Nuklir Fusi : Sumber Energi Bintang yang Tak Terbatas

(Referensi : Harold P. Furth, 1985)

Nuklir fusi adalah energi yang dihasilkan oleh reaksi nuklir antara atom ringan pada temperatur jutaan derajat. Proses ini disebut termonuklir fusi karena tingginya temperatur dihasilkan oleh penggabungan nuclei ringan untuk menghasilkan nuclei yang lebih berat. Contohnya, 4 atom hidrogen (nomor atom 1) dapat direaksikan untuk memproduksi 1 atom helium (nomor atom 2). Pada proses nuklir fusi, berat dari atom-atom ringan yang dibutuhkan lebih banyak daripada berat dari atom berat yang dihasilkan. Perbedaan massa adalah energi yang terkonversi.

Termonuklir fusi adalah sumber energi dari kebanyakan bintang termasuk matahari yang sehari-hari menjadi sumber energi utama bumi. Pada inti matahari, temperatur dan tekanan yang tinggi mengendalikan banyak reaksi termonuklir. Pada basis dari energi yang dihasilkan konversi per liter dari hidrogen ke helium pada proses inti matahari relatif lambat. Produksi energi yang besar dari matahari adalah hasil dari volume pada inti matahari yang sangat besar dimana terjadinya konversi hidrogen ke helium. Pada penelitian yang berada di bumi, menggunakaan teknologi saat tahun 1980-1990an, mustahil untuk menghasilkan kombinasi dari temperatur dan tekanan yang sama seperti pada inti matahari. Walaupun itu memungkinkan untuk menghasilkan kondisi tenaga matahari pada reaktor yang berada dibumi, hasil energi untuk reaktor  yang masuk akal akan kecil. Jika reaksi fusi tenaga surya (konversi dari hidrogen ke helium) adalah satu-satunya reaksi fusi yang diketahui, itu akan menjadi diluar teknologi yang digunakan sebagai sumber energi fusi yang berada dibumi. Untungnya ada beberapa reaksi termonuklir lainnya dengan potensi untuk menghasilkan energi fusi di bumi. Reaksi ini juga menggunakan hidrogen, tetapi tidak sama dengan bentuk energi yang ada pada energi inti matahari.

• Hidrogen sebagai bahan bakar nuklir fusi

Hidrogen adalah elemen yang unik diantara elemen lain karena isotopnya (atom dengan nomor dan susunan kimia yang identik dengan massa atom yang berbeda) semua punya nama yang berbeda. Nama hidrogen diaplikasikan pada elemen isotop yang ditemukan pada alam. Hidrogen dengan massa atom 1 memiliki nama protium. Hidrogen dengan massa atom 2 disebut deuterium (biasa juga disebut ‘hidrogen berat’). Hidrogen dengan massa atom 3 disebut tritium. Hidrogen yang berada dibumi terdiri dari 99,985% protium (hidrogen dengan massa atom 1) dan 0,015% deuterium (hidrogen dengan massa atom 2). Tritium tidak stabil (radioaktif) dan hanya muncul pada kuantitas yang hampir tidak terdeteksi sebagai hasil dari interaksi kosmik antara atom-atom dan material lain. Reaksi dari isotop berat dari hidrogen yang berguna untuk produksi energi dapat dilihat pada tabel.

• Proses reaksi nuklir fusi

Kebanyakan penelitian sekarang adalah mempelajari kegunaan dan mengendalikan reaksi D + T karena memerlukan energi panas terendah (temperatur) dan menghasilkan rasio energi kembali yang sangat besar. Kekurangan dari reaksi ini berdasarkan pada produksi dari neutron-neutron yang mengakibatkan induksi radioaktifitas pada struktur/bangunan pada reaktor. Banyak reaksi yang rumit lainnya bisa saja digunakan pada masa depan dimana pemahaman yang lebih baik dan pengendalian dari reaksi fusi yang telah ada.

Hidrogen pada air adalah 0,015% deuterium, atau 318 g.t-1. Pada awalnya sekilas ini tampak seperti nilai yang rendah, tetapi hasil dari energi yang dihasilkan kembali sangatlah besar, energi yang besar dihasilkan diproduksi dari tiap gram deuterium. Bila dipertimbangkan dengan menganggap jumlah dari air yang ada dibumi, ini cukup untuk menyediakan energi untuk jutaan tahun. Bahkan, ini dapat dengan biaya murah memisahkannya dengan air. Bahan bakar lainnya, tritium, adalah isotop dari pancaran radioaktif elektron dari hidrogen dengan waktu paruh 12 tahun. Tritium siap untuk diproduksi dengan membombardir/membom lithium dengan neutron.

Tabel Jenis Reaksi Nuklir Fusi

D, Deuterium; T, Tririum; He(3) isotop Helium, massa 3; He(4) isotop Helium, masssa 4; p, proton; n, neutron; B, isotop boron, massa 11. Energi pembakaran per partikel adalah setimbang dengan temperatur. Rasio adalah energi yang diproduksi per partikel dibagi dengan energi yang digunakan pada awal mula reaksi.

Persyaratan untuk reaktor fusi yang sukses adalah produksi dari keadaan yang cocok untuk reaksi D + T untuk mendapatkan rasio yang cukup tinggi untuk menyusun energi energi yang dibutuhkan untuk memulai dan mempertahankan reaksi dan menyediakan jaringan keluaran untuk digunakan sebagai tenaga keluaran. Untuk menghasilkan reaksi fusi, nuclei dari atom-atom harus dipaksa untuk bertabrakan dengan energi yang cukup/dibutuhkan untuk reaksi. Ini memerlukan temperatur jutaan derajat. Pasti ada reaksi yang cukup pada sebuah volume untuk membentuk panas yang hilang dan menghasilkan lebihnya untuk digunakan. Reaksi harus berlangsung cukup lama untuk mempertahankan diri.

Untuk mendapatkan sebuah reaksi termonuklir, diperlukan panas plasma pada temperatur pengapian 108°K dan mengandung cukup waktu untuk energi lebih untuk menghasilkan lebih dari yang digunakan pada proses pemanasan. Pemanasan, pengendalian dan mempertahankan plasma ini adalah tantangan utama dalam memproduksi energi fusi. Untuk menghasilkan reaksi fusi, faktor-faktor genting adalah waktu penahanan, tekanan ion dan temperatur. Saat reaktor menghasilkan sebuah produk dari 3 variabel lebih besar dari 1016, reaktor akan menjadi penghasil utama dari tenaga. Faktor-faktor ini dapat ditukar dengan satu sama lain pada desain dari reaktor. Jika waktu penahanan lebih lama, temperatur dan tekanan menjadi rendah. Jika waktu penahanan lebih sedikit, temperatur dan tekanan ion menjadi lebih tinggi. Ada beberapa batasan praktis pada hubungan ini. Jika tekanan ion rendah, walaupun dengan waktu penahanan yang lama pada suhu yang tinggi, reaksi tetap dapat menghasilkan energi utama, tetapi pada angka yang rendah /volume reaktor maka reaktor akan menjadi terlalu besar untuk digunakan. Berbagai variasi reaksi diusahakan untuk menghasilkan kombinasi dari suhu, tekanan dan waktu penahanan dimana akan dihasilkan pada desain reaktor yang berguna.

Penulis : Dheo Erfiansyah

Alumni Universitas Riau Jurusan Fisika, Saat ini Konsentrasi Riset Bidang Nuklir.