Reaktor Nuklir

*tur virtual berbentuk video 360°

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 peranti 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.

Aplikasi

Pressurized Water Reactor untuk kapal. Reaktor ini menggunakan air laut sebagai kondenser pendingin reaktor.

Daya nuklir:
- Panas untuk pembangkit listrik
- Panas untuk perumahan dan pemanas industri
- Desalinasi
Propulsi nuklir:
- Propulsi nuklir kelautan
- Usulan roket panas nuklir
Transmutasi unsur:
- Produksi plutonium, yang biasa digunakan dalam senjata nuklir
- Produksi beragam isotop radioaktif, seperti americium yang digunakan dalam detektor asap, dan cobalt-60, molybdenum-99 dan lainnya yang digunakan untuk pencitraan dan perawatan medis
Aplikasi penelitian:
- Penyediaan sumber neutron dan radiasi positron (misalnya Analisis Aktivasi Neutron dan Penanggalan potassium-argon)
- Pengembangan teknologi nuklir

Sejarah

Meskipun umat manusia telah menguasai daya nuklir baru-baru ini, reaktor nuklir yang pertama muncul dikendalikan oleh alam. Lima belas reaktor fisi nuklir alami telah ditemukan di tambang Oklo, Gabon, West Africa. Pertama ditemukan pada tahun 1972 oleh ahli fisika Prancis Francis Perrin. Reaktor alami ini dikenal dengan sebutan Reaktor Fossil Oklo. Reaktor-reaktor ini diperkirakan aktif selama 150 juta tahun, dengan daya keluaran rata-rata 100 kW. Bintang-bintang juga mengandalkan fusi nuklir guna membangkitkan panas, cahaya dan radiasi lainnya. Konsep reaktor nuklir alami diajukan pertama kali oleh Paul Kuroda pada tahun 1956 saat di Universitas Arkansas.

Enrico Fermi dan Leó Szilárd, pertama kali membangun reaktor nuklir Chicago Pile-1 saat mereka di Universitas Chicago pada 2 Desember, 1942.

Reaktor nuklir generasi pertama digunakan untuk menghasilkan plutonium sebagai bahan senjata nuklir. Selain itu, reaktor nuklir juga digunakan oleh angkatan laut Amerika (lihat Reaktor Angkatan Laut Amerika Serikat) untuk menggerakkan kapal selam dan kapal pengangkut pesawat udara. Pada pertengahan 1950-an, baik Uni Sovyet maupun negara-negara barat meningkatkan penelitian nuklirnya termasuk penggunaan atom di luar militer. Tetapi, sebagaimana program militer, penelitian atom di bidang non-militer juga dilakukan dengan rahasia.

Pada 20 Desember 1951, listrik dari generator yang digerakkan oleh tenaga nuklir pertama kali dihasilkan oleh Experimental Breeder Reactor-I (EBR-1) yang berlokasi di Arco, Idaho. Pada 26 Juni 1954, pukul 5:30 pagi, PLTN pertama dunia utnuk pertama kalinya mulai beroperasi di Obninsk, Kaluga Oblast, USSR. PLTN ini menghasilkan 5 megawatt, cukup untuk melayani daya 2,000 rumah.[2][3]

PLTN skala komersial pertama dunia adalah Calder Hall, yang mulai beroperasi pada 17 Oktober 1956.[4] Reaktor generasi pertama lainnya adalah Shippingport Reactor yang berada di Pennsylvania (1957).

Sebelum Musibah Pulau Three Mile pada tahun 1979, sebenarnya permintaan akan PLTN baru di Amerika Serikat sudah menurun karena alasan ekonomi. Dari tahun 1978 sampai dengan 2004, tidak ada permintaan PLTN baru di Amerikat Serikat, meskipun hal itu mungkin akan berubah pada tahun 2010 (lihat Masa depan industri nuklir).

Tidak seperti halnya kecelakaan Three Mile Island, bencana Chernobyl pada tahun 1986 tidak berpengaruh pada peningkatan standar reaktor nuklir negara barat. Hal ini dikarenakan memang reaktor Chernobyl dikenal mempunyai desain yang tidak aman, menggunakan reaktor jenis RBMK, tanpa kubah pengaman (containment building) dan dioperasikan dengan tidak aman, dan pihak barat memetik pelajaran dari hal ini.

Pada tahun 1992 topan Andrew menghamtam Turkey Point Nuclear Generating Station. Lebih dari US$90 juta kerugian yang diderita, sebagian besar menimpa tangki penampungan air dan cerobong asap pembangkit listrik berbahan bakar fossil (minyak/batubara) yang ada dilokasi, tapi containment building tidak mengalami kerusakan.

Operasi

Neutron diserap oleh inti atom uranium-235, yang pada gilirannya terpecah menjadi elemen ringan yang bergerak cepat (produk fisi) dan neutron bebas. Meskipun kedua reaktor dan senjata nuklir bergantung pada reaksi berantai nuklir, laju reaksi dalam reaktor jauh lebih lambat daripada di bom. Sama seperti pembangkit listrik termal konvensional menghasilkan listrik dengan memanfaatkan energi panas yang dilepaskan dari pembakaran bahan bakar fosil, reaktor nuklir mengubah energi yang dilepaskan oleh fisi nuklir terkontrol menjadi energi panas untuk konversi lebih lanjut ke bentuk mekanik atau listrik.

Fisi

Ketika inti atom fisil besar seperti uranium-235 atau plutonium-239 menyerap neutron, ia dapat mengalami fisi nuklir. Inti berat terbagi menjadi dua atau lebih inti ringan, (produk fisi), melepaskan energi kinetik, radiasi gamma, dan neutron bebas. Sebagian dari neutron ini dapat diserap oleh atom fisil lain dan memicu peristiwa fisi lebih lanjut, yang melepaskan lebih banyak neutron, dan seterusnya. Ini dikenal sebagai reaksi berantai nuklir.

Untuk mengendalikan reaksi berantai nuklir seperti itu, batang kendali yang mengandung racun neutron dan moderator neutron dapat mengubah bagian neutron yang akan menyebabkan lebih banyak fisi. Reaktor nuklir umumnya memiliki sistem otomatis dan manual untuk mematikan reaksi fisi jika pemantauan atau instrumentasi mendeteksi kondisi yang tidak aman.

Pembangkit panas

Inti reaktor menghasilkan panas dalam beberapa cara:

Energi kinetik dari produk fisi diubah menjadi energi panas ketika inti ini bertabrakan dengan atom di dekatnya.
Reaktor menyerap sebagian sinar gamma yang dihasilkan selama fisi dan mengubah energinya menjadi panas.
Panas dihasilkan oleh peluruhan radioaktif produk fisi dan bahan yang telah diaktifkan oleh penyerapan neutron. Sumber panas peluruhan ini akan tetap ada selama beberapa waktu bahkan setelah reaktor dimatikan.

Satu kilogram uranium-235 (U-235) dikonversi melalui proses rilis nuklir sekitar tiga juta kali lebih banyak energi daripada satu kilogram batubara dibakar secara konvensional (7,2 × 10 13 joule per kilogram uranium-235 vs 2,4 × 10 7 joule per kilogram batu bara).

Moderator neutron dan Pendinginan

Sebuah pendingin nuklir reaktor- biasanya air tapi kadang-kadang gas atau logam cair (seperti natrium cair atau timbal) atau garam cair- disirkulasikan melewati inti reaktor untuk menyerap panas yang dihasilkannya. Panas dibawa pergi dari reaktor dan kemudian digunakan untuk menghasilkan uap. Kebanyakan sistem reaktor menggunakan sistem pendingin yang secara fisik terpisah dari air yang akan direbus untuk menghasilkan uap bertekanan untuk turbin, seperti reaktor air bertekanan. Namun, di beberapa reaktor air untuk turbin uap direbus langsung oleh teras reaktor; misalnya reaktor air mendidih.

Moderator neutron

Dalam teknik nuklir, moderator neutron atau pelambat neutron adalah sebuah medium yang mengurangi kecepatan neutron cepat, sehingga mengubahnya menjadi neutron termal yang dapat mendukung reaksi nuklir berantai yang melibatkan uranium-235 atau bahan fisi serupa.

Pada sekitar 2000-an, bahan yang paling umum digunakan sebagai moderator neutron adalah air biasa (sekitar 75% seluruh reaktor nuklir dunia), grafit padat (20% reaktor) dan air berat (5% reactor, disebut reaktor air berat). Selain itu, dalam penelitian berilium juga pernah digunakan, dan berbagai senyawa hidrokarbon juga disebutkan memiliki kemungkinan dapat dipakai.

Bahan yang digunakan:

Hydrogen, seperti dalam " air ringan " biasa. Karena protium juga memiliki penampang melintang yang signifikan untuk penangkapan neutron, hanya moderasi terbatas yang dimungkinkan tanpa kehilangan terlalu banyak neutron. Neutron yang kurang dimoderasi relatif lebih mungkin untuk ditangkap oleh uranium-238 dan lebih kecil kemungkinannya untuk fisi uranium-235, sehingga reaktor air ringan memerlukan uranium yang diperkaya untuk beroperasi.
- Ada juga usulan untuk menggunakan senyawa hasil reaksi kimia uranium logam dan hidrogen (uranium hidrida —UH 3) sebagai bahan bakar kombinasi dan moderator dalam reaktor tipe baru.
- Hidrogen juga digunakan dalam bentuk metana cair kriogenik dan kadang-kadang hidrogen cair sebagai sumber neutron dingin di beberapa reaktor penelitian : menghasilkan distribusi Maxwell-Boltzmann untuk neutron yang maksimumnya bergeser ke energi yang jauh lebih rendah.
- Hidrogen dikombinasikan dengan karbon seperti dalam lilin parafin digunakan dalam beberapa percobaan Jerman awal.
Deuterium, dalam bentuk air berat, dalam reaktor air berat, misalnya CANDU. Reaktor yang dimoderasi dengan air berat dapat menggunakan uranium alam yang tidak diperkaya.
Carbon, dalam bentuk grafit tingkat reaktor atau karbon pirolitik, digunakan misalnya dalam reaktor RBMK dan pebble-bed, atau dalam senyawa, misalnya karbon dioksida. Reaktor suhu rendah rentan terhadap penumpukan energi Wigner dalam material. Seperti reaktor yang dimoderasi deuterium, beberapa reaktor ini dapat menggunakan uranium alam yang tidak diperkaya.
- Grafit juga sengaja dibiarkan dipanaskan hingga sekitar 2000 K atau lebih tinggi di beberapa reaktor penelitian untuk menghasilkan sumber neutron panas : memberikan distribusi Maxwell-Boltzmann yang maksimumnya menyebar untuk menghasilkan energi neutron yang lebih tinggi.
Beryllium, dalam bentuk logam. Berilium mahal dan beracun, sehingga penggunaannya terbatas.
Lithium-7, dalam bentuk garam litium fluorida, biasanya bersama dengan garam berilium fluorida (FLiBe). Ini adalah jenis moderator yang paling umum dalam reaktor garam cair.

Bahan inti ringan lainnya tidak cocok karena berbagai alasan. Helium adalah gas dan memerlukan desain khusus untuk mencapai kepadatan yang cukup; lithium-6 dan boron-10 menyerap neutron.

Pendingin reaktor nuklir

Pendingin reaktor nuklir adalah pendingin dalam reaktor nuklir yang digunakan untuk menghilangkan panas dari inti reaktor nuklir dan transfer ke generator listrik dan lingkungan. Seringkali, rantai dua loop pendingin digunakan karena loop pendingin primer mengambil radioaktivitas jangka pendek dari reaktor.

Dalam reaktor daya sirkuit ganda (misalnya, VVER), pendingin dari reaktor memasuki generator uap, di mana uap dihasilkan, yang menggerakkan turbin, dan dalam reaktor sirkuit tunggal (misalnya, RBMK) pendingin itu sendiri (uap-air atau gas) dapat berfungsi sebagai fluida kerja siklus turbin. Dalam penelitian (misalnya, ilmu material) dan reaktor khusus (misalnya, dalam reaktor untuk akumulasi isotop radioaktif), pendingin hanya mendinginkan reaktor, panas yang dihasilkan tidak digunakan.

Persyaratan berikut dikenakan pada pendingin:

Penyerapan neutron yang lemah (dalam reaktor termal) atau perlambatan yang lemah (dalam reaktor cepat);
Ketahanan kimia dalam kondisi paparan radiasi yang intens;
Korosif rendah dalam kaitannya dengan bahan struktural yang kontak dengan pendingin;
Tinggi koefisien perpindahan panas ;
Kapasitas panas spesifik yang besar ;
Tekanan kerja rendah pada suhu tinggi.

Dalam reaktor termal, air (biasa dan berat), uap air , cairan organik, karbon dioksida digunakan sebagai pendingin; dalam reaktor neutron cepat menggunakan logam cair (terutama natrium , serta gas (misalnya, uap air, helium). Seringkali cairan berfungsi sebagai pembawa panas, yang sekaligus sebagai moderator.

Masa depan industri nuklir

Hingga tahun 2006, Watts Bar 1, yang akan beroperasi pada tahun 1997, adalah PLTN komersial Amerika Serikat terakhir yang akan beroperasi. Hal ini biasanya dijadikan bukti berhasilnya kampanye anti nuklir dunia. Tetapi, penolakan politis akan nuklir hanya berhasil terjadi di sebagian Eropa, Selandia Baru, Filipina dan Amerika Serikat. Bahkan di Amerika Serikat dan seluruh Eropa, investasi pada penelitian daur 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 memperbarui kebutuhan PLTN.

Banyak negara yang tetap aktif mengembangkan energi nuklirnya termasuk diantaranya Jepang, China dan India, kesemuanya aktif mengembangkan teknolgi reaktor termal dan reaktor cepat. Korea Selatan dan Amerika Serikat hanya mengembangkan teknolgi reaktor thermasSouth, Afrika Selatan dan China mengembangkan versi baru Pebble Bed Modular Reactor (PBMR). Finlandia dan Prancis aktif mengembangkan energi nuklir; Finladia mempunyai European Pressurized Reactor yang sedang dibangun oleh Areva. Jepang membangun unit yang beroperasi pada tahun 2005.

Pada 22 September 2005 telah diumumkan dua lokasi baru di Amerika Serikat yang telah dipilih sebagai lokasi PLTN.

Proses Kerja Pusat Listrik Tenaga Nuklir

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:

Bahan bakar nuklir melakukan reaksi fisi sehingga dilepaskan energi dalam bentuk panas yang sangat besar.
Panas hasil reaksi nuklir tersebut dimanfaatkan untuk menguapkan air pendingin, bisa pendingin primer maupun sekunder bergantung pada tipe reaktor nuklir yang digunakan.
Uap air yang dihasilkan dipakai untuk memutar turbin sehingga dihasilkan energi gerak (kinetik).
Energi kinetik dari turbin ini selanjutnya dipakai untuk memutar generator sehingga dihasilkan arus listrik.

Komponen dasar reaktor nuklir

Komponen dasar dari reaktor nuklir adalah sebagai berikut:

Bahan bakar nuklir, berbentuk batang logam berisi bahan radioaktif yang berbentuk pelat
Moderator, berfungsi menyerap energi neutron
Reflektor, berfungsi memantulkan kembali neutron
Pendingin, berupa bahan gas atau logam cair untuk mengurangi energi panas dalam reaktor
Batang kendali, berfungsi menyerap neutron untuk mengatur reaksi fisi
Perisai, merupakan pelindung dari proses reaksi fisi yang berbahaya