rangkuman fisika inti

Penampang dan Termalisasi Neutron

Penapang adalah suatu cara untuk menyatakan peluang partikel penembak akan berinteraksi dengan suatu cara tertentu dengan partikel target. Di bayangkan bahwa setiap partikel target memiliki luas tertentu terhadap partikel datang, semakin luas penampang semakin besar peluang berinteraksi.

Missal ada lempeng material yang luasnya A dan tebalnya dx. Jika material tersebut berisi n atom persatuan volume, maka jumlah total inti dalam lempeg ialah nA dx. Jika setiap inti berpenampang untuk interaksi tertentu, maka penampang bersama semua inti dalam lempeng adalah nA dx. Jika terdapat N partikel dalam berkas penembak, banyaknya dN yang berinteraksi dalam lempeng tersebut dinyatakan sebagai berikut:

Jika setiap partikel hanya bisa berinteraksi satu kali, dN partikel melewati tebal dx yang pertama dari lempeng maka kita harus memasukan tanda minus,

Beri lambing N_0­­ untu banyaknya partikel datang mulamula kita dapatkan:

(satuan untuk penampang nuklir ialah barn)

Penampang hampir semua reaksi nuklir bergantung pada partikel datang

Lintasan bebas rata-ratasebuah partikel dalam material ialah jarak rata-rata yang ditempuhnya dalam material tersebut mengalami interaksi. Karena ialah peluang sebuah partikel berinteraksi dengan interval dx, maka

Walaupun neutron berinteraksi dengan inti hanya melalui gaya nulir berjangkauan pendek, penampang reaksi untuk neutron lambat dapat jauh lebih besar daripada penampang geometris. Penampang geometris ¹¹³Cd ialah 1,06 b, tetapi penangkapan neutron termal ialah 20.000 b. lebih lambat neutron itu lebih panjang gelombang de brouglie dan lebih besar daerah ruang yang dapat dianggap merupakan penyebaran neutron tersebut.

Termalisasi neutron. Karena neutron tak berubah dan momen magnetiknya sangat kecil, neutron tidak berinteraksi dengan eleketron atomik yang terdapat pada lintasannya tetapi berinteraksi dengan intinya saja. Sebuah neutron dapat bertumbukan elastis dan tak elastis dengan inti.

Neutron kehilangan sebagian besar energinya dalam tumbukan elastis ketika tumbukannya bertatapan daripada berserempetan. Jika sebuah neutron bertumbukan tatap dengan sebuah proton, dan semua energinya hilang. Jiak targetnya sebuah deutron, dan neutron memberikan 89 % energi awalnya. Jika bertumbukan dengan inti ¹²C kehilangan 28% energinya. Jika bertumbukan dengan inti ²³⁸U neutron hanya kehilanga 1,7% energinya. Maka dapat disimpulkan bahwa neutron kehilangan energi paling cepat ketika dihambur dengan inti ringan. Neutron akhirnya mencapai kesetimbangan termal dengan materi yang mengelilinginya; neutron termal itu memiliki energi berpeluang terbesar kT yang besarnya ialah 0,025 eV pada temperatur kamar. Anggaplah semua sudut-hambur berpeluang sama, maka jumlah tumbukan rata-rata yang diperlukan untuk melakukan termalisasi neutron 2 MeV ialah 18 dalam hidrogen, 25 dalam deuterium, 114 dalam karbon, dan 2150 dalam uranium.

Reaksi Nuklir dan Sistem Koordinat Pusat Massa

Reaksi nuklir berkaitan dengan dua langkah terpisah. Pertama partikel datang menumbuk inti target, kedua bergabung untuk membentuk inti baru yang disebut inti majemuk yang nomor atomik dan nomor massanya merupakan penjumlahan dari nomor atomik partikel-partikel semula dan penjumlahan nomor-nomor massanya.

reaksi inti yang menghasilkan inti majemuk

inti majemuk mempunyai umur paro dalam orde 10^-6. Suatu inti majemuk dapat meluruh melalui satu cara atau lebih, bergantung pada energi eksitasinya. Jadi dengan energi eksitasi misal 12 MeV dapat meluruh melalui reaksi :

atau hanya memancarkan satu atau dua sinar gama yang berenergi total 12 MeV, tetapi tidak bisa meluruh dengan memancarkan triton atau -3, karena inti tidak memiliki energi cukup untuk membebaskan partikel seperti itu.

Analisis reaksi yang terjadi bila nukleon yang bergerak atau inti menumbuk inti lain yang diam bisa disederhanakan dengan memakai sistem koordinat yang bergerak dengan pusat massa partikel yang bertumbukan. Jika partikel bermassa m_A dan berkelajuan v datang pada sebuah partikel diam bermassa m_B jika dilihat dari pengamat dalam laboratorium, maka Kelajuan V dari pusat massa didefinisikan : m_A(v-V) = m_BV

V =

Energi kinetik total dalam sistem laboratorium hanya ditimbulkan oleh partikel datang saja: K_lab= ½ m_A v²

Energi kinetic total dalam sistem koordinat pusat massa ditimbulkan oleh kedua partikel :

K_cm = ½ m_A(v – V)² + ½ m_B V² = ½ m_A v² – ½ (m_A + m_B) V²

= K_lab – ½ (m_A + m_B) V²

= K_lab (energi kinetic dalam koordinat sistem pusat massa)

Jika partikel bertumbukan, energi kinetik maksimum yang dapat berubah menjadi energi eksitasi dari inti majemuk yang terjadi dengan tetap mempertahankan kekekalan momentum ialah K_cm yang lebih kecil dari K_lab.

Harga Q suatu reaksi nuklir

A+B à C+D

Didefinisikan sebagai perbedaan antara energi diam A dan B dengan energi diam C dan D:

Q= [(m_A + m_B) – (m_c + m_D)]c²

Q = (m_A + m_B) – m_c – m_D)c²

Jika Q merupakan kuantitas positif, energi dilepaskan oleh reaksi itu. Jika Q kuantitas negative energi kinetic dalam pusat massa cukup besa harus diberikan oleh partikel-partikel yang bereaksi sehingga

K_cm + Q 0

Fisi Nuklir dan Reaktor Nuklir

Fissi nuklir adalah gejala sebuah inti berat (A>200) membelah menjadi dua inti yang lebih ringan. Inti bisa dipandang menunjukan terdapatnya tegangan permukaan, sehingga dapat bervibrasi seperti setetes cairan yang tereksitasi, inti juga dipengaruhi gaya pembelah yang ditimbulkan oleh gaya elektrostatik tolak menolak dari protonnnya.

Inti-inti yang muncul sebagai hasil fissi disebut petilan fissi (fragmen fissi). Biasanya petilan fissi ukurannya tidak sama, dan arena inti berat mempunyai rasio neutron/proton yang lebih besar dari pada yang lebih ringan, inti itu berisi neutron kelebihan. Untuk mereduksi kelebihan ini dua atau tiga buah netron dipancarkan oleh petilan tersebut segera setetah terbentuknya dan peluruhan beta yang berlangsung setelah itu menjadikan rasio neutron/proton menjadi harga mantap. Contoh

Sebuah inti berat mengalami fissi jika inti itu mendapatkan energi eksitasi cukup (5 Mev atau lebih), sehingga berosilasi hebat. Beberapa inti, utamanya , cukup tereksitasi dengan hanya menyerap neutron tambahan, sehingga terbelah menjadi dua.

Aspek yang sangat menyolok dari fissi nuklir ialah besarnya energi yang terlibat. Nuklide terfisi berat yang nomor massanya antara 230 dan 240, memiliki energi ikat ~ 7,6 MeV/nucleon, sedangkan petilan fissi yang nomormassanya jauh lebih kecil memiliki energi ikat ~ 8,5 MeV/nucleon. Jadi 0,9 MeV/nucleon dilepaskan ketika terjadi fissi – lebih dari 200 MeV untuk seluruh nucleon yang terlibat.

Reaktor nuklir ialah tempat terjadinya reaksi berrantai yang menyagkut fissi nuklir yang terkendali. Sebuah reaktor merupakan sumber energi yang sangat efisien: fissi 1 g nuclide yang memadai perhari melepaskan energi dengan laju sekitar 1 MW. Energi yang dilepaskan dalam sebuah reaktor nuklir timbul sebagai kalor, dan dapat diambil dengan mengalirkan zat cair atau gas sebagai pendingin, melalui bagian-dalam reaktor itu.

Dua aspek yang harus diperhatikan dalam pembuatan reaktor ialah hilangnya neutron yang melewati permukaan reaktor dan neutron yang terserap tanpa menginduksi fissi. Persoalan pertama dapat diselesaikan dengan memperbesar ukuran reaktor, karena benda yang besar memiliki luas permukaan per volume yang yang lebih kecil disbanding dengan benda kecil. Sangat tertolong jika bahan yang bereaksi itu dilingkungi oleh matial yang menghambur neutron tanpa kecenderungan untuk menyerapnya sehinnga banyak neutron yang muncul akan mengalami pemantulan kembali.

Untuk persoalan kedua digunakan perlambata neutron karena dapat menangkap neutron sepat tapi tidak terfisikan sedangkan menangkap neutron lambat dan terfissikan mencapai 582 baru. Perlambatan ini menggunakan modetaror, suatu bahan yang menyelingi uranium yang intinya menyerap energi neutron cepat yang datang dan bertumbukan dengannya tanpa kecenderungan besar untuk menyerap partikelnya. Moderator yang bisaa dipakai adalah air ‘ringan’, air ‘berat’ dan grafit(suatu bentuk karbon murni. Makanya adaberbagai macam reaktor nuklir.

Macam-macam reaktor nuklir

1. reaktor nuklir dengan pendinginan gas

2. reaktor air ringan yang terdiri dari reaktor air mendidih dan reaktor air yang dimampatkan/air tekan

3. reaktor air berat

4. reaktor pembiak cepat

5. reaktor fusi

untuk reaktor komersial bisaanya menggunakan air ringan sebagai moderator.

Reaktor Pembiak dan Dunia Nuklir

reaktor pembiak CEPAT.Generasi berikutnya dari reaktor daya adalah reaktor pembiak cepat,logam cair ( Liquid Metal fast Breeder Reaktor, LMFBR ). Sistem ini adalah sejenis reaktor cepat pendingin sodium dan programnya telah disempurnakan beberapa kali.skema sebuah reaktor pembiak cepat, berupa pembiak cepat logam cair. Inti reaktor terdiri atas bahan bakar dengan pengkayaan yang tinggi atau PU-239, yang dibungkus dalam bahan yang tahan suhu tinggi. Inti bahan bakar ini dikelilingi semacam selimut yang terdiri atas batang U-238 yang fértil. Moderator tidak dipakai, kelebihan neutron yang dihasilkan oleh proses pemecahan diserap oleh selimut ini. Atom U-238 menyerap kelebihan eneutron , berubah menjadi U-239 kemudian menjelma menjadi PU-239. Dengan demikian batangan selimut akan menghasilkan bahan bakar PU-239, untuk dipakai dikemudian hari, baik untuk reaktor itu sendiri, maupun untuk reaktor lain. batangan ini secara pereodik diganti dengan yang masih kosong.

Persoalan yang terjadi adalah bahwa sodium cair yang dipakai sebagai pendingin, setelah terkena bahan bakar , menjadi sangat radioaktif, karenanya diperlukan satu rangkaian pendingin sodium cair lagi, sebelum

dihasilkan uap untuk turbin. Selain menghasilkan bahan bakar tambahan , reaktor pembiak masih mempunyai dua kelebihan dibanding dengan reaktor air ringan, pertama efisiensi thermal reaktor pembiak cepat mencapai 40%, sedang reaktor air ringan hanya kira-kira 32% dari bahan radioaktif yang ada di alam. Telah ada sejumlah reaktor pembiak cepat pendingin sodium yang dibangun dan dioperasikan sekarang ini dengan bermacam-macam hasil, reaktor pembiak eksperimen II (EBR-II) dan reaktor oksida cepat tenggara (SEFOR) telah beroperasi dengan sukses sementara EBR-I dan reaktor enrico-fermi mengalami pelelehan sebagian intinya. Disamping masalah teknis hambatan utama berasal dari moratorium yang bermotivasi politis.

Lebih dari setengah abad Badan Tenaga Atom Internasional (IAEA) mengoordinasikan kerja sama dalam pengembangan dan pemanfaatan energi nuklir untuk kesejahteraan umat manusia dan tujuan damai. Selama itu pula, dunia telah merasakan manfaatnya di berbagai bidang, seperti kesehatan, energi, pangan, dan industri. Ke depan, peran nuklir ini diyakini akan menjadi semakin penting dalam mengatasi tantangan pemenuhan kebutuhan pokok manusia yang bertambah banyak.

Dengan kecenderungan semakin sulit dan mahalnya bahan bakar fosil di tengah ancaman pemanasan global, sementara nuklir diketahui sebagai opsi yang ramah lingkungan, maka renaisans nuklir diperkirakan akan segera menjadi ke nyataan. Karena itu, kerja sama internasional perlu ditingkatkan untuk memastikan bahwa perluasan penggunaan energi nuklir akan berlangsung selamat dan aman tanpa berakibat proliferasi senjata nuklir.

Pemerintah Rusia mulai membangun reaktor nuklir terapung pertama di dunia yang akan beroperasi tahun 2011 di wilayah Artik. Pembangunan pusat reaktor nuklir dengan kapasitas 70 MW, menurut gubernur wilayah Arkhanelsk, Nikolai Kiselyov, telah dimulai tahun ini dan harus sudah selesai pada 2010, sehingga pusat pengembangan tenaga nuklir itu akan berfungsi pada tahun 2011. Negara ini akan membangun sebanyak enam reaktor serupa dalam waktu sepuluh tahun. Reaktor nuklir terapung diperkirakan akan banyak diminati untuk ditempatkan di wilayah-wilayah terpencil dan jauh, terutama untuk daerah yang kekurangan sumber tenaga listrik. Maka tak heran bila lebih dari 20 negara tertarik membeli reaktor nuklir terapung buatan Rusia ini, kata seorang pejabat dari badan tenaga nuklir Rusia. nuklir

Indonesia sendiri Di tengah pergaulan internasional, sudah dikenal sebagai negara yang aktif, baik dalam pendanaan, pengiriman pakar (cost free experts), maupun dalam kerja sama teknis dan kegiatan seifgard.mengamanatkan dalam UU No 17/2007 tentang Rencana Pembangunan Jangka Panjang Nasional bahwa listrik nuklir sudah harus mulai dimanfaatkan pada periode 2015-2019. Bahkan sekarang dunia telah mulai merancang reaktor fusi seperti yang dialkukan Negara-negara eropa, jepang dan amerika. yaitu JET di Inggris, JT-60 di Jepang, dan TFTR di Princeton, Amerika Serikat. Untuk mempercepat penelitian, negara-negara Eropa, Jepang, Rusia, dan Amerika Serikat bergabung membangun International Thermonuclear Experimental Reaktor (disingkat ITER) yang akan menjadi tokamak terbesar di dunia

Fusi Nuklir Dalam Bintang dan Reaktor Fusi

Reaksi eksotermik-dasar dalam bintang ialah fusi inti hidrogen menjadi inti helium. Gejala ini dapat terjadi pada kondisi bintang menurut dua deretan proses yang berbeda. 1) siklus proton-proton yaitu tumbukan langsung dari proton-proton menghasilkan inti lebih berat yang diikuti dengan tumbukan antara inti-inti itu sehingga menghasilakn inti helium. Energi total ynag di lepaskan ialah dengan menyatakan perbedaan massa antara empat proton dan massa partikel alfa plus dua positron; ternyata besarnya 2,7 MeV.

.

.

2) siklus karbon yaitu sederetan langkah dimana inti karbon meyerap proton berturut-turut sampai akhirnya inti itu memancarkan partikel alfa dan kembali menjadi inti karbon lagi.

.

.

.

.

.

Reaksi fusi yang berlangsung sendiri hanya dapat terjadi pada temperature dan tekanan yang sangat tinggi supaya inti yang ikut dalam proses itu mempunyai energi yang cukup untu bereaksi walaupun dicegah oleh gaya tolak listrik dan reaksinya terjadi cukup kerap untuk mengimbangi pelepasan energi ke sekelilingnya

Reaktor fusi. Pada tahun 1968, ilmuwan Rusia dari Institut Kurchatov mengumumkan keberhasilan mereka mengoperasikan reaktor fusi pertama yang mereka sebut tokamak. Reaktor ini bekerja dengan memerangkap plasma reaktif dalam medan magnetic yang kuat; model pemerangkapan magnetic; Bejana yang terbuat dari zat padat tidak bisa dipakai, karena persentuhannya akan mencemarkan plasma itu.Sukses besar tersebut mendorong negara-negara Eropa, Jepang, dan Amerika Serikat untuk membangun fasilitas riset termonuklir sendiri yang juga berbentuk tokamak, yaitu JET di Inggris, JT-60 di Jepang, dan TFTR di Princeton, Amerika Serikat. Hingga kini hampir semua reaktor fusi berbentuk tokamak.

Eksperimen pada fasilitas-fasilitas riset fusi tersebut umumnya ditujukan untuk mencapai kondisi breakeven (Q = 1), sehingga sifat-sifat plasma yang didominasi oleh partikel a (kondisi penyalaan) belum dapat dipelajari. Sampai detik ini semua reaktor fusi masih berada dalam tahap eksperimen, masih jauh dari sisi komersial. Versi DEMO pun diperkirakan baru rampung pada tahun 2040. Meski demikian, banyak kemajuan yang telah dicapai. Eksperimen terakhir pada fasilitas JET dan TFTR berhasil mempertahankan confinement dengan daya sebesar 15 MW selama kurang lebih 1-2 detik. Pada saat eksperimen berlangsung, seluruh fasilitas eksperimen mengonsumsi daya tidak kurang 100 MW, jadi masih jauh dari titik breakevent.

Untuk mempercepat penelitian, negara-negara Eropa, Jepang, Rusia, dan Amerika Serikat bergabung membangun International Thermonuclear Experimental Reaktor (disingkat ITER) yang akan menjadi tokamak terbesar di dunia. Daya keluaran reaktor ini direncanakan sebesar 500 MW. Meski dengan daya keluaran sebesar itu, daya listrik yang dihasilkan dapat mencapai 150 MW, reaktor ini belum direncanakan untuk tujuan komersial. ITER dibangun masih untuk menyelidiki efisiensi pembakaran termonuklir dan mekanisme pengendalian plasma. Untuk tujuan ini, ITER memfokuskan diri pada pembangunan superkonduktor terbesar di dunia, penguasaan teknologi cryogenic, kerapatan tinggi, pembiakan serta penanganan tritium, pemanasan plasma, pengendalian jarak jauh, dan robotika, yang belum pernah ada sebelumnya.

Rusia dan Amerika Serikat memiliki banyak tritium, namun tentu saja mereka tidak mau membuka informasi tentang ini karena tritium dipakai sebagai pemicu bom nuklir. Informasi jumlah tritium dapat membongkar rahasia cadangan senjata nuklir mereka. Banyak juga orang skeptis dengan megaproyek ini. Bahkan, pertanyaan yang sering terlontar adalah mengapa diperlukan waktu yang sangat lama untuk membangun reaktor fusi komersial?

Tidak dapat dimungkiri bahwa teknologi termodern sekalipun belum sanggup mempercepat kemajuan di bidang ini. Pasalnya, memang diperlukan waktu untuk riset, membangun reaktor, mendesain peralatan, serta memecahkan permasalahan yang ada.

Di samping itu, pembangunan reaktor fusi tidak pernah menjadi prioritas seperti proyek nuklir fisi, karena reaktor fusi belum pernah dimasukkan ke dalam agenda program pertahanan negara mana pun. Jadi, tahun 2050 masih merupakan prakiraan yang realistis untuk permulaan beroperasinya reaktor fusi komersial

Detektor Partikel dan Lepton

Ada beberapa jenisdetektor partikel diantaranya:

Ø kamar ionisasi

cara kerja: ketika partikel atau foton mengionisasi gas, electron ditarik ke anode dan ion positif berat yang bergerak lebih lambat ditarik ke katode. Tinggi pulsa tegangan yang menimbulkan V yang terdapat diujung resistor bergantung pada banyaknya pasangan ion n yang menghasilkan dalam kamar itu dan bergantung pada kapasitansi C. V=

Ø Alat cacah sebanding. Alat ini adalah kamar ionisasi jika tegangan yang dipasang melebihi harga tertentu,sehingga electron electron memiliki cukup energy untuk menciptakan pasangan ion selanjutnyasepanjang perjalanan. Besar pulsa sebanding dengan banyaknya pasangan ion semula. Alat ini mampu mencacah intensitas radiasi tinggi. Kemampuan penguatannya sangat berguna untuk penentuan spectrum energy radiasi energy rendah. Alat ini juga dapat mendeteksi neutron,dengan mendeteksi radiasi sekunder dari hasil peluruhan ini yang dihasilkan.

Ø Alat cacah Geiger, bekerja pada tegangan yang sangat tinggi dengan berisikan gas. Tinggi pulsanya konstan dalan suatu daerah tegangan sehingga penyedia daya tidak perlu diatur secara cermat dan tinggi pulsanya beberapa volt sehingga tidak perlu memakai penguat tegangan, namun alat initida peka pada selang waktu 200-400ms setelah sriap pulsa sehinggamencegah pemakaian untuk laju pencacahan tinggi dan tidak dapat member informasi mengenai partikel atau foton yang menimbulkan suatu pulsa.

Ø Alat cacah kelip memakai fosfor dalam bentuk padat atau cair yang dapat ditembus oleh cahaya yang ditimbulkannya.alat ini memperbanyak keluaran foto electron dalam waktu sangat singkat. Kehilangan energy dalam alat ini menentukan tinggi pulsa keluaran. Karena kerapatan dan volume pekanya lebih basar sehingga banyak energitik dapat dihentikan dan energinya dapat terukur.

Ø Detektor semi konduktor

Lepton