Fisi dan Fusion Nuklir

Fusi nuklir dan fisi nuklir adalah berbagai jenis reaksi yang melepaskan energi karena adanya ikatan atom berdaya tinggi antara partikel yang ditemukan dalam inti. Dalam fisi, sebuah atom dipecah menjadi dua atau lebih kecil, atom lebih ringan. Fusi, sebaliknya, terjadi ketika dua atau lebih atom yang lebih kecil bergabung bersama, menciptakan atom yang lebih besar dan lebih berat.

Grafik perbandingan

Tabel perbandingan Fisi Nuklir versus Nuklir Fusion
Fisi nuklir Fusi nuklir
DefinisiFission adalah pemisahan atom besar menjadi dua atau lebih kecil.Fusion adalah penyatuan dua atau lebih atom yang lebih ringan menjadi yang lebih besar.
Terjadinya proses secara alamiReaksi fisi biasanya tidak terjadi di alam.Fusi terjadi pada bintang-bintang, seperti matahari.
Produk sampingan dari reaksiFisi menghasilkan banyak partikel yang sangat radioaktif.Beberapa partikel radioaktif dihasilkan oleh reaksi fusi, tetapi jika "pemicu" fisi digunakan, partikel radioaktif akan dihasilkan dari itu.
KondisiDibutuhkan massa zat kritis dan neutron berkecepatan tinggi.Kepadatan tinggi, lingkungan suhu tinggi diperlukan.
Kebutuhan EnergiMembutuhkan sedikit energi untuk membelah dua atom dalam reaksi fisi.Diperlukan energi yang sangat tinggi untuk membawa dua atau lebih proton cukup dekat sehingga kekuatan nuklir mengatasi tolakan elektrostatiknya.
Energi DirilisEnergi yang dilepaskan oleh fisi sejuta kali lebih besar dari yang dilepaskan dalam reaksi kimia, tetapi lebih rendah dari energi yang dilepaskan oleh fusi nuklir.Energi yang dilepaskan oleh fusi adalah tiga hingga empat kali lebih besar dari energi yang dilepaskan oleh fisi.
Senjata nuklirSatu kelas senjata nuklir adalah bom fisi, juga dikenal sebagai bom atom atau bom atom.Satu kelas senjata nuklir adalah bom hidrogen, yang menggunakan reaksi fisi untuk "memicu" reaksi fusi.
Produksi energiFisi digunakan dalam pembangkit listrik tenaga nuklir.Fusion adalah teknologi eksperimental untuk menghasilkan daya.
Bahan bakarUranium adalah bahan bakar utama yang digunakan dalam pembangkit listrik.Hidrogen isotop (Deuterium dan Tritium) adalah bahan bakar utama yang digunakan dalam pembangkit listrik fusi eksperimental.

Definisi

Penggabungan deuterium dengan tritium menciptakan helium-4, membebaskan neutron, dan melepaskan energi 17, 59 MeV.

Fusi nuklir adalah reaksi di mana dua atau lebih nuklei bergabung, membentuk elemen baru dengan nomor atom yang lebih tinggi (lebih banyak proton dalam nukleus). Energi yang dilepaskan dalam fusi terkait dengan E = mc 2 (persamaan massa-energi Einstein yang terkenal). Di Bumi, reaksi fusi yang paling mungkin adalah reaksi Deuterium-Tritium. Deuterium dan Tritium adalah isotop hidrogen.

2 1 Deuterium + 3 1 Tritium = 4 2 He + 1 0 n + 17.6 MeV

[Gambar: Fisi-Reaksi.svg | jempol | tidak ada | Reaksi Fisi]]

Fisi nuklir adalah pemisahan nukleus masif menjadi foton dalam bentuk sinar gamma, neutron bebas, dan partikel subatomik lainnya. Dalam reaksi nuklir khas yang melibatkan 235U dan neutron:

235 92 U + n = 236 92 U

diikuti oleh

236 92 U = 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 n + 177 MeV

Fisi vs Fisika Fisika

Atom disatukan oleh dua dari empat kekuatan fundamental alam: ikatan nuklir yang lemah dan kuat. Jumlah total energi yang disimpan dalam ikatan atom disebut energi ikat. Semakin banyak energi ikat yang dipegang dalam ikatan, semakin stabil atom. Selain itu, atom mencoba menjadi lebih stabil dengan meningkatkan energi ikatnya.

Nukleon atom besi adalah nukleon paling stabil yang ditemukan di alam, dan tidak berfusi maupun membelah. Inilah sebabnya mengapa besi berada di puncak kurva energi pengikat. Untuk inti atom yang lebih ringan dari besi dan nikel, energi dapat diekstraksi dengan menggabungkan inti besi dan nikel bersama melalui fusi nuklir. Sebaliknya, untuk inti atom yang lebih berat dari besi atau nikel, energi dapat dilepaskan dengan memisahkan inti berat melalui fisi nuklir.

Gagasan pemisahan atom muncul dari karya fisikawan Inggris kelahiran Selandia Baru, Ernest Rutherford, yang juga mengarah pada penemuan proton.

Ketentuan untuk Fisi dan Penggabungan

Fisi hanya dapat terjadi pada isotop besar yang mengandung lebih banyak neutron daripada proton dalam nukleinya, yang mengarah pada lingkungan yang sedikit stabil. Meskipun para ilmuwan belum sepenuhnya memahami mengapa ketidakstabilan ini sangat membantu untuk fisi, teori umumnya adalah bahwa sejumlah besar proton menciptakan gaya tolak yang kuat di antara mereka dan bahwa terlalu sedikit atau terlalu banyak neutron menciptakan "celah" yang menyebabkan melemahnya ikatan nuklir, yang menyebabkan peluruhan (radiasi). Nuklei besar ini dengan lebih banyak "celah" dapat "terbelah" oleh dampak neutron termal, yang disebut neutron "lambat".

Syaratnya harus tepat agar reaksi fisi terjadi. Agar fisi dapat mandiri, zat harus mencapai massa kritis, jumlah minimum massa yang diperlukan; jatuh pendek dari massa kritis membatasi panjang reaksi menjadi mikrodetik belaka. Jika massa kritis tercapai terlalu cepat, artinya terlalu banyak neutron dilepaskan dalam nanodetik, reaksi menjadi murni eksplosif, dan tidak ada pelepasan energi yang kuat akan terjadi.

Reaktor nuklir sebagian besar adalah sistem fisi yang dikendalikan yang menggunakan medan magnet untuk mengandung neutron liar; ini menghasilkan rasio pelepasan neutron sekitar 1: 1, yang berarti satu neutron muncul dari dampak satu neutron. Karena jumlah ini akan bervariasi dalam proporsi matematis, di bawah apa yang dikenal sebagai distribusi Gaussian, medan magnet harus dipertahankan agar reaktor berfungsi, dan batang kendali harus digunakan untuk memperlambat atau mempercepat aktivitas neutron.

Fusi terjadi ketika dua elemen yang lebih ringan dipaksa bersama oleh energi yang sangat besar (tekanan dan panas) sampai mereka bergabung ke isotop lain dan melepaskan energi. Energi yang diperlukan untuk memulai reaksi fusi sangat besar sehingga diperlukan ledakan atom untuk menghasilkan reaksi ini. Namun, setelah fusi dimulai, secara teoritis dapat terus menghasilkan energi selama itu dikendalikan dan isotop sekering dasar dipasok.

Bentuk fusi yang paling umum, yang terjadi pada bintang-bintang, disebut "fusi DT, " mengacu pada dua isotop hidrogen: deuterium dan tritium. Deuterium memiliki 2 neutron dan tritium memiliki 3, lebih dari satu proton hidrogen. Hal ini membuat proses fusi lebih mudah karena hanya muatan antara dua proton yang perlu diatasi, karena menggabungkan neutron dan proton memerlukan upaya untuk mengatasi kekuatan penolak alami dari partikel bermuatan serupa (proton memiliki muatan positif, dibandingkan dengan kurangnya muatan neutron '. ) dan suhu - untuk sesaat - mendekati 81 juta derajat Fahrenheit untuk fusi DT (45 juta Kelvin atau sedikit kurang dalam Celsius). Sebagai perbandingan, suhu inti matahari sekitar 27 juta F (15 juta C). [1]

Setelah suhu ini tercapai, fusi yang dihasilkan harus terkandung cukup lama untuk menghasilkan plasma, salah satu dari empat keadaan materi. Hasil dari penahanan tersebut adalah pelepasan energi dari reaksi DT, menghasilkan helium (gas mulia, lembam untuk setiap reaksi) dan neutron cadangan daripada yang dapat "menabur" hidrogen untuk reaksi fusi yang lebih banyak. Saat ini, tidak ada cara aman untuk menginduksi suhu fusi awal atau mengandung reaksi sekering untuk mencapai kondisi plasma stabil, tetapi upaya sedang berlangsung.

Jenis reaktor ketiga disebut reaktor pemulia. Ia bekerja dengan menggunakan fisi untuk membuat plutonium yang dapat menyemai atau berfungsi sebagai bahan bakar untuk reaktor lain. Reaktor pemulia digunakan secara luas di Prancis, tetapi biayanya mahal dan memerlukan langkah-langkah keamanan yang signifikan, karena output dari reaktor ini dapat digunakan untuk membuat senjata nuklir juga.

Reaksi berantai

Reaksi nuklir fisi dan fusi adalah reaksi berantai, yang berarti bahwa satu peristiwa nuklir menyebabkan setidaknya satu reaksi nuklir lainnya, dan biasanya lebih. Hasilnya adalah siklus reaksi yang meningkat yang dapat dengan cepat menjadi tidak terkendali. Jenis reaksi nuklir ini dapat berupa beberapa pemisahan isotop berat (mis. 235 U) atau penggabungan isotop ringan (misalnya 2H dan 3H).

Reaksi berantai fisi terjadi ketika neutron membombardir isotop yang tidak stabil. Jenis proses "dampak dan pencar" ini sulit dikendalikan, tetapi kondisi awalnya relatif mudah untuk dicapai. Reaksi rantai fusi berkembang hanya di bawah kondisi tekanan dan suhu ekstrem yang tetap stabil oleh energi yang dilepaskan dalam proses fusi. Kondisi awal dan bidang stabilisasi sangat sulit dilakukan dengan teknologi saat ini.

Rasio Energi

Reaksi fusi melepaskan energi 3-4 kali lebih banyak daripada reaksi fisi. Meskipun tidak ada sistem fusi berbasis-Bumi, keluaran matahari adalah tipikal dari produksi energi fusi karena ia secara konstan mengubah isotop hidrogen menjadi helium, memancarkan spektrum cahaya dan panas. Fission menghasilkan energinya dengan memecah satu gaya nuklir (yang kuat) dan melepaskan sejumlah besar panas daripada yang digunakan untuk memanaskan air (dalam reaktor) untuk kemudian menghasilkan energi (listrik). Fusion mengatasi 2 kekuatan nuklir (kuat dan lemah), dan energi yang dilepaskan dapat digunakan langsung untuk menyalakan generator; jadi tidak hanya lebih banyak energi yang dikeluarkan, itu juga dapat dimanfaatkan untuk aplikasi yang lebih langsung.

Penggunaan Energi Nuklir

Reaktor nuklir eksperimental pertama untuk produksi energi mulai beroperasi di Chalk River, Ontario, pada tahun 1947. Fasilitas energi nuklir pertama di AS, Experimental Breeder Reactor-1, diluncurkan tak lama kemudian, pada tahun 1951; itu bisa menyalakan 4 lampu. Tiga tahun kemudian, pada tahun 1954, AS meluncurkan kapal selam nuklir pertamanya, USS Nautilus, sementara USSR meluncurkan reaktor nuklir pertama di dunia untuk pembangkit listrik skala besar, di Obninsk. AS meresmikan fasilitas produksi tenaga nuklirnya setahun kemudian, menyalakan Arco, Idaho (pop. 1.000).

Fasilitas komersial pertama untuk produksi energi menggunakan reaktor nuklir adalah Calder Hall Plant, di Windscale (sekarang Sellafield), Inggris. Itu juga merupakan lokasi kecelakaan terkait nuklir pertama pada tahun 1957, ketika kebakaran terjadi karena kebocoran radiasi.

Pembangkit nuklir AS berskala besar pertama dibuka di Shippingport, Pennsylvania, pada tahun 1957. Antara tahun 1956 dan 1973, hampir 40 reaktor nuklir produksi tenaga diluncurkan di AS, yang terbesar adalah Unit Satu dari Pembangkit Listrik Nuklir Zion di Illinois, dengan kapasitas 1.155 megawatt. Tidak ada reaktor lain yang dipesan sejak online, meskipun yang lain diluncurkan setelah 1973.

Prancis meluncurkan reaktor nuklir pertama mereka, Phénix, yang mampu menghasilkan tenaga 250 megawatt, pada tahun 1973. Reaktor penghasil energi paling kuat di AS (1.315 MW) dibuka pada tahun 1976, di Pembangkit Listrik Trojan di Oregon. Pada 1977, AS memiliki 63 pembangkit nuklir yang beroperasi, menyediakan 3% dari kebutuhan energi negara. 70 lainnya dijadwalkan akan online pada tahun 1990.

Unit Dua di Three Mile Island mengalami kehancuran sebagian, melepaskan gas inert (xenon dan krypton) ke lingkungan. Gerakan anti-nuklir memperoleh kekuatan dari kekhawatiran insiden yang disebabkan. Ketakutan semakin dipicu pada tahun 1986, ketika Unit 4 di pabrik Chernobyl di Ukraina mengalami reaksi nuklir yang meledak yang meledakkan fasilitas itu, menyebarkan bahan radioaktif di seluruh wilayah dan sebagian besar Eropa. Selama 1990-an, Jerman dan terutama Perancis memperluas pembangkit nuklirnya, dengan fokus pada reaktor yang lebih kecil dan lebih terkontrol. China meluncurkan 2 fasilitas nuklir pertamanya pada tahun 2007, menghasilkan total 1.866 MW.

Meskipun energi nuklir menempati urutan ketiga di belakang batu bara dan tenaga air dalam watt global yang diproduksi, dorongan untuk menutup pembangkit nuklir, ditambah dengan meningkatnya biaya untuk membangun dan mengoperasikan fasilitas tersebut, telah menciptakan kemunduran pada penggunaan energi nuklir untuk tenaga. Perancis memimpin dunia dalam persentase listrik yang dihasilkan oleh reaktor nuklir, tetapi di Jerman, matahari telah melampaui nuklir sebagai produsen energi.

AS masih memiliki lebih dari 60 fasilitas nuklir yang sedang beroperasi, tetapi inisiatif pemungutan suara dan usia reaktor telah menutup pabrik di Oregon dan Washington, sementara lusinan lainnya ditargetkan oleh pengunjuk rasa dan kelompok perlindungan lingkungan. Saat ini, hanya Cina yang tampaknya memperluas jumlah pabrik nuklirnya, karena berusaha mengurangi ketergantungannya pada batubara (faktor utama dalam tingkat polusi yang sangat tinggi) dan mencari alternatif untuk mengimpor minyak.

Kekhawatiran

Ketakutan akan energi nuklir berasal dari hal-hal ekstrem, baik sebagai senjata maupun sumber tenaga. Fisi dari reaktor menciptakan bahan limbah yang secara inheren berbahaya (lihat lebih lanjut di bawah) dan bisa cocok untuk bom kotor. Meskipun beberapa negara, seperti Jerman dan Prancis, memiliki rekam jejak yang sangat baik dengan fasilitas nuklir mereka, contoh-contoh lain yang kurang positif, seperti yang terlihat di Three Mile Island, Chernobyl, dan Fukushima, telah membuat banyak orang enggan menerima energi nuklir, meskipun jauh lebih aman daripada bahan bakar fosil. Reaktor fusi suatu hari nanti bisa menjadi sumber energi yang terjangkau dan berlimpah yang dibutuhkan, tetapi hanya jika kondisi ekstrem yang diperlukan untuk menciptakan fusi dan mengelolanya dapat diselesaikan.

Limbah Nuklir

Produk sampingan fisi adalah limbah radioaktif yang membutuhkan ribuan tahun untuk kehilangan tingkat radiasi yang berbahaya. Ini berarti bahwa reaktor fisi nuklir juga harus memiliki perlindungan untuk limbah ini dan pengangkutannya ke tempat penyimpanan atau tempat pembuangan yang tidak berpenghuni. Untuk informasi lebih lanjut tentang ini, baca tentang pengelolaan limbah radioaktif.

Kejadian Alami

Di alam, fusi terjadi pada bintang-bintang, seperti matahari. Di Bumi, fusi nuklir pertama kali dicapai dalam penciptaan bom hidrogen. Fusion juga telah digunakan di berbagai perangkat eksperimental, seringkali dengan harapan menghasilkan energi secara terkendali.

Di sisi lain, fisi adalah proses nuklir yang biasanya tidak terjadi di alam, karena membutuhkan massa besar dan neutron. Meski begitu, ada contoh fisi nuklir di reaktor alam. Ini ditemukan pada tahun 1972 ketika deposit uranium dari tambang Oklo, Gabon, ditemukan pernah mengalami reaksi fisi alami sekitar 2 miliar tahun yang lalu.

Efek

Singkatnya, jika reaksi fisi keluar dari kendali, entah itu meledak atau reaktor yang menghasilkannya meleleh menjadi tumpukan besar terak radioaktif. Ledakan atau kehancuran seperti itu melepaskan berton-ton partikel radioaktif ke udara dan permukaan yang bersebelahan (tanah atau air), mencemari setiap menit reaksi berlanjut. Sebaliknya, reaksi fusi yang kehilangan kontrol (menjadi tidak seimbang) melambat dan menurunkan suhu sampai berhenti. Inilah yang terjadi pada bintang-bintang ketika mereka membakar hidrogen mereka menjadi helium dan kehilangan unsur-unsur ini selama ribuan tahun pengusiran. Fusion menghasilkan sedikit limbah radioaktif. Jika ada kerusakan, itu akan terjadi pada lingkungan langsung dari reaktor fusi dan yang lainnya.

Jauh lebih aman menggunakan fusi untuk menghasilkan tenaga, tetapi fisi digunakan karena membutuhkan lebih sedikit energi untuk memecah dua atom daripada memadukan dua atom. Juga, tantangan teknis yang terlibat dalam mengendalikan reaksi fusi belum diatasi.

Penggunaan Senjata Nuklir

Semua senjata nuklir memerlukan reaksi fisi nuklir untuk bekerja, tetapi bom fisi "murni", yang menggunakan reaksi fisi saja, dikenal sebagai bom atom atau atom. Bom atom pertama kali diuji di New Mexico pada tahun 1945, selama puncak Perang Dunia II. Pada tahun yang sama, Amerika Serikat menggunakannya sebagai senjata di Hiroshima dan Nagasaki, Jepang.

Sejak bom atom, sebagian besar senjata nuklir yang telah diusulkan dan / atau direkayasa telah meningkatkan reaksi fisi dalam satu atau lain cara (misalnya, lihat meningkatkan senjata fisi, bom radiologis, dan bom neutron). Senjata termonuklir - senjata yang menggunakan fusi dan fusi berbasis hidrogen - adalah salah satu kemajuan senjata yang lebih dikenal. Meskipun gagasan senjata termonuklir diusulkan pada awal 1941, tidak sampai awal 1950-an bahwa bom hidrogen (bom-H) pertama kali diuji. Tidak seperti bom atom, bom hidrogen belum digunakan dalam peperangan, hanya diuji (misalnya, lihat Tsar Bomba).

Sampai saat ini, tidak ada senjata nuklir yang menggunakan fusi nuklir saja, meskipun program pertahanan pemerintah telah melakukan penelitian yang cukup besar mengenai kemungkinan tersebut.

Biaya

Fisi adalah bentuk produksi energi yang kuat, tetapi disertai dengan inefisiensi bawaan. Bahan bakar nuklir, biasanya Uranium-235, mahal untuk ditambang dan dimurnikan. Reaksi fisi menghasilkan panas yang digunakan untuk merebus air menjadi uap untuk mengubah turbin yang menghasilkan listrik. Transformasi dari energi panas ke energi listrik ini rumit dan mahal. Sumber ketiga dari inefisiensi adalah pembersihan dan penyimpanan limbah nuklir sangat mahal. Limbah bersifat radioaktif, membutuhkan pembuangan yang tepat, dan keamanan harus ketat untuk memastikan keselamatan publik.

Agar terjadi fusi, atom harus dikurung dalam medan magnet dan dinaikkan ke suhu 100 juta Kelvin atau lebih. Ini membutuhkan sejumlah besar energi untuk memulai fusi (bom atom dan laser dianggap sebagai "percikan"), tetapi ada juga kebutuhan untuk menampung medan plasma dengan benar untuk produksi energi jangka panjang. Para peneliti masih berusaha untuk mengatasi tantangan ini karena fusi sistem produksi energi yang lebih aman dan lebih kuat daripada fisi, yang berarti pada akhirnya biayanya lebih murah daripada fisi.

Artikel Terkait