1 A. Definisi dan Sejarah Reaktor Nuklir Reaktor nuklir adalah alat yang didesain untuk mempertahankan reaksi berantai, di mana aliran neutron yang stabil dan terkontrol dihasilkan dari reaksi fisi suatu inti berat. Reaktor nuklir dapat dibedakan berdasarkan fungsinya ataupun berdasarkan ciri khas pada desainnya. Kesadaran bahwa reaksi fisi nuklir menghasilkan energi dengan jumlah sangat besar membuat para ilmuan berlomba-lomba menciptakan alat yang dapat mengontrol dan memanfaatkan energi yang dihasilkan tersebut. Namun hal itu pada awalnya sulit dilakukan, karena reaktor nuklir haruslah memiliki kriteria seperti: Memiliki keamanan yang terjamin Memiliki sistem perlakuan limbah yang baik Mempertimbangkan proliferasi nuklir Reaktor nuklir pembangkit listrik yang pertama kali dibangun di Idaho, Amerika Serikat, yaitu stasiun pembangkit percobaan EBR-1 pada 20 Desember 1951. PLTN yang pertama beroperasi menghasilkan jaringan listrik berada di Obninsk, Uni Soviet. Sedangkan, PLTN komersial pertama adalah Calder Hall di Inggris yang dibuka pada 17 Oktober 1956. Pada 2012 telah terdapat 440 reaktor nuklir komersial yang beroperasi di 31 negara, yang menyediakan 14% kebutuhan listrik dunia (World Nuclear Association). Amerika menjadi negara penghasil listrik tenaga nuklir terbesar di dunia, yaitu sepertiga dari total energi yang dihasilkan, diikuti oleh Perancis, dan 60 reaktor nuklir yang masih berada dalam tahap pembangunan. Beberapa reaktor nuklir terbesar adalah Isar II dan Brokdorf di Jerman, Civaux 1 dan 2, Chooz B1 dan B2 di Perancis, serta kashiwazakikariwa di Jepang. B. Reaksi Fisi Reaksi fisi nuklir adalah reaksi sebuah inti berat yang ditumbuk oleh partikel (misalnya neutron) dapat membelah menjadi dua inti yang lebih ringan dan beberapa partikel lain. Mekanisme yang semacam ini disebut pembelahan inti atau fisi nuklir. Contoh reaksi fisi nuklir ini adalah uranium yang ditumbuk (atau menyerap) neutron lambat yang akan menghasilan neutron selain dua buah inti atom yang lebih ringan. 235 U + n 148 La + 85 Br + 3n Neutron ini mampu menumbuk (diserap) kembali oleh inti uranium untuk membentuk suatu reaksi fisi berikutnya. Mekanisme ini terus terjadi dalam waktu yang
2 sangat cepat membentuk reaksi berantai tak terkendali. Akibatnya, jika terjadi pelepasan energi yang besar dalam waktu singkat maka akan sangat membahayakan jiwa manusia. Mekanisme ini sebenarnya sering terjadi di dalam bom nuklir yang menghasilkan ledakan dahsyat. Jadi, reaksi fisi dapat membentuk reaksi berantai yang tak terkendali serti memiliki potensi daya ledak dahsyat dan dapat dibuat dalam bentuk bom nuklir. Gambar 1. Reaksi fisi berantai Isotop elemen kimia yang dapat meneruskan reaksi rantai fisi disebut bahan bakar nuklir dan bersifat fisil. Jenis bahan bakar nuklir yang paling umum adalah 235 U (isotop uranium dengan massa atom 235 dan digunakan di reaktor nuklir) dan 239 Pu (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 u (produk fisi). Kebanyakan bahan bakar nuklir melalui tahap fisi spontan dengan amat lambat, meluruh melalui sebuah reaksi peluruhan partikel alfa/partikel beta dengan waktu yang sangat lama. Dalam reaktor nuklir atau senjata nuklir, reaksi fisi yang besar ini disebabkan karena induksi neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi sebelumnya. Reaktor Fisi Reaktor fisi kritis adalah jenis reaktor nuklir yang paling umum. Di dalam reaktor fisi kritis, neutron yang diproduksi oleh fisi dari atom bahan bakar digunakan untuk menginduksi reaksi fisi lainnya, sehingga untuk menjaga agar energi yang dilepaskan bisa dikendalikan. Alat yang dapat melakukan reaksi fisi tapi tidak bisa mandiri disebut
3 sebagai reaktor fisi subkritis. Beberapa alat menggunakan peluruhan radioaktif atau akselerator partikel untuk menggerakkan fisi. Reaktor fisi kritis biasanya dibangun untuk 3 tujuan utama, yang dilihat dari hasil panas yang bisa diambil atau neutron yang diproduksi dari reaksi rantai nuklir: Pembangkit listrik adalah reaktor yang tujuannya untuk memproduksi panas untuk daya nuklir, biasanya dipakai untuk memenuhi kebutuhan listrik atau juga untuk sumber tenaga bagi kapal selam. Reaktor penelitian dibangun dengan tujuan untuk memproduksi neutron dan/atau sumber radioaktif untuk keperluan ilmu, kedoketan, teknik, atau tujuan penelitian lainnya. Reaktor peranakan dibangun dengan tujuan untuk memproduksi bahan bakar nuklir dari isotop yang terabaikan. Reaktor peranakan cepat dapat membuat 239 Pu (bahan bakar nuklir) dari bahan yang sebelumnya terabaikan yaitu 238 U (bukan bahan bakar nuklir). Reaktor peranakan termal sebelumnya telah dites menggunakan 232 Th untuk memperbanyak isotop 233 U yang dilanjutkan untuk dipelajari dan dikembangkan lebih jauh. Semua PLTN komersial yang ada di dunia menggunakan reaksi nuklir fisi. Pada umumnya reaktor jenis ini menggunakan bahan bakar nuklir Uranium dan reaktor jenis ini akan menghasilkan Plutonium, meskipun dimungkinkan juga menggunakan siklus bahan bakar Thorium. C. Komponen Reaktor Nuklir Secara umum di dalam reaktor nuklir komersial yang ada, memiliki komponen utama, antara lain: 1. Bahan Bakar Nuklir Batangan U 3 O 8 diperkaya dengan kandungan uranium-235 yang berfungsi sebagai bahan bakar suatu reaktor nuklir. Bijih uranium hanya mengandung sekitar 0,7%. Sebagian besar sisanya adalah non fisi. Untuk mendapatkan uranium-235 ini dilakukan dengan cara pengolahan dan pemrosesan kembali dengan memisahkan 235 UF 6 gas dari 238 UF 6 yang terdapat di dalam bijih uranium. Pemisahan dengan cara difusi yang didasarkan pada kemampuan difusi yang lebih lambat dari molekul gas. Prosedur pemisahan lain dapat pula menggunakan ultrasentrifus.
4 Sebuah metode yang berpotensi lebih efisien untuk mendapatkan uranium-235 sebagai bahan bakar, melibatkan penggunaan laser canggih untuk mengionisasi secara lebih selektif dan menghilangkan. yang terionisasi kemudian bisa dibuat untuk bereaksi dengan ion negatif untuk membentuk senyawa lain sehingga mudah untuk dipisahkan dari campuran. Dalam metode ini, kita harus membuat laser yang mampu menghasilkan radiasi monokromatik yang cukup untuk merangsang terbentuknya satu isotop. 2. Moderator Neutron Neutron dengan kecepatan tinngi dihasilkan selama fisi yang memiliki energi besar. Energi ini akan diserap secara efisien oleh inti lainnya. Dengan demikian, neutron dengan kecepatan tinggi ini harus diperlambat oleh tabrakan dengan atom yang memiliki massa yang sebanding dan tidak menyerap neutron tersebut. Alat yang digunakan disebut moderator. Moderator yang paling umum digunakan adalah air, meskipun grafit juga terkadang digunakan. Moderator yang paling efisien adalah helium, yang dapat memperlambat neutron tetapi tidak menyerapnya. Berikutnya yang paling efisien adalah air berat (deuterium oksida, 2O atau 2O). Penggunaan air berat ini sangat mahal, terutama dalam penerapan reaktor riset. 3. Control Rods Kadmium dan boron adalah peredam neutron yang baik di dalam reaktor nuklir. Laju reaksi fisi dikendalikan dengan menggunakan control rods atau batang kendali. Batang kendali biasanya terbuat dari kadmium atau baja boron. Secara otomatis, batang kendali dimasukkan ke dalam atau dikeluarkan dari ruang antara di dalam wadah bahan bakar. Semakin banyak neutron diserap oleh batang kendali, maka semakin sedikit fisi yang terjadi dan lebih sedikit panas yang dihasilkan. Oleh karena itu, output panas dari reaktor nuklir diatur oleh sistem kontrol yang beroperasi pada control rods. 4. Sistem Pendingin Dalam reaktor nuklir umumnya menggunakan dua buah sistem pendingin. Pendingin pertama adalah dengan penggunaan moderator yang berfungsi sebagai pendingin untuk reaktor. Hal ini karena terjadi proses transfer fisi yang menghasilkan
5 panas ke generator uap. Panas yang dihasilkan ini akan mengubah air menjadi uap. Uap kemudian mengalir ke arah turbin yang menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik. Pendingin kedua adalah penggunaan pendingin lain (seperti air sungai, air laut, atau air diresirkulasi) yang akan mengembunkan uap dari turbin dan embun ini kemudian didaur ulang ke dalam pembuat uap. Bahaya muncul jika reaktor dimatikan dengan cepat. Disintegrasi produk fisi radioaktif masih berlangsung pada tingkat yang tinggi, sehingga akan cepat menaikkan suhu dan berakibat pada pemanasan elemen bahan bakar dan meleburkannya. Jadi penggunaan satu pendingin tidak akan cukup jika ditujukan untuk menutup reaksi fisi. Pendinginan yang efisien harus digunakan sampai isotop-isotop yang dihasilkan memiliki usia yang singkat dan panas dari disintegrasi yang terjadi dapat dikurangi. 5. Shielding (Pelindung) Sangat penting bahwa masyarakat dan daerah di sekitar reaktor nuklir harus cukup terlindung dari kemungkinan terpapar nuklida radioaktif. Seluruh reaktor nuklir harus tertutup oleh penahan baja. Pelindung ini dilapisi dengan sebuah tembok beton yang berdinding tebal. Setiap pegawai yang bekerja sebagai operator lebih lanjut dilindungi oleh pelindung biologis, misalnya lapisan tebal bahan organik yang terbuat dari serat kayu yang dikompresi. Pelindung biologis ini menyerap neutron dan radiasi sinar beta dan sinar gamma yang dapat diserap oleh tubuh manusia. D. Cara Kerja Reaktor Nuklir Gambar 2. Reaktor Nuklir Secara umum, cara kerja reaktor nuklir adalah sebagai berikut:
6 1. Di dalam inti reaktor, terjadi reaksi fisi karena adanya penembakan neutron terhadap bahan bakar nuklir (Uranium-235) yang menghasilkan energi panas yang cukup besar. Setiap reaksi fisi, rata-rata membebaskan 2-3 neutron. 2. Energi neutron cepat yang dihasilkan dari reaksi fisi (5 MeV) akan diturunkan oleh moderator menjadi neutron termal (2 MeV) sehingga reaksi fisi nuklir akan terus berlanjut. Air yang berfungsi sebagai moderator akan memperlambat kelajuan neutron karena neutron akan kehilangan sebagian energinya saat bertumbukan dengan molekul-molekul air. 3. Sebagian neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi akan diserap oleh batang kendali sehingga hanya ada satu neutron saja yang melangsungkan reaksi fisi lanjutan. Batang kendali didesain sedemikian rupa agar secara otomatis dapat keluar-masuk inti reaktor. Jika jumlah neutron di dalam inti reaktor melebihi jumlah yang diizinkan (kondisi kritis), maka batang kendali dimasukkan ke dalam inti 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 reaktor ke kondisi kritis yang diperbolehkan. 4. Energi panas yang dihasilkan dari inti reaktor akan melelehkan bahan bakar. Oleh karena itu, panas yang dibebaskan kemudian dibawa oleh air bertekanan menuju pendingin. 5. Cairan yang berada di dalam pendingin kemudian menjadi terpanaskan dan terbentuklah uap. Uap yang dihasilkan diarahkan ke turbin uap untuk memutar generator dan akhirnya dapat menghasilkan listrik. E. Klasifikasi Reaktor Nuklir 1. Klasifikasi reaktor nuklir berdasarkan penggunaan bahan bakar a. Reaktor Pembakar Reaktor pembakar adalah jenis reaktor nuklir yang menggunakan Uranium-235 sebagai bahan bakar. Pada reaktor ini digunakan uranium yang perkaya untuk meningkatkan efisiensi. Untuk memperpanjang reaksi fisi, neutron cepat diperlambat dengan suatu moderator (grafit atau air berat) dan laju reaksi disesuaikan dengan mengatur batang kendali (boron) yang dapat menyerap neutron. Beberapa neutron bereaksi untuk membentuk plutonium, tapi dalam jumlah yang lebih sedikit dari uranium awal, sehingga reaktor tersebut disebut dengan istilah reaktor pembakar.
7 b. Reaktor Pembiak Reaktor nuklir konvensional menggunakan Uranium-235 sebagai bahan bakar, meskipun Uranium-235 terdapat dalam jumlah 1% lebih sedikit dari uranium yang terjadi secara alami. Kebanyakan uranium terdapat sebagai isotop Uranium-238. Uranium-238 tidak dapat digunakan pada reaktor nuklir konvensional, tidak terjadi reaksi fisi seperti Uranium-235. Akan tetapi, jika Uranium-238 dapat digunakan sebagai bahan bakar nuklir, maka dapat digunakan untuk menjalankan raktor nuklir sampai ratusan tahun. Reaktor pembiak dikembangkan menggunakan Uranium-238. Reaktor ini dibangun dengan suatu inti/bijih plutonium yang dapat melakukan reaksi fisi, yaitu Plutonium-239. Inti Plutonium-239 dikelilingi oleh lapisan Uranium-238. Dengan berlangsungnya reaksi fisi dari Plutonium 239, maka akan melepaskan neutron. Neutron ini akan mengubah Uranium-238 menjadi Plutonium-239. Dengan kata lain, reaktor ini akan menghasilkan bahan bakar (Plutonium-239) ketika beroperasi. Setelah semua Uranium-238 berubah menjadi Plutonium-239, reaktor akan terisi kembali. Meskipun demikian, ada beberapa masalah utama pada reaktor pembiak ini, di antaranya Plutonium-239 sangat bersifat toksik. Jika seseorang menghirup sejumlah kecil Plutonium-239, ia akan terkena kanker paru-paru. Selain itu, waktu paruh material sangat lama, sekitar 24.000 tahun. Hal ini menciptakan penyelesaian masalah yang hampir tidak mungkin jika ingin menghasilkan material ini dalam jumlah banyak. Karena sifat dasar dari bijih reaktor, air tidak dapat digunakan sebagai pendingin, cairan natrium harus digunakan. Suatu kecelakan/bencana dapat terjadi karena natrium bereaksi dengan air dan udara secara reaktif. Walaupun reaktor pembiak dapat menyelesaian masalah bahan bakar uranium, masih ada sejumlah masalah yang harus dipecahkan. Dua jenis reaktor pembiak tradisional, yaitu: Fast Breeder Reactor atau FBR. Neutron unggul dari reaktor neutron cepat memungkinkan dibangunnya reaktor ini, setelah bahan bakar plutonium awal dimasukkan, hanya dibutuhkan uranium untuk siklus bahan bakarnya. Thermal Breeder Reactor Karakteristik penangkap neutron yang luar biasa dari Uranium-233 memungkinkan untuk membangun reaktor dengan moderator air berat,
8 setelah bahan bakar awal diperkaya uranium, plutonium atau MOX, dibutuhkan hanya thorium sebagai masukan siklus bahan bakarnya. Thorium- 232 menghasilkan Uranium-233 setelah menangkap neutron atau memancarkan beta. 2. Klasifikasi reaktor nuklir berdasarkan energi reaktor a. Reaktor Neutron Termal Reaktor jenis ini menggunakan neutron lambat atau neutron thermal. Hampir semua reaktor yang ada saat ini adalah reaktor termal. Reaktor ini mempunyai bahan moderasi neutron yang dapat memperlambat neutron hingga mencapai energi termal. Reaktor ini memiliki kemungkinan lebih besar terjadinya reaksi fisi antara neutron termal dan bahan fisil seperti Uranium-235, Plutonium- 239 dan Plutonium-241, serta akan mempunyai kemungkinan lebih kecil terjadinya reaksi fisi dengan Uranium-238. Dalam reaktor jenis ini, biasanya pendingin juga berfungsi sebagai moderator neutron, reaktor jenis ini umumnya menggunakan pendingin air dalam tekanan tinggi untuk meningkatkan titik didih air pendingin. Reaktor ini diwadahi dalam suatu tanki reaktor yang didalamnya dilengkapi dengan instrumentasi pemantau dan pengendali reaktor, pelindung radiasi dan gedung containment. Pada termal reaktor tekanan air (pressurized-water), air murni yang melewati inti panas tidak akan menjadi radioaktif, tetapi dapat dialirkan keluar pelindung untuk memanasan pemanas. Karena air berfungsi sebagai pendingin dan moderator, maka reaksi nuklir akan berhenti jika untuk beberapa alasan air tersebut keluar dari reaktor. Reaktor yang menggunakan pendingin dan moderator air ini dinilai stabil karena memiliki karateristtik kontrol yang menarik. Akan tetapi, reaktor termal membutuhkan Uranium-235 tiga kali lebih banyak dari reaktor sedang. b. Reaktor Neutron Sedang Reaktor neutron sedang, menawarkan transfer kalor yang lebih efisien, akan tetapi cairan logam yang digunakan dalam reaktor menjadi bersifat radioaktif dan membutuhkan perlindungan. Reaktor ini dinilai kurang aman. Jika air membanjiri reaktor, akan bereaksi dengan natrium. Untuk masalah tersebut,
9 kebocoran pada pengaliran penukar kalor akan menyebabkan natrium kontak langsung dengan air. c. Reaktor Cepat Reaktor jenis ini menggunakan neutron cepat untuk menghasilkan fisi dalam bahan bakar reaktor nuklir. Reaktor jenis ini tidak memiliki moderator neutron dan menggunakan bahan pendingin yang kurang memoderasi neutron. Untuk tetap menjaga agar reaksi nuklir berantai tetap berjalan maka diperlukan bahan bakar yang mempunyai bahan belah (fissile material) dengan kandungan uranium-235 yang lebih tinggi (lebih dari 20 %). Reaktor cepat mempunyai potensi menghasilkan limbah transuranic yang lebih kecil karena semua aktinida dapat terbelah dengan menggunakan neutron cepat, namun reaktor ini sulit untuk dibangun dan mahal dalam pengoperasiannya. Beberapa negara sudah mengembangkan Fast Beeder Reactor (FBR), yang merupakan jenis Reaktor Neutron Cepat. Reaktor ini menggunakan Uranium-238 pada bahan bakar reaktor sebagiamana isotop Uranium-235 digunakan pada kebanyakan reaktor. FBR dapat menggunakan uranium paling sedikit 60 kali lebih efisien dari reaktor normal. 3. Klasifikasi reaktor nuklir berdasarkan bahan bakar a. Uranium alam 99,3% uranium alam terdiri dari 238 U, sisanya 0,7% 235 U, dan sedikit sekali 234 U. Untuk menggunakan 238 U sebagai bahan bakar maka harus disediakan neutron cepat dalam reaktor. Reaktor yang digunakan adalah reaktor cepat. b. 235 U yang diperkaya Neuton cepat sangat sulit diperoleh karena neutron cepat mudah sekali kehilangan energi (menjadi lambat) ketika bertumbukan dengan inti uranium, sehingga digunakan neutron lambat. Reaktor yang digunakan adalah reaktor lambat. Untuk menggunakan neutron lambat maka diperlukan 235 U sebagai bahan bakar, namun keberadaannya sangat sedikit sekali di alam (0,7%) sehingga 235 U perlu diperkaya.
10 c. 232 Th atau campuran 239 Pu umumnya/ 238 U Reaktor berbahan bakar 232 Th disebut LFTR atau Liquid Fluoride Thorium Reactor. 4. Klasifikasi reaktor nuklir berdasarkan moderator a. Reaktor Air Berat Reaktor air berat menggunakan air berat atau D 2 O sebagai moderator. Air berat yang dimaksud adalah D 2 O. Deutrium merupakan isotop hidrogen dengan nomor massa 2. Reaktor dalam kelompok ini adalah : PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor) dan Reaktor Candu (Canadium-Deuterium-Uranium). b. Reaktor Grafit Bahan moderasi yang digunakan adalah grafit. Reaktor dalam kelompok ini adalah: MR (Magnox Reactor), AGR (Advanced Gas-Cooled Reactor), GMBWR (Graphite Moderated Boiling Water Reactor) dan RBMR (reaktor yang digunakan oleh Rusia). 5. Klasifikasi reaktor nuklir berdasarkan pendingin a. Reaktor Berpendingin Air Meliputi reaktor jenis PWR (Pressurized Water Reactor), BWR (Boiling Water Reactor), GMBWR (Graphite Moderated Boiling Water Reactor), PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor) b. Reaktor Berpendingin Gas Gas yang biasa digunakan adalah CO 2 dan N 2. Reaktor yang termasuk dalam jenis ini adalah MR (Magnox Reactor) dan AGR (Advanced Gas-Cooled Reactor). 6. Klasifikasi reaktor nuklir berdasarkan fasa bahan bakar/moderator Berdasarkan fasa bahan bakar atau moderatornya, reaktor nuklir dibagi menjadi raktor heterogen dan reaktor homogen. Reaktor heterogen mempunyai sejumlah besar batang bahan bakar dengan pendingin yang bersirkulasi mengelilinginya dan membuang panas yang dilepaskan oleh pembelahan/fisi nuklir. Pada reaktor homogen, bahan bakar dan moderator dicampur, misalnya garam
11 uranium seperti uranium sulfat (atau nitrat) yang larut di dalam moderator seperti H 2 O atau D 2 O. Sehubungan dengan kesulitan pada perawatan komponen, yang mempengaruhi keradioaktifan, erosi, dan korosi, reaktor homogen tidak umum digunakan. Sekarang ini reaktor nuklir lebih banyak jenis heterogen. Reaktor-reaktor ini diklasifikasikan kembali berdasarkan tipe bahan bakar yang digunakan, spektrum fluks neutron, pendingin, dan moderator yang digunakan. 7. Klasifikasi reaktor nuklir berdasarkan kegunaannya a. Reaktor Penelitian/Riset Pada reaktor penelitian, yang diutamakan adalah pemanfaatan radiasi neutron yang dihasilkan dari reaksi nuklir untuk keperluan berbagai penelitian dan produksi radioisotop. Sedangkan, kalor yang dihasilkan dirancang sekecil mungkin, sehingga dapat dibuang ke lingkungan. Pengambilan kalor pada reaktor dilakukan dengan sistem pendingin yang terdiri dari sistem pendingin primer dan sistem pendingin sekunder. Kalor yang berasal dari teras reaktor dibawa ke sistem pendingin primer kemudian dilewatkan melalui alat penukar kalor dan selanjutnya kalor dibuang ke lingkungan melalui sistem pendingin sekunder. Pada alat penukar kalor, sistem pendingin primer dan sistem pendingin sekunder tidak terjadi kontak langsung antara uap/air yang mengandung radiasi dengan air pendingin yang dibuang ke lingkungan. Reaktor Penelitian di Indonesia. Reaktor TRIGA Mark II Bandung merupakan reaktor penelitian, sesuai dengan namanya TRIGA (Training Reseach Isotopes production by General Atomic). Pada awalnya yaitu tahun 1965 reaktor mempunyai daya maksimum 250 kw, kemudian tahun 1971 dayanya ditingkatkan menjadi 1000 kw. Pada tahun 2000 dayanya ditingkatkan lagi menjadi 2000 kw. Selain di Bandung, terdapat reaktor TRIGA Mark II Yogyakarta, dengan daya maksimum 250 kw, dan reaktor RSG (Reaktor Serba Guna) di Serpong dengan daya maksimum 30 MW. Sejak tahun 2000, nama reaktor TRIGA Mark II Bandung diubah menjadi Reaktor TRIGA 2000 Bandung.
12 Reaktor TRIGA Mark II Bandung, merupakan reaktor tipe kolam, teras reaktor terendam di dalam kolam atau tangki reaktor, berpendingin air ringan (aquades), serta berfungsi sebagai pelatihan, riset, dan produksi radioisotop b. Reaktor Daya (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir/PLTN) Pada reaktor daya yang dimanfaatkan adalah uap panas bersuhu dan bertekanan tinggi yang dihasilkan oleh reaksi fisi untuk memutar turbin, sedangkan neutron cepat dihasilkan diubah menjadi neutron lambat untuk berlangsungnya reaksi berantai dan sebagian lagi tidak dimanfaatkan. Reaksi fisi berantai hanya terjadi apabila neutron termal/lambat mampu menembak Uranium-235 yang lainnya hingga terjadilah reaksi berantai secara terus menerus. Cara mengubah neutron yang berkecepatan tinggi menjadi neutron berkecepatan rendah (neutron lambat) adalah dengan menumbukkannya pada inti atom hidrogen dalam air. Jadi, air di dalam kolam reaktor ini berfungsi sebagai pemerlambat (moderator), sebagai pendingin, dan juga sebagai perisai radiasi. Beberapa bahan pada umumnya yang dipergunakan sebagai bahan pendingin reaktor nuklir adalah air ringan (H 2 O), air berat (D 2 O), gas, dan grafit. Ditinjau dari jenis pendingin yang dipergunakan, maka reaktor daya dapat dikelompokkan menjadi: Reaktor daya berpendingin air (H 2 O) - PWR, BWR Reaktor daya berpendingin air berat (D 2 O) CANDU PHW Reaktor daya berpendingan gas (gas Helium, gas CO 2 ) HTGR, AGR Reaktor daya berpendingin logam cair (Natrium) - LMFBR Nama-nama reaktor daya: PWR dan BWR disebut dengan LWR (Light Water Reactor) LWR : Reaktor air ringan PHWR : Reaktor air berat (Pressurized Heavy Water Reactor) PWR : Reaktor air bertekanan (Pressurized Water Reactor) BWR : Reaktor air didih (Boiling Water Reactor) CANDU PHWR : Canadian Deuterium Pressurized Heavy Water Reactor HTGR : Reaktor temperatur tinggi berpendingan gas (High Temperature Gascooled Reactor) AGR : Reaktor berpendingin gas (Advanced Gas cooled Reactor)
13 LMFBR : Reaktor pembiak berpendingin metal cair (Liquid Metal Fast Breeder Reactor) c. Reaktor Pembiak (Breeder Reactor) Reaktor pembiak menggunakan bahan bakar Uranium, tetapi tidak seperti reaksi nuklir konvensional, reaktor ini menghasilkan bahan terfisikan lebih banyak daripada yang digunakan. Dengan reaktor pembiak, bahan bakar yang mengandung Uranium-235 atau plutonium-239 dicampur dengan plutonium-238 agar terjadi pembiakan di dalam teras reaktor. Untuk setiap inti uranium-235 (atau plutonium-239) yang mengalami fisi, lebih dari satu neutron ditangkap oleh uranium-238 untuk menghasilkan plutonium-239. Jadi tumpukan bahan terfisikan dapat terus meningkat sewaktu bahan bakar nuklir mulai dikonsumsi. Diperlukan sekitar 7 sampai 10 tahun untuk menghasilkan jumlah bahan yang cukup untuk mengisi ulang reaktor asli dan untuk menghasilkan jumlah bahan yang cukup untuk mengisi ulang reaktor asli dan untuk mengisi bahan bakar reaktor lain yang ukurannya sama. F. Kelebihan dan Kekurangan Reaktor Nuklir Reaktor nuklir merupakan perangkat untuk memulai dan mengendalikan reaksi nuklir berantai. Reaktor nuklir menghasilkan energi. Proses yang terjadi dalam reaktor adalah reaksi fisi. Uranium-235 digunakan sebagai bahan bakar dalam reaktor nuklir. Reaksi fisi membuat air menjadi panas dan menguap, kemudian membuat turbin bergerak untuk memproduksi listrik. Penggunaan tenaga nuklir masih menjadi perdebatan. Hal ini karena pada penggunaan tenaga nuklir terdapat kelebihan dan kekurangan yang memberikan potensi ancaman terhadap lingkungan dan kehidupan manusia. Adapun kelebihan energi nuklir, yaitu: 1. Menghasilkan energi dalam jumlah besar Reaksi nuklir melepaskan energi satu juta kali lebih banyak dibandingkan dengan energi air dan angin. Oleh karena itu, sejumlah besar tenaga listrik dapat dihasilkan melalui energi nuklir. Saat ini, sekitar 10-15 % dari listrik di dunia dihasilkan melalui energi nuklir. 1 kg uranium-235 diperkirakan dapat menghasilkan energi yang setara dengan 1500 ton batu bara.
14 2. Tidak menghasilkan gas rumah kaca Pada reaktor nuklir, tidak dihasilkan gas karbon dioksida, gas metana, ozon, dan kloroflorokarbon yang merupakan gas-gas yang menyebabkan terjadinya efek rumah kaca. Gas rumah kaca merupakan ancaman yang menyebabkan terjadinya pemanasan global dan perubahan iklim. Sementara itu, kekurangan dari energi nuklir, yaitu: 1. Radiasi Kebocoran radiasi adalah salah satu kelemahan terbesar dari adanya reaktor nuklir. Radiasi yang dihasilkan apabila terjadi kontak dengan lingkungan dapat mengakibatkan kerusakan parah pada ekosistem dan hilangnya nyawa. 2. Bahan Bakar Meskipun reaktor nuklir menghasilkan sejumlah besar energi, reaktor nuklir menggunakan uranium sebagai bahan bakar, yang merupakan bahan bakar terbatas. Setelah uranium habis, maka reaktor nuklir akan menempati lahan tersebut dan mencemari lingkungan. 3. Biaya Selain reaktor nuklir akan berfungsi selama uranium masih tersedia, ada juga kekurangan dari segi biaya. Meskipun dalam reaktor nuklir dihasilkan energi yang sangat besar, namun dalam penyusunan atau pembuatan reaktor nuklir dibutuhkan biaya yang sangat besar pula. G. Manfaat Reaktor Nuklir Energi yang dihasilkan dari reaktor nuklir sangat besar. Energi ini dapat digunakan untuk berbagai kepentingan. Namun, implementasi terbesarnya adalah sebagai sumber panas dan listrik. Berikut beberapa manfaat dari energi yang dihasilkan reaktor nuklir adalah: 1. Sebagai sumber energi listrik Reaktor nuklir penghasil listrik pertama diciptakan di Amerika pada 1942, oleh Enrico Fermi. Prinsip dari pembangkit listrik tenaga nuklir mirip dengan pembangkit
15 listrik konvensional lainnya. Perbedaannya terletak pada mekanisme pemutar turbin. Pada pembangkit listrik tenaga nuklir, energi yang dihasilkan dari reaksi fisi nuklir digunakan untuk memanaskan air. Uap yang dihasilkan digunakan untuk memutar turbin, sama seperti pada pembangkit listrik konvensional. 2. Sumber panas bagi industri Industri-industri yang membutuhkan panas dalam jumlah yang cukup besar contohnya adalah: Industri makanan Industri kertas Industri pupuk dan bahan kimia Industri penghasil batu bara dan minyak bumi Industri penghasil dan pengolah logam 3. Sebagai sumber pemanas distrik Di Negara-negara dengan empat musim, pemanas rumah sangatlah dibutuhkan. Beberapa Negara seperti Bulgaria, Cina, Hungaria, Romania, Swiss dan Switzerland telah menggunakan energi nuklir untuk menyediakan pemanas bagi rumah-rumah. 4. Desalinasi air laut Air memiliki peran yang sangat penting bagi kehidupan. Dengan bertambahnya populasi, serta perubahan iklim semakin memperbesar kebutuhan air masyarakat. Kelangkaan air juga sudah menjadi hal yang lumrah di daerah-daerah tertentu. Desalinasi air menyediakan alternatif penyediaan air bersih, dari air laut. Energi yang dihasilkan dari reaktor nuklir digunakan untuk menjalankan proses desalinasi, melalui metode destilasi yang membutuhkan energi panas serta listrik. 5. Sebagai sumber energi listrik alat transportasi Semakin menipisnya minyak bumi seagai bahan bakar, membuat sumber energi alternatif bagi alat transportasi sangat diperlukan. Beberapa sumber energi alternatif yang telah ditemukan adalah energi listrik. Namun, penggunaan energi listrik sebagai sumber bahan bakah masih menemui kebuntuan, karena pada saat ini energi listrik sebagian besar masih dihasilkan dari diesel, yang pada dasarnya adalah proses
16 pembakaran minyak bumi. Dengan reaktor nuklir, dapat dihasilkan sumber energi listrik yang besar yang dapat digunakan sebagai bahan bakar alat-alat transportasi seperti mobil, motor, kereta listrik, dan berbagai alat transportasi lainnya.
17 DISKUSI 1. Vetty Pertanyaan: - Neutron awal pada reaksi fisi dalam reaktor nuklir berasal dari mana? - Control rods merupakan senyawa kimia yang bereaksi dengan neutron. Apakah produk dari reaksi control rods dengan neutron diproses lebih lanjut? Jawab: - Fisi nuklir dapat muncul tanpa adanya penembakan neutron, sebagai tipe dari peluruhan radioaktif. Namun, pada reaktor nuklir, neutron awal berasal dari suatu komponen yang mampu menyimpan partikel neutron. - Untuk mengendalikan atau mengatur reaksi berantai dalam reaktor nuklir digunakan bahan yang dapat menyerap neutron misalnya Boron dan Cadmium, yang bertujuan untuk mengatur kerapatan neutron. Dengan mengatur kerapatan neutron ini dapat ditentukan tingkat daya raktor nuklir, bahkan reaksi dapat dihentikan sama sekali (tingkat daya mencapai titik 0) pada saat semua neutron terserap oleh bahan penyerap. Perangkat pengatur kerapatan neutron pada reaktor nuklir ini disebut elemen kendali atau control rods. Jika elemen kendali disisipkan penuh diantara elemen bakar, maka elemen kendali akan menyerap neutron secara maksimum sehingga reaksi berantai akan dihentikan dan daya serap batang kendali akan berkurang bila batang kendali ditarik menjauhi elemen bakar. Reaksi penangkapan neutron oleh boron-10 menghasilkan partikel alfa dan litium-7 yang merupakan partikel dengan rentang ukuran sekitar 10 mikron. 2. Desri Pertanyaan: Apakah mungkin neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi bereaksi dengan air (H 2 O) yang berperan sebagai moderator? Jawab: Fragmen fisi (misalnya neutron) melaju dengan kecepatan yang tinggi (mayoritas energi reaksi fisi adalah energi kinetik dari fragmen fisi). Ketika berinteraksi dengan neutron, akan menyebabkan elektron-elektron dari atom bahan (dalam hal ini molekul air) akan tereksitasi keluar dari orbitnya. Hal ini membuat molekul air terionisasi, yaitu terbentuknya ion positif dan ion negatif. Proses ionisasi ini memerlukan energi dan
18 energi ini berasal dari energi kinetik neutron. Ketika berinteraksi dengan air dan menyebabkan air terionisasi, nutron akan kehilangan energi kinetiknya, dan gerakannya semakin melambat. Sedangkan pasangan ion positif dan ion negatif yang terbentuk ketika dilewati oleh fragmen fisi, akan segera kembali bergabung. Proses penggabungan ini melepaskan energi berupa panas. Dengan demikian, neutron yang dihasilkan tidak bereaksi dengan air membentuk senyawa lain (misalnya deuterium). 3. Ihsan Pertanyaan: Apakah energi yang diperoleh dari reaksi fisi dan dari tumbukan dengan moderator besarnya tetap atau tidak? Jawab: Produk Fisi Jenis Energi Jumlah Energi (MeV) Produk fisi Kinetik 165 Neutron fisi Kinetik 5 Gamma fisi Elektromagnetik 7 Peluruhan beta Kinetik 7 Peluruhan gamma Elektromagnetik 10 Neutrino Kinetik 10 Gamma tertangkap Elektromagnetik 7 Energi peluruhan Elektromagnetik + Kinetik 3 Jumlah energi yang dihasilkan 200 Dalam reaktor nuklir, terjadi reaksi fisi sebagai berikut: n + + + 2n + 200 MeV Besarnya energi kinetik neutron baru yang dihasilkan pada reaksi fisi memiliki energi kinetik rata-rata 5 MeV. Akan tetapi, besarnya energi kinetik neutron setelah bertumbukan dengan moderator tidak tetap, bergantung banyaknya molekul moderator dalam sistem tersebut. Neutron yang melewati moderator akan mendisipasikan energi yang dimilikinya kepada moderator. Setelah neutron berinteraksi dengan molekulmolekul moderator, energi neutron akan berkisar pada 2 MeV.
19 4. Sabila Pertanyaan: Agar terjadi reaksi fisi harus memiliki ambang energi. Apakah moderator tidak berpengaruh pada energi ambang reaksi fisi? Jawab: Energi ambang untuk karbon-12 adalah 4.8 MeV, untuk oksigen-16 6.4 MeV. Namun untuk unsur yang lebih berat memiliki energi ambang yang lebih kecil, misalnya uranium-235 yang memiliki energi ambang 0.04 MeV. Untuk bahan fertil, reaksi fisi juga termasuk reaksi yang bersifat sebagai reaksi ambang. Pada uranium-238 neutron perlu memiliki energi tertentu untuk dapat menyebabkan reaksi fisi. Energi ambang pada uranium-238 untuk reaksi fisi sekitar 1.0 MeV. Dengan demikian, adanya moderator tidak terlalu berpengaruh pada energi ambang reaksi fisi uranium-235.
20 POIN-POIN TAMBAHAN Reaksi Penangkapan Neutron oleh Uranium-235 merupakan satu-satunya bahan fisil yang terdapat secara alami. Kandungannya dalam uranium alam hanya 0.7%, sedangkan sisa kandungan uranium alam mayoritas adalah uranium-238 sekitar 99.3%. Dengan reaksi penangkapan neutron, uranium-238 akan menjadi radioaktif kemudian meluruh menjadi plutonium-239 dengan reaksi sebagai berikut: Biloks U 3 O 8 (Bahan Bakar dalam Reaktor Nuklir) Uranium atau uranium dioksida adalah salah satu bahan bakar nuklir yang banyak digunakan di dalam reaktor nuklir. Secara kimia uranium mempunyai 4 valensi, atau bilangan oksidasi yaitu III, IV, V, dan VI. Dari keempat spesies uranium tersebut yang paling stabil terhadap udara adalah adalah U(VI) sedangkan U(IV) relatif stabil terhadap udara, di lain pihak spesies U(III) dan U(V) sangat tidak stabil terhadap oksigen di udara. Bahan Bakar Uranium-235 Reaktor nuklir konvensional menggunakan Uranium-235 sebagai bahan bakar, meskipun Uranium-235 terdapat dalam jumlah 1% lebih sedikit dari uranium yang terjadi secara alami. Uranium-235 digunakan sebagai bahan bakar dalam reaktor nuklir karena Uranium-235 merupakan satu-satunya bahan fisil yang terdapat secara alami. Kebanyakan uranium terdapat sebagai isotop Uranium-238. Uranium-238 tidak dapat digunakan pada reaktor nuklir konvensional, tidak terjadi reaksi fisi seperti Uranium- 235. Untuk menggunakan uranium sebagai bahan bakar, perlu digunakan reaktor pembiak. Mekanisme kerja reaktor pembiak, antara lain: - Inti Plutonium-239 dikelilingi oleh lapisan Uranium-238. - Berlangsungnya reaksi fisi dari Plutonium-239 akan melepaskan neutron. - Neutron ini akan mengubah Uranium-238 menjadi Plutonium-239. Dengan kata lain, reaktor ini akan menghasilkan bahan bakar (Plutonium-239) ketika beroperasi. Setelah semua Uranium-238 berubah menjadi Plutonium-239, reaktor akan terisi kembali dengan bahan bakar.
21 Namun, ada beberapa masalah utama pada reaktor pembiak ini, di antaranya: - Plutonium-239 sangat bersifat toksik. - Waktu paruh material sangat lama, sekitar 24.000 tahun. Hal ini menciptakan penyelesaian masalah yang hampir tidak mungkin jika ingin menghasilkan material ini dalam jumlah banyak. - Karena sifat dasar dari bijih reaktor, air tidak dapat digunakan sebagai pendingin, sehingga cairan natrium harus digunakan sebagai pendingin. Suatu kecelakan/bencana dapat terjadi karena natrium bereaksi dengan air dan udara secara reaktif. Mekanisme Kerja Control Rods Untuk mengendalikan atau mengatur reaksi berantai dalam reaktor nuklir digunakan bahan yang dapat menyerap neutron misalnya Boron dan Cadmium, yang bertujuan untuk mengatur kerapatan neutron. Jika elemen kendali disisipkan penuh diantara elemen bakar, maka elemen kendali akan menyerap neutron secara maksimum sehingga reaksi berantai akan dihentikan dan daya serap batang kendali akan berkurang bila batang kendali ditarik menjauhi elemen bakar. Reaksi penangkapan neutron oleh boron-10 menghasilkan partikel alfa dan litium-7 yang merupakan partikel dengan rentang ukuran sekitar 10 mikron. Interaksi H 2 O (sebagai Moderator) dengan Neutron Fragmen fisi (misalnya neutron) melaju dengan kecepatan yang tinggi (mayoritas energi reaksi fisi adalah energi kinetik dari fragmen fisi). Ketika berinteraksi dengan neutron, akan menyebabkan elektron-elektron dari atom bahan (dalam hal ini molekul air) akan tereksitasi keluar dari orbitnya. Hal ini membuat molekul air terionisasi, yaitu terbentuknya ion positif dan ion negatif. Proses ionisasi ini memerlukan energi dan energi ini berasal dari energi kinetik neutron. Ketika berinteraksi dengan air dan menyebabkan air terionisasi, nutron akan kehilangan energi kinetiknya, dan gerakannya semakin melambat. Sedangkan pasangan ion positif dan ion negatif yang terbentuk ketika dilewati oleh fragmen fisi, akan segera kembali bergabung. Proses penggabungan ini melepaskan energi berupa panas. Dengan demikian, neutron yang dihasilkan tidak bereaksi dengan air membentuk senyawa lain (misalnya deuterium).