Verifikasi Potensial Lennard-Jones Besi Dan Timbal Serta Aplikasinya Untuk Studi Korosi Besi Dalam Logam Cair

Abstract

Penggunaan bahan bakar nuklir sebagai pembangkit listrik mulai gencar dilakukan karena bahan bakar nuklir dianggap menjadi metode yang efektif untuk menghasilkan energi listrik dalam jumlah besar. Namun dalam penggunaannya terdapat beberapa kekurangan salah satunya yaitu adanya korosi pada material besi yang berinteraksi dengan timbal cair, sehingga untuk memecahkan masalah tersebut dilakukan metode untuk menghambat korosi dengan menambahkan gas nitrogen yang diinjeksikan ke dalam timbal cair. Penelitian ini dilakukan untuk memahami fenomena korosi dan cara penghambatannya secara komputasi. Bahan yang digunakan yaitu besi, timbal, dan nitrogen. Pada sistem ini korosi terjadi pada temperatur 1023 K dengan penghambatannya menggunakan penginjeksian gas nitrogen dengan konsentrasi disesuaikan. Metode komputasi yang digunakan yaitu metode dinamika molekul dengan program MOLDY, sedangkan potensial untuk menggambarkan interaksi antar logam menggunakan potensial Lennard-Jones. Besaran fisis yang digunakan untuk meninjau korosi yaitu nilai koefisien difusi. Sebelum menganalisis korosi, penelitian ini juga bertujuan untuk memverifikasi parameter potensial Lennard-Jones yang terdiri atas (𝜎) dan (𝜀). Hal ini dilakukan untuk mengetahui kesesuaian parameter dengan sistem yang digunakan, dimana dalam penelitian-penelitian yang telah ada parameter potensial ini digunakan untuk banyak jenis sistem namun tidak pernah diverifikasi terlebih dahulu untuk melihat kesesuaian dengan sistem yang digunakan. Verifikasi parameter potensial dilakukan dengan membandingkan nilai koefisien difusi hasil simulasi dengan eksperimen, dengan cara memvariasikan nilai parameter potensial. Variasi dilakukan dengan cara mengubah terlebih dahulu salah satu parameter sedangkan yang lain tetap, dan begitupun sebaliknya hingga diperoleh nilai koefisien difusi dengan diskrepansi yang terkecil. Semakin kecil nilai diskrepansi maka dapat disimpulkan bahwa parameter potensial yang digunakan merupakan yang paling sesuai dengan sistem. Pada penelitian ini didapatkan nilai parameter potensial besi hasil verifikasi yaitu 𝜀=0.4007 eV dan 𝜎=2.3894 Å sedangkan pada timbal 𝜀=0.1910 eV dan 𝜎=2.9578 Å. Nilai koefisien difusi bergantung temperatur untuk besi yaitu 𝐷(𝑇)=1.9069 𝑥 10−7exp−135766𝑅𝑇(m2s⁄) dan untuk timbal yaitu 𝐷(𝑇)=1.399 𝑥 10−8exp−8885,76𝑅𝑇(m2s⁄). Sedangkan untuk studi korosi didapatkan hasil yang menunjukkan bahwa koefisien difusi besi dalam timbal cair mengalami kenaikan seiring dengan peningkatan temperatur untuk sistem simulasi. Penghambatannya dilakukan dengan menginjeksikan atom-atom gas nitrogen dengan konsentrasi yang sesuai. Diperoleh nilai penghambatan korosi yang secara signifikan dapat dicapai apabila nitrogen diinjeksikan dengan konsentrasi 0.29 wt% dalam sistem korosi besi dalam timbal cair.