14.Fusi nuklir

XIV. FUSI NUKLIR

1. Sumber Energi NuklirPengkonversian massa ke energi dari energi kimia ke dalam suatu reaksi kimia tertentu adalah terlalu kecil untuk dapat dideteksi. Namun pada reaksi nuklir, energi yang dikeluarkan per reaksi adalah cukup besar sehingga pengkonversian massa tersebut secara aktual dapat dideteksi. Konsekuensinya, adalah memungkinkan untuk menghitung berapa besar energi yang dikeluarkan per reaksi dari kesetimbangan massa reaktan dan produknya tanpa perlu berdasar pada hasil-hasil perhitungan eksperimental tentang energi yang dikeluarkan.Dalam setiap reaksi konversi energi, jumlah massa dan energi haruslah tetap sekaligus juga momentum. Hukum ini hanya sekedar berlaku pada setiap proses konversi energi, ia juga khususnya sangat berguna dalam menghitung jumlah energi total yang dikeluarkan begitu pula distribusi energi diantara produk-produk reaksi nuklir.Nomor atom Z adalah sama dengan jumlah proton (ion bermuatan posistif) yang terdapat di dalam inti atom. Di dalam suatu inti atom yang tidak mengalami ionisasi, nomor atomnya juga sama dengan jumlah elektron (ion bermuatan negatif) yang mengorbit pada inti. Semua atom mempunyai nomor atom yang sama adalah anggota dari unsur kimia yang sama dan atom-atom ini pada dasarnya mempunyai sifat kimia yang sama.Inti sebuah atom terdiri dari proton dan neutron dimana neutron adalah partikel yang bermuatan netral dengan massa yang kira-kira sama dengan massa proton. Kedua proton dan neutron tersebut dinamakan nukleon dan jumlah total neuklon dalam suatu atom tertentu disebut jumlah massa atomik A.Atom-atom dengan nomor atom yang sama Z adalah anggota dari suatu unsur kimia yang sama. Bila atom-atom ini mempunyai jumlah massa atomik A yang berbeda mereka disebut sebagai isotop-isotop unsur tersebut. Isotop-isotop itu berbeda hanya dalam jumlah neutron yang terdapat di dalam inti. Atom-atom ini menunjukkan sifat-sifat kimia yang pada dasarnya bersamaan, tetapi sifat-sifat nuklirnya sangat berbeda.Dalam praktek adalah biasa menandai suatu atom tertentu dengan simbol kimianya didahului dengan superskrip yang berupa jumlah massa atomiknya dan juga didahului oleh suatu subskrip yang menunjukkan nomor atomnya. Jadi, menyatakan sebuah atom hidrogen atau inti dengan satu proton,

satu nukleon dan tak ada neutron; sebaliknya, menyatakan sebuah atom uranium atau inti dengan 92 proton, 235 nukleon dan 143 neutron. Isotop uranium lainnya yang umum adalah , ia mempunyai 92 proton, 238 nukleon, dan 146 neutron.

Energi FusiDasar Konversi Energi

108

Massa sebuah inti atom adalah lebih kecil dari massa partikel atau nukleon invidual yang membentuknya. Perbedaan massa ini yang disebut sebagai kekurangan massa (mass defect), adalah yang menahan kebersamaan inti dan mencegah gaya coulomb muatan positif (proton) di dalam inti memisahkannya. Kekurangan massa ini, sebenarnya adalah perekat massa negatif. Untuk memecah inti menjadi nukleon-nukleon individualnya, sejumlah energi minimum yang setara dengan kekurangan massa itu harus ditambahkan ke dalam inti. Kekurangan massa dari suatu inti tertentu dapat dihitung sebagai berikut :

(1)dimana dan adalah massa proton dan neutron. Tetapi sangat sulit menghitung massa nuklir secara langsung, tetapi massa-massa atomik (massa nuklir di tambah massa elektron yang mengorbit) dapat dihitung secara tepat. Konsekuensinya, kekurangan massa biasanya dihitung dengan persamaan :

(2)dimana adalah massa atom hidrogen ringan .Massa atom adalah sangat kecil dan biasanya dinyatakan dalam satuan-satuan yang disebut satuan massa atomik atau amu (atomic mass unit), dimana satu satuan massa ini kira-kira sama dengan massa sebuah proton atau sebuah neutron. Satu amu sama dengan kebalikan bilangan Avogadro dalam gram, atau 1,66 x 10-24 gram. Energi yang setara dengan satu amu adalah 931 MeV. Massa yang digunakan dalam hal ini, massa atomik yag telah dinormalisasi.Massa atomik isotop hidrogen 1 adalah 1,007825 amu dan massa sebuah neutron adalah 1,008665 amu. Dengan menggunakan harga ini, persamaan 2 menjadi :

(3)Bila jumlah massa atomik meningkat, maka kekuranggan massa juga meningkat karena akan ada partikel yang lebih banyak di dalam inti. Energi yang setara dengan kekurangan massa ini disebut energi pengikatan total (total binding energy), dan energi ini dalam juta elektronvolt, dapat dihitung dari hubungan :

(4)Energi pengikatan total adalah jumlah energi absolut yang diperlukan untuk memecahkan sebuah inti menjadi komponen-komponen individual atau nukleonnya.Sementara kekurangan massa atau energi pengikatan meningkat dengan meningkatnya massa atomik, kekurangan energi rata-rata atau energi


109

pengikatan per nukleon meningkat dengan cepat dan kemudian berkurang secara perlahan-lahan bila massa atom meningkat. Grafik energi pengikatan per nukleon rata-rata, yang diperoleh dengan cara membagi energi pengikatan total yang didapat dari persamaan (4) dengan jumlah massa atomik A, ditunjukkan pada Gambar 1.Dapat diperhatikan pada Gambar 1 tersebut bahwa energi pengikatan rata-rata pernukleon maksimumnya adalah antara 8 hingga 9 MeV untuk inti bermassa sedang (intermediate-mass nuclei). Ini menunjukkan bahwa inti bermassa sedang ini adalah inti yang paling stabil. Hal ini berarti bahwa kelebihan energi pengikatan akan dikeluarkan dalam setiap reaksi nuklir yang menyebabkan inti bermassa berat pecah menjadi inti bermassa sedang, seperti dalam reaksi fisi. Juga kelebihan energi pengikatan akan dikeluarkan dalam setiap reaksi nuklir yang mengakibatkan dua inti bermassa ringan bergabung membentuk sebuah inti bermassa lebih berat, seperti dalam rekasi fusi. Energi yang dikeluarkan pada setiap proses peluluhan radioaktif juga adalah kelebihan energi pengikatan yang terjadi pada saat inti meluluh menjadi konfigurasi yang lebih stabil.

Gambar 1. Variasi energi pengikatan per nukleon dengan massa atomik (Dari “Steam/Its Generation and Use”, 1972)

Energi pengikatan rata-rata per nukleon secara teoritis adalah energi minimum yang diperlukan untuk mengeluarkan proton atau neutron rata-rata dari sebuah inti. Pada proses fisi, fusi dan peluluhan radioaktif , jumlah total nukleon (jumlah dari jumlah massa atomik) dan muatan total (jumlah nomor atom) adalah tetap, begitu juga jumlah massa energi dan momentumnya. Jadi sebenarnya, tidak ada partikel yang dikonversi menjadi energi dalam reaksi ini; hanya kelebihan energi pengikatlah yang dikeluarkan. Energi ini biasanya dikeluarkan dalam bentuk energi kinetik dari pertikel produk dan/atau dalam bentuk radiasi elektromagnetik (sinar gamma).


110

Contoh :Hitunglah energi pengikatan rata-rata per nukleon untuk isotop-isotop berikut :a). Hidrogen berat, , b). isotop nikel, Penyelesaian :a). Untuk hidrogen-2, massa atomik adalah 2,0141 amu (dari tabel) Kekurangan massa = 1,007825(1) + 1,008665(2-1) – 2,0141 = 0,00239 amu E. pengikatan total = 931(kekurangan massa) = 931(0,00239) = 2,225 MeV E. Pengikatan rata-rata per nukleon = Energi pengikatan total / A = 2,225/2 = 1,1125 MeV.b). Untuk nikel-59, massa atomik adalah 58,9342 amu (dari tabel) Kekurangan massa = 1,007825(28) + 1,008665(59-28) – 58,9342 = 0,55352 amu E. pengikatan total = 931(0,55352) = 515,33 MeV E. Pengikatan rata-rata per nukleon = 515,33/59 = 8,734 MeV.

2. Fusi NuklirProses fusi pada dasarnya adalah sebuah antitesis dari proses fisi. Dalam proses fisi, inti bermassa berat membelah menjadi inti bermassa ringan, sambil melepaskan kelebihan energi pengikatan. Pada reaksi fusi, inti bermassa ringan bergabung dalam rangka melepaskan kelebihan energi pengikatan. Reaksi fusi adalah reaksi umum yang “meminyaki” matahari dan telah dipakai di bumi untuk melepaskan energi dalam jumlah besar di dalam termonuklir atau bom “hidrogen”. Hanya saja, masalah teknis yang berkaitan dengan pelepasan terkendali dari energi yang diperoleh dari reaksi fusi sampai kini belum terpecahkan, meskipun banyak sekali upaya penelitian yang telah dilakukan dalam hal teknologi ini.Lima reaksi fusi yang sangat mungkin terjadi beserta dengan energi penyalaan dan temperatur penyalaannya, diberikan di bawah ini :


111

Akan dapat dilihat bahwa reaksi-reaksi itu yang menghasilkan partikel alfa biasanya melepaskan energi besar sekali. Penggabungan dua neutron

dan dua proton, yang terjadi para partikel alfa, menghasilkan konfigurasi yang sangat stabil dengan nilai energi pengikatan yang sangat tinggi per nukleon. Saat ini, beberapa ahli fisika telah memajukan suatu reaksi nuklir yang lain sebagai suatu sumber energi nuklir yang kelihatannya memungkinkan. Reaksi ini disebut reaksi “fisi termonuklir” dan melibatkan suatu reaksi antara isotop-isotop hidrogen-1 dan boron-11. Reaksi tersebut ditunjukkan di bawah ini :

Reaksi ini mempunyai beberapa hal yang menarik. Pertama, boron adalah satu dari antara beberapa unsur yang lebih umum, yang terdapat di kulit bumi dan 80 persen atom boron adalah boron-11. Boron juga ternyata lebih muda diisolasi dibanding dengan isotop hidrogen-berat. Yang kedua dan terpenting, produk reaksi ini adalah tiga partikel alfa dan partikel-partikel ini tidak bersifat radioaktif. Reaksi ini hanya menghasilkan energi dan helium dan kadang-kadang disebut reaksi “super bersih”.Reaksi ini dinamakan reaksi fisi karena inti senyawa terangsang, carbon-12*, pecah menjadi tiga bagian yang sama. Reaksi ini masih tetap merupakan reaksi termonuklir karena reaktan adalah inti yang bermuatan positif. Kenyataannya, dikarenakan oleh muatan yang tinggi dan perbedaan massa yang besar, energi ambang untuk reaksi ini jauh lebih tinggi dari energi ambang reaksi-reaksi fusi lainnya. Konsekuensinya, hanya sedikit kerja eksperimental yang akan dilakukan untuk reaksi khusus ini hingga diperoleh sistem fusi yang lain.

Keuntungan dan kerugian fusi. Reaksi fusi menawarkan beberapa keuntungan dibandingkan dengan reaksi fisi dalam hal konversi energi nuklirnya. Salah satu keuntungan dibandingkan dengan fisi adalah bahwa cadangan isotop dapat-fusi yang diketahui adalah jauh lebih banyak. Kenyataannya, terdapat persediaan bahan bakar yang pada dasarnya tak


112

terbatas. Isotop bahan bakar yang umum dipakai untuk reaksi fusi ialah deutrium, hidrogen-2, dan isotop ini terdapat di alam sekitar satu diantara 6700 bagian hidogen biasa. Dengan memperhatikan jumlah air yang tersedia di dunia, berarti bahwa persediaan bahan bakar sangatlah banyak.Keuntungan lain reaksi fusi ialah bahwa produk reaksi fusi tidaklah bersifat radioaktif setinggi yang dipunyai oleh produk fisi. Di dalam produk reaksi fusi yang lima itu (yang dikemukakan di muka), hanya hidrogen-3 dan neutron yang bersifat radioaktif dan neutron juga akan meluluh menjadi atom hidrogen. Radioaktifitas yang dihasilkan sebagai hasil pengaktifan neutron dari struktur kemasan justru lebih menjadi masalah ketimbang produk fusi.Keuntungan besar yang terakhir dari fusi terhadap fisi muncul dari kenyataan bahwa proses fusi adalah sulit untuk dimulai dan diawasi. Kenyataannya, sedikit saja ada gangguan terhadap sistem selalu akan mengakibatkan berhentinya reaksi Efek ini, bersama dengan sangat kecilnya jumlah reaktan yang terdapat di sistem, mencegah terjadinya kerugian daya yang besar akibat kerusakan peralatan.Masalah utama yang berkaitan dengan pengembangan reaktor fusi timbul dari kenyataan bahwa partikel-pertikel yang bereaksi keduanya adalah inti yang bermuatan positif. Ini berarti bahwa partikel reaksi tersebut harus mempunyai energi kinetik yang cukup untuk mengatasi gaya tolak-menolak Coulomb. Untuk mendapatkan energi kinetik yang minimum itu, kedua partikel harus mempunyai massa partikel yang sama serta mempunyai angka perbandingan massa-muatan (mass-to-charge ratio) yang tinggi. Energi minimum atau energi ambang yang dibutuhkan untuk memulai reaksi telah diberikan lebih dahulu berserta berbagai reaksi lain. Energi ini umumnya dinyatakan dalam satuan temperatur, meskipun kerapatan partikel sebenarnya adalah sangat kecil sehingga temperatur tidaklah memberi arti banyak. Dengan energi kinetik yang setinggi ini, semua elektron dilucuti dari intinya dan reaktan dikatakan berada dalam suatu keadaan yang diberi nama plasma. Kadang-kadang dikatakan bahwa ini adalah tingkat ke-empat dari suatu zat. Pada bom nuklir, energi penyalaan diperoleh pertama kali dari pendenotasian bom fisi. Reaksi deutrium-tritium mempunyai energi ambang yang terendah (massa/muatan = A/Z = 5/2) dan, karena alasan ini, reaktor fusi akan beroperasi dengan reaksi ini.

Penelitian mengenai fusi. Satu-satunya pelepasan di bumi yang penting dari energi fusi ini adalah yang terdapat di dalam bom termonuklir, dimana reaksi dimulai dengan meledakkan sebuah bom fisi untuk mendapatkan temperatur yang diinginkan. Reaksi fusi adalah reaksi dasar yang merupakan bahan bakar bagi matahari. Di matahari, gaya-gaya gravitasional adalah sangat besar sehingga menghasilkan temperatur yang sangat tinggi di dekat inti matahari dan temperature ini adalah cukup untuk memulai dan menjaga reaksi fusi terus-menerus.


113

Ada beberapa sistem dan metode yang diajukan untuk memproduksi daya fusi yang terkendali. Masalah utama adalah berkenaan dengan kemasan plasma. Ada dua sistem kemasan dasar yang sekarang dalam proses pengembangan-sistem kemasan magnetik dan sistem kemasan inersia. Rencana pengemasan yang paling mula sekali untuk memproduksi daya fusi terkendali ini adalah dengan memperangkap plasma di dalam suatu medan magnit yang kuat. Sebuah partikel bermuatan, misalnya sebuah elektron atau sebuah inti, melakukan gerak melingkar (spirals) mengelilingi sebuah garis gaya magnetik sewaktu partikel itu melewati garis tersebut. Oleh karenanya, direncanakan untuk mengurung plasma di dalam sebuah medan magnit yang kuat.Ada dua jenis dasar sistem kemasan magnetik yang sedang diteliti sekarang ini – mesin kaca (mirror machines) dan tokamaks. Dalam mesin kaca yang umum medan magnet dibentuk menyerupai bola kaki seperti pada Gambar 2. Dapat dilihat bahwa medan magnet dijepit disetiap ujung reaktor. Begitu sebuah partikel bermuatan bergerak menuju ke satu ujung reaktor, garis-garis medan magnet yang mengelilinya menekan amplitudo partikel yang bergerak melingkar keluar kembali. Jadi pada dasarnya partikel itu terjebak dalam medan magnet seakan-akan ada sebuah kaca disetiap ujung mesin tersebut. Proses dasar ini pada dasarnya adalah sama dengan proses yang mendahului perkembangan radiasi ikat pinggang van Allen (van Allen radiation belts) di atas bumi. Medan magnit bumi telah menjebak proton dan elektron ketika mereka bergerak melingkar sepanjang sebuah garis magnetik gaya ulang-alik dari kutub magnet utara ke kutub magnet selatan.Pesawat fusi jepitan-teta atau theatron terdiri dari sebuah mesin kaca linear yang digunakan mengurung plasma. Plasma ini dimanpatkan ke suatu temperatur yang sangat tinggi sekali dengan cara memberikan gangguan secara tiba-tiba dengan sebuah medan magnit yang kuat pada sistem. Hal ini dilakukan dengan membuang sebuah bank kapasitor yang sangat besar melalui sebuah konduktor yang mengelilingi plasma itu, seperti pada Gambar 2


114

Gambar 2. Diagram skematis beberapa mesin fusi cermin untuk kemasan magnetik dari plasma. (dimuat dengan izin dari American Nuclear Society.)

Pesawat fusi tokamak mempunyai sebuah medan magnet berbentuk seperti sebuah torus besar. Bagian luar bejana kemasan dibungkus dengan lilitan magnetik superkonduktor untuk memperoleh medan magnet yang diperlukan. Berkenaan dengan temperatur ekstrim tersebut maka semua sistem kemasan magnetik diusulkan menggunakan magnet superkonduktor. Dalam sebuah magnit superkonduktor, semua lilitan dijaga agar berada pada temperatur sekitar 10 K dengan menggunakan cairan helium, sedangkan plasma harus dijaga pada temperature jutaan derajat. Dari keseluruhan sistem kemasan magnetik, tokamak adalah yang paling memberi harapan dan sukses. Sebuah rencana yang bersifat rekaan untuk reaktor fusi tokamak ditunjukkan pada Gambar 3.


115

Gambar 3. Diagram skematis reaktor daya eksperimental tokamak Argonne (TEPR) (Dimuat dengan izin dari American Nuclear Society)


116

14.Fusi nuklir

Documents