reaksi nuklir
REAKSI NUKLIR
Sulistyani, M.Si.
Em ail: sulistyani@uny.ac.id
• Sebutkan perbedaan antara reaksi inti
dengan reaksi kim ia um um nya?
KONSEP
• Reaksi nuklir m erupakan proses pengubahan inti atom m elalui
reaksi pertukaran dengan partikel-partikel dasar penyusun inti
atom .
• Reaksi nuklir buatan pertam a kali dilakukan oleh Rutherford (tahun
1919), yaitu dengan m enem baki inti nitrogen dengan partikel alfa
yang berasal dari peluruhan 214 Po.
+
Inti sasaran
α
proyektil
→
p
+
Partikel yang
dipancarkan
Dapat ditulis:
Inti hasil
(α, p)
• Reaksi penem bakan inti dikenal dengan istilah transm utasi inti.
• Sebagian besar reaksi nuklir berlangsung m elalui tahap antara, yaitu
m em bentuk inti transisi atau inti m ajem uk, baru kem udian berubah
m enjadi inti hasil.
Perbedaan Reaksi Nuklir dibandingkan dengan
Reaksi Kimia
• Pada reaksi kim ia, jum lah pereaksi dan hasil reaksi dinyatakan
dalam m ol, sedangkan pada reaksi nuklir berhubungan dengan
m assa m asing-m asing atom .
• Perubahan energi pada reaksi kim ia dinyatakan dalam J / m ol,
sedangkan pada reaksi nuklir dinyatakan dalam eV atau MeV.
(96 kJ / m ol = 1 eV)
• Pada reaksi kim ia, unsur-unsur yang terlibat reaksi tetap utuh
hanya ikatan atom nya yang berubah, sedangkan pada reaksi nuklir
terbentuk nuklida baru.
• Energi yang dihasilkan pada reaksi nuklir jauh lebih besar daripada
reaksi kim ia.
Ex: pem belahan 1 g 235U m em bebaskan energi sebesar 8,4.10 7 kJ ,
sedangkan pem bakaran batu bara m em bebaskab energi sebesar
33,9 kJ .
Mekanisme Reaksi Nuklir
Reaksi nuklir yang m elalui pem bentukan inti m ajem uk
• Terjadi bila energi proyektil kurang dari 50 MeV.
• Ex:
+
Hasil Analisis; proyektil lebih lam a berada
di dalam inti sasaran dari pada waktu transit
yang diram alkan pada perhitungan
kecepatan partikel dan diam eter inti.
β
+
α
+
γ
+
2n
+
Reaksi nuklir langsung (tanpa pem bentukan inti m ajem uk)
• Terjadi bila energi proyektil lebih dari 50 MeV.
• Ex:
+
α
p
+
Energi yang dilepaskan at au diperlukan pada reaksi nuklir
Ex: Untuk reaksi nuklir A(x,y)B
ΔE = (m A + m x – m B – m y) × c2
ΔE = (m A + m x – m B – m y) × 931,5 MeV
ΔE = (Δ A + Δ x – Δ B – Δy) × MeV
ΔE juga dinyatakan sebagai
nilai Q reaksi
• J ika ΔE negatif m aka reaksi nuklir tersebut m em erlukan energi. Energi yang
diperlukan dapat diberikan pada reaksi tersebut sebagai energi kinetik
proyektil.
• Perlu diingat, tidak sem ua energi kinetik proyektil diubah m enjadi energi
eksitasi inti m ajem uk yang terbentuk, tetapi dapat juga sebagai energi pental
inti m ajem uk, sedangkan energi yang dibebaskan pada reaksi nuklir m uncul
sebagai energi kinetik dari hasil-hasil reaksi.
• Proyektil yang digunakan pada reaksi nuklir dibedakan m enjadi
partikel tidak berm uatan (neutron) dan partikel yang berm uatan
(proton, deutron, partikel alfa, xenon, dan uranium ).
• Partikel yang berm uatan dihasilkan oleh radionuklida, yang
kem udian diubah m enjadi partikel berm uatan berenergi tinggi
dengan m enggunakan alat pem ercepat ion sistem m elingkar
(siklotron).
• Radionuklida yang dihasilkan dari reaksi nuklir dengan proyektil
berm uatan um um nya radionuklida kekurangan neutron, sehingga
akan m eluruh dengan m em ancarkan sinar positron atau tangkapan
elektron.
• Proyektil berupa partikel tidak berm uatan dapat diperoleh dari
reaktor nuklir atau ,pem bangkit neutron.
Jenis-j enis proyekt il neut ron berdasarkan energinya
• Neutron term al, berenergi ~0 ,0 25 eV . Neutron ini m em iliki distribusi
energi ham pir sam a dengan distribusi energi m olekul-m olekul gas dalam
keseim bangan term al pada tem peratur biasa.
• Neutron epiterm al, berenergi ~ 1 eV
• Neutron lam bat, berenergi ~1 keV
• Neutron cepat, berenergi ~0 ,1 – 10 MeV
Pada generator n eutron, berkas deutrium dipercepat oleh pem ercepat linier
(akselerator) dan dikenakan pada sasaran tritium ( 13 H). Reaksi: 13 H(d,n) 2 4 He.
Proyektil neutron yang dihasilkan oleh generator neutron m erupakan neutron cepat
(n*) dengan energi ~14MeV. Radionuklida hasil hasil penem bakan dengan proyektil
cepat berupa radionuklida yang kekurangan n eutron sehin gga m ode peluruhannya
adalah TE atau pem ancaran positron.
Reakt or Nuklir
• Reaktor Nuklir pertam a kali dibuat oleh Ferm i
tahun 1942.
• Reaktor nuklir dikelom pokkan m enjadi reaktor
penelitian dan reaktor daya.
• Reaktor penelitian dirancang sebagai penghasil
neutron yang dapat digunakan untuk
pem buatan radionuklida, untuk analisis, dsb.
• Reaktor daya dirancang untuk m enghasilkan
daya, m isalnya pem bangkit tenaga listrik,
penggerak kapal selam .
• Pada reaktor nuklir berlangsung reaksi pem belahan inti (reaksi
fisi)berantai secara terus m enerus dan terkendali.
• Ada dua reaksi fisi, yaitu reaksi fisi dengan neutron cepat (n*) dan
reaksi fisi dengan neutron term al. Ex:
1 n + 235 U → 236 U* → 144 Ba + 89 Kr + 3 1 n + E
0
92
92
56
36
0
1 n + 235 U → 236 U* → 140 Ba + 94 Kr + 2 1 n + E
0
92
92
56
36
0
• Energi yang dihasilkan pada reaksi fisi tersebut ~20 0 MeV dan
energi neutron yang dihasilkan ~2MeV.
• Agar neutron dapat m elangsungkan reaksi fisi selanjutnya, neutron
harus diperlam bat m enjadi neutron term al. Alat yang digunakan
untuk m em perlam bat neutron disebut m oderator (air, air berat
(D2O), berilium , atau grafit).
• Reaksi fisi selanjutnya dikendalikan dengan m enggunakan batang
kendali, berfungsi m enyerap neutron hingga jum lah neutron di
dalam teras reaktor sesuai keperluan. Dengan kata lain batang
kendali m engatur jum lah reaksi fisi dan jum lah energi yang
dihasilkan. Bahan batang kendali: kadm ium , boron, atau hafnium .
Komponen-komponen reakt or nuklir
• Tangki reaktor,
• Perisai radiasi
• Teras reaktor, m erupakan susunan elem en bahan bakar, batang
kendali ditem patkan pada lubang-lubang plat kisi m enurut
konfigurasi tertentu, dan reflektor.
• Fasilitas irradiasi dan ekesperim en
- Penyalur berkas neutron, berfungsi untuk irradiasi sam pel dengan
ukuran agak besar.
- Kolom term al, berfungsi untuk irradiasi dengan neutron term al.
- Saluran tengah, berfungsi untuk keperluan irradiasi atau
eksperim en dengan fluks neutron m aksim um .
- Fasilitas bulk shielding, berupa bak air yang dihubungkan dengan
kolom term alisasi. Kom ponen ini digunakan untuk eksperim en
perisai dan untuk m enyim pan sem entara bahan bakar bekas.
- Perangkat subkritik, sebagai sum ber neutron tetap
- Sistem pem indah pneum atik, berfungsi m em asukkan dan
m engeluarkan sam pel dari dalam teras secara cepat.
Boiling Wat er React or
Pressurized Wat er React or
Source:
Bahan Bakar Nuklir
• Bahan bakar nuklir adalah bahan yang dapat m engalam i reaksi fisi.
• Bahan bakar yang paling banyak digunakan adalah uranium .
• Uranium di alam tidak dalam keadaan bebas, tetapi dalam bentuk
m ineralnya, di antaranya pitchblende, uranit, dan carnotite.
• Uranium di alam terdapat 2 isotop, yaitu 92 235U (0 ,7% berat) dan
238 U (99,3% berat).
92
• 92 235U m erupakan bahan fisil, yaitu bahan dapat belah artinya dapat
langsung bereaksi dengan neutron term al m elakukan reaksi fisi
nuklir.
• 92 238 U m erupakan bahan fertil, yaitu bahan tidak dapat belah
artinya tidak dapat m elangsungkan reaksi fisi dengan neutron
term al. Nuklida fertil lainnya adalah 90 232 Th.
• 92 238 U dan 90 232 Th dapat diubah m enjadi bahan fisil lain, yaitu
233 U.
239 Pu dan
92
94
Reaksinya:
238 U(n, γ) 239 U
90
92
90
232 Th(n,γ)
90
β- (t 1/ 2 = 23,5 m enit)
233 Th
93
β- (t 1/ 2 = 22,2 m enit)
239 Np
233 Pa
91
β- (t 1/ 2 = 2,35 hari)
94
239 Pu
β- (t 1/ 2 = 27,0 hari)
92
233 U
Pengolahan uranium alam
• Proses konsentrasi, konsentrat
uranium disebut yellow cake.
• Proses pem urnian, hingga m encapai
kem urnian 99,9%.
• Proses pabrikasi, m em bentuk serbuk
m enjadi elem en bahan bakar
berbentuk pellet yang dim asukkan
kelongsong bahan bakar.
Mining
•
Uranium ore is usually
located aerially;
core
sam ples are then
drilled
and analyzed by
geologists. The
uranium ore is extracted by m eans of drilling and
blasting. Mines can be in either open pits or
underground. Uranium concentrations are a
sm all percentage of the rock that is m ined, so
tons of tailings waste are generated by the
m ining process.
Milling & Leaching
•The ore is first crushed into sm aller bits,
then it is sent through a ball m ill where it
is crushed into a fine powder. The fine ore
is m ixed with water, thickened, and then
put into leaching tanks where 90 % of the
uranium ore is leached out with sulfuric
acid. Next the uranium ore is separated
from the depleted ore in a m ultistage
washing system . The depleted ore is then
neutralized with lim e and put into a
tailings repository.
Yellowcake
•Meanwhile, the uranium
solution is filtered, and then
goes through a solvent
extraction process that includes
kerosene and am m onia to
purify the uranium solution.
After purification the uranium
is put into precipitation tanks—
the result is a product
com m only called yellowcake.
Transport at ion
•In the final processes the
yellow cake is heated to
80 0 ˚Celcius which makes a
dark green powder which is
98% U 3 O8 . The dark green
powder is put into 20 0 liter
drum s and loaded into
shipping containers and are
shipped overseas to fuel
nuclear power plants.
Conversion
•
To enrich uranium it m ust be in the
gas form of UF6. This is called
conversion. The conversion diagram
shown here is from Honeywell. First
the yellow cake is converted to uranium
dioxide through a heating process (this
step was also m entioned in the m ining
process). Then anhydrous hydrofluoric
acid is used to m ake UF4. Next the UF4
is m ixed with fluorine gas to m ake
uranium hexafluoride. This liquid is
stored in steel drum s and crystallizes.
Enrichment
• Uranium enrichm ent increases the am ount of U235 in
com parison to U238. Dom estic power plants use a m ixture that
is 3-5% U235, while “highly enriched uranium ” is generally
used for weapons, som e research facilities, and naval reactors.
Dom estic reactors usually require fuel in the form of uranium
dioxide and weapons use the enriched m ix in the form of a
m etal. The conversion and enrichm ent process is very
dangerous because not only is the uranium hexafluoride
radioactive, it is also chem ically toxic. In addition, if the
uranium hexafluoride com es in contact with m oisture it will
release another very toxic chem ical called hydrofluoric acid.
There have been num erous accidents during the conversion and
enrichm ent process. Depleted uranium is the waste that is
generated from the enrichm ent process.
Fuel Fabricat ion
•After being enriched, the
UF6 is taken to a fuel
fabrication facility that
presses the powder into sm all
pellets. The pellets are put
into long tubes. These tubes
are called fuel rods. A fuel
assem bly is a cluster of these
sealed rods. Fuel assem blies
go in the core of the nuclear
reactor. It takes
approxim ately 25 tonnes of
fuel to power one 10 0 0 MWe
reactor per year. The picture
on the
righthttp://www.world-nuclear.org/education/nfc.htm
is a fuel assem bly.
Source:
Tampang Lint ang (Cross Sect ion) Reaksi Nuklir
• Kem ungkinan terjadinya reaksi nuklir disebut penam pang lintang (σ) yang
m em punyai dim ensi luas.
• Tam pang lintang dapat dibandingkan dengan tetapan laju reaksi.
• Ex: Reaksi kim ia A + B → D , m aka laju reaksinya dinyatakan dCD/ dt = kCACB
• Dengan cara sam a, untuk reaksi nuklir A(x,y)B dinyatakan: dN B/ dt = σ Qx N A
• N A dan N B adalah jum lah atom A dan B per satuan volum , Qx adalah fluks yaitu
jum lah proyektil per satuan luas per waktu (cm -2 s -1), dan σ adalah tam pang lintang.
• Bila berkas partikel jenis x dengan fluks Q m enabrak lapisan tipis atom A dengan
ketebalan s, m aka pada saat partikel m em asuki lapisan dengan ketebalan ds, fluks
partikel akan berkurang sebesar:
• -dQx = σ Qx N A ds jika diintegralkan akan diperoleh:
• ln Qx/ Qx(0 ) = σ QxN A s
untuk reaksi nuklir: A(x,y)B
Penampang Lint ang
Bila ada reaksi nuklir lainnya m aka
cross section reaksi adalah cross
section total.
Satuan cross section reaksi nuklir
adalah barn, 1 b = 10 -24 cm 2 .
Cross section sebagian besar reaksi
bergantung pada energi proyektil
sehingga kebolehjadian terjadinya
reaksi nuklir m erupakan fungsi
energi proyektil, yang berupa
energi kinetik proyektil yang
dipindahkan ke inti m ajem uk
sebagai energi eksitasi inti
m ajem uk. Ketergantungan
kebolehjadian reaksi nuklir pada
energi proyektil disebut fungsi
eksitasi.
Cross section σ of Ag for neutrons as a function of the energy of the neutrons
Cross sections of several nuclear reactions of protons with
energy.
63 Cu
as a function of their
Reaksi Nuklir dengan Part ikel Bermuat an
• Proyektil partikel berm uatan (proton, deutron, partikel alfa)
m am pu m enabrak inti jika energinya dapat m engatasi potensial
penghalang inti sasaran.
• Tingginya potensial penghalang (Ec) tergantung pada nom or atom
inti sasaran dan nom or atom proyektil.
Ec = (1/ 4∏εo) (Z1eZ2e/r) εo =8,8542 10 -12 C2 s -1 m -2
• Bila Ec dalam MeV dan r dalam cm , m aka
Ec = 1,44.10 -13 (Z1Z2/ r) MeV dengan r adalah jarak dim ana gaya inti
m ulai bekerja yaitu: r = r o(A11/ 3 + A2 1/ 3 ) dim ana r o = 1,4.10 -13 cm
• Cross section m aksim um untuk reaksi absorpsi partikel-partikel
berm uatan um um nya m endekati ∏ r2 (r = jarak antara pusat inti
partikel proyektil dan inti sasarn bila keduanya bertem u) sehingga
dinyatakan sebagai jari-jari pertukaran reaksi inti.
• J enis reaksi khusus lainnya adalah reaksi Oppenheim er, biasanya
m enggunakan deutron sebagai proyektil.
Reaksi Nuklir dengan Neut ron
• Neutron tidak berm uatan sehingga neutron m udah m endekati inti
tanpa ditolak oleh m uatan inti atom sasaran.
• Neutron m udah ditangkap oleh inti sasaran dengan m akin
berkurangnya kecepatan neutron.
• Σc ~ 1/ v ~ 1/ E 1/ 2
• Sebagian besar reaksi nuklir yang m elibatkan neutron term al adalah
proses tangkapan neutron, dim ana energi eksitasi inti m ajem uk
dihilangkan dengan pem ancaran sinar gam m a (n,γ).
• Reaksi neutron yang m em ancarkan partikel berm uatan setelah
m enangkap neutron seperti (n,p) atau (n,α) m erupakan reaksi yang
terjadi dengan m elalui energi am bang (threshold reaction).
• Pem belahan inti dengan neutron term al hanya m ungkin terjadi
pada inti dengan tipe (g,u) dan (u,u), sedangkan pem belahan inti
berat lainnya dikarenakan suatu reaksi am bang.
Reaksi Fisi Berant ai
Perhit ungan Hasil pada Reaksi Nuklir
• Untuk reaksi A(x,y)B, laju pem bentukan nuklida B adalah: dN B/ dt =
σQxN A
• Dengan asum si fluks dan energi proyektil konstan selam a m elalui volum
sasaran (sasaran diasum sikan relatif tipis), jum lah inti yang transm utasi
dalam reaksi nuklir diabaikan, cross section kecil.
• Bila nuklida hasil bersifat radioaktif, m aka peluruhan selam a waktu
iradiasi harus diperhitungkan. dN B/ dt = σQxN A - λN B
• Pada integrasi antara t=0 dan t=t, pada t=0 m aka N B=0 sehingga
N B = (σQxN A / λ) (1 - e -λt )
• Oleh karena A=-dN B/ dt= λN B m aka AB(t)= (σQxN A ) (1 - e -λt )
• J ika N A=(L ×I A×m A)/ Ar A m aka AB(t)= (σQx L ×I A×m A)/ Ar A ) (1 - e -λt )
• Radioaktivitas nuklida yang diiradiasi selam a waktu t kem udian
dibiarkan m eluruh selam a waktu t’, m aka persam aan setelah akhir
irradiasi adalah: AB(t’)= AB(t) × e -λt
• AD VAN TAGES
Nuclear power generation does em it relatively low am ounts of
carbon dioxide (CO2). The em issions of green house gases
and therefore the contribution of nuclear power plants to
global warm ing is therefore relatively little.
This technology is readily available, it does not have to be
developed first.
It is possible to generate a high am ount of electrical energy in
one single plant
• D ISAD VAN TAGES
Nuclear power plants as well as nuclear waste could be
preferred targets for terrorist attacks..
During the operation of nuclear power plants,
radioactive waste is produced, which in turn can be
used for the production of nuclear weapons .
Nuclear reactors have a high risk, especially if there is
leakage.
Reakt or Nuklir
Port able
• Charge particle accelerator = pem ercepat
partikel berm uatan
Sulistyani, M.Si.
Em ail: sulistyani@uny.ac.id
• Sebutkan perbedaan antara reaksi inti
dengan reaksi kim ia um um nya?
KONSEP
• Reaksi nuklir m erupakan proses pengubahan inti atom m elalui
reaksi pertukaran dengan partikel-partikel dasar penyusun inti
atom .
• Reaksi nuklir buatan pertam a kali dilakukan oleh Rutherford (tahun
1919), yaitu dengan m enem baki inti nitrogen dengan partikel alfa
yang berasal dari peluruhan 214 Po.
+
Inti sasaran
α
proyektil
→
p
+
Partikel yang
dipancarkan
Dapat ditulis:
Inti hasil
(α, p)
• Reaksi penem bakan inti dikenal dengan istilah transm utasi inti.
• Sebagian besar reaksi nuklir berlangsung m elalui tahap antara, yaitu
m em bentuk inti transisi atau inti m ajem uk, baru kem udian berubah
m enjadi inti hasil.
Perbedaan Reaksi Nuklir dibandingkan dengan
Reaksi Kimia
• Pada reaksi kim ia, jum lah pereaksi dan hasil reaksi dinyatakan
dalam m ol, sedangkan pada reaksi nuklir berhubungan dengan
m assa m asing-m asing atom .
• Perubahan energi pada reaksi kim ia dinyatakan dalam J / m ol,
sedangkan pada reaksi nuklir dinyatakan dalam eV atau MeV.
(96 kJ / m ol = 1 eV)
• Pada reaksi kim ia, unsur-unsur yang terlibat reaksi tetap utuh
hanya ikatan atom nya yang berubah, sedangkan pada reaksi nuklir
terbentuk nuklida baru.
• Energi yang dihasilkan pada reaksi nuklir jauh lebih besar daripada
reaksi kim ia.
Ex: pem belahan 1 g 235U m em bebaskan energi sebesar 8,4.10 7 kJ ,
sedangkan pem bakaran batu bara m em bebaskab energi sebesar
33,9 kJ .
Mekanisme Reaksi Nuklir
Reaksi nuklir yang m elalui pem bentukan inti m ajem uk
• Terjadi bila energi proyektil kurang dari 50 MeV.
• Ex:
+
Hasil Analisis; proyektil lebih lam a berada
di dalam inti sasaran dari pada waktu transit
yang diram alkan pada perhitungan
kecepatan partikel dan diam eter inti.
β
+
α
+
γ
+
2n
+
Reaksi nuklir langsung (tanpa pem bentukan inti m ajem uk)
• Terjadi bila energi proyektil lebih dari 50 MeV.
• Ex:
+
α
p
+
Energi yang dilepaskan at au diperlukan pada reaksi nuklir
Ex: Untuk reaksi nuklir A(x,y)B
ΔE = (m A + m x – m B – m y) × c2
ΔE = (m A + m x – m B – m y) × 931,5 MeV
ΔE = (Δ A + Δ x – Δ B – Δy) × MeV
ΔE juga dinyatakan sebagai
nilai Q reaksi
• J ika ΔE negatif m aka reaksi nuklir tersebut m em erlukan energi. Energi yang
diperlukan dapat diberikan pada reaksi tersebut sebagai energi kinetik
proyektil.
• Perlu diingat, tidak sem ua energi kinetik proyektil diubah m enjadi energi
eksitasi inti m ajem uk yang terbentuk, tetapi dapat juga sebagai energi pental
inti m ajem uk, sedangkan energi yang dibebaskan pada reaksi nuklir m uncul
sebagai energi kinetik dari hasil-hasil reaksi.
• Proyektil yang digunakan pada reaksi nuklir dibedakan m enjadi
partikel tidak berm uatan (neutron) dan partikel yang berm uatan
(proton, deutron, partikel alfa, xenon, dan uranium ).
• Partikel yang berm uatan dihasilkan oleh radionuklida, yang
kem udian diubah m enjadi partikel berm uatan berenergi tinggi
dengan m enggunakan alat pem ercepat ion sistem m elingkar
(siklotron).
• Radionuklida yang dihasilkan dari reaksi nuklir dengan proyektil
berm uatan um um nya radionuklida kekurangan neutron, sehingga
akan m eluruh dengan m em ancarkan sinar positron atau tangkapan
elektron.
• Proyektil berupa partikel tidak berm uatan dapat diperoleh dari
reaktor nuklir atau ,pem bangkit neutron.
Jenis-j enis proyekt il neut ron berdasarkan energinya
• Neutron term al, berenergi ~0 ,0 25 eV . Neutron ini m em iliki distribusi
energi ham pir sam a dengan distribusi energi m olekul-m olekul gas dalam
keseim bangan term al pada tem peratur biasa.
• Neutron epiterm al, berenergi ~ 1 eV
• Neutron lam bat, berenergi ~1 keV
• Neutron cepat, berenergi ~0 ,1 – 10 MeV
Pada generator n eutron, berkas deutrium dipercepat oleh pem ercepat linier
(akselerator) dan dikenakan pada sasaran tritium ( 13 H). Reaksi: 13 H(d,n) 2 4 He.
Proyektil neutron yang dihasilkan oleh generator neutron m erupakan neutron cepat
(n*) dengan energi ~14MeV. Radionuklida hasil hasil penem bakan dengan proyektil
cepat berupa radionuklida yang kekurangan n eutron sehin gga m ode peluruhannya
adalah TE atau pem ancaran positron.
Reakt or Nuklir
• Reaktor Nuklir pertam a kali dibuat oleh Ferm i
tahun 1942.
• Reaktor nuklir dikelom pokkan m enjadi reaktor
penelitian dan reaktor daya.
• Reaktor penelitian dirancang sebagai penghasil
neutron yang dapat digunakan untuk
pem buatan radionuklida, untuk analisis, dsb.
• Reaktor daya dirancang untuk m enghasilkan
daya, m isalnya pem bangkit tenaga listrik,
penggerak kapal selam .
• Pada reaktor nuklir berlangsung reaksi pem belahan inti (reaksi
fisi)berantai secara terus m enerus dan terkendali.
• Ada dua reaksi fisi, yaitu reaksi fisi dengan neutron cepat (n*) dan
reaksi fisi dengan neutron term al. Ex:
1 n + 235 U → 236 U* → 144 Ba + 89 Kr + 3 1 n + E
0
92
92
56
36
0
1 n + 235 U → 236 U* → 140 Ba + 94 Kr + 2 1 n + E
0
92
92
56
36
0
• Energi yang dihasilkan pada reaksi fisi tersebut ~20 0 MeV dan
energi neutron yang dihasilkan ~2MeV.
• Agar neutron dapat m elangsungkan reaksi fisi selanjutnya, neutron
harus diperlam bat m enjadi neutron term al. Alat yang digunakan
untuk m em perlam bat neutron disebut m oderator (air, air berat
(D2O), berilium , atau grafit).
• Reaksi fisi selanjutnya dikendalikan dengan m enggunakan batang
kendali, berfungsi m enyerap neutron hingga jum lah neutron di
dalam teras reaktor sesuai keperluan. Dengan kata lain batang
kendali m engatur jum lah reaksi fisi dan jum lah energi yang
dihasilkan. Bahan batang kendali: kadm ium , boron, atau hafnium .
Komponen-komponen reakt or nuklir
• Tangki reaktor,
• Perisai radiasi
• Teras reaktor, m erupakan susunan elem en bahan bakar, batang
kendali ditem patkan pada lubang-lubang plat kisi m enurut
konfigurasi tertentu, dan reflektor.
• Fasilitas irradiasi dan ekesperim en
- Penyalur berkas neutron, berfungsi untuk irradiasi sam pel dengan
ukuran agak besar.
- Kolom term al, berfungsi untuk irradiasi dengan neutron term al.
- Saluran tengah, berfungsi untuk keperluan irradiasi atau
eksperim en dengan fluks neutron m aksim um .
- Fasilitas bulk shielding, berupa bak air yang dihubungkan dengan
kolom term alisasi. Kom ponen ini digunakan untuk eksperim en
perisai dan untuk m enyim pan sem entara bahan bakar bekas.
- Perangkat subkritik, sebagai sum ber neutron tetap
- Sistem pem indah pneum atik, berfungsi m em asukkan dan
m engeluarkan sam pel dari dalam teras secara cepat.
Boiling Wat er React or
Pressurized Wat er React or
Source:
Bahan Bakar Nuklir
• Bahan bakar nuklir adalah bahan yang dapat m engalam i reaksi fisi.
• Bahan bakar yang paling banyak digunakan adalah uranium .
• Uranium di alam tidak dalam keadaan bebas, tetapi dalam bentuk
m ineralnya, di antaranya pitchblende, uranit, dan carnotite.
• Uranium di alam terdapat 2 isotop, yaitu 92 235U (0 ,7% berat) dan
238 U (99,3% berat).
92
• 92 235U m erupakan bahan fisil, yaitu bahan dapat belah artinya dapat
langsung bereaksi dengan neutron term al m elakukan reaksi fisi
nuklir.
• 92 238 U m erupakan bahan fertil, yaitu bahan tidak dapat belah
artinya tidak dapat m elangsungkan reaksi fisi dengan neutron
term al. Nuklida fertil lainnya adalah 90 232 Th.
• 92 238 U dan 90 232 Th dapat diubah m enjadi bahan fisil lain, yaitu
233 U.
239 Pu dan
92
94
Reaksinya:
238 U(n, γ) 239 U
90
92
90
232 Th(n,γ)
90
β- (t 1/ 2 = 23,5 m enit)
233 Th
93
β- (t 1/ 2 = 22,2 m enit)
239 Np
233 Pa
91
β- (t 1/ 2 = 2,35 hari)
94
239 Pu
β- (t 1/ 2 = 27,0 hari)
92
233 U
Pengolahan uranium alam
• Proses konsentrasi, konsentrat
uranium disebut yellow cake.
• Proses pem urnian, hingga m encapai
kem urnian 99,9%.
• Proses pabrikasi, m em bentuk serbuk
m enjadi elem en bahan bakar
berbentuk pellet yang dim asukkan
kelongsong bahan bakar.
Mining
•
Uranium ore is usually
located aerially;
core
sam ples are then
drilled
and analyzed by
geologists. The
uranium ore is extracted by m eans of drilling and
blasting. Mines can be in either open pits or
underground. Uranium concentrations are a
sm all percentage of the rock that is m ined, so
tons of tailings waste are generated by the
m ining process.
Milling & Leaching
•The ore is first crushed into sm aller bits,
then it is sent through a ball m ill where it
is crushed into a fine powder. The fine ore
is m ixed with water, thickened, and then
put into leaching tanks where 90 % of the
uranium ore is leached out with sulfuric
acid. Next the uranium ore is separated
from the depleted ore in a m ultistage
washing system . The depleted ore is then
neutralized with lim e and put into a
tailings repository.
Yellowcake
•Meanwhile, the uranium
solution is filtered, and then
goes through a solvent
extraction process that includes
kerosene and am m onia to
purify the uranium solution.
After purification the uranium
is put into precipitation tanks—
the result is a product
com m only called yellowcake.
Transport at ion
•In the final processes the
yellow cake is heated to
80 0 ˚Celcius which makes a
dark green powder which is
98% U 3 O8 . The dark green
powder is put into 20 0 liter
drum s and loaded into
shipping containers and are
shipped overseas to fuel
nuclear power plants.
Conversion
•
To enrich uranium it m ust be in the
gas form of UF6. This is called
conversion. The conversion diagram
shown here is from Honeywell. First
the yellow cake is converted to uranium
dioxide through a heating process (this
step was also m entioned in the m ining
process). Then anhydrous hydrofluoric
acid is used to m ake UF4. Next the UF4
is m ixed with fluorine gas to m ake
uranium hexafluoride. This liquid is
stored in steel drum s and crystallizes.
Enrichment
• Uranium enrichm ent increases the am ount of U235 in
com parison to U238. Dom estic power plants use a m ixture that
is 3-5% U235, while “highly enriched uranium ” is generally
used for weapons, som e research facilities, and naval reactors.
Dom estic reactors usually require fuel in the form of uranium
dioxide and weapons use the enriched m ix in the form of a
m etal. The conversion and enrichm ent process is very
dangerous because not only is the uranium hexafluoride
radioactive, it is also chem ically toxic. In addition, if the
uranium hexafluoride com es in contact with m oisture it will
release another very toxic chem ical called hydrofluoric acid.
There have been num erous accidents during the conversion and
enrichm ent process. Depleted uranium is the waste that is
generated from the enrichm ent process.
Fuel Fabricat ion
•After being enriched, the
UF6 is taken to a fuel
fabrication facility that
presses the powder into sm all
pellets. The pellets are put
into long tubes. These tubes
are called fuel rods. A fuel
assem bly is a cluster of these
sealed rods. Fuel assem blies
go in the core of the nuclear
reactor. It takes
approxim ately 25 tonnes of
fuel to power one 10 0 0 MWe
reactor per year. The picture
on the
righthttp://www.world-nuclear.org/education/nfc.htm
is a fuel assem bly.
Source:
Tampang Lint ang (Cross Sect ion) Reaksi Nuklir
• Kem ungkinan terjadinya reaksi nuklir disebut penam pang lintang (σ) yang
m em punyai dim ensi luas.
• Tam pang lintang dapat dibandingkan dengan tetapan laju reaksi.
• Ex: Reaksi kim ia A + B → D , m aka laju reaksinya dinyatakan dCD/ dt = kCACB
• Dengan cara sam a, untuk reaksi nuklir A(x,y)B dinyatakan: dN B/ dt = σ Qx N A
• N A dan N B adalah jum lah atom A dan B per satuan volum , Qx adalah fluks yaitu
jum lah proyektil per satuan luas per waktu (cm -2 s -1), dan σ adalah tam pang lintang.
• Bila berkas partikel jenis x dengan fluks Q m enabrak lapisan tipis atom A dengan
ketebalan s, m aka pada saat partikel m em asuki lapisan dengan ketebalan ds, fluks
partikel akan berkurang sebesar:
• -dQx = σ Qx N A ds jika diintegralkan akan diperoleh:
• ln Qx/ Qx(0 ) = σ QxN A s
untuk reaksi nuklir: A(x,y)B
Penampang Lint ang
Bila ada reaksi nuklir lainnya m aka
cross section reaksi adalah cross
section total.
Satuan cross section reaksi nuklir
adalah barn, 1 b = 10 -24 cm 2 .
Cross section sebagian besar reaksi
bergantung pada energi proyektil
sehingga kebolehjadian terjadinya
reaksi nuklir m erupakan fungsi
energi proyektil, yang berupa
energi kinetik proyektil yang
dipindahkan ke inti m ajem uk
sebagai energi eksitasi inti
m ajem uk. Ketergantungan
kebolehjadian reaksi nuklir pada
energi proyektil disebut fungsi
eksitasi.
Cross section σ of Ag for neutrons as a function of the energy of the neutrons
Cross sections of several nuclear reactions of protons with
energy.
63 Cu
as a function of their
Reaksi Nuklir dengan Part ikel Bermuat an
• Proyektil partikel berm uatan (proton, deutron, partikel alfa)
m am pu m enabrak inti jika energinya dapat m engatasi potensial
penghalang inti sasaran.
• Tingginya potensial penghalang (Ec) tergantung pada nom or atom
inti sasaran dan nom or atom proyektil.
Ec = (1/ 4∏εo) (Z1eZ2e/r) εo =8,8542 10 -12 C2 s -1 m -2
• Bila Ec dalam MeV dan r dalam cm , m aka
Ec = 1,44.10 -13 (Z1Z2/ r) MeV dengan r adalah jarak dim ana gaya inti
m ulai bekerja yaitu: r = r o(A11/ 3 + A2 1/ 3 ) dim ana r o = 1,4.10 -13 cm
• Cross section m aksim um untuk reaksi absorpsi partikel-partikel
berm uatan um um nya m endekati ∏ r2 (r = jarak antara pusat inti
partikel proyektil dan inti sasarn bila keduanya bertem u) sehingga
dinyatakan sebagai jari-jari pertukaran reaksi inti.
• J enis reaksi khusus lainnya adalah reaksi Oppenheim er, biasanya
m enggunakan deutron sebagai proyektil.
Reaksi Nuklir dengan Neut ron
• Neutron tidak berm uatan sehingga neutron m udah m endekati inti
tanpa ditolak oleh m uatan inti atom sasaran.
• Neutron m udah ditangkap oleh inti sasaran dengan m akin
berkurangnya kecepatan neutron.
• Σc ~ 1/ v ~ 1/ E 1/ 2
• Sebagian besar reaksi nuklir yang m elibatkan neutron term al adalah
proses tangkapan neutron, dim ana energi eksitasi inti m ajem uk
dihilangkan dengan pem ancaran sinar gam m a (n,γ).
• Reaksi neutron yang m em ancarkan partikel berm uatan setelah
m enangkap neutron seperti (n,p) atau (n,α) m erupakan reaksi yang
terjadi dengan m elalui energi am bang (threshold reaction).
• Pem belahan inti dengan neutron term al hanya m ungkin terjadi
pada inti dengan tipe (g,u) dan (u,u), sedangkan pem belahan inti
berat lainnya dikarenakan suatu reaksi am bang.
Reaksi Fisi Berant ai
Perhit ungan Hasil pada Reaksi Nuklir
• Untuk reaksi A(x,y)B, laju pem bentukan nuklida B adalah: dN B/ dt =
σQxN A
• Dengan asum si fluks dan energi proyektil konstan selam a m elalui volum
sasaran (sasaran diasum sikan relatif tipis), jum lah inti yang transm utasi
dalam reaksi nuklir diabaikan, cross section kecil.
• Bila nuklida hasil bersifat radioaktif, m aka peluruhan selam a waktu
iradiasi harus diperhitungkan. dN B/ dt = σQxN A - λN B
• Pada integrasi antara t=0 dan t=t, pada t=0 m aka N B=0 sehingga
N B = (σQxN A / λ) (1 - e -λt )
• Oleh karena A=-dN B/ dt= λN B m aka AB(t)= (σQxN A ) (1 - e -λt )
• J ika N A=(L ×I A×m A)/ Ar A m aka AB(t)= (σQx L ×I A×m A)/ Ar A ) (1 - e -λt )
• Radioaktivitas nuklida yang diiradiasi selam a waktu t kem udian
dibiarkan m eluruh selam a waktu t’, m aka persam aan setelah akhir
irradiasi adalah: AB(t’)= AB(t) × e -λt
• AD VAN TAGES
Nuclear power generation does em it relatively low am ounts of
carbon dioxide (CO2). The em issions of green house gases
and therefore the contribution of nuclear power plants to
global warm ing is therefore relatively little.
This technology is readily available, it does not have to be
developed first.
It is possible to generate a high am ount of electrical energy in
one single plant
• D ISAD VAN TAGES
Nuclear power plants as well as nuclear waste could be
preferred targets for terrorist attacks..
During the operation of nuclear power plants,
radioactive waste is produced, which in turn can be
used for the production of nuclear weapons .
Nuclear reactors have a high risk, especially if there is
leakage.
Reakt or Nuklir
Port able
• Charge particle accelerator = pem ercepat
partikel berm uatan