KONSEP PENGUNGKUNGAN INERSIAL ELEKTROSTATIK PULSA

KONSEP PENGUNGKUNGAN INERSIAL ELEKTROSTATIK

PULSA

Widdi Usada, Agus Purwadi

Bidang Akselerator dan Fisika Nuklir, PTAPB-BATAN, e-mail : w_usada@yahoo.com

ABSTRAK

KONSEP PENGUNGKUNGAN INERSIAL ELEKTROSTATIK PULSA. Makalah ini menjelaskan dasar pembentukan plasma serta penarikan ion ke arah radial ke dalam oleh elektroda grid yang bertegangan pulsa negatif. Karena elektrode dalam tersebut berongga maka terjadi tumbukan antar ion di pusat elektrode bagian dalam tersebut. Bila ion-ion tersebut merupakan unsur bahan bakar untuk fusi seperti deuterium, proton, tritium dan lain sebagainya maka tumbukan ion tersebut dapat menghasilkan reaksi fusi dengan memberikan produk fusi dengan perolehan energi yang cukup besar. Tumbukan ion dapat terjadi pada suatu sistem rangkaian listrik yang terdiri dari sumber tegangan tinggi, tahanan pembatas arus pengisi kapasitor, kapasitor, spark-gap, diode, dan bejana vakum baik dalam geometri grid silinder koaksial maupun geometri bola konsentrik. Agar ada penarikan ion oleh elektrode bagian dalam, maka elektrode bagian dalam dikenakan tegangan negatif, sedangkan elektrode bagian luarnya dihubungkan dengan tanah. Dengan sistem tersebut, dapat dibuat rangkaian ekivalennya. Dengan memvariasi parameter-parameter rangkaian seperti tahanan dioda dan tahanan plasmanya dapat diketahui besaran seperti arus, tegangan, waktu pembangkitan dan waktu peluruhan arus plasmanya.

Kata kunci : plasma, pengungkungan, elektrostatik, fusi, pulsa.

ABSTRACT

CONCEPT OF PULSED INERTIAL ELECTROSTATIC CONFINEMENT. This paper describes the basis of plasma formation and radial ion attraction by pulsed negative potential of grid electrode. Because of this inner grid electrode, there are ions collisions in grid electrode. If the ion is an element of fusion fuel like deuterium, proton, tritium and so on, the ion collision could produce fusion reaction with high energy achievement. Ion collisions could be occurred in a electrical circuit system which consists of a high voltage source, a current limit power resistor, a capacitor bank, a spark-gap, a diode, and a vacuum grid coaxial cylindrical geometry or a vacuum grid concentric spherical geometry chambers. In order there are ions attraction, the inner electrode is potentially negative, mean while its outer electrode is connected with ground system. By such system, it could be built its equivalent circuit. By varying some parameters, like, diode and plasma resistances, it could be known current, voltage, rise time, time decay of plasma current and so on.

Keywords : plasma, confinement, electrostatic, fusion, pulsed.

PENDAHULUAN

engungkungan plasma adalah usaha untuk mempertahankan kerapatan (n) dan suhu (kT) plasma tetap dalam rentang waktu tertentu (τ), atau dapat diartikan usaha untuk meminimalisasi lolosnya plasma dan meminimalisasi plasma untuk tidak berinteraksi dengan partikel lain yang bukan plasma. Plasma pada suhu dan kerapatan tertentu akan mampu saling berinteraksi dan mampu melampaui gaya tolak Coulomb, akibatnya inti-inti mereka akan bereaksi memadu menjadi inti baru. Pemaduan inti menjadi inti baru disebut reaksi fusi. Maka tujuan pengungkungan plasma pada umumnya diharapkan untuk berlangsungnya reaksi fusi inti. Pada umumnya reaksi fusi melibatkan

inti-inti ringan seperti, inti-inti hidrogen dengan berbagai isotopnya, boron, dan helium. Hasil reaksi fusi inti adalah diperolehnya energi. Lawson mencoba membuat kriteria atau syarat sehingga energi yang diperoleh lebih besar atau sama dengan energi yang diperlukan untuk terjadinya reaksi fusi. Hasil runutannya dirumuskan yang dikenal dengan kriteria Lawson (yang untuk reaksi fusi D-T) sebagai berikut

nT τ ≥ 1021 _keVdetik/m3

n adalah kerapatan (dalam cacah/m3_{), T suhu dalan} satuan eV dan τ dalam satuan detik. Plasma adalah kumpulan ion dan elektron, oleh karena itu plasma dapat dikendalikan oleh medan listrik dan medan

magnet. Karena massa elektron jauh lebih kecil daripada massa ion yaitu sekitar 1/1800 massa proton (inti hidrogen atau ion hidrogen) maka geraknya jauh lebih lincah daripada proton, sehingga ada kecenderungan elektron untuk lolos lebih besar daripada ion atau inti, akibatnya sangat sulit untuk mempertahankan kondisinya tetap stabil. Seperti dikemukakan di atas bahwa partikel bermuatan dapat dipengaruhi baik oleh medan listrik maupun medan magnet, dengan demikian bila medan magnet dikenakan terhadap plasma, plasma diubah arah geraknya untuk berotasi mengitari garis gaya medan magnetnya dengan jari-jari putaran yang disebut dengan jari-jari Larmor. Usaha untuk mencegah lolosnya plasma atau mempertahankan kestabilan plasma oleh medan magnet disebut pengungkungan magnetik. Disamping itu bila massa pemuat plasma sedemikian besar sehingga gaya gravitasinya mampu mempertahankan plasma dalam keadaan stabil, maka pengungkungan sedemikian itu disebut sebagai pengungkungan gravitasi, dan kondisi semacam itu terjadi di matahari maupun bintang di ruang angkasa. Demikian pula, bila plasma dikenai medan listrik dan diarahkan ke suatu titik tertentu maka pengungkungan oleh medan listrik tersebut disebut pengungkungan elektrostatik atau yang biasa dikenal sebagai pengungkungan inersial elektrostatik (PIE).[1]_{Sistem PIE ini} memanfaatkan dua elektrode grid (elektrode yang berlobang) yang tersusun atas konsentrik untuk sistem elektrode berbentuk bola dan koaksial untuk sistem berbentuk silinder. Sistem PIE sebagai pereaksi fusi sangat mudah baik prinsip maupun pembuatannya, namun kekurangannya adalah kerusakan grid bagian dalam karena tumbukan iion berenergi tinggi dengan bahan gridnya. Perkembangan terbaru dalam konsep PIE ini adalah tidak lagi digunakannya grid, tetapi dengan menggunakan beberapa elektromagnet yang disusun secara polihedral. Dengan susunan elektromagnet tersebut diharapkan sedemikian besar elektron yang dikungkung sehingga ia berlaku sebagai potensial negatif. Karena berpotensial negatif maka bila ion dimasukkan ke dalam sistem tersebut maka ion-ion tersebut akan ditarik oleh potensial negatif dari kumpulan elektron yang dikungkung medan magnet tersebut. Konsep baru ini yang dikenal dengan Polywell, namun tidak dibahas dalam makalah ini.[2]

TEORI DASAR

Berdasar definisi bahwa plasma terdiri dari ion dan elektron, maka secara prinsip, ion dari plasmanya dapat ditarik oleh elektrode yang bertegangan negatif, dan seandainya elektrode

tersebut dibuat berlobang, maka ion-ion akan mampu menembus elektrode tersebut. Gambar 1 memperlihatkan ekstraksi ion dari plasmanya.

Gambar 1. Ekstraksi ion dari plasma oleh grid berpotensial negatif.

Dari Gambar 1, terlihat bahwa plasma yang terbentuk oleh sumber tegangan pembentuk plasma, maka oleh elektrode berlobang yang selanjutnya disebut elektrode grid yang bertegangan negatif, maka ion-ion dari plasma akan ditarik olehnya dan menembus elektroda grid tersebut.[3]

Berdasar prinsip dasar tersebut, maka seandainya ada suatu sistem metal silinder koaksial yaitu dua silinder yang disusun sehingga mempunyai sumbu yang berimpit, dan kedua silinder baik bagian dalam maupun bagian luar berlubang, maka bila masing-masing silinder tersebut diberi beda tegangan ∆V, silinder bagian dalam bertegangan negatif, sedangkan silinder bagian luar dihubungkan dengan tanah, maka karena ada beda potensial yang cukup untuk melucutkan gas yang ada di dalam silinder tersebut sehingga terbentuk plasma, dan karena silinder bagian dalam bertegangan negatif, maka ion-ion dari plasma akan ditarik oleh silinder bagian dalam yang berlobang yang mempunyai tegangan negatif tersebut. Gambar 2. melukiskan proses penarikan ion dari plasma oleh silinder bagian dalam yang berlobang.

Dengan prinsip dasar sederhana tersebut dapatlah disusun suatu rangkaian sistem eksperimen lucutan plasma pada silinder koaksial seperti ditunjukkan Gambar 3.

Gambar 2. Ekstraksi ion dari plasma oleh elektroda silinder berlobang yang bermuatan negatif.

Gambar 3. Skema rangkaian lucutan plas-ma pada sistem silinder koak-sial.

R adalah tahanan pengisi kapasitor, C adalah kapasitor, Spark-gap adalah sistem pemindah energi listrik dari kapasitor ke sistem silinder koaksial, D adalah dioda. Kapasitor C diisi muatan oleh sumber daya tegangan tinggi negatif melalui tahanan R, dan kemudian tenaga listrik kapasitor dilimpahkan ke sistem silinder koaksial melalui spark-gap.

Dalam sistem silinder koaksial terjadi lucutan plasma karena ada beda tegangan antara silinder koaksial bagian luar dengan silinder koaksial bagian dalam. Ion-ion dalam plasma akan segera ditarik oleh silinder koaksial bagian dalam yang ber-tegangan negatif, sedangkan elektron akan ditarik oleh silinder koaksial bagian luar yang dihubung-kan dengan sistem pentanahan.

ANALISIS RANGKAIAN

[3]

Rangkaian yang diperlihatkan Gambar 3, dapat disederhanakan dalam bentuk rangkaian ekivalen seperti diperlihatkan Gambar 4., dengan C

adalah kapasitor, Lo adalah induktansi bagian luar yang menggambarkan induktansi saluran transmisi dari kapasitor ke sistem silinder koaksial, dioda D yang mempunyai tahanan intrinsik RD, Rp tahanan plasma di dalam silinder koaksial, dan Lp adalah induktansi plasma dalam silinder koaksial.

Gambar 4. Rangkaian ekivalen sistem lucut-an plasma pada sistem silinder koaksial.

Persamaan rangkaiannya adalah

dt dI L C Idt IR IR dt dI L V0 = 0 + p+ D+

∫

+ p (1)

Untuk periode osilasinya adalah T, impedansi Z dan arus maksimum I0 yang relasinya ditunjukkan oleh persamaan (2), Z V I C L Z C L T 0 0 0 0 2 = = = π (2)

Seandainya persamaan (1) disusun dalam persamaan normaliasi dengan faktor normalisasinya

Z R L L C L R C L t t t C L V I I I D D p ₌ = = = = = = α β α τ ι , , , , , 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (3)

Maka persamaan (1) menjadi

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 − − − −

∫

− _τ= ι β τ ι ια ια τ ι d t d I C d t I C L I C L I d t d I L C L I _D

atau 0 ) ( ) 1 ( 1− + − + − = − ι α α

_∫

ι τ τ ι β d d d D (4)

Nilai -1 muncul karena tegangan awalnya negatif. Persamaan terakhir ini merupakan persamaan osilasi teredam dan dapat diselesaikan secara numerik dengan sembarang perangkat lunak, dan syarat batasnya adalah

τ

= 0,

ι

= 0,

_∫

= + = , 0 ) 1 ( 1 _{ι τ} β τ ι d d d ₍₅₎

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dengan menggunakan perangkat lunak Watfor77, persamaan (4) dapat diselesaikan secara

numerik, dan sejumlah hasil diperlihatkan pada Gambar 5 (a), (b), (c) and (d), dengan RD divariasi, sedangkan Rp tetap. Pada umumnya, Rp lebih kecil daripada Z, sedangkan Z lebih kecil daripada RD.

Seperti tampak pada Gambar 5., untuk nilai RD yang semakin besar, waktu bangkit arus plasma semakin cepat, sedangkan waktu peluruhannya semakin lambat, namun arus plasmanya juga semakin mengecil. Data yang diperoleh ini sangat penting, karena untuk memperoleh kerapatan ion yang tinggi diperlukan juga arus yang besar. Dari data yang diperoleh, tampaknya RD sekitar 3-5 kali lebih besar daripada impedansi karakteristik Z. Sedangkan untuk RD yang besar, tampaknya sistem tidak efisien, karena arus plasmanya terlalu rendah.

Dengan memilih RD tetap, sedangkan RP divariasi untuk 0.01, 0.005, 0.2 dan 0.5, maka penampilannya diperlihatkan menurut Gambar 6 (a), (b), (c) and (d).

(a) (b)

(c) (d)

Gambar 5. Arus plasma sebagai fungsi waktu untuk variasi RD =1, 5, 10, 20

(a) (b)

(c) (d)

Gambar 6. Arus plasma sebagai fungsi waktu untuk RP = 0.01, 0.05, 0.2, 0.5.

Seperti halnya untuk RD yang semakin besar, tampaknya dengan semakin besarnya RP, arus plasma semakin menurun, waktu peluruhan semakin lambat, dan waktu bangkit semakin cepat. Maka, disimpulkan bakwa semakin rendahnya RP, semakin besar pula arus plasmanya.

Untuk lebih memahami karakteristik suatu sistem, dapat diambil contoh data sebagai berikut ini, V0 = 50 kV, C=5µF, L0=50 nH pada suatu sistem dengan Rp=0.2 seperti diperlihatkan Gambar 6(c). Dengan kondisi seperti di atas maka dari persamaan (2) akan diperoleh data berikut ini,

A V F nH kV C L V I 5 6 8 4 0 0 0 5.10 10 10 10 5 5 50 50 ₌ × ₌ = = − − µ , det 10 . 5 10 10 5 8 6 7 0 0 L C ik t _{= =} − − ₌ − Ω = = 0 0.1 0 C L Z

Dari Gambar 6(c), maka diperoleh arus plasma Iplasma=0.18×I0 =90kA, dan tegangan dibejana plasmanya hanya Vplasma =Rp×Z0×Iplasma

kV kA 0.9 90 2 . 0 1 . 0 × × =

= . Dengan demikian bila

elektrode grid bagian dalam dikenai tumbukan partikel yang hanya mengalami percepatan 0.9 kV, maka grid kemungkinan besar tidak akan mengalami kerusakan berarti, namun demikian bila dengan merubah parameter lain seperti menaikkan tegangan sehingga tegangan pemercepat plasmanya misalnya sampai 9 kV, maka grid akan mengalami proses seperti sputtering, sehingga kemungkinan besar grid akan cepat rusak. Pada hal untuk mencapai yield produk fusi yang tinggi diperlukan tegangan operasi yang tinggi,sehingga partikel akan

mengalami tegangan percepatan yang tinggi pula, sehingga konsep PIE dengan sistem elektrode grid akan mengalami hambatan, karenanya diperlukan konsep baru yang bebas pemakaian grid, dan konsep baru yang dikenal dengan Polywell kemungkinan besar akan menggusur konsep PIE berbasis grid.

Hasil perhitungan di atas belum mencermin-kan piranti sesungguhnya, namun demikian hasil tersebut sangat bermanfaat sebagai pemahaman dasar dalam perancangan sistem PIE.[4]

KESIMPULAN

Telah ditunjukkan prinsip dasar pengung-kungan inersial eletrostatik pulsa berdasarkan pada lucutan lasma. Dengan menggunakan persamaan sederhana, dapat diperlihatkan karakteristik arus plasma. Arus plasma yang semakin tinggi dapat diharapkan untuk memperoleh kerapatan ion terkungkung yang cukup besar. Dengan semakin besarnya kerapatan ion yang dikungkung secara elektrostatik ini maka bila ion tersebut merupakan elemen bahan bakar fusi, diharapkan terjadi reaksi fusi dengan yield produk fusi yang cukup tinggi. Namun demikian untuk mendapatkan yield produk fusi yang tinggi diperlukan pula tegangan operasi yang juga tinggi, dan berakibat pada kemungkinan mempercepat kerusakan grid. Oleh karena itu perlu dimunculkan konsep PIE baru yang tidak berbasis grid,dan konsep PIE baru ini dikenal dengan Polywell.

UCAPAN TERIMA KASIH

Salah satu penulis (W.U) mengucapkan banyak terima kasih kepada Ka. PTAPB-BATAN atas pemberian gagasan konsep PIE serta pemberian banyak makalah referensi. Diucapkan terima kasih kepada Prof. Darsono yang sering memberikan pemikiran kritisnya, demikian pula kepada Ka. BTAFN. Kepada Prof. Anggraita yang memberikan bahan referensi tentang aneutronic fusion yang bagi salah satu penulis (W.U) mengilhami masuknya gagasan baru untuk mempelajari aplikasi konsep polywell untuk aneutronic fusion.

REFERENSI

1. WIDDI USADA, Pengungkungan Inersial Elektrostatik (PIE), diterbitkan dalam majalah Buletin Caraka Nuklida, 2008.

2. Polywell, in Wikipedia, free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Polywell,2006.

3. WIDDI USADA, ET AL, Concept of Electron Source Based on Pulsed Plasma Discharge, presented in International Workshop on Plasma Focus, 14-15 July, 2008 at Kuala Lumpur, Malaysia.

4. S. LEE, Basic Methods Of Plasma Technology, in Proceedings of 1984 Tropical College on Applied Physics, Laser and Plasma Techno-logy, edited by S. Lee, et al, World Scientific Publish Co. Pte, Ltd, 1985.

5. W. USADA DKK., Prinsip Dasar Rancangan Sumber Elektron Berbasis Plasma Pulsa Tipe Dioda, submitted for presentation in Scientific Meeting on Nuclear Technology, July, 2008.

TANYA JAWAB

Budi Santosa MT

− Bagaimana perbedaanya dengan sistem Plasma Fokus dalam menghasilkan neutron?

− Mengapa tabung pengungkungan plasma dimodelkan dengan L dan R.

Widdi Usada

− Pada plasma Fokus, sebelum pemfokusan, plasma telah mempunyai energi kinetik tertentu karena didorong oleh Gaya Lorentz ke arah aksial pada fase run-down, sehingga pada saat fase pemfokusan tumbukan partikel akan sangat kuat sehingga kebolehjadian reaksi fusi besar, namun karena waktunya sangat pendek dalam orde nano detik, jumlah neutron totalnya kecil meskipun neutron burst-nya (semburan neutron) dalam waktu yang sangat singkat tersebut sangat besar. Lain halnya dengan konsep pengungkungan inersial elektrostatik, konsep ini dapat dioperasikan baik pulsa maupun kontinyu, dan ini merupakan kelebihannya, namun karena ke-cepatan tumbukan tidak begitu besar, keboleh-jadian reaksi fusi kecil. Untuk mendapatkan kebolehjadian reaksi fusi besar maka ada 2 cara yaitu dengan menaikkan tegangan elektrosatik atau sebelumnya ion-ion plasma sudah mem-punyai energi awal dari sumber ionnya.

− Pada umumnya demikian, karena dalam plasma yang dioperasikan dalam mode pulsa, saat terjadi break-down, bentuk pulsa arusnya berubah, misalkan peluruhannya lebih lambat berarti ada tambahan tahanan dari plasma, maka plasma memberikan sumbangan tahanan Rp, demikian juga periode osilasinya akan mengalami penambahan, yang berarti plasma menyumbang

induktansinya sehingga plasma tersebut mem-punyai induktansi plasma Lp tertentu.

Anwar Ilmar. R.

− Bagimana cara kerja konsep pengungkungan plasma tersebut?

− Perbedaan konsep pengungkungan plasma ini dengan pengungkungan plasma yang lain misalkan tokamak?

Widdi Usada

− Sesuai dengan definisi pengungkungan plasma yaitu usaha untuk mendapatkan plasma dengan kerapatan (n) dan suhu (T) tertentu dalam rentang waktu tertentu (t), maka dalam konsep pengungkungan plasma elektrosatik ini, yang

mengungkung adalah medan elektrostatik atau potensial listriknya, melalui proses percepatan akibat gaya tarik elektrostatik.

− Dalam plasma usaha untuk mengungkungan plasma ada 4 yaitu pengungkungan magnetik seperti pada tokamak, stelerator, cermin, pinch,

pengungkungan gravitasi seperti pada matahari,

bintang, pengungkungan inersial seperti dengan laser atau berkas ion, dan pengungkungan

elektrosatik yang disampaikan dalam makalah

ini. Khusus untuk tokamak pengungkungan plasma sangat rumit, yaitu diantaranya dengan medan toroidal dan medan poloidal, dengan cara ini plasma yang dikungkung dapat dalam volume yang sangat besar, oleh karena itu tokamak diarahkan dalam konsep PLTN Fusi .