reaksi nuklir

REAKSI NUKLIR

Sulistyani, M.Si.

KONSEP

• Reaksi nuklir m erupakan proses pengubahan inti atom m elalui reaksi pertukaran dengan partikel-partikel dasar penyusun inti atom .

• Reaksi nuklir buatan pertam a kali dilakukan oleh Rutherford (tahun 1919), yaitu dengan m enem baki inti nitrogen dengan partikel alfa yang berasal dari peluruhan 214Po.

+ α → p + Inti sasaran proyektil Partikel yang

dipancarkan Inti hasil

• Reaksi pen em bakan in ti diken al den gan istilah tran sm utasi in ti.

• Sebagian besar reaksi n uklir berlan gsun g m elalui tahap an tara, yaitu m em ben tuk in ti tran sisi atau in ti m ajem uk, baru kem udian berubah m en jadi in ti hasil.

Dapat ditulis:

Perbedaan Reaksi Nukl ir dibandingkan dengan

Reaksi Kimia

• Pada reaksi kim ia, jum lah pereaksi dan hasil reaksi dinyatakan dalam m ol, sedangkan pada reaksi nuklir berhubungan dengan m assa m asing-m asing atom .

• Perubahan energi pada reaksi kim ia dinyatakan dalam J / m ol, sedangkan pada reaksi nuklir dinyatakan dalam eV atau MeV. (96 kJ / m ol = 1 eV)

• Pada reaksi kim ia, unsur-unsur yang terlibat reaksi tetap utuh

hanya ikatan atom nya yang berubah, sedangkan pada reaksi nuklir terbentuk nuklida baru.

• Energi yang dihasilkan pada reaksi nuklir jauh lebih besar daripada reaksi kim ia.

Mekanisme Reaksi Nuklir

• Terjadi bila energi proyektil kurang dari 50 MeV.

• Ex:

Reaksi nuklir yang m elalui pem bentukan inti m ajem uk

+ β +

α +

γ +

2n + H asil Analisis; proyektil lebih lam a berada

di dalam inti sasaran dari pada waktu transit yang diram alkan pada perhitungan

kecepatan partikel dan diam eter inti.

Reaksi nuklir langsung (tanpa pem bentukan inti m ajem uk)

• Terjadi bila energi proyektil lebih dari 50 MeV.

Energi yang dilepaskan at au diperlukan pada reaksi nuklir

• J ika ΔE negatif m aka reaksi nuklir tersebut m em erlukan energi. Energi yang diperlukan dapat diberikan pada reaksi tersebut sebagai energi kinetik

proyektil.

• Perlu diingat, tidak sem ua energi kinetik proyektil diubah m enjadi energi eksitasi inti m ajem uk yang terbentuk, tetapi dapat juga sebagai energi pental inti m ajem uk, sedangkan energi yang dibebaskan pada reaksi nuklir m uncul sebagai energi kinetik dari hasil-hasil reaksi.

Ex: Untuk reaksi nuklir A(x,y)B

ΔE = (m_A + m _x – m B – m _y) × c2

ΔE = (m_A + m _x – m B – m _y) × 931,5 MeV

ΔE = (Δ _A + Δ_x – ΔB – Δ_y) × MeV

• Proyektil yang digunakan pada reaksi nuklir dibedakan m enjadi partikel tidak berm uatan (neutron) dan partikel yang berm uatan (proton, deutron , partikel alfa, xenon, dan uranium ).

• Partikel yang berm uatan dihasilkan oleh radionuklida, yang kem udian diubah m enjadi partikel berm uatan berenergi tinggi dengan m enggunakan alat pem ercepat ion sistem m elingkar (siklotron ).

• Radionuklida yang dihasilkan dari reaksi nuklir dengan proyektil berm uatan um um nya radionuklida kekurangan neutron, sehingga akan m eluruh dengan m em ancarkan sinar positron atau tangkapan elektron.

Jenis-j enis proyekt il neut ron berdasarkan energinya

• Neutron term al, berenergi ~ 0 ,0 25 eV . Neutron ini m em iliki distribusi energi ham pir sam a dengan distribusi energi m olekul-m olekul gas dalam keseim bangan term al pada tem peratur biasa.

• Neutron epiterm al, berenergi ~ 1 eV

• Neutron lam bat, berenergi ~ 1 keV

• Neutron cepat, berenergi ~ 0 ,1 – 10 MeV

Pada gen erator n eutron, berkas deutrium dipercepat oleh pem ercepat linier (akselerator) dan dikenakan pada sasaran tritium (₁3_{H ). Reaksi:}

13H (d,n)24H e.

Reakt or Nuklir

•

Reaktor Nuklir pertam a kali dibuat oleh Ferm i

tahun 1942.

•

Reaktor nuklir dikelom pokkan m enjadi reaktor

penelitian dan reaktor daya.

•

Reaktor penelitian dirancang sebagai penghasil

neutron yang dapat digunakan untuk

pem buatan radionuklida, untuk analisis, dsb.

•

Pada reaktor nuklir berlangsung reaksi pem belahan inti (reaksi

fisi)berantai secara terus m enerus dan terkendali.

•

Ada dua reaksi fisi, yaitu reaksi fisi dengan neutron cepat (n*) dan

reaksi fisi dengan neutron term al. Ex:

1

0

n +

23592

U

→

23692

U*

→

14456

Ba +

8936

Kr + 3

10

n + E

1

0

n +

23592

U

→

23692

U*

→

14056

Ba +

9436

Kr + 2

10

n + E

•

Energi yang dihasilkan pada reaksi fisi tersebut ~ 20 0 MeV dan

energi neutron yang dihasilkan ~ 2MeV.

•

Agar neutron dapat m elangsungkan reaksi fisi selanjutnya, neutron

harus diperlam bat m enjadi neutron term al. Alat yang digunakan

untuk m em perlam bat neutron disebut m oderator (air, air berat

(D2O), berilium , atau grafit).

•

Reaksi fisi selanjutnya dikendalikan dengan m enggunakan batang

kendali, berfungsi m enyerap neutron hingga jum lah neutron di

dalam teras reaktor sesuai keperluan. Dengan kata lain batang

kendali m engatur jum lah reaksi fisi dan jum lah energi yang

Komponen-komponen reakt or nuklir

• Tangki reaktor,

• Perisai radiasi

• Teras reaktor, m erupakan susunan elem en bahan bakar, batang kendali ditem patkan pada lubang-lubang plat kisi m enurut

konfigurasi tertentu, dan reflektor.

• Fasilitas irradiasi dan ekesperim en

- Penyalur berkas neutron, berfungsi untuk irradiasi sam pel dengan ukuran agak besar.

- Kolom term al, berfungsi untuk irradiasi dengan neutron term al.

- Saluran tengah, berfungsi untuk keperluan irradiasi atau eksperim en dengan fluks neutron m aksim um .

- Fasilitas bulk shielding, berupa bak air yang dihubungkan dengan kolom term alisasi. Kom ponen ini digunakan untuk eksperim en perisai dan untuk m enyim pan sem entara bahan bakar bekas.

- Perangkat subkritik, sebagai sum ber neutron tetap

Pressurized Wat er React or

Bahan Bakar Nuklir

• Bahan bakar nuklir adalah bahan yang dapat m engalam i reaksi fisi.

• Bahan bakar yang paling banyak digunakan adalah uranium .

• Uranium di alam tidak dalam keadaan bebas, tetapi dalam bentuk m ineralnya, di antaranya pitchblende, uranit, dan carnotite.

• Uranium di alam terdapat 2 isotop, yaitu ₉₂235_{U (0 ,7% berat) dan} 92238U (99,3% berat).

• ₉₂235_{U m erupakan bahan fisil, yaitu bahan dapat belah artinya dapat}

langsung bereaksi dengan neutron term al m elakukan reaksi fisi nuklir.

• ₉₂238_{U m erupakan bahan fertil, yaitu bahan tidak dapat belah}

artinya tidak dapat m elangsungkan reaksi fisi dengan neutron term al. Nuklida fertil lainnya adalah ₉₀232Th.

• ₉₂238_{U dan}

Pengolahan uranium alam

• Proses konsentrasi, konsentrat uranium disebut yellow cake.

• Proses pem urnian, hingga m encapai kem urnian 99,9%.

• Proses pabrikasi, m em bentuk serbuk m enjadi elem en bahan bakar

Mining

•

Uranium ore is usually

located aerially;

core

sam ples are then

drilled

and analyzed by

geologists. The

uranium ore is extracted by m eans of drilling and

blasting. Mines can be in either open pits or

underground. Uranium concentrations are a

sm all percentage of the rock that is m ined, so

tons of tailings waste are generated by the

Milling & Leaching

•

The ore is first crushed into sm aller bits,

then it is sent through a ball m ill where it

is crushed into a fine powder. The fine ore

is m ixed with water, thickened, and then

put into leaching tanks where 90 % of the

uranium ore is leached out with sulfuric

acid. Next the uranium ore is separated

from the depleted ore in a m ultistage

washing system . The depleted ore is then

neutralized with lim e and put into a

Yellowcake

•

Meanwhile, the uranium

solution is filtered, and then

goes through a solvent

extraction process that includes

kerosene and am m onia to

purify the uranium solution.

After purification the uranium

is put into precipitation tanks—

the result is a product

Transport at ion

•

In the final processes the

yellow cake is heated to

8 0 0

˚Celcius which makes a

dark green powder which is

98 % U

3

O

8

.

The dark green

powder is put into 20 0 liter

drum s and loaded into

shipping containers and are

shipped overseas to fuel

Conversion

•

_{gas form of UF6. This is called}

To enrich uranium it m ust be in the

conversion. The conversion diagram

shown here is from Honeywell. First

the yellow cake is converted to uranium

dioxide through a heating process (this

step was also m entioned in the m ining

process). Then anhydrous hydrofluoric

acid is used to m ake UF4. Next the UF4

is m ixed with fluorine gas to m ake

Enrichment

•

Uranium enrichm ent increases the am ount of U235 in

com parison to U238 . Dom estic power plants use a m ixture that

is 3-5% U235, while “highly enriched uranium ” is generally

used for weapons, som e research facilities, and naval reactors.

Dom estic reactors usually require fuel in the form of uranium

dioxide and weapons use the enriched m ix in the form of a

m etal. The conversion and enrichm ent process is very

dangerous because not only is the uranium hexafluoride

radioactive, it is also chem ically toxic. In addition, if the

uranium hexafluoride com es in contact with m oisture it will

release another very toxic chem ical called hydrofluoric acid.

There have been num erous accidents during the conversion and

enrichm ent process. Depleted uranium is the waste that is

Fuel Fabricat ion

•

After being enriched, the

UF6 is taken to a fuel

fabrication facility that

presses the powder into sm all

pellets. The pellets are put

into long tubes. These tubes

are called fuel rods. A fuel

assem bly is a cluster of these

sealed rods. Fuel assem blies

go in the core of the nuclear

reactor. It takes

approxim ately 25 tonnes of

fuel to power one 10 0 0 MWe

reactor per year. The picture

Tampang Lint ang (Cross Sect ion) Reaksi Nuklir

• Kem un gkin an terjadin ya reaksi n uklir disebut pen am pan g lin tan g (σ) yan g m em pun yai dim en si luas.

• Tam pan g lin tan g dapat diban din gkan den gan tetapan laju reaksi.

• Ex: Reaksi kim ia A + B →D , m aka laju reaksin ya din yatakan dC_D/ dt = kC_AC_B

• Den gan cara sam a, un tuk reaksi n uklir A(x,y)B din yatakan : dN_B/ dt = σ Q_xN_A

• N_A dan N_Badalah jum lah atom A dan B per satuan volum , Q_xadalah fluks yaitu jum lah proyektil per satuan luas per waktu (cm-2_s-1_{), dan} σ _{adalah tam pan g lin tan g.}

• Bila berkas partikel jen is x den gan fluks Q m en abrak lapisan tipis atom A den gan ketebalan s, m aka pada saat partikel m em asuki lapisan den gan ketebalan ds, fluks partikel akan berkuran g sebesar:

• -dQ_x= σ Q_x N_Ads jika diin tegralkan akan diperoleh:

Penampang Lint ang

Bila ada reaksi nuklir lainnya m aka cross section reaksi adalah cross section total.

Satuan cross section reaksi nuklir adalah barn, 1 b = 10-24 _cm2_.

Cross section sebagian besar reaksi bergantung pada energi proyektil sehingga kebolehjadian terjadinya reaksi nuklir m erupakan fungsi energi proyektil, yang berupa energi kinetik proyektil yang dipindahkan ke inti m ajem uk sebagai energi eksitasi inti m ajem uk. Ketergantungan

Cross sections of several nuclear reactions of protons with 63_{Cu as a function of their}

Reaksi Nukl ir dengan Part ikel Bermuat an

• Proyektil partikel berm uatan (proton, deutron , partikel alfa) m am pu m enabrak inti jika energinya dapat m engatasi potensial penghalang inti sasaran.

• Tingginya potensial penghalang (Ec) tergantung pada nom or atom inti sasaran dan nom or atom proyektil.

Ec = (1/ 4∏εo) (Z1eZ2e/r) εo =8,8542 10-12C2s-1 m-2 • Bila Ec dalam MeV dan r dalam cm , m aka

Ec = 1,44.10-13 _{(Z1Z2/ r) MeV dengan r adalah jarak dim ana gaya inti}

m ulai bekerja yaitu: r = r_o(A11/ 3 _{+ A2}1/ 3 _{) dim ana r}

o = 1,4.10-13 cm • Cross section m aksim um untuk reaksi absorpsi partikel-partikel

berm uatan um um nya m endekati ∏ r2 (r = jarak antara pusat inti partikel proyektil dan inti sasarn bila keduanya bertem u) sehingga dinyatakan sebagai jari-jari pertukaran reaksi inti.

Reaksi Nuklir dengan Neut ron

• Neutron tidak berm uatan sehingga neutron m udah m endekati inti tanpa ditolak oleh m uatan inti atom sasaran.

• Neutron m udah ditangkap oleh inti sasaran dengan m akin berkurangnya kecepatan neutron.

• Σ_c ~ 1/ v ~ 1/ E1/ 2

• Sebagian besar reaksi nuklir yang m elibatkan neutron term al adalah proses tangkapan neutron, dim ana energi eksitasi inti m ajem uk

dihilangkan dengan pem ancaran sinar gam m a (n,γ).

• Reaksi neutron yang m em ancarkan partikel berm uatan setelah

m enangkap neutron seperti (n,p) atau (n,α) m erupakan reaksi yang terjadi dengan m elalui energi am bang (threshold reaction).

Perhit ungan Hasil pada Reaksi Nuklir

• Untuk reaksi A(x,y)B, laju pem bentukan nuklida B adalah: dN_B/ dt =

σQ_xN_A

• Dengan asum si fluks dan energi proyektil konstan selam a m elalui volum sasaran (sasaran diasum sikan relatif tipis), jum lah inti yang transm utasi dalam reaksi nuklir diabaikan , cross section kecil.

• Bila nuklida hasil bersifat radioaktif, m aka peluruhan selam a waktu iradiasi harus diperhitungkan . dN_B/ dt = σQ_xN_A- λN_B

• Pada integrasi antara t=0 dan t=t, pada t=0 m aka N_B=0 sehingga N_B = (σQ_xN_A/ λ) (1 - e-λt)

• Oleh karena A=-dN_B/ dt= λN_B m aka A_B(t)= (σQ_xN_A) (1 - e-λt₎

• J ika N_A=(L ×I_A×m_A)/ Ar_Am aka A_B(t)= (σQ_x L ×I_A×m_A)/ Ar_A) (1 - e-λt₎ • Radioaktivitas nuklida yang diiradiasi selam a waktu t kem udian

• AD VAN TAGES

 Nuclear power gen eration does em it relatively low am oun ts of

carbon dioxide (CO2). The em ission s of green house gases

an d therefore the con tribution of n uclear power plan ts to

global warm in g is therefore relatively little.

 This techn ology is readily available, it does n ot have to be

developed first.

 It is possible to gen erate a high am oun t of electrical en ergy in

• D IS AD VAN TAGES

 Nuclear power plan ts as well as n uclear waste could be preferred targets for terrorist attacks..

 Durin g the operation of n uclear power plan ts,

radioactive waste is produced, which in turn can be

used for the production of n uclear weapon s

.

 Nuclear reactors have a high risk, especially if there is