Upload
hanif-fuadah
View
252
Download
6
Embed Size (px)
DESCRIPTION
paper
Citation preview
1
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR
Disusun Oleh :
Hanif Fu’adah (4201413025)
Pendidikan Fisika
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
SEMARANG
2016
2
BAB 1
PENDAHULUAN
Dalam memenuhi permintaan energi listrik yang meningkat, ekonomi global saat ini
dihadapkan dengan dua masalah yaitu menurunnya sumber daya bahan bakar fosil dan
perubahan iklim akibat akumulasi kerusakan atmosfer oleh gas rumah kaca, terutama CO2 dan
metana. Sebuah solusi yang jelas untuk menyelesaikan kedua isu tersebut adalah pembangkit
listrik proses yang tidak memerlukan bahan bakar fosil dan juga tidak memiliki emisi gas. Di
antara yang diusulkan pemerintah dalam waktu dekat adalah ketersediaan sumber energi
alternatif dan faktor keandalan, dan pembangkit listrik tenaga nuklir fisi yang terus meningkat
selama bertahun-tahun sebesar 92%, faktor kapasitas PLTN lebih besar dua kali daripada energi
angin atau energi surya.
Pemanfaatan teknik nuklir dalam bentuk PLTN mulai dikembangkan secara komersial
sejak tahun 1954. Pada waktu itu di Uni Sovyet (USSR), dibangun dan dioperasikan satu unit
PLTN air ringan bertekanan tinggi (WER=PWR) yang setahun kemudian mencapai daya 5 Mwe.
Di Amerika Serikat juga telah dioperasikan jenis reaktor yang sama dengan daya 60 Mwe. Pada
tahun 1956 di Inggris dikembangkan jenis Gas Cooled Reactor (GCR = reaktor berpendingin
gas) dengan daya 100 Mwe.
Hingga tahun 2010 di seluruh dunia baik di negara maju maupun berkembang telah
dioperasikan sebanyak 438 unit PLTN tersebar di 30 negara dengan kontribusi sekitar 18 % dari
pasokan tenaga listrik dunia dengan total pembangkitan dayanya mencapai 314 Mwe. Sementara
itu 143 PLTN dalam tahap konstruksi di 24 negara, dengan negara yang sedang membangun
PLTN terbanyak adalah China 36 unit, India 20 unit dan Rusia 16 unit. Selain yang memasuki
tahap konstruksi344 unit PLT lainnya di dunia sedang dalam tahap perencanaan.
3
BAB 2
PEMBAHASAN
A. Definisi
1. Nuklir
Energi Nuklir merupakan energi hasil dari sebuah proses kimia yang dikenal dengan
reaksi fisi dan reaksi fusi pada sebuah inti atom. Sudah berpuluh tahun manusia memanfaat
potensi energi yang dihasilkan dari reaksi fisi (pembelahan) inti uranium dan plutonium.
Gambar 1 : Reaksi pemisahan inti (reaksi fisi)
Atom uranium (U-235) (digambarkan dengan warna hitam merah di sebelah kiri)
memiliki inti yang tidak stabil ketika ada neutron (warna hitam di paling kiri) yang ditembakkan
pada inti atom tersebut, maka inti atom uranium akan membelah menjadi dua buah inti atom,
yakni atom Barium (Ba-141) dan atom Kripton (Kr-92) serta tiga neutron (warna hitam di
kanan). Jika ingat ama pelajaran kimia, silahkan cek nama-nama unsur tadi dalam sistem
periodik unsur. Massa atom sebelum pembelahan lebih besar dari pada massa atom setelah
pembelahan, maka selisih massa (disebut defek massa) tersebut berubah menjadi energi panas
yang besarnya sekitar 200 MeV (Mega elektron volt), ini baru satu buah inti atom. satu gram
uranium saja tentu memiliki banyak inti. Sehingga panas yang dihasilkan pun luar biasa besar
karena uranium bahan tambang, maka bentuknya juga padat.
4
Gambar 2 : Bahan tambang Uranium
Penemuan ini juga berasal dari coba-cobanya para ilmuan menembakkan neutron ke inti
untuk mendapatkan inti baru, namun pada bebarapa inti berat hal itu menyebabkan inti menjadi
pecah (terbagi) sekaligus melepaskan neutron lain yang konsekuensinya menimbulkan panas
disekitarnya. Panas ini kemudian di ambil dengan menempatkan reaksi tersebut didalam air, air
yang panas tadi dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin. untuk bagian turbinnya hampir sama
dengan pembangkit listrik tenaga uap. Namun selain panasnya yang diambil, neutron yang lepas
ini juga dimanfaatkan untuk banyak hal, seperti untuk mengukur dimensi dari suatu zat, untuk
memutasikan tumbuhan agar didapatkan bibit unggul dan lain sebagainya.
2. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)
Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir adalah sebuah pembangkit daya thermal yang
menggunakan satu atau beberapa reaktor nuklir sebagai sumber panasnya. Prinsip kerja sebuah
PLTN hampir sama dengan sebuah Pembangkilt Listrik Tenaga Uap, menggunakan uap
bertekanan tinggi untuk memutar turbin. Putaran turbin inilah yang diubah menjadi energi listrik.
Perbedaannya ialah sumber panas yang digunakan untuk menghasilkan panas. Sebuah PLTN
menggunakan Uranium sebagai sumber panasnya. Reaksi pembelahan (fisi) inti Uranium
menghasilkan energi panas yang sangat besar.
Daya sebuah PLTN berkisar antara 40 Mwe sampai mencapai 2000 MWe, dan untuk
PLTN yang dibangun pada tahun 2005 mempunyai sebaran daya dari 600 MWe sampai 1200
MWe. PLTN dikategorikan berdasarkan jenis reaktor yang digunakan. Namun pada beberapa
pembangkit yang memiliki beberapa unit reaktor yang terpisah memungkinkan untuk
menggunakan jenis reaktor yang berbahan bakar seperti Uranium dan Plutonium.
5
Hingga saat ini, terdapat 442 PLTN berlisensi di dunia dengan 441 diantaranya
beroperasi di 31 negara yang berbeda. Keseluruhan reaktor tersebut menyuplai 17% daya
listrik dunia.
Secara umum yang dimaksudkan dengan PLTN adalah pembangkit listrik tenaga
nuklir yang merupakan suatu kumpulan mesin yang dapat membangkitkan tenaga
listrik dengan memanfaatkan tenaga nuklir sebagai tenaga awalnya. Sebelum melanjutkan ke
prinsip kerja dari PLTN ini, ada baiknya penyusun terangkan sedikit tentang Proses Fisi
dan Fusi Nuklir.
- Fisi Nuklir
Proses fisi adalah proses utama pada reaktor nuklir terjadi ketika sebuah inti bermassa
berat. Pada reaksi fisi, inti senyawa yang terangsang terbelah menjadi dua inti massa yang
lebih rendah, disebut produk isi, dan produk ini disertai oleh dua atau tiga neutron dan
radiasi fisi gamma. Adapun tiga bahan bakar yang dapat berfisi antara lain : Uranium-
235 (U235), Uranium-233 (U233) dan Plutonium-239 (Pu239). Ketiga bahan bakar ini besifat
radioaktif tetapi mereka mempunyai massa paruh yang sangat lama.
- Fusi Nuklir
Proses fusi pada dasarnya adalah sebuah anti tesis dari proses fisi. Dalam proses fisi, inti
bermasa berat membelah menjadi inti bermasa ringan, sambil melepaskan kelebihan energi
pengikatan. Sedangkan pada reaksi fusi, inti bermasa ringan bergabung dalam rangka
melepaskan kelebihan energi pengikatan. Jadi reaksi fusi adalah reaksi umum yang
“meminyaki” matahari dan telah dipakai di bumi untuk melepaskan energi dalam jumlah
yang besar didalam termonuklir atau bom hydrogen.
Dalam fisika, fusi nuklir (reaksi termonuklir) adalah sebuah proses di mana dua inti
atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih besar dan melepaskan energi. Fusi
nuklir adalah sumber energi yang menyebabkan bintang bersinar, dan senjata nuklir
meledak. Proses ini membutuhkan energi yang besar untuk menggabungkan inti nuklir,
bahkan elemen yang paling ringan, hidrogen. Tetapi fusi inti atom yang ringan, yang
membentuk inti atom yang lebih berat dan netron bebas, akan menghasilkan energi yang lebih
besar lagi dari energi yang dibutuhkan untuk menggabungkan mereka maka sebuah reaksi
6
eksotermik yang dapat menciptakan reaksi yang terjadi sendirinya. Energi yang dilepas
di banyak reaksi nuklir lebih besar dari reaksi kimia, karena energi pengikat yang
mengelem kedua inti atom jauh lebih besar dari energi yang menahan elektron ke inti
atom. Contoh: energi ionisasi yang diperoleh dari penambahan elektron ke hidrogen
adalah 13.6 elektron volt lebih kecil satu per sejuta dari 17 MeV yang dilepas oleh reaksi
Deuterium Tritium (D-T) fusion seperti gambar di bawah ini.
Gambar 3 : Reaksi D-T Fusion
B. Komponen PLTN
Gambar 4. Komponen Utama Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)
7
Komponen utama dari Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) yaitu :
1. Bahan bakar nuklir
Bahan bakar adalah komponen utama dalam memegang peranan penting untuk
berlangsungnya reaksi nuklir. Bahan bakar yang umum dipakai adalah unsur berat fissil
yang dapat menghasilkan reaksi nuklir berantai di dalam reaktor nuklir. Bahan bakar
dibuat dari isotop alam seperti Uranium dan thorium yang mempunyai sifat dapat
membelah apabila bereaksi dengan neutron.
2. Moderator
Fungsi moderator adalah untuk memperlambat laju neutron cepat (moderasi) yang
dihasilkan dari reaksi inti hingga mencapai kecepatan neutron termal dan untuk
memperbesar kemungkinan terjadinya reaksi nuklir selanjutnya (reaksi berantai). Syarat
bahan moderator adalah atom dengan nomor massa kecil, amun demikian syarat lain
yang harus dipenuhi adalah memiliki tampang lintang serapan neutron (keboleh-jadian
menyerap neutron) yang kecil, memiliki tampang lintang hamburan yang besar dan
memiliki daya hantaran panas yang baik, serta korosif. Contoh bahan moderator: H2O,
D2O, Grafit, Berilium (Be), dan lain-lain.
3. Bahan Pendingin
Pendingin reaktor berfungsi sebagai sarana pengambilan panas hasil fisi dalam
elemen bakar untuk dipindahkan/dibuang ketempat lain/lingkungan melalui penukar
panas (H.E). Sesuai fungsinya maka bahan yang baik sebagai pendingin adalah fluida
yang koefisien perpindahan panasnya sangat bagus. Persyaratan lain yang harus dipenuhi
agar tidak terganggu kelancaran reaksi proses fisi pada elemen bakar adalah pendingin,
pendingin juga harus memiliki tampang lintang serapan neutron yang kecil, dan tampang
lintang hamburan yang besar serta tidak korosif. Contoh fluida-fluida yang biasa dipakai
sebagai pendingin adalah H2O, D2O, Na cair, gas He dan lain-lain.
4. Perangkat Batang Kendali
Batang kendali berfungsi sebagai pengendali jalannya operasi reactor agar laju
pembelahan neutron di teras reactor dapat diatur sesuai dengan kondisi operasi yang
8
dikehendaki. Selain itu batang kendali juga berfungsi untuk memadamkan reactor atau
menghentikan reaksi pembelahan. Sesuai dengan fungsinya, bahan batang kendali adalah
material yang mempunyai tampang lintang serapan neutron yang sangat besar, dan
tampang hamburan yang kecil. Bahan-bahan yang sering dipakai adalah: boron,
cadmium, godalinium, dan lain-lain. Bahan-bahan tersebut biasanya dicampung dengan
bahan lain agar diperoleh sifat yang tahan radiasi, titk leleh yang tinggi dan tidak korosif.
Gambar 5. Bentuk Nyata dari Batang Kendali
5. Tangki Reaktor
Tangki bisa berupa tabung atau bola yang dibuat dari logam campuran dengan
ketebalan sekitar 25 cm. Fungsi dari tangki adalah sebagai wadah untuk menempatkan
komponen-komponen reaktor lainnya dan sebagai tempat berlangsungnya reaksi nuklir.
tangki yang tebal juga berfungsi sebagai penahan radiasi agar tidak keluar dari sistem
reaktor.
6. Teras Reaktor
Teras reaktor yaitu komponen reaktor yang berfungsi sebagai tempat untuk bahan
bakar. Teras reaktor dibuat berlubang (kolom) untuk menempatkan bahan bakar reaktor
yang berbentuk batang. Teras reactor dibuat dari bahan logam yang tahan panas dan
tahan korosi.
9
7. Perangkat Reaktor
Detektor adalah komponen penunjang yang mutlak diperlukan dalam reaktor nuklir.
Semua informasi tentang kejadian fisis di dalam teras reaktor, yang meliputi popularitas
neutron, laju pembelahan, suhu dan lain-lain, hanya dapat dilihat melalui detektor yang
dipasang di dalam teras reaktor.
8. Reflektor
Neutron yang keluar dari pembelahan bahan fisil, berjalan dengan kecepatan tinggi ke
segala arah, karena sifatnya yang tidak bermuatan listrik maka gerakannya bebas
menembus medium dan tidak berkurang bila tidak menumbuk suatu inti atom medium.
Karena sifatnya tersebut, sebagian neutron tersebut dapat lolos keluar teras reaktor dan
hilang dari sistem. Keadaan ini secara ekonomi berarti kerugian karena neutron tersebut
tidak dapat digunakan untuk proses fisi berikutnya. Untuk mengurangi kejadian ini, maka
di sekeliling teras reaktor dipasang bahan pemantul neutron yang disebut reflektor,
sehingga neutron-neutron yang lolos akan bertahan dan dikembalikan ke dalam teras
reactor untuk dimanfaatkan lagi pada proses fisi berikutnya. Bahan-bahan reflektor yang
baik adalah unsur-unsur yang mempunyai tampang lintang hamburan neutron yang besar,
dan tampang lintang serapan yang sekecil mungkin serta tidak korosif. Bahan-bahan yang
sering digunakan antara lain:berilium, grafit, paraffin, air, D2O.
C. Jenis-jenis Reaktor Nuklir
Teknologi PLTN dirancang agar energi nuklir yang terlepas dari proses fisi dapat
dimanfaatkan sebagai sumber energi dalam kehidupan sehari-hari. PLTN merupakan
sebuah sistim yang dalam operasinya menggunakan reaktor daya yang berperan sebagai
tungku penghasil panas. Dewasa ini ada berbagai jenis PLTN yang beroperasi. Perbedaan
tersebut ditandai dengan perbedaan tipe reaktor daya yang digunakannya. Masing-masing
jenis PLTN / tipe reaktor daya umumnya dikembangkan oleh negara-negara tertentu,
sehingga seringkali suatu jenis PLTN sangat menonjol dalam suatu negara, tetapi tidak
dioperasikan oleh negara lain. Perbedaan berbagai tipe reaktor daya itu bisa terletak
pada penggunaan bahan bakar, moderator, jenis pendinging serta perbedaan-perbedaan
lainnya.
10
Perbedaan jenis reaktor daya yang dikembangkan antara satu negara dengan negara
lain juga dipengaruhi oleh tingkat penguasaan teknologi yang terkait dengan nuklir oleh
masing-masing negara. Pada awal pengembangan PLTN pada tahun 1950-an, pengayaan
uranium baru bisa dilakukan oleh Amerika Serikat dan Rusia, sehingga kedua negara
tersebut pada saat itu sudah mulai mengembangkan reaktor daya berbahan bakar uranium
diperkaya. Sementara itu di Kanada, Perancis dan Inggris pada saat itu dipusatkan
pada program pengembangan reaktor daya berbahan bakar uranium alam. Oleh sebab itu,
PLTN yang pertama kali beroperasi di ketiga negara tersebut menggunakan reaktor
berbahan bakar uranium alam. Namun dalam perkembangan berikutnya, terutama Inggris dan
Perancis juga mengoperasikan PLTN berbahan bakar uranium diperkaya.
Macam-Macam Reaktor Nuklir :
a. LWR : Light Water Reactor / Reaktor air Ringan.
PWR : Presured Water Reactor / Reaktor Air Tekan.
BWR : Boiling Water Reactor / Reaktor Air Mendidih.
b. HWR : Heavy Water Reactor / Reaktor Air Berat.
c. HTGR : High Temperatur Gas Reactor / Reaktor Gas Suhu Tinggi.
d. LMFBR : Liquit Metal Fast Breder Reactor / Reaktor Pembiak Cepat Logam Cair.
e. GCFBR : Gas Coold Fast Breder Reactor / Reaktor Pembiak Cepat Pendingin Gas.
f. LWBR : Light Water Breder Reactor / Reaktor Pembiak Air Ringan.
g. SGHWR : Steam Generating Heavy Water Reactor / Reaktor Air Berat Generator Uap.
h. MSBR : Molten Salt Breder Reactor / Reaktor Pembiak Garam Meleleh.
Berikut ini adalah beberapa keterangan yang akan menjelaskan tentang jenis-jenis dari
reaktor nuklir, antara lain :
1. LWR (Light Water Reactor) / Reaktor air Ringan
Sebagian besar reaktor daya yang beroperasi dewasa ini adalah jenis Reaktor Air
Ringan atau LWR (Light Water Reactor) yang mula-mula dikembangkan di AS dan
Rusia. Disebut Reaktor Air Ringan karena H2O kemurnian tinggi sebagai bahan
moderator sekaligus pendingin reaktor. Reaktor ini terdiri atas Reaktor Air tekan
11
atau PWR (Pressurized Water Reactor) dan Reaktor Air Didih atau BWR (Boiling Water
Reactor) dengan jumlah yang dioperasikan masing-masing mencapai 52 % dan 21,5 % dari
total reaktor daya yang beroperasi. Sedang sisanya sebesar 26,5 % terdiri atas berbagai type
reaktor daya lainnya.
a. PWR (Presured Water Reactor) / Reaktor Air Tekan
Reaktor Air Tekan juga menggunakan H2O sebagai pendingin sekaligus
moderator. Bedanya dengan Reaktor Air Didih adalah penggunaan dua macam
pendingin, yaitu pendingin primer dan sekunder. Panas yang dihasilkan dari reaksi
fisi dipakai untuk memanaskan air pendingin primer. Dalam reaktor ini dilengkapi
dengan alat pengontrol tekanan (pessurizer) yang dipakai untuk mempertahankan
tekanan sistim pendingin primer. Pada pendigin primer memakai air dan dipanaskan
inti sampai 600˚F tetapi air ini tidak mendidih karena berada didalam bejana yang
bertekanan tinggi (sebesar 2250 psi). Air in dimasukkan kedalam pembangkit uap (satu
atau dua) dengan tekanan 1000 psi, dan suhu 500˚F. Setelah melalui turbin uap
dikembalikan ke kondensor.
Sistim pressurizer terdiri atas sebuah tangki yang dilengkapi dengan pemanas
listrik dan penyemprot air. Jika tekanan dalam teras reaktor berkurang,
pemanas listrik akan memanaskan air yang terdapat di dalam tangki pressurizer
sehingga terbentuklah uap tambahan yang akan menaikkan tekanan dalam sistim
pendingin primer. Sebaliknya apabila tekanan dalam sistim pendingin primer
bertambah, maka sistim penyemprot air akan mengembunkan sebagian uap
sehingga tekanan uap berkurang dan sistim pendingin primer akan kembali ke
keadaan semula. Tekanan pada sistim pendingin primer dipertahankan pada posisi
150 Atm untuk mencegah agar air pendingin primer tidak mendidih pada suhu
sekitar 300 ºC. Pada tekanan udara normal, air akan mendidih dan menguap pada
suhu 100 ºC.
Dalam proses kerjanya, air pendingin primer dialirkan ke sistim
pembangkit uap sehingga terjadi pertukaran panas antara sistim pendingin primer
dan sistim pendingin sekunder. Dalam hal ini antara kedua pendingin tersebut hanya
terjadi pertukaran panas tanpa terjadi kontak atau percampuran, karena antara kedua
12
pendingin itu dipisahkan oleh sistim pipa. Terjadinya pertukaran panas
menyebabkan air pendingin sekunder menguap. Tekanan pada sistim pendingin
sekunder dipertahankan pada tekanan udara normal sehingga air dapat menguap
pada suhu 100 ºC. Uap yang terbentuk di dalam sistim pembangkit uap ini selanjutnya
dialirkan untuk memutar turbin.
Pada Reaktor Air Tekan perputaran sistim pendingin primernya betul-betul
tertutup, sehingga apabila terjadi kebocoran bahan radioaktif di dalam teras reaktor
tidak akan menyebabkan kontaminasi pada turbin. Reaktor Air Tekan juga mempunyai
keandalan operasi dan keselamatan yang sangat baik. Salah satu faktor penunjangnya
adalah karena reaktor ini mempunyai koefisien reaktivitas negatif. Apabila terjadi
kenaikan suhu dalam teras reaktor secara mendadak, maka daya reaktor akan segera
turun dengan sendirinya. Namun karena menggunakan dua sistim pendingin, maka
efisiensi thermalnya sedikit lebih rendah dibandingkan dengan Reaktor Air Didih.
13
Gambar 6. Diagram Alir Reaktor Air Tekan
b. BWR (Boiling Water Reactor) / Reaktor Air Mendidih
Reaktor jenis ini menggunakan air biasa (H2O) sebagai moderator maupun
pendinginnya, sehingga termasuk kelompok reaktor air biasa / ringan. Pada reaktor air
didih ini, panas hasil fisi dipakai secara langsung untuk menguapkan air pendingin
dan uap yang terbentuk langsung dipakai untuk memutar turbin. Turbin tekanan
tinggi menerima uap pada suhu sekitar 290 ºC dan tekanan sebesar 7,2 MPa. Sebagian
uap diteruskan lagi ke turbin tekanan rendah. Dengan sistim ini dapat diperoleh
efisiensi thermal sebesar 34 %. Efisiensi thermal ini menunjukkan prosentase
panas hasil fisi yang dapat dikonversikan menjadi energi listrik. Setelah melalui
turbin, uap tersebut akan mengalami proses pendinginan sehingga berubah menjadi air
yang langsung dialirkan ke teras reaktor untuk diuapkan lagi dan seterusnya. Dalam
reaktor ini digunakan bahan bakar U235 dengan tingkat pengayaannya 3-4 % dalam
bentuk UO2.
14
Gambar 7. Diagram Alir Reaktor Air Didih
2. HWR (Heavy Water Reactor) / Reaktor Air Berat
Reaktor ini mempergunakan air berat (D2O, D = Deuterium sebagai moderatornya.
Jenis reaktor ini sering disebut CANDU (Canada Deuterium Uranium) dan
dikembangkan oleh Atomic Energi Commission dari Kanada. Bilamana pada reaktor
air biasa moderator (H2O) berada dalam sebuah bejana, pada reaktor ini moderatornya
(D2O) berada didalam pipa-pipa tekanan yang besar (calandria). Selanjutnya dapat
pula dikemukakan, bahwa sebuah reaktor air berat uranium dioksida alam (UO2) dapat
dipakai sebagai bahan bakar. Reaktor ini menggunakan bahan bakar uranium alam
sehingga harus digunakan air berat yang penampang lintang serapannya terhadap
neutron sangat kecil. Seperti halnya Reaktor Air tekan, Reaktor CANDU juga
mempunyai sistim pendingin primer dan sekunder, pembangkit uap dan pengontrol
tekanan untuk mempertahankan tekanan tinggi pada sistim pendingin primer. D2O dalam
reaktor CANDU hanya dimanfaatkan sebagai sistim pendingin primer, sedang
sistim pendingin sekundernya menggunakan H2O.
Dalam pengoperasian reaktor CANDU, kemurnian D2O harus dijaga pada tingkat
95-99,8 %. Air berat merupakan bahan yang harganya sangat mahal dan secara fisik
maupun kimia tidak dapat dibedakan secara langsung dengan H2O. Oleh sebab itu,
perlu adanya usaha penanggulangan kebocoran D2O baik dalam bentuk uap maupun
cairan. Aliran ventilasi dari ruangan dilakukan secara tertutup dan selalu dipantau tingkat
15
kebasahannya, sehingga kemungkinan adanya kebocoran D2O dapat diketahui secara dini.
Gambar 8. Diagram Alir Reaktor Air Berat
3. HTGR (High Temperatur Gas Reactor) / Reaktor Gas Suhu Tinggi
Reaktor Gas Suhu Tinggi adalah jenis reaktor yang menggunakan pendingin
gas helium (He) dan moderator grafit. Reaktor ini mampu menghasilkan panas
hingga 750 ºC dengan efisiensi thermalnya sekitar 40 %. Panas yang dibangkitkan
dalam teras reaktor dipindahkan menggunakan pendingin He (sistim primer) ke
pembangkit uap. Dalam pembangkit uap ini panas akan diserap oleh sistim uap air
umpan (sistim sekunder) dan uap yang dihasilkannya dialirkan ke turbin. Dalam
reaktor ini juga ada sistim pemisah antara sistim pendingin primer yang radioaktif
dan sistim pendingin sekunder yang tidak radioaktif. Elemen bahan bakar yang
digunakan dalam Reaktor Gas Suhu Tinggi berbentuk bola, tiap elemen mengandung
192 gram carbon, 0,96 gram U235 dan 10,2 gram Th232 yang dapat dibiakkan menjadi
bahan bakar baru U233. Proses fisi dalam teras reaktor mampu memanaskan gas He
hingga mencapai suhu 750 ˚C. Setelah terjadi pertukaran panas dengan sistim sekunder,
suhu gas He akan turun menjadi 250 ºC. Gas He selanjutnya dipompakan lagi ke
teras reaktor untuk mengambil panas fisi, demikian seterusnya. Dalam operasi normal,
reaktor ini membutuhkan bahan bakar bola berdiameter 60 mm sebanyak ± 675.000
16
butir yang diletakkan di dalam teras reaktor. Rata-rata setiap butir bahan bakar tinggal di
dalam teras selama enam bulan pada operasi beban penuh.
Gambar 9. Diagram Alir Reaktor Gas Suhu Tinggi
4. LMFBR (Liquit Metal Fast Breder Reactor) / Reaktor Pembiak Cepat Logam Cair.
Selain yang telah dipaparkan diatas reaktor juga ada yang berupa reaktor pembiak cepat
logam cair (LMFBR). Sistem dari reaktor ini adalah sejenis reaktor cepat pendingin
sodium dan programnya disempurnakan beberapa kali. Reaktor ini adalah prototip daya
975-MWth (375 MWe) dan berguna untuk persediaan listrik bagi kisi TVA. Dalam
sistem ini, seperti halnya dalam setiap reaktor daya pendingin-sodium, energi fisi di
transfer ke sodium primer, dari sodium primer kesodium di dalam loop sekunder
didalam penukar gas menengah (IHX), dan akhirnya ke sistem uap air.
17
D. Prinsip Kerja PLTN
Gambar 10. Prinsip kerja sederhana PLTN
Prinsip kerja PLTN, pada dasarnya sama dengan pembangkit listrik konvensional, yaitu air
diuapkan di dalam suatu ketel melalui pembakaran. Uap yang dihasilkan dialirkan ke turbin yang
18
akan bergerak apabila ada tekanan uap. Perputaran turbin digunakan untuk menggerakkan
generator, sehingga menghasilkan tenaga listrik. Perbedaannya pada pembangkit listrik
konvensional bahan bakar untuk menghasilkan panas menggunakan bahan bakar fosil seperti
batubara, minyak dan gas. Sisa pembakaran tersebut akan ter-emisikan ke udara dan berpotensi
mencemari lingkungan hidup, yang bisa menimbulkan hujan asam dan peningkatan suhu global.
Sedangkan pada PLTN panas yang digunakan untuk menghasilkan uap yang sama,
dihasilkan dari reaksi pembelahan inti bahan fisil (uranium) dalam reaktor nuklir. Sebagai
pemindah panas biasa digunakan air yang disirkulasikan secara terus menerus selama PLTN
beroperasi. Proses pembangkit yang menggunakan bahan bakar uranium ini tidak melepaskan
partikel seperti CO2, SO2, atau NOx, juga tidak mengeluarkan asap atau debu yang mengandung
logam berat yang dilepas ke lingkungan. Oleh karena itu PLTN merupakan pembangkit listrik
yang ramah lingkungan. Limbah radioaktif yang dihasilkan dari pengoperasian PLTN berupa
elemen bakar bekas dalam bentuk padat. Elemen bakar bekas ini untuk sementara bisa disimpan
di lokasi PLTN, sebelum dilakukan penyimpanan secara lestari.
Panas yang digunakan untuk membangkitkan uap diproduksi sebagai hasil dari
pembelahan inti atom yang dapat diuraikan sebagai berikut : Apabila satu neutron (dihasilkan
dari sumber neutron) tertangkap oleh satu inti atom uranium-235, inti atom ini akan terbelah
menjadi 2 atau 3 bagian/fragmen. Sebagian dari energi yang semula mengikat fragmen-fragmen
tersebut masing - masing dalam bentuk energi kinetik, sehingga mereka dapat bergerak dengan
kecepatan tinggi. Oleh karena fragmen-fragmen itu berada di dalam struktur kristal uranium,
mereka tidak dapat bergerak jauh dan gerakannya segera diperlambat. Dalam proses perlambatan
ini energi kinetik diubah menjadi panas (energi thermal). Sebagai gambaran dapat dikemukakan
bahwa energi thermal yang dihasilkan dari reaksi pembelahan 1 kg uranium-235 murni besarnya
adalah 17 milyar kilo kalori, atau setara dengan energi thermal yang dihasilkan dari pembakaran
2,4 juta kg (2400 ton) batubara. Selain fragmen-fragmen tersebut reaksi pembelahan
menghasilkan pula 2 atau 3 neutron yang dilepaskan dengan kecepatan lebih besar dari 10.000
km per detik. Neutron-neutron ini disebut neutron cepat yang mampu bergerak bebas tanpa
dirintangi oleh atom-atom uranium atau atom-atom kelongsongnya. Agar mudah ditangkap oleh
inti atom uranium guna menghasilkan reaksi pembelahan, kecepatan neutron ini harus
diperlambat. Zat yang dapat memperlambat kecepatan neutron disebut moderator.
19
Seperti telah disebutkan di atas, panas yang dihasilkan dari reaksi pembelahan, oleh air
yang bertekanan 160 atmosfir dan suhu 3000 C secara terus menerus dipompakan ke dalam
reaktor melalui saluran pendingin reaktor. Air bersirkulasi dalam saluran pendingin ini tidak
hanya berfungsi sebagai pendingin saja melainkan juga bertindak sebagai moderator, yaitu
sebagai medium yang dapat memperlambat neutron. Neutron cepat akan kehilangan sebagian
energinya selama menumbuk atom-atom hidrogen. Setelah kecepatan neutron turun sampai 2000
m per detik atau sama dengan kecepatan molekul gas pada suhu 3000 C, barulah ia mampu
membelah inti atom uranium-235. Neutron yang telah diperlambat disebut neutron thermal.
Untuk mendapatkan keluaran thermal yang mantap, perlu dijamin agar banyaknya reaksi
pembelahan inti yang terjadi dalam teras reaktor dipertahankan pada tingkat tetap, yaitu 2 atau 3
neutron yang dihasilkan dalam reaksi itu hanya satu yang dapat meneruskan reaksi pembelahan.
Neutron lainnya dapat lolos keluar reaktor, atau terserap oleh bahan lainnya tanpa menimbulkan
reaksi pembelahan atau diserap oleh batang kendali. Batang kendali dibuat dari bahan-bahan
yang dapat menyerap neutron, sehingga jumlah neutron yang menyebabkan reaksi pembelahan
dapat dikendalikan dengan mengatur keluar atau masuknya batang kendali ke dalam teras
reaktor..
Fragmen-fragmen yang diproduksi selama reaksi pembelahan inti disebut hasil belahan,
yang kebanyakan berupa atom-atom radioaktif seperti xenon-133, kripton-85 dan iodium- 131.
Zat radioaktif ini meluruh menjadi atom lain dengan memancarkan radiasi alpha, beta, gamma
atau neutron. Selama proses peluruhan, radiasi yang dipancarkan dapat diserap oleh bahan-bahan
lain yang berada di dalam reaktor, sehingga energi yang dilepaskan berubah menjadi panas.
Panas ini disebut panas peluruhan yang akan terus diproduksi walaupun reaktor berhenti
beroperasi. Oleh karena itu reaktor dilengkapi dengan suatu sistem pembuangan panas
peluruhan. Selain hasil belahan, dalam reaktor dihasilkan pula bahan radioaktif lain sebagai hasil
aktivitas neutron. Bahan radioaktif ini terjadi karena bahan-bahan lain yang berada di dalam
reaktor (seperti kelongsongan atau bahan struktur) menangkap neutron sehingga berubah
menjadi unsur lain yang bersifat radioaktif. Radioaktif adalah sumber utama timbulnya bahaya
dari suatu PLTN, oleh karena itu semua sistem pengamanan PLTN ditujukan untuk mencegah
atau menghalangi terlepasnya zatradioaktif ke lingkungan dengan aktivitas yang melampaui nilai
batas ambang yang diizinkan menurut peraturan yang berlaku.
20
E. Energi yang Dihasilkan PLTN
Energi Nuklir
Di dalam inti atom tersimpan tenaga inti (nuklir) yang luar biasa besarnya.
Tenaga nuklir itu hanya dapat dikeluarkan melalui proses pembakaran bahan bakar
nuklir. Proses ini sangat berbeda dengan pembakaran kimia biasa yang umumnya sudah
dikenal, seperti pembakaran kayu, minyak dan batubara. Besar energi yang tersimpan
(E) di dalam inti atom adalah seperti dirumuskan dalam kesetaraan massa dan energi
oleh Albert Einstein :
E = m C
Dimana
m : massa bahan (kg)
C : kecepatan cahaya (3 x 108 m/s).
Energi nuklir berasal dari perubahan sebagian massa inti dan keluar dalam
bentuk panas. Dilihat dari proses berlangsungnya, ada dua jenis reaksi nuklir, yaitu
reaksi nuklir berantai tak terkendali dan reaksi nuklir berantai terkendali. Reaksi nuklir
tak terkendali terjadi misal pada ledakan bom nuklir. Dalam peristiwa ini reaksi nuklir
sengaja tidak dikendalikan agar dihasilkan panas yang luar biasa besarnya sehingga
ledakan bom memiliki daya rusak yang maksimal. Agar reaksi nuklir yang terjadi dapat
dikendalikan secara aman dan energi yang dibebaskan dari reaksi nuklir tersebut dapat
dimanfaatkan, maka manusia berusaha untuk membuat suatu sarana reaksi yang
dikenal sebagai reaktor nuklir. Jadi reaktor nuklir sebetulnya hanyalah tempat dimana
reaksi nuklir berantai terkendali dapat dilangsungkan. Reaksi berantai di dalam reaktor
nuklir ini tentu sangat berbeda dengan reaksi berantai pada ledakan bom nuklir.
Untuk mendapatkan gambaran tentang besarnya energi yang dapat
dilepaskan oleh reaksi nuklir, berikut ini diberikan contoh perhitungan sederhana. Ambil 1
g (0,001 kg) bahan bakar nuklir 235U. Jumlah atom di dalam bahan bakar ini adalah :
N = (1/235) x 6,02 x 1023 = 25,6 x 1020 atom 235U.
Setiap proses fisi bahan bakar nuklir 235U disertai dengan pelepasan energi sebesar
200 MeV, maka 1 g 235U yang melakukan reaksi fisi sempurna dapat melepaskan energi
sebesar :
21
E = 25,6 x 1020 (atom) x 200 (MeV/atom) = 51,2 x 1022 MeV
Jika energi tersebut dinyatakan dengan satuan Joule (J), di mana 1 MeV = 1.6 x 10-13 J,
maka energi yang dilepaskan menjadi :
E = 51,2 x 1022 (MeV) x 1,6 x 10-13 (J/MeV) = 81,92 x 109 J
Dengan menganggap hanya 30 % dari energi itu dapat diubah menjadi energi listrik, maka
energi listrik yang dapat diperoleh dari 1 g 235U adalah :
Elistrik = (30/100) x 81,92 x 109 J = 24,58 x 109 J
Karena 1J = 1 W.s ( E = P.t), maka peralatan elektronik seperti pesawat TV dengan daya (P)
100 W dapat dipenuhi kebutuhan listriknya oleh 1 g 235U selama : t = Elistrik / P = 24,58 x
109 (J) / 100 (W) = 24,58 x 107 s Angka 24,58 x 107 sekon (detik) sama lamanya dengan
7,78 tahun terus-menerus tanpa dimatikan. Jika diasumsikan pesawat TV tersebut hanya
dinyalakan selama 12 jam/hari, maka energi listrik dari 1 g 235U bisa dipakai untuk
mensuplai kebutuhan listrik pesawat TV selama lebih dari 15 tahun.
F. Keuntungan dan Kerugian PLTN
Keuntungan PLTN dibandingkan dengan pembangkit daya utama lainnya adalah :
1. Tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca (selama operasi normal) - gas rumah
kacahanya dikeluarkan ketika Generator Diesel Darurat dinyalakan dan hanya
sedikitmenghasilkan gas).
2. Tidak mencemari udara - tidak menghasilkan gas-gas berbahaya sepert karbon
monoksida, sulfur dioksida, aerosol, mercury, nitrogen oksida, partikulate atau asap
fotokimia.
3. Sedikit menghasilkan limbah padat (selama operasi normal).
4. Biaya bahan bakar rendah - hanya sedikit bahan bakar yang diperlukan.
5. Ketersedian bahan bakar yang melimpah - sekali lagi, karena sangat sedikit bahanbakar
yang diperlukan.
6. Baterai nuklir - (lihat SSTAR).
22
Berikut ini berberapa hal yang menjadi kekurangan PLTN :
1. Risiko kecelakaan nuklir - kecelakaan nuklir terbesar adalah kecelakaan Chernobyl(yang
tidak mempunyai containment building).
2. Limbah nuklir - limbah radioaktif tingkat tinggi yang dihasilkan dapat bertahan hingga
ribuan tahun.
23
BAB 3
PENUTUP
A. Simpulan
1. Energi nuklir telah banyak digunakan sebagai pembangkit listrik atau sumber energi
listrik di berbagai Negara maju.
2. Prinsip kerja PLTN hampir sama dengan PLTU konvensional yang membedakan adalah
sumber panas yang dihasilkan PLTN berasal dari reaksi pembelahan inti yang terjadi
dalam reactor nuklir.
3. Mengingat energi fosil adalah bersumber dari sumberdaya alam yang tergolong tidak
dapat diperbarui (non-renewable resources), dapat dimusnahkan (extinguishable
resources), berdampak terhadap rumah kaca (kecuali gas), maka sudah saatnya perlu
dipertimbangkan penggunaan energi nuklir di Indonesia terlebih lagi penguasaan energi
nuklir di Indonesia sejak 1950-an.
4. Terdapat berbagai jenis PLTN yang beroperasi, jenis tersebut berdasarkan perbedaan tipe
reactor daya yang digunakan. Sedangkan perbedaan berbagai tipe reaktor daya itu
bisa terletak pada penggunaan bahan bakar, moderator, jenis pendinging serta
perbedaan-perbedaan lainnya.
5. PLTN memiliki keuntungan dan kerugian dalam pelaksanaannya, diantara beberapa
keuntungan salah satunya adalah Tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca (selama
operasi normal) gas rumah kaca hanya dikeluarkan ketika Generator Diesel Darurat
dinyalakan dan hanya sedikit menghasilkan gas. Dan salah satu kerugiannya adalah
Risiko kecelakaan nuklir - kecelakaan nuklir terbesar adalah kecelakaan Chernobyl (yang
tidak mempunyai containment building).
24
DAFTAR PUSTAKA
Angga Setia, Giri. 2011. DASAR TEKNIK TENAGA LISTRIK “PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA NUKLIR”. Fakultas Sains Dan Teknik. Universitas Jenderal Soedirman:
Purwokerto.
BATAN, Pengenalan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Jurnal ATOMOS No.ISSN
0215-0611. Media Informasi Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir: Pusat Diseminasi
Iptek Nuklir-BATAN.
L.A. Titi, Yopiter. PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR (PLTN) DAN JENIS-JENIS
REAKTOR PLTN. Pasca Sarjana Fisika FMIPA. Institut Teknologi Sepuluh November:
Surabaya.
Eko Afiatno, Bambang. 2005. Pembangunan PLTN-Desalinasi di Madura sebagai Alternatif
Pasokan Energi Listrik. Kertas Kerja ISEID. http:www.truelia.files.wordpress.com
/2011/03/pltn-di-indonesia.pdf. (Diakses pada 29 Desember 2014 pukul 16.00 WIB).