Thursday 20 May 2010

radiokimia

PENGGUNAAN ENERGI FOSIL BATUBARA DAN ENERGI NUKLIR DI PUSAT PEMBANGKIT LISTRIK ABSTRAK

PENDAHULUAN

Pembangkit Listrik Tenaga Batubara

Batubara merupakan salah satu bahan bakar fosil yang banyak digunakan untuk pembangkit listrik. Listrik dibangkitkan dengan cara batubara dibakar untuk memanaskan air dalam bejana guna menghasilkan uap. Uap yang dihasilkan akan memutar turbin dan menghasilkan listrik. Dampak lingkungan terbesar dari penggunaan bahan bakar batubara adalah pelepasan polutan seperti CO2, NOx, CO, SO2, hidrokarbon dan abu serta abu laying (bottom dan fly ash) dalam jumlah yang relatif besar. Akibat pelepasan gas pencemar tersebut dapat menimbulkan dua masalah utama yaitu efek gas rumah kaca dan hujan asam. Selain itu, batubara umumnya mengandung radionuklida alam atau NORM maka pembakaran batubara akan menyebabkan terjadinya pemekatan radionuklida alam atau TENORM. Abu batubara dapat meningkatkan paparan radiasi terhadap lingkungan. Paparan

radiasi yang dihasilkan dari PLTU batubara secara umum lebih besar daripada paparan radiasi dari PLTN.

Hal ini tentu berlawanan dengan anggapan umum bahwa hanya PLTN yang

menghasilkan radioaktivitas yang berbahaya bagi lingkungan. Pada kenyataannya, PLTU batubara cenderung memberikan paparan radiasi yang lebih besar per individu kecuali untuk organ seperti kelenjar gondok karena adanya lepasan gas mulia (I-131) yang dilepaskan pada operasi normal PLTN. Lepasan radionuklida utama tahunan untuk PLTU batubara adalah berupa radium-226 (0,0172 Ci) dan radium-228 (0,0108 Ci).

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)

PLTN memanfaatkan panas yang dihasilkan dari pembelahan inti atom uranium berbasis pada reaksi fisi nuklir pada suatu reaktor nuklir. Panas digunakan untuk menghasilkan uap air yang berfungsi untuk menggerakkan turbin, yang akan menghasilkan listrik. Uranium merupakan bahan bakar nuklir. Uranium terdapat di alam dan ditambang dengan teknik penambangan konvensional, kemudian diproses untuk digunakan sebagai bahan bakar dalam reaktor nuklir. Uranium mengandung 2 (dua) isotop utama yaitu U-238 dan U-235, dimana atom U-235 merupakan atom fisil dengan kadar hanya sekitar 0,7 % di alam. Beberapa reaktor nuklir menggunakan uranium alam untuk bahan bakar, tetapi saat ini sebagian besar telah

menggunakan uranium yang diperkaya. Jenis reaktor thermal yang banyak digunakan untuk pembangkit listrik di dunia saat ini adalah reaktor berpendingin ringan..

Limbah dari PLTN berawal sejak dari ujung muka sampai ujung paling akhir daur bahan bakar nuklir yaitu dimulai dari penambangan uranium sampai penyimpanan limbah lestari, dan juga tidak kalah pentingnya adalah limbah yang dihasilkan selama beroperasinya PLTN.

Dampak terhadap lingkungan dari proses penambangan adalah limbah radioaktif berupa air hasil tambang yang bersifat asam dan mengandung ion logam yang terlarut seperti uranium, thorium, radium dan timah. Hilangnya lahan pertanian dan hutan akibat penambangan dapat menimbulkan erosi dan berakibat banjir. Pada proses konversi dan pengkayaan uranium, limbah yang dihasilkan berupa limbah padat terutama dalam bentuk abu, limbah gas dari proses ini mengandung uranium halus. Selain itu dihasilkan pula uranium deplesi dalam jumlah sangat besar. Pada tahap fabrikasi bahan bakar, limbah yang dihasilkan berupa padatan dan cairan yang telah terkontaminasi dengan uranium dan atau plutonium. Sejumlah kecil limbah gas dibangkitkan selama operasi reaktor dan juga limbah padat dalam bentuk komponen yang terkontaminasi. Kandungan radioaktif dari limbah olah ulang, berupa produk hasil belah terkungkung dalam bahan bakar bekas yang diumpankan dalam pabrik olah ulang (pada system daur tertutup) atau disimpan (daur terbuka). Limbah dekomisioning berupa limbah padat aktifitas rendah, aktifitas menengah dan limbah aktifitas tinggi atau limbah transuranium.

Bukti yang ada mengindikasikan bahwa dampak dari siklus bahan bakar nuklir terhadap lingkungan (udara, air, tumbuhan, dan manusia) lebih kecil daripada dampak yang ditimbulkan oleh PLTU batubara, keluaran dari pembangkit PLTU batubara dan PLTN, di mana pelepasan polutan yang paling besar adalah dari PLTU batubara, sedangkan sejumlah kecil radiasi dihasilkan dari PLTN adalah dalam bentuk gas mulia (kripton dan xenon). Beberapa radiasi dari PLTU batubara terdiri dari logam berat, yang jauh lebih berbahaya daripada dalam bentuk gas mulia yang dihasilkan oleh PLTN. Zat radioaktif yang dilepaskan ke lingkungan.

Pengoperasian PLTN adalah gas mulia yang bersifat “inert”, yaitu sukar bereaksi/ bersenyawa dengan unsur lain, sehingga dampaknya berupa dosis eksternal.

JENIS BAHAN BAKAR

Konsumsi Bahan Bakar/ tahun 2,3 juta (ton) 30 (ton)*

Pelepasan Polutan (Ton)

Sox : 1,4 x 105,0

NOx : 20.860,0

CO : 522,0

Hidrokarbon: 209,0

Aldehyde: 54,0

Abu: 4.490,0

Pelepasan Nuklida (Ci)

Ra-226 : 0,0172 0

Ra-228 : 0,0108 0

Kr-85 + Xe-133

Gas Mulia (PWR) - 600

Gas Mulia (BWR) - 1,11 x 106

I-131 (PWR) - 0

I-131 (BWR) - 0,85

*30 ton bahan bakar nuklir diperlukan untuk pengisian 1/3 dari teras reaktor per tahun.

PLTU batubara menghasilkan produk yang lebih radioaktif dibandingkan dengan PLTN karena tingginya jumlah radon, uranium dan thorium yang dihasilkan. EPA melaporkan konsentrasi thorium dan uranium dari pembakaran batubara pada PLTU dalam satu tahun akan melepaskan 5,2 dan 12,8 ton thorium di udara. Disamping itu juga akan dilepaskan unsur-unsur hasil peluruhan yang juga merupakan unsur-unsur berbahaya seperti radium, radon, polonium, bismuth, dan Pb. Sehingga secara akumulasi pemakaian batubara di Amerika sampai saat ini akan menghasilkan 477,027,320 millicurie.

Sebagai perbandingan, menurut laporan Badan Nasional Amerika untuk Proteksi dan Pengukuran Radiasi (NCRP) menghitung bahwa radioaktivitas batubara rata-rata sebesar 4,27 mikrocurie/ton. Menurut laporan NCRP No. 92 dan 95, paparan radiasi terhadap populasi dari operasional 1.000 MW(e) PLTN dan PLTU batubara adalah 490 orang-rem/tahun untuk PLTU batubara dan 4.8 orang-rem/tahun untuk PLTN. Selanjutnya, dosis radiasi efektif ekuivalen populasi di sekitar PLTU batubara adalah 100 kali jika dibandingkan dengan PLTN. Jika dihitung dosis radiasi per orang yang berada di sekitar PLTU batubara akan menerima dosisnya tiga kali lebih besar daripada dosis radiasi yang dikeluarkan PLTN.

Presentase dari peran paparan radionuklida terhadap dosis populasi dari PLTU batubara. Hasilnya menunjukkan bahwa nuklida radium (226Ra dan 228Ra)

merupakan kontributor utama paparan radiasi terhadap organ seluruh tubuh. Sedangkan 210Po merupakan kontributor utama paparan radiasi terhadap sumsum, sedangkan 210Po dan 210Pb keduanya berperan sebagai kontributor utama paparan radiasi terhadap ginjal.

Tidak hanya PLTN saja yang menghasilkan radioaktivitas yang berbahaya bagi lingkungan. Pada kenyataannya, PLTU batubara cenderung memberikan paparan radiasi yang lebih besar per individu kecuali untuk organ seperti kelenjar gondok yang hanya mecapai 1,9 mrem/ tahun. Lepasan radionuklida utama yang dikeluarkan oleh PLTU batubara selama satu tahun adalah berupa radium-226 dan radium-228 yang masing-masing mempunyai umur paruh panjang. Hal ini tentu berlawanan dengan opini masyarakat bahwa hanya PLTN saja yang menghasilkan radioaktif. Dosis individu maksimum yang diterima oleh masyarakat sekitar PLTN terlihat lebih tinggi yaitu 3,2 mrem/tahun karena adanya lepasan Iodium radioaktif (I-131).

Presentase paparan radionuklida terhadap organ populasi, terlihat jelas bahwa karbon-14 merupakan kontributor utama paparan radiasinya terhadap seluruh badan baik untuk PLTN jenis PWR maupun BWR. Sedangkan Tritium dari emisi PWR akan sangat berperan terhadap paparan di organ tubuh penduduk. Emisi gas-gas radionuklida dari PLTN tersebut akan menghasilkan konsentrasi dosis maksimum apabila gas-gas tersebut diemisikan lepasannya pada ketinggian 20 m dalam jangkauan lepasan dari titik sumber mencapai jarak 500 m.

Batubara bukan hanya dari uranium dan thorium, tetapi juga dari hasil peluruhannya seperti radium, radon, polonium, bismuth, dan timbal. Selain itu juga K-40 yang secara alamiah ada di dalam batubara. Oleh karena itu dari data yang ada menunjukkan bahwa operasional PLTU batubara juga berperan dalam meningkatkan potensi paparan radiasi terhadap kondisi alam di daerah sekitar PLTU, karena fasilitas ini sebagai sumber utama pelepasan material radioaktif ke lingkungan. Hal ini tentu akan menyebabkan dampak terhadap kesehatan lebih berbahaya daripada dampak yang diakibatkan oleh PLTN. Demikian juga akan meningkatkan radiasi latar/background jika dibandingkan dengan PLTN. Oleh karena itu perlu dilakukan pengaturan seperti yang berlaku pada operasional PLTN.

Badan Perlindungan Lingkungan (EPA) Amerika Serikat menyatakan bahwa di dalam batubara kandungan rata-rata uranium adalah 1,3 ppm, dan kandungan thoriumnya rataratanya adalah 3,2 ppm. Ini artinya di dalam 1 ton batubara terdapat sekitar 1,3 gram uranium, dan 3,2 gram thorium. Jika dihitung untuk seluruh batubara yang dibakar di PLTU batubara, maka akan didapatkan nilai 28 ton uranium dan 70 ton thorium. Oleh karena itu untuk satu PLTU batubara dengan kapasitas 1.000 MW(e) akan dihasilkan sekitar 28 ton uranium dan 70 ton thorium pertahun. Jika PLTN dengan kapasitas 1.000 MW(e) membutuhkan 30 ton uranium selama satu tahun, maka PLTU batubara membakar atau menghamburkan uranium tiga kali jumlah yang dibutuhkan PLTN selama satu tahun.

Meskipun di dalam PLTN terdapat banyak sekali unsur radioaktif yang dihasilkan, tetapi sistem keselamatan PLTN membuat jumlah lepasan radiasi ke lingkungan relatif kecil. Dalam kondisi normal, seseorang yang tinggal di radius 1 – 6 km dari pusat reaktor akan menerima dosis radiasi tambahan tidak lebih daripada 0,005 miliSievert pertahun. Nilai ini jauh lebih kecil daripada yang diterima dari alam (kira-kira 2 miliSievert per tahun) atau 1/400 nilai radiasi alam.

Sumber : www.batan.go.id

Deret Peluruhan U-238

Gambar 2. Deret peluruhan Th-232 Gamb


KONSEP DAN TUJUAN DAUR BAHAN BAKAR NUKLIR

Penggunaan uranium sebagai bahan bakar pada Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) selain menghasilkan tenaga listrik dapat juga menghasilkan bahan bakar baru, yaitu dengan memisahkan plutonium. Proses olah-ulang bahan bakar bekas untuk pengambilan kembal material bahan bakar yang bermanfaat, dapat mengefektifkan pemanfaatan uranium, karena memungkinkan peningkatan rasio penggunaan uranium untuk digunakan di Reaktor Pembiak Cepat (FBR). Pemanfaatan daur bahan bakar dapat memberikan pengaruh besar terhadap pengendalian fenomena pemanasan global akibat pelepasan gas CO2, karena jumlah gas emisi CO2 pada PLTN hanya kira-kira 1/30 dari pembangkit listrik yang menggunakan bahan bakar batubara, minyak bumi, dan lain-lain. Unsur-unsur transuranium dengan waktu paro panjang yang terkandung di dalam bahan bakar bekas PLTN dapat dibakar di FBR dan dapat menurunkan jangka waktu penyimpanan limbah radioaktif.

1. Daur Bahan Bakar Nuklir

Uranium yang digunakan sebagai bahan bakar nuklir di PLTN didapatkan dari pemurnian bijih uranium, pengayaan U-235, dan fabrikasi untuk menghasilkan elemen bakar nuklir. Reaksi pembelahan dalam reaktor akan menimbulkan material bahan bakar baru (plutonium) dan pada saat yang sama mengeluarkan energi. Oleh karena itu, di dalam bahan bakar bekas terkandung bahan yang dapat digunakan kembali sebagai bahan bakar nuklir, yaitu uranium sisa dan plutonium.

Proses pemisahan dan ekstraksi terhadap material bahan bakar nuklir disebut proses olah-ulang (reprocessing). Material bahan bakar yang diambil pada proses olah-ulang dapat digunakan kembali di PLTN setelah fabrikasi. Rangkaian proses pemanfaatan uranium hasil olah-ulang menjadi bahan bakar baru disebut Daur Bahan Bakar Nuklir Tertutup.

2. Tujuan Daur Bahan Bakar

Jangka waktu pemanfaatan sumber energi dari cadangan terbukti yang ada saat ini diperkirakan 43 tahun untuk minyak bumi, 212 tahun untuk gas alam dan 64 tahun untuk uranium (Statistik Energi Tahun 2000). Gas CO2 yang dikeluarkan karena penggunaan batubara, gas alam dan minyak bumi sebagai sumber energi, merupakan penyebab pemanasan global, karena itu diperlukan pengendalian jumlah buangan gas CO2.

PLTN mengeluarkan gas CO2 dalam jumlah kecil dan merupakan salah satu

sumber energi alternatif. Uranium sebagai bahan baku, tanpa proses olah-ulang, dapat digunakan sekitar 65 tahun Uranium-238, yang kadarnya 99,3% dalam uranium alam, di dalam PLTN dapat berubah menjadi plutonium, dan dapat digunakan sebagai bahan bakar reaktor jenis Reaktor Pembiak Cepat (FBR). Proses olah-ulang bahan bakar bekas untuk pengambilan kembali material bahan bakar yang bermanfaat (uranium dan plutonium), dapat mengefektifkan pemanfaatan uranium, karena memungkinkan peningkatan rasio penggunaan uranium untuk digunakan di FBR. Dengan demikian maka proses olah-ulang akan memperpanjang

waktu pemanfaatan uranium sebagai sumber energi.

Bagi negara yang miskin sumber energi dan yang menggunakan energi dalam jumlah besar, maka kemandirian daur bahan bakar nuklir sangat penting bila dilihat dari segi "energy security", serta keselamatan lingkungan bumi.

3. Konsep dan Keunggulan Daur Bahan Bakar

(1) Di dalam reaktor nuklir, kemunculan dan hilangnya bahan fissionable atau dapat

belah (uranium, plutonium) terjadi secara bersamaan, sedangkan efektivitas penggunaan bahan dapat belah bergantung kepada kemandirian daur bahan bakar

nuklir.

(2) Uranium dan plutonium memiliki energi sekitar 2 juta kali minyak bumi per satuan berat, sedangkan volume limbah yang dihasilkan sangat kecil bila dibandingkan dengan bahan bakar minyak bumi atau batubara untuk jumlah energi yang sama.

(3) Jumlah gas buang CO2 per kWh dari PLTN sangat sedikit dan sekita 1/30 dari gas buang PLT batubara dan minyak bumi, sehingga pengaruhnya terhadap lingkungan kecil. CO2 merupakan penyebab utama pemanasan global , oleh karena itu PLTN diharapkan berperan dalam mengendalikan pemanasan global.

(4) Perbandingan biaya bahan bakar terhadap biaya pembangkitan listrik, PLT Batubara, PLT Minyak bumi, dll adalah 40% - 60%, pada PLTN hanya 30%, sehingga pengaruh biaya pembangkitan terhadap perubahan harga bahan bakar sangat kecil

(5) Di dalam bahan bakar bekas PLTN terkandung unsur-unsur transuranium (TRU)

berumur paro panjang (plutonium, neptunium, amerisium, curium).

Unsur-unsur tersebut dapat dibakar di reaktor pembiak cepat, sehingga akan memperpendek periode penyimpanan limbah radioaktif dan relatif tidak mempengaruhi lingkungan.

Sumber : www.batan.go.id

Uranium

Ditulis oleh Redaksi chem-is-try.org pada 26-01-2008

Sejarah

Kaca berwarna kuning, mengandung lebih dari 1% uranium oksida dan telah ditemukan di Naples, Itali dengan perkiraan tahun pembuatan 79 S.M. Klaproth mengenali unsur asing dalam pitchblende dan berusaha mengisolasi logam tersebut pada tahun 1789. Tampaknya uranium diisolasi pertama kali oleh Peligot pada tahun 1841, yang mereduksi anhidrat klorida dengan kalium.

Sumber Uranium, tidak selangka yang diduga, bahkan lebih berlimpah daripada raksa, antimon (Sb) , perak, atau kadmium dan sama berlimpahnya seperti molibden atau arsen. Uranium terdapat dalam sejumlah mineral seperti pitchblende, uraninit, karnotit, autunit, uranofan dan tobernit. Juga terdapat pada batuan fosfat, lignit, pasir monazit, dan bisa diperoleh dari semua sumber komersial ini.

Departemen Energi Amerika Serikat membeli uranium dalam bentuk yang dapat diterima yakni U3O8 pekat. Program insentif ini telah meningkatkan persediaan uranium yang ada. Uranium dapat dibuat dengan mereduksi uuranium halida dengan logam alkali atau alkali tanah atau dengan mereduksi uranium oksida dengan kalsium, aluminum atau karbon pada suhu tinggi. Logam ini juga bisa dihasilkan dari proses elektrolisis KUF5 atau UF4, yang dilarutkan dalam campuran CaCl2 dan NaCl yang dicairkan. Uranium dengan kemurnian tinggi dapat dibuat dengan penguraian termal senyawa uranium halida dengan filamen panas.

Sifat-sifat

Uranium memiliki tiga bentuk kristal yaitu: alfa - –(688 °C)? beta –(776 °C)? gamma. Uranium termasuk logam berat, berwarna putih keperak-perakan, bersifat piroforik (mudah meledak di udara dan hidrogen dapat menambah intensitas nyala) dalam kondisi halus.

Uranium lebih lunak dariada baja, dan dalam kondisi yang sangat halus, uranium mudah terlarut dalam air dingin. Mudah ditempa dan sedikit paramagnetik. Di udara, uranium terlapisi dengan oksidanya. Asam juga dapat melarutkan logamnya, dan tidak terpengaruh sama sekali oleh basa.

Isotop

Uranium memiliki 16 isotop, yang semuanya bersifat radioaktif. Uranium di alam memiliki kandungan 238U sebanyak 99.28305%, 235U sebanyak 0.7110%, dan 234Usebanyak 0.0054%. Hasil studi menunjukkan bahwa persentase berat 235U dalam uranium alam bervariasi tergantung sumber mineral. DOE Amerika Serikat telah menetapkan nilai 0.711% sebagai persentase 235U dalam uranium alamiah. Uranium di alam memiliki radioaktif yang cukup untuk menghitamkan lembar fotografi dalam waktu satu jam.

Kebanyakan panas bumi diduga terkait dengan keberadaan uranium dan thorium. Uranium-238 dengan masa waktu paruh 4.51 x 109 tahun, telah digunakan untuk memperkirakan usia batun gunung api. Sumber uranium, sebagai unsur di alam dengan nomor tertinggi - kecuali kemungkinan adanya neptunium atau plutonium -belum dapat diketahui. Diperkirakan bahwa uranium adalah produk hasil peluruhan unsur dengan massa atom yang lebih tinggi, yang hanya ada satu kali di bumi atau di alam semesta. Unsur asli ini bisa jadi merupakan hasil masa purba, dikenal sebagai big bang (ledakan maha dahsyat pada permulaan awal alam semesta) yang terjadi di bintang-bintang.

Kegunaan

Uranium adalah bahan bakar nuklir yang sangat penting. Uranium 238 bisa diubah menjadi Plutonium yang bida direaksikan fisi dengan reaksi sebagai berikut:

238U(n, gamma) ? 239U –(beta)? 239Np –(beta)? 239Pu

Konversi nuklir ini bisa dibawa ke dalam reaktor awal di mana sangat memungkinkan untuk menghasilkan material baru yang bisa direaksikan fisi, daripada material yang bisa direaksikan fissi dalam memelihara reaksi berantai.

Uranium-235 juga tak kalah pentingnya karena unsur ini adalah kunci untuk mnggunakan uranium. 235U, meski terdapat di alam hanya berkadar 0.71%, sangat mudah direaksikan fisi dengan neutron lambat sehingga reaksi berantai fisi yang panjang dapat dibuat dalam reaktor berkonstruksi dasar uranium alam dan moderator yang cocok, seperti air berat atau grafit, sendirian saja.

Uranium-235 bisa dipekatkan dengan difusi gasdan proses fisik lainnya, bila diinginkan dan digunakan sebagai bahan bakar uklir secara langsung, menggantikan uranium alamiah, atau digunakan sebagai bahan peledak.

Uranium alamiah, sedikit diperkaya dengan 235U degan kadar yang rendah, digunakan sebagai bahan bakar reaktor nuklir untuk menghasilkan listrik. Thorium alamiah dapat diradiasikan dengan neutron sebagai berikut untuk menghasilkan isotop 233U yang penting:

232Th(n, gamma) ? 233Th –(beta)? 233Pa –(beta)? 233U

Meski thorium sendiri tidak bisa direaksikan fisi, 233U, dalam hal ini bisa digunakan sebagai bahan bakar nuklir. Satu pon uranium yang tereaksi fisi secara lengkap memiliki nilai bahan bakar yang sama dengan batu bara sebanyak 1500 ton lebih.

Kegunaan bahan bakar nuklir untuk menghasilkan energi listrik, untuk membuat isotop yang digunakan untuk tujuan damai, dan sebagai peledak, sangat diketahui dengan baik. Kapasitas 429 reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir di seluruh dunia yang beroperasi pada Januari 1990 dierkirakan mencapai 311000 megawatt.

Penggunaan uranium di Amerika Serikat dikontrol oleh Komisi Pengawasan Nuklir Amerika Serikat. Saat ini sedang dikembangkan penggunaan uranium yang habis, yakni uranium dengn persentase 235U berkurang hingga 0.2%.

Uranium digunakan dalam peralatan petunjuk inert, dalam kompas giro, sebagai imbangan berat untuk permukaan kontrol penerbangan, sebagai pemberat untuk kendaraan pembawa missil, dan sebagai bahan pelindung. Logam uranium digunakan untuk target sinar X untuk memproduksi sinar X berenergi tinggi; uranium nitrat berguna untuk tinta fotografi, dan uranium asetat digunakan dalam kimia analisis.

Kristal uranium bersifat triboluminesens (fenomena optis di mana cahaya dihasilkan ketika ikatan asimetris rusak karena zatnya tergores atau dihancurkan). Garam uranium juga digunakan untuk memproduksi kaca dan kilau Vaseline kuning. Uranium dan senyawanya sangat beracun, baik dari sudut pandang kimia dan radiologi.

Penanganan

Logam uranium yang sangat halus, bersifat piroforik, menghasilkan bahaya kebakaran.Bekerja dengan uranium membutuhkan pengetahuan tentang konsentrasi yang masih diizinkan untuk pernafasan dan pencernaan. Baru-baru ini, keberadaan uranium alamiah di tanah telah menjadi kekhawatiran karena adanya pmbentukan radon dan keturunannya.

IMBAH RADIOAKTIF

Limbah radioaktif didefinisikan sebagai bahan radioaktif sisa atau yang sudah tidak terpakai, atau bahan yang terkontaminasi dengan sejumlah zat radioaktif pada kadar atau tingkat radioaktivitas yang melampaui nilai batas keselamatan yang ditetapkan.

Limbah radioaktif secara volumetrik jauh lebih sedikit jika dibandingkan dengan limbah industri dan limbah perkotaan. Limbah radioaktif yang telah diolah disimpan sementara di gudang penyimpanan limbah yang kedap air (10-50 tahun) sebelum disimpan secara lestari. Tempat penyimpanan limbah lestari dipilih di tempat/lokasi khusus, dengan kondisi geologi yang stabil.

Dari kegiatan sehari-hari dihasilkan beberapa jenis limbah seperti limbah rumah tangga, limbah industri, dan lain-lain. Di bidang penelitian dan pengembangan nuklir, fasilitas daur bahan bakar (fabrikasi bahan bakar dan olah ulang) dan PLTN juga menimbulkan sejumlah limbah. Sebagian dari limbah ini adalah limbah terkontaminasi dengan sejumlah zat radioaktif pada kadar atau tingkat radiasi yang melampaui batas keselamatan seperti misalnya pakaian kerja bekas, limbah kertas, potongan kain, bahan bekas, perkakas, cairan dan sebagainya. Sehingga limbah radioaktif dapat didefinisikan sebagai bahan bekas serta peralatan yang telah terkena zat radioaktif atau menjadi radioaktif karena operasi nuklir dan tidak dapat dipergunakan lagi.

Disisi lain, pemakaian zat radioaktif untuk kegiatan kedokteran (diagnosis dan terapi) di rumah sakit dan klinik, serta pembuat obat-obatan radioaktif (radiofarmasi) menghasilkan limbah radioaktif. Pengelompokan limbah radioaktif bergantung pada kandungan bahan radioaktif yang terkandung dalam limbah radioaktif.

Bahan radioaktif yang terkandung dalam limbah radioaktif mempunyai waktu paro tertentu dan akan memancarkan radiasi secara terus menerus. Untuk itu informasi tentang waktu paro menjadi suatu pertimbangan pada pengukuran radioaktivitasnya.

Penyimpanan limbah radioaktif bertujuan untuk mengisolasi tingkat radioaktivitas dari lingkungan sekitar kita pada jangka waktu tertentu.

Jumlah limbah radioaktif yang dihasilkan lebih sedikit dibandingkan dengan limbah rumah tangga dan limbah industri, sehingga metode penyimpanan yang dipilih disesuaikan dengan jenis limbah radioaktif yang akan diolah.

PROSES PENYIMPANAN LIMBAH RADIOAKTIF

Jenis dan tingkat radioaktivitas limbah radioaktif yang dihasilkan dari pengoperasian fasilitas nuklir bervariasi, oleh karena itu diperlukan proses penyimpanan yang sesuai dengan metoda pengelolaan dan pengolahannya.

1. Dasar pemikiran yang berkaitan dengan pengelolaan dan penyimpanan limbah radioaktif.

Limbah radioaktif yang dihasilkan dari pengoperasian fasilitas nuklir, sangat bervariasi baik jenis, bentuk maupun tingkat radioaktivitasnya. Pada proses penyimpanan, keselamatan merupakan syarat utama, dan pengelompokannya disesuaikan dengan konsentrasi, jenis material radioaktif dan kondisi limbah. Limbah radioaktif dikelompokkan berdasarkan bentuknya, dapat berupa cair, padat dan gas. Pelepasan paparan radiasi ke lingkungan dikendalikan agar konsentrasi limbah selalu berada pada nilai ambang batas yang diizinkan. Proses pengolahan limbah cair dan padat diupayakan dengan cara meminimalkan limbah melalui proses reduksi volume dan solidifikasi.

2. Pengelolaan limbah radioaktif yang dihasilkan dari pengoperasian fasilitas nuklir.

Dalam pengoperasian PLTN dihasilkan limbah radioaktif aktivitas rendah dan tinggi. Limbah radioaktif aktivitas rendah berupa nuklida umur paro pendek, sehingga dapat disimpan pada fasilitas penyimpanan tanah dangkal Sedangkan limbah radioaktif aktivitas tinggi perlu mempertimbangkan situasi dan kondisi penelitian dan pengembangan yang dilakukan di masing-masing negara.

1. Pengelolaan limbah dari daur bahan bakar

Limbah daur bahan bakar dihasilkan dari berbagai fasilitas dalam lingkup daur bahan bakar nuklir seperti fasilitas pengkayaan uranium, fabrikasi bahan bakar uranium, termasuk limbah transuranium (TRU) yang dihasilkan dari fasiltas fabrikasi bahan bakar Mixed Oxide (MOX) dan fasilitas olah ulang.

(1) Limbah radioaktif aktivitas tinggi.

Limbah radioaktif aktivitas tinggi (High Level Waste/HLW) diolah dengan cara pemadatan untuk menjaga kestabilan limbah. Limbah hasil pengolahan disimpan selama 30-50 tahun untuk pendinginan. Kemudian disimpan pada tanah dalam yang disebut sebagai penyimpanan lestari. Sehubungan dengan HLW, jumlahnya dapat dikurangi dengan cara transmutasi yang bertujuan untuk mengubah nuklida umur paro panjang menjadi nuklida lain dengan umur paro pendek.

(2) Limbah uranium

Uranium dan hasil belahan dengan waktu paro panjang yang dihasilkan dari proses konversi, pengayaan, dan fabrikasi uranium sebagian besar mempunyai aktivitas rendah, sehingga perlu dipertimbangkan cara penyimpanan yang sesuai.

2. Strategi pengelolaan limbah dari fasilitas radioisotop dan laboratorium

Limbah dari fasilitas radioisotop dan laboratorium mempunyai aktivitas jenis radionuklida yang bervariasi. Pengelolaan dan pemisahan berbagai jenis radionuklida yang terkandung dalam limbah tergantung dari bentuk limbah. Berdasarkan umur paro, radionuklida pemancar beta dan gamma mempunyai umur paro pendek dan aktivitas rendah. Penyimpanan tanah dangkal merupakan cara yang sederhana untuk menunggu berkurangnya tingkat radioaktivitas limbah radioaktif. Limbah radioaktif berumur paro pendek disimpan pada sistem penyimpanan tanah dangkal. Sedangkan penyimpanan limbah radioaktif aktivitas tinggi perlu mempertimbangkan situasi dan kondisi penelitian dan pengembangan yang dilakukan di masing-masing negara. Penyimpanan limbah nuklida pemancar alfa yang berumur paro panjang mengacu pada limbah uranium serta limbah yang mengandung TRU.

3. Pengiriman limbah

Pada fasilitas olah-ulang, jadwal pengiriman limbah aktivitas rendah dan aktivitas tinggi dilakukan sesuai perjanjian antara penghasil dan pengolah limbah. Limbah kemudian disimpan pada lokasi yang sesuai dalam jangka waktu tertentu di fasilitas penyimpanan sementara.

4. Pengelolaan limbah hasil dismantling

Limbah radioaktif yang berasal dari pembongkaran (dismantling) fasilitas nuklir merupakan hal yang penting bagi pengelola fasilitas nuklir. Pengelolaan yang sesuai dan aman merupakan tanggung jawab langsung penghasil limbah. Limbah dismantling dapat berasal dari PLTN, fasilitas daur bahan bakar, fasilitas radioisotop dan laboratorium, serta penyimpanannya disesuaikan dengan strategi pengelolaan.

KELOMPOK DAN JENIS LIMBAH RADIOAKTIF

Limbah radioaktif yang dihasilkan dari pengoperasian reaktor dapat berbentuk padat, cair dan gas. Limbah padat dikelompokkan menjadi limbah yang dapat terbakar dan tidak terbakar, limbah cair dikelompokkan menjadi limbah organik dan non-organik. Berdasarkan tingkat radioaktivitasnya, limbah dapat dikelompokkan menjadi tingkat rendah, sedang, dan tinggi.

Limbah radioaktif (LRA) yang dihasilkan dari penggunaan tenaga nuklir, berdasarkan konsentrasi dan asalnya dikelompokkan menjadi HLW (High Level Waste) dan LLW (Low Level Waste). Sebagai contoh, menunjukkan pengelompokan dan jenis LRA yang dihasilkan, dan menunjukkan asal dan jenis LRA.

1. HLW (High Level Waste)

HLW dihasilkan dari pemisahan uranium dan plutonium dari bahan bakar bekas pada fasilitas olah ulang. Sebagian besar radionuklida HLW berasal dari unsur hasil belahan yang diperoleh dari proses ekstraksi uranium dan plutonium hasil penguraian bahan bakar bekas. Limbah ini disebut limbah radioaktif cair tingkat tinggi yang akan distabilkan dengan cara vitrifikasi (blok gelas) sebagai LRA tingkat tinggi (HLW). Pilihan "one through" pada proses olah ulang tidak dilakukan pada bahan bakar bekas. Tabel 2 menunjukkan LRA yg berasal dari pabrik olah ulang di COGEMA, La Hague, Prancis.

2. LLW (Low Level Waste)

1. Limbah PLTN

Limbah PLTN adalah limbah yang dihasilkan dari proses dismantling dan pengoperasian PLTN, terutama nuklida yang memancarkan beta dan gamma dengan waktu paro pendek. Limbah jenis ini akan disimpan pada fasiltas penyimpanan tanah dangkal seperti yang ada di Rokkashomura-Jepang. Pada limbah hasil dismantling terdapat rentang tingkat radioaktivitas yang lebar, dan dapat dikelompokkan menjadi 3, yaitu tinggi (pemancar beta-gamma), sedang, dan rendah. menunjukkan pemisahan kelompok berdasarkan tingkat radioaktivitas limbah hasil dismantling. Pada pengoperasian fasilitas olah ulang selain HLW juga dihasilkan LRA aktivitas rendah.

2. Limbah uranium

Limbah uranium dihasilkan dari proses konversi dan fabrikasi bahan bakar serta dari mesin sentrifugal pada saat proses pengayaan. Jenis limbah ini mempunyai waktu paro yang sangat panjang walaupun aktivitas radiasinya rendah dan tidak dapat disimpan pada fasilitas penyimpanan tanah dangkal.

3. Limbah yang berasal dari fasilitas radioisotop dan laboratorium

Aplikasi radioisotop mencakup bidang yang sangat luas, misalnya dalam bidang kedokteran (diagnostik dan terapi), farmasi (sebagai perunut), serta industri. Dari kegiatan tersebut dihasilkan limbah radioaktif. Sedangkan limbah yang berasal dari laboratorium (pusat riset, universitas, swasta) yang berhubungan dengan penelitian seperti penggunaan sumber radiasi, bahan bakar reaktor, fasilitas pengolahan bahan bakar, disebut sebagai limbah laboratorium. Limbah tersebut akan disimpan dalam sistem penyimpanan sederhana pada fasilitas tanah dangkal.

RADIASI PENGION

Radiasi pengion ialah radiasi yang dapat menimbulkan ionisasi dan eksitasi pada materi yang ditembusnya. Pada umumnya radiasi pengion hanya disebut radiasi saja. Berbagai jenis radiasi pengion dikelompokkan berdasarkan struktur atau sumbernya. Apabila radiasi pengion menembus suatu materi, maka materi tersebut akan mengalami ionisasi atau eksitasi dengan menyerap energi radiasi.

Radiasi elektromagnetik atau partikel yang mampu mengionisasi, baik secara langsung maupun tidak langsung, dalam lintasannya menembus materi disebut radiasi pengion. Ionisasi ialah proses terjadinya ion (ion positif dan elektron bebas) dari suatu atom netral dalam materi yang dikenai energi. Radiasi ionisasi langsung bisa berupa partikel bermuatan listrik (misalnya sinar , , dan proton), yang dapat mengakibatkan ionisasi dengan memberikan energinya kepada elektron orbital dalam suatu atom atau molekul. Sedang gelombang elektromagnetik misalnya sinar-X, sinar , (yang juga bersifat partikel, yaitu foton), dan partikel tak bermuatan listrik (misalnya neutron) menghasilkan partikel bermuatan listrik pada saat berinteraksi dengan atom dalam materi. Misalnya, foton mengeluarkan elektron, neutron mengeluarkan proton. Neutrino dikeluarkan pada saat partikel ss dipancarkan dengan muatan berlawanan dengan elektron. Partikel-partikel ini, karena massanya kecil dan tidak bermuatan listrik, sulit berinteraksi dengan materi tetapi karena dapat mengionisasi disebut radiasi pengion tak langsung.

  1. Jenis dan mekanisme radiasi pengion

Radiasi α, β (elektron atau positron), γ, dan neutron ialah radiasi pengion yang dihasilkan dari inti atom yang mengalami transformasi inti. Inti atom yang mengalami transformasi (peluruhan) ialah inti atom yang bersifat tidak stabil, dan radiasi pengion yang dipancarkannya disebut radiasi pengion nuklir. Setelah mengalami peluruhan, inti atom yang tidak stabil akan menjadi inti atom yang stabil. Inti atom yang mengalami transformasi inti disebut inti induk, dan hasil transformasi inti disebut anak luruh atau inti hasil peluruhan. Jenis sumber radiasi alam yang banyak dikenal antara lain U-238 dan Th-232, masing-masing sebagai inti induk, sedang deret peluruhannya dikenal sebagai deret uranium dan deret thorium.

Radiasi pengion yang dihasilkan oleh transisi elektron dalam kulit atom akibat tumbukan elektron berkecepatan tinggi dengan atom logam berat, misalnya Pb atau Cu, disebut sinar-X. Sinar-X ialah radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik yang mempunyai daya tembus tinggi. Ion dari atom helium, hidrogen, deuterium, tritium, dan lain-lain, yang dipercepat juga bersifat pengion.

Radiasi pengion berenergi tinggi yang berasal dari benda angkasa dan menembus ke dalam atmosfer bumi disebut radiasi kosmik primer, dan radiasi kosmik yang dihasilkan oleh interaksi radiasi kosmik primer dengan inti atom yang ada di udara disebut radiasi kosmik sekunder. Radiasi kosmik primer terdiri dari sekitar 90% proton, sisanya adalah inti helium dan inti atom yang lebih berat. Radiasi kosmik masuk kedalam atmosfer bumi berinteraksi dengan berbagai atom di udara dan menghasilkan partikel misalnya elektron, positron, sinar X, partikel-antara fion ( intermediate), muon, neutron, proton, neutrino, dan lain lain. Intensitas radiasi kosmik sekunder di permukaan tanah adalah 1 menit-1.cm-2.

  1. Interaksi radiasi dengan materi

Pada saat menembus materi sebagian radiasi pengion diteruskan, sebagian dihamburkan, sebagian diserap, dan apabila energi radiasi cukup kuat akan terjadi reaksi ionisasi yaitu terlepasnya elektron dari atom atau molekul. Apabila energi radiasi hanya cukup untuk memindahkan elektron dari orbit dalam ke orbit yang lebih luar maka tidak akan terjadi ionisasi, tetapi hanya terjadi eksitasi.. Setelah terjadi ionisasi atau eksitasi, atom atau molekul akan mengalami disintegrasi menjadi ion dan menghasilkan radikal bebas. Molekul ion yang terbentuk akan mengalami perubahan struktur bila bereaksi dengan molekul lain yang tidak mengalami ionisasi atau eksitasi. Reaksi kimia yang berlangsung pada proses reaksi kimia berikutnya disebut reaksi tidak langsung. Interaksi antara radiasi dengan materi sangat bergantung pada jenis dan energi radiasi.

Pada saat kembali pada kondisi stabil atom yang mengalami eksitasi akan memancarkan foton (cahaya) karena terjadinya efek fluoresensi. Radiasi mengakibatkan terjadinya proses penghitaman film, mengakibatkan perubahan struktur polimer, seperti polietilen, mengakibatkan terjadinya proses polimerisasi pada molekul monomer dan lain-lain. Hal ini semua terjadi karena efek ionisasi dan atau eksitasi. Demikian pula proses ionisasi dan eksitasi akan terjadi pada makhluk hidup bila terkena radiasi (misalnya efek sterilisasi). Proses meradiasi materi dengan radiasi pengion disebut iradiasi.

Gambar Ionisasi dan eksitasi

MEKANISME RADIASI

Berdasarkan efek yang terjadi, radiasi dikelompokkan menjadi radiasi pengion dan radiasi non pengion. Berdasarkan mekanise terjadinya, radiasi dapar berupa radiasi α, β,γ, X dan lain-lain, sedang menurut sumbernya, radiasi dapat berupa radiasi alam, radiasi buatan, dan radiasi kosmik.

Mekanisme terjadinya radiasi

Inti atom yang memancarkan radiasi adalah inti atom yang bersifat tidak stabil, yang disebut inti radioaktif atau radionuklida. Salah satu contoh radiasi yang dihasilkan dari kulit atom adalah sinar-X. Pada reaksi fusi inti deuterium dan reaksi fisi uranium, radiasi yang dihasilkan adalah neutron.

1 . Pengelompokan radiasi berdasarkan sumbernya

Berdasarkan sumbernya, radiasi dikelompokkan menjadi radiasi alam dan, radiasi buatan yang dihasilkan dari instalasi nuklir, radiasi fall out (jatuhan) hasil dari percobaan senjata nuklir, radiasi kosmik dari luar angkasa),dan radiasi hasil interaksi radiasi kosmik dengan inti atom di udara).

2. Interaksi radiasi dengan materi

Jika berinteraksi dengan materi, radiasi dapat diteruskan, dihamburkan, atau diserap. Interaksi yang terjadi dapat berupa eksitasi atau ionisasi. Yang termasuk radiasi non pengion, antara lain sinar ultra violet, sinar tampak, sinar infra merah, gelombang mikro yang hanya dapat mengakibatkan efek fisika atau kimia (reaksi kimia) pada materi.

RADIASI ALPHA (α)

Proses pemancaran partikel  oleh inti atom disertai perubahannya inti menjadi inti atom lain, disebut peluruhan Partikel  ialah inti atom helium yang bernomor atom 2 dan bernomor massa 4. Jenis inti yang memancarkan radiasi  disebut inti pemancar . Selain dipancarkan oleh radionuklida (inti radioaktif) alam, misalnya radium, uranium dan torium, partikel  dapat juga dipancarkan oleh radionuklida buatan.

1. Radiasi α

Pada waktu memancarkan radiasiα , radionuklida bernomor atom Z dan bernomor massa A akan berubah menjadi inti lain bernomor atom Z-2 dan bernomor massa A-4. Atau dengan kata lain, inti atom yang memancarkan radiasi α berubah menjadi inti lain yang nomor atomnya berkurang 2, dan nomor massanya berkurang 4. Pada tahun 1909, Ernest Rutherford dan Thomas Royds membuktikan bahwa radiasi α identik dengan inti atom He-4. Waktu paro radionuklida pemancarα bervariasi, ada yang sangat pendek (Po-214 -> Pb-210, t½ =1,64 x 10-4detik) dan ada yang sangat panjang (U-238 ->Th-234, t½ = 4,47 x 109 tahun).

2. Energi radiasi α

Syarat energi yang diperlukan untuk menghasilkan radiasi α adalah,

Q = [MZ, N – (MZ – 2, N – 2 + M2, 2) ] c2 > 0. (1)

Di sini, MZ, N, MZ – 2, N – 2, dan M2, 2 adalah jumlah muatan inti induk, inti anak luruh, partikel α, dan c adalah kecepatan cahaya. Q adalah energi yang dilepaskan oleh radiasi α, dan disebut energi pancaran. Besarnya energi pancaran sama dengan energi gerak total partikel α atau inti anak luruh yang dipancarkan, yaitu

Q = (1/2) . M2, 2 v2 + (1/2) . MZ – 2, N – 2 V2. (2)

Di sini, v adalah kecepatan partikel α, V adalah kecepatan inti anak luruh. Dengan menggunakan persamaan momentum yang dapat dituliskan sebagai

M2, 2 v = MZ – 2, N – 2 V (3)

Maka persamaan (2), energi gerak partikel α( Eα ), dapat dinyatakan dengan

Eα = (1/2) . M2, v2 = Q/[1 + M2, 2/MZ – 2, N – 2] (4)

Karena MZ, N merupakan jumlah muatan inti yang dapat melakukan pancaran (biasanya M2, 2 = 4), maka persamaan (4) yang merupakan M2, 2/MZ – 2, N – 2<<1, Q menjadi sama dengan energi gerak partikel α Jadi energi partikel α adalah tetap. Jarak lintasan ini disebut jangkauan dan apabila jangkauan partikel α dalam udara dinyatakan dengan R (cm) dan energi dinyatakan dengan Eα( MeV), maka diperoleh

R = a (E)3/2 (5)

Jadi, dengan mengetahui jangkauan α di udara, maka besarnya energi partikel α dapat diperkirakan. Dan sebaliknya, kalau besar energi partikel α dapat diukur, maka jangkuannya di udara dapat diketahui.

3. Konstanta Peluruhan dan Jangkauan α (hukum Geiger-Nuttall)

Jangkauan partikel α yang dipancarkan oleh Po-212 (waktu paro 3,04 X 1010 tahun) kira-kira 8,6 cm, dan Th-232 (waktu paro 1,41 X 1010 tahun) kira-kira 2,8 cm. Geiger dan Nuttall melakukan percobaan untuk menyelidiki hubungan antara jangkauan partikel dan waktu paro. Mereka menemukan bahwa dengan semakin panjangnya jangkauan partikel α, maka waktu paronya semakin pendek. Pada tahun 1991, mereka melakukan pengukuran jangkauan (R), konstanta peluruhan (α), dan menemukan hubungan sebagai berikut.

Log α = a . log R + b (6)

Disini a atau b adalah suatu konstanta, α adalah konstanta peluruhan yang besarnya sama dengan log 2 / t½.

RADIASI BETA (β)

Pemancaran elektron (β-) atau positron (β+), atau penangkapan elektron pada orbit terluar oleh inti induk (tangkapan elektron), disebut pemancaran radiasi β. Pada pemancaran radiasi β-, meskipun jumlah muatan inti tidak berubah, tetapi nomor atomnya bertambah 1, sedang pada pemancaran radiasi β+ dan penangkapan elektron, nomor atomnya berkurang 1. Energi elektron yang dipancarkan secara kontinu tidak berubah. Radiasi β seringkali disertai oleh radiasi β. 

1. Radiasi β

Pemancaran radiasi β adalah proses inti atom atau penyusun inti memancarkan elektron (β-) atau positron (β+) dan terbentuk inti atau partikel lain, sebagai contoh:

neutron

wpe3C.jpg (798 bytes)

β-

+

proton

proton

wpe3C.jpg (798 bytes)

β+

+

neutron

Cu-64

wpe3C.jpg (798 bytes)

β-

+

Zn-64

Na-24

wpe3C.jpg (798 bytes)

β-

+

Mg-24

C-11

wpe3C.jpg (798 bytes)

β+

+

B-11

Unsur radioaktif alam yang diketahui pertama kali mempunyai sifat dapat memancarkan radiasi β adalah Ra dan Th. Sehubungan dengan kemajuan penelitian di bidang pembelahan inti dan produksi inti buatan diketahui bahwa pada dasarnya semua inti atom dapat memancarkan radiasi β

Pada pemancaran radiasi β, jumlah muatan inti atom tidak berubah, tetapi pada pemancaran radiasi β-, nomor atomnya bertambah 1, sedang pada radiasi β+ dan tangkapan elektron, nomor atomnya berkurang 1.

2. Energi dari Radiasi β

Berbeda dengan spektrum energi yang dipancarkan oleh partikel β yang bersifat diskrit, spektrum energi partikel β (elektron dan positron) bersifat kontinu, seperti ditampilkan pada, yang berarti bahwa besarnya energi mempunyai rentang dari harga terkecil tertentu sampai harga terbesar tertentu. Hal ini pertama kali ditemukan oleh Chadwick pada tahun 1914.

Pada tahun 1932, Sir J. Chadwick menemukan neutron, dan W. Heisenberg mengemukakan teori bahwa inti atom terdiri dari proton dan neutron. Dari penemuan ini, maka orang berpendapat bahwa radiasi β adalah perubahan inti dan dapat dituliskan sebagai berikut:

neutron wpe3C.jpg (798 bytes) proton + e-

Pada tahun 1931, V. Pauli menemukan jawaban terhadap persoalan energi dan penyimpanan energi gerak sudut pada radiasi β, dengan memperkirakan bahwa pada waktu pemancaran radiasi β dalam waktu yang bersamaan dipancarkan pula partikel tidak bermuatan, yang disebut neutrino. Partikel yang dipancarkan bersama elektron disebut anti neutrino, dan partikel yang dikeluarkan bersama positron dinamakan neutrino.

neutron wpe3C.jpg (798 bytes) proton + e- + n" (anti neutrino)
proton wpe3C.jpg (798 bytes) neutron + e+ + n (neutrino)

3. Energi Radiasi β

Energi radiasi β (Q ) adalah energi gerak dari elektron dan neutrino.

Q = Ee + Eβ. (1)

Ee dan Eβ dari masing-masing partikel tidak selalu sama, dan seperti ditampilkan pada Ee akan mencapai maksimum pada waktu Eβ = 0. Untuk suatu inti atom yang mempunyai jumlah proton Z buah, dan N buah muatan atom netral MZ, N, cara penyimpanan energi pada waktu radiasi  menjadi,

MZ, N c2 = MZ + 1, N – 1 c2 + Q (2)

Selanjutnya, syarat energi untuk dapat terjadinya radiasi β adalah,

Q = (MZ, N – MZ + 1, N – 1) c2 > 0 (3)

Dengan cara yang sama, untuk radiasi β+ adalah,

Q = (MZ, N – MZ - 1, N + 1 – 2 m) c2 > 0 (4)

Sedangkan untuk penangkapan elektron orbital adalah,

Q = (MZ, N – (MZ – 1, N +1) c2 – 1 > 0 (5)

Dalam persamaan tersebut, notasi 1 adalah energi ambang elektron orbit.

β = (log2) / t½ = N (W) dW (W=1, W max) = Cf (Z, Wmax) (6


BERBAGAI TIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR

Beberapa tipe Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) adalah Reaktor Air Tekan (Pressurized Water Reactor, PWR), Reaktor Air Tekan Rusia (VVER), Reaktor Air Didih (Boiling Water Reactor, BWR), Reaktor Air Berat Pipa Tekan (CANDU), Reaktor Air Berat Pembangkit Uap (Steam Generating Heavy Water Reactor, SGHWR), Reaktor Pendingin Gas (Gas Cooled Reactor, GCR), Reaktor Gas Maju (Advanced Gas Reactor, AGR), Reaktor Gas Suhu Tinggi (High Temperatur Gas Reactor, HTGR), Reaktor Moderator Grafit Pendingin Air Didih (RBMK), Reaktor Pembiak Cepat (Fast Breeder Reactor, FBR).

1. Prinsip Kerja PLTN

Perbedaan cara kerja pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dengan pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Pada PLTU, di dalam ketel uap (boiler) minyak atau batu bara dibakar untuk membangkitkan uap dengan temperatur dan tekanan tinggi, kemudian uap ini disalurkan ke turbin untuk membangkitkan tenaga listrik. Dalam hal pembangkitan listrik, PLTU dan PLTN mempunyai prinsip yang sama. Panas yang dihasilkan digunakan untuk membangkitkan uap dan kemudian uap disalurkan ke turbin untuk membangkitkan listrik. Yang berbeda dari kedua tipe pembangkit listrik ini adalah mesin pembangkit uapnya, yang satu berupa ketel uap dan yang lainnya berupa reaktor nuklir. Dalam reaktor nuklir PLTN, reaksi fisi berantai dipertahankan kontinuitasnya dalam bahan bakar sehingga bahan bakar menjadi panas. Panas ini kemudian ditransfer ke pendingin reaktor yang kemudian secara langsung atau tak langsung digunakan untuk membangkitkan uap. Pembangkitan uap langsung dilakukan dengan membuat pendingin reaktor (biasanya air biasa, H2O) mendidih dan menghasilkan uap. Pada pembangkitan uap tak langsung, pendingin reaktor (disebut pendingin primer) yang menerima panas dari bahan bakar disalurkan melalui pipa ke perangkat pembangkit uap. Pendingin primer ini kemudian memberikan panas (menembus media dinding pipa) ke pendingin sekunder (air biasa) yang berada di luar pipa perangkat pembangkit uap untuk kemudian panas tersebut mendidihkan pendingin sekunder dan membangkitkan uap.

2. Tipe Reaktor PLTN

Beberapa tipe reaktor nuklir serta jenis bahan moderator dan pendingin yang digunakan diperlihatkan pada Tabel 1. Pada umumnya tipe reaktor nuklir dalam PLTN dibedakan berdasarkan komposisi dan konstruksi dari bahan moderator neutron dan bahan pendingin yang digunakan sehingga digunakan sebutan seperti reaktor gas, reaktor air ringan, reaktor air berat (air ringan: H2O; air berat: D2O; D adalah salah satu isotop hidrogen, yaitu deuterium 2H1). Selain itu faktor kondisi air pendingin juga menjadi pertimbangan penggolongan tipe reaktor nuklir dalam PLTN. Jika air pendingin dalam kondisi mendidih disebut reaktor air didih, jika tak mendidih (atau tidak diizinkan mendidih, dengan memberi tekanan secukupnya pada pendingin) disebut reaktor air tekan. Reaktor nuklir dengan temperatur pendingin sangat tinggi (di atas 800 oC) disebut reaktor gas temperatur tinggi. Kecepatan neutron rata-rata dalam reaktor yang dihasilkan dari reaksi fisi juga dipakai untuk menggolongkan tipe reaktor. Berdasarkan kecepatan neutron rata-rata dalam teras, ada reaktor cepat dan reaktor termal (neutron dengan kecepatan relatif lambat sering disebut sebagai neutron termal). Dalam Tabel 2 diperlihatkan beberapa PLTN yang beroperasi di dunia dengan penggolongan tipe reaktornya.

3. Reaktor Air Ringan (Light Water Reactor, LWR)

Di antara PLTN yang masih beroperasi di dunia, 80 % adalah PLTN tipe Reaktor Air Ringan (LWR). Reaktor ini pada awalnya dirancang untuk tenaga penggerak kapal selam angkatan laut Amerika. Dengan modifikasi secukupnya dan peningkatan daya seperlunya kemudian digunakan dalam PLTN. PLTN tipe ini dengan daya terbesar yang masih beroperasi pada saat ini (tahun 2003) adalah PLTN Chooz dan Civaux di Perancis yang mempunyai daya 1500 MWe, dari kelas N-4 Perancis. Reaktor Air Ringan dapat dibedakan menjadi dua golongan yaitu Reaktor Air Didih dan Reaktor Air Tekan (pendingin tidak mendidih), kedua golongan ini menggunakan air ringan sebagai bahan pendingin dan moderator.

Pada tipe reaktor air ringan sebagai bahan bakar digunakan uranium dengan pengayaan rendah sekitar 2% - 4%; bukan uranium alam karena sifat air yang menyerap neutron. Kemampuan air dalam memoderasi neutron (menurunkan kecepatan/ energi neutron) sangat baik, maka jika digunakan dalam reaktor (sebagai moderator neutron dan pendingin) ukuran teras reaktor menjadi lebih kecil (kompak) bila dibandingkan dengan reaktor nuklir tipe reaktor gas dan reaktor air berat.

1 Reaktor Air Tekan (Pressurized Water Reactor, PWR)

Pada PLTN tipe PWR, air sistem pendingin primer masuk ke dalam bejana tekan reaktor pada tekanan tinggi dan temperatur lebih kurang 290 oC. Air bertekanan dan bertemperatur tinggi ini bergerak pada sela-sela batang bahan bakar dalam perangkat bahan bakar ke arah atas teras sambil mengambil panas dari batang bahan bakar, sehingga temperaturnya naik menjadi sekitar 320 oC. Air pendingin primer ini kemudian disalurkan ke perangkat pembangkit uap (lewat sisi dalam pipa pada perangkat pembangkit uap), di perangkat ini air pendingin primer memberikan energi panasnya ke air pendingin sekunder (yang ada di sisi luar pipa pembangkit uap) sehingga temperaturnya naik sampai titik didih dan terjadi penguapan. Uap yang dihasilkan dari penguapan air pendingin sekunder tersebut kemudian dikirim ke turbin untuk memutar turbin yang dikopel dengan generator listrik. Perputaran generator listrik akan menghasilkan energi listrik yang disalurkan ke jaringan listrik. Air pendingin primer yang ada dalam bejana reaktor dengan temperatur 320 oC akan mendidih jika berada pada tekanan udara biasa (sekitar satu atmosfer). Agar pendingin primer ini tidak mendidih, maka sistem pendingin primer diberi tekanan hingga 157 atm. Karena adanya pemberian tekanan ini maka bejana reaktor sering disebut sebagai bejana tekan atau bejana tekan reaktor. Pada reaktor tipe PWR, air pendingin primer yang membawa unsur-unsur radioaktif dialirkan hanya sampai ke pembangkit uap, tidak sampai turbin, oleh karena itu pemeriksaan dan perawatan sistem sekunder (komponen sistem sekunder: turbin, kondenser, pipa penyalur, pompa sekunder dll.) menjadi mudah dilakukan. Konstruksi bejana reaktor tipe PWR ditunjukkan pada, dan perubahan teknologi PWR ditunjukkan pada.

2 Reaktor Air Didih (Boiling Water Reactor, BWR)

Karakteristika unik dari reaktor air didih adalah uap dibangkitkan langsung dalam bejana reaktor dan kemudian disalurkan ke turbin pembangkit listrik. Pendingin dalam bejana reaktor berada pada temperatur sekitar 285 oC dan tekanan jenuhnya sekitar 70 atm. Reaktor ini tidak memiliki perangkat pembangkit uap tersendiri, karena uap dibangkitkan di bejana reaktor. Karena itu pada bagian atas bejana reaktor terpasang perangkat pemisah dan pengering uap, akibatnya konstruksi bejana reaktor menjadi lebih rumit.

4. Reaktor Air Berat (Heavy Water Reactor, HWR)

Dalam hal kemampuan memoderasi neutron, air berat berada pada urutan berikutnya setelah air ringan, tetapi air berat hampir tidak menyerap neutron. Oleh karena itu jika air berat dipakai sebagai moderator, maka dengan hanya menggunakan uranium alam (tanpa pengayaan) reaktor dapat beroperasi dengan baik. Bejana reaktor (disebut kalandria) merupakan tangki besar yang berisi air berat, di dalamnya terdapat pipa kalandria yang berisi perangkat bahan bakar. Tekanan air berat biasanya berkisar pada tekanan satu atmosfer, dan temperaturnya dijaga agar tetap di bawah 100 oC. Akan tetapi pendingin dalam pipa kalandria mempunyai tekanan dan temperatur yang tinggi, sehingga konstruksi pipa kalandria berwujud pipa tekan yang tahan terhadap tekanan dan temperatur yang tinggi.

.1 Reaktor Air Berat Tekan (Pressurized Heavy Water Reactor, PHWR)

CANadian Deuterium Uranium Reactor (CANDU) adalah suatu PLTN yang tergolong pada tipe reaktor pendingin air berat tekan dengan pipa tekan. Reaktor ini merupakan reaktor air berat yang banyak digunakan. Bahan bakar yang digunakan adalah uranium alam. Kanada menjadi pelopor penyebaran reaktor tipe ini di seluruh dunia. Gambar konstruksi reaktor CANDU Pickering-1 ditunjukkan pada Gambar 7.

2 Reaktor Air Berat Pendingin Gas (Heavy Water Gas Cooled Reactor, HWGCR)

HWGCR atau sering dibalik GCHWR adalah suatu tipe reaktor nuklir yang menggunakan air berat sebagai bahan moderatornya, sehingga pemanfaatan neutronnya optimal. Gas pendingin dinaikkan temperaturnya sampai pada tingkat yang cukup tinggi sehingga efisiensi termal reaktor ini dapat ditingkatkan. Tetapi oleh karena persoalan pengembangan bahan kelongsong yang tahan terhadap temperatur tinggi dan paparan radiasi lama belum terpecahkan hingga sekarang, maka pada akhirnya di dunia hanya terdapat 4 reaktor tipe ini. Di negara Perancis reaktor tipe ini dibangun, tetapi sebagai bahan kelongsong tidak digunakan berilium melainkan stainless steel.

3 Reaktor Air Berat Pembangkit Uap (Steam Generated Heavy Water Reactor, SGHWR)

Reaktor ini sering disebut Light Water Cooled Heavy Water Reactor (LWCHWR) dan hanya ada di Pusat Penelitian Winfrith Inggris. Reaktor berdaya 100 MWe ini merupakan prototipe reaktor pembangkit daya tipe SGHWR, dan beroperasi dari tahun 1968 sampai tahun 1990. Pada waktu itu reaktor SGHWR sempat menjadi suatu fokus pengembangan di Inggris, tetapi oleh karena persoalan ekonomi maka tidak dikembangkan lebih lanjut.

Sementara itu Jepang mengembangkan reaktor air berat yang disebut Advanced Thermal Reactor (ATR). Jepang membangun reaktor ATR Fugen berdaya 165 MWe. Keunikan dari reaktor ATR ini adalah, bahan bakar dapat terbuat dari uranium dengan pengayaan rendah atau uranium alam yang diperkaya dengan plutonium. Pada saat bahan bakar terbakar, penyusutan plutonium di bahan bakar sedikit sekali. Reaktor prototipe Fugen dioperasikan sejak tahun 1979, tetapi karena terjadi perubahan kebijakan dari pemerintah, sampai saat ini reaktor ATR komersial belum pernah terwujud. Reaktor Fugen beroperasi hingga tahun 2002 dan pada tahun berikutnya direncanakan untuk didekomisioning.

5. Reaktor Grafit

1 Reaktor Pendingin Gas (Gas Cooled Reactor, GCR)

Grafit sebagai bahan moderator sudah digunakan oleh ilmuwan Enrico Fermi sejak reaktor nuklir pertama Chicago Pile No.1 (CP 1). Grafit terkenal murah dan dapat diperoleh dalam jumlah besar. Plutonium (Pu-239) yang digunakan pada bom atom yang dijatuhkan pada saat Perang Dunia II dibuat di reaktor grafit. Setelah perang dunia berakhir reaktor GCR adalah salah satu tipe reaktor yang didesain-ulang di Inggris maupun Perancis. Reaktor ini menggunakan bahan bakar logam uranium alam, moderator grafit pendingin gas karbondioksida. Bahan kelongsong terbuat dari paduan magnesium (Magnox),

2 Reaktor Pendingin Gas Maju (Advanced Gas-cooled Reactor, AGR)

Di Inggris fokus pengembangan teknologi PLTN bergeser ke reaktor berbahan bakar uranium dengan pengayaan rendah, yang memiliki kerapatan daya dan efisiensi termal yang tinggi. Unjuk kerja reaktor ini terbukti dapat diperbaiki. Di Inggris reaktor ini hanya sempat dibangun sebanyak 14 buah saja, karena setelah pertengahan tahun 1980 kebijakan Pemerintah Inggris berubah.

3 Reaktor Pendingin Gas Suhu Tinggi (High Temperatur Gas-cooled Reactor, HTGR)

Reaktor ini menggunakan gas helium sebagai pendingin. Karakteristika menonjol yang unik dari reaktor HTGR ini adalah konstruksi teras didominasi bahan moderator grafit, temperatur operasi dapat ditingkatkan menjadi tinggi dan efisiensi pembangkitan listrik dapat mencapai lebih dari 40 %. Terdapat 3 bentuk bahan bakar dari HTGR, yaitu dapat berupa: (a) Bentuk batang seperti reaktor air ringan (dipakai di reaktor Dragon dan Peach Bottom); (b) Bentuk blok, di mana di dalam lubang blok grafit yang berbentuk segi enam di masukkan batang bahan bakar (dipakai di reaktor Fort St. Vrain, MHTGR, HTTR); (c) Bentuk bola (peble bed), di mana butir bahan bakar bersalut didistribusikan dalam bola grafit (dipakai di reaktor AVR, THTR-300).

4 Reaktor Pipa Tekan Air Didih Moderator Grafit (Light Water Gas-cooled Reactor, LWGR)

RBMK adalah reaktor tipe ini yang hanya dikembangkan di Rusia. Reaktor ini tidak menggunakan tangki kalandria (berisi air berat) seperti reaktor tipe SGHWR tetapi menggunakan grafit sebagai moderator, oleh karena itu dimensi reaktor menjadi besar. Uap yang terbentuk dikirim ke turbin pembangkit listrik untuk memutar turbin dan membangkitkan listrik. Salah satu reaktor tipe ini yang terkenal karena mengalami kecelakaan adalah reaktor Chernobyl No.4 yang merupakan reaktor tipe RBMK-1000. Salah satu kegagalan desain pada reaktor tipe RBMK yang dianggap sebagai kambing hitam terjadinya kecelakaan Chernobyl adalah tidak tersedianya bejana pengungkung reaktor.

6. Reaktor Cepat (Fast Reactor, FR), Reaktor Pembiak Cepat (Liquid Metal Fast Breeder Reactor, LMFBR)

Konstruksi reaktor pembiak cepat terdiri dari pendingin primer yang berupa bahan logam cair mengambil panas dari bahan bakar dan kemudian mengalir ke alat penukar panas-antara (intermediate heat exchanger), selanjutnya energi panas ditransfer ke pendingin sekunder dalam alat penukar panas-antara ini. Kemudian pendingin sekunder (bahan pendingin adalah natrium cair atau logam cair natrium) yang tidak mengandung bahan radioaktif akan mengalir membawa panas yang diterima dari pendingin primer menuju ke perangkat pembangkit uap, dan memberikan panas ke pendingin tersier (air ringan) sehingga temperaturnya meningkat dan mendidih (proses pembangkitan uap). Uap yang dihasilkan selanjutnya dialirkan ke turbin untuk memutar generator listrik yang dikopel dengan turbin.

Komponen sistem primer dari reaktor pembiak cepat terdiri dari bejana reaktor, pompa sirkulasi primer, alat penukar panas-antara. Komponen ini dirangkai oleh pipa penyalur pendingin membentuk suatu untai (loop), karena itu reaktor seperti ini digolongkan dalam kelas reaktor untai. Apabila seluruh komponen sistem primer di atas semuanya dimasukkan ke dalam bejana reaktor, maka reaktor pembiak cepat seperti ini digolongkan dalam kelas reaktor tangki atau reaktor kolam. Contoh reaktor pembiak cepat tipe reaktor untai adalah reaktor prototipe Monju di Jepang, sedangkan untuk tipe reaktor kolam adalah reaktor Super Phenix di Perancis yang sudah menjadi reaktor komersial . Reaktor Cepat Eropa (Europian Fast Reactor, EFR) yang secara intensif dikembangkan oleh negara-negara Eropa diharapkan akan mulai masuk pasar komersial pada tahun 2010.