Slide 1

FI-3141 : Aplikasi Nuklir di IndustriKuliah-01Review Fisika Nuklir

PHYSI SPhysics Study ProgramFaculty of Mathematics and Natural SciencesInstitut Teknologi BandungPhysics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SCakupan MateriPrologReview tentang Fisika NuklirReview tentang Aplikasi NuklirAplikasi Nuklir untuk PLTNPhysics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SPrologFisika Reaktor Nuklir (atau disebut Fisika Reaktor) yang cukup populer dengan istilah Neutronics adalah bidang kajian tentang reaksi antara neutron dan bahan bakar nuklir dalam suatu sistem energi nuklir. Sistem energi nuklir yang dimaksud adalah reaktor nuklir, tetapi seiring dengan perkembangan zaman, sistem energi nuklir bisa juga mencakup accelerator driven system (ADS) atau kombinasi antara keduanya (hybrid system).Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SPrologFokus dari kuliah Fisika reaktor adalah mencari metode terbaik untuk menjaga kestabilan reaksi fisi nuklir. Karena reaktor nuklir bekerja berdasarkan reaksi antara neutron dan inti atom, maka agar reaktor dapat dimanfaatkan secara aman, pengetahuan tentang struktur atom dan inti atom sangat diperlukan. Dalam pendahuluan kuliah ini, akan dibahas pengetahuan dasar tentang atom dan inti atom dan berdasarkan pengetahuan tersebut, kekritisan dan struktur dari suatu reaktor nuklir dipelajari.Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SStruktur Atom dan Inti AtomAtom terdiri dari inti atom yang dikelilingi oleh elektron. Ukuran atom kira-kira 10-8 cm, dan ukuran inti atom kurang lebih 10-12 cm Biasanya nomor atom Z (jumlah proton) dan nomor massa A (proton + neutron) dari suatu atom X dituliskan sebagai berikut:

Inti atom biasa disebut sebagai nuklida (atau singkatnya disebut inti).

atau

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SStruktur Atom dan Inti Atom...Sebagai contoh unsur yang paling dominan dalam kajian Fisika Reaktor adalah uranium, yang secara alamiah terdiri dari tiga (3) nomor massa, yaitu 234, 235, dan 238.

Tabel. Massa dan kelimpahan (abundance) dari Uranium alamNuklidaNomor Massa (A)Nomor Atom (Z)Jumlah Neutron (N)Abundance (%)Massa (u)234921420.0055234.0410235921430.720235.04392389214699.274238.0508

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SStruktur Atom dan Inti Atom...Massa atom ditentukan dari 1/12 massa atom karbon 12, C-12 , yang dikenal sebagai satuan massa atom (atomic mass unit, amu, atau disingkat u). Karena massa 1 proton adalah 1,007276 u, 1 neutron adalah 1,008665 u, dan 1 elektron adalah 0,000549 u, maka massa atom dapat dipandang sebagai proton dan neutron yang terdapat dalam inti atom.Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SStruktur Atom dan Inti Atom...Massa 1 mol dari suatu bahan dirumuskan sebagai gabungan massa atom (atau massa molekul) yang terkandung dalam bahan (dinyatakan dalam gram), dimana didalamnya terkandung atom (atau molekul) dalam jumlah sebanyak 6.022 x 1023 . Angka ini dikenal sebagai bilangan Avogadro, NA. Dengan demikian: massa 1 u = 12 x (6.022 x 1023) x (1/12) = 1.661 x 10-24 g massa proton = 1.673 x 10-24 g, massa neutron = 1.675 x 10-24 g, massa elektron = 9.11 x 10-28 g. Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SStruktur Atom dan Inti Atom...Berdasarkan Mekanika Kuantum partikel mempunyai sifat dualisme partikel-gelombang. Jika p adalah momentum partikel dan h adalah tetapan Planck, maka panjang gelombang dari partikel neutron, ,

Jika energi kinetik neutron yang dinyatakan dalam satuan eV (elektron Volt), maka panjang gelombang neutron adalah:

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SEnergi Ikat (Binding Energy)Massa inti atom diukur dengan spektrometer/spektograf massa, tetapi hasilnya menunjukkan bahwa massa inti atom sedikit berbeda dengan jumlah massa dari seluruh nukleon (proton dan neutron) penyusunnya. Jika perbedaan ini dituliskan sebagai M, maka

atau

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SEnergi IkatBerdasarkan kesetaraan massa dan energi dari Teori Relativitas, kita dapat memandang bahwa perbedaan massa ini adalah perbedaan energi yang digunakan untuk mengikat proton dan neutron dalam inti atom. Dengan cara yang sama kita juga dapat mengatakan bahwa untuk menguraikan/memisahkan proton dan neutron dari inti diperlukan energi yang sama. Energi ini dikenal sebagai energi ikat inti (binding energy).

Energi ikat per nukleon adalah:

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SEnergi Ikat

Grafik energi ikat per nukleon (MeV)Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SKestabilan IntiJari-jari inti kurang-lebih dapat ditentukan dari rumus berikut.

Di dalam inti dengan jarak antara nukleon yang hanya dalam orde 10-12 cm, gaya utama yang bekerja adalah gaya tarik nuklir kuat (strong (nuclear) force), tetapi bekerja juga gaya tolak Coulomb antar proton. Gaya tarik dalam inti bergantung pada jumlah nukleon, tetapi gaya tolak Coulomb bergantung pada Z2.

Selain itu, dalam inti proton dan neutron mempunyai cara tertentu agar inti menjadi stabil.

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SKestabilan Inti...Untuk inti dengan nomor massa kecil pada dasarnya stabil jika nilai N/Z mendekati 1.Tetapi, karena makin besar nomor massa gaya tolak Coulomb menjadi kuat, maka untuk memperkecil efek ini diperlukan gaya nuklir yang lebih besar, sehingga jumlah neutron secara relatif harus bertambah. Akibatnya, semakin besar nomor massa nilai N/Z untuk inti stabil makin membesarUntuk Z 84 tidak ada inti yang stabil.Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SKestabilan Inti...Gambar ini menunjukkan grafik antara jumlah Z dan jumlah neutron N untuk 270 nuklida alamiah yang stabil. Semakin besar nomor massa, nilai N/Z semakin besar, sekitar Z = 82 (Timbal) nilai N/Z menjadi sekitar 1.5. Akan tetapi karena nukleon dalam inti menempati sel-sel tertentu, inti yang mempunyai jumlah Z dan N adalah 2, 8, 20, 28, 50, 82 dan N =126, secara khusus merupakan inti yang sangat stabil, dan banyak isotop merupakan inti seperti ini. Sebagai contoh inti dengan jumlah proton 50 (Timah) mempunyai 10 isotop yang stabil. Dalam kuliah Fisika Inti, bilangan ini disebut sebagai bilangan ajaib (magic number) dan inti yang mempunyai jumlah proton atau neutron yang sama dengan bilangan ajaib disebut sebagai inti ajaib (magic nuclide).

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SRadioaktivitasInti-inti yang tidak memiliki kombinasi N dan Z yang stabil merupakan inti yang tidak stabil, dan akan meluruh dengan memancarkan radiasi tertentu untuk berubah menjadi inti yang lain, yang peluangnya bergantung pada inti yang bersangkutan.

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SRadioaktivitasAda kemungkinan setelah meluruh nuklida yang dihasilkan masih tidak stabil juga. Dalam kasus ini, nuklida akan terus meluruh dengan memancarkan radiasi sampai mencapai inti yang stabil. Untuk Reaktor Nuklir, secara khusus inti-inti yang dihasilkan dari reaksi fisi (disebut produk fisi, fission products) uranium dan sejenisnya memiliki jumlah neutron yang sedikit lebih banyak dibandingkan dengan nilai N/Z untuk inti stabil, inti-inti seperti ini akan meluruh dengan memancarkan partikel - beberapa kali sampai mencapai inti yang stabil. Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI STransmutasi

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SMaterial RadioaktifBahan radioaktif alamiah atau dibuat dalam reaktor nuklir atau akseleratorBahan radioaktif tidak stabil dan memancarkan energi (dalam bentuk partikel atau sinar gamma)untuk menjadi inti yang stabilPerubahan ini terkait dengan umur paroh (Half-life) waktu yg diperlukan bahan radioaktif untuk meluruh menjadi separohnya.

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI S19Peluruhan bahan radioaktif

Decay of 226RaPhysics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SJenis Peluruhan Inti (Radioaktivitas/Radiasi nuklir)Radiasi alfa (sinar alfa)atom Helium tanpa electrons He 2+ dengan 2 neutron dan 2 protonRadiasi Beta (sinar beta) electrons atau positrons dengan energi tinggi berasal dari peluruhan nukleon (proton atau neutron) Radiasi gamma (sinar gamma) ( photon / electromagnetic dengan energi sangat tinggi yang berasal dari peluruhan inti atom radioaktifFission (reaksi fisi)produk fisiPhysics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SPartikel Alfa ( )Dua neutron dan dua proton Muatan = +2eDipancarkan oleh inti atom radioaktifTransfer energi sangat pendek (10 cm in udara)Dapat dihalangi oleh kertas atau kulit manusiaSumber bahaya radiasi utama untuk internal exposurePemancar alfa dapat terakumulasi dalam organ tumbuh (bone, kidney, liver, lung, spleen) dan menyebabkan kerusakan lokal

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI S22Partikel Beta ()Partikel bermuatan seperti elektronMuatan = -1eTerlempar dari inti atom radioaktifDipancarkan dengan beberapa nilai energi kinetikDapat ditahan oleh kayu, dapat menembus tubuh manusia 0.2 - 1.3 cm tergantung besar energi kinetiknyaDapat menyebabkan kulit terbakar atau internal hazard of ingestedPhysics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI S23Gamma-raysElectromagnetic photons or radiation (identical to x-rays except for source)Emitted from nucleus of radioactive atoms spontaneous emissionEmitted with kinetic energy related to radioactive sourceHighly penetrating extensive shielding requiredSerious external radiation hazardPhysics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI S24Sinar-XOverlap with gamma-raysElectromagnetic photons or radiation Produced from orbiting electrons or free electrons usually machine producedProduced when electrons strike a target material inside and x-ray tubeEmitted with various energies & wavelengthsHighly penetrating extensive shielding requiredExternal radiation hazardDiscovered in 1895 by RoentgenPhysics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI S25Sifat-Sifat radiasi nuklir

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI SEfek radiasi bagi kesehatanKita hidup ditengah-tengah radiasi alamiah pada level tertentu yang berasal dari radiasi kosmi dan material radioaktif dari bumi.Tubuh kita mempunyai mekanisme untuk memperbaiki kerusakan yang timbul dalam batas tertentu.Ada batasan dosis radiasi yang dapat diterima yang bergantung pada sumber radiasiPhysics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI S27Satuan RadiasiExposure X (coul/kg)(Related to energy)Absorbed Dose Gray (Gy) (amount of energy absorbed)Equivalent Dose Sievert (Sv) (makes different sources of radiation equivalent)Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI S28ReferencesJ. Kenneth Shultis and Richard E. Faw, Fundamentals of Nuclear Science and Engineering, 2nd Edition, CRC Press (Taylor & Francis Group), 2008S.R. Cherry, J. A. Sorensen, M. E. Phelps,Physics in Nuclear Medicine, 3rd Edition, Saunders, 2003

Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI STerima KasihPhysics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi BandungPHYSI S