BAB I PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang Ada beberapa kategori power/daya yang digunakan, antara lain backbone power, green power dan mobile power. Backbone power adalah sumber energi primer yang selalu tersedia ketika dibutuhkan. Green power berasal dari sumber energi terbarukan yang tidak mengeluarkan polusi. Mobile power digunakan untuk menggerakkan mobil, pesawat dan alat transportasi lainnya. Energi di dunia sebesar 40% digunakan dalam bentuk elektrik, sisanya digunakan untuk pemanasan dan manufaktur. Sumber energi terbarukan tentunya diperlukan untuk membatasi jumlah gas rumah kaca, akan tetapi energi terbarukan seperti angin, matahari dan air belum memadai untuk menjadi sumber energi primer yang harus mensuplai energi secara kontinu dan masif. Penelitian terus dilakukan untuk meningkatkan kontribusi dari sumber energi terbarukan. Saat ini sumber energi terbarukan baru dapat digunakan untuk melengkapi sumber primer. Backbone power mensuplai energi yang dibutuhkan oleh manusia, mendukung kehidupan manusia dalam menjalankan aktivitas normalnya. Ada 3 sumber energi yang dikategorikan sebagai backbone power yaitu bahan bakar fosil, fisi dan fusi. Reaksi fusi memenuhi persyaratan sebagai backbone power, sustainable dan clean [1]. Dalam reaksi fusi, unsur-unsur yang ringan (massa atom kecil) digabungkan menjadi unsur-unsur yang lebih berat. Unsur-unsur yang lebih berat ini memiliki massa yang sedikit lebih kecil dibandingkan dengan unsur-unsur yang bergabung. Pelepasan energi fusi disebabkan oleh perbedaan massa tersebut. Reaksi fusi yang sering digunakan dalam percobaaan reaktor fusi dengan pengungkungan magnetik adalah reaksi deuterium (D) dengan tritium (T). Reaksi penggabungan D dengan T akan menghasilkan 1 partikel alfa (4He) dengan energi sebesar 3,5 MeV dan 1 partikel neutron (n) dengan energi sebesar 14,1 MeV. Reaksi D-T sering digunakan
1
2
karena tampang lintang tabrakan reaksi fusi D-T merupakan yang terbesar dan terjadi pada suhu yang terendah bila dibandingkan dengan reaksi fusi lainnya [2].
Gambar 1.1. Tampang lintang interaksi berbagai reaksi fusi [2]. Terdapat 5x1016 kg deuterium di lautan, dengan penggunaan 100 kg deuterium per reaktor (1000 MW) per tahun, maka reaksi fusi D-T dapat dilakukan selama 30 miliar tahun [1]. Berbeda dengan deuterium yang melimpah, tritium merupakan sumber daya yang secara alamiah sangat terbatas dan bersifat radioaktif. Tritium akan meluruh menjadi 3He, 1 elektron dan 1 antineutron dengan waktu paruh selama 12,3 tahun. Oleh karena itu, tritium hanya efektif digunakan beberapa tahun setelah manufakturnya. Tritium dapat dihasilkan dari reaksi nuklir, yaitu reaksi neutron dengan litium. Litium merupakan salah satu unsur yang kaya di bumi, terdiri dari 2 isotop yakni 92,6% 7Li dan 7,4% 6Li [3]. Litium-7 hanya bereaksi pada neutron fast menghasilkan tritium, partikel alfa dan neutron sedangkan
litium-6 hanya bereaksi pada neutron termal menghasilkan tritium,
partikel alfa dan energi sebesar 4,8 MeV. Persamaan reaksi yang menghasilkan tritium adalah sebagai berikut [1]: n (thermal) + 6Li T + 4He + 4,8 MeV
(1.1)
3
n (fast) + 7Li T + 4He + n - 2,5 MeV
(1.2)
Untuk operasi reaktor fusi dengan daya sebesar 1000 MW selama 1 tahun dibutuhkan 150 kg tritium. 300 kg litium dibutuhkan untuk menghasilkan tritium sebanyak itu. Terdapat 1011 kg litium di daratan dan 1014 kg di lautan, bila kebutuhan energi di dunia di suplai seluruhnya dengan energi fusi maka litium dapat digunakan untuk 30 juta tahun [1]. International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) merupakan reaktor penelitian fusi internasional dan titik kulminasi dari berbagai penelitian fusi yang telah dilakukan. ITER merupakan proyek eksperimen ilmiah dalam skala besar yang bertujuan untuk mendemonstrasikan kelayakan teknologi dan science energi fusi. Selama masa operasionalnya, ITER akan menguji berbagai teknologi yang dibutuhkan untuk langkah berikutnya yaitu demonstrasi reaktor fusi untuk membuktikan bahwa energi fusi dapat digunakan secara komersial [4]. Salah satu ukuran reaksi fusi dapat digunakan untuk kormersial adalah nilai Tritium Breeding Ratio (TBR) lebih dari 1. TBR didefinisikan sebagai perbandingan antara tritium yang dibiakkan dengan tritium yang digunakan sebagai bahan bakar [3]. Sebelumnya telah dilakukan penelitian pada blanket reaktor International Tokamak Reactor (INTOR) yang merupakan proyek penelitian reaktor fusi internasional yang pertama dengan variasi material blanket metal cair dan metal padat. Dalam penelitian tersebut diketahui bahwa rasio pembiakkan material metal cair lebih besar dibandingkan metal padat, ketebalan first wall dan pendingin (H2O dan D2O) berbanding terbalik dengan nilai TBR, dan ketebalan neutron multiplier (Pb) berbanding lurus dengan nilai TBR [5]. Penelitian rekayasa bagian blanket reaktor ITER untuk pembiakan tritium telah dilakukan dengan rekayasa material blanket menggunakan keramik Li4SiO4 dan Li2TiO3. Dalam penelitian tersebut didapatkan nilai TBR sebesar 1,069-1,147 (variasi pengkayaan 6Li 40%-90%) menggunakan keramik Li4SiO4 sebagai material blanket dan nilai TBR sebesar 1,185 (pengkayaan 6Li 90%) menggunakan keramik Li2TiO3 sebagai material blanket [6,7].
4
Selain menggunakan keramik Li4SiO4 dan Li2TiO, telah dilakukan juga rekayasa blanket ITER dengan menggunakan Li2C2 dengan pengkayaan 6Li 7,42% dan bentuk geometri bola litium setebal 50 cm dilapisi dengan karbon setebal 20 cm sebagai material pengisi blanket dan didapatkan nilai TBR sebesar 1,13 [8]. Berdasarkan penjelasan dan berbagai pertimbangan terhadap penelitian sebelumnya, maka akan dilakukan penelitian lanjutan dengan mengganti pendingin pada blanket ITER dari air menjadi LiF, menambahkan moderator pada bagian blanket ITER, menambahkan neutron multiplier (Be2C) pada bagian blanket ITER, dan mengubah perbandingan ukuran volume moderator dan pendingin pada blanket ITER. Dengan menyusun geometri blanket yang tepat maka diharapkan akan didapatkan nilai TBR yang optimal untuk mendukung sustainability tritium. Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan referensi desain blanket reaktor fusi yang optimal untuk pembiakan tritium.
I.2. Perumusan Masalah Berdasarkan uraian di atas, beberapa poin penting dapat dirumuskan kaitannya dengan TBR ketika terjadi perubahan bentuk blanket ITER, yaitu: a. Bagaimana pengaruh konsentrasi 6Li terhadap nilai TBR? b. Bagaimana pengaruh moderasi neutron terhadap nilai TBR? c. Bagaimana pengaruh neutron multiplier terhadap nilai TBR? d. Bagaimana pengaruh ukuran volume moderator dan pendingin terhadap nilai TBR?
I.3. Batasan Masalah a. Permodelan reaktor fusi dilakukan dengan acuan reaktor ITER dengan beberapa modifikasi. b. Plasma reaksi D-T dimodelkan sebagai sumber neutron. c. Tritium hasil pembiakan yang dikaji adalah tritium hasil interaksi neutron termal dengan litium-6. d. Tritium yang lost (hilang) tidak diperhitungkan pada penelitian ini.
5
e. Simulasi dilakukan dengan menggunakan program Monte Carlo NParticle Extended. f. Moderator, neutron multiplier memiliki variasi materi, konsentrasi dan ketebalan. g. Pendingin bervariasi dalam konsentrasi dan volume.
I.4. Tujuan Berdasarkan rumusan masalah yang telah diuraikan di atas, penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh konsentrasi 6Li, konsentrasi Be2C, dan ukuran volume moderator dan pendingin blanket terhadap nilai TBR dan mendapatkan desain blanket yang optimal untuk pembiakan tritium.
I.5. Manfaat Manfaat yang didapatkan dari penelitian ini adalah mendapatkan bentuk desain blanket reaktor fusi yang optimal dalam aspek neutronik untuk pembiakkan tritium sehingga turut mendukung pengembangan reaktor fusi menjadi reaktor komersial.
