Download - energi nuklir
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
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.
Isu energi nuklir yang berkembang saat ini memang
berkisar tentang penggunaan energi nuklir dalam bentuk bom
nuklir dan bayangan buruk tentang musibah hancurnya reaktor
nuklir di Chernobyl. Isu-isu ini telah membentuk bayangan
buruk dan menakutkan tentang nuklir dan pengembangannya.
1
Padahal, pemanfaatan yang bijaksana, bertanggung jawab, dan
terkendali atas energi nuklir dapat meningkatkan taraf
hidup sekaligus memberikan solusi atas masalah kelangkaan
energi.
1.1. Definisi Nuklir
Bagi kebanyakan orang, nuklir dianggap sebagai sesuatu
yang tidak baik dan berbahaya. Dengan berlandaskan asumsi
bahwa nuklir dapat bermanfaat bagi manusia, para peneliti
dan orang-orang yang bergelut di bidang nuklir telah banyak
memberikan kontribusi bagi kemajuan pengembangan teknologi
nuklir. Di zaman ini, manusia sudah banyak melakukan
berbagai upaya dan penelitian dalam rangka pemanfaatan
energi nuklir. Berikut ini akan dibahas secara lebih
mendalam lagi mengenai berbagai pemanfaatan energi nuklir
yang telah dilakukan manusia sampai saat ini.
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 :
2
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).
Dalam hukum kekekalan massa-energi dinyatakan bahwa 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 pun luar biasa besar. Karena Uranium
bahan tambang, maka bentuknya juga padat
3
Gambar 2. Bahan tambang Uranium
Indonesia memiliki cadangan uranium 53 ribu ton yang dapat
dimanfaatkan sebagai bahan baku Pembangkit Listrik Tenaga
Nuklir (PLTN), yakni sebanyak 29 ribu ton di Kalimantan
Barat dan 24 ribu ton sisanya ada di Bangka Belitung.
Selain itu Papua juga diindikasikan memiliki cadangan
uranium yang cukup besar. Perkiraan bahwa Pulau Papua
menyimpan cadangan uranium atau bahan baku nuklir dalam
jumlah besar didasarkan pada kesamaan jenis batuan Papua
dengan batuan Australia yang telah diketahui menyimpan
cadangan uranium terbesar di dunia, ujarnya. Jika suatu
PLTN seukuran 1.000 MW membutuhkan 200 ton Uranium per
tahun, maka dengan cadangan di Kalimantan Barat saja yang
mencapai 29 ribu ton Uranium bisa memasok Uranium selama
145 tahun. Data ini dipaparkan oleh Deputi Pengembangan
Teknologi Daur Bahan Nuklir dan Rekayasa Badan Tenaga
Nuklir Nasional (BATAN), Dr. Djarot S Wisnubroto.
4
BAB II
TENAGA NUKLIR SEBAGAI SUMBER ENERGI
2.1. Sumber Energi di Indonesia
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 antara lain :
a. Batu Bara
Kelebihan : Tidak mahal bahan bakarnya, mudah untuk
didapat.
5
Kelemahan : Dibutuhkan kontrol untuk polusi udara dari
pembakaran batu bara tersebut, berkontribusi terhadap
peristiwa hujan asam dan pemanasan global.
b. 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.
c. Bensin
Kelebiha n : Sangat mudah untuk didistribusikan, mudah untuk
didapatkan, energinya cukup tinggi.
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 dan meregenerasi energinya semakin murah dari
6
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.
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 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,
7
pemurnian, penggunaan, dan pembuangan dari material-
material ini termasuk dalam siklus bahan bakar nuklir.
2.2. 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.
8
Tabel 2.1. Status PLTN di Dunia
2.2.1. 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 3. Salah satu desain PLTN
9
Air yang bersuhu tinggi dan yang bersentuhan langsung
dengan bahan bakar Uranuim (warna merah) selalu berada di
dalam containment, containment 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
10
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.
3.1. Proses Fisi
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.
3.2. Proses Fusi
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
11
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 4. Reaksi D-T Fusion
12
3.3. 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
13
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.
Ambil 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 :
14
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 selama
12 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
15
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 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
16
(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
17
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
18
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.
19
2.Moderator : Berfungsi untuk memperlambat kecepatan
nutron sehingga berkecepatan termal. 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
20
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.
Gambar 8: Bentuk nyata dari inti reaktor
Gambar 9: Bentuk nyata dari batang-batang kendali
21
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
22
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.
b.PWR : Presured Water Reactor / Reaktor Air Tekan.
c.BWR : Boiling Water Reactor / Reaktor Air Mendidih.
d. HWR : Heavy Water Reactor / Reaktor Air Berat.
e. HTGR : High Temperatur Gas Reactor / Reaktor Gas Suhu
Tinggi.
f. LMFBR : Liquit Metal Fast Breder Reactor / Reaktor
Pembiak Cepat Logam Cair.
Berikut ini adalah beberapa keterangan yang akan
menjelaskan tentang jenis-jenis dari reaktor nuklir,
antara lain :
A. 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
23
(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.
b. 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
24
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
25
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
10, Diagram Alir Reaktor Air Tekan
26
Gambar 10, Diagram Alir Reaktor Air Tekan
C. BWR (Boiling Water Reactor) / Reaktor Air MendidihReaktor 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
27
dengan tingkat pengayaannya 3-4 % dalam bentuk UO2.
Gambar 11, Diagram Alir Reaktor Air Didih
D. 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
28
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.
29
Gambar 12. Alir Reaktor Air Berat
E. 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
30
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 13, Diagram Alir Reaktor Gas SuhuTinggi
F. LMFBR (Liquit Metal Fast Breder Reactor) / Reaktor Pembiak
Cepat Logam Cair.
Selain yang telah dipaparkan diatas reaktor juga ada yang
31
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.
DAMPAK DAN PENANGANAN 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.
32
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
33
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.
34