X. REAKSI FISI Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Konsep Dasar Reaksi Fisi • Distribusi Energi Fisi • Reaksi Berantai 10.1 REAKSI FISI TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Fisi, mahasiswa diharapkan dapat: • Menjelaskan konsep dasar reaksi fisi • Distribusi massa hasil belah fisi Raeksi fisi nuklir atau sering disingkat reaksi fisi adalah reaksi pembelahan inti berat menjadi dua buah inti lain yang lebih ringan. Karena energi ikat pernukleon inti yang lebih ringan lebih besar dibandingkan dengan energi ikat pernukleon inti yang berat, maka dalam reaksi ini akan dibebaskan energi. Contoh reaksi fisi: 146 87 1 U + 01n→236 92 U → 57 La + 35 Br + 3 0 n + Q
235 92
Inti atom isotop uranium-235 ditembak dengan netron lambat. Dalam reaksi awal terbentuk terlebih dahulu uranium-235 yang tidak stabil dan segera meluruh. Peluruhan uranium yang tidak stabil ini pecah menjadi dua inti yang lebih ringan. Hasil belah fisi menjadi dua grup: inti ringan dengan nomer massa 80-100 dan inti berta dengan nomer massa 125-155. Banyak sekali pasangan yang bisa dihasilkan dalam reaksi ini. Isotop hasil belah yang probabilitasnya paling besar adalah inti yang memiliki nomor massa 95 dan
Persentase realtif hasil belah fisi
139, yakni 6,4%
9
13
Nomor Massa Gambar 10.1. Distribusi Hasil Belah Fisi 74
Pasangan ini dinamakan fragmen fisi primer. Selain fragmen fisi primer, juga dihasilkan netron cepat setelah reaksi langsung. Rata-rata dalam reaksi nuklir itu akan dihasilkan 2-3 netron cepat. Produksi fisi primer (dalam hal ini, misalnya La dan Br) yang juga merupakan inti tidak stabil yang kelebihan netron dan akan meluruh menjadi produk yang stabil. Inti yang dihasilkan dalam reaksi ini disebut produk fisi. Energi yang dihasilkan dalam reaksi inti ini sangat besar. Selisih energi ikat antara energi ikat sebelum reaksi dan sesudah reaksi sekitar 0,9 MeV pernukleon. Karena nukleon yang terlibat sebanyak 236, maka akan diperoleh energi sebesar sekitar 200 MeV setiap kali terjadi reaksi nuklir. Pada umumnya, setiap reaksi yang berbeda memiliki energi yang
Energi ikat per nukleon (MeV)
berbeda pula.
56
Fe
10
238
U
8 6 4 2
Fisi 40
80 100 140 Nomor Mass A
200
240
Gambar 10.2. Pembebasan Energi Pada Reaksi Fisi
10.2 DISTRIBUSI ENERGI FISI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Distribusi Energi Fisi, mahasiswa diharapkan dapat: • Menjelaskan dan menghitung energi yang dibebaskan pada reaksi fisi • Menjelaskan distribusi energi pada reaksi fisi Distribusi energi rata-rata yang dilepaskan tiap fisi uranium-235 ditunjukkan dalam tabel 10.1 :
75
Tabel 10.1. Distribusi Energi Setelah Fisi Uranium-235 Energi Langsung dari Fisi Energi kinetik untuk hasil fisi
Energi Tunda dari Fisi
167 MeV Partikel beta dari hasil Fisi
7 MeV
Energi kinetik untuk netron
5 MeV
Sinar gamma dari hasil Fisi
6 MeV
Energi langsung sinar
5 MeV
Neutrino-neutrino
10 MeV
Energi Total Tunda
23 MeV
Gamma Energi sinar Gamma
10 MeV
dari tangkapan radiatif
__________
Energi total langsung
187 MeV
Semua energi dilepaskan, dengan pengecualian energi nuetrino yang diubah menjadi panas yang melewati beberapa proses. Hasil belah fisi bermuatan positif dan memiliki energi kinetik yang tinggi, menyebabkan ionisasi pada atom-atom sekitar. Dalam proses ionisasi ini, energi kinetik ditransfer ke atom-atom bahan material di sekitarnya dan menghasilkan kenaikan temperatur. Partikel beta dan sinar gamma juga menaikkan suhu sekitar melalui proses ionisasi. Sementara netron-netron hasil fisi berinteraksi dengan atom-atom material di sekitanya dan kehilangan energi lewat hamburan elastik. Energi 200 MeV dilepaskan tiap fisi. Namun ada kira-kira sekitar tujuh persen (13 MeV) dilepaskan agak tertunda beberapa saat setelah fisi berlangsung. Saat reaktor dimatikan, fisi-fisi sesungguhnya berhenti, namun beberapa energi masih dilepaskan dari peluruhan hasil fisi. Panas yang dihasilkan oleh energi peluruhan di namakan panas peluruhan. Panas peluruhan yang dihasilkan cukup signifikan, sehingga harus dilengkapi suatu sistem untuk menjaga reaktor tetap dingin saat setelah reaktor dimatikan.
Contoh Dalam suatu rangkaain proses uranium-235 membentuk uranium 236 yang kemudian mengalami fisi. Fisi tersebut selanjutnya menghasilkan peluruhan-peluruhan berikutnya. Jika hasil fisi awal adalah
143 56
Ba dan
90 36
Kr . a. Ilustrasikan proses yang dijalani hingga
menjadi inti stabil akhir dan b. tentukan energi yang dilepas. Jawab a. Proses awalnya 01 n+ 235 92 U → 143 56
[
]
*
90 1 U →143 56 Ba + 36 Kr +3 0 n
236 92
Ba kemudian memulai peluruhan beta
76
143 56
− Ba→143 57 La + e + ν 143 58
Ce + e − + ν 143 59
Pr + e − + ν 143 60
143 60 90 36
Nd adalah inti stabil.
90 36
Nd + e − + ν
Kr memulai peluruhan beta
Kr → 3790 Rb + e − + ν 90 38
Sr + e − + ν Y + e − +ν
90 39
90 40 90 40 1 0
Zr + e − + ν
Zr adalah inti stabil.Sehingga reaksi totalnya kemudian menjadi
n+ 235 92 U →
[
]
90 1 − U →143 60 Nd + 40 Zr +3 0 n + 8e + 8ν
236 92
*
b. Karena massa e dan v terlalu kecil, maka bisa diabaikan Q = [mU + mn − m Nd − m Zr − 3mn ](931,5 MeV / sma ) = 197,6 MeV
10.3 REAKSI BERANTAI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Berantai, mahasiswa diharapkan dapat: • Menjelaskan konsep reaksi fisi berantai tak terkendali • Menjelaskan konsep reaksi fisi berantai terkendali
Dalam reaksi yang sebenarnya tidak hanya ada satu uranium saja. Terdapat banyak sekali uranium pada suatu bahan. Jika netron cepat tidak dikendalikan, netron hasil pembelahan fisi sebelumnya akan menumbuk uranium berikutnya sehingga menghasilkan reaksi fisi serupa. Dalam reaksi ini dihasilkan netron yang semakin banyak sehingga reaksi akan terus berantai. Reaksi demikian dinamakan reaksi berantai. Energi yang dihasilkan sangat besar.
77
N N N
: Netron
N N
N N N N N
N
N
Inti U-235 N
N N
Gambar 10.3. Reaksi Berantai Tak Terkontrol Dalam bom nuklir, netron cepat
ini sengaja tidak dikendalikan sehingga
menghasilkan ledakan yang sangat dasyat. Namun, pada reaktor nuklir (PLTN), netron cepat dikendalikan, sehingga tidak terlalu banyak netron yang terlibat dalam reaksi inti.
Batang Kendali N
Netron Terserap
N
N
N
N
N
N N
N
N Netron Terserap
Fis
Batang Kendali
Gambar 10.4. Reaksi Berantai Trkontrol
78
Soal-soal: 1. Berapakah energi kinetik netron termal 300 K. 2. Hitunglah energi yang dibebaskan dalam reaksi fisi
U + n→ 93Rb+141Cs + 2n . Massa
235
Rb dan Cs adalah 92,92172u dan 140,91949u. 3. Jelaskan mengapa dengan netron berenergi rendah sekali sementara untuk fisi 4. anggaplah
235
U sudah dapat terfisikan,
238
U dibutuhkan netron cepat dengan energi 1 hingga 2 MeV
235
U terbelah menjadi dua pecahan dengan nomor massa 90 dan 145,
dengan tiap pecahan memiliki nisbah Z/A yang kurang lebih sama seperti uranium. Berdasarkan data ini, mengapa netron dipancarkan dalam reaksi ini. 5. Sekitar 185 MeV energi dilepas dari reaksi fisi
235
U . Jika
235
U di dalam reaktor
membangkitkan daya secara kontinyu sebesar 100 MW, berapa lamakah waktu yang dibutuhkan bagi 1 kg uranium agar terpakai habis seluruhnya.
Biografi Singkat HAHN (PEMBELAHAN INTI) Otto Hahn adalah ahli fisika-kimia penemu pembelahan inti (fisi nuklir, 1938), penemu radioactinium (1905), mesothorium (1907), protactinium (1917) dan presiden Wilhelm Society (1948-1960). Bersama Fritz Strassmann ia mendapat Hadiah Nobel untuk kimia pada tahun 1944. Hahn lahir di Frankfurt, Jerman pada 8 Maret 1879 dan meninggal di Gottingen, Jerman pada 28 Juli 1968 pada umur 89 tahun. Ia berhasil mendapat gelar doktor pada tahun 1901 pada usia 22 tahun. Tiga tahun kemudian ia pergi ke Inggris karena ingin belajar bahasa Inggris. Ia melamar pekerjaan dan diterima di Universitas College. Disini ia bertemu dengan Sir William Ramsay, ahli kimia penemu helium, neon, argon, kripton, xenon, dan radon. Hahn diberi tugas memurnikan penyiapan radium kasar. Ternyata Hahn seorang ahli eksperimen yang mengagumkan. Satu tahun kemudian ia menemukan zat radioaktif yang ia beri nama radiothorium (1905). Pada tahun 1930-an Enrico Fermi, menembaki uranium (unsur alam yang paling berat) dengan neutron. Penembakan ini menghasilkan zat-zat radioaktif. Tapi Fermi sendiri tidak tahu apa nama unsur itu. Ia mengira unsur itu adalah unsur buatan yang mirip dengan uranium. Sejak tahun 1934 Hahn sangat tertarik dengan penelitian Fermi. Ia mengulang percobaan Fermi dengan pembantunya, Miss Meitner dan Strassmann. Mereka mengadakan penelitian selama 4 tahun. Mereka menembaki uranium dengan neutron dan menghasilkan barium, yaitu sebuah unsur yang mempunyai massa atom setengah dari uranium. Nomor atom barium 56, sedang nomor atom uranium 92. Penemuan ini diumumkan di majalah Die Naturwissen-schaften pada tanggal 6 januari 1939. Tapi Hahn dan Strassmann tidak berani mengatakan bahwa itu pembelahan inti, karena takut diejek dan ditertawakan para ahli fisika dan kimia sezamannya. Pada saat itu, pembelahan inti dianggap sesuatu yang mustahil. Pada tahun 1938 ketika pembelahan inti ditemukan, Lise Metner pindah ke Swedia. Di Swedia ia membaca laporan Hahn. Bersama Otto Frisch, kemenakannya, ia menjelaskan dengan tegas, bahwa penemuan Hahn adalah fisi nuklir. Meitner dan Otto menyarankan agar istilah fisi nuklir dipakai. Semenjak saat itu, pembelahan inti dinamakan fisi nuklir.
79
ENRICO FERMI Enrico Fermi adalah ahli fisika nuklir, pengarang (200 artikel ilmiah) dan pemenang Hadian Nobel. Ia menemukan statistik Fermi-Dirac, unsur baru yang radioaktif, reaksi berantai, reaktor nuklir (1942) dan ikut membuat bom atom. Ia mendapat Hadiah Nobel untuk fisika (1938) karena penyelidikannya tentang penyerapan neutron. Fermi lahir di Roma, Italia, pada tanggal 29 September 1901. ayahnya bernama Alberto Fermi, karyawan kereta api. Ibunya bernama Ida de Gattis. Fermi anak bungsu, kakaknya dua orang. Salah seorang bernama Giulio. Dengan Giulio ini Fermi mempunyai kegemaran sama, ialah membuat mobil-mobilan dan pesawat terbang mainan yang benar-benar dapat terbang. Fermi sangat cerdas, tapi pendiam, pemalu dan suka menyendiri. Pada umur 17 tahun ia masuk Universitas di Pisa dan pada umur 21 tahun berhasil meraih gelar doktor fisika. Pada umur 26 tahun ia diangkat menjadi profesor penuh di Universitas Roma. Dua tahun kemudian pada umur 28 tahun, ia kawin dengan Laura o Capon, mahasiswi jurusan teknik. Keluarga itu kemudian dikaruniai dua orang anak, Nella dan Giulio. Fermi memang orang yang mempunyai kecerdasan luar biasa. Kecuali itu, ia adalah orang yang serba teratur dan serba tepat. Pada tahun 1938 sesudah menerima Hadiah Nobel, Fermi sekeluarga terbang dari Swedia menuju Amerika Serikat. Di Amerika ia menjadi guru besar di Universitas Chicago. Di sini ia diberi tugas memimpin satu tim ilmuan untuk menyelidiki tenaga atom. Pada tahun 1942 Fermi beserta teman sekerjanya berhasil membuat reaktor atom, kemudian bom atom. Fermi meninggal di Chicago pada tahun 1954 karena sakit kanker.
WIGNER Eugene Paul Wigenr adalah ahli fisika penemu teori penyerapan neutron, penemu hukum konservasi paritas dan pemenang Hadila Nobel. Ia lahir di Budapest, Hongaria pada 17 November 1902. Ia mendapat gelar insinyur kimia dari Sekolah Tinggi Teknologi di Berlin dan mengajar di sana dan di Gottingen sampai tahun 1930. Kemudian ia pindah ke Universitas Princeton, AS. Pada tahun 1936 ia mengemukakan teori penyerapan nettron yang sangat berguna untuk membangun reaktor nuklir. Ia juga merumuskan hukum konservasi paritas, suatu fungsi matematika yang melukiskan partikel subatom dan posisi ruang dan waktunya. Sejak kedatangannya di AS ia mengajar fisika matematika di Universitas Princeton selama 7 tahun. Kemudian ia menjadi guru besar di Universitas Wisconsin selama satu tahun, lalu kembali ke Princeton. Pada tahun 1939 pecah perang dunia II, Wigner, Fermi dan Szilard membuat surat kepada presiden AS, Franklin D. Roosevelt. Surat ini ditanda-tangani Einstein bertangal 11 Oktober 1939. Prediden Roosevelt segera bertindak dan pada tahun 1942 Proyek Manhattan berdiri. Proyek ini bertugas untuk membuat bom atom. Selama perang dunia II, Wigner bekerja di Laboratorium Metalurgi, Universitas Chicago. Di sini Wigner membantu Enrico Fermi. Sesudah Perang Dunia II Wigner menjadi direktur riset di Laboratorium Clinton di Oak Ridge, Tennessee. Di sini ia memproduksi isotop radioaktif. Pada tahun 1947 ia kembali ke Princeton. Dua tahun kemudian (1949) bersama Jensen, Wigner mengemukakan model kulit inti. Pada tahun 1963 Wigner bersama Jensen dan Mayer mendapat Hadiah Nobel untuk fisika karena telah memberikan banyak sumbangan kepada fisika nuklir. Wigner juga mengadakan riset di bidang mekanika kuantum, teori reaksi kimia dan struktur inti atom.
80
