2050 Reaktor Fusi Dioperasikan

Terry Mart

Kompas Jum'at 23 Juli 2004

Naiknya harga minyak mentah boleh jadi membawa berkah besar bagi negara-negara pengekspor minyak seperti OPEC. Namun di lain pihak, terutama negara-negara industri maju, kenaikan harga minyak dapat membawa bencana besar bagi perekonomian mereka. Sumber bahan bakar alternatif yang handal selain bahan bakar fosil ini memang merupakan impian bagi mereka.

Tidak dapat dipungkiri bahwa bahan bakar minyak (BBM) merupakan sumber energi terbesar yang dimanfaatkan manusia, terutama untuk masalah transportasi. Namun, tidak dapat dipungkiri pula bahwa BBM akan segera habis jika pola kenaikan pemakaian BBM seperti saat ini tidak dapat diubah. Di sisi lain, dengan gaya hidup manusia sekarang pembakaran BBM telah meningkatkan kadar CO2 di atas permukaan bumi yang memicu efek rumah kaca berupa kenaikan temperatur dan cenderung untuk mendestabilisasi pola cuaca. Sumber energi batubara yang menjadi andalan banyak negara (karena cadangan cukup berlimpah) memiliki dampak lingkungan yang jauh lebih besar.

Sementara itu, teknologi energi terbarukan yang ramah lingkungan seperti energi surya, air, angin, pasang surut, biomassa, dan geotermal sudah secara masif dikembangkan. Namun kelemahan energi jenis ini adalah pada masalah efisiensi serta cadangan sumber yang bervariasi di atas permukaan bumi. Beberapa di antaranya seperti energi surya, air dan angin, sangat dipengaruhi oleh pola cuaca setempat. Dengan teknologi yang ada saat ini, energi-energi tersebut dapat memenuhi kebutuhan negara-negara dengan populasi yang tersebar, namun sulit untuk menyediakan energi bagi populasi padat terkonsentrasi dengan kebutuhan energi per jiwa cukup tinggi seperti di negara-negara industri.

Energi nuklir fisi (nuklir konvensional yang ada sekarang) dapat dianggap sebagai solusi intermediate karena cadangan bahan bakarnya cukup berlimpah. Namun, isu radiasi serta limbah nuklir  yang menjadi sangat sensitif di masyarakat (serta sering dipolitisir) telah secara signifikan menekan perkembangan teknologi jenis ini. Apalagi jika dikaitkan dengan isu terorisme, tampaknya masa depan energi nuklir fisi sulit diramalkan menjadi baik.

Reaksi Fusi dan Keunggulannya

Reaksi fusi merupakan reaksi yang membuat matahari serta bintang-bintang di jagat raya ini bercahaya. Reaksi jenis ini hanya dapat berlangsung jika temperatur, tekanan dan kerapatan bahan bakar ekstrim tinggi. Di dalam inti matahari, misalnya, temperatur antara 15 - 20 juta derajat Celsius, tekanan gravitasi sekitar seperempat triliun atmosfir, serta kerapatan yang mencapai delapan kali kerapatan emas, telah menjamin berlangsungnya fusi inti-inti hidrogen menjadi inti helium secara kontinu selama milyaran tahun. Temperatur dan tekanan ekstrim tersebut diperlukan dalam reaksi fusi untuk mengatasi gaya tolak menolak Coulomb akibat muatan proton yang menjadi luar biasa besar untuk jangkauan reaksi nuklir. Pada bintang-bintang yang lebih besar, temperatur, tekanan dan kerapatan mereka dapat lebih besar dari angka-angka di atas.

Tentu saja kondisi tersebut sulit dicapai di atas permukaan bumi, sehingga proses lain harus dicari. Nukleus-nukleus ringan yang memiliki energi ikat rendah cenderung untuk berfusi menjadi nukleus yang lebih berat karena energi ikatnya lebih tinggi. Tingginya energi ikat menggambarkan kestabilan nukleus. Sebaliknya, dengan alasan yang sama, nukleus berat (misalnya 239Pu) cenderung untuk berfisi (pecah) menjadi nukleus-nukleus yang lebih ringan.

Salah satu reaksi fusi yang saat ini serius dipertimbangkan adalah penggabungan nukleus deuterium (D) dan tritium (T). Reaksi DT ini memiliki peluang lebih besar dibandingkan dengan reaksi DD atau Da (a adalah nukleus helium). Selain itu cadangan bahan bakar (D dan T) sangat berlimpah. Deuterium dapat diekstraksi dari air melalui metode elektrolisis. Setiap satu meter kubik air mengandung 30 gram deuterium, sehingga jika seluruh listrik di muka  bumi ini dibangkitkan oleh reaktor fusi maka cadangan deuterium akan mencukupi kebutuhan lebih dari sejuta tahun. Tritium tidak tersedia secara alami, melainkan harus diproduksi (dibiakkan) dalam reaktor dengan lithium. Lithium adalah metal yang paling ringan yang cukup banyak ditemukan pada kulit bumi serta dalam konsentrasi rendah di lautan. Cadangan lithium yang telah diketahui hingga saat ini dapat mencukupi kebutuhan selama lebih dari 1000 tahun.


Gambar 1. Desain reaktor magnetic confinement fusi masa depan hasil penelitian ITER (diambil dari situs CEA, Badan Riset Atom Perancis). Bahan bakar deuterium (D) dan tritium  (T) dimasukkan ke dalam reaktor (1), reaksi fusi DT berlangsung (2), menghasilkan abu (atom helium) dan energi dalam bentuk energi kinetik partikel alpha dan neutron (3),  neutron akan diserap oleh selimut lithium (4) untuk membiakkan tritium yang akan dipakai untuk proses selanjutnya.

Lithium akan dibuat menjadi selimut (blanket) reaktor seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Reaksi fusi DT akan menghasilkan  a  dan neutron n. Neutron ini akan bergerak keluar plasma (atom-atom helium dan tritium yang telah kehilangan elektron akibat temperatur sangat tinggi) dan diserap oleh selimut  lithium yang selanjutnya menghasilkan T dan a. Kedua jenis reaksi tersebut berlangsung bergantian menghasilkan energi yang dapat diserap oleh dinding reaktor,

D + T --> alpha + n + energi
n + Li --> alpha + T + energi

Keuntungan lain reaktor fusi adalah rendahnya problem sampah nuklir. Dari semua bahan bakar fusi hanya tritium  yang radioaktif dengan waktu paruh (half life) 12,5 tahun. Sampah radioaktif yang serius di sini hanyalah material dinding reaktor yang menjadi radioaktif karena dihujani oleh partikel neutron. Namun radioaktivitas yang ditimbulkan akan 'cepat sekali' stabil, dalam kasus terburuk kurang dari 100 tahun. Bandingkan dengan sampah reaktor fisi konvensional yang tetap radioaktif setelah jutaan tahun. Dengan demikian mayoritas sampah fusi dapat dikubur tidak terlalu dalam dan dapat relatif dengan cepat dilupakan.

Selain itu reaksi fusi secara inheren sangat aman. Kegagalan dalam bentuk apapun akan cepat mengkontaminasi plasma dalam reaktor yang berakibat padamnya reaksi fusi. Tidak ada reaksi berantai di sini yang dapat tumbuh secara eksponensial akibat kegagalan pengendalian titik kritis seperti pada reaktor fisi.

Dari penjelasan tersebut tampak bahwa reaktor fusi merupakan pembangkit energi (listrik ataupun termal) impian. Tidak ada emisi CO atau CO2 dan dampak lingkungannya jauh di dalam batas toleransi. Meski demikian masih banyak problem yang harus dipecahkan ilmuwan sebelum reaktor fusi dapat beroperasi secara komersial.

Problem Reaksi Fusi

Patut diingat bahwa di atas permukaan bumi sangat sulit untuk memperoleh kondisi tekanan dan kerapatan ekstrim seperti yang dimiliki oleh inti matahari. Dengan kondisi ekstrim tersebut, reaksi fusi sudah dapat menyala pada temperatur 10 - 15 juta Celsius. Di lain pihak, reaktivitas proses fusi DT akan maksimal baru pada temperatur 100 juta Celsius, hampir sepuluh kali lipat temperatur inti matahari. Pada temperatur ini seluruh material yang dikenal manusia di permukaan bumi akan cepat menguap. Jadi, tidak seperti reaktor konvensional yang material reaktornya dapat memiliki kontak langsung dengan bahan bakar, di sini  plasma bahan bakar harus 'diletakkan' di tengah reaktor.

Ada dua cara untuk menahan plasma sehingga tidak bersentuhan dengan dinding reaktor. Cara pertama adalah dengan mengeksploitasi inersia (massa) partikel.  Pada metode ini bahan bakar fusi berbentuk pellet ditembaki dengan partikel berenergi tinggi atau dengan sinar laser dari segala arah. Pellet tersebut mengalami gelombang (tekanan) kejut ke arah dalam sehingga temperatur dan kerapatannya meningkat ke batas ekstrim. Pada kondisi tersebut reaksi fusi dapat mulai menyala dan energi pembakaran termonuklir mulai dilepas. Hasilnya berupa partikel  alpha dan neutron bergerak ke arah dinding reaktor untuk diserap energinya. Metode ini dinamakan inertial confinement.

Cara yang kedua memanfaatkan muatan partikel. Partikel-partikel bermuatan (dalam hal ini plasma) dapat dijaga agar mengorbit pada satu lintasan di dalam reaktor dengan menggunakan medan magnet super kuat yang dibangkitkan oleh superkonduktor. Metode kedua ini dinamakan magnetic confinement.

Karena plasma bermuatan positif maka ia dapat dipanaskan dengan cara mengalirkan arus listrik hingga 7 juta Ampere yang akan mendepositkan energi termal hingga beberapa MegaWatt (MW). Metode ini memiliki keterbatasan karena plasma dapat dipanaskan hingga suhu sekitar 10 juta Celsius. Untuk menaikkan suhu plasma ke  tingkat yang lebih tinggi (100 juta Celsius merupakan syarat minimal) harus digunakan beberapa cara lain, misalnya dengan menggunakan gelombang elektromagnetik mirip seperti pada oven microwave. Sekitar 10 MW energi termal dapat didepositkan dengan metode ini. Metode lain adalah dengan mempercepat bahan bakar D dan T dengan beda potensial sekitar 140 kilovolt.

Partikel alpha yang dihasilkan dari fusi DT akan tetap berada dalam plasma, sedangkan energi kinetik yang dimilikinya akan membantu menaikkan temperatur plasma. Jika energi seluruh a sudah cukup untuk mempertahankan temperatur plasma di sekitar 100 juta Celsius, proses fusi dapat berlangsung sendiri tanpa pemanasan dari luar. Kondisi ini dinamakan kondisi penyalaan (ignition). Meski demikian, untuk tujuan komersial reaktor fusi tidak harus mencapai kondisi ini.

Jika reaktor fusi dioperasikan pada kondisi sebelum penyalaan, jelas diperlukan daya listrik eksternal ekstra besar untuk mengoperasikan reaktor. Reaktor komersial haruslah memiliki daya asupan yang jauh lebih kecil dibandingkan daya keluaran. Untuk itu, didefinisikan faktor penguatan daya (Q) yang sebanding dengan rasio dari daya keluaran terhadap daya asupan. Jika efisiensi konversi energi termal ke energi listrik sekitar 35%, sedangkan efisiensi pemanasan plasma dengan energi listrik sebesar 80%, maka efisiensi total sekitar 25%. Dengan demikian Q > 4 adalah suatu keharusan, namun untuk tujuan komersial Q yang sebesar-besarnya tentulah yang diharapkan (diperkirakan antara 30 - 50).

Problem reaktor fusi sebenarnya adalah mempertahankan proses reaksi fusi yang membutuhkan kondisi sangat spesial, sementara kondisi tersebut sangat mudah berubah.

Status Reaktor Fusi

Pada tahun 1968 ilmuwan Rusia dari Institut Kurchatov mengumumkan keberhasilan mereka mengoperasikan reaktor fusi pertama yang mereka sebut tokamak. Sukses besar tersebut mendorong negara-negara Eropa, Jepang, dan Amerika untuk membangun fasilitas riset termonuklir sendiri yang juga berbentuk tokamak, yaitu JET di Inggris, JT-60 di Jepang, dan TFTR di Princeton, Amerika. Hingga kini hampir semua reaktor fusi berbentuk tokamak, seperti terlihat pada Gambar 1. Eksperimen pada fasilitas-fasilitas riset fusi tersebut umumnya ditujukan untuk mencapai kondisi breakeven (Q=1), sehingga sifat-sifat plasma yang didominasi oleh partikel alpha (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 mengkonsumsi daya tak kurang 100 MW, jadi masih jauh dari titik breakeven.

Untuk mempercepat penelitian negara-negara Eropa, Jepang, Rusia dan Amerika bergabung membangun International Thermonuclear Experimental Reactor (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. Untuk skala komersial, reaktor sejenis ITER nanti akan direncanakan berdaya sekitar 4000  MW, sehingga listrik yang dapat dihasilkan cukup menjanjikan, yaitu sekitar 1000 MW.

Meski proyek ambisius ini mendapat dukungan negara-negara maju, ITER tetap saja memiliki problem internal. Lokasi pembangunan ITER masih merupakan isu perdebatan yang sengit di kalangan anggota ITER. Jepang dan Perancis bersaing keras untuk mendapatkan lokasi tersebut. Keluar dan kembali masuknya Amerika sebagai anggota ITER juga menandakan bahwa proyek ini masih memiliki banyak kendala. Sebelum reaktor dioperasikan, tritium harus disuplai dari luar. ITER harus memperoleh tritium dari negara anggotanya. Rusia dan Amerika 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 mega proyek ini. Bahkan, pertanyaan yang sering terlontar adalah mengapa diperlukan waktu yang sangat lama untuk membangun reaktor fusi komersial?

Tidak dapat dipungkiri 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 manapun. Jadi, tahun 2050 masih merupakan prakiraan yang realistis untuk permulaan beroperasinya reaktor fusi komersial.

(Dr. Terry Mart, staf pengajar dan peneliti pada Departemen Fisika, FMIPA UI, Depok)

Versi Kompas