PROSES FUSI
Selasa, 15 Desember 2009 Diposkan oleh Rahmadhani Kurniawan
Proses fusi nuklir (reaksi termonuklir) menurut situs wikipedia adalah sebuah proses di mana dua inti atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih besar dan melepaskan energi. Dibandingkan dengan fisi nuklir, fusi nuklir mempunyai banyak keuntungan tidak hanya sebagai sumber energi melimpah, juga lebih aman karena segala kegagalan lebih dini bisa dicegah karena reaktor fusi nuklir lebih mudah dimatikan. Selain itu, proses fusi nuklir tidak menghasilkan polusi di atmosfer yang mengakibatkan hujan asam atau efek rumah kaca. Radioaktif yang dihasilkan fusi nuklir mudah menguap dan diminimalisasikan dengan proses tertentu sehingga tidak berbahaya bagi manusia dan lingkungan hidup. Masalahnya membuat fusi nuklir ternyata tidak semudah proses untuk membuat fisi nuklir. Banyak kendala yang dihadapi dalam upaya membuat fusi nuklir.
Dalam fisika fisika,, fusi nuklir (reaksi termonuklir) adalah sebuah proses saat dua inti atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih besar dan melepaskan energi energi.. Fusi nuklir adalah sumber energi yang menyebabkan bintang bersinar, dan Bom Hidrogen meledak. Proses fusi nuklir membutuhkan energi yang besar untuk menggabungkan inti nuklir, bahkan elemen yang paling ringan, hidrogen hidrogen.. Tetapi fusi inti atom yang ringan, yang membentuk inti atom yang lebih berat dan neutron bebas, akan menghasilkan energi yang lebih besar lagi dari energi yang dibutuhkan untuk menggabungkan mereka sebuah reaksi eksotermik yang dapat menciptakan reaksi yang terjadi sendirinya.
Proses fusi paling penting di alam adalah yang terjadi di dalam bintang. Meskipun tidak melibatkan reaksi kimia, tetapi seringkali fusi termonuklir di dalam bintang disebut sebagai proses "pembakaran". Pada pembakaran hidrogen, bahan bakar netto-nya adalah empat proton, dengan hasil netto satu partikel alpha, pelepasan dua positron dan dua neutrino (yang mengubah dua proton menjadi dua netron), dan energi. Ada dua jenis pembakaran hidrogen, yaitu rantai proton-proton dan siklus CNO yang keberlangsungannya bergantung pada massa bintang. Untuk bintang bintang seukuran Matahari atau lebih kecil, reaksi rantai proton-proton mendominasi, sementara untuk bintang bermassa lebih besar siklus CNO yang mendominasi. Reaksi pembakaran lain seperti pembakaran helium dan karbon juga terjadi bergantung terutama pada tahapan evolusi bintang. Khusus reaksi proton-proton dan reaksi siklus CNO akan dibahas kemudian. Reaksi-reaksi yang dapat terjadi di Bumi
Beberapa contoh reaksi fusi nuklir yang dapat dilangsungkan di permukaan Bumi adalah sebagai berikut: (3.5 MeV)
+
n
(14.1 MeV)
(1.01 MeV)
+
p
(3.02 MeV)
50%
He
(0.82 MeV)
+
n
(2.45 MeV)
50%
(3.6 MeV)
+
p
(14.7 MeV)
(1)
D
+T
→
4
(2i)
D
+D
→
T
→
3
(2ii)
He
(3)
D
+ 3He →
4
He
(4)
T
+T
→
4
He
+2n
+ 11.3 MeV
(5)
3
He + He →
4
He
+2p
+ 12.9 MeV
(6i)
3
→
4
He
+
p
(6ii)
→
4
He
(4.8 MeV)
+
D
(9.5 MeV)
43%
(6iii)
→
4
He
(0.5 MeV)
+
n
(1.9 MeV) + p (11.9 MeV)
6%
(7)
3
He + T
D
+ 6Li → 2 4He + 22.4
+n
+ 12.1 MeV eV
51%
MeV + 6Li →
4
(1.7 MeV)
(8)
p
(9)
3
(10)
p
+ 11B → 3 4He
+ 8.7 MeV
(11)
p
+ 7Li → 2 4He
+ 17.3 MeV
He
6 4 He + Li → 2 He
+
3
+
p
He (2.3 MeV) + 16.9 MeV
p ( protium ) , D ( deuterium ), dan T ( tritium ) adalah sebutan untuk isotop-isotop hidrogen. Sebagai tambahan/pendukung kepada reaksi fusi utama (yang diinginkan), beberapa reaksi fusi berikut yang mana diikutsertakan/disebabkan oleh neutron dan deuterium adalah penting. Dimana reaksi ini menghasilkan tritium dan lebih banyak neutron, dalam bom nuklir dan reaktor nuklir : 6
4
7
4
9
8
9
8
(12)
n + Li → He + T + 4.7 MeV
(13)
n + Li → He + T + n - 2.47 MeV
(14)
n + Be → Be + 2n - 1.67 MeV
(15)
D + Be → Be + T + 4.53 MeV
(energi yang diserap jauh terlalu kecil, neutron-neutron tetap bergerak pada level energi yang tinggi) Lima reaksi fusi yang mungkin terjadi :
Dapat dilihat bahwa reaksi-reaksi itu yang menghasilkan partikel alfa, biasanya melepaskan energi yang besar sekali. Penggabungan dua neutron dan dua proton yang terjadi pada partikel alfa, menghasilkan konfigurasi yang sangat stabil dengan nilai energi pengikatan yang sangat tinggi per nukleon. Reaksi ini dinamakan reaksi fusi karena inti senyawa terangsang carbon-12* pecah menjadi tiga bagian yang sama. Reaksi ini masih tetap merupakan reaksi termonuklir karena reaktan adalah inti bermuatan positif. ENERGI TERMONUKLIR
Reaksi eksotermik dasar dalam bintang-jadi merupakan sumber dari hamper semua energi dalam semesta ini – ialah fusi inti hydrogen menjadi inti helium. Gejala ini dapat terjadi pada kondisi bintang menurut dua deretan proses yang berbeda. Dalam salah satu proses itu yang disebut siklus proton-proton, tumbukan langsung dari proton-proton menghasilkan inti lebih berat yang diikuti dengan tumbukan antara inti-inti itu sehingga menghasilkan inti helium. Proses lainnya disebut siklus karbon, merupakan sederetan langkah dimana inti karbon menyerap proton berturut-turut sampai akhirnya inti itu memancarkan partikel alfa dan kembali menjadi inti karbon lagi. Reaksi awal siklus proton-proton ialah : 1
H + 1H → 2H + e+ + νe + 0,16 MeV (setidaknya 0,53 MeV dibawa oleh neutrino)
Pembentukan deutron melalui penggabungan langsung dari dua proton yang diikuti dengan pemancaran positron. Kemudian deuteron itu dapat bergabung dengan proton untuk membentuk inti 2
1
:
3
H + H → He + γ + 5.49 MeV
Akhirnya dua inti
bereaksi sehingga menghasilkan inti
ditambah dua proton :
3
12,86 MeV
3
4
1
1
He + He → He + H + H +
REAKSI FISI DAN FUSI REAKSI FISI Reaktor tak lain adalah tempat bereaksi. Dalam hal ini, penger tian 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 terse but 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 mer upakan unsur buatan manusia karena tidak terdapat di alam sebagai hasil dari reaksi inti-inti 232Th dan dan 238U dengan ne utron. 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 ener gi tinggi. Sebaliknya nilai f 238U kecil pada saat neutron berenergi besar. Untuk 239Pu dan 233U mempunyai f besar pada energi tinggi, ole h 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 re aksi fisi hingga mungkin terjadi reaksi berantai, dan pada keadaan terte ntu 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 re aksi 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 at as 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 238 U. 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 se lama 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 23 5U lainnya. Kemudian ketiga neutron tadi diserap oleh inti-inti isotop Uranium lain, tiga proses yang sama akan terjadi dengan pro duksi 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 ha rfiahnya, proses ini merupakan reaksi penggabungan dua inti menjadi inti lain yang lebih besar. Reaksi jenis ini tidak terjadi sec ara 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 mem butuhkan 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, Tr itium bersifat radioaktif. Tritium alam sangat jarang dijumpai. Untungnya, Tritium dapat dihasilkan melalui proses 'breeding' de ngan menggunakan sebagian kecil neutron hasil reaksi fusi serta dua je nis 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 j uta 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 t etap 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 k eluar 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 pe luruhan 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 3 H) (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 re aksi fisi adalah reaksi fisi pada partikel uranium-235 (235U) yang ditumbuk oleh sebuah neutron yang berge rak pelan (Gambar 1.b). Proses penyerapan neutron oleh uranium-235 mengakibatkan terbentuknya partikel uranium-236 (236U) yang tidak stabil sehingga terbelah menjadi partikel kr y pton-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 te lah 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 r eaksi 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 set iap 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. Per bedaan 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, U235 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 ke celakaan 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 se buah 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 m engenai 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. http://autosreview-master-sains.blogspot.com/2009/01/reaksi-fusi-dan-reaksi-fisi.html
Reaksi Fusi Nuklir
Diterjemahkan dari Wikipedia.Org 2011
Fisika Nuklir, Kimia Nuklir dan reaksi nuklir Astrofisika (Fisika Ruang Angkasa) adalah ilmu yang ikut mempelajari reaksi fusi, yaitu proses bergabungnya dua atau lebih atom, sehingga menghasilkan inti atom yang lebih berat, reaksi demikian diebut dengan reaksi fusi. Pada proses fusi seperti tersebut di atas selalu dihasilkan energi yang kuat. Reaksi demikian hanya bisa dilakukan dengan suhu yang tinggi, terutama diperlukan untuk sejumlah atom yang berfusi. Fusi dua atom dengan masa atom lebih rendah dari logam biasanya menghasilkan energi yang lebih besar dari yang disimpan logam itu sendiri. Proses kebalikan dari fusi reaksi disebut dengan reaksi fisi. Contoh reaksi fusi yang sederhana adalah fusi Hydrogen. Bila 2 proton ditembakan pada kulit Hydrogen yang berenergi lemah, maka proton tersebut akan berubah menjadi neutron, sehingga terbentuklsh hydrogen isotope (deuterium). Reaksi bisa lebih ko mpleks, apabila kita gunakan ion yang lebih berat, dengan reaksi fusi yang melibatkan dua atau lebih inti (nucleons), maka mekanisma reaksi ( reaction mechanism) akan berbeda, tetapi pada prinsipnya sama, yaitu reaksi penggabungan inti yang kecil menjadi lebih besar. Fusi nuklir terjadi di alam bebas, yaitu pada aktifitas bintang/matahari. Reaksi fusi buatan manusia dewasa ini sudah umum terjadi, meskipun sekarang belum semua teknologi tentang sumber pembangkit tenaga nuklir dikuasi oleh ma nusia.. Dalam laboratorium percobaan telah berhasil dilakukan percobaan fusi berbagai macam jenis inti. Tetapi energi yang dihasilkan belum sesuai dengan yang diharapkan. Dalam uji coba senjata nuklir, telah berkali kali terjadi reaksi fusi yang tidak mampu dikontrol, kecuali hanya ledakan yang kuat sekali.Ledakan tersebut dihasilkan karena penggunaan isotopes hydrogen, deuterium (H-2) dan tritium (H-3), dan tidak pernah mennggunakan H-1 atau "protium". Teori dasar tentang perpindahan partikel inti atom dihasilkan dari percobaan Ernest Rutherford, yang lebih awal beberapa tahun dari percobaan Mark Oliphant in 1932 yang menggunakan isotop Hydrogen. Kemudian langkah ini diteruskan dengan teori tentang reaksi fusi nuklir
Matahari olrh . Hans Bethe. Reaksi fusi di bidan g militer pertama kali dilakukan pada tahaun 1940 di Manhattan Project, tetapi pene;litian ini dirahasiakan hingga tahun 1951. Sejak itu senjata nuklir berkembang pesat sejak 1 November 1952, setelah uji coba bom nuklir Ivy Mike hydrogen bomb.
Fusi deuterium dan tritium untuk membentuk helium-4, menghasilkan sebuah neutron, dan menghasilkan energi 17.59 MeV, masa partikel yang berubah membentuk energi kinetic sebesar E = Δmc2, dimana Δm adalah masa partikel yang berubah. Biasanya bila elemen yang berfusi lebih ringan dari logam, atau bila masa atom (atomic mass) dan jumlah masa ( mass number) lebih rendah dari inti yang terbentuk pada fusi atau dinamakan reaksi mass defect. Maka akan terbentuk fusi ari inti yang ringan menjadi inti yang lebih berat dan menyebabkan partikel kehilangan masa, meski tidak ada inti yang yang terbuang. Masa yang hilang ini akan berubah menjadi energi sebesar E=mc2 ( sebenarnya reaksi tidak menghasilkan energi, tetapi energi itu sendiri adalah perubahan dari masa yang hilang ). Apabila rangkaian reaksi fusi menjadi tak terkontrol, maka reaksi akan menghasilkan ledakan ermonuklir (thermonuclear explosion), yang biasa disebut dengan hydrogen bomb. Reaksi nuklir yang normal masih menghasilkan energi tertentu dan sejumlah neutron. Pwnwlitian mengenai reaksi fusi yang terkontrol, untuk tujuan energi p embangkit listrik telah dimulai sejak 50 tahun yang lalu, melalui serangkaian penelitian yang rumit tetapi terus mengalami perkembangan yang baik. Dibutuhkan energi untuk menggabung inti, meskipun pada inti yang paling ringan, yaitu, hydrogen. Hal ini disebabkan inti bermuatan positif (sesuai dengan jumlah proton), dan atom cenderung mempertahankan muatanya. Dengan pemanasan termonuklir, partikel atom akan semaik cepat bergerak dan meningkat pula gaya tolak elektroststisnya, dan semakin mudah untuk mengeluarkan energi nuklirnya dan mudah untuk melakukan reaksi fusi. Fusi pada zat yang rendah masa atomnya untuk berfusi membentuk inti yang berat akan membebaskan electron atau proton bebas. Pada reaksi ini jumlah energi yang dibebaskan akan lebih besar ketimbang energi yang dibutuhkan untuk menggabungkan inti inti tersebut. Reaksi ini disbut dengan exothermic process, dan akan menimbulkan reaksi yang berantai. Energy yang dihasilkan pada reaksi nuklir lebih besar dari reaksi kimia, sebab energi yang tersimpan untuk mempertahankan inti atom lebih besar ketimbang mempaertahankan electron pada kulit atom. Energi yang tersimpan dalam atom harus tersimpan sebelum dilakukan fusi. Pada jarak yang relative jauh inti yang aktif akan menolak lainnya, karena adanya gaya ekeltrostatik diantara mereka, hal ini karena inti tersebut sma sama bermuatan positif. Jika kedua inti dipaksa saling berdekatan , mereka akan menghasilkan energi nuklir yang semaikn dekat jaraknya semakin besar. Jika partikel inti seperti proton dan neutron ditembakan k e inti atom, maka akan timbnulah
energi nuklir antara inti tersebut. Partikel inti akan bertambah saling mend ekat di permukaan atom. Maka energi yang tersimpan dalam atom akan meningkat, inilah energi nuklir. Gaya elektrostatis harganya berbanding terbalik dengan jaraknya, maka jika proton ditembakan ke atom, maka akan timbul gaya tolak listrik yang besar pada inti Energi ini semakin b ertambah besar tanpa batas bila atom bertambah besar.
Pada jarak inti yang dekat gaya tarik nuklir akan bertambah kuat disbanding gaya tolaknya lektrostatis.
. Rangkaian Reaksi Fusi Bintang
Rangkaian CNO yang berada di bintang yang lebih besar dari matahari Hal yang paling penting yang merupakan sumber energi dari bintang adalah reaksi fusi. Rangkaian reaksi ini terdiri dari 4 proton dengan 1 partikel alpa, yang membebaskan dua positrons, dan neutrinos (kemudian dua proton berubah menjadi dua neutrons), dan energy, Tetapi disamping itu terdapat reaksi lainya yang b ebas terjadi, terhganting dari massa bintang. Pada temperature dan masa jenis materi angkasa luar, laju reaksi fusi tergolong lambat. Seba gai contoh pada inti matahari yang bertemperatur T ≈ 15 MK dan masa jenis 1 60 g/cm³, maka energi yang dibebaskan hanya sebesar 276 μW/cm³, Sehingga reaksi fusi pada bintang tidak praktis dilakukan di laboratorium. Sebab laju reaksi nuklir sangat tergantung p ada suhu (exp(−E/kT)), sedangkan untuk mereaksikan fusi bintang di laboratorium membutuhkan 10 – 100 kali dengan suhu bintang, atau T ≈ 0.1– 1.0 GK. Diposkan oleh Bambang Sukmadji di Kamis, Maret 24, 2011 Label: Wikipedia.Org http://bangsuk51.blogspot.com/2011/03/reaksi-fusi-nuklir.html
Reaksi Fisi
Telah dikemukakan sebelumnya bahwa terdapat empat tipe umum reaksi nuklir, yaitu reaksi fisi, reaksi fusi, transmutasi inti dan peluruhan radioaktif. Dari empat tipe reaksi nuklir tersebut, reaksi fusi dan reaksi fisi adalah dua reaksi nuklir yang cukup dikenal karena aplikasinya yang sangat fenomenal di bidang militer pada saat perang dingin antara USA dan Uni Soviet.
Reaksi fisi adalah proses reaksi nuklir yang terjadi karena inti atom terbelah menjadi partikel-partikel inti yang lebih ringan karena tertumbuk oleh partikel inti l ain. Reaksi fisi merupakan reaksi nuklir eksotermis yang akan menghasilkan partikel inti yang lebih ringan (sering disebut produk fisi), beberapa partikel neutron, gelombang elektromagnetik dalam bentuk radiasi sinar gamma, dan sejumlah energi. Gambar disamping ini melukiskan proses reaksi fisi dari inti atom uranium-235 yang tertumbuk oleh sebuah neutron dengan kecepatan rendah (neutron kecepatan rendah sering disebut sebagai neutron termal). Reaksi fisi uranium-235 menghasilkan produk fisi berupa barium-141 dan kripton-92, tiga buah neutron cepat (masing-masing neutron memiliki energi kinetik ~2 MeV), dan sejumlah energi.
Produk fisi dari reaksi fisi uranium-235 bisa saja tidak berupa barium-141 dan kripton-92, tetapi barium-144 dan kripton-90, atau zirkonium-94 dan telurium-139. Reaksi fisi uranium-235 sangat terkenal karena reaksi nuklir ini mendasari beroperasinya reaktor nuklir yang banyak beroperasi di Dunia. Selain reaksi fisi uranium-235, masih banyak unsur lain yang dapat berfisi. Pada dasarnya semua isotop unsur dalam golongan aktinida yang mempunyai jumlah neutron ganjil pada intinya dapat berfisi. Isotop aktinida yang dapat berfisi tersebut antara lain adalah plutonium-241 ( uranium-232 (
), kalifornium-241 (
), kurium-245 ( ), uranium-235 (
), Amerisium-242 (
), plutonium-239 ( ).
), kurium-243 (
), uranium-233 (
),
), kalifornium-251 ( ), kurium-247 (
Isotop yang dapat berfisi disebut sebagai bahan fisil (fissile material). Dari sekian banyak bahan fisil, empat bahan fisil uranium-233, uranium-235, plutonium-239, plutonium-241 mempunyai arti penting karena sudah diterapkan dalam proses reaksi nuklir di reaktor nuklir. Uranium-235, plutonium-239 dan plutonium-241 digunakan dalam bahan bakar reaktor termal dan reaktor pembiak yang memanfaatkan daur bahan bakar uranium, sedangkan uranium-233 digunakan dalam reaktor yang memanfaatkan daur bahan bakar thorium. Reaksi fisi uranium-235 tidak akan terjadi dengan begitu saja, terdapat beberapa prasyarat kondisi yang harus dipenuhi agar reaksi fisi uranium-235 terjadi. Salah satu prasyarat yang harus dipenuhi adalah kecepatan atau energi kinetik neutron yang menumbuknya. Neutron dengan kecepatan rendah (energi kinetiknya rendah) mempunyai probabilitas yang lebih tinggi untuk menimbulkan reaksi fisi pada uranium-235 dibandingkan degan neutron dengan energi kinetik yang lebih tinggi. Dari reaksi fisi uranium-235 dihasilkan 2 hingga 3 buah neutron dengan energi ~2 MeV. Sesuai dengan kurva pada gambar di atas, energi neutron hasil fisi setinggi ~2 MeV sangat kecil untuk menimbulkan reaksi fisi jika menumbuk inti atom uranium-235 yang lain.
Reaksi fisi berantai
Reaksi fisi berantai sangat penting dalam mewujudkan pemanfaatan energi hasil reaksi fisi dalam sebuah reaktor nuklir. Jika kontinuitas reaksi fisi dalam reaktor nuklir terhenti maka dapat berhentinya produksi energi, sehingga produksi energi menjadi diskontinu, suatu kondisi yang tidak diinginkan.
Reaksi fisi berantai
Pada awalnya sebuah neutron menumbuk inti uranium-235 (U-235) dan menimbulkan reaksi yang menghasilkan produk fisi (Ba-141 dan Kr-92) serta 3 buah neutron. Dua dari tiga neutron hasil reaksi fisi itu kemudian menumbuk inti U-235 lainnya dan menimbulkan reaksi fisi berikutnya (reaksi fisi generasi kedua). Neutron hasil fisi dari reaksi fisi kedua ini diharapkan akan menimbulkan reaksi fisi berikutnya (reaksi fisi generasi ketiga), dan selanjutnya kan terjadi reaksi fisi dari generasi ke generasi secara kontinu. Persoalan dalam mewujudkan reaksi fisi berantai timbul karena untuk mewujudkan reaksi fisi U-235 diperlukan neutron lambat, sedangkan neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi U-235 adalah neutron cepat yang sangat sulit untuk memicu reaksi fisi generasi ke generasi. Dalam reaktor nuklir, persoalan ketersediaan neutron lambat dengan energi kinetik rendah diwujudkan dengan menyediakan medium yang bertugas memperlambat (memoderasi) kecepatan neutron, yaitu berupa air. Dengan adanya air sebagai moderator neutron, maka neutron cepat yang dihasilkan dari reaksi fisi U-235 diperlambat kecepatannya sehingga dapat digunakan untuk melangsungkan reaksi fisi berantai dari generasi ke generasi. Bila suatu saat air sebagai bahan moderator menghilang dari dalam reaktor nuklir (oleh karena suatu sebab, misalnya kecelakaan) maka dengan sendirinya reaksi fisi berantai terhenti dan produksi energi juga berhenti dengan sendirinya.
Satu buah neutron lambat (disebut juga neutron termal) dalam reaktor nuklir akan menimbulkan reaksi fisi U-235 yang menghasilkan energi panas ~200 MeV (~8,9 x 10-18 kWh). Ini berarti bahwa sebuah neutron lambat setara dengan ~8,9 x 10-18 kWh. Apabila dari generasi ke generasi jumlah neutron termal dapat dikendalikan sesuai dengan kebutuhan energi, maka realisasi pengendalian reaksi fisi dapat terwujud. Proses pengendalian reaksi fisi berantai ini terjadi dalam sebuah reaktor nuklir. Keberlangsungan reaksi fisi berantai dalam reaktor nuklir sangat labil, sedikit saja kecelakaan yang menguapkan moderator (berupa air), maka reaksi fisi berantai terhenti, demiki an pula dengan pembangkitan energi.
Reaksi fisi berantai dapat pula dilangsungkan dalam waktu sangat cepat dengan pelipatan jumlah reaksi yang sangat tinggi, dengan cara ini pembangkitan energi meningkat sangat besar dalam waktu yang sangat singkat. Hasilnya adalah sebuah ledakan nuklir yang dahsyat. Mewujudkan suatu ledakan nuklir dengan uranium-235 ti daklah mudah, harus dilakukan upaya ketersediaan dan peningkatan jumlah neutron dengan energi kinetik yang cocok dalam jumlah besar dalam waktu sesingkat-singkatnya.
