Reaksi Fisi

Reaksi Inti

6.2 Reaksi Fisi

6.2.1 Mengapa reaksi fisi?

Reaksi fisi nuklir (nuclear fision reaction) atau dikenal sebagai reaksi fisi adalah pembelahan inti berat menjadi dua buah inti yang lebih ringan. Pembelahan ini menghasilkan energi yang besarnya dapat dinyatakan sebagai fungsi fraksi energi ikat inti, f , sebagai berikut

Q = (m_reaktan− Σm_produk) × c² = −B_reaktan+ ΣB_produk

= −A_reaktanf_reaktan+ Σ (A_produkf_produk) . (6.19)

Mengingat inti produk biasanya memiliki nomor massa A yang hampir sama, maka fraksi energi ikat produknya juga tidak berbeda jauh sehingga dapat dipakai pendekatan

ΣAprodukfproduk ≈ ¯fprodukΣAproduk = Areaktan_f¯_produk,

di mana ¯f_produk adalah nilai rata-rata dari fraksi energi ikat produk. Dengan demikian, Persamaan (6.19) dapat didekati sebagai

Q = A_reaktan f^¯_produk− f_reaktan
,

yang menunjukkan bahwa reaksi fisi akan menghasilkan energi jika ¯

fproduk > freaktan.⁶ Ini berarti bahwa reaksi fisi terjadi pada in-ti dengan nomor massa A_reaktan yang besar, dan menghasilkan inti

6Secara umum selisih antara fproduk dan freaktan adalah 0,9 MeV. Karena untuk uranium A = 235, maka energi yang dilepaskan pada reaksi fisi adalah sekitar 210 MeV.

baru dengan A_produk yang lebih kecil, tetapi tidak akan lebih kecil dari inti dengan f terbesar, yaitu Fe-56. Dapat disimpulkan bahwa 56 < A_produk < A_reaktan.

Contoh : Menghitung energi reaksi fisi

Misalkan U-236 membelah menjadi 2 inti yang sama besar. Hitunglah energi yang dilepaskan dengan menggunakan pendekatan massa dan pendekatan energi ikat

Penyelesaian

Reaksi pembelahan U-236 menjadi 2 inti sama besar dapat ditulis sebagai

236

92 U → 2¹¹⁸₄₆ Pd + Q. Nilai Q dapat dihitung sebagai berikut

• Dengan pendekatan massa

Q = (m_U−236− 2m_Pd−118) × c² = (M_U−236− 2M_Pd−118) × c²

= (236, 045568 − 2 × 117, 91898) u × 931, 5 Mev/u = 193, 38 MeV

• Dengan pendekatan energi ikat (koefisien Ferbel)

Q = 2 × B_{P d−119}− B_{U −238}

= 2 × 118 × fP d−118− 236 × f_{U −236} = 2 × 118 × 8, 21 − 236 × 7, 41 = 189, 88 MeV

Lalu, mengapa terjadi perbedaan energi ikat yang begitu besar antara produk dan reaktan? Menurut model SEMF, energi ikat inti terdistri-busi atas komponen-komponennya (lihat Pers. (2.3)). Jika suatu inti berat membelah menjadi 2 inti yang lebih ringan yang besarnya sama, maka energi yang dilepaskan, jika kita hitung sampai suku asimetris,

adalah

Q = 2 × Bp− B_r

= (2Bv,p− B_v,r) − (2 × Bs,p− B_s,r) − (2 × Bc,p− B_c,r) − (2 × B_a,p− B_a,r)

Pada persamaan terkahir, indeks p dan r masing-masing untuk pro-duk dan reaktan.

Contoh : Menghitung komponen energi reaksi fisi

Misalkan U-236 membelah menjadi 2 inti yang sama besar. Hitunglah (i) perubahan komponen energi volume, (ii) perubahan komponen energi permukaan, (iii) perubahan komponen energi Coulumb, serta (iv) perubahan komponen energi asimetri.

Penyelesaian

Reaksi pembelahan U-236 menjadi 2 inti sama besar adalah reaksi

236

92 U → 2¹¹⁸₄₆ Pd. Perubahan komponen energinya adalah

• Perubahan komponen energi volume

∆Bv = 2 × Bv−P d−118− B_{v−U −236} = 2 × [avA]_{P d−118}− [a_vA]_{U −236} = av× [2 × 118 − 236]

= 0 MeV

• Perubahan komponen energi permukaan

∆Bs = 2 × Bs−P d−118− B_{s−U −236} = 2 × h a_SA^2/3 i P d−118−^ha_SA^2/3 i U −236 = 17, 86 ×^h2 × 118^2/3− 2362/3ⁱ = 177, 28 MeV

• Perubahan komponen energi Coulumb ∆Bc = 2 × Bc−P d−118− B_{c−U −236} = 2 ×  a_c^{Z (Z − 1)} A1/3  P d−118 −  a_c^{Z (Z − 1)} A1/3  U −236 = 0, 72 ×  2 ×^{46 × 45} 1181/3 −^{92 × 91} 2361/3  = −367, 70 MeV

• Perubahan komponen energi asimetri

∆Ba = Ba−P d−118− 2 × B_{a−U −236} = " a_a^{(A − 2Z)} 2 A # P d−118 − 2 × " a_a^{(A − 2Z)} 2 A # U −236 = 23, 3 × 542 236^{− 2 ×} 27² 118  ≈ 0 MeV

• Perubahan komponen energi pairing

∆B_p = B_{p−P d−118}− 2 × B_{p−U −236} = h 2 × ^ap A3/4 i P d−118 −^{h ap} A3/4 i U −236 = 34 ×  2 1183/4 − ¹ 2363/4  ≈ 0, 53 MeV Terlihat bahwa Q = ∆B_v−∆B_s−∆B_c−∆B_a= 0−177, 28+367, 70+ 0 − 0, 53 = 189, 88 MeV, sama dengan hasil sebelumnya. Nlai Q ter-kait dengan perubahan energi permukaan dan energi Coulumb. Nilai ∆B_spositif, menunjukkan bahwa pembelahan inti akan meningkatkan

Tabel 6.1: Jenis netron

Jenis Energi

netron termal 0,025 eV

netron epitermal 1 eV

netron lambat 1 keV

netron cepat 100 keV - 10 MeV

energi permukaan. Nilai ∆B_vnegatif, menunjukkan bahwa pembelah-an inti akpembelah-an mengurpembelah-angi energi Coulomb. Ini berarti, faktor utama pembelahan inti adalah karena tingginya gaya tolak Coulumb pada inti berat.

6.2.2 Energi pada reaksi fisi

Pada kenyataanya, reaksi fisi tidak terjadi secara spontan. Suatu inti akan meluruh jika ditembak dengan sebuah partikel ringan. Salah satu partikel ringan yang banyak dipakai sebagai proyektil adalah netron, karena tidak bermuatan sehingga tidak mengalami efek gaya tolak Coulumb ketika mendekati inti. Salah satu contoh reaksi fisi adalah

235

92 U +¹₀n →²³⁶₉₂ U^∗→93

37Rb +¹⁴¹₅₅ Cs + 2¹₀n + Q.

Pada reaksi di atas, digunakan netron termal (T = 300 K atau setara dengan energi kinetik 0, 026 eV). Pengelompokan netron berdasarkan energinya disajikan pada Tabel 6.1. Untuk²³⁵₉₂ U yang ditembak netron termal, dapat dihasilkan berbagai inti produk, dengan nomor massa A merentang antara 80-100 dengan puncak pada A = 95 (contoh kategori ini adalah Rb-93) dan 125-155 dengan puncak pada A = 140 (contoh kategori ini adalah Cs-141), seperti ditunjukkan pada Gambar 6.4.

Pada reaksi di atas, ²³⁶₉₂ U^∗ adalah inti tak stabil, yang kemudian meluruh menjadi⁹³₃₇Rb dan¹⁴¹₅₅ Cs, di mana keduanya dikenal sebagai fragmen fisi primer. Mengacu pada syarat ketabilan inti (Pers. (2.7)), suatu inti stabil dengan A = 93 harusnya memiliki Z = 40, sedangkan

Gambar 6.4: Inti produk hasil reaksi fisi termal dar U-235 (Loveland, 2006).

inti stabil dengan A = 141 harusnya memiliki Z = 58. Ini berarti kedua inti tersebut masih kelebihan netron, sehingga akan mengalami peluruhan beta sampai didapatkan kondisi yang stabil.

93

37Rb 6 detik_{−−−−−−−→}⁹³₃₈Sr 7 menit_{−−−−−−−→}⁹³₃₉Y 10 jam −−−−−−−→

93

40Zr 10_{−−−−−−−−−→}⁶tahun ⁹³₄₁Nb

141

55 Cs 25 detik_{−−−−−−−−→}¹⁴¹₅₆ Ba 18 menit_{−−−−−−−−→}¹⁴¹₅₇ La 4 jam −−−−−−→

141

58 Ce 33 hari_{−−−−−−−→}¹⁴¹₅₉ Pr Inti Nb-93 dan Pr-141 dalam hal ini merupakan produk akhir fisi.

Contoh : Menghitung energi reaksi fisi Tinjau reaksi²³⁵₉₂ U +¹₀n →²³⁶₉₂ U^∗→93

37Rb +¹⁴¹₅₅ Cs + 2¹₀n + Q. • Tuliskan reaksinya

• Rumusan untuk energi reaksinya

Penyelesaian

Tabel 6.2: Distribusi energi hasil reaksi fisi untuk U-235 Energi langsung (MeV) Energi tunda (MeV)

energi kinetik produk 167 partikel beta 7

energi kinetik netron 5 sinar gamma 6

sinar gamma langsung 5 neutrino 10

sinar gamma dari tangkapan 10

Total energi langsung 187 Total energi tunda 23

berubah menjadi Nb-93, yang berlangsung melalui 4 kali peluruhan beta. Dengan demikian, didapatkan produk samping berupa 4 elek-tron dan 4 anti netrino elekelek-tron. Hal yang sama terjadi pada perubah-an Cs-141 menjadi Pr-141. Dengperubah-an demikiperubah-an, persamaperubah-an reaksinya adalah

235

92 U +¹₀n →²³⁶₉₂ U^∗→₄₁⁹³Nb +¹⁴¹₅₉ Pr + 2¹₀n + 8e + 8¯ν_e+ Q.

Karena anti neutrino elektron tidak memiliki massa diam, massa elek-tron sangat kecil, dan energi kinetik neelek-tron proyektil sangat kecil, maka

Q = (mU −235− m_{N b−93}− m_{P r−141}− m_n) × c²

= (235, 043924 − 92, 906474 − 140, 907647 − 1, 0087) × 931, 5 = 206 MeV

Energi yang dihasilkan pada reaksi fisi sebagian akan langsung dilepaskan pada waktu reaksi, sedang sebagian yang lain akan dile-paskan kemudian, setelah reaktor dimatikan. Tipikal distribusi energi untuk U-235 disajikan pada Tabel 6.2. Pada akhirnya semua ener-gi tersebut akan diubah menjadi enerener-gi termal yang ditransfer pada material di sekitarnya, dan dapat dimanfaatkan untuk kebutuhan ter-tentu.

Contoh : Menghitung energi reaksi fisi

Berapakah energi yang dihasilkan dari 1 gram U-235 melalui reaksi fisi.

Penyelesaian

Jumlah inti U-235 dalam 1 gram U-235 adalah

n = ¹⁰

−3kg

(1, 66 × 10−27kg/u) × (235, 043924 u/inti) ^{= 2, 562 × 10}

21inti

Jika rata-rata energi yang dilepaskan per reaksi fisi adalah 206 MeV, maka energi yang dapat dihasilkan adalah 5, 3 × 10²³MeV.

Salah satu isu dalam reaksi fisi adalah tentang netron, terkait de-ngan bagaimana ia dihasilkan dan bagaimana ia dikendalikan. Secara umum, netron dapat diperoleh dari

• hasil penembakan suatu inti dengan partikel α, seperti

4He +⁹Be →¹²C +¹n

• hasil fotonetron, seperti

γ +⁹Be →⁸Be +¹n

• hasil fisi spontan, seperti pada peluruhan Cf-252

• reaksi nuklir, seperti

t + d → α +¹n

• reaktor nuklir, seperti pada reaksi yang kita bahas

235

92 U +¹₀n →⁹³₄₁Nb +¹⁴¹₅₉ Pr + 2¹₀n + 8e + 8νe+ Q.

Pada reaksi fisi (seperti pada contoh terakhir) juga dihasilkan netron, dengan jumlah berlipat. Jika dibiarkan, netron ini akan menumbuk U-235 dan menghasilkan reaksi fisi baru, begitu seterusnya. Hal ini

Gambar 6.5: Kecenderungan reaksi fusi dan fisi, berdasarkan nomor massa A.

dikenal sebagai reaksi berantai. Pada kasus bom nuklir, reaksi beran-tai tersebut dibiarkan tak terkendali. Pada reaktor nuklir, biasanya reaksinya dikendalikan dengan cara mengendalikan jumlah netron pa-da reaktor. Hal ini pa-dapat dilakukan dengan menarik atau mendorong masuk bahan yang mudah menyerap netron, yaitu kadmium atau Cd,