Menghancurkan bom nuklir dengan sinar neutrino dan proton

Pendahuluan

Seperti biasa, pagi hari tanggal 8 Mei lalu, saya memulai rutinitas kerja di kantor dengan menyalakan komputer, mengecek surat-surat elektronik yang masuk, serta melihat pre-print makalah-makalah yang dikirimkan para fisikawan mancanegara hari itu di Los Alamos archive, suatu database fisika yang sangat besar yang sangat membantu fisikawan mengikuti perkembangan terakhir penelitian fisika. Hari itu, tatapan mata saya tertuju pada sebuah makalah yang ditulis tiga orang Jepang (yang bekerja di Univesitas Hawaii serta laboratorium KEK di Tsukuba). Saya tersenyum karena melihat judulnya sangat spektakuler: Destruction of Nuclear Bombs Using Ultra-High Energy Neutrino Beam atau Pemusnahan Bom-bom Nuklir dengan Menggunakan Berkas Neutrino Berenergi Tinggi. (Makalah dapat di down-load dari situs www.arxiv.org dengan nomer: hep-ph/0305062) Saya kembali teringat pada beberapa bulan silam ada sebuah makalah yang membahas tentang pencarian sumber-sumber minyak dengan memanfaatkan neutrino. Penulis makalah terakhir ini berkesimpulan bahwa pemanfaatan neutrino untuk mencari lokasi ladang minyak adalah mustahil.

Minat fisikawan dunia terhadap neutrino memang sangat meningkat akhir-akhir ini, terutama setelah penelitian Super-Kamiokande di Jepang pada tahun 1998 berhasil membuktikan bahwa neutrino memiliki massa, tidak seperti yang diramalkan oleh Pauli lebih dari 70 tahun lalu. Namun tampaknya makalah yang ditulis ketiga fisikawan Jepang tadi tidak dibuat untuk sekedar lelucon belaka, sebab di dalam makalah tersebut mereka mengetengahkan perhitungan-perhitungan yang meski relatif sederhana namun cukup beralasan, dan pada akhirnya mengusulkan dua skenario untuk melindungi negara dari negara-negara musuh yang memiliki senjata (bom) nuklir. Kedua skenario tersebut diperlihatkan pada gambar 1. Pada skenario pertama, bom-bom nuklir yang disimpan di atas atau pun di bawah permukaan bumi dapat dihancurkan dengan sinar neutrino yang ditembakkan menembus perut bumi. Skenario kedua digunakan untuk menghancurkan rudal-rudal yang memiliki hulu-ledak nuklir yang sudah terlanjur diluncurkan dari permukaan bumi. Untuk kasus ini, berkas proton yang lebih mudah diproduksi dapat digunakan.

Jika alat ini dapat diciptakan, tentulah setiap negara ingin memilikinya, terutama Amerika yang merupakan satu-satunya negara adidaya saat ini. Di lain pihak, negara kecil juga akan sangat senang jika dapat menghancurkan bom-bom nuklir yang dimiliki negara adidaya. Namun untuk mengerti cara kerja penghancur bom nuklir tersebut kita harus memahami dahulu sifat-sifat neutrino dan prinsip dasar bom nuklir.


Gambar 1. Dua skenario penghancuran bom nuklir. Gambar sebelah kiri menunjukkan penghancuran
bom nuklir yang ditempatkan di atas bumi dengan menggunakan sinar (berkas) neutrino, se-
dangkan gambar sebelah kanan memperlihatkan skenario menghancurkan rudal berkepala
nuklir yang sudah diluncurkan dari permukaan bumi dengan menggunakan berkas proton.

Neutrino si partikel hantu

Neutrino pada mulanya dianggap sebagai partikel hantu ( ghost particle) karena ia tidak memiliki massa dan muatan. Neutrino pertama diperkenalkan sebagai partikel hipotetik oleh Wolfgang Pauli pada tahun 1931 karena Pauli mengamati ketidak-konsitenan konservasi energi dan momentum pada suatu peluruhan radioaktif. Pauli menyatakan bahwa energi dan momentum yang hilang dari proses tersebut dibawa oleh suatu partikel yang tidak memiliki muatan dan tidak memiliki massa sehingga tidak dapat diamati langsung secara eksperimen. Ramalan Pauli ini kemudian didukung oleh Enrico Fermi yang kemudian mengembangkan teori peluruhan radioaktif yang lebih komprehensif. Teori tersebut hanya dapat dikembangkan dengan bantuan neutrino.

Dua puluh delapan tahun kemudian Clyde Cowan dan Fred Reines berhasil membuktikan eksistensi neutrino melalui sebuah percobaan yang dilakukan pada sebuah tangki berisi 200 liter larutan CdCl2. Di dalam tangki tersebut, berkas anti-neutrino yang diperoleh dari sebuah reaktor nuklir ditangkap oleh proton yang kemudian berubah menjadi neutron dan positron. Sejak saat itu keberadaan neutrino bukan lagi hanya sebatas hipotesis, namun massa neutrino yang sama dengan nol mendorong penelitian lebih jauh.

Pada tahun 1985 sekelompok peneliti dari Russia untuk pertama kali meng-klaim telah mengamati massa neutrino yang tidak nol, kira-kira lebih kecil dari sepersepuluh ribu massa elektron. Namun sayangnya, eksperimen yang dilakukan di tempat yang berbeda tidak berhasil membuktikan penemuan tersebut. Baru pada tahun 1998 eksperimen yang dilakukan dengan menggunakan detektor Super-Kamiokande yang menggunakan tangki berisi 50.000 ton air murni, diletakkan sekitar 1000 meter di bawah permukaan bumi, berhasil membuktikan bahwa neutrino memiliki massa. Meski demikian, massa neutrino secara pasti tidak dapat diukur melalui eksperimen tersebut.

Neutrino tidak hanya dihasilkan oleh reaktor nuklir. Matahari serta bintang-bintang yang masih bersinar juga dapat memancarkan neutrino. Radiasi sinar kosmik yang memborbardir atmosfir bumi juga menghasilkan neutrino. Dengan demikian dapat dibayangkan bahwa pada siang hari kita dihujani oleh neutrino dari atas, sedangkan pada malam hari neutrino-neutrino tersebut menembus tubuh kita dari bawah kasur tidur. Untunglah neutrino tersebut tidak bermuatan dan bermassa kecil sekali, sehingga ia tidak sempat berinteraksi dengan atom-atom penyusun sel tubuh kita. Kalau pun ini terjadi, maka proses tersebut akan sangat-sangat jarang.

Prinsip kerja bom nuklir fisi

Rancangan semua bom nuklir yang dimiliki beberapa negara saat ini tentu saja sangat dirahasiakan dan tidak pernah dipublikasi secara resmi. Namun prinsip dasar dari sebuah bom nuklir dapat ditemukan di beberapa buku teks fisika nuklir atau pun buku-buku populer. Bagan sederhana sebuah bom nuklir implosif yang diperlihatkan pada gambar 2 merupakan salah satu bahan kuliah pendahuluan fisika nuklir yang diberikan pada mahasiswa fisika tingkat tiga. Gambar tersebut menunjukkan bahan peledak nuklir yang dikelilingi oleh peledak konvensional (TNT) yang didesain sedemikian rupa agar ledakan TNT menghasilkan gelombang kejut.


Gambar 2. Bagan sederhana dari bom nuklir fisi.

Untuk menghasilkan ledakan nuklir yang optimal detonasi dari peledak konvensional harus disinkronkan dengan reaksi fisi. Hal ini dimaksudkan agar ledakan TNT menghasilkan gelombang kejut yang pada akhirnya akan menekan 239Pu sehingga membuat 239 Pu berada dalam kondisi superkritis, yaitu kondisi dimana reaksi fisi dapat membiakkan lebih dari satu netron. Pada prakteknya hal ini merupakan bagian tersulit dari sebuah bom nuklir. Netron kemudian dilepas oleh initiator untuk memulai reaksi berantai. Selubung 238Pu yang menutupi bahan peledak 239Pu berguna untuk mengembalikan netron yang keluar dari inti bom, atau dapat juga menghasilkan netron-netron tambahan melalui reaksi fisi yang dipicu oleh netron-netron cepat yang bergerak keluar dari inti bom. Proses-proses tersebut terjadi dalam selang waktu begitu singkat, bahkan dengan periode nano-detik.

Jika bom nuklir dapat diledakkan secara optimal maka untuk kekuatan ledakan yang setara dengan 20.000 ton TNT, dibutuhkan plutonium sebanyak 10 kg saja. Dengan berat tersebut diameter plutonium hanya sekitar 10 cm. Bersama-sama dengan selubung TNT, bom ukuran ini sedikit lebih besar dari bom yang dibawa teroris pada film-film Hollywood. Meski ukurannya relatif kecil, hasil ledakan sangat dramatis:
  • Pada jarak 2 km dari pusat ledakan tekanan bertambah sekitar 0,25 atm. Perubahan tekanan ini dapat menghancurkan bangunan-bangunan dari kayu dan menerbangkan serpihan-serpihan dengan kecepatan sekitar 150 km/jam.
  • Pada jarak 2 km dari pusat ledakan terjadi gelombang panas yang dapat membakar kulit dan menyulut (menyalakan) benda-benda yang mudah terbakar. Selain itu kombinasi gelombang panas dan angin akan mengakibatkan badai api dengan kecepatan antara 75--150 km/jam.
  • Akibat lain adalah radiasi netron dan sinar gamma yang dapat menyebabkan leukemia, kanker, dan kerusakan genetik. 
Menghancurkan bom nuklir

Ide dasar penghancuran bom nuklir adalah menembakkan berkas neutrino berenergi sangat tinggi yang dapat dengan mudah menembus bumi ke arah lokasi bom nuklir untuk menyulut reaksi fisi pada bom nuklir tersebut. Untuk tujuan ini dibutuhkan berkas neutrino yang memiliki energi paling tidak 1000 TeV (Tera atau triliun electron Volt, dengan satu electron Volt adalah energi yang diberikan oleh beda potensial satu Volt pada sebuah elektron). Tentu saja angka tersebut merupakan angka yang belum pernah dicapai oleh eksperimen mana pun di atas permukaan bumi ini. Kalau pun kita ingin membuat eksperimennya maka dibutuhkan sebuah akselerator muon sepanjang 1000 km dan memiliki magnet berkekuatan 10 Tesla. Jika angka-angka tersebut tidak menjadi masalah untuk direalisasi, maka biaya yang harus dikeluarkan tak kurang dari 100 triliun dollar. Mengingat fantastisnya angka-angka tersebut maka pencetus ide ini memperkirakan tidak akan ada satu negara yang sanggup untuk membuat peralatan pemusnah bom nuklir. Kecuali jika seluruh negara di dunia bersatu membuat suatu pemerintahan dunia, barulah proposal tersebut dapat terlaksana.

Sekarang mari kita lihat bagaimana cara kerja peralatan tersebut. Untuk membuat neutrino dengan energi 1000 TeV diperlukan sebuah cincin penyimpan muon (muon storage ring). Pada cincin tersebut partikel muon (yang bermuatan) dipercepat pada energi tertentu sehingga meradiasikan neutrino dengan energi yang kita inginkan. Neutrino dengan energi ini tentu saja sangat berbahaya, karena radiasi yang dihasilkan dapat mencapai 1 Sievert per detik. Bandingkan dengan radiasi latar belakang yang kita terima dari alam yang hanya berkisar 1 milli-Sievert saja per tahun! Neutrino ini kemudian diarahkan ke bagian inti bom nuklir, yaitu elemen 239Pu. Sebelum memasuki inti 239Pu neutrino tersebut akan menghasilkan pancaran (shower) hadron yang akan memicu reaksi fisi di dalam 239 Pu. Patut diingat bahwa ledakan bom nuklir akan efektif jika proses reaksi fisi yang berantai disinkronisasi dengan ledakan TNT pembungkus bom tersebut. Jadi ada kemungkinan bom nuklir tersebut tidak akan meledak secara efektif, karena pada proses ini TNT meledak setelah reaksi fisi berjalan dan temperatur TNT meningkat melebihi 250 C. Pada kenyataannya, hasil perhitungan ketiga penulis makalah tersebut memperlihatkan bahwa dengan menggunakan berkas neutrino berkekuatan 1000 TeV bom nuklir akan meledak dengan kekuatan hanya 3% dari kekuatan penuh. Tentu saja penurunan daya ledak sangat diinginkan, mengingat penghancuran bom nuklir harus diusahakan se''aman'' mungkin, meski tampaknya hal ini mustahil terjadi.

Pada kasus rudal nuklir yang telah diluncurkan, penulis makalah mengusulkan untuk menggunakan berkas proton karena proton dapat ditembakkan langsung di tempat terbuka. Untuk menghasilkan berkas proton tersebut sebuah akselerator proton, yang jauh lebih sederhana dibandingkan dengan cincin penyimpan muon, dapat ditempatkan pada sebuah satelit. Karena proton adalah partikel masif, energi yang dibutuhkan hanyalah sekitar 100 GeV (Giga electron Volt). Proses selanjutnya sama dengan pada skenario pertama. Problem utama di sini adalah bagaimana menempatkan akselerator proton pada sebuah satelit atau pesawat ulang-alik, karena akselerator lazimnya memiliki berat ratusan atau bahkan ribuan ton. Namun, jika teknologi pemercepat dengan menggunakan laser atau plasma sudah dapat dikuasai, dimensi akselerator dapat direduksi, sehingga hal di atas bukan merupakan kendala substansial. Sebagai kesimpulan, meski proposal yang diajukan oleh ketiga penulis tersebut bukanlah hal yang nonsense, teknologi dan biaya yang diperlukan masih jauh dari apa yang tersedia saat ini. Pada saat teknologi dan biaya bukan lagi kendala, dunia mungkin akan memasuki era perang baru yang tidak sekonvensional perang nuklir.

(Penulis adalah staf pengajar dan peneliti pada Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia)

  Versi Kompas