Baterai Nuklir

Pendahuluan

Untuk mendapatkan tenaga listrik dari energi nuklir, sejauh ini sudah banyak dilakukan melalui PLTN (Pusat Listrik Tenaga Nuklir) dan manfaatnya sudah sangat terasa bagi negara-negara maju, terutama dalam menggerakkan perindustriannya disamping untuk pemenuhan kebutuhan energi listrik bagi rumah tangga. Tenaga listrik yang dihasilkan oleh PLTN adalah berasal dari reaksi fisi (pembelahan) yang menghasilkan panas sangat besar. Panas yang sangat besar ini digunakan untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi yang kemudian uap tersebut digunakan untuk menggerakkan turbin yang dihubungkan ke generator, sehingga akan diperoleh tenaga listrik. Sedangkan pemanfaatan energi nuklir melalui reaksi fusi (penggabungan) yang panasnya jauh lebih besar dari pada reaksi fisi, sampai saat ini masih dalam taraf penelitian mengingat belum ditemukan bahan yang tahan terhadap tekanan tingi dan juga suhu tinggi dengan orde ratusan ribu derajat Celcius.  Pemanfaatan energi nuklir untuk menghasilkan tenaga listrik sejauh ini memang sudah terbukti dapat bersaing dengan tenaga listrik yang diperoleh secara konvensional melalui pemakaian energi primer (batubara dan minyak) maupun melalui pemakaian energi terbarukan (air, panas bumi dan matahari). Selain dari itu, para ahli pada saat ini juga akan melengkapi kemampuan energi nuklir dengan cara lain untuk menghasilkan tenaga listrik arus searah (tenaga baterai/DC), tidak hanya tenaga listrik arus bolak-balik (AC) seperti yang sudah dikenal selama ini melalui PLTN. Cara lain yang dimaksud adalah tidak dengan memanfaatkan panas dari hasil reaksi fisi maupun fusi, akan tetapi memanfaatkan proses terjadinya reaksi peluruhan (decay process) pada setiap bahan radioaktif. Pada reaksi peluruhan ini yang dimanfaatkan adalah radiasi nuklir itu sendiri yang disertai dengan pelepasan elektron atau muatan listrik dan juga kemampuan menumbuk bahan untuk menghasilkan elektron sekunder yang dapat diubah menjadi tenaga listrik. Bila hal ini bisa direalisasikan maka tenaga listrik yang diperoleh dari hasil proses peluruhan zat radioaktif akan dapat menambah sumber tenaga listrik arus searah, disamping sumber arus searah (tanaga baterai) yang telah dikenal secara konvensional berupa baterai kimia sel basah maupun sel kering. 

Proses Peluruhan Zat Radioaktif 

Proses peluruhan zat radioaktif sebenarnya adalah proses alami dari suatu zat radioaktif atau radioisotop dalam rangka keseimbangan menuju kepada energi dasarnya (ground state energy). Proses peluruhan zat radioaktif yang terjadi berkaitan erat dengan jenis radiasi nuklir dari suatu radioisotop. Untuk itu, perlu diketahui beberapa jenis radiasi yang mengikuti terjadinya proses peluruhan tersebut. Jenis radiasi yeng dimaksud sebenarnya ada 8 macam, namun yang akan dijelaskan hanya yang dalam proses peluruhannya menghasilkan elektron atau yang dapat menyebabkan ionisasi langsung saja, yaitu radiasi yang dipancarkan oleh radioisotop yang digunakan dalam baterai nuklir. Jenis radiasi tersebut adalah :  1. Radiasi Alpha (a) Radiasi ini pada umumnya terjadi pada elemen berat, yaitu atom yang nomor massanya besar (mohon dilihat sistem periodik/tabel berkala) yang tenaga ikatnya rendah, yaitu tenaga ikat antara elektron dan inti atomya rendah. Radiasi Alpha pada umumnya diikuti juga oleh peluruhan radiasi Gamma. Atom yang mengalami peluruhan radiasi Alpha, nomor massanya akan berkurang 4 dan nomor atomnya berkurang 2, sehingga radiasi Alpha disamakan dengan pembentukan inti Helium yang bermuatan listrik 2 dan bermassa 4. Contoh peluruhan radiasi Alpha adalah peluruhan Plutonium menjadi Uranium yang reaksinya sebagai berikut: 
₉₄Pu²³⁹––>₂He⁴ + ₉₂U²³⁵ (₂He⁴ = radiasi Alpha) 
2. Radiasi Beta Negatif (b-)
Radiasi Beta Negatif disamakan dengan pemancaran elektron dari suatu inti atom. Bentuk radiasi ini terjadi pada inti yang kelebihan elektron dan pada umumnya juga disertai juga dengan radiasi Gamma. Pada radiasi Beta Negatif, nomor atom akan bertambah 1, sedangkan nomor massanya tetap. Contoh peluruhan radiasi Beta Negatif adalah : 
₅₆Ba¹⁴⁰ ––>_-1e⁰ + ₅₇La¹⁴⁰(_-1e⁰ = elektron negatif) 
3. Radiasi Beta Positif (b +)
Radiasi ini sama dengan pancaran positron (elektron positif) dari inti atom. Bentuk peluruhan ini terjadi pada inti yang kelebihan proton. Pancaran positron dapat terjadi bila perbedaan energi antara inti semula dengan inti hasil perubahan (reaksi inti) paling tidak sama dengan 1,02 MeV. Radiasi Beta Positif akan selalu diikuti dengan peristiwa annihilasi atau peristiwa penggabungan, karena begitu terbentuk zarah Beta (+) akan langsung bergabung dengan elektron (-) yang banyak terdapat di alam ini dan menghasilkan radiasi Gamma yang lemah. Contoh radiasi Beta Positif : 
₇N¹³ ––> ₊₁e⁰ + ₆C¹³ (₊₁e⁰ = elektron positif / positron) 
₊₁e⁰ + _-1e⁰ ––> 2₀⁰(menghasilkan 2 foton Gamma) 
Jenis radiasi lainnya (radiasi Gamma, radiasi Neutron dan lain sebagainya) tidak dibahas dalam kaitannya dengan baterai nuklir, karena dalam peluruhannya tidak menghasilkan elektron atau muatan listrik yang langsung dapat mengionisasi medium yang pada akhirnya dapat diubah menjadi tenaga listrik arus searah. Selain dari itu, radiasi Gamma dan Neutron mempunyai daya tembus yang sangat besar, sehingga menyulitkan untuk mengukungnya agar radiasi tidak menembus dinding baterai nuklir. Kalaupun dinding baterai buklir dibuat tebal, akan berdampak pada masalah biaya dan secara teknis akan kalah bersaing dengan sumber radiasi Beta (b-) yang banyak digunakan dalam baterai nuklir. 

Berbagai Macam Baterai Nuklir 

Pemanfaatan energi nuklir untuk diubah menjadi tenaga listrik arus searah (DC) adalah karena timbulnya elektron atau muatan listrik pada peristiwa peluruhan zat radioaktif. Oleh karena itu, sumber arus searah baterai nuklir ini berasal dari radioisotop yang memancarkan radiasi Alpha, Beta Negatif maupun Beta Positif. Mengingat daya tembus radiasi Alpha sangat kecil, maka radioisotop pemancar Alpha jarang digunakan, karena menyulitkan dalam proses pembuatannya, kecuali bila akan dimanfaatkan untuk mengionisasi langsung medium baterai nuklir. Radioisotop pemancar Beta Positif (b+) jarang digunakan sebagai sumber tenaga baterai nuklir karena sumber baterai nuklir adalah radioisotop pemancar radiasi Beta Negatif (b-). Kemampuan sumber radiasi untuk menghasilkan elektron sekunder dalam tumbukannya dengan medium baterai nuklir, juga dipakai sebagai bahan pertimbangan dalam memilih sumber radioisotop. Penelitian dan pengembangan pembuatan baterai nuklir sangat menarik perhatian para ahli, karena tegangan yang diperoleh dari baterai nuklir relatif konstan dan bisa mencapai orde beberapa ribu volt, sehingga sangat menguntungkan dalam pemakaiannya. Sedangkan umur pakainya sangat panjang, bisa mencapai 2 kali waktu paro radioisotop yang digunakan. Namun demikian, efisiensinya dan arus yang dihasilkan sejauh ini masih rendah, untuk itu perlu ditingkatkan lebih jauh lagi. Adapun rendahnya arus yang dihasilkan karena adanya pengaruh nuclear barrier transmission (d) yang dinyatakan dalam persamaan : 
  di mana : X₁ dan X₂ = titik partikel pada saat masuk dan meninggalkan potensial barrier. 
M= massa partikel. 
V(x)= potensial energi sebagai fungsi barrier. 
T= energi kinetik partikel. 
h= konstanta Planck. 
Mengingat bahwa nuclear barrier transmission merupakan fungsi dari massa radioisotop yang digunakan dan energi kinetik radiasi yang dipancarkan, maka usaha untuk meningkatkan arus harus memperhatikan sumber radioisotop yang digunakan dan juga energi kinetik radiasinya. 
Berbagai macam model baterai nuklir yang sudah dikembangkan sejauh ini adalah sebagai berikut; 
1. Baterai nuklir “high speed electrons battery”:
Baterai ini dinamakan juga dengan baterai nuklir Beta, sesuai dengan jenis radiasi yang dipancarkan oleh radioisotop yang digunakan. Baterai nuklir ini bisa menghasilkan tegangan sampai beberapa ribu volt. Tegangan yang tinggi ini dipengaruhi oleh kerapatan isolator yang digunakan, sehingga tidak terjadi kebocoran yang dapat menimbulkan ionisasi udara di sekitar terminal elektrodenya. Arus yang dihasilkan masih rendah dan perlu dinaikkan lagi dengan memperhatikan masalah nuclear barrier transmission seperti yang diuraikan di atas. Radioisotop yang digunakan dalam baterai ini adalah Strontium-90 (Sr⁹⁰) yang mempunyai waktu paro 28 tahun, sehingga umur pakai baterai nuklir jenis ini bisa dua kali waktu paronya, yaitu 56 tahun. Bagan baterai nuklir jenis ini dapat dilihat pada Gambar 1. 
2. Baterai nuklir “contact potential difference battery” 
Baterai nuklir ini sering disingkat dengan baterai CPD (Contact Difference Potential). Elektrode yang digunakan adalah 2 jenis bahan logam yang mempunyai sifat “work function” yang sangat berbeda. Work function suatu bahan adalah energi yang diperlukan untuk membebaskan elektron keluar orbitnya. Bahan elektrode yang mempunyai sifat work function yang sangat jauh berbeda adalah Seng (Zn) dan Karbon. Ruang diantara kedua elektrode, yaitu antara bahan logam yang mempunyai sifat “work function” tinggi dan bahan logam yang mempunyai “work function” rendah, diisi medium berbentuk gas, yaitu Tritium yang setiap saat dapat diionisasikan oleh radioisotop menghasilkan elektron dan ion positif. Hasil ionisasi (elektron dan ion) akan menuju ke masing-masing elektrodenya sesuai dengan muatan listrik yang dibawanya. Penyerahan muatan listrik ke masing-masing elektrode akan menimbulkan arus listrik searah secara berkesinambungan. Radioisotop yang digunakan sama dengan baterai nuklir pertama, yaitu Strontium 90 (Sr⁹⁰). Bagan baterai nuklir CPD dapat dilihat pada Gambar 2. 
3. Baterai nuklir PN junction 
Baterai nuklir ini memanfaatkan sifat radioisotop yang dapat menimbulkan berondongan elektron (avalanche) pada salah satu elemen diode semikonduktor yang dipasang di dalam wadah baterai. Bahan semikonduktor yang dapat menghasilkan berondongan elektron akibat terkena radiasi adalah Antimon. Sedangkan untuk elektrode positifnya digunakan Silikon. Berondongan elektron yang terbentuk akan ditarik oleh elektrode positif dan pada saat penyerahan muatan listrik akan timbul arus listrik searah seperti yang terjadi pada baterai nuklir CPD. Baterai nuklir PN junction ini walaupun tegangannya rendah tapi arus yang dihasilkan jauh lebih besar dari pada baterai nuklir lainnya. Sumber radioisotop yang digunakan adalah Prometium 147 (Pm¹⁴⁷) yang mempunyai waktu paro 2,5 tahun, sehingga umur pakai baterai nuklir jenis ini bisa mencapai 5 tahun. Bagan baterai nuklir PN junction ini dapat dilihat pada Gambar 3. 
4. Baterai nuklir termokopel 
Baterai nuklir jenis ini memanfaatkan panas yang ditimbulkan oleh radioisotop yang ditempatkan pada bagian dalam wadah yang dilengkapi dengan dua jenis logam yang bersifat sebagai termokopel. Arus yang timbul dari adanya termokopel dapat menjadi tenaga baterai. Bagan baterai nuklir jenis termokopel dapat dilihat pada Gambar 4. 
5. Baterai nuklir “secondary emitter” 
Baterai nuklir jenis ini menggunakan radioisotop yang dapat menumbuk bahan target yang peka terhadap radiasi, sehingga akan menimbulkan elektron sekunder akibat tumbukan tersebut. Elektron sekunder ini akan dikumpulkan oleh elektrode yang tidak peka terhadap radiasi. Perbedaan tegangan pada kedua elektrode tersebut akan menghasilkan arus listrik yang besarnya proporsional dengan energi yang dibawa oleh elektron sekunder. Skema baterai nuklir jenis ini dapat dilihat pada Gambar 5. 
6. Baterai nuklir fotolistrik 
Baterai nuklir fotolistrik ini memanfaatkan sifat bahan sintilator yang akan mengeluarkan pendar cahaya (foton) bila terkena radiasi. Pendar cahaya (foton) yang timbul kemudian diubah menjadi tenaga listrik oleh bahan semikonduktor yang peka terhadap foton cahaya. Foton cahaya dapat juga diubah menjadi tenaga listrik oleh sel fotolistrik. Bahan sintilator yang digunakan dapat berupa Posfor, Natrium Iodida yang diberi Thalium. Gambar 6 menunjukkan skema baterai nuklir jenis fotolistrik yang dimaksud. 
7. Baterai nuklir “photon junction” 
Baterai nuklir ini menggunakan posfor radioaktif (P³²) sebagai sumber radioisotopnya yang diapit oleh bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor diletakkan berhimpitan dengan “semiconductor surface layer” agar dapat terjadi perpindahan “electron hole” akibat terkena radiasi P³². Adanya perpindahan electron hole pada bahan semikonduktor ini akan menimbulkan pulsa listrik yang besarnya sama dengan energi pendar cahaya yang terjadi. Tegangan baterai nuklir ini relatif konstan. Gambar 7 menunjukkan skema baterai nuklir jenis “photon junction”.

Penutup

Berdasarkan uraian di muka tampak bahwa penelitian dan pengembangan pembuatan baterai nuklir dari berbagai macam jenis yang pernah dibuat, masih perlu ditingkatkan lagi untuk memperoleh efisiensi baterai nuklir yang lebih baik dan juga untuk dapat menaikkan arus listriknya agar diperoleh daya keluaran yang lebih baik. Umur paro radioisotop yang digunakan akan sangat mempengaruhi umur pakai baterai dan juga kestabilan tegangan baterai nuklir. Bahan radioisotop pemancar radiasi Beta yang dapat digunakan menjadi sumber energi baterai nuklir bisa diperoleh dari hasil fisi yang dihasilkan oleh reaktor nuklir maupun oleh akselerator. Produk radioisotop yang sampai saat ini sudah dipasarkan menjadi baterai nuklir adalah dari deret Lantanida, yaitu Prometium (Pm¹⁴⁷) yang bisa mencapai umur pakai lebih dari 5 tahun per baterai. Bila umur paro radioisotop yang digunakan panjang, maka wadah baterai nuklir harus dibuat sedemikian rupa agar supaya tidak bocor selama dalam pemakaian, karena hal ini menyangkut masalah keselamatan lingkungan dan proteksi radiasi. Satu hal yang perlu diketahui bahwa baterai nuklir yang sudah tidak dipakai tidak boleh dibuang sembrangan, mengingat di dalamnya mengandung bahan radioaktif, sehingga pembuangannya memerlukan pengaturan tersendiri sesuai dengan ketentuan yang telah ditetapkan. Untuk Indonesia pengaturan masalah ini ditetapkan oleh Badan Tenaga Nuklir atau BAPETEN yang berkedudukan di Jakarta.