Reaksi Fisi

Telah dikemukakan sebelumnya bahwa terdapat empat tipe umum reaksi nuklir, yaitu reaksi fisi, reaksi fusi, transmutasi inti dan peluruhan radioaktif. Dari empat tipe reaksi nuklir tersebut, reaksi fusi dan reaksi fisi adalah dua reaksi nuklir yang cukup dikenal karena aplikasinya yang sangat fenomenal di bidang militer pada saat perang dingin antara USA dan Uni Soviet.

Reaksi fisi adalah proses reaksi nuklir yang terjadi karena inti atom terbelah menjadi partikel-partikel inti yang lebih ringan karena tertumbuk oleh partikel inti lain. Reaksi fisi merupakan reaksi nuklir eksotermis yang akan menghasilkan partikel inti yang lebih ringan (sering disebut produk fisi), beberapa partikel neutron, gelombang elektromagnetik dalam bentuk radiasi sinar gamma, dan sejumlah energi. Gambar disamping ini melukiskan proses reaksi fisi dari inti atom uranium-235 yang tertumbuk oleh sebuah neutron dengan kecepatan rendah (neutron kecepatan rendah sering disebut sebagai neutron termal). Reaksi fisi uranium-235 menghasilkan produk fisi berupa barium-141 dan kripton-92, tiga buah neutron cepat (masing-masing neutron memiliki energi kinetik ~2 MeV), dan sejumlah energi.

Produk fisi dari reaksi fisi uranium-235 bisa saja tidak berupa barium-141 dan kripton-92, tetapi barium-144 dan kripton-90, atau zirkonium-94 dan telurium-139.

Reaksi fisi uranium-235 sangat terkenal karena reaksi nuklir ini mendasari beroperasinya reaktor nuklir yang banyak beroperasi di Dunia. Selain reaksi fisi uranium-235, masih banyak unsur lain yang dapat berfisi. Pada dasarnya semua isotop unsur dalam golongan aktinida yang mempunyai jumlah neutron ganjil pada intinya dapat berfisi. Isotop aktinida yang dapat berfisi tersebut antara lain adalah plutonium-241 (), kurium-243 (), uranium-232 (), kalifornium-241 (), Amerisium-242 (), kalifornium-251 (), kurium-245 (), plutonium-239 (), uranium-233 (), kurium-247 (), uranium-235 ().

Isotop yang dapat berfisi disebut sebagai bahan fisil (fissile material). Dari sekian banyak bahan fisil, empat bahan fisil uranium-233, uranium-235, plutonium-239, plutonium-241 mempunyai arti penting karena sudah diterapkan dalam proses reaksi nuklir di reaktor nuklir. Uranium-235, plutonium-239 dan plutonium-241 digunakan dalam bahan bakar reaktor termal dan reaktor pembiak yang memanfaatkan daur bahan bakar uranium, sedangkan uranium-233 digunakan dalam reaktor yang memanfaatkan daur bahan bakar thorium.

Reaksi fisi uranium-235 tidak akan terjadi dengan begitu saja, terdapat beberapa prasyarat kondisi yang harus dipenuhi agar reaksi fisi uranium-235 terjadi. Salah satu prasyarat yang harus dipenuhi adalah kecepatan atau energi kinetik neutron yang menumbuknya. Neutron dengan kecepatan rendah (energi kinetiknya rendah) mempunyai probabilitas yang lebih tinggi untuk menimbulkan reaksi fisi pada uranium-235 dibandingkan degan neutron dengan energi kinetik yang lebih tinggi.

Dari reaksi fisi uranium-235 dihasilkan 2 hingga 3 buah neutron dengan energi ~2 MeV. Sesuai dengan kurva pada gambar di atas, energi neutron hasil fisi setinggi ~2 MeV sangat kecil untuk menimbulkan reaksi fisi jika menumbuk inti atom uranium-235 yang lain.

Reaksi fisi berantai

Reaksi fisi berantai sangat penting dalam mewujudkan pemanfaatan energi hasil reaksi fisi dalam sebuah reaktor nuklir. Jika kontinuitas reaksi fisi dalam reaktor nuklir terhenti maka dapat berhentinya produksi energi, sehingga produksi energi menjadi diskontinu, suatu kondisi yang tidak diinginkan.

Reaksi fisi berantai

Pada awalnya sebuah neutron menumbuk inti uranium-235 (U-235) dan menimbulkan reaksi yang menghasilkan produk fisi (Ba-141 dan Kr-92) serta 3 buah neutron. Dua dari tiga neutron hasil reaksi fisi itu kemudian menumbuk inti U-235 lainnya dan menimbulkan reaksi fisi berikutnya (reaksi fisi generasi kedua). Neutron hasil fisi dari reaksi fisi kedua ini diharapkan akan menimbulkan reaksi fisi berikutnya (reaksi fisi generasi ketiga), dan selanjutnya kan terjadi reaksi fisi dari generasi ke generasi secara kontinu. Persoalan dalam mewujudkan reaksi fisi berantai timbul karena untuk mewujudkan reaksi fisi U-235 diperlukan neutron lambat, sedangkan neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi U-235 adalah neutron cepat yang sangat sulit untuk memicu reaksi fisi generasi ke generasi. Dalam reaktor nuklir, persoalan ketersediaan neutron lambat dengan energi kinetik rendah diwujudkan dengan menyediakan medium yang bertugas memperlambat (memoderasi) kecepatan neutron, yaitu berupa air. Dengan adanya air sebagai moderator neutron, maka neutron cepat yang dihasilkan dari reaksi fisi U-235 diperlambat kecepatannya sehingga dapat digunakan untuk melangsungkan reaksi fisi berantai dari generasi ke generasi. Bila suatu saat air sebagai bahan moderator menghilang dari dalam reaktor nuklir (oleh karena suatu sebab, misalnya kecelakaan) maka dengan sendirinya reaksi fisi berantai terhenti dan produksi energi juga berhenti dengan sendirinya.

Satu buah neutron lambat (disebut juga neutron termal) dalam reaktor nuklir akan menimbulkan reaksi fisi U-235 yang menghasilkan energi panas ~200 MeV (~8,9 x 10-18 kWh). Ini berarti bahwa sebuah neutron lambat setara dengan ~8,9 x 10-18 kWh. Apabila dari generasi ke generasi jumlah neutron termal dapat dikendalikan sesuai dengan kebutuhan energi, maka realisasi pengendalian reaksi fisi dapat terwujud. Proses pengendalian reaksi fisi berantai ini terjadi dalam sebuah reaktor nuklir. Keberlangsungan reaksi fisi berantai dalam reaktor nuklir sangat labil, sedikit saja kecelakaan yang menguapkan moderator (berupa air), maka reaksi fisi berantai terhenti, demikian pula dengan pembangkitan energi.

Reaksi fisi berantai dapat pula dilangsungkan dalam waktu sangat cepat dengan pelipatan jumlah reaksi yang sangat tinggi, dengan cara ini pembangkitan energi meningkat sangat besar dalam waktu yang sangat singkat. Hasilnya adalah sebuah ledakan nuklir yang dahsyat. Mewujudkan suatu ledakan nuklir dengan uranium-235 tidaklah mudah, harus dilakukan upaya ketersediaan dan peningkatan jumlah neutron dengan energi kinetik yang cocok dalam jumlah besar dalam waktu sesingkat-singkatnya.