PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR (PLTN) DAN JENIS-JENIS REAKTOR PLTN (Yopiter L.A.Titi, NRP:1114201016, PascaSarjana Fisika FMIPA Institut Teknologi Sepuluh November (ITS Surabaya) 1. Pendahuluan Nuklir khususnya zat radioaktif hingga kini telah dipergunakan hampir di seluruh dunia baik dibidang energi maupun non energi. Untuk bidang non energi misalnya dalam industri, peternakan, pertanian, kesehatan, pengawetan bahan makanan, alat kedokteran, bidang hidrologi, dan lain sebagainya. Sedangkan yang dipergunakan dalam bidang energi yang saat ini telah dimanfaatkan dan dikembangkan secara besar-besaran yaitu pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Dimana tenaga nuklir yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik realtif murah, aman dan tidak mencemari lingkungan. 2. Prinsip kerja dan Komponen Utama PLTN Pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) berop erasi dengan prinsip yang sama dengan pembangkit listrik konvensional yang menggunakan bahan bakar yang berasal dari fosil. Hanya panas yang digunakan untuk menghasilkan uap tidak dihasilkan dari fosil tetapi dihasilkan dari reaksi pembelahan inti bahan fisi (Uranium) dalam suatu reaktor nuklir. Tenaga panas tersebut digunakan untuk membangkitkan uap di dalam sistem pembangkit uap (Steam Generator) dan selanjutnya sama seperti pembangkit listrik konvensional, uap digunakan untuk mengerakan turbin-generator sebagai pembangkit tenaga listrik. Proses pembangkitan listrik ini tidak membebaskan asap atau debu yang mengandung logam berat yang dibuang ke lingkungan atau melepaskan partikel yang berbahaya seperti CO2, SO2, NO ke Lingkungan, sehingga PLTN ini merupakan pembangkit listrik yang ramah lingkungan. Dapat dilihat pada (Gambar 1) Skema Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) serta Komponen -komponen utama dari sebuah reaktor nuklir.
Gambar 1. Skema Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) Reaktor merupakan suatu alat proses dimana terjadinya suatu reaksi berlangsung. Reaktor terbagi atas dua yaitu reaktor nuklir fisi (pembelahan) dan reaktor fusi (penggabungan). Reaktor nuklir fisi yaitu tempat berlangsungnya reaksi fisi yang dihasilkan dari interaksi neutron dengan proses fisi yang diawali dari gerakan neutron termal menumbuk inti yang meyebabkan inti atom menjadi tidak stabil dan kehilangan bentuknya kemudian membelah menjadi unsur-unsur yang lebih kecil sambil melepaskan tenaga dalam bentuk panas dan membebaskan 2 sampi 3 neutron baru. Namun untuk reaksi fusi untuk beberapa lembaga penelitian di beberapa Negara maju sudah berhasil mereaksikan inti atom kecil menjadi inti atom yang lebih besar. Namun reaksi fusi ini belum dapat dimanfaatkan secara komersial karena berbagai macam kendala. 2.1 Pembelahan Inti (Reaksi Fisi) Panas yang dipergunakan untuk membangkitkan uap diproduksi dari pembelahan inti atom yang dapat diihat pada (G ambar 2). diuraikan sebagai berikut: Apabila satu neutron (dihasilkan dari sumber neutron) tertangkap oleh inti atom U-235, inti atom akan terbelah menjadi 2 atau 3 bagian/fragmen. Energi yang semula mengikat fragmen tersebut diubah menjadi energi kinetik sehingga mereka bergerak dalam kecepatan tinggi. Karena fragmen-fragmen
itu berada dalam struktur kristal uranium maka gerakannya akan diperlambat. Dalam proses perlambatan inilah energi kinetik dikonversi menjadi energi panas (energi termal). Energi termal pembelahan 1 kg U-235 murni sekitar 17 milyar kkal atau setara dengan energi termal yang dihasilkan dari pembakaran 2,4 juta kg (2.400 ton) batubara. Selain fragmen-fragmen tersebut reaksi pembelahan inti juga menghasilkan 2 atau 3 neutron yang dilepaskan dengan kecepatan 10.000 km/detik. Neutron-neutron ini disebut neutron cepat yang mampu bergerak bebas tanpa dirintangi oleh atom-atom uranium atau atom-atom kelongsongnya. Agar mudah ditangkap oleh inti atom uranium guna menghasilkan reaksi pembelahan, maka kecepatan neutron ini harus diperlambat. Zat yang dapat memperlambat kecepatan neutron disebut moderator. Panas yang dihasilkan dari reaksi pembelahan didinginkan oleh air yang bertekanan 160 atm dan suhu 300 secara terus menerus dipompakan ke dalam reaktor melalui saluran pendingin reaktor. Tidak hanya sebagai pendingin air ini juga berfungsi sebagai moderator, yaitu medium yang memperlambat neutron. Neutron cepat akan kehilangan energinya selama menumbuk atom-atom hidrogen, setelah kecepatannya turun sampai 2000 m/s atau sama dengan kecepatan molekul gas pada suhu 300 barulah ia mampu membelah inti atom U-235, neutron yang telah diperlambat ini disebut neutron termal dan menvebabkan teriadinva reaksi berantai. Gambar 2. Reaksi Fisi
2.2 Reaksi Berantai Terkendali Reaksi berantai dapat berlangsung dalam waktu singkat dan dapat menghasilkan energi yang sangat besar. Untuk dapat dimanfaatkan tenaga panasnya, reaksi berantai yang berlangsung di reaktor nuklir harus dikendalikan sehingga dihasilkan energi yang sesuai dengan kebutuhan. Pengendalian ini dilakukan dengan menggunakan batang kendali yang mampu menyerap neutron. Batang kendali dibuat dari bahan yang dapat menyerap neutron seperti Boron atau Cadmium. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam reaksi nuklir pada PLTN: 1. Reaksi pembelahan berantai hanya dimungkinkan apabila ada moderator. 2. Kandungan U-235 di dalam bahan bakar nuklir maksimum adalah 3,2%. Kandungan ini kecil sekali dan terdistribusi seraca merata dalam isotop U- 238, sehingga tidak mungkin terjadi reaksi. pembelahan berantai secara tidak terkendali di dalamnya. Dapat dilihat pada gambar 3. Pengendalian reaksi dengan batang kendali. Gambar 3. Skema Reaksi Berantai Yang Dikendalikan Oleh Batang Kendali
2.3 Komponen Utama Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) Komponen-komponen utama dalam reactor nuklir PLTN: 1. Bahan bakar nuklir Bahan bakar adalah komponen utama dalam memegang peranan penting untuk berlangsungnya reaksi nuklir. Bahan bakar yang umum dipakai adalah unsur berat fissil yang dapat menghasilkan reaksi nuklir berantai di dalam reaktor nuklir. Bahan bakar dibuat dari isotop alam seperti Uranium dan thorium yang mempunyai sifat dapat membelah apabila bereaksi dengan neutron. 2. Moderator Fungsi moderator adalah untuk memperlambat laju neutron cepat (moderasi) yang dihasilkan dari reaksi inti hingga mencapai kecepatan neutron termal dan untuk memperbsar kemungkinan terjadinya reaksi nuklir selanjutnya (reaksi berantai). Syarat bahan moderator adalah atom dengan nomor massa kecil, amun demikian syarat lain yang harus dipenuhi adalah memiliki tampang lintang serapan neutron (keboleh-jadian menyerap neutron) yang kecil, memiliki tampang lintang hamburan yang besar dan memiliki daya hantaran panas yang baik, serta korosif. Contoh bahan moderator:,, Grafit, Berilium (Be), dan lain-lain. 3. Bahan Pendingin Pendingin reaktor berfungsi sebagai sarana pengambilan panas hasil fisi dalam elemen bakar untuk dipindahkan/dibuang ketempat lain/lingkungan melalui penukar panas (H.E). Sesuai fungsinya maka bahan yang baik sebagai pendingin adalah fluida yang koefisien perpindahan panasnya sangat bagus. Persyaratan lain yang harus dipenuhi agar tidak terganggu kelancaran reaksi proses fisi pada elemen bakar adalah pendingin, pendingin juga harus memiliki tampang lintang serapan neutron yang kecil, dan tampang lintang hamburan yang besar serta tidak korosif. Contoh fluida-fluida yang biasa dipakai sebagai pendingin adalah,, Na cair, gas He dan lain-lain.
4. Perangkat Batang Kendali Batang kendali berfungsi sebagai pengendali jalannya operasi reactor agar laju pembelahan neutron di teras reactor dapat diatur sesuai dengan kondisi operasi yang dikehendaki. Selain itu batang kendali juga berfungsi untuk memadamkan reactor atau menghentikan reaksi pembelahan. Sesuai dengan fungsinya, bahan batang kendali adalah material yang mempunyai tampang lintang serapan neutron yang sangat besar, dan tampang hamburan yang kecil. Bahan-bahan yang sering dipakai adalah: boron, cadmium, godalinium, dan lain-lain. Bahan-bahan tersebut biasanya dicampung dengan bahan lain agar diperoleh sifat yang tahan radiasi, titk leleh yang tinggi dan tidak korosif. 5. Tangki Reaktor Tangki bisa berupa tabung atau bola yang dibuat dari logam campuran dengan ketebalan sekitar 25 cm. Fungsi dari tangki adalah sebagai wadah untuk menempatkan komponen-komponen reaktor lainnya dan sebagai tempat berlangsungnya reaksi nuklir. tangki yang tebal juga berfungsi sebagai penahan radiasi agar tidak keluar dari sistem reaktor. 6. Teras Reaktor Teras reaktor yaitu komponen reaktor yang berfungsi sebagai tempat untuk bahan bakar. Teras reaktor dibuat berlubang (kolom) untuk menempatkan bahan bakar reaktor yang berbentuk batang. Teras reaktor dibuat dari bahan logam yang tahan panas dan tahan korosi. 7. Perangkat Reaktor Detektor adalah komponen penunjang yang mutlak diperlukan dalam reaktor nuklir. Semua informasi tentang kejadian fisis di dalam teras reaktor, yang meliputi popularitas neutron, laju pembelahan, suhu dan lain-lain, hanya dapat dilihat melalui detektor yang dipasang di dalam teras reaktor. 8. Reflektor Neutron yang keluar dari pembelahan bahan fisil, berjalan dengan kecepatan tinggi ke segala arah, karena sifatnya yang tidak bermuatan listrik maka gerakannya bebas menembus medium dan tidak berkurang bila tidak menumbuk suatu inti atom medium. Karena sifatnya tersebut, sebagian
neutron tersebut dapat lolos keluar teras reaktor dan hilang dari sistem. Keadaan ini secara ekonomi berarti kerugian karena neutron tersebut tidak dapat digunakan untuk proses fisi berikutnya. Untuk mengurangi kejadian ini, maka di sekeliling teras reaktor dipasang bahan pemantul neutron yang disebut reflektor, sehingga neutron-neutron yang lolos akan bertahan dan dikembalikan ke dalam teras reactor untuk dimanfaatkan lagi pada proses fisi berikutnya. Bahan-bahan reflektor yang baik adalah unsur-unsur yang mempunyai tampang lintang hamburan neutron yang besar, dan tampang lintang serapan yang sekecil mungkin serta tidak korosif. Bahan-bahan yang sering digunakan antara lain:berilium, grafit, paraffin, air,. 3. Jenis-Jenis Reaktor PLTN 1. Reaktor Air Ringan (Light Water Reactor, LWR) Pada tipe reaktor air ringan sebagai bahan bakar, digunakan uranium dengan pengayaan rendah sekitar 2%-4%, bukan uranium alam karena sifat air yang menyerap neutron. Kemampuan air dalam memoderasi neutron (menurunkan kecepatan/ energi neutron) sangat baik, maka jika digunakan dalam reaktor (sebagai moderator neutron dan pendingin) ukuran teras reaktor menjadi lebih kecil (kompak) bila dibandingkan dengan reaktor nuklir tipe reaktor gas dan reaktor air berat. 2. Reaktor Air Tekan (Pressurized Water Reactor, PWR) Reaktor PWR menggunakan air ( ) sebagai pendingin. Reaktor ini memiliki dua sistem sirkulasi pendingin, yaitu pendingin primer dan pendingin sekunder. Sirkulasi pendingin primer berisi air yang berhubungan langsung dengan sumber panas. Air pendingin sekunder dibuat bertekanan tinggi sehingga tidak akan mendidih walaupun berada dalam temperatur yang sangat tinggi. panas dari sistem pendingin primer kemudian akan dipindahkan ke sistem pendingin sekunder. Air dalam sistem sekunder ini akan berubah menjadi uap dan kemudian dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin-generator dan menghasilkan listrik.
3. Reaktor Air Didih (Boiling Water Reactor, BWR) Reaktor jenis ini memanfaatkan air ( ) sebagai pendingin reaktor dan moderator. Panas yang dihasilkan oleh reaksi fisi dalam elemen bakar akan diserap oleh air, sehingga air akan mendidih dan berubah menjadi uap. Uap yang dihasilkan akan dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin-generator sehingga dihasilkan listrik. Uap yang telah menggerakkan turbin kemudian didinginkan sehingga berubah menjadi air kembali dan dipompa kembali ke dalam reaktor. Dalam reaktor BWR hanya terdapat satu sistem sirkulasi pendingin. 4. Reaktor Air Berat (Heavy Water Reactor, HWR) Dalam hal kemampuan memoderasi neutron, air berat berada pada urutan berikutnya setelah air ringan, tetapi air berat hampir tidak menyerap neutron. Oleh karena itu jika air berat dipakai sebagai moderator, maka dengan hanya menggunakan uranium alam (tanpa pengayaan) reactor dapat beroperasi dengan baik. Bejana reaktor (disebut kalandria) merupakan tangki besar yang berisi air berat, di dalamnya terdapat pipa kalandria yang berisi perangkat bahan bakar. Tekanan air berat biasanya berkisar pada tekanan satu atmosfer, dan temperaturnya dijaga agar tetap di bawah 100 C. Akan tetapi pendingin dalam pipa kalandria mempunyai tekanan dan temperatur yang tinggi, sehingga konstruksi pipa kalandria berwujud pipa tekan yang tahan terhadap tekanan dan temperatur yang tinggi. 5. Reaktor Air Berat Tekan (Presurrezid Heavy Water Reactor, PWHR) CANadian Deuterium Uranium Reactor (CANDU) adalah suatu PLTN yang tergolong pada tipe reaktor pendingin air berat tekan dengan pipa tekan. Reaktor ini merupakan reaktor air berat yang banyak digunakan. Bahan bakar yang digunakan adalah uranium alam. Kanada menjadi pelopor penyebaran reaktor tipe ini di seluruh dunia.
6. Reaktor Air Berat Pendingin Gas ( Heavy Water Gas Cooled Reactor, HWGCR) HWGCR atau sering dibalik GCHWR adalah suatu tipe reaktor nuklir yang menggunakan air berat sebagai bahan moderatornya, sehingga pemanfaatan neutronnya optimal. Gas pendingin dinaikkan temperaturnya sampai pada tingkat yang cukup tinggi sehingga efisiensi termal reactor ini dapat ditingkatkan. Tetapi oleh karena persoalan pengembangan bahan kelongsong yang tahan terhadap temperature tinggi dan paparan radiasi lama belum terpecahkan hingga sekarang, maka pada akhirnya di dunia hanya terdapat 4 reaktor tipe ini. 7. Reaktor Pendingin Gas (Gas Cooled Reactor, GCR) Reaktor ini menggunakan bahan bakar logam uranium alam, moderator grafit pendingin gas karbondioksida. Bahan kelongsong terbuat dari paduan magnesium (Magnox), oleh karena itu reactor ini disebut sebagai reaktor Magnox. Reaktor Magnox mempunyai pembangkitan daya listrik cukup besar dan efisiensi ekonomi yang baik. Raktor tipe modifikasi Magnox pernah dibangun di Jepang pada tahun 1967 sebagai PLTN Tokai. Setelah beroperasi selama 30 tahun reaktor ini ditutup pada tahun 1998. 8. Reaktor Pendingin Gas Suhu Tinggi (High Temperature Gas Cooled Reactor, HTGR) Reaktor ini menggunakan gas helium sebagai pendingin. Karakteristika menonjol yang unik dari reaktor HTGR ini adalah konstruksi teras didominasi bahan moderator grafit, temperatur operasi dapat ditingkatkan menjadi tinggi dan efisiensi pembangkitan listrik dapat mencapai lebih dari 40 %. Terdapat 3 bentuk bahan bakar dari HTGR, yaitu dapat berupa: bentuk batang seperti reaktor air ringan (dipakai di reaktor Dragon dan Peach Bottom); bentu k blok, dimana di dalam lubang blok grafit yang berbentuk segi enam dimasukkan batang bahan bakar (dipakai di reaktor Fort St. Vrain, MHTGR, HTTR); bentuk bola (peble
bed), dimana butir bahan bakar bersalut didistribusikan dalam bola grafit (dipakai di reaktor AVR, THTR-300). 9. Reaktor Pembiak Cepat (Fast Breeder Reactor, FBR) Reaktor ini mempergunakan plutonium (Pu-239) sebagai bahan bakar plutonium ditempatkan dibagian tengah inti reaktor, kemudian disebelah luarnya dikelilingi oleh U-238. Uranium-238 ini menyerap neutron yang berasal dari reaksi hasil fisi dibagian tengah reaktor, sehingga berubah menjadi Pu-239. Produksi Pu-239 inilah yang dikenal sebagai pembiakan bahan bakar. Dengan tanpa adanya moderator di dalam reaktor untuk menurunkan energi neutron membuat reaktor ini disebut pembiak cepat. Sebagai pendingin dipakai logam cair sodium (Na) yang tidak bersifat memoderasi dan tahan terhadap temperatur ekstrim di dalam reaktor. 10. Reaktor Pebble Bed (Pebble Bed Reactor, PBR) Reaktor ini mempergunakan bahan bakar keramik uranium (U), plutonium (Pu) dan thorium (Th) berbentuk bola (pebble). Bola-bola diletakkan ke dalam silinder reaktor yang bagian bawahnya berbentuk seperti corong sebagai tempat keluarnya bahan bakar yang sudah habis terpakai.gas helium yang dialirkan di sela-sela tumpukan bola-bola keramik berfungsi sebagai pendingin yang menyerap panas hasil reaksi fisi untuk kemudian dipindahkan ke air pendingin melalui steam generator. Grafit pada struktur bahan bakar atau bola-bola grafit yang dicampur dengan bola-bola bahan bakar berfungsi sebagai moderator.
Referensi: Adiwardojo., Lasman A.,Ruslan.,Parmanto, E.,Effendi, E.,2010. Mengenal Reaktor Nuklir dan Manfaatnya. Jakarta: Pusat Diseminasi Iptek Nuklir- Badan Tenaga Nuklir Nasional. Akhadi, M. Mengenal Proses Kerja dan Jenis-jenis Pembankit Listrik Tenaga Nuklir. http://www.elektroindonesia.com/elektro/ener36a.html. (Diakses Pada Tanggal 11 November 2014). BATAN, Pengenalan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Jurnal ATOMOS No.ISSN 0215-0611. Media Informasi Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir. :Pusat Diseminasi Iptek Nuklir-BATAN. Damayanti, M., Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir. https://www.academia.edu /6135585/PEMBANGKIT_LISTRIK_TENAGA_NUKLIR. (Diakses Pada Tanggal 11 November 2014).