NUCLEAR CHEMISTRY

1
NUCLEAR CHEMISTRY RADIOCHEMISTRY
Lecture Presentation

• By
• Agung Nugroho Catur S,S.Pd.,M.Sc
• NIP. 19770723 200501 1 001

By Agung Nugroho Catur S,S.Pd.,M.Sc
Program Studi Pendidikan Kimia Jurusan
PMIPA Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan,
Universitas Sebelas Maret, Surakarta
2
REAKTOR NUKLIR
3
TUJUAN PEMBELAJARAN

• Setelah mengikuti pembelajaran bab ini diharapkan
  mahasiswa mampu
• Mendeskripsikan reaktor nuklir
• Mengklasifikasikan tipe-tipe reaktor nuklir
• Menyebutkan komponen-komponen reaktor nuklir
• Mendeskripsikan PLTN dan prospeknya
• Menjelaskan metode penanganan limbah radioaktif

4
CURAH PENDAPAT

• Apakah reaktor nuklir itu?
• Ada berapa jenis reaktor nuklir?
• Apa saja komponen dalam reaktor nuklir?
• Bagaimana prinsip kerja reaktor nuklir?
• Apa yang anda ketahui tentang PLTN dan prospeknya
  di Indonesia?
• Bagaimana cara penanganan limbah radioaktif?

5
PENGERTIAN REAKTOR

• Apa yang dimaksud dengan
• Reaktor
• ?

6

• Reaktor menurut arti sesungguhnya adalah tempat
  berlangsungnya reaksi.
• Berdasarkan proses reaksinya, reaktor dibedakan
  menjadi
• 1. Reaktor kimia,
• Apabila yang terjadi di dalamnya adalah reaksi
  kimia. Misalnya reaktor pada pabrik pupuk,
  pabrik kertas, dll.

7

• 2. Reaktor bakar (tungku)
• Apabila proses yang terjadi di dalamnya adalah
  reaksi pembakaran. Misalnya reaktor pada pabrik
  baja atau tungku perajin logam.
• 3. Reaktor nuklir
• Apabila proses yang terjadi di dalamnya adalah
  reaksi nuklir.

8
REAKTOR NUKLIR

• Reaktor nuklir pertama kali dibangun oleh Enrico
  Fermi pada tahun 1942 di Universitas Chicago.
• Reaktor nuklir adalah suatu alat untuk
  mengendalikan reaksi fisi berantai dan sekaligus
  menjaga kesinambungan reaksi itu.
• Reaktor nuklir ditetapkan sebagai alat yang
  menggunakan materi nuklir sebagai bahan bakarnya.

9

• Materi fisi yang digunakan sebagai bahan bakar
  misalnya Uranium, Plutonium, dll.
• Secara umum, reaktor nuklir adalah tempat
  berlangsungnya reaksi nuklir yang terkendali.
• Untuk mengendalikan operasi dan menghentikannya
  digunakan bahan penyerap neutron yang disebut
  batang pengendali.

10
KLASIFIKASI REAKTOR NUKLIR

• Klasifikasi jenis-jenis reaktor nuklir dibedakan
  berdasarkan kegunaan, tenaga neutron dan nama
  komponen serta parameter operasinya.
• Menurut kegunaan, dibedakan
• 1. Reaktor daya
• 2. Reaktor riset, termasuk uji material dan
  latihan.
• 3. Reaktor produksi isotop . Reaktor ini
  kadang-kadang digolongkan juga ke dalam reaktor
  riset.

11

• Ditinjau dari tenaga netron yang melangsungkan
  reaksi pembelahan, reaktor dibedakan menjadi
• 1. Reaktor cepat GCFBR, Liquid Metal Fast
  Breeder Reactor (LMFBR), SCFBR.
• 2. Reaktor thermal PWR, BWR, PHWR, GCR.

12

• Berdasarkan parameter yang lain dapat disebut
• 1. Reaktor berreflektor grafit Gas Cooled
  Reactor (GCR), AGCR.
• 2. Reaktor berpendingin air ringan PWR, BWR.
• 3. Reaktor suhu tinggi HTGR
• Masih banyak nama atau jenis reaktor lainnya.

13
Reaktor Fisi

• Reaktor fisi merupakan instalasi yang
  menghasilkan daya panas secara konstan dengan
  memanfaatkan reaksi fisi berantai.
• Istilah ini dibedakan dengan reaktor fusi yang
  memanfaatkan panas dari reaksi fusi.
• Dimungkinkan adanya reaktor yang memadukan kedua
  jenis tersebut (reaktor hibrid).

14
Reaktor Fusi

• Reaktor fusi adalah suatu instalasi untuk
  mengubah energi yang terjadi pada reaksi fusi
  menjadi energi panas atau listrik yang mudah
  dimanfaatkan.
• Reaksi fusi merupakan reaksi penggabungan inti
  atom ringan, misalnya reaksi antara deuterium dan
  tritium.

15
Reaktor Penelitian

• Reaktor riset/penelitian yang diutamakan adalah
  pemanfaatan netron yang dihasilkan dari reaksi
  nuklir untuk keperluan berbagai penelitian dan
  produksi isotop.
• Misalnya reaktor uji material yang secara khusus
  digunakan untuk uji iradiasi, reaktor untuk
  eksperimen fisika reaktor, reaktor riset untuk
  penelitian dengan menggunakan berkas netron dan
  alat eksperimen kekritisan, reaktor untuk
  pendidikan dan pelatihan.

16

• Di antara reaktor-reaktor tersebut, reaktor
  riset-pun terdiri dari berbagai macam, misalnya
  reaktor untuk eksperimen berkas netron dan uji
  iradiasi material, reaktor untuk eksperimen
  perisai, reaktor untuk uji pulsa, dll.
• Tipe-tipe reaktor riset antara lain tipe kolam
  berpendingin dan bermoderator air berat, tipe
  kolam berpendingin dan bermoderator air ringan
  dan tipe kolam berpendingin air ringan dan
  bermoderator air berat.

17
Reaktor Daya

• Reaktor daya adalah reaktor yang digunakan untuk
  menghasilkan daya listrik, biasa disebut
  Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN).
• Pada reaktor daya, yang dimanfaatkan adalah uap
  yang bersuhu dan bertekanan tinggi yang
  dihasilkan oleh reaksi fisi untuk memutar turbin,
  turbin menggerakkan generator yang menghasilkan
  listrik.

18

• Netron yang dihasilkan sebagian diserap oleh
  batang kendali dan sebagian diserap lagi diubah
  menjadi netron untuk berlangsungnya reaksi
  berantai.

19
KOMPONEN REAKTOR NUKLIR

• Komponen-komponen reaktor nuklir antara lain
• 1. Bahan bakar nuklir/bahan dapat belah
• 2. Bahan moderator
• 3. Pendingin reaktor
• 4. Perangkat batang kendali
• 5. Perangkat detektor

20

• 6. Reflektor untuk mengendalikan laju
  pembelahan.
• 7. Perangkat bejana dan perisai reaktor.
• 8. Perangkat penukar panas.
• Komponen No. 1 s/d 6 berada pada suatu lokasi
  yang disebut Teras Reaktor, yaitu suatu tempat
  dimana reaksi berantai tersebut berlangsung.

21
Skema Dasar Reaktor Nuklir
22
1. Bahan Bakar Nuklir

• Terdapat dua jenis bahan bakar nuklir,yaitu
• a. Bahan Fisil suatu unsur/atom yang langsung
  dapat memberikan reaksi pembelahan apabila
  dirinya menangkap neutron. Contoh 92U233,
  92U235, 94Pu239, 94Pu241
• b. Bahan Fertil suatu unsur/atom yang setelah
  menangkap neutron tidak dapat langsung membelah,
  tetapi membentuk bahan fisil.
• Contoh 90Th232, 92U238

23

• Pada kenyataannya sebagian besar bahan bakar
  nuklir yang berada di alam adalah bahan fertil.
• Elemen bakar reaktor nuklir dibuat dengan kadar
  isotop fisilnya lebih besar dari kondisi alamnya,
  isotop demikian disebut isotop yang diperkaya,
  sedangkan untuk kadar isotop fisil yang lebih
  kecil dari kondisi alamnya disebut isotop yang
  susut kadar.

24
2. Bahan Moderator

• Dalam reaksi fisi,neutron yang dapat menyebabkan
  reaksi pembelahan adalah neutron thermal.
• Neutron thermal memiliki energi sekitar 0,025 eV
  pada suhu 27oC, sementara neutron yang lahir dari
  reaksi pembelahan memiliki energi rata-rata 2
  MeV, yang sangat jauh lebih besar dari energi
  thermalnya.

25

• Syarat bahan moderator
• atom dengan nomor massa kecil.
• memiliki tampang lintang serapan neutron
  (keboleh-jadian menyerap neutron) yang kecil.
• Memiliki tampang lintang hamburan yang besar.
• Memiliki daya hantar panas yang baik.
• Tidak korosif.
• Contoh H2O, D2O, grafit, berilium, dll.

26
3. Pendingin Reaktor

• Pendingin reaktor berfungsi sebagai sarana
  pengambilan panas hasil fisi dari dalam elemen
  bakar untuk dipindahkan /dibuang ke tempat
  lain/lingkungan melalui perangkat penukar panas.
• Bahan yang baik sebagai pendingin adalah fluida
  yang koefisien perpindahan panasnya sangat bagus,
  memiliki tampang lintang serapan neutron yang
  kecil, dan tampang lintang hamburan yang besar
  serta tidak korosif. Contoh H2O, D2O, Na cair,
  gas He dll.

27
4. Batang Kendali Reaktor

• Batang kendali berfungsi sebagai pengendali
  jalannya operasi reaktor agar laju
  pembelahan/populasi neutron di dalam teras
  reaktor dapat diatur sesuai dengan kondisi
  operasi yang dikehendaki.
• Selain itu, juga berfungsi untuk memadamkan
  reaktor/menghentikan reaksi pembelahan.

28

• Bahan batang kendali adalah material yang
  mempunyaintampang lintang serapan neutron yang
  sangat besar, dan tampang lintang hamburan yang
  kecil.
• Bahan batang kendali Boron, Cadmium,
  Gadolinium, dll.
• Prinsip kerja pengaturan oerasi adalah dengan
  jalan memasukkan dan mengeluarkan batang kendali
  ke dan dari teras reaktor.

29
5. Perangkat Detektor

• Detektor adalah komponen penunjang yang mutlak
  diperlukan di 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.

30
6. Reflektor

• Neutron yang keluar dari pembelahan bahan fisil,
  berjalan dengan kecepatan tinggi ke segala arah.
  Karena tidak bermuatan listrik maka gerakan
  neutron tsb bebas menembus medium dan tidak
  berkurang bila tidak menumbuk inti atom medium.
• Sebgian neutron tsb dapat lolos keluar teras
  reaktor, atau hilang dari sistem. Kondisi
  demikian merugikan.

31

• Untuk mengurangi kejadian tsb, maka sekeliling
  teras reaktor dipasang bahan pemantul neutron
  yang disebut Reflektor, sehingga
  neutron-neutron yang lolos akan bertahan dan
  dikembalikan ke dalam teras untuk dimanfaatkan
  lagi pada proses fisi berikutnya.
• Bahan reflektor yang baik adalah unsur-unsur yg
  mempunyai tampang lintang hamburan neutron yang
  besar, dan tampang lintang seraapan yg sekecil
  mungkin serta tidak korosif.
• Contoh Berilium, Grafit, Parafin, H2O, D2O.

32
7. Bejana dan Perisai Reaktor

• Bejana/tangki reaktor berfungsi untuk menampung
  fluida pendingin agar teras reaktor selalu
  terendam di dalamnya.
• Bejana tsb harus kuat menahan beban dan tidak
  korosif bila berinteraksi dengan pendingin atau
  benda lain di dalam teras.
• Contoh bahan bejana reaktor Aluminium dan
  Stainless stell.

33

• Perisai reaktor berfungsi untuk
  menahan/menghambat/menyerap radiasi yang lolos
  dari teras reaktor agar tidak menerobos keluar
  sistem reaktor.
• Pada umumnya perisai yang digunakan adalah
  lapisan beton berat.

34
8. Perangkat Penukar Panas

• Perangkat penukar panas (Heat Exchanger)
  merupakan komponen penunjang yang berfungsi
  sebagai sarana pengalihan panas dari pendingin
  primer, yang menerima panas dari elemen bakar,
  untuk diberikan pada fluida pendingin yang lain
  (sekunder).
• Dengan sistem pengambilan panas tsb maka
  integritas komponen teras akan selalu terjamin.
• Pada jenis reaktor tertentu, terutama PLTN heat
  exchanger juga berfungsi sebagai fasilitas
  pembangkit uap.

35
Nuclear Reactor

• In nuclear reactors the heat generated by the
  reaction is used to produce steam that turns a
  turbine connected to a generator.

Source John D. Bookstaver, Chemistry, The
Central Science, 10th edition Theodore L. Brown
H. Eugene LeMay, Jr. and Bruce E. Bursten
36
Nuclear Reactor

• The reaction is kept in check by the use of
  control rods.
• These block the paths of some neutrons, keeping
  the system from reaching a dangerous
  supercritical mass.
• The control rods must be withdrawn from between
  the fuel rods the to initiate nuclear reaction.
• The normal position of the control rods is in
  between the fuel rods.

Source John D. Bookstaver, Chemistry, The
Central Science, 10th edition Theodore L. Brown
H. Eugene LeMay, Jr. and Bruce E. Bursten
37
Nuclear Fuel

• The most common fuel for a nuclear reactor is
  usually uranium pressed dioxide into pellets
• The UO2 is produced from enriched UF6 gas.
• The pellets are encased in long metal tubes,
  usually made of zirconium alloy (zircalloy) or
  stainless steel, to form fuel rods.
• The fuel rods are sealed and assembled in
  clusters to form fuel assemblies for use in the
  core of the nuclear reactor.

Source John D. Bookstaver, Chemistry, The
Central Science, 10th edition Theodore L. Brown
H. Eugene LeMay, Jr. and Bruce E. Bursten
38
Nuclear Waste
Source John D. Bookstaver, Chemistry, The
Central Science, 10th edition Theodore L. Brown
H. Eugene LeMay, Jr. and Bruce E. Bursten
39
Nuclear Fusion

• Fusion would be a superior method of generating
  power.
• ?? Once fusion reactors are perfected, the
  products of the reaction will not be radioactive.
  (There are radioactive products of hydrogen
  fusion.)
• ?? In order to achieve fusion, the material must
  be in the plasma state at several million
  Kelvin's.

Source John D. Bookstaver, Chemistry, The
Central Science, 10th edition Theodore L. Brown
H. Eugene LeMay, Jr. and Bruce E. Bursten
40
Nuclear Fusion

• A Tokomak reactor, like the one shown on the
  right right, show promise for carrying out these
  reactions.
• Magnetic fields are used to compress materials to
  initiate the reaction.
• Today, lasers may be used to initiate the fusion
  reaction.
• Magnetic fields are used to contain the fusion
  reactants and products.

Source John D. Bookstaver, Chemistry, The
Central Science, 10th edition Theodore L. Brown
H. Eugene LeMay, Jr. and Bruce E. Bursten