Teknologi NuklirMuhammad Fuad sya`ban (13708259025)

PSN KEMENAG IPA 2 FISIKA : Prof. Jumadi

Nuklir adalah suatu kata sifat yang khusus berhubungan dengan nucleus atau inti atom.

Reaksi Nuklir : adalah reaksi yang melibatkan inti atom. Biasanya terjadi antara inti atom dengan inti atom atau dengan partikel elementer yang menghasilkan produk yang berbeda dengan inti atom atau partikel sebelum terjadinya reaksi. Secara umum reaksi nuklir dapat dibedakan menjadi reaksi penggabungan (fusi) dan reaksi pembelahan (fisi).

Apakah Nuklir ?

Apakah Atom dan Nuklir saling berhubungan ?

Reaksi Fusi Nuklir

Penggabungan dua buah inti atom untuk menghasilkan inti atom yang lebih berat.

Reaksi disertai pelepasan atau penyerapan energi serta partikel-partikel elementer.

Contoh : Fusi atom Deuterium (2H1) dengan Tritium (3H1) disebut (D-T fusion) akan menghasilkan sebuah atom Helium (He) dan neutron (n) disertai oleh pelepasan energi.

2H 3H

He

n

Ilustrasi Reaksi Fusi

Reaksi Fisi Nuklir

Peristiwa pecahnya inti atom menjadi dua atau tiga buah inti atom lain yang lebih ringan.

Prosesnya berawal dari masuknya /bertabrakannya partikel elementer neutron ke dalam inti atom, yang membuat inti atom tidak stabil dan akhirnya pecah menjadi beberapa inti atom lain, disertai lepasnya beberapa buah neutron (n), energi dalam bentuk panas / kalor dan radiasi gamma (γ)

Ilustrasi Reaksi Fisi

Energi Nuklir

Energi yang dibebaskan dalam proses reaksi nuklir, seperti dalam reaksi fisi dinamakan energi nuklir.

Proton dan neutron merupakan partikel bebas, sehingga ketika bergabung membentuk satu inti atom, partikel-partikel ini terikat oleh energi yang disebut energi ikat inti. Pada suatu proses reaksi fisi, sebagian dari energi ikat inti ini terlepas, energi yang dilepaskan inilah yang menjadi sumber energi nuklir.

Sekitar 80% dari energi nuklir, dibawa oleh produk dari reaksi fisi dalam bentuk energi kinetik yang kemudian terdisipasi menjadi panas di dalam medium bahan bakar.

Energi Nuklir :D-T fusion : 14,1 MeVFisi U-235 : 180 MeV1 eV = 1,602 x 10-19 J

Apakah sama Reaksi Nuklir dengan Reaksi Kimia ?

Berbeda dengan reaksi nuklir, pada reaksi kimia tidak mempelihatkan perubahan pada inti atom dari unsur-unsur yang bereaksi. Contoh Rx Kimia; Natrium (Na) dan Chlor (Cl), kedua atom tersebut tidak akan berubah menjadi atom karbon (C) atau atom lainnya, hanya saja akan terjadi ikatan antara ion Na+ dan Cl-, membentuk NaCl (ikatan ion) . Cth lain. Pembakaran, respirasi, fermentasi dll.

Energi pada rx kimia relatif kecil sedangkan energi yang dihasilkan oleh setiap reaksi fisi sekitar 2 juta kali lebih besar.

Ilustrasi untuk hasil reaksi kimia NaCl dan reaksi fisi nuklir

Ilustrasi Reaksi Fisi Berantai

U 235

Ba

Kr n

n

n

n

U 235

Ba

Kr n

n

n

U 235

Ba

Kr n

n

n

U 235

Ba

Kr n

n

n

U 235

Ba

Kr n

n

n

U 235

Ba

Kr n

n

n

U 235

Ba

Kr n

n

n

Reaksi fisi berantai

Ketika inti atom suatu bahan bakar seperti uranium mengalami fisi, maka akan dilepaskan pula sebanyak 2 atau 3 buah neutron baru (neutron bebas) hasil dari 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 terus berlanjut, maka terjadilah apa yang dinamakan dengan reaksi fisi berantai.

Syarat agar terjadinya reaksi fisi berantai sehingga dapat terus dipertahankan adalah: Pertama, tersedianya bahan bakar nuklir dalam jumlah yang cukup, agar reaksi dapat dipertahankan (masa kritis)

Reaksi fisi berantai Lanjutan …….

Kedua, neutron yang digunakan harus berenergi relatif rendah (mengapa ?) padahal neutron bebas hasil dari reaksi fisi adalah neutron dengan energi relatif tinggi (fast neutron).

Energi neutron ini diturunkan (prinsip moderasi) dengan menggunakan moderator agar reaksi fisi berikutnya pada reaksi fisi berantai dapat terjadi. Hal ini dilakukan dengan cara memantulkan-mantulkan neutron pada atom-atom material yang berfungsi sebagai moderator (biasanya air dan grafit / karbon), karena pantulan inilah energi neutron menjadi turun.

Ilustrasi fast neutron

Ketiga, populasi neutron, populasi yang terlalu banyak dari neutron maka akan menyebabkan reaksi fisi berantai yang berlangsung cepat dan tidak terkendali. Untuk mengendalikan jumlah neutron, sehingga reaksi fisi terkendali, maka dipakai material penyerap neutron seperti boron (B). Boron hanya menyerap neutron tanpa mengganggu reaksi fisi.

Reaksi fisi berantai Lanjutan …….

Bom nuklir adalah peledak yang memanfaatkan energi yang dielpaskan melalui proses reaksi nuklir. Seperti halnya pada bom konensional, ledakan bom nuklir juga menghasilkan gelombang tekanan dan radiasi panas tetapi dalam tingkat yang jauh lebih besar dan lebih luas.

Ada dua macam bom nuklir yaitu yang menerapkan reaksi fisi dan yang menerapkan reaksi fusi.

Apakah itu Bom Nuklir ?

Samakah dengan Reaktor Nuklir ?

Bom Fisi dan Bom Fusi

Jenis Bom fisi Bom FusiBahan Bakar

Primer : Uranium Primer : Deuterium dan tritium

Sekunder : peledak konvensional Sekunder : peledak rx fisiWadah Aloy, baja atau besi Aloy, baja, besi atau kobaltHasil Panas, Tekanan yang sangat tinggi, Radiasi

panas, Gelombang tekanan dan Radiasi nuklirDaya ledaknya 500 kali bom atom

Istilash lain Bom atom Bom HidrogenDesain Gu n type method, dll Teller Ulam, dll

Contoh Ilustrasi “gun type” (kiri) dan “teller ulam” (kanan)

Bom Atom vs Reaktor Nuklir

Bom Atom Reaktor Nuklir

Reaksi tidak terkendali Reaksi terkendali

Energi yang dihasilkan berlipat-lipat dalam waktu singkat

Energi yang dihasilkan besar (tidak lebih besar dari bom atom) dalam waktu yang lama

Panas terbuang percuma dan sia-sia Panas dimanfaatkan, salah satunya pembangkit tenaga listrik

Menebarkan radiasi panas dan radiasi nuklir

Mengungkung, mengisolasi atau mengkarantina radiasi panas dan radiasi nuklir

Merugikan Bermanfaat

Menimbulkan kerusakan / menghancurkan

Menciptakam lingkungan bersih / mendukung pembangunan

Reaktor Nuklir dan PLTN (FISI NUKLIR)

Apakah reaktor Nuklir dan apa hubungannya dengan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) ?

Reaktor Nuklir merupakan sebuah sistem tempat mengontrol dan mempertahankan terjadinya reaksi nuklir berantai.

Kegunaannya; pembangkit energi listrik, produksi radioisotop dan penelitian.

Ada lima komponen dasar : bahan bakar, moderator, pendingin, batang pengendali ,dan perisai pengungkung.

Ilustrasi Penampang Reaktor Nuklir

BAHAN BAKAR

Nuklida-nuklida yang dapat dibelah. Umumnya adalah uranium dan plutonium oksida, berbentuk silinder pejal dengan tinggi sekitar 1 cm dinamakan pellet.

Nuklida U-235 (uranium alam) ditambang dari alam. Tersusun atas U-238, U-235 dan U-234 dengan komposisi masing-masing 99,284 %, 0,711 %, 0,005 % (persen berat)

Tahapan pengolahan bahan bakar reaktor nuklir

Pembuatan bahan bakar, diawali dengan bijih uranium hasil tambang.

Bijih di olah menjadi tepung U3O8 berwarna kuning (yellow cake).

Pemurnian dan pengkonveksian menjadi gas uranium hexaflorida (UF6 ) dengan kandungan U-235 0,7 % dari total uranium. Kebanyakan U-235 digunakan dengan kadar 3-5 % sehingga harus ditingkatkan atau diperkaya (erriched) misalnya melalui sentrifugal gas terhadap UF6.

Tahapan, Lanjutan……..

Proses sentrifugal ini memanfaatkan massa U-235 yang lebih ringan daripada U-238 sehingga dapat dilakukan sentrifugasi. Gas UF6 diputar pada kecepatan supersonik sehingga gas UF6 dengan kandungan U-235 yang lebih banyak (U-235 enriched) relatif akan berada di tengah tabung sentrifugal sedangkan gas UF6 dengan kandungan U-235 yang lebih sedikit (U-235 depleted) akan berada di sisi tabung sentrifugal.

Gas UF6 dengan kandungan U-235 sekitar 3-5 % (UF enriched) yang sudah dikonversi menjadi tepung UO 2 , di-press, dicetak menjadi silinder pejal, tinggi 10 mm dan diameter 8 mm (pellet).

Pellet disusun di dalam kelongsong (cladding) berupa silender logam zirkonium setinggi sekitar 4m, susunan pellet di dalam kelongsong ini dinamakan bahan bakar (fuel rod).

Fuel rod ini kemudian disusun lagi menjadi elemen bakar (fuel element atau fuel assembly). Element-elemen bakar ini kemudian disusun dalam bejana reaktor untuk membentuk inti reaktor (reactor core)

Tahapan, Lanjutan……..

MODERATOR dan PENDINGIN

Kebanyakan reaktor pada sat ini mempergunakan media air sebagai moderator. Air juga sekaligus berperan sebagai pendingin bagi bahan bakar reaktor. Mengapa harus didinginkan..? Karena panas reaksi fisi dalam bahan bakar menghasilkan suhu diatas 1000o C . Jika tidak didinginkan maka akan mengakibatkan melelehnya bahan bakar sehingga mengakibatkan kontaminasi material radioaktif. Selain itu pendingin juga berfungsi untuk mentrasfer panas keluar dari bejana reaktor sehingga dapat dimanfaatkan semisal untuk pembangkit tenaga listrik.

BATANG KENDALI dan BEJANA PENGUNGKUNG

Material pada batang, kendali ( control rod) umumnya menggunakan Boron Karbida (B4C) atau campuran perak-indium-kadmium yang dikemas dalam kelongsong logam.

Batang disisipkan di antara bahan bakar, dan bisa di turunkan dan dinaikkan. Selain dengan batang kendali, reaktor bisa dikendalikan dengan menambahkan larutan boron ke dalam pendingin atau moderator perlakuan ini disebut chemical shim

Bejana pengungkung terbuat dari bejana baja, tahan karat dengan tebal 20 cm. berfungsi sebagai perisai dan pengungkung material radioaktif jika terjadi lelehan bahan bakar nuklir

Apakah PLTN itu ? Apa saja komponen PLTN

PLTN merupakan suatu sistem yang mengkonversi panas hasil reaksi fisi di dalam reaktor nuklir menjadi energi listrik. Panas yang dihasilkan dalam reaktor nuklir dipindahkan ke air pendingin , air pendingin menjadi panas dan menghasilkan uap. Uap yang dihasilkan selanjutnya dipergunakan untuk memutar turbin. Turbin berputar menggerakkan generator listrik, sehingga akhirnya menghasilkan listrik. Uap panas yang menggerakkan turbin di dialirkan dan dinginkan di dalam kondensor, kemudian setelah berubah menjadi air, dialirkan kembali ke dalam reaktor. Siklus ini terjadi berulang-ulang dan dikendalikan.

Komponen utama : reaktor nuklir, steam generator, turbin uap dan kondensor

STEAM GENERATOR , TURBIN UAP , GENERATOR LISTRIK & KONDENSOR

Steam generator (pembangkit uap) merupakan suatu alat pengubah air menjadi uap. Pada reaktor tipe PWR, steam generator terpisah dari reaktor, sedangkan pada tipe BWR, reaktor sekaligus sebagai steam generator.

Turbin uap mengubah energi kinetik uap menjadi putaran poros turbin.

Generator listrik mengubah /mengkonversi putaran poros turbin menjadi generator listrik.

Kondensor menerima input berupa uap dan mengubahnya kembali menjadi air (dikondensasi).

RUANG KONTROL dan BANGUNAN PENGUNGKUNG REAKTOR

Ruang kontrol adalah tempat mengendalikan/memantau reaktor

Bangunan pengungkung reaktor (“bukan bejana pengungkung”) terbuat dari beton untuk melindungi lingkungan dari kemungkinan keluarnya radiasi dan material radioaktif, serta melindungi reaktor dari kerusakan akibat faktor-faktor luar.

Jenis Reaktor Nuklir untuk PLTN

Reaktor Air Mendidih (BWR) Boiling Water Reaktor .

Reaktor air bertekanan (PWR) pressurized water reaktor.

Reaktor Air Berat Bertekanan (PHWR) Pressurized Heavy Water Reactor.

Reaktor berpendingin gas (GCR) gas-cooled reactor.

Reaktor pebble bed.

Reaktor pembiak cepat (FBR) fast breeder reactor.

Reaktor Grafit berpendingin Air (LWGR) light water graphite reactor.

FUSI NUKLIR

Matahari adalah salah satu contoh fusi nuklir yang terjadi di alam.

Pada tahun 1968 ilmuwan Rusia dari Institut Kurchatov mengumumkan keberhasilan mereka mengoperasikan reaktor fusi pertama yang mereka sebut tokamak.

Reaktor ini berfungsi sebagai akselerator, untuk mendapatkan reaksi fusi inti. Partikel inti dipaksa bersama-sama pada kecepatan tinggi untuk mengatasi gaya tolak menolak diantara partikel yang bermuatan positif. Sekaligus juga melakukan pemanasan (108 OC), pada suhu ini semua elektron dalam atom mengeluas membentuk plasma.

Namun karena tekanan yang besar, maka medan magnet yang diperlukan juga sangat besar, guna mencegah plasma yang luar biasa panas menyentuh dinding reaktor “tokamak” yang dapat meleleh bila terkena suhu tinggi. Hal ini lah yang membuatnya menghabiskan lebih banyak energi daripada menghasilkan energi.

Tokamak merupakan reaktor yang menggunakan arus bolak balik yang sangat kuat, untuk menciptakan kondisi medan magnet kuat, memanaskan plasma, namun tetap membuatnya terus bersirkulasi di dalam suatu cincin berongga (torus).

FUSI NUKLIR Lanjutan……

Dalam rancangannya di masa depan, “skenario” pada reaktor tokamak yaitu, gas Deuterium dan Tritium secara terus menerus dimasukkan ke dalam torus tokamak, dan Helium yang dihasilkan dikeluarkan. Reaksi fusi menghasilkan banjiran neutron yang menembus dinding torus dan diserap oleh sebuah selimut dari logam Lithium yang kemudian bereaksi menghasilkan panas yang dapat dimanfaatkan.

Pada rancangan reaktor lainnya, pellet-pellet yang mengandung deterium dan tritium diledakkan dengan berkas laser yang sangat kuat dari banyak arah . Dalam waktu singkat tekanan dan suhu tinggi dicapai dan unsur-unsur bergabung membentuk helium dan melepaskan energi

FUSI NUKLIR Lanjutan……

Intermezo Fusi Dinging ( Cold Fusion)

Fusi dingin (Cold fusion) kadang-kadang disebut reaksi nuklir energi rendah) adalah yang terjadi pada suhu kamar (di bawah 30°C. Pada tahun 1990-an, sekelompok ilmuwan mengklaim berhasil melakukan reaksi nuklir pada suhu kamar. Sampai sekarang, eksperimen yang serupa terus dilakukan, namun belum ada yang mengarah kepada sisi komersial.

Budi sedang mendesain sebuah pengungkung bom nuklir yang menerapkan reaksi fisi,

namun dia kebingungan untuk memilih bahan yang akan dijadikan pengungkung bom

tersebut, agar reaksi fisi yang terjadi nantinya tidak terkendali. Dari bahan-bahan

bawah ini, manakah bahan yang paling baik, ekonomis dan efektif untuk dijadikan

pengungkung bom nuklir buatan budi….? A. Aloy, Baja, Besi B. Aluminium, Merkuri, Intan C. Grafit, Boron, Karbon D. Perak, Emas, Platina

Jawab : A

Soal No. 1

Laju neutron menjadi cepat setelah terjadi reaksi fisi. Budi mendesain sebuah reaktor

nuklir namun tidak mengetahui dengan pasti hal yang menjadikan laju neutron

melambat. Saran yang tepat dan baik untuk budi lakukan adalah mendesain…….?

A. Reaktor dengan menambahkan tekanan air (H2O) sebagai pendingin B. Penyekat cadmium pada setiap pellet bahan bakar U-235 C. Batang pengaduk pada reaktor dengan menyelipkan Pu-239 D. Moderator pada reaktor dengan material carbon (C)

Jawab : D

Soal No. 2

I. Inti atom setelah bereaksi sama dengan sebelum bereaksi II. Penggabungan dua unsur menjadi inti atom yang lebih berat III. Pecahnya inti atom menjadi dua atau tiga buah inti yang lebih ringan IV. Inti atom setelah bereaksi berbeda dengan sebelum bereaksi V. Partikel-partikel yang berikatan di ikat oleh energi ikat inti VI. Partikel-partikel yang berikatan di ikat oleh iakatan ionik VII. Penggunaan Tri Nitro Tuluena pada perang duniaVIII. Peristiwa sosial masyarakat di Chernobyl negara Ukraina 29 April 1986

Untuk soal no 3

Untuk soal no 4

Lanjut ke Soal no 5

Ket :Warna Biru : KimiaWarna Merah : Nuklir

Pernyataan-pernyataan

Peristiwa yang berkenaan dengan reaksi Nuklir di tunjukkan oleh pernyataan………?

A. I, II, III, IV

B. IV, V, VI, VII

C. I, III, V, VII

D. II, III, IV, V

Jawab : D

Soal No. 3

Ket :Warna Biru : KimiaWarna Merah : Nuklir

Pernyataan yang berkaitan dengan reaksi Kimia di tunjukkan oleh pernyataan,….?

A. II, VII, VII

B. I, VI, VII

C. I, II, VI, VII

D. V, VI, VII, VIII

Jawab : B

Soal No. 4

Ket :Warna Biru : KimiaWarna Merah : Nuklir

Gambar-gambar untuk :

Soal no. 5

Soal no. 6

Lanjut ke Soal no. 7

I II III IV

Gambar yang meunjukkan perangkat suatu reaktor nuklir pada suatu pembangkit listrik tenaga nuklir di tunjukkan pada gambar dengan huruf……?

A. I

B. II

C. III

D. IV

Jawab : Angka Romawi HijauYaitu : D

Soal No. 5

Gambar yang menunjukkan Bom fusi “Teller Ulam” ditunjukkan gambar no. …..

A. I

B. II

C. III

D. IV

Jawab : Angka Romawi Kuning Yaitu : A

Soal No. 6

Pernyataan – pernyataaan mengenai suatu reaksi fisi berantai:

I. Bahan bakar nuklir tersedia dalam jumlah yang memadai.

II. Neutron harus berenergi relatif rendah.

III. Neutron harus berenergi relatif tinggi.

IV. Memantul-mantulkan neutron pada atom-atom Karbon.

V. Populasi neutron yang banyak.

VI. Melibatkan unsur tertentu contohnya Boron pada suatu reaksi nuklir.

VII. Tidak perlu melibatkan unsur baik boron dan karbon pada suatu reaksi nuklir

VIII. Jawaban : Pernyataan berwarna BIRU

Soal No. 7

Budi ingin merekayasa suatu reaksi fisi berantai yang terkendali dan bertahan lama. Pernyataan diatas yang dapat menjadikan reaksi bisa dilakukan dalam waktu yang lama dan terkendali adalah….

A. I, II, III

B. III, IV, V

C. II, IV, VI

D.IV, V, VI

Jawab : C

Senyawa yang dapat digunakan sebgaai moderator dan pendingin pada suatu reaktor nuklir adalah sebagai berikut, Kecuali…..

A. Deuterium

B. Dihidrogen monoksida

C. Karbon Dioksida

D. Boron Karbida

Jawab: D

Soal No. 8

Tipe Reaktor yang dipergunakan pada reaktror di Chernobyl adalah tipe….

A. Pressurized Heavy Water Reactor.

B. Light Water Graphite Reaktor

C. Gas Cooled Reaktor

D. Pebble Bed Reaktor

Jawab: B

Soal No. 9

Alasan yang menjadikan reaktor tokamak belum berkembang ke arah sisi komersial adalah …….

A. Menghasilkan lebih banyak energi.

B. Panas yang dihasilkan belum bisa dikendalikan .

C. Tidak adanya sumber bahan bakar.

D. Menghabiskan lebih banyak energi

Jawab : D

Soal No. 10

Akhirnya…….Alhamdulillah…Sekian…Terima Kasih

Wassalam