Cepat atau Lambat ?

Di masa lalu beberapa reaktor pembiak telah dioperasikan, misal reaktor EBR-2 dan SuperPhenix. Bahkan kapal selam Rusia K-27 dan Amerika Serikat USS Wolf juga menggunakan reaktor pembiak untuk membangkitkan tenaganya. Saat ini reaktor pembiak juga sedang digalakkan kembali, terutama yang terkait dengan pengembangan reaktor Generasi IV.

Pada reaktor pembiak, nuklida yang bersifat fertil akan diubah menjadi nuklida fisil. Harapannya adalah berkurangnya bahan bakar akan dikompensasi oleh munculnya nuklida fisil yang baru tersebut. Makanya diberi istilah “pembiak” atau breeder.

Salah satu kriteria yang digunakan dalam reaktor pembiak ini adalah rasio konversi atau conversion ratio yang secara sederhana dapat didefinisikan sebagai:

CR = massa fisil yang diproduksi / massa fisil yang dikonsumsi

Agar dianggap sebagai pembiak, reaktor harus mempunyai CR yang lebih besar atau sama dengan 1. Jika CR = 1 maka kita mendapatkan bahan bakar yang sama banyaknya dengan yang dikonsumsi. Jika CR > 1 maka kita justru mendapatkan lebih banyak bahan bakar baru dibandingkan dengan yang dikonsumsi. Beautiful,isn’t it? Ya, itulah salah satu keindahan teknologi nuklir.. 😀

Mari kita lihat pembentukan nuklida fisil dari nuklida fertil. Yang pertama adalah terbentuknya Pu-239 dari U-238 yang reaksinya dapat dituliskan sebagai berikut:

U^{238} + n \rightarrow U^{239} + \gamma \rightarrow Np^{239} + \beta + \bar{\nu} \rightarrow Pu^{239} + \beta + \bar{\nu}

Yang kedua adalah terbentuknya U-233 dari Th-232, dan reaksinya dapat kita tuliskan seperti ini:

Th^{232} + n \rightarrow Th^{233} + \gamma \rightarrow Pa^{233} + \beta + \bar{\nu} \rightarrow U^{233} + \beta + \bar{\nu}

Dari kedua reaksi tadi kita bisa melihat bahwa untuk menghasilkan satu nuklida fisil, kita perlu satu neutron yang bereaksi dengan nuklida fertil. Akan tetapi reaksi konversi tadi sama sekali tidak menghasilkan neutron. Lalu dari mana neutronnya? Tentu saja jawabannya adalah dari reaksi fisi.

Lalu dari reaksi fisi itu sendiri, kita menginginkan reaktor yang stabil artinya nilai kritikalitas sama dengan satu. Agar syarat kritikalitas ini tercapai maka kita menginginkan hanya satu neutron saja yang menyebabkan fisi.

Lalu apa implikasi dari kedua paragraf di atas?

Agar syarat kritikalitas tercapai DAN nilai CR lebih besar atau sama dengan 1, maka kita perlu minimal 2 neutron fisi per neutron yang diserap oleh nuklida fisil !!! Satu neutron diperlukan agar reaksi fisi tetap berlangsung, satu neutron lagi diperlukan agar terbentuk nuklida fisil yang baru.

Lalu pertanyaan lanjutan yang muncul adalah apakah reaktor harus beroperasi dalam rentang energi neutron cepat ataukah lambat agar CR dapat lebih besar daripada satu?

Banyak mahasiswa di Teknik Nuklir yang melakukan penelitian terkait dengan reaktor pembiak, akan tetapi (mohon maaf…) seringkali mereka kebingungan ketika diberi pertanyaan seperti di atas. Jika seorang desainer reaktor belum mengetahui APA SEBENARNYA yang ingin dicapai, lalu bagaimana mungkin reaktor yang dihasilkan akan memberikan hasil yang optimal???

Mari kita kembali ke dasarnya dulu.

Yang pertama kita lihat adalah neutron yield atau banyaknya neutron yang dihasilkan per reaksi fisi. Dalam ilmu fisika reaktor besaran ini dilambangkan dengan \nu. Gambar di bawah ini menunjukkan fission yield sebagai fungsi dari energi neutron.

Dari gambar tersebut tampak bahwa semakin tinggi energi neutron semakin banyak pula neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi. Selain itu dengan jelas pula bisa kita lihat bahwa Pu-239 menghasilkan neutron fisi lebih banyak daripada U-233 pada energi yang sama.

Jadi bagaimana ini? Bisakah gambar di atas menjawab pertanyaan?

But, wait a minute…. itu kan neutron yield per reaksi fisi padahal syarat tadi di atas disebutkan kita perlu minimal 2 neutron fisi per reaksi serapan.

Oke, mari kita lihat bagaimana sih sebenarnya kemungkinan terjadinya reaksi fisi itu?

Gambar di bawah ini menampilkan besarnya probabilitas terjadinya fisi per reaksi serapan neutron. Kita lambangkan dengan \alpha yang merupakan rasio antara tampang lintang fisi terhadap tampang lintang serapan. Dan juga perlu diingat pula bahwa reaksi serapan itu sendiri terdiri dari reaksi fisi dan reaksi tangkapan radiatif. Oleh karenanya probabilitas fisi bisa kita tuliskan sebagai berikut:

\alpha = \frac{\sigma_f}{\sigma_a} = \frac{\sigma_f}{\sigma_f + \sigma_c}

Sekarang kalau nilai \alpha kita kalikan dengan nilai \nu, apa yang akan kita dapatkan? Kita akan mendapatkan perkalian antara banyaknya neutron  yang dihasilkan per reaksi fisi dengan probabilitas terjadinya reaksi fisi per reaksi serapan. Artinya kita akan mendapatkan banyaknya neutron yang dihasilkan per reaksi serapan. Loh, bukannya ini yang tadi dijadikan syarat? 😉

Jadi kita bisa menentukan nilai neutron yield per reaksi serapan, atau dilambangkan dengan\eta (saya yakin pembaca masih ingat dengan faktor ini pada rumus empat faktor…).

\eta = \nu \times \alpha = \nu \frac{\sigma_f}{\sigma_f + \sigma_c}

dan gambar di bawah ini menampilkan nilai \eta sebagai fungsi dari energi.

 

Kita ulangi lagi, reaktor pembiak memerlukan CR > 1 dan agar itu terjadi maka nilai \eta > 2.

Jadi bagaimana, perlu spektrum neutron cepat atau lambat???

Saya biarkan ini menjadi pertanyaan terbuka. Silakan pembaca memberikan tanggapan dan mendiskusikannya di bagian komentar… 🙂

(Untuk keperluan penulisan artikel ini, tampang lintang diproses menggunakan Janis versi 3.3 dengan data pustaka JEF-3.1. Grafik diolah menggunakan Matlab.)

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s