Nuklir sebagai Sumber Energi Listrik

Nuklir sebagai Sumber Energi Listrik
Amin Mutohar
Tenaga listrik dihasilkan melalui proses konversi energi dari energi tertentu menjadi energi
listrik yang dilakukan oleh suatu pembangkit tenaga listrik. Proses ini biasanya melalui
beberapa tahap konversi energi. Proses akhir konversi tersebut umumnya berupa konversi
energi mekanik menjadi energi listrik berdasarkan pada hukum Faraday. Hukum Faraday
menyatakan bahwa gaya gerak listrik (GGL) dapat terjadi dari proses perubahan fluks
medan magnet terhadap waktu. Perubahan fluks medan magnet ini dapat diterapkan pada
sebuah rotor dalam generator yang digerakkan oleh sebuah turbin yang berputar oleh
aliran gas, air ataupun uap. Aliran tersebut berasal dari energi yang dihasilkan oleh
batubara, nuklir, gas, panas bumi, biogas, matahari, dan sumber energi lainnya.1
Energi Nuklir
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.2
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.
Contact: [email protected]
1
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.
Contact: [email protected]
2
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.3
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
Contact: [email protected]
3
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.
1
http://www.anthronic.com/index.php?itemid=278
2
http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_physics
3
http://www.howstuffworks.com/nuclear-power.htm
Contact: [email protected]
4