Mesin Konversi Energi

Reaktor Nuklir

A. Pengertian

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 piranti 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.

B. Reaktor Nuklir

Dalam pembangkit listrik tenaga nuklir bagian yang paling utama adalah reaktor dimana

terdiri dari berbagai komponen yaitu :

1. Bahan bakar nuklir, berbentuk batang logam berisi bahan radioaktif yang berbentuk

pelat.

2. Moderator, berfungsi menyerap energi neutron.

3. Reflektor, berfungsi memantulkan kembali neutron.

4. Pendingin, berupa bahan gas atau logam cair untuk mengurangi energi panas dalam

reaktor.

5. Batang kendali, berfungsi menyerap neutron untuk mengatur reaksi fisi.

6. Perisai, merupakan pelindung dari proses reaksi fisi yang berbahaya.

1

Mesin Konversi Energi

Tujuan utama dari desain dan operasi reaktor nuklir adalah pemanfaatan dari energi atau

radiasi yang dihasilkan dari reaksi fisi berantai yang terjadi pada teras reactor. Lebih detail,

reaksi fisi terjadi pada bahan bakar yang terdapat pada teras reaktor. Pada tipe PWR, bahan

bakar berbentuk pellet tersusun menjadi batangan (fuel pin) yang dibundel (fuel-assembly)

dan disusun dalam teras reaktor.

Berikut ini dari gambar dijelaskan mengenai teras nuklir secara mendetail:

Penampang melintang Fuel - pin

Fuel-pin

Fuel-Assembly Penampang melintang Teras reaktor

Gambar 1. Detail Reaktor Nuklir

Beberapa tipe reaktor nuklir serta jenis bahan moderator dan pendingin yang

digunakan diperlihatkan pada Tabel di bawah. Pada umumnya tipe reaktor nuklir dalam

PLTN dibedakan berdasarkan komposisi dan konstruksi dari bahan moderator neutron dan

bahan pendingin yang digunakan sehingga digunakan sebutan seperti reaktor gas, reaktor air

ringan, reaktor air berat (air ringan: H2O; air berat: D2O; D adalah salah satu isotop hidrogen,

yaitu deuterium 2H1). Selain itu faktor kondisi air pendingin juga menjadi pertimbangan

penggolongan tipe reaktor nuklir dalam PLTN. Jika air pendingin dalam kondisi mendidih

disebut reaktor air didih, jika tak mendidih (atau tidak diizinkan mendidih, dengan memberi

tekanan secukupnya pada pendingin) disebut reaktor air tekan. Reaktor nuklir dengan

temperatur pendingin sangat tinggi (di atas 800oC) disebut reaktor gas temperatur tinggi.

Kecepatan neutron rata-rata dalam reaktor yang dihasilkan dari reaksi fisi juga dipakai untuk

menggolongkan tipe reaktor. Berdasarkan kecepatan neutron rata-rata dalam teras, ada reaktor

2

Mesin Konversi Energi

cepat dan reaktor termal (neutron dengan kecepatan relatif lambat sering disebut sebagai

neutron termal).

1. Reaktor Air Ringan (Light Water Reactor, LWR)

Di antara PLTN yang masih beroperasi di dunia, 80 % adalah PLTN tipe Reaktor Air

Ringan (LWR).

Reaktor ini pada awalnya dirancang untuk tenaga penggerak kapal selam angkatan laut

Amerika. Dengan modifikasi secukupnya dan peningkatan daya seperlunya kemudian

digunakan dalam PLTN. PLTN tipe ini dengan daya terbesar yang masih beroperasi pada saat

ini (tahun 2003) adalah PLTN Chooz dan Civaux di Perancis yang mempunyai daya 1500

MWe, dari kelas N-4 Perancis. Reaktor Air Ringan dapat dibedakan menjadi dua golongan

yaitu Reaktor Air Didih dan Reaktor Air Tekan (pendingin tidak mendidih), kedua golongan

ini menggunakan air ringan sebagai bahan pendingin dan moderator. Pada tipe reaktor air

ringan sebagai bahan bakar digunakan uranium dengan pengayaan rendah sekitar 2% - 4%;

bukan uranium alam karena sifat air yang menyerap neutron. Kemampuan air dalam

memoderasi neutron (menurunkan kecepatan/ energi neutron) sangat baik, maka jika

digunakan dalam reaktor (sebagai moderator neutron dan pendingin) ukuran teras reaktor

menjadi lebih kecil (kompak) bila dibandingkan dengan reaktor nuklir tipe reaktor gas dan

reaktor air berat.

1.1. Reaktor Air Tekan (Pressurized Water Reactor, PWR)

Pada PLTN tipe PWR, air sistem pendingin primer masuk ke dalam bejana tekan

reaktor pada tekanan tinggi dan temperatur lebih kurang 290oC. Air bertekanan dan

bertemperatur tinggi ini bergerak pada sela-sela batang bahan bakar dalam perangkat bahan

bakar ke arah atas teras sambil mengambil panas dari batang bahan bakar, sehingga

temperaturnya naik menjadi sekitar 320oC. Air pendingin primer ini kemudian disalurkan ke

perangkat pembangkit uap (lewat sisi dalam pipa pada perangkat pembangkit uap), di

perangkat ini air pendingin primer memberikan energi panasnya ke air pendingin sekunder

(yang ada di sisi luar pipa pembangkit uap) sehingga temperaturnya naik sampai titik didih

dan terjadi penguapan. Uap yang dihasilkan dari penguapan air pendingin sekunder tersebut

kemudian dikirim ke turbin untuk memutar turbin yang dikopel dengan generator listrik.

Perputaran generator listrik akan menghasilkan energi listrik yang disalurkan ke jaringan

listrik. Air pendingin primer yang ada dalam bejana reaktor dengan temperatur 320oC akan

mendidih jika berada pada tekanan udara biasa (sekitar satu atmosfer). Agar pendingin primer

ini tidak mendidih, maka sistem pendingin primer diberi tekanan hingga 157 atm. Karena

3

Mesin Konversi Energi

adanya pemberian tekanan ini maka bejana reaktor sering disebut sebagai bejana tekan atau

bejana tekan reaktor. Pada reaktor tipe PWR, air pendingin primer yang membawa unsur-

unsur radioaktif dialirkan hanya sampai ke pembangkit uap, tidak sampai turbin, oleh karena

itu pemeriksaan dan perawatan sistem sekunder (komponen sistem sekunder: turbin,

kondenser, pipa penyalur, pompa sekunder dll.) menjadi mudah dilakukan. Konstruksi bejana

reaktor tipe PWR ditunjukkan pada gambar di bawah dan perubahan teknologi PWR

ditunjukkan pada di bawah Pada prinsipnya PWR yang dikembangkan oleh Rusia (disebut

VVER) sama dengan PWR yang dikembangkan oleh negara-negara barat. Perbedaan

konstruksi terdapat pada bentuk penampang perangkat bahan bakar VVER (berbentuk segi

enam) dan letak pembangkit uap VVER (horisontal). Pada reaktor tipe PWR, seperti yang

banyak beroperasi saat ini, peralatan sistem primer saling dihubungkan membentuk suatu

untai (loop). Jika peralatan sistem primer dihubungkan oleh dua pipa penghubung utama yang

diperpendek, dan kemudian dimasukkan dalam bejana reaktor maka sistem seperti ini disebut

reaktor setengah terintegrasi (setengah modular). Tetapi jika seluruh sistem primer disatukan

dan dimasukkan ke dalam bejana reaktor maka disebut reaktor terintegrasi (modular), lihat.

Reaktor setengah modular ataupu modular tidak dikembangkan untuk PLTN berdaya besar.

1.2. Reaktor Air Didih (Boiling Water Reactor, BWR)

Karakteristika unik dari reaktor air didih adalah uap dibangkitkan langsung dalam

bejana reaktor dan kemudian disalurkan ke turbin pembangkit listrik. Pendingin dalam bejana

reaktor berada pada temperatur sekitar 285 oC dan tekanan jenuhnya sekitar 70 atm. Reaktor

ini tidak memiliki perangkat pembangkit uap tersendiri, karena uap dibangkitkan di bejana

reaktor. Karena itu pada bagian atas bejana reaktor terpasang perangkat pemisah dan

pengering uap, akibatnya konstruksi bejana reaktor menjadi lebih rumit. Konstruksi reaktor

BWR diperlihatkan pada sedangkan pada ditunjukan perkembangan teknologi reaktor BWR.

2. Reaktor Air Berat (Heavy Water Reactor, HWR)

Dalam hal kemampuan memoderasi neutron, air berat berada pada urutan berikutnya

setelah air ringan, tetapi air berat hampir tidak menyerap neutron. Oleh karena itu jika air

berat dipakai sebagai moderator, maka dengan hanya menggunakan uranium alam (tanpa

pengayaan) reaktor dapat beroperasi dengan baik. Bejana reaktor (disebut kalandria)

merupakan tangki besar yang berisi air berat, di dalamnya terdapat pipa kalandria yang berisi

perangkat bahan bakar. Tekanan air berat biasanya berkisar pada tekanan satu atmosfer, dan

temperaturnya dijaga agar tetap di bawah 100 oC. Akan tetapi pendingin dalam pipa kalandria

4

Mesin Konversi Energi

mempunyai tekanan dan temperatur yang tinggi, sehingga konstruksi pipa kalandria berwujud

pipa tekan yang tahan terhadap tekanan dan temperatur yang tinggi.

2.1. Reaktor Air Berat Tekan (Pressurized Heavy Water Reactor, PHWR)

CANadian Deuterium Uranium Reactor (CANDU) adalah suatu PLTN yang tergolong

pada tipe reaktor pendingin air berat tekan dengan pipa tekan. Reaktor ini merupakan reaktor

air berat yang banyak digunakan. Bahan bakar yang digunakan adalah uranium alam. Kanada

menjadi pelopor penyebaran reaktor tipe ini di seluruh dunia.

2.2. Reaktor Air Berat Pendingin Gas (Heavy Water Gas Cooled Reactor, HWGCR)

HWGCR atau sering dibalik GCHWR adalah suatu tipe reaktor nuklir yang

menggunakan air berat sebagai bahan moderatornya, sehingga pemanfaatan neutronnya

optimal. Gas pendingin dinaikkan temperaturnya sampai pada tingkat yang cukup tinggi

sehingga efisiensi termal reaktor ini dapat ditingkatkan. Tetapi oleh karena persoalan

pengembangan bahan kelongsong yang tahan terhadap temperatur tinggi dan paparan radiasi

lama belum terpecahkan hingga sekarang, maka pada akhirnya di dunia hanya terdapat 4

reaktor tipe ini. Di negara Perancis reaktor tipe ini dibangun, tetapi sebagai bahan kelongsong

tidak digunakan berilium melainkan stainless steel.

2.3. Reaktor Air Berat Pembangkit Uap (Steam Generated Heavy Water Reactor)

Reaktor ini sering disebut Light Water Cooled Heavy Water Reactor (LWCHWR) dan

hanya ada di Pusat Penelitian Winfrith Inggris. Reaktor berdaya 100 MWe ini merupakan

prototipe reaktor pembangkit daya tipe SGHWR, dan beroperasi dari tahun 1968 sampai

tahun 1990. Pada waktu itu reaktor SGHWR sempat menjadi suatu fokus pengembangan di

Inggris, tetapi oleh karena persoalan ekonomi maka tidak dikembangkan lebih lanjut.

Sementara itu Jepang mengembangkan reaktor air berat yang disebut Advanced Thermal

Reactor (ATR). Jepang membangun reaktor ATR Fugen berdaya 165 MWe. Keunikan dari

reaktor ATR ini adalah, bahan bakar dapat terbuat dari uranium dengan pengayaan rendah

atau uranium alam yang diperkaya dengan plutonium. Pada saat bahan bakar terbakar,

penyusutan plutonium di bahan bakar sedikit sekali. Reaktor prototipe Fugen dioperasikan

sejak tahun 1979, tetapi karena terjadi perubahan kebijakan dari pemerintah, sampai saat ini

reaktor ATR komersial belum pernah terwujud. Reaktor Fugen beroperasi hingga tahun 2002

dan pada tahun berikutnya direncanakan untuk didekomisioning.

5

Mesin Konversi Energi

3. Reaktor Grafit

Salah satu tipe rektor yang umum juga digunakan adalah reaktor grafit ini, ada tiga

tipe yaitu :

3.1. Reaktor Pendingin Gas (Gas Cooled Reactor, GCR)

Grafit sebagai bahan moderator sudah digunakan oleh ilmuwan Enrico Fermi sejak

reaktor nuklir pertama Chicago Pile No.1 (CP 1). Grafit terkenal murah dan dapat diperoleh

dalam jumlah besar. Plutonium (Pu-239) yang digunakan pada bom atom yang dijatuhkan

pada saat Perang Dunia II dibuat di reaktor grafit. Setelah perang dunia berakhir reaktor GCR

adalah salah satu tipe reaktor yang didesain-ulang di Inggris maupun Perancis. Reaktor ini

menggunakan bahan bakar logam uranium alam, moderator grafit pendingin gas

karbondioksida. Bahan kelongsong terbuat dari paduan magnesium (Magnox), oleh karena itu

reaktor ini disebut sebagai reaktor Magnox. Reaktor Magnox mempunyai pembangkitan daya

listrik cukup besar dan efisiensi ekonomi yang baik. Raktor tipe modifikasi Magnox pernah

dibangun di Jepang pada tahun 1967 sebagai PLTN Tokai. Setelah beroperasi selama 30

tahun reaktor ini ditutup pada tahun 1998.

3.2. Reaktor Pendingin Gas Maju (Advanced Gas-cooled Reactor, AGR)

Di Inggris fokus pengembangan teknologi PLTN bergeser ke reaktor berbahan bakar

uranium dengan pengayaan rendah, yang memiliki kerapatan daya dan efisiensi termal yang

tinggi. Unjuk kerja reaktor ini terbukti dapat diperbaiki. Di Inggris reaktor ini hanya sempat

dibangun sebanyak 14 buah saja, karena setelah pertengahan tahun 1980 kebijakan

Pemerintah Inggris berubah.

3.3. Reaktor Pendingin Gas Suhu Tinggi (High Temperatur Gas-cooled Reactor, HTGR)

Reaktor ini menggunakan gas helium sebagai pendingin. Karakteristika menonjol

yang unik dari reaktor HTGR ini adalah konstruksi teras didominasi bahan moderator grafit,

temperatur operasi dapat ditingkatkan menjadi tinggi dan efisiensi pembangkitan listrik dapat

mencapai lebih dari 40 %. Terdapat 3 bentuk bahan bakar dari HTGR, yaitu dapat berupa:

(a) Bentuk batang seperti reaktor air ringan (dipakai di reaktor Dragon dan Peach Bottom);

(b)Bentuk blok, di mana di dalam lubang blok grafit yang berbentuk segi enam di

masukkan batang bahan bakar (dipakai di reaktor Fort St. Vrain, MHTGR, HTTR);

(c) Bentuk bola (peble bed), di mana butir bahan bakar bersalut didistribusikan dalam bola

grafit (dipakai di reaktor AVR, THTR-300).

6

Mesin Konversi Energi

3.4. Reaktor Pipa Tekan Air Didih Moderator Grafit (Light Water Gas-cooled Reactor)

RBMK adalah reaktor tipe ini yang hanya dikembangkan di Rusia. Reaktor ini tidak

menggunakan tangki kalandria (berisi air berat) seperti reaktor tipe SGHWR tetapi

menggunakan grafit sebagai moderator, oleh karena itu dimensi reaktor menjadi besar. Sekitar

1700 buah pipa tekan menembus susunan blok grafit. Di dalam pipa tekan diisi batang bahan

bakar di mana di sekelilingnya mengalir air ringan yang mengambil panas dari batang bahan

bakar sehingga mendidih. Uap yang terbentuk dikirim ke turbin pembangkit listrik untuk

memutar turbin dan membangkitkan listrik. Salah satu reaktor tipe ini yang terkenal karena

mengalami kecelakaan adalah reaktor Chernobyl No.4 yang merupakan reaktor tipe RBMK-

1000. Salah satu kegagalan desain pada reaktor tipe RBMK yang dianggap sebagai kambing

hitam terjadinya kecelakaan Chernobyl adalah tidak tersedianya bejana pengungkung reaktor.

4. Reaktor Cepat (Fast Reactor, FR), Reaktor Pembiak Cepat (Liquid Metal Fast

Breeder Reactor)

Seperti tersirat dalam nama tipe reaktor ini, neutron cepat yang dihasilkan dari reaksi

fisi dengan kecepatan tinggi dikondisikan sedemikian rupa sehingga diserap oleh uranium-

238 menghasilkan plutonium-239. Dengan kata lain di dalam reaktor dapat dibiakkan (dibuat)

unsur plutonium. Rapat daya dalam teras reaktor cepat sangat tinggi, oleh karena itu sebagai

pendingin biasanya digunakan bahan logam natrium cair atau logam cair campuran natrium

dan kalium (NaK) yang mempunyai kemampuan tinggi dalam mengambil panas dari bahan

bakar. Konstruksi reaktor pembiak cepat terdiri dari pendingin primer yang berupa bahan

logam cair mengambil panas dari bahan bakar dan kemudian mengalir ke alat penukar panas-

antara (intermediate heat exchanger), selanjutnya energi panas ditransfer ke pendingin

sekunder dalam alat penukar panas-antara ini. Kemudian pendingin sekunder (bahan

pendingin adalah natrium cair atau logam cair natrium) yang tidak mengandung bahan

radioaktif akan mengalir membawa panas yang diterima dari pendingin primer menuju ke

perangkat pembangkit uap, dan memberikan panas ke pendingin tersier (air ringan) sehingga

temperaturnya meningkat dan mendidih (proses pembangkitan uap). Uap yang dihasilkan

selanjutnya dialirkan ke turbin untuk memutar generator listrik yang dikopel dengan turbin.

Komponen sistem primer dari reaktor pembiak cepat terdiri dari bejana reaktor, pompa

sirkulasi primer, alat penukar panas-antara. Komponen ini dirangkai oleh pipa penyalur

pendingin membentuk suatu untai (loop), karena itu reaktor seperti ini digolongkan dalam

kelas reaktor untai. Apabila seluruh komponen sistem primer di atas semuanya dimasukkan ke

dalam bejana reaktor, maka reaktor pembiak cepat seperti ini digolongkan dalam kelas

7

Mesin Konversi Energi

reaktor tangki atau reaktor kolam. Contoh reaktor pembiak cepat tipe reaktor untai adalah

reaktor prototipe Monju di Jepang, sedangkan untuk tipe reaktor kolam adalah reaktor Super

Phenix di Perancis yang sudah menjadi reaktor komersial. Reaktor Cepat Eropa (Europian

Fast Reactor, EFR) yang secara intensif dikembangkan oleh negara-negara Eropa diharapkan

akan mulai masuk pasar komersial pada tahun 2010.

8

Mesin Konversi Energi

9

Mesin Konversi Energi

10

Mesin Konversi Energi

11

Mesin Konversi Energi

12

Mesin Konversi Energi

13

Mesin Konversi Energi

Referensi

• Amin mutohar, “nuklir sebagai sumber energi listrik.pdf”

• Morgan Windram, Duane Castaldi, Matt Pickett Lauren Ziatyk, “Nuclear Energy.ppt”

• www.batan.go.id/ berbagai tipe pembangkit listrik tenaga nuklir

• http://id.wikipedia.org/wiki/Reaktor_nuklir

• http://id.wikipedia.org/wiki/PLTN

• http://id.wikipedia.org/wiki/Nuclear_energy

• http://id.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power

14