2.1
2.1 Reaktor Reaktor FisiFisi
Reaktor merupakan tempat terjadinya suatu reaksi. Reaktor fisi merupakan tempat terjadinya suatu Reaktor merupakan tempat terjadinya suatu reaksi. Reaktor fisi merupakan tempat terjadinya suatu reaksi fisi. Dua aspek penting, dimana fisi nuklir
reaksi fisi. Dua aspek penting, dimana fisi nuklir berbeda dari reaksi nuklir lainnya yakni meliputi:berbeda dari reaksi nuklir lainnya yakni meliputi:
1.
1. Dalam masing-masing fisi lebih dari satu neutron diproduksi untuk penyerapan masing-masingDalam masing-masing fisi lebih dari satu neutron diproduksi untuk penyerapan masing-masing neutron. Dalam fisi U
neutron. Dalam fisi U235235 dengan neutron termal sebagai contoh 2,5 neutron rata-rata dipancarkan dengan neutron termal sebagai contoh 2,5 neutron rata-rata dipancarkan pada
pada masing-masing masing-masing fisi. fisi. Ini Ini artinya artinya dibalik dibalik kondisi kondisi yang yang sebenarnya sebenarnya fisi fisi dapat dapat menjadi menjadi penopangpenopang dalam reaksi sendiri dan reaksi rant
dalam reaksi sendiri dan reaksi rantai adalah suatu kemungkinan.ai adalah suatu kemungkinan. 2.
2. Dalam masing-masing fisi kira-kira 200 MeV energi lepas, lebih dari yang mana (2165 MeV)Dalam masing-masing fisi kira-kira 200 MeV energi lepas, lebih dari yang mana (2165 MeV) dibawa pergi dengan
dibawa pergi dengan bagian fisi. bagian fisi. Energi ini tersedia dalam bEnergi ini tersedia dalam bentuk panas dan entuk panas dan mungkin dmungkin digunakanigunakan untuk tujuan memproduksi kekuatan.
untuk tujuan memproduksi kekuatan.
Reaksi fisi nuklir dibuat mungkin untuk memproduksi kekuatan dengan menggunakan 2 aspek ini. Reaksi fisi nuklir dibuat mungkin untuk memproduksi kekuatan dengan menggunakan 2 aspek ini. Penopang diri rangkaian nuklir memungkinkan hanya jika nomor neutron diproduksi dalam membuat Penopang diri rangkaian nuklir memungkinkan hanya jika nomor neutron diproduksi dalam membuat generasi lebih banyak atau sama dengan generasi terdahulu. Sebuah kuantitas penting k, disebut faktor generasi lebih banyak atau sama dengan generasi terdahulu. Sebuah kuantitas penting k, disebut faktor reproduksi atau faktor memperbanyak
reproduksi atau faktor memperbanyak yang dirumuskan dengan:yang dirumuskan dengan:
th th n n dalam dalam generasi generasi neutron neutron nomor nomor th th n n dalam dalam generasi generasi neutron neutron nomor nomor k k (( 11))
Bila nomor neutron diproduksi dalam banyak generasiadalah sama, untuk itu generasi terdahulu atau Bila nomor neutron diproduksi dalam banyak generasiadalah sama, untuk itu generasi terdahulu atau jika
jika k=1 k=1 takkan takkan menjadi menjadi kritiskritis.. Selain itu, jika k<1 itu berarti nomor neutron dalam banyak generasi lebih Selain itu, jika k<1 itu berarti nomor neutron dalam banyak generasi lebih sedikit dari generasi sebelumnya. Sistem dilihat menjadi subkritis atau memusat.
sedikit dari generasi sebelumnya. Sistem dilihat menjadi subkritis atau memusat.
Sistem yang mana k>1, nomor neutron dalam banyak generasi lebih banyak daripada generasi Sistem yang mana k>1, nomor neutron dalam banyak generasi lebih banyak daripada generasi sebelumnyayang disebut superkritis atau menyimpang. Disamping itu, untuk memperoleh kekontinuan, sebelumnyayang disebut superkritis atau menyimpang. Disamping itu, untuk memperoleh kekontinuan, penyeragaman
penyeragaman penyediaan penyediaan kekuatan kekuatan dari dari reaktor reaktor fisi, fisi, sistem sistem harus harus menjadi menjadi kritis. kritis. Untuk Untuk sebuah sebuah sistemsistem superkritis kekuatan akan bertambah kontinudan finalnya akan menjadi tak terkontrol (akhir dalam ledakan superkritis kekuatan akan bertambah kontinudan finalnya akan menjadi tak terkontrol (akhir dalam ledakan digunakan dalam bom atom). Alam sistem subkritis kekuatannya akan menurun dan sistem mungkin akan digunakan dalam bom atom). Alam sistem subkritis kekuatannya akan menurun dan sistem mungkin akan mengalami penurunan level kekuatan menjadi nol. Dalam reaktor nuklir, simbol
mengalami penurunan level kekuatan menjadi nol. Dalam reaktor nuklir, simbol k k dibuat lebih besar dibuat lebih besar daripada persatuan dan setelah level kekuatan dapat dijangkau,
daripada persatuan dan setelah level kekuatan dapat dijangkau, k k adalah sebuah persatuan. Tujuan dari adalah sebuah persatuan. Tujuan dari desain reaktor adalah untuk mencapai sebuah system kritis. Untuk inti U
desain reaktor adalah untuk mencapai sebuah system kritis. Untuk inti U235235 yang hanya terjadi alami itu yang hanya terjadi alami itu terurai dengan neutron termal. Uranium alami adalah sebuah kombinasi dari isotop U
terurai dengan neutron termal. Uranium alami adalah sebuah kombinasi dari isotop U235235 dan U dan U238238 dalam dalam rasio 1: 138 yang berarti itu lebih dari cukup. U
rasio 1: 138 yang berarti itu lebih dari cukup. U235235 dari uranium alami hanya 0,71% dari berat karena dari dari uranium alami hanya 0,71% dari berat karena dari property
property kimia kimia identik identik 2 2 isotop isotop pemisahan pemisahan UU235235 dari U dari U238238 adalah sebuah proses yang mahal. Hal ini adalah sebuah proses yang mahal. Hal ini terlaksana dengan menggunakan perbedaan kecil dari dasar difusi mereka. Itu tidak mungkin untuk terlaksana dengan menggunakan perbedaan kecil dari dasar difusi mereka. Itu tidak mungkin untuk mencapai sebuah siste kritis ang menggunakan uranium alami untuk fisi, karena neutron diserap proses mencapai sebuah siste kritis ang menggunakan uranium alami untuk fisi, karena neutron diserap proses
nonfisi kedua dalam U235 dan U238. proses ini dapat dimengerti dengan menimbang kisah hidup dari sebuah produksi neutron pada fisi.
A. Siklus Kehidupan Dari Produksi Neutron Pada Fisi
Produksi neutron pada fisi lebih memiliki energi dimanapun dari termal kira-kira 18MeV. Kemudian kita menimbang dari sebuah grup representative dari produk neutron sebelumnya pada fisi dan melihat apa yang terjadi pada waktu kehidupan beikutnya. Karena kita tertarik pada fisi dari U235 dengan neutron termal, itu penting dalam melambat neutron ini untuk energi termal dengan menggunakan beberapa perantara (diantaranya:air, air keras, atau karbon) dengan uraian materi.
Kita akan mempertimbangkan siklus kehidupan dari masa lalu neutron tunggal tentang penggolongan energi:
1. Fisi Cepat (ε)
Karena U238 adalah penguraian dengan fast-neutron, ada beberapa kemungkinan fast-neutron akan menyebabkan terjadinya penguraian. Ini mungkin ditunjukkan dengan ε disebut fa ktor fisi cepat. Diawali dengan satu neutron, kemudian kita memiliki (ε >1) neutron
2. Fast Nonleakage
Pada proses perlambatan ada beberapa kesempatan fast-neutron akan meninggalkan sistem. Jika Pt
mewakili fast-nonleakage kemungkinan kita akan ditinggalkan dengan εPt pada akhirnya ketika ε(1-Pt) meninggalkan sistem.
3. Resonansi lepas (p)
U238 memiliki puncak bagian resonansi sangat kuat pada tingkat energi dari 5 eV menjadi 200eV. Sebelum masing-masing energi termal, beberapa fraksi dari εPt neutron akan diserap dengan resonansi penyerap ini. Kita sebut p sebagai sebuah kemungkinan resonansi lepas. Rata-rata, εP pt
neutron akan menjangkau energi termal yang melepaskan penyerapan resonansi. Pecahan absorber pada puncak resonansi adalah εPt(1-p)
4. Thermal nonleakage (P f )
Rata-rata kita tahu εPf p neutron pada energi termal. Sebelum neutron diserap pada proses fisi dan
non fisi, ada beberapa kemungkinan sebuah pecahan akan meninggalkan system. Jika kita sebut thermal-nonleakage dengan Pf, kita akan ditinggalkan dengan εPf pPt neutron termal tersedia untuk
penyerapan. Nomor neutron meninggalkan system pada energi termal εPf p (1-Pt).
5. Thermal Utilization/ Pemanfaatan Termal (F)
jalan ini yang ditunjukkan dengan f yang disebut factor pemanfaatan termal. Nomor neutron diserap oleh uranium, kemudian εPf pPt f, ketika rata-rata nomor neutron diserap oleh material
selain uranium yaitu εPf pPt(1-f).
6. Fisi
ε P pPt f f neutron termal diserap oleh uranium. Bila v mewakili nomor neutron yang
diproduksi/dihasilkan dalam sebuah reaksi fisi dari U235 dengan neutron termal (v ≈ 2,5 dalam kejadian ini). Kemudian nomor neutron η diproduksi per neutron termal absorber oleh uranium dibuat dengan 238 235 238 235 235 235 238 235 235 235 ) / ( C c f f c c f f N N v r
………..(1)Dimana f 235 adalah reaksi fisi cross-section(panampang-lintang) dari U235 ke neutron termal, ketika
235
c
dan 238
c
menangkap cross-section untuk proses non-fisi oleh U235 dan U238.Σ’s menunjukkan
makroskopik cross-section. N238 dan N235 adalah sebuah nomor atom per unit volume dari U238 dan
U235 berturut-turut. Untuk U235, pada uranium alami η adalah 1,3 dan r = 2,5 , N238/N235 = 0,00715.
Untuk masing-masing neutron tercepat total nomor neutron tersedia di akhir siklus adalah εPf pPt fη
dan disebut konstanta reproduksi efektif dari reaktor.
K eff = η εpfPt Pf ………... (2)
Ini disebut rumus 6 faktor. Semua proses diilustrasikan pada gambar 1. Hal tersebut mungkin yang diperhatikan adalah fak tor η dan energi ε masing-masing disebut satuan, ketika η, ε, p,dan f hanya bergantung pada property dan konfigurasi dari materi reaktor (bahan baker fusi dan perantara), Pt dan Pf
bergantung pada konfigurasi geometri dan ukuran keseluruhan dari reaktor adalah suatu perubahan infinit, total kemungkinan nonleakage, P= Pt Pf . akan menjadi persamaan. Persamaan (1) pada beberapa kejadian
pengurangan ke (Pt = Pf= 1)
K ∞= η εpf ……….. (3)
Dimana, K ∞ disebut konstanta reproduksi infinit. Kemudian
K eff= K ∞P ……… (4)
B. Rancangan Reaktor Nuklir
Penemuan seorang perancang reaktor inti adalah untuk melakukan penyesuaian enam faktor di dalam Eq. yang sedemikian rupa disusun sehingga K eff 1. Sebagai contoh, kita akan bicarakan tentang
perancangan suatu reaktor inti yang menggunakan neutron termal.
Jika bahan bakar reaktor adalah uranium alami, tidak mungkin untuk mencapai suatu reaksi berantai dengan penggunaan tinggi antara energi netron. oleh karena panampang-lintang absorpsi resonansi yang tinggi U238. jika neutron cepat diijinkan untuk melambatkan masa lampau resonansi tanpa banyak penyerapan, suatu reaksi berantai akan mungkin oleh digunakan neutron termal. dalam rangka mencapai
mempercepat melambatkan masa lalu netron, suatu material dari nomor massa rendah digunakan sebagai suatu moderator dengan uranium. seseorang boleh berpikir bahwa suatu derajat tinggi akan melambatkan pencapaian jika uranium dicampur dengan pakaian seragam dengan moderator itu.
fast neutron 1 fast neutron Pf neutron Pf p neutron termal (1- P f ) kebocoran neutron Pf (1-p) diserap pada U238 P fpPt neutron termal Pf p (1-Pt) kebocoran neutron Pf p Pt (1-f)
neutron diserap pada U238,
perantara, dll Fast fision pada U238
perlambatan Penyerapan resonansi penghamburan penyerapan pfPt Pf
neutron yang tersedia utuk siklus
P f pPtf
neutron diserap pada
238
fissi
Gambar 2
Hal itu ditemukan bahwa suatu reaksi berantai menyimpang tidaklah mungkin sebab absorpsi resonans U238 masih sangat tinggi. Seragam yang mencampurkan moderator dengan bahan bakar akan meningkatkan penyerapan oleh moderator juga. Suatu reaksi berantai menyimpang adalah mungkin suatu homogen thermal
reaktor yang menggunakan uranium alami.
Suatu reaksi berantai menyimpang adalah mungkin dengan uranium alami saja. Jika reaktor menjadi literogeneous reaktor yang berkenaan dengan panas magnetik. di dalam reaktor macam ini, gumpalan uranium yang terpisah dalam wujud jalan membentuk suatu kisi-kisi di dalam suatu acuan matriks akan melembutkan material ketika ditunjukkan di dalam gambar pengaturan ini mempunyai suatu keuntungan yang yang lampau netron yang diproduksi oleh pembelahan pada tangkai meninggalkan tangkai itu dan diperlambat di dalam melingkupi melembutkan material tersebut.
Absorpsi resonansi di dalam U238 dikurangi oleh jumlah besar sebab U238 pada permukaan tangkai ada yang tersedia. setelah diperlambat, kaleng netron dengan mudah pergi di dalam bahan bakar dan hasil pembelahan, dan suatu reaksi berantai menyimpang diproduksi.
Reaktor yang berkenaan dengan panas homogen hanya mungkin dengan uranium yang diperkaya dengan isotop U235. mungkin nampak ukuran phisik reaktor itu mempunyai suatu keuntungan sebab hasilnya membuat P menjadi sama dalam kesatuannya.
Keuntungan ini adalah kebalikan dengan fakta bahwa ukurannya meningkatkan penyerapan di dalam material yang tidak dapat dibelah menjadi atom dan mengurangi f dengan sangat. f bervariasi, oleh karena itu, persisnya kebalikan caranya untuk P dengan ukuran unsur bahan bakar dan pengaturan jarak. suatu kompromi dibuat dan nilai P f= 0,95 adalah pantas untuk reaktor yang menggunakan uranium alami dengan moderator air keras.
Jumlah tenaga yang tersedia dari suatu reaktor inti adalah sangant luar biasa. masing-masing pembelahan U235, sebagai contoh menghasilkan 200 Mev energi, dengan rata-rata, atau 3.2 x 10-11 detik watt. satu gram U235, jika fisi akan menghasilkan 8.2 x 1010 detik watt 1 MWD ( mega hari watt). Dibandingkan dengan ini, satu ton batubara menghasilkan~ 0.36 MWD panas. kita boleh menyimpulkan bahwa
1 ton uranium= 2.7 x 106 ton batubara
Suatu garis besar suatu pabrik daya nuklir khas ditunjukkan di dalam gambar 2. panas diproduksi di dalam inti reaktor dibawa pendingin, dimana pada gilirannya, digunakan untuk hasil uap air. uap air menjalankan turbind dan listrik dibuat tersedia sampai ke generator ketika ditunjukkan di dalam figure tersebut.
demi kenyamanan, reaktor inti mungkin digolongkan di bawah dua kategori yang tergantung atas jenis penggunaan netron untuk pembelahan dan tujuan reaktor
a. Reaksi rantai
Reaktor cepat adalah reaksi rantai dari peristiwa fisi yang dihasilkan oleh neutron yang memiliki energi lebih besar dari 0,2 Mev.
Reaktor lanjutan adalah reaksi rantai dari peristiwa fisi yang dihasilkan oleh pemecahan neutron dengan energi antara 0,1 ev dan 0,2 Mev.
Pembangkit reactors adalah reaksi rantai dari peristiwa fisi yang disebabkan oleh energi neutron (dengan energi kurang dari 0,1 ev).
en
b. Tujuan
Daya untuk industri dan digunakan setiap hari
Penelitian yang digunakan banyak dan beragam. Neutron dan sinar gamma dihasilkan dalam reaktor nuklir, misalnya digunakan dalam fisika nuklir
Produksi dari bahan yg berupa serpih: U233 dan Pu239, yang tidak terjadi secara alami, tetapi yang dpt dipecah, mungkin dihasilkan melalui reaksi berikut dari Th232 dan U238, masing-masing sebagai berikut:
Th232+ n Th233 Pa233 U233
U 238 + n U239 Np239 Pu239
(iv) keperluan lain, untuk contoh, reaktor yang dapat digunakan untuk menghasilkan elemen transuranium
(nuklida sangat berat) seperti Cm, Cf, Fm, dan lain-lain.
Salah satu permasalahan yang paling sulit dari reaktor inti adalah kontrol. Untuk tujuan ini tongkat kadmium, tongkat kontrol, dimasukkan ke dalam inti dari reaktor. Karena kadmium memiliki tampang lintang penyerapan yang sangat tinggi untuk neutron, tongkat yang dapat disesuaikan untuk mengekspos kurang atau lebih dari mereka panjang sehingga sesuai neutron tingkat produksi dapat meningkat atau menurun. Tingkat kenaikan tergantung pada waktu tunda antara generasi berturut-turut, yang dapat diwakili oleh τ. Jika jumlah neutrons di waktu t = 0 adalah no, nomor n di setiap waktu akan diberikan oleh :
n = noe(k-1)
Di mana k (=k eff ) dari sistem menentukan populasi neutron dengan waktu.
Jika k = 1, n = no, dan tingkat kekuatan tetap konstan. Misalnya diperlukan untuk meningkatkan tingkat
daya. Hal ini akan memerlukan tongkat kontrol yang akan menarik untuk membuat k > 1. Perlambatan pada waktu yang cepat neutrons adalah τ ~ 10-3 jenjang kedua. Waktu yang diperbolehkan untuk meningkatkan tingkat kekuatan dan untuk mempertahankannya pada tingkat tersebut adalah sangat kecil dan untuk setiap mekanis akan mengontrol reaksi yang berbeda-beda tanpa membiarkan reaktor berjalan liar dan meledak. Tetapi, kehadiran pecahan kecil dari inti tertinggal ini membuat mekanis dikontrol oleh tongkat cd. Dengan
23 min 27 days
23 min 23 days
dibagi menjadi dua bagian: kd untuk inti tertinggal, dan k (1-d ) untuk inti yang lebih cepat. Jika k (1-d ) kurang dari kesatuan, peningkatan jumlah neutron ditentukan oleh inti tertinggal yang efektif rata-rata tertimbang memberikan τ = 0,1 sekon. Kali ini cukup besar untuk kontrol mekanis guna mengoperasikan reaktor.
2.2 Jenis-jenis Reaktor Fisi
Saat ini permasalahan dalam perancangan reaktor adalah pengambilan energi fisi untuk menghasilkan daya yang bermanfaat dalam bentuk energi elektrik. Sebagian besar energi yang dibebaskan dalam fisi diambil oleh inti-inti pecahan fisi, dan inti tersebut, yang agak berat, yang begitu bertumbukan dengan atom unsur bahan bakar reaktor, yang melepaskan energi kinetiknya. Energi yang hilang tersebut berubah menjadi panas dalam unsur bahan bakar dan harus diambil untuk berperan sebagai sumber daya,
seperti untuk menggerakkan generator elektrik. (Panas ini harus pula dihilangkan demi elasan keamanan, karena begitu banyak panas yang dihasilkan sehingga dapat meleburkan teras reaktor dan menimbulkan bencana; karena alas an ini, banyak usaha telah dicurahkan bagi perancangan sistem pendinginan darurat
guna mencegah teras melebur seandainya panas tidak dihilangkan secara benar) (Krane, 2006).
Dewasa ini ada sekurang-kurangnya tiga sistem yang telah digunakan untuk mengambil energi fisi dari teras reaktor (Krane, 2006).
1. Reaktor Air Didih
Seperti tampak pada gambar dibawah ini.
Gambar 3
Air dialirkan mengelilingi teras reaktor. Panas teras mengubah air menjadi uap, yang kemudian digunakan untuk membangkitkan tenaga elektrik. Kelemahan sisitem ini adalah bahwa air dapat menjadi radioaktif, sehingga kebocoran pipa dekat turbin dapat menimbulkan bencana, karean
2. Reaktor Air Tekan
Pada sistem ini, seperti diperlihatkan pada gambar 4, panas diambil melalui proses dua tahap. Air yang dialirkan mengelilingi teras diberi tekanan, agar tidak berubah menjadi uap. Air panas ini kemudian memanasi sistem air kedua, yang melepaskan uapnya ke turbin. Karena tidak pernah memasuki teras, uap ini tidak bersifat radioaktif. Jadi, dengan sistem ini tidak ada bahan radioaktif yang tersebar disekitar turbin.
Gambar 4
3. Reaktor Logam Cair.
Kelemahan menggunakan air adalah bahwa kapasitas panasnya kecil sehingga tidak efisien sebagai bahan untuk mengambil panas dari teras. Bahan logamlah yang lebih baik bagi perpindahan panas. Natrium cair, misalnya dapat menggantikan air tekan dari gambar 4; karena titik didih natrium berada diatas suhu operasi, tekanan tinggi tidak diperlukan untuk mempertahankan natrium berwujud
