Reaktor Nuklir

Reaktor Nuklir

Reaktor nuklir adalah suatu tempat atau perangkat yang digunakan untuk membuat, mengatur, dan menjaga kesinambungan reaksi nuklir berantai pada laju yang tetap. Berbeda dengan bom nuklir, yang reaksi berantainya terjadi pada orde pecahan detik dan tidak terkontrol.

Reaktor nuklir digunakan untuk banyak tujuan. Saat ini, reaktor nuklir paling banyak digunakan untuk membangkitkan listrik. Reaktor penelitian digunakan untuk pembuatan radioisotop (isotop radioaktif) dan untuk penelitian. Awalnya, reaktor nuklir pertama digunakan untuk memproduksi plutonium sebagai bahan senjata nuklir.

Saat ini, semua reaktor nuklir komersial berbasis pada reaksi fisi nuklir, dan sering dipertimbangkan masalah risiko keselamatannya. Sebaliknya, beberapa kalangan menyatakan bahwa pembangkit listrik tenaga nuklir merupakan cara yang aman dan bebas polusi untuk membangkitkan listrik. Daya fusi merupakan teknologi ekperimental yang berbasi pada reaksi fusi nuklir. Ada beberapa piranti lain untuk mengendalikan reaksi nuklir, termasuk di dalamnya pembangkit thermoelektrik radioisotop dan baterai atom, yang membangkitkan panas dan daya dengan cara memanfaatkan peluruhan radioaktif pasif, seperti halnya Farnsworth-Hirsch fusor, di mana reaksi fusi nuklir terkendali digunakan untuk menghasilkan radiasi neutron.

Bagaimana prinsip kerja reaktor nuklir ?

Seperti telah dijelaskan terdahulu, reaktor nuklir adalah tempat berlangsungnya reaksi nuklir.

Reaksi yang terjadi pada reaktor nuklir baik untuk reaktor penelitian maupun daya konvensional, masih didasarkan pada terjadinya reaksi pembelahan inti fissil (inti dapat belah) oleh tembakan partikel neutron. Inti fissil yang ada di alam adalah Uranium dan Thorium, sedangkan neutron dapat dihasilkan dari sumber neutron. Reaksi nuklir ini akan menghasilkan energi panas dalam jumlah yang cukup besar. Pada reaktor daya, energi panas yang dihasilkan dapat digunakan untuk menghasilkan uap panas, dan selanjutnya digunakan untuk mengerakkan turbin-generator yang bisa menghasilkan listrik. Sedangkan pada reaktor penelitian, panas yang dihasilkan tidak dimanfaatkan dan dapat dibuang ke lingkungan. Selain energi panas, ada dua sampai tiga partikel neutron yang dihasilkan setiap kali terjadi reaksi. Partikel ini bisa dimanfaatkan untuk proses reaksi berikutnya dengan sasaran inti fissil yang belum terbelah. Reaksi ini bisa berlangsung secara terus menerus pada kondisi neutron dan inti fissil masih memungkinkan.

KOMPONEN NUKLIR

Untuk dapat mengendalikan laju pembelahan, suatu reaktor nuklir harus didukung dengan beberapa fasilitas yang disebut sebagai Komponen Reaktor. Komponen-komponen reaktor nuklir harus memenuhi standar kualitas yang tinggi dan handal, sehingga kemungkinan kegagalan komponen tersebut sangat kecil. Komponen yang dimaksud adalah:

1. Bahan bakar nuklir/bahan dapat belah
2. Bahan moderator
3. Pendingin reaktor
4. Perangkat batang kendali
5. Perangkat detektor
6. Reflektor
7. Perangkat bejana dan perisai reaktor
8. Perangkat penukar panas

Komponen No. 1 s/d 6 berada pada suatu lokasi yang disebut sebagai teras reaktor, yaitu suatu tempat dimana reaksi berantai tersebut berlangsung.

  Bahan Bakar Nuklir

Terdapat dua jenis bahan bakar nuklir yaitu BAHAN FISIL dan BAHAN FERTIL.

Bahan Fisil ialah suatu unsur/atom yang langsung dapat memberikan reaksi pembelahan apabila dirinya menangkap neutron.

Bahan Fertil Ialah suatu unsur/atom yang setelah menangkap neutron tidak dapat langsung membelah, tetapi membentuk bahan fisil.

Pada kenyataannya sebagian besar bahan bakar nuklir yang berada di alam adalah bahan fertil, sebaai contoh isotop Thorium di alam adalah 100% Th-232, sedangkan isotop Uranium hanya 0,7% saja yang merupakan bahan fisil (U-235), selebihnya sebesar 99,35 adalah bahan fertil (U-238).

Karena alasan fisis, elemen bakar suatu reaktor dibuat dengan kadar isotop fisilnya lebih besar dari kondisi alamnya, isotop yang demikian disebut sebagai isotop yang diperkaya, sedangkan sebaliknya untuk kadar isotop fisil yang lebih kecil dari kondisi alamnya disebut sebagai isotop yang susut kadar, biasanya ditemui pada elemen bakar bekas. Selain perubahan kadar bahan fisilnya, elemen bakar biasanya dibuat dalam bentuk oksida atau paduan logam dan bahkan pada dasa warsa terakhir ini sudah banyak dikembangkan dalam bentuk silisida. Contoh komposisi elemen bakar yang banyak dipakai: UO2, U3O8-Al, UzrH, U3Si2-Al dan lain-lain.

Tujuan utama dibuatnya campuran tersebut adalah agar diperoleh elemen bakar yang nilai bakarnya tinggi, titik lelehnya tinggi, penghantaran panasnya baik, tahan korosi, tidak mudah retak serta mampu menahan produk fisi yang terlepas.

  Bahan Moderator

Dalam reaksi fisi, neutron yang dapat menyebabkan reaksi pembelahan adalah neutron thermal. Neutron tersebut memiliki energi sekitar 0,025 eV pada suhu 27oC. sementara neutron yang lahir dari reaksi pembelahan memiliki energi rata-rata 2 MeV, yang sangat jauh lebih besar dari energi thermalnya. Syarat bahan moderator adalah atom dengan nomor massa kecil. Namun demikian syarat lain yang harus dipenuhi adalah: memiliki tampang lintang serapan neutron (keboleh-jadian menyerap neutron) yang kecil, memiliki tampang lintang hamburan yang besar dan memiliki daya hantara panas yang baik, serta tidak korosif.
Contoh bahan moderator : H2O, D2O (Grafit), Berilium (Be) dan lain-lain.

  Pendingin Reaktor

Pendingin reaktor berfungsi sebagai sarana pengambilan panas hasil fisi dari dalam elemen bakar untuk dipindahkan/dibuang ke tempat lain/lingkungan melalui perangkat penukar penukar panas (H.E.). Sesuai dengan fungsinya maka bahan yang baik sebagai pendingin adalah fluida yang koefisien perpindahan panasnya sangat bagus. Persyaratan lain yang harus dipenuhi agar tidak mengganggu kelancaran proses fisi pada elemen bakar adalah pendingin juga harus memiliki tampang lintan serapan neutron yang kecil, dan tampang lintang hamburan yang besar serta tidak korosif. Contoh fluida-fluida yang biasa dipakai sebagai pendingin adalah: H2O, D2O, Na cair. Gas He dan lain-lain.

  Batang Kendali Reaktor

Batang kendali berfungsi sebagai pengendali jalannya operasi reaktor agar laju pembelahan/populasi neutron di dalam teras reaktor dapat diatur sesuai dengan kondisi operasi yang dikehendaki. Selain hal tersebut, batang kendali juga berfungsi untuk memadamkan reaktor/menghentikan reaksi pembelahan. Sesuai dengan fungsinya, bahan batang kendali adalah material yang mempunyai tampang lintang serapan neutron yang sangat besar, dan tampang lintang hamburan yang kecil. Bahan-bahan yang sering dipakai adalah: Boron, cadmium, gadolinium dan lain-lain. Bahan-bahan tersebut biasanya dicampur dengan bahan lain agar diperoleh sifat yang tahan radiasi, titik leleh yang tinggi dan tidak korosif.
Prinsip kerja pengaturan operasi adalah dengan jalan memasukkan dan mengeluarkan batang kendali ke dan dari teras reaktor. Jika batang kendali dimasukkan, maka sebagian besar neutron akan tertangkap olehnya, yang berarti populasi neutron di dalam reaktor akan berkurang dan kemudian padam. Sebaliknya jika batang kendali dikeluarkan dari teras, maka populasi neutron akan bertambah, dan akan mencapai tingkat jumlah tertentu. Pertambahan/penurunan populasi neutron berkait langsung dengan perubahan daya reaktor.

  Perangkat Detektor

Detektor adalah komponen penunjang yang mutlak diperlukan di dalam reaktor nuklir. Semua insformasi tentang kejadian fisis di dalam teras reaktor, yang meliputi popularitas neutron, laju pembelahan, suhu dan lain-lain hanya dapat dilihat melalui detektor yang dipasang dalam di dalam teras. Secara detail mengenai masalah tersebut akan dibicarakan dalam pelajaran instrumentasi reaktor.

  Reflektor

Neutron yang keluar dari pembelahan bahan fisil, berjalan dengan kecepatan tinggi ke segala arah. Karena sifatnya yag tidak bermuatan listrik maka gerakannya bebas menembus medium dan tidak berkurang bila tidak menumbuk suatu inti atom medium. Karena sifat tersebut, sebagian neutron tersebut dapat lolos keluar teras reaktor, atau hilang dari sistem. Keadaan ini secara ekonomi berati kerugian, karena netron tersebut tidak dapat digunakan untuk proses fisi berikutnya.

      Untuk mengurangi kejadian ini, maka sekeliling teras reaktor dipasang bahan pemantul neutron yang disebut reflektor, sehingga nutron-neutron yang lolos akan bertahan dan dikembalikan ke dalam teras untuk dimanfaatkan lagi pada proses fisi berikutnya.

Bahan-bahan reflektor yang baik adalah unsur-unsur yang mempunyai tampang lintang hamburan neutron yang besar, dan tampang lintang serapan yang sekecil mungkin serta tidak korosif. Bahan-bahan yang sering digunakan antara lain: Berilium, Grafit, Parafin, Air, D2O.

  Bejana dan Perisai Reaktor

Bejana/tangki raktor berfungsi untuk menampung fluida pendingin agar teras reaktor selalu terendam di dalamnya. Bejana tersebut selain harus kuat menahan beban, maka harus pula tidak korosif bila berinteraksi dengan pendingin atau benda lain di dalam teras. Bahan yang bisa digunakan adalah: alumunium, dan stainless stell.

Perisai reaktor berfungsi untuk menahan/menghambat/menyerap radiasi yang lolos dari teras reaktor agar tidak menerobos keluar sistem reaktor. Karena reaktor adalah sumber radiasi yang sangat potensial, maka diperlukan suatu sistem perisai yang mampu menahan semua jenis radiasi tersebut pada umumnya perisai yang digunakan adalah lapisan beton berat.

  Perangkat Penukar Panas

Perangkat penukar panas (Heat Exchanger) merupakan komponen penunjang yang berfungsi sebagai sarana pengalihan panas dari pendingin primer, yang menerima panas dari elemen bakar, untuk diberikan pada fluida pendingin yang lain (sekunder). Dengan sistem pengambilan panas tersebut maka integritas komponen teras akan selalu terjamin.

Pada jenis reaktor tertentu, terutama jenis PLTN, Heat Exchanger juga berfungsi sebagai fasilitas pembangkit uap.

Jenis-Jenis Reaktor Nuklir

Kalasifikasi berdasarkan type reaksi nuklir

Reaktor Nuklir Fisi

Semua PLTN komersial yang ada dinunia menggunakan reaksi nuklir fisi. Pada umumnya reaktor jenis ini menggunakan bahan bakar nuklir Uranium dan reaktor jenis ini akan menghasilkan Plutonium, meskipun dimungkinkan juga menggunakan siklus bahan bakar Thorium. Reaktor fisi dapat dibagi menjadi 2 kelompok besar berdasarkan energy neutron yang digunakan dalam proses fisi, yaitu:

Reaktor termal, reaktor jenis ini menggunakan neutron lambat atau neutron thermal. Hampir semua reaktor yang ada saat ini adalah reaktor jenis reaktor termal. Reaktor ini mempunyai bahan moderasi neutron yang dapat memperlambat neutron hingga mencapai energy termal. Kemungkinan (propabilitas) lebih besar terjadinya reaksi fisi antara neutron termal dan bahan fisil seperti Uranium 235, Plutonium 239 dan Plutonium 241 dan akan mempunyai kemungkinan lebih kecil terjadinya reaksi fisi dengan Uranium 238. Dalam reaktor jenis ini, biasanya pendingin juga berfungsi sebagai moderator neutron, reaktor jenis ini umumnya menggunakan pendingin air dalam tekanan tinggi untuk meningkatkan titik didih air pendingin. Reaktor ini diwadahi dalam suatu tanki reaktor yang didalamnya dilengkapi dengan instrumentasi pemantau dan pengendali reaktor, pelindung radiasi dan gedung containment

Reaktor cepat, reaktor jenis ini menggunakan neutron cepat untuk menghasilkan fisi dalam bahan bakar reaktor nuklir. reaktor jenis ini tidak memiliki moderator neutron, dan menggunakan bahan pendingin yang kurang memoderasi neutron. Untuk tetap menjaga agar reaksi nuklir berantai tetap berjalan maka diperlukan bahan bakar yang mempunyai bahan belah (fissile material) dengan kandungan uranium 235 yang lebih tinggi (lebih dari 20 %). Reaktor cepat mempunyai potensi menghasilkan limbah trasnuranic yang lebih kecil karena semua aktinida dapat terbelah dengan menggunakan neutron cepat, namun reaktor ini sulit untuk dibangun dan mahal dalam pengoperasiannya.

Reaktor Nuklir Fusi

Reaktor jenis ini merupakan teknologi reaktor nuklir yang masih dalam tahap eksperimental, secara umum menggunakan hydrogen sebagai bahan bakarnya.

  Klasifikasi berdasarkan bahan moderator

 

             Moderator neutron diperlukan pada reaktor jenis reaktor termal, klasifikasi reaktor jenis ini berdasarkan pada penggunaan bahan moderator salah satu diantaranya adalah bermoderator graphite, reaktor jenis ini menggunakan grafit sebagai bahan moderasi neutron, reaktor yang menggunakan moderator jenis ini diantaranya adalah:

Gas cooled reactor, yaitu reaktor nuklir yang mempunyai pendingin berbentuk gas, misalnya Magnox, Advanced gas-cooled reaktor (AGR)

Water-cooled reactors, yaitu reaktor dengan menggunakan air sebagai bahan pendingin, misalnya reaktor jenis RBMK.

HTGR, high temperature gas-cooled reactors, yaitu reaktor suhu tinggi berpendingin gas, misalnya Dragon reaktor, AVR, Peach Botton Nuclear Generating Station unit 1, THTR-300 dan Fort St. Vrain Generating Station.

HTGR baru, reaktor jenis ini sedang dikembangkan dan dalam tahap pembangunan, diantaranya adalah Pebble bed reactor, Prismatic fuel reactor dan UHTREX (Ultra high temperature reactor experiment)

Reaktor Nuklir di Indonesia

1.      Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri (PTNBR), Bandung, Jawa Barat

* Diresmikan tahun 1964
* Populer dengan nama Reaktor Triga Mark II
* Nama lain adalah Reaktor Triga 2000 (namanya diubah Presiden Megawati Soekarnoputri pada tahun 2000)

2. Pusat Penelitian Tenaga Atom (PPTA) Pasar Jumat, Jakarta Selatan

      * Didirikan tahun 1966

      * Reaktor iradiasi Gammacell dipakai 1968

      * Populer dengan nama Reaktor Pasar Jumat

3. Pusat Penelitian Tenaga Atom (PPTA) GAMA Yogyakarta

      * Diresmikan tahun 1967

      * Populer dengan nama Reaktor Kartini