Artikel Mata Kuliah Kimia

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)

Disusun Oleh:Yudhi Wiyoko, S.Si (13708259012)

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN SAINSPROGRAM PASCA SARJANAUNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA2014

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)

PendahuluanMasalah energi merupakan salah satu isu penting yang sedang hangat dibicarakan. Semakin berkurangnya sumber energi, penemuan sumber energi baru, pengembangan energi-energi alternatif, dan dampak penggunaan energi minyak bumi terhadap lingkungan hidup menjadi tema-tema yang menarik dan banyak didiskusikan. Pemanasan global yang diyakini sedang terjadi dan akan memasuki tahap yang mengkhawatirkan disebut-sebut juga merupakan dampak penggunaan energi minyak bumi yang merupakan sumber energi utama saat ini. Dampak lingkungan dan semakin berkurangnya sumber energi minyak bumi memaksa kita untuk mencari dan mengembangkan sumber energi baru. Salah satu alternatif sumber energi baru yang potensial datang dari energi nuklir. Meski dampak dan bahaya yang ditimbulkan amat besar, tidak dapat dipungkiri bahwa energi nuklir adalah salah satu alternatif sumber energi yang layak diperhitungkan. Isu energi nuklir yang berkembang saat ini memang berkisar tentang penggunaan energi nuklir dalam bentuk bom nuklir dan bayangan buruk tentang musibah hancurnya reaktor nuklir di Chernobyl. Isu-isu ini telah membentuk bayangan buruk dan menakutkan tentang nuklir dan pengembangannya. Padahal, pemanfaatan yang bijaksana, bertanggung jawab, dan terkendali atas energi nuklir dapat meningkatkan taraf hidup sekaligus memberikan solusi atas masalah kelangkaan energi. Di Indonesia, BATAN telah berusaha mendorong pengembangan PLTN di Indonesia sejak 1985. Hal ini dilakukan karena mengingat ketersediaan sumber energi yang terbatas, terutama minyak bumi dan batubara. Saat ini hasilnya sudah mulai nampak. Bahkan pemerintah sudah merencanakan pembangunan PLTN dalam waktu dekat. Dalam satu kesempatan Menteri Riset dan Teknologi Gusti Muhammad Hatta mengatakan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir 30 Mega Watt akan dibangun pada 2014. Pembangunan PLTN tersebut akan dilakukan oleh Badan Tenaga Nuklir Nasional (antara news, 2014).

I. Perbedaan Pembangkit Listrik Konvensional (PLK) dengan PLTNDalam pembangkit listrik konvensional, air diuapkan di dalam suatu ketel melalui pembakaran bahan fosil (minyak, batubara, dan gas). Uap yang dihasilkan dialirkan ke turbin uap yang akan bergerak apabila ada tekanan uap. Perputaran turbin selanjutnya digunakan untuk menggerakkan generator, sehingga akan menghasilkan tenaga listrik. Pembangkit listrik dengan bahan bakar batubara, minyak dan gas mempunyai potensi menimbulkan dampak negatif ke lingkungan serta masalah transportasi bahan bakar dari tambang menuju lokasi pembangkitan. Dampak lingkungan akibat pembakaran bahan fosil tersebut dapat berupa CO2 (karbon dioksida), SO2 (sulfur dioksida) dan NOx (nitrogen oksida), serta debu yang mengandung logam berat. Kekhawatiran terbesar dalam pembangkitan listrik dengan bahan bakar fosil adalah dapat menimbulkan hujan asam dan peningkatan pemanasan global. PLTN beroperasi dengan prinsip yang sama seperti PLK, hanya panas yang digunakan untuk menghasilkan uap tidak dihasilkan dari pembakaran fosil, tetapi dihasilkan dari reaksi pembelahan inti bahan fisil (uranium) dalam suatu reaktor nuklir. Tenaga panas tersebut digunakan untuk membangkitkan uap di dalam sistem pembangkit uap (Steam Generator) dan selanjutnya sama seperti PLK, uap digunakan untuk menggerakkan turbin-generator sebagai pembangkit tenaga listrik. Sebagai pemindah panas digunakan air yang disirkulasikan secara terus menerus selama PLTN beroperasi.

Gambar 1.1 Skema Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir PLTN

Proses pembangkitan listrik ini tidak membebaskan asap atau debu yang mengandung logam berat yang dibuang ke lingkungan atau melepaskan partikel yang berbahaya seperti CO2, SO2, NOx ke lingkungan, sehingga PLTN ini merupakan pembangkit listrik yang ramah lingkungan. Limbah radioaktif yang dihasilkan dari pengoperasian PLTN adalah berupa elemen bakar bekas dalam bentuk padat. Elemen bakar bekas ini untuk sementara bisa disimpan di lokasi PLTN sebelum dilakukan penyimpanan secara lestari.

II. Dasar Iptek NuklirNuklir adalah sebuah kata sifat yang khusus berhubungan dengan nukleus atau inti atom (Prayoga, 2007). Reaksi nuklir berarti reaksi yang melibatkan inti atom. Biasanya terjadi antara inti atom dengan inti atom atau dengan partikel elementer yang menghasilkan produk berbeda dengan inti atom atau partikel sebelum reaksi. Secara umum reaksi nuklir dibedakan menjadi reaksi penggabungan (fusi) dan rekasi pembelahan (fisi). Reaksi fusi merupakan penggabungan dua buah inti atom untuk menghasilkan inti atom yang lebih berat. Reaksi ini diikuti oleh pelepasan atau penyerapan energi serta partikel-partikel elementer. Fusi atom Deuterium (2H) dengan Tritium (3H) atau disebut D-T fusion akan menghasilkan sebuah atom Helium (He) dan neutron (n) disertai oleh pelepasan energi (Prayoga, 2007).Reaksi fisi adalah peristiwa pecahnya inti suatu atom menjadi dua atau tiga buah inti atom lain yang lebih ringan. Proses reaksi biasanya berawal dari penetrasi partikel elementer neutron ke dalam inti atom yang kemuadian menjadi tidak stabil dan akhirnya pecah menjadi dua inti atom lain yang disebut produk fisi. Selain produk fisi, biasanya dilepaskan pula beberapa buah neutron (n), energi dalam bentuk panas, dan radiasi gamma.

Gambar 2.1 Reaksi nuklir: a. Reaksi fusi, b. Rekasi fisi

Energi yang dibebaskan dalam proses reaksi nuklir, seperti dalam reaksi fisi, dinamakan energi nuklir. Sekitar 80 % dari energi nuklir ini dibawa oleh produk dalam bentuk energi kinetik yang kemudian terdisipasi menjadi panas dalam medium bahan bakar ketika produk fisi tersebut bergerak dan kehilangan energi dalam medium (prayoga, 2007). Untuk D-T fusion menghasilkan energi sebesar 14,1 MeV sedangkan fisi U-235 menghsilkan energi sebesar 180 MeV dimana 1 eV = 1,602 x 10-19 J.Ketika inti atom suatu bahan bakar nuklir seperti uranium mengalami reaksi fisi, maka akan dilepaskan pula sebanyak 2 atau 3 buah neutron baru (neutron bebas) hasil reaksi fisi tersebut. Neutron-neutron bebas tersebut bisa menjadi pemicu untuk terjadinya reaksi fisi berikutnya dari inti atom uranium lain yang berada di sekitarnya. Jika reaksi-reaksi fisi ini berlanjut, maka terjadilah apa yang dinamakan dengan reaksi fisi berantai. Secara umum hanya neutron dengan energi relatif rendah (thermal neutron) yang memiliki kemungkinan terbesar untuk menimbulkan terjadinya reaksi fisi pada inti atom bahan bakar nuklir. Sementara neutron bebas yang dihasilkan dari reaksi fisi adalah neutron dengan energi relatif tinggi yang dikenal sebagai neutron cepat (fast neutron). Oleh karena itu, energi neutron ini harus diturunkan dengan mempergunakan moderator agar reaksi fisi berikutnya pada reaksi fisi berantai dapat terjadi. Prinsip penurunan energi neutron (moderasi) adalah dengan cara memantul-mantulkan neutron tersebut terhadap atom-atom material yang berfungsi sebagai moderator. Karena pantulan inilah energi neutron menjadi turun. Material yang biasa digunakan sebagai moderator adalah air dan grafit (karbon).

Gambar 2.2 Proses moderasi neutronSelain bahan bakar nuklir, agen utama pada reaksi fisi adalah neutron, dengan demikian pengendalian reaksi fisi berantai adalah dengan mengatur populasi neutron. Untuk mengendalikan jumlah neutron ini maka dipakai material penyerap neutron seperti boron. Boron hanya menyerap neutron tanpa menimbulkan terjadinya reaksi fisi. Dengan mengatur posisi boron di sekitar bahan bakar nuklir maka terjadinya reaksi fisi dapat dikendalikan.

Gambar 2.3 Pengendalian reaksi fisi

III. Reaktor NuklirReaktor nuklir adalah sebuah sistem tempat mengontrol dan mempertahankan terjadinya reaksi nuklir berantai. Secara umum terdapat lima buah komponen dasar pada sebuah reaktor nuklir yaitu: bahan bakar, moderator, batang kendali, pendingin, dan perisai pengungkung.

Gambar 3.1 skema reaktor nuklir (sumber: http://personales.alc.upv.es)1. Bahan bakarBahan bakar reaktor nuklir adalah nuklida-nuklida dapat belah (fisionable nuclide). Bahan bakar yang umum dipakai untuk reaktor nuklir saat ini adalah uranium dan plutonium oksida yang biasanya berbentuk silinder pejal dengan tinggi dan diameter sekitar 1 cm dan dinamakan pellet.

Gambar 3.2 Pellet uranium2. Moderator dan PendinginKebanyakan reaktor yang ada saat ini mempergunakan media air sebagi moderator. Air juga sekaligus berperan sebagai pendingin bagi bahan bakar reaktor. Reaktor harus didinginkan karena panas yang dibangkitkan oleh reaksi dalam bahan bakar akan menghasilkan suhu sekitar seribuan derajat celcius di pusat bahan bakar. Jika tidak didinginkan, suhu ini akan menngkat dan mengakibatkan melelehnya bahan bakar sehingga mengakibatkan kontaminasi material radioaktif. Selain itu pendingin juga berfungsi untuk mentransfer panas keluar dari bejana raktor sehingga bisa dimanfaatkan seperti untuk pembangkit listrik.

3. Batang Kendali Material yang umum digunakan untuk batang kendali (control rod) adalah Boron Karbida (B4C) atau campuran perak-indium-kadmium yang dikemas dalam kelongsong logam. Batang kendali ini disisipkan di antara bahan bakar, bisa turun atau naik. Selain dengan batang kendali, reaktor biasanya juga dikendalikan dengan menambahkan larutan boron ke dalam pendingin atau moderator, hal seperti ini disebut dengan chemical shim.

Gambar 3.3 Batang kendali

4. Bejana pengungkungPerisai pengungkung terbuat dari bejana baja tahan karat dengan ketebalan sekitar 20 cm. Bejana ini berfungsi sebagai perisai radiasi dan juga pengungkung material radioaktif jika terjadi lelehan bahan bakar nuklir.

IV. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)PLTN adalah suatu sistem yang mengkonversi panas hasil reaksi fisi di dalam reaktor nuklir menjadi energi litrik. Panas yang dibangkitkan di dalam reaktor nuklir dipindahkan ke air pendingin yang kemudian digunakan untuk membangkitkan uap dalam steam generator. Uap yang dihasilkan selanjutnya digunakan untuk memutar turbin. Perputaran turbin kemudian digunakan untuk menggerakkan generator listrik sehingga dihasilkan listrik. Sementara uap dari turbin diubah kembali menjadi air dalam kondenser untuk kemudian dipompakan kembali ke steam generator.

Gambar 4.1 Proses pembangkitan listrik PLTN

Komponen-komponen yang umum ditemui dalam PLTN adalah reaktor nuklir, steam generator, turbin uap, kondenser, generator dan bangunan pengungkung reaktor.1. Reaktor nuklir. Reaktor nuklir adalah tempat terjadinya reaksi nuklir terkendali sehingga dihasilkan energi dalam bentuk panas. 2. Steam generator. Steam generator (pembangkit uap) merupakan suatu alat untuk mengubah air menjadi uap.

Gambar 4.2 Steam generator3. Turbin uap. Turbin uap mengubah energi kinetik uap menjadi putaran poros turbin. Pada pembangkit listrik dengan kapasitas besar seperti PLTN biasanya terdapat 2 atau 3 turbin yaitu turbin tekanan tinggi, menengah (intermediet) dan rendah.4. Generator listrikPutaran poros turbin dikonversi menjadi listrik oleh generator. Peletakan generator dikopel langsung poros ke poros dengan turbin uap.

Gambar 4.3 Turbin dan generator5. KondenserKondenser menerima input uap dari stage terakhir turbin tekanan rendah dan mengubahnya kembali menjadi air (dikondensasi).

Gambar 4.4 Kondenser6. Ruang kontrol (Control Room)Ruang kontrol adalah ruang tempat mengendalikan reaktor. Di ruang ini terdapat display kondisi operasi semua peralatan utama dan pendukung sehingga kondisi operasi PLTN termonitor secara terus-menerus dan dapat segera diambil tindakan yang tepat pada saat diperlukan. Selama PLTN beroperasi, sejumlah operator terlatih harus selalu bertugas dan berjaga di ruang kontrol. Pada saat PLTN dioperasikan secara terus-menerus maka operator di ruang kontrol bertugas secara bergiliran dalam grup.

Gambar 4.5 Ruang kontrol7. Bangunan pengungkung reaktorBangunan ini terbuat dari beton untuk melindungi lingkungan dari kemungkinan keluarnya radiasi dan material radioaktif ke lingkungan dan sebaliknya juga berfungsi sebagai pelindung reaktor dari kemungkinan kerusakan akibat faktor-faktor luar. Pondasi untuk bangunan digali sampai diperoleh batuan keras (bedrock) untuk menjamin kekokohan yang memadai.

Gambar 4.6 Bangunan pengungkung reaktor

V. Jenis Reaktor Nuklir untuk PLTNPLTN sering dicirikan atau diberi nama sesuai dengan jenis reaktor nuklir yang digunakannya. Berikut ini adalah beberapa jenis reaktor nuklir yang digunakan dalam Pembangkit Listrik Tenaga Nukir.1. Reaktor air mendidih (Boiling Water Reactor, BWR) Reaktor jenis ini mempergunakan air sebagai media pendingin sekaligus sebagai moderator. Air menyerap panas dari bahan bakar sampai terjadi uap di dalam reaktor sehingga reaktor juga sebagai steam generator. Uap yang dihasilkan langsung dipergunakan untuk menggerakkan turbin generator sehingga dihasilkan energi listrik. Keluar dari turbin, uap dikondensasikan untuk kemudian dipompa kembali ke dalam reaktor. Batang kendali disisipkan dari bagian bawah reaktor.

Gambar 5.1 Skematik reaktor tipe BWR2. Reaktor air bertekanan (Pressurized Water Reactor, PWR)Berbeda dengan BWR, PWR menggunakan dua siklus pendinginan. Siklus pertama (siklus primer), yang berhubungan langsung dengan reaktor, diberi tekanan tinggi untuk menghindari terjadinya pendidihan air pendinginan di dalam reaktor dan saluran siklus primer. Panas dari siklus pertama kemudian dipindahkan ke siklus kedua (siklus skunder) melalui peralatan steam generator. Air pendinginan dari siklus kedua inilah yang kemudian diuapkan dan dipergunakan untuk memutar turbin dan generator listrik. Batang kendali untuk reaktor tipe PWR ini disisipkan dari bagian atas reaktor.

Gambar 5.2 Skematik reaktor tipe PWR3. Reaktor air berat bertekanan (Pressurized Heavy Water Reactor, PHWR)Reaktor ini secara prinsip mirip dengan PWR, yang membedakan adalah pendingin dan moderator air biasa atau air ringan (H2O) diganti dengan air berat (D2O). Penggunaan air berat membuat reaktor jenis ini dapat menggunakan uranium alam yang tidak diperkaya sebagai bahan bakar karena air berat relatif tidak begitu menyerap neutron bila dibandingkan dengan air ringan.

Gambar 5.3 Skematik reaktor tipe PHWR4. Reaktor Berpendingin Gas (Gas-Cooled Reactor, GCR)Gas CO2 yang disirkulasikan ke dalam bejana reaktor berfungsi sebagai pendingin siklus primer. Gas panas yang keluar dari reaktor kemudian masuk ke dalam steam generator untuk membangkitkan uap pada siklus sekunder yang menggunakan air sekaligus mendinginkan gas CO2 tersebut sebelum kembali masuk ke dalam reaktor. Pada tipe ini, grafit digunakan sebagai moderator sehingga bisa mempergunakan uranium alam yang tidak diperkaya sebagai bahan bakar.

Gambar 5.4 Skematik reaktor tipe GCR5. Reaktor Grafit Berpendingin air (Light Water Graphite Reactor, LWGR)Reaktor ini menggunakan grafit sebagai moderator dan air sebagai pendingin. Air pendingin dibiarkan mendidih di dalam reaktor dan uapnya kemudian dipisahkan dari air di dalam steam drum. Uap kemudian dipergunakan untuk menggerakkan turbin.

Gambar 5.5 Skematik reaktor tipe LWGR6. Reaktor Pembiak Cepat (Fast Breeder Reactor, FBR)Reaktor jenis ini lebih mempergunakan plutonium Pu-239 sebagai bahan bakar. Plutonium berada di bagian tengah inti reaktor, kemudian di sebelah luarnya dikelilingi oleh U-238. Uranium-238 ini menyerap neutron yang berasal dari hasil reaksi fisi di bagian tengah reaktor sehingga berubah menjadi PU-239. Produksi Pu-239 inilah yang dikenal sebagai pembiakan bahan bakar. Dengan tanpa adanya moderator di dalam reaktor untuk menurunkan energi neutron membuat reaktor ini disebut pembiak cepat.

Gambar 5.6 Skematik reaktor tipe FBR7. Reaktor Pebble Bed (Pebble Bed Reactor)Reaktor ini menggunakan bahan bakar keramik uranium (U), plutonium (Pu) atau thorium (Th) berbentuk bola (pebble). Bola-bola diletakkan ke dalam silinder reaktor yang bagian bawahnya berbentuk seperti corong sebagai tempat keluarnya bahan bakar yang sudah habis pakai. Gas helium yang dialirkan di sela-sela tumpukan bola-bola keramik berfungsi sebgai pendingin yang menyerap panas hasi reaksi fisi untuk kemudian ditansfer ke air pendingin melalui steam generator. Grafit pada struktur bahan bakar atau boal-bola grafit yang dicampur dengan bola-bola bahan bakar berfungsi sebagai moderator. Aliran tipikal dari pebble ini adalah satu pebble setiap menit.

Gambar 5.7 a. Pebble, b. PLTN dengan reaktor pebble bed

KesimpulanPLTN memanfaatkan energi nuklir hasil reaksi fisi. Komponen-komponen utama dalam PLTN meliputi reaktor nuklir, steam generator, turbin uap, kondenser, generator dan bangunan pengungkung reaktor. Adapun jenis-jenis PLTN dibedakan berdasarkan tipe reaktor yang digunakan, antara lain: BWR, PWR, PHWR, GCR, LWGR, FBR, dan Reaktor Pebble bed.

DAFTAR PUSTAKA

Peryoga, Y., Madi P, E., Pranoto, A. 2007. Mengenal Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir. Jakarta: Kementrian Riset dan Teknologi

Anonim.___. Pengenalan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (LTN). Jakarta: Pusat Deseminasi Iptek Nuklir

http://www.antaranews.com/berita/417887/menristek-pltn-30-mw-dibangun-tahun-ini diakses pada tanggal 7 April 2014 jam 20.30