FI4241 Topik Khusus Fisika Reaktor

1
FI-4241Topik Khusus Fisika Reaktor
Kuliah-04 Sumberdaya Uranium
2
Earth Resources
Sumber daya Alam di Bumi
3
Sumberdaya Mineral

• Metallic Minerals
• Non-ferrous Copper, Zinc, Tin, Lead, Aluminum,
  Titanium, Manganese, Magnesium, Mercury,
  Vanadium, Molybdenum, Tungsten, Silver, Gold,
  Platinum
• Energy Resources
• Fossil Fuels Coal, Oil, Natural Gas
• Uranium
• Geothermal Energy

• Building
• Stone, Sand, Gravel, Limestone
• Non-metallic Minerals
• Sulfur, Gypsum, Coal, Barite, Salt, Clay,
  Feldspar, Gem Minerals, Abrasives, Borax, Lime,
  Magnesia, Potash, Phosphates, Silica, Fluorite,
  Asbestos, Mica
• Metallic Minerals
• Ferrous Iron and Steel, Cobalt, Nickel

4
Tipe lapisan bijih (Ore Deposits)

• Sedimentary Rocks
• Fe, Cu, U, Mn, Mg
• Weathering (pengaruh iklim)
• Secondary Enrichment
• Cu, Ni
• Soils
• Al, Ni
• Placer
• Pt, Au, Sn, Ti, W, Th, Rare Earths U (Fossil),
  Gems

• Magmatic
• Pt, Cr, Fe, Ni, Ti, Diamond
• Pegmatite
• Li, Be, U, Rare Earths, Feldspar, Mica, Gems
• Hydrothermal
• 600 C W, Sn
• 400 C Au, U, Ag, Co, Mo
• 200 C Cu, Zn, Cd, Pb
• Cool Hg, As

5
Daur suatu pertambangan

• Exploration (Pencarian)
• Development (Pembangunan)
• Active Mining (Penambangan aktif)
• Excavation (penggalian)
• Crushing, Milling (penggilingan), Flotation,
  Chemical Separation
• Smelting (peleburan)and Refining
• Disposal of Waste (Tailings)
• Shut-down (Penutupan)

6
Persoalan dalam Pertambangan

• Environmental Problems
• Exploration
• Construction and Operation
• Economic Impact
• "Boom and Bust" Cycles

• Safety
• Mine Wastes
• Pollution
• Dust
• Noise
• Sulfur (H2SO4)
• Acid Rain
• Acid Runoff
• Dissolved Metals (Fe, Cu, Zn, As...)

7
Sumberdaya Uranium
8
Crustal Abundance of Uranium
9
Crustal Abundance of Uranium

• Elemen U ditemukan oleh Klaporthe (1789) yg
  memberi nama uranium setelah penemuan planet
  Uranus (Ref.1)
• Uranium terdistribusi secara luas dalam kerak
  bumi (earths crust) dan selalu bersenyawa dengan
  oksigen dengan kandungan rata-rata 2 3 ppm
  (2g/ton). (Ref.2)
• Lebih banyak terdapat pada mineral dengan warna
  cerah seperti granit (4-5 ppm), sedangkan dalam
  mineral berwarna gelap, seperti basal, kandungan
  rata-rata U adalah sekitar 1 ppm. (Ref.2)

10
Crustal Abundance of Uranium

• Uranium alam terdiri dari 3 isotop
• U-234 0.005
• U-235 0.720
• U-238 99.275
• Uranium terkandung secara esensial dalam sekitar
  200 mineral (Ref. 3) dengan berbagai tingkat
  kompleksitas, tapi bongkahan uranium ditambang
  hanya dalam 12 senyawa, 7 senyawa primer dan 5
  senyawa sekunder (Ref. 2).

11
Crustal Abundance of Uranium

• Senyawa primer (Ref. 2) adalah
• Uraninite (UO2)
• Coffinite (USiO4)1-x(OH)x
• Brannerite (U,Y,Ca,Fe,Th)3 Ti5 O16
• Betafite (U,Ca) (Nb, Ta, Ti)3 O9 nH2O
• Davidite (Fe,Ce,U) (Ti,Fe)3 (O, OH)7
• Uranothorite (Th,U) SiO4 dan
• Uranothorianite (Th, U) O2

12
Crustal Abundance of Uranium

• Senyawa sekunder (Ref. 2) adalah
• Carnotite K2(UO2) 2 (VO4) 2. nH2O
• Tyuyamunite Ca (UO2) 2 (VO4) 2. 9H2O
• Torbernite Cu (UO2) 2 (PO4) 2. 12H2O
• Uranophane Ca (UO2) 2 Si2O7. 6H2O
• Autunite Ca (UO2) 2 (PO4). 12H2O

13
Teknik Pencarian Cadangan Uranium

• Studi Geologi (Geological Studies)
• Metode ini didasarkan pada interpretasi
  subyektif dari geologist terhadap kombinasi data
  geologi yang ada dari suatu wilayah yang luas.
  Sebagai contoh, USA oleh NURE (National Uranium
  Resources Evaluation) dibagi ke dalam 612 daerah
  evaluasi geologi.

14
Teknik Pencarian Cadangan Uranium

• Survei Udara (Airborne Surveys Satellites or
  Aircraft)
• Tahun 1972 NASA meluncurkan Earth Resources
  Technology Satellite (Lansat-I). Dengan
  memancarkan gel. EM ke permukaan bumi dan
  menerima sinyal pantulnya, Lansat dengan bantuan
  analisis komputer canggih dapat memberikan
  informasi tentang mineral di bumi.
• Dasar untuk survei udara dalam pencarian
  kandungan uranium adalah sinar gamma yang ada
  dalam bijih (ore) yang mengandung uranium.
  Detektor yang biasa digunakan adalah detektor NaI
  (Tl), yang besar, dengan ukuran bervariasi sampai
  5000 cm3.

15
Teknik Pencarian Cadangan Uranium

• Survei permukaan (Surface Surveys, radiation
  counter on foot using e.g. GM Counter, NaI
  scintillation counter)
• Yang dideteksi adalah gas radon dari lapisan
  Uranium atau thorium. Karena uranium dalam ore
  secara esensi adalah U-238, 1001 KeV sinar gamma
  dari Th-234 dapat dideteksi di bawah level 50
  ppm.

16
Teknik Pencarian Cadangan Uranium

• Metode hidrokimia (Hydrochemical Methods ,
  radioactive analysis on water samples taken from
  stream, wells, etc.)
• Adanya radon pada konsentrasi gt 1000 pCi/l
  atau gt 5 pCi/l dalam air mengindikasikan bahwa
  air tersebut telah melewati lapisan yang
  mengandung uranium

17
Teknik Pencarian Cadangan Uranium

• Metode Penggalian Sumur (Well logging)
• Didasarkan pada pengeboran sumur untuk mencari
  temuan permukaan secara lebih detail.
  Kenyataannya metode ini dipakai untuk menentukan
  lapisan bijih (ore deposits) secara lebih
  presisi. Setelah digali beberapa ratus meter,
  kemudian detektor (biasanya germanium)
  diturunkan untuk mengukur radioaktivitas.

18
Teknik Pencarian Cadangan Uranium

• Botanical Methods (uranium compound absorption of
  plant).
• Metode ini mengambil manfaat dari kemampuan
  tumbuhan untuk menyerap senyawa uranium dari
  tanah. Sebagai contoh, astrofilus pattersons
  membutuhkan selenium untuk tumbuh, dan selenium
  adalah indikator adanya uranium dan thorium.

19
Uranium dalam air laut

• Uranium dari air laut (rata-rata. 3 x 10-3 ppm)
• Dalam lumpur laut konsentrasi uranium 1 ppm
• Diprediksi terdapat 4000 juta ton uranium di
  lautan
• Saat ini hydrogen titanium oxide (HTiO) digunakan
  untuk menyerap uranium dari air laut, dan
  kemudian larutan ammonium carbonate (NH4CO3H2O)

20
Uranium dalam air laut

• Ketika harga uranium tampaknya akan meroket di
  awal 1970an, Jepang memulai pilot plant untuk
  mengekstrak uranium dari air laut. Plant ini
  memproduksi 5.3 kg U di tahun pertama operasi
  1986, dan 7.5 kg di than 1987. Tetapi karena
  biaya produksi saat itu adalah 1940 /kg U dan
  harga di pasaran jauh lebih murah yaitu 44 /kg
  U, plant tersebut akhirnya ditutup.

21
Metode Penambangan Uranium

• Metode yang digunakan untuk penambangan uranium
  bergantung pada ukuran dan lokasi bijih. Ada 3
  metode penambangan uranium yang digunakan saat
  ini.
• Penambangan terowongan terbuka (open pit mining)
• Penambangan bawah tanah (underground mining)
• In situ leaching (solution mining)

22
Penambangan Terowongan Terbuka

• Perencanaan yang matang dan penggunaan alat-alat
  berat diperlukan untuk menangani
  permasalahan-permasalahan yang muncul dalam
  penambangan tipe ini.
• Penambangan jenis ini akan mencakup areal yang
  sangat luas.

23
Penambangan bawah tanah

• Penambangan bawah tanah dilakukan mirip dengan
  penambangan batu bara atau penambangan mineral
  lainnya. Penggalian tempat penambangan bisa
  mendekati kedalaman mendekati 1 mil.
• Limbah penambangan ditumpuk dalam terowongan
  kosong dan air di lokasi dipompa ke permukaan.
• Dalam penambangan tipe ini, tidak semua bijih
  dapat diekstrak karena harus ditinggalkan untuk
  mendukung atap dari tempat penambangan.
• Kelebihan jenis penambangan ini adalah sedikitnya
  areal permukaan yang diganggu, tetapi karena
  terowongan, masalah subsidance mungkin terjadi.

24
Penambangan bawah tanah

• Ada beberapa bahaya bagi manusia dalam tambang
  bawah tanah. Yang sering terjadi adalah lokasi
  tambang yang ambruk.
• Bahaya lain adalah gas Radon (Rn-222). Untuk
  menjaga agar konsentrasi gas radon di bawah
  ambang, sejumlah ventilasi diperlukan.

25
In situ leaching (solution mining)

• Jenis penambangan ini masih dalam taraf
  eksperimen karena potensi masalah lingkungan,
  tetapi kelihatannya akan menjadi alternatif
  dibanding dua jenis penambangan yang lain karena
  dua keuntungan
• Mengurangi stripping, penambangan, dan
  penggilingan bijih dan tempat penyimpanan limbah
  pada permukaan dari area pertambangan
• Memungkinkan untuk mengambil uranium dengan kadar
  lebih rendah dari yang dapat dicapai oleh 2
  metode yang lain.

26
In situ leaching (solution mining)

• Seringkali dalam penambangan larutan, 5 lobang
  dibor dengan jarak 50 kaki. Lobang ditengah
  digunakan untuk meninjeksi larutan ke dalam
  bijih.
• Larutan yang digunakan dirancang untuk
  memobilisasi dan melarutkan uranium. Biasanya
  kombinasi dari air, oxidant, dan ionic complex
  agent.

Empat lobang lain digunakan untuk memompa larutan
ke fasilitas di permukaan, dimana dengan
menggunakan proses kimia tertentu yang pas U3O8
dapat dipisahkan
27
In situ leaching (solution mining)

• Untuk recovery dan pembersihan yang lengkap,
  lobang injeksi-produksi bisa saja dibuat.
• Keuntungan dari in-situ leaching adalah
• Mengurangi tempat penyimpanan bijih
• Mengurangi crushing, grinding, dan proses milling
  yang lain.
• Mengurangi eskavasi skala besar
• Mengurangi resiko bagi pekerja tambang
• Sedikit sekali fraksi (5) radioaktivitas bijih
  yang sampai permukaan,

28
Uranium Milling (Penggilingan Uranium)

• Setelah bijih uranium ditambang, ia harus
  dibersihkan dan dipadatkan dalam senyawa U3O8,
  bahan yang secara populer dikenal sebagi yellow
  cake
• Proses ini berlangsung dalam tempat penggilingan
  uranium (uranium milling)

29
Penambangan dan Penggilingan Bijih Uranium
30
Proses-proses dalam suatu penggilingan uranium
31
Uranium Deposit and Production

• Istilah cadangan uranium memiliki konotasi
  ekonomi, dan terbatas pada cadangan uranium yang
  dapat diproduksi dengan biaya dibawah 80/kg
  (30/lb U3O8) 1). 
• Sekitar 90 cadangan uranium di World outside
  Communist Areas (WOCA) ada di tujuh (7) negara
  yaitu, Australia, Brazil, Kanada, Namibia,
  Nigeria, Afrika Selatan dan USA. Secara rinci
  dapat dilihat pada Tabel 1.berikut.

32
Tabel 1 Cadangan Uranium dengan Biaya Produksi lt
80/kg
33
Referensi

• R. G. Cochran and N. Tsoulfanidis, The Nuclear
  Fuel Cycle Analysis and Management, ANS, 1999
• W. Marshall, Nuclear Power Technology Vol. 2
  Fuel Cycle, Clarendon Press Oxford, 1983
• P.D. Wilson, The Nuclear Fuel Cycle From Ore to
  Waste, Oxford, 2001