Studi Struktur Lokal Ion Thorium (Th4+) pada Campuran Garam Cair FLiBe-ThF4 berbasis Simulasi Dinamika Molekuler

Abstract

Peningkatan kebutuhan energi global mendorong pengembangan sumber energi alternatif yang lebih efisien dan berkelanjutan. Energi nuklir menjadi salah satu solusi yang menjanjikan karena mampu menghasilkan energi dalam jumlah besar dengan emisi karbon yang rendah. Salah satu teknologi reaktor generasi lanjut yang sedang dikembangkan adalah Molten Salt Reactor (MSR), yang menggunakan bahan bakar dalam bentuk garam cair. Sistem FLiBe (LiF-BeF2) yang dikombinasikan dengan ThF4 sebagai sumber bahan bakar berbasis thorium menjadi salah satu kandidat utama dalam pengembangan MSR. Namun, karakteristik sistem ini sangat dipengaruhi oleh struktur lokal ionik yang terbentuk dalam campuran tersebut, terutama interaksi antara ion thorium (Th4+) dan fluorida (F- ). Oleh karena itu, diperlukan kajian mendalam mengenai struktur lokal untuk memahami kestabilan dan perilaku sistem pada kondisi operasi tinggi. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji struktur lokal ion Th4+ dalam campuran FLiBe-ThF4 serta menginterpretasikan makna fisis dari fungsi distribusi radial (RDF) dan bilangan koordinasi (CN) terhadap interaksi ionik dan tingkat keteraturan struktur lokal pada variasi komposisi ThF4. Metode yang digunakan adalah simulasi dinamika molekuler (molecular dynamics) dengan bantuan perangkat lunak LAMMPS. Sistem diatur pada suhu 1173 K dengan variasi komposisi ThF4 sebesar 5%, 10%, dan 20%. Analisis dilakukan dengan menghitung RDF pasangan ion Th-F untuk memperoleh informasi distribusi jarak antarion, serta perhitungan CN melalui integrasi RDF hingga batas minimum pertama sebagai representasi kulit koordinasi terdekat menggunakan perangkat lunak python. Hasil simulasi menunjukkan bahwa jarak koordinasi terdekat antara ion Th4+ dan F- berada pada sekitar 2,2 Å untuk seluruh variasi komposisi, yang mengindikasikan bahwa jarak interaksi dasar relatif tidak dipengaruhi oleh perubahan komposisi. Namun demikian, tingkat keteraturan struktur lokal yang ditunjukkan oleh tinggi puncak pertama (first peak) RDF mengalami perubahan, yaitu meningkat pada komposisi 10% dan menurun pada komposisi 20%. Fenomena ini menunjukkan bahwa peningkatan komposisi ThF4 tidak selalu diikuti oleh peningkatan keteraturan struktur lokal. Bertambahnya jumlah ion Th4+ menyebabkan lingkungan ionik dalam sistem menjadi lebih kompleks sehingga distribusi ion F- di sekitar ion Th4+ menjadi lebih beragam. Hal ini menunjukkan bahwa keteraturan struktur lokal paling tinggi terjadi pada komposisi 10% ThF4. Analisis bilangan koordinasi menggambarkan bahwa nilai CN yang paling dominan berada pada sekitar 7 ion F- , yang berarti ion Th4+ umumnya dikelilingi oleh tujuh ion F- pada kulit koordinasi pertama. Meskipun demikian, nilai CN bervariasi dari 4 hingga 9, distribusi terbesar tetap berada pada kisaran CN 6 hingga 8 yang menunjukkan adanya dinamika struktur lokal yang dipengaruhi oleh temperatur tinggi. Secara keseluruhan, hasil penelitian ini menunjukkan bahwa interaksi antara ion Th4+ dan F- dalam sistem FLiBe-ThF4 didominasi oleh gaya tarik elektrostatik yang kuat, sehingga menghasilkan struktur lokal yang teratur namun tetap dinamis akibat pengaruh temperature tinggi. Kombinasi analisis RDF dan CN memberikan gambaran yang komprehensif mengenai hubungan antara struktur lokal, interaksi ionik, dan tingkat keteraturan struktur lokal dalam sistem. Selain itu, komposisi 10% ThF4 diidentifikasikan sebagai kondisi dengan keteraturan struktur lokal paling tinggi dibandingkan variasi lainnya, sehingga dapat dianggap sebagai kondisi optimum dalam pembentukan lingkungan koordinasi Th-F pada sistem FLiBe-ThF4. Temuan ini diharapkan dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan bahan bakar cair berbasis thorium untuk reaktor garam cair generasi lanjut