Reaktor Fusi: Energi Bersih Tak Terbatas

Pemateri : JIHAN AS-SYA'BANI, S.Si. (Lulusan Fisika UGM; bidang minat Plasma Fusi Nuklir)

                               

#Bincang-Bincang Nuklir #2

CV Pemateri

Apa itu reaktor fusi?

Reaktor fusi pada dasarnya itu suatu wadah yang dibuat agar di dalamnya bisa terjadi reaksi fusi nuklir. Nah, reaksi fusi nuklir itu prinsipnya adalah menggabungkan dua buah atom ringan menjadi satu atom yang lebih berat. 

Biasanya dalam reaktor fusi yang ada di berbagai pusat penelitian fusi nuklir itu bahan bakar yang digunakan adalah atom Deuterium (isotop hidrogen yang punya 1 proton dan 1 neutron, kita sebut sebagai atom D) dan atom Tritium (isotop hidrogen yang punya 1 proton dan 2 neutron, kita sebutsebagai atom T). Reaksinya yang paling sederhana: D + T -> He + n + energi. Tapi sebetulnya ada beberapa reaksi lain yang bisa dilakukan. Misalnya ini:

Reaksi Fusi yang bisa dilakukan

Di sini terlihat kalau selain Helium, ada neutron yang jadi produk sampingan. Besarnya energi yang bisa diperoleh biasanya sampe sekitar 17-18 MeV seperti di gambar di atas. Kalau kita bandingkan sama fisi nuklir, energi yang bisa didapatkan dari fusi nuklir biasanya bisa sampe sekitar 180-200 MeV. Bedanya jauh banget, tapi fusi nuklir lebih ramah lingkungan. Kenapa?

Karena, deuterium bisa kita dapatkan dari air laut. 1 dari 6000 molekul air yang ada di laut, itu punya struktur kimia D2O yang dikenal sebagai air berat (*heavy water*). Jadi kalau 1 liter air laut isinya 3,34 x 10^25 molekul air, berarti ada sekitar 5,57 x 10^21 molekul D2O. Maka dari itu, bahan bakar yang melimpah membuat fusi nuklir dipromosikan sebagai sumber energi masa depan yang hampir tak terbatas.

Sementara itu kalau Tritium, bisa di dapat dari mereaksikan neutron dengan atom Li yang dijadikan selimut reaktor atau blanket. Begini reaksinya:

Berhubung atom D dan atom T punya proton, maka reaksi fusi nuklir tidak semudah fisi nuklir. Kalau fisi nuklir, inti Uranium ditembak pakai neutron yang notabene partikel netral jadi tidak ada gaya Coulomb yang menghambat neutron untuk membelah inti Uranium. 

Tapi kalau fusi nuklir, ada gaya Coulomb yang menghambat atom D dan T karena ada proton. Maka dari itu, atom D dan T harus punya energi kinetik yang cukup besar, supaya bisa mengalahkan gaya Coulomb dan masuk ke zona dimana gaya tarik inti mulai bekerja. 

Kalau atom D dan T sudah masuk ke zona gaya tarik inti, maka gaya Coulomb tidak lagi berpengaruh dan kedua inti atom bisa menyatu.

Karena atom D dan T harus punya energi kinetik yang sangat besar, konsekuensinya adalah suhunya menjadi sangat tinggi, biasanya bisa mencapai 10 keV atau sekitar 11 juta kelvin. Nah, otomatis dalam suhu seperti ini atom D dan T tidak lagi berwujud gas biasa, tapi berupa gas yang terionisasi, atau biasa disebut sebagai plasma. 

Sudah bisa dipastikan tidak ada dinding reaktor yang bisa menahan suhu sebesar ini, ada dua kemungkinan yang bisa terjadi kalau dinding reaktor bersentuhan: 

1.  Dia bisa mengalami kerusakan karena meleleh atau 

2. Dia merusak fase plasma dari atom D dan T dan menyebabkan gagal terjadi reaksi fusi.

Ada beberapa cara yang bisa digunakan untuk mereaksikan atom-atom yang ada pada fase plasma. Yang pertama dengan cara yang dikenal sebagai pengungkungan inersial (*inertial confinement*). Kalau kalian pernah nonton Spiderman 3 (yang Tobey Maguire) waktu musuhnya doc. octopus, pengungkungan inersial ini mirip kayak eksperimennya doc. octopus yang berusaha bikin matahari buatan di bumi. Kalau untuk sistem pengungkungan inersial, lebih gampang kalo temen2 lihat gambar ini:

Pengungkungan Inersial

  

Cara yang kedua adalah dengan memanfaatkan karakteristik plasma yang berupa gas terionisasi. Karena terdiri dari partikel bermuatan, maka partikel2 itu akan berinteraksi dengan medan magnet. 

Bentuk interaksinya adalah partikel2 itu akan bergerak mengitari medan magnet. Cara ini dikenal sebagai pengungkungan magnetic (*magnetic confinement*). 

Bentuk interaksi partikel bermuatan dengan medan magnet ini kira2 begini bentuknya:

Bentuk medan magnet yang digunakan, biasanya adalah seperti donat atau disebut simetri toroidal. Nah, untuk metode pengungkungan magnetik ini, minimal ada dua jenis medan magnet, yaitu medan magnet toroidal , Bt, dan medan poloidal, Bp, biar lebih jelas bisa lihat gambar ini:

 

Bt = medan toroidal, Bp = medan poloidal

Nah, ada dua tipe reaktor fusi magnetik yang paling banyak digunakan yaitu Tokamak dan Stellarator. Skema tokamak dan stellarator yang paling sederhana bisa dilihat di gambar ini:

Kiri : stellarator,                                                           kanan: tokamak

Dua-duanya punya komposisi medan magnet yang sama, tapi sumbernya yang beda.Tokamak pertama kali dikembangkan di soviet sedangkan kalau stellarator pertama kali dikembangkan di Amerika. 

Nah apa bedanya? Kalo Stellarator, medan magnet toroidal dan poloidalnya semua dari kumparan yang ada di reaktor fusinya kalo dari gambar yang di atas itu kumparan yang warna merah sama kumparan warna hijau yang melilit kayak heliks.

Sementara kalo tokamak, kumparan warna merah hanya menghasilkan medan toroidal, Bt, sementara medan poloidal, Bp, diperoleh dari plasma. Plasma bisa digunakan untuk menghasilkan medan magnet dengan cara membuat adanya arus pada plasma. 

Nah, kalau plasma memiliki arus, maka akan dihasilkan medan magnet, sama kayak medan magnet yang dihasilkan oleh kabel yang dialiri arus listrik. Trus kumparan yang hijau buat apa? Kumparan itu dipakai untuk membantu membentuk medan poloidal, Bp, agar lebih sempurna dan mengatur posisi plasma di dalam reaktor.

Khusus untuk stellarator, ada beberapa jenis stellarator yg berbeda berdasarkan bentuk kumparannya. Berikut adalah klarisifikasi bbrp jenis stellarator dan contohnya:

Klasifikasi stellarator

Kalo dilihat dari bentuk kumparannya, tipe tokamak cenderung sama dimana-mana. Tapi kalo stellarator, lebih "keren". wkwk. Coba aja itung medan magnetnya pake hukum ampere biasa dari kumparan kayak gitu, wkwk.

Sebagai penutup, saya pengen tunjukkan grafik hasil eksperimen plasma fusi pakai tokamak GOLEM yang pernah saya lakukan waktu ikut ASPNF di Thailand.

Di sini ditampilkan beberapa parameter yang diamati pada setiap eksperimen fusi. Kalau teman-teman perhatikan di bagian plasma current, bentuk kurvanya seperti bergerigi. Sebenernya itu menunjukkan gejala yang dikenal sebagai ketidakstabilan plasma (*plasma instability*)

Ketidakstabilan plasma ini musuh utama setiap reaksi fusi, soalnya bisa temen2 lihat disitu kalau umur plasmanya cuma skala milisekon. Gak bisa sampe jam, bahkan hari.

Kalau ini, bentuk plasmanya lebih bagus. Tapi umurnya juga cuma 30 ms wkwk:D

itu masalah utama riset plasma di seluruh dunia. Umur plasma yang sangat singkat perlu diatasi dengan membangun reaktor fusi yang lebih mumpuni. Makanya sampe sekarang riset plasma fusi seluruh dunia masih fokus membangun reaktor yang bisa menghasilkan plasma paling optimal. 

Waktu saya kunjungan ke Large Helical Device (LHD) yang ada di Jepang, umur plasma yang bisa diperoleh dari stellarator paling lama 30 menit. Yang paling baru itu Wendelstein-7X yang ada di Max-Planck Institut. Tapi umur plasma yang paling lama yang bisa dihasilkan masih belum bisa mengalahkan LHD.

#Sesi Tanya Jawab

·         Kelebihan dan kekurangan stokamak dan stellarator itu gmn aja ya?

-          Tokamak

Kelebihan: Dari sudut pandang engineering lebih simpel untuk dibuat. 

Kekurangan: Sulit untuk menghasilkan plasma yang steady state (umur plasmanya panjang).

-          Stellarator

Kelebihan: Memungkinkan untuk menghasilkan plasma yang steady state (umurnya panjang).

Kelemahan: Dari sudut pandang engineering sangat tidak menguntungkan karena konstruksinya yang lebih rumit.

·                Kalo dari segi biaya dan hasil lebih efisien yg mana ya pak? LHD yg di jepang itu apa masih tahap eksperimen atau gmn?

-          Hmmm. kalo sudut pandang biaya saya kurang tahu. Tapi menurut saya lebih efisien yang stellarator. karena umur plasmanya bisa lebih panjang, jadi untuk perawatan reaktor tidak sesering tokamak. Biasanya siklus di riset plasma fusi itu: eksperimen-maintenance-eksperimen-maintenance. Jadi tiap selese satu eksperimen, langsung maintenance

-          Semua reaktor fusi di seluruh dunia masih di tataran riset semua, belum ada yang bisa untuk menghasilkan energi yang komersil. Tapi sekarang sedang dibangun reaktor fusi terbesar tipe tokamak yang disebut ITER (International Thermonuclear Reactor)

·         Negara mana aja yg sudah mengembangkan stellarator pak?

-          Setahu saya , Jerman, spanyol, jepang, amerika, perancis. Tapi mungkin ada yang lainnya juga.

·         Selamat malam mas Jihan, saya mau bertanya, kalo dilihat dari pemaparan mas terkait reaksi Fusi yang ada di gambar, kebanyakan hasil reaksinya pasti ada unsur He-nya. Apakah He hasil dari reaksi Fusi ini bisa dimanfaatkan? Kalau iya untuk apa?

-          Saya sendiri kurang tahu He hasil fusi ini dipakai untuk apa. Tapi sebetulnya kalo kita bisa ambil He nya saja, bisa kita manfaatkan untuk bikin pendingin superkonduktor yang biasanya pake Helium cair. Nanti superkonduktornya dipakai buat mendingin kumparan medan magnet reaktornya supaya bisa menghasilkan medan magnet yang sangat besar.

·         Apakah tidak ada emisi yang dihasilkan dari reaktor fusi?

-          Kalau yang dimaksud emisi itu emisi gas rumah kaca. jawabannya tidak ada. Tapi selain neutron dan proton seperti yang ada di reaksi fusi ini, ada radiasi elektromagnetik yang biasa muncul seperti di reaksi fisi nuklir. Radiasinya berupa sinar alfa (inti Heliumnya) maupun radiasi gamma. Makanya setiap eksperimen harus dilakukan di ruang tertutup dengan pelindung radiasi elektromagnetik.

·         Faktor apa saja yang menyebabkan terjadinya ketidakstabilan plasma?

-          Banyak.

-          1. Bisa disebabkan komposisi medan magnet antara medan toroidal dan medan poloidal, komposisi medan yang tidak seimbang bisa membuat partikel tidak melakukan gerak heliks seperti yang diharapkan. Akibatnya partikel-partikel plasma bisa buyar dan fase plasmanya hilang seketika. Permasalahan ini lebih banyak muncul di tokamak, soalnya medan poloidalnya bergantung pada arus plasma.

-          2. Bisa karena proses pemanasan (heating) yang tidak cukup mengionisasi seluruh partikel yang akan diubah menjadi plasma. Karena partikel yang energinya besar lebih suka untuk melepaskan energinya itu. kalau partikel ini ketemu partikel yang energinya rendah, maka energi itu ditransfer ke partikel yang energinya rendah.

-          3. Secara alamiah di kondisi yang ada di Bumi, tidak ada wujud plasma karena kondisi lingkungan yang tidak memungkinkan untuk terus berada di wujud plasma. Makanya walaupun diubah ke wujud plasma, partikel-partikel yang bermuatan itu lebih suka kembali ke keadaan normalnya berupa gas netral. Nah untuk itu di reaktor fusi, proses pemanasan atau heating dilakukan terus menerus.

·         Bagaimana perkembangan reaktor nuklir di indonesia? maaf saya belum banyak baca dan dengar soal perkembangan tenaga nuklir indonesia.

-          Saya jawab yang reaktor nuklir fusi aja ya. kalo yang reaktor nuklir fisi saya kurang tahu. Sejauh ini untuk negara-negara asia tenggara saja belum ada, Indonesia pun begitu. Tapi kalau pemanfaatan plasma untuk keperluan yang lain sudah dilakukan Pak Nur bersama temen2 CPR di Undip. Saya bikin skripsi juga terbatas aspek teoretisnya. Lha mau eksperimen dimana? hehe.

·         Apa yang bisa kita hasilkan dari rektor fusi stellarator dan tokamak?

-          Sebetulnya tujuan dari reaktor fusi nuklir baik stellarator maupun tokamak adalah agar bisa menghasilkan listrik yang dapat digunakan untuk kehidupan sehari-hari. Prinsipnya sama seperti reaktor fisi nuklir. Panas yang dihasilkan digunakan untuk memanaskan air yang dialirkan di dinding reaktor dan mengubahnya jadi uap bertekanan tinggi. Uap bertekanan ini nantinya menggerakkan generator dan menghasilkan listrik. Makanya ada proyek internasional yang masih dalam tahap perencanaan yang disebut reaktor DEMO. Reaktor fusi yang sudah terintegrasi dengan generator pembangkit listrik.

·         Bisa mohon penjelasan terkait skema sistem kerja dan alur proses, kaya flow chartnya gitu. reaktor disertai gambar reatornya? Yang udah ada sejauh ini dan yang direncanakan dalam memperbaiki kekurangannya?

-          Wah ini luas banget cakupan pertanyaannya. hehe. Kalau untuk reaktor fusi yang udah ada sejauh ini dan perbaikannya, sepertinya saya tidak bisa menjawab yang ini. soalnya tiap reaktor fusi punya aspek yang berbeda yang ingin dilihat dari plasma yang dihasilkan. Hasil yang diperoleh itu kemudian dikumpulkan jadi satu sebagai penyempurnaan untuk reaktor ITER.

·         Kalau reaktor fusi yg bahan bakarnya bisa didapat dr air laut, kira" bagaimana prospek ke depan untuk indonesia sendiri yg menjadi negara maritim, mengingat wacana pengembangan nuklir di Indonesia cukup sulit? Dan apa sama pemanfaatan dr reaktor fusi dan reaktor fisi?

-          Well, kalau dibilang prospektif karena lautnya luas juga nggak bisa gitu sih. Soalnya kita gak cuma butuh bahan bakarnya doang. Kendala utamanya ada di teknologi. bahkan untuk sekelas negara2 maju aja mereka patungan untuk bikin ITER, apalagi kita? hehe. Sebetulnya kalo masalah kendala pengembangan nuklir di Indonesia yang sulit itu karena masyarakat belum tahu apa itu nuklir sebenarnya dan sudah ditakut2in duluan. Kalau dilihat dari prinsip kerjanya, fusi nuklir jauh berbeda dengan fisi nuklir. kalau fusi seperti yang kita bicarakan di sini, kemungkinan terjadi kecelakaan yang menyebabkan ledakan sangat minim. karena produknya gas Helium (gas mulia yang tidak mudah bereaksi). Persoalan radiasi pun tidak seperti reaktor fisi. Meski sama-sama menghasilkan radiasi elektromagnetik, tapi radiasi yang dihasilkan tidak sebanyak dan sekuat radiasi dari fisi nuklir yang pakai Uranium.

·         Jadi semisal penelitian reaktor fusi untuk kekurangannya bisa selesai & brhasil cukup aulit untuk indonesia bisa membangun reaktor fusi. Kira" ada jalan lain kah untuk pengembangan nya di indonesia??

-          Sulit. Menurut saya jalan lainnya itu kalau para ilmuwannya rela berkorban demi nusa dan bangsa untuk mengembangkan fusi nuklir dengan merogoh sakunya sendiri. Makin nggak mungkin ya? hehe. Yah, kita tidak bisa hanya mengandalkan pemerintah kita akan tergerak untuk mendorong pengembangan fusi nuklir. Tapi walaupun sulit, bukan tidak mungkin untuk dilakukan. Kita bisa lakukan sedikit demi sedikit seperti yang dilakukan Pak Nur di Undip. Tapi resikonya bisa jadi waktu yang dibutuhkan sangat panjang.

·         Apakah atom yang telah mengalami reaksi fusi dapat difusikan lagi?

-          Secara teori masih bisa, tapi akan jauh lebih sulit. Untuk atom D dan T yang punya satu proton aja butuh suhu sampe 11 juta kelvin, apalagi Helium yang punya dua proton? Pasti gaya Coulomb antar muatan positifnya jadi jauh lebih besar. Kalau kita bicara reaksi fusi yang ada di bintang, biasanya atom helium yang dihasilkan dari fusi antar isotop hidrogen masih mengalami reaksi fusi lagi dan menghasilkan atom yang lebih berat. Proses ini memungkinkan di bintang karena dibantu gravitasi yang sangat kuat karena massa bintang yang sangat besar, makanya bintang gak butuh medan magnet udah pasti terjadi reaksi fusi, karena gravitasi yang menarik atom-atom itu untuk saling mendekat satu sama lain.