Thread ini adalah tulisan ketiga dari serial ilmu dan teknologi nuklir. Thread sebelumnya ada di sini:
Sekilas tentang cara kerja PLTN
Sekilas tentang bahan bakar nuklir

=========================================================

Reaktor nuklir pada dasarnya adalah tempat terjadinya reaksi nuklir. Ada dua jenis reaksi nuklir yang terkait, yaitu reaksi fisi atau pembelahan inti atom dan reaksi fusi atau penggabungan inti atom. Kali ini kita akan membahas tentang reaksi fisi.

Untuk menghasilkan reaksi fisi, kita harus mempunyai material yang dapat membelah. Kita sebut material ini sebagai bahan bakar. Selanjutnya agar dapat membelah, harus ada pemicunya, yang dalam hal ini adalah neutron. Secara umum reaksi fisi dapat kita tuliskan seperti ini

X + n ---> Y1 + Y2 + (2-3) n + v + E

Di formulasi di atas, X adalah material bahan bakar, n adalah neutron yang menyebabkan terjadinya reaksi fisi, Y1 dan Y2 adalah material yang dihasilkan dari reaksi fisi, atau dikenal dengan istilah produk fisi, v adalah anti-neutrino dan E adalah energi yang dihasilkan dari reaksi fisi. Dari setiap reaksi fisi akan dihasilkan kadang 2, kadang 3 neutron baru, tidak ajeg, acak sifatnya.

Reaksi fisi dapat diilustrasikan seperti pada gambar di bawah ini:



Dalam gambar tersebut tampak neutron mengenai bahan bakar uranium-235 atau U-235 dan menghasilkan satu produk antara yaitu U-236 yang sifatnya tidak stabil dan kemudian akan membelah menjadi dua buah produk fisi, yaitu kripton-92 (Kr-92) dan barium-141 (Ba-141) serta 3 buah neutron baru. Di samping itu akan muncul pula energi yang sebagian besar berupa energi kinetik dari produk-produk fisi.

Karena dalam reaksi ini muncul neutron-neutron baru, tentunya akan ada pertanyaan, bisakah neutron tersebut menumbuk material U-235 yang lain? Jawabannya adalah sangat bisa… Ini yang disebut denganreaksi berantai. Kalau digambarkan kira-kira seperti pada gambar di bawah ini:



Neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi akan menumbuk U-235 yang lain, demikian seterusnya. Jadi semakin lama semakin banyak U-235 yang mengalami reaksi fisi. Kalau misalkan saja setiap reaksi fisi menghasilkan 3 neutron baru, dan 3 neutron tersebut menumbuk U-235 yang lain dan seterusnya, maka bisa dihitung secara sederhana akan ada peningkatan jumlah reaksi fisi sesuai dengan deret geometris: 1, 3, 9, 27, 81, 243, 729, 2187, 6561, 19683, 59049, dan seterusnya. Karena setiap terjadi reaksi fisi akan dibangkitkan energi, maka energi tersebut juga akan meningkat sesuai dengan deret geometris tadi.

Ingin tahu seberapa cepat reaksi fisi berlangsung? Mari kita melihat kembali gambar ilustrasi reaksi fisi. Waktu yang diperlukan antara kejadian ketika neutron menumbuk U-235 sampai dengan terbentuknya produk antara U-236 adalah 10E-14 (sepuluh pangkat minus 14) detik!! (gimana sih caranya ngetik upperscript di kaskus?) Dari terbentuknya produk antara sampai terjadi pembelahan dan dihasilkan produk fisi memerlukan waktu 10E-20 detik. Dari terbentuknya produk fisi sampai muncul neutron baru memerlukan waktu 10E-17 detik, dan dari munculnya neutron baru sampai menumbuk inti atom U-235 yang lain perlu waktu sekitar 10E-7 detik, dan selanjutnya waktu yang diperlukan oleh produk-produk fisi untuk menumbuk atom lain di sekitarnya sehingga akan mentransfer energi kinetik yang dipunyainya menjadi energi termal adalah sekitar 10E-12 detik. Wow... sangat sangat sangat cepat sekali!!!
Karena waktu terlama adalah 10E-7 detik, maka ini yang menentukan kecepatan reaksi. Maksudnya bagaimana? Setiap 10E-7 detik energi dari reaksi fisi akan meningkat 3 kali lipat, dan dalam waktu satu detik energi yang dihasilkan sudah besar sekali (3 pangkat 10E7 kali lipat, coba hitung di kalkulator atau komputer, pasti hasilnya gedhe banget....). Fenomena semacam ini dikenal dengan istilahreaksi berantai tak terkendali atau uncontrolled chain reaction, yang merupakan dasar dari prinsip kerja bom atom atau bom nuklir.

Lalu apakah bisa reaksi fisi dikendalikan? Tentu saja bisa, kalau tidak bisa tentunya tidak bakalan ada 400-an lebih PLTN dan 200-an lebih reaktor riset yang saat ini beroperasi di dunia. Bagaimana caranya?

Cara yang pertama adalah dengan mengendalikan jumlah neutron yang menumbuk inti bahan bakar. Tadi dimisalkan ada 3 neutron baru yang dihasilkan per reaksi fisi. Nah, seandainya kita dapat menangkap 2 neutron baru tersebut sehingga tidak menumbuk inti U-235 yang lain dan membiarkan hanya 1 neutron baru yang menumbuk inti U-235, maka kita akan mendapatkan populasi neutron yang konstan setiap saat: 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, dst. Dengan demikian energi yang dihasilkan juga akan konstan. Hal ini akan ada kaitannya dengan proses penyerapan neutron dan penggunaan batang kendali.

Cara yang kedua adalah dengan memperlambat reaksi. Di atas sudah disebutkan bahwa rentang waktu antara neutron dilahirkan sampai dengan menumbuk inti atom U-235 akan menentukan kecepatan reaksi. Jika kita bisa memperpanjang rentang waktu tersebut, maka proses reaksi fisi bisa berlangsung lebih lambat dan pertambahan energi yang dibangkitkan menjadi tidak drastis. Ini nanti yang akan terkait dengan konsep moderasi neutron.

Selain dua cara di atas, masih ada lagi fenomena-fenomena lain yang akan membantu dalam pengendalikan reaksi fisi. Misalnya saja dengan memanfaatkan fenomena alam (sunatullah) yang bernama umpan balik reaktivitas negatif, peracunan xenon serta neutron kasip untuk mengendalikan reaktor. Apa sebenarnya fenomena-fenomena tersebut dan bagaimana mereka diterapkan dalam sebuah reaktor nuklir? Penasaran? Untuk itu kita perlu belajar tentang ilmu nuklir. Pelan-pelan kita akan membahasnya dalam artikel-artikel mendatang… Just stay tuned…