Nuclear Energy

 Gaya Inti dan Defek Massa

Telah kita ketahui bersama bahwa inti atom merupakan bagian inti dari suatu atom sebagai penyusun materi. Inti atom terdiri atas dua partikel, yaitu proton dan neutron atau secara bersama disebut nukleon, yang terikat dan bergabung bersama. Gaya tolak antara proton-proton yang bermuatan positif di dalam inti atom seharusnya dapat memisahkan nukleon-nukleon di dalam inti atom. Namun pada kenyataannya proton-proton dan neutron dapat bergabung di dalam inti atom. Ini menunjukkan ada gaya lain yang lebih kuat yang bekerja di antara nukleon yang membuat nukleon-nukleon dapat bersatu di dalam inti atom. Gaya ini disebut gaya ikat inti atau gaya nuklir.

Fakta lain dari inti atom adalah massa inti atom selalu lebih kecil daripada massa partikel-partikel penyusunnya, yaitu jumlah massa proton dan massa neutron. Jadi, terdapat selisih massa antara jumlah massa proton dan neutron dengan massa inti keseluruhan. Selisih massa ini disebut defek massa.

Kesetaraan Massa dan Energi

Dalam mengembangkan teorinya tentang relativitas, Einstein sampai kepada satu kesimpulan yang di kemudian hari menjadi begitu penting. Einstein menyimpulkan bahwa terdapat kesetaraan antara massa dan energi yang dirumuskan dalam persamaannya yang terkenal, yang sangat identik dengan dirinya

 

Persamaan ini menyiratkan adanya kaitan antara massa sebuah benda dan energinya, dimana dapat dikatakan bahwa massa dapat diubah menjadi energi.

Pada mulanya, kesetaraan massa dan energi belum menjadi prinsip penting. Sampai disadari bahwa terdapat hubungan antara gaya ikat inti dan defek massa di dalam inti atom. Jika prinsip kesetaraan massa dan energi ini diterapkan pada inti atom, bisa dikatakan bahwa massa yang hilang (defek massa) telah diubah menjadi energi untuk mengikat nukleon-nukleon di dalam inti atom. Jadi, defek massa bersesuaian dengan energi ikat inti.

Demikian halnya dengan reaksi nuklir, teramati berkurangnya sejumlah massa dalam reaksi nuklir dimana sebuah inti atom dapat diubah menjadi inti atom lain disertai dengan pelepasan energi yang sangat besar. Energi yang sangat besar yang dihasilkan dari reaksi nuklir berasal dari perubahan sejumlah massa inti yang bereaksi.

Energi Nuklir

Jadi, bisa disimpulkan bahwa energi nuklir dihasilkan dari perubahan sejumlah massa inti atom ketika berubah menjadi inti atom yang lain dalam reaksi nuklir.

Mekanisme di dalam inti atom melibatkan berkurangnya sejumlah massa dari inti atom yang diubah menjadi energi nuklir. Ketika inti atom bereaksi atau mengalami pembelahan dan berubah menjadi inti atom yang lain disertai pelepasan sejumlah partikel, sebagian massa inti atom menjadi berkurang yang ditandai dengan pelepasan energi yang besar dari dalam inti berupa panas atau energi kinetik. Dalam setiap mekanisme dimana massa berkurang maka telah terjadi perubahan massa menjadi energi nuklir. Hal ini sesuai dengan prinsip kesetaraan massa-energi.

Energi nuklir yang dihasilkan dalam mekanisme inti atom dan reaksi nuklir begitu besar. Ini tidak lepas dari kenyataan bahwa inti atom merupakan bagian dari atom sebagai penyusun materi, dimana jumlah atom di dalam materi adalah jumlah yang sangat besar yang diwakili oleh suatu bilangan yang dinamakan bilangan avogadro. Bilangan ini adalah bilangan yang sangat besar, yaitu

 

Bayangkan, 1 kg massa inti yang mengalami pembelahan dapat menghasilkan energi sebesar puluhan juta kilowatt jam (kWh). Ini sama saja dengan energi yang dapat digunakan untuk menyalakan lampu 100 W selama 30 ribu tahun, wow! Tidak heran jika efek dari bom nuklir demikian dahsyatnya, karena energi yang dihasilkan memang sangat besar

Fisi Nuklir

Secara umum, energi nuklir dapat dihasilkan melalui dua macam mekanisme, yaitu pembelahan inti atau reaksi fisi dan penggabungan beberapa inti melalui reaksi fusi. Di sini akan dibahas salah satu mekanisme produksi energi nuklir, yaitu reaksi fisi nuklir.

Sebuah inti berat yang ditumbuk oleh partikel (misalnya neutron) dapat membelah menjadi dua inti yang lebih ringan dan beberapa partikel lain. Mekanisme semacam ini disebut pembelahan inti atau fisi nuklir. Contoh reaksi fisi adalah uranium yang ditumbuk (atau menyerap) neutron lambat.

 

Reaksi fisi uranium seperti di atas menghasilkan neutron selain dua buah inti atom yang lebih ringan. Neutron ini dapat menumbuk (diserap) kembali oleh inti uranium untuk membentuk reaksi fisi berikutnya. Mekanisme ini terus terjadi dalam waktu yang sangat cepat membentuk reaksi berantai tak terkendali. Akibatnya, terjadi pelepasan energi yang besar dalam waktu singkat. Mekanisme ini yang terjadi di dalam bom nuklir yang menghasilkan ledakan yang dahsyat. Jadi, reaksi fisi dapat membentuk reaksi berantai tak terkendali yang memiliki potensi daya ledak yang dahsyat dan dapat dibuat dalam bentuk bom nuklir.

reaksi fisi berantai (sumber:www.scienceclarified.com)

Dibandingkan dibentuk dalam bentuk bom nuklir, pelepasan energi yang dihasilkan melalui reaksi fisi dapat dimanfaatkan untuk hal-hal yang lebih berguna. Untuk itu, reaksi berantai yang terjadi dalam reaksi fisi harus dibuat lebih terkendali. Usaha ini bisa dilakukan di dalam sebuah reaktor nuklir. Reaksi berantai terkendali dapat diusahakan berlangsung di dalam reaktor yang terjamin keamanannya dan energi yang dihasilkan dapat dimanfaatkan untuk keperluan yang lebih berguna, misalnya untuk penelitian dan untuk membangkitkan listrik.

reaksi fisi berantai terkendali (sumber:www.atomicarchive.com)

Di dalam reaksi fisi yang terkendali, jumlah neutron dibatasi sehingga hanya satu neutron saja yang akan diserap untuk pembelahan inti berikutnya. Dengan mekanisme ini, diperoleh reaksi berantai terkendali yang energi yang dihasilkannya dapat dimanfaatkan untuk keperluan yang berguna.

Reaktor Nuklir

Energi yang dihasilkan dalam reaksi fisi nuklir dapat dimanfaatkan untuk keperluan yang berguna. Untuk itu, reaksi fisi harus berlangsung secara terkendali di dalam sebuah reaktor nuklir. Sebuah reaktor nuklir paling tidak memiliki empat komponen dasar, yaitu elemen bahan bakar, moderator neutron, batang kendali, dan perisai beton.

skema reaktor nuklir (sumber:http://personales.alc.upv.es)

Elemen bahan bakar menyediakan sumber inti atom yang akan mengalami fusi nuklir. 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 reaktor terdapat air sebagai moderator yang berfungsi memperlambat kelajuan neutron karena neutron akan kehilangan sebagian energinya saat bertumbukan dengan molekul-molekul air.

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.

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 radiasi zat radioaktif sehingga digunakan sebagai bahan perisai.

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir

Energi yang dihasilkan dari reaksi fisi nuklir terkendali di dalam reaktor nuklir dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik. Instalasi pembangkitan energi listrik semacam ini dikenal sebagai pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN).

skema pembangkit listrik tenaga nuklir (sumber:http://reactor.engr.wisc.edu)

Salah satu bentuk reaktor nuklir adalah reaktor air bertekanan (pressurized water reactor/PWR) yang skemanya ditunjukkan dalam gambar. Energi yang dihasilkan di dalam reaktor nuklir berupa kalor atau panas yang dihasilkan oleh batang-batang bahan bakar. Kalor atau panas dialirkan keluar dari teras reaktor bersama air menuju alat penukar panas (heat exchanger). Di sini uap panas dipisahkan dari air dan dialirkan menuju turbin untuk menggerakkan turbin menghasilkan listrik, sedangkan air didinginkan dan dipompa kembali menuju reaktor. Uap air dingin yang mengalir keluar setelah melewati turbin dipompa kembali ke dalam reaktor.

Untuk menjaga agar air di dalam reaktor (yang berada pada suhu 300^oC) tidak mendidih (air mendidih pada suhu 100^oC dan tekanan 1 atm), air dijaga dalam tekanan tinggi sebesar 160 atm. Tidak heran jika reaktor ini dinamakan reaktor air bertekanan.

(sumber:http://netsains.net/2009/04/di-balik-kedahsyatan-energi-nuklir/ & http://netsains.net/2009/04/energi-nuklir-pengertian-dan-pemanfaatannya/)