Reaksi Nuklir
Dalam tahun 1938 Otto Hahn, seorang ahli kimia Jerman, menemukan pemecahan atau fisi nuklir, suatu bentuk reaksi nuklir; beberapa tahun kemudian, yaitu tahun 1942, Enrico Fermi, di University of Chicago, Amerika Serikat.
Produksi pertama dipakai untuk sebuah bom. Pembebasan energi pada reaksi nuklir semula dimanfaatkan untuk keperluan perang berupa bom atom. Sungguh pun demikian penemuan itu sering dianggap sebagai kemajuan teknis terpenting setelah penemuan api. Menurut salah satu definisi, reaksi nuklir adalah berbagai macam
interaksi (interactions) antara partikel-partikel bebas dan inti-inti (nuclei). Dalam salah satu jenis reaksi nuklir yang tercapai antara inti degnan neutron, yang disebut absorpsi neutron, terjadi tubrukan antara sebuah neutron bebas dan suatu inti (nucleus), sehingga neutron bebas tersebut kehilangan kebebasannya, dan diserap, atau diabsorpsi oleh inti itu, Salah satu kemungkinan kejadian akibat absorpsi neutron itu adalah pemecahan atau fisi (fission). Dalam fisi ini, inti pecah menjadi dua atau lebih, dengan melepaskan dua atau tiga neutron bebas, yang terbang dengan kecepatan yang tinggi sekali, sehingga mempunyai energi kinetik yang besar. Dalam suatu reaktor energi ini dilepaskan kepada moderator, yang merupakan bagian dan sumber panas dalam reaktor nuklir. Akan terjadi reaksi berantai bilamana jumlah neutron bebas yang diabsorpsi. Dalam teknologi nuklir bila keadaan ini terjadi maka disebut tercapai criticality, atau knitikalitas.
Reaksi fisi nuklir dapat dirumuskân sebagai berikut:
di mana:
n : neutron U : uranium F1 : fraksi 1 F2 : fraksi 2
E : energi yang dibebaskan
Bilamana inti uranium 235 menyerap sebuah neutron (n), terjadilah suatu transisi inti yaitu uranium -236 yang memasuki keadaan labil atau keadaan eksitasi (diberi tanda bintang*), yang kemudian dapat melepaskan energinya dengan beberapa cara. Tambahan energi yang diperoleh inti U -236 adalah jumlah energi kinetik dan energi ikatan dari neutron yang diserap.
Untuk inti-inti berat dengan angka massa ganjil seperti U -235 energi eksitasi yang berkaitan dengan serapan neutron adalah lebih besar daripada ambang (threshold) atau energi aktivasi untuk pemisahan dua hasil fisi dalam keadaan eksitasi F1* dan F2*
yang sama sejumlah b neutron dan energi sebanyak E dilepaskan. Walaupun memerlukan waktu yang lama, hasil-hasil fisi F akan kehilangan energi eksitasinya dengan memancarkan sinan-sinar beta dan gama dan melepaskan beberapa neutron. Suatu inti yang memancarkan sinar beta akan bertambah angka atomnya (atau muatan intinya) dengan satu unit dan menjadi satu unsur baru.
Jumlah energi yang dibebaskan reaksi nuklir adalah kira-kira sebanyak:
Energi kinetik fraksi fisi F1 dan F2 E1 + E2 = 167 MeV
Energi kinetik neutron En = 5 MeV
Energi sinar gamma berupa foton . . . Eg = 13 MeV Energi sinar beta berupa elektron . . . . Eb = 7 MeV
Jumlah energi per atom U-235 E = 192 MeV.
Dengan demikian, maka per pemecahan atom U-235 dibebaskan energi sejumlah 192 MeV.
Bilamana dibandingkan dengan pembakaran sebuah atom zat arang C dengan atom zat asam 02 yang menghasilkan energi sebanyak kira-kira 4eV, kiranya massa relatif zat arang (C- 12) dan nuklir (U-235) untuk bahan bakar yang diperlukan bagi produksi energi setara akan lebih-kurang mempunyai perbandingan:
Dengan demikian maka 2,45 ton zat arang adalah setara dengan 1 gram bahan bakan nuklir untuk menghasilkan jumlah energi yang sama. Angka itu berlaku untuk zat-zat yang murni. Untuk bahan bakar dalam keadaan yang sebenarnya berlaku angka--angka praktek yang lebih rendah, yaitu 1 10.000 bagi batu bara dan 1: 7.000 bagi minyak bumi. Walaupun demikian angka-angka ini masih sangat tinggi, sehingga hal ini merupakan salah satu kelebihan tenaga nuklir, bahwa banyak energi tersimpan dalam jumlah berat yang kecil. Dipandang dari sudut angkutan dan penyimpanan hal ini merupakan suatu keunggulan, sebab memungkinkan untuk melakukan pembangkitan listrik secara besar-besaran tanpa persoalan angkutan.
Terjadinya reaksi nuklir secara visual terlukis dalam Gambar 4.1.Pada taraf a, sebuah neutron bebas, yang berjalan secara“biasa” atau “lambat”, bertubrukan dengan inti uranium U-235. Neutron ini diserap oleh U-235, yang menjelma menjadi U-236,
sebagaimana tampak pada taraf b Gambar 4.1. Inti uranium-236, mengalanii eksitasi. Inti ini kemudian pecah menjadi dua jenis atom lam yang lebih ringan, yang dinamakan hasil fisi, atau pemecahan, atau hash pemecahan, sebagaimana terlihat pada -taraf c Gamban 4.1. Pecahan itu sering berupa iodine atau perak.
Gambar 4.1. Skema Terjadinya Reaksi Nuklir dengan Fisi.
Bersamaan dengan pemecahan itu, terjadi dua hal; Hal pertama, terjadi radiasi beberapa jenis sinar, seperti sinar alpha, betha dan gamma. Radiasi ini pada umumnya berbahaya untuk kesehatan. Hal kedua, ada dua atau tiga neutron terlempar keluar dengan kecepatan yang besan, yang menimbulkan panas.
Pada asasnya yang terjadi dalam proses pemecahan inti Uranium-235 adalah inti itu pecah menjadi dna atom lain yang lebih ringan, sedangkan energi pengikat atom semula dibebaskan. Dan energi yang dibebaskan itu berbentuk energi kinetik dan dua atau tiga neutron cepat yang dilempar keluar dan radiasi beberapa jenis sinar dan panas.
Oleh karena itu menjadi penting adalah ~bagaimana “menangkap” energi yang dibebaskan tersebut di atas. Hal ini dilakukan dengan melepaskan neutron-neutron cepat itu ke dalam suatu zat yang dinamakan “moderator”. Moderator itu mempenlambat kecepatan neutron-neutron cepat itu. Atau dengan perkataan lain, moderator itu mengerem kecepatan neutron-neutron itu. Energi kinetik neutron itu diubah oleh moderator menjadi panas: suhu moderator naik. Bilamana neutron cepat, yang kini
uranium235, sebagaimana terlukis pada fase e, maka terulanglah serapan neutron oleh U-235 yang menjadi U-236, yang kemudian menyebabkan terjadmya lagi proses pemecahan. Knitikalitas sebagaimana telah disebut di atas tercapai, bilamana reaksi ini telah mencapai taraf berupa reaksi berantai. Perlu dicatat bahwa dapat terjadi, neutron lambat itu bertubrukan dengan inti uranium-238. Uranium238 tidak fisil, akan tetapi akan menyerap neutron itu sehingga terjadi U-239, dan yang kemudian menjeLma menjadi plutonium
239. Bila dilcatakan U-235 itu fisil, maka U-238 dinamakan fertil atau subur.
Sebagaimana telah dikemukakan terdahulu, diperlukan suatu bahan, yang dinaniakan moderator, untuk menyerap semua energi yang dikembangkan, dan untuk memperlambat jalannya neutron cepat yang dihasilkan oleh proses pemecahan. Reaktor-reaktor yang pertama dibuat menggunakan grafit sebagai moderator. Bahanbaban lain yang dipakai kemudian adalah air biasa (H20) dan air berat (D20).
Bahan yang dipakai sebagai moderator harus memenuhi syarat agar jangan menyerap terlampau banyak neutron, karena neutron diperlukan untuk bertubrukan seterusnya supaya reaksi berantai dapat terpelihara. Salah satu karakteristik suatu material sebag~i moderator disebut “rasio moderator” yang untuk air biasa adalah 60, untuk grafit sekitar 220 dan untuk air berat 1700. Lebih tinggi rasio moderator, lebih baik sifat-sifatnya.
PLTN US
Chornobyl
Bahan Bakar Nuklir
Penggunaan tenaga nuklir memerlukan isotop-isotop fisil, terutama uranium-235 yang fisil. Kiranya eksplorasi dan~ penambangan mineral uranium merupakan langkah pertama ke arah pembuatan bahan bakar nuklir. Besar cadangan yang dapat diman-faatkan akan tergantung danipada harga pasaran dunia bahan bakar in Kiranya jelas bahwa harga bahan bakar nuklir berkaitan erat dengan harga bahan bakar lainnya, seperti misalnya minyak bumi. Selain danipada itu, harga bahan bakar nuklir akan juga tergantung pada penerimaan masyarakat terhadap penggunaan energi nuklir pada umumnya, dan yang kini telah menjadi persoalan politis.
Dalam Tabel 2.15 tercantum angka-angka mengenai cadangan teragakan dan cadangan terduga, sebagai ketergantungan dan harga bahan bakar nuklir di pasaran dunia.
Uranium dijual di pasaran dunia berupa konsentrat dengan suatu komposisi kimia tertentu dengan nama Yellou Cake; ia merupakan suatu campuran dan amonia, sodium dan manganese, sedangkan harganya ditentukan isi uraniumnya, yang dihitung per pound U308. Pada asasnya, Yellow Cake merupakan suatu produk, berisi uranium alam dengan komposisi isotope sebagaimana ditemukan dalam alam, dan biasanya berisi uranium dengan kadar 0,7%. Untuk penggunaan sebagai bahan bakar nuklir dan reaktor air biasa, kadan uranium ini masih harus ditingkatkan dan 0,7% menjadi antara 2 dan 3%. Untuk penggunaan dalam reaktor air~ berat, bahan bakar ini tidak perlu diperkaya, karena kadar 0,7% uranium sudah meneukupi.
Tabel 2.15. Cadangan Sebagai Fungsi Harga Bahan Bakar Nuklir
Harga U308 (US$ per pound)
Cadangan Teragakan (Ribu Ton) Cadangan Terduga (Ribu Ton) Sampai10 765 470 Sampai 15 1.375 775 Sampai 30 1.760 1.740 Sampai 130 2.192 2.176
Sumber: Energy Technology Handbook, McGraw-Hill Book Coy, New York.
Sebagaimana telah dijelaskan, untuk penggunaan dalam reaktor air biasa, bahan bakar uranium masih perlu diperkaya, ditingkatkan kadar uranium sampai meneapai taraf antara 2 dan 3%. Ada beberapa proses pengkayaan uranium yang dikenal pada masa mi. Proses-proses itu umumnya dilandaskan pada fakta, bahwa uranium dengan angka atom yang tinggi, merupakan salah satu unsur terberat yang dikenal. Pada proses difusi, yang kini dipakai secara besan-besaran di USA dan USSR, pada asasnya atom-atom “disaring” sehingga unsur-unsur yang mempunyai perbedaan berat terpisah.
Hal ini juga terjadi pada sistem nozzle yang dikembangkan oleh Jerman Barat dan sistem sentrifugal yang dikembangkan di negeri Belanda. Prancis pada saat ini sedang mengembangkan suatu proses keempat, yang berlandaskan suatu reaksi kimia.
Untuk dapat memperkaya bahan bakar uranium, bentuknya yang seperti roti atau kue, harus diubah menjadi berupa gas. Salah satu jenis gas yang memenuhi syarat, adalah gas UF6. Karenanya, sebelum diperkaya, U308 perlu dikonversi menjadi UF6. Setelab diperkaya, bahan bakar nuklir ini perlu diberi bentuk yang cocok untuk dipakai
dalam reaktor nuklir, yaitu berbentuk tablet atau pelet. Oleh karena itu gas UF6 diubah menjadi U02’yang berbentuk bubuk atau powder, dan yang kemudian dicetak dalam bentuk tablet atau pelet, yang diisikan dalam elemen-elemen bahan bakan nuklir, berupa tabung-tabung. Bahan bakar nuklir kini telah siap untuk dipakai dalam pusat listrik tenaga nuklir. Sekedar untuk mendapatkan gambaran, sebuah PLTN dengan daya terpa-sang 600 MW PWR akan memerlukan bahan bakar U02 sebanyak 30 ton setahun, yang berasal dad 130.000 ton bahan penambangan (uranium ore) dengan kemurnian 0,1%.
Bahan bakan yang telah dipakai didinginkan dulu, selama beberapa waktu, dalam sebuah kolam pendingin, dan kemudian diangkut ke pabrik proses ulang. Pabrik proses ulang menghasilkan tiga produk. Pertama adalab uranium yang masih dapat diman-faatkan biasanya dalam bentuk UNH yang masih perlu diubah menjadi UF6, agar kemudian dapat dibawa ke pabrik pengkayaan. Hasil kedua adalah plutonium, yang juga dapat dimanfaatkan, dan “produk” ketiga adalah bahan buangan yang harus “dibuang”. Kanena bahan buangan nuklir ini masih sangat radioaktif, dan masih sangat berbahaya, penyimpanannya dilakukan dengan menanamnya dalam tanah, yang mempunyai sifat dapat bertindak sebagai perisai lagi pula tidak mengandung air tanah. Salah satu tempat yang dipakai untuk keperluan ini di Jerman Barat adalah suatu tambang garam yang tidak dipakai lagi terletak di kota kecil Assen, sebelah timur Hannover, berdekatan dengan perbatasan Jerman Timur. Bekas tambang ini diperkirakan cukup untuk 25 tahun, kira-kira sampai tahun 2000. Sedang dipersiapkan suatu tempat lain yang serupa untuk menyimpan bahan bakar nuklir buangan pada taraf selanjutnya. Diakui, bahwa cara penyimpanan ini, walaupun sudah dianggap baik, masih bersifat sementara. Diperkirakan, bahwa di waktu yang akan datang, bahan buangan liii akan dimasukkan dalam suatu kapsul, yang kemudian “ditembakkan” ke dalam ruang angkasa. Secara ideal adalah, bilamana bahan buangan itu dapat didaratkan di matahari, akan tetapi hal liii dipandang terlampau mahal. Atau diorbitkan di ruang angkasa yang cukup jauh dan bumi, mengelilingi sebuah planet lain. Kiranya masalah bahan buangan ini masib merupakan persoalan. Gambar 4.3 memperlihatkan apa yang dinamakan Sildus Bahan Hakar Nuklir (Nuclear Fuel Cycle), mulai dan penambangan, pemanfaatan, sampai dengan penyimpanan akhir.
Pasaran pengkayaan juga masih merupakan persoalan yang cukup berat. Secara praktis, di waktu lalu USA memegang monopoli dalam jasa-jasa pengkayaan. Beberapa
kemudian juga menyusul antaranya dan Perancis, Spanyol dan Iran (Eurodif) dan dan Jerman Barat, Inggris dan Belanda (Urenco). Pada saat ini masih dirasakan adanya ketergantungan politis yang berat terhadap negara-negara besar dalam bidang pengkayaan. Diharapkan ketergantungan ini akan berkurang bilamana proses-proses pengkayaan lainnya dengan nozzle, sentrifugal, dan cara kimia telah mencapai kematangan penuh secara ekonomis.
Catatan: Sebuah PLTN 600 MW jenis PWR akan memerlukan bahan bakar U02 sebanyak 30 ton pertahun, yang berasal dan baha~’ penambangan sebanyak 130.000 ton uranium (uranium ore) dengan kemurnian 0,1%
Gambar 4.3. Siklus Bahan Bakan Nuklir.
Kemampuan pabrik-pabrik untuk proses ulang bahan bakar yang telah dipakai, juga masih jauh daripada mencukupi. Walaupun berbagai pabrik untuk proses ulang ini telah dibangun: di Perancis (La Hague) dengan kemampuan 800 ton setabun, di Inggrins (Windscale) dengan kemampuan 1200 ton setahun, dan di Jerman (Kewa) dengan kemampuan 1500 ton setahun, namun jumlah bahan bakar terpakai yang setiap tahun memerlukan reprosesing, jauh melampaui kapasitas pabrik yang ada.
Tiap PLTN harus mempunyai suatu rencana pengungsian. Bilamana terjadi sesuatu hal yang tidak diinginkan, misalnya terjadi sesuatu bencana nuklir yang dapat membahayakan penduduk Sekitamya, maka sudah harus tersedia suatu rencana pengungsian, yang mempakan pola bagi pemerintah daerah untuk mengambil tindakan-tindakan. Pula harus tersedia, suatu unit, suatu task force, lengkap dengan peralatan,
untuk setelah terjadinya rencana itu, datang memberi bantuan untuk mengurangi atau men~batasi bahaya-bahaya yang terjadi karena bencana nuklir itu.
Di Jerman Barat hal ini dilakukan dengan membentuk suatu Tim Penolong, yang dipusatkan pada Pusat Penelitian Nuklir di Karlsruhe secara tetap. Tim di Karlsruhe itu, yang terdiri atas regu-regu terlatih baik lengkap dengan peralatan, diperuntukkan membantu seluruh Jerman Barat.
Bersamaan dengan penggunaan PLTN, perlu dibuat juga rencana penutupan atau pengakhirannya - kelak. Hal ini diperlukan bukan saja karena sebuah PLTN merupakan bangunan yang besar dengan dinding-dinding yang sangat tebal akan tetapi terutama karena di dalam PLTN itu terdapat banyak bagian-bagian dan alat-alat yang juga pada akhir masa pemakaiannya masih mengandung kegiatan-kegiatan radioaktif yang besar. Di antara sebabsebab pengakhiran pemakaian PLTN dapat disebut:
• Telah mencapai akhir pemakaian secara teknis, ataupun secara ekonomis;
• Telah mencapai akhir pemakaian secara fungsional misalnya untuk reaktor-reaktor percobaan atau prototipe;
• Terjadinya suatu kerusakan yang besar, yang akan memerlukan biaya yang terlampau tinggi untuk perbaikan.
Pengalaman hingga kini masih terbatas pada pengakhiran beberapa PLTN ukuran kecil saja, dengan masa pemakaian yang agak singkat. Pada pengakhiran pemakaian, perlu dicatat sisa radio aktivitas yang ada (inventory).
Cara-cara pengakhiran pemakaian suatu PLTN terdiri atas:
• Penutupan secara aman. Bagian-bagian radioaktif yang ditaruh dalam mangan-ruangan tertentu dalam bangunan PLTN, kemudian ditutup darn dijaga.
• Pembongkaran sebagian beserta penutupan secara aman dan bagian-bagian yang tidak dibongkar.
• Pembongkaran secara keseluruhan. Dalam hal ini bagian-bagian yang mengandung bahan bakar radioaktif disimpan di tempat lain yang aman.
Perkembangan PLTN
Dalam tahun 1955 di seluruh dunia hanya terdapat dua buah PLTN dengan daya terpasang total 7,8 MWe, di dna negara. Sepuluh tahun kemudian, dalam tahun 1965, jumlah ini menjadi 66 buah PLTN dengan daya terpasang keseluruhan 7.000 MWe, di 9
dalam 25 negara, dengan daya terpasang 142.000 MWe. Sedangkan dalam tahun 1991 angka-angka di atas menjadi 420 PLTN di 28 negara mengoperasikan daya terpasang total 326,6 ribu MWe. Sedangkan pada tahun 1991 itu sejumlah 76 satuan dengan daya terpasang sebesar 62 nbu MW berada dalam taraf pembangunan. Angka-angka di atas terlihat pada Tabel 2.16
Tabel 2.16. Perkembangan Daya Terpasang PLTN 1955—1991
Keterangan 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1988 1991
Daya Terpasang (Ribu MWe) 0,008 0,13 7 20 76 142 311 327
Jumlah PLTN 2 24 66 98 200 249 410 420
Jumlah Negara 2 5 9 14 19 25 32 34
Sumber: IAEA Bulletin, Quarterly Journal of the International Atomic Energy Agency,Vienna, Berbagai
edisi.
Pada tahun 1991 Perancis membangkitkan hampir 73 persen dan energi listriknya dan tenaga nuklir, yang tertinggi di dunia, disusul dengan 59,3 persen oleh Belgia. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 4.5. Selanjutnya dapat juga dibaca bahwa di ~ 1 negara pangsa energi nuklir adalah lebih dan 25 persen seluruh pembangkitan tenaga listrik.
Produksi uranium terdapat di sejumlah negara yang relatif terbatas. Australia, Kanada dan Amenika Serikat termasuk negara-negara yang memiliki deposit uranium yang agak besar.
Pada saat ini Indonesia memiliki tiga buah reaktor nuklir penelitian, sebuah di Bandung dengan daya 100 kW, sebuah lagi di Yogyakarta dengan daya terpasang 91 kW, sedangkan sebuah reaktor uji bahan (material tes reaktor) yang cukup besar terpasang di Serpong, Jawa Barat, dekat Tangerang, dengan daya 30 MW termal.
Diperkirakan babwa pada dekade pertama Abad ke-21 Indonesia akan memiliki PLTN komersial pertama dengan daya terpasang 600 MW elektrik, yang kemungkinan besar akan terletak di dekat Gunung Muria, Jawa Tengah.
Eksplorasi mineral radioaktif mendapat prioritas yang tinggi di Indonesia. Beberapa survei dilaksanakan di daerah-daerah Kalimantan, Lampung, Sumatera Barat, dan Irian Jaya untuk memperoleh indikasi terjadinya anomali radioaktif.