Reaksi Fisi Reaksi Fisi dan Fusi

139 Kerad ioakt ifan Gambar 5.19 Ledakan bom menyerupai cendawan. Gambar 5.20 Skema bagian inti dari reaktor nuklir Sumber: Chemistry,2001 Gambar 5.18 Konstruksi bom atom Sumber: Chemistry: The Central Science, 2000 Agar dapat memanfaatkan reaksi berantai dari suatu sampel radioaktif yang berpotensi fisi maka reaksi fisi harus dikendalikan dengan cara mengendalikan neutron yang dilepaskan dari reaksi itu. Dengan demikian, hanya satu neutron yang dapat melangsungkan reaksi fisi berikutnya. Berdasarkan hasil pengamatan, jika sampel radioaktif terlalu sedikit, neutron-neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi meninggalkan sampel radioaktif sebelum neutron-neutron itu memiliki kesempatan untuk bereaksi dengan inti-inti radioaktif yang lain. Dengan kata lain, terdapat massa kritis untuk bahan tertentu yang berpotensi fisi, yang dapat melangsungkan reaksi berantai lihat Gambar 5.18. Massa kritis adalah massa terkecil dari suatu sampel yang dapat melakukan reaksi berantai. Jika massa terlalu besar super kritis, jumlah inti yang pecah berlipat secara cepat sehingga dapat menimbulkan ledakan dan petaka bagi manusia, seperti pada bom atom. Bom atom merupakan kumpulan massa subkritis yang dapat melakukan reaksi berantai. Ketika dijatuhkan massa subkritis menyatu membentuk massa super kritis sehingga terjadi ledakan yang sangat dahsyat Gambar 5.19. Reaktor fisi nuklir adalah suatu tempat untuk melangsungkan reaksi berantai dari reaksi fisi yang terkendali. Energi yang dihasilkan dari reaktor ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi nuklir. Reaktor nuklir terdiri atas pipa-pipa berisi bahan bakar radioaktif dan batang pengendali neutron yang disisipkan ke dalam pipa bahan bakar nuklir tersebut. Perhatikan Gambar 5.20. Pendorong bat ang pengendali Bat ang p engendali Pipa bahan bakar Sirkulasi air pendingin Sumber: Chemistry : The Central Science, 2000 Pipa bahan bakar berbentuk silinder mengandung bahan yang berpotensi fisi. Dalam reaktor air ringan 1 H 2 O, pipa bahan bakar berisi uranium yang berpotensi melangsungkan reaksi fisi. Uranium yang digunakan sebagai bahan bakar dalam reaktor nuklir mengandung isotop 235 U sekitar 3. Batang pengendali neutron dibuat dari bahan yang dapat menyerap neutron, seperti boron dan kadmium sehingga dapat mengendalikan reaksi berantai. Massa subkritis 235 U Bahan eksp losif 140 Mudah dan Akt if Belajar Kim ia unt uk Kelas XII Pengendalian neutron dilakukan dengan cara menaikkan atau menurunkan batang pengendali yang disisipkan dalam pipa bahan bakar. Dalam keadaan darurat, batang-batang pengendali ini, dapat dimasukkan seluruhnya ke dalam pipa bahan bakar guna menghentikan reaksi fisi. Selain batang pengendali, terdapat alat yang disebut moderator Moderator ini berguna untuk memperlambat gerakan neutron. Moderator dipasang jika bahan bakar uranium–235 merupakan fraksi terbanyak dari total bahan bakar. Moderator yang dipakai umumnya air berat 2 H 2 O, air ringan 1 H 2 O, atau grafit. Bahan bakar nuklir, selain uranium–235, juga uranium–238 dapat dijadikan bahan bakar. Keunggulan dan kelemahan dari kedua bahan bakar tersebut, yaitu jika uranium–238, bereaksi lebih cepat dengan neutron hasil reaksi fisi dibandingkan uranium–235, tetapi uranium–235 bereaksi lebih cepat dengan neutron yang telah diperlambat oleh moderator. Pada reaktor air ringan, 1 H 2 O berperan sebagai moderator, sekaligus sebagai pendingin. Gambar berikut menunjukkan rancang bangun reaktor air bertekanan atau reaktor air ringan. Air dalam reaktor dipertahankan sekitar 350°C pada tekanan 150 atm agar tidak terjadi pendidihan. Air panas ini disirkulasikan menuju penukar kalor, di mana kalor digunakan untuk menghasilkan uap, dan uap tersebut menuju turbin untuk pembangkit listrik. Setelah periode waktu tertentu, hasil reaksi fisi yang menyerap neutron berakumulasi dalam pipa bahan bakar. Hal ini menimbulkan interferensi dengan reaksi rantai sehingga pipa bahan bakar harus diganti secara berkala. Gambar 5.21 Reaktor nuklir air ringan konstruksi air bertekanan Batang bahan bakar memanaskan air yang disirkulasikan ke penukar kalor. Uap yang dihasilkan dalam penukar kalor dilewatkan ke turbin yang m endorong generat or list rik. Turbin uap Gen erat or list rik Kond ensat or Sungai 38°C 27°C Pom pa Pem b ang kit uap Air at au Nat rium cair Uap Sumber: Chemistry: The Central Science, 2000 Mengapa isotop 238 U tidak dapat digunakan langsung sebagai bahan bakar dalam reaktor nuklir, melainkan isotop 235 U? Jelaskan berdasarkan hasil reaksi inti uranium dengan neutron. Kegiatan Inkuiri Kata Kunci • Reakt or nuklir • Reaksi fisi • Reaksi fusi • Reaksi berant ai • Part ikel pem bom proyekt il • Tolakan elekt rolisis 141 Kerad ioakt ifan Buangan sisa bahan bakar menjadi limbah nuklir. Limbah ini dapat diproses ulang. Bahan bakar sisa tersebut dipisahkan secara kimia dari limbah radioaktif. Plutonium–239 adalah salah satu jenis bahan bakar hasil pemisahan dari buangan limbah nuklir. Isotop ini diproduksi selama reaktor beroperasi, yaitu pemboman uranium–238 oleh neutron. Isotop plutonium–239 juga berpotensi fisi dan dipakai untuk membuat bom atom atau senjata nuklir. Ketersediaan isotop plutonium–239 dalam jumlah besar akan meningkatkan kesempatan negara-negara maju untuk menyalahgunakan plutonium dijadikan bom atom atau senjata nuklir pemusnah masal. Sisa bahan bakar nuklir sebaiknya tidak didaur-ulang. Masalah utama bagi lembaga tenaga nuklir adalah bagaimana membuang sampah radioaktif yang aman. Gambar 5.22 a Gedung reakt or nuklir b Bagian pusat dari reaktor nuklir a b Sumber: Chemistry: The Central Science, 2000

2. Reaksi Fusi

Reaksi fusi adalah reaksi nuklida-nuklida ringan digabungkan menjadi nuklida dengan nomor atom lebih besar. Misalnya, inti deuterium 2 H dipercepat menuju target yang mengandung deuteron 2 H atau tritium 3 H membentuk nuklida helium. Persamaannya: 2 2 1 1 H H + ⎯⎯ → 3 1 2 He n + 2 3 1 1 H H + ⎯⎯ → 4 1 2 He n + Untuk mendapatkan reaksi fusi inti, partikel pembom proyektil harus memiliki energi kinetik yang memadai untuk melawan tolakan muatan listrik dari inti sasaran lihat Gambar 5.23. Disamping pemercepat partikel, cara lain untuk memberikan energi kinetik memadai kepada inti proyektil agar dapat bereaksi dengan inti sasaran dilakukan melalui pemanasan inti sasaran hingga suhu sangat tinggi. Suhu pemanasan inti sasaran sekitar 10 8 °C. Pada suhu ini semua elektron dalam atom mengelupas membentuk plasma. Plasma adalah gas netral yang mengandung ion dan elektron. Masalah utama dalam mengembangkan reaksi fusi terkendali adalah bagaimana kalor plasma yang bersuhu sangat tinggi dapat dikendalikan. Kendalanya, jika plasma menyentuh bahan apa saja, kalor dengan cepat dihantarkan dan suhu plasma dengan cepat turun. Energi yang terdapat di matahari sebagai akibat dari reaksi fusi. Energi total: + 26,7 MeV Reaksi individu: 1 1 2 1 1 1 1 H H H e + → + 2 1 3 1 1 2 H H He + → + γ 3 3 4 1 2 2 2 1 H H H 2 H + → + Bom hidrogen yang pernah dikembangkan juga menerapkan reaksi fusi inti untuk tenaga penghancurnya. Energy released by sun is caused fusion react ion. Total energy : + 26,7 MeV Individual reaction : 1 1 2 1 1 1 1 H H H e + → + 2 1 3 1 1 2 H H He + → + γ 3 3 4 1 2 2 2 1 H H H 2 H + → + The hidrogen bom w hich has been developed also apply t he nuclei fusion reaction to generate destroying pow er. Note Catatan Tolakan elekt rost at is Jarak ant ar part ikel Energi ant araksi akibat gaya int i yang kuat E Gambar 5.23 Grafik energi antaraksi dua inti t erhadap t olakan elekt rost at is 142 Mudah dan Akt if Belajar Kim ia unt uk Kelas XII Reaktor uji fusi inti Tokamak menggunakan medan magnet berbentuk donat untuk mempertahankan suhu plasma dari setiap bahan, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.24 . Kerjakanlah di dalam buku latihan. 1. Jelaskan perbedaan antara reaksi fisi dan reaksi fusi. 2. Mengapa nuklida ringan melepaskan energi ketika melakukan fusi untuk membentuk nuklida lebih berat, sedangkan nuklida relatif berat juga melepaskan energi ketika berlangsung melakukan fisi? Tes Kompetensi Subbab C 3. Jelaskan keuntungan dan kerugian reaktor fisi dibandingkan reaktor fusi. Rangkuman 1. Kestabilan inti dapat ditinjau dari aspek kinetika dan termodinamika. Secara kinetika, inti yang tidak stabil akan meluruh menjadi inti yang lebih stabil, melibatkan emisi partikel alfa, beta, positron, dan sinar gamma. 2. Secara termodinamika, kestabilan inti dapat dikaji dari energi nukleosintesis. Nukleosintesis adalah pembentukan nuklida dari nukleon-nukleonnya. 3. Pada nukleosintesis terjadi kehilangan massa. Menurut Einstein, energi yang hilang dalam nukleosintesis setara dengan perubahan massa atau D E = D mc 2 . 4. Massa yang hilang dalam nukleosintesis diubah menjadi energi ikat inti. Energi ikat inti adalah energi yang diperlukan untuk mengikat nukelon-nukleon di dalam inti agar tidak terurai. 5. Jenis peluruhan radioaktif dapat berupa partikel alfa, beta, positron, atau sinar gamma. 6. Aktivitas radioaktif dapat disidik dengan alat yang disebut pencacah radiasi. Ada dua jenis alat pencacah radiasi, yaitu pencacah Geiger dan pencacah skintilasi. 7. Isotop radioaktif banyak dimanfaatkan untuk berbagai bidang, seperti kimia, industri, pertanian, perminyakan, dan terutama dalam bidang kedokteran dan medis. 8. Penentuan umur radiokarbon menggunakan nisbah 14 12 C C untuk menentukan objek yang mengandung karbon dari sumber yang hidup. 9. Fusi inti adalah proses penggabungan dua inti ringan membentuk inti lebih berat dan lebih stabil. Fisi inti adalah pemecahan inti berat menjadi dua inti yang lebih ringan. Adapun reaktor nuklir menerapkan fisi terkendali. Gambar 5.24 Reaksi fusi inti tokamak Tabung vakum Plasm a Kum p aran m edan t o ro id al Kum p aran Medan poloidal Sumber: Chemistry :The Central Science, 2000