UNTUK REAKTOR SUHU TINGGI CP: Sudjatmoko, Tjipto Sujitno MATERIAL DAN KOMPONEN UNTUK REAKTOR SUHU TINGGI CP: Sudjatmoko, Tjipto Sujitno BADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL PUSAT SAINS DAN TEKNOLOGI AKSELERATOR Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281 2014
Next Generation Reactor Concepts PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN Next Generation Reactor Concepts Thermal and fast water-cooled (SCWR-Th and SCWR-F) Gas cooled (VHTR and GFR) Liquid metal cooled (sodium and lead fast reactors : Na-LMR and Pb-LMR) 13 maret015 psta@batan.go.id
PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN Dalam beberapa dekade yang lalu (1970-an dan 1980-an) konsep HTR telah terbukti dapat dioperasikan hingga 950 oC, di USA, GB dan Jerman Akhir-akhir ini forum GEN4 (GIF) memberi rekomendasi konsep HTR untuk kogenerasi listrik dan produksi-panas untuk industri (hidrogen, desalinasi air laut) Tujuan dari perintisan Sistem Energi Nuklir GEN4 adalah mengembangkan dan membuktikan sistem energi nuklir maju yang memenuhi kebutuhan : 13 maret015 psta@batan.go.id
VHTR UNTUK PRODUKSI HIDROGEN PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN VHTR UNTUK PRODUKSI HIDROGEN Hidrogen mempunyai potensi mengubah secara menyeluruh kebiasaan orang untuk “membuat, menyimpan dan memanfaatkan energi” Hidrogen akan menjadi menarik sebagai pembawa energi, jika dapat dibuktikan bahwa hidrogen dapat dihasilkan secara bersih dengan biaya yang efektif pada skala besar Meskipun melimpah di bumi, hidrogen bukan sumber energi yang dapat ditambang seperti batubara dan uranium atau dikumpulkan seperti minyak atau gas alam Hidrogen harus diekstrak dengan memecah molekul baik air atau metan yang memerlukan masukan energi yang besar untuk produksi skala besar 13 maret015 psta@batan.go.id
PEMANFAATAN PANAS DARI HTR PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN PEMANFAATAN PANAS DARI HTR Desalinasi air laut GCR/HTR Produksi Hidrogren Gasifikasi & Pencairan Batubara Turbin/power generation (listrik) 13 maret015 psta@batan.go.id
PRODUKSI HIDROGEN PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN 13 maret015 psta@batan.go.id
50 W portable fuel cell with metal PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN APLIKASI FUEL CELL NECAR 5 250 kW distributed cogeneration power plant 50 W portable fuel cell with metal hydride storage 7 kW home cogeneration power plant 13 maret015 psta@batan.go.id
PROGRAM OF HTR/VHTR SYSTEMS PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN PROGRAM OF HTR/VHTR SYSTEMS Design and safety Fuel and fuel cycle Materials and components Hydrogen production Helium turbine and balance of plant 13 maret015 psta@batan.go.id
PERMASALAHAN MATERIAL DAN KOMPONEN PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN PERMASALAHAN MATERIAL DAN KOMPONEN 13 maret015 psta@batan.go.id
PERMASALAHAN MATERIAL SUHU TINGGI PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN PERMASALAHAN MATERIAL SUHU TINGGI Material akan terpapar pada suhu tinggi, tekanan, iradiasi/paparan neutron dan lingkungan korosif Umur operasi 60 tahun untuk GEN4 Reactors akan memerlukan stabilitas material yang sangat panjang Penggunaan panas-proses untuk produksi hidrogen skala-besar juga akan memerlukan material yang sesuai dengan Heat-Transfer Media dan Reactants 13 maret015 psta@batan.go.id
Teknologi material yang harus dikaji dan diteliti adalah : PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN Teknologi material yang harus dikaji dan diteliti adalah : Suhu medium (~ 450-650 oC) untuk vessel structures dan cold internals Suhu tinggi (~ 650-950 oC) untuk primary circuit, recuperator, intermediate heat exchanger dan turbine component Suhu sangat tinggi (~ 1.000-1.650 oC) untuk core dan hot gas facing components 13 maret015 psta@batan.go.id
PRAKIRAAN JENIS KERUSAKAN/DEGRADASI MATERIAL PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN PRAKIRAAN JENIS KERUSAKAN/DEGRADASI MATERIAL Kondisi selama iradiasi : suhu, dosis, laju dosis dan komposisi material menentukan perubahan sifat material IRADIASI •Swelling •Irradiation creep •Embrittlement PAPARAN SUHU TINGGI • Korosi-oksidasi suhu tinggi • Perubahan struktur-mikro • Aliran plastis 13 maret015 psta@batan.go.id
LINGKUNGAN GAS HELIUM PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN LINGKUNGAN GAS HELIUM (He + tak murnian CO/CO2, H2, H2O, O2) • Lapisan Oksida : sebagai akibat dari pelunakan matriks dan batas- batas butir • Terkarburasi dan teroksidasi secara internal atau pada permukaan (keras dan getas akibat pembentukan karbida) • Getas karena hidrogen • Degradasi antarmuka serat-matriks 13 maret015 psta@batan.go.id
LITBANG YANG DIPERLUKAN PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN LITBANG YANG DIPERLUKAN Pengembangan, uji dan perancangan material baru untuk control rod materials Material suhu tinggi yang diperlukan untuk komponen-komponen utama : Material untuk bejana tekan reaktor (RPV) Hot gas ducts and components materials Recuperator materials Insulation materials Expansion joint materials Intermediate Heat Exchanger (IHX) materials High temperature materials for turbine Graphite fabrication and qualification Graphite disposal 13 maret015 psta@batan.go.id
2. MATERIAL UNTUK PRIMARY CIRCUIT DAN TURBINE PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN 2. MATERIAL UNTUK PRIMARY CIRCUIT DAN TURBINE 1) Ni-based alloy untuk Primary Circuit RPV dihubungkan dengan unit produksi energi via komponen penting yang disebut cross vessel yang bekerja dalam jangkau suhu lebih rendah (500 – 600 oC) daripada hot internals (hot gas duct) yang ber- operasi dalam jangkau 850 - 1.000 oC Dosis iradiasi pada struktur ini sangat rendah Material kandidat : - Inco alloy 617 - Hastelloy XR - Haynes 230 13 maret015 psta@batan.go.id
2) Ni-based alloy untuk Turbine PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN 2) Ni-based alloy untuk Turbine Inlet turbine shroud, turbine disk dan blades, dan recuperator merupakan komponen yang sangat kritis Nickel-based alloys (617) atau C-C composites dapat digunakan untuk inlet shroud, diperlukan sifat-sifat pada 950 - 1.000 oC Kondisi operasi maksimum komponen kritis tersebut (tidak teriradiasi) : Recuperator : 600 oC/7 MPa Turbine : 850 oC/150 MPa/60.000 jam HTHX : 1.050 oC 13 maret015 psta@batan.go.id
3. MATERIAL IHX (INTERMEDIATE HEAT EXCHANGER) PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN 3. MATERIAL IHX (INTERMEDIATE HEAT EXCHANGER) Penukar panas adalah komponen penting konversi energi untuk mengarahkan secara termal produksi hidrogen Penukar panas dalam sistem reaktor GEN4 memerlukan material yang sangat khusus terhadap kondisi-kondisi kritis : media yang sangat reaktif dan korosif secara kimia pada suhu tinggi mampu menahan tekanan tinggi menjamin keselamatan dan tahan terhadap periode panjang dan berbagai macam siklus proses 13 maret015 psta@batan.go.id
STATUS TEKNIK SAAT INI PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN 13 maret015 psta@batan.go.id
PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN ALUMINIDE COATING PADA CUPLIKAN Fe-9Cr-1Mo DAN SS-304L (Fe-18Cr-9Ni alloy) Gambar SEM : (a) Fe-9Cr-1Mo setelah siklus 1000 (b) 304L setelah siklus 1000 (c) 304L setelah siklus 2000 (d) Fe-9Cr-1Mo setelah siklus 2000 Terjadi retakan di dalam coatings Perubahan massa cuplikan selama siklus 1 jam pada suhu 700oC dalam udara+10%H2O Tanpa coating, 304L dan Fe-9Cr-1Mo terserang oksidasi sangat hebat setelah short exposures Aluminide coating, 304L dan Fe-9Cr-1Mo mempunyai ketahanan oksidasi yang baik hingga siklus 1000 jam Setelah siklus 1000 jam, aluminized 304L mengalami penambahan massa sangat besar 13 maret015 psta@batan.go.id
ALUMINIDE COATINGS PADA CUPLIKAN Ni-BASED ALLOYS PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN ALUMINIDE COATINGS PADA CUPLIKAN Ni-BASED ALLOYS Gambar SEM : terbentuk kerak pada aluminized alloy 601 setelah siklus 2.500 jam pada suhu 900oC dalam uap-10%CO2 pada tekanan 20 atm. Perubahan massa cuplikan Ni-based alloys selama siklus 500 jam di dalam udara pada suhu 900oC dengan dan tanpa aluminide coatings 13 maret015 psta@batan.go.id
ALUMINIUM-CONTAINING ALLOYS : HAYNES ALLOY 214 PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN ALUMINIUM-CONTAINING ALLOYS : HAYNES ALLOY 214 Gambar TEM dari Haynes 214 (NiCrAlFe+Y/Zr) setelah 100 jam oksidasi pada suhu 1.100oC dalam udara+10%H2O, terbentuk duplex scale - outer Ni-rich oxide (NiAl2O4) dan inner -Al2O3 layer - penambahan Y dan Zr agar supaya laju pertum- buhan kerak lambat dan memperbaiki alumina scale adhesion Data cuplikan Haynes alloy 214 tebal 50m dan 100m pada suhu 800o dan 900oC, dengan dan tanpa 10vol% H2O 13 maret015 psta@batan.go.id
IMPLANTASI ION Y DAN Ce PADA CUPLIKAN FeAl PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN IMPLANTASI ION Y DAN Ce PADA CUPLIKAN FeAl Gambar: Laju oksidasi cuplikan FeAl yang tidak diimplantasi dan yang diimplantasi ion yttrium dengan dosis optimum Dop = 2,98 1015 ion/cm2, dan ion cerium dengan dosis optimum Dop = 5,96 1015 ion/cm2 Gambar: (a) Morfologi permukaan material FeAl (b) Kandungan unsur cuplikan FeAl yang diimplantasi ion cerium dengan dosis 5,96 1015 ion/cm2 setelah mengalami enam kali siklus termal 13 maret015 psta@batan.go.id
USULAN KEGIATAN LITBANG PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN USULAN KEGIATAN LITBANG 13 maret015 psta@batan.go.id
Kemampuan material dan komponen yang sesuai dengan kebutuhan PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN Pemilihan material dan komponen untuk HTR/VHTR produksi hidrogen atau yang lainnya harus berdasar pada : Kemampuan material dan komponen yang sesuai dengan kebutuhan rancangan : Material akan terpapar pada suhu tinggi dan tekanan tinggi Paparan neutron dan lingkungan korosif Umur operasi 60 tahun untuk GEN4 Reactors akan memerlukan stabilitas material yang sangat panjang Dapat difabrikasi dan dipasang sesuai dengan spesifikasi rancangan dan unjuk kerja 13 maret015 psta@batan.go.id
TUJUAN KEGIATAN LITBANG PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN TUJUAN KEGIATAN LITBANG Melakukan kegiatan litbang material dan komponen VHTR untuk mendapatkan material yang tahan terhadap suhu tinggi, paparan radiasi dan lingkungan korosif, khususnya untuk material RPV, IHX dan turbine component dengan melakukan : Identifikasi dan kajian material dan komponen yang sesuai untuk RPV, IHX dan turbine component Uji dan karakterisasi material suhu tinggi Modifikasi, uji dan karakterisasi material suhu tinggi SASARAN KEGIATAN LITBANG Diperoleh data-data material dan komponen suhu tinggi yang mampu terhadap suhu tinggi, paparan radiasi dan lingkungan korosif sebagai kandidat material RPV, IHX dan turbine component 13 maret015 psta@batan.go.id
BAHAN DAN ALAT YANG DIGUNAKAN PUSAT TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN PROSES BAHAN BAHAN DAN ALAT YANG DIGUNAKAN BAHAN : Material suhu tinggi Yttrium, Cerium dan Molybdenum Gas helium, nitrogen dan oksigen ALAT : Implantor ion Coating unit/sputtering Mikroskop optik SEM-EDS, TEM, XRD Furnace 1.000 oC Timbangan Potentiostats 13 maret015 psta@batan.go.id