BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar 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
1
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.
2
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 ?
1.3 Tujuan 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.
3
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.
4
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 10−12
cm. Dengan demikian kita dapat mengharapkan bahwa
penampang nuklir untuk sebuah reaksi berada dalam orde
atau sekitar 10−24 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.
5
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
6
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 v’1 dan v’2. Dari hukum
kekekalan momentum linear diperoleh :
m1 m2 = m1 v’2 - m1 v’1
m1 (v1 + v’1) = m2 v’2
m1 v12 = m1 v’12 + m2 v’22
m1 (v12
+ v’12) = m2 v’22
m1 (v1 + v’1) (v1 - v’1) = m2 v’22
2.3 Reaksi Nuklir
7
a + XY + batau disingkat: X (a,b) Y
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:
X adalah inti awal, Y inti akhir, sedang a dan b masing-
masing adalah partikel datang dan yang dipancarkan.
Apabila suatu partikel a 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
8
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
å 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
å I = tetap
5. Hukum kekekalan paritas
å Õ = tetap
6. Hukum kekekalan momentum linier
å P = tetap
Partikel yang digunakan untuk menembaki inti-inti
radioaktif agar terjadi reaksi nuklir adalah partikel a,
partikel b, sinar g, 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
9
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, a, 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
11
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)
12
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
13
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 × 10-11 J per satu
inti 235U. Untuk 1 kg 235U, energi yang dihasilkan setara
dengan 20.000 megawatt.jam, sama dengan jumlah energi
yang dihasilkan oleh pembakaran 3 × 106 ton batubara.
Fisi nuklir n merupakan proses yang digunakan di dalam
reaktor nuklir dan bom atom.
14
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.
15
Gambar 2. Reaksi fusi deuterium dan tritium, menghasilkanhelium -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.
16
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.
17
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)
18
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
19
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 reaktornuklir magnox. [3]
Batangan bahan bakar ini digunakan untuk reaktor
nuklir magnox. Batangan
ini terbuat dari uranium alami, dibungkus magnox
(aloi campuran magnesium).
20
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.
21
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
22
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.
23
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=AFQjCNEd0
SFzKp1LZX6m4ObO8CcEvvHAJw
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/
24
Top Related