetiap sam pel sebanyak 10 buah dengan indentasidiusahakan jatuh di tempat yang berbeda. Kekerasanvikers dihitung dari panjang diagonal indentasi rata-rata rnenggunakan persamaan (1) clan ketangguhanpatah dihitung dari panjang retakan rata-rata denganmenggunakan persamaan (2) (Lihat Gambar 1)[9].Cara penentuan ketangguhan patah pelet VOzdengan indentasi mikro dibahas dengan detil pactareferensi [9]. Setelah semua indentasi pada peletdihilangkan clan pelet dipoles kembali, sertapermukaan basil polesnya dietsa menggunakanlarutan dari campuran H2O, HzOz clan HzSO4, pelet-relet tersebut kemudian dipotret memakaimikroskop optik untuk melihat struktur butir. Rapat MasaVkuran butir rata-rata ditentukan dari foto-foto yang Seluruh pelet mempunyai penampilan luardihasilkan dengan metode intersep linear[10]. Untuk yang sangat baik. Tidak ditemukan retak secaramengetahui adanya rase kedua beberapa pelet visual. Timbulnya retak dipengaruhi oleh pembuatandievaluasi mengunakan SEM (Scanning Electron relet mentah clan cara penyinteran, namun basil yangMicroscope) yang memiliki fasilitas BSE (Back diperoleh memperlihatkan bahwa pembuatan peletScattered Electron) dan pemetaan sinar-x (x-ray mentah clan penyinteran telah dilakukan denganmaping). baik.

No 002 TiO2

1234567

10099,9999,9799,9599,9299,999,8

00,010,030,05008,0,10,2

HASIL

DAN DISKUSI

2,8544.P/d)

Dengan, Hv = Kekerasan Vickers bahan(Kgtmm1P = Beban indenter yang dijatuhkan

pada bahan (Kg).d = panjang rata-rata diagonal indentasi

(mm).1/2K1c = P[Hv.(P/4c)] ( 2)

Rapat rnasa pelet rnentah clan sinter padaberbagai koitsentrasi TiO2 diperlihatkan pada Tabel2. Rapat rnasa seluruh pelet sinter cukuptinggi yaiturata-rata lebih besar dart pada 95% r.m.t.(Rapat masateoritis), narnun pengaruh konsentrasi TiO1- terhadapbesar rapat rnasa pelet sinter secara signifikan tidakdapat dilihat di sini karena pelet yang dihasilkanmerniliki rapat masa yang harnpir sarna. Perbedaanrapat masa yang terjadi terlihat lebih dorninandipengaruhi oleh rapat rnasa pelet rnentahnya daTipada oleh penarnbahan iiO2. Narnun dernikianhingga konsentrasi panarnbahan 0,2 % dapatdikatakan bahwa doping TiO2 tidak memberikanpengaruh negatif terhadap rapat rnasa pelet. sinter.

Tabel 2. Rapat masa pelet mentah dan sinter daTi 002

yang didoping TiO2.

Dengan, k,c = ketangguhan patah.f3 = Konstanta (0,093[9]).Hv = k~kerasan bahan (Persamaan 1).P = Beban indenter yang dijatuhkan

pada bahan (Kg).c = Panjang retakan diukur daTi sudut

indentasi(Lihat gambar 1).

~

d1

C =(C1 +C2+C3+C4ji4d " (d1 + d2)/2/

ramblir I. Indentasi pada permukaan bahan.

291

Pros;dinJ! Pertemuan Ilm;ahSa;ns Mater; 1997 ISSN 1410 -2897

Struktur Butir Dan Mekanisme PertumbuhanButir Cepat

Hasil pengamatan menggunakan SEMmelalui fasilitas BSE clan pemetaan sinar-xmemperlihatkan bahwa rasa kedua absen, baik didalam butir maupun di batas butir sepertidiperlihatkan pada Gambar 2 sebagai salah satucontoh. Ini menandakan bahwa sebagian besar TiO2telah larut padat di dalam VO2, namun apakahlarutan padat terbentuk secara substitusi atauinterstisi tidak dapat dilihat daTi data SEM ini.Secara tidak langsung penentuan hal itu akandilakukan dengan membahas data struktur butirberikut ini.

ba

dc

47~m-ba Gambar 3. Struktur butir pelet 002, (a) Mumi (Tanpa

doping), (b) Didoping 0.03% Ti02.(c)Didoping 0,1 % berat Ti02.(d) Didoping 0,2 %berat Ti02

Radford & Pope[ll], Matzke[4] dan Kileen[7]rnendapatkan bahwa Ti02 tereduksi rnenjadi Ti2O3 didalarn V02 ketika disinter pada suhu di atas 1600°Cdi dalarn atrnosfir gas hidrogen. Dengan rnendeduksipenernuan ini, rnaka pada penelitian saat inipunkarena penyinteran dilakukan pada kondisi yangrelatif sarna yaitu pada suhu 1700°C di dalam gashidrogen, Ti02 telah tereduksi rnenjadi Ti2O3. Adadua cara bagi ion Tf+ untuk rnasuk ke dalam kristalV02 yaitu rnasuk secara substitusi dan secarainterstisi. Kernudian jika ion Ti3+ rnasuk secarasubstitusi kedalarn kristal V02 rnaka rnekanisrnenyaakan rnengikuti persarnaan (3).

dc12,4f.lm

Gambar 2. Hasil pemotretan SEM pada pelet dengandoping 0,2 % TiO2. (a) Mode SE(SecondaryElectron), (b) Mode BSE (Back ScatteredElectron), (c) Pemetaan sinar-x untuk unsurU(Ma), (d) Pemetaan sinar-x untuk unsur Ti

(Ka).

Ti2O3 = 2Til-(U) +30(0) + OV2+

...(3)

dengan, Ti'-(U) = Ion Ti valensi tiga yang

menempati subkisi uranium didalam kristal V02.

0(0) = Jon oksigen yang menempati

subkisi oksigen di dalam kristalV02.

OV2+ = Kekosongan oksigen.

Pengaruh Ti02 terhadap struktur butirnampak sangat jelas seperti diperlihatkan olehGambar 3. Penambahan Ti02 kedalam V02 telahmengubah ukuran butir menjadi jauh lebih besardari pada ukuran butir V02 mula -mula (tanpadoping). Mekanisme terjadinya pertumbuhan butiryang begitu cepat selama penyinteran yang telahmenghasilkan butir-butir besar dapat diterangkansebagai berikut.

Beberapa literatur memperlihatkan bahwapertumbuhan butir cepat dapat terjadi olehterbentuknya cacat kristal tertentu di dalam kristalV02 akibat masuknya ion dopan[I-8]. Oi sini cacatkristal tersebut telah meningkatkan kecepatan difusikation logam di dalam kristal. V02 yang kemudianmemicu pertumbuhan butir menjadi lebih cepaL

Cacat yang terjadi sesuai persamaan (3)adalah kekosongan oksigen. Cacat ini bukanlah cacatyang dapat menpercepat pertumbuhan butir setJertidikonflrmasi oleh Akabori & Fukuda[12]. Jadimeku~:~me pertumbuhan cepat tidak mengikutipersamaan (3). Yang paling mungkin adalah bahwaion Ti valensi 3 telah masuk secara interstisi

292

Prosidin Pertemuan llmiah Sains Materi 1997 /SSN /410 -2897

kedalam kristal UO2. Menurut Matzke[4] clan tidak dialami oleh pori yang teramati pada penelitianRadford & Pope[ll] cacat semacam ini dapat ini yakni pori intragranular.meningkatkan difusi kation yang kemudianmempercepat pertumbuhan butir. Kekerasan Dan Ketangguhan Patah

Dua faktor yaitu struktur pori clan ukuranbutir yang secara teoritis dapat mempengaruhi sifatmekanik relet UO2 baik mumi maupun yangdidoping TiO2 khususnya kekerasan danketangguhan patah akan ditinjau pada penelitian ini.Pengaruh TiO2 terhadap sifat mekanik reletdiakomodasi oleh kedua faktor tersebut karena keduafaktor inilah sebenamya yang secara langsung dapatdipengaruhi oleh penambahan TiO2.

Kekerasan (Hv) dan ketangguhan patah(Krc) sebagai fungsi konsentrasi TiO2 diperlihatkanpada Gambar 5 dan 6. Seperti terlihat pada Gambar5, terdapat kecenderungan bahwa kekerasanmeningkat dengan bertambahnya konsentrasi TiO2.Untuk logam yang tidak memiliki pori kekerasanberbanding terbalik dengan ukuran butir. Kekerasanlogam menurun dengan bertambah besamya ukuranbutir. Pada keramik hubungan ini tidak selalunampak karena keramik memiliki porositas. Tinggirendahnya porositas ini tergantung pada carafabrikasinya. Peningkatan kekerasan mengikutipertambahan konsentrasi TiO2 yang terjadi di sinilebih disebabkan oleh struktur pori/porositas masing-masing relet sinter dari pada oleh ukuran butir sebabseperti telah diterangkan pada bagian lain diskusiukuran butir bertambah dengan pertambahan TiO2sedangkan pertambahan butir umumnya diikuti olehpenurunan kekerasan.

Struktur PoriStruktur pori yang dimjliki oleh relet sinter

VO2 mumi daD yang didoping TiO2 sangat beragam.Perubahan yang terjadi dari struktur pori relet VO2mumi ke strukturpori relet VO2 yang didoping, dandari relet VO2 yang didoping dengan konsentrasirendah ke pelet VO2 yang didoping dengankonsentrasi tinggi tidak memiliki kecenderunganatau tendensi yang jelas. Nampaknya perbedaanstruktur pori dari tiap sampel lebih dipengaruhioleh rapat masa relet mentahnya dari pacta olehpenambahan TiO2. Struktur pori dari pelet VO2mumi dan beberapa relet yang didoping TiO2diperlihatkan pada Gambar 4.

ba

.I .I .I .I .

70000

N

~{}!Ii~~,,:

.-,

65000

~.!-'-

.d47~m-

I.

RIOOO

Gambar 4. Struktur pori pelet U02 (a) Murni (Tanpadoping), (b) Didoping 0.03% TiOz. (c)Didoping 0, I % berat TiOz. (d) Didoping 0,2% berat TiOz

55000

soooo

Seperti ditunjukkan oleh Gambar 3, poriyang terbentuk sebagian merupakan poriintragranular. Dapat dilihat bahwa pertumbuhan poritidak sejajar dengan pertumbuhan butir. Meskipunpertumbuhan butit: semakin besar denganmembesamya konsentrasi TiO2, tetapi pertumbuhanpori tidak ikut membesar. Kingery [13] danDani[14] memperlihatkan bahwa pori intergranulartumbuh mengikuti pertumbuhan butir. Pertumbuhanpori sejenis ini berlangsung melalui penggabunganpori-pori kecil menjadi pori yang lebih besar seiringdengan membesamya butir selamapenyinteran[13,14]. Pertumbuhan pori semacam ini

..I .I .I .I ' .

000 000 010 0'5 o~ 025Konsentrasi 1102( % bera )

Gambar 5. Kekerasan scbagai fungsi konsentrasiTiOz,-

Ketangguhan patah cenderung menurundengan bertambahnya konsentrasi TiO2 sepertiterlihat pada Gambar 6.

293

~

~ 600to

EEm~-500.c..'8D-C..400

.c~QQC

~" 300

,

A:-.-

~

Pros;d;nr! Perlemuan /lm;ah Sa;ns Mater; 1997 ISSN 1410 -2897

700 .I .I .I .I ..dipengaruhi oleh rapat masa pelet mentah dari pada

oleh penambahan TiOz.Pori-pori yang terjadi baik di dalam pelet

VOz mumi maupun yang didoping TiOz didominasioleh pori intragranular yang pertumbuhannya tidaksejajar dengan pertumbuhan butir.

Kekerasan cenderung meningkat clanketangguhan patah cenderung menurun denganbertambahnya konsentrasi TiOz tetapi perubahankekerasan yang terjadi lebih disebabkan oleh rapatmasa pelet mentahnya dari pada oleh TiOz.

-.

'00

UCAP AN TERIMA KASIH

I .I ' I .I ' I .

000 O~ 010 015 O~ 025

Konsen!rasl TlO2 ( % ber.! )

Gambar 6. Ketangguhan patah sebagai fungsi konsentrasiTiO2 Penulis mengucapkan terima kasih kepada

seluruh teknisi laboratorium peletisasi clan kontrolkualitas kelompok Metalurgi, PPTN-BA TAN atasbantuan yang diberikan dalan pembuatan pelet daDkarakterisasinya, dan Sdri. Ari Handayani dariLaboratorium SEM, Balai Tekno Kimia, PPSM-BA TAN, Serpong atas bantuan yang diberikandalam evaluasi menggunakan SEM clan EDAX.

Ricote dkk.[16] memperlihatkan bahwa ketangguhanpatah menurun dengan bertambahnya ukuran butirclan meningkat dengan bertambahnya porositas. Padapenelitian ini pengaruh ukuran butir lebih dominandari pada porositas/struktur pori. Hal ini sangatdimungkinkan karena pelet dengan butir besarcenderung memiliki tegangan patah (fracture stress)yang rendah. Secara kuantitatif hal ini digambarkanpula oleh pertambahan panjang retakan rata-rataakibat pertambahan ukuran butir seperti terlihat padaGambar 7. Dengan menggunakan hubungan antaraketangguhan patah clan panjang retakan sesuaipersamaan (2), nampak bahwa ketangguhan patahmeningkat dengan membesarnya panjang retakan.

DAFTAR PUSTAKA

[1] UNE K. et al., Fission Gas Behavior During PostIrradiation Annealing of Large Grained VO2Fuel Irradiated to 23 GWD/ton, J. Nucl. Sci.Technol., 30[3], 221, June (1993).

[2] Y ANAGISA W A K., Behavior of Nb2O$ Doped002 Fuel in Reactivity Initiated Accident

Conditions, Ibid, 28[5](1991)459.

[3] DANI GVSTAMAN S., et al., The Out-pileCharacteristics and in-pile Performance ofAdditive-doped V02 Fuel Pellets, JAERIMemo 06-259, (1994).

MATZKE HJ., On The Effect of Ti02Additions on Deffect Structure, Sintering andGas Release of V02, AECL Report, AECL-2585, Chalk River, Ontario, May (1966).

[4]

[5] AINSCOUGH J.B., et al., The Effect of Titaniaon Grain Growtll alld Densification of SinteredUO2, J.NucJ.Mater. 52(1974)191.

KESIMPULAN [6] KIM HAN SOO, et al., Contribution of Dopantsto Sinterability of V02 in Reducing andOxidizing Atmosphere, Proceedings of TheWorkshop On Manufacturing Technology AndProcess For Reactor Fuels, Tokai, Japan, March

22-23, (1995).

Penambahan TiO2 sangat berpengaruhterhadap struktur butir pelet sinter VO2. Iniditunjukkan oleh membesamya ukuran butir secaraluar biasa seiring dengan penambahan konsentrasiTiO2, tetapi pengaruh TiO2 terhadap struktur poritidak terlihat. Oi sini perubahan struktur pori lebih [7] KILLEEN J.C., Electronic and Mass Transport

294

Prosidin Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 lSSN 1410 -2897

Properties of Pure and Doped UO2, Doctor [12] AKABORI M., FUKUDA K., Effect ofThesis, University of London, (1982). Additives on Irradiation-Induced Change of

Lattice Parameter in ThO2, J.Nucl.Sci. Technol.,[8] DANI GUSTAMAN S., et al., The Effect of 28[9](1991)841.

AI2O) Doping on Density and Grain Size ofUOl Fuel Pellet, Being admitted to AtomIndonesia (1997).

[13] KINGERY W.D., Introduction to Ceramics, 2nd, John Wliley & Sons.Inc., (1976).

[9] DANI GUST AMAN S., Penentuan SifatMekanik relet UO2 Dengan Metode IndentasiMikro, Segera terbit di BULETIN BAT AN(1997).

[14] DANI GUSTAMAN S., Metallurgical Study onUO2 Fuel Added With Nb and Ca, MasterThesis, Tokai University, (1995).

[15] KUN WOO SONG, et al., Pore Growth inSintered V02, J. Nucl. Mater. 209(1994)263.[J 0] Anonymous, ASTM EJ 12, (1986).

[II} RADFORD K.C., POPE I.M., UO2 Fuel PelletMicrostructure Modification Through ImpurityAddition, I.Nucl.Mater. 116(1983)305.

[16] J. R.ICOTE, et al., Mechanical characterizationof calcium-modified lead titanate ceramics byindentation methods, J. Mat. Sci.29(1994)3248.

295