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:
