Sekilas Tentang Tokamak dan Fusi Nuklir

Oleh: Muhammad Nur
Jurusan Fisika FMIPA UNDIP

Pendahuluan

Selama manusia mendiami bumi, selama itu pulalah manusia membutuhkan energi bagi kehidupannya. Konsumsi energi oleh manusia selalu bertambah seiring dengan bertambahnya penghuni bumi dan meningkatnya  kemampuan teknologi manusia. Dengan kemampuannya manusia selalu mencoba mencari alternatif-alternatif penyelesaian dalam persoalan keberlangsungan hidupnya termasuk dalam sektor energi.

Salah satu ‚Äúmimpi‚ÄĚ para ilmuwan dan teknologi adalah bagaimana mencontoh reaksi fusi yang terjadi di matahari, di muka bumi sebagai sumber energi. Untuk mendapatkan tipe reaksi yang berlangsung di matahari dalam suatu ‚Äúmesin energi‚ÄĚ di bumi merupakan mimpi sejak awal petualangan nuklir untuk energi. Solusi yang kelihatannya lebih mudah adalah melakukan penggabungan 2 isotop hidrogen, deutrium (inti yang mengandung 1 proton dan 1 neutron) dan tritium ( 1 proton dan 2 neutron).

Masalah yang muncul adalah bagaimana mendapatkan panas yang cukup tinggi agar deutrium dan tritium dapat bergabung (fusi), bagaimana mengontrol reaksi-reaksi fusi tersebut dalam kondisi diadaptasikan dengan eksploitasi industrial. Bagaimana panas yang telah diperoleh dalam kondisi plasma dapat dipertahankan agar reaksi terus berlangsung sambil melepaskan energi yang dapat bermanfaat?

Plasma Tokamak

Plasma merupakan campuran partikel-partikel bermuatan, maka plasma dapat dikontrol oleh medan magnet.¬† Medan magnet yang sesuai akan dapat digunakan untuk mengurung plasma dengan kerapatan yang cukup tinggi dan kesetabilan energi dengan waktu yang cukup panjang. Untuk pengurungan plasma dengan medan magnet yang terkemuka saat ini adalah teknik Plasma Tokamak (tokamak suatu akronim bahasa rusia dari ‚Äútoroidalnya kamera ve magnetnaya katushka‚ÄĚ = ‚ÄĚtoroidal chamber with magnetic coil‚ÄĚ.¬† Teknik ini diusulkan pertama kali oleh dua fisikawan Rusia, ¬†keduanya pemenang hadiah nobel Andrei Sakharov dan Igor Tamm.

Konsep plasma tokamak diusulkan dalam kaitannya dengan ide untuk mengontrol reaksi fusi nuklir.  Dan kini teknik plasma tokamak merupakan satu-satunya model untuk mengusahakan terjadinya reaksi fusi termonuklir.  Reaksi fusi terjadi jika inti-inti dari unsur-unsur ringan bergabung menjadi suatu unsur yang lebih berat

Sebuah mega proyek plasma Tokamak telah direncanakan oleh gabungan Uni-Eropa Rusia, Amerika Serikat dan Jepang dan akan diputuskan di mana akan dilakukan pembangunannya pada tahun 1998.  Proyek itu bernama International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER).  Rencananya ITER akan mengkombinasikan beberapa teknik unggul dari Tokamak yang telah dilakukan di negara-negara anggota.

Plasma Tokamak dan Reaktor Fusi

Konsep plasma tokamak diusulkan dalam kaitan dengan ide untuk mengontrol reaksi fusi nuklir. Yang paling mudah (secara teoretis) adalah reaksi antara  dua isotop hidrogen (deutrium dan tritium) seperti reaksi R1. Reaksi ini  selain membebaskan energi juga melepaskan neutron cepat dan pembentukan inti atom helium (partikel a ). Dalam suatu reaktor fusi, zona reaksi dikelilingi oleh suatu selimut dan selimut ini merupakan daerah konservasi energi (energi terbebaskan dari reaksi fusi dan energi kinetik neutron) menjadi energi panas.

Kriteria Lawson

Agar temperatur tinggi (T) dapat dipertahankan, kosentrasi (densitas) inti  n harus cukup tinggi dan kondisi ini harus bertahan selama waktu pengungkungan energi t cukup panjang. Suatu formula sederhana yang dikenal dengan Kriteria Lawson diusulkan pada tahun 1957 oleh Lawson, menunjukkan jika inti-inti yang mengalami penggabungan  adalah deutrium-tritium maka perkalian nTt harus lebih besar dari 6 . 1021 dengan satuan n adalah partikel per meter kubik, t dalam detik, dan T dalam keV. Kriteria Lawson inilah yang menjadi standar unjuk kerja dari suatu reaktor Fusi termonuklir. Berbagai reaktor di dunia terus menunjukkan perkembangan tiga perkalian fusi (triple fusion product).

Pembangkit plasma dalam Reaktor Fusi themonuklir

Pada umumnya  untuk membangkitkan plasma digunakan pemanasan radio frekuensi (Radio frequency heating). Sistem pemanasan ini dikenal dengan nama Ion Cyclotron Resonance Frequency ( ICRF). ICRF dioperasikan pada rentang frekuensi 23-57 MHz. Sebagai contoh yang digunakan oleh JET pemanasan ICRF terdapat 8 unit modul identik, setiap unit terdiri dari sebuah tandem amplifier, seperangkat tranmisi koaksial  tersusun  menjadi elemen-elemen. Elemen-elemen ini merupakan antena yang ditempatkan tepat pada dinding reaktor. Kedelapan generator RF pada JET memproduksi daya maksimum sebesar 32 MW. Daya tersebut yang digunakan untuk mengionisasi gas deutrium dan tritium menjadi plasma dan mempertahankan kondisi plasma. Daya bersih yang digunakan JET untuk pemanasan plasma ini sekitar 22,7 MW.

Realisasi Energi Fusi untuk Pembangkit Tenaga Listrik

Reaktor Fusi themonuklir yang dikembangkan kini di seluruh dunia masih menggunakan model Plasma Tokamak. Tidak terdapat perubahan yang berarti kecuali beberapa kajian yang selalu ditingkatkan untuk mendapatkan unjuk kerja yang semakin handal.

Energi yang dihasilkan oleh reaksi fusi akan dikonversikan menjadi beberapa bentuk energi lain seperti energi untuk neutron cepat dan partikel alpha (inti atom Helium) serta energi sisa. Energi sisa ini sebagian digunakan untuk menahan kondisi plasma tokamak pada kondisi kriteria Lawson. Sebagian lain dari sisa energi tersebut akan dikonversikan menjadi energi panas melalui selimut (blanket) di sekitar inti reaktor. Selimut ini memanfaatkan energi neutron cepat menjadi energi panas. Panas yang tersimpan pada selimut melalui sistem pertukaran panas digunakan untuk menguapkan air. Uap air ini yang digunakan untuk memutar turbin generator, sehingga energi listrik dapat dihasilkan seperti yang lazim pada cara konvensional.

Permasalahan yang masih harus mendapatkan penyelesaian serius adalah tidak mampunya sistem reaktor plasma tokamak tetap menahan keadaan plasma pada kondisi kriteria Lawson ketika sumber daya pemanasan plasma (ICRF) diputus. Di dunia hanya satu kali terjadi di Joint European Torus (JET) dan berlangsung hanya selama dua menit.

Comments

  • wahid aviation

    kembangkn terus iter,tuk cadangan energy masa depan

    • centralplasma

      Ya dunia sedang bekerja keras untuk itu. Seklarang sdang dikembangkan di Selatan Perancis. dari Asia yang terlibat adalah China, Jepang, India dan Korea Selatan

  • Joe koplar

    menurut dosen saya, reaktor fusi itu sudah dilakukan beberapa kali, dan rentang waktu terpanjang hanya 50 detik,

    • centralplasma

      You are right Joe. Reaksi fusi baru terjadi di Joint European Torus di Inggris, namun setelah power dari luar diputus, reaksi tersebut langsung terhenti. Kondisi yang diharapkan adalah, energi yang diahsilkan fusi nuklir berlebih, sebagian untuk mempertahankan kondisi plasma sebagian lagi untuk digunakan membangkitkan listrik.