Reaksi Fisi Inti

BAB II

PEMBAHASAN

2.1. Reaksi Fisi

Reaksi ini terjadi jika sebuah inti berat membelah menjadi dua atau lebih inti atom yang lebih ringan. Reaksi fisi disertai pemancaran energi dan partikel, misalnya neutron. Partikel neutron yang sangat penting dalam reaksi fisi ini pertama kali ditemukan oleh James Chadwick pada tahun 1937.

Jenis bahan bakar nuklir yang paling umum adalah ²³⁵U (isotop uranium dengan massa atom 235 dan digunakan di reaktor nuklir) dan ²³⁹Pu (isotop plutonium dengan massa atom 239). Bahan bakar nuklir ini akan terpecah menjadi 2 bagian membentuk elemen kimia dengan massa atom mendekati 95 dan 135 (produk fisi) berikut ini adalah salah satu contoh reaksi fisi.

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → ₅₄Xe¹⁴⁰ + ₃₈Sr⁹⁴ + ₀n¹ + energi

Sebuah inti atom uranium-235 ditembak menggunakan sebuah neutron sebenarnya berubah dulu menjadi isotop uranium-236 atau ₉₂U²³⁶  yang terbelah lagi menjadi inti Xenon-140 dan Stronsium-94. neutron yang dihasilkan dalam reaksi fisi itu selanjutnya akan membelah inti-inti uranium lainnya sehingga memicu terjadinya reaksi berantai (chain reaction).

Agar dapat memanfaatkan reaksi berantai dari suatu sampel radioaktif yang berpotensi fisi maka reaksi fisi harus dikendalikan dengan cara mengendalikan neutron yang dilepaskan dari reaksi itu. Dengan demikian, hanya satu neutron yang dapat melangsungkan reaksi fisi berikutnya. Berdasarkan hasil pengamatan, jika sampel radioaktif terlalu sedikit, neutron-neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi meninggalkan sampel radioaktif sebelum neutron-neutron itu memiliki kesempatan untuk bereaksi dengan inti-inti radioaktif yang lain. Dengan kata lain, terdapat massa kritis untuk bahan tertentu yang berpotensi fisi, yang dapat melangsungkan reaksi berantai.

Dalam sebuah reaksi, setiap neutron yang dilepaskan oleh setiap reaksi fisi dapat menyebabkan reaksi fisi lainnya, sehingga akan melepaskan lebih banyak neutron lagi dan menyebabkan lebih banyak reaksi fisi lagi.

Reaksi berantai menghasilkan energi yang sangat besar. Jika tidak dikendalikan, reaksi fisi dapat menimbulkan ledakan dahsyat yang disertai pemancaran isotop radioaktif yang membahayakan kehidupan.

Setiap tumbukan pada reaksi fisi selalu melepas tenaga sebesar 200 MeV. Tenaga itu berbentuk: tenaga gerak, radiasi gelombang elektromagnet dan panas.

2.2. Perhitungan Energi Reaksi Fisi Inti

Pada peristiwa reaksi nuklir, inti yang ditembaki akan berubah menjadi inti yang lain disertai pelepasan partikel lain dan energi. Besarnya energi yang terbentuk pada peristiwa reaksi sama dengan selisih massa mula-mula dengan massa akhir.

                                                                    

                                                   

                               

                                             

E = mc²

E = [m_A – (m_B+m_C+m_D)] 931,5 MeV

Energi reaksi = [energi reaktan – energi produk] 931,5 Mev

Contoh soal:

Hitunglah energi yang dibebaskan dalam  reaksi                                                     

Bila massa ²³⁵U  = 235,0439 u

                             ⁹³Rb  = 92,92172 u

                             ¹⁴¹Cs = 140,91949 u

                             ¹n     = 1,0087 u

Penyelesaian:

energi reaksi = [( 235,0439 u + 1,0087 u) – (92,92172 u + 140,91949 u + 2. 1,0087 u)] 931,5 MeV

                        = (236,0526 – 235,85861) 931,5 MeV

                        = 0,19399 . 931,5 MeV

                        = 180,7 MeV

2.3.Reaksi Berantai

1.      Reaksi berantai terkendali

Pada Desember 1942 Enrico Fermi dapat membuktikan bahwa reaksi fisi dapat dibuat dan yang lebih penting lagi, reaksi fisi dapat dikendalikan. Keberhasilan itu memungkinkan digunakannya energi nuklir untuk kepentingan umat manusia.

Salah satu penerapan reaksi fisi adalah reaktor nuklir. Reaktor fisi nuklir adalah suatu tempat untuk melangsungkan reaksi berantai dari reaksi fisi yang terkendali. Energi yang dihasilkan dari reaktor ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi nuklir. Reaktor nuklir terdiri atas pipa-pipa berisi bahan bakar radioaktif dan batang pengendali neutron yang disisipkan ke dalam pipa bahan bakar nuklir tersebut.

Reaksi nuklir ini akan menghasilkan energi panas dalam jumlah cukup besar. Contohnya pada reaktor daya, energi panas yang dihasilkan dapat digunakan untuk menghasilkan uap panas, dan selanjutnya digunakan untuk mengerakkan turbin-generator yang bisa menghasilkan listrik.

Sedangkan pada reaktor penelitian, panas yang dihasilkan tidak dimanfaatkan dan dapat dibuang ke lingkungan.

Pada reaktor nuklir, produksi neutron dengan kelajuan berlebian disebut superkritis, sedangkan kelajuan produksi terlalu rendah disebut subkritis dan untuk kelajuan produksi neutron lambat secara tetap disebut kritis.

Reaktor selalu dijaga agar fluks neutron (yaitu jumlah neutron per satuan luas per satuan waktu) selalu tetap aman dalam keadaan kritis. Istilahnya reaktor nuklir merupakan teknologi nuklir yang membuat nuklir menjadi jinak sehingga bisa dimanfaatkan untuk maksud-maksud damai. Misalnya untuk pembangkit listik.

Berikut adalah garis besar cara kerja sebuah reaktor nuklir hingga bisa menghasilkan listrik:

1.      Di dalam inti reaktor, reaksi fisi terjadi karena adanya penembakan neutron terhadap bahan bakar nuklir yang menghasilkan energi panas.

2.      Energi panas yang dihasilkan dari inti reaktor kemudian dibawa oleh air bertekanan pada primary loop ke generator uap.

3.      Di dalam generator uap, air yang berasal dari secondary loop menjaditerpanaskan dan terbentuklah uap.

4.      Uap yang dihasilkan diarahkan ke turbin uap untuk memutar generator dan akhirnya menghasilkan listrik.

Bahan yang biasa digunakan sebagai bahan bakar adalah uranium U. elemen bahan bakar dapat berbentuk batang yang ditempatkan di dalam teras reaktor. Neutron-neutron yang dihasilkan dalam fisi uranium berada dalam kelajuan yang cukup tinggi. Adapun, neutron yang memungkinkan terjadinya fisi nuklir adalah neutron lambat sehingga diperlukan material yang dapat memperlambat kelajuan neutron ini. Fungsi ini dijalankan oleh moderator  neutron yang umumnya berupa air. Jadi, di dalam teras reactor terdapat air sebagai moderator yang berfungsi memperlambat kelajuan neutron karena neutron akan kehilangan sebagian energinya saat bertumbukan dengan molekul-molekul air.

Gambar 1 : skema bagian inti dari reaktor nuklir

Fungsi pengendalian jumlah neutron yang dapat menghasilkan fisi nuklir dalam reaksi berantai dilakukan oleh batang-batang kendali. Agar reaksi berantai yang terjadi terkendali dimana hanya satu neutron saja yang diserap untuk memicu fisi nuklir berikutnya, digunakan bahan yang dapat menyerap neutron-neutron di dalam teras reaktor. Bahan seperti boron atau kadmium sering digunakan sebagai batang kendali karena efektif dalam menyerap neutron. Batang kendali didesain sedemikian rupa agar secara otomatis dapat keluar-masuk teras reaktor. Jika jumlah neutron di dalam teras reaktor melebihi jumlah yang diizinkan (kondisi kritis), maka batang kendali dimasukkan ke dalam teras reaktor untuk menyerap sebagian neutron agar tercapai kondisi kritis. Batang kendali akan dikeluarkan dari teras reaktor jika jumlah neutron di bawah kondisi kritis (kekurangan neutron), untuk mengembalikan kondisi ke kondisi kritis yang diizinkan.

Dalam sebuah reaktor nuklir, butiran uranium yang sudah diperkaya disusun dalam sebuah balok dan dikumpulkan ke dalam bundelan (reactor). Bundelan tersebut direndam dalam air pada sebuah bejana tekan. Air tersebut digunakan sebagai sebuah pendingin. Bundelan uranium yang digunakan pada reaktor nuklir berada dalam keadaan superkritis. Hal ini dapat menyebabkan uranium menjadi panas dan meleleh dengan mudah. Untuk mencegahnya, sebuah balok kontrol (control rods) dibuat dengan bahan yang menyerap neutron. Balok kontrol dimasukkan kedalam bundelan uranium dengan menggunakan sebuah mekaninisme yang dapat mengangkat atau menurunkan balok kontrol tersebut. Pengangkatan dan penurunan balok kontrol menerima perintah seorang operator untuk mengatur jumlah reaksi nuklir. Ketika seorang operator menginginkan inti uranium untuk menghasilkan panas yang lebih, balok kontrol dinaikkan dari bundelan uranium. Sebaliknya, jika ingin panas berkurang maka balok kontrol harus diturunkan. Balok kontrol dapat diturunkan hingga komplit untuk menghentikan reaktor nuklir jika terjadi kasus kecelakaan atau penggantian bahan bakar.

Bundelan uranium digunakan sebagai sumber energi panas yang sangat tinggi. Panas ini dapat mengubah air menjadi uap air. Uap air ini digunakan untuk menggerakkan sebuah turbin uap yang memutar rotor pada generator. Berdasarkan hukum Faraday putaran rotor dikonversi menjadi tenaga listrik. Dalam beberapa reaktor, uap air akan melalui tahap kedua sebagai pengubah panas medium untuk mengubah air menjadi uap air yang menggerakkan turbin.

Keuntungan dari desain ini adalah air atau uap air yang tercemar bahan radioaktif tidak akan mengenai turbin. Dalam reaktor nuklir yang sama, fluida pendingin dalam kontak dengan inti reaktor dapat berupa gas (karbon dioksida) atau logam cair (sodium, potasium). Tipe reaktor ini menerima inti uranium untuk beroperasi pada suhu yang lebih tinggi.

Radiasi yang dihasilkan dalam proses pembelahan inti atom atau fisi nuklir dapat membahayakan lingkungan di sekitar reaktor. Diperlukan sebuah pelindung di sekeliling reaktor nuklir agar radiasi dari zat radioaktif di dalam reaktor tidak menyebar ke lingkungan di sekitar reaktor. Fungsi ini dilakukan oleh perisai beton yang dibuat mengelilingi teras reaktor. Beton diketahui sangat efektif menyerap sinar hasil radi asi zat radioaktif sehingga digunakan sebagai bahan perisai. Dampak lingkungan dan semakin berkurangnya sumber energi minyak bumi memaksa kita untuk mencari dan mengembangkan sumber energi baru. Salah satu alternative sumber energi baru yang potensial datang dari energi nuklir. Meski dampak dan bahaya yang ditimbulkan amat besar, tidak dapat dipungkiri bahwa energi nuklir adalah salah satu alternatif sumber energi yang layak diperhitungkan.

Jadi, reaktor nuklir merupakan alat yang berfungsi untuk:

1) memicu terjadinya reaksi fisi sehingga meng hasilkan reaksi berantai,

2) mengendalikan reaksi fisi, dan

3) memanfaatkan energi yang dihasilkan reaksi.

a.    Komponen reaktor nuklir

·        Bahan bakar

Bahan bakar terdapat dalam teras reaktor Uranium yang digunakan dapat berupa uranium alam atau uranium yang diperkaya kadar  U-235nya.

·        Teras reaktor

Teras reaktor merupakan tempat berlangsungnya reaksi nuklir

·        Moderator

 Moderator berfungsi menurunkan energi neutron dari energi tinggi ke  energi termal melalui proses tumbukan. Bahan-bahan yang lazim  dipergunakan ialah air ringan (H₂O), air berat (D₂O), dan grafit

·        Batang pengendali

Batang pengendali berfungsi mengendalikan jumlah populasi    neutron  yang terdapat dalam teras reaktor, sehingga reaksi berantai dapat  dipertahankan. Dengan demikian, terkendali pula jumlah reaksi fisi  dan energi yang dihasilkan. Bahan-bahan yang lazim digunakan sebagai batang kendali, antara lain  kadmium, boron, dan hafnium.

·        Pendingin primer

Banyak reaktor nuklir yang menggu nakan moderator sekaligus sebagai pendingin primer, misalnya air ringan atau air berat yang disirkulasikan melalui pompa. Pendingin lain yang lazim digunakan adalah bentuk gas seperti He dan CO2, serta bentuk logam cair seperti Na dan NaK. Fungsi pendingin ialah mengeluarkan panas yang terjadi karena reaksi  fisi yang berlangsung dalam teras reaktor

·        Sistem penukaran panas

Berupa pompa berfungsi mengalirkan panas dari pendingin primer ke pendingin sekunder. Setelah dingin, bahan dipindah lagi ke dalam reaktor. Sistem penukar panas lazim disebut heat exchanger

·        Pendingin sekunder

Pendingin sekunder berupa air yang dialirkan keluar dari sistem reaktor dan didinginkan di luar reaktor.

·        Perisai radiasi

Perisai radiasi berfungsi menahan radiasi, baik yang dipancarkan pada proses pembelahan inti maupun yang dipancarkan oleh nuklidanuklida hasil pembelahan. Dengan perisai radiasi itu, para pekerja dan lingkungan dekat reaktor aman dari radiasi.

2.      Reaksi berantai tak terkendali

Salah satu tipe senjata nuklir adalah bom fisi (tidak sama dengan bom fusi), biasanya juga dikenal dengan nama lain bom atom adalah reaktor fisi yang didesain untuk melepaskan sebanyak mungkin energi dalam waktu sesingkat mungkin, energi yang terlepas ini akan menyebabkan reaktornya meledak dan akhirnya reaksi rantainya berhenti. Reaksi fisi yang digunakan dalam pembuatan bom atom berfungsi sebagai tenaga pemusnah massal yang dimanfaatkan sebagai alat untuk menyerang dan pertahanan suatu negara.

Bom nuklir didesain untuk mengeluarkan semua energinya sekaligus, sedangkan reaktor nuklir didesain untuk menghasilkan listrik terus menerus.

Gambar 2: Konstruksi bom atom

Massa kritis adalah massa terkecil dari suatu sampel yang dapat melakukan reaksi berantai. Jika massa terlalu besar (super kritis), jumlah inti yang pecah berlipat secara cepat sehingga dapat menimbulkan ledakan dan petaka bagi manusia, seperti pada bom atom. Bom atom merupakan kumpulan massa subkritis yang dapat melakukan reaksi berantai. Ketika dijatuhkan massa subkritis menyatu membentuk massa super kritis sehingga terjadi ledakan yang sangat dahsyat.

2.4.  Pemanfaatan teknologi nuklir dan radioisotop

1.    Reaktor nuklir

Reaktor nuklir digunakan untuk pembangkit listrik tenaga nuklir.

2.    Pemanfaatan radioisotop

Radioisotop biasanya dibuat dalamreaktor nuklir dengan reaksi yang melibatkan neutron. Radioisotop dimanfaatkan secara luas diberbagai bidang seperti kedokteran, biologi dan pertanian, serta bidang industri

a.       Radioisotop di bidang kedokteran

Radioisotop ₂₇Co⁶⁰ menghasilkan sinar beta dan gamma. Sinar gamma dapat digunakan untuk mensterilkan alat-alat kedokteran dan membunuh sel kanker. Diagnosis tumor otak dapat dilakukan dengan menginjeksikan isotop ₉₉Tc ke dalam tubuh pasien. Isotop itu akan terkonsentrasi pada jaringan tumor.

b.      Bidang biologi dan pertanian

Radioisotop dapat digunakan untuk melakukan rekayasa genetika untuk menghasilkan varietas hewan maupun tanaman baru yang unggul. Teknologi radioisotop telah berhasil mendapatkan varietas padi baru hasil teknologi radioisotop. Radioisotop juga bisa digunakan untuk mengawetkan maupun menunda kematangan dan pertunasan bahan pangan tertentu.

c.       Bidang industri

Bi bidang industri, radioisotop digunakan untuk mendeteksi kebocoran pipa da retakan pada logam. Meskipun sedikit, yaitu dalam dosis yang tidak membahayakan, radioisotop thorium digunakan dalam industi kaos lampu petromaks agar nyala lebih terang.

2.5. Dampak Reaktor Nuklir

Dampak sesaat atau jangka pendek akibat radiasi tinggi di sekitar reactor nuklir antara lain mual, muntah, diare, sakit kepala, dan demam.

Sementara itu, dampak yang baru muncul setelah terpapar radiasi nuklir selama beberapa hari di antaranya adalah sebagai berikut: pusing, mataberkunang-kunang, disorientasi atau bingung menentukan arah, lemah, letih, dantampak lesu, kerontokan rambut dan kebotakan, muntah darah atau berak darah, tekanandarah rendah, dan luka susah sembuh.

Dampak jangka panjang dari radiasi nuklir umumnya justru dipicu oleh tingkatradiasi yang rendah sehingga tidak disadari dan tidak diantisipasi hinggabertahun-tahun. Beberapa dampak mematikan akibat paparan radiasi nuklir jangka panjang antara lain kanker, penuaan dini, gangguan sistem saraf dan reproduksi,dan mutasi genetik.