# reaktor nuklir part 2

# Penggolongan Reaktor

     Reaktor nuklir dapat diklasifikasi, selain menurut tujuannya, juga menurut sifatnya, atau menurut tipe bahan bakar dan menurut susunan bahan bakar.. Dalam reaktor ini bahan bakar dalam bentuk U0₂ ada dalam kelongsong yang terbuat dari paduan-logam zirkonium. Kelongsong ini berfungsi sebagai pendukung mekanik, sebagai pembungkus untuk mencegah agar produk-produk fisi tidak keluar dari elemen bahan bakar, dan sebagai pelindung uranium terhadapat korosi oleh zat pendingin. Biasanya elemen bahan bakar disusun secara teratur dengan moderator. Teras yang terdiri dari bahan bakar moderator dikelilingi oleh reflektor, yang dapat juga berfungsi sebagai moderator.

       Fungsi reflektor adalah untuk mempertinggi ekonomi neutron dengan mencegah kebocoran neutorn yang berarti pelepasan dari teras reaktor. Pada lapisan luar terdapat perisai yang mengelilingi seluruh reaktor untuk menyerap neutron dan sinar gamma yang telah lepas dari teras reaktor. Pengendalian reaktor dilaksanakan dengan batang pengendali

# Desain Reaktor

Usaha mendisain reaktor nuklir adalah untuk membuat suatu instalasi sesuai dengan tujuannya dengan pembiayaan serta hasil yang seoptimal mungkin. Pada umumnya dikehendaki agar reaktor daya mencapai efisiensi teknik yang sebesar-besarnya. Akan tetapi perlu diinsafi pula bahwa dalam reaktor terdapat bahan dan material yang relatif sangat mahal, misalnya bahan bakar, moderator, dan berbagai sistem keamanan, sehingga yang diusahakan oleh pendisain adalah untuk mencapai efisiensi material yang sebesarnya, yang berarti bahwa yang diinginkan adalah memperoleh energi listrik yang sebesarnya dari tiap unit sistem/material yang mahal itu. Lain dari pada itu diinginkan pula agar sistem reaktor mencapai ekonomi neutron yang sebaik-baiknya, yang berarti bahwa neutron yang dibangkitkan dalam teras reaktor sebanyak-banyaknya menghasilkan pembelahan atom uranium dan kalor (dalam keadaan terkendali) dengan mengurangi penyerapan neutron oleh bahan dan material lainnya dalam bejana reaktor.

# Komponen reaktor Nuklir

1. Bahan Bakar Nuklir

Pada hakekatnya reaktor nuklir itu adalah suatu wadah yang mengandung bahan nuklir yang dapat membelah, yang disusun sedemikian sehingga suatu reaksi berantai dapat berjalan dalam keadaan dan kondisi yang terkendali. Dengan sendirinya syarat agar suatu bahan dapat dipergunakan sebagai bahan bakar adalah bahwa bahan tersebut dapat mengadakan fisi atau pembelahan atom. Untuk maksud ini dikenal hanya tiga macam isotop, yaitu ²³⁵U, ²³⁹Pu dan ²³³U. Diantara isotop ini hanya ²³⁵U yang terdapat dalam alam, yaitu dengan kadar 0,7 % dalam uranium alam, sedangkan selebihnya terdiri dari ²³⁵U dan sedikit ²³⁴U.

Bahan bakar uranium biasanya dipergunakan dalam bentuk padat, meskipun dalam berbagai reaktor eksperimentil dalam tahun limapuluhan sering pula dipergunakan sebagai larutan atau cairan dalam bentuk garam uranium (plutonium). Dalam bentuk padat bahan bakar uranium umumnya diperguna­kan sebagai oksida, yaitu UO₂, karena ternyata bahwa dalam bentuk logam murni terdapat keberatan-keberatan yang secara teknik sukar dapat dipecah­kan.

2. Moderator Dan Reflektor

Neutron yang dilepaskan oleh fisi mempunyai energi kinetik yang relatif sanga           t tinggi (sekitar 2 MeV) dengan kecepatan yang sangat tinggi. Agar neutron dapat menyebabkan fisi yang berikutnya lagi, energinya harus diku­rangi sampai mencapai energi termik (0,025 eV). Untuk memperlambat neu­tron cepat sampai mencapai tingkat energi yang lebih rendah, neutron yang berenergi tinggi itu ditumbukkan pada atom-atom yang terdapat dalam bahan-bahan tertentu, yang disebut moderator. Syarat untuk memilih dan menentukan bahan moderator (dan reflektor) adalah:

1) Pada tiap tumbukan terdapat kehilangan energi neutron yang besar.

2) Penampang penyerapan yang rendah.

3) Penampang penghamburan yang tinggi.

       Zat yang mengandung hidrogen merupakan moderator yang baik jika dilihat pada kehilangan energi neutron setelah terjadi tumbukan. Akan tetapi hidrogen mempunyai penampang penyerapan yang relatif tinggi, yang dilihat dari sudut ekonomi neutron tidak menguntungkan. Dalam bentuk persenyawaan, misalnya air normal dan hidrida logam, zat hidrogen itu dapat dipakai sebagai moderator, asalkan dipergunakan uranium diperkaya sebagai bahan bakar. Bahan-bahan lain yang dipergunakan sebagai moderator adalah D₂0, grafit, berillium dan berillium oksida.

Reflektor dipasang disekeliling teras reaktor dengan maksud agar neutron yang dihamburkan keluar dapat dipantulkan kembali ke teras reaktor. Dengan demikian kebocoran neutron dapat dikurangi. Sifat reflektor jadinya hampir sama dengan moderator, kadang-kadang moderator yang mempunyai sifat yang baik dapat dipergunakan sekaligus sebagai reflektor. Akan tetapi dalam reaktor pembiak cepat yang tidak memerlukan bahan moderator, dipergunakan suatu bahan sebagai reflektor, yang fungsinya hanyalah untuk memantulkan neutron cepat kembali ke teras reaktor.

3. Bahan Pengendali

Untuk menjalankan reaktor nuklir dengan baik diperlukan reaksi pembelahan berantai yang dapat dikendalikan secara teliti. Syarat utama bagi pe­ngendalian reaktor adalah bahwa keadaan kritis dan nyaris super-kritis dapat tercapai dengan lancar dan teratur. Kemudian kenaikan daya harus dapat ter­capai dengan kecepatan yang teratur pula, sedangkan pada tiap tingkat daya hendaknya dapat tercapai suatu keadaan yang stabil. Syarat lain adalah bahwa tiap keadaan transien (perobahan cepat yang tidak terkendali dalam reaktor) dapat dikoreksi dengan penggunaan mekanik pengendalian. Akhirnya dikehendaki pula bahwa reaktor pada tiap waktu dapat diberhentikan (shutdown) atau dapat dijalankan (startup).

Pengendalian reaktor biasanya dapat dilakukan dengan mengatur banyaknya penyerapan neutron. Dalam tipe-tipe reaktor yang tertentu pengendalian itu dilakukan dengan mengatur pembangkitan neutron, misalnya dalam tipe bahan bakar cairan dengan merobah konsentrasi bahan bakar.

Pengendalian penyerapan neutron dilakukan dengan mengatur posisi batang-batang pengendali terhadap teras reaktor. Batang pengendai mengandung bahan yang memiliki penampang penyerapan neutron yang tinggi. Dalam operasi jangka panjang perlu diperhatikan empat faktor, yaitu:

1)  Deplesi bahan bakar (berkurangkan bahan bakar)

2)  Tambahan bahan bakar baru

3)  Akumulasi racun radioaktif;

4)  Burnout batang pengendali.

Syarat-syarat bahan untuk batang pengendali adalah sebagai berikut:

1)  Dapat menyerap neutron dengan mudah

2)  Mempunyai kekuatan mekanik yang cukup besar

3)  Mempunyai massa yang

4)  Tahan korosi.

5)  Stabil dalam lingkungan radiasi dan suhu tinggi.

6)  Dapat memindahkan kalor  dengan baik.

Sebagai bahan batang pengendali biasanya dipergunakan paduan logam kadmium atau borium. Kadmium murni adalah logam berwarna putih kebiru-biruan yang sangat lunak. Sebagai logam murni kadmium tidak dapat dipergunakan sebagai bahan pengendali karena titik leburnya relatif rendah (320°C) sedangkan pada suhu tinggi mudah dioksidasi menjadi serbuk berwarna coklat. Sebagai bahan pengendali biasanya kadmium dicampur dengan perak dan indium sehingga membentuk paduan logam dengan sifat mekaniknya cukup kuat.

Borium murni tidak mempunyai sifat seperti logam; titik leburnya sangat tinggi (2100°C) dan kekerasan kristalnya hanya dilebihi oleh intan. Sebagai bahan pengendali, borium biasanya dipergunakan sebagai karbida (B₄C), sebagai paduan logam dengan aluminium (boral) dan belakangan ini sebagai boron baja (boron steel).

4. Pendingin

Setiap inti atom U-235 yang mengalami pembelahan melepaskan sejumlah energi sebesar kira-kira 200 MeV, yang kemudian hampir seluruhnya keluar dalam bentuk kalor. Suatu zat pendingin diperlukan untuk menghindarkan terjadinya suhu yang berlebihan dalam bejana reaktor.

Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh zat pendingin ialah:

1)  Mempunyai penyerapan neutron yang rendah.

2)  Mempunyai perpindahan kalor  yang baik.

3)  Dapat menggunakan daya pompa yang rendah.

4)  Mempunyai titik beku yang rendah.

5)  Mempunyai titik didih yang tinggi.

6)  Stabil dalam lingkungan radiasi dan suhu tinggi.

7)  Tidak peka terhadap keradioaktivan yang di-induksi.

8)  Tidak korosi.

9)  Aman dalam penanganan.

Berbagai bahan yang dapat dipergunakan sebagai pendingin ialah:

1)  Bentuk gas: udara, helium, C0₂, uap.

2). Bentuk cair: air ringan (H₂O), air berat (D₂O).

3) . Logam cair: Na, NaK

5. Bahan Perisai

Dalam reaktor yang sedang beroperasi akan terdapat berbagai macam radiasi yaitu partikel alfa dan beta, fragmen (produk) pembelahan, proton, sinar gamma dan neutron. Proteksi terhadap radiasi yang berbahaya ini dila­kukan dengan memasang bahan perisai sebagai pelindung disekitar bejana reaktor.

Partikel alfa merupaka inti helium, terdiri dari dua neutron dan dua proton dan oleh karena itu mengandung muatan listrik positif yang relatif besar. Partikel alfa diemisi selama peluruhan radioaktif oleh isotop radioaktif dengan massa berat dan energi diskrit yang khas untuk isotop tersebut dan besarnya pada umumnya lebih dari 5 MeV. Partikel alfa melepaskan energinya dalam udara dengan membentuk ion. Jarak tempuh partikel alfa dalam udara hanya 2 sampai 4 cm dan karena itu radiasi alfa tidak merupakan suatu problem dalam disain perisai. Proton juga menyebabkan ionisasi dalam udara, meskipun kurang karena muatan listriknya lebih kecil. Jarak tempuh proton kira-kira 5 sampai 10 kali jarak tempuh partikel alfa, akan tetapi seperti juga partikel alfa, proton tidak menimbulkan kesulitan dalam desain perisai. Partikel beta (elektron dan positron} di-emisi dengan energi yang meliputi spektrum yang luas dengan kecepatan yang lebih besar dari pada partikel al­fa. Partikel beta dapat juga menimbulkan radiasi jika melalui medan listrik inti atom berat. Pelepasan energi ini timbul sebagai sinar X dengan spektrum yang kontinyu dan disebut "brermstrahlung", yang mengandung bahaya disamping partikel betanya sendiri. Positron mempunyai sifat yang sama seperti elektron akan tetapi lain dari itu ia dapat bereaksi dengan elektron dan dapat menimbulkan dua foton gamma.

Neutron, seperti juga sinar gamma, mempunyai daya tembus yang cukup be­sar. Oleh karena neutron tidak mempunyai muatan listrik maka cara satu-sa­tunya agar neutron melepaskan energinya adalah dengan tumbukan, hamburan elastis dan tidak elastis dan penyerapan. Kesulitan yang timbul untuk menahan neutron adalah karena pada umumnya penyerapan neutron oleh bahan disertai dengan reaksi (n, gamma). 

       Jadi meskipun neutron dapat ditahan, akan tetapi segera diikuti oleh emisi gamma. Dengan demikian suatu perisai untuk menahan neutron harus juga sanggup untuk menahan sinar gamma yang dikeluarkan pada akhir jarak tempuh neutron.

Jika diringkaskan, syarat untuk bahan perisai adalah:

1).  Dapat memperlambat neutron

2).  Dapat menyerap neutron

3). Dapat menyerap radiasi gamma

Bahan-bahan yang dipergunakan sebagai perisai:

          1).  Air ringan

2).  Beton, dicampuri dengan bahan lainnya, misalnya barit

          3).  Logam, seperti Fe, Pb, Bi, W, Boral dan lain-lain.

6. Bahan Struktur

Dalam reaktor dengan disain tertentu material untuk bahan bakar moderator (reflektor), pengendalian, pendinginan dan perisai dipilih sedemikian­ sehingga memenuhi syarat-syarat yang khusus berlaku untuk reaktor terse­but. Biasanya bahan-bahan yang disebut tidak pasti mempunyai sifat fisika dan mekanika yang baik pula. Oleh karena itu untuk menambah kekuatan konstruksi reaktor diperlukan bahan-bahan lain yang biasanya, dilihat dari sudut ekonomi neutron, merugikan, akan tetapi diperlukan juga, agar komponen komponen tetap utuh dalam disainnya yang semula.

Untuk bahan struktur dalam bejana reaktor berlaku syarat-syarat berikut:

1).  Mempunyai penyerapan neutron yang rendah.

2).  Stabil dalam lingkungan radiasi dan suhu tinggi.

3).  Mempunyai kekuatan mekanik yang baik.

4).  Tahan korosi.

5).  Mempunyai sifat perpindahan kalor  yang baik.

Sebagai bahan struktur dalam bejana reaktor biasanya dipergunakan besi-baja, aluminium, zirkonium, nikkel, pada umumnya dalam bentuk paduan logam.

# Catatan

1.     Bahan bakar

                  Terdapat dalam teras reaktor diatur sedemikian rupa hingga luas per­mukaannya cukup besar untuk memperbesar perpindahan kalor  yang dihasilkan oleh bahan bakar.

2.     Pendingin (primer)

Cairan/gas yang mempunyai sifat-sifat perpindahan kalor  yang baik, berfungsi untuk mendinginkan bahan bakar. Kadang-kadang pendingin primer berfungsi pula sebagai moderator.

3.     Moderator

Berfungsi untuk menurunkan energi neutron dari energi tinggi ke ter maik. Moderator harus mempunyai sifat-sifat kemampuan menghamburkan neutron besar, tetapi kemampuan penyerapannya kecil. Seperti yang akan diterangkan kemudian moderator dipilih dari unsur-unsur yang mempunyai A kecil agar penurunan energi per tumbukan dapat besar.

4.     Batang kendali

Terbuat dari bahan yang mempunyai serap neutron yang sangat besar berfungsi untuk mengendalikan jumlah populasi neutron yang terdapat di dalam reaktor, jadi juga mengendalikan jumlah reaksi fisi yang terjadi.

5.     Perisai (shielding)

Menahan radiasi yang dikeluarkan oleh inti-inti hasil fisi, agar para pekerja dapat melakukan tugas-tugasnya di sekitar reaktor dengan aman.

6.     Pemindah kalor  (heat exchanger)

Pendingin primer biasanya merupakan suatu rangkaian tertutup, artinya pendingin primer dikembalikan lagi oleh pompa ke reaktor setelah kalor yang dibawa dari reaktor dipindahkan ke pendingin sekunder di dalam alat penukar kalor.