Perbedaan Nuklir Fisi dan Fusi

Tahukah Anda bahwa Matahari sebagai pusat tata surya kita menghasilkan energi yang berlimpah ruah melalui reaksi fusi berantai. Reaksi nuklir fusi ini terjadi di bawah suhu amat sangat tinggi serta pengaruh tekanan gravitasi alami Matahari yang juga amat sangat tinggi. Proses reaksi nuklir tersebut menghasilkan energi panas yang sangat besar sehingga mampu menjadi sumber energi penting bagi Bumi kita.

Akan tetapi mungkin sebagian dari kita bertanya-tanya mengapa jika Matahari menghasilkan energi dari proses reaksi nuklir, namun kita yang berada di Bumi tidak terdampak radiasi nuklirnya? Inilah yang perlu kita luruskan. Karena di dunia sains dikenal ada dua reaksi nuklir yaitu reaksi fisi dan reaksi fusi. Perbedaan yang sangat mendasar dari keduanya adalah jika reaksi fisi adalah pemecahan satu atom menjadi dua, sedangkan reaksi fusi adalah penggabungan dua atom menjadi satu. Namun demikian kedua reaksi nuklir tersebut sama-sama menghasilkan energi samping yang sangat besar.

Mari kita mulai dengan pengertian dari reaksi fisi. Arti kata fisi atau fission dalam Bahasa Inggris berarti sebuah pemisahaan atau pemecahan menjadi bagian-bagian lebih kecil. Nuklir fisi menghasilkan energi dari proses pemecahan atom menjadi atom-atom yang lebih kecil lagi. Penemuan proses nuklir fisi ini justru berawal dari prediksi Albert Einstein bahwa massa benda dapat dikonversikan menjadi energi. Setelah itu di tahun 1939 para ilmuwan mulai bereksperimen, hingga setahun kemudian Enrico Fermi seorang ilmuwan asal Italia berhasil membuat reaktor nuklir pertama di dunia.

Nuclear fission

Nuklir fusi terjadi pada sebuah isotop atom tak-stabil (biasanya sebuah atom dengan jumlah proton yang sama, tetapi memiliki jumlah neutron bervariasi) dibombardir oleh partikel berkecepatan tinggi, biasanya neutron. Neutron-neutron tersebut berakselerasi hingga akhirnya menabrak isotop tak-stabil tersebut, hingga mengakibatkan fisi, pecah menjadi partikel-partikel yang lebih kecil. Selama proses tersebut, neutron dibidikkan ke bagian nukleus (inti) atom sehingga nukleus terpecah membentuk atom-atom baru yang lebih kecil, pecahan neutron, serta radiasi gamma. Pada proses reaksi fisi berantai seperti yang diterapkan di pembangkit listrik tenaga nuklir, pecahan neutron hasil dari reaksi fisi awal akan menumbuk atom uranium lain sehingga ia terpecah dan melepas energi. Reaksi berantai ini akan terus berlanjut hingga bahan bakar habis.

Bahan baku reaksi nuklir fisi yang paling populer adalah Uranium-235. Jika reaksi nuklir fisi atom Uranium tersebut dituliskan ke dalam reaksi kimia maka akan seperti ini:

U-235 + n ===> Ba-144 + Kr-90 + 2n + about 200 MeV

U-235 + n ===> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 170 MeV

U-235 + n ===> Zr-94 + Te-139 + 3n + 197 MeV

Sebagian besar atom pecahan proses fisi Uranium adalah atom Barium dan Krypton. Pecahnya atom uranium diikuti dengan lepasnya sejumlah energi sebesar 170 hingga 200 MeV (baca: MegaElektron Volt). Satu MegaElektron Volt setara dengan 1.60217662 × 10-13 Joule.

Selanjutnya mari kita bahas reaksi nuklir fusi. Arti kata fusi atau fussion dalam Bahasa Inggris adalah penggabungan dari beberapa elemen berbeda menjadi satu utuh. Sedangkan pengertian dari istilah reaksi nuklir fusi adalah penggabungan dari inti-inti atom untuk membentuk satu inti atom yang lebih berat, serta diikuti pelepasan energi yang besar. Reaksi fusi terjadi ketika dua isotop atom bermassa rendah, biasanya Hidrogen, berfusi membentuk atom baru, yang biasanya Helium, di bawah tekanan dan temperatur ekstrim.

Reaksi fusi inilah yang dialami oleh Matahari. Isotop-isotop atom Hidrogen yakni Tritium (Hidrogen-3) dan Deuterium (Hidrogen-2) bergabung dibawah tekanan dan temperatur tinggi untuk kemudian membentuk isotop Helium dan neutron. Proses ini akan diikuti pelepasan energi panas yang sangat besar, hingga jika disandingkan dengan reaksi fisi Uranium, nuklir fusi hidrogen menghasilkan energi yang jauh lebih besar.

Berikut adalah bentuk reaksi-reaksi fusi dari isotop-isotop hidrogen yang terjadi di Matahari:

(1) 2
1D
+ 3
1T
4
2He
( 3.5 MeV ) + n0 ( 14.1 MeV )
(2i) 2
1D
+ 2
1D
3
1T
( 1.01 MeV ) + p+ ( 3.02 MeV ) 50%
(2ii) 3
2He
( 0.82 MeV ) + n0 ( 2.45 MeV ) 50%
(3) 2
1D
+ 3
2He
4
2He
( 3.6 MeV ) + p+ ( 14.7 MeV )
(4) 3
1T
+ 3
1T
4
2He
+ n0 + 11.3 MeV
(5) 3
2He
+ 3
2He
4
2He
+ p+ + 12.9 MeV
(6i) 3
2He
+ 3
1T
4
2He
+ p+ + n0 + 12.1 MeV 57%
(6ii) 4
2He
( 4.8 MeV ) + 2
1D
( 9.5 MeV ) 43%
(7i) 2
1D
+ 6
3Li
4
2He
+ 22.4 MeV
(7ii) 3
2He
+ 4
2He
+ n0 + 2.56 MeV
(7iii) 7
3Li
+ p+ + 5.0 MeV
(7iv) 7
4Be
+ n0 + 3.4 MeV
(8) p+ + 6
3Li
4
2He
( 1.7 MeV ) + 3
2He
( 2.3 MeV )
(9) 3
2He
+ 6
3Li
4
2He
+ p+ + 16.9 MeV
(10) p+ + 11
5B
4
2He
+ 8.7 MeV

 

Whatisfusion_2

Satu hal yang perlu diperhatikan adalah bahwa reaksi nuklir fusi tidak menghasilkan limbah radioaktif gamma berbahaya seperti pada reaksi nuklir fisi. Hal inilah yang menjadi salah satu alasan utama para ilmuwan hingga saat ini berlomba-lomba untuk menciptakan reaktor nuklir fusi. Namun pada kenyataannya pembuatan reaktor nuklir fusi memang tidak semudah membangun reaktor nuklir fisi. Kesulitan yang paling mendasar dari pembuatan reaktor nuklir fusi adalah pengkondisian temperatur dan tekanan sangat tinggi. Energi berlimpah serta tak terbatas menjadi alasan utama lain para ilmuwan hingga saat ini terus bereksperimen membuat reaktor nuklir fusi.

Nampak dari pembahasan kita di atas bahwa kedua reaksi nuklir fisi dan fusi sama-sama menghasilkan energi namun memiliki proses yang jauh berbeda. Reaksi fisi adalah pemecahan atom berat menjadi atom-atom yang lebih kecil, sedangkan fusi menggabungkan atom-atom kecil menjadi atom yang lebih berat. Hingga saat ini sumber energi alternatif dari nuklir memang masih dari reaktor-reaktor nuklir fisi. Akan tetapi dengan kemajuan teknologi yang pesat, tidak lama lagi akan lahir reaktor nuklir fusi yang lebih ramah lingkungan dan tentu saja lebih terbarukan.

Referensi:

Generator dan Sistem Eksitasi

Generator merupakan satu komponen yang paling penting pada sebuah pabrik penghasil listrik semacam PLTU. Energi panas dari uap air yang diproduksi oleh boiler diubah menjadi energi mekanis berupa putaran poros pada turbin. Energi mekanis tersebut selanjutnya akan diubah menjadi energi listrik oleh generator. Generator listrik menggunakan prinsip dasar dari Hukum Faraday dimana apabila sebuah konduktor listrik dilewatkan ke sebuah medan magnet, akan timbul tegangan listrik yang terinduksi pada konduktor tersebut.

20130306-095853.jpg

Prinsip Dasar Generator

Secara umum generator terbagi ke dalam dua jenis, yakni generator DC dan generator AC. Generator DC membangkitkan arus listrik searah dengan menggunakan komponen utama berupa komutator, sebuah komponen berupa lilitan kawat untuk membangkitkan listrik searah. Generator DC hanya cocok untuk membangkitkan tenaga listrik kecil, karena untuk memenuhi kebutuhan listrik yang tinggi, dibutuhkan generator DC yang ukurannya sangat besar mengalahkan ukuran generator AC untuk menghasilkan daya yang sama. Generator AC tersusun atas sebuah konduktor listrik yang bergerak memotong medan magnet (biasanya berupa elektromagnetik). Kedua ujung dari konduktor tersebut terhubung ke beban listrik yang menjadi konsumen listrik dari generator. Untuk memahami prinsip kerja generator AC, mari kita perhatikan gambar di bawah ini.

20130306-103405.jpg

Prinsip Pembangkitan Arus Listrik AC

Pada saat posisi konduktor vertikal, tegangan yang dihasilkan adalah nol karena pada posisi ini konduktor tidak memotong garis medan magnet. Konduktor terus berputar hingga 90o sehingga pada saat posisi horisontal akan dihasilkan tegangan listrik maksimum. Konduktor ini akan terus berputar sehingga menghasilkan arus listrik AC yang dapat digambarkan dengan grafik sinusoidal pada gambar di atas.

20130306-154510.jpg

Prinsip Dasar Generator AC 3-Fasa

Generator 3-fasa memiliki prinsip kerja yang sama dengan generator 1-fasa. Tiga lilitan konduktor disusun secara melingkar sehingga jarak antar lilitan adalah sebesar 120o. Medan magnet yang berputar di tengah-tengah ketiga lilitan konduktor tersebut menginduksi lilitan-lilitan tersebut sehingga menghasilkan tegangan listrik pada masing-masing lilitan. Jika digambarkan menjadi sebuah kurva, maka akan membentuk tiga kurva yang masing-masing memiliki jarak 120o.

Sistem Eksitasi

Komponen utama dari rotor sebuah generator adalah magnet. Magnet ini dapat berupa magnet permanen maupun magnet yang dibangkitkan dengan menggunakan kumparan. Pada generator yang menggunakan kumparan sebagai magnet buatan, maka dibutuhkan arus listrik yang mengalir ke kumparan tersebut. Proses dari pembangkitan medan magnet secara buatan pada generator inilah yang disebut dengan proses eksitasi.

20130306-204753.jpg

Perbedaan Generator Dengan Exciter dan Magnet Permanen

Pada generator dengan sistem eksitasi, besar tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator sebanding dengan besar medan magnet di dalamnya, sedangkan besar medan magnet ini sebanding dengan besar arus eksitasi yang dibangkitkan. Maka, jika arus eksitasi sama dengan nol, maka tegangan listrik juga sama dengan nol. Atas dasar ini, sistem eksitasi dapat dikatakan sebagai sebuah sistem amplifier, dimana sejumlah kecil daya dapat mengontrol sejumlah daya yang besar. Prinsip ini menjadi dasar untuk mengontrol tegangan keluaran generator, jika tegangan sistem turun maka arus eksitasi harus ditambah, dan jika tegangan sistem terlalu tinggi maka arus eksitasi dapat diturunkan.

20130306-213007.jpg

Macam-macam Exciter

Secara umum exciter dapat dikelompokkan menjadi dua jenis, yaitu:

  1. Exciter Berputar. Exciter jenis ini membangkitkan arus listrik DC dengan menggunakan semacam generator berukuran kecil yang ikut berputar dengan generator utama. Ada dua tipe exciter berputar, mereka adalah:
    • Tipe yang menggunakan brush. Tipe klasik ini memerlukan komponen slip-ring untuk menghubungkan arus yang dibangkitkan oleh exciter dengan rotor generator. Sehingga tipe ini memerlukan perawatan yang berjangka.
    • Tipe brushless. Tipe ini lebih modern karena exciter berada satu poros dengan generator utama. Supply arus dari exciter kumparan magnet generator dihubungkan dengan plat dioda.

    20130306-213240.jpg

    Exciter Tipe Brushless

  2. Exciter Statis. Exciter tipe ini tidak menggunakan generator kecil sebagai pembangkit arus DC untuk generator utamanya. Tipe ini menggunakan arus listrik yang keluar dari generator yang "disearahkan" menjadi DC dan disupply ke rotor generator utama.

Sumber:

  1. Wikipedia - Magnetic Excitation
  2. Generator & Exciter Basics

Macam-macam Batubara

Batubara adalah bahan bakar fosil yang terbentuk dari tumbuh-tumbuhan yang hidup dan telah mati sejak 100-400 juta tahun yang lalu. Energi dari batubara yang kita gunakan pada saat ini berasal dari tumbuh-tumbuhan yang telah menyerap energi dari sinar matahari pada jutaan tahun yang lalu. Seperti yang kita ketahui bersama bahwa tumbuhan menyerap energi dari sinar matahari, mengolahnya menjadi karbohidrat melalui proses fotosintesis.

    Reaksi fotosintesis
    N CO2 + 2n H2O + energi → 2(CH2O)n + 2n O2

Pada kondisi normal, tumbuhan yang mati akan terurai dan hancur di dalam tanah. Namun pada pembentukan batubara ratusan juta tahun silam hal ini tidak terjadi. Hal ini dikarenakan fenimena alam yang terjadi pada saat itu. Berdasarkan penelitian, hutan yang ada di ratusan juta tahun yang lalu tersebut tertimbun oleh banjir, lumpur, rawa, atau air asam. Sehingga menyebabkan energi karbohidrat yang terkandung di dalam tanaman tersebut terkunci dan tidak dapat terurai oleh alam. Selama jutaan tahun, lapisan tanah di atas tanaman-tanaman hutan tadi akan terus meningkat dan menciptakan tekanan yang sangat besar. Ditambah dengan panas yang berasal dari dalam bumi, secara perlahan tanaman-tanaman tadi akan membentuk batubara.

20120807-051432 PM.jpg

Proses Pembentukan Batubara

Proses pembentukan batubara sangat mempengaruhi kualitas dari batubara itu sendiri. Semakin padat batubara tersebut akibat tekanan alami yang dialaminya, akan semakin tinggi kualitasnya. Berdasarkan kualitas inilah batubara lebih lanjut diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu:

  • Lignite atau juga dikenal dengan sebutan batubara coklat, adalah jenis batubara yang paling rendah kualitasnya. Banyak ditambang di Yunani, Jerman, Polandia, Serbia, Rusia, Amerika Serikat, India, Australia, dan beberapa bagian negara-negara Eropa. Batubara jenis ini banyak digunakan sebagai bahan bakar pembangkit listrik tenaga uap. Namun karena jenis ini memiliki energi konten rendah dan kandungan moisture yang tinggi, maka sangat tidak efisien untuk ditransportasikan ke tempat yang jauh. Untuk itu pembangkit listrik yang menggunakan batubara jenis ini dibangun di lokasi yang cukup dekat dengan lokasi penambangannya.
  • Sub-bituminous adalah jenis batubara sedang di antara jenis lignite dan jenis bituminous. Secara fisik memiliki ciri-ciri berwarna coklat gelap cenderung hitam. Memiliki kandungan kelembaban yang lebih rendah dari jenis lignite dan cocok digunakan untuk bahan bakar pembangkit listrik tenaga uap.
  • Bituminous, adalah jenis batubara yang lebih tinggi tingkatan kualitasnya. Mayoritas berwarna hitam, namun kadang masih ada yang berwarna coklat tua. Dinamakan bituminous dikarenakan adanya kandungan bitumen/aspal. Batubara jenis ini memiliki kandungan karbon sebanyak 60-80%, dan sisanya berupa air, udara, hidrogen, dan sulfur.
  • Anthracite adalah jenis batubara yang paling baik kualitasnya. Jenis ini memiliki kandungan karbon sebesar 92,1% sampai dengan 98%, sehingga berwarna hitam mengkilap. Penggunaan batubara anthracite pada pembangkit listrik tenaga uap, masuk ke dalam jenis batubara High Grade dan Ultra High Grade. Namun persediaannya masih sangat terbatas, yaitu sebanyak 1% dari total penambangan batubara. Negara penghasil batubara ini antara lain adalah Cina, Rusia, Ukraina, Korea Utara, Vietnam, Inggris, Australia, dan Amerika Serikat.

20120807-092348 PM.jpg

Batubara Anthracite