ENERGI NUKLIR SALAH SATU SOLUSI KRISIS ENERGI LISTRIK

Abstraksi

             Kebutuhan energi   listrik  dari tahun ke tahun semakin meningkat seiring dengan perkembangan peradaban manusia. Sementara penyediaan dan pemanfaatan energi listrik dari  batu bara dan minyak bumi  mengalami keterbatasan-keterbatasan dan juga menimbulkan pencemaran lingkungan dalam jangka panjang. Di sisi lain, energi listrik dari sumber terbarukan seperti tenaga surya, panas bumi, angin, biomassa, arus laut hingga ombak belum bisa dimanfaatkan secara maksimal. Penggunaan energi listrik alternatif (PLTN) sangatlah dibutuhkan untuk menopang keterbatasan-keterbatasan pada sumber energi yang berasal dari minyak bumi dan batu bara. Energi nuklir dapat digunakan jutaan tahun sedangkan batu bara, minyak bumi,dan gas alam hanya mampu digunakan hanya dalam rentang ratusan tahun. Pemanfaatan teknologi nuklir untuk pembangkit tenaga listrik adalah solusi terbaik manakala belum ada teknologi baru yang mampu menyediakan energi listrik secara besar-besaran dengan aman dan ekonomis. Bayangan akan Bom Atom dan kecelakaan radiasi nuklir sudah selayaknya dibuang jauh-jauh dan dijadikan sebuah pelajaran berharga dalam penggunaan energi nuklir, tidak lagi dijadikan alasan yang dapat menghambat pemanfaatan energi nuklir sebagai alternatif pasokan kebutuhan energi listrik dunia.

Pendahuluan

             Kebutuhan energi  dari tahun ke tahun semakin meningkat seiring dengan perkembangan peradaban manusia. Sementara penyediaan dan pemanfaatan energi  batu bara dan minyak bumi  mengalami keterbatasan-keterbatasan dan juga menimbulkan pencemaran lingkungan dalam jangka panjang. Berdasarkan data dari United Nation Long-Range World Population Projections, pada 2001, bumi yang sudah sangat tua ini dihuni oleh 6 milyar jiwa, populasi dunia pada 2015 akan bertambah menjadi 7.2 milyar jiwa, pada 2025 naik menjadi hampir 8 milyar jiwa dan akan menjadi 9.3 milyar jiwa di tahun 2050. Pertumbuhan penduduk dunia yang cepat ini akan berakibat pada penyusutan sumber daya alam tak terbarukan secara cepat pula. Hal ini disebabkan pemenuhan kebutuhan energi dunia, di mana kebutuhan energi primer global mencapai 87% dan energi listrik sebesar 63%, berasal dari bahan bakar fosil. Oleh karenanya minyak bumi dengan kapasitas yang tersedia secara global sebesar 1.195 triliun barel, dapat digunakan hingga 43 tahun. Batu bara, dengan cadangan global 1.316 triliun ton akan habis digunakan selama 231 tahun. Sementara gas alam mempunyai cadangan global 144 triliun m³, dapat digunakan tidak lebih dari 62 tahun. Cadangan global uranium diperkirakan sekitar 4.36 juta ton. Dalam reaktor nuklir, bahan bakar nuklir yang sudah dipergunakan dapat didaur ulang, jika hal ini dilakukan pada pembangkit listrik tenaga nuklir di dunia, semua sisa uranium dapat menjadi suplai energi untuk ribuan tahun. Selain itu di dunia juga diketahui tersedia kurang lebih 4 miliar ton uranium dalam konsentrasi rendah di lautan dan terdapat thorium, zat lain yang dapat dipergunakan sebagai bahan bakar nuklir, sebanyak tiga kali jumlah uranium. Oleh karenanya energi nuklir dapat digunakan hingga jutaan tahun sedangkan batu bara, minyak bumi,dan gas alam hanya mampu digunakan hanya sampai ratusan tahun ^[1].

Data kontribusi Sumber daya energi untuk pembangkit listrik dan energi primer skala dunia

             Densitas energi yang di hasilkan dari bahan baker nuklir sangat tinggi, lebih tinggi dibandingkan dengan batu bara ataupun minyak bumi. Sebagai ilustrasi, dalam 1 kg uranium dapat menghasilkan energi listrik sebesar 50.000 kWh bahkan dengan proses lebih lanjut dapat mencapai 3.500.000 kWh^[1]..Reaksi pembelahan Uranium 235 bisa menghasilkan energi thermal sebesar 17 miliar kilo kalori atau setra dengan energi dari pembakaran 2,4 jta ton batu bara ^[2]. Sementara 1 kg batu bara dan 1 kg minyak bumi hanya dapat menghasilkan energi sebesar 3 kWh dan 4 kWh . Pada sebuah pembangkit listrik non-nuklir berkapasitas 1000 MWe diperlukan 2.600.000 ton batu bara atau 2,000,000 ton minyak bumi sebagai bahan bakarnya. Sementara pada pembangkit listrik tenaga nuklir dengan kapasitas listrik yang sama hanya memerlukan 30 ton uranium dengan teras reaktor 10 m³, sebagai bahan bakarnya. Saat ini, kontribusi energi nuklir terhadap pasokan kebutuhan energi primer dunia sekitar 6% dan pasokan kebutuhan energi listrik global sekitar 17%^[1]. Satu kilogram uranium setara dengan 1000 - 3000 ton batu bara atau setara dengan 160 truk tangki minyak diesel yang berkapasitas 6.500 liter^[5]. Energi termal yang dihasilkan dari hasil pembelahan atom ini luar biasa besar. 

          Di sisi lain, energi terbarukan seperti tenaga surya, panas bumi, angin, biomassa, arus laut hingga ombak belum bisa dimanfaatkan secara maksimal.  Penggunaan energi nuklir sebagai energi alternatif sangatlah efisien untuk menggantikan sumber energi yang tidak terbarukan (minyak bumi dan batu bara) dengan segalaketerbatasannya.  Namun pemanfaatan energi nuklir pembangunannya membutuhkan persiapan yang matang dan lama, karena memerlukan system keselamatan dan keamanan yang canggih, serta memerlukan ilmu pengetahuan dan teknologi yang tinggi agar tidak menimbulkan masalah besar pada massa pra operasi, oprerasi dan pasca operasi. Bayangan akan Bom Atom dan kecelakaan radiasi nuklir sudah selayaknya dibuang jauh-jauh dan dijadikan sebuah pelajaran berharga tidak lagi dijadikan alasan yang dapat menghambat pemanfaatan energi nuklir sebagai alternatif pasokan kebutuhan energi listrik dunia.

Reaktor nuklir merupakan sumber radiasi yang lengkap, karena selain macam radiasinya, (yaitu alfa, beta, gamma, deutron, proton sampai netron cepat dan netron lambat, juga intensitas dan fluknya cukup besar^[6].  Radiasi dari nuklir sangat kompleks, karena penggunaannya harus direncanakan dengan seksama. Kebutuhan manusia dalam konsep humanistik akan rasa aman dari radiasi, kemungkinan kebocoran limbah nuklir, gangguan human error, kemungkinan hancurnya reaktor oleh gempa tektonik dan rasa tentram tidak mengalami gangguan psikologis (stres) berkepanjangan karena dekat dengan lokasi reaktor adalah faktor- faktor yang harus diperhatikan  manakala pembangunan reaktor akan dimulai.

Dalam kesempatan ini kami akan mengkaji pemanfaatan energi nuklir untuk pembangkit tenaga listrik (PLTN) sebagai satu solusi penyediaan kebutuhan energi dimasa mendatang. Hal ini dikarenakan  penyediaan kebutuhan akan energi yang terus meningkat seiring dengan berkembangnya peradaban manusia. Dilain pihak eksploitasi penyediaan  energi non nuklir selama ini mengalami keterbatasan-keterbatasan baik material maupun teknologinya. Kondisi inilah yang menyebabkan ketertarikan kami membahas pemanfaatan energi nuklir sebagai satu solusi krisis energi yang dihasilkan dari reaksi fisi nuklir. Reaksi fisi ini dipilih karena sudah lama dikembangkan dan dimanfaatkan  oleh sebagian negara di dunia sebagai pemasok energi untuk kebutuhan pembangkit tenaga listrik.

Bahan Bakar Nuklir

                 Bahan bakar nuklir adalah semua jenis material yang dapat digunakan untuk menghasilkan  energi nuklir, demikian bila dianalogikan dengan bahan bakar kimia yang dibakar untuk menghasilkan energi. Hingga saat ini, bahan bakar nuklir yang umum dipakai adalah unsur berat fisil (uranium) yang dapat menghasilkan reaksi nuklir berantai di dalam reaktor nuklir.

Bahan bakar nuklir fissil yang sering digunakan adalah ²³⁵U dan ²³⁹Pu, dan kegiatan yang berkaitan dengan penambangan, pemurnian, penggunaan dan pembuangan dari material-material ini termasuk dalam siklus bahan bakar nuklir. Siklus bahan bakar nuklir penting adanya karena terkait dengan PLTN. Tidak semua bahan bakar nuklir digunakan dalam reaksi fisi berantai,  sebagai contoh ²³⁸Pu digunakan untuk menghasilkan sejumlah daya nuklir melalui proses peluruhan radio aktif dalam generator radio thermal.Bahan bakar nuklir tradisional yang digunakan di USA dan beberapa negara yang tidak melakukan mendaur ulang bahan bakar nuklir bekas mengikuti empat tahapan seperti yang tampak dalam gambar di bawah. Proses di bawah berdasarkan siklus bahan bakar nuklir. Pertama, uranium diperoleh dari pertambangan. Kedua, uranium di proses menjadi "yellow cake". Langkah berikutnya bisa berupa mengubah "yellow cake"  menjadi UF₆ guna proses pengkayaan dan kemudian diubah menjadi uranium dioksida, atau tanpa proses pengkayaan untuk kemudian langsung ke tahap 4^[3].

Gambar 1. Bahan bakar nuklir untuk reaksi fisi

1. Uranium core - material dasar bahan bakar nuklir                          

2 Yellowcake bentuk uranium guna dikirim ke pabrik pengkayaan Uranium                                                               

   

3 UF6 - uranium  dalam pengkayaan

 

4 Bahan bakar nuklir - berbentuk padat, secara kimia bersifat inert

  

Reaksi Nuklir

               Dalam  fisika nuklir, sebuah reaksi nuklir adalah sebuah proses dimana dua nuklei atau  partikel subatomik bertubrukan, untuk memproduksi hasil yang berbeda dari produk awal. Secara garis besar reaksi fisi yang terjadi antara neutron dengan isotop uranium (²³⁵U) dalam reaktor nuklir dapat digambarkan sebagai berikut: Neutron dengan energi berkisar 0,025 eV akan bereaksi dengan atom ²³⁵U menjadi ²³⁶U yang sangat tidak stabil, kemudian dalam waktu sangat singkat ²³⁶U pecah (fision) menjadi dua buah produk fisi X₁ dan X₂ serta neutron dan energi ( gb. 2 ). Reaksi ini dapat dirumuskan sebagai berikut:                        n  +  ²³⁵U  →   ²³⁶U  →  X₁  +  X₂  +  n  +  E

Energi dari reaksi fisi (E) sebagian besar akan dibawa oleh produk fisi dalam bentuk energi kinetik yang terdeposisikan di dalam medium bahan bakar nuklir dalam bentuk panas akibat pergerakan produk fisi. Energi panas ini kemudian diambil untuk pembangkitan energi listrik pada sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Pengambilan panas dari inti reaktor bisa dengan mempergunakan media air, seperti yang umum dipergunakan pada PLTN saat ini^[3].

Gambar 2. Reaksi Fisi

Energi  Nuklir

  Untuk menghitung energi yang dihasilkan dari reaksi nuklir, perubahan massa isotop sebelum dan sesudah reaksi  diperhitungkan. Dimana jumlah massa yang hilang dikalikan dengan kuadrat kecepatan cahaya, hasilnya sama dengan energi yang dilepaskan dalam reaksi itu. Berikut contoh perhitungan energi yang dihasilkan dari reaksi fisi^[3]:

Tabel Isotop

No	Isotop	Massa (sma)
1 2 3 4 5	235U 1n 95Mo 39La 21n	235,124      1,009    94,946 138,995     2,018

Sumber: Energi yang dipancarkan oleh fisi

U235 + n1       U236            Mo95  + La139 + 2n1 + b

               235,124 + 1,009               94,946 + 138,995 + 2,018

               236,133                           235,919     

Massa hilang         = 236,133- 235,919

                              = 0,214 sma                                              

                    E        = mc2  

                     c2      = 21,48 Mt TNT/Kg

 Massa 1 sma akan setara dengan 931.5 MeV

               E = 0,214   x   931.5 MeV

               E = 199,2 MeV  

               E = 200 MeV            (dibulatkan

U235 + n1      U236     Mo95  + La139 + 2n1 + b + 199,2 MeV

Massa yang hilang sebanyak 0,09 %<?xml:namespace prefix = o />

               0,09 % x faktor c2 (21,48 Mt TNT/Kg) = 1,95 kt/kg

Jadi jumlah energi yang bisa dihasilkan melalui reaksi fisi nuklir berbahan materi 

U235 + n1 = 1,95 kt/kg = 1950 ton TNT/kg

Rata-rata kandungan energi nuklir

Berikut adalah jumlah energi fisi nuklir yang bisa dihasilkan per kg materi:

   Uranium-233:        =  17800  Ton TNT/ kg

   Uranium-235:        =  17600 Ton TNT/ kg

   Plutonium-239:   =  17300 Ton TNT/ kg

Reaktor Nuklir

Dalam reaktor nuklir terjadi proses pemecahan inti atom atau yang lebih dikenal dengan proses fisi, yaitu bahan bakar dipecah dengan penembakan neutron. Pemecahan ini menghasilkan energi dan partikel-partikel. Energi yang dihasilkan sangat besar, yaitu sekitar 200 MeV, dan partikel dasar yaitu photon, elektron, dan neutron. Neutron yang baru terbentuk ini akan menembak atom disampingnya. Demikian seterusnya sehingga reaksi ini dinamakan reaksi berantai (chain reaction) [3].   

Tipe reaktor nuklir di dunia yang sering digunakan adalah tipe LWR (Light Water Reactor), tipe ini menggunakan air biasa sebagai moderator (pengontrol kecepatan neutron) sekaligus menghasilkan uap air yang kemudian digunakan untuk menggerakan turbin. Di Amerika, BWR (Boiling Water Reactor) dan PWR (Pessurized Water Reactor) adalah jenis LWR yang banyak digunakan.

Daya nuklir menghasilkan energi yang digunakan untuk pembangkit panas dan pembangkit listrik. Penggunaan daya nuklir guna kepentingan manusia saat ini masih terbatas pada reaksi fisi nuklir dan peluruhan radioaktif.

Gambar 3. Bagan reaktor Nuklir

Gambar 4. Reaktor Nuklir 

Teras sebuah reaktor kecil yang digunakan untuk penelitian

Reaktor nuklir adalah tempat terjadinya reaksi fisi berantai, diatur dan dijaga kesinambungannya pada laju yang tetap (berlawanan dengan bom nuklir dimana reaksi berantai terjadi pada orde pecahan detik, reaksi ini tidak terkontrol) dijaga kesinambungannya pada laju yang tetap. Reaktor nuklir digunakan untuk banyak tujuan. Saat ini, reaktor nuklir paling banyak digunakan untuk membangkitkan listrik dan reaktor penelitian yang digunakan untuk pembuatan radio isotop (isotop radioaktif) dan untuk penelitian. Awalnya, reaktor nuklir pertama digunakan untuk memproduksi plutonium sebagai bahan senjata nuklir.

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) adalah stasiun pembangkit listrik thermal di mana panas yang dihasilkan diperoleh dari satu atau lebih reaktor nuklir pembangkit listrik. PLTN termasuk dalam pembangkit daya base load, yang dapat bekerja dengan baik ketika daya keluarannya konstan (meskipun boiling water reactor dapat turun hingga setengah dayanya ketika malam hari). Daya yang dibangkitkan per unit pembangkit berkisar dari 40 MWe hingga 1000 MWe^[3].

Pada prinsipnya sistem kerja pembangkit listrik tenaga nuklir atau PLTN tidak ubahnya seperti prinsip kerja dari sebuah pembangkit listrik yang memanfaatkan panas sebagai pembangkit uap. Uap air yang bertekanan tinggi digunakan untuk menggerakkan turbin, kemudian turbin menggerakkan generator, dan generator menghasilkan listrik.

Gambar 5 Pembangkit listrik Tenaga Nuklir

 

            Perbedaan utama antara PLTN dengan pembangkit listrik tenaga konvensional adalah terletak pada pemanfaatan bahan bakar yang digunakan untuk menguapkan air. Pada pembangkit listrik konvensinal untuk menghasilkan panas menggunakan bahan bakar berupa minyak, gas alam, ataupun batubara (energi fosil). Sementara pada PLTN menggunakan uranium ataupun plutonium yang direaksikan dengan neutron dalam sebuah reaksi fisi yang akan menghasilkan panas untuk kemudian membangkitkan uap bertekanan tinggi guna memutar turbin. Dalam pembangkit listrik konvensional, air diuapkan di dalam suatu ketel melalui pembakaran fosil (minyak, batubara, dan gas). Uap yang dihasilkan dialirkan ke turbin uap yang akan bergerak apabila ada tekanan uap. Perputaran turbin selanjutnya digunakan untuk menggerakkan generator, dan generator menghasilkan tenaga listrik. PLTN beroperasi dengan prinsip yang sama seperti PLK, hanya panas yang digunakan untuk menghasilkan uap tidak dihasilkan dari pembakaran bahan fosil, tetapi dihasilkan dari reaksi pembelahan inti bahan fisil (Uranium) di dalam suatu reaktor nuklir. Tenaga panas tersebut digunakan untuk membangkitkan uap di dalam sistem pembangkit uap (Steam Generator) dan selanjutnya sama seperti pada PLK, uap digunakan untuk menggerakkan turbin, turbin menggerakkan generator, dan generator menghasilkan listrik. Sebagai pemindah panas biasa digunakan air yang disirkulasikan secara terus menerus selama PLTN beroperasi.

Gambar 6.Pembangkit listrik Tenaga Nuklir  

Sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir. Reaktor nuklir di kungkung dalam

containment building silindris

Sebuah PLTN uap air non radio aktif keluar dari menara pendingin yang berbentuk hyperboloid.Reaktor nuklir terletak didalam containmentbuilding yang berbentuk silindris

Keuntungan dan kekurangan PLTN

Keuntungan PLTN dibandingkan dengan pembangkit daya utama lainnya adalah:

·         Tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca (selama operasi normal) gas rumah kaca hanya dikeluarkan ketika Generator Diesel Darurat dinyalakan dan hanya sedikit menghasilkan gas).

·         Tidak mencemari udara  tidak menghasilkan gas-gas berbahaya sepert karbon monoksida, sulfur dioksida, aerosol, mercury, nitrogen oksida, partikulate atau asap fotokimia.

·         Sedikit menghasilkan limbah padat (selama operasi normal).

·         Biaya bahan bakar rendah - hanya sedikit bahan bakar yang  diperlukan.

·         Ketersedian bahan bakar yang melimpah - sekali lagi, karena sangat sedikit bahan bakar yang diperlukan.

Kekurangan PLTN:

·         Resiko kecelakaan nuklir. Sebagai contoh kecelakaan nuklir terbesar adalah kecelakaan Chernobyl  (yang tidak mempunyai containment building).

·         Limbah nuklir. Limbah Nuklir tingkat tinggi yang dihasilkan dapat bertahan hingga ribuan tahun.

 Penutup

           Pemanfaatan teknologi nuklir untuk pembangkit tenaga listrik adalah solusi terbaik manakala belum ada teknologi baru yang mampu menyediakan energi listrik secara besar-besaran dengan aman dan ekonomis. Segala upaya telah dilakukan untuk meminimalisasi resiko kecelakaan nuklir dan limbah nuklir sehingga sesuai tujuan penggunaaan teknologi nuklir  bagi kehidupan manusia dalam konsep energi maupun dalam konsep humanistik akan rasa aman dari radiasi dapat terpenuhi. Investasi pada penelitian daur ulang bahan bakar nuklir terus berlanjut, dan dengan prediksi beberapa ahli akan kelangkaan listrik , peningkatan harga bahan bakar fosil dan perhatian akan emisi gas rumah kaca akan menyadarkan pada kita akan kebutuhan  menggunakan teknologi nuklir sebagai sumber energi. Negara-negara maju sedah mulai menggunakan teknologi nuklir, tinggal negara-negara berkembang untuk  mengikuti jejaknya. Iraha EUY Indonesia?

 Pustaka:

 [1]. Anang, Energi  Nuklir  Sebagai  Alternative  Pasokan  Energi  Listrik Dunia, Wikipedia, 2007

[2]. BATAN, Pengenalan PLTN, Wikipedia, 2007.

[3]. Ensiklopedi Bebas Berbahasa Indonesia, Siklus Bahan Bakar Nuklir, Wikipedia, 2007.

[4]. M. Nur GD, Bagaimana PLTN Menghasilkan Listrik, Pikiran Rakyat,1997.

[5]. Mochamad Wijanarko, Membaca Peta Konflik PLTN Muria, Suara Merdeka, 1997.

[6]. Sutiono Budiman Tamat, Sumber Radiasi, Dinamika Bandung, 1993.