PERANCANGAN PABRIK PEMISAHAN ISOTOP URANIUM

  • Published on
    31-Dec-2016

  • View
    218

  • Download
    6

Embed Size (px)

Transcript

  • Presiding Pesentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir IIPEBN-BA TAN Jakarta, 19-20 Nopember 1996

    ID0100116

    ISSN 1410-1998

    PERANCANGAN PABRIK PEMISAHAN ISOTOP URANIUM MENGGUNAKANMETODA TUKAR KIMIA

    FathurrachmanPusat Elemen Bakar Nuklir

    ABSTRAK

    PERANCANGAN PABRIK PEMISAHAN ISOTOP URANIUM MENGGUNAKAN METODATUKAR KIMIA. Metodologi yang diperlukan untuk merancang pabrik pemisahan dengan cara tukarkimia (chemical exchange) menggunakan ekstraksi pelarut telah dilakukan. Proses ini melibatkanperhitungan jumlah stage, kapasitas, laju alir, nisbah refluks yang diperlukan baik dalam serialpengaduk-pengenap atau kolom pulsa. Umpan dimasukkan dari tengah pabrik, sedang produk danlimbah dikeluarkan dari kedua ujung-ujungnya. Sistem reaksi redoks yang dipilih adalah U(IV)-U(VI)dan data keseimbangan 40 % tri-n-oktilamin dalam benzene sebagai fasa organik dan HCI 4 Msebagai fasa air digunakan dalam perancangan pabrik sesungguhnya. Hasil analisis terhadappemisahan isotop uranium menunjukkan bahwa lebih dari 4000 stage diperlukan dengan nisbahrefluks sebanyak 700 hanya untuk mendapatkan produk 1 m3 yang mengandung 3 % U-235 dengankandungan 0,3 % U-235 dalam limbah. Diketahui pula bahwa makin besar tetapan pisah isotopuranium makin kecil jumlah stage yang diperlukan. Perancangan ini dapat pula digunakan untukpemisahan isotop yang lebih ringan daripada uranium seperti karbon dan boron.

    ABSTRACT

    DESIGN OF URANIUM ISOTOPE SEPARATION PLANT BY CHEMICAL EXCHANGE. Themethodology to design a solvent extraction plant for uranium isotope separation by chemicalexchange is outlined. This process involves the calculation of the number of stages, the capacity ofthe plant, the flow rates, and reflux ratios in banks of mixer settlers or pulse column used in such aplant. The feed is introduced at the middle of the plant, and the product is withdrawn at one end andthe tailings at another. The redox reaction system selected is U(IV)-U(VI) and the equilibrium data ofthe 40 % tri-n-octylamine (TOA) in benzene as the organic phase and 4 M HCI as the aqueousphase are used for the design of the real plant. The resulting analysis for the uranium isotopeseparation shows that more than 4000 number of stages are required and the reflux ratio is around700 to produce only 1 m3 of product containing 3% of U-235 and 0.3% of U-235 in the tailings. It isalso known that the larger the isotope separation constant the smaller the number of stages needed.The method of design can be used for other systems where the isotope separation constants aremore favorable.

    PENDAHULUAN

    Teori tukar kimia yang lebih dikenaldengan istilah Chemex_ {chemical exchange)telah sangat baik "diuraTkarf'oleh Tjrey'"cfanRittenberg pada tahun 1933111 terutamaditujukan kepada isotop ringan. Teori itu amatbermanfaat ketika dipakai untuk memroduksiair berat secara besar-besaran.

    Upaya penggunaan teknik tukar kimiaterhadap pemisahan isotop uranium yangdisebut pula pengayaan uranium barudilakukan tahun limapuluhan, tetapi prosesyang ditemukan saat itu terlalu lambat danamat mahal dilaksanakan dalam skala besar,sehingga tidak mampu berkompetisi denganpabrik pengayaan uranium yang menggunakanproses difusi gas.121 Akan tetapi, beberapa

    kemajuan penelitian telah menjanjikanharapan ketika ditemukan teknik barn olehpeneliti Perancis pada tahun 1968 denganmenggunakan proses ekstraksi pelarut cair-cairterhadap spesies redoks U(lll)-U(IV).[3] Awaltujuhpuluhan peneliti Jepang dari perusahaanJapanese Asahi Chemical Co. juga mengu-mumkan kesuksesan hasil penelitian mereka,kemudian mereka dapat memisahkan isotopuranium dalam skala pilot plant bahkan saat inisiap pula melaksanakannya dalam skala pabriksecara komersial.141 Mereka menggunakanresin tukar anion berkemampuan tukar amattinggi dengan memanfaatkan sistem padat cairterhadap spesies redoks U(IV)-U(VI). Keduaproses tersebut menjadi menarik perhatianpara peneliti setelah ditemukan katalis-katalisyang tepat untuk proses-proses ekstraksipelarut dan resin tukar anion sehingga dapat

    123

  • Presiding Pesentasi llmiab Daur Bahan Bakar Nuklir IIPEBN-BATAN Jakarta, 19-20 Nopember 1996

    ISSN 1410-1998

    mempercepat proses tukar isotop uranium.Namun, katalis-katalis yang dimaksud masihdirahasiakan dan belum terlihat dalam publikasimereka.

    Secara teori proses tukar kimia dipimpinoleh tetapan pisah isotop, epsilon (s). Tetapanini menurun bila berat molekul isotop menaik.Harga epsilon adalah 0,52 untuk pemisahandeuterium,151 0,05 untuk pemisahan lithium,'61

    0,0013 untuk uranium menggunakan sistemredoks U(VI)-U(IV),m dan 0,0026 untukuranium menggunakan sistem redoks

    !3)

    Bagan sederhana proses pemisahanisotop uranium dapat dilihat dalam gambar 1,sedang diagram alir prosesnya terlihat dalamgambar 2.

    Seksi Tukar Isotop

    Gambar 1. Bagan sederhana proses pemi-sahan isotop uranium.

    Aliran fasa organik

    w

    U(VI)OksidasiT Reduksi

    Membran Tukar Ration dalam sel elektrolitik

    Aliran fasaair (asam)

    Gambar 2. Diagram alir pabrik pemisahanisotop uranium.

    Diagram alir tersebut terdiri atas tiga alirantertutup, yaitu : aliran fasa organik, aliranuranium, dan aliran fasa air. Umpan fasa airyang mengandung campuran tertentu U(IV)dan U(VI) dimasukkan di tengah kaskade.

    Aliran U(IV) ditunjukkan dengan garis tebal.U(VI) dalam fasa air diekstraksi oleh campuranzat organik dan bercampur dengan U(IV)dalam seksi tukar isotop secara lawan-arah. Diseksi ini terjadi pertukaran isotop antara U-235dan U-238. Karena tetapan pisah isotop begiturendah, U(VI) dalam fasa organik harusdikontakkan berkali-kali dalam ribuan stagedengan U(IV) dalam fasa air. U(VI) yangmeninggalkan seksi tukar isotop dikenai prosesstripping menggunakan larutan asam panas,kemudian direduksi menjadi U(IV) dan dikirimkembali ke seksi tukar isotop. Proses reduksidan oksidasi dilakukan dalam sel elekrolitikyang berisi membran tukar kation. IsotopU-235 cenderung diperkaya dalam bentuk ionU(VI) yang berada dalam fasa organik, sedangisotop U-238 berada dalam bentuk ion U(IV) difasa air yang berupa larutan asam HCli81

    Tulisan ini mengungkapkan teknikperhitungan sederhana untuk memisahkanisotop uranium menggunakan sistem redoksU(IV)-U(VI) dan pemanfaatan data labo-ratorium yang berupa data kesetimbangan dankonsentrasi maksimum kedua spesies uraniumdalam fasa organik (TOA-benzene) dan fasaair (Larutan HCI 4 M) untuk mencari jumlahstage sesungguhnya dengan cara kedua fasadikontakkan berkali-kali secara lawan arahguna mendapatkan konsentrasi U-235 sebesar3%.

    TATA PERHITUNGAN

    A. MODEL KONTAKTOR IDEAL PABRIKPEMISAHAN ISOTOP URANIUM

    Asumsi utama yang diambil dalam modelini adalah semua U(VI) dalam bentuk ion UO2

    2+

    berada di fasa organik dan semua U(IV) dalambentuk ion U4+ berada di fasa air. Keduanyaberkonsentrasi c (kg/m3) dalam setiap fasa.Multistage ini beroperasi terus menerus dankedua fasa bercampur lawan-arah dari satustage ke stage lainnya dan dibiarkansetimbang. Bila x adalah fraksi mol U-235dalam fasa air, maka yn adalah komposisiisotopik dalam fasa organik yangbersetimbangan dengan xn. Setelah beberaparatus kali berkontak dan kondisi ajeg diperoleh,konsentrasi uranium akan sama. Dengan teoritukar kimia, yn dan xn mengikuti hubungankesetimbanganI91 sebagai berikut:

    124

  • ISSN 1410-1998 Prosiding Pesentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir IIPEBN-BATAN Jakarta, 19-20 Nopember 1996

    (1)

    Dalam hubungan ini epsilon adalah tetapanpisah isotopik sama dengan 0,0013 untukreaksi tukar UO2

    2+ dan U4+. Karena nilai epsilonsangat kecil, persamaan di atas dapatdisederhanakan dengan mengekspansiekspresi itu menggunakan theorema Binomialdan membuang semua suku mengandung e2

    dan selebihnya. Persamaan (1) menjadi,

    yn = xn + sx(l-x) (2)

    (3)

    Pers. 2 dapat disederhanakan lagi denganmengabaikan s x2 yang nilainya juga masihkecil bila ingin mendapatkan uraniumberpengayaan rendah yang biasa dipakaidalam reaktor daya jenis PWR. Pers. 2menjadi,

    y = (4)

    Konfigurasi pabrik ideal untuk pemisahanisotop uranium yang terdiri atas stage identiksejumlah N tertera dalam gambar 3. Pabriktersebut terdiri atas seksi stripping (dari stage1 hingga f) dan enriching (dari stage 1 hinggaN-f). Jumlah stage yang diperlukan dilabeldari kiri ke kanan untuk seksi stripping, tetapidari kanan ke kiri untuk seksi enriching gunamempermudah pemberian kondisi batas.

    Produk Pditarik dari fasa organik yang ke luardari stage 1 seksi enriching, limbah W dalamfasa air dikeluarkan dari stage 1 seksistripping, dan umpan F dimasukkan ke stage fyang membatasi seksi stripping dan enriching.Juga diasumsi bahwa konsentrasi limbah xw,umpan xf, dan produk yp telah diketahui, danP sama dengan 1 m3 per tahun, maka neracamassa total dan neraca massa komponenadalah,

    F = W + 1 dan W.xw + yp = F.xf

    Dari kedua persamaan di atas dapat diketahuibahwa laju alir umpan hanya bergantungpada komposisi isotopik limbah, umpan, danproduk, seperti berikut ini,

    F p w ( 5 )

    SEKSI STRIPPING

    Stage ke n menerima umpan fasaorganik dari stage ke (n-1) yang mempunyaikomposisi isotopik yn. 1 dan umpan fasa airdari stage ke (n + 1) yang berkomposisi xn + , .Laju alir fasa organik (R+1) dan fasa air (R+F)dianggap konstan di seluruh kontaktor.Setelah mereka dicampur dan sampai padakeadaan setimbang, maka neraca massa disekitar stage n adalah,

    R+1 R+1Stripping }>p

    "Oksidasi -*1 xl xf~\

    R+F

    U(IV)I

    ^0 Reduksi

    R

    SEKSI STRIPPING SEKSI ENRICHING

    Gambar 3. Konfigurasi pabrik ideal untuk pemisahan isotop uranium.

    125

  • Presiding Pesentasi llmiab Daur Bahan Bakar Nuklir IIPEBN-BATAN Jakarta, 19-20 Nopember 1996

    ISSN 1410-1998

    (6)

    Menurut pers. 4, yn dapat diganti menjadifungsi x, kemudian diatur supaya sisi kanansama dengan nol, maka pers. 6 menjadi,

    F)x+I -

    ., =0

    Pers. 7 dapat diselesaikan menggunakancara normal finite difference sedemikian rupasehingga,

    xn = A. a" + B. P" (8)

    a dan (3 adalah akar-akar dari persamaankuadrat

    (R+F)x2 -

    (i?+lXl+e) = 0(9)

    Persamaan terakhir ini dapat dimodifikasimenjadi,

    (R + F),

    (R + F)(10)

    sehingga pers. 10 dapat diselesaikan denganrumus ABC biasa dan akar-akar persamaantersebut untuk seksi stripping adalah,

    a = 1 dan(R + F)

    (11)

    Langkah perhitungan berikutnya adalahmencari konstanta A dan B guna mencarijumlah stage yang diperlukan dalam seksistripping dengan memanfaatkan kondisi batasyang ada.

    Untuk n = 0 (stage 0), y0 = xw. Dengananalogi menggunakan pers. 4, x0 = y0 / (1+8),maka pers. 8 menjadi,

    (1+6)= A +B (12)

    Untuk stage 1, n = 1, x, = xw. Denganmemasukkan harga-harga ini ke pers. 8diperoleh,

    w(13)

    Dengan mengurangkan pers. 12 dari pers. 13,maka harga B adalah,

    B = ex w (14)

    Harga A dapat diperoleh denganmemasukkan harga B ke pers. 12 sehingga,

    (15)

    Bila harga A dan B dimasukkan ke pers. 8kembali, dan xn = xf untuk n = f, makakomposisi isotopik dalam stage umpan xfmenjadi,

    Jika (Ps-1)(1 + e) disederhanakan menjadi 6Sdan persamaan terakhir ini diatur, makajumlah stage seksi stripping adalah,

    (16)'P,

    SEKSI ENRICHING

    Arah teknik perhitungan jumlah stagepada seksi ini adalah dari kanan ke kiri yangberlawanan arah dengan perhitungan di seksistripping yang dari kiri ke kanan. Jadi, stageke n menerima umpan fasa organik dari stageke (n+1) yang mempunyai komposisi isotopikyn + ! dan umpan fasa air dari stage ke (/7-1)yang berkomposisi x ^ . Laju alir fasa organiktetap (R+1) dan fasa air R yang keduanyadianggap konstan di seluruh kontaktor.Setelah mereka dicampur dan sampai padakeadaan setimbang, neraca massa di sekitarstage n dan sekaligus memasukkan pers.4 kedalam persamaan neraca massa tersebut,maka akan diperoleh persamaan seperti,

    Rx . =0M - l

    Pers. 17 mempunyai bentuk yang samadengan pers. 7, maka pers. 17 dapat diubah

    126

  • ISSN 1410-1998 Presiding Pesentasi llrniah Daur Bahan Bakar Nuklir IIPEBN-BATAN Jakarta, 19-20 Nopember 1996

    seperti halnya pada pers. 9, sehingga akar-akar persamaan tersebut menjadi,

    a=1dan s) (18)

    Konstanta A dan B pada pers. 8 untuk seksienriching dapat pula dicari menggunakankondisi batas sebagai berikut:

    Untuk n = 0 (stage 0), xn - x0 = yp, sedangn=1, Xi=yp/ (1+e), maka dengan memasukkankondisi batas ini ke pers. 8, harga B dan Aakan diperoleh.

    B = - dan A =e

    Dalamhalini,

    Dengan memasukkan kembali harga A dan 8ke pers. 8 disertai kondisi batas x = xf untukn = N-f, maka komposisi isotopik dalam stageumpan xf adalah,

    e. e.atau,

    Jumlah stage seksi enriching adalah,

    (19)

    B. MODEL KONTAKTOR NYATAMENGGUNAKAN DATA LAB

    Pada penurunan teori sederhana yangdijelaskan di muka, asumsi mendasar telahdibuat, bahwa semua U(VI) berada dalamfasa organik dan semua U(IV) berada di fasaair. Hal itu tentu saja tidak benar, karena datalaboratorium yang pada perhitungan inimenggunakan TOA-benzene sebagai fasaorganik mengungkapkan bahwa keduaspesies U itu ternyata terabsorsi oleh fasaorganik dan membentuk kompleks dalam

    suasana asam HCI. U(VI) lebih kuatterabsorsi dalam fasa organik daripada U(IV),tetapi U(IV) akan makin banyak terserab bilakonsentrasi asam dinaikkan [101. Oleh karenaitu, gambar 4 dan 5 memberikan gambaranyang lebih realistik dari situasi kimia dalamplant ekstraksi pelarut. Tulisan ini akan lebihmengarah kepada gambar 5 yangmenjelaskan bahwa hanya sedikit U(IV) terse-rab dalam fasa organik supaya dapatmendekatkan batasan yang telah dipasang dimuka.

    120 -j

    1.1100-8U

    60-

    40 1

    20

    n i

    asI

    A Ah

    i..,,

    H m.

    BU(VI)

    > 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

    x (U fasa air), kg/m3

    Gambar 4. Kurva kesetimbangan U(VI) dan U(IV)dalam TOA 40 % (HCI 6 M)[10).

    2

    croS>oTOv>S

    120 i

    100-

    80-

    60

    40-

    20

    C) 20 40

    X

    60 80

    (U fasa

    100

    air),

    BU(VI)

    U(IV)

    120 140 160 1

    kg/m3

    Gambar 5. Kurva kesetimbangan U(VI) dan U(IV)dalam TOA 40 % (HCI 4 M) Ml

    Berikut didefinisikan konsentrasi uraniumyang berada di dua fasa dengan satuankg/m3.

    U = konsentrasi U(VI)/UO22+ dim fasa organik

    u'= konsentrasi U(VI)/UO22 +dalam fasa air

    Z = konsentrasi U(IV)/U4+ dalam fasa organikz'= konsentrasi U(IV)/U4+ dalam fasa air

    Dalam hal ini komposisi isotopik UO22+ adalah

    yn yang berada di fasa organik dan fasa airdan xn adalah komposisi iotopik U

    4+ dalamkedua fasa tersebut Karena plant beroperasimendekati refluks total, dianggap bahwakonsentrasi uranium total pada fasa organik

    127

  • Prosiding Pesentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir IIPEBN-BATAN Jakarta, 19-20 Nopember 1996

    ISSN 1410-1998

    dan fasa air adalah sama, sehinggahubungan berikut dapat dipakai,

    U + Z = (u' + z') atauU + Z = u + z (20)

    O adalah volume fasa air dibagi volume fasaorganik. Untuk setiap harga O>, harga u dan zmenjadi u - u' dan z = z'. Kuantitas Udengan u' dan Z dengan z' salingberhubungan satu sama lain seperti yangditunjukkan dalam gambar 5. Hubunganantara U dan u' untuk UO2

    2+ diberikanmenuruti Langmuir Isotherm seperti:

    U =Cx.u'

    (21)

    dan hubungan Z dan z' untuk U4+ adalahlinear,

    Z = C, + O, . z' (22)

    Bila pers. 21 dan 22 dimasukkan ke pers. 20diperoleh hubungan antara z'dan u',

    C3 + C4.Z

  • ISSN 1410-1998 Prosiding Pesentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir IIPEBN-BATAN Jakarta, 19-20 Nopember 1996

    R+l R+lU= 79,49 Uy0 UyxUyf_2 Uyf.x UyN.fUy2 UyxZ= 0,55 Zx0 ZxxZxf_2 Zxf.x ZxN.f Zx2 Zxx (U+Z)yp

    Ekstraksi Stripping

    (U+ZpCU(VI)

    R+l

    Oksidasi

    (u+z)xw uyx uy2 uyf.x uyfzxx zx2 zxf.x zxf

    R+F 1SEK...