Inside the Fourth-Generation Reactors : Safer, cheaper, more efficient
Untuk memahami mengapa, terlebih dahulu perlu dipahami bagaimana reaksi nuklir berantai terjadi dan bagaimana cara pengendaliannya, sehingga dihasilkan panas yang akan memutar turbin dan menghasilkan listrik.
Reaksi fisi merupakan pembelahan inti atom unsur berat, seperti uranium, yang selama proses pembelahan akan menghasilkan panas, yang ribuan kali lebih besar dari pembakaran batubara, minyak atau gas alam dalam jumlah yang sama.
Ketika uranium membelah, setiap nukleus akan terbagi menjadi dua unsur yang lebih ringan. Fisi dimulai ketika inti uranium menangkap partikel neutron yang dihasilkan oleh inti atom lain. Proses fisi terjadi sangat cepat, hanya sepersekian detik setelah neutron dibebaskan. Yang membuat reaksi fisi unik adalah bagaimana energi yang dihasilkan dapat dilipat gandakan, karena reaksi fisi dapat berkembang biak.Kemungkinan berlangsungnya reaksi fisi telah diduga oleh para ilmuwan sebelum pada akhirnya berhasil di lakukan pada tahun 1939. Pada saat itu diakui bahwa energi yang besar ini dapat dimanfatkan untuk tujuan damai maupun sebagai senjata.
Dalam reaksi fisi, masing-masing inti uranium akan menghasilkan dua atau lebih neutron. Ini berarti bahwa setelah reaksi fisi dimulai, reaksi fisi selanjutnya dapat terjadi dengan sendirinya, karena neutron dari masing-masing inti uranium akan memicu terjadinya reaksi fisi baru pada atom uranium yang berada di dekatnya. Proses ini lah yang disebut sebagai reaksi fisi berantai.
Ketika neutron menabrak inti atom uranium-235, inti atom tersebut akan membelah, menghasilkan dua fragmen hasil fisi berupa inti atom yang lebih ringan, beserta dua atau tiga neutron.
Bilangan 235 pada U-235 merujuk pada jumlah proton dan neutron di dalam inti. Nomor massa unsur adalah penjumlahan dari proton dan neutron, pada kasus uranium fisil adalah 235, dan untuk uranium bukan bahan fisil adalah 238. Setiap atom unsur memiliki jumlah proton yang sama (proton bermuatan positif) dan elektron (yang bermuatan negatif), tetapi elektron berukuran sangat kecil sehingga massa nya dapat dianggap sama dengan nol |
Reaksi berantai
Reaksi nuklir berantai pertama berhasil dihasilkan dalam sebuah proyek yang dilakukan pada masa perang, yaitu Proyek Manhatan pada bulan Desember 1942. Reaktornya diberi namaatomic pile, karena dibuat dari susunan balok-balok grafit (sekitar 40.000) dan pelet uranium, di bawah lapangan squash di Universitas Chicago (lihat gambar 2). Reaksi yang dihasilkan ini adalah reaksi fisi yang terkontrol. Tidak terjadi ledakan, meskipun panas yang dihasilkan cukup untuk mendidihkan air.
 Gambar : Atomic Pile Chicago |
Setelah proyek Manhattan, para ilmuwan membuktikan bahwa reaksi berantai dapat dihasilkan, dan kemudian mereka diserahi tugas yang lebih sulit, yaitu menghasilkan sebuah bom nuklir.
Prinsip dari bom atom adalah kebalikan dari reaktor daya. Pada bom atom, tujuannya adalah untuk menekan bahan bakar, mengelilinginya dengan bahan peledak berbentuk geometri, dan dengan satu kekuatan,pada kondisi sangat kritis difisikan sekaligus – dengan 280 fisi perdetik, dalam reaksi berantai supercepat.
Pada reaksi berantai terkendali, konfigurasi bahan bakar uranium juga harus mencapai massa kritis. Ini adalah jumlah dan susunan uranium yang diperlukan untuk memastikan bahwa jumlah neutron yang dapat menyebabkan fisi dalam inti uranium lain lebih besar dari neutron yang bebas, atau tertangkap tanpa menyebabkan fisi.
Massa krtitis bergantung pada jumlah uranium, kemurnian dan pengaturan geometrisnya. (pengotor – atom dari unsur lain – dapat menangkap neutron tanpa menyebabkan terjadinya reaksi fisi).
Pada kasus yang paling sederhana, sangat penting untuk memiliki sejumlah besar massa uranium fisil, sehingga neutron yang dihasilkan tidak melarikan diri atau tertangkap oleh uranium non fisil atau unsur lain, melainkan bertemu inti uranium fisil lainnya dan menyebabkan fisi baru. Ingat bahwa neutron merupakan partikel netral dan dapat melintasi ruang-ruang kosong di dalam atom, menghilang ke dalam inti atau melepaskan diri dari massa uranium.
Massa kritis melibatkan rasio permukaan – volume; dimana rasio yang minimum (untuk pengaturan berbentuk bola), menyebabkan reaksi fisi lebih mungkin untuk terjadi. Tujuannya adalah agar ruang gerak neutron lebih sedikit sehingga tidak mungkin melarikan diri tanpa menyebabkan reaksi fisi. (pada proyek Manhattan, Enrico Fermi mula-mula bereksperimen dengan menggunakan dua gumpalan uranium, untuk melihat proses terjadinya panas. Dari situ ia beralih ke tumpukan uranium yang lebih besar).
Menangani neutron
Untuk mempertahankan reaksi berantai, masing-masing inti harus menghasilkan setidaknya satu neutron yang akan menyebabkan satu reaksi fisi lainnya. Rasio dari jumlah neutron dalam satu generasi fisi, terhadap jumlah neutron fisi pada generasi sebelumnya disebut faktor multiplikasi. Faktor ini harus lebih besar dari 1.
Probabilitas bahwa neutron akan menembus inti dan menyebabkan fisi dikenal sebagai penampang lintang (cross section)dari elemen, dan mengingat rasa humor para ilmuwan Proyek Manhattan, penampang lintang ini diukur dalam satuan yang disebut barns (satu barns setara dengan 10-24 cm2 – atau satu sepertriliun).
Sangat dimungkinkan untuk mengkonfigurasi nuklir dalam berbagai cara, termasuk bahan bakar yang berukuran sangat kecil diatur sedemikian rupa sehingga satu neutron akan memicu satu reaksi fisi, pada level yang diinginkan. Desain reaktor yang berbeda juga dimungkinkan, dimana reaksi berantai terkendali mampu menghasilkan jumlah energi yang stabil dan berkesinammbungan, menggunakan sejumlah kecil bahan bakar (relatif).
Pada reaktor daya, bergantung pada tipenya, uranium alam atau sedikit diperkaya (3 hingga 5 persen) dipergunakan sebagai bahan bakar. Bijih uranium yang ditemukan dialam sebagian besar terdiri atas isotop U-238 yang non fisil. Isotop uranium yang bersifat fisil adalah U-235. Tetapi, dalam sampel bijih uranium alam, hanya ada satu atom isotop fisil untuk setiap 140 atom non fisil. Untuk membuat bom, uranium alam harus diperkaya untuk lebih meningkatkan rasio bahan fisil U-235.
Ketika uranium mengalami fisi, neutron yang dihasilkan sangat cepat. Kita mungkin berfikir neutron cepat yang dihasilkan adalah yang menghasilkan reaksi fisi. Tetapi pada kenyataannya tidaklah demikian. Ditemukan bahwa neutron cepat cenderung untuk tertangkap tanpa menghasilkan fisi, oleh U-238. Jadi hanya neutron yang diperlambatlah yang dapat menyebabkan U-235 membelah.
Masalahnya kemudian, adalah cara untuk memperlambat neutron cepat untuk menghasilkan reaksi fisi untuk mempertahankan keberlangsungan reaksi berantai. Salah satu solusinya muncul pada saat Proyek Manhattan, yaitu menggabungkan bahan bakar dengan bahan yang disebut sebagai moderator, yaitu unsur ringan dengan densitas rendah, sehingga neutron dapat berinteraksi dengannya dan menjadi lambat tanpa ditangkap atau melepaskan diri.
Untuk mengontrol reaksi, unsur-unsur ringan (seperti boron dan kadmium) dibentuk menjadi batang, yang dapat dimasukkan ke dalam teras reaktor untuk mengendalikan laju reaksi, dengan cara menyerap neutron. Selama Proyek Manhattan, juga ditemukan bahwa proporsi tertentu dari bahan bakar, serta cara pengaturan bahan bakar, mengubah kecepatan reaksi fisi, dengan memudahkan neutron untuk menghasilkan lebih banyak fisi.
Yang diperlukan adalah tidak hanya menghasilkan lebih banyak fisi, tetapi juga jumlah yang tepat untuk menghasilkan reaksi yang stabil pada tingkat yang diinginkan. Pikirkan dengan cara seperti ini : jika setiap reaksi fisi menghasilkan 2 atau 3 fisi baru, laju reaksi fisi akan bertambah ratusan kali lipat dalam sepersekian detik. Diperlukan laju reaksi yang bertahap untuk reaksi yang terkontrol.
SOUTH AFRICA’S PBMR: A MELTDOWN-PROOF REACTOR
Pebble Bed Modular Reactor (PBMR), dikembangkan oleh perusahaan Afrika Selatan Eskom, pada gambar ditampilkan daya utama dan sistem pendukung.
Tertulis pada laporan, PBMR dan “sepupunya” General Atomics GT-MHR, adalah reaktor berpendingin helium bertemperatur tinggi dengan siklus gas –turbin adalah siklus langsung, yang menggantikan siklus uap konvensional. Reaktor ini menyelimuti bahan bakar pada bola keramik kecil (nukan bangunan berkubah seperti pada reaktor konvensional).
Kedua design memiliki fitur keselamatan melekat dan pasif (inherent and passive safety), serta anti leleh (meltdown); Singkatnya, desain reaktor mencegah penyerapan panas berlebih sehingga dapat membelah partikel bahan bakar. Jika ada kegagalan dalam pendinginan, reaktor secara otomatis akan mati, tanpa campur tangan manusia.
Perbedaan utama pada desain PBMR dan GT-MHR terletak pada tipe rakitan bahan bakarnya (fuel assembly) dan jumlah energi yang dihasilkan. Bahan bakar untuk GT-MHR dibentuk seperti batang, sedangkan bahan bakar PBMR dibentuk seperti bola tenis berukuran kecil. PBMR menghasilkan 112 MWe sedangkan GT-MHR sebesar 285 MWe.
Bahan bakar PBMR terbuat atas uranium oksida, yang dilapis dengan keramik dan silikon karbida, membentuk penghalang tak tertembus bagi bahan bakar didalamnya. Bahan ini kemudian dicampur dengan grafit dan dibentuk menjadi bola-bola kecil, sekitar 310.000 yang mengisi bejana reaktor. Sebagai tambahan 120.000 bola grafit yang berfungsi sebagai moderator.
0 komentar:
Posting Komentar