Mengapa materi bisa mengeluarkan radiasi ?

24 March 2014

Saya pernah mendapatkan pertanyaan seperti ini:

Mengapa beberapa material, misalnya uranium, dapat mengeluarkan radiasi secara alami?

Pertanyaan yang sederhana, tapi jawabannya bisa panjang…ūüôā

Materi tersusun atas inti atom dan elektron yang berada di luar inti atom. Di dalam inti atom, itu ada proton dan neutron. Proton dan neutron sebenarnya juga tersusun atas partikel yang lebih kecil lagi, yang disebut dengan quark, tapi untuk sementara kita tidak membicarakan quark ini.
Proton punya muatan listrik positif, dan neutron tidak punya muatan listrik alias netral. Kita semua tahu bahwa muatan listrik yang sama akan tolak-menolak dan muatan yang berbeda akan tarik-menarik.

attract_repel

Karena bermuatan listrik yang sama, maka proton-proton di dalam inti atom akan saling tolak-menolak.

Lalu pertanyaanya:

Kalau tolak-menolak, mengapa proton bisa menyatu di inti atom?

Ternyata, selain gaya listrik di dalam inti atom juga ada yang namanya gaya nuklir kuat yang saling tarik-menarik. Gaya ini kuat sekali, tetapi jangkauannya sangat pendek, yaitu sekitar 1 fm (femtometer) atau 1/1000000000000000 meter. Antara proton yang satu dengan proton yang lain akan saling tarik-menarik karena gaya nuklir kuat ini. Uniknya, kalau jarak antar proton kurang dari 0,7 fm, maka proton akan saling tolak menolak. Kalau jaraknya lebih dari 0,7 fm akan tarik-menarik. Kalau jaraknya di atas 2 fm, gaya nuklir kuat ini akan berkurang kekuatannya secara drastis. Pada jarak di bawah 1,7 fm, gaya nuklir kuat lebih besar daripada gaya listrik (gaya Coulomb, gaya tolak-menolak).

nuclear_force

Gaya mana yang lebih dominan, tergantung dari besarnya masing-masing gaya. Kalau yang dominan adalah gaya nuklir kuat (tarik-menarik), maka inti atom akan tetap utuh. Istilahnya adalah atomnya stabil. Kalau yang dominan adalah gaya listrik (tolak-menolak), maka inti atom akan “pecah”. Istilahnya kerennya adalah atom akan¬†meluruh (mengalami peluruhan). Nah, selain proton kan masih ada neutron tuh. Karena neutron tidak bermuatan listrik, maka neutron tidak memberikan kontribusi apapun terhadap gaya tolak-menolak. Tapi neutron memberikan tambahan gaya tarik-menarik. Dengan kata lain keberadaan neutron meningkatkan kestabilan atom.

Gambar di bawah ini mengilustrasikan beberapa susunan inti atom ringan.

lightnuclei

Semua inti atom pasti mempunyai neutron, kecuali atom hidrogen yang terdiri dari satu proton saja. Atom yang mengandung lebih dari satu proton, pasti mempunyai neutron.

Sebaliknya, tidak ada inti atom yang tersusun cuma neutron saja, tanpa proton. Beberapa inti atom yang ringin, misalnya oksigen dan silikon, mempunyai proton yang sama banyaknya dengan neutron. Inti atom yang lebih besar (dan lebih berat) mempunyai neutron yang lebih banyak daripada proton.

Dengan demikian bisa disimpulkan bahwa:

  1. Neutron diperlukan agar proton bisa “menempel”, dan sebaliknya, proton juga diperlukan agar neutron bisa “menempel” di dalam inti atom.
  2. Jika banyaknya proton dan neutron menjadi semakin besar, maka daya tolak-menolak proton harus dikompensasi dengan adanya neutron tambahan (ekstra).

Nah, ada susunan inti atom tertentu (jumlah neutron tertentu, jumlah proton tertentu) yang membuat inti atom tetap stabil. Jika jumlah neutron lebih besar atau lebih kecil daripada yang ada pada susunan stabil itu, maka inti atomnya jadi meluruh.

Gambar di bawah ini adalah peta kestabilan inti atom, dengan sumbu horisontal adalah banyaknya proton dan sumbu vertikal adalah banyaknya neutron di dalam inti atom.

500px-Table_isotopes_en

Garis lurus diagonal warna hitam menandakan jumlah proton dan neutron yang sama banyaknya di dalam inti atom. Atom yang stabil ditandai dengan kotak berwarna hitam. Tampak bahwa inti atom ringan yang stabil (protonnya sedikit), banyaknya neutron sama dengan banyaknya proton. Atom-atom yang lebih berat dan stabil, banyaknya neutron lebih besar daripada proton (posisi di peta adalah di atas garis diagonal hitam).

Apa yang terjadi ketika inti atom tidak stabil dan meluruh?

Ketika meluruh, inti atom akan mengeluarkan radiasi, yang pada dasarnya adalah memancarkan energi.Tujuannya adalah agar tercapai kondisi inti atom yang stabil. Jenis radiasi yang dipancarkan oleh inti atom ada beberapa macam, misalnya partikel alfa, partikel beta, sinar gamma dan neutron. Kita akan membahas jenis-jenis radiasi ini di tulisan yang lain.

nucforce

Lalu bagaimana dengan uranium?

Unsur alami yang ada di bumi ini kan banyak. Dari sekian banyak itu, unsur yang stabil punya nomor atom 82 atau lebih rendah. Nomor atom itu menunjukkan banyaknya proton di dalam inti atom. Dengan kata lain, Timbal (Pb) yang punya nomor atom 82 adalah unsur alami terberat yang masih stabil. Unsur-unsur lain yang nomor atomnya di atas 82, sifatnya selalu radioaktif (memancarkan radiasi) karena tidak stabil.

640px-Periodic_Table_by_Number_of_Stable_Isotopes

Uranium punya nomor atom 92, jadi sifatnya radioaktif. Radiasi yang dipancarkan oleh uranium adalah partikel alfa, yang sebenarnya mengandung 2 proton dan 2 neutron. Nah, karena kehilangan 2 proton, maka uranium berubah menjadi Thorium yang punya nomor atom 90. Thorium juga radioaktif, jadi meluruh menjadi Protactinium yang juga radioaktif. Demikian seterusnya proses peluruhan akan berlangsung terus membentuk rantai peluruhan dan berakhir ketika unsur yang terbentuk adalah timbal yang sifatnya stabil. Jadi jutaan tahun yang akan datang, semua uranium yang ada di bumi ini (jika tidak dimanfaatkan) akan menjadi timbal.


Dunia Partikel

20 March 2012

================================================================

EDIT 24-03-2014:   Tambah info tentang Partikel Higgs-

================================================================

Sudah sejak lama manusia bertanya-tanya: terbuat dari apa alam ini? Mengapa begitu banyak benda di alam ini, akan tetapi banyak yang memiliki sifat-sifat yang serupa?

Manusia kemudian menyadari bahwa benda-benda di alam tersusun dari beberapa unsur  dasar atau fundamental. Dikatakan fundamental karena unsur penyusun benda-benda tersebut bersifat sederhana dan tidak tersusun dari unsur yang lebih kecil lagi.

Orang Babylonia pada abad ke-18 SM menyatakan bahwa unsur-unsur dasar tersebut adalah: laut, tanah, api, langit dan angin.¬†Orang Cina zaman kuno mengatakan bahwa alam ini tersusun atas lima unsur, yaitu: kayu (mu, śú®), api (hu«í,¬†ÁĀę), tanah (t«Ē,¬†Śúü), emas atau logam (jńęn,¬†ťáĎ) dan air (shu«ź,¬†śįī). Demikian pula orang India kuno menyebutkan bahwa alam ini tersusun dari lima unsur, yaitu: tanah (bhŇęmi,ŗ§≠ŗ•āŗ§ģŗ§Ņ), air (ap,ŗ§Öŗ§ĺŗ§™), api (agni, ŗ§Öŗ§óŗ•ćŗ§®ŗ§Ņ), udara atau angin (marut, ŗ§ģŗ§įŗ•Āŗ§§), dan ether (akasha, ŗ§Üŗ§ēŗ§ĺŗ§∂). Empedocles, seorang filsuf Yunani abad ke-5 SM, menyatakan bahwa alam ini tersusun atas empat unsur yaitu: api, udara, air dan tanah. Namun demikian, Democritus, seorang filsuf Yunani abad ke-5 SM juga, mengeluarkan spekulasi bahwa alam terdiri dari unsur yang tak dapat dibagi-bagi yang disebut dengan atom (atomos, ŠľĄŌĄőŅőľőŅŌā).

Saat ini kita mengetahui bahwa atom lebih fundamental daripada udara, api, angin ataupun tanah. Akan tetapi pengetahuan kita tentang atom sangat jauh berbeda dengan yang disampaikan oleh Democritus. Bahkan saat ini telah diketahui pula bahwa atom bukanlah unsur fundamental. Atom yang menyusun tubuh kita, yang membentuk lautan, yang menyusun gunung, ternyata terdiri dari unsur-unsur yang lebih kecil lagi, yang disebut dengan partikel dasar atau partikel elementer. Dengan demikian bisa dikatakan semua benda yang berada di alam ini tersusun dari partikel-partikel elementer.

Pengembaraan kita di dunia nuklir akan kita mulai dari partikel elementer dan berkembang ke struktur yang lebih besar. Meskipun demikian, tidak semua partikel yang ada akan terkait dengan bidang ketekniknukliran, hanya beberapa saja.

Menurut para ilmuwan, semua materi di alam semesta ini tersusun atas 12 partikel elementer yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Partikel-partikel tersebut dianggap tidak mempunyai struktur lagi, sehingga dianggap berbentuk seperti titik. Keduabelas partikel elementer tersebut dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 1 di bawah ini.

Gambar 1. Ilustrasi pengelompokan partikel elementer.

Ada dua keluarga partikel elementer tersebut, yaitu keluarga lepton dan keluarga quark. Masing-masing keluarga memiliki 6 anggota. Sebagian besar materi di bumi tersusun atas dua jenis quark, yaitu up dan down, serta satu jenis lepton, yaitu elektron. Quark up dan quark down akan menyusun proton dan neutron di dalam inti atom, dan  elektron akan mengorbit di sekitar inti atom. Partikel-partikel elementer yang lain biasanya ditemukan di lingkungan yang berenergi tinggi, tidak di kehidupan kita sehari-hari.

Data singkat mengenai anggota keluarga lepton dapat kita lihat di Tabel 1. Pada tabel tersebut tampak bahwa lepton juga dibedakan menjadi 3 jenis (kalau istilah fisikanya adalah 3 generasi) yang masing-masing beranggotakan dua partikel. Selanjutnya dapat dilihat pula bahwa partikel keluarga lepton mempunyai muatan listrik yang negatif (untuk elektron, muon dan tau) atau netral (untuk setiap neutrino). Massa partikel dalam hal ini dinyatakan dalam satuan energi. Massa dalam dunia subatom dapat dikonversi menjadi energi, dan saya yakin pembaca sudah mengenal rumusan Einstein yang terkenal

E = m\times c^2

artinya jika kita mengalikan massa partikel dengan bilangan konstan c^2 = 9\times 10^{16}, kita akan mendapatkan energi yang dikandung oleh massa partikel tersebut dan besarnya dicantumkan di Tabel 1.

Kolom  terakhir pada Tabel 1 menampilkan data tentang antipartikel. Setiap partikel selalu  mempunyai antipartikel. Jika partikel bertemu dengan antipartikel, akan terjadi anihilasi. Artinya kedua partikel tadi akan hilang dan berubah menjadi energi. Antipartikel dari elektron disebut dengan positron. Massa positron sama dengan massa elektron, akan tetapi muatan listriknya berlawanan, yaitu positif. Demikian pula untuk neutrino elektron dijumpai pula antipartikelnya yaitu antineutrino elektron (kita sudah menjumpai antineutrino elektron ini di artikel sebelumnya, yaitu di pembahasan mengenai reaksi fisi). Loh, bukannya neutrino itu netral alias tidak bermuatan listrik, mengapa ada antineutrino? Penjelasannya tidak sederhana dalam hal ini karena perlu keterangan lanjut mengenai teori kuantum. Untuk pembahasan kita, cukup diterima saja apa adanya bahwa partikel mempunyai pasangan antipartikel yang sesuai.

Satu hal lagi yang perlu diperhatikan bahwa partikel-partikel yang tergolong dalam keluarga lepton selalu berdiri sendiri atau tidak berpasangan dengan partikel lain.

Tabel 1. Data partikel keluarga lepton

Keluarga kedua dari partikel elementer adalah quark yang terdiri dari 6 anggota (atau kalau dalam istilah fisika dikenal dengan “rasa”), yaitu up, down, strange, charm, bottom dan top. Tabel 2 di bawah menampilkan informasi singkat mengenai quark.

Tabel 2. Data partikel keluarga quark

Tampak bahwa quark memiliki muatan listrik yang bernilai pecahan, yaitu 1/3 atau 2/3. Quark rasa down, strange dan top mempunyai muatan sebesar -1/3, dan quark rasa up, charm dan top mempunyai muatan sebesar 2/3. Masing-masing quark mempunyai pasangan antipartikel, yaitu antiquark, yang muatan listriknya berlawanan tandanya dengan quark bersangkutan. Misalnya antidown (antipartikel dari quark down) punya muatan 1/3, dan anticharm (antipartikel dari quark charm) punya muatan listrik -2/3.

Selain muatan listrik, quark juga mempunyai sifat intrinsik lain, yang disebut dengan muatan “warna”. Perlu diperhatikan, warna di sini bukanlah warna seperti yang kita ketahui, tapi hanya sekedar penamaan saja. Muatan warna ini ada tiga, yaitu merah, biru dan hijau. Setiap quark memiliki satu warna, misal quark down merah. Setiap antiquark juga memiliki satu antiwarna, misal antiquark antidown antimerah.

Berbeda dengan partikel keluarga lepton, partikel quark akan selalu berpasangan dan membentuk partikel komposit. Ada dua jenis partikel komposit ini yaitu yang tergolong ke dalam baryon dan tersusun atas tiga buah quark, dan yang tergolong ke dalam meson dan tersusun atas dua buah quark (atau tepatnya pasangan quark dan antiquark). Tabel 3 di bawah menampilkan beberapa partikel komposit. Partikel komposit sebenarnya yang telah diketahui sampai dengan saat ini jumlahnya banyak.

Tabel 3. Data beberapa partikel komposit.

Sebagai contoh, dari tabel di atas, proton yang merupakan baryon  merupakan gabungan dari tiga buah quark yaitu up-up-down, neutron yang juga baryon merupakan gabungan dari quark down-down-up.  Sementara itu untuk partikel pion positif yang termasuk dalam meson, merupakan gabungan dari quark up dan antiquark down.

Sejenak mari kita lihat proton yang tersusun atas quark up-up-down. Quark up mempunyai muatan 2/3 dan quark down bermuatan -1/3. Oleh karena itu muatan listrik proton menjadi 2/3 + 2/3 + (-1/3) = 1.  Kalau neutron bagaimana? Neutron terdiri dari quark down-down-up, jadi muatan listrik neutron menjadi (-1/3) + (-1/3) + 2/3 = 0 alias netral.

Lalu bagaimana dengan massanya? Massa quark up adalah antara 1,5 sampai 4,5 MeV. Misal kita ambil nilai atasnya saja yaitu 4,5 MeV. Lalu massa quark down adalah 8,5 MeV (kita ambil nilai atasnya juga). Jadi massa tiga quark up-up-down = 4,5 + 4,5 + 8,5 = 17,5 MeV. Tapi Tabel 3 menampilkan massa proton sebesar 938,3 MeV ????? Mengapa perbedaan massa yang besar??? Karena sesama quark di dalam proton akan terjadi interaksi yang melibatkan  partikel yang disebut gluon, yang meskipun tidak mempunyai massa tetapi mempunyai energi yang tinggi, sehingga menambah massa proton. Aneh??? Welcome to the world of particles !!!

Kalau tadi disebut partikel gluon, lalu apa sebenarnya partikel tersebut? Katanya materi di alam ini  hanya tersusun dari 12 partikel elementer saja?  Selain materi, di alam ini juga ada gaya atau force, yaitu suatu pengaruh yang menyebabkan suatu obyek atau benda akan mengalami perubahan, entah itu perubahan bentuk, arah, kecepatan, dan sebagainya. Ada banyak gaya yang ada di alam ini, akan tetapi kesemuanya itu berasal dari gaya-gaya fundamental. Ada empat gaya fundamental, yaitu gaya gravitasi, gaya lemah, gaya elektromagnet dan gaya kuat.

Gaya gravitasi selalu kita rasakan. Andaikata tidak ada gravitasi  kita tidak akan bisa berdiri, berjalan, duduk, dan beraktivitas di muka bumi ini. Juga kita tidak akan melihat bagaimana indahnya bulan purnama, karena bulan akan pergi bergentayangan dan tidak mengorbit bumi.  Gaya elektromagnet juga sudah biasa kita rasakan. Adanya tarik-menarik pada benda bermagnet, kompas yang dapat menunjukkan arah utara-selatan, nyala lampu listrik yang kita nikmati setiap malam, bahkan indahnya bulan purnama pun bisa kita nikmati karena adanya gelombang elektromagnetik yang mengenai sel-sel di mata kita.  Gaya lemah dan gaya kuat sangat terkait dengan fenomena yang ada di atom dan inti atom, sehingga jarang (atau tidak secara langsung) kita rasakan.

Dari sisi kekuatan dan jangkauan gaya tersebut, bisa kita katakan bahwa gaya gravitasi merupakan  gaya yang paling lemah akan tetapi jangkauannya panjang sekali. Sebaliknya gaya kuat merupakan gaya yang paling besar akan tetapi jangkauannya paling pendek.

Dari sudut pandang partikel, gaya merupakan cara partikel-partikel elementer untuk berinteraksi dengan sesamanya. Ketika berinteraksi, partikel elementer tersebut saling menukarkan partikel sehingga dihasilkan gaya. Artinya ketika partikel elementer berinteraksi dengan menukarkan partikel yang membawa gaya elektromagnet, maka akan muncul gaya elektromagnet. Demikian pula jika partikel menukarkan partikel yang membawa gaya kuat, maka akan muncul gaya kuat.

Analogi dari partikel pembawa gaya ini mungkin dapat diilustrasikan seperti di bawah ini. Ada dua orang yang berdiri di kolam es. Satu orang menjulurkan tangannya dan akan terdorong ke belakang, orang yang satunya lagi akan mengambil benda yang tidak kelihatan dan juga terdorong ke belakang. Meskipun kita tidak melihat adanya bola, kita dapat menganggap orang tersebut melempar bola ke orang yang lain karena kita melihat pengaruhnya terhadap orang tersebut. (klik di gambar bola di bawah untuk menampilkan bola di animasi tersebut).

Tabel 4 di bawah ini menampilkan partikel-partikel yang membawa gaya.

Tabel 4. Data partikel pembawa gaya.

Tabel tersebut diurutkan berdasarkan kekuatannya. Tampak bahwa gaya gravitasi akan dibawa oleh partikel yang disebut graviton. Akan tetapi sampai saat ini partikel tersebut belum dapat diamati secara pasti. Kemudian juga ada tiga partikel yang membawa gaya lemah, yaitu partikel W plus, W minus dan Z. Kemudian partikel yang sering kita jumpai adalah foton, dan ternyata foton ini merupakan partikel pembawa gaya elektromagnet. Yang terakhir, partikel pembawa gaya kuat adalah gluon, seperti yang telah disinggung di atas. Ada 8 jenis gluon dan masing-masing gluon membawa muatan “warna”, meskipun muatan listriknya netral.

Kita akan menjumpai lagi gaya-gaya ini nanti ketika kita membahas tentang struktur inti atom dan radioaktivitas.

Jadi sampai pada taraf pengetahuan saat ini, para ilmuwan mengatakan bahwa materi di alam ini tersusun atas 12 partikel elementer dan partikel-partikel pembawa gaya. Sebenarnya masih ada lagi partikel elementer yang sifatnya masih hipotetis, masih diduga ada, akan tetapi belum ditemukan, yaitu partikel Higgs boson. Partikel ini nanti yang akan dapat menjelaskan mengapa elektron dan quark mempunyai massa. Lalu apakah mungkin lepton dan quark ternyata masih tersusun atas bagian-bagian lain yang “lebih elementer”? ¬†Mari kita tunggu saja perkembangan ilmu pengetahuan untuk menjawab pertanyaan tersebut.

==========================================================

Edit 24-03-2014:

Partikel Higgs sudah ditemukan. Pertama kali diumumkan di CERN pada tanggal 4 Juli 2012 dan dikonfirmasikan keberadaannya pada Maret 2013.

 


Perbandingan beberapa sumber energi

15 March 2012

 

 


Sekilas tentang cara kerja PLTN

15 March 2012

Pembangkit listrik pada dasarnya adalah tempat untuk mengubah energi yang dikandung oleh bahan bakar menjadi energi listrik. Mari kita lihat pembangkit yang menggunakan batubara, yaitu PLTU. Prinsip kerja pembangkit ini secara sederhana dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 1.

Gambar 1. Skema cara kerja pembangkit listrik berbahan bakar batubara.

Batubara yang merupakan bahan bakar dipasok ke dalam tungku (furnace). Di situ batubara  dibakar dan akan menghasilkan energi atau kalor. Selanjutnya energi tersebut akan dipindahkan ke air di dalam boiler (F), di mana air kemudian akan mendidih dan berubah bentuk menjadi uap (A). Uap yang mempunyai suhu tinggi dan tekanan tinggi ini akan dialirkan ke turbin (B). Di dalam turbin, uap akan melewati sudu-sudu turbin yang kemudian akan memutar poros untuk menggerakkan generator (C) dan menghasilkan listrik. Uap yang telah melewati turbin selanjutnya akan masuk ke dalam kondensor (D), di mana uap tersebut akan didinginkan dan berubah bentuknya kembali menjadi cair. Air dari kondenser selanjutnya akan dikembalikan ke dalam boiler dengan menggunakan pompa umpan (E).  Demikian seterusnya proses tersebut berlangsung berulang-ulang. Karena proses tersebut berulang dan menggunakan uap sebagai media untuk memindahkan energi, maka  proses ini disebut dengan istilah siklus uap atau dikenal juga dengan istilah siklus Rankine.

Lalu bagaimana halnya dengan reaktor nuklir atau PLTN?  PLTN yang beroperasi saat ini sebagian besar juga bekerja berdasarkan proses siklus Rankine. Oleh karena itu secara garis besar prinsip pembangkitan listriknya juga mirip dengan PLTU. Akan tetapi bedanya, bahan bakarnya diganti dengan bahan bakar nuklir. Proses terbentuknya energi tidak berada di tungku, melainkan di teras reaktor.  Gambar 2 di bawah ini menampilkan skema kerja PLTN.

Gambar 2. Skema cara kerja pembangkit listrik tenaga nuklir.

Kalau dilihat dari Gambar 1 dan Gambar 2, akan tampak dengan jelas perbedaannya. Tungku dan boiler yang ada di PLTU ternyata diganti dengan sistem pemasok uap nuklir atau SPUN (Nuclear Steam Supply System/NSSS). Di luar dari SPUN, komponen-komponen yang ada sangatlah mirip dengan yang ada di PLTU. Oleh karena itu, orang yang bekerja di PLTN tidak hanya berasal dari lulusan teknik nuklir saja, tetapi juga dari bidang keteknikan yang lain seperti teknik mesin, teknik listrik, teknik kimia dan sebagainya. Lalu apa yang ada di dalam SPUN tersebut? Kita akan meninjau dua jenis PLTN yang banyak digunakan di dunia, yaitu jenis reaktor air tekan / RAT (Pressurized Water Reactor/PWR) dan reaktor air didih / RAD (Boiling Water Reactor / BWR), yang skemanya bisa kita lihat di Gambar 3 dan 4.

Gambar 3. Skema cara kerja reaktor air tekan.

Pada PLTN jenis RAT, kita bisa melihat bahwa uap yang kemudian akan masuk ke turbin ternyata dihasilkan di steam generator (SG) atau pembangkit uap. Jadi di sini yang bertindak sebagai boiler adalah SG.

Bahan bakar nuklir berada di dalam teras reaktor (reactor core), dan teras reaktor berada di dalam bejana reaktor (reactor vessel). Bahan bakar akan mengalami reaksi fisi dan menghasilkan energi termal yang berada di material bahan bakar itu sendiri. Agar energi tersebut dapat dimanfaatkan, maka bahan bakar harus didinginkan menggunakan air pendingin. Jadi air pendingin ini akan mengalir ke dalam teras reaktor dari bawah, selanjutnya mengambil kalor dari bahan bakar, dengan demikian suhunya akan naik, dan selanjutnya keluar ke atas dari teras untuk selanjutnya masuk ke SG. Di dalam SG energi yang dikandung oleh air akan digunakan untuk menguapkan air yang akan masuk ke turbin. Air yang sudah dingin selanjutnya akan dikembalikan ke teras reaktor. Pada PLTN jenis ini, air pendingin reaktor dijaga jangan sampai mendidih, caranya dengan mempertahankan tekanan air tetap tinggi. Agar tujuan ini tercapai digunakan komponen yang disebut pressurizer (PRZ).

Jadi kalau mau dicari ciri khas dari PLTN tipe PWR ini:

  1. PWR mempunyai dua aliran pendingin yang terpisah, yaitu air untuk mendinginkan reaktor (istilahnya adalahsistem pendingin primer) dan air yang akan menjadi uap untuk memutar turbin (istilahnya adalah sistem pendingin sekunder).
  2. Proses pendidihan air terjadi di SG, di mana energi ditransfer dari  pendingin primer ke  pendingin sekunder.
  3. Pada sistem pendingin primer tidak terjadi pendidihan karena tekanan dijaga tetap tinggi oleh PRZ.
  4. Batang kendali yang  mengatur berlangsungnya reaksi fisi terletak di bagian atas bejana reaktor.

Gambar 4. Skema cara kerja reaktor air didih.

Tampak dari Gambar 4 di atas bahwa pada BWR hanya ada satu jenis air pendingin saja. Proses pendidihan terjadi di dalam bejana reaktor, atau dengan kata lain yang bertindak sebagai boiler ya bejana reaktornya itu sendiri. Energi yang dihasilkan dari reaksi fisi akan digunakan secara langsung untuk mendidihkan air dan uap yang dihasilkan dari bejana reaktor akan langsung dialirkan menuju ke turbin.

Ciri khas dari reaktor ini adalah:

  1. Hanya ada satu jenis aliran pendingin.
  2. Proses pendidihan berlangsung di dalam bejana reaktor.
  3. Karena terjadi pendidihan pada sistem pendingin maka tekanan pendingin lebih rendah daripada PLTN jenis PWR.
  4. Karena uap akan mengumpul di bagian atas bejana, maka batang kendali ditempatkan di bagian bawah bejana reaktor.

Mengapa menggunakan air? Dengar-dengar ada reaktor yang menggunakan air berat bahkan menggunakan garam sebagai pendinginnya? Katanya kecelakaan di Fukushima diakibatkan dari ledakan hidrogen yang berasal dari reaksi antara air dengan bahan bakar, berarti bahaya dong kalau pakai air?

Mengapa ada batang kendali? Material yang digunakan apa? Bisa tidak mengendalikan reaktor tanpa batang kendali?

Oke… oke.. mungkin di antara pembaca ada yang bertanya-tanya semacam itu…Bahkan mungkin pertanyaan yang lebih¬†advanced lagi. Tapi kita harus menahan diri dulu. Agar bisa menjawab pertanyaan-pertanyaan lanjutan semacam itu kita harus tahu fondasinya terlebih dahulu. Apa itu nuklir, apa saja material nuklir, bagaimana interaksi antara neutron dengan material, apa yang dimaksud dengan radioaktivitas, dan sebagainya, dan sebagainya. Jadi di artikel-artikel berikutnya kita akan meninjau dasar-dasar ilmu nuklir. Oke? Just stay tuned….


Sekilas tentang siklus bahan bakar nuklir

1 March 2012

Pada artikel sebelum ini, kita telah melihat reaksi fisi terjadi ketika neutron mengenai bahan bakar dan selanjutnya akan dihasilkan produk-produk fisi. Dalam prakteknya bagaimana bahan bakar diolah? Bagaimana bentuknya? Lalu bagaimana nasib produk-produk fisi tersebut? Apakah dibuang? Bisakah produk-produk tersebut dimanfaatkan kembali?

Pada teknologi nuklir, hal-hal yang berkaitan dengan pertanyaan-pertanyaan semacam di atas, dikenal dengan istilah siklus bahan bakar nuklir. Ada tiga bagian pada siklus ini, yaitu bagian depan (front end), bagian pembangkitan daya, dan bagian belakang (back end). Secara sederhana siklus bahan bakar nuklir dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 1 di bawah ini. Dalam artikel ini hanya akan dibahas secara ringkas saja adapun penjelasan yang lebih rinci mengenai tahapan-tahapan yang ada akan dibahas di artikel-artikel selanjutnya.

Gambar 1. Ilustrasi proses siklus bahan bakar nuklir

A. Bagian depan (front end)

1. Penambangan dan milling

Pada tahapan ini, bijih uranium ditambang pada tambang terbuka maupun pada tambang bawah tanah. Contoh dari bijih uranium adalah uranitite dan autunite. Selanjutnya bijih uranium dibawa ke pabrik pengolahan (milling plant) yang biasanya terletak dekat dengan lokasi tambang. Dari pengolahan ini akan diperoleh produk akhir yaitu yellow cake (U3O8).

Gambar 2. Uraninite

Gambar 3. Autunite

Gambar 4. Yellow cake atau (U3O8) yang berupa serbuk

2. Konversi

Pada tahapan ini serbuk yellow cake akan diubah menjadi uranium heksafluorida (UF6), atau yang dalam istilah nuklir sering kali disebut dengan “hex”. Hex pada tahapan ini berbentuk gas, dan selanjutnya disimpan di dalam tabung untuk diproses pada tahapan berikutnya.

Gambar 5. Tabung berisi UF6 yang siap untuk diangkut.

3. Pengkayaan

Sampai pada tahapan ini, uranium yang berbentuk UF6 merupakan uranium alami. Artinya kandungan uranium terdiri dari 99,3% uranium-238 (U-238) dan 0,7% uranium-235 (U-235). Agar bisa dimanfaatkan di sebagian besar reaktor nuklir, kandungan U-235 harus dinaikkan menjadi 3,5% – 5%. Proses untuk menaikkan kandungan U-235 ini dikenal dengan nama pengkayaan atau enrichment. Oleh karenanya pabrik yang melakukan kegiatan pengkayaan ini disebut dengan pabrik pengkayaan atau enrichment plant. Produk akhir pabrik pengkayaan yaitu uranium yang diperkaya (enriched uranium), sementara produk sisanya adalah uranium yang dipermiskin (depleted uranium) yaitu uranium yang mempunyai kandungan U-235 kurang dari 0,7% (biasanya sekitar 0,2 – 0,3%).

Saat ini ada dua cara untuk melakukan pengkayaan uranium dalam skala besar, yaitu (1) metode difusi gas dan (2) metode sentrifugasi. Untuk memisahkan isotop U-235 dan U-238, kedua metode ini sama-sama memanfaatkan sifat fisis dari kedua isotop tersebut, yang mana beda massa antara U-235 dan U-238 sekitar 1%.

Gambar 6. Tabung difusi pada pabrik pengkayaan metode difusi gas

Gambar 7. Tabung sentrifugal pada pabrik pengkayaan dengan metode sentrifugasi

4. Fabrikasi

Setelah dilakukan pengkayaan, UF6 kemudian diproses secara kimia agar dihasilkan serbuk uranium dioksida (UO2). Serbuk ini kemudian dipres menjadi pelet, dilakukan proses sintering (dibakar pada suhu tinggi di atas 1400¬įC) sehingga berbentuk keramik. Selanjutnya pelet dimasukkan ke dalam tabung¬† yang terbuat dari paduan logam Zircaloy membentuk batang bahan bakar (fuel pin). Selanjutnya batang bahan bakar disusun untuk menghasilkan perangkat bahan bakar¬† (fuel assembly). Ukuran dari pelet, batang bahan bakar maupun perangkat bahan bakar tergantung dari masing-masing reaktor yang akan menggunakannya. Biasanya pada satu perangkat bahan bakar, terdapat sekitar 264 batang bahan bakar, dengan tinggi sekitar 3 m dan panjang sisi sekitar 12 – 24 cm.

Gambar 8. Pelet bahan bakar uranium dioksida

Gambar 9. Batang bahan bakar di mana pelet uranium dioksida dimasukkan ke dalamnya.

Gambar 9. Perangkat bahan bakar untuk PLTN tipe PWR.

B. Bagian pembangkitan daya

5. Operasi di dalam reaktor

Perangkat bahan bakar selanjutnya dibawa ke reaktor. Di dalam reaktor ini berlangsung reaksi fisi seperti yang telah kita bahas di artikel sebelumnya. Perangkat bahan bakar ini akan disusun di dalam teras reaktor. Jumlah perangkat bahan bakar yang dipakai tergantung pada besarnya tingkat daya yang dihasilkan reaktor. Untuk PLTN jenis PWR biasanya sekitar 120 sampai 200 perangkat, sementara untuk jenis BWR jumlahnya lebih banyak sekitar 400 sampai 800 perangkat.

Gambar 10. Teras reaktor

Gambar 11. Pengisian perangkat bahan bakar ke dalam teras reaktor.

Reaktor akan dioperasikan sekitar 1 tahun, kemudian dilakukan pengisian ulang perangkat bahan bakar. Hanya 1/3 dari perangkat bahan bakar yang akan diganti dengan yang baru, dan perangkat bahan bakar yang lama akan disusun ulang. Oleh karenanya satu perangkat bahan bakar akan berada di teras sekitar 3 tahun. Hal ini dilakukan agar energi yang dihasilkan di dalam reaktor dapat terdistribusi merata.

Perlu diingat pula bahwa tidak semua uranium yang ada di perangkat bahan bakar akan habis dipakai dalam waktu 3 tahun. Perangkat bahan bakar yang sudah dipakai disebut dengan istilah bahan bakar bekas atau spent fuel. Pada bahan bakar bekas masih terdapat sekitar 1% U-235 yang tidak terkonsumsi, 94% U-238, sekitar 1% plutonium dan 4% produk fisi.

6. Penyimpanan bahan bakar bekas

Pada reaksi fisi akan dihasilkan produk-produk fisi yang sifatnya radioaktif, oleh karenanya setelah keluar dari reaktor, perangkat bahan bakar harus didinginkan terlebih dahulu. Untuk itu perangkat bahan bakar akan dimasukkan ke dalam kolam bahan bakar bekas (spent fuel pool) selama beberapa tahun. Selanjutnya bahan bakar akan dipindahkan ke tempat penyimpanan kering (dry cask storage). Baik kolam bahan bakar bekas maupun tempat penyimpanan kering, keduanya masih berada di lokasi sekitar reaktor.

Gambar 12. Kolam penyimpanan bahan bakar bekas

Gambar 13. Ilustrasi tabung penyimpan kering untuk bahan bakar bekas

Gambar 14. Tabung penyimpan kering bahan bakar bekas

C. Bagian belakang (back end)

7. Pengolahan ulang

Telah disebutkan di atas bahwa bahan bakar bekas akan mengandung 94% U-238, 1% U-235, 1% plutonium dan 4% produk fisi. Untuk mengolah bahan bakar bekas, tabung penyimpan kering akan dibawa ke pabrik pengolah ulang (reprocessing plant).

Di pabrik ini bahan bakar bekas akan dipisahkan menjadi tiga kategori, yaitu uranium, plutonium dan limbah yang mengandung produk fisi. Uranium yang masih mengandung U-235 lebih tinggi daripada uranium alami kemudian akan dilakukan konversi dan dikirim ke pabrik pengkayaan. Dengan kata lain uranium akan didaur ulang kembali ke tahapan 2 dan 3. Plutonium dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Oleh karena itu plutonium dari pabrik pengolah ulang akan dikirim ke fasilitas fabrikasi agar dibuat pelet plutonium dioksida (PuO2) dan bersama-sama dengan pelet UO2 akan dijadikan sebagai bahan bakar MOX (Mixed OXide) untuk reaktor yang menggunakannya. Bagaimana dengan limbahnya?

8. Pengolahan limbah

Limbah yang telah dipisahkan di pabrik pengolahan ulang akan dioleh tersendiri. Agar bisa disimpan untuk jangka panjang, limbah perlu distabilkan terlebih dahulu dalam bentuk atau struktur yang tidak akan bereaksi maupun berkurang kekuatannya. Ada beberapa cara untuk melakukannya, antara lain dengan melakukan vitrifikasi yaitu dengan mengubahnya material limbah menjadi gelas Pyrex dan disimpan di dalam tabung baja tahan karat. Gelas yang terbentuk sangat tahan terhadap air.

Cara yang lain adalah dengan menggunakan metode Synroc atau Syntethic Rock. Pada metode ini, limbah nuklir dicampur dengan tiga buah mineral yaitu hollandite (BaAl2Ti6O16), zirconolite (CaZrTi2O7) dan perovskite (CaTiO3). Selanjutnya dengan memberikan tekanan pada suhu yang tinggi, campuran tersebut akan membentuk struktur yang padat dan keras seperti batu cadas.

Gambar 15. Lelehan gelas yang mengandung limbah radioaktif.

Gambar 16. Wadah atau kontainer limbah yang sudah divitrifikasi.

Gambar 17. Sampel  Synroc

9. Penyimpanan lestari

Kontainer limbah maupun synroc selanjutnya akan diletakkan di tempat penyimpanan lestari (final waste repository). Lokasi ini dipilih di kawasan yang stabil secara geologis dan berada di bawah tanah, biasanya pada kedalaman lebih dari 500 m di bawah permukaan. Tujuan utamanya adalah untuk mengisolasi limbah nuklir (yang sudah diolah tentu saja) dari jangkauan khalayak ramai.

Gambar 18. Sketsa penyimpanan limbah lestari di Söderviken, Swedia

Catatan tambahan:

  1. Penjelasan mengenai siklus bahan bakar di atas berlaku untuk PLTN bertipe LWR (Light Water Reactors) yang saat ini penggunaannya mendominasi di dunia. Untuk tipe reaktor yang lain seperti CANDU (CANadian Deuterium Uranium) karena menggunakan bahan bakar berupa uranium alami tidak memerlukan tahapan pengkayaan.
  2. Setiap negara mempunyai kebijakan masing-masing terkait dengan pengolahan limbah radioaktif. Penjelasan di atas berlaku untuk negara yang mengadopsi kebijakan siklus tertutup. Apabila yang diadopsi adalah kebijakan siklus terbuka, maka tidak ada tahapan pengolahan ulang untuk mendaur ulang uranium dari bahan bakar bekas. Dengan demikian bahan bakar bekas akan disimpan sementara di sekitar lokasi reaktor, kemudian dikirim ke lokasi penyimpanan lestari.

Apa yang dimaksud dengan reaksi fisi?

23 February 2012

Reaktor nuklir pada dasarnya adalah tempat terjadinya reaksi nuklir. Ada dua jenis reaksi nuklir yang terkait, yaitu reaksi fisi atau pembelahan inti atom dan reaksi fusi atau penggabungan inti atom. Kali ini kita akan membahas tentang reaksi fisi.

Untuk menghasilkan reaksi fisi, kita harus mempunyai material yang dapat membelah. Kita sebut material ini sebagai bahan bakar. Selanjutnya agar dapat membelah, harus ada pemicunya, yang dalam hal ini adalah neutron. Secara umum reaksi fisi dapat kita tuliskan seperti ini

X + n \rightarrow Y_1 + Y_2 + (2 - 3) n + \bar{\nu} + E

Di formulasi di atas, X adalah material bahan bakar, n adalah neutron yang menyebabkan terjadinya reaksi fisi, Y_1 dan Y_2 adalah material yang dihasilkan dari reaksi fisi, atau dikenal dengan istilah produk fisi, \bar{\nu} adalah anti-neutrino dan E adalah energi yang dihasilkan dari reaksi fisi.

Reaksi fisi dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 1 di bawah ini:

Gambar 1. Ilustrasi proses reaksi fisi

Dalam gambar tersebut tampak neutron mengenai bahan bakar uranium-235 atau U-235 dan menghasilkan satu produk antara yaitu U-236 yang sifatnya tidak stabil dan kemudian akan membelah menjadi dua buah produk fisi, yaitu kripton-92 (Kr-92) dan barium-141 (Ba-141) serta 3 buah neutron baru. Di samping itu akan muncul pula energi yang sebagian besar berupa energi kinetik dari produk-produk fisi.

Karena dalam reaksi ini muncul neutron-neutron baru, tentunya akan ada pertanyaan, bisakah neutron tersebut menumbuk material U-235 yang lain?¬† Jawabannya adalah sangat bisa… Ini yang disebut dengan reaksi berantai. Kalau digambarkan kira-kira seperti pada Gambar 2 di bawah ini:

Gambar 2. Ilustrasi reaksi berantai

Jadi semakin lama semakin banyak U-235 yang mengalami reaksi fisi. Kalau misalkan saja setiap reaksi fisi menghasilkan 3 neutron baru, dan 3 neutron tersebut menumbuk U-235 yang lain dan seterusnya, maka bisa dihitung secara sederhana akan ada peningkatan jumlah reaksi fisi sesuai dengan deret geometris: 1, 3, 9, 27, 81, 243, 729, 2187, 6561, 19683, 59049, dan seterusnya. Karena setiap terjadi reaksi fisi akan dibangkitkan energi, maka energi tersebut juga akan meningkat sesuai dengan deret geometris tadi.

Ingin tahu seberapa cepat reaksi fisi berlangsung? Mari kita melihat kembali Gambar 1. Waktu yang diperlukan antara kejadian ketika neutron menumbuk U-235 sampai dengan terbentuknya produk antara U-236 adalah 10-14 detik!! Dari terbentuknya produk antara sampai terjadi pembelahan dan dihasilkan produk fisi memerlukan waktu 10-20 detik. Dari terbentuknya produk fisi sampai muncul neutron baru memerlukan waktu 10-17detik, dan dari munculnya neutron baru sampai menumbuk inti  atom U-235 yang lain perlu waktu sekitar 10-7detik, dan selanjutnya waktu yang diperlukan oleh produk-produk fisi untuk menumbuk atom lain di sekitarnya sehingga akan mentransfer energi kinetik yang dipunyainya menjadi energi termal adalah sekitar 10-12 detik. Jadi bisa dilihat di sini bahwa reaksi fisi berlangsung sangat sangat sangat cepat. Karena waktu terlama adalah 10-7detik, maka ini yang menentukan kecepatan reaksi. Maksudnya bagaimana? Setiap 10-7detik energi dari reaksi fisi akan meningkat 3 kali lipat, dan dalam waktu satu milidetik energi yang dihasilkan sudah besar sekali. Fenomena semacam ini dikenal dengan istilah reaksi berantai tak terkendali atau uncontrolled chain reaction, yang merupakan dasar dari prinsip kerja bom atom atau bom nuklir.

Lalu apakah bisa reaksi fisi dikendalikan? Tentu saja bisa, kalau tidak bisa tentunya tidak bakalan ada 400-an lebih PLTN yang saat ini beroperasi di dunia. Bagaimana caranya?

Cara yang pertama adalah dengan mengendalikan jumlah neutron yang menumbuk inti bahan bakar. Jika tadi dimisalkan ada 3 neutron baru yang dihasilkan per reaksi fisi, jika seandainya kita dapat menangkap 2 neutron baru tersebut sehingga tidak menumbuk inti U-235 yang lain dan membiarkan hanya 1 neutron baru yang menumbuk inti U-235, maka kita akan mendapatkan populasi neutron yang konstan setiap saat: 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, dst. Dengan demikian energi yang dihasilkan juga akan konstan. Hal ini akan ada kaitannya dengan proses penyerapan neutron dan penggunaan batang kendali.

Cara yang kedua adalah dengan memperlambat reaksi. Di atas sudah disebutkan bahwa rentang waktu antara neutron dilahirkan sampai dengan menumbuk inti atom U-235 akan menentukan kecepatan reaksi. Jika kita bisa memperpanjang rentang waktu tersebut, maka proses reaksi fisi bisa berlangsung lebih lambat dan pertambahan energi yang dibangkitkan menjadi tidak drastis. Ini nanti yang akan terkait dengan konsep moderasi neutron.

Selain dua cara di atas, masih ada lagi fenomena-fenomena lain yang akan membantu dalam pengendalikan reaksi fisi. Misalnya saja seperti yang pernah saya sampaikan di artikel terdahulu, Tuhan telah mengajari kita dengan bagaimana memanfaatkan fenomena umpan balik reaktivitas negatif, peracunan xenon dan samarium serta neutron kasip untuk mengendalikan reaktor. Apa sebenarnya fenomena-fenomena tersebut dan bagaimana mereka diterapkan dalam sebuah reaktor nuklir? Untuk itu kita perlu belajar tentang ilmu nuklir. Pelan-pelan kita akan membahasnya dalam artikel-artikel mendatang… Just stay tuned…


Pohon evolusi reaktor nuklir

22 February 2012

Banyak orang menyangka bahwa reaktor nuklir itu hanya ada satu jenis saja, tetapi kenyataannya reaktor nuklir telah mengalami evolusi sejak diperkenalkan pertama kalinya di tahun 1942. Semenjak itu banyak reaktor nuklir yang telah dikembangkan, baik itu hanya sebatas desain di atas kertas maupun yang sampai operasional. Banyak pula yang tidak bertahan “hidup”. Ilustrasi di bawah ini menggambarkan evolusi reaktor nuklir.

Penjelasannya kira-kira seperti ini.

Reaktor nuklir dapat dioperasikan menggunakan uranium alami atau uranium diperkaya, akan tetapi penggunaan uranium alami membatasi pemilihan material pendingin hanya pada grafit dan air berat. Penggunaan uranium diperkaya memungkinkan digunakannya hampir semua pilihan bahan pendingin dan moderator. Beberapa kombinasi bahkan cukup beruntung dibandingkan dengan yang lain, misalnya pendingin air sangat sukses karena dia juga berfungsi sebagai moderator yang baik. Reaktor berpendingin air (PWR dan BWR) merupakan reaktor yang jumlahnya paling banyak baik itu di generasi II dan generasi III.

Kombinasi antara moderator grafit dan pendingin gas mengarah kepada reaktor suhu tinggi.

Cabang reaktor cepat masih belum dikembangkan.

Hanya beberapa spesies dari reaktor nuklir yang bertahan. Beberapa cabang telah punah atau sedang menuju kepunahan, misal reaktor NUGG (Natural Uranium-Gas Graphite) karena alasan ekonomis dan RBMK (Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy/High Power Channel Reactor) karena alasan keselamatan. Reaktor Chernobyl merupakan salah satu contoh reaktor tipe RBMK.

Akan tetapi kriteria seleksi bisa berubah, dunia juga berkembang. Spesies yang lain juga muncul. Enam buah konsep dari Generasi IV berada di puncak pohon evolusi. Apakah semuanya akan berkembang juga????

Keterangan singkatan:

  • WPu = reaktor militer penghasil plutonium
  • CANDU = Canadian Deuterium Uranium (reaktor ini menggunakan uranium alami sebagai bahan bakarnya dan yang bertindak sebagai moderator dan pendingin adalah air berat atau D2O.)
  • SGHWR = Steam Generating Heavy Water Reactor (reaktor air berat yang memasok energi panas/kalor ke industri)
  • AGR = Advanced Gas-cooled reactor (reaktor berpendingin gas dengan moderator grafit)
  • (V)HTR = (Very) High Temperature Reactor (reaktor yang beroperasi pada suhu (sangat) tinggi, di atas 800 derajat celcius, cocok untuk memproduksi hidrogen)
  • SCWR = Super Critical Water Reactor (reaktor yang menggunakan pendingin air pada tekanan sangat tinggi, di atas tekanan kritisnya)
  • ADS = Accelerator-Driven System (sistem hibrid/gabungan antara spalasi dengan fisi. Accelerator menghasilkan proton berenergi tinggi yang kemudian akan menumbuk material target. Selanjutnya material target akan mengalami spalasi atau mengeluarkan neutron energi tinggi dengan jumlah yang banyak. Neutron yang dihasilkan ini akan memicu terjadinya reaksi fisi.)
  • F(N)R = Fast (Neutron) Reactor (reaktor yang beroperasi pada rentang spektrum neutron energi tinggi)
  • MSR = Molten Salt Reactor (reaktor yang bahan bakarnya berupa cairan, terbuat dari lelehan garam lithium fluoride dan uranium)
  • GFR = Gas-cooled Fast Reactor (reaktor cepat yang menggunakan gas sebagai pendingin).
  • EPR¬† = European Pressurized Reactor (reaktor tipe PWR jenis baru yang dikembangkan oleh perusahaan Perancis, AREVA).

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: