Ringkasan Fisika Inti

DIFUSI NEUTRON

(PERSAMAAN DIFUSI NEITRON)

Persamaan difusi menggambarkan hubungan antara laju produksi, laju serapan dan laju bocoran. Produksi neutron dalam suatu elemen volume, berasal dari hasil reaksi fisi, peristiwa hamburan inelastik (removal inelastic scattering), serta sumber neutron di luar elemen. Sedangkan serapan neutron disebabkan karena reaksi absorpsi neutron oleh inti-inti atom medium. Dan adanya bocoran neutron disebabkan karena hamburan yang keluar menuju elemen ruang lain atau keluar dari batas luar medium.

Untuk melakukan penurunan persamaan difusi diterapkan konsep keseimbangan jumlah neutron yang masuk dan neutron yang keluar dari teras. Persamaan keseimbangan jumlah neutron dituliskan di bawah ini:

NEUTRON

Neutron dan proton adalah partikel-partikel subatomik pembentuk inti atom. Neutron tidak dapat ditemukan dalam keadaan bebas di alam dalam waktu lama karena waktu paruhnya yang sangat singkat. Neutron dihasilkan antara lain melalui reaksi spontan dari unsur-unsur radioisotop seperti Radium-Berilium (Ra-Be), Plutonium-Berilium (Pu-Be), dll.

Neutron memiliki sifat-sifat yang menjadikannya sebagai probe yang ideal untuk menginvestigasi karakteristik bahan/material. Sifat-sifat tersebut yaitu:

1.      Netral (muatan listrik q = 0). Sehingga neutron memiliki daya tembus yang besar, tidak merusak materi yang dikenainya, dan dapat digunakan pada sampel-sampel dengan kondisi lingkungan yang keras.

2.      Neutron memiliki panjang gelombang, panjang gelombang neutron (termal) berorde sama dengan jarak antar atom. Sehingga neutron dapat digunakan untuk menentukan struktur kristal dan jarak antar bidang-bidang atom.

3.      Karena netral, maka neutron hanya berinterkasi dengan inti atom dan tidak terhalang oleh elektron-elektron atom. Dengan kata lain neutron dapat "melihat" inti atom. Sehingga neutron sensitif terhadap atom-atom ringan, mampu membedakan isotop-isotop suatu atom, dan dapat membedakan struktur molekul kompleks (menggunakan teknik variasi kontras).

4.      Energi neutron termal berorde relatif sama dengan energi-energi eksitasi elementer pada zat padat. Sehingga neutron dapat digunakan untuk mempelajari dinamika atom/kisi maupun dinamika molekul.

5.      Neutron memiliki momen magnetik. Sehingga neutron dapat digunakan untuk mempelajari struktur magnetik mikroskopik dan fluktuasi magnetik.

6.      Neutron memiliki spin. Sehingga berkas neutron dapat dipolarisir sehingga dapat digunakan untuk mempelajari struktur magnetik kompleks maupun dinamika magnetik (magnon).

PELURUHAN

Peluruhan radioaktif adalah Peristiwa pemancaran sinar radioaktif secara spontan. Inti atom yang tidak stabil selalu memancarkan secara spontan sinar radioaktif, sehingga akhirnya akan diperoleh inti atom yang stabil. Unsur yang selalu memancarkan sinar radiasi tersebut dinamakan unsur radioaktif (isotop radioaktif).

Peluruhan Pada Sinar Radioaktif

1)      Peluruhan Sinar Alfa

Suatu inti yang tidak stabil dapat meluruh menjadi inti yang lebih ringan dengan memancarkan partikel alfa. Pada peluruhan alfa terjadi pembebasan energi. Energi yang dibebaskan akan menjadi energi kinetik alfa dan inti anak. Inti anak memiliki energi ikat per nukleon yang lebih tinggi dibandingkan induknya.

2)      Peluruhan Sinar Beta

Salah satu bentuk peluruhan sinar beta adalah peluruhan neutron. Neutron akan meluruh menjadi proton, elektron, dan antineutrino. Bentuk peluruhan sinar beta yang lain adalah peluruhan proton. Proton akan meluruh menjadi neutron, positron, dan neutrino. Peluruhan sinar beta bertujuan agar perbandingan antara proton dan neutron di dalam inti atom menjadi seimbang sehingga inti atom tetap stabil.

3)      Peluruhan Sinar Gamma

Suatu inti atom yang berada dalam keadaan tereksitasi dapat kembali ke keadaan dasar yang lebih stabil dengan memancarkan sinar gamma yang dinamakan peluruhan sinar gamma. Peluruhan sinar gamma hanya mengurangi energi, tetapi tidak mengubah susunan inti.

Peluruhan alfa menyebabkan nomor atom berkurang dua dan nomor massa berkurang empat, oleh karena itu sebuah inti baru akan terbentuk. Sedangkan bentuk peluruhan beta akan menambah atau mengurangi nomor atom dan nomor massa tetap sama.

RADIOAKTIVITAS

Radioaktivitas disebut juga peluruhan radioaktif, yaitu peristiwa terurainya beberapa inti atom tertentu secara spontan yang diikuti dengan pancaran partikel alfa (inti helium), partikel beta (elektron), atau radiasi gamma (gelombang elektromagnetik gelombang pendek). Sinar-sinar yang dipancarkan tersebut disebut sinar radioaktif, sedangkan zat yang memancarkan sinar radioaktif disebut dengan zat radioaktif.

Jenis-jenis radioaktivitas

Berdasarkan partikel penyusunnya, sinar radioaktivitas dibedakan menjadi tiga yaitu sinar alfa, sinar beta, dan sinar gamma.

1)      radioaktivitas sinar Alfa

sinar alfa adalah sinar yang dipancarkan oleh sinar radioaktif. Sinar alfa merupakan jenis radioaktivitas yang memiliki muatan positif. Sinar alfa terdiri dari dua proton dan dua neutron.

Sifat-sifat sinar alfa :

a.       sinar alfa merupakan inti He.

b.      dapat menghitamkan pelat.

c.       daya ionasi sinar alfa paling kuat diantara ketiga sinar radioaktif.

d.      mempunyai daya tembus paling lemah diantara ketiga sinar radioaktif.

e.       mempunyai jangkauan beberapa sentimeter di udara dan 102 di dalam logam.

2)      Radioaktivitas sinar Beta

Sinar beta merupakan elektron berenergi tinggi yang berasal dari inti atom. . Sinar beta merupakan jenis radioaktivitas yang memiliki muatan negatif

Sifat-sifat sinar beta :

a.       Mempunyai daya ionasi lebih kecil dari sinar alfa,

b.      Mempunyai daya tembus lebih besar dari sinar alfa.

c.       Dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet.

3)      Radioaktivitas Sinar Gamma

Sinar gamma adalah radiasi gelombang elektromagnetik yang terpancar dari inti atom dengan energi yang sangat tinggi yang tidak memiliki massa maupun muatan. Sinar gamma ikut terpancar saat inti memancarkan sinar alfa atau gamma. Sinar gamma merupakanjenis radioaktivitas yang tidak memiliki muatan positif maupun negatif.

Sifat-sifat sinar gamma :

a.       Sinar gamma tidak memiliki jangkauan maksimal di udara, semakin jauh dari sumber intensitasnya semakin kecil.

b.      Mempunyai daya ionasi paling lemah.

c.       Mempunyai daya tembus paling kuat.

d.      Tidak membelok dalam medan listrik maupun medan magnet.

REAKSI INTI

Reaksi inti merupakan peristiwa perubahan suatu inti atom sehingga berubah menjadi inti atom lain dengan disertai munculnya energi yang sangat besar. Agar terjadi reaksi inti diperlukan partikel lain untuk menggoyahkan kesetimbangan inti atom sehingga kesetimbangan inti terganggu. Akibatnya inti akan terpecah menjadi dua inti yang baru. Partikel yang digunakan untuk mengganggu kesetimbangan inti yaitu partikel proton atau neutron. Di mana partikel proton atau neutron yang berenergi ditembakkan pada inti target sehingga setelah reaksi akan terbentuk inti atom yang baru disertai terbentuknya partikel yang baru. Inti target dapat merupakan inti atom yang stabil, sehingga setelah terjadi reaksi menyebabkan inti atom menjadi inti yang tidak stabil yang kemudian disebut isotop radioaktif. Jadi reaksi inti dapat juga bertujuan untuk mendapatkan isotop radioaktif yang berasal dari inti stabil.

1)      Hukum Fisika dalam Reaksi Inti

a.       Hukum kekekalan momentum

b.      Hukum kekekalan energi

c.       Hukum kekekalan jumlah muatan ( nomor atom)

d.      Hukum kekekalan jumlah nukleon ( nomor massa)

2)      Jenis Reaksi Inti

a.       Reaksi Fisi, yaitu reaksi pembelahan inti atom berat menjadi dua inti atom lain.

b.      Reaksi Fusi, yaitu reaksi penggabungan dua inti atom ringan menjadi inti atom lain yang lebih berat dengan melepaskan energi.

SUMBER ENERGI NUKLIR

(PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR)

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) adalah stasiun pembangkit listrik thermal di mana panas yang dihasilkan diperoleh dari satu atau lebih reaktor nuklir pembangkit listrik. PLTN termasuk dalam pembangkit daya base load, yang dapat bekerja dengan baik ketika daya keluarannya konstan. Daya yang dibangkitkan per unit pembangkit berkisar dari 40 MWe hingga 1000 MWe.

1.      Faktor Pencemaran Lingkungan dan Gangguan Kesehatan

Secara rata-rata untuk satu orang yang tinggal sampai 1 km dari sebuah reaktor nuklir, dosis radiasi yang diterimanya dari bahan-bahan yang dipakai di reaktor tersebut adalah kurang dari 10% dari dosis radiasi alam. Sedangkan untuk tambang-tambang batubara dikenal istilah black lung, di mana partikel batubara yang terhirup oleh para pekerja tambang mengendap di paru-paru dan menimbulkan berbagai macam gangguan kesehatan, para pekerja di tambang Uranium terutama terkena radiasi dari Carbon 14 (C-14) dan gas Radon yang terpancar dari Uranium alam.

2.      Prinsip Kerja PLTN

1)      Dalam reaktor nuklir terjadi proses pemecahan inti atom atau yang lebih dikenal dengan proses fussion, yaitu bahan bakar dipecah dengan penembakan neutron. Pemecahan ini menghasilkan energi dan partikel-partikel. Energi yang dihasilkan sangat besar dan partikel dasar yaitu photon, elektron, dan neutron. Neutron yang baru terbentuk ini akan menembak atom disampingnya. Demikian seterusnya sehingga reaksi ini dinamakan reaksi berantai.

2)      Air biasa sebagai moderator (pengontrol kecepatan neutron) sekaligus menghasilkan uap air yang kemudian digunakan untuk menggerakan turbin.

3.      Sistem Pengamanan

Agar keamanan dapat terjamin sebuah reaktor harus dilengkapi dengan sarana pengontrol reaksi berantai dan sarana pendingin serta sarana pengolahan bahan bakar. Berbeda dengan reaksi kimia biasa, reaksi nuklir terjadi secara terus menerus. Energi yang dihasilkan ditentukan dari kecepatan terjadinya pemecahan inti atom. Dalam mengontrol terjadinya reaksi ini, neutron yang mempunyai kecepatan tinggi harus diperlambat, hal ini dapat dilakukan dengan bahan yang disebut moderator. Beberapa contoh moderator adalah (light water),  (heavy water, graphite dan lain-lain. Selain itu ada pula yang dinamakan absorber yang berfungsi untuk menyerap neutron seperti Baron, Xenon dan senagainya. Dengan cara mengontrol kadar moderator kita dapat mengontrol reaksi nuklir.

Sarana lain yang tidak kalah pentingnya adalah pengontrol panas dari reaktor. Bagian penting lainnya adalah sungkup reaktor. Bagian luar reaktor harus dibangun lapisan yang kuat, lapisan ini berfungsi untuk menjaga reaktor dari gangguan luar dan sekaligus untuk menjaga agar radiasi dapat dikurung di dalam sungkup reaktor saja apabila terjadi kebocoran dalam reaktor.

Dalam desain seluruh sistim pengaman ini ada beberapa kriteria penting yang harus dipenuhi, misalnyae single falure criteria, dimana kegagalan satu bagian tidak boleh mengakibatkan kegagalan bagian lain, dan multi barrier concept atau sistem pengaman berlapis.

4.      Reaktor Fisi

Reaktor daya fisi membangkitkan panas melalui reaksi fisi nuklir dari isotop fissil uranium dan plutonium. Reaktor daya fisi dikelompokkan lagi menjadi:

1)      Reaktor Thermal

Reaktor thermal menggunakan moderator neutron untuk melambatkan atau me-moderate neutron sehingga mereka dapat menghasilkan reaksi fissi selanjutnya. Bahan bakar yang digunakan reaktor thermal yang lebih memilih neutron lambat ketimbang neutron cepat untuk melakukan reaksi fisi. Reaktor cepat menjaga kesinambungan reaksi berantai tanpa memerlukan moderator neutron. Karena reaktor cepat menggunkan jenis bahan bakar yang berbeda dengan reaktor thermal, neutron yang dihasilkan di reaktor cepat tidak perlu dilambatkan guna menjamin reaksi fisi tetap berlangsung.

2)      Reaktor Cepat

Keuntungan reaktor cepat diantaranya adalah siklus bahan bakar nuklir yang dimilikinya dapat menggunakan semua uranium yang terdapat dalam urainum alam, dan juga dapat mentransmutasikan radioisotop yang tergantung di dalam limbahnya menjadi material luruh cepat. Dengan alasan ini, sebenarnya reaktor cepat secara inheren lebih menjamin kelangsungan ketersedian energi ketimbang reaktor thermal.

Keuntungan PLTN dibandingkan dengan pembangkit daya utama lainnya adalah:

1)      Tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca.

2)      Tidak mencemari udara.

3)      Sedikit menghasilkan limbah padat

4)      Biaya bahan bakar rendah.

Berikut ini berberapa hal yang menjadi kekurangan PLTN:

1)      Risiko kecelakaan nuklir, kecelakaan nuklir terbesar adalah kecelakaan Chernobyl.

2)      Limbah nuklir, limbah radioaktif tingkat tinggi yang dihasilkan dapat bertahan hingga ribuan tahun.