Reaksi Fusi

Reaksi fusi (penggabungan inti) adalah reaksi nuklir yang melibatkan penggabungan inti-inti atom dengan nomor atom kecil untuk membentuk inti yang lebih berat dengan melepaskan sejumlah besar energi. Dalam reaksi fisi, sebuah neutron dipergunakan untuk membelah sebuah inti yang besar, tetapi dalam reaksi fusi nuklir, dua inti yang bereaksi harus saling bertumbukan. Karena kedua inti bermuatan positif, maka timbul gaya tolak yang kuat antarinti, yang hanya dapat dilawan bila inti yang bereaksi memiliki energi kinetik yang sangat besar. 

Gambar 2. Reaksi fusi deuterium dan tritium, menghasilkan  helium -4 dan  neutron serta melepaskan energi sebesar 17,59 MeV. [2]

Pada temperatur tinggi, reaksi fusi berlangsung sendiri, reaktan pada temperatur ini berada dalam bentuk plasma (dengan kata lain inti dan atom bebas) dan inti memiliki energi yang cukup untuk melawan gaya tolak elektrostatik. Bom fusi dan bintang-bintang menghasilkan energi dengan cara seperti ini. 

Gambar 3. Tokamak reaktor fusi percobaan.

Diharapkan metode ini akan digunakan dalam reaktor termonuklir, sebagai sumber energi untuk kepentingan manusia. Berikut ini adalah contoh reaksi fusi yang terjadi pada bintang, matahari, serta pada atom hidrogen.

Contoh Soal 3 :

Reaksi fusi berikut ini berlangsung di Matahari dan menghasilkan sebagian besar energinya:

Berapa besar energi yang dilepaskan ketika 1 kg hidrogen dikonsumsi? Massa ¹H adalah 1,007825 u; 4He adalah 4,002604 u; dan 0e + 1 adalah 0,000549 u.

Penyelesaian:

Diketahui: 

m_H = 1,007825 u 

m_He = 4,002604 u

m_e = 0,000549 u

Ditanya: Energi = ...?

Pembahasan :

Q = {(4 m_H) – (m_He) + 2 m_e)} × 931 MeV/sma

Q = {(4 × 1,007825) – (4,002604 + (2 × 0,000549))} × 931

Q = 24,872596 MeV

4 atom H = 4 × 1,007825 = 4,0313 sma

5. Reaktor Nuklir

Reaktor nuklir merupakan sebuah peralatan sebagai tempat berlangsungnya reaksi berantai fisi nuklir terkendali untuk menghasilkan energi nuklir, radioisotop, atau nuklida baru.

Gambar 4. Skema dasar reaktor.

Keterangan :

1. Bahan bakar
2. Teras reaktor
3. Moderator
4. Batang kendali
5. Pompa pemindah
6. Generator uap
7. Shielding (perisai)

Berikut ini beberapa komponen dasar reaktor.

a) Bahan bakar reaktor nuklir merupakan bahan yang akan menyebabkan suatu reaksi fisi berantai berlangsung sendiri, sebagai sumber energi nuklir. Isotop fisi adalah uranium-235, uranium-233, plutonium-239. Uranium-235 terdapat di alam (dengan perbandingan 1 : 40 pada uranium alam), dan yang lainnya harus dihasilkan secara buatan.

b) Teras reaktor, di dalamnya terdapat elemen bahan bakar yang membungkus bahan bakar.

c) Moderator adalah komponen reaktor yang berfungsi untuk menurunkan energi neutron cepat (+ 2 MeV) menjadi komponen reaktor normal (+ 0,02 - 0,04 eV) agar dapat bereaksi dengan bahan bakar nuklir. Selain itu, moderator juga berfungsi sebagai pendingin primer. Persyaratan yang diperlukan untuk bahan moderator yang baik adalah dapat menghilangkan sebagian besar energi neutron cepat tersebut dalam setiap tumbukan dan memiliki kemampuan yang kecil untuk menyerap neutron, serta memiliki kemampuan yang besar untuk menghamburkan neutron.

Bahan-bahan yang digunakan sebagai moderator, antara lain:

1) air ringan (H₂O), c) grafit, dan

2) air berat (D₂O), d) berilium.

d. Setiap reaksi fisi menghasilkan neutron baru yang lebih banyak (2 - 3 neutron baru), maka perlu diatur jumlah neutron yang bereaksi dengan bahan bakar. Komponen reaktor yang berfungsi sebagai pengatur jumlah neutron yang bereaksi dengan bahan bakar adalah batang kendali. Dalam reaktor dikenal faktor pengali (k), yaitu perbandingan jumlah neutron yang dihasilkan setiap siklus dengan jumlah neutron pada awal siklus untuk:

k = 1, operasi reaktor dalam keadaan kritis,

k > 1, operasi reaktor dalam keadaan super kritis,

k < 1, operasi reaktor dalam keadaan subkritis.

Bahan yang dipergunakan untuk batang kendali reaktor haruslah memiliki kemampuan tinggi menyerap neutron. Bahan-bahan tersebut antara lain kadmium (Cd), boron (B), atau haefnium (Hf ).

e. Perisai (shielding), berfungsi sebagai penahan radiasi hasil fisi bahan agar tidak menyebar pada lingkungan.

f. Pemindah panas, berfungsi untuk memindahkan panas dari pendingin primer ke pendingin sekunder dengan pompa pemindah panas.

g. Pendingin sekunder, dapat juga berfungsi sebagai generator uap (pembangkit uap) yang selanjutnya dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik.

Gambar 5. Batangan bahan bakar reaktor nuklir magnox. [3]

Batangan bahan bakar ini digunakan untuk reaktor nuklir magnox. Batangan ini terbuat dari uranium alami, dibungkus magnox (aloi campuran magnesium).