BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Formula E = mc2 yang diungkapkan oleh Albert Einstein merupakan formula ilmiah yang paling dikenal di era modern. Formula ini memaparkan hubungan antatr energi, massa, dan kecepatan cahaya. Pembangkit listrik tenaga nuklir atau secara singkat disebut reaktor nuklir merupakan salah satu konsep yang memanfaatkan formula ini. Reaktor nuklir bahkan dapat dikatakan sebagai pemanfaatan atau buah ekonomi dari formula ilmiah Eisntein di atas. Hal itu karena pasokan energi, yang bisa diberikan oleh reaktor nuklir dalam jumlah besar, merupakan salah satu penunjang penting ekonomi.

Reaksi fisi nuklir merupakan proses fisika mendasar yang digunakan untuk membangun reaksi nuklir, baik yang ditujukan untuk menghasilkan listrik atau sebagai mesin pendorong kapal selam, atau bentuk energi lainnya. Secara sederhana yang terjadi dalam reaksi fisi nuklir adalah perubahan massa menjadi energi. Oleh karena itu langkah pertama yang tepat untuk mempelajari aspek fisika dari reaktor nuklir adalah dengan mempelajari reaksi nuklir itu sendiri.

Untuk dapat memahami seberapa besar energi yang bisa dihasilkan dari reaksi fisi nuklir, atau secara praktis mengenai seberapa banyak bahan bakar yang perlu kita siapkan untuk menghasilkan sejumlah energi tertentu, kita perlu melihat perbandingannya dengan sumber energi lain. Khususnya sumber energi yang umum digunakan yaitu energi dari bahan fosil seperti minyak, batubara, dan gas alam. Kedua sumber energi diatas dihasilkan dari proses mendasar yang sangat berbeda. Energi nuklir berasal dari proses reaksi fisi nuklir sedangkan energi fosil berasal dari proses reaksi kimia.

1.2 Rumusan Masalah

1. Apa yang dimaksud dengan penampang ?

2. Apa yang dimaksud dengan termalisasi neutron ?

3. Bagaimana proses terjadinya reaksi nuklir ?

4. Bagaimana cara sistem koordinat massa ?

5. Bagaimana proses terjadinya reaksi fisi nuklir ?

6. Bagaimana proses terjadinya reaksi fusi nuklir ?

7. Bagaimana peranan reaktor nuklir ?

1.3Tujuan Masalah

1. Untuk mengetahui penampang pada reaksi nuklir.

2. Untuk mengetahui termalisasi neutron.

3. Untuk mengetahui proses rekasi nuklir.

4. Untuk mengetahui sistem koordinat massa reaksi nuklir.

5. Untuk mengetahui proses reaksi fisi nuklir.

6. Untuk mengetahui proses reaksi fusi nuklir.

7. Untuk mengetahui peran reaktor nuklir.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Penampang

Penampang nuklir dari sebuah inti adalah probabilitas bahwa sebuah reaksi nuklir yang melibatkan inti tersebut dapat terjadi. Penampang ini semacam luas efektif yang dihadangkan inti sasaran pada proyektil. Penampang berperan untuk menyatakan peluang partikel penembak akan berinteraksi dengan suatu cara tertentu dengan partikel target. Dibayangkan bahwa setiap partikel target memiliki luas tertentu terhadap partikel datang, semakin besar luas penampang semakin besar peluang berinteraksi. Reaksi nuklir seperti reaksi kimiawi, menyediakan keduanya, informasi dan cara untuk menggunakan informasi ini secara praktis. Sebagian besar dari yang diketahui tentang inti atomik telah datang dari eksperimen penembakan target inti diam oleh partikel penembak yang energetik. Suatu cara yang enak menyatakan peluang partikel penembak akan berinteraksi dengan suatu cara tertentu dengan partikel target ialah memakai ide penampang yang diperkenalkan dalam struktur atomik.

Tinjau sebuah partikel yang ditembakkan ke sebidang lembaran tipis bahan tertentu dengan luas A yang mengandung n inti atom. Secara statistik atom-atom dalam lembaran terdistribusi secara merata di seluruh bidang. Misalnya luas penampang efektif masing-masing inti adalah , dimana r dapat dianggap sebagai jari-jari atom, maka probabilitas terjadinya reaksi adalah sebesar .

Radius nuklir tipikal berada dalam orde sekitar 1012 cm. Dengan demikian kita dapat mengharapkan bahwa penampang nuklir untuk sebuah reaksi berada dalam orde atau sekitar 1024 cm2. Orde ini digunakan oleh para fisikawan inti sebagai satuan pengukuran penampang nuklir, dan dikenal sebagai satu barn (b). Jadi 1 barn = 10-24 cm2 = 10-28 m2.

2.2 Termalisasi Neutron

Karena neutron tak berubah dan momen magnetiknya sangat kecil, neutron tidak berinteraksi dengan elektron atomik yang terdapat pada lintasannya tetapi berinteraksi dengan intinya saja. Sebuah neutron dapar bertumbukkan elastis dan tak elastis dengan inti.

Neutron kehilangan sebagian besar energinya dalam tumbukan elastis ketika tumbukannya bertatapan daripada berserempetan. Jika sebuah neutron bertumbukan tatap dengan sebuah proton, dan semua energinya hilang. Jika targetnya sebuah deutron dan neutron memberikan 89% energi awalnya. Jika bertumbukan dengan inti 12C kehilangan 28% energinya. Jika bertumbukan dengan inti 238U neutron hanya kehilangan 1,7% energinya. Maka dapat disimpulkan bahwa neutron kehilangan energi paling cepat ketika dihambur dengan inti ringan. Neutron akhirnya mencapai kesetimbangan termal dengan materi yang mengelilinginya; neutron termal ityu memiliki energi berberpeluang terbesar KT yang besarnya ialah 0,025 eV pada temperatur kamar. Anggaplah semua sudut-hambur berpeluang sama, maka jumlah tumbukan rata-rata yang diperlukan untuk melakukan termalisasi neutron 2 MeV ialah 18 dalam hidrogen, 25 dalam deuterium, 114 dalam karbon, dan 2150 dalam uranium.

Termalisasi neutron dikembangkan dalam suatu soal dalam pasal sebelumnya. Karena neutron termal neutron termal yang berada dalam kesetimbangan dengan lingkungannya yang penting dalam operasi reaktor nuklir. Karena neutron tidak bermuatan dan momen magentiknya sangat kecil, maka dalam perjalanannya neutron tidak berinteraksi dengan elektron atomik, tetapi berinteraksi dengan intinya. Neutron dapat bertumbukan dengan inti secara elastis (energi kinetiiknya kekal) atau secara tak elastis. Jika tumbukannya tak elastis, inti ditinggalkan dalam keeadaan tereksitasi, kemudian energi eksitasi dikeluarkan dalam peluruhan gama. Tumbukan tak elastis yang tidak melibatkan penampakan partikel hanya penting pada neutron relatif cepat (E > MeV) yang jatuh pada inti dengan Z sedang atau besar. Dalam inti ringan, dan untuk neutron yang kurang energitik, dalam semua zat, hamburan elastis menjadi ragam utama dari kehilangan-energi.

Neutron kehilangan paling banyak energi dalam tumbukan elastis dengan inti bilangan bertumbukan berhadapan diabndingkan dengan tumbukan serempet. Partikel m0 yang bertumbukan berhadapan dengan partikel lain yang dalam keadaan diam dengan massa m2. Setelah tumbukan kelajuan partikel ialah v1 dan v2. Dari hukum kekekalan momentum linear diperoleh :

m1 m2 = m1 v2 - m1 v1

m1 (v1 + v1) = m2 v2

m1 v12 = m1 v12 + m2 v22

m1 (v12 + v12) = m2 v22

m1 (v1 + v1) (v1 - v1) = m2 v22

2.3 Reaksi Nuklir

Dalam fisika nuklir, sebuah reaksi nuklir adalah sebuah proses dimana partikel nuklir bertubrukan, uuntuk memproduksi hassil yang berbeda dari produk awal. Pada prinsipnya sebuah reaksi dapat melibatkan lebih dari dua partikel yang bertubrukan, tetapi kejadian tersebut sangat jarang. Bila partikel-partikel tersebut bertabrakan dan berpisah tanpa berubah (kecuali mungkin dalam level energi), proses ini disebut tabrakan dan bukan sebuah reaksi.

Reakis nuklir pada umumnya terjadi dalam dua tahap. Pertama terbentuk inti gabungan dari kedua partikel yang bereaksi, namun inti gabungan ini tidak stabil karena memiliki energi berlebih, sehingga akan mengeluarkan energi berlebihnya. Energi berlebih tersebut dikeluarkan dengan cara meluruh kembali menjadi dua atau beberapa partikel yang dapat dinyatakan oleh persamaan reaksi:

(a + XY + batau disingkat: X (a,b) Y)

X adalah inti awal, Y inti akhir, sedang a dan b masing-masing adalah partikel datang dan yang dipancarkan.

Apabila suatu partikel ditembakkan pada inti X, maka ada beberapa kemungkinan yang terjadi, yakni hamburan elastik, hamburan inelastik dan reaksi nuklir. Para ahli banyak menggunakan reaksi nuklir ini untuk tujuan analisis kualitatif dan kuantitatif dalam suatu penelitian, misalnya AAN (Aktivasi Neutron).

Dalam reaksi inti berlaku beberapa hukum kekekalan, antara lain :

1. Hukum kekekalan muatan

Z = tetap

2. Hukum kekekalan massa dan energi

MAC2 + mAC2 + Ka = MBC2 + MbC2 + Kb + Kb

MAC2 + mAC2 = MBC2 + MbC2 + Q

Dimana Q = energi reaksi

= KB + Kb Ka (Energi kinetik)

Bila Q > 0 reaksi ekso energi

Q < 0 reaksi endo energi

3. Hukum kekekalan nomor massa

A = tetap

4. Hukum kekekalan momentum sudut inti

I = tetap

5. Hukum kekekalan paritas

= tetap

6. Hukum kekekalan momentum linier

P = tetap

Partikel yang digunakan untuk menembaki inti-inti radioaktif agar terjadi reaksi nuklir adalah partikel , partikel , sinar , netron, proton dan deuteron. Pada peristiwa reaksi nuklir, inti yang ditembaki akan berubah menjadi inti yang lain disertai pelepasan partikel lain dan energi. Besarnya energi yang terbentuk pada peristiwa reaksi sama dengan selisih massa mula-mula dengan massa akhir.

Reaksi nuklir dapat digolongkan dengan beberapa cara, tergantung pada keadaan yaitu sebagai berikut :

1) Klasifikasi reaksi nuklir menurut partikel penembak

Menurut klasifikasi ini dapat digolongkan dalam beberapa golongan, yakni:

a. Reaksi partikel bermuatan

Termasuk reaksi ini adalah reaksi p, d, , C12, O16

b. Reaksi netron

Partikel yang ditembakkan adalah netron

c. Reaksi foto nuklir

Partikel yang ditembakkan adalah foton (sinar gamma)

d. Reaksi elektron

Partikel yang ditembakkan adalah elektron

2) Klasifikasi reaksi nuklir menurut energi partikel penembak

a. Untuk reaksi netron, energi netron penembak dapat digolongkan dalam empat golongan, yaitu :

Netron termik dengan energi datang 1/40 eV

Netron epitermik dengan energi datang 1 eV

Netron datang dengan energi datang 1 keV

Netron cepat dengan energi datang 0,1 10 MeV

b. Untuk reaksi partikel bermuatan, partikel penembak digolongkan sebagai berikut :

Partikel berenergi rendah : 0,1 10 MeV

Partikel berenergi tinggi : 10 100 MeV

Dikenal dua reaksi nuklir, yaitu reaksi fusi nuklir dan reaksi fisi nuklir. Adapun manfaat reaksi nuklir diantaranya :

Membuat suatu nuklida dari nuklida yang lain (transmutasi)

Mengubah nuklida yang tak radio aktif menjadi bersifat radioaktif. (Produksi radioaktif)

Membuat undur Transuranium (Unsur yang nomor atom diatas 92)

Menentukan massa atom

Menghasilkan energi yang besar (sumber energi)

2.4 Sistem Koordinat Pusat Massa

Interaksi antar materi seringkali merupakan interaksi banyak titik materi. Pada sistem banyak titik, selain terdapat gaya eksternal (Fe) juga terdapat gaya internal (Fij) antar titik-titik dalam benda. Untuk itu diperkenalkan pusat massa, dimana gaya aksi yang diberikan ke setiap titik materi dipandang sama dengan gaya aksi yang diberikan pada pusat massa suatu sistem materi tunggal. Contoh sederhananya saat kita melempar bola ke atas, sebenarnya semua titik pada materi mendapatkan gaya aksi yang besarnya kita sebut Fi. Namun akan lebih sederhana jika kita menganggap bola itu sebagai satu titik materi saja, yakni pada pusat massanya. Pusat massa suatu benda ialah titik dimana gaya internal pada sistem massa sama dengan nol.

Untuk pengamat yang berada di pusat massa, partikel-partikel itu mempunyai momentum yang sama besar tetapi berlawanan arah. Jadi jika partikel yang bermassa mA dan berkelajuan V datang pada sebuah partikel diam bermassa mB jika dilihat dari pngamat dalam laboratorium, maka kelajuan V dari pusat massa didefinisikan melalui persyaratan :

mA(v - V) = mBV

V = v

2.5 Reaksi Fisi

Reaksi fisi (pembelahan inti) adalah reaksi nuklir yang melibatkan pembelahan sebuah inti berat (seperti uranium) menjadi dua bagian (hasil fisi), yang kemudian memancarkan dua atau tiga neutron, sambil melepaskan sejumlah energi yang setara dengan selisih antara massa diam neutron dan hasil fisi dengan jumlah massa diam inti awal. Fisi dapat terjadi spontan atau sebagai akibat irradiasi neutron. Misalnya, fisi inti uranium-235 oleh sebuah neutron lambat akan berlangsung sebagai berikut:

235U + n 148La + 85Br + 3n

Energi yang dilepaskan kira-kira 3 10-11J per satu inti235U. Untuk 1 kg235U, energi yang dihasilkan setara dengan 20.000 megawatt.jam, sama dengan jumlah energi yang dihasilkan oleh pembakaran 3 106ton batubara.

Fisi nuklir n merupakan proses yang digunakan di dalam reaktor nuklir dan bom atom.

Gambar 1.Reaksi fisi berantau uranium. [1]

Pada suatu reaktor nuklir, reaksi fisi dapat dimanfaatkan sebagai pusat pembangkit tenaga listrik, karena reaksinya bisa dikendalikan. Sebaliknya, reaksi fisi yang tidak terkendali akan menghasilkan ledakan energi, seperti pada bom atom.

2.6 Reaksi Fusi

Reaksi fusi (penggabungan inti) adalah reaksi nuklir yang melibatkan penggabungan inti-inti atom dengan nomor atom kecil untuk membentuk inti yang lebih berat dengan melepaskan sejumlah besar energi. Dalam reaksi fisi, sebuah neutron dipergunakan untuk membelah sebuah inti yang besar, tetapi dalam reaksi fusi nuklir, dua inti yang bereaksi harus saling bertumbukan. Karena kedua inti bermuatan positif, maka timbul gaya tolak yang kuat antarinti, yang hanya dapat dilawan bila inti yang bereaksi memiliki energi kinetik yang sangat besar.

Gambar 2.Reaksi fusi deuterium dan tritium, menghasilkan helium -4 dan neutron serta melepaskan energi sebesar 17,59 MeV. [2]

Pada temperatur tinggi, reaksi fusi berlangsung sendiri, reaktan pada temperatur ini berada dalam bentuk plasma (dengan kata lain inti dan atom bebas) dan inti memiliki energi yang cukup untuk melawan gaya tolak elektrostatik. Bom fusi dan bintang-bintang menghasilkan energi dengan cara seperti ini.

Gambar 3.Tokamak reaktor fusi percobaan.

Diharapkan metode ini akan digunakan dalam reaktor termonuklir, sebagai sumber energi untuk kepentingan manusia. Berikut ini adalah contoh reaksi fusi yang terjadi pada bintang, matahari, serta pada atom hidrogen.

2.7 Raktor Nuklir

Reaktor nuklir merupakan sebuah peralatan sebagai tempat berlangsungnya reaksi berantai fisi nuklir terkendali untuk menghasilkan energi nuklir, radioisotop, atau nuklida baru.

Gambar 4.Skema dasar reaktor.

Keterangan :

1. Bahan bakar

2. Teras reaktor

3. Moderator

4. Batang kendali

5. Pompa pemindah

6. Generator uap

7. Shielding (perisai)

Berikut ini beberapa komponen dasar reaktor.

a. Bahan bakar reaktor nuklir merupakan bahan yang akan menyebabkan suatu reaksi fisi berantai berlangsung sendiri, sebagai sumber energi nuklir. Isotop fisi adalah uranium-235, uranium-233, plutonium-239. Uranium-235 terdapat di alam (dengan perbandingan 1 : 40 pada uranium alam), dan yang lainnya harus dihasilkan secara buatan.

b. Teras reaktor, di dalamnya terdapat elemen bahan bakar yang membungkus bahan bakar.

c. Moderator adalah komponen reaktor yang berfungsi untuk menurunkan energi neutron cepat (+ 2 MeV) menjadi komponen reaktor normal (+ 0,02 - 0,04 eV) agar dapat bereaksi dengan bahan bakar nuklir. Selain itu, moderator juga berfungsi sebagai pendingin primer. Persyaratan yang diperlukan untuk bahan moderator yang baik adalah dapat menghilangkan sebagian besar energi neutron cepat tersebut dalam setiap tumbukan dan memiliki kemampuan yang kecil untuk menyerap neutron, serta memiliki kemampuan yang besar untuk menghamburkan neutron.

Bahan-bahan yang digunakan sebagai moderator, antara lain:

1) air ringan (H2O), c) grafit, dan

2) air berat (D2O), d) berilium.

d. Setiap reaksi fisi menghasilkan neutron baru yang lebih banyak (2 - 3 neutron baru), maka perlu diatur jumlah neutron yang bereaksi dengan bahan bakar. Komponen reaktor yang berfungsi sebagai pengatur jumlah neutron yang bereaksi dengan bahan bakar adalah batang kendali. Dalam reaktor dikenal faktor pengali (k), yaitu perbandingan jumlah neutron yang dihasilkan setiap siklus dengan jumlah neutron pada awal siklus untuk:

k = 1, operasi reaktor dalam keadaan kritis,

k > 1, operasi reaktor dalam keadaan super kritis,

k < 1, operasi reaktor dalam keadaan subkritis.

Bahan yang dipergunakan untuk batang kendali reaktor haruslah memiliki kemampuan tinggi menyerap neutron. Bahan-bahan tersebut antara lain kadmium (Cd), boron (B), atau haefnium (Hf ).

e. Perisai (shielding), berfungsi sebagai penahan radiasi hasil fisi bahan agar tidak menyebar pada lingkungan.

f. Pemindah panas, berfungsi untuk memindahkan panas dari pendingin primer ke pendingin sekunder dengan pompa pemindah panas.

g. Pendingin sekunder, dapat juga berfungsi sebagai generator uap (pembangkit uap) yang selanjutnya dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik.

Gambar 5. Batangan bahan bakar reaktor nuklir magnox. [3]

Batangan bahan bakar ini digunakan untuk reaktor nuklir magnox. Batangan

ini terbuat dari uranium alami, dibungkus magnox (aloi campuran magnesium).

Pengawetan Makanan

Makanan, seperti buah-buahan, sayur-sayuran, dan daging dapat diiradiasi dengan sinar gamma. Radiasi memperlambat pemasakan buah-buahan, sayur-sayuran, dan membunuh bakteri-bakteri di dalam daging, sehingga memungkinkan makanan itu tetap segar untuk jangka waktu yang lebih lama.

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Setelah mempelajari materi reaksi nuklir saya akan menyimpulkan beberapa kategori pada materi yang telah dibahas pada pembahasan diatas diantaranya:

1. Penampang nuklir dari sebuah inti adalah probabilitas bahwa sebuah reaksi nuklir yang melibatkan inti tersebut dapat terjadi. Penampang berperan untuk menyatakan peluang partikel penembak akan berinteraksi dengan suatu cara tertentu dengan partikel target.

2. Neutron kehilangan energi paling cepat ketika dihambur dengan inti ringan sehingga akhirnya mencapai kesetimbangan termal dengan materi yang mengelilinginya.

3. Reaksi nuklir adalah sebuah proses dimana partikel nuklir bertubrukan, uuntuk memproduksi hasil yang berbeda dari produk awal.

4. Pusat massa suatu benda ialah titik dimana gaya internal pada sistem massa sama dengan nol.

5. Reaksi fisi adalah peristiwa pembelahan inti berat menjadi 2 inti baru (hasil fisi), yang kemudian memancarkan dua atau tiga neutron, fisi dapat terjadi spontan atau sebagai akibat irradiasi neutron. Reaksi fisi nuklir merupakan proses fisika mendasar yang digunakan untuk membangun reaktor nuklir, baik yang ditujukan untuk menghasilkan listrik atau sebagai mesin pendorong kapal selam, atau bentuk energi lainnya. Reaksi fisi nuklir adalah perubahan massa menjadi energi.

6. Reaksi fusi (penggabungan inti) adalah reaksi nuklir yang melibatkan penggabungan inti-inti atom dengan nomor atom kecil untuk membentuk inti yang lebih berat dengan melepaskan sejumlah besar energi.

7. Reaktor nuklir merupakan sebuah peralatan sebagai tempat berlangsungnya reaksi berantai fisi nuklir terkendali untuk menghasilkan energi nuklir, radioisotop, atau nuklida baru.

DAFTAR PUSTAKA

http://id.wikipedia.org/wiki/Penampang_nuklir

http://www.google.com/url?q=http://medianuklir.files.wordpress.com/2010/08/bab-1reaksinuklir.pdf&sa=U&ei=1zaQVKjBI8SJuATmv4DoCA&ved=0CBMQFjAA&sig2=Px5cxcOOqpsSSd9CdVrV0A&usg=AFQjCNEd0SFzKp1LZX6m4ObO8CcEvvHAJw

http://www.google.com/url?q=http://medianuklir.files.wordpress.com/2009/11/22473765-intro-fisika-reaktor-nuklir.pdf&sa=U&ei=xraTVJKwEoz48QWI-4LQAg&ved=0CBkQFjAB&sig2=HqSF5weYwqdbkEJNk7MhKg&usg=AFQjCNFQbBCiNP-izNDmi78pKQHYwUXQAg

http://kumpulanmakalahfisika.blogspot.com/2013/04/makalah-fisika-modern.html

http://perpustakaancyber.blogspot.com/2013/04/perbedaan-reaksi-fisi-dan-fusi-reaksi-inti-reaktor-nuklir-contoh-soal-energi-pengertian-pembelahan-penggabungan-jawaban-radioaktif-manfaat-berantai-matahari.html

http://ridwanz.com/teknologi/pengertian-nuklir-pemnfaatan-energi-nuklir/

2