Kalsinasi Zirkonium Part 1


 

Latar Belakang


Untuk membuat kelongsong bahan bakar nuklir dibutuhkan logam yang mempunyai daya serap neutron rendah, dengan struktur bahan yang tahan korosi, mempunyai sifat mekanik yang kuat, serta kemurnian tinggi. Oleh sebab itu dipilih logam Zirkonium. Zirkonium merupakan logam yang mempunyai struktur mekanik kuat, tahan terhadap korosi serta mempunyai tampang serapan neutron paling kecil, sekitar 0,18 barn (Lustman dan Kerze, 1955).
Selain digunakan untuk kelongsong bahan bakar nuklir, Pada reaktor, Zirkonium juga banyak digunakan untuk bejana bertekanan, tangki, pipa pada kelongsong bahan bakar nuklir, bahkan sebagai bahan bakar nuklir dalam bentuk aliasi Zr-U (Miller, 1957).

Untuk memurnikan Zirkonium maka diperlukan usaha-usaha seperti pemanasan kalsinasi agar terpenuhi syarat bahan tak serap murni. Proses ini bertujuan untuk menghilangkan unsur-unsur pengotor seperti Hafnium yang memiliki tampang serapan neutron besar. Hafnium sebagai unsur pengotor memiliki tampang serapan neutron sebesar 120 barn. Zirkonium alam murni biasanya terdapat 25 % Hafnium. Ini belum memenuhi bahan tak serap murni karena bahan tak serap murni ini akan dikatakan murni jika ada 100 ppm Hf (Iswani, 1984). Proses kalsinasi ini akan dilakukan pada furnace dengan suhu yang sudah ditentukan.

Untuk menghemat biaya produksi serta menghasilkan output sebuah sistem kendali sesuai yang diinginkan maka diperlukan adanya kontroler. Kontroler akan berfungsi melakukan kalkulasi sesuai dengan algoritma yang ditanamkan ataupun diterapkan pada kontroler tersebut(Wilis,2007).

Zirkonium adalah unsur yang mempunyai sifat mekanika kuat, tahan korosi serta mempunyai kemampuan menyerap neutron paling kecil daripada semua logam-logam yang mempunyai sifat tersebut. Oleh karena itu Zirkonium pada umumnya dipilih sebagai bahan struktur reaktor nuklir. Zirkonium didalam reaktor nuklir biasanya digunakan untuk bejana tekan, tangki, pipa pada kelongsong bahan bakar, bahkan sebagai bahan bakar nuklir dalam bentuk aliasi Zr-U. Tampang serapan neutron Zirkonium sangat kecil, sekitar 0,18 barn (Lustman dan Kerze, 1955)

Pemurnian Zirkonium

Pemurnian Zirkonium bisa dilakukan dengan proses pemurnian dan reduksi ZrCl4 dengan Mg secara terpisah karena pengaturan suhu operasi relatif lebih mudah dibandingkan dengan cara kombinasi untuk kapasitas kecil. Tungku pemanas dan rotor dibuat satu alat untuk proses permurnian dan reduksi. Alat dirancang pada suhu 900 °C dengan waktu operasi pemurnian dan reduksi selama 63 jam. Pemanas dirancang dengan menggunakan nikelin dengan daya total 12 KVA. Bahan isolasi untuk tungku pemanas dipakai bata tahan api dengan tebal 8,0 cm (Ariffien, 2000)

Pada proses pemurnian dilakukan pemurnian dari bahan baku ZrCl4 yang (hasil dari klorinasi) dari pengotor-pengotornya seperti Fe, Si, Te, dan lainnya dengan cara memanaskan pada suhu 400 °C – 600 °C sampai menguap dan kemudian uap tersebut disublimasi (Lynch, 1980).

Menurut Kroll dan Stephen (1949) ada beberapa tahap operasi pemurnian antara lain:

  1. Pemanasan awal pada suhu 200 °C dilakukan pengeluaran gas (bleeding) dengan disertai pemasukan gas H2dalam reaktor sehingga pengotor SiCl4 dapat diusir dan juga mereduksi Fe+3 menjadi Fe+2, selain itu juga dapat mengurangi gas O2 sehingga tidak terbentuk ZrOCl2 . nH2O yang merupakan pengotor juga.
  2. Pada suhu 400 °- 600 ° C ZrCl4 akan menguap.
  3. Suhu sekitar 310 °C- 330 °C ZrCl4 uap akan menyublim pada pendingin (kondensor).
  4. Hasil sublimasi yang enempel pada alat pendingin tersebut kemudian dipindahkan pada alat reduksi.

Pada proses reduksi dari ZrCl4 (uap) dengan Magnesium (Mg) pada titik leburnya akan menghasilkan Zirkonium Spongeseperti pada persamaan 3.1.

½ ZrCl4 (g) +Mg (c) à ½ Zr (p) +MgCl2 (c) ………………………(3.1)

Suhu reaksi antara 850 °C– 900 °C. Pada suhu 950 °C akan terjadi campuran antara Fe dan Zr, hal ini harus dicegah dengan mempertahankan suhu operasi pada 900 °C. Reaksi reduksi berlangsung pada atmosfer He (Helium) untuk mempertahankan Zr sponge yang tidak dapat dibentuk sehingga biasanya dilakukan kontrol perbandingan mol He/ ZrCl4. Hasil kemurnian dari proses pemurnian akan menentukan hasil dari Zr sponge pada proses reduksi (Ariffien, 2000).

Furnace kalsinasi Zirkonium

Furnace kalsinasi Zirkonium merupakan alat yang dirancang pada suhu 900 °C dengan waktu operasi pemurnian dan reduksi selama 63 jam. Pemanas dirancang dengan menggunakan nikelin dengan daya total 12 KVA. Bahan isolasi untuk tungku pemanas dipakai bata tahan api dengan tebal 8,0 cm (Ariffien, 2000).

Furnace adalah alat pemanas untuk memanaskan sebuah objek. Furnace modern dilengkapi dengan heat exchangeruntuk memanfaatkan setiap panas sehingga tidak ada energi yang keluar (Raswari, 1987).

Programable Logic Control T100MD1616+

Programmable logic controller merupakan salah satu anggota computer yang menggunakan IC ataupun peralatan elektromekanik untuk melakukan fungsinya sebagai kontroler. PLC memungkinkan melakukan beberapa fungsi seperti penyimpanan perintah-perintah yang digunakan untuk mengkontrol, data yang telah dimanipulasi, berkomunikasi dengan perangkat lain (Bryan, 1997). Programmable Logic Control (PLC) dikenalkan pertama kali pada tahun 1969 oleh Richard E. Morley yang merupakan pendiri Modicon Corporation. Menurut National Electrical Manufacturing Assosiation (NEMA) PLC didefinisikan sebagasi suatu perangkat elektronik digital dengan memori yang dapat diprogram untuk menyimpan instruksi-instruksi yang menjalankan fungsi-fungsi spesifik seperti: logika, sekuensial, waktu (timing), pencacah (counting), dan aritmatika, untuk mengontrol suatu mesin industri atau proses industri sesuai dengan yang diinginkan. PLC mampu mengerjakan suatu proses terus menerus sesuai variabel masukan dan memberikan keputusan sesuai keinginan pemrograman sehingga nilai keluaran tetap terkontrol (Zanuar 2010). PLC sebenarnya adalah suatu sistem elektronika digital yang dirancang agar dapat mengendalikan mesin dengan proses mengimplementasikan fungsi nalar kendali sekuensial, operasi pewaktuan (timing), pencacahan (counting), dan aritmatika. PLC tidak lain adalah komputer digital sehingga mempunyai processor, unit memori, unit kontrol, dan unit I/O (Input/Output), PLC berbeda dengan komputer dalam beberapa hal, yaitu :

  1. PLC dirancang untuk berada di lingkungan industri yang mungkin banyak debu, panas, guncangan, dan sebagainya.
  2. PLC harus dapat dioperasikan serta dirawat dengan mudah oleh teknisi pabrik.
  3. PLC sebagian besar tidak dilengkapi dengan monitor, tetapi dilengkapi dengan peripheral port yang berfungsi untuk memasukkan program sekaligus memonitor data atau program.

Kelebihan PLC (Programmable Logic Controller):

  • Flexibility.
  • Perubahan implementasi dan koreksi kesalahan (error).
  • Harga yang rendah.
  • Jumlah kontak yang banyak.
  • Memonitor hasil.
  • Kehandalan/Reliability.

Kelebihan serta spesifikasi yang dimiliki PLC T100MD1616+ antara lain:

a)                  4 saluran masukan analog 10-bit.

b)                  2 saluran keluaran analog 8-bit.

c)                  16 saluran masukan/keluaran digital.

d)                 Memori program 6016 word pada EEPROM, memori data 1770 word pada EEPROM dan 4000 word padavolatile RAM.

e)                  Kecepatan ekesekusi hingga 160 MIPS (Million Instructions Per Second) pada frekuensi 160 MHz.

f)                   Tersedia 16 saluran komputasi PID yang dapat diprogram secara langsung untuk membentuk kendali PID digital.