Lk 4 Fisika Modern Inti Atom Dan Radioaktivitas Kelas Profesional

Lk 4 Fisika Modern Inti Atom Dan Radioaktivitas Kelas Profesional Fisika

NAMA MODUL : Fisika Modern
NAMA SESI : Inti Atom dan Radioaktivitas

Tujuan :

  1. Menjelaskan tentang gaya ikat inti dan defek massa
  2. Menghitung besar defek massa dan energi ikat inti
  3. Menjelaskan peluruhan alfa, beta, dan gamma
  4. Menjelaskan sifat sinar beta, alfa, dan gamma
  5. Menghitung aktifitas radioaktif, waktu paruh suatu unsur, dan besar energi yang dihasilkan pada reaksi inti
  6. Menjelaskan manfaat dari radioaktif

Soal

  1. Jelaskan mengapa sinar radioaktif dapat kita gunakan untuk mengukur ketebalan plat !
  2. Analisa persyaratan ketebalan minimal dinding reaktor sangat diperlukan!
  3. Jelaskan tentang reaktor nuklir terdapat bagian yang disebut dengan moderator hal tersebut berdasarkan teori reaksi berantai !
  4. Jelaskan manfaat radioaktif sesuai teori !
  5. Jelaskan tentang reaksi yang terjadi pada bom atom !

Tuliskan jawaban Saudara pada tempat yang telah disediakan di bawah ini.

Jawaban:

  1. Ketebalan produk yang berupa lembaran, seperti kertas film atau lempeng logam dapat diukur dengan teknik radiasi. Prinsipnya berdasarkan sifat bahwa semakin tebal bahan yang dilalui radiasi, maka intensitas radiasi yang diteruskan makin berkurang, atau dapat dikatakan bahwa intensitas radiasi yang diteruskan bergantung pada ketebalan bahan yang dilalui.
    Sistem pencacah digunakan untuk mengukur kuantitas (jumlah) radiasi yang mengenai detektor. Salah satu contoh penggunaan sistem pencacah adalah pada aplikasi pengukuran tebal kertas, plastik, atau bahkan lapisan logam. Tentu saja untuk setiap jenis bahan diperlukan pengaturan jenis sumber radiasi dan detektor yang berbeda.Gambar Skema Bom HidrogenPengukuran radiasi dilakukan untuk mengetahui kuantitas suatu sumber radiasi. Pada dasarnya yang diukur oleh sistem adalah intensitas radiasi yang memasuki detektor. Radiasi yang memasuki detektor dengan itensitas tertentu akan diproses di dalam detektor serta peralatan penunjangnya, sehingga menghasilkan suatu nilai pengukuran.
  2. Tangki reaktor merupakan komponen utama dalam reaktor nuklir yang berfungsi sebagai wadah komponen reaktor lainnya dan tempat berlangsungnya reaksi nuklir. Tangki/bejana reaktor, bisa berupa tabung (silinder) atau bola yang dibuat dari baja dengan ketebalan sekitar 25 cm (International Atomic Energy Agency, IAEA). Tangki berdinding tebal ini untuk mampu menahan tegangan (stress) akibat beban termal dan mekanik yang ditimbulkan oleh temperatur dan tekanan operasi. Selain itu, juga berfungsi sebagai penahan radiasi agar tidak keluar dari sistem reaktor. Hal ini dikarenakan sifat sinar radioaktif yang memiliki kemampuan/daya tembus pada logam yang cukup kuat.
  3. Moderator, fungsinya untuk memperlambat laju neutron cepat (moderasi) yang dihasilkan dari reaksi fisi, hingga mencapai kecepatan neutron thermal untuk memperbesar kemungkinan terjadinya reaksi nuklir selanjutnya (reaksi berantai). Kalau tidak diperlambat, neutron melaju terlalu cepat (sekitar 40 juta mil per jam) dan sebagian besarnya melewati atom uranium-235 begitu saja, tidak mampu membelah, lalu hilang.Elemen bahan bakar menyediakan sumber inti atom yang akan mengalami fusi nuklir. Bahan yang biasa digunakan sebagai bahan bakar adalah uranium. Elemen bahan bakar dapat berbentuk batang yang ditempatkan di dalam teras reaktor. Neutron-neutron yang dihasilkan dalam reaksi fisi uranium mempunyai energi kinetik yang relatif sangat tinggi (sekitar 2 MeV) dengan kecepatan yang sangat tinggi.Sedagkan neutron yang mudah membelah inti adalah netron lambat. 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 adalah:a). Pada tiap tumbukan terdapat kehilangan energi neutron yang besar.
    b). Penampang penyerapan yang rendah.
    c). 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 yang diperkaya sebagai bahan bakar. Bahan-bahan lain yang dipergunakan sebagai moderator adalah D20, grafit, berillium dan berillium oksida.
  4. Pemeriksaan kebocoran pipa/tangki pada kilang minyak dilakukan dengan perunut (tracing) radioisotop. Pemeriksaan ini dapat dilakukan langsung dari permukaan tanah di atas pipa atau di luar tangki, tanpa perlu dilakukan penggalian atau masuk dalam tangki. Metode pemeriksaan yang dilakukan adalah dengan menginjeksikan perunut radioisotop (radioisotop Na-24 dalam bentuk garam NaCl atau Na2CO3) ke dalam aliran/tangki kilang minyak. Pergerakan radioisotop tersebut di dalam pipa atau tangki dapat diikuti dari atas tanah atau dari luar tangki menggunakan pemantau radiasi (alat pencacah radioaktif Geiger counter). Tempat yang memberikan hasil cacahan radiasi yang tinggi/berlebihan mengindikasikan bahwa telah terjadi kebocoran di tempat tersebut.

Bom atom pertama kali diledakkan di Hiroshima pada tanggal 6 Agustus 1945. Bom yang berjulukan “Little Boy” ini berisi uranium. Tiga hari kemudian, yaitu tanggal 9 Agustus 1945, bom atom kedua diledakkan di Nagasaki. Berbeda dengan Little Boy, bom berjulukan “Fat Man” ini berisi plutonium. Prinsip kerja dari kedua bom ini adalah pembebasan energi secara cepat dari reaksi fisi (pembelahan inti atom).

Gambar Skema Little Boy
Gambar Skema Little Boy

 

 Gambar Skema Fat Man
Gambar Skema Fat Man

Selain bom yang menggunakan reaksi fisi, ada pula senjata nuklir yang menggunakan reaksi fusi atau penggabungan inti nuklir. Senjata semacam ini disebut dengan senjata termonuklir atau disebut pula dengan bom hidrogen (bom H).

 

Gambar Skema Bom Hidrogen
Gambar Skema Bom Hidrogen

Pada dasarnya, reaksi fisi dan fusi yang ada pada senjata nuklir sama dengan yang terjadi pada reaktor nuklir, akan tetapi ada perbedaan utama, yaitu pada:

  • material (bahan bakar) yang digunakan,
  • teknologi yang diperlukan,
  • desain, dan
  • pengendaliannya

 

Senjata fisi nuklir mengandalkan reaksi berantai yang berlangsung sangat cepat pada material fisil (seperti uranium-235, plutonium-239 atau uranium-233) dengan kemurnian tinggi. Setiap inti atom dari material tersebut (selanjutnya kita sebut bahan bakar) akan melepaskan dua atau tiga neutron ketika membelah. Masing-masing neutron tersebut mempunyai kemungkinan yang besar untuk menyebabkan fisi pada inti atom yang lain, sehingga akan dihasilkan lebih banyak lagi neutron dan juga energi.

Seandainya massa dari bahan bakar terlalu sedikit atau tersebar, banyak neutron yang akan lepas dari permukaan bahan bakar sehingga tidak cukup untuk menyebabkan reaksi berantai yang berkelanjutan. (Kondisi semacam ini disebut dengan subkritis).

Agar menghasilkan ledakan, paling tidak dua massa subkritis harus digabung untuk menghasilkan massa di atas batas kritis (atau kondisi superkritis). Untuk itu, pengaturan waktu atau timing adalah hal yang sangat penting. Massa kritis harus digabung seutuhnya sebelum reaksi berantai berlangsung. Jika tidak, bahan bakar akan mengalami pembakaran prematur yang menyebabkan kedua massa subkritis terpental dan tidak menghasilkan ledakan yang efisien. Kondisi semacam ini dikenal dengan istilah fizzle (kalau diterjemahkan ke bahasa Indonesia, mungkin kira-kira ‘nggembos’). Oleh karena itu, timing untuk menggabungkan massa bahan bakar harus lebih cepat daripada terbentuknya reaksi berantai berkelanjutan.

Persyaratan timing ini yang membatasi ukuran maksimum dari bom fisi. Jika ukurannya terlalu besar, penggabungan bahan bakar tidak bisa cepat untuk menghindari fizzle.

Ada dua cara untuk melakukan penggabungan ini, yaitu:

  1. dengan menggunakan gun barrel, dan
  2. dengan menggunakan ledakan kimia.

Pada cara pertama, massa subkritis ditembakkan ke lubang pada massa subkritis yang lain. Cara ini efektif untuk uranium-235, contohnya pada bom atom Little Boy. Akan tetapi untuk plutonium-239, cara ini terlalu lambat sehingga diperlukan metode ledakan. Pada metode ledakan, massa subkritis dikelilingi oleh bahan peledak kimia. Untuk membentuk massa superkritis, bahan peledak tersebut harus diledakkan terlebih dahulu. Akan tetapi arah ledakannya tidak menyebar keluar, melainkan ke dalam dengan kecepatan sekitar 5000-7000 meter per detik sehingga menekan massa subkritis menjadi superkritis. Makanya istilah asli dalam bahasa Inggrisnya adalah implosion, bukan explosion, contohnya pada bom atom Fat Man.

Reaksi berantai pada massa bahan bakar kritis hanya bisa dimulai ketika ada neutron pertama yang menyebabkan fisi. Lalu dari mana neutron pertama ini berasal?

Kemungkinan pertama adalah dari reaksi fisi spontan alami. Akan tetapi jika berasal dari reaksi fisi spontan alami, timing-nya akan bersifat acak dan jika tingkat keacakannya cukup tinggi, reaksi berantai akan berlangsung terlalu dini sehingga menyebabkan fizzle. Oleh karena itu, sebagai gantinya digunakan sumber neutron yang dihasilkan dari mencampurkan berilium-9 dengan americium-241 pada saat yang tepat. Americium akan memancarkan radiasi alfa yang kemudian akan bereaksi dengan berilium untuk menghasilkan karbon-12 dan neutron. Neutron ini yang akan menjadi pemicu awal dari reaksi berantai pada saat yang tepat ketika penggabungan massa subkritis.

Oleh karena itu, bahan bakar untuk senjata nuklir harus mempunyai tingkat laju reaksi fisi dipicu oleh neutron yang tinggi, namun harus mempunyai laju reaksi fisi spontan yang rendah. Material dengan nomor massa (A) yang tinggi ternyata mempunyai laju reaksi fisi spontan yang tinggi pula. Oleh karenanya keberadaan californium-252 meskipun sedikit saja dianggap sebagai pengotor yang dapat menyebabkan fizzle. Bahkan plutonium-240 juga dapat menyebabkan fizzle kecuali jika konsentrasinya sangat rendah.

Dengan alasan tersebut di atas, untuk keperluan senjata, bahan bakar harus bebas dari isotop-isotop pengotor. Bahan bakar uranium harus mengandung lebih dari 80% uranium-235 untuk menghindari serapan neutron oleh uranium-238. Uranium-238 mempunyai kecenderungan untuk menyerap neutron dan menghasilkan isotop uranium-239 yang memancarkan radiasi gamma, bukannya reaksi fisi.
Untuk menghasilkan uranium-235 dengan tingkat yang tinggi, diperlukan pabrik pengolah berskala besar yang memerlukan energi yang tidak sedikit. Proses ini dikenal dengan enrichment atau pengkayaan. Di masa-masa awal pengembangan energi nuklir, metode untuk pengkayaan dilakukan dengan cara pemisahan secara difusi. Karena uranium-235 dan uranium-238 mempunyai massa atom yang hampir sama, proses pemisahannya memerlukan banyak sekali tangki pemisah. Untuk mencapai tingkat kemurnian (atau tingkat pengkayaan) sebesar 4% diperlukan sekitar 1400 tangki difusi. Untuk keperluan militer yang mensyaratkan tingkat pengkayaan di atas 80%, tentu diperlukan tangki difusi yang sangat sangat banyak.

Untuk saat ini digunakan metode yang lebih efisien, yaitu metode sentrifuge, di mana silinder-silinder berdiamater 15 – 20 cm diputar dengan kecepatan tinggi sekitar 1000 putaran per detik. Dengan cara ini gas uranium heksaflorida akan mengalami percepatan sejuta kali percepatan gravitasi. Meskipun lebih efisien daripada metode lama, metode sentrifuge tetap memerlukan banyak sekali tabung silinder.

Gambar Tabung Centrifuge untuk Pengkayaan Uranium, di Amerika Serikat (kiri) & di Iran (kanan)
Gambar Tabung Centrifuge untuk Pengkayaan Uranium, di Amerika Serikat (kiri) & di Iran (kanan)

Bahan bakar lain yang digunakan dalam senjata nuklir adalah plutonium-239, yang ternyata juga harus dalam tingkat kemurnian tinggi, dan tidak boleh mengandung plutonium-240 lebih dari 7% untuk menghindari fizzle. Plutonium-239 diproduksi dari dalam reaktor nuklir melalui reaksi serapan neutron pada uranium-238, yang kemudian diikuti dengan dua kali peluruhan beta secara beruntun. Akan tetapi, selain dapat melakukan reaksi fisi, plutonium-239 juga mempunyai kecenderungan yang tinggi untuk menangkap neutron untuk menghasilkan plutonium-240. Material ini merupakan pengotor untuk bahan bakar senjata nuklir karena mempunyai laju fisi spontan alami yang tinggi sehingga menyebabkan fizzle. Konsekuensinya agar plutonium-240 tidak terakumulasi terlalu banyak, bahan bakar pada reaktor nuklir harus sering diambil. Tentu ini merupakan kegiatan yang paling tidak efisien dalam menggunakan bahan bakar reaktor nuklir. Untuk mengekstrak 6 kg plutonium-239 diperlukan 10 ton uranium.

Negara yang ingin membuat senjata nuklir berbahan bakar plutonium yang bersumber dari bahan bakar di PLTN harus meluangkan waktu cukup banyak untuk berulang kali mematikan reaktor (dan jelas tidak menghasilkan listrik) serta mengganti bahan bakar. Secara operasional, biaya yang diperlukan menjadi tinggi dan kerugian akibat tidak menghasilkan listrik juga besar. Di samping itu, diperlukan juga pabrik pengolahan ulang bahan bakar untuk memisahkan plutonium dari bahan bakar yang telah dipakai di reaktor. Adanya pengisian ulang bahan bakar yang terlalu sering disertai dengan adanya pabrik pengolahan ulang bahan bakar merupakan indikasi yang kuat bahwa plutonium untuk senjata nuklir sedang dibuat. Karena di setiap reaktor selalu ada pengawasan dari tim internasional, kegiatan sembunyi-sembunyi untuk membuat senjata nuklir dapat diketahui.

Di reaktor nuklir, baik itu untuk pembangkitan listrik (PLTN) maupun untuk riset, fizzle tidak relevan sehingga tidak diperlukan persyaratan weapon-grade uranium yang mengharuskan tingginya tingkat kemurnian uranium. Untuk PLTN yang saat ini beroperasi, tingkat pengkayaan uranium-235 adalah sekitar 3 sampai 5%, sementara untuk reaktor penelitian dan reaktor produksi isotop karena memerlukan neutron dengan jumlah tinggi, maka tingkat pengkayaannya biasanya lebih besar namun dibatasi sampai dengan maksimum 20%.

Jadi, intisarinya adalah ada dua hal yang penting agar bom atom bisa berfungsi, yaitu:

  1. Timing merupakan hal yang krusial untuk senjata nuklir. Teknologi tinggi diperlukan untuk membuat massa superkritis dan sumber neutron agar reaksi berantai berlangsung pada waktu yang tepat.
  2. Bahan bakar dengan tingkat kemurnian yang tinggi diperlukan untuk menghindari fizzle. Teknologi untuk menghasilkan bahan bakar semacam ini tidak mudah dilakukan.

Prinsip Kerja Bom/Senjata Nuklir:

Reaksi nuklir terjadi ketika neutron ditembakkan dari jarak dekat ke arah sekumpulan atom mengandung nuclei (termasuk uranium dan plutonium). Saat bersentuhan dengan neutron, nuclei akan terpecah dan berubah menjadi bagian-bagian yang lebih kecil atau ringan. Saat proses ini terjadi, serangkaian reaksi nuklir dimulai. Karena atom mengandung neutron, akan terdapat lebih banyak neutron yang bergerak bebas dan mengenai atom-atom lain yang masih utuh. Proses ini disebut fission dan terus terjadi sehingga nuclei bisa terus terpecah. Salah satu kunci penting adalah fission mampu memecah atom tanpa sumber energi lain; reaksi kimia terjadi secara alami. Pemecahan atom menghasilkan energi, sekitar 80 terajoule per kilogram (TJ/kg).

Bom atom jenis lama memulai reaksi nulkir berantai dengan cara saling menembakkan beberapa isotop uranium (atom uranium dengan jumlah proton sama, tapi jumlah neutron berbeda) di sebuah ruang kecil di dalam tubuh bom. Sedangkan pada bom atom jenis lebih baru, inti bom dikelilingi oleh alat berdaya ledak tinggi yang disebut explosive lens atau lenses. Alat ini berfungsi untuk memisahkan atau mengumpulkan elektron. Karena keberadaan lenses, inti bom akan terpecah dan memulai reaksi nuklir berantai. Reaksi pemecahan terus berlangsung sampai semua nuclei terpecah.

  1. Bom atom pertama kali diledakkan di Hiroshima pada tanggal 6 Agustus 1945. Bom yang berjulukan “Little Boy” ini berisi uranium. Tiga hari kemudian, yaitu tanggal 9 Agustus 1945, bom atom kedua diledakkan di Nagasaki. Berbeda dengan Little Boy, bom berjulukan “Fat Man” ini berisi plutonium. Prinsip kerja dari kedua bom ini adalah pembebasan energi secara cepat dari reaksi fisi (pembelahan inti atom).

Baca Juga : Forum Sesi 4 KKF Konflik Layanan Transportasi Berbasis Aplikasi

Postingan Terkait :

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *