2 TINJAUAN PUSTAKA 1 Studi Awal Berkaitan dengan Listrik Indonesia
2.6. Reaktor Nuklir
Reaktor nuklir adalah alat yang digunakan sebagai tempat terjadinya reaksi berantai (fisi) melalui pengendalian. Reaktor nuklir merupakan sumber tenaga yang sangat efisien, hasil fisi 1 gram nuklida per hari dapat melepaskan
tenaga dengan laju sekitar 1 Megawatt (106 W). Tenaga yang dilepaskan dalam sebuah reaktor nuklir dalam bentuk kalor yang dapat diambil dengan mengalirkan zat cair atau gas sebagai pendingin melalui bagian dalam reaktor.
Persoalan penting dalam perancangan reaktor adalah hilangnya neutron yang melewati permukaan reaktor yang terserap tanpa mengindikasikan adanya fisi. Setiap fisi 92U235 rata-rata mengeluarkan 2.5 neutron, 1 neutron diantaranya dapat digunakan untuk melakukan fisi berikutnya, sehingga 1.5 neutron setiap fisi perlu dihilangkan agar reaksi berantai dapat berjalan sendiri. Persoalan ini dapat diatasi dengan memperbesar ukuran reaktor agar luas permukaan per volume menjadi lebih kecil dan bahan yang dilindungi oleh material yang dapat menghamburkan neutron agar neutron hasil fisi dapat mengalami pemantulan.
Persoalan kedua yang lebih sukar dalam melakukan reaksi fisi dalam reaktor nuklir adalah penggunaan uranium alami yang hanya mengandung 0.7% isotop 92U235 yang terfisikan, sedangkan bila isotop 92U235 cukup melimpah dapat menangkap neutron cepat tetapi biasanya isotop tersebut tidak melakukan reaksi fisi. Persoalan ini diatasi dengan memperlambat neutron cepat untuk mencegah neutron terserap oleh 92U238 yang tidak produktif menghasilkan reaksi fisi, maka dengan perlambatan neutron cepat akan mempertinggi peluang isotop 92U235 mengalami reaksi fisi dalam reaktor. Dalam perlambat neutron cepat dalam reaktor bahan bakar uranium perlu diselingi oleh matriks moderator yang terbuat dari bahan yang mampu menyerap neutron cepat. Moderator yang biasanya digunakan adalah air ringan, air berat, grafit dan karbon murni.
Peristiwa yang terjadi dalam sebuah reaktor dimulai ketika material yang akan ter-fisi-kan (bahan bakar uranium) diletakkan bersama-sama dengan moderator, ditumbukan sebuah neutron yang berasal dari fisi spontan yang menyebabkan terjadinya pembelahan inti dengan melepaskan 2 atau 3 neutron. Neutron tersebut mengalami perlambatan dari tenaga beberapa MeV menjadi tenaga termal melalui tumbukan dengan inti moderator. Reaksi berlangsung secara berantai. Agar dapat mengontrol reaksi berantai yang terjadi diperlukan batang kendali yang terbuat dari kadmium dan boron yang mudah menyerap neutron lambat. Ketika batang kendali dimasukkan lebih dalam, maka reaksi berantai yang terjadi dapat diredam.
Reaktor komersial dewasa ini menggunakan air ringan sebagai moderator dan juga sebagai pendingin, alasannya adalah karena air memiliki 2 atom hidrogen yang massa intinya hampir sama dengan neutron. Bahan bakar uranium yang digunakan merupakan hasil pengayaan uranium alami yang kadar 92U235 mencapai 3%.
Gambar 9 Sketsa reaktor nuklir (Rashad 2000).
Reaktor nuklir memiliki pertahanan berlapis yang terbuat dari bahan baja seperti ditampilkan dalam Gambar 11. Bahan bakar uranium ditempatkan dalam kelongsong yang terbuat dari baja sebagai tempat reaksi fisi terjadi. Agar reaksi tidak mengalami kebocoran, kelongsong berada dalam rendaman air dalam ruang terbuat dari baja setebal 8 inchi. Ruang tersebut dilindungi pelindung yang terbuat dari lapisan baja setebal 0,25 inchi yang berada dalam pengungkung (containment) dengan bagian dalam terbuat dari baja setebal 45 inchi. Lapisan berlapis ini dimaksudkan agar dapat memperkecil peluang kebocoran yang dapat terdistribusi ke luar reaktor.
PLTN yang beroperasi di dunia sebagian besar berjenis Reaktor Air Ringan (Light Air Reaktor, LWR) dan Reaktor Air Tekan (Pressurized Air
Reactor, PWR). PLTN Jenis PWR merupakan jenis reaktor yang menggunakan
air (H2O) sebagai pendingin sekaligus sebagai moderator. Panas yang dihasilkan oleh reaksi fisi pada bahan bakar uranium dioksida (UO2) dalam bejana reaktor
(reaktor vessel) dipakai untuk memanaskan air pendingin primer bertekanan
tinggi dengan alat pengendali tekanan (pressurizer) untuk mempertahankan tekanannya. Air pendingin primer selanjutnya dialirkan ke sistem pembangkit uap
Baja tahan tekanan 45 inchi
Baja linier 0,25 inchi Pelindung 36 inchi
Baja reaktor 8 inchi
(steam generator) untuk memproses pertukaran panas dari sistem pendingin primer ke sistem pendingin sekunder, pertukaran panas ini menyebabkan air sistem pendingin sekunder mendidih dan menghasilkan uap panas yang selanjutnya dipakai untuk memutar turbin dan generator yang dapat menghasilkan tenaga listrik seperti disajikan dalam Gambar 12.
Gambar 10 Skematik diagram PLTN jenis PWR.
(http: //hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/.../reaktor.html www.animatedsoftware.com
http://reaktor.engr.wisc.edu/tour/tourpics/reaktor2.gif)
Bahan bakar PWR dan LWR berbentuk UO2 yang tertutup dalam tabung panjang sempit dalam reaktor yang terbuat dari swasa-zirkonium yang dirakit bersama batang kendali yang dapat digerakkan yang diletakkan dalam tabung baja tahan tekanan. Tabung baja tahan tekanan tersebut biasanya memiliki tinggi 10 meter berdiameter dalam selebar 3 meter dan tebal dinding 20 cm. Pada PWR air yang mengalir melewati teras dipertahankan bertekanan tinggi sekitar 150 atm untuk mencegah pendidihan. Air yang masuk dalam tabung bertekanan temperaturnya sekitar 2800C dan ketika keluar temperaturnya sekitar 3200C melalui penukar kalor yang menghasilkan uap penggerak turbin seperti pada gambar 12.
Reaktor Jenis PWR memiliki inti reaktor penghasil panas yang dilindungi dan ditutup oleh baja yang sangat tebal yang diberi air dengan pengatur tekanan dan bertindak sebagai moderator dan pendingin reaktor inti. Panas dari air yang bertekanan diedarkan ke generator penukar panas sebagai penghasil uap air untuk menggerakkan turbin. Uap air untuk menggerakkan turbin yang dihasilkan ini
terjadi dalam wadah dengan struktur baja atau beton yang kuat, sehingga uap air yang dihasilkan ini dapat digunakan untuk menggerakkan turbin pembangkit tenaga listrik dengan prinsipnya identik dengan pembangkit listrik tenaga listrik lainnya seperti listrik tenaga minyak bumi, sehingga reaktor nuklir memiliki fungsi seperti ketel uap yang menghasilkan uap penggerak turbin.
Reaktor BWR (Boiling Water Reaktor) memiliki tekanan sekitar 68 atm lebih rendah dari PWR, di dalam tabung yang berisi inti atom memungkinkan terbentuknya uap air hasil transfer panas reaksi fisi dan uap air yang dihasilkan dikirim langsung ke turbin tanpa melewati generator uap. Keuntungan BWR dibandingkan dengan PWR adalah dalam hal kesederhanaannya, tetapi memiliki kelemahan peluang pencemaran lebih besar, karena dinding penghalang berkurang satu dibanding dengan PWR (Beisher 1981). Skematik BWR disajikan dalam Gambar 13.
Gambar 11 Skematik diagram PLTN Jenis BWR
(http: //hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/.../reaktor.html; www.animatedsoftware.com
http://www.solcomhouse.com/images/boiling.gif http://www.nrc.gov/reaktors/generic-bwr.pdf)
Reaktor memiliki disain yang berbeda-beda tergantung rancangan negara yang membangun reaktor tersebut, dan dari waktu ke waktu terus mengalami penyempurnaan sesuai dengan perkembangan teknologi lain guna meningkatkan presisi dan akurasi yang menunjang keselamatan oprasional. Jenis-jenis rekator yang beroprasi di dunia ditampilkan dalam Tabel 4 berikut.
Tabel 3 Jenis reaktor nuklir PLTN yang beroprasi di dunia.
Jenis Reaktor Negara Jumlah GWe Bahan
bakar Pendingin Moderator Pressurised Air Reactor (PWR) AS, Prancis, Jepang, Rusia 260 243 UO2 diperkaya air air
Boiling Air Reaktor
(BWR) AS, Jepang, Swedia. 92 83 UO2 diperkaya air air Pressurised Heavy Air Reactor “CANDU” (PHWR)
Kanada 34 18 UO2 alam Air berar air berat
Gas-cooled Reaktor
(Magnox & AGR)
Inggris 32 12 U (metal), UO2
diperkaya
CO2 graphite
Light Air Graphite
Reactor (RBMK) Rusia 13 14 UO2 diperkaya air graphite Fast Neutron Reaktor (FBR) Jepang, Prancis, Rusia. 4 1.3 PuO2 dan UO2 Natrium cair Tidak ada
Lainnya Rusia, Jepang. 5 0.2
TOTAL 440 371
Sumber: Nuclear Engineering International handbook, 2002.
Perkembangan teknologi PLTN dewasa ini memasuki era generasi keempat. Teknologi generasi pertama muncul dan dibangun pada tahun 1950- 1960 melalui eksperimen disain. Teknologi PLTN terus disempurnakan memasuki fase ke dua, yaitu pembangunan reaktor-reaktor besar pada era tahun 1970-1980. Generasi ketiga ditandai dengan kelengkapan pengamanan pada reaktor yang dikembangkan antara tahun 1980-1990. Dewasa ini teknologi PLTN mencapai fase ke empat yang ditandai dengan berpadunya kebutuhan domestik dan internasional yang memperhatikan pengembangan pengamanan, pengembangan sisi ekonomis, pengembangan ketahanan dan upaya-upaya memperkecil limbah nuklir yang mengotori lingkungan. Dalam perkembangan dewasa ini, jenis-jenis reaktor terus berkembang sampai saat ini sudah mencapai jenis reaktor generasi keempat seperti VHTR (Very High-Temperatur Reactor), MSR (Molten Salt
Reaktor), SFR (Sodium Cooled Fast Reactor), SCWR (supercritical Water
Cooled Reactor), GFR (Gas Cooled Fast reacor), dan LFR (Lead Cooled Fast