Nuklir sebagai Sumber Energi Listrik

Nuklir merupakan istilah yang berhubungan dengan inti atom yang tersusun atas dua buah partikel fundamental, yaitu proton dan neutron. Di dalam inti atom terdapat tiga buah interaksi fundamental yang berperan penting, yaitu gaya nuklir kuat dan gaya elektromagnetik serta pada jangka waktu yang panjang terdapat gaya nuklir lemah. Gaya nuklir kuat merupakan interaksi antara partikel quark dan gluon yang dibahas dalam teori quantum chromodynamics (QCD) sedangkan gaya nuklir lemah adalah interaksi yang terjadi dalam skala inti atom seperti peluruhan beta yang dibahas dalam elecroweak theory.

Energi nuklir dihasilkan di dalam inti atom melalui dua buah jenis reaksi nuklir, yaitu reaksi fusi dan reaksi fisi. Reaksi fusi adalah suatu reaksi yang menggabungkan beberapa partikel atomik menjadi sebuah partikel atomik yang lebih berat. Reaksi fusi dapat menghasilkan energi yang sangat besar seperti yang terjadi pada bintang. Salah satu reaksi contoh reaksi fusi adalah penggabungan partikel deuterium (D atau ²H) dan tritium (T atau ³H) (Gambar 1.a). Langkah pertama, deuterium dan tritium dipercepat dengan arah yang saling mendekati pada suhu termonuklir. Penggabungan antara dua buah partikel tersebut membentuk helium-5 (⁵He) yang tidak stabil sehingga mengakibatkan peluruhan. Dalam proses peluruhan ini, sebuah neutron dan partikel helium-4 (⁴He) terhambur disertai dengan energi yang sangat besar, yaitu 14,1 MeV untuk penghamburan neutron dan 3,5 MeV untuk penghamburan helium-4. Sampai saat ini, reaksi fusi belum dapat dirancang oleh manusia karena membutuhkan suhu yang sangat tinggi. Hal ini menyebabkan pemanfaatan reaksi fusi sebagai sumber energi listrik belum dapat direalisasikan.

Reaksi nuklir lain yang sudah dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik adalah reaksi fisi. Reaksi fisi merupakan kebalikan dari reaksi fusi, yaitu reaksi yang membelah suatu partikel atomik menjadi menjadi beberapa partikel atomik lainnya dan sejumlah energi. Salah satu contoh dari reaksi fisi adalah reaksi fisi pada partikel uranium-235 (²³⁵U) yang ditumbuk oleh sebuah neutron yang bergerak pelan (Gambar 1.b). Proses penyerapan neutron oleh uranium-235 mengakibatkan terbentuknya partikel uranium-236 (²³⁶U) yang tidak stabil sehingga terbelah menjadi partikel krypton-92 (⁹²Kr), barium-141 (¹⁴¹Br), dan beberapa neutron bebas serta sejumlah energi. Reaksi fisi dapat berlangsung secara terus menerus yang biasa disebut dengan reaksi rantai. Dalam reaksi rantai, neutron yang telah terhambur dari reaksi fisi dapat mengakibatkan terjadinya reaksi fisi lain sama baiknya dengan reaksi fisi sebelumnya. Energi yang dihasilkan dari reaksi ini dapat dikonversi menjadi energi listrik pada sebuah pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN).

Tiga hal menarik yang terjadi pada proses reaksi fisi adalah sebagai berikut:

• Peluang sebuah atom U-235 menangkap sebuah neutron bernilai sangat tinggi. Dalam sebuah reaktor yang bekerja (dikenal dengan keadaan kritis), sebuah neutron yang terhambur dari setiap reaksi fisi dapat menyebabkan terjadinya reaksi fisi yang lainnya.
• Proses penyerapan dan penghamburan neutron terjadi dengan sangat cepat pada orde pikosekon (1×10^-12 sekon)
• Jumlah energi yang dihasilkan berupa panas dan radiasi gamma luar biasa besar pada sebuah reaksi fisi yang terjadi. Dalam reaksi ini terbentuk beberapa produk fisi dan neutron dengan massa total yang lebih ringan dari partikel U-235 pada awal reaksi. Perbedaan massa ini diubah menjadi energi dengan nilai yang dirumuskan dalam E = mc². Dalam satu kali peluruhan atom U-235 bisa dihasilkan energi sebesar 200 MeV (1 eV = 1,6.10^-19 joule). U-235 dapat bekerja dalam sebuah sampel uranium yang diperkaya menjadi 2 sampai 3 persen. Pada senjata nuklir, komposisi U-235 mencapai 90 persen atau lebih dari sebuah sampel uranium.

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir

Pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) menyediakan sekitar 17 persen dari total tenaga listrik dunia. Beberapa negara membutuhkan tenaga nuklir yang lebih besat dari negara lain. Di Prancis, menurut International Atomic Energy Agency (IAEA), 75 persen tenaga listriknya dihasilkan oleh reaktor nuklir. Jumlah pembangkit tenaga listrik di dunia diperkirakan lebih dari 400 buah dengan 100 buah diantaranya berada di Amerika Serikat.

Pada PLTN, bahan bakar sebuah reaktor nuklir berupa uranium. Uranium merupakan salah satu hasil tambang yang terdapat di bumi. Uranium-238 (U-238) mempunyai waktu paruh yang sangat lama (4,5 milyar tahun) dengan komposisi 99 persen dari total uranium yang ada di bumi. Komposisi lainnya, U-235 mempunyai sekitar 0,7 persen dan U-234 jauh lebih rendah yang dibentuk melalui proses peluruhan U-238 (U-238 melalui beberapa tahap peluruhan alpha dan beta untuk membentuk isotop yang lebih stabil dan U-234 adalah salah satu hasil dari mata rantai dari peluruhan ini).

(2)

Dalam sebuah reaktor nuklir (Gambar 2), 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.

Ketidakberuntungan dalam PLTN dapat membuat masalah yang besar diantaranya:

• Penambangan dan pemurnian uranium, berdasarkan sejarah, tidak mempunyai proses yang cukup bersih.
• Penggunaan PLTN yang tidak tepat dapat menimbulkan masalah yang besar. Tragedi Chernobyl dapat digunakan sebagai contoh yang tepat. Chernoyl didesain dengan seadanya dan dioperasikan dengan tidak tepat sehingga mengakibtakan skenario kasus yang paling buruk. Beberapa ton debu radioaktif terhambur ke atmosfer dalam tragedy ini.
• Limbah PLTN merupakan racun yang dapat bertahan dalam ratusan tahun dan hal ini tidak aman jika tidak digunakan fasilitas penyimpanan yang permanent untuk ini.
• Transportasi bahan bakar nuklir dari dan ke PLTN mempunyai beberapa resiko tetapi selama ini track record di Amerika Serikat menunjukkan hasil yang sangat baik.