Prinsip Kerja PLTN

Nuklir, sebuah kata yang menyirat kengerian dan kedahsyatan. Mungkin ini gara-gara peristiwa penghancuran dua kota Jepang, Nagasaki dan Hiroshima, yang mengakhiri perang dunia II. Kedua kota tersebut hancur oleh dua buah bom nuklir yang bernama “Little Boy”, aplikasi mutakhir fisika subatomik oleh para fisikawan di Amerika Serikat. Saking traumanya kita dengan kata “nuklir”, aplikasi mutakhir fisika subatomik lainnya yang bernama Nuclear Magnetic Resonance (NMR) diubah menjadi Magnetic Resonance Imaging (MRI).
Tidak hanya persoalan teknologi penghancur, nuklir juga telah membawa kenangan buruk bagi warga Eropa semenjak tragedi meledaknya pembangkit listrik di Chernobil (Ukraina) bertenaga nuklir pada 26 April 1986. Tujuh tahun sebelumnya, tepatnya pada 28 Maret 1979, pembangkit listrik tenaga nuklir di Three Mile Island (Pensylvania, Amerika Serikat) telah meledak dan memberikan kenangan buruk bagi warga Amerika Serikat khususnya dan dunia umumnya. Yang membuat ngeri bukan pada kehancuran akibat ledakan, tetapi apa yang terjadi setelah ledakan: makhluk hidup mengalami mutasi. Ada bayi yang bermata satu, berkaki tiga, berjari tidak normal, dan semua yang aneh-aneh lainnya. Wilayah tempat terjadi kecelakaan harus disterilkan (tidak boleh dimasukki) untuk waktu beratus-ratus tahun lamanya.
Kenapa sebegitunya? Inilah yang dalam fisika disebut peristiwa “peluruhan” (decay). Ada sejumlah zat di alam ini yang tidak stabil, disebut zat radioaktif, dan untuk mencapai kestabilan dia berubah bentuk dengan cara memancarkan sejumlah massanya ke lingkungan (peristiwa ini disebut meluruh). Zat yang dipancarkan dikategorikan dalam tiga jenis sinar: sinar alpha, sinar beta, dan sinar gamma. Ketiga sinar ini dapat berinteraksi dengan materi lain dan dalam dosis tertentu dapat mengionkan materi lain tersebut. Misalnya selembar kertas yang awalnya tidak bermuatan dapat menjadi bermuatan setelah dikenai sinar radioaktif pada dosis tertentu. Hasil interaksi akan menjadi lebih mengerikan ketika sinar radioaktif ini berinteraksi dengan materi hidup seperti jaringan kulit dan DNA tubuh kita.
Kalau sebegitu mengerikannya, kenapa orang masih getol ingin memanfaatkan nuklir seperti dalam bidang medis dan pembangkit listrik? Jawabanya sederhana: karena tokoh-tokoh di dunia subatomik (seperti inti atom) mengandung energi yang dahsyat yang dibutuhkan manusiauntuk aktivitas sehari-harinya. Pertanyaannya: how to get the energy safely and efficiently?

Nuklir untuk pembangkit listrik

Pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN), misalnya, mengupayakan untuk mengambil energi yang dilepas ketika sebuah inti atom pecah menjadi inti atom yang lebih kecil (disebut reaksi fisi). Tempat terjadinya reaksi ini di dalam PLTN disebut reaktor. Reaksi tersebut harus dapat dikontrol oleh operator (manusia), jika tidak maka terjadi reaksi berantai yang tak-terkendali dan dapat berakibat fatal (seperti meledak).
Inti atom yang dipecah berasal dari atom yang tidak stabil (radioaktif) seperti Uranium-235 (U-235). U-235 adalah isotop Uranium yang sangat sensitif terhadap reaksi berantai. Dalam teknik nuklir, partikel yang mampu memberikan reaksi berantai ini disebut fissile. Angka 235 adalah nomor massa atom yang menunjukkan jumlah proton dan neutron dalam intinya. Proton dan neutron adalah partikel penyusun inti atom, disebut nukelon.

Reaksi berantai dari U-235.

Untuk menghasilkan reaksi berantai, inti atom U-235 ditembak oleh sebuah neutron yang bergerak lambat (disebut “slow neutron” atau juga “thermal neutron“). Kecepatan gerak neutron sesungguhnya dapat diatur, tapi telah dihitung sedemikian rupa sehingga reaksi berantai dari gerakan neutron yang lambat lebih mudah dikontrol. Ketika slow neutron mengenai targetnya, yaitu inti atom U-235, inti atom pecah menjadi dua buah inti atom yang lain dan sejumlah neutron. Neutron-neutron hasil dari reaksi ini akan mengenai inti atom-inti atom U-235 lainnya dan begitu seterusnya. Inilah yang disebut “reaksi berantai” (chain reaction).
Saya ulangi lagi, reaksi berantai harus dapat dikendalikan oleh operator, dan oleh karena itulah kecepatan neutron pertama yang ditembakkan harus rendah supaya reaksi berantai yang dihasilkan dapat dikendalikan. Dalam bom nuklir, jutru dibutuhkan reaksi berantai yang tak-terkontrol sehingga energi yang dihasilkan sangat besar.
Mari kita sedikit berhitung. Energi kinetik slow neutron yang biasa ditembakkan adalah sekitar 7,5 MeV — MeV adalah Mega electronVolt, sebuah satuan energi dengan 1 eV = 1,6 x 10¹⁹ joule, sangat kecil! Energi hasil reaksi fisi adalah 8,4 MeV. Perbedaan 0,9 MeV per nukleon berasal dari energi yang dilepas oleh reaksi fisi. Energi ini berasal dari energi ikat antarnukleon di dalam inti. Dengan demikian, total energi yang dilepas setiap reaksi fisi U-235 adalah jumlah nukleon dikali energi per nukleon, yaitu 235 x 0.9 MeV atau sekitar 200 MeV per satu inti atom.
Kecil? Ya, angka yang kecil. Tapi jangan lupa, perhitungan di atas adalah untuk satu inti atom U-235, yang mana massa satu inti atom U-235 sekitar (pembulatan) 3,9 x 10^-22 gram. Artinya, 1 gr U-235 mengandung sekitar 1/3,9×10^-22 =
2,8 x 10²¹ buah inti atom U-235. Jika semua bereaksi dalam reaktor, maka dihasilkan energi sejumlah 200 x 2,8 x 10²¹ MeV = 5,6 x 10²³ MeV — atau sekitar 8,9 Megajoule. Energi sebanyak ini dapat dihasilkan oleh pembakaran batu bara sebanyak 2650 ton
kg batu bara!!! (Jangan lupa, selain energi batu bara juga menghasilkan polusi.)

Prinsip dasar kerja PLTN

­Nah, berikut ini hal yang menarik: bagaimana mengubah energi sebanyak itu menjadi listrik dalam sebuah PLTN? Jawabannya cukup mencengangkan, atau mungkin mengecewakan bagi sebagian kita: energi sejumlah itu dipakai untuk mendidihkan segentong air sehingga menjadi uap. Uap itu kemudian dialirkan lewat pipa-pipa yang kemudian dapat menggerakkan turbin-turbin. Di belakang turbin ada generator yang bekerja seperti sebuah dinamo raksasa yang bertugas mengubah energi gerak mekanik menjadi energi listrik. (Berbeda dengan motor yang mengubah energi listrik menjadi energi gerak mekanik, atau enjin yang mengubah energi hasil pembakaran menjadi energi gerak mekanik). Proses awal yang “very high technology” ternyata diakhiri oleh “very old-style conventional technology“,

Secara sederhana, skematik tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut. Reaksi fisi berantai terjadi di reaktor (C), dengan bahan bakar  U-235 dalam bentuk batangan (kira-kira sepanjang 2,5 cm). Batangan U-235 dikontrol oleh batang pengontrol (B). Operator menaikturunkan batang pengontrol ini untuk mengontrol kecepatan reaksi berantai. Batang turun berarti semakin cepat reaksi terjadi, begitu juga sebaliknya.
Energi yang dihasilkan oleh reaksi fisi dibawa dalam bentuk panas oleh fluida khusus ke tabung air (D). Panas ini mendidihkan air yang uapnya dibawa oleh pipa untuk menggerakkan turbin (H). Di belakang turbin ada generator (G) yang mengubah energi gerak mekanik menjadi listrik.
Uap air yang telah menggerakkan turbin kehilangan panasnya dan berubah kembali menjadi air. Untuk mempercepat proses pendinginan, air dingin dari menara air (J) disalurkan lewat pipa (I). Air yang telah dingin dipompa ke (D). Begitu seterusnya.
Mekanisme turbin dan generator yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik adalah pembahasan tersendiri.
Jadi sesungguhnya cuma ada tiga jenis pembangkit listrik: bertenaga air (turbin digerakkan oleh air), bertenaga uap (digerakkan oleh uap air), dan bertenaga angin (turbin digerakkan oleh air). Permasalahannya adalah: dari mana mendapatkan air, uap, dan angin tersebut.

PLTN di mata dunia

Kemudian, kenapa PLTN tetap menjadi idola? Pertimbangan utama adalah efisiensinya yang sangat tinggi. Satu gram U-235 setara dengan 2650 batu bara! Edan. Efisiensi selalu terkait dengan biaya produksi yang ujung-ujungnya pasti bicara soal keuntungan. Semakin efisiensi sebuah proses, semakin banyak keuntungan (baik finansial maupun teknologi) yang didapat. Selanjutnya adalah hukum ekonomi yang berbicara.
Alasan kedua adalah ramah lingkungan. Batu bara, minyak bumi, dan gas alam dapat berberan sebagai bahan bakar untuk mendidihkan air, tapi mereka semua penghasil polusi udara. Nuklir tidak memberikan polusi udara, kecuali limbah radioaktif yang dapat dikelola dengan teknik tersendiri. (Limbah radioaktif menjadi topik khusus untuk diperdebatkan.)
Alasan ketiga adalah keamanan. Lho, kok? Teknologi PLTN jauh lebih canggih daripada pembangkit listrik lainnya. Prinsip dalam teknik adalah: semakin canggih, semakin aman. Jadi, seharusnya PLTN jauh lebih aman daripada yang lain. Kecelakaan Chernobyl dan Three Miles Island murni kesalahan operator, bukan kegagalan reaktor.
Berapa banyak dunia menggunakan PLTN sekarang? B

As of July 2008, there were more than 430 operating nuclear power plants and, together, they provided about 15 percent of the world’s electricity in 2007. Of these 31 countries, some depend more on nuclear power than others. For instance, in France about 77 percent of the country’s electricity comes from nuclear power [source: NEI]. Lithuania comes in second, with an impressive 65 percent. In the United States, 104 nuclear power plants supply 20 percent of the electricity overall, with some states benefiting more than others.

Bagaimana, tertarik dengan nuklir?