Makalah Mesin Konversi Energi Nuklir
BAB I
PENDAHULUAN
Masalah energi merupakan salah satu isu penting yang sedang hangat dibicarakan. Semakin berkurangnya sumber energi, penemuan sumber energi baru, pengembangan energi-energi alternatif, dan dampak penggunaan energi minyak bumi terhadap lingkungan hidup menjadi tema-tema yang menarik dan banyak didiskusikan. Pemanasan global yang diyakini sedang terjadi dan akan memasuki tahap yang mengkhawatirkan disebut-sebut juga merupakan dampak penggunaan energi minyak bumi yang merupakan sumber energi utama saat ini.
Dampak lingkungan dan semakin berkurangnya sumber energi minyak bumi memaksa kita untuk mencari dan mengembangkan sumber energi baru. Salah satu alternatif sumber energi baru yang potensial datang dari energi nuklir. Meski dampak dan bahaya yang ditimbulkan amat besar, tidak dapat dipungkiri bahwa energi nuklir adalah salah satu alternatif sumber energi yang layak diperhitungkan.
Apa Itu Nuklir?
Nuklir adalah sebutan untuk bentuk energi yang dihasilkan melalui reaksi inti, baik itu reaksi fisi (pemisahan) maupun reaksi fusi (penggabungan). Sumber energi nuklir yang paling sering digunakan untuk PLTN adalah sebuah unsur radioaktif yang bernama Uranium. Bagaimana caranya sebuah unsur radioaktif mampu menghasilkan panas yang besar? Tentu saja bukan dengan dibakar. Namun melalui reaksi pemisahan inti (reaksi fisi). Biar tidak terlalu rumit penjelasannya, perhatikan gambar berikut :
Gambar 1 : Reaksi pemisahan inti (reaksi fisi)
Atom uranium (U-235) (digambarkan dengan warna hitam merah di sebelah kiri) memiliki inti yang tidak stabil ketika ada neutron (warna hitam di paling kiri) yang ditembakkan pada inti atom tersebut, maka inti atom uranium akan membelah menjadi dua buah inti atom, yakni atom Barium (Ba-141) dan atom Kripton (Kr-92) serta tiga neutron (warna hitam di kanan). Karena massa atom sebelum pembelahan lebih besar dari pada massa atom setelah pembelahan, maka selisih massa (disebut defek massa) tersebut berubah menjadi energi panas yang besarnya sekitar 200 MeV (Mega elektron volt), ini baru satu buah inti atom. satu gram uranium saja tentu memiliki banyak inti. Sehingga panas yang dihasilkan luar biasa besar, karena uranium bahan tambang maka bentuknya juga padat.
Gambar 2 : Bahan tambang Uranium
BAB II
TENAGA NUKLIR SEBAGAI SUMBER ENERGI
Seiring dengan perkembangan dunia di mana populasi semakin bertambah, perkembangan teknologi yang semakin pesat, dan naiknya gaya hidup di negara-negara maju, maka dibutuhkan banyaknya sumber energi listrik. Sumber energi di dunia yang tersedia saat ini meliputi energi batu bara, nuklir, bensin, angin, matahari, hidrogen, dan biomassa. Dari masing-masing jenis energi di atas, terdapat kelebihan dan kelemahan masing-masing.
- Batu Bara
Kelebihan : Tidak mahal bahan bakarnya, mudah untuk didapat.
Kelemahan : Dibutuhkan kontrol untuk polusi udara dari pembakaran batu bara tersebut, berkontribusi terhadap peristiwa hujan asam dan pemanasan global.
- Nuklir
Kelebihan : Bahan bakarnya tidak mahal, mudah untuk dipindahkan (dengan sistem keamanan yang ketat). Energi yang dihasilkan sangat tinggi, dan tidak mempunyai efek rumah kaca dan hujan asam.
Kelemahan : Butuh biaya yang besar untuk sistem penyimpanannya, disebabkan dari bahaya radiasi energi nuklir itu sendiri. Masalah kepemilikan energi nuklir, disebabkan karena bahayanya nuklir sebagai senjata pemusnah massal dan produk buangannya yang sangat radioaktif.
- Bensin
Kelebihan : Sangat mudah untuk didistribusikan, mudah untuk didapatkan, energinya cukup tinggi.
Kelemahan : Untuk sekarang, sumber bahan bakarnya sudah tinggal sedikit. Berkontribusi terhadap pemanasan global, dan harganya semakin mahal seiring dengan ketersediaannya.
d. Matahari
Kelebihan : Energi matahari bebas untuk didapatkan.
Kelemahan : Tergantung pada cuaca, waktu, dan area. Untuk teknologi saat ini, masih dibutuhkan area yang luas untuk meletakkan panel surya dan energi yang dihasilkan dari panel surya tersebut masih sangat sedikit.
e. Angin
Kelebihan : Angin mudah untuk didapatkan dan gratis. Biaya perawatan danmeregenerasi energinya semakin murah dari waktu ke waktu. Sumber energi ini baik digunakan di daerah pedesaan terutama pada daerah pertanian.
Kelemahan : Membutuhkan banyak pembangkit untuk menghasilkan energi yang besar. Terbatas untuk area yang berangin saja, membutuhkan sistem penyimpanan energi yang mahal. Pada saat musim badai, angin dapat merusak instalasi pembangkit listrik.
f. Biomassa
Kelebihan : Masih dalam tahap pengembangan, membutuhkan instalasi pembangkit yang tidak terlalu besar.
Kelemahan : Tidak efisien jika hanya sedikit instalasi pembangkit yang dibangun, berkontribusi terhadap pemanasan global.
g. Hidrogen
Kelebihan : Mudah dikombinasikan dengan oksigen untuk menghasilkan air dan energi.
Kelemahan : Sangat mahal untuk biaya produksi, membutuhkan energi yang lebih besar untuk membuat hidrogennya sendiri.
Dengan berdasarkan fakta di atas, dapat dilihat sumber energi dari nuklir sangat dibutuhkan, karena terdapat beberapa sumber energi (seperti bensin dan batu bara) yang ketersediaannya di alam semakin sedikit, sehingga dibutuhkan sumber energi yang baru.
Bahan Bakar Nuklir
Bahan bakar nuklir adalah semua jenis material yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi nuklir, demikian bila dianalogikan dengan bahan bakar kimia yang dibakar untuk menghasilkan energi. Hingga saat ini, bahan bakar nuklir yang umum dipakai adalah unsur berat fissil yang dapat menghasilkan reaksi nuklir berantai di dalam reaktor nuklir. Bahan bakar fissil yang sering digunakan adalah 235U dan 239Pu, dan kegiatan yang berkaitan dengan penambangan, pemurnian, penggunaan, dan pembuangan dari material-material ini termasuk dalam siklus bahan bakar nuklir. Siklus bahan bakar nuklir penting adanya karena terkait dengan PLTN dan senjata nuklir.
Gambar 3 : Proses pengolahan Uranium
Bahan bakar nuklir tradisional yang digunakan di USA dan beberapa negara yang tidak melakukan proses daur ulang bahan bakar nuklir bekas mengikuti empat tahapan seperti yang terdapat dalam gambar di atas. Proses di atas berdasarkan siklus bahan bakar nuklir. Pertama, uranium diperoleh dari pertambangan. Kedua, uranium diproses menjadi “Yellow Cake”. Langkah berikutnya adalah mengubah “Yellow Cake” menjadi UF6 untuk proses pengkayaan dan kemudian diubah menjadi uranium dioksida, atau tanpa proses pengkayaan untuk kemudian langsung ke tahap ke-4 sebagaimana yang terjadi untuk bahan bakar reaktor nuklir pada umumnya.
Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)
Pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) menyediakan sekitar 17 persen dari total tenaga listrik dunia. Beberapa negara membutuhkan tenaga nuklir yang lebih besar daripada negara lain. Di Prancis, menurut International Atomic Energy Agency (IAEA), 75 persen tenaga listriknya dihasilkan oleh reaktor nuklir. Jumlah pembangkit tenaga listrik di dunia diperkirakan lebih dari 400 buah dengan 100 buah di antaranya berada di Amerika Serikat.
Desain PLTN
Salah satu jenis PLTN adalah Pressurized Water Reactor (PWR), Reaktor jenis ini adalah reaktor paling umum, 230 PLTN di seluruh dunia menggunakan jenis ini. gambar skemanya :
Gambar 4 : Salah satu desain PLTN
Air yang bersuhu tinggi dan yang bersentuhan langsung dengan bahan bakar Uranuim (warna merah) selalu berada di dalam containment, containmentnya sendiri dibuat dengan bahan struktur yang tidak mampu ditembus oleh radiasi yang dipancarkan saat terjadi reaksi inti. di dalam reactor vessel juga terdapat control rod yang berfungsi sebagai batang pengendali reaksi inti.
BAB III
PENGGUNAAN NUKLIR UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK
Secara umum yang dimaksudkan dengan PLTN adalah pembangkit listrik tenaga nuklir yang merupakan suatu kumpulan mesin yang dapat membangkitkan tenaga listrik dengan memanfaatkan tenaga nuklir sebagai tenaga awalnya. Sebelum melanjutkan ke prinsip kerja dari PLTN ini, ada baiknya penyusun terangkan sedikit tentang Proses Fisi dan Fusi Nuklir.
- Fisi Nuklir
Proses fisi adalah proses utama pada reaktor nuklir terjadi ketika sebuah inti bermassa berat. Pada reaksi fisi, inti senyawa yang terangsang terbelah menjadi dua inti massa yang lebih rendah, disebut produk isi, dan produk ini disertai oleh dua atau tiga neutron dan radiasi fisi gamma. Adapun tiga bahan bakar yang dapat berfisi antara lain : Uranium-235 (U235), Uranium-233 (U233) dan Plutonium-239 (Pu239). Ketiga bahan bakar ini besifat radioaktif tetapi mereka mempunyai massa paruh yang sangat lama.
- Fusi Nuklir
Proses fusi pada dasarnya adalah sebuah anti tesis dari proses fisi. Dalam proses fisi, inti bermasa berat membelah menjadi inti bermasa ringan, sambil melepaskan kelebihan energi pengikatan. Sedangkan pada reaksi fusi, inti bermasa ringan bergabung dalam rangka melepaskan kelebihan energi pengikatan. Jadi reaksi fusi adalah reaksi umum yang “meminyaki” matahari dan telah dipakai di bumi untuk melepaskan energi dalam jumlah yang besar didalam termonuklir atau bom hydrogen.
Dalam fisika, fusi nuklir (reaksi termonuklir) adalah sebuah proses di mana dua inti atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih besar dan melepaskan energi. Fusi nuklir adalah sumber energi yang menyebabkan bintang bersinar, dan senjata nuklir meledak. Proses ini membutuhkan energi yang besar untuk menggabungkan inti nuklir, bahkan elemen yang paling ringan, hidrogen. Tetapi fusi inti atom yang ringan, yang membentuk inti atom yang lebih berat dan netron bebas, akan menghasilkan energi yang lebih besar lagi dari energi yang dibutuhkan untuk menggabungkan mereka maka sebuah reaksi eksotermik yang dapat menciptakan reaksi yang terjadi sendirinya. Energi yang dilepas di banyak reaksi nuklir lebih besar dari reaksi kimia, karena energi pengikat yang mengelem kedua inti atom jauh lebih besar dari energi yang menahan elektron ke inti atom. Contoh: energi ionisasi yang diperoleh dari penambahan elektron ke hidrogen adalah 13.6 elektron volt lebih kecil satu per sejuta dari 17 MeV yang dilepas oleh reaksi Deuterium Tritium (D-T) fusion seperti gambar di bawah ini.
Gambar 5 : Reaksi D-T Fusion
Energi Nuklir
Di dalam inti atom tersimpan tenaga inti (nuklir) yang luar biasa besarnya. Tenaga nuklir itu hanya dapat dikeluarkan melalui proses pembakaran bahan bakar nuklir. Proses ini sangat berbeda dengan pembakaran kimia biasa yang umumnya sudah dikenal, seperti pembakaran kayu, minyak dan batubara. Besar energi yang tersimpan (E) di dalam inti atom adalah seperti dirumuskan dalam kesetaraan massa dan energi oleh Albert Einstein : 
E = m C
Dimana
m : massa bahan (kg)
C : kecepatan cahaya (3 x 108 m/s).
Energi nuklir berasal dari perubahan sebagian massa inti dan keluar dalam bentuk panas. Dilihat dari proses berlangsungnya, ada dua jenis reaksi nuklir, yaitu reaksi nuklir berantai tak terkendali dan reaksi nuklir berantai terkendali. Reaksi nuklir tak terkendali terjadi misal pada ledakan bom nuklir. Dalam peristiwa ini reaksi nuklir sengaja tidak dikendalikan agar dihasilkan panas yang luar biasa besarnya sehingga ledakan bom memiliki daya rusak yang maksimal. Agar reaksi nuklir yang terjadi dapat dikendalikan secara aman dan energi yang dibebaskan dari reaksi nuklir tersebut dapat dimanfaatkan, maka manusia berusaha untuk membuat suatu sarana reaksi yang dikenal sebagai reaktor nuklir. Jadi reaktor nuklir sebetulnya hanyalah tempat dimana reaksi nuklir berantai terkendali dapat dilangsungkan. Reaksi berantai di dalam reaktor nuklir ini tentu sangat berbeda dengan reaksi berantai pada ledakan bom nuklir.
Untuk mendapatkan gambaran tentang besarnya energi yang dapat dilepaskan oleh reaksi nuklir, berikut ini diberikan contoh perhitungan sederhana.
1 g (0,001 kg) bahan bakar nuklir U235. Jumlah atom di dalam bahan bakar ini adalah :
N = (1/235) x 6,02 x 1023 = 25,6 x 1020 atom U235.
Karena setiap proses fisi bahan bakar nuklir U235 disertai dengan pelepasan energi sebesar 200 MeV, maka 1 g U235 yang melakukan reaksi fisi sempurna dapat melepaskan energi sebesar :
E = 25,6 x 1020 (atom) x 200 (MeV/atom) = 51,2 x 1022 MeV
Jika energi tersebut dinyatakan dengan satuan Joule (J), di mana
1 MeV = 1.6 x
10-13 J, maka energi yang dilepaskan menjadi :
E = 51,2 x 1022 (MeV) x 1,6 x 10-13 (J/MeV) = 81,92 x 109 J
Dengan menganggap hanya 30 % dari energi itu dapat diubah menjadi energi listrik, maka energi listrik yang dapat diperoleh dari 1 g U235 adalah :
E listrik = (30/100) x 81,92 x 109 J = 24,58 x 109 J
Karena 1J = 1 W.s ( E = P.t), maka peralatan elektronik seperti pesawat tv
dengan daya (P) 100 W dapat dipenuhi kebutuhan listriknya oleh 1 g U235 selama : t = E listrik / P = 24,58 x 109 (J) / 100 (W) = 24,58 x 107 s
Angka 24,58 x 107 sekon (detik) sama lamanya dengan 7,78 tahun terus-menerus tanpa dimatikan. Jika diasumsikan pesawat TV tersebut hanya dinyalakan selama12 jam/hari, maka energi listrik dari 1 g U235 bisa dipakai untuk mensuplai kebutuhan listrik pesawat TV selama lebih dari 15 tahun.
Prinsip Kerja PLTN
Proses kerja PLTN sebenarnya hampir sama dengan proses kerja pembangkit listrik konvensional seperti pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), yang umumnya sudah dikenal secara luas. Yang membedakan antara dua jenis pembangkit listrik itu adalah sumber panas yang digunakan. PLTN mendapatkan suplai panas dari reaksi nuklir, sedang PLTU mendapatkan suplai panas dari pembakaran bahan bakar fosil seperti batubara atau minyak bumi.
Reaktor daya dirancang untuk memproduksi energi listrik melalui PLTN. Reaktor daya hanya memanfaatkan energi panas yang timbul dari reaksi fisi, sedang kelebihan neutron dalam teras reaktor akan dibuang atau diserap menggunakan batang kendali. Karena memanfaatkan panas hasil fisi, maka reaktor daya dirancang berdaya thermal tinggi dari orde ratusan hingga ribuan MW. Proses pemanfaatan panas hasil fisi untuk menghasilkan energi listrik di dalam PLTN adalah sebagai berikut :
1. Bahan bakar nuklir melakukan reaksi fisi sehingga dilepaskan energi dalam bentuk panas yang sangat besar.
2. Panas hasil reaksi nuklir tersebut dimanfaatkan untuk menguapkan air pendingin, bisa pendingin primer maupun sekunder bergantung pada tipe reaktor nuklir yang digunakan.
3. Uap air yang dihasilkan dipakai untuk memutar turbin sehingga dihasilkan energi gerak (kinetik).
4. Energi kinetik dari turbin ini selanjutnya dipakai untuk memutar generator sehingga dihasilkan arus listrik.
Secara ringkas dan sederhana, rancangan PLTN terdiri dari air mendidih, boiling water reactor bisa mewakili PLTN pada umumnya, yakni setelah ada reaksi nuklir fisi, secara bertubi-tubi, di dalam reaktor, maka timbul panas atau tenaga lalu dialirkanlah air di dalamnya. Kemudian uap panas masuk ke turbin dan turbin berputar poros turbin dihubungkan dengan generator yang menghasilkan listrik.
Reaktor Nuklir
Reaktor Nuklir adalah suatu alat dimana reaksi berantai dapat dilaksanakan berkelanjutan dan dikendalikan. Atau dengan kata lain reaktor nuklir merupakan suatu wadah bahan-bahan fisi dimana proses reaksi berantai terjadi terus menerus tanpa berhenti atau tempat terjadinya reaksi pembelahan inti (nuklir). Bagian utama dari reaktor nuklir yaitu: elemen bakar (batang-batang bahan bakar), perisai (perisai termal), moderator dan elemen kendali.
Bahan bakar yang digunakan didalam reaktor nuklir ada tiga jenis antara lain :
- Uranium-235 (U235),
- Uranium-233 (U233),
- Plutonium-239 (Pu239).
Dari ketiga jenis bahan bakar diatas, yang paling sering digunakan sebagai bahan bakar reaktor adalah Uranium-235 (U235).
Gambar 6: Reaksi berantai divergen
Reaksi fisi berantai terjadi apabila inti dari suatu unsur dapat belah (Uranium-235, Uranium-233) bereaksi dengan neutron termal/lambat yang akan menghasilkan unsur-unsur lain dengan cepat serta menimbulkan energi panas dan neutron-neutron baru. Untuk mengendalikan reaksi berantai dalam reaktor nuklir maka digunakanlah bahan yang dapat menyerap neutron, misalnya Boron dan Cadmium. Yang bertujuan untuk mengatur kerapatan dari neutron. Dengan mengatur kerapatan neutron ini maka tingkat daya raktor nuklir dapat ditentukan, bahkan reaksi dapat dihentikan sama sekali (sampai 0) pada saat semua neutron terserap oleh bahan penyerap.
Perangkat pengatur kerapatan neutron pada reaktor nuklir ini disebut dengan elemen kendali. Jika elemen kendali disisipkan penuh diantara elemen bakar, maka elemen kendali akan menyerap neutron secara maksimum sehingga reaksi berantai akan dihentikan dan daya serap batang kendali akan berkurang bila batang kendali ditarik menjauhi elemen bakar. Di sini pengendalian dilakukan terhadap pelepasan dan penyerapan neutron selama berlangsungnya reaksi berantai.
Neutron yang dilepaskan dalam suatu reaksi berantai dapat dibagi menjadi empat kelompok, yaitu :
1. Meninggalkan material fisi.
2. Tidak berfisi, ditangkap oleh U238 membentuk Pu239.
3. Tidak berfisi, ditangkap oleh material batang kendali (control-rod).
4. Berfisi, ditangkap oleh U239 dan U233.
Apabila jumlah nutron yang dilepaskan oleh proses fisi sama dengan jumlah empat bagian nutron diatas, maka energi panas yang dihasilkan adalah konstan. Atau sebaliknya jika jumlah nutron yang dihasilkan lebih kecil, maka reaksi berantai akan berhenti. Apabila lebih besar, maka laju fisinya naik dan menjadi tidak terkendali. Gambar dibawah menunjukkan skema sebuah reaktor nuklir.
Gambar 7 : Skema reactor nuklir
Komponen utama reaktor nuklir antara lain :
1. Inti reactor 5. Tangki Reaktor
2. Moderator 6. Fluida Pendingin
3. Perisai Termal 7. Perisai Biologi
4. Reflektor 8. Batang-batang kendali
1. Inti reaktor : Dibuat dari batang-batang bahan bakar yang berisi uranium alam, uranium yang dipercaya, plutoium, atau U-233. Batang-batang bahan bakar tersebut dapat dicampur dengan material-material tidakberfisi.
2.Moderator : Berfungsi untuk memperlambat kecepatan nutron sehingga berkecepatan normal. Biasanya dibuat dari granit yang membungkus bahan bakar, tetapi mungkin juga air berat, air ringan (normal), atau berilium. Moderator dapat juga dicampur dengan bahan bakar.
3. Perisai Termal : Berfungsi menyerap radiasi (parikelb , nutron yang Makalah PLTN2005 12 terlepas, dan sinar gamma) yang terjadi karena proses fisi. Karena itu perisai menyelubungi inti reaktor, biasanya dibuat dari besi, menyerap energi dan menjadi panas.
4. Reflektor : Berfungsi untuk memantulkan kembali nutron yang meninggalkan inti bahan bakar. Pada gambar diatas menunjukkan bahwa tepi moderator juga berfungsi sebagai reflektor, selain reflektor yang diletakkan di dalam perisai termal dan menyelubungi inti reaktor.
5. Tangki Reaktor : Berfungsi untuk membungkus seluruh inti reaktor, reflektor dan perisai termal. Dengan demikian tangki reaktor membentuk pula saluran untuk mengatur aliran pendingin melalui dan mengelilingi inti reaktor.
6. Fluida Pendingin:Membawa panas yang dihasilkan dari proses fisi untuk berbagai keperluan, antara lain sebagai pemanas air ketel pada pusat tenaga uap. Menjaga agar bahan bakar reaktor dan perlengkapannya ada pada temperature yang diperbolehkan (aman dan tidak rusak).
7. Perisai Biologi : Membungkus reaktor untuk menahan dan melemahkan semua radiasi yang mematikan sebagai akibat dari proses fisi. Perisai biologi dapat dibuat dari besi, timah hitam atau beton tebal dicampur oksida besi.
8. Batang-batang kendali: Berfungsi mengendalikan proses fisi (pembangkitan panas) di dalam reaktor, yaitu dengan menyerap nutron berlebihan yang terjadi dari proses fisi. Batang-batang kendali biasanya terbuat dari boron atau hafnium yang dapat menyerap nutron.
Jenis-jenis Reaktor Nuklir
Teknologi PLTN dirancang agar energi nuklir yang terlepas dari proses fisi dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi dalam kehidupan sehari-hari. PLTN merupakan sebuah sistim yang dalam operasinya menggunakan reaktor daya yang berperan sebagai tungku penghasil panas. Dewasa ini ada berbagai jenis PLTN yang beroperasi. Perbedaan tersebut ditandai dengan perbedaan tipe reaktor daya yang digunakannya. Masing-masing jenis PLTN / tipe reaktor daya umumnya dikembangkan oleh negara-negara tertentu, sehingga seringkali suatu jenis PLTN sangat menonjol dalam suatu negara, tetapi tidak dioperasikan oleh negara lain. Perbedaan berbagai tipe reaktor daya itu bisa terletak pada penggunaan bahan bakar, moderator, jenis pendinging serta perbedaan-perbedaan lainnya.
Perbedaan jenis reaktor daya yang dikembangkan antara satu negara dengan negara lain juga dipengaruhi oleh tingkat penguasaan teknologi yang terkait dengan nuklir oleh masing-masing negara. Pada awal pengembangan PLTN pada tahun 1950-an, pengayaan uranium baru bisa dilakukan oleh Amerika Serikat dan Rusia, sehingga kedua negara tersebut pada saat itu sudah mulai mengembangkan reaktor daya berbahan bakar uranium diperkaya. Sementara itu di Kanada, Perancis dan Inggris pada saat itu dipusatkan pada program pengembangan reaktor daya berbahan bakar uranium alam. Oleh sebab itu, PLTN yang pertama kali beroperasi di ketiga negara tersebut menggunakan reaktor berbahan bakar uranium alam. Namun dalam perkembangan berikutnya, terutama Inggris dan Perancis juga mengoperasikan PLTN berbahan bakar uranium diperkaya.
Macam-Macam Reaktor Nuklir :
a. LWR : Light Water Reactor / Reaktor air Ringan.
- PWR : Presured Water Reactor / Reaktor Air Tekan.
- BWR : Boiling Water Reactor / Reaktor Air Mendidih.
b. HWR : Heavy Water Reactor / Reaktor Air Berat.
c. HTGR : High Temperatur Gas Reactor / Reaktor Gas Suhu Tinggi.
h. MSBR : Molten Salt Breder Reactor / Reaktor Pembiak Garam Meleleh.
1. LWR (Light Water Reactor) / Reaktor air Ringan
Sebagian besar reaktor daya yang beroperasi dewasa ini adalah jenis Reaktor Air Ringan atau LWR (Light Water Reactor) yang mula-mula dikembangkan di AS dan Rusia. Disebut Reaktor Air Ringan karena H2O kemurnian tinggi sebagai bahan moderator sekaligus pendingin reaktor. Reaktor ini terdiri atas Reaktor Air tekan atau PWR (Pressurized Water Reactor) dan Reaktor Air Didih atau BWR (Boiling Water Reactor) dengan jumlah yang dioperasikan masing-masing mencapai 52 % dan 21,5 % dari total reaktor daya yang beroperasi. Sedang sisanya sebesar 26,5 % terdiri atas berbagai type reaktor daya lainnya.
a. PWR (Presured Water Reactor) / Reaktor Air Tekan
Reaktor Air Tekan juga menggunakan H2O sebagai pendingin sekaligus moderator. Bedanya dengan Reaktor Air Didih adalah penggunaan dua macam pendingin, yaitu pendingin primer dan sekunder. Panas yang dihasilkan dari reaksi fisi dipakai untuk memanaskan air pendingin primer. Dalam reaktor ini dilengkapi dengan alat pengontrol tekanan (pessurizer) yang dipakai untuk mempertahankan tekanan sistim pendingin primer. Pada pendigin primer memakai air dan dipanaskan inti sampai 600˚F tetapi air ini tidak mendidih karena berada didalam bejana yang bertekanan tinggi (sebesar 2250 psi). Air in dimasukkan kedalam pembangkit uap (satu atau dua) dengan tekanan 1000 psi, dan suhu 500˚F. Setelah melalui turbin uap dikembalikan ke kondensor.
Sistim pressurizer terdiri atas sebuah tangki yang dilengkapi dengan pemanas listrik dan penyemprot air. Jika tekanan dalam teras reaktor berkurang, pemanas listrik akan memanaskan air yang terdapat di dalam tangki pressurizer sehingga terbentuklah uap tambahan yang akan menaikkan tekanan dalam sistim pendingin primer. Sebaliknya apabila tekanan dalam sistim pendingin primer bertambah, maka sistim penyemprot air akan mengembunkan sebagian uap sehingga tekanan uap berkurang dan sistim pendingin primer akan kembali ke keadaan semula. Tekanan pada sistim pendingin primer dipertahankan pada posisi 150 Atm untuk mencegah agar air pendingin primer tidak mendidih pada suhu sekitar 300 ºC. Pada tekanan udara normal, air akan mendidih dan menguap pada suhu 100 ºC.
Dalam proses kerjanya, air pendingin primer dialirkan ke sistim pembangkit uap sehingga terjadi pertukaran panas antara sistim pendingin primer dan sistim pendingin sekunder. Dalam hal ini antara kedua pendingin tersebut hanya terjadi pertukaran panas tanpa terjadi kontak atau percampuran, karena antara kedua pendingin itu dipisahkan oleh sistim pipa. Terjadinya pertukaran panas menyebabkan air pendingin sekunder menguap. Tekanan pada sistim pendingin sekunder dipertahankan pada tekanan udara normal sehingga air dapat menguap pada suhu 100 ºC. Uap yang terbentuk di dalam sistim pembangkit uap ini selanjutnya dialirkan untuk memutar turbin.
Pada Reaktor Air Tekan perputaran sistim pendingin primernya betul-betul tertutup, sehingga apabila terjadi kebocoran bahan radioaktif di dalam teras reaktor tidak akan menyebabkan kontaminasi pada turbin. Reaktor Air Tekan juga mempunyai keandalan operasi dan keselamatan yang sangat baik. Salah satu faktor penunjangnya adalah karena reaktor ini mempunyai koefisien reaktivitas negatif. Apabila terjadi kenaikan suhu dalam teras reaktor secara mendadak, maka daya reaktor akan segera turun dengan sendirinya. Namun karena menggunakan dua sistim pendingin, maka efisiensi thermalnya sedikit lebih rendah dibandingkan dengan Reaktor Air Didih.
Gambar 8, Diagram Alir Reaktor Air Tekan
b. BWR (Boiling Water Reactor) / Reaktor Air Mendidih
Reaktor jenis ini menggunakan air biasa (H2O) sebagai moderator maupun pendinginnya, sehingga termasuk kelompok reaktor air biasa / ringan. Pada reaktor air didih ini, panas hasil fisi dipakai secara langsung untuk menguapkan air pendingin dan uap yang terbentuk langsung dipakai untuk memutar turbin. Turbin tekanan tinggi menerima uap pada suhu sekitar 290 ºC dan tekanan sebesar 7,2 MPa. Sebagian uap diteruskan lagi ke turbin tekanan rendah. Dengan sistim ini dapat diperoleh efisiensi thermal sebesar 34 %. Efisiensi thermal ini menunjukkan prosentase panas hasil fisi yang dapat dikonversikan menjadi energi listrik. Setelah melalui turbin, uap tersebut akan mengalami proses pendinginan sehingga berubah menjadi air yang langsung dialirkan ke teras reaktor untuk diuapkan lagi dan seterusnya. Dalam reaktor ini digunakan bahan bakar U235 dengan tingkat pengayaannya 3-4 % dalam bentuk UO2.
Gambar 9, Diagram Alir Reaktor Air Didih
2. HWR (Heavy Water Reactor) / Reaktor Air Berat
Reaktor ini mempergunakan air berat (D2O, D = Deuterium sebagai moderatornya. Jenis reaktor ini sering disebut CANDU (Canada Deuterium Uranium) dan dikembangkan oleh Atomic Energi Commission dari Kanada. Bilamana pada reaktor air biasa moderator (H2O) berada dalam sebuah bejana, pada reaktor ini moderatornya (D2O) berada didalam pipa-pipa tekanan yang besar (calandria). Selanjutnya dapat pula dikemukakan, bahwa sebuah reaktor air berat uranium dioksida alam (UO2) dapat dipakai sebagai bahan bakar. Reaktor ini menggunakan bahan bakar uranium alam sehingga harus digunakan air berat yang penampang lintang serapannya terhadap neutron sangat kecil. Seperti halnya Reaktor Air tekan, Reaktor CANDU juga mempunyai sistim pendingin primer dan sekunder, pembangkit uap dan pengontrol tekanan untuk mempertahankan tekanan tinggi pada sistim pendingin primer. D2O dalam reaktor CANDU hanya dimanfaatkan sebagai sistim pendingin primer, sedang sistim pendingin sekundernya menggunakan H2O.
Dalam pengoperasian reaktor CANDU, kemurnian D2O harus dijaga pada tingkat 95-99,8 %. Air berat merupakan bahan yang harganya sangat mahal dan secara fisik maupun kimia tidak dapat dibedakan secara langsung dengan H2O. Oleh sebab itu, perlu adanya usaha penanggulangan kebocoran D2O baik dalam bentuk uap maupun cairan. Aliran ventilasi dari ruangan dilakukan secara tertutup dan selalu dipantau tingkat kebasahannya, sehingga kemungkinan adanya kebocoran D2O dapat diketahui secara dini.
Gambar 10, Diagram Alir Reaktor Air Berat
3. HTGR (High Temperatur Gas Reactor) / Reaktor Gas Suhu Tinggi
Reaktor Gas Suhu Tinggi adalah jenis reaktor yang menggunakan pendingin gas helium (He) dan moderator grafit. Reaktor ini mampu menghasilkan panas hingga 750 ºC dengan efisiensi thermalnya sekitar 40 %. Panas yang dibangkitkan dalam teras reaktor dipindahkan menggunakan pendingin He (sistim primer) ke pembangkit uap. Dalam pembangkit uap ini panas akan diserap oleh sistim uap air umpan (sistim sekunder) dan uap yang dihasilkannya dialirkan ke turbin. Dalam reaktor ini juga ada sistim pemisah antara sistim pendingin primer yang radioaktif dan sistim pendingin sekunder yang tidak radioaktif. Elemen bahan bakar yang digunakan dalam Reaktor Gas Suhu Tinggi berbentuk bola, tiap elemen mengandung 192 gram carbon, 0,96 gram U235 dan 10,2 gram Th232 yang dapat dibiakkan menjadi bahan bakar baru U233. Proses fisi dalam teras reaktor mampu memanaskan gas He hingga mencapai suhu 750 ˚C. Setelah terjadi pertukaran panas dengan sistim sekunder, suhu gas He akan turun menjadi 250 ºC. Gas He selanjutnya dipompakan lagi ke teras reaktor untuk mengambil panas fisi, demikian seterusnya. Dalam operasi normal, reaktor ini membutuhkan bahan bakar bola berdiameter 60 mm sebanyak ± 675.000 butir yang diletakkan di dalam teras reaktor. Rata-rata setiap butir bahan bakar tinggal di dalam teras selama enam bulan pada operasi beban penuh.
Gambar 11, Diagram Alir Reaktor Gas Suhu Tinggi
4. LMFBR (Liquid Metal Fast Breder Reactor) / Reaktor Pembiak Cepat Logam Cair.
Pada reaktor nuklir jenis reaktor cepat (reaktor cepat), air tidak dapat digunakan sebagai pendingin reaktor karena air bersifat memoderasi neutron sehingga neutron cepat menjadi neutron thermal, oleh karena itu diperlukan pendingin yang mempunyai karakteristik yang berbeda dengan air. Pendingin logam cair selama ini sudah digunakan untuk reaktor cepat, diantaranya adalah Sodium, NaK, timbal, lead-bismuth eutectic dan dalam waktu dekat mercury juga akan digunakan sebagai pendingin reaktor jenis ini. Beberapa reaktor berpendingin logam cair diantaranya adalah Sodium-cooled fast reactor, lead-cooled fast reactor.
Selain yang telah dipaparkan diatas reaktor juga ada yang berupa reaktor pembiak cepat logam cair (LMFBR). Sistem dari reaktor ini adalah sejenis reaktor cepat pendingin sodium dan programnya disempurnakan beberapa kali. Reaktor ini adalah prototip daya 975-MWth (375 MWe) dan berguna untuk persediaan listrik bagi kisi TVA. Dalam sistem ini, seperti halnya dalam setiap reaktor daya pendingin-sodium, energi fisi di transfer ke sodium primer, dari sodium primer kesodium di dalam loop sekunder didalam penukar gas menengah (IHX), dan akhirnya ke sistem uap air.
Gambar 12. reaktor logam cair.
5. MSBR : Molten Salt Breder Reactor / Reaktor Pembiak Garam Meleleh.
Molten Salt Breder Reactors, MSBR merupakan salah satu jenis reaktor yang menggunakan garam cair sebagai pendinginnya, khususnya campuran flouride salts Flibe. MSBR beroperasi pada temperatur yang lebih tinggi dibandingkan dengan temperatur operasi reaktor berpendingin air, namun tekanan yang digunakan hampir sama dengan tekanan atmosfer, sehingga reaktor jenis ini dapat menekan tekanan mekanik yang bekerja pada system, sehingga aspek keselamatannya dapat meningkat. Oleh karenanya reaktor jenis ini mempunyai kemungkinan biaya konstruksi dan operasinya lebih murah dibandingkan dengan pembangkit listrik berbahan bakar batu bara.
Gambar 13. reaktor berpendingin garam cair.
Sistem Keselamatan
Sistem keselamatan operasi reaktor terutama ditujukan untuk menghindari bocornya radiasi dari dalam teras reaktor. Sistem keselamatan reaktor dirancang mampu menjamin agar unsur – unsur radioaktif didalam teras reaktor tidak terlepas ke lingkungan, baik dalam opearasi normal atau waktu ada kejadian yang tidak diinginkan.
Gambar 14. Sistem Keselamatan Reaktor
BAB IV
DAMPAK DARI PEMANFAATAN NUKLIR SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK
- Dampak positif adanya PLTN
Dampak positif dari adanya PLTN ini, adalah dapat menghasilkan daya listrik yang cukup besar sehingga pada saat terjadi beban puncak pemakaian daya listrik, kita tidak perlu kuatir lagi akan adanya pemadaman bergilir.
- Dampak negatif adanya PLTN
Reaktor nuklir sangat membahayakan dan mengancam keselamatan jiwa manusia. Radiasi yang diakibatkan oleh reaktor nuklir ini ada dua, yaitu :
a. Radiasi Langsung yaitu radiasi yang terjadi bila radio aktif yang dipancarkan mengenai langsung kulit atau tubuh manusia.
b. Radiasi tak langsung adalah radiasi yang terjadi lewat makanan dan minuman yang tercemar zat radio aktif, baik melalui udara, air, maupun media lainnya.
Baik radiasi langsung maupun tidak langsung, akan mempengaruhi fungsi organ tubuh melalui sel-sel pembentukannya. Organ-organ tubuh yang sensitif akan dan menjadi rusak. Sel-sel tubuh bila tercemar radio aktif uraiannya sebagai berikut: terjadinya ionisasi akibat radiasi dapat merusak hubungan antara atom dengan molekul-molekul sel kehidupan, juga dapat mengubah kondisi atom itu sendiri, mengubah fungsi asli sel atau bahkan dapat membunuhnya.Pada prinsipnya, ada tiga akibat radiasi yang dapat berpengaruh pada sel, antara lain :
a. Sel akan mati.
b. Terjadi penggandaan sel, pada akhirnya dapat menimbulkan kanker.
c. Kerusakan dapat timbul pada sel telur atau testis, yang akan memulai proses bayi-bayi cacat.
Masalah lain juga ditimbulkan oleh limbah/sampah nuklir terhadap tingkat kesuburan tanah limbah/sampah nuklir merupakan semua sisa bahan (padat atau cair) yang dihasilkan dari proses pengolahan uranium, misalnya sisa bahan bakar nuklir yang tidak digunakan lagi, dan bersifat radioaktif, tidak bisa dibuang atau dihilangkan seperti jenis sampah domestik lainnya (sampah organik dan lain-lain.) Sampah nuklir ini harus ditimbun dengan cara yang paling aman. Hal yang saat ini dapat dilakukan oleh manusia hanyalah menunggu sampai sampah nuklir tersebut tidak lagi bersifat radioaktif, dan itu memerlukan waktu ribuan tahun.
Selain itu ada 3 metode lain yang dapat digunakan untuk membuang limbah radioaktif yaitu:
1. Pengenceran dan penyebaran (Dilute and Disprese): Limbah dengan konsentrasi rendah dilepas ke udara, air atau tanah untuk diencerkan atau dilarutkan sampai ke tingkat yang aman.
2. Penundaan dan Perusakan (Delay and Decay): Dapat digunakan untuk limbah radioaktif dengan waktu paro (half-lives) relatif singkat. Zat-zat tersebut disimpan dalam bentuk cair atau lumpur di dalam tangki. Setelah 10-20 kali waktu paronya, zat-zat tersebut mengalami perusakan atau pmbusukan ke tingkat yang tidak berbahaya atau kemudian dapat diencerkan dan disebarkan ke lingkungan.
3. Konsentrasi dan Pengepakan (Concentration and Containment): digunakan untuk limbah radioaktif yang sangat toksik dengan dengan waktu yang panjang. Limbah tersebut harus disimpan dalam puluhan, ratusan bahkan ribuan tahun, tergantung dari komposisinya. Zat-zatnya tidak hanya sangat radioaktif tapi juga bersuhu yang sangat panas.
Gambar 15. Tempat penyimpanan sampah Nuklir
Gambar 16. Daur ulang Limbah Nuklir
Ada beberapa bahaya lain dari PLTN yang perlu dipertimbangkan, antara lain :
a. Kesalahan manusia (human error) yang bisa menyebabkan kebocoran, yang jangkauan radiasinya sangat luas dan berakibat fatal bagi lingkungan dan makhluk hidup.
b. Salah satu yang dihasilkan oleh PLTN, yaitu Plutonium memiliki hulu ledak yang sangat dahsyat. Sebab Plutonium inilah, salah satu bahan baku pembuatan senjata nuklir. Kota Hiroshima hancur lebur hanya oleh 5 kg Plutonium.
c. Limbah yang dihasilkan (Uranium) bisa berpengaruh pada genetika. Di samping itu, tenaga nuklir memancarkan radiasi radio aktif yang sangat berbahaya bagi manusia.
Tabel 1. Beberapa kecelakaan yang pernah terjadi pada PLTN di beberapa lokasi Industri di dunia yang berkisaran pada tahun 1976 – 1986.
International Atomic Energy Agency (IAEA) telah memperkenalkan 8 level skala kejadian kecelakaan nuklir agar menjadi informasi yang tepat terhadap masyarakat luas. Level level tersebut dikatagorikan berdasarkan tingkatan pengaruh/efek baik dalam PLTN itu sendiri maupun keluar PLTN. Delapan level tersebut adalah :
Tabel . Tingkat bahaya pada nuklir
Level 7
Level ini mengkatagorikan kecelakaan nuklir yang mengakibatkan efek yang sangat besar terhadap kesehatan dan lingkungan di dan sekitar PLTN. Yang termasuk dalam level ini adalah kecelakaan Chernobyl yang terjadi di Negara bekas Uni Soviet, sekarang Ukraina pada tahun 1986. Level ini bisa disamakan dengan kasus kecelakaan non-nuklir di Bhopal, India pada tahun 1984 dimana ribuan orang dikabarkan meninggal dunia.
Level 6
Pada level ini, kecelakaan nuklir diindikasikan dengan keluarnya radioaktif yang cukup signifikan, baik PLTN maupun kegiatan industri yang berbasis raioaktif. Contohnya adalah kecelakaan di Mayak, bekas Negara Uni Soviet pada tahun 1957.
Level 5
Level ini mengindikasikan kecelakaan yang mengeluarkan zat radioaktif yang terbatas, sehingga memerlukan pengukuran lebih lanjut. Contoh dari level ini yaitu kecelakaan/kebakaran pada rekator nuklir di Windscale, Inggris tahun 1957. Contoh lainnya yaitu kecelakaan di Three Mile Island yang merusak inti reaktor pada tahun 1979
Level 4
Level ini mengelompokkan kecelakaan nuklir yang mengakibatkan efek yang kecil terhadap lingkungan sekitar, inti reaktor dan pekerja (sesuai dengan batas limit yang diizinkan). Beberapa contoh kejadian kecelakaan dalam level ini yaitu kecelakaan pada :
- Sellafield (Inggris), terjadi sebanyak 5 kali dari 1955 sampai 1979
- PLTN Saint-Laurent (Perancis) tahun 1980
- Buenos Aires (Argentina) tahun 1983
- PLTN Tokaimura (Jepang ) tahun 1999.
Level 3
Kecelakaan yang dikelompokkan dalam level ini yaitu kecelakaan yang mengakibatkan efek yang sangat kecil dimana masih dibawah level/batas yang diizinkan, namun tidak ada perangkat keselamatan yang memadai. Contoh dari kecelakaan level ini yaitu kecelakaan pada THORP plant Sellafield di Inggris tahun 2005.
Level 2
Kecelakaan pada level ini tidak mengakibatkan efek apapun keluar larea, namun tetap ada kontaminasi didalam area. Level ini juga mengindikasikan kecelakaan yang disebabkan oleh kegagalan untuk memenuhi syarat syarat keselamatan yang seharusnya ada. Contoh kecelakaan dalam level ini adalah kecelakaan pada PLTN Forsmark Swedia pada bulan Juli 2006 yang lalu.
Level 1
Pada level ini, dikatagorikan kecelakaan yang merupakan anomaly dari pengoperasian sistem .
Level 0
Pada level ini tidak memerlukan tingkat keselamatan yang signifikan dan relevan. Disebut juga sebagai “out of scale”.
BAB V
PENUTUP
Kesimpulan
Pemanfaatan teknologi nuklir untuk pembangkit tenaga listrik adalah solusi terbaik manakala belum ada teknologi baru yang mampu menyediakan energi listrik secara besar-besaran dengan aman dan ekonomis. Segala upaya telah dilakukan untuk meminimalisasi resiko kecelakaan nuklir dan limbah nuklir sehingga sesuai tujuan penggunaaan teknologi nuklir bagi kehidupan manusia dalam konsep energi maupun dalam konsep humanistik akan rasa aman dari radiasi dapat terpenuhi. Investasi pada penelitian daur ulang bahan bakar nuklir terus berlanjut, dan dengan prediksi beberapa ahli akan kelangkaan listrik , peningkatan harga bahan bakar fosil dan perhatian akan emisi gas rumah kaca akan menyadarkan pada kita akan kebutuhan menggunakan teknologi nuklir sebagai sumber energi. Negara-negara maju sedah mulai menggunakan teknologi nuklir, tinggal negara-negara berkembang untuk mengikuti jejaknya.
DAFTAR PUSTAKA
Anang, Energi Nuklir Sebagai Alternative Pasokan Energi Listrik Dunia, Wikipedia, 2007
Ensiklopedi Bebas Berbahasa Indonesia, Siklus Bahan Bakar Nuklir, Wikipedia, 2007.
M. Nur GD, Bagaimana PLTN Menghasilkan Listrik, Pikiran Rakyat,1997.
Komentar
Posting Komentar