REAKSI FUSI DAN REAKSI FISI

REAKSI FISI DAN FUSI

REAKSI FISI
Reaktor tak lain adalah tempat bereaksi. Dalam hal ini, pengertian sehari hari yang dipakai ialah reaksi inti. Reaksi fisi adalah suatu reaksi pembelahan, yang disebabkan oleh neutron yang secara umum dapat ditulis sebagai:

X + n ——> X1 + X2 + (2 - 3) n + E.

Beberapa hal yang perlu diketahui dalam jenis reaksi tersebut adalah:
1). X disebut inti bahan fisil (fisile material), yang secara populer disebut "bahan bakar" karena dalam reaksi ini dibebaskan sejumlah energi. Hanya beberapa inti dapat bereaksi fisi yaitu 238U, 235U, 233U dan 239Pu di mana kedua unsur terakhir merupakan unsur buatan manusia karena tidak terdapat di alam sebagai hasil dari reaksi inti-inti 232Th dan dan 238U dengan neutron.

2). Keboleh jadian suatu inti berfisi dinyatakan dengan f (fission microscopic cross section = penampang fisi mikroskopik), di mana besaran tersebut tergantung dari energi neutron yang bereaksi dengan suatu inti-tertentu. Sebagai contoh dapat disebutkan bahwa nilai f 238U besar pada energi neutron rendah (termal) tetapi kecil pada energi tinggi. Sebaliknya nilai f 238U kecil pada saat neutron berenergi besar. Untuk 239Pu dan 233U mempunyai f besar pada energi tinggi, oleh karena itu bahan ini digunakan sebagai bahan bakar pada reaktor cepat.

3). Dari reaksi dihasilkan dua inti baru sebaga hasil fisi, X1 dan X2 yang berupa inti-inti yang tidak stabil. Untuk menjadi stabil inti-inti tersebut meluruh (decay) dengan mengeluarkan sinar-sinar maupun partikel.

4). Adanya neutron-neutron baru yang dihasilkan dari reaksi inti tersebut dapat melanjutkan reaksi fisi hingga mungkin terjadi reaksi berantai, dan pada keadaan tertentu bila tidak dikendalikan maka reaksi berantai ter¬sebut dapat menjadi suatu ledakan. Reaksi nuklir yang tidak terkendali merupakan prinsip kerja bom nuklir. Neutron yang dihasilkan oleh fisi mempunyai energi yang tinggi,  2 MeV, jika fisii diharapkan terjadi pada En rendah (energi termal 0,025 eV), maka neutron yang baru lahir tersebut harus diturunkan energinya dahulu dengan jalan hamburan-hamburan. Di dalarn reaktor neutron mempunyai kemungkinan-kemungkinan untuk:
a. diserap tanpa menimbulkan fisi
b. diserap mengakibatkan fisi
c. hilang dari sistim
d. hamburan
Jadi penurunan energi neutron berkompetisi dengan kemungkinan¬kemungkinan yang lain, dan untuk dapat menghitung masing-masing kemungkinan perlu diselidiki mekanisme reaksi masing-masing.

5). Reaksi fisi mengeluarkan energi total E, sebesar 200 MeV. Dengan meng¬gunakan data konversi satuan dan data fisika, dapat dihitung bahwa bila semua inti-inti 1 gram uranium melakukan fisi maka kalor yang dikeluar¬kan setara dengan kalor yang dihasilkan oleh pembakaran 1 ton batu bara. Jelas dari gambaran tersebut bahwa, kalor yang dikeluarkan dari reaksi inti sangat besar.
Telah dijelaskan bahwa reaktor yang lazim dipakai saat ini bekerja atas dasar reaksi fisi (pemecahan) inti atom. Sebagai bahan bakar umumnya digunakan Uranium 235U yang kandungannya telah diperkaya. Uranium alam mempunyai kandungan 235U hanya sekitar 0,7 persen, selebihnya adalah 238U. Untuk memecah inti isotop Uranium digunakan neutron lambat ('thermalneutron'). Uranium yang menangkap neutron segera menjadi tidak stabil. Inti Uranium yang tidak stabil hanya dapat bertahan selama kurang lebih sepertriliun detik (10-12 detik) sebelum mengalami proses fisi menjadi inti-inti X1 dan X2 serta sekitar dua sampai tiga neutron yang siap untuk memecah inti 235U lainnya. Kemudian ketiga neutron tadi diserap oleh inti-inti isotop Uranium lain, tiga proses yang sama akan terjadi dengan produksi akhir sekitar sembilan neutron. Proses berulang-ulang ini dinamakan reaksi berantai ('chain reaction') yang merupakan prinsip kerja reaktor. Pada setiap proses pemecahan tadi, inti atom akan melepaskan energi yang sesuai dengan hilangnya jumlah massa inti-inti di akhir proses rumus E=mc2. Jadi jumlah energi yang dihasilkan akan sebanding dengan banyak proses yang terjadi dan sebanding dengan jumlah neutron yang dihasilkan.
Untuk mengendalikan atau mengatur reaksi berantai dalam reaktor nuklir digunakan bahan yang dapat menyerap neutron misalnya Boron dan Cadmium, yang bertujuan untuk mengatur populasi neutron. Dengan mengatur populasi neutron ini dapat ditentukan tingkat daya raktor, bahkan reaksi dapat dihentikan sama sekali (tingkat daya mencapai titik 0) pada saat semua neutron terserap oleh bahan penyerap. Perangkat pengatur populasi neutron pada reaktor ini disebut batang kendali. Jika batang kendali disisipkan penuh diantara elemen bakar, maka batang kendali akan menyerap neutron secara maksimum sehingga reaksi berantai akan dihentikan dan daya serap batang kendali akan berkurang bila batang kendali ditarik menjauhi elemen bakar.





Gambar II.1. Reaksi fisi (pembelahan)



Reaksi Fusi
Proses reaksi fusi adalah kebalikan dari reaksi fisi seperti arti harfiahnya, proses ini merupakan reaksi penggabungan dua inti menjadi inti lain yang lebih besar. Reaksi jenis ini tidak terjadi secara alamiah di permukaan bumi, namun merupakan prinsip kerja pembakaran Hidrogen di pusat matahari serta bintang-bintang. Sebenarnya, banyak tipe reaksi fusi yang dapat terjadi di matahari yang sering disebut siklus proton-proton, mulai dari penggabungan dua inti Hidrogen menjadi inti Deuterium hingga penggabungan inti Deuterium dan inti Tritium. Kebanyakan reaksi ini membutuhkan kondisi tertentu yang hanya terdapat di dalam inti matahari ataupun bintang-bintang, misalnya tekanan yang sangat tinggi. Di dalam inti matahari, tekanan yang sangat tinggi dihasilkan oleh gaya gravitasi. Gaya gravitasi pada pusat matahari haruslah sangat besar untuk mempertahankan strukturnya, mengingat komposisi matahari kebanyakan terdiri dari gas Hidrogen. Reaksi fusi di dalam teras reaktor membutuhkan Deuterium dan Tritium sebagai bahan bakar, yang jika bergabung pada kondisi tertentu akan menghasilkan inti Helium yang stabil disertai sebuah neutron yang membawa sebagian besar energi hasil fusi. Saat ini, Deuterium bukan merupakan masalah, sebab tersediaannya di alam boleh dikatakan tak terbatas. Deuterium dapat diekstraksi dari air biasa, untuk setiap satu meter kubik air dapat diperoleh sekitar 200 gram Deuterium. Berlainan dengan Deuterium, Tritium bersifat radioaktif. Tritium alam sangat jarang dijumpai. Untungnya, Tritium dapat dihasilkan melalui proses 'breeding' dengan menggunakan sebagian kecil neutron hasil reaksi fusi serta dua jenis isotop Litium yang terdapat di alam, yaitu Litium-6 dan Litium-7. Litium-6 dapat menangkap neutron cepat dan neutron lambat, sedangkan Litium-7 hanya menangkap neutron cepat. Litium yang menangkap neutron akan pecah menjadi Tritium serta Helium.
Reaktor Fusi
Banyak masalah yang harus dipecahkan sebelum reaktor fusi dapat digunakan secara komersil. Untuk menggabungkan inti Deuterium dengan Tritium, gaya tolak-menolak ('repulsive') akibat muatan positif kedua inti harus diatasi. Cara yang paling mungkin adalah dengan menaikkan suhu kedua inti hingga energi kinetiknya dapat mengatasi gaya 'Coulomb' tadi. Masalahnya, untuk mengatasi gaya ini dibutuhkan suhu jutaan Celsius! Suhu setinggi ini tidak aneh jika kita melihat suhu inti matahari dimana proses fusi dapat dengan mudah terjadi (suhu inti matahari sekitar 15 juta Celsius). Karena tidak ada material di atas permukaan bumi yang dapat menahan suhu setinggi ini, diperlukan teknik supercanggih untuk melokalisir plasma (inti bermuatan yang memiliki suhu sangat tinggi) pada proses fusi agar tidak bersentuhan dengan komponen-kompnen reaktor.
Ada dua cara yang paling efektif untuk melokalisir plasma selama proses fusi berlangsung, yaitu cara magnetis dan cara inersial.
Cara pertama dilakukan di dalam instrumen berbentuk 'donat', yang disebut 'Tokamak'. Ide untuk membangun 'Tokamak' pertama kali diusulkan oleh fisikawan Rusia Igor E. Tamm dan Andrei D. Sakharov, serta secara terpisah oleh Lyman Spitzer di Princeton USA, pada awal 1950-an. Tokamak menggunakan kombinasi dua medan magnet yang sangat kuat yang dihasilkan oleh superkonduktor untuk menahan plasma bersuhu sekitar 50 juta Celsius agar tetap berada di tengah-tengah 'donat' tersebut.
Cara kedua adalah dengan menggunakan target yang memiliki kerapatan sangat tinggi yang ditembaki dengan puluhan sinar laser terfokus secara simultan. Intensitas sinar laser disini harus cukup tinggi agar target dapat seketika menguap. Partikel-partikel yang dihasilkan akan berusaha bergerak keluar sehingga menimbulkan tekanan ke dalam yang sangat dahsyat. Tekanan yang naik secara drastis ini akan mengakibatkan naiknya suhu target yang pada akhirnya dapat menyalakan proses fusi. Sebenarnya, proses ini merupakan bentuk miniatur dari bom hidrogen.

Energi Nuklir
Nuklir merupakan istilah yang berhubungan dengan inti atom yang tersusun atas dua buah partikel fundamental, yaitu proton dan neutron. Di dalam inti atom terdapat tiga buah interaksi fundamental yang berperan penting, yaitu gaya nuklir kuat dan gaya elektromagnetik serta pada jangka waktu yang panjang terdapat gaya nuklir lemah. Gaya nuklir kuat merupakan interaksi antara partikel quark dan gluon yang dibahas dalam teori quantum chromodynamics (QCD) sedangkan gaya nuklir lemah adalah interaksi yang terjadi dalam skala inti atom seperti peluruhan beta yang dibahas dalam elecroweak theory.2
Energi nuklir dihasilkan di dalam inti atom melalui dua buah jenis reaksi nuklir, yaitu reaksi fusi dan reaksi fisi. Reaksi fusi adalah suatu reaksi yang menggabungkan beberapa partikel atomik menjadi sebuah partikel atomik yang lebih berat. Reaksi fusi dapat menghasilkan energi yang sangat besar seperti yang terjadi pada bintang. Salah satu reaksi contoh reaksi fusi adalah penggabungan partikel deuterium (D atau 2H) dan tritium (T atau 3H) (Gambar 1.a). Langkah pertama, deuterium dan tritium dipercepat dengan arah yang saling mendekati pada suhu termonuklir. Penggabungan antara dua buah partikel tersebut membentuk helium-5 (5He) yang tidak stabil sehingga mengakibatkan peluruhan. Dalam proses peluruhan ini, sebuah neutron dan partikel helium-4 (4He) terhambur disertai dengan energi yang sangat besar, yaitu 14,1 MeV untuk penghamburan neutron dan 3,5 MeV untuk penghamburan helium-4. Sampai saat ini, reaksi fusi belum dapat dirancang oleh manusia karena membutuhkan suhu yang sangat tinggi. Hal ini menyebabkan pemanfaatan reaksi fusi sebagai sumber energi listrik belum dapat direalisasikan.



Reaksi nuklir lain yang sudah dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik adalah reaksi fisi. Reaksi fisi merupakan kebalikan dari reaksi fusi, yaitu reaksi yang membelah suatu partikel atomik menjadi menjadi beberapa partikel atomik lainnya dan sejumlah energi. Salah satu contoh dari reaksi fisi adalah reaksi fisi pada partikel uranium-235 (235U) yang ditumbuk oleh sebuah neutron yang bergerak pelan (Gambar 1.b). Proses penyerapan neutron oleh uranium-235 mengakibatkan terbentuknya partikel uranium-236 (236U) yang tidak stabil sehingga terbelah menjadi partikel kr ypton-92 (92 Kr), barium-141 (141Br), dan beberapa neutron bebas serta sejumlah energi. Reaksi fisi dapat berlangsung secara terus menerus yang biasa disebut dengan reaksi rantai. Dalam reaksi rantai, neutron yang telah terhambur dari reaksi fisi dapat mengakibatkan terjadinya reaksi fisi lain sama baiknya dengan reaksi fisi sebelumnya. Energi yang dihasilkan dari reaksi ini dapat dikonversi menjadi energi listrik pada sebuah pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN).
Tiga hal menarik yang terjadi pada proses reaksi fisi adalah sebagai berikut:
• Peluang sebuah atom U-235 menangkap sebuah neutron bernilai sangat tinggi. Dalam sebuah reaktor yang bekerja (dikenal dengan keadaan kritis), sebuah neutron yang terhambur dari setiap reaksi fisi dapat menyebabkan terjadinya reaksi fisi yang lainnya.
• Proses penyerapan dan penghamburan neutron terjadi dengan sangat cepat pada orde pikosekon (1×10-12 sekon)
• Jumlah energi yang dihasilkan berupa panas dan radiasi gamma luar biasa besar pada sebuah reaksi fisi yang terjadi. Dalam reaksi ini terbentuk beberapa produk fisi dan neutron dengan massa total yang lebih ringan dari partikel U-235 pada awal reaksi. Perbedaan massa ini diubah menjadi energi dengan nilai yang dirumuskan dalam E = mc2. Dalam satu kali peluruhan atom U-235 bisa dihasilkan energi sebesar 200 MeV (1 eV = 1,6.10-19 joule). U-235 dapat bekerja dalam sebuah sampel uranium yang diperkaya menjadi 2 sampai 3 persen. Pada senjata nuklir, komposisi U-235 mencapai 90 persen atau lebih dari sebuah sampel uranium.


Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir
Pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) menyediakan sekitar 17 persen dari total tenaga listrik dunia. Beberapa negara membutuhkan tenaga nuklir yang lebih besat dari negara lain. Di Prancis, menurut International Atomic Energy Agency (IAEA), 75 persen tenaga listriknya dihasilkan oleh reaktor nuklir. Jumlah pembangkit tenaga listrik di dunia diperkirakan lebih dari 400 buah dengan 100 buah diantaranya berada di Amerika Serikat.3
Pada PLTN, bahan bakar sebuah reaktor nuklir berupa uranium. Uranium merupakan salah satu hasil tambang yang terdapat di bumi. Uranium-238 (U-238) mempunyai waktu paruh yang sangat lama (4,5 milyar tahun) dengan komposisi 99 persen dari total uranium yang ada di bumi. Komposisi lainnya, U-235 mempunyai sekitar 0,7 persen dan U-234 jauh lebih rendah yang dibentuk melalui proses peluruhan U-238 (U-238 melalui beberapa tahap peluruhan alpha dan beta untuk membentuk isotop yang lebih stabil dan U-234 adalah salah satu hasil dari mata rantai dari peluruhan ini).
Dalam sebuah reaktor nuklir, butiran uranium yang sudah diperkaya disusun dalam sebuah balok dan dikumpulkan ke dalam bundelan (reactor). Bundelan tersebut direndam dalam air pada sebuah bejana tekan. Air tersebut digunakan sebagai sebuah pendingin. Bundelan uranium yang digunakan pada reaktor nuklir berada dalam keadaan superkritis. Hal ini dapat menyebabkan uranium menjadi panas dan meleleh dengan mudah. Untuk mencegahnya, sebuah balok kontrol (control rods) dibuat dengan bahan yang menyerap neutron. Balok kontrol dimasukkan kedalam bundelan uranium dengan menggunakan sebuah mekaninisme yang dapat mengangkat atau menurunkan balok kontrol tersebut. Pengangkatan dan penurunan balok kontrol menerima perintah seorang operator untuk mengatur jumlah reaksi nuklir. Ketika seorang operator menginginkan inti uranium untuk menghasilkan panas yang lebih, balok kontrol dinaikkan dari bundelan uranium. Sebaliknya, jika ingin panas berkurang maka balok kontrol harus diturunkan. Balok kontrol dapat diturunkan hingga komplit untuk menghentikan reaktor nuklir jika terjadi kasus kecelakaan atau penggantian bahan bakar.
Bundelan uranium digunakan sebagai sumber energi panas yang sangat tinggi. Panas ini dapat mengubah air menjadi uap air. Uap air ini digunakan untuk menggerakkan sebuah turbin uap yang memutar rotor pada generator. Berdasarkan hukum Faraday putaran rotor dikonversi menjadi tenaga listrik. Dalam beberapa reaktor, uap air akan melalui tahap kedua sebagai pengubah panas medium untuk mengubah air menjadi uap air yang menggerakkan turbin. Keuntungan dari desain ini adalah air atau uap air yang tercemar bahan radioaktif tidak akan mengenai turbin. Dalam reaktor nuklir yang sama, fluida pendingin dalam kontak dengan inti reaktor dapat berupa gas (karbon dioksida) atau logam cair (sodium, potasium). Tipe reaktor ini menerima inti uranium untuk beroperasi pada suhu yang lebih tinggi.