TUGAS TERSTRUKTUR RADIOKIMIA ” Plutonium 239 ( Pu-239 )”
Disusun Oleh :
Harli (F02108005) Suhardiwantara (F02108007)
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN KIMIA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS TANJUNGPURA PONTIANAK 2011
PLUTONIUM 239 ( Pu-239 ) A. Latar Belakang
Plutonium adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Pu dan nomor atom 94. Ia merupakan unsur radioaktif transuranium yang langka dan merupakan logam aktinida dengan penampilan berwarna putih keperakan. Isotop terpenting plutonium adalah plutonium-239 yang memiliki umur paruh 24.100 tahun. Plutonium-239 merupakan fisil, yakni ia dapat memecah ketika dibombardir oleh neutron termal, melepaskan energi, radiasi gamma, dan neutron yang lebih banyak. Oleh karena itu, dia dapat mempertahankan reaksi rantai nuklir setelah mencapai massa kritis. Sifat-sifat inilah yang memungkinkan plutonium digunakan sebagai senjata nuklir dan digunakan pada beberapa reaktor nuklir B. Sejarah Penemuan Pu-239
Pada tahun 1934, Enrico Fermi dan sekelompok ilmuwan Universitas Roma La Sapienza melaporkan bahwa mereka telah menemukan unsur 94. Fermi menyebut unsur ini sebagai hesperium. Namun, sampel yang diduga sebagai unsur 94 ini sebenarnya hanyalah campuran barium, kripton, dan unsur-unsur lainnya. Tetapi hal ini tidak diketahui pada saat itu karena fisi nuklir masih belum ditemukan. Glenn T. Seaborg
Plutonium (Pu-238) pertama kali diproduksi dan diisolasi pada tanggal 14 Desember 1940 oleh Dr. Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy, Z. M. Tatom, dan A. C. Wahl dengan menembakkan uranium dengan deuteron. Unsur ini kemudian berhasil diidentifikasi secara kimiawi pada 23 Februari 1941. Pada percobaan tahun 1940, neptunium-238 berhasil dihasilkan secara langsung dengan penghantaman, tetapi ia kemudian meluruh dengan mamancarkan emisi beta dua hari kemudian. Hal ini mengindikasikan terbentuknya unsur 94. Sebuah laporan ilmiah yang mendokumentasikan penemuan unsur plutonium kemudian dipersiapkan oleh para ilmuwan Universitas California, Berkeley tersebut dan dikirim ke jurnal Physical Review pada Maret 1941. Tetapi laporan tersebut ditarik kembali sebelum publikasi, setelah ditemukan bahwa isotop unsur baru tersebut (Pu-239) dapat menjalani fisi nuklir yang dapat digunakan pada bom atom. Publikasi penemuan unsur tersebut kemudian ditunda setahun setelah akhir Perang Dunia II oleh karena kekhawatiran pada masalah keamanan dunia. Edwin McMillan yang sebelumnya telah menamai unsur transuranium pertama dengan nama neptunium (berasal dari nama planet Neptunus) mengajukan bahwa unsur 94, sebagai unsur transuranium kedua, dinamakan dari planet Pluto. Seaborg pada
awalnya mempertimbangkan nama "plutium", namun kemudian merasa bahwa nama tersebut tidak sebagus "plutonium". Pemilihan simbol "Pu" oleh Seaborg pada awalnya hanyalah sebagai lelucon, namun ternyata simbol tersebut kemudian tanpa disadari telah terdaftar ke dalam tabel periodik. Nama-nama alternatif lainnya yang pernah Seaborg dan ilmuwan lainnya pertimbangkan adalah "ultimum" ataupun "extremium" karena terdapat kepercayaan bahwa mereka telah menemukan unsur terakhir pada tabel periodik. Sifat-sifat kimiawi plutonium ditemukan mirip dengan uranium setelah dilakukan kajian awal selama beberapa bulan. Penelitian kemudian dilanjutkan di laboratorium rahasia di Universitas Chicago. Pada 18 Agustus 1942, sejumlah kecil unsur ini diisolasi dan diukur untuk pertama kalinya. Sekitar 50 mikrogram plutonium-239 beserta uranium dan produk fisi diproduksi, namun hanya 1 mikrogram yang diisolasi. Prosedur ini mengijinkan para kimiawan menentukan massa atom unsur baru ini. Sifat-sifat nuklir plutonium-239 juga dikaji; para peneliti menemukan bahwa ketika ia ditembakkan dengan neutron, ia akan memecah (fisi) dan melepaskan lebih banyak neutron dan energi. Neutron-neutron ini kemudian dapat menghantam atom plutonium-239 lainnya, dan mengakibatkan reaksi berantai yang meningkat secara eksponensial. Reaksi berantai ini dapat mengakibatkan ledakan yang cukup besar untuk menghancurkan sebuah kota apabila isotop dalam jumlah yang cukup dikonsentrasikan dan mencapai massa kritis. C. Fisi nuklir
Plutonium merupakan logam aktinida radioaktif. Isotop plutonium-239 (Pu-239) merupakan salah satu dari tiga isotop fisil utama (sisanya adalah uranium-233 dan uranium-235). Agar dapat dianggap sebagai fisil, inti atom sebuah isotop haruslah dapat memecah (fisi) ketika ditembakkan dengan neutron dan melepaskan sejumlah neutron tambahan yang cukup untuk mempertahankan reaksi berantai nuklir dengan memecahkan inti selanjutnya. Pu-239 memiliki faktor penggandaan (k) yang positif. Hal ini berarti bahwa jika logam tersebut tersedia dalam jumlah massa yang mencukupi dan dalam bentuk geometri yang tepat, ia dapat membentuk massa kritis. Selama fisi, sebagian energi ikat yang mengikat inti agar tetap bersama dilepaskan sebagai energi panas, energi kinetik, dan energi elektromagnetik dalam jumlah yang besar. Satu kilogram Pu-239 dapat menghasilkan ledakan yang setara dengan 20,000 ton TNT. Jumlah energi yang sangat besar ini membuat Pu-239 sangat berguna pada reaktor dan senjata nuklir. D. Sintesis Pu-239
Pu-239 adalah isotop yang paling sering disintesis. Pu-239 disintesis via reaksi berikut yang menggunakan uranium (U) dan neutron (n) via peluruhan beta (β−) dengan neptunium (Np) sebagai zat antara:
Dengan kata lain, neutron yang berasal dari fisi U-235 ditangkap oleh inti U-238, menjadi U-239; peluruhan beta akan menambahkan sebuah proton, menjadi Np-239 (umur paruh 2.36 hari), dan peluruhan beta lebih lanjut akan mengubahnya menjadi Pu239. E. Pemanfaatan Pu-239 1. Bahan peledak
Oleh karena kemudahan isotop Pu-239 menjalani fisi dan ketersediaannya, ia merupakan komponen fisil utama dalam pembuatan senjata nuklir. Dengan membungkus bola plutonium padat dengan pemadat (lapisan tambahan yang dibuat dari bahan-bahan padat) akan menurunkan jumlah plutonium yang diperlukan untuk mencapai massa kritis dengan memantulkan kembali neutron yang lolos kembali ke inti plutonium. Hal ini akan menurunkan jumlah plutonium yang diperlukan dari 16 kg menjadi 10 kg, berupa bola berdiameter 10 cm. Massa kritis ini adalah sekitar sepertiga daripada massa kritis U235. Bom plutonium jenis "Fat Man" yang diproduksi semasa Proyek Manhattan menggunakan kompresi eksplosif plutonium untuk mendapatkan tingkat densitas plutonium yang lebih besar daripada biasanya dan menggabungkannya dengan sumber neutron untuk memulai reaksi dan meningkatkan efisiensi. Sehingga, hanya diperlukan 6,2 kg plutonium untuk mendapatkan daya ledak yang setara dengan 20 kiloton TNT. Secara teoritis, hanya diperlukan sejumlah kecil 4 kg plutonium (atau bahkan lebih kecil dari itu) untuk membuat bom atom dengan desain perakitan yang canggih. 2. Bahan Bakar Reaktor Nuklir PUREX (Plutonium – URanium EX traction) memroses ulang bahan bakar nuklir yang telah digunakan untuk mengekstraksi uranium dan plutonium dalam bentuk bahan bakar oksida campuran (MOX) yang dapat digunakan kembali dalam reaktor nuklir. Plutonium tingkat senjata dapat kemudian ditambahkan ke campuran bahan bakar tersebut. Bahan bakar MOX digunakan pada reaktor air ringan dan terdiri dari 60 kg plutonium per ton bahan bakar. Setelah empat tahun, tiga per empat plutonium tersebut akan telah habis digunakan (berubah menjadi unsur lain). Reaktor pembiak secara spesifik dirancang untuk mendapatkan bahan fisil dengan laju yang lebih cepat daripada laju konsumsi bahan tersebut.
Plutonium (Pu-239) yang menyerap neutron cepat akan meghasilkan reaksi fisi. Rasio terjadinya fisi oleh neutron cepat hanya 1/100 kali fisi oleh neutron termal. Reaksi fisi berantai akan bergantung pada meningkatnya konsentrasi Pu-239 yang berasal dari uranium (U-238). Dalam pengendalian semua jenis reaktor - tidak hanya pada reaktor pembiak cepat pada umumnya dilakukan dengan mengendalikan populasi neutron hasil reaksi fisi berantai. Rasio timbulnya neutron lambat (β) untuk reaktor pembiak cepat yang menggunakan Pu-239, dibandingkan dengan reaktor air ringan yang menggunakan U-235 adalah kurang lebih setengahnya. Umur neutron lambat cukup panjang, yaitu sekitar 0,44 ~ 55 detik (rata-rata 10 detik), sedangkan umur rerata neutron pada reaktor cepat hanya 0,003 ~ 0,04 detik, dan pada reaktor air ringan sekitar 0,05 ~ 0,07 detik, sehingga dalam pengendaliannya tidak begitu berbeda. Bahan bakar MOX telah digunakan sejak tahun 1980-an dan secara luas digunakan di Eropa. Pada bulan September 2000, Amerika Serikat dan Rusia menandatangani Perjanjian Pengelolaan dan Disposisi Plutonium ( Plutonium Management and Disposition Agreement ) yang mana masing-masing pihak setuju untuk membuang 34 ton plutonium tingkat senjata. Departemen Energi AS berencana membuang 34 ton plutonium tingkat senjata sebelum akhir 2019 dengan mengubahnya menjadi bahan bakar MOX yang dapat digunakan pada reaktor nuklir komersial. Efisiensi juga bisa didapatkan melalui pemrosesan ulang, yakni batangan bahan bakar diproses untuk menghilangkan produk limbah yang mencapai 3% berat total batangan tersebut setelah tiga tahun penggunaan. Isotop uranium dan plutonoum apapun yang dihasilkan selama tiga tahun tersebut ditinggalkan dan batangan tersebut kembali digunakan. Namun, keberadaan 1% galium per massa plutonium tingkat senjata memiliki potensi membatasi operasi jangka panjang reaktor air ringan.
DAFTAR RUJUKAN
