PRINSIP KERJA PLTN DAN REAKTOR NUKLIR

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. Padahal, pemanfaatan yang bijaksana, bertanggung jawab, dan terkendali atas

energi nuklir dapat meningkatkan taraf hidup sekaligus memberikan solusi atas masalah kelangkaan

energi.

Apa Itu Nuklir?Apa yang terbayangkan dalam benak kita ketika mendengar kata “nuklir”? Sepertinya

sebagian besar orang berpikir bahwa nuklir itu sesuatu yang mengerikan dan berbahaya, identik

dengan bom dan dampak radiasi yang ditimbulkannya. Bagi kebanyakan orang, nuklir dianggap

sebagai sesuatu yang tidak baik dan berbahaya. Apakah itu benar? Seperti ada pepatah mengatakan:

“Tak kenal maka tak sayang”, begitu pula dengan penilaian kita terhadap nuklir. Jika kita bersikap

terbuka dan mencoba untuk mengenal nuklir lebih dalam lagi, ternyata kita dapat menemukan

“kebaikan-kebaikan” yang dapat diberikan nuklir bagi kesejahteraan hidup manusia. 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 :

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). Jika ingat

ama pelajaran kimia, silahkan cek nama-nama unsur tadi dalam sistem periodik unsur. Masih ingat

dengan hukum kekekalan massa-energi bukan (pelajaran Fisika kelas 3 SMA)? Nah, 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 pun luar biasa besar. Karena Uranium bahan tambang, maka

bentuknya juga padat seperti gambardibawah ini:

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. Tapi soal ini masih akan diteliti dulu," kata Deputi

Pengembangan Teknologi Daur Bahan Nuklir dan Rekayasa Badan Tenaga Nuklir Nasional (Batan)

Dr Djarot S Wisnubroto kepada pers di Jakarta, Selasa malam. 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 Kalbar saja yang mencapai 29 ribu ton Uranium, urai

Djarot, itu berarti bisa memasok Uranium selama 145 tahun.

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.

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 3 : Salah satu desain PLTN

Lihat, 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.

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 C2

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.

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 :

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 dan Reaktor 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 :

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 (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 4: 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 5 : 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

Keterangan:

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

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 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. Shielding : Membungkus reaktor untuk menahan dan melemahkan semua radiasi

yang mematikan sebagai akibat dari proses fisi. Shielding dapat dibuat

dari besi, timah hitam atau beton tebal dicampur oksida besi.

8. 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 6: Bentuk nyata dari batang-batang kendali dan bentuk nyata dari inti reaktor