ISSN 0852-4777 BAHAN BAKAR REAKTOR RISETdigilib.batan.go.id/e-jurnal/Artikel/Bul-Urania/N23_24ThJul-Ok2000... · pada reaksi berikur3] : ... melalui reduksi elektrolitik. Sel dua

ISSN 0852-4777 BAHAN BAKAR REAKTOR RISET

PROSES PRODUKSI UF4 DARI BERBAGAI ANEKA BAHANDASAR

*Hendro Wahyono dan **Ghaib Widodo

PENDAHULUAN Untuk pengendapan UF4 digunakan

larutan UO2F2 sebagai umpan melalui proses

reduksi kimia dengan berbagai bahan reduktor

seperti : SnCI2, CuCl, FeCb, dan Na2S204 dan

bahan pengendap HF. Proses di bawah

pemanasan dan pengadukan dilakukan di

dalam suatu reaktor yang terbuat dari bahan

stainless steel berlapiskan bahan teflon.

Proses pengendapan tersebut dapat dilihat

pada reaksi berikur3] :

UO2F2+SnCI2+4HF ~UF 4+SnCIF2+2H2O

UO2F2+FeCb+4HF ~UF 4+FeCIF2+2H2O

UO2F2+CuCI+4HF ~UF 4+CuCIF2+2H2O

UO2F2+2Na2S203+2HF~UF 4+Na2S40e+2NaOH

(2)(3)(4)

(5)

Garam hijau yang dikenal dengan nama

uranium tetraflourida (UF4) merupakan bahan

dasar pad a proses pembuatan elemen bakar

jenis paduan logam[1] atau sebagai bahan

pembuat uranium heksaflourida (UFs) pada

proses pengkayaan (enrichment)!2J.Untuk memperoleh hasil bahan baku

paduan logam yang baik perlu diperhatikan

kualitas serbuk UF4-nya, selain reaktan yang

digunakan. Untuk meyakinkan kualitas

tersebut biasanya dilakukan analisis

terhadapnya dan hasil analisis tersebut paling

tidak mempunyai spesifikasi seperti pada

Tabel1.

Berbagai macam bahan dasar seperti :

UFs, UO2(NO3)2, UO31 UO21 dan U3Os dapat

diproses menghasilkan produk garam UF4 dan

setiap pemrosesan bahan dasar tersebut

mempunyai ciri khas nama proses yang

berlainan.

Pemisahan padatan UF 4 dilakukan pad a

suhu kamar melalui pemisah vakum. Proses

berikutnya adalah proses pengeringan,

homogenisasi sampai diperoleh UF4 yangberkualitas.

PROSES PEMBUATAN SERBUK UF4 2. Proses Reduksi

Proses pembuatan UF4 dengan aneka

bahan dasar dapat dikelompokkan, sepertidiuraikan secara ringkas sebagai berikut :

Bahan Dasar UF6

Proses reduksi UF6 sedikit diperkaya

menjadi UF4 menggunakan hidrogen dimulai

pengembangannya pad a Union Carbide

Nuclear Company, USA[6j berskala pilot plant

yang kemudian dilanjutkan hingga skala pabrik

oleh National Lead Company, Ohio.

Bahan umpan UF6 diuapkan dari dalam

silinder-simpannya dicampur dengan amonia

yang terdisosiasi pad a reaktor pipa tegak pad a

suhu sekitar 371°C (700°F). Reaksi yang

terjadi seperti berikut:

1. Proses hidrolisis

Proses pengontakan umpan UFe denganair dilakukan melalui injecting nozzle pad a

tekanan 3 kgf/cm3 dan suhu 900C[3J untuk

menghasilkan UO2F2. Proses pengontakan

tersebut dapat dilihat pad a persamaan reaksi

(1 y2J:

UFs + H2 + 1/3N2 -:; UF4 + 2 HF + 1/3N2 (6)

Padatan UF4 yang terbentuk jatuh ke

bagian bawah reaktor, dikumpulkan, dibubuk,ditimbang, dicampur dengan produk UF4 dari

UF6 + 2H2O UO2F2 + 4HF 1)

URANIA No.23-24rrhn VI/Juli-Oktober 2000

HENDRO W AHYONO daD GHAIB WIDODO Proses Produksi UF4 dari Proses Aneka Bahan Dasar

batch lainnya, dan dikemas. Sementara, 9as-

gas yang berisi HF, debu UF4, N2 dan H2

diolah terlebih dahulu untuk dipungut UF4 dan

gas HF-nya sebelum dibuang ke udara.

200 -300 gUll sebagai katolit, hidrazin 0,5 -

0,9 M, dan asam nitrat 1 -2 M sebagai anolit

dilakukan di dalam pilot plant dengan dimensi

elektroda 63 x 24 cm pad a tegangan listrik

antara 2,75 -3 volt, dan membutuhkan total

arus 100 amper.Bahan Dasar UO2(NO3)2

2. Proses Flurex1. Proses Excer

Proses "Excer" (Ion Exchange, Conver-

sion, Electrolytic reduction) merupakan metoda

pembuatan UF4 melalui perubahan larutan

garam uranil menjadi UF4(4). Untuk

memperoleh produk UF 4, dapat ditempuh

melalui beberapa tahapan proses. Setelah

uranium dalam keadaan murni dan pekat,

selanjutnya dilakukan reduksi U(VI) menjadi

U(IV) melalui reduksi elektrolitik. Sel dua bilik

anoda dan katoda yang dipisahkan oleh

selembar membran tukar kation digunakan

untuk mereduksi uranium. Membran tukar

kation sangat selektif dalam memisahkan

katolit dari anolit dalam sel elektroliser.

Membran yang tidak dapat ditembus oleh

cairan tetapi hanya kation saja yang mampu

menembusnya, dapat pula menjaga suasanareduktif pad a bilik katoda dari oksidasi asam.

Sebagai larutan elektrolit dapat digunakan

berbagai asam seperti: asam sulfat, asam

nitrat, asam klorida dan sebagainya. Pad a bilik

katoda terjadi reduksi uranium seperti reaksi

berikut :UO22+ + 4H+ + 2e- <:=> U4+ + 2H2O (7)

Dalam proses ini uranil direduksi menjadi

uranium (IV) fluorida hidrat dan selanjutnya

diendapkan menjadi UF4- Laboratorium

Hanford[6] telah mengembangkan proses ini

dengan mengubah uranil nitrat dalam suasana

asam nitrat menjadi uranium (IV) fluorida hid rat

atau logam alkali atau amonium uranium (IV)

fluorida. Uranil dipisahkan dari ion nitrat dan

direduksi menjadi U (IV), dan akhirnya

diendapkan menjadi uranium (IV) fluorida.

Proses ini dilakukan di dalam sel elektrolitik

yang terdiri dari tiga wadah dan dipisahkan

oleh membran tukar ion. Secara skematik

diperlihatkan pad a Gambar 1.

Larutan uranil nitrat diumpankan melalui

bagian tengah dari wadah. Ion nitrat akan

bermigrasi melalui membran tukar anion

menuju ruang anoda, sedangkan ion uranil

bermigrasi dari ruang umpan melalui membran

tukar kation menuju ruang katoda untuk

direduksi menjadi U (IV). Platina merupakan

bahan anoda yang baik karena tahan terhadap

korosi dalam suasana asam nitrat, sedangkan

untuk katoda digunakan Hg. Pengendapan

uranium (IV) fluorida terjadi pada ruang

katoda. Reaksi elektroda yang terjadi dapat

ditunjukkan pad a reaksi (9), (10), dan (11)-

berikut :

Sementara, pada bilik anoda' hanya

terjadi pembentukan oksigen dari air seperti

reaksi berikut :H2O ~ O2 + 4H+ + 4e- (8)

U(IV) yang dihasilkan pada bilik katoda

mempunyai sifat mudah teroksidasi kembali

menjadi U(VI) sehingga dalam reduksi

elektrolitik diperlukan zat stabilisator seperti :

hidrazin, asam sulfamat, urea dan sebagainya.

Pad a instalasi Prefre, Tarapur5] membuat

U(IV) dari U(VI) dalam suasana asam nitrat

menggunakan stabilisator hidrazin. Dengan

menggunakan umpan uranil nitrat berkadar

Bilik katoda :U02++ +5HF+NH4+ +2e" .:::>NH4UFs+2H2O+H+ (9)

Bilik anoda :H2O .:::> 0,502 + 2H+ + 2e" (10)

Reaksi keseluruhan :U02+++5HF+4NH4+ .:::>

NH4UFs+O,502+H2O+3H+ (11)

Hasil NH4UFs didekomposisi secara

mudah menjadi UF4 menggunakan pemanas

HENDRO W AHYONO dan GHAIB WIDODO Proses Produksi UF4 dari Proses Aneka Bahan Dasar

pad a suhu sekitar 34SoC. Selain NH4UFs,

hidrat dari UF4 seperti logam alkali uranium

(IV) fluorida : NaUFs dan KUFs dapat pula

diproduksi pad a kondisi operasi yang sesuai.

6UO2F2+CeH100s+12HF ~ 6UF4+6CO+11H20 (15)

Dengan

perolehankemurnian

mempunyaiekonomi.

dua tahapanhasil

UF4 akan

yang tinggi dan

keuntungan lebih

proses ini

mempunyaiproses inidari segiBahan Dasar UO3

1. Proses fluorinasiBahan Dasar UO2

1. Proses Hidrofluorinasi

Proses menggunakan gas HF ini

dilakukan pad a suhu 500°C selama 4 jam

dengan tekanan atmosfir H2 dan HF kering

(tanpa H2O) dalam muffle furnace berdinding

inkonef81. Proses yang berlangsung di dalam

suasana HF berlebihan ini bersifat bolak-balik

(reversible), dan sebagian gas HF atau H2F2

terlarut di dalam embunan dan dikeluarkan,

Proses hidrofluorinasi UO2 menggunaka'n gas

HF dapat ditunjukkan pad a reaksi (16)

Pada proses ini bahan dikontakkan

dengan pereaksi fluoro-hidrokarbon seperti :

CCI2F2, CCI3F. atau C2CI2F 4. Pereaksi tersebut

dapat bereaksi,langsung terhadap UO3[7].Proses fluorinasi UO3 dapat juga disebut

proses freonisasi, sebab dalam prakteknya

menggunakan pereaksi dikloro-difluorometana

( CCI2F2 ) atau freon 12, dan dilakukan pad a

suhu 400°C!7J. Proses tersebut mengikuti

persamaan reaksi (12)

UO3+2 CCI2F2 ~ UF4+CO2+COCI2+ CI2 (12)

Pad a proses ini, selain diperoleh hasil

dengan kemurnian yang lebih tinggi,

kandungan oksidanya juga rendah dan bebas

air. Akan tetapi dalam penggunaannya,

freon-12 dapat merusak lapisan Olon

sehingga perlu dipertimbangkan lebih lanjut.

UF4+

H2O 16)UO2 + 4HF ~

Dalam reaksi sintesa UF4 sangat

dibutuhkan suasana reduktif. Hal ini

disebabkan H2O yang ditimbulkan akan

membentuk senyawa uranilfluorida menurut

persamaan reaksi (17) dan (18)

2.

Proses Fluorox

Proses yang terdiri dari dua tahap ini

dapat mengubah bahan serbuk UO3 menjadi

UF4 dengan kemurnian tinggi dan

menggunakan pereaksi CsH,oOso Tahappertama dilakukan reduksi UO31 seperti

ditunjukkan reaksi (13YS] berikut :

2U02 + O2 + 4HF <=> 2U02F2 + 2H2O (17)

U02F2 + 2H2O <=> U02(OH)2+ 2HF (18)

Dalam rute pembuatan logam U, secara

termodinamik hampir tidak mung kin UO2

tereduksi secara langsung menjadi logam U,

kecuali dengan menggunakan logam-logam

alkali dan AI. Tetapi penggunaan logam-logam

alkali dan AI tersebut masih memiliki

kelemahan, yaitu mempunyai titik didih rendah,

se;hingga reagen akan habis menguap

sebelum reaksi selesai. Sementara, dalam

penggunaan AI tidak boleh berlebihan

meskipun hanya sedikit saja. Hal ini dapat

menyebabkan terbentuknya paduan dengan U,sehingga akan mengurangi kemurnian U[8].

Bahan Dasar Serbuk U3O8

6UO3+C6H100s+24HF-t6UF4+6CO+17H20 (13)

Tahap kedua dilakukan konversi UF4

menjadi UFs menggunakan oksigen mengikutireaksi (14)

2UF4 + 02~UO2F2 + UFs 14)

Hasil UO2F2 dapat dipisahkan denganmudah dari UF6 dan selanjutnya dikontakkan

kembali dengan pereaksi C6H1oOs sepertiditunjukkan pad a persamaan reaksi (15)

9~

URANIA No.23-24/Thn VI/Juli-Oktober 2000

HENDRO W AHYONOdan GHAIB WIDODO Proses Produkri UF4 dari Proses Aneka Bahan Dasar

4.

1. Hidrofiourinasi Serbuk U30S

Bahan dasar serbuk U3O8 sebenarnya

bukan merupakan serbuk U3O8 yang berdiri

sendiri, melainkan campuran yang dikatakan

sebagai U3O8 mentah (campuran UO3 dengan

U3O8) atau campuran ketiganya yaitu UO3,

U3O81 dan UO2. pernyataan tersebut seperti

yang disampaikan oleh KATZ, karena ketiga

bahan ini apabila diproses akan menghasilkan

UF4 seperti ditunjukkan pad a reaksi-reaksi (14)

dan (16r91.

5.

6.

500OC-~U3O6+HF .UF4 + 2UO2F2+H2O {19}

Diagramatik untuk produksi UF4 dari

berbagai macam bahan dasar dapat

diperlihatkan pad a Gambar 2.

7

8.

FATHURRACHMAN, "Pemanfaatan Mem-

bran Alih-ion dalam Teknologi Kimia

Nuklir", Urania No. 41Th 1/1995, halo 30.

M.K.T., NAIR, R.K., SINGH, D.O., BAJPAI,

A.K., VENUGOLAPAR, R.R., SINGH, P.B.,GURBA, and M., THOMAS,"Role of Ion

Transfer Membrane in The Production of

Uranous Nitrate", Prefre Plant, Tarapur,

1992.W.E., SHAW, W.C., MANSER, R.G.,GEIGER, and S.H., SMILEY, "Natural

Slighthy Enriched, or Depleted Uranium

Chemistry", Chapter 8, USAEC Report K-

1248, Union Carbide Nuclear Co., K-25

Plant (1956) p. 380.

E., SULISTYONO, "Usaha Pemendekan

Proses Pembuatan UF4", URANIA No. 3/

Th 1/1995, halo 13.

A., SURIPTO, "Proses Pembuatan Elemen

Bakar Nuklir", Diklat Keselamatan dan

Sarana Dukung Elemen Bakar Nuklir,

Pusat Pendidikan dan Latihan-BATAN,

Serpong (1995), halo 12 -13.

J.J., KATZ, G.J. SEABORG, L.R. MORSS,

"The Chemistry of the Actinide Element",

Vol. 1 ,2nd edition, Katz Seaborg and

Morss,(1985) pp. 279 -280.

PUSTAKA

9.

NUKEM," Basic and Detail Engineering

Process Element Fabrication Plant for

BAT AN", Vol. 4 Nukem VT 2.0080., Hanau

(1983).N.H., GITTUS, "Uranium", Set in Monotype

Baskerville Type, Printed in Great Britain

by William Clowes and Sons, Ltd., London

and Beccles (1963), pp.148-152.

E.U.C., FRANJDLlCH, SALIBA-SILVA,A.M., M.A, ZORZETTO, "Alternative Route

for UFs Conversion towards UF4 to

Produce Metallic Uranium", Instituto de

Pesquisas Energeticas e Nucleares

(IPEN/CNEN-SP), Departemento do Cicio

do Combustivel, Brasil (1992).

3.

Penulis adalah

*pejabat Fungsional Pranata Nuklir,** Pejabat Peneliti dan keduanya adalah

Stat Bidang Teknologi Pascairadiasi dan

Daur Ulang, P2TBDU, BAT AN

HENDRO W AHYONO dan ORAlB WIDODO Proses Produksi UF4 dari Proses Aneka Bahan Dasar

Tabel1 : Spesifikasi garam hijau UF4[6]

AnalisisSpesifikasi

Maksimum Minimum

UF4 (Uranium tetratfluorida) 96,0%

Tidak larut dalam (NH4)2C2O4 2,5 %

Larut dalam air (UO2Fv 4,0%

Fe (besi) 45 ppm

Cr (kromium) 20 ppm

Co (kobal) 65 ppm

Ni (nikel)

Total impuritas

densitas

65 ppm

130 ppm

3,0 gr/cc

Gambar 1 : Skematis Sel Elektrolitik Proses Flurex.

11URANIA No.23-24/Thn VI/Juli-Oktober 2000

HENDRO W AHYONO dan GHAIB WIDODO Proses Produksi UF 4 dari Proses Aneka Bahan Dasar

_HF/100-2000C~

Gambar 2 : Reaksi Pembentukan Produk UF 4.