Fusi Nuklir

Proses Fusi Nuklir

Proses fusi pada dasarnya adalah sebuah antitesis dari proses fisi. Dalam proses fisi, inti bermassa berat membelah menjadi inti bermassa ringan, sambil melepaskan kelebihan energi pengikatan. Pada reaksi fusi, inti bermassa ringan bergabung dalam rangka melepaskan kelebihan energi pengikatan. Reaksi fusi adalah reaksi umum yang “meminyaki” matahari dan telah dipakai di bumi untuk melepaskan energi dalam jumlah besar di dalam termonuklir atau bom “hidrogen”. Hanya saja, masalah teknis yang berkaitan dengan pelepasan terkendali dari energi yang diperoleh dari reaksi fusi sampai kini belum terpecahkan, meskipun banyak sekali upaya penelitian yang telah dilakukan dalam hal teknologi ini.

Lima reaksi fusi yang sangat mungkin terjadi beserta dengan energi penyalaan dan temperatur penyalaannya, diberikan di bawah ini :

Akan dapat dilihat bahwa reaksi-reaksi itu yang menghasilkan partikel alfa biasanya melepaskan energi besar sekali. Penggabungan dua neutron dan dua proton, yang terjadi para partikel alfa, menghasilkan konfigurasi yang sangat stabil dengan nilai energi pengikatan yang sangat tinggi per nukleon. Saat ini, beberapa ahli fisika telah memajukan suatu reaksi nuklir yang lain sebagai suatu sumber energi nuklir yang kelihatannya memungkinkan. Reaksi ini disebut reaksi “fisi termonuklir” dan melibatkan suatu reaksi antara isotop-isotop hidrogen-1 dan boron-11. Reaksi tersebut ditunjukkan di bawah ini :

Reaksi ini mempunyai beberapa hal yang menarik. Pertama, boron adalah satu dari antara beberapa unsur yang lebih umum, yang terdapat di kulit bumi dan 80 persen atom boron adalah boron-11. Boron juga ternyata lebih muda diisolasi dibanding dengan isotop hidrogen-berat. Yang kedua dan terpenting, produk reaksi ini adalah tiga partikel alfa dan partikel-partikel ini tidak bersifat radioaktif. Reaksi ini hanya menghasilkan energi dan helium dan kadangkadang disebut reaksi “super bersih”.

Reaksi ini dinamakan reaksi fisi karena inti senyawa terangsang, carbon-12*, pecah menjadi tiga bagian yang sama. Reaksi ini masih tetap merupakan reaksi termonuklir karena reaktan adalah inti yang bermuatan positif. Kenyataannya, dikarenakan oleh muatan yang tinggi dan perbedaan massa yang besar, energi ambang untuk reaksi ini jauh lebih tinggi dari energi ambang reaksi-reaksi fusi lainnya. Konsekuensinya, hanya sedikit kerja eksperimental yang akan dilakukan untuk reaksi khusus ini hingga diperoleh sistem fusi yang lain.

Keuntungan dan Kerugian Fusi

Reaksi fusi menawarkan beberapa keuntungan dibandingkan dengan reaksi fisi dalam hal konversi energi nuklirnya. Salah satu keuntungan dibandingkan dengan fisi adalah bahwa cadangan isotop dapat-fusi yang diketahui adalah jauh lebih banyak. Kenyataannya, terdapat persediaan bahan bakar yang pada dasarnya tak terbatas. Isotop bahan bakar yang umum dipakai untuk reaksi fusi ialah deutrium, hidrogen-2, dan isotop ini terdapat di alam sekitar satu diantara 6700 bagian hidogen biasa. Dengan memperhatikan jumlah air yang tersedia di dunia, berarti bahwa persediaan bahan bakar sangatlah banyak.

Keuntungan lain reaksi fusi ialah bahwa produk reaksi fusi tidaklah bersifat radioaktif setinggi yang dipunyai oleh produk fisi. Di dalam produk reaksi fusi yang lima itu (yang dikemukakan di muka), hanya hidrogen-3 dan neutron yang bersifat radioaktif dan neutron juga akan meluluh menjadi atom hidrogen. Radioaktifitas yang dihasilkan sebagai hasil pengaktifan neutron dari struktur kemasan justru lebih menjadi masalah ketimbang produk fusi. Keuntungan besar yang terakhir dari fusi terhadap fisi muncul dari kenyataan bahwa proses fusi adalah sulit untuk dimulai dan diawasi. Kenyataannya, sedikit saja ada gangguan terhadap sistem selalu akan mengakibatkan berhentinya reaksi Efek ini, bersama dengan sangat kecilnya jumlah reaktan yang terdapat di sistem, mencegah terjadinya kerugian daya yang besar akibat kerusakan peralatan.

Masalah utama yang berkaitan dengan pengembangan reaktor fusi timbul dari kenyataan bahwa partikel-pertikel yang bereaksi keduanya adalah inti yang bermuatan positif. Ini berarti bahwa partikel reaksi tersebut harus mempunyai energi kinetik yang cukup untuk mengatasi gaya tolak-menolak Coulomb. Untuk mendapatkan energi kinetik yang minimum itu, kedua partikel harus mempunyai massa partikel yang sama serta mempunyai angka perbandingan massa-muatan (mass-to-charge ratio) yang tinggi.

Energi minimum atau energi ambang yang dibutuhkan untuk memulai reaksi telah diberikan lebih dahulu berserta berbagai reaksi lain. Energi ini umumnya dinyatakan dalam satuan temperatur, meskipun kerapatan partikel sebenarnya adalah sangat kecil sehingga temperatur tidaklah memberi arti banyak. Dengan energi kinetik yang setinggi ini, semua elektron dilucuti dari intinya dan reaktan dikatakan berada dalam suatu keadaan yang diberi nama plasma. Kadang-kadang dikatakan bahwa ini adalah tingkat ke-empat dari suatu zat. Pada bom nuklir, energi penyalaan diperoleh pertama kali dari pendenotasian bom fisi. Reaksi deutrium-tritium mempunyai energi ambang yang terendah (massa/muatan = A/Z = 5/2) dan, karena alasan ini, reaktor fusi akan beroperasi dengan reaksi ini.

Penelitian Mengenai Fusi

Satu-satunya pelepasan di bumi yang penting dari energi fusi ini adalah yang terdapat di dalam bom termonuklir, dimana reaksi dimulai dengan meledakkan sebuah bom fisi untuk mendapatkan temperatur yang diinginkan. Reaksi fusi adalah reaksi dasar yang merupakan bahan bakar bagi matahari. Di matahari, gaya-gaya gravitasional adalah sangat besar sehingga menghasilkan temperatur yang sangat tinggi di dekat inti matahari dan temperature ini adalah cukup untuk memulai dan menjaga reaksi fusi terus-menerus.

Ada beberapa sistem dan metode yang diajukan untuk memproduksi daya fusi yang terkendali. Masalah utama adalah berkenaan dengan kemasan plasma. Ada dua sistem kemasan dasar yang sekarang dalam proses pengembangan-sistem kemasan magnetik dan sistem kemasan inersia. Rencana pengemasan yang paling mula sekali untuk memproduksi daya fusi terkendali ini adalah dengan memperangkap plasma di dalam suatu medan magnit yang kuat. Sebuah partikel bermuatan, misalnya sebuah elektron atau sebuah inti, melakukan gerak melingkar (spirals) mengelilingi sebuah garis gaya magnetik sewaktu partikel itu melewati garis tersebut. Oleh karenanya, direncanakan untuk mengurung plasma di dalam sebuah medan magnit yang kuat.

Ada dua jenis dasar sistem kemasan magnetik yang sedang diteliti sekarang ini – mesin kaca (mirror machines) dan tokamaks. Dalam mesin kaca yang umum medan magnet dibentuk menyerupai bola kaki seperti pada Gambar 2. Dapat dilihat bahwa medan magnet dijepit disetiap ujung reaktor. Begitu sebuah partikel bermuatan bergerak menuju ke satu ujung reaktor, garis-garis medan magnet yang mengelilinya menekan amplitudo partikel yang bergerak melingkar keluar kembali. Jadi pada dasarnya partikel itu terjebak dalam medan magnet seakan-akan ada sebuah kaca disetiap ujung mesin tersebut. Proses dasar ini pada dasarnya adalah sama dengan proses yang mendahului perkembangan radiasi ikat pinggang van Allen (van Allen radiation belts) di atas bumi. Medan magnit bumi telah menjebak proton dan elektron ketika mereka bergerak melingkar sepanjang sebuah garis magnetik gaya ulang-alik dari kutub magnet utara ke kutub magnet selatan.

Pesawat fusi jepitan-teta atau theatron terdiri dari sebuah mesin kaca linear yang digunakan mengurung plasma. Plasma ini dimanpatkan ke suatu temperatur yang sangat tinggi sekali dengan cara memberikan gangguan secara tiba-tiba dengan sebuah medan magnit yang kuat pada sistem. Hal ini dilakukan dengan membuang sebuah bank kapasitor yang sangat besar melalui sebuah konduktor yang mengelilingi plasma itu, seperti pada Gambar.

Diagram skematis beberapa mesin fusi cermin untuk kemasan magnetik dari plasma. (dimuat dengan izin dari American Nuclear Society.)

Pesawat fusi tokamak mempunyai sebuah medan magnet berbentuk seperti sebuah torus besar. Bagian luar bejana kemasan dibungkus dengan lilitan magnetik superkonduktor untuk memperoleh medan magnet yang diperlukan. Berkenaan dengan temperatur ekstrim tersebut maka semua sistem kemasan magnetik diusulkan menggunakan magnet superkonduktor. Dalam sebuah magnit superkonduktor, semua lilitan dijaga agar berada pada temperatur sekitar 10 K dengan menggunakan cairan helium, sedangkan plasma harus dijaga pada temperature jutaan derajat. Dari keseluruhan sistem kemasan magnetik, tokamak adalah yang paling memberi harapan dan sukses. Sebuah rencana yang bersifat rekaan untuk reaktor fusi tokamak ditunjukkan pada Gambar.

Diagram skematis reaktor daya eksperimental tokamak Argonne
(TEPR) (Dimuat dengan izin dari American Nuclear Society)