Materi Lengkap Reaktor Inti dan Pemercepat Partikel

Pengantar Reaktor Inti 

Reaktor inti nuklir adalah alat yang mengontrol reaksi fisi berantai dan menjaga keberlangsungan reaksi tersebut. Reaktor ini menggunakan materi nuklir sebagai bahan bakar, seperti uranium atau plutonium, yang dapat berupa uranium alam atau uranium yang diperkaya. Secara umum, reaktor nuklir adalah tempat di mana reaksi nuklir terkendali terjadi. Dalam reaktor, proses fisi terjadi ketika inti atom bahan bakar dipecah oleh neutron, menghasilkan energi besar sekitar 200 MeV dan partikel-partikel seperti photon, elektron, dan neutron. Neutron yang dihasilkan akan menembak atom di sekitarnya, menyebabkan reaksi berantai.

Jenis-Jenis Reaktor Inti

Reaktor inti atau reaktor nuklir adalah alat yang dibuat untuk mengatur reaksi nuklir berantai demi menghasilkan energi. Energi yang dihasilkan di reaktor ini biasanya berupa panas, yang selanjutnya dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik melalui turbin. Berikut beberapa jenis reaktor nuklir yang cukup terkenal dan telah dikembangkan oleh beberapa negara.

1. Reaktor air bertekanan (Pressurised Water Reactors/PWR)

Reaktor air bertekanan (PWR) adalah jenis reaktor yang paling banyak digunakan di pembangkit listrik tenaga nuklir di seluruh dunia. Dalam reaktor ini, air berfungsi sebagai pendingin dan moderator neutron, menggunakan tekanan tinggi untuk menghasilkan listrik. PWR, yang berasal dari teknologi kapal selam, memiliki efisiensi termal sekitar 33% dan beroperasi pada tekanan 16 MPa dengan suhu rata-rata 280-290C. Bahan bakar yang digunakan adalah 3% uranium, dengan selongsong dari Zircaloy. Batang kendali dioperasikan dari atas reaktor, dan penggantian bahan bakar dilakukan setiap tiga tahun. Air primer dan sekunder di PWR terpisah secara kimiawi, dan reaktor ini banyak digunakan di negara-negara seperti Amerika Serikat, Perancis, dan Rusia. PWR menjaga air tetap bertekanan agar tidak mendidih, dan air dari reaktor serta uap di pembangkit tidak pernah bercampur, sehingga sebagian besar radioaktivitas tetap terjaga di area reaktor.

Cara kerja reaktor nuklir:

Inti reaktor menghasilkan panas yang diangkut oleh air bertekanan dalam loop pendingin primer ke pembuat uap. Di pembuat uap, panas ini menguapkan air di loop sekunder, menghasilkan uap yang diarahkan ke turbin utama untuk memutar generator dan menghasilkan listrik. Uap yang tidak terpakai dibuang ke kondensor, di mana ia dikondensasi menjadi air dan dipompa kembali ke pembuat uap setelah dipanaskan. Inti reaktor terdiri dari kumpulan bahan bakar yang didinginkan oleh air yang disirkulasikan oleh pompa listrik. Jika listrik terputus, pompa darurat yang didukung generator diesel akan menyediakan air pendingin. Selain itu, sistem keselamatan lainnya juga memerlukan pasokan listrik, dan reaktor ini memiliki antara 150-200 kumpulan bahan bakar.

2. Reaktor air mendidih (Boilling Water Reactors/BWR)

Reaktor air mendidih (BWR) adalah jenis reaktor nuklir yang digunakan untuk menghasilkan listrik, di mana air berfungsi sebagai pendingin dan moderator neutron. 

Cara kerja reaktor nuklir:

Dalam desain reaktor air mendidih (BWR), inti reaktor menghasilkan panas saat air murni bergerak ke atas melalui inti, menyerap panas dan membentuk campuran uap-air. Campuran ini kemudian melewati dua tahap pemisahan untuk menghilangkan tetesan air sebelum uap diarahkan ke turbin utama, yang memutar generator untuk menghasilkan listrik. Uap yang tidak terpakai dibuang ke kondensor, dikondensasi menjadi air, dan kemudian dipompa kembali ke bejana reaktor setelah dipanaskan. Inti reaktor terdiri dari 370-800 kumpulan bahan bakar yang didinginkan oleh air yang disirkulasikan oleh pompa listrik. Jika listrik terputus, pompa darurat yang didukung generator diesel akan menyediakan air pendingin. BWR juga memiliki sistem keselamatan untuk melindungi pekerja dan lingkungan dari bahan radioaktif, termasuk sistem untuk mematikan reaktor dan mendinginkan inti, serta penghalang untuk mencegah radioaktivitas keluar. Jika tidak dikelola dengan baik, bahan radioaktif dapat merusak sel manusia dan berpotensi menyebabkan kanker.

3. Reaktor air berat bertekanan (Pressurised Heavy Water Reactor (PHWR atau CANDU))

Reaktor PHWR atau CANDU dikembangkan sejak tahun 1950-an di Kanada, dengan reaktor terbaru berada di India. Reaktor ini menggunakan bahan bakar uranium alami (0,7% 235U) dan moderator berupa air berat (D2O). Karena menggunakan air berat, tangki moderator dibuat sangat besar dan disebut Cnidaria. Desain terbaru dari reaktor CANDU adalah Advanced Candu Reactor (ACR), yang memiliki peningkatan dalam hal bahan bakar.

4. Reaktor berpendingin gas tingkat lanjut (Advanced Gas-cooled Reactor/AGR)

Reaktor AGR adalah generasi kedua dari reaktor yang didinginkan gas di Inggris. Reaktor ini menggunakan grafit sebagai moderator dan karbondioksida sebagai pendingin. Bahan bakar yang digunakan adalah pelet uranium oksida yang diperkaya sebesar 2,5-3,5%. Saat ini, dua reaktor jenis ini masih beroperasi di Inggris, dengan satu menggunakan pendingin CO2 dan yang lainnya menggunakan air.

5. Reaktor yang dimoderasi grafit air dingin (Light Water Graphite-moderated reactor/RBMK)

Reaktor RBMK, atau reaktor bolshoi moshchnosty kanalnya, adalah jenis reaktor yang berbeda dari kebanyakan reaktor yang digunakan di dunia, dan dirancang khusus untuk Rusia (Uni Soviet). RBMK menggunakan air dingin bertekanan tinggi dengan saluran bahan bakar tunggal dan grafit sebagai moderator. Desain ini memungkinkan reaktor untuk menghasilkan listrik sekaligus plutonium. Reaktor Chernobyl yang meledak pada 26 April 1986 adalah contoh reaktor RBMK. Dari 19 reaktor RBMK yang pernah dibangun (3 di Lithuania, 4 di Ukraina, dan 12 di Rusia), 11 di antaranya masih beroperasi hingga 2026.

6. Reaktor Neutron Cepat (Fast Neutron Reactors/FNR)

FNR adalah jenis reaktor yang menggunakan 238U, mirip dengan 235U yang digunakan dalam kebanyakan reaktor. Jika FNR dirancang untuk memproduksi banyak plutonium, reaktor ini disebut Fast Breeder Reactors (FBR). Saat ini, hanya ada satu FNR yang berfungsi sebagai pembangkit listrik, sementara yang lainnya masih dalam tahap eksperimen dan prototipe. Namun, sekitar 20 jenis reaktor ini direncanakan untuk konstruksi guna memenuhi kebutuhan energi listrik. Negara-negara seperti AS, China, Perancis, Jepang, Jerman, Kazakhstan, India, dan Rusia aktif mengembangkan jenis reaktor ini.

Komponen Reaktor Inti 

Reaktor nuklir mengendalikan laju reaksi fisi dengan bantuan beberapa komponen yang harus memenuhi standar kualitas tinggi untuk meminimalkan risiko kecelakaan. Komponen utama reaktor nuklir meliputi:

1. Bahan Bakar (fuel)

Bahan bakar nuklir adalah zat yang memicu reaksi fisi berantai. Terdapat dua jenis: bahan fisil, yang dapat langsung membelah saat menangkap neutron, dan bahan fertil, yang tidak langsung membelah tetapi dapat membentuk bahan fisil. Contoh bahan bakar termasuk Uranium-235, Uranium-233, Plutonium-235, dan Thorium.

2. Moderator 

Moderator berfungsi menurunkan energi neutron cepat menjadi neutron dengan energi termal agar dapat bereaksi dengan bahan bakar. Moderator juga berfungsi sebagai pendingin primer. Contoh bahan moderator adalah air ringan, air berat, grafit, dan berilium.

3. Batang Kendali (control rod)

Batang kendali digunakan untuk mengatur jumlah neutron yang bereaksi dengan bahan bakar, karena setiap reaksi fisi menghasilkan neutron baru. Batang kendali terbuat dari bahan yang memiliki kemampuan tinggi menyerap neutron, seperti kadmium, boron, atau hafnium.

4. Perisai (Shielding)

Perisai berfungsi menahan radiasi yang dihasilkan dari reaksi fisi agar tidak menyebar ke lingkungan. Sistem perisai umumnya terdiri dari lapisan beton berat dan struktur baja untuk menahan semua jenis radiasi.

Pengantar Pemercepat Partikel 

Pemercepat partikel adalah sebuah alat yang menggunakan listrik dan/atau medan magnetik untuk mempercepat partikel bermuatan listrik ke kecepatan tinggi. Sebuah pemercepat partikel Van de Graaff 2 MeV tahun 1960-an yang sedang dibuka untuk pemeliharaan. Pemercepat Partikel atau Particle Accelerator adalah perangkat yang digunakan untuk mempercepat partikel bermuatan listrik, seperti elektron, proton, atau ion, hingga kecepatan yang sangat tinggi, mendekati kecepatan cahaya.

Jenis-Jenis Pemercepat Partikel 

Penggolongan jenis pemercepat partikel (akselerator) dapat ditentukan berdasarkan bentuk lintasan, sistem pemercepatan, keluaran bekas partikel, dari besar energi dan aplikasinya. Adapun penjelasan lebih lanjut mengenai jenis-jenis akselerator adalah sebagai berikut. 

1. Berdasarkan bentuk lintasan akselerator dibagi menjadi dua yaitu:

a. Akselerator linier

Akselerator linier, juga dikenal sebagai akselerator linear (Linac), mempercepat partikel dalam garis lurus. Proses pemercepatan ini dilakukan dengan menggunakan medan listrik yang bergerak secara sinusoidal, yang dikenal sebagai medan RF (Radio Frequency). Partikel dipercepat secara bertahap melalui berbagai kavitas RF yang membentuk lintasan linier. Contoh akselerator linier yang terkenal adalah Stanford Linear Accelerator (SLAC), yang memiliki panjang sekitar 2 mil dan digunakan untuk mempercepat proton hingga kecepatan mendekati kecepatan cahaya.

b. Akselerator sirkular

Akselerator sirkular, juga dikenal sebagai akselerator melingkar (Synchrotron), mempercepat partikel dalam lintasan melingkar. Proses pemercepatan ini dilakukan dengan menggunakan medan listrik yang bergerak secara sinusoidal dan medan magnet yang ditempatkan di cincinnya. Partikel dipercepat secara bertahap melalui lintasan melingkar yang terus-menerus, sehingga kecepatan partikel meningkat seiring dengan energi yang dihasilkan. Contoh akselerator sirkular yang terkenal adalah Large Hadron Collider (LHC), yang memiliki keliling sekitar 27 kilometer dan digunakan untuk mempercepat proton hingga energi yang sangat tinggi sebelum bertabrakan di empat titik persilangan.

2. Berdasarkan sistem pemercepatan medan elektromagnet dalam lintasan, akselerator dibagi menjadi dua yaitu:

a. Akselerator elektrostatik (static field) 

Akselerator elektrostatik menggunakan medan listrik statis untuk mempercepat partikel. Medan listrik ini dihasilkan oleh generator tegangan tinggi yang menciptakan potensi elektrik yang besar. Salah satu contoh terkenal dari akselerator elektrostatik adalah Generator Van de Graaff, yang menggunakan sabuk berjalan untuk mengumpulkan muatan listrik ke dalam bola logam berongga, menciptakan tegangan tinggi yang diperlukan untuk mempercepat partikel. Adapun karakteristik dan komponen utama akselerator elektrostatik adalah sebagai berikut.

1) Medan Listrik Statis: Medan ini dihasilkan oleh generator tegangan tinggi dan digunakan untuk mempercepat partikel bermuatan.

2) Tipe Generator: Terdapat beberapa tipe generator untuk akselerator elektrostatik, termasuk tipe cascade transformer, tipe pelipat tegangan (Cocroft-Walton), dan tipe pelletron.

3) Partikel yang Dihasilkan: Akselerator elektrostatik mampu menghasilkan berbagai jenis partikel, mulai dari proton hingga ion-ion dari atom ringan hingga berat.

b. Akselerator elektrodinamik (alternative field)

Akselerator elektrodinamik menggunakan medan listrik alternatif untuk mempercepat partikel. Dalam jenis akselerator ini, gaya yang dihasilkan oleh medan listrik berubah arah secara periodik, sehingga memungkinkan partikel untuk terus dipercepat setiap kali mereka melewati puncak medan listrik. Adapun karakteristik dan komponen utama akselerator elektrodinamik adalah sebagai berikut.

1) Medan Listrik Alternatif: Medan ini berfungsi untuk memberikan dorongan berulang kepada partikel setiap kali melewati titik tertentu dalam lintasan akselerasi.

2) Contoh: Contoh dari akselerator elektrodinamik adalah cyclotron dan linac (linear accelerator), yang banyak digunakan dalam penelitian fisika partikel dan aplikasi medis.

3. Berdasarkan aplikasi akselerator yang populer dibagi menjadi tiga yaitu:

a. Akselerator implantor ion untuk industri semikonduktor

Akselerator implantor ion digunakan dalam proses fabrikasi semikonduktor, di mana ion-ion bermuatan tinggi ditanamkan ke dalam substrat semikonduktor untuk mengubah sifat elektriknya. Proses ini dikenal sebagai implantasi ion, yang memungkinkan pengendalian doping material semikonduktor dengan presisi tinggi.

b. Akselerator Linac untuk kedokteran

Akselerator linier (Linac) adalah alat yang digunakan dalam radioterapi untuk pengobatan kanker. Linac menghasilkan sinar-X berenergi tinggi atau elektron yang diarahkan ke tumor untuk menghancurkan sel kanker. Teknologi ini telah menjadi salah satu metode utama dalam pengobatan kanker karena kemampuannya untuk menargetkan jaringan kanker dengan akurasi tinggi.

c. Mesin berkas elektron (MBE) untuk proses industri

Mesin berkas elektron (MBE) adalah alat yang digunakan untuk deposit material pada substrat dengan menggunakan berkas elektron. Teknologi ini sering digunakan dalam pembuatan film tipis dan struktur nanomaterial, serta dalam produksi perangkat semikonduktor.

4. Pembagian akselerator berdasarkan energi dibagi menjadi tiga yaitu: 

a. Rendah: ratusan keV - puluhan MeV

Akselerator dengan energi rendah biasanya beroperasi dalam rentang energi dari ratusan kiloelektron volt (keV) hingga puluhan mega elektron volt (MeV). Jenis akselerator ini sering digunakan dalam aplikasi seperti analisis material, terapi radiasi, dan penelitian ilmiah. Contoh: Van de Graaff dan Pelletron, yang dapat menghasilkan energi hingga 1,7 MeV.

b. Sedang: raturan MeV - GeV

Akselerator dengan energi sedang beroperasi dalam rentang energi dari ratusan megaelektronvolt (MeV) hingga gigaelektronvolt (GeV). Jenis ini sering digunakan dalam penelitian partikel dasar dan aplikasi medis. Contoh: siklotron dan sinkrotron, yang digunakan di laboratorium penelitian dan fasilitas medis.

c. Tinggi: puluhan GeV - TeV

Akselerator dengan energi tinggi beroperasi pada rentang energi puluhan gigaelektronvolt (GeV) hingga teraelektronvolt (TeV). Jenis akselerator ini dirancang untuk penelitian fisika partikel tingkat lanjut dan eksplorasi fenomena fisika ekstrem. Contoh: Large Hadron Collider (LHC), yang beroperasi pada energi hingga 13 TeV.

Komponen Utama Pemercepat Partikel 

Akselerator adalah alat yang dipakai untuk mempercepat gerak partikel bermuatan seperti elektron, proton, inti-inti ringan, dan inti atom lainnya. Mempercepat gerak partikel bertujuan agar partikel tersebut bergerak dengan cepat sehingga memiliki energi kinetik yang sangat tinggi. Untuk mempercepat gerak partikel ini diperlukan medan listrik maupun medan magnet. Dilihat dari jenis gerakan medan partikel, ada dua jenis akselerator, yaitu akselerator dengan gerak partikelnya lurus (lebih dikenal sebutan akselerator linier) dan gerak partikelnya melingkar (akselerator magnetik).

1. Akselerator Linier

Akselerator linier mempercepat partikel bermuatan sepanjang lintasan lurus (linier) menggunakan medan listrik yang diterapkan secara bertahap dalam serangkaian kavitasi radiofrekuensi (RF cavities). Partikel bermuatan seperti proton atau elektron dipercepat melalui tabung vakum yang panjang dengan menerima dorongan energi dari medan listrik bolak-balik yang berulang-ulang.

1. Akselerator Magnetik

Akselerator magnetik memanfaatkan medan magnet untuk mengarahkan partikel bermuatan dalam lintasan melingkar atau spiral. Medan magnet membelokkan lintasan partikel, memungkinkan mereka berputar dalam ruang yang lebih terbatas. Di setiap putaran, partikel memperoleh dorongan energi dari medan listrik yang diberikan secara periodik.

Komponen utama akselerator partikel atau pemercepat partikel terdiri dari beberapa bagian penting yang bekerja bersama untuk mempercepat partikel bermuatan. Berikut adalah penjelasan mengenai komponen-komponen utamanya:

a. Sumber Partikel

Sumber partikel menghasilkan partikel bermuatan (seperti proton, elektron, atau ion) yang akan dipercepat. Sumber partikel bisa berupa ionisasi gas, elektron, atau proton dari hidrogen melalui ionisasi.

b. Tabung Vakum

Partikel dipercepat dalam ruang hampa udara untuk mencegah interaksi dengan gas atau partikel lain di sekitarnya. Ini memastikan partikel dapat bergerak bebas tanpa hambatan yang dapat memperlambatnya. Tanpa vakum, partikel yang dipercepat bisa berbenturan dengan molekul gas, mengurangi efisiensi percepatan.

c. Medan Listrik

Medan listrik digunakan untuk memberikan gaya pada partikel bermuatan sehingga mempercepatnya sepanjang lintasan akselerator. Medan listrik ini sering ditempatkan di struktur khusus seperti RF cavities. Partikel yang bermuatan akan dipercepat oleh medan listrik melalui pengulangan dorongan energi.

d. Kavitasi Radiofrekuensi

Kavitasi ini adalah komponen di mana medan listrik berosilasi di dalamnya, yang mempercepat partikel setiap kali partikel melewati kavitasi ini. RF cavities memberikan dorongan energi secara teratur kepada partikel. Medan listrik bolak-balik ini menghasilkan percepatan partikel secara bertahap, memberikan kecepatan lebih tinggi pada setiap lintasan.

e. Medan Magnet

Medan magnet digunakan untuk mengarahkan atau membelokkan lintasan partikel yang dipercepat. Ini sangat penting dalam akselerator melingkar seperti siklotron atau sinkrotron, di mana medan magnet menjaga partikel tetap pada lintasan melingkar. Medan magnet juga digunakan untuk memfokuskan partikel sehingga tetap dalam jalur yang diinginkan atau membelokkan partikel menuju target tertentu.

f. Fokus Magnetik

Digunakan untuk memfokuskan berkas partikel yang dipercepat agar tetap terfokus dan tidak menyebar saat partikel bergerak. Fokus magnetik membantu menjaga berkas partikel terpusat, sehingga energi yang dihasilkan lebih efisien.

g. Detektor Partikel

Detektor digunakan untuk mengukur, menghitung, atau memantau partikel yang telah dipercepat. Detektor ini juga menangkap data tentang hasil tumbukan partikel atau interaksi mereka dengan target. Digunakan dalam eksperimen untuk mengamati efek dari percepatan partikel, terutama dalam penelitian fisika dasar.

h. Target

Dalam beberapa akselerator, partikel yang dipercepat diarahkan ke target tertentu untuk memicu reaksi fisika (misalnya, tabrakan partikel untuk menghasilkan data tentang struktur atom). Digunakan untuk penelitian fisika partikel atau untuk memproduksi isotop radioaktif dalam aplikasi medis.