Teknologi Nuklir (Fisika XII)

Teknologi nuklir adalaeknologh teknologi yang melibatkan reaksi dari inti atom (inti=nuclei). Teknologi nuklir dapat ditemukan pada bebagai aplikasi, dari yang sederhana seperti detektor asap hingga sesuatu yang besar seperti reaktor nuklir.

 Sejarah

Kejadian pada kehidupan sehari-hari, fenomena alam, jarang sekali berkaitan dengan reaksi nuklir. Hampir semuanya melibatkan gravitasi dan elektromagnetisme. Keduanya adalah bagian dari empat gaya dasar dari alam, dan bukanlah yang terkuat. Namun dua lainnya, gaya nuklir lemah dan gaya nuklir kuat adalah gaya yang bekerja pada range yang pendek dan tidak bekerja di luar inti atom. Inti atom terdiri dari muatan positif yang sesungguhnya akan saling menjauhi jika tidak ada suatu gaya yang menahannya.
Henri Becquerel pada tahun 1896 meneliti fenomena fosforesensi pada garam uranium ketika ia menemukan sesuatu yang akhirnya disebut dengan radioaktivitas. Ia, Pierre Curie, dan Marie Curie mulai meneliti fenomena ini. Dalam prosesnya, mereka mengisolasi unsur radium yang sangat radioaktif. Mereka menemukan bahwa material radioaktif memproduksi gelombang yang intens, yang mereka namai dengan alfa, beta, dan gamma. Beberapa jenis radiasi yang mereka temukan mampu menembus berbagai material dan semuanya dapat menyebabkan kerusakan. Seluruh peneliti radioaktivitas pada masa itu menderita luka bakar akibat radiasi, yang mirip dengan luka bakar akibat sinar matahari, dan hanya sedikit yang memikirkan hal itu.
Fenomena baru mengenai radioaktivitas diketahui sejak adanya paten di dunia kedokteran yang melibatkan radioaktivitas. Secara perlahan, diketahui bahwa radiasi yang diproduksi oleh peluruhan radioaktif adalah radiasi terionisasi. Banya peneliti radioaktif di masa lalu mati karena kanker sebagai hasil dari pemaparan mereka terhadap radioaktif. Paten kedokteran mengenai radioaktif kebanyakan telah terhapus, namun aplikasi lain yang melibatkan material radioaktif masih ada, seperti penggunaan garam radium untuk membuat benda-benda yang berkilau.
Sejak atom menjadi lebih dipahami, sifat radioaktifitas menjadi lebih jelas. Beberapa inti atom yang berukuran besar cenderung tidak stabil, sehingga peluruhan terjadi hingga selang waktu tertentu sebelum mencapai kestabilan. Tiga bentuk radiasi yang ditemukan oleh Becquerel dan Curie temukan juga telah dipahami; peluruhan alfa terjadi ketika inti atom melepaskan partikel alfa, yaitu dua proton dan dua neutron, setara dengan inti atom helium; peluruhan beta terjadi ketika pelepasan partikel beta, yaitu elektron berenergi tinggi; peluruhan gamma melepaskan sinar gamma, yang tidak sama dengan radiasi alfa dan beta, namun merupakan radiasi elektromagnetik pada frekuensi dan energi yang sangat tinggi. Ketiga jenis radiasi terjadi secara alami, dan radiasi sinar gamma adalah yang paling berbahaya dan sulit ditahan.

Fisi

Artikel utama untuk bagian ini adalah: Fisi nuklir

Pada radiasi nuklir alami, hasil sampingannya sangat kecil dibandingkan dengan inti di mana mereka dihasilkan. Fisi nuklir adalah proses pembelahan inti menjadi bagian-bagian yang hampir setara, dan melepaskan energi dan neutron dalam prosesnya. Jika neutron ini ditangkap oleh inti lainnya yang tidak stabilm inti tersebut akan membelah juga, memicu reaksi berantai. Jika jumlah rata-rata neutron yang diepaskan per inti atom yang melakukan fisi ke inti atom lain disimbolkan dengan k, maka nilai k yang lebih besar dari 1 menunjukkan bahwa reaksi fisi melepaskan lebih banyak neutron dari pada jumlah yang diserap, sehingga dapat dikatakan bahwa reaksi ini dapat berdiri sendiri. Massa minimum dari suatu material fisi yang mampu melakukan reaksi fisi berantai yang dapat berdiri sendiri dinamakan massa kritis.
Ketika neutron ditangkap oleh inti atom yang cocok, fisi akan terjadi dengan segera, atau inti atom akan berada dalam kondisi yang tidak stabil dalam waktu yang singkat.
Ketika ditemukan pada masa Perang Dunia II, hal ini memicu beberapa negara untuk memulai program penelitian mengenai kemungkinan membuat bom atom, sebuah senjata yang menggunakan reaksi fisi untuk menghasilkan energi yang sangat besar, jauh melebihi peledak kimiawi (TNT, dsb). Proyek Manhattan, dijalankan oleh Amerika Serikat dengan bantuan Inggris dan Kanada, mengembangkan senjata fisi bertingkat yang digunakan untuk melawan Jepang pada tahun 1945. Selama proyek tersebut, reaktor fisi pertama dikembangkan, meski awalnya digunakan hanya untuk pembuatan senjata dan bukan untuk menghasilkan listrik untuk masyarakat.
Namun, jika neutron yang digunakan dalam reaksi fisi dapat dihambat, misalnya dengan penyerap neutron, dan neutron tersebut masih menjadikan massa material nuklir berstatus kritis, maka reaksi fisi dapat dikendalikan. Hal inilah yang membuat reaktor nuklir dibangun. Neutron yang bergerak cepat tidak boleh menabrak inti atom, mereka harus diperlambat, umumnya dengan menabrakkan neutron dengan inti dari pengendali neutron sebelum akhirnya mereka bisa dengan mudah ditangkap. Saat ini, metode seperti ini umum digunakan untuk menghasilkan listrik.

Fusi

Artikel utama untuk bagian ini adalah: Fusi nuklir

Jika inti atom bertabrakan, dapat terjadi fusi nuklir. Proses ini akan melepas atau menyerap energi. Ketika inti atom hasil tabrakan lebih ringan dari besi, maka pada umumnya fusi nuklir melepaskan energi. Ketika inti atom hasil tabrakan lebih berat dari besi, maka pada umumnya fusi nuklir menyerap energi. Proses fusi yang paling sering terjadi adalah pada bintang, yang mendapatkan energi dari fusi hidrogen dan menghasilkan helium. Bintang-bintang juga membentuk unsur ringan seperti lithium dan kalsium melalui stellar nucleosynthesis. Sama halnya dengan pembentukan unsur yang lebih berat (melalui proses-S) dan unsur yang lebih berat dari nikel hingga uranium, akibat supernova nucleosynthesis, proses-R.
Tentu saja, proses alami dari astrofisika ini bukanlah contoh dari teknologi nuklir. Karena daya dorong energi yang tinggi dari inti atom, fusi sulit untuk dilakukan dalam keadaan terkendali (contoh: bom hidrogen). Fusi terkontrol bisa dilakukan dalam akselerator partikel, yang merupakan cara bagaimana unsur sintetis dibuat. Namun fusi nuklir konvensional tidak menghasilkan energi secara keseluruhan, mempercepat partikel dalam jumlah sedikit membutuhkan energi lebih banyak dari pada total energi yang dihasilkan dari fusi nuklir. Kesulitan teknis dan teoritis menghalangi pengembangan teknologi fusi nuklir untuk kepentingan sipil, meski penelitian mengenai teknologi ini di seluruh dunia terus berlanjut sampai sekarang.
Fusi nuklir mulai diteliti pada tahap teoritis ketika Perang Dunia II, ketika para peneliti Proyek Manhattan yang dipimpin oleh Edward Teller menelitinya sebagai metode pembuatan bom. Proyek ini ditinggalkan setelah menyimpulkan bahwa hal ini memerlukan reaksi fisi untuk menyalakan bom. Hal ini terus terjadi hingga pada tahun 1952, peledakkan bom hidrogen pertama dilakukan. Disebut bom hidrogen karena memanfaatkan reaksi antara deuterium dan tritium, isotop dari hidrogen. Reaksi fusi menghasilkan energi lebih besar per satuan massa material dibandingkan reaksi fisi, namun lebih sulit menjadikannya bereaksi secara berantai.

Senjata Nuklir

Artikel utama untuk bagian ini adalah: Senjata nuklir

Senjata nuklir adalah alat peledak yang mendapatkan daya ledaknya dari reaksi nuklir, entah itu reaksi fisi atau kombinasi dari fisi dan fusi. Keduanya melepaskan sejumlah besar energi dari sejumlah kecil massa, bahkan alat peledak nuklir kecil dapat menghancurkan sebuah kota dengan ledakan, api, dan radiasi. Senjata nuklir disebut sebagai senjata pemusnah massal, dan penggunaan dan pengendaliannya telah menjadi aspek kebijakan internasional sejak kehadirannya.
Desain senjata nuklir lebih rumit dibandingkan apa yang terlihat dari luarnya, senjata ini harus menyimpan satu atau lebih massa subkritis yang stabil untuk dibawa, dari pada menginduksi massa kritis untuk peledakan. Kerumitan ini juga dirasakan ketika harus memastikan bahwa reaksi berantai harus menghabiskan sejumlah besar material sebelum material tersebut terpental jauh. Proses pengadaan material nuklir juga lebih rumit dari yang terlihat, substansi nuklir yang tersedia secara alami cukup stabil, sedangkan proses ini memerlukan material nuklir yang tidak stabil.
Satu isotop uranium, yang dinamakan uranium-235, ada secara alami dan tidak stabil, namun selalu ditemukan bercampur dengan isotop uranium-238 yang lebih stabil, yang jumlahnya sekitar 99%. Sehingga, beberapa cara pemisahan isotop berdasarkan perbedaan berat sebesar tiga neutron harus dilakukan untuk mengisolasi uranium-235.
Cara alternatif lainnya, unsur plutonium memiliki isotop yang tidak stabil untuk digunakan dalam proses ini. Plutonium tidak terdapat secara alami, sehingga harus dibuat di reaktor nuklir.
Proyek Manhattan membuat senjata nuklir berdasarkan pada setiap jenis unsur tersebut. Amerika Serikat meledakan senjata nuklir pertama dalam sebuah percobaan dengan nama "Trinity", dekat Alamogordo, New Mexico, pada tanggal 16 Juli 1945. Percobaan ini untuk menguji cara peledakan nuklir. Bom uranium, Little Boy, diledakan di kota Hiroshima, Jepang, pada tanggal 6 Agustus 1945, diikuti dengan peldakkan bom plutonium Fat Man di Nagasaki. Dengan segera ledakan itu menghentikan Perang Dunia II.
Sejak peledakan tersebut, tidak ada senjata nuklir yang dilepaskan secara ofensif. Namun, perlombaan senjata untuk mengembangkan senjata pemusnah massal terjadi. Empat tahun berikutnya, pada 29 Agustus 1949, Uni Soviet meledakkan senjata fisi nuklir pertamanya. Inggris mengikuti pada tanggal 2 Oktober 1952, Prancis pada 13 Februari 1960, dan Cina pada 16 Oktober 1964.
Tidak seperti senjata pemusnah konvensional, cahaya yang intensif, panas, dan daya ledak tidak hanya menjadi komponen mematikan bagi senjata nuklir. Setengah dari korban yang tewas di Hiroshima dan Nagasaki meninggal dua hingga lima tahun setelah ledakan nuklir akibat radiasi.
Senjata radiologis adalah tipe senjata nuklir yang dirancang untuk menyebarkan material nuklir yang berbahaya ke wilayah musuh. Senjata tipe tidak memiliki kemampuan ledakan seperti bom fisi atau fusi, namun mengkontaminasi sejumlah besar wilayah untuk membunuh banyak orang. Senjata radiologis tidak pernah dilepaskan karena dianggap tidak berguna bagi angkatan bersenjata konvensional. Namun senjata tipe ini meningkatkan kekhawatiran terhadap terorisme nuklir.
Telah lebih dari 2000 percobaan nuklir dilakukan sejak tahun 1945. Pada tahun 1963, seluruh negara pemilik dan beberapa negara non pemilik senjata nuklir menandatangani Limited Test Ban Treaty, yang berisi bahwa mereka tidak akan melakukan percobaan senjata nuklir di atmosfer, bawah air, atau luar angkasa. Perjanjian ini masih mengijinkan percobaan nuklir bawah tanah. Prancis melanjutkan percobaan nuklir di atmosfer hingga tahun 1974, Cina hingga tahun 1980. Percobaan bawah tanah terakhir oleh Amerika Serikat dilakukan pada tahun 1992, Uni Soviet pada tahun 1990, dan Inggris pada tahun 1991, sedangkan Prancis dan Cina hingga tahun 1996. Setelah mengadopsi Comprehensive Test Ban Teaty pada tahun 1996, seluruh negara tersebut telah disumpah untuk menghentikan seluruh percobaan nuklir. India dan Pakistan yang tidak termasuk ke dalam negara-negara tersebut melakukan percobaan nuklir terakhirnya pada tahun 1998.
Senjata nuklir adalah senjata yang paling mematikan yang pernah diketahui. Ketika Perang Dingin, dua kekuatan besar memiliki sejumlah besar persenjataan nuklir yang cukup untuk menghancurkan ratusan juta orang. Berbagai generasi manusia hidup dalam bayang-bayang penghancuran oleh nuklir, direfleksikan dalam film-film seperti Dr. Strangelove dan Atomic Cafe.

Penggunaan sipil

Energi nuklir

Energi nuklir adalah tipe teknologi nuklir yang melibatkan penggunaan tekendali dari reaksi fisi nuklir untuk melepaskan energi, termasuk propulsi, panas, dan pembangkitan energi listrik. Energi nuklir diproduksi oleh reaksi nuklir terkendali yang menciptakan panas yang lalu digunakan untuk memanaskan air, memproduksi uap, dan mengendalikan turbin uap. Turbin ini digunakan untuk menghasilkan energi listrik dan/atau melakukan pekerjaan mekanis. Lihat teknologi reaktor nuklir
Saat ini, energi nuklir menghasilkan sekitar 20,8% listrik yang dihasilkan di seluruh dunia (data tahun 2008) dan digunakan untuk menggerakkan kapal induk, kapal pemecah es, dan kapal selam.

Aplikasi medis

Aplikasi medis dari teknologi nuklir dibagi menjadi diagnosa dan terapi radiasi, perawatan yang efektif bagi penderita kanker. Pencitraan (sinar X dan sebagainya), penggunaan Teknesium untuk diberikan pada molekul organik, pencarian jejak radioaktif dalam tubuh sebelum diekskresikan oleh ginjal, dan lain-lain.

Aplikasi industri

Pada eksplorasi minyak dan gas, penggunaan teknologi nuklir berguna untuk menentukan sifat dari bebatuan sekitar seperti porositas dan litografi. Teknologi ini melibatkan penggunaan neutron atau sumber energi sinar gamma dan detektor radiasi yang ditanam dalam bebatuan yang akan diperiksa.
Pada konstruksi jalan, pengukur kelembaban dan kepadatan yang menggunakan nuklir digunakan untuk mengukur kepadatan tanah, aspal, dan beton. Biasanya digunakan cesium-137 sebagai sumber energi nuklirnya.

Apikasi komersial

Ionisasi dari americium-241 digunakan pada detektor asap dengan memanfaatkan radiasi alfa. Tritium digunakan bersama fosfor pada rifle untuk meningkatkan akurasi penembakan pada malam hari. Perpendaran tanda “exit” menggunakan teknologi yang sama.

Pemrosesan makanan dan pertanian

Logo Radura digunakan untuk menunjukkan bahwa makanan tu sudah diberikan ionisasi radiasi.

Irradiasi makanan adalah proses memaparkan makanan dengan ionisasi radiasi dengan tujuan menghancurkan mikroorganisme, bakteri, virus, atau serangga yang diperkirakan berada dalam makanan. Jenis radiasi yang digunakan adalah sinar gamma, sinar X, dan elektron yang dikeluarkan oleh pemercepat elektron. Aplikasi lainnya yaitu pencegahan proses pertunasan, penghambat pemasakan buah, peningkatan hasil daging buah, dan peningkatan rehidrasi. Secara garis besar, irradiasi adalah pemaparan suatu bahan ke radiasi untuk mendapatkan manfaat teknis. Teknik seperti ini juga digunakan pada peralatan medis, plastic, tuba untuk jalur pipa gas, saluran untuk penghangat lantai, lembaran untuk pengemas makanan, bagian-bagian otomotif, kabel, ban, dan bahkan batu perhiasan. Dibandingkan dengan pemaparan irradiasi makanan, volume penggunaan nuklir pada aplikasi tersebut jauh lebih besar namun tidak diketahui oleh konsumen.
Efek utama dalam pemrosesan makanan dengan menggunakan ionisasi radiasi berhubungan dengan kerusakan DNA, informasi dasar kehidupan. Mikroorganisme tidak mampu lagi berkembang biak dan melanjutkan aktivitas mereka. Serangga tidak akan selamat dan menjadi tidak mampu berkembang. Tanaman tidak mampu melanjutkan proses pematangan buah dan penuaan. Semua efek ini menguntungkan bagi konsumen dan industri makanan.
Harus diperhatikan bahwa jumlah energi yang efektif untuk radiasi cukup rendah dibandingkan dengan memasak bahan makanan yang sama hingga matang. Bahkan energi yang digunakan untuk meradiasikan 10 kg bahan makanan hanya mampu memanaskan air hingga mengalami kenaikan temperatur sebesar 2,5 oC.
Keuntungan pemrosesan makanan dengan ionisasi radiasi adalah, densitas energi per transisi atom sangat tinggi dan mampu membelah molekul dan menginduksi ionisasi (tercermin pada nama metodenya) yang tidak dapat dilakukan dengan pemanasan biasa. Ini adalah alasan untuk efek yang menguntungkan, dan di saat yang sama, menimbulkan kekhawatiran. Perlakuan bahan makanan solid dengan radiasi ionisasi dapat menciptakan efek yang sama dengan pasteurisasi bahan makanan cair seperti susu. Namun, penggunaan istilah pasteurisasi dingin dan iradiasi dalah proses yang berbeda, meski bertujuan dan memberikan hasil yang sama pada beberapa kasus.
Iradiasi makanan saat ini diizinkan di 40 negara dan volumenya diperkirakan melebihi 500.000 metrik ton setiap tahunnya di seluruh dunia.
Perlu diperhatikan bahwa iradiasi makanan secara esensial bukan merupakan teknologi nuklir; hal ini berhubungan dengan radiasi ionisasi yang dihasilkan oleh pemercepat elektron dan konversi, namun juga mungkin menggunakan sinar gamma dari peluruhan inti nuklir. Penggunaan di dunia industri untuk pemrosesan menggunakan radiasi ionisasi, menempati sebagian besar volume energi pada penggunaan pemercepat elektron. Iradiasi makanan hanya sebagian kecil dari aplikasi nuklir jika dibandingkan dengan aplikasi medis, material plastik, bahan mentah industri, batu perhiasan, kabel, dan lain-lain.

Kecelakaan

Kecelakaan nuklir diakibatkan oleh energi yang terlalu besar yang seringkali sangat berbahaya. Pada sejarahnya, insiden pertama melibatkan pemaparan radiasi yang fatal. Marie Curie meninggal akibat aplastik anemia yang merupakan hasil dari pemaparan nuklir tingkat tinggi. Dua peneliti amerika, Harry Daghlian dan Louis Slotin, meninggal akibat penanganan massa plutonium yang salah. Tidak seperti senjata konvensional, sinar yang intensif, panas, dan daya ledak bukan satu-satunya komponen mematikan bagi senjata nuklir. Diperkirakan setengah dari korban meninggal di Hiroshima dan Nagasaki meninggal setelah dua hingga lima tahun setelah pemaparan radiasi akibat bom atom.
Kecelakaan radiologis dan nuklir sipil sebagian besar melibatkan pembangkit listrik tenaga nuklir. Yang paling sering adalah pemaparan nuklir terhadap para pekerjanya akibat kebocoran nuklir. Kebocoran nuklir adalah istilah yang merujuk pada bahaya serius dalam pelepasan material nuklir ke lingkungan sekitar. Yang paling terkenal adalah kasus Three Mile Island di Pennsylvania dan Chernobyl di Ukraina. Reaktor militer yang mengalami kecelakaan yang sama adalah Windscale di Inggris dan SL-1 di Amerika Serikat.
Kecelakaan militer biasanya melibatkan kehilangan atau peledakkan senjata nuklir yang tidak diharapkan. Percobaan Castle Bravo pada tahun 1954 menghasilkan ledakan diluar perkiraan, yang mengkontaminasi pulau terdekat, sebuah kapal penangkap ikan berbendera Jepang (dengan satu kematian), dan meningkatkan kekhawatiran terhadap kontaminasi ikan di Jepang. Pada tahun 1950an hingga 1970an, beberapa bom nuklir telah hilang dari kapal selam dan pesawat terbang, yang beberapa di antaranya tidak pernah ditemukan. Selama 20 tahun terakhir telah jadi pengurangan kasus demikian.