Pengertian & Perbedaan Reaksi Fusi dan Fisi Inti Nuklir

Reaksi fusi

Hallo teman- teman kali ini admin akan memberikan sedikit informasi mengenai ilmu fikisa, dimana pembahasan kali ini akan mengulas mengenai Pengertian & Perbedaan Reaksi Fusi dan Fisi Inti Nuklir.

Dikutip dari wikipedia "Reaksi nuklir adalah sebuah proses di mana dua nuklei atau partikel nuklir bertubrukan, untuk memproduksi hasil yang berbeda dari produk awal.

Pada prinsipnya sebuah reaksi dapat melibatkan lebih dari dua partikel yang bertubrukan, tetapi kejadian tersebut sangat jarang. Bila partikel-partikel tersebut bertabrakan dan berpisah tanpa berubah (kecuali mungkin dalam level energi), proses ini disebut tabrakan dan bukan sebuah reaksi.

Dikenal dua reaksi nuklir, yaitu reaksi fusi nuklir dan reaksi fisi nuklir. Reaksi fusi nuklir adalah reaksi peleburan dua atau lebih inti atom menjadi atom baru dan menghasilkan energi, juga dikenal sebagai reaksi yang bersih.

Reaksi fisi nuklir adalah reaksi pembelahan inti atom akibat tubrukan inti atom lainnya, dan menghasilkan energi dan atom baru yang bermassa lebih kecil, serta radiasi elektromagnetik. Reaksi fusi juga menghasilkan radiasi sinar alfa, beta dan gamma yang sagat berbahaya bagi manusia."

Reaksi inti sangat berbeda dengan reaksi kimia, karena pada dasarnya reaksi inti ini terjadi karena tumbukan (penembakan) inti sasaran (target) dengan suatu proyektil (peluru). Secara skematik reaksi inti dapat digambarkan:

Pada reaksi inti ini terjadi perubahan unsur karena ditumbuk zarah nuklir atau zarah radioaktif yang dapat dinyatakan oleh persamaan reaksi:

A + a → B + b + Q ............................................. (1)

atau

A (a, b) B

dengan A adalah unsur semula, B adalah unsur yang terjadi, a dan b adalah zarah yang ditumbukkan dan yang terpental, dan Q adalah energi panas yang mungkin timbul dalam reaksi inti tersebut.

Apabila b = a, dan B = A, maka pada reaksi tersebut adalah hamburan. Misalnya:

²⁶Mg + p → ²⁶Mg + p + γ

dengan p adalah proton.

Pada reaksi inti berlaku hukum:

a. kekekalan momentum linier dan momentum sudut,

b. kekekalan energi,

c. kekekalan jumlah muatan (nomor atom),

d. kekekalan jumlah nukleon (nomor massa).

Dengan demikian, momentum, energi, nomor atom, dan nomor massa inti-inti sebelum reaksi harus sama dengan momentum, energi, nomor atom, dan nomor massa intiinti setelah reaksi.

James Chadwick menemukan neutron dengan mendedahkan berillium logam ke partikel. Ia menemukan jenis partikel baru yang keluar dari intinya, yaitu neutron. Selanjutnya, dia meneliti deugerium (hidrogen berat). Isotop ini ditemukan pada tahun 1932 dan digunakan untuk reaktor nuklir.

2. Energi Reaksi Inti

Suatu reaksi inti bisa menghasilkan atau memerlukan energi. Besarnya energi Q bisa dihitung berdasarkan reaksi pada persamaan (1).

Dalam perhitungan energi reaksi inti, semua massa inti dinyatakan dalam satuan sma (satuan massa atom). Menurut Einstein, energi total yang dimiliki suatu massa m adalah:

E = m . c² ........................................................ (2)

dengan c adalah kelajuan cahaya (3 × 10⁸ m/s).

Dari persamaan (2) untuk 1 sma, energi yang dimiliki adalah 931,5 MeV. Dengan demikian, persamaan energi (berdasarkan hukum kekekalan energi) dapat dituliskan:

(m_A + m_a) 931,5 MeV = (m_B + m_b) 931,5 MeV + Q

atau

Q = {(m_A + m_a) – (m_B + m_b)} 931,5 MeV......... (3)

Dari persamaan (3), jika diperoleh nilai Q > 0, maka reaksinya disebut reaksi eksoterm, yaitu reaksi di mana terjadi pelepasan energi. Sebaliknya, jika Q < 0, maka reaksinya disebut reaksi endoterm, yaitu reaksi yang memerlukan energi.

Persamaan (3)menunjukkan bahwa pada prinsipnya, energi reaksi adalah sama dengan perubahan massa inti sebelum reaksi dan sesudah reaksi. Hal inilah yang dinyatakan Einstein sebagai kesetaraan massa-energi.

Contoh Soal 1 :

Hitunglah energi yang dibebaskan pada reaksi (1 sma = 931,5 MeV) :

Jika,

m_Be = 9,012 sma,

m_n = 1,008 sma,

m_α = 4,002 sma,

m_c= 12,000 sma!

Pembahasan :

Reaksi inti :

Q = {(m_Be + m_α) – (m_c + m_n)}× 931,5 MeV

Q = {(9,012 + 4,002) – (12,000 + 1,008)} × 931,5 MeV

Q = {13,014 – 13,008} × 931,5 MeV

Q = 0,006 × 931,5 MeV

Q = 5,589 MeV

3. Reaksi Fisi

Reaksi fisi (pembelahan inti) adalah reaksi nuklir yang melibatkan pembelahan sebuah inti berat (seperti uranium) menjadi dua bagian (hasil fisi), yang kemudian memancarkan dua atau tiga neutron, sambil melepaskan sejumlah energi yang setara dengan selisih antara massa diam neutron dan hasil fisi dengan jumlah massa diam inti awal.

Fisi dapat terjadi spontan atau sebagai akibat irradiasi neutron. Misalnya, fisi inti uranium-235 oleh sebuah neutron lambat akan berlangsung sebagai berikut:

²³⁵U + n → ¹⁴⁸La + ⁸⁵Br + 3n

Energi yang dilepaskan kira-kira 3 × 10^-11 J per satu inti ²³⁵U. Untuk 1 kg ²³⁵U, energi yang dihasilkan setara dengan 20.000 megawatt.jam, sama dengan jumlah energi yang dihasilkan oleh pembakaran 3 × 10⁶ ton batubara.

Fisi nuklir n merupakan proses yang digunakan di dalam reaktor nuklir dan bom atom.

Gambar 1.Reaksi fisi berantau uranium. [1]

Pada suatu reaktor nuklir, reaksi fisi dapat dimanfaatkan sebagai pusat pembangkit tenaga listrik, karena reaksinya bisa dikendalikan. Sebaliknya, reaksi fisi yang tidak terkendali akan menghasilkan ledakan energi, seperti pada bom atom.

Contoh Soal 2 :

Perhatikan reaksi fisi berikut!

Hitunglah energi yang dibebaskan pada fisi 1 kg atom!

Penyelesaian:

Diketahui:

m_u = 235,0439

m_n = 1,0087

m_Ba = 137,9050

m_Nb = 92,9060

m_e= 0,00055

Ditanya: Energi = ...?

Pembahasan :

Q = {(m_u + m_n) – (m_Ba + m_Nb + 5m_n + 5m_e)} × 931 MeV/sma

Q = {(235,0439 + 1,0087) – (137,9050 + 92,9060 + (5 × 1,0087) + (5 × 0,00055)} × 931>

Q = 181,87085 MeV

energi yang dibebaskan pada fisi 1 kg atom uranium

4. Reaksi Fusi

Reaksi fusi (penggabungan inti) adalah reaksi nuklir yang melibatkan penggabungan inti-inti atom dengan nomor atom kecil untuk membentuk inti yang lebih berat dengan melepaskan sejumlah besar energi.

Dalam reaksi fisi, sebuah neutron dipergunakan untuk membelah sebuah inti yang besar, tetapi dalam reaksi fusi nuklir, dua inti yang bereaksi harus saling bertumbukan.

Karena kedua inti bermuatan positif, maka timbul gaya tolak yang kuat antarinti, yang hanya dapat dilawan bila inti yang bereaksi memiliki energi kinetik yang sangat besar.

Gambar 2. Reaksi fusi deuterium dan tritium, menghasilkan helium -4 dan neutron serta melepaskan energi sebesar 17,59 MeV. [2]

Pada temperatur tinggi, reaksi fusi berlangsung sendiri, reaktan pada temperatur ini berada dalam bentuk plasma (dengan kata lain inti dan atom bebas) dan inti memiliki energi yang cukup untuk melawan gaya tolak elektrostatik. Bom fusi dan bintang-bintang menghasilkan energi dengan cara seperti ini.

Gambar 3. Tokamak reaktor fusi percobaan.

Diharapkan metode ini akan digunakan dalam reaktor termonuklir, sebagai sumber energi untuk kepentingan manusia. Berikut ini adalah contoh reaksi fusi yang terjadi pada bintang, matahari, serta pada atom hidrogen.

reaksi fusi yang terjadi pada bintang, matahari, serta pada atom hidrogen

Contoh Soal 3 :

Reaksi fusi berikut ini berlangsung di Matahari dan menghasilkan sebagian besar energinya:

Berapa besar energi yang dilepaskan ketika 1 kg hidrogen dikonsumsi? Massa ¹H adalah 1,007825 u; 4He adalah 4,002604 u; dan 0e + 1 adalah 0,000549 u.

Penyelesaian:

Diketahui:

m_H = 1,007825 u

m_He = 4,002604 u

m_e= 0,000549 u

Ditanya: Energi = ...?

Pembahasan :

Q = {(4 m_H) – (m_He) + 2 m_e)} × 931 MeV/sma

Q = {(4 × 1,007825) – (4,002604 + (2 × 0,000549))} × 931

Q = 24,872596 MeV

4 atom H = 4 × 1,007825 = 4,0313 sma

energi yang dilepaskan ketika 1 kg hidrogen reaksi fusi matahari

5. Reaktor Nuklir

Reaktor nuklir merupakan sebuah peralatan sebagai tempat berlangsungnya reaksi berantai fisi nuklir terkendali untuk menghasilkan energi nuklir, radioisotop, atau nuklida baru.

Gambar 4. Skema dasar reaktor.

Keterangan :

Bahan bakar
Teras reaktor
Moderator
Batang kendali
Pompa pemindah
Generator uap
Shielding (perisai)

Berikut ini beberapa komponen dasar reaktor.

a) Bahan bakar reaktor nuklir merupakan bahan yang akan menyebabkan suatu reaksi fisi berantai berlangsung sendiri, sebagai sumber energi nuklir. Isotop fisi adalah uranium-235, uranium-233, plutonium-239.

Uranium-235 terdapat di alam (dengan perbandingan 1 : 40 pada uranium alam), dan yang lainnya harus dihasilkan secara buatan.

b) Teras reaktor, di dalamnya terdapat elemen bahan bakar yang membungkus bahan bakar.

c) Moderator adalah komponen reaktor yang berfungsi untuk menurunkan energi neutron cepat (+ 2 MeV) menjadi komponen reaktor normal (+ 0,02 - 0,04 eV) agar dapat bereaksi dengan bahan bakar nuklir.

Selain itu, moderator juga berfungsi sebagai pendingin primer.

Persyaratan yang diperlukan untuk bahan moderator yang baik adalah dapat menghilangkan sebagian besar energi neutron cepat tersebut dalam setiap tumbukan dan memiliki kemampuan yang kecil untuk menyerap neutron, serta memiliki kemampuan yang besar untuk menghamburkan neutron.

Bahan-bahan yang digunakan sebagai moderator, antara lain:

1) air ringan (H₂O), c) grafit, dan

2) air berat (D₂O), d) berilium.

d. Setiap reaksi fisi menghasilkan neutron baru yang lebih banyak (2 - 3 neutron baru), maka perlu diatur jumlah neutron yang bereaksi dengan bahan bakar. Komponen reaktor yang berfungsi sebagai pengatur jumlah neutron yang bereaksi dengan bahan bakar adalah batang kendali.

Dalam reaktor dikenal faktor pengali (k), yaitu perbandingan jumlah neutron yang dihasilkan setiap siklus dengan jumlah neutron pada awal siklus untuk:

k = 1, operasi reaktor dalam keadaan kritis,

k > 1, operasi reaktor dalam keadaan super kritis,

k < 1, operasi reaktor dalam keadaan subkritis.

Bahan yang dipergunakan untuk batang kendali reaktor haruslah memiliki kemampuan tinggi menyerap neutron. Bahan-bahan tersebut antara lain kadmium (Cd), boron (B), atau haefnium (Hf ).

e. Perisai (shielding), berfungsi sebagai penahan radiasi hasil fisi bahan agar tidak menyebar pada lingkungan.

f. Pemindah panas, berfungsi untuk memindahkan panas dari pendingin primer ke pendingin sekunder dengan pompa pemindah panas.

g. Pendingin sekunder, dapat juga berfungsi sebagai generator uap (pembangkit uap) yang selanjutnya dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik.