PEMANASAN SEKUNDER REAKSI FUSI PLASMA
DENGAN MENGGUNAKAN
RADIO FREQUENCY
FAHMI RAHMATIA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pemanasan Sekunder Reaksi Fusi Plasma dengan Menggunakan Radio Frequency adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, April 2015
Fahmi Rahmatia
ABSTRAK
FAHMI RAHMATIA. Pemanasan Sekunder Reaksi Fusi Plasma dengan Menggunakan Radio Frequency. Dibimbing oleh ABD DJAMIL HUSIN.
Plasma merupakan bentuk ke-empat dari materi setelah padat, cair dan gas yang terbentuk dari proses ionisasi gas. Plasma dapat digunakan dalam reaksi fusi, yaitu reaksi penggabungan dua inti atom ringan menjadi inti atom yang lebih berat sambil melepaskan energi. Untuk mendapatkan energi dari reaksi fusi, inti yang akan direaksikan harus dipanaskan pada temperatur yang sangat ekstrem tingginya. Salah satu cara agar dapat mencapai kondisi ini adalah memberikan pemanasan tambahan atau pemanasan sekunder kepada plasma dalam reaksi fusi tersebut. Nilai daya serap rata-rata ion Deuterium yang sesuai dengan selang nilai daya dari data ITER adalah daya yang menggunakan frekuensi 50 MHz sampai dengan 60 MHz. Dengan menggunakan frekuensi 60 Hz diperoleh nilai daya rata-rata yang diserap sebesar 1,235.10-12 W.
Kata kunci: gelombang radio, pemanasan sekunder, plasma, reaksi fusi
ABSTRACT
FAHMI RAHMATIA. Secondary of Plasma Heating in Fussion with Radio Frequency. Supervised by ABD DJAMIL HUSIN.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
PEMANASAN SEKUNDER REAKSI FUSI PLASMA
DENGAN MENGGUNAKAN
RADIO FREQUENCY
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2015
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2014 ini ialah Pemanasan Sekunder Reaksi Fusi Plasma dengan Menggunakan Radio Frequency.
Terima kasih penulis ucapkan kepada
1. Kedua orang tua tercinta, Ayah Amril dan Ibu Nurhayati Wahab, kakak Zaturrahmi M.Pd beserta abang Syatri S.E dan kakak Miftahul Hidayati M.A serta adik tersayang Meily Fauziah dan seluruh keluarga besar yang dengan sepenuh hati memberi kasih sayang, doa dan dukungan 2. Bapak Abd Djamil Husin, M.Si selaku dosen pembimbing yang selalu
memberikan arahan, motivasi dan dukungan dari awal sampai akhir proses penelitian
3. Bapak Drs. M.N. Indro, M.Sc dan Bapak Heriyanto Syafutra, M.Si selaku dosen penguji
4. Bapak Dr. Irzaman M.Si selaku dosen pembimbing akademik, segenap dosen beserta staf tata usaha Departemen Fisika yang telah membantu penulis selama berkuliah di Departemen Fisika
5. Teman sebimbingan Siska Clara Sari S.Si yang banyak membantu dan memberi arahan. Sahabat-sahabat yang terus memberi semangat GM_Bells, keluarga wisma Cendrawasih, Fisika 47 serta kakak-kakak dan adik-adik Fisika angkatan 45, 46, 48.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, April 2015
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL vi
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN vi
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 1
Tujuan Penelitian 1
TINJAUAN PUSTAKA 2
Plasma 2
Reaksi Fusi 3
Pemanasan Plasma dan Radio Frequency Heating 4
METODE 5
Waktu dan Tempat Penelitian 5
Metode Penelitian 5
HASIL DAN PEMBAHASAN 5
SIMPULAN DAN SARAN 11
Simpulan 11
Saran 11
DAFTAR PUSTAKA 12
LAMPIRAN 13
DAFTAR TABEL
1 Jenis-jenis Radio Frekuensi 4
2 Konversi satuan eV 14
3 Besaran yang digunakan dalam perhitungan nilai daya rata-rata 14
DAFTAR GAMBAR
1 Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Fase Padat, Cair dan Gas 2
DAFTAR LAMPIRAN
1 Data Konfigurasi Reaktor Fusi ITER 13
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Konsumsi energi oleh manusia selalu bertambah seiring dengan bertambahnya penghuni bumi dan meningkatnya kemampuan manusia dalam hal teknologi. Melalui kemampuannya manusia selalu mencoba mencari alternatif-alternatif penyelesaian dalam persoalan keberlangsungan hidupnya termasuk dalam sektor energi. Teknologi energi terbarukan yang ramah lingkungan seperti energi surya, air, angin, biomassa, dan geotermal terus dikembangkan, namun masih dirasa kurang untuk memenuhi kebutuhan energi.
Salah satu solusi menjanjikan dari masalah krisis energi adalah dengan melakukan reaksi fusi yaitu penggabungan dua atau lebih inti atom ringan menjadi inti atom baru yang lebih berat dan disertai pembebasan energi yang lebih besar. Reaksi fusi nuklir tergolong kepada reaksi yang bersih karena tidak menghasilkan limbah yang radioaktif, sehingga menjadi pilihan yang sangat cocok untuk kebutuhan energi saat ini. Reaksi fusi terjadi dalam satu bentuk materi yang disebut dengan fasa plasma yaitu bentuk materi yang dicirikan dengan bentuk fisis gas yang terionisasi.1
Untuk mendapatkan energi dari reaksi fusi, dibutuhkan beberapa kondisi khusus diantaranya adalah temperatur yang sangat tinggi. Sampai saat ini masih dicari metode yang tepat untuk dapat melakukan reaksi fusi pada plasma dengan lebih mudah, salah satu caranya adalah dengan malakukan pemanasan sekunder pada plasma sehingga dapat dicapai temperatur reaksi fusi dengan lebih cepat. Pemanasan sekunder dilakukan untuk membantu pemanasan primer memperoleh temperatur yang dibutuhkan dan menjaga kestabilan plasma. Terdapat beberapa metode pemanasan sekunder, satu diantaranya adalah dengan menggunakan gelombang radio atau Radio Frequency Heating.
Perumusan Masalah
Diperlukan pemanasan sekunder untuk meningkatkan suhu plasma, salah satu metodenya adalah dengan menggunakan Radio Frequency Heating.
Tujuan Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
Plasma
Konsep tentang plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun 1928. Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi yang dikenal sebagai fase materi ke-empat setelah fase padat, cair, dan fase gas.1
Plasma dapat terjadi ketika temperatur atau energi suatu gas dinaikkan sehingga memungkinkan atom-atom gas terionisasi dan akan membuat gas tersebut melepaskan elektron-elektronnya yang pada keadaan normal mengelilingi inti.2
Gambar 1 Ilustrasi fase materi keempat setelah fase padat, cair dan gas
3 Plasma terdiri dari partikel-partikel bermuatan listrik yang saling terikat oleh gaya Coulomb sehingga memberikan sifat kolektif pada plasma. Sifat listrik yang dimiliki plasma inilah yang membedakannya dengan fluida lain karena muatan-muatan pada plasma saling berkumpul membangkitkan konsentrasi muatan positif atau muatan negatif sehingga menghasilkan medan listrik. Selain itu gerak dari muatan ini juga membangkitkan arus listrik dan medan magnet.4
Persamaan gelombang dan persamaan gerak satu dimensi pada plasma Dimana merupakan potensial gelombang, merupakan amplitudo potensial gelombang, adalah muatan partikel. Pada saat , posisi partikel adalah dan kecepatan adalah .5
Reaksi Fusi
Reaksi fusi pada dasarnya merupakan salah satu sumber energi alternatif yang dapat dimanfaatkan menghadapi krisis energi yang terjadi akibat perkembangan zaman. Reaksi fusi merupakan sebuah proses dimana dua inti atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih besar dan disertai dengan pelepasan energi. Reaksi fusi adalah sumber energi yang menyebabkan bintang bersinar, dan bom meledak. Proses ini membutuhkan energi yang besar untuk menggabungkan inti nuklir, bahkan elemen yang paling ringan, hidrogen. Tetapi reaksi fusi inti atom yang ringan, yang membentuk inti atom yang lebih berat akan menghasilkan energi yang lebih besar lagi dari energi yang dibutuhkan untuk menggabungkannya.6
Reaksi fusi secara alamiah terjadi pada inti matahari, dimana salah satu syarat terjadinya adalah suhu yang sangat tinggi yaitu sekitar 107 K. Reaksi fusi di matahari dapat berlangsung karena temperatur dan tekanan di dalam inti matahari yang sangat tinggi. Masalah utama reaktor fusi adalah mempertahankan proses reaksi fusi yang membutuhkan kondisi sangat spesial, sementara kondisi tersebut sangat mudah berubah.7 berat sangat besar sehingga reaksi fusi nuklir menjadi alternatif sumber energi di dunia.
Beberapa keuntungan reaksi fusi dibandingkan dengan reaksi fisi adalah: 1. Reaksi fusi tidak menghasilkan zat radioaktif
4
Pemanasan Plasma dan Radio Frequency Heating
Pemanasan utama pada plasma disebut pemanasan primer, salah satu pemanasan primer adalah Pemanasan Ohmic. Pemanasan Ohmic pada plasma dapat terjadi karena adanya resistansi ketika arus mengalir pada plasma, sehingga terjadi perubahan energi listrik menjadi energi termal dan menaikkan temperature plasma. Ketika terjadi kenaikan temperatur sekitar jutaan Kelvin atau lebih, plasma menjadi konduktor listrik yang sangat baik, hambatan menurun dan pemanasan Ohmic tidak lagi berperan. Untuk memanaskan plasma dengan temperatur yang lebih tinggi, pemanasan Ohmic ini harus diikuti dengan pemanasan sekunder. Pemanasan sekunder digunakan untuk menaikkan suhu plasma dan menjaga kestabilan kondisi tersebut.7
Beberapa jenis pemanasan sekunder, diantaranya adalah Magnetic Compression, yaitu memberikan tekanan kepada partikel bermuatan pada plasma yang terkungkung sehingga medan magnetnya menjadi lebih besar dan suhu menjadi lebih tinggi. Contoh pemanasan sekunder lainnya adalah Neutral Beam Injection, yaitu pemanasan dengan cara menembakkan partikel energi tinggi ke dalam plasma sehingga menyebabkan terjadinya tumbukan antara ion-ion, elektron dengan partikel energi tinggi ini. Selain itu, pemanasan sekunder yang dapat digunakan adalah pemanasan sekunder dengan menggunakan Radio Frekuensi.8
Pemanasan Radio Frekuensi mentransfer energi dari sebuah sumber eksternal ke plasma melalui gelombang elektromagnetik. Ketika gelombang elektromagnetik merambat melalui medan listrik plasma, gelombang akan mempercepat gerak partikel bermuatan saling bertumbukan sehingga menyebabkan kenaikan suhu pada plasma.
Tabel 1 Jenis-jenis Radio Frekuensi.9
Mode Rentang Frekuensi Rentang Panjang
5
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret sampai bulan November 2014. Tempat penelitian dilakukan di Laboratorium Fisika Teori dan Komputasi Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor.
Metode Penelitian
Prosedur pengerjaan dalam penelitian ini adalah dengan memformulasikan daya yang diserap ion saat diberi gangguan berupa Radio Frekuensi dengan menggunakan beberapa metode diantaranya penggunakaan deret Taylor, fungsi delta dan distribusi Maxwell-Boltzmann, selanjutnya mencari nilai daya tersebut dengan frekuensi yang ditentukan.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Plasma terbentuk karena pemanasan terus menerus yang menyebabkan rusaknya energi ikat elektron dan inti atom sehingga elektron keluar dari orbitalnya dan terpisah dengan inti atom. Reaksi fusi dengan menggunakan plasma dinilai lebih baik karena plasma yang merupakan wujud gas yang terionisasi mempunyai ion positif dan ion negatif yang sudah terpisah sehingga energi yang dibutuhkan untuk melakukan reaksi fusi pada plasma lebih sedikit jika dibandingkan dengan melakukan reaksi fusi dengan menembakkan ion-ion yang akan direaksikan tersebut.
Plasma yang digunakan untuk melakukan reaksi fusi biasanya dikungkung dalam suatu wadah yang diisolasi. Wadah tersebut diatur sedemikian rupa berdasarkan sifat plasma yang bergerak dengan suhu tinggi agar tidak merusak dinding wadah kungkungan tersebut. Penelitian para ilmuwan sampai saat ini menganggap wadah kungkungan terbaik untuk reaksi fusi plasma adalah bentuk donat yang dikontrol dengan memberikan medan magnet dan medan listrik untuk mengatur gerak plasma bersuhu tinggi agar tidak menambah dan merusak dinding wadah. Wadah seperti ini disebut dengan Tokamak.
Pemanasan primer pada plasma sebenarnya sudah mampu membuat reaksi fusi berlangsung namun dengan suhu yang belum begitu tinggi dan kondisi suhu serta tekanan yang mudah berubah-ubah dan tidak stabil. Dengan menambahkan pemanasan sekunder, suhu dalam wadah kungkungan itu akan lebih tinggi dan kondisi itu dapat berlangsung lebih lama atau lebih stabil. Pemanasan sekunder dengan menggunakan gelombang radio yang berasal dari sumber eksternal dapat mempercepat gerak partikel bermuatan sehingga meningkatkan kemungkinan tumbukan antar partikel dan menyebabkan kenaikan suhu pada plasma.
6
Fasa gelombang pada partikel dimisalkan sebagai . Turunan pertama dan kedua dari adalah
Persamaan (6) sehingga diperoleh
(7)
Dengan mendefinisikan frekuensi sudut pantulan adalah
(8) dan waktu pantulan
(9)
maka, Persamaan (7) menjadi seperti persamaan pendulum seperti dibawah ini
Dengan menggunakan Persamaan (9), diperoleh hubungan dengan
Agar persamaan diatas sama dengan nol, dikeluarkan sehingga yang harus diperhatikan adalah persamaan didalam kurung, yaitu
(10)
Selanjutnya Persamaan (10) diintegrasikan dengan faktor agar diperoleh persamaan diferensial yang nilainya adalah nol.
7 Persamaan diferensial diatas bernilai nol sehingga artinya adalah sebuah konstanta agar turunan terhadap adalah nol dan fasa gelombang menjadi
(13)
Substitusi Persamaan (13) ke Persamaan (12), maka dihasilkan persamaan berikut terkecil dan nilai terbesar dari .
Untuk partikel yang tidak terperangkap di dalam gelombang mempunyai energi kinetik yang jauh lebih besar dari pada energi potensial. Dengan yang berbanding terbalik dengan amplitudo gelombang dan .
Kecepatan gerak partikel yang tidak terperangkap di dalam gelombang dapat dituliskan sebagai berikut
(18)
Sehingga energi kinetiknya menjadi
8
Substitusi Persamaan (17) ke Persamaan (25) Menggunakan deret Taylor, Persamaan (26) dapat disederhanakan menjadi persamaan
9 Integral Persamaan (27) dihasilkan persamaan
(28)
dimana fungsi didefinisikan sebagai
10
Dengan menggunakan fungsi delta
(36)
Plasma dianggap sebagai gas ideal sehingga berlaku persamaan distribusi Maxwell-Boltzmann
Gunakan Persamaan (43) ke Persamaan (41) dengan merupakan suhu,dan merupakan bilangan gelombang.
Persamaan (45) merupakan persamaan untuk daya rata-rata yang diserap oleh tiap ion pada plasma dengan menggunakan pemanasan sekunder berupa Radio Frekuensi. Untuk mengetahui nilai daya rata-rata yang diserap plasma dengan memasukkan frekuensi radio dapat digunakan tabel data konfigurasi reaktor ITER (Lampiran 1) yang berfungsi sebagai sumber data penentu nilai konstanta persamaan.
11 menggunakan bagian dari Radio Frekuensi yaitu ICRF dengan frekuensi 5 MHz sampai 60 MHz dan potensial amplitudo yang digunakan sekitar 35.103 V dapat diperoleh nilai daya rata-rata yang diserap ion Deuterium yang berada dalam rentang data ITER adalah pada frekuensi 50 MHz sampai 60 MHz. Pada frekuensi 60 MHz, nilai daya rata-rata yang diserap ion adalah sebesar 1,235.10-12 W. Nilai daya ini merupakan nilai rataan yang diserap oleh ion pada plasma, artinya ada ion-ion dengan temperatur lebih tinggi dan ada yang lebih rendah yang dalam perumusannya menggunakan distribusi. Nilai ini sangat bergantung pada frekuensi dan potensial amplitudo yang digunakan.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Pemanasan menggunakan Radio Frekuensi merupakan salah satu pemanasan sekunder yang digunakan untuk melengkapi pemanasan primer agar suhu plasma menjadi lebih tinggi. Diperoleh analisis persamaan daya rata-rata yang diserap oleh ion pada plasma terhadap pemanasan sekunder menggunakan Radio Frekuensi. Nilai daya rata-rata yang diserap ion Deuterium yang sesuai dengan selang nilai daya dari data ITER adalah daya yang menggunakan frekuensi 50 MHz sampai dengan 60 MHz. Dengan menggunakan frekuensi 60 Hz diperoleh nilai daya rata-rata yang diserap sebesar 1,235.10-12 W.
Saran
12
DAFTAR PUSTAKA
1 Nur, M. Fisika Plasma dan Aplikasinya. Badan Penerbit Universitas Diponegoro. Semarang. 2011
2 Kruer, William. The Physics of Laser Plasma Interactions. Addison-Wesley Publishing Company. United States of America. 1998
3 Bellan, Paul M. Fundamentals of Plasma Physics. Pasadena. California. 2004
4 Parkolab, Miklos dan Edward T. Fusion Part B Magnetic Confinement. Academy Press. New York. 1981
5 Krane, Kenneth S. Introductory Nuclear Physics. John Willey & Sons, Inc. New York. 1988
6 Beiser, Arthur. Konsep Fisika Modern Edisi Keempat. Erlangga. Jakarta. 1992
7 Alwi, Muhammad M. [Skripsi]. Pemanasan Sekunder Plasma Menggunakan Gelombang Mikro Untuk Reaksi Fusi Terkontrol. Program Studi Fisika. FMIPA. IPB. 2008
8 Glasstone, Samuel. Ralph H Lovberg. Controlled Thermonuclear Reactions. Van Nostrand Reinhold Company. United Stated State. 1960
9 Gautreau, Ronald. William Savin. Schaum’s Outlines Fisika Modern Edisi
Kedua. Erlangga: Jakarta. 1999
13 LAMPIRAN 1
14
LAMPIRAN 2
Konversi satuan dan perhitungan
Tabel 2 Konversi satuan eV
Konversi eV
1 Joule 6,25 x 1018
1 Hz 4,13 x 10-15
1 /m 1,24 x 10-6
1 K 8,621 x 10-5
Tabel 3 Besaran yang digunakan dalam perhitungan nilai daya rata-rata
Berikut adalah contoh perhitungan daya serap rata-rata oleh tiap ion pada plasma dengan menggunakan frekuensi 60 MHz
Besaran yang digunakan Dalam SI Dalam eV
Muatan 3,2 x 10-19 C
Potensial Amplitudo 104 V
Frekuensi 60 MHz 2,479 x 10-7
Panjang Gelombang 5 m
Bilangan Gelombang 1,256 /m 1,0129 x 106
Massa Deuterium 3,344 x 10-27 kg 1875,58 x 106
Suhu Ambang 40,6 107 K 35 x 103
15
