Apa yang dimaksud dengan reaksi fisi dan fusi bagaimana energi dari keduanya?

Reaktor nuklir pada dasarnya adalah tempat terjadinya reaksi nuklir. Ada dua jenis reaksi nuklir yang terkait, yaitu reaksi fisi atau pembelahan inti atom dan reaksi fusi atau penggabungan inti atom. Kali ini kita akan membahas tentang reaksi fisi.

Untuk menghasilkan reaksi fisi, kita harus mempunyai material yang dapat membelah. Kita sebut material ini sebagai bahan bakar. Selanjutnya agar dapat membelah, harus ada pemicunya, yang dalam hal ini adalah neutron. Secara umum reaksi fisi dapat kita tuliskan seperti ini

Di formulasi di atas,  adalah material bahan bakar,  adalah neutron yang menyebabkan terjadinya reaksi fisi,  dan  adalah material yang dihasilkan dari reaksi fisi, atau dikenal dengan istilah produk fisi,  adalah anti-neutrino dan  adalah energi yang dihasilkan dari reaksi fisi.

Reaksi fisi dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 1 di bawah ini:

Gambar 1. Ilustrasi proses reaksi fisi

Dalam gambar tersebut tampak neutron mengenai bahan bakar uranium-235 atau U-235 dan menghasilkan satu produk antara yaitu U-236 yang sifatnya tidak stabil dan kemudian akan membelah menjadi dua buah produk fisi, yaitu kripton-92 (Kr-92) dan barium-141 (Ba-141) serta 3 buah neutron baru. Di samping itu akan muncul pula energi yang sebagian besar berupa energi kinetik dari produk-produk fisi.

Karena dalam reaksi ini muncul neutron-neutron baru, tentunya akan ada pertanyaan, bisakah neutron tersebut menumbuk material U-235 yang lain?  Jawabannya adalah sangat bisa… Ini yang disebut dengan reaksi berantai. Kalau digambarkan kira-kira seperti pada Gambar 2 di bawah ini:

Jadi semakin lama semakin banyak U-235 yang mengalami reaksi fisi. Kalau misalkan saja setiap reaksi fisi menghasilkan 3 neutron baru, dan 3 neutron tersebut menumbuk U-235 yang lain dan seterusnya, maka bisa dihitung secara sederhana akan ada peningkatan jumlah reaksi fisi sesuai dengan deret geometris: 1, 3, 9, 27, 81, 243, 729, 2187, 6561, 19683, 59049, dan seterusnya. Karena setiap terjadi reaksi fisi akan dibangkitkan energi, maka energi tersebut juga akan meningkat sesuai dengan deret geometris tadi.

Ingin tahu seberapa cepat reaksi fisi berlangsung? Mari kita melihat kembali Gambar 1. Waktu yang diperlukan antara kejadian ketika neutron menumbuk U-235 sampai dengan terbentuknya produk antara U-236 adalah 10-14 detik!! Dari terbentuknya produk antara sampai terjadi pembelahan dan dihasilkan produk fisi memerlukan waktu 10-20 detik. Dari terbentuknya produk fisi sampai muncul neutron baru memerlukan waktu 10-17detik, dan dari munculnya neutron baru sampai menumbuk inti  atom U-235 yang lain perlu waktu sekitar 10-7detik, dan selanjutnya waktu yang diperlukan oleh produk-produk fisi untuk menumbuk atom lain di sekitarnya sehingga akan mentransfer energi kinetik yang dipunyainya menjadi energi termal adalah sekitar 10-12 detik. Jadi bisa dilihat di sini bahwa reaksi fisi berlangsung sangat sangat sangat cepat. Karena waktu terlama adalah 10-7detik, maka ini yang menentukan kecepatan reaksi. Maksudnya bagaimana? Setiap 10-7detik energi dari reaksi fisi akan meningkat 3 kali lipat, dan dalam waktu satu milidetik energi yang dihasilkan sudah besar sekali. Fenomena semacam ini dikenal dengan istilah reaksi berantai tak terkendali atau uncontrolled chain reaction, yang merupakan dasar dari prinsip kerja bom atom atau bom nuklir.

Lalu apakah bisa reaksi fisi dikendalikan? Tentu saja bisa, kalau tidak bisa tentunya tidak bakalan ada 400-an lebih PLTN yang saat ini beroperasi di dunia. Bagaimana caranya?

Cara yang pertama adalah dengan mengendalikan jumlah neutron yang menumbuk inti bahan bakar. Jika tadi dimisalkan ada 3 neutron baru yang dihasilkan per reaksi fisi, jika seandainya kita dapat menangkap 2 neutron baru tersebut sehingga tidak menumbuk inti U-235 yang lain dan membiarkan hanya 1 neutron baru yang menumbuk inti U-235, maka kita akan mendapatkan populasi neutron yang konstan setiap saat: 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, dst. Dengan demikian energi yang dihasilkan juga akan konstan. Hal ini akan ada kaitannya dengan proses penyerapan neutron dan penggunaan batang kendali.

Cara yang kedua adalah dengan memperlambat reaksi. Di atas sudah disebutkan bahwa rentang waktu antara neutron dilahirkan sampai dengan menumbuk inti atom U-235 akan menentukan kecepatan reaksi. Jika kita bisa memperpanjang rentang waktu tersebut, maka proses reaksi fisi bisa berlangsung lebih lambat dan pertambahan energi yang dibangkitkan menjadi tidak drastis. Ini nanti yang akan terkait dengan konsep moderasi neutron.

Selain dua cara di atas, masih ada lagi fenomena-fenomena lain yang akan membantu dalam pengendalikan reaksi fisi. Misalnya saja seperti yang pernah saya sampaikan di artikel terdahulu, Tuhan telah mengajari kita dengan bagaimana memanfaatkan fenomena umpan balik reaktivitas negatif, peracunan xenon dan samarium serta neutron kasip untuk mengendalikan reaktor. Apa sebenarnya fenomena-fenomena tersebut dan bagaimana mereka diterapkan dalam sebuah reaktor nuklir? Untuk itu kita perlu belajar tentang ilmu nuklir. Pelan-pelan kita akan membahasnya dalam artikel-artikel mendatang… Just stay tuned…