Reaksi fisi

Reaksi fisi adalah proses dalam fisika nuklir di mana inti atom membelah menjadi dua atau lebih inti yang lebih ringan, yang disebut sebagai produk fisi. Dalam banyak kasus, reaksi ini juga melepaskan produk sampingan berupa partikel subatomik seperti neutron bebas, foton (biasanya dalam bentuk sinar gamma), dan sejumlah besar energi. Fisi nuklir merupakan bentuk transmutasi nuklir karena fragmen yang dihasilkan tidak sama dengan elemen atom semula. Energi yang dilepaskan dalam reaksi ini sangat besar dibandingkan dengan reaksi kimia biasa, berasal dari perubahan energi pengikat nuklir yang menahan inti atom agar tetap menyatu.

Mekanisme

Proses fisi sering kali dipicu oleh penyerapan neutron oleh inti berat, seperti Uranium-235 atau Plutonium-239. Ketika inti menyerap neutron, ia membentuk inti majemuk yang berada dalam keadaan tereksitasi. Energi eksitasi ini menyebabkan inti mengalami deformasi bentuk yang hebat. Jika deformasi ini melampaui titik kritis tertentu, gaya tolak elektrostatik antara proton di dalam inti akan mengatasi gaya nuklir kuat yang mengikat nukleon, menyebabkan inti terbelah dengan kecepatan tinggi.

Peristiwa pembelahan ini menghasilkan dua fragmen inti utama yang biasanya memiliki massa yang tidak simetris; satu fragmen sering kali sedikit lebih berat daripada yang lain. Selain fragmen inti, peristiwa ini memancarkan beberapa neutron (rata-rata 2 hingga 3 neutron per fisi untuk U-235). Neutron-neutron ini, yang disebut sebagai prompt neutrons, bergerak dengan kecepatan tinggi dan sangat penting untuk kelanjutan proses dalam reaktor nuklir atau senjata nuklir.

Selain partikel materi, fisi nuklir melepaskan energi elektromagnetik dalam bentuk sinar gamma sesaat. Fragmen fisi yang dihasilkan sering kali merupakan isotop radioaktif yang tidak stabil karena memiliki kelebihan neutron. Oleh karena itu, fragmen-fragmen ini akan mengalami peluruhan beta lebih lanjut dari waktu ke waktu, memancarkan antineutrino dan sinar gamma tambahan, yang berkontribusi pada apa yang dikenal sebagai panas peluruhan.

Energetika

Energi yang dilepaskan dalam reaksi fisi dapat dijelaskan menggunakan prinsip kesetaraan massa-energi yang dirumuskan oleh Albert Einstein. Massa total produk fisi (fragmen inti + neutron) sedikit lebih kecil daripada massa inti atom awal ditambah neutron penembak. Selisih massa ini, atau cacat massa ($\mathrm{\Delta }m$), dikonversi menjadi energi ($E$) sesuai dengan persamaan:

$E=\mathrm{\Delta }m{c}^2$

Di mana $c$ adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Dalam satu peristiwa fisi uranium-235, energi yang dilepaskan adalah sekitar 200 MeV (juta elektronvolt). Sebagian besar energi ini (sekitar 168 MeV) muncul sebagai energi kinetik dari fragmen fisi yang saling menjauh dengan kecepatan tinggi. Energi ini kemudian dengan cepat diubah menjadi energi termal (panas) ketika fragmen-fragmen tersebut bertumbukan dengan atom-atom di sekitarnya dalam bahan bakar reaktor.

Sebagai perbandingan, pembakaran atom karbon dalam bahan bakar fosil hanya melepaskan beberapa elektronvolt energi. Densitas energi yang luar biasa ini menjadikan fisi nuklir sebagai sumber energi yang sangat padat. Namun, energi juga dilepaskan secara bertahap melalui peluruhan radioaktif produk fisi, yang mengharuskan pendinginan aktif pada reaktor nuklir bahkan setelah reaksi rantai dihentikan untuk mencegah pelelehan inti reaktor.

Reaksi Berantai

Salah satu karakteristik paling penting dari fisi nuklir adalah kemampuannya untuk mempertahankan reaksi berantai nuklir. Karena setiap peristiwa fisi mengonsumsi satu neutron tetapi melepaskan dua atau tiga neutron baru, neutron-neutron keluaran ini dapat memicu fisi lanjutan pada inti-inti lain di sekitarnya. Jika rata-rata setidaknya satu neutron dari setiap fisi berhasil memicu fisi lain, reaksi dapat berlanjut secara mandiri. Parameter yang mengukur hal ini disebut faktor multiplikasi neutron efektif ($k$).

Agar reaksi berantai dapat terjadi, material fisil harus mencapai kondisi yang disebut massa kritis. Massa kritis adalah jumlah minimum bahan fisil yang diperlukan untuk mempertahankan reaksi berantai nuklir. Besarnya massa kritis ini bergantung pada beberapa faktor fisik dan geometris dari bahan tersebut. Berikut adalah faktor-faktor utama yang memengaruhi massa kritis:

1. Massa dan kemurnian bahan fisil: Semakin tinggi konsentrasi isotop fisil (seperti pengayaan uranium), semakin kecil massa yang dibutuhkan.
2. Bentuk geometris: Bentuk bola adalah yang paling efisien karena meminimalkan rasio luas permukaan terhadap volume, mengurangi kebocoran neutron.
3. Densitas: Pemampatan bahan fisil meningkatkan kemungkinan tumbukan neutron dengan inti.
4. Keberadaan reflektor neutron: Bahan seperti berilium atau baja di sekeliling bahan fisil dapat memantulkan neutron yang lolos kembali ke dalam inti.

Reaktor Nuklir dan Kontrol

Dalam reaktor nuklir, reaksi fisi dikendalikan secara cermat agar faktor multiplikasi neutron ($k$) tetap berada sangat dekat dengan 1. Ini berarti reaksi berlangsung pada tingkat yang stabil dan konstan. Untuk mencapai hal ini, reaktor menggunakan bahan yang disebut moderator neutron, seperti air berat atau grafit, untuk memperlambat neutron cepat yang dihasilkan dari fisi. Neutron termal (lambat) jauh lebih efisien dalam memicu fisi pada uranium-235 dibandingkan neutron cepat.

Selain moderator, reaktor dilengkapi dengan batang kendali yang terbuat dari bahan penyerap neutron kuat seperti kadmium, hafnium, atau boron. Dengan memasukkan atau menarik batang kendali ini dari teras reaktor, operator dapat mengatur jumlah neutron yang tersedia untuk memicu fisi, sehingga dapat menaikkan, menurunkan, atau menghentikan daya reaktor sepenuhnya sesuai kebutuhan operasional atau prosedur keselamatan.

Sebaliknya, dalam senjata nuklir, tujuannya adalah membiarkan reaksi berantai berkembang secara eksponensial dalam waktu yang sangat singkat ($k>>1$). Hal ini dicapai dengan menyatukan sejumlah bahan fisil subkritis menjadi massa superkritis dengan sangat cepat, baik melalui metode tembakan (gun-type) atau implosi, sehingga melepaskan energi dalam jumlah masif sebelum bahan tersebut sempat terdisassembly oleh ledakan itu sendiri.

Produk Fisi dan Manajemen Limbah

Pembelahan inti atom bersifat stokastik dan jarang menghasilkan dua belahan yang sama persis. Kurva hasil fisi menunjukkan bahwa produk fisi cenderung terdistribusi dalam dua puncak massa, satu di sekitar nomor massa 95 dan yang lainnya di sekitar 137. Contoh produk fisi yang umum meliputi Iodium-131, Cesium-137, dan Stronsium-90. Banyak dari isotop ini sangat radioaktif dan memiliki waktu paruh yang bervariasi dari beberapa hari hingga ribuan tahun.

Penanganan limbah radioaktif dari reaksi fisi merupakan tantangan teknis dan lingkungan yang signifikan. Limbah tingkat tinggi harus disimpan dalam wadah tahan korosi dan ditempatkan dalam fasilitas geologis dalam (deep geological repository) untuk mengisolasi radiasi dari biosfer selama ribuan tahun. Selain bahaya radiasi, beberapa produk fisi merupakan racun neutron (seperti Xenon-135) yang dapat menyerap neutron dan mengganggu kinerja reaktor jika tidak dikelola dengan benar selama operasi.