Teknologi Nuklir: Sejarah, Reaksi Fisi & Fusi dan penggunaannya

Teknologi Nuklir: Sejarah, Reaksi Fisi & Fusi dan penggunaannya

Teknologi nuklir adalah teknologi yang melibatkan reaksi dari inti atom (inti=nuclei). Teknologi nuklir dapat ditemukan pada bebagai aplikasi, dari yang sederhana seperti detektor asap hingga sesuatu yang besar seperti reaktor nuklir.

Sejarah Teknologi Nuklir

Kejadian pada kehidupan sehari-hari, fenomena alam, jarang sekali berkaitan dengan reaksi nuklir. Hampir semuanya melibatkan gravitasi dan elektromagnetisme. Keduanya adalah bagian dari empat gaya dasar dari alam, dan bukanlah yang terkuat. Namun dua lainnya, gaya nuklir lemah dan gaya nuklir kuat adalah gaya yang bekerja pada range yang pendek dan tidak bekerja di luar inti atom. Inti atom terdiri dari muatan positif yang sesungguhnya akan saling menjauhi jika tidak ada suatu gaya yang menahannya.

Henri Becquerel pada tahun 1896 meneliti fenomena fosforesensi pada garam uranium ketika ia menemukan sesuatu yang akhirnya disebut dengan radioaktivitas. Ia, Pierre Curie, dan Marie Curie mulai meneliti fenomena ini. Dalam prosesnya, mereka mengisolasi unsur radium yang sangat radioaktif. Mereka menemukan bahwa material radioaktif memproduksi gelombang yang intens, yang mereka namai dengan alfa, beta, dan gamma. Beberapa jenis radiasi yang mereka temukan mampu menembus berbagai material dan semuanya dapat menyebabkan kerusakan. Seluruh peneliti radioaktivitas pada masa itu menderita luka bakar akibat radiasi, yang mirip dengan luka bakar akibat sinar matahari, dan hanya sedikit yang memikirkan hal itu.

Fenomena baru mengenai radioaktivitas diketahui sejak adanya paten di dunia kedokteran yang melibatkan radioaktivitas. Secara perlahan, diketahui bahwa radiasi yang diproduksi oleh peluruhan radioaktif adalah radiasi terionisasi. Banya peneliti radioaktif pada masa lalu mati karena kanker sebagai hasil dari pemaparan mereka terhadap radioaktif. Paten kedokteran mengenai radioaktif kebanyakan telah terhapus, namun aplikasi lain yang melibatkan material radioaktif masih ada, seperti penggunaan garam radium untuk membuat benda-benda yang berkilau.

Sejak atom menjadi lebih dipahami, sifat radioaktifitas menjadi lebih jelas. Beberapa inti atom yang berukuran besar cenderung tidak stabil, sehingga peluruhan terjadi hingga selang waktu tertentu sebelum mencapai kestabilan. Tiga bentuk radiasi yang ditemukan oleh Becquerel dan Curie temukan juga telah dipahami; peluruhan alfa terjadi ketika inti atom melepaskan partikel alfa, yaitu dua proton dan dua neutron, setara dengan inti atom helium; peluruhan beta terjadi ketika pelepasan partikel beta, yaitu elektron berenergi tinggi; peluruhan gamma melepaskan sinar gamma, yang tidak sama dengan radiasi alfa dan beta, namun merupakan radiasi elektromagnetik pada frekuensi dan energi yang sangat tinggi. Ketiga jenis radiasi terjadi secara alami, dan radiasi sinar gamma adalah yang paling berbahaya dan sulit ditahan.

Berikut adalah timeline teknologi nuklir dari tahun 1896 sampai tahun 1962

1896

Ahli fisika Perancis Henri Becquerel menemukan gejala radioaktivitas ketika plat-plat fotonya diburamkan oleh sinar dari uranium.

1898

Pierre dan Marie Curie memulai proyek yang berujung pada penemuan unsur baru – radium.

1902

Ahli fisika Inggris Ernest Rutherford dan ahli kimia Frederick Soddy menerangkan peluruhan radioaktif yang mengubah unsur seperti radium menjadi unsur lain sambil menghasilkan energi.

1905

Albert Einstein, pegawai paten di Bern, menunjukkan kesetaraan massa dan energi dalam persamaan E=mc, sebagai bagian dari Teori Kenisbian relativitas khusus. Persamaan ini meramalkan bahwa energi yang amat besar terkunci di dalam materi

1910

Soddy mengusulkan adanya isotop – bentuk unsur yang memiliki sifat-sifat kimia sama tetapi berat atomnya berbeda.

1911

Rutherford, dengan menggunakan partikel alfa, menyelidiki bagian dalam atom dan menemukan intinya yang berat.

1913

Francis Aston, ahli kimia Inggris, secara menyakinkan menunjukkan adanya isotop. Ahli fisika Denmark Niels Bohr mengajukan teorinya berdasarkan apa yang telah ditemukan oleh Rutherford dan teori kuantum ahli fisika Jerman Max Planck.

1919

Rutherford menunjukkan perubahan nitrogen menjadi oksigen dan hidrogen setelah dibentur oleh partikel alfa. Ini adalah reaksi nuklir pertama yang diamati oleh manusia.

1928

Dalam langkah-langkah pertama ke arah pemahaman dasar mengenai kakas nuklir, orang Amerika Edward Condon dan Ronald Gurney dan George Gamow yang lahir di Rusia, dalam penyelidikan tersendiri, menerangkan bagaimana partikel alfa di pancarkan dari inti.

1931

Deuterium, isotop berat hidrogen yang kemudian dipakai dalam bom hidrogen (bom-H) yang pertama, ditemukan ahli kimia Amerika, Harold Urey.

1932

Ahli fisika Inggris John Cockroft dan ahli fisika Irlandia Ernest Walton bekerja sama dalam mengubah litium menjadi inti helium, memakai proton yang dipercepat dengan alat “pemecah atom” sederhana. Ini merupakan pembuktian ekperimental yang pertama terhadap rumus Einstein E=mc².

Neutron, partikel penyusun atom yang ternyata merupakan kunci ke arah pembelahan inti, ditemukan oleh ahli fisika Inggris James Chadwick.

1933

Irene dan Frederic Joliot-Curie, ahli fisika Perancis, menunjukkan bahwa beberapa atom yang stabil, mengalami reaksi nuklir bila dibentur oleh partikel alfa dan berubah menjadi isotop tak stabil berumur pendek. Inilah keradioaktifan berumur buatan pertama.

1938

Hans Bethe di Amerika Serikat berteori bahwa energi matahari berasal dari reaksi fusi, suatu proses yang memadukan dua inti ringan dan melepaskan energi yang jumlahnya besar. Istilah reaksi yang kini menghasilkan ledakan bom-H.

1939

Otto Hahn dan Fritz Strassmann di Berlin menembaki uranium dengan neutron dan menemukan unsur barium yang lebih ringan sebagai hasil dari reaksi itu, tetapi tidak dapat menjelaskan percobaan munculnya barium tersebut. Pelarian Jerman Otto Frisch dan Lise Metner menjelaskan percobaan Hahn dan Strassmann sebagai fisi – pembelahan suatu inti berat menjadi inti-inti yang lebih ringan, misalnya inti barium, dengan melepaskan banyak energi.

Frederic Jolit-Curie menunjukkan bahwa fisi satu atom uranium oleh satu neutron menghasilkan dua atau tiga neutron bebas. Ini menyarankan kemungkinan reaksi berantai; dalam reaksi ini neutron baru melanjutkan dan memperluas reaksi yang dimulai oleh pembenturan neutron awal. Bohr meramalkan bahwa uranium-235 akan membelah bila ditembak neutron, tetapi U-235 sangat langka.

Albert Einstein di Amerika Serikat pada Lembaga Penelaahan Lanjut memperingatkan Presiden Roosevelt akan bahaya militer dari energi atom.

1940

Para ahli kimia di Universitas California yang dipimpin oleh Glenn Seaborg dan Edwin McMillan menemukan plutonium, hasil penembakan U-238 yang radioaktif, dan pengganti yang baik dari U-235 yang langka. Metode difusi gas untuk memisahkan isotop-isotop uranium dikembangkan di Universitas Kolombia.

1942

Dibawah pengarahan Enrico Fermi reaktor atom pertama dibangun, dan pada tanggal 2 Desember 1942, jam 15.52, berlangsung reaksi berantai pertama dalam proyek yang diprakarsai dan dikoordinasi oleh Arthur H. Compton.

Suatu program atom militer A.S dengan nama sandi Proyek Manhattan, dibentuk dibawah pimpnan Mayor Jenderal Leslie R.

Groves. Di Oak Ridge, Tennessee, spektrometer massa dipergunakan untuk memproduksi U-235 murni, di bawah pengarahan Ernest O.Lawrence. Pembangunan laboratorium bom atom dimulai di Los Alamos, New Mexico, di bawah pengarahan J. Robert Oppenheimer.

1943

Reaktor-reaktor dibangun di Hanford, Washington, untuk memproduksi plutonium.

1945

Bom atom pertama diletuskan di Alamogordo, New Mexico, Senin 16 Juli. Bom atom pertama menghancurkan Hiroshima, Jumat 6 Agustus. Nagasaki menjadi sasaran kedua pada tanggal 9 Agustus.

1949

Uni Soviet meledakkan bom atom pertama mereka.

1950

Presiden Harry S. Truman pada tanggal 31 Januari mengumumkan bahwa ia telah merestui Komisi Tenaga Atom untuk melanjutkan pengembangan bom-H.

1952

Bom atom Inggris pertama diledakkan pada tanggal 3 Oktober di Pulau Monte Bello di lepas pantai Australia. Ledakan uji coba bom-H A.S. Yang pertama terjadi dekat Atol Eniwetok di Pasifik, pada tanggal 1 November.

1953

Dalam bulan Agustus Uni Soviet meledakkan bom-H 1954.

1954

USS Nautilus, kapal selam atom pertama diluncurkan.

1956

Reaktor pertama menghasilkan tenaga listrik mulai bekerja di Calder Hall, Inggris.

1957

Reaktor Shippingport, pembangkit listrik tenaga atom pertama di A.S mulai beroperasi.

1959.

Uji coba reaktor atom kecil yang pertama – KiwiA-untuk penggunaan dalam roket terjadi di lokasi pengujian Nevada.

1960

Perancis meledakkan bom atom dalam uji coba di Sahara.

1961

Uni Soviet melakukan uji coba bom-H terbesar (55 sampai 60 megaton) di pulau daerah kutub Novaya Zemlya. A.S. Memulai Proyek Mata Bajak, serentetan percobaan ledakan nuklir skala besar untuk maksud-maksud damai seperti misalnya pembuatan terusan.

1962

A.S. Meledakkan bom-H dari roket Thor dan menciptakan suatu zona radiasi buatan manusia. Perjalanan perdana kapal nuklir Savannah A.S., Kapal dagang bertenaga atom yang pertama.

Reaksi Nuklir

Reaksi Nuklir Fisi

Reaksi Nuklir Fisi adalah proses pembelahan inti menjadi atom-atom yang lebih kecil dan disertai dengan pelepasan energi dan neutron. Jika neutron ini ditangkap oleh inti atom lainnya yang tidak stabil , makan inti tersebut akan membelah juga, memicu reaksi berantai. Jika jumlah rata-rata neutron yang diepaskan per inti atom yang melakukan fisi ke inti atom lain disimbolkan dengan k, maka nilai k yang lebih besar dari 1 menunjukkan bahwa reaksi fisi melepaskan lebih banyak neutron dari pada jumlah yang diserap, sehingga dapat dikatakan bahwa reaksi ini dapat berdiri sendiri. Massa minimum dari suatu material fisi yang mampu melakukan reaksi fisi berantai yang dapat berdiri sendiri dinamakan massa kritis.

Ketika neutron ditangkap oleh inti atom yang tepat, fisi akan terjadi dengan segera, atau inti atom akan berada dalam kondisi yang tidak stabil dalam waktu yang singkat. Ketika ditemukan pada masa Perang Dunia II, hal ini memicu beberapa negara untuk memulai program penelitian mengenai kemungkinan membuat bom atom, sebuah senjata yang menggunakan reaksi fisi untuk menghasilkan energi yang sangat besar, jauh melebihi peledak kimiawi (TNT, dsb). Proyek Manhattan, dijalankan oleh Amerika Serikat dengan bantuan Inggris dan Kanada, mengembangkan senjata fisi yang digunakan untuk melawan Jepang di tahun 1945. Selama proyek tersebut, reaktor fisi pertama dikembangkan, meski awalnya digunakan hanya untuk pembuatan senjata dan bukan untuk menghasilkan listrik untuk masyarakat.

Namun, jika neutron yang digunakan dalam reaksi fisi dapat dikendalikan, misalnya dengan bahan penyerap neutron, dan kondisi tersebut masih menjadikan massa material nuklir berstatus kritis, maka reaksi fisi dapat dikendalikan. Hal inilah yang yang mendasari prinsip kerja reaktor nuklir. Neutron bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi, untuk mengendalikan neutro agar tidak berekasi dengan inti yang lain, maka neutron harus diperlambat dengan menggunakan bahan penyerap neutron sebelum akhirnya mereka bisa dengan mudah ditangkap. Saat ini, metode seperti ini umum digunakan untuk menghasilkan listrik.

Reaksi Nuklir Fusi

Jika dua inti atom bertabrakan, terdapat kemungkinan terjadi reaksi nuklir fusi. Proses ini akan melepas atau menyerap energi. Jika inti atom hasil tabrakan lebih ringan dari besi, maka pada umumnya rekasi nuklir fusi akan melepaskan energi, namun jika inti atom hasil tabrakan lebih berat dari besi, maka pada umumnya reaksi nuklir fusi akan menyerap energi. Proses reaksi nuklir fusi yang paling sering terjadi adalah pada bintang, energi reaksi nuklir fusi yang terjadi pada bintang dihasilkan dari rekasi nuklir fusi hidrogen dan menghasilkan helium. Dari reaksi nuklir fusi, bintang-bintang juga membentuk unsur unsur ringan seperti lithium dan kalsium melalui stellar nucleosynthesis.

Proses alami dari astrofisika ini bukanlah contoh dari teknologi nuklir. Karena daya dorong energi yang tinggi dari inti atom, fusi sulit untuk dilakukan dalam keadaan terkendali (contoh: bom hidrogen). Fusi terkontrol bisa dilakukan dalam akselerator partikel, yang merupakan suatu system bagaimana unsur sintetis dibuat. Kesulitan teknis dan teoritis menghalangi pengembangan teknologi fusi nuklir untuk kepentingan sipil, meski penelitian mengenai teknologi ini di seluruh dunia terus berlanjut sampai sekarang.

Fusi nuklir secara teoritis mulai diteliti ketika Perang Dunia II, ketika para peneliti Proyek Manhattan yang dipimpin oleh Edward Teller menelitinya sebagai metode pembuatan bom. Proyek ini ditinggalkan setelah menyimpulkan bahwa hal ini memerlukan reaksi fisi untuk mengaktifkan bom hidrogen. Hal ini terus terjadi hingga pada tahun 1952, peledakkan bom hidrogen pertama dilakukan. Disebut bom hidrogen karena memanfaatkan reaksi antara deuterium dan tritium, isotop dari hidrogen. Reaksi fusi menghasilkan energi lebih besar per satuan massa material dibandingkan reaksi fisi, namun lebih sulit menjadikannya bereaksi secara berantai.

Penggunaan Nuklir

Energi nuklir

Energi nuklir adalah tipe teknologi nuklir yang melibatkan penggunaan tekendali dari reaksi fisi nuklir untuk melepaskan energi, termasuk propulsi, panas, dan pembangkitan energi listrik. Energi nuklir diproduksi oleh reaksi nuklir terkendali yang menciptakan panas yang lalu digunakan untuk memanaskan air, memproduksi uap, dan mengendalikan turbin uap. Turbin ini digunakan untuk menghasilkan energi listrik dan/atau melakukan pekerjaan mekanis. Lihat teknologi reaktor nuklir. Saat ini, energi nuklir digunakan untuk menggerakkan kapal induk, kapal pemecah es, dan kapal selam, selain itu ada Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) Terapung.

Aplikasi medis

Aplikasi medis dari teknologi nuklir dibagi menjadi diagnosis dan terapi radiasi, perawatan yang efektif bagi penderita kanker. Pencitraan (sinar X dan sebagainya), penggunaan Teknesium untuk diberikan pada molekul organik, pencarian jejak radioaktif dalam tubuh sebelum diekskresikan oleh ginjal, dan lain-lain.

Aplikasi industri

Pada eksplorasi minyak dan gas, penggunaan teknologi nuklir berguna untuk menentukan sifat dari bebatuan sekitar seperti porositas dan litografi. Teknologi ini melibatkan penggunaan neutron atau sumber energi sinar gamma dan detektor radiasi yang ditanam dalam bebatuan yang akan diperiksa. Pada konstruksi jalan, pengukur kelembaban dan kepadatan yang menggunakan nuklir digunakan untuk mengukur kepadatan tanah, aspal, dan beton. Biasanya digunakan cesium-137 sebagai sumber energi nuklirnya.

Aplikasi komersial

Ionisasi dari americium-241 digunakan pada detektor asap dengan memanfaatkan radiasi alfa. Tritium digunakan bersama fosfor pada rifle untuk meningkatkan akurasi penembakan pada malam hari. Perpendaran tanda “exit” menggunakan teknologi yang sama.

Pemrosesan makanan dan pertanian

Irradiasi makanan adalah proses memaparkan makanan dengan ionisasi radiasi dengan tujuan menghancurkan mikroorganisme, bakteri, virus, atau serangga yang diperkirakan berada dalam makanan. Jenis radiasi yang digunakan adalah sinar gamma, sinar X, dan elektron yang dikeluarkan oleh pemercepat elektron. Aplikasi lainnya yaitu pencegahan proses pertunasan, penghambat pemasakan buah, peningkatan hasil daging buah, dan peningkatan rehidrasi. Secara garis besar, irradiasi adalah pemaparan suatu bahan ke radiasi untuk mendapatkan manfaat teknis. Teknik seperti ini juga digunakan pada peralatan medis, plastic, tuba untuk jalur pipa gas, saluran untuk penghangat lantai, lembaran untuk pengemas makanan, bagian-bagian otomotif, kabel, ban, dan bahkan batu perhiasan.

Efek utama dalam pemrosesan makanan dengan menggunakan ionisasi radiasi berhubungan dengan kerusakan DNA, informasi dasar kehidupan. Mikroorganisme tidak mampu lagi berkembang biak dan melanjutkan aktivitas mereka. Serangga tidak akan selamat dan menjadi tidak mampu berkembang. Tanaman tidak mampu melanjutkan proses pematangan buah dan penuaan. Semua efek ini menguntungkan bagi konsumen dan industri makanan.

Keuntungan pemrosesan makanan dengan ionisasi radiasi adalah, densitas energi per transisi atom sangat tinggi dan mampu membelah molekul dan menginduksi ionisasi (tercermin pada nama metodenya) yang tidak dapat dilakukan dengan pemanasan biasa. Ini adalah alasan untuk efek yang menguntungkan, dan di saat yang sama, menimbulkan kekhawatiran. Perlakuan bahan makanan solid dengan radiasi ionisasi dapat menciptakan efek yang sama dengan pasteurisasi bahan makanan cair seperti susu. Namun, penggunaan istilah pasteurisasi dingin dan iradiasi dalah proses yang berbeda, meski bertujuan dan memberikan hasil yang sama pada beberapa kasus. Iradiasi makanan saat ini diizinkan di 40 negara dan volumenya diperkirakan melebihi 500.000 metrik ton setiap tahunnya di seluruh dunia.

Referensi:

• https://id.wikipedia.org/wiki/Teknologi_nuklir
• https://imperfectionists.wordpress.com/2010/11/15/sejarah-teknologi-nuklir/
• http://www.nu.or.id/post/read/26019/sejarah-awal-lahirnya-teknologi-nuklir
• https://warstek.com/2018/12/27/pltn-terapung/
• http://handarsubhandi.blogspot.com/2016/12/pengertian-tenaga-nuklir-dan-sejarah.html