X. REAKSI FISI
Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Konsep Dasar Reaksi Fisi
• Distribusi Energi Fisi • Reaksi Berantai
10.1 REAKSI FISI
TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Fisi, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan konsep dasar reaksi fisi
• Distribusi massa hasil belah fisi
Raeksi fisi nuklir atau sering disingkat reaksi fisi adalah reaksi pembelahan inti berat menjadi dua buah inti lain yang lebih ringan. Karena energi ikat pernukleon inti yang lebih ringan lebih besar dibandingkan dengan energi ikat pernukleon inti yang berat, maka dalam reaksi ini akan dibebaskan energi. Contoh reaksi fisi:
Q n Br La U n U+01 →23692 →14657 +3587 + 01 + 235 92 3
Inti atom isotop uranium-235 ditembak dengan netron lambat. Dalam reaksi awal terbentuk terlebih dahulu uranium-235 yang tidak stabil dan segera meluruh. Peluruhan uranium yang tidak stabil ini pecah menjadi dua inti yang lebih ringan. Hasil belah fisi menjadi dua grup: inti ringan dengan nomer massa 80-100 dan inti berta dengan nomer massa 125-155. Banyak sekali pasangan yang bisa dihasilkan dalam reaksi ini. Isotop hasil belah yang probabilitasnya paling besar adalah inti yang memiliki nomor massa 95 dan 139, yakni 6,4% 9 13 Nomor Massa Persenta se r ealtif ha sil b elah f isi
Pasangan ini dinamakan fragmen fisi primer. Selain fragmen fisi primer, juga dihasilkan netron cepat setelah reaksi langsung. Rata-rata dalam reaksi nuklir itu akan dihasilkan 2-3 netron cepat.
Produksi fisi primer (dalam hal ini, misalnya La dan Br) yang juga merupakan inti tidak stabil yang kelebihan netron dan akan meluruh menjadi produk yang stabil. Inti yang dihasilkan dalam reaksi ini disebut produk fisi.
Energi yang dihasilkan dalam reaksi inti ini sangat besar. Selisih energi ikat antara energi ikat sebelum reaksi dan sesudah reaksi sekitar 0,9 MeV pernukleon. Karena nukleon yang terlibat sebanyak 236, maka akan diperoleh energi sebesar sekitar 200 MeV setiap kali terjadi reaksi nuklir. Pada umumnya, setiap reaksi yang berbeda memiliki energi yang berbeda pula.
Nomor Mass A
Energi ikat per nukleon (MeV)
40 80 100 140 200 240 10 8 6 4 2 56 Fe Fisi 238 U
Gambar 10.2. Pembebasan Energi Pada Reaksi Fisi
10.2 DISTRIBUSI ENERGI FISI
TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Distribusi Energi Fisi, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan dan menghitung energi yang dibebaskan pada reaksi fisi
• Menjelaskan distribusi energi pada reaksi fisi
Distribusi energi rata-rata yang dilepaskan tiap fisi uranium-235 ditunjukkan dalam tabel 10.1 :
Tabel 10.1. Distribusi Energi Setelah Fisi Uranium-235
Energi Langsung dari Fisi Energi Tunda dari Fisi
Energi kinetik untuk hasil fisi 167 MeV Energi kinetik untuk netron 5 MeV Energi langsung sinar 5 MeV Gamma
Energi sinar Gamma 10 MeV dari tangkapan radiatif __________ Energi total langsung 187 MeV
Partikel beta dari hasil Fisi 7 MeV Sinar gamma dari hasil Fisi 6 MeV Neutrino-neutrino 10 MeV Energi Total Tunda 23 MeV
Semua energi dilepaskan, dengan pengecualian energi nuetrino yang diubah menjadi panas yang melewati beberapa proses. Hasil belah fisi bermuatan positif dan memiliki energi kinetik yang tinggi, menyebabkan ionisasi pada atom-atom sekitar. Dalam proses ionisasi ini, energi kinetik ditransfer ke atom-atom bahan material di sekitarnya dan menghasilkan kenaikan temperatur. Partikel beta dan sinar gamma juga menaikkan suhu sekitar melalui proses ionisasi. Sementara netron-netron hasil fisi berinteraksi dengan atom-atom material di sekitanya dan kehilangan energi lewat hamburan elastik.
Energi 200 MeV dilepaskan tiap fisi. Namun ada kira-kira sekitar tujuh persen (13 MeV) dilepaskan agak tertunda beberapa saat setelah fisi berlangsung. Saat reaktor dimatikan, fisi-fisi sesungguhnya berhenti, namun beberapa energi masih dilepaskan dari peluruhan hasil fisi. Panas yang dihasilkan oleh energi peluruhan di namakan panas peluruhan. Panas peluruhan yang dihasilkan cukup signifikan, sehingga harus dilengkapi suatu sistem untuk menjaga reaktor tetap dingin saat setelah reaktor dimatikan.
Contoh
Dalam suatu rangkaain proses uranium-235 membentuk uranium 236 yang kemudian mengalami fisi. Fisi tersebut selanjutnya menghasilkan peluruhan-peluruhan berikutnya. Jika hasil fisi awal adalah dan . a. Ilustrasikan proses yang dijalani hingga menjadi inti stabil akhir dan b. tentukan energi yang dilepas.
Ba 143 56 Kr 90 36 Jawab a. Proses awalnya 01n+23592U →
[ ]
23692U *→14356Ba+3690Kr+301n Ba 143ν + + → − e La Ba 14357 143 56 ν + + − e Ce 143 58 ν + + − e Pr 143 59 ν + + − e Nd 143 60 Nd 143
60 adalah inti stabil. Kr memulai peluruhan beta 90 36 ν + + → − e Rb Kr 3790 90 36 ν + + − e Sr 90 38 ν + + − e Y 90 39 ν + + − e Zr 90 40 Zr 90
40 adalah inti stabil.Sehingga reaksi totalnya kemudian menjadi
[ ]
23692 * 14360 4090 301 8 8ν 235 92 1 0 + → → + + + + − e n Zr Nd U U nb. Karena massa e dan v terlalu kecil, maka bisa diabaikan
[
m m m m m]
MeV sma MeVQ= U + n − Nd − Zr −3 n (931,5 / )=197,6
10.3 REAKSI BERANTAI
TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Berantai, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan konsep reaksi fisi berantai tak terkendali
• Menjelaskan konsep reaksi fisi berantai terkendali
Dalam reaksi yang sebenarnya tidak hanya ada satu uranium saja. Terdapat banyak sekali uranium pada suatu bahan. Jika netron cepat tidak dikendalikan, netron hasil pembelahan fisi sebelumnya akan menumbuk uranium berikutnya sehingga menghasilkan reaksi fisi serupa. Dalam reaksi ini dihasilkan netron yang semakin banyak sehingga reaksi akan terus berantai. Reaksi demikian dinamakan reaksi berantai. Energi yang dihasilkan sangat besar.
N N N N N N N N I InnttiiUU--223355 : :NNeettrroonn N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N
Gambar 10.3. Reaksi Berantai Tak Terkontrol
Dalam bom nuklir, netron cepat ini sengaja tidak dikendalikan sehingga menghasilkan ledakan yang sangat dasyat. Namun, pada reaktor nuklir (PLTN), netron cepat dikendalikan, sehingga tidak terlalu banyak netron yang terlibat dalam reaksi inti.
N N N N N N N N N Neettrroonn TTeerrsseerraapp B BaattaannggKKeennddaallii B BaattaannggKKeennddaallii N N N N N N N Neettroronn TTeerrsseerraapp N N N N Fis N N
Soal-soal:
1. Berapakah energi kinetik netron termal 300 K.
2. Hitunglah energi yang dibebaskan dalam reaksi fisi . Massa
Rb dan Cs adalah 92,92172u dan 140,91949u.
n Cs Rb n U 93 141 2 235 + → + +
3. Jelaskan mengapa dengan netron berenergi rendah sekali sudah dapat terfisikan, sementara untuk fisi dibutuhkan netron cepat dengan energi 1 hingga 2 MeV
U 235
U 238
4. anggaplah terbelah menjadi dua pecahan dengan nomor massa 90 dan 145,
dengan tiap pecahan memiliki nisbah Z/A yang kurang lebih sama seperti uranium. Berdasarkan data ini, mengapa netron dipancarkan dalam reaksi ini.
U 235
5. Sekitar 185 MeV energi dilepas dari reaksi fisi . Jika di dalam reaktor
membangkitkan daya secara kontinyu sebesar 100 MW, berapa lamakah waktu yang dibutuhkan bagi 1 kg uranium agar terpakai habis seluruhnya.
U 235
U 235
Biografi Singkat
HAHN (PEMBELAHAN INTI)
Otto Hahn adalah ahli fisika-kimia penemu pembelahan inti (fisi nuklir, 1938), penemu radioactinium (1905), mesothorium (1907), protactinium (1917) dan presiden Wilhelm Society (1948-1960). Bersama Fritz Strassmann ia mendapat Hadiah Nobel untuk kimia pada tahun 1944.
Hahn lahir di Frankfurt, Jerman pada 8 Maret 1879 dan meninggal di Gottingen, Jerman pada 28 Juli 1968 pada umur 89 tahun.
Ia berhasil mendapat gelar doktor pada tahun 1901 pada usia 22 tahun.
Tiga tahun kemudian ia pergi ke Inggris karena ingin belajar bahasa Inggris. Ia melamar pekerjaan dan diterima di Universitas College. Disini ia bertemu dengan Sir William Ramsay, ahli kimia penemu helium, neon, argon, kripton, xenon, dan radon. Hahn diberi tugas memurnikan penyiapan radium kasar. Ternyata Hahn seorang ahli eksperimen yang mengagumkan. Satu tahun kemudian ia menemukan zat radioaktif yang ia beri nama radiothorium (1905).
Pada tahun 1930-an Enrico Fermi, menembaki uranium (unsur alam yang paling berat) dengan neutron. Penembakan ini menghasilkan zat-zat radioaktif. Tapi Fermi sendiri tidak tahu apa nama unsur itu. Ia mengira unsur itu adalah unsur buatan yang mirip dengan uranium. Sejak tahun 1934 Hahn sangat tertarik dengan penelitian Fermi. Ia mengulang percobaan Fermi dengan pembantunya, Miss Meitner dan Strassmann. Mereka mengadakan penelitian selama 4 tahun. Mereka menembaki uranium dengan neutron dan menghasilkan barium, yaitu sebuah unsur yang mempunyai massa atom setengah dari uranium. Nomor atom barium 56, sedang nomor atom uranium 92. Penemuan ini diumumkan di majalah Die Naturwissen-schaften pada tanggal 6 januari 1939. Tapi Hahn dan Strassmann tidak berani mengatakan bahwa itu pembelahan inti, karena takut diejek dan ditertawakan para ahli fisika dan kimia sezamannya. Pada saat itu, pembelahan inti dianggap sesuatu yang mustahil.
Pada tahun 1938 ketika pembelahan inti ditemukan, Lise Metner pindah ke Swedia. Di Swedia ia membaca laporan Hahn. Bersama Otto Frisch, kemenakannya, ia menjelaskan dengan tegas, bahwa penemuan Hahn adalah fisi nuklir. Meitner dan Otto menyarankan agar istilah fisi nuklir dipakai. Semenjak saat itu, pembelahan inti dinamakan fisi nuklir.
ENRICO FERMI
Enrico Fermi adalah ahli fisika nuklir, pengarang (200 artikel ilmiah) dan pemenang Hadian Nobel. Ia menemukan statistik Fermi-Dirac, unsur baru yang radioaktif, reaksi berantai, reaktor nuklir (1942) dan ikut membuat bom atom. Ia mendapat Hadiah Nobel untuk fisika (1938) karena penyelidikannya tentang penyerapan neutron.
Fermi lahir di Roma, Italia, pada tanggal 29 September 1901. ayahnya bernama Alberto Fermi, karyawan kereta api. Ibunya bernama Ida de Gattis. Fermi anak bungsu, kakaknya dua orang. Salah seorang bernama Giulio. Dengan Giulio ini Fermi mempunyai kegemaran sama, ialah membuat mobil-mobilan dan pesawat terbang mainan yang benar-benar dapat terbang. Fermi sangat cerdas, tapi pendiam, pemalu dan suka menyendiri.
Pada umur 17 tahun ia masuk Universitas di Pisa dan pada umur 21 tahun berhasil meraih gelar doktor fisika. Pada umur 26 tahun ia diangkat menjadi profesor penuh di Universitas Roma. Dua tahun kemudian pada umur 28 tahun, ia kawin dengan Laura o Capon, mahasiswi jurusan teknik. Keluarga itu kemudian dikaruniai dua orang anak, Nella dan Giulio. Fermi memang orang yang mempunyai kecerdasan luar biasa. Kecuali itu, ia adalah orang yang serba teratur dan serba tepat.
Pada tahun 1938 sesudah menerima Hadiah Nobel, Fermi sekeluarga terbang dari Swedia menuju Amerika Serikat. Di Amerika ia menjadi guru besar di Universitas Chicago. Di sini ia diberi tugas memimpin satu tim ilmuan untuk menyelidiki tenaga atom. Pada tahun 1942 Fermi beserta teman sekerjanya berhasil membuat reaktor atom, kemudian bom atom. Fermi
meninggal di Chicago pada tahun 1954 karena sakit kanker.
WIGNER
Eugene Paul Wigenr adalah ahli fisika penemu teori penyerapan neutron, penemu hukum konservasi paritas dan pemenang Hadila Nobel.
Ia lahir di Budapest, Hongaria pada 17 November 1902. Ia mendapat gelar insinyur kimia dari Sekolah Tinggi Teknologi di Berlin dan mengajar di sana dan di Gottingen sampai tahun 1930. Kemudian ia pindah ke Universitas Princeton, AS. Pada tahun 1936 ia mengemukakan teori penyerapan nettron yang sangat berguna untuk membangun reaktor nuklir. Ia juga merumuskan hukum konservasi paritas, suatu fungsi matematika yang melukiskan partikel subatom dan posisi ruang dan waktunya.
Sejak kedatangannya di AS ia mengajar fisika matematika di Universitas Princeton selama 7 tahun. Kemudian ia menjadi guru besar di Universitas Wisconsin selama satu tahun, lalu kembali ke Princeton.
Pada tahun 1939 pecah perang dunia II, Wigner, Fermi dan Szilard membuat surat kepada presiden AS, Franklin D. Roosevelt. Surat ini ditanda-tangani Einstein bertangal 11 Oktober 1939. Prediden Roosevelt segera bertindak dan pada tahun 1942 Proyek Manhattan berdiri. Proyek ini bertugas untuk membuat bom atom. Selama perang dunia II, Wigner bekerja di Laboratorium Metalurgi, Universitas Chicago. Di sini Wigner membantu Enrico Fermi.
Sesudah Perang Dunia II Wigner menjadi direktur riset di Laboratorium Clinton di Oak Ridge, Tennessee. Di sini ia memproduksi isotop radioaktif. Pada tahun 1947 ia kembali ke Princeton. Dua tahun kemudian (1949) bersama Jensen, Wigner mengemukakan model kulit inti.
Pada tahun 1963 Wigner bersama Jensen dan Mayer mendapat Hadiah Nobel untuk fisika karena telah memberikan banyak sumbangan kepada fisika nuklir. Wigner juga mengadakan riset di bidang mekanika kuantum, teori reaksi kimia dan struktur inti atom.
