Tipe-Tipe Reaktor Nuklir

Sebelum saya melanjutkan tulisan berikutnya mengenai teori-teori yang digunakan untuk analisis reaktor nuklir, terlebih dahulu saya ingin menulis tentang macam-macam reaktor nuklir yang dikenal selama ini. Banyak sekali tipe reaktor nuklir yang sudah dikembangkan saat ini, dan dari reaktor-reaktor yang dikembangkan, masing-masing memiliki keunikan tersendiri. Untuk lebih jelasnya saya tuliskan pembagian tipe reaktor nuklir berdasarkan parameter-parameter tertentu.

• Tipe Reaktor Nuklir Berdasarkan Tipe Reaksi

Berdasarkan tipe reaksinya, reaktor nuklir dibedakan atas reaktor yang memanfaatkan reaksi fisi dan reaktor yang memanfaatkan reaksi fusi.

Reaktor Fisi

Semua jenis reaktor komersial yang sudah digunakan saat ini adalah tipe reaktor fisi. Reaktor ini memanfaatkan pembelahan inti berat menjadi inti yang lebih ringan. Proses pembelahan ini menghasilkan energi yang relatif sangat besar, sebagai contoh, jika satu inti U-235 mengalami reaksi fisi, akan dihasilkan energi sekitar 200 MeV per atomnya. Jika dikalkulasikan secara makroskopik, berapa besar energi yang dihasilkan dari reaksi fisi 1 kg U-235? Untuk menjawabnya, perhatikan perhitungan di bawah ini.

1 MeV = 10⁶ × 1.6 × 10^-19 Joule = 1.6 × 10^-13 Joule
1 kg U-235 = 1000 x 235 x 6.02 × 10²³  = 1.415 × 10²⁹ atom U-235

Jadi, energi total yang dapat dihasilkan dari reaksi fisi 1 kg U-235 adalah sebesar.

E = 200 MeV x 1 kg U-235 = 1.6 × 10^-13 x 1.415 × 10²⁹ Joule

E = 2.264 × 10¹⁶ Joule

Untuk mendapatkan energi sebesar itu pada PLTU, dibutuhkan setidaknya 2000000 ton batubara. Tapi, pada kenyataannya, energi yang didapatkan dari hasil reaksi di reaktor nuklir besarnya masih dibawah hasil perhitungan tersebut karena ada faktor-faktor yang mempengaruhi hasil reaksi di reaktor nuklir.

Pada tiap reaksi inti U-235, rata-rata dihasilkan 2 – 3 neutron tiap reaksinya. Neutron-neutron yang dihasilkan akan memicu reaksi pada inti U-235 lain sehingga terjadi reaksi berantai yang menyebabkan energi yang dihasilkan tidak terkendali. Oleh karena itu, pada reaktor nuklir fisi, dilakukan pengendalian reaksi tersebut sehingga energi yang dihasilkan dapat juga dikendalikan.

Reaktor Fusi

Reaktor fusi memanfaatkan reaksi penggabungan inti-inti atom ringan untuk membentuk inti berat. Inti ringan yang biasanya digunakan antara lain adalah hidrogen, deutrium, tritium, litium, dan sebagainya. Energi yang dihasilkan dari fusi 2 inti ringan menjadi inti yang lebih berat umumnya lebih besar daripada energi yang dihasilkan dari fisi inti berat. Silakan lihat kurva binding energy per nukleon di bawah ini.

Gambar 1. Kurva binding energy (gambar ini diambil dari wikipedia)

Binding energy atau dalam bahasa Indonesia disebut sebagai energi ikat. Pada daerah masa atom ringan, jika terjadi penggabungan neukleon, akan dihasilkan energi yang sebanding dengan jumlah nukleon yang bergabung. Sebaliknya, pada daerah masa atom berat, jika terjadi pemutusan nukleon akan menghasilkan energi sebesar nukleon yang hilang. Kurva di atas memperlihatkan bahwa pada masa atom yang lebih rendah, kemiringan kurva jauh lebih besar dibandingkan dengan kemiringan pada daerah masa atom yang besar. Oleh karena itu, pada nomor atom ringan, energi yang dihasilkan lebih besar.

Hasil dari reaksi fusi pun relatif tidak meninggalkan banyak limbah radioaktif. Oleh karena itu, reaktor fusi digadang-gadang menjadi teknologi masa depan yang lebih efisien dan lebih bersih. Namun, pada praktiknya agar dua inti ringan bergabung menjadi inti berat dibutuhkan energi yang sangat besar (panas mencapai 6000000 K), dan sampai saat ini belum ditemukan material yang efektif untuk menahan panas sebesar 6000000 K. Saat ini, telah dikembangkan tokamak, yakni device yang digunakan untuk melangsungkan terjadinya reaksi fusi. Konsep desain tokamak memanfaatkan medan magnet untuk menahan plasma hasil dari reaksi fusi agar tidak keluar ke lingkungan. Penjelasan lebih jauh insya Allah akan saya tuliskan pada postingan-postingan lain.

• Tipe Reaktor Nuklir Berdasarkan Penggunaannya

Berdasarkan penggunaannya, reaktor nuklir dibedakan atas:

Reaktor Riset

Sesuai dengan namanya, reaktor ini dipergunakan untuk kepentingan riset/penelitian. Selain itu, reaktor riset juga dipergunakan untuk memproduksi isotop-isotop radioaktif yang nantinya digunakan pada bidang kedokteran, material, pertanian, dan lain-lain. Reaktor riset ini diusahakan agar daya yang dihasilkan sekecil mungkin. Indonesia sendiri memiliki 3 buah reaktor riset yakni reaktor TRIGA 2000 Bandung, Reaktor Kartini Yogyakarta dan Reaktor G.A. Siwabessy, Serpong).

Pada reaktor riset energi hasil reaksi fisi dibuang ke lingkungan karena pada dasarnya hasil reaksi yang diambil dari reaktor riset ini adalah partikel neutron-nya saja agar bisa digunakan untuk produksi isotop radioaktif, analisis material, dan lain-lain.

Reaktor Daya

Reaktor daya merupakan reaktor nuklir yang digunakan untuk kepentingan komersial. Reaktor ini memanfaatkan energi hasil dari reaksi fisi untuk menguapkan air sehingga uap tersebut dapat memutar turbin, dan turbin akan memutar generator listrik. Skema reaktor daya diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2. Skema transfer energi reaktor nuklir tipe BWR (themoderatevoice.com)

Gambar di atas merupakan skema transfer energi dari reaktor nuklir tipe BWR. Dapat dilihat bahwa uap yang dihasilkan ditransfer ke turbin sehingga generator berputar dan dihasilkanlah listrik. Perlu diperhatikan bahwa air yang diuapkan tidak dilepas ke udara karena air ini membawa partikel radiaktif. Oleh karena itu, air didinginkan kembali melalui pipa pendingin tanpa adanya kontak secara langsung.

• Tipe Reaktor Nuklir Berdasarkan Energi Neutron yang Digunakan

Neutron merupakan partikel yang memicu terjadinya reaksi fisi nuklir. Besar kecilnya energi neutron dapat mempengaruhi parameter neutronik bahan bakar reaktor nuklir karena besarnya cross section amat dipengaruhi oleh energi atau kecepatan neutron yang digunakan. Oleh karena itu, reaktor nuklir pun dibedakan berdasarkan energi neutron yang digunakannya. Sebelum membahas tipe reaktor-nya, terlebih dahulu harus diketahui klasifikasi neutron berdasarkan rentang energi-nya. Berikut ini saya tampilkan tabel klasifikasi neutron berdasarkan rentang energi yang saya ambil dari wikipedia.

Tabel 1. Klasifikasi energi neutron (wikipedia)

Sekarang kita sudah mengetahui klasifikasi neutron berdasarkan energinya. Pada aplikasinya, energi neutron yang umumnya digunakan pada reaktor nuklir berada pada daerah thermal neutron (neutron termal) dan fast neutron (neutron cepat). Mengapa tidak ada reaktor nuklir yang menggunakan rentang energi selain termal dan fast? Jawabannya adalah karena pada rentang energi selain termal dan fast neutron menghasilkan data cross section yang tidak stabil sehingga sulit dilakukan analisis ataupun pengendalian reaktor jika data cross sectionnya tidak stabil. Sedangkan pada rentang energi termal dan fast umumnya memiliki data cross section yang relatif stabil terutama pada inti Th-232, U-233, U-235, U-238, Pu-239, dan sebagainya. Selanjutnya, reaktor nuklir yang pengoperasiannya memanfaatkan neutron termal disebut sebagai reaktor termal. Sedangkan reaktor nuklir yang pengoperasiannya memanfaatkan neutron cepat (fast neutron) disebut sebagai reaktor cepat (fast reactor). Lalu, apa perbedaan dari reaktor termal dan reaktor cepat? Berikut ini penjelasannya.

Pada awalnya, neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi berada pada kondisi neutron cepat (fast neutron). Pada reaktor termal, dimana membutuhkan neutron yang berada pada energi termal untuk menumbuk inti fisil, dibutuhkan moderator untuk menyerap energi neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi sehingga berada pada kondisi neutron termal pada saat menumbuk inti fisil berikutnya. Sedangkan pada fast reactor tidak perlu menggunakan moderator karena neutron yang dibutuhkan sudah berada pada rentang energi yang dibutuhkan.

Selanjutnya, perhatikan gambar berikut ini.

Gambar 3. Cross section fisi U-235, U-238, dan Pu-239 (http://www.tbc.school.nz/)

Gambar di atas menunjukkan cross section untuk isotop U-235, U-238, dan Pu-239. Dari gambar di atas, kita bisa melihat bahwa cross section U-235 dan Pu-239 di daerah neutron termal nilainya jauh lebih besar daripada nilai di daerah neutron cepat. Selain itu, cross section fisi U-238 pada daerah neutron termal hampir bernilai nol dan pada daerah neutron cepat lumayan bernilai.

Dari data di atas, dapat kita pelajari bahwa pada reaktor termal yang menggunakan bahan bakar uranium dibutuhkan material fisil yang lebih sedikit dibandingkan pada reaktor cepat. Artinya enrichment pada reaktor termal pun relatif lebih kecil dibandingkan dengan enrichment pada reaktor cepat. Mengapa demikian? Karena pada reaktor termal pemanfaatan neutron lebih efektif untuk melakukan reaksi fisi, sedangkan pada reaktor cepat sebagian neutron efektif ditangkap oleh material fertil untuk membentuk material fisil (biasanya U-238 untuk membentuk Pu-239), sehingga biasanya pada reaktor cepat digunakan pula untuk breeding (pembiak bahan fisil). Oleh karena itu, reaktor cepat lebih ekonomis dari sisi pemanfaatan neutron dibandingkan reaktor termal karena pada reaktor termal banyak neutron yang diserap oleh absorber untuk menjaga kesetabilan daya.

Dilihat dari sisi enrichment bahan bakarnya, reaktor termal lebih banyak disukai karena membutuhkan enrichment yang kecil. Mengapa demikian? Pada reaktor cepat dibutuhkan enrichment yang cukup besar sehingga rentan sekali terhadap penyalahgunaan bahan bakar nuklir, karena pada enrichment yang besar, bahan bakar nuklir bisa disalahgunakan untuk dijadikan bom nuklir. Oleh karena itu, sampai saat ini sebagian besar reaktor nuklir yang beroperasi di seluruh dunia merupakan reaktor termal, misalnya LWR (PWR dan BWR), HWR, Candu, dan sebagainya. Sedangkan reaktor cepat yang pernah beroperasi sejauh yang saya ketahui adalah Superphenix (Fast Breeder Reactor) yang dimiliki oleh Perancis.

• Tipe Reaktor Nuklir Berdasarkan Pendingin

Reaktor nuklir membutuhkan pendingin agar suhu yang dicapai oleh reaktor tidak melebihi suhu batas yang ditentukan. Ada banyak macam pendingin yang digunakan misalnya air ringan, air berat, gas, garam cair (molten salt), logam cair (liquid metal) dan lain-lain. Berikut ini beberapa jenis reaktor yang populer diketahui saat ini.

Reaktor Air Ringan / Light Water Reactor (LWR)

Light Water Reactor (LWR) merupakan reaktor termal yang menggunakan air ringan sebagai pendingin sekaligus moderator. Yang dimaksud air ringan disini adalah H2O dengan isotop hidrogen H-1. LWR merupakan tipe reaktor yang paling banyak digunakan di dunia. Reaktor tipe LWR yang paling populer selama ini adalah Pressurized Water Reactor (PWR) dan Boiling Water Reactor (BWR).

Pada BWR, panas yang dihasilkan oleh fisi mengubah air menjadi uap yang langsung dialirkan untuk menggerakkan turbin pembangkit listrik. Lain halnya dengan PWR, pada reaktor tipe ini panas yang dihasilkan oleh fisi ditransfer ke loop sekunder melalui penukar panas. Uap dihasilkan di loop sekunder, dan uap di loop sekunder ini dialirkan untuk menggerakkan turbin pembangkit listrik. Pada kedua reaktor ini, setelah uap mengalir melalui turbin, uap berubah kembali menjadi air di kondensor. Skema transfer panas untuk reaktor tipe BWR dapat dilihat pada gambar 2. Sedangkan untuk tipe PWR bisa dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar 4. Skema transfer panas pada PWR (wikipedia)

Reaktor PWR menggunakan pressurizer untuk mengatur tekanan pendingin primer agar tetap stabil.

Reaktor Air Berat / Heavy Water Reactor (HWR)

Reaktor tipe ini menggunakan air berat sebagai pendingin. Air berat yang dimaksud adalah D2O, D adalah deutrium yang merupakan isotop hidrogen dengan nomor masa 2 (H-2). Reaktor ini umumnya menggunakan uranium alam tanpa pengayaan sebagai bahan bakarnya. Pendingin air berat terjaga oleh tekanan, memungkinkan untuk dipanaskan sampai suhu yang lebih tinggi tanpa mendidih, seperti halnya PWR. Meskipun air berat secara signifikan lebih mahal daripada air ringan, tetapi pendingin air berat memiliki nilai keekonomisan neutron yang lebih tinggi, hal ini memungkinkan reaktor beroperasi tanpa pengayaan bahan bakar dan umumnya meningkatkan kemampuan reaktor agar secara efisien memanfaatkan siklus bahan bakar di dalamnya.

Salah satu jenis HWR adalah CANDU (Canadian Deuterium Uranium) yang merupakan reaktor nuklir di Kanada. CANDU menghasilkan listrik dengan cara yang sama seperti pembangkit listrik bahan bakar fosil. Panas dihasilkan dari “pembakaran” bahan bakar dan digunakan untuk menggerakkan turbin uap yang biasanya terletak di “power hall” terpisah. CANDU mengkonsumsi bahan bakar nuklir secara in-situ. ketika bahan bakar sudah selesai mengalami “pembakaran”, bahan bakar tersebut dikeluarkan dari reaktor dan disimpan sebagai limbah radioaktif tingkat tinggi. Berikut ini skema pengoperasian reaktor nuklir jenis CANDU yang saya ambil dari wikipedia.

Gambar 5. Skema pengoperasian CANDU (wikipedia)

Reaktor Berpendingin Gas / Gas Cooled Reactor (GCR)

Gas Cooled Reactor adalah pembangkit listrik yang menggunakan gas sebagai pendingin reaktor. Panas diambil oleh gas selama proses pendinginan reaktor yang kemudian digunakan secara tidak langsung untuk menghasilkan uap dimana uap tersebut digunakan untuk menggerakan turbin, atau pada kasus lain pendingin yang mengambil panas ini dapat digunakan secara langsung sebagai fluida kerja dari turbin gas sehingga tidak memerlukan sirkuit uap terpisah. Tentu saja kedua pendekatan ini memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Moderator yang digunakan pada jenis reaktor ini adalah grafit yang memiliki kelebihan tetap stabil di bawah kondisi radiasi tinggi serta suhu tinggi. Contoh reaktor berpendingin gas adalah Gas Cooled Fast Reactor (GCFR). Berikut ini diperlihatkan skema sirkuit dari GCFR.

Gambar 6. Skema sirkuit GCFR (oektg.at)

Seperti ditunjukkan pada gambar di atas, GCFR menggunakan spektrum neutron cepat dengan pendingin helium. Menggunakan siklus bahan bakar tertutup. Bahan bakar merupakan komposit keramik yang terbungkus dengan rapih, dilapisi (U, Pu)C. Reaktor ini didesain memiliki suhu output 850 ° C yang memungkinkan untuk menghasilkan hidrogen atau memproses panas dengan efisiensi konversi yang tinggi.

Reaktor Berpendingin Logam Cair / Liquid Metal Cooled Reactor (LMCR)

Reaktor Berpendingin Logam Cair merupakan tipe reaktor cepat, digunakan logam cair untuk menjaga agar neutron tetap berada pada spektrum neutron cepat. Reaktor ini biasanya sangat kompak dan bisa juga berpotensi digunakan untuk sumber energi kapal angkatan laut. Meskipun pada saat ini ada reaktor berpendingin logam cair yang digunakan sebagai pembangkit listrik, sebagian besar contoh merupakan prototipe yang telah dibangun di seluruh dunia sebagai reaktor eksperimental. Contoh dari reaktor tipe ini antara lain adalah Sodium Cooled Fast Reactor (SCFR) dan Lead Cooled Fast Reactor (LCFR). Berikut ini ditampilkan skema sirkuit dari kedua reaktor tersebut.

Gambar 7. Skema sirkuit SFR

Gambar 8. Skema sirkuit LFR

Reaktor Garam Cair / Molten Salt Reactor (MSR)

Molten Salt Reactor (MSR) merupakan reaktor fisi nuklir dimana pendingin primer, atau bahkan bahan bakar itu sendiri merupakan campuran garam cair. MSRs dijalankan pada suhu yang lebih tinggi dari reaktor berpendingin air untuk efisiensi termodinamika yang lebih tinggi, namun tekanan uap rendah.

Proyek penelitian MSR sudah dilakukan sejak tahun 60-an, namun sampai saat ini belum digunakan untuk keperluan komersial. Salah satu alasannya adalah bahwa banyak modal penelitian nuklir berasal dari militer, dan teknologi MSR skala besar biasanya kurang diminati untuk keperluan sumber energi kapal selam dan kapal induk dibandingkan LWR yang berukuran relatif lebih kecil. selain itu, MSR membutuhkan fasilitas terpisah untuk menyaring campuran inti (bahan bakar). Namun, untuk keperluan produksi listrik secara massal, desain MSR memiliki beberapa keuntungan, terutama berkaitan dengan dua isu utama yakni aspek keselamatan dan aspek ekonomi.

Berikut ini adalah gambar skema sirkuit Molten Salt Reactor.

Gambar 9. Skema sirkuit MSR (wikipedia)

Demikian tulisan tentang tipe-tipe reaktor nuklir ini saya buat, semoga memberikan wawasan tambahan kepada para pembaca sekalian.

Referensi

1. Carron, N.J. (2007). An Introduction to the Passage of Energetic Particles Through Matter. p. 308.
2. Wikipedia. http://www.wikipedia.org. Diakses 6 April 2014.
3. Infonuklir. http://www.infonuklir.com. Diakses 6 April 2014.
4. Rouf. Buku Catatan Kuliah Fisika Reaktor. 2013.
5. http://www.tbc.school.nz/. Diakses 6 April 2014.
6. Ricky, Gas Cooled Reactors in Nuclear Plants, http://www.brighthubengineering.com. Diakses 6 April 2014.
7. Langegger, Ruppet. Generation IV – Gas cooled Fast Reactor. Austrian Nuclear Societies. http://www.oektg.at/. Diakses 6 April 2014.
8. Neurovore. Nuclear Technology Basics: Part 8 Liquid Metal Cooled Reactors. http://www.neurovoresnuclearnetworknews.blogspot.com. Diakses 6 April 2014.
9. Templeton, Graham. The 500MW molten salt nuclear reactor: Safe, half the price of light water, and shipped to order. 2013. http://www.extremetech.com/. Diakses 6 April 2014.