Page 1
MAKALAH KONVERSI DAN KONSERVASI ENERGI
APLIKASI PLASMA ENERGI
disusun Oleh :
Kelompok V
AHMAD MURSYID A. (0806321240)
AFRIZA ANDIKA (0806329760)
RECHMAN SINURAT (0806330440)
ZESKI PHAGARA (0806330592)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS INDONESIA
2011
Page 2
2
KATA PENGANTAR
Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas rahmat dan
karuniaNyalah kami dapat menyelesaikan tugas besar dari mata kuliah konversi dan konservasi
energi yaitu aplikasi plasma energi.
Tugas besar ini merupakan salah satu bagian dari mata kuliah konversi dan konservasi
energi, dimana selain termasuk ke dalam penilaian, juga sangat bermanfaat dalam menambah
ilmu-ilmu/teori-teori dan pengetahuan yang telah kami dapat selama pembelajaran di mata kuliah
ini.
Tugas besar ini dimaksudkan untuk menambah pengetahuan mengenai pengaplikasian
dari plasma energi, oleh karena itu, kami mengucapkan terima kasih kepada dosen pengajar yang
telah memberi tugas besar, yaitu Bpk. Imansyah dan yang telah mengajari kami menganalisa
prospek energi berdasarkan peraturan yang mendukung dan besarnya nilai konservasi energi,
yaitu Bpk. Prof Yuliato sehingga kami bisa menyusun makalah ini.
Kami menyadari, bahwa masih terdapat banyak kekurangan dan kesalahan dalam
pengerjaan tugas ini diakibatkan kami masih bingung mengenai apa saja yang harus kami tulis di
makalah ini, outline yang diinginkan oleh Bpk. Imansyah seperti apa, apa saja batasan masalah
dalam makalah ini dan tujuan dari tugas besar ini, oleh karena itu, kami sangat berterima kasih
jika ada kritik dan saran dari semua pihak yang pada akhirnya akan menjadi titik acuan kami
untuk bergerak maju.
Depok, 18 Mei 2011
Penulis
Page 3
3
DAFTAR ISI
Kata Pengantar 2
Daftar Isi 3
Bab I. Pendahuluan 4
I.1. Latar Belakang 4
I.2. Tujuan 5
I.3. Batasan Masalah 5
Bab II. Plasma, Bahan bakar Reaksi Fusi dan Tokamak 7
II.1. Plasma pada Reaksi Fusi 7
II.2. Bahan bakar Reaksi Fusi 10
II.3. Tokamak 11
Bab III. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir 15
III.1. Perkembangan 15
III.2. Skema 17
III.3. Konversi Energi 21
Bab IV. Analisa 22
Bab V. Kesimpulan 23
Referensi 24
Page 4
4
BAB I
PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Energi dan pemanasan global kini menjadi isu yang sangat penting. Beberapa
penyebab, diantaranya adalah semakin berkurangnya sumber energi fosil (minyak bumi
dan batu bara), adanya analisa yang mengatakan bahwa sumber energi fosil akan habis
dalam hitungan puluhan tahun, semakin tidak terkendalinya pertumbuhan penduduk
sehingga semakin meningkatnya kebutuhan terhadap energi, meningkatnya lobang ozon di
atmosfer tiap tahun dan peningkatan pencairan es di kutub utara dan selatan.
Berbagai cara dilakukan untuk mengurangi ketergantungan terhadap sumber energi
fosil dan mengurangi pemanasan global, dari sisi ilmuwan energi salah satunya adalah
menciptakan pembangkit listrik dengan sumber energi energi yang renewable dan sumber
energi nuklir yang lebih ramah lingkungan. Energi renewable seperti angin dan air
memiliki keterbatasan, yaitu hanya dapat didistribusikan ke daerah sekitar pembangkit
listrik energi reneweble sedangkan di dunia tidak semua daerah yang memiliki energi
angin dan yang relatif besar dan konstan. Selain itu sumber energi angin dan air tergantung
pada kondisi alam dan energi listrik yang dihasilkan tidak sebesar sumber energi fosil.1
Untuk sumber energi panas bumi memiliki kekurangan, diantaranya:
1. Hanya sedikit lokasi sumber panas bumi yang bisa digunakan untuk power plant
karena tidak semua sumber panas bumi memiliki batuan yang mudah dilakukan drill.
2. Bisa jadi sumber panas bumi tersebut tidak memproduksi steam untuk sementara,
sehingga power plant tidak punya energi untuk menghasilkan listrik.
3. Energi geothermal hanya mampu menghasilkan listrik untuk daerah sekitar. Dan juga
hanya menghasilkan sedikit listrik jika dibandingkan sumber energi fosil.
4. Energi geotermal juga bisa membawa gas dan material yang berbahaya yang terbawa
bersama uap.
1 http://www.solarschools.net/resources/stuff/advantages_and_disadvantages.aspx. Akses tanggal 1 Mei 2011
Page 5
5
5. Peningkatan jumlah gempa bumi juga meningkat seiring dengan pemanfaatan energi
panas bumi untuk power plant meskipun masih tergolong low-level.2
Untuk pembangkit listrik energi tenaga nuklir yang ramah lingkungan terdapat pada
reaksi fusi yang dalam makalah ini dibahas yang prosesnya melibatkan plasma panas yang
dikungkung atau diwadahi oleh medan magnet. Karena reaksi fusi yang dikungkung medan
magnet lebih banyak dikembangkan dibandingkan proses energi fusi yang lain yang
menggunakan pengukungan inersia.
I.2. Tujuan
Tujuan dari tugas besar ini:
1. Mengetahui dan memahami plasma.
2. Mengetahui dan memahami aplikasi plasma untuk reaksi fusi.
3. Mengetahui dan memahami Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) reaksi fusi.
4. Mengetahui dan mampu menganalisa konversi energi di PLTN.
I.3. Batasan Masalah
Salah satu masalah terbesar dalam tugas besar ini adalah penentuan outline aplikasi
plasma energi dan tujuan. Bila kami terlalu fokus pada plasma dan reaksinya terlalu
banyak reaksi kimianya, sedangkan bila terlalu fokus pada reaktornya terlalu banyak
persamaan fisika untuk didapatkan kondisi yang seharusnya untuk plasma panas aga dapat
menghasilkan energi nuklir yang diinginkan dimana kedua hal tersebut menurut kami tidak
terlalu memiliki banyak keterkaitan dengan mata kuliah dimana tugas besar ini diberikan
yaitu konversi dan konservasi energi. Setelah kami menyimpulkan dan bertanya dengan
Bpk. Imansyah didapatkan bahwa yang diinginkan adalah pada reaksi fusi Pembangkit
Listrik Tenaga Nuklir, tetapi bagaimanapun kami memutuskan tetap harus mengetahui
plasma dan apa kaitannya dengan reaksi fusi.
2http://www.associatedcontent.com/article/288108/five_disadvantages_of_geothermal_energy_pg2.html?cat=15
. Akses tanggal 1 Mei 2011
Page 6
6
Oleh karena itu, pada makalah ini kami tidak mendalami plasma, bahan bakar reaksi
fusi, dan tokamak secara mendalam, tetapi secara garis besar mengetahui. Sedangkan pada
bab selanjutnya dibahas perkembangan dan skema pada Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir
reaksi Fusi. Dan pada bab terakhir diberi analisa prospek dan konversi energi Pembangkit
Listrik Tenaga Nuklir reaksi Fusi.
Page 7
7
BAB II
PLASMA, BAHAN BAKAR REAKSI FUSI, DAN TOKAMAK
I.1. Plasma pada Reaksi Fusi
Sir William Crookes, Fisikawan Inggris, pada tahun 1879 mengidentifikasi 4 macam
bentuk materi, yaitu: padat, cairan, gas netral dan plasma. Plasma memiliki temperatur dan
kerapatan dengan range yang sangat besar, mulai dari relatif dingin dan renggang (seperti
aurora) hingga panas dan padat (seperti inti pusat dari bintang). Padat, cairan dan gas
terlalu dingin dan padat untuk disebut dalam kondisi plasma (lihat Gbr1.). Pada Gbr1. Juga
terlihat bahwa plasma dilihat dalam skala ion dan elektron sedangkan padatan, cairan dan
gas dilihat dalam skala molekul.
Gbr1. Empat macam bentuk materi.
Page 8
8
Istilah plasma pertama kali diperkenalkan oleh Langmuir di tahun 1928 untuk gas
terionisasi, sekarang digunakan untuk sebuah materi yang mengandung beberapa partikel
bermuatan seperti ion dan elektron bebas.3
Plasma diciptakan pada kondisi udara yang terdiri dari beberapa gas atau bahkan
salah satu gas penyusunnya memiliki atom-atom yang terionisasi sehingga terbentuk ion
dan elektron bebas. Gas terionionisasi akibat panas di daerah tersebut. Panas bisa
ditimbulkan oleh panas pembakaran atau beda potensial. Panas yang ditimbulkan harus
tinggi agar gas terionisasi dan menghasilkan ion dan elektron, adanya ion dan elektron
inilah yang membawa muatan sehingga plasma mampu menghantarkan arus listrik dan
bereaksi pada medan magnet. Sifat tersebut dimanfaatkan untuk mengungkung plasma
pada pembangkit listrik tenaga nuklir.
Energi pada plasma adalah energi internal pada plasma tersebut yang diakibatkan
energi kinetik dan energi potensial akibat pergerakan bebas elektron bebas dan ion. Dapat
dirumuskan sebagai berikut:
� � �� � ��
Namun, karena energi internal dari plasma tidak dapat diukur, maka untuk
mengukurnya menggunakan perubahan energi dalam. Jadi, energi plasma adalah
perubahan energi internal pada plasma terhadap energi internal gas pada kondisi dasar.
Yang dapat dirumuskan sebagai berikut.
�� � �� � ��
Energi diperlukan untuk membentuk plasma dan plasma sendiri mengandung energi
yang sangat relatif, tergantung pada banyaknya pergerakan bebas elektron bebas dan ion.
Energi yang terdisipasi pada plasma berbentuk cahaya atau panas.
Plasma pada reaksi fusi terdiri dari inti dan elektron dari atom ringan seperti
hidrogen, bukan lagi ion dan elektron. Kondisi plasma seperti itu dapat diciptakan ketika
plasma dipanaskan pada temperatur termonuklir (100.000.000K) sehingga dihasilkan inti
3 Tanenbaum, B., Samuel. Plasma Physiscs. 1967. McGraw-Hill, Inc. United States of America.
Page 9
9
dan elektron. Semakin besar suhu maka semakin cepat pergerakan inti dan tumbukan yang
dihasilkan semakin besar sesuai dengan persamaan Einstein,
� � �
Selain itu, besarnya temperatur bisa meniadakan gaya tolak antar inti atom, sehingga
proses tumbukan dapat terjadi.
Plasma yang sangat panas tersebut kemudian dipanaskan kembali dengan
dikungkung atau diwadahi (pengukungan magnet) atau ditembakkan laser (pengukungan
inersia) dalam jangka waktu cukup lama dahulu agar dihasilkan energi yang lebih besar
dibandingkan energi untuk memanaskan dan mewadahi plasma dalam jumlah besar dan
suhu termonuklir. Output energi yang dihasilkan harus lebih besar dibandingkan energi
untuk mewadahi dan memanasi plasma, hal tersebut dapat terpenuhi bila hasil kali waktu
mewadahi (t) dan densitas plasma (n); tn>= ��� ( Kriteria Lawson).4
Ada 2 jenis reaktor fusi berdasarkan metode pemanasan plasma, yaitu pengukungan
magnetik (tokamak) dan pengukungan inersia. Pada pengukungan inersia memiliki
kekurangan yaitu tidak adanya penelitian terkini mengenai teknologi yang memungkinkan
untuk menghasilkan energi yang lebih besar dibandingkan energi untuk memanasi plasma
sedangkan untuk pengukungan magnetik sedang dikembangkan teknologinya oleh ITER
(International Thermonuclear Experimental Reactor).5 Oleh karena itu, plasma untuk reaksi
fusi yang dibahas pada tugas besar ini dikungkung atau diwadahi oleh medan magnet untuk
dipanasi pada temperatur termonuklir. Medan magnet diciptakan secara khusus agar
plasma panas tidak beraksi dengan dinding material.
Berikut proses terbentuknya energi plasma: atom-atom ringan dipanaskan sampai
temperatur termonuklir (100.000.000K) sehingga atom-atom tersebut terionisasi dan
menghasilkan inti atom dan elektron (kondisi plasma) kemudian plasma dipanaskan agar
terjadi proses tumbukan dan menghasilkan atom-atom baru yang lebih berat dan stabil
yang disertai pelepasan energi.
4 Fusi Nuklir: Sumber Energi Masa Depan. Alexander Agung. 1 Agustus 1998.
5 http://www.propagation.gatech.edu/ECE6390/project/Fall2010/Projects/group1/MASA_files/Page443.htm.
Akses tanggal 7 Mei 2011.
Page 10
10
dipanaskan dipanaskan pada temperatur termonuklir (dalam tokamak)
Partikel gas atom(D-T) inti atom dan
dipanaskan pada temperatur termonuklir (dalam tokamak)
elektron terionisasi (plasma) energi
Persyaratan untuk terjadinya reaksi fusi nuklir:
• Suhu awal yang sangat tinggi (di atas 100 juta kelvin) atau sama dengan 6x lebih
panas dari temperatur matahari.
• Tekanan yang sangat tinggi
Suhu setinggi yang dipersyaratkan tersebut dapat dicapai dengan bantuan
microwaves dan laser. Pada suhu setinggi ini elektron-elektron atom terpisah dari intinya
dan terbentuk wujud plasma. Inti-inti atom yang akan bergabung memiliki muatan listrik
sejenis (positif) sehingga tolak-menolak sehingga diperlukan energi yang sangat besar
(suhu tinggi) agar mereka dapat mengatasi tolakan listrik. Reaksi fusi baru dapat terjadi
jika inti-inti atom tersebut dapat didekatkan hingga jarak 10−15
m (seper satu juta miliar
meter). Pada jarak ini baru terjadi ikatan nuklir yang mampu mengatasi tolakan listrik dari
kedua inti atom yang akan berfusi tersebut.
Tekanan yang sangat tinggi digunakan untuk mendekatkan inti-inti atom yang akan
digabungkan. Persyaratan ini dicapai dengan bantuan medan magnet yang sangat kuat
(yang dihasilkan oleh arus listrik dalam superkonduktor).
I.2. Bahan bakar Reaksi Fusi
Dalam reaksi fusi nuklir dua inti atom ringan bergabung menjadi satu inti baru.
Dalam suatu reaktor fusi, inti-inti atom isotop hidrogen (protium, deuterium, dan tritium)
bergabung menjadi inti atom helium dan netron serta sejumlah besar energi. Reaksi fusi ini
Page 11
11
sejenis dengan reaksi yang terjadi di dalam inti matahari dan bersifat jauh lebih bersih,
lebih aman, lebih efisien dan menggunakan bahan bakar yang jauh lebih berlimpah
dibandingkan dengan reaksi fisi nuklir.
Ada 3 reaksi fusi yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi pada Pembangkit
Listrik Tenaga Nuklir. Reaksi tersebut adalah:
a. Reaksi D-D: 2 atom deuterium helium-3 + neutron (3,25MeV)
b. Reaksi D-T: 1 atom deuterium + 1 atom tritium helium-3 + neutron
(17,59MeV)
c. Reaksi D³He: 1 atom deuterium + helium-3 helium -4 + neutron
(18,35MeV)
Keterangan:
Deuterium: isotop hidrogen (1 proton dan 1 neutron) dengan berat 2x hidrogen
Tritium: isotop hidrogen (1 proton dan 2 neutron) dengan berat 3x hidrogen
helium-3: atomatom hidrogen dengan berat 3x hidrogen
helium-4: atomatom hidrogen dengan berat 4x hidrogen
Dari ketiga proses di atas, reaksi D-T lah yang digunakan untuk Pembangkit Tenaga
Listrik Nuklir reaksi Fusi. Hal ini karena reaksi D-T diketahui paling efisien.6 Deutrium
bukan radioaktif dan bisa didapatkan dari air laut. Tiap satu liter air laut bisa didapatkan 33
miligram Deutrium. Tritium adalah elemen radioaktif pada hidrogen dengan waktu paruh
12,4 tahun.7 Di alam, tritium sangat jarang ada, dia dihasilkan oleh radiasi kosmik di
bagian atas atmosfer yang merupakan tempat kombinasi dengan oksigen untuk membentuk
air. Kemudian jatuh ke bumi sebagai hujan, tetapi konsentrasinya terlalu rendah untuk
dimanfaatkan. Tritium juga dapat dihasilkan selama reaksi fusi yaitu ketika salah satu hasil
tumbukan reaksi D-T yaitu neutron berenergi besar berinteraksi dengan Lithium yang
terdapat dalam blanket modules. Sehingga dihasilkan 1 atom tritium dan 1 atom helium.
6 http://www.iter.org/sci/fusionfuels. Akses tanggal 7 Mei 2010.
7 http://www.fas.org/nuke/intro/nuke/tritium.htm. Akses tanggal 7 Mei 2011.
Page 12
12
Tritium kemudian keluar dari selimut pembiakan tritium dan digunakan ulang sebagai
bahan bakar. Lithium bisa didapatkan di dalam kerak bumi.
I.3. Tokamak
Kata Tokamak yang berasal dari bahasa Rusia yang berarti kamar berbentuk torus
yang diberi magnet, yang berarti ada gas dalam tabung torus yang menjadi plasma dan
dikungkung dengan medan magnet.8 Medan magnet disekeliling torus diperlukan agar
plasma panas tidak kontak dengan dinding material. Bila plasma panas menyentuh dinding
material maka material tersebut akan hangus terbakar karena suhu plasma yang sangat
tinggi.
Tokamak adalah piranti berbentuk torus yang mampu menghasilkan plasma dalam
sistem tanpa elektroda, menampung dan memanaskan plasma, serta mempunyai misi
sebagai salah satu piranti yang mampu menghasilkan reaksi fusi terkendali. Oleh karena
itu, sistem tokamak memuat peralatan bantu seperti sistem pelucut induksi, sistem medan
magnet sebagai pengungkung plasma, serta sistem pemanas tambahan seperti RF, berkas
neutral dan fasilitas-fasilitas lain yang sebegitu banyak dan rumitnya.
Sistem tokamak memiliki cara kerja yang mirip transformator, –meskipun tidak
sesederhana itu-, dengan kumparan primer (central selenoid magnet) yang memberikan
induksi sehingga gas yang ada dalam torus sebagai sekundernya akan mengalami lucutan.
Untuk menjaga kestabilan maka pada sistem tersebut dilengkapi dengan medan toroidal,
medan vertikal dan medan peloidal (Gbr2.).
8 Widdi Usada, Suryadi, Agus Purwadi, Kasiyo. Lucutan Plasma berbentuk Torus. Pusat Penelitian Nuklir
Yogyakarta. Prosiding Pertemuan don Presentasi Ilmiah. PPNY-BATAN. Yogyakarta 23.25 April 1996
Page 13
13
Gbr2. Susunan Tokamak
Proses lucutan plasma dalam torus ataupun lucutan plasma tokamak pada prinsipnya
sama dengan cara kerja transformator biasa, yaitu adanya kumparan primer dan kumparan
sekunder. Kumparan primer dihubungkan dengan sumber daya dalam hal ini kapasitor
yang dinyalakan melalui sebuah saklar dan sebagai kumparan sekundernya adalah torus itu
sendiri. Gbr3. menunjukkan kesetaraan antara transformator dengan lucutan torus.
Gbr3. Cara kerja tokamak yang mirip transformator
Pengguanaan tokamak pertama kali disarankan di Rusia oleh Igor Tamm dan Andrey
Sakharov pada awal tahun 60-an. Tokamak dengan diameter 1 meter dan diameter luar 3
meter dan medan magnet Gauss sebesar 50.000 gauss. Arus longitudinal jutaan ampere
diinduksikan ke plasma oleh koil transformator yang berhubungan dengan torus. Garis
medan magnet spiral di dalam torus, dengan mantap mewadahi plasma. Kemudian
berdasarkan kesuksesan pengoperasian tokamak kecil tersebut, dua buah piranti besar
dibangun pada awal 80-an, yaitu di Princeton University di AS dan di Uni Sovyet.
Page 14
14
Gbr4. Tokamak Igor Tamm dan Andrey Sakharov
Gbr5. Tokamak di Kurchiv Institute di Moscow menjadi desain acuan Reeaktor Fusi hingga kini dari
tahun 1968.9
Gbr6. Tokamak di Princeton University, USA.
9 http://www-fusion-magnetique.cea.fr/gb/fusion/histoire/site_historique.htm. Akses tanggal 7 Mei 2011.
Page 15
15
Gbr7. Perbandingan tokamak buatan JET (The Joint European Torus) dan ITER (International
Thermonuclear Experimental Reactor)10
Kemudian secara berurutan JET yang merupakan perkumpulan negara Eropa pada
pertengahan tahun 1970an dan ITER yang terdiri dari China, Eropa, India, Jepang, Korea
dan USA pada tahun 1988 mulai membangun tokamak untuk dijadikan reaktor pada
PLTN.
Detail pergerakan plasma, penyebab pergerakan plasma dan dampaknya terhadap
kestabilan plasma tidak dibahas pada tugas besar ini karena akan terlalu melebar dan bukan
fokus utama mata kuliah konversi dan konservasi energi.
10
http://www.jet.efda.org/wp-content/uploads/JET-ITER-cutaway.jpg. Akses tanggal 7 Mei 2011.
Page 16
16
BAB III
PEMBANGKIT LISTRIK ENERGI NUKLIR REAKSI FUSI
II.1. Perkembangan PLTN Reaksi Fusi
Tujuan utama dari pembuatan reaksi fusi adalah ingin menghadirkan energi seperti
matahari di bumi. Energi matahari dihasilkan dari reaksi fusi. Kesulitannya yang dihadapi
sampai saat ini adalah energi yang digunakan untuk memanasi plasma masih lebih besar
dibandingkan energi yang dihasilkan dari reaksi fusi.
Suatu konsorsium dari USA, Rusia, Eropa, China, Korea, India dan Jepang telah
mengajukan pembangunan suatu reaktor fusi, -yang disebut International Thermonuclear
Experimental Reactor (ITER) di Cadarache (Perancis)-, untuk menguji kelayakan dan
keberlanjutan penggunaan reaksi fusi untuk menghasilkan energi listrik.
Sejauh ini reaktor fusi nuklir masih belum bisa dioperasikan secara komersial.
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 diputus. Di dunia hanya satu kali terjadi di
reaktor fusi Joint European Torus (JET) dan berlangsung hanya selama dua menit.
Prototipe reaktor-reaktor fusi saat ini masih dalam tahap eksperimen pada beberapa
laboratorium di negara anggota ITER dan JET. Pada Gbr8. terlihat bahwa sampai tahun
2011, ITER masih memulai konstruksi dari Tokamak yang sangat kompleks. Dan
diharapkan pada tahun 2019 telah dapat diciptakan plasma dari tokamak tersebut dengan
kondisi stabil.
Page 17
17
Gbr8. Timeline ITER.
Reaktor Fusi temonuklir yang dikembangkan kini di seluruh dunia masih
menggunakan model Plasma Tokamak. Hal ini disebabkan pengukungan magnetik lebih
memberi harapan dibandingkan pengukungan inersia yaitu medan magnet yang dihasilkan
mampu mengungkung plasma panas dengan baik, seperti yang telah diberitahu pada I.3.
Beberapa kemajuan mengenai PLTN reaksi fusi dicapai pada awal tahun 1990-an.
Pada tahun 1991, untuk pertama kalinya, sejumlah energi sekitar 1,7 megawatt dapat
diahsilkan dari reaksi fusi terkendali di Joint European Torus Laboratory di Inggris. Pada
Desember 1993, para peneliti di Princeton University menggunakan Tokamak Fusion Test
Reactor (TFTR) untuk menghasilkan reaksi fusi terkendali dengan output daya sebesar 5,6
megawatt. Tetapi baik JET maupun TFTR, mengkonsumsi energi lebih banyak daripada
yang dihasilkan selama pengoperasiannya.
Page 18
18
II.2. Skema PLTN Reaksi Fusi
Reaksi fusi menghasilkan energi yang sangat besar yang bermula di tokamak dan
panas yang dihasilkan digunakan untuk memanaskan air dan menghasilkan steam,
kemudian steam digunakan untuk menggerakkan turbin dan turbin menggerakkan
generator sehingga terbentuklah energi listrik. Oleh karena itu, pada bab ini kami membagi
skema menjadi 2 yang saling berhubungan, yang satu skema di Tokamak dan yang satu
skema di PLTN.
Skema di Tokamak
Gbr9. Sistem di Tokamak ITER11
11
http://science.howstuffworks.com/fusion-reactor4.htm. Akses tanggal 9 Mei 2011.
Page 19
19
1. vacuum vessel: ruang vakum yang menjaga agar plasma panas tidak memiliki kontak
langsung dengan dinding dan sebagai fitur keselamatan tingkat awal.
2. neutral beam injector: menyuntikkan partikel dari akselerator ke plasma agar plasma
mencapai temperatur kritis.
3. magnetic field coil (poloidal, toroidal): magnet super konduktor yang membatasi dan
membentuk plasma dengan memanfaatkan medan magnet.
4. transformer (central selenoid): mensuplai listrik ke kumparan medan magnet (poloidal
dan toroidal) dan bekerja mirip transformator kumparan primer.
5. Blanket modules: terbuat dari lithium; menyerap panas dan neutron berenergi besar
dari reaksi fusi.
6. Alat pendingin (crostat, cryopump): mendinginkan magnet.
7. Divertor: mengeluarkan produk helium dari reaksi fusi.
Reaksi fusi bermula dari reaksi D-T yaitu antara Deutrium dan Tritium yang
menghasilkan atom yang lebih berat dan stabil berupa neutron berenergi tinggi dan helium.
Proses tersebut dilakukan dalam tokamak pada jangka waktu tertentu pada temperatur
termonuklir (100.000.000K) dan tekanan tinggi. Temperatur termonuklir diperlukan agar
elektron terpisah dari intinya dan terbentuk kondisi plasma dan meniadakan gaya tolak
elektrostatik antara inti atom. Tekanan yang sangat tinggi digunakan untuk mendekatkan
inti-inti atom yang akan digabungkan. Reaksi fusi baru dapat terjadi jika inti-inti atom
tersebut dapat didekatkan hingga jarak 10−15
m (seper satu juta miliar meter). Pada jarak ini
baru terjadi ikatan nuklir yang mampu mengatasi tolakan listrik dari kedua inti atom yang
akan berfusi tersebut.
Medan magnet yang terbentuk dalam tokamak menjaga agar plasma panas tidak
memiliki kontak langsung ke dinding tokamak dan di luar dinding tokamak terdapat
vacuum vessel sebagai fitur keselamatan tingkat pertama untuk meminimalaisir bahaya
bila terjadi kebocoran pada tokamak.
Page 20
20
Neutron berenergi tinggi kemudian diserap oleh blanket modules yang memiliki
kandungan lithium. Di situ neutron dan lithium berinteraksi dan menghasilkan tritium
sebagai salah satu bahan bakar yang digunakan ulang untuk reaksi fusi. Secara otomatis
blanket modules juga dipanasi oleh neutron berenergi tinggi. Panas dari blanket modules
kemudian menghangatkan air pada sistem heat exchanger. Sedangkan helium dikeluarkan
melalui divertor.
Skema di PLTN Reaktor Fusi
Gbr10. Skema PLTN Reaksi Fusi12
Skema di PLTN reaksi Fusi:
1. Panas dari neutron berenergi tinggi diserap oleh blanket modules (mantle pada
Gbr10.), dimana pada mantle tersebut terkandung lithium.
12
http://gurumia.com/2009/07/31/power-shortage-in-bangladesh-industriies/. Akses tanggal 7 Mei 2011.
Page 21
21
2. Neutron yang diserap bereaksi dengan lithium yang menghasilkan tritium yang
merupakan salah satu bahan bakar dari reaksi fusi.
3. Sedangkan panas akan memanasi air yang dialiri di mantle melalui heat excahnger
dan menghasilkan steam.
4. Steam kemudian menggerakkan turbin uap dan menggerakkan generator yang
kemudian menghasilkan energi listrik.
5. Steam yang telah digunakan untuk menggerakkan turbin uap kemudian didinginkan
dan dihasilkan air yang akan dialiri kembali ke mantle melalui heat exchanger agar
turbin uap terus bergerak.
II.3. Konversi Energi
Sampai saat ini belum ada Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir reaksi fusi. Hal ini
disebabkan energi yang dihasilkan masih lebih kecil dibandingkan energi untuk memanasi
plasma. Bila telah berhasil dihasilkan energi output yang lebih besar maka bisa digunakan
untuk Pembangkit Listrik. Kami mnganalisa konversi energi terdapat pada efisisensi
mantel mengerap kalor, efisiensi heat exchanger menyerap kalor, loss kalor yang terjadi
pada pipa heat exchanger, efisiensi turbin dan efisiensi generator.
Page 22
22
BAB IV
ANALISA
Reaktor fusi nuklir merupakan salah satu sumber energi alternatif masa depan yang
menggunakan bahan bakar yang tersedia melimpah, sangat efisien, bersih dari polusi, tidak
akan menimbulkan bahaya kebocoran radiasi dan tidak menyebabkan sampah radioaktif
yang merisaukan seperti pada reaktor fisi nuklir. Bahan bakarnya adalah deutrium dan
tritium. Deutrium ada di lautan dan tiap 1 liter air laut terdapat 33 miligram deutrium
sedangkan tritium adalah elemen radioaktif yang memiliki waktu paruh hanya 12,4 tahun.
Reaktor-reaktor nuklir yang saat ini dioperasikan untuk menghasilkan energi (listrik)
merupakan reaktor fisi nuklir. Dalam reaktor fisi nuklir energi diperoleh dari pemecahan
satu atom menjadi dua atom. Dalam reaktor-reaktor fisi nuklir konvensional, neutron
lambat yang menumbuk inti atom bahan bakar (umumnya Uranium) menghasilkan inti
atom baru yang sangat tidak stabil dan hampir seketika pecah menjadi dua bagian (inti) dan
sejumlah neutron dan energi yang besar. Pecahan hasil reaksi fisi tersebut merupakan
sampah radioaktif dengan waktu paruh yang sangat panjang yaitu ratusan tahun sehingga
menimbulkan masalah baru pada lingkungan.
Kelemahannya adalah proses perkembangan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir dari
reaksi fusi memerlukan waktu penelitian yang sangat lama yaitu dimulai dari 1960an
dimana sistem medan magnet berhasil dengan mantap mengukungi plasma panas hingga
2011 dimana ITER (reaktor fusi eksperimen buatan US, Jepang, Kanada, India, Korea dan
Uni Eropa) diharapkan berhasil. Hal ini tentu juga memakan biaya yang sangat banyak.
Sampai saat ini pun, PLTN reaksi fusi tidak ada wujud realisasinya karena energi
yang dihasilkan masih lebih kecil dibandingkan energi untuk memanaskan plasma. Oleh
karena itu, kami tidak bisa menganalisa konversi energi dari PLTN reaksi fusi karena
ketiadaan data.
Page 23
23
BAB V
KESIMPULAN
1. Plasma dalam reaksi fusi adalah dalam kondisi seluruh elektronnya telah meninggalkan inti
atom.
2. Energi reaksi fusi yang rencananya akan dimanfaatkan adalah dari reaksi penggabungan 1
atom deutrium dan 1 tritium yang menghasilkan neutron berenergi tinggi dan helium.
3. Deutrium dan tritium tergolong bahan bakar yang ramah lingkungan.
4. Reaksi fusi terjadi dalam tokamak yang dikelilingi medan magnet untuk mencegah kontak
plasma panas dengan dinding tokamak.
5. Reaksi fusi terjadi pada temperatur termonuklir dan tekanan tinggi.
6. Neutron berenergi tinggi diserap mantle dan bereaksi dengan lithium menghasilkan tritium.
7. Panas yang diserap mantle digunakan untuk memanasi air pada sistem heat exchanger.
8. Sistem PLTN reaksi fusi hanya memiliki perbedaan pada cara mendapatkan sumber energi
panas, sedangkan sistem turbin, heat exchanger dan generator sama dengan Pembangkit
Listrik Tenaga Uap.
9. Nilai konversi energi pada PLTN reaksi fusi meliputi efisiensi penyerapan kalor oleh
mantle, efisiensi penyerapan kalor oleh heat exchanger, loss kalor di pipa sistem heat
exchanger, efisiensi turbin dan efisiensi generator.
10. Sampai saat ini energi reaksi fusi belum bisa dimanfaatkan untuk PLTN karena energi
output yang dihasilkan masih lebih kecil dibandingkan energi untuk memanasi plasma.
Page 24
24
REFERENSI
Tanenbaum, B., Samuel. Plasma Physiscs. 1967. McGraw-Hill, Inc. United States of America.
http://www.plasmas.org/rot-energy.htm. Akses tanggal 1 mei 2011.
http://www.plasmas.org/rot-plasmas.htm. Akses tanggal 1 mei 2011.
http://www.plasmas.org/basics.htm. Akses tanggal 1 mei 2011.
http://www.solarschools.net/resources/stuff/advantages_and_disadvantages.aspx. Akses tanggal
1 Mei 2011
http://www.associatedcontent.com/article/288108/five_disadvantages_of_geothermal_energy_pg
2.html?cat=15. Akses tanggal 1 Mei 2011
Tanenbaum, B., Samuel. Plasma Physiscs. 1967. McGraw-Hill, Inc. United States of America.
Fusi Nuklir: Sumber Energi Masa Depan. Alexander Agung. 1 Agustus 1998.
http://www.propagation.gatech.edu/ECE6390/project/Fall2010/Projects/group1/MASA_files/Pag
e443.htm. Akses tanggal 7 Mei 2011.
http://www.iter.org/sci/fusionfuels. Akses tanggal 7 Mei 2010.
http://www.fas.org/nuke/intro/nuke/tritium.htm. Akses tanggal 7 Mei 2011.
Widdi Usada, Suryadi, Agus Purwadi, Kasiyo. Lucutan Plasma berbentuk Torus. Pusat
Penelitian Nuklir Yogyakarta. Prosiding Pertemuan don Presentasi Ilmiah. PPNY-BATAN.
Yogyakarta 23.25 April 1996
http://www-fusion-magnetique.cea.fr/gb/fusion/histoire/site_historique.htm. Akses tanggal 7 Mei
2011
http://www.jet.efda.org/wp-content/uploads/JET-ITER-cutaway.jpg. Akses tanggal 7 Mei 2011.
http://science.howstuffworks.com/fusion-reactor4.htm. Akses tanggal 9 Mei 2011.
Page 25
25
http://gurumia.com/2009/07/31/power-shortage-in-bangladesh-industriies/. Akses tanggal 7 Mei
2011.