Fisi nuklir

Visualisasi dari pembelahan atom Uranium dalam reaksi fisi nuklir

Dalam fisika nuklir dan kimia nuklir, fisi nuklir adalah reaksi nuklir saat nukleus atom terbagi menjadi bagian-bagian yang lebih kecil (nuklei yang lebih ringan), yang sering kali menghasilkan foton dan neutron bebas (dalam bentuk sinar gamma), dan melepaskan energi yang sangat besar. Dua nuklei yang dihasilkan biasanya ukurannya sebanding, dengan rasio massa sekitar 3:2 untuk isotop fisil. Fisi yang biasanya terjadi adalah fisi biner, namun kadang-kadang (2 hingga 4 kali per 1000 peristiwa), tiga pecahan bermuatan positif dihasilkan dalam fisi ternari. Bagian terkecil dari ketiga nuklei ini ukurannya bervariasi antara sebesar proton hingga nukleus argon.

Reaksi nuklir energetik ini biasanya dipicu oleh neutron, meskipun kadang-kadang fisi juga dianggap sebagai salah satu bentuk peluruhan radioaktif spontan, terutama dalam isotop dengan nomor massa yang sangat besar. Komposisi hasil yang tak dapat diprediksi (yang bervariasi dalam kemungkinan yang beragam dan ketidakberaturan) membedakan fisi dari proses penerowongan kuantum murni seperti emisi proton, peluruhan alfa, dan peluruhan kluster, yang menghasilkan produk yang sama setiap saat.

Fisi elemen berat merupakan reaksi eksotermik yang dapat melepaskan energi yang besar, baik sebagai radiasi elektromagnetik maupun energi kinetik pecahan. Agar fisi dapat menghasilkan energi, jumlah energi pengikat dari unsur yang dihasilkan harus lebih besar daripada unsur awal. Fisi merupakan salah satu bentuk transmutasi nuklir karena pecahan yang dihasilkan tidak sama dengan unsur atom awalnya.

Fisi nuklir menghasilkan energi listrik dan dimanfaatkan sebagai senjata. Pemanfaatan tersebut mungkin dilakukan karena substansi tertentu yang disebut bahan nuklir mengalami fisi saat terkena neutron fisi, dan lalu menghasilkan neutron saat mereka terbagi. Hal ini memungkinkan reaksi berantai yang melepaskan energi dalam tingkat yang terkontrol di reaktor nuklir atau dalam tingkat yang sangat cepat dan tak terkontrol dalam senjata nuklir.

Jumlah energi bebas yang dikandung dalam bahan bakar nuklir adalah jutaan kali jumlah energi bebas dalam bahan bakar kimia dengan massa yang sama (contohnya bensin), sehingga fisi nuklir merupakan sumber energi yang sangat padat. Akan tetapi, hasil dari fisi nuklir memiliki sifat radioaktif yang jauh lebih besar, sehingga menimbulkan masalah limbah nuklir. Kekhawatiran akan limbah nuklir dan daya hancur senjata nuklir telah memicu perdebatan.

Ikhtisar

Produk dari reaksi fisi uranium, bervariasi, menghasilkan atom-atom yang bermassa lebih kecil, seperti: Ba, Kr, Zr, Te, Sr, Cs, I, La dan Xe,dengan massa atom sekitar 95 dan 135. Sedangkan, produk dari reaksi fisi plutonium, mempunyai massa atom sekitar 100 dan 135. Rata-rata reaksi fisi pada Uranium-235 (U-235) dan Plutonium-239 (Pu-239) yang disebabkan oleh neutron.

 neutron  +  U-235  -> (atom-atom yang lebih kecil) + 2.52 neutron + 180   MeV
 neutron  + Pu-239  -> (atom-atom yang lebih kecil) + 2.95 neutron + 200   MeV

 Beberapa contoh:

       n  +  U-235  ->    Ba-144   +    Kr-90       + 2n           + 179.6 MeV
       n  +  U-235  ->    Ba-141   +    Kr-92       + 3n           + 173.3 MeV
       n  +  U-235  ->     Zr-94   +   Te-139       + 3n           + 172.9 MeV
       n  +  U-235  ->     Zr-94   +   La-139       + 3n           + 199.3 MeV

  Isotop| massa (u)
 _______|_____________
   U-235: 235.0439299
     n:   1.008665
  Ba-144: 143.922953
  Ba-141: 140.914411
   Kr-90:  89.919517
   Kr-92:  91.926156
   Zr-94:  93.9063152
  Te-139: 138.93473
  La-139: 138.9063533
 _______|_____________

Mekanika

Sebuah representasi dari sebuah kejadian fisi nuklir terinduksi dimana sebuah neutron yang bergerak lamabat akan diserap oleh nukleus atom uranium-235. Kebanyakan energi yang dilepas ada dalam bentuk kecepatan kinetik produk fisi dan neutron. Disini juga terlihat penangkapan neutron oleh uranium-238 untuk menjadi uranium-239.

Fisi nuklir dapat muncul tanpa adanya penembakan neutron, sebagai tipe dari peluruhan radioaktif. Tipe fisi yang ini disebut sebagai fisi spontan, dan jarang terjadi kecuali pada sedikit jenis isotop yang sangat berat. Pada alat-alat yang berteknologi nuklir, semua fisi nuklirnya muncul sebagai sebuah "reaksi nuklir" — sebuah proses yang dijalankan oleh penembakan yang dihasilkan dari tabrakan 2 partikel subatomik. Pada reaksi nuklir, sebuah partikel subatomik bertabrakan dengan sebuah nukleus atom dan menyebabkan perubahan padanya. Reaksi nuklir kemudian dijalankan oleh mekanika penembakan, bukan oleh peluruhan eksponensial yang relatif konstan dan karakteristik waktu paruh dari proses radioaktif spontan.

Banyak tipe dari reaksi nuklir yang saat ini sudah diketahui. Fisi nuklir berbeda sama sekali dengan tipe-tipe reaksi nuklir lainnya. Fisi nuklir dapat diperkuat dan dapat dikontrol melalui reaksi rantai nuklir. Dalam sebuah reaksi, setiap neutron yang dilepaskan oleh setiap reaksi fisi dapat menyebabkan reaksi fisi lainnya, sehingga akan melepaskan lebih banyak neutron lagi dan menyebabkan lebih banyak reaksi fisi lagi.

Isotop elemen kimia yang dapat meneruskan reaksi rantai fisi disebut bahan bakar nuklir, dan bersifat fisil. Jenis bahan bakar nuklir yang paling umum adalah ²³⁵U (isotop uranium dengan massa atom 235 dan digunakan di reaktor nuklir) dan ²³⁹Pu (isotop plutonium dengan massa atom 239). Bahan bakar nuklir ini akan terpecah menjadi 2 bagian membentuk elemen kimia dengan massa atom mendekati 95 dan 135 u (produk fisi). Kebanyakan bahan bakar nuklir melalui tahap fisi spontan dengan amat lambat, meluruh melalui sebuah reaksi peluruhan partikel alfa/partikel beta dengan waktu sampai bermilenium-milenium. Dalam reaktor nuklir atai senjata nuklir, reaksi fisi yang besar ini disebabkan karena induksi neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi sebelumnya.

Reaksi berantai

Beberapa unsur berat, seperti uranium, thorium, dan plutonium, mengalami fisi spontan (yang merupakan salah satu bentuk peluruhan radioaktif) dan fisi terinduksi (salah satu bentuk reaksi nuklir). Isotop unsur yang mengalami fisi terinduksi saat terkena neutron bebas disebut fisionabel; isotop yang mengalami fisi saat terkena neutron termal juga disebut fisil. Beberapa fisil dan isotop tertentu (terutama ²³⁵U dan ²³⁹Pu) disebut bahan bakar nuklir karena dapat menopang reaksi berantai.

Semua isotop fisionabel dan fisil mengalami sedikit fisi spontan, yang melepaskan beberapa neutron bebas ke bahan bakar nuklir. Neutron tersebut akan dengan cepat lepas dari bahan bakar dan menjadi neutron bebas, dengan rata-rata 15 menit sebelum meluruh menjadi proton dan partikel beta. Akan tetapi, neutron hampir selalu berdampak dan diserap oleh nuklei lain di daerah sekitar sebelum ini terjadi (neutron fisi yang baru terbentuk bergerak dengan kecepatan 7% laju cahaya). Beberapa neutron akan memengaruhi nuklei bahan bakar dan memicu fisi lanjutan, yang melepaskan lebih banyak neutron. Jika bahan bakar nuklir dikumpulkan di satu tempat, atau jika neutron yang lepas dapat ditahan, maka neutron yang baru saja dihasilkan tersebut melebihi neutron yang lepas, dan reaksi berantai nuklir terus-menerus akan berlangsung.

Reaktor fisi

Reaktor fisi kritis adalah jenis reaktor nuklir yang paling umum. Di dalam reaktor fisi kritis, neutron yang diproduksi oleh fisi dari atom bahan bakar digunakan untuk menginduksi reaksi fisi lainnya, sehingga untuk menjaga agar energi yang dilepaskan bisa dikendalikan. Alat yang dapat melakukan reaksi fisi tetapi tidak bisa mandiri disebut sebagai reaktor fisi subkritis. Beberapa alat menggunakan peluruhan radioaktif atau akselerator partikel untuk menggerakkan fisi.

Reaktor fisi kritis biasanya dibangun untuk 3 tujuan utama, yang dilihat dari hasil panas yang bisa diambil atau neutron yang diproduksi dari reaksi rantai nuklir:

• Pembangkit listrik adalah reaktor yang tujuannya untuk memproduksi panas untuk daya nuklir, biasanya dipakai untuk memenuhi kebutuhan listrik atau juga untuk sumber tenaga bagi kapal selam.
• Reaktor penelitian dibangun dengan tujuan untuk memproduksi neutron dan/atau sumber radioaktif untuk keperluan ilmu, kedoketan, teknik, atau tujuan penelitian lainnya.
• Reaktor peranakan dibangun dengan tujuan untuk memproduksi bahan bakar nuklir dari isotop yang terabaikan. Reaktor peranakan cepat dapat membuat ²³⁹Pu (bahan bakar nuklir) dari bahan yang sebelumnya terabaikan yaitu ²³⁸U (bukan bahan bakar nuklir). Reaktor peranakan termal sebelumnya telah dites menggunakan ²³²Th untuk memperbanyak isotop ²³³U yang dilanjutkan untuk dipelajari dan dikembangkan lebih jauh

Pada dasarnya, semua reaktor fisi dapat digunakan untuk ketiga fungsi di atas. Tapi, karena tiap reaktor memiliki tujuan masing-masing maka biasanya hanya satu tugas utama saja. Reaktor pembangkit listrik biasanya mengubah energi kinetik dari hasil fisi menjadi panas yang nantinya akan digunakan untuk memanaskan fluida kerja dan menjalankan sebuah mesin panas yang nantinya menghasilkan listrik. Fluida kerja ini biasanya adalah air dengan turbin uap, tetapi beberapa desain lainnya menggunakan gas helium. Reaktor-reaktor fisi ini mengeluarkan limbah berupa limbah radioaktif yang sangat sulit dibuang dengan aman, oleh karena itu biasanya limbah ini dibuang di tempat yang tahan radioaktif, misalnya di bawah tanah. Reaktor penelitian memproduksi neutron yang digunakan untuk berbagai macam keperluan, tetapi panas yang dihasilkan fisi diperlakukan sebagai produk buangan yang tidak dapat dihindari. Reaktor peranakan adalah bentuk khusus dari reaktor penelitian, sampel yang menjadi penelitian biasanya adalah bahan bakarnya sendiri, yang merupakan sebuah campuran dari ²³⁸U dan ²³⁵U. Untuk deskripsi yang lebih jauh mengenai sifat-sifat fisika dan pengoperasian dari reaktor fisi kritis, silahkan lihat fisika reaktor nuklir. Untuk deskripsi mengenai aspek sosial, politik, dan lingkungan, silahkan lihat daya nuklir.

Bom fisi

Awan jamur pada saat Serangan bom atom di Hiroshima dan Nagasaki pada tahun 1945 membumbung tinggi sampai ketinggian 18 kilometer. Bom ini membunuh paling tidak 60.000 orang.

Salah satu tipe senjata nuklir adalah bom fisi (tidak sama dengan bom fusi), biasanya juga dikenal dengan nama lain bom atom adalah reaktor fisi yang didesain untuk melepaskan sebanyak mungkin energi dalam waktu sesingkat mungkin, energi yang terlepas ini akan menyebabkan reaktornya meledak dan akhirnya reaksi rantainya berhenti. Pengembangan senjata nuklir merupakan penelitian lanjutan dari fisi nuklir yang dilakukan oleh Militer A.S. selama Perang Dunia II. Proyek ini dinamakan Proyek Manhattan. Mereka kemudian mengembangkan reaksi rantai fisi yang menghasilkan 3 bom yaitu bom tes Trinity dan bom Little Boy dan Fat Man yang dijatuhkan di kota Hiroshima, Nagasaki, Jepang di bulan Agustus 1945.

Bom fisi yang pertama ini ledakannya bahkan ribuan kali lebih dahsyat dibandingkan dengan massa yang sama dari sebuah ledakan kimia. Contohnya adalah Little Boy memiliki massa total 4 ton (dengan bahan bakar nuklir 60 kg) dan panjangnya 11 meter, kekuatan ledakannya sama dengan 15 kiloton TNT, sampai-sampai menghancurkan sebagian besar kota Hiroshima. Senjata nuklir modern (yang didalamnya termasuk fusi termonuklir sebanyak satu fase fusi atau lebih) memiliki energi ratusan kali dari berat mereka jika dibandingkan dengan bom atom yang pertama ini, sehingga sebuah bom hulu ledak misil modern yang memiliki massa 1/8 kurang dari massa Little Boy, memiliki energi yang sama dengan 475.000 ton TNT, dapat menyebabkan kehancuran 10 kali luas kota Hiroshima.

Meskipun ilmu dasar fisika reaksi rantai fisi di dalam senjata nuklir mirip dengan ilmu dasar fisika reaktor nuklir terkontrol, tetapi 2 alat ini direkayasa agak berbeda (lihat fisika reaktor nuklir). Bom nuklir didesain untuk mengeluarkan semua energinya sekaligus, sedangkan reaktor nuklir didesain untuk menghasilkan listrik terus menerus. Ketika reaktor nuklir menjadi panas dan menyebabkan kebocoran nuklir dan ledakan uap, tetapi tingkat pengayaan uranium yang jauh lebih rendah menyebabkan tidak mungkin kalau reaktor nuklir sampai meledak dengan kekuatan yang sama dengan senjata nuklir. Melakukan ekstrak tenaga dari bom nuklir juga susah, meskipun paling tidak ada satu sistem propulsi roket, Proyek Orion, bertujuan untuk meledakkan bom fisi di belakang kendaraan yang berlapis dan terlindung.

Sejarah

Penemuan fisi

Penemuan dari fisi nuklir adalah pada tahun 1938, kira-kira 5 dekade setelah studi pada radioaktivitas dan juga ilmu pengetahuan baru mengenai fisika nuklir yang menjelaskan komponen-komponen dari sebuah atom. Pada tahun 1911, seorang berkebangsaan Selandia Baru bernama Ernest Rutherford mengemukakan sebuah model atom baru yang bentuknya kecil, padat, dan nukleusnya bermuatan positif (proton) dan dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif (model atom ini disebut sebagai model atom Rutherford). Niels Bohr memperbaikinya pada tahun 1913 dengan menambahkan kulit-kulit elektron (atau disebut sebagai Model Bohr).

Proyek Manhattan

Lihat pula: Proyek Manhattan

Di Amerika Serikat, proyek pembuatan senjata nuklir dimulai akhir 1942. Proyek ini dikerjakan oleh Korps insinyur (Angkatan Darat Amerika Serikat) tahun 1943, dikenal sebagai Manhattan Engineer District. Proyek ini dipimpin oleh Jenderal Leslie R. Groves. Ada banyak lokasi yang digunakan: Situs Hanford di negara bagian Washington, yang mempunyai reaktor nuklir skala industri pertama; Oak Ridge, Tennessee, yang fokusnya pada pengayaan uranium; dan Los Alamos, New Mexico, menjadi tempat untuk penelitian desain dan pengembangan dari bom. Sejumlah situs lainnya, seperti Laboratorium Radiasi Berkeley dan Laboratorium Metalurgi di Universitas Chicago, juga memegang peranan penting. Semua arahan ilmiah proyek ini dimanajeri oleh fisikawan J. Robert Oppenheimer.

Di bulan Juli 1945, bom atom yang pertama, "Trinity", diuji coba untuk diledakkan di padang gurun New Mexico. Bahan bakarnya adalah plutonium yang dibuat di Hanford. Di bulan Agustus 1945, 2 bom atom lagi: "Little Boy", bom uranium-235, dan "Fat Man", bom plutonium digunakan pada serangan bom atom di Hiroshima dan Nagasaki.

Bertahun-tahun setelah Perang Dunia II, banyak negara di seluruh dunia melakukan pengembangan lebih jauh mengenai fisi nuklir dengan tujuan untuk keperluan reaktor nuklir dan senjata nuklir.

Lihat pula

• E=mc²
• fusi nuklir

Pranala luar

• The nuclear fission process Diarsipkan 2020-10-26 di Wayback Machine. A simple explanation of the process of nuclear fission
• The Discovery of Nuclear Fission Diarsipkan 2010-02-16 di Wayback Machine. Historical account complete with audio and teacher's guides from the American Institute of Physics History Center
• Some Physics of Uranium Diarsipkan 2019-11-05 di Wayback Machine.