reaksi fisi dan reaksi fusi dapat di manfaatkan karena dapat menghasilkan energi yang sangat besar, diantaranya senjata nuklir dan sumber energi listrik
Contoh Reaksi Fisi dan Fusi Kimia, Berantai, Reaktor, Nuklir, Aplikasi, Manfaat, Kegunaan - Reaksi inti, seperti halnya reaksi elektronik, melibatkan perubahan energi. Akan tetapi, perubahan energi dalam reaksi inti bersifat serta merta dan berantai sehingga perlu pengetahuan dan teknologi tinggi untuk mengembangkan reaktornya. Ada tiga jenis reaktor nuklir, yaitu reaktor untuk reaksi fusi, reaktor fisi, dan reaktor pembiak.
1.
Reaksi FisiReaksi fisi adalah reaksi pembelahan nuklida radioaktif menjadi nuklidanuklida dengan nomor atom mendekati stabil. Pembelahan nuklida ini disertai pelepasan sejumlah energi dan sejumlah neutron. Reaksi fisi inti uranium–235 dioperasikan dalam reaktor tenaga nuklir untuk pembangkit tenaga listrik. Jika inti 235U dibombardir dengan neutron, akan dihasilkan inti-inti atom yang lebih ringan, disertai pelepasan energi, juga pelepasan neutron sebanyak 2 hingga 3 buah. Jika neutron dari setiap reaksi fisi bereaksi lagi dengan inti 235U yang lain, inti-inti ini akan terurai dan melepaskan lebih banyak neutron. Oleh karena itu, terjadi reaksi yang disebut reaksi berantai (chain reaction).
Gambar 1. Reaksi fisi 235U dengan neutron membentuk kripton dan barium disertai pelepasan energi sebesar 3,5 × 10-11 J dan sejumlah neutron yang siap bereaksi fisi dengan inti yang lain.
Reaksi berantai adalah sederetan reaksi fisi yang berlangsung spontan dan serta merta, disebabkan oleh neutron yang dilepaskan dari reaksi fisi sebelumnya bereaksi lagi dengan inti-inti yang lain. Oleh karena satu reaksi fisi dapat menghasilkan 3 neutron, jumlah inti yang melakukan fisi berlipat secara cepat, seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Reaksi berantai dari fisi inti merupakan dasar dari reaktor nuklir dan senjata nuklir.
Gambar 2. Reaksi berantai pada reaksi fisi.
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 3). Massa kritis adalah massa terkecil dari suatu sampel yang dapat melakukan reaksi berantai.
Gambar 3. Konstruksi bom atom.
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.
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 4.
Gambar 4. Skema bagian inti dari reaktor nuklir.
Pipa bahan bakar berbentuk silinder mengandung bahan yang berpotensi fisi. Dalam reaktor air ringan (1H2O), pipa bahan bakar berisi uranium yang berpotensi melangsungkan reaksi fisi. Uranium yang digunakan sebagai bahan bakar dalam reaktor nuklir mengandung isotop 235U sekitar 3%. Batang pengendali neutron dibuat dari bahan yang dapat menyerap neutron, seperti boron dan kadmium sehingga dapat mengendalikan reaksi berantai.
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 (2H2O), air ringan (1H2O), 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, 1H2O berperan sebagai moderator, sekaligus sebagai pendingin. Gambar berikut menunjukkan rancang bangun reaktor air bertekanan atau reaktor air ringan.
Gambar 5. 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 mendorong generator listrik.
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.
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.
Energi yang terdapat di matahari sebagai akibat dari reaksi fusi.
Energi tota l : + 26,7 MeV
Reaksi individu :
Bom hidrogen yang pernah dikembangkan juga menerapkan reaksi fusi inti untuk tenaga penghancurnya.
2.
Reaksi FusiReaksi fusi adalah reaksi nuklida-nuklida ringan digabungkan menjadi nuklida dengan nomor atom lebih besar. Misalnya, inti deuterium (2H) dipercepat menuju target yang mengandung deuteron (2H) atau tritium (3H) membentuk nuklida helium. Persamaannya:
Untuk mendapatkan reaksi fusi inti, partikel pembom (proyektil) harus memiliki energi kinetik yang memadai untuk melawan tolakan muatan listrik dari inti sasaran (lihat Gambar 6).
Gambar 6. Grafik energi antaraksi dua inti terhadap tolakan elektrostatis.
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 108 °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.
Reaktor uji fusi inti Tokamak menggunakan medan magnet berbentuk donat untuk mempertahankan suhu plasma dari setiap bahan, seperti ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 7. Reaksi fusi inti tokamak.
Referensi :
Sunarya, Y. dan A. Setiabudi. 2009. Mudah dan Aktif Belajar Kimia 3 : Untuk Kelas XII Sekolah Menengah Atas / Madrasah Aliyah. Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta, p. 298.
