Pengertian Reaksi Fisi dan Reaksi Fusi

Reaksi Fisi

Dalam fisika nuklir dan kimia nuklir, fisi nuklir adalah reaksi nuklir saat nukleus atom terbagi menjadi bagian-bagian yang lebih kecil (nuklei yang lebih ringan), yang seringkali menghasilkan foton dan neutron bebas (dalam bentuk sinar gamma), dan melepaskan energi yang sangat besar. Dua nuklei yang dihasilkan biasanya ukurannya sebanding, dengan rasio massa sekitar 3:2 untuk isotop fisil. Fisi yang biasanya terjadi adalah fisi biner, namun kadang-kadang (2 hingga 4 kali per 1000 peristiwa), tiga pecahan bermuatan positif dihasilkan dalam fisi ternari. Bagian terkecil dari ketiga nuklei ini ukurannya bervariasi antara sebesar proton hingga nukleus argon.

Reaksi nuklir energetik ini biasanya dipicu oleh neutron, meskipun kadang-kadang fisi juga dianggap sebagai salah satu bentuk peluruhan radioaktif spontan, terutama dalam isotop dengan nomor massa yang sangat besar. Komposisi hasil yang tak dapat diprediksi (yang bervariasi dalam kemungkinan yang beragam dan ketidakberaturan) membedakan fisi dari proses penerowongan kuantum murni seperti emisi proton, peluruhan alfa, dan peluruhan kluster, yang menghasilkan produk yang sama setiap saat.

Fisi elemen berat merupakan reaksi eksotermik yang dapat melepaskan energi yang besar, baik sebagai radiasi elektromagnetik maupun energi kinetik pecahan. Agar fisi dapat menghasilkan energi, jumlah energi pengikat dari unsur yang dihasilkan harus lebih besar daripada unsur awal. Fisi merupakan salah satu bentuk transmutasi nuklir karena pecahan yang dihasilkan tidak sama dengan unsur atom awalnya.

Fisi nuklir menghasilkan energi listrik dan dimanfaatkan sebagai senjata. Pemanfaatan tersebut mungkin dilakukan karena substansi tertentu yang disebut bahan nuklir mengalami fisi saat terkena neutron fisi, dan lalu menghasilkan neutron saat mereka terbagi. Hal ini memungkinkan reaksi berantai yang melepaskan energi dalam tingkat yang terkontrol di reaktor nuklir atau dalam tingkat yang sangat cepat dan tak terkontrol dalam senjata nuklir.

Jumlah energi bebas yang dikandung dalam bahan bakar nuklir adalah jutaan kali jumlah energi bebas dalam bahan bakar kimia dengan massa yang sama (contohnya bensin), sehingga fisi nuklir merupakan sumber energi yang sangat padat. Akan tetapi, hasil dari fisi nuklir memiliki sifat radioaktif yang jauh lebih besar, sehingga menimbulkan masalah limbah nuklir. Kekhawatiran akan limbah nuklir dan daya hancur senjata nuklir telah memicu perdebatan.

Fisi nuklir dapat muncul tanpa adanya penembakan neutron, sebagai tipe dari peluruhan radioaktif. Tipe fisi yang ini disebut sebagai fisi spontan, dan jarang terjadi kecuali pada sedikit jenis isotop yang sangat berat. Pada alat-alat yang berteknologi nuklir, semua fisi nuklirnya muncul sebagai sebuah "reaksi nuklir" — sebuah proses yang dijalankan oleh penembakan yang dihasilkan dari tabrakan 2 partikel subatomik. Pada reaksi nuklir, sebuah partikel subatomik bertabrakan dengan sebuah nukleus atom dan menyebabkan perubahan padanya. Reaksi nuklir kemudian dijalankan oleh mekanika penembakan, bukan oleh peluruhan eksponensial yang relatif konstan dan karakteristik waktu paruh dari proses radioaktif spontan.

Banyak tipe dari reaksi nuklir yang saat ini sudah diketahui. Fisi nuklir berbeda sama sekali dengan tipe-tipe reaksi nuklir lainnya. Fisi nuklir dapat diperkuat dan dapat dikontrol melalui reaksi rantai nuklir. Dalam sebuah reaksi, setiap neutron yang dilepaskan oleh setiap reaksi fisi dapat menyebabkan reaksi fisi lainnya, sehingga akan melepaskan lebih banyak neutron lagi dan menyebabkan lebih banyak reaksi fisi lagi.

Isotop elemen kimia yang dapat meneruskan reaksi rantai fisi disebut bahan bakar nuklir, dan bersifat fisil. Jenis bahan bakar nuklir yang paling umum adalah ²³⁵U (isotop uranium dengan massa atom 235 dan digunakan di reaktor nuklir) dan ²³⁹Pu (isotop plutonium dengan massa atom 239). Bahan bakar nuklir ini akan terpecah menjadi 2 bagian membentuk elemen kimia dengan massa atom mendekati 95 dan 135 u (produk fisi). Kebanyakan bahan bakar nuklir melalui tahap fisi spontan dengan amat lambat, meluruh melalui sebuah reaksi peluruhan partikel alfa/partikel beta dengan waktu sampai bermilenium-milenium. Dalam reaktor nuklir atai senjata nuklir, reaksi fisi yang besar ini disebabkan karena induksi neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi sebelumnya.

Beberapa unsur berat, seperti uranium, thorium, dan plutonium, mengalami fisi spontan (yang merupakan salah satu bentuk peluruhan radioaktif) dan fisi terinduksi (salah satu bentuk reaksi nuklir). Isotop unsur yang mengalami fisi terinduksi saat terkena neutron bebas disebut fisionabel; isotop yang mengalami fisi saat terkena neutron termal juga disebut fisil. Beberapa fisil dan isotop tertentu (terutama ²³⁵U dan ²³⁹Pu) disebut bahan bakar nuklir karena dapat menopang reaksi berantai.

Semua isotop fisionabel dan fisil mengalami sedikit fisi spontan, yang melepaskan beberapa neutron bebas ke bahan bakar nuklir. Neutron tersebut akan dengan cepat lepas dari bahan bakar dan menjadi neutron bebas, dengan rata-rata 15 menit sebelum meluruh menjadi proton dan partikel beta. Akan tetapi, neutron hampir selalu berdampak dan diserap oleh nuklei lain di daerah sekitar sebelum ini terjadi (neutron fisi yang baru terbentuk bergerak dengan kecepatan 7% laju cahaya). Beberapa neutron akan memengaruhi nuklei bahan bakar dan memicu fisi lanjutan, yang melepaskan lebih banyak neutron. Jika bahan bakar nuklir dikumpulkan di satu tempat, atau jika neutron yang lepas dapat ditahan, maka neutron yang baru saja dihasilkan tersebut melebihi neutron yang lepas, dan reaksi berantai nuklir terus-menerus akan berlangsung.

Salah satu tipe senjata nuklir adalah bom fisi (tidak sama dengan bom fusi), biasanya juga dikenal dengan nama lain bom atom adalah reaktor fisi yang didesain untuk melepaskan sebanyak mungkin energi dalam waktu sesingkat mungkin, energi yang terlepas ini akan menyebabkan reaktornya meledak dan akhirnya reaksi rantainya berhenti. Pengembangan senjata nuklir merupakan penelitian lanjutan dari fisi nuklir yang dilakukan oleh Militer A.S. selama Perang Dunia II. Proyek ini dinamakan Proyek Manhattan. Mereka kemudian mengembangkan reaksi rantai fisi yang menghasilkan 3 bom yaitu bom tes Trinity dan bom Little Boy dan Fat Man yang dijatuhkan di kota Hiroshima, Nagasaki, Jepang di bulan Agustus 1945.

Bom Fisi

Bom fisi yang pertama ini ledakannya bahkan ribuan kali lebih dahsyat dibandingkan dengan massa yang sama dari sebuah ledakan kimia. Contohnya adalah Little Boy memiliki massa total 4 ton (dengan bahan bakar nuklir 60 kg) dan panjangnya 11 meter, kekuatan ledakannya sama dengan 15 kiloton TNT, sampai-sampai menghancurkan sebagian besar kota Hiroshima. Senjata nuklir modern (yang didalamnya termasuk fusi termonuklir sebanyak satu fase fusi atau lebih) memiliki energi ratusan kali dari berat mereka jika dibandingkan dengan bom atom yang pertama ini, sehingga sebuah bom hulu ledak misil modern yang memiliki massa 1/8 kurang dari massa Little Boy, memiliki energi yang sama dengan 475.000 ton TNT, dapat menyebabkan kehancuran 10 kali luas kota Hiroshima.

Meskipun ilmu dasar fisika reaksi rantai fisi di dalam senjata nuklir mirip dengan ilmu dasar fisika reaktor nuklir terkontrol, tetapi 2 alat ini direkayasa agak berbeda (lihat fisika reaktor nuklir). Bom nuklir didesain untuk mengeluarkan semua energinya sekaligus, sedangkan reaktor nuklir didesain untuk menghasilkan listrik terus menerus. Ketika reaktor nuklir menjadi panas dan menyebabkan kebocoran nuklir dan ledakan uap, tetapi tingkat pengayaan uranium yang jauh lebih rendah menyebabkan tidak mungkin kalau reaktor nuklir sampai meledak dengan kekuatan yang sama dengan senjata nuklir. Melakukan ekstrak tenaga dari bom nuklir juga susah, meskipun paling tidak ada satu sistem propulsi roket, Proyek Orion, bertujuan untuk meledakkan bom fisi di belakang kendaraan yang berlapis dan terlindung.

Reaksi Fusi

Dalam fisika, fusi nuklir (reaksi termonuklir) adalah sebuah proses saat dua inti atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih besar dan melepaskan energi. Fusi nuklir adalah sumber energi yang menyebabkan bintang bersinar, dan Bom Hidrogen meledak. Senjata nuklir adalah senjata yang menggunakan prinsip reaksi fisi nuklir dan fusi nuklir.

Proses ini membutuhkan energi yang besar untuk menggabungkan inti nuklir, bahkan elemen yang paling ringan, hidrogen. Tetapi fusi inti atom yang ringan, yang membentuk inti atom yang lebih berat dan neutron bebas, akan menghasilkan energi yang lebih besar lagi dari energi yang dibutuhkan untuk menggabungkan mereka—sebuah reaksi eksotermik yang dapat menciptakan reaksi yang terjadi sendirinya.

Energi yang dilepas di banyak reaksi nuklir lebih besar dari reaksi kimia, karena energi pengikat yang mengelem kedua inti atom jauh lebih besar dari energi yang menahan elektron ke inti atom. Contoh, energi ionisasi yang diperoleh dari penambahan elektron ke hidrogen adalah 13.6 elektronvolt—lebih kecil satu per sejuta dari 17 MeV yang dilepas oleh reaksi D-T seperti gambar di bawah.

Proses fusi paling penting di alam adalah yang terjadi di dalam bintang. Meskipun tidak melibatkan reaksi kimia, tetapi seringkali fusi termonuklir di dalam bintang disebut sebagai proses "pembakaran". Pada pembakaran hidrogen, bahan bakar netto-nya adalah empat proton, dengan hasil netto satu partikel alpha, pelepasan dua positron dan dua neutrino (yang mengubah dua proton menjadi dua netron), dan energi. Ada dua jenis pembakaran hidrogen, yaitu rantai proton-proton dan siklus CNO yang keberlangsungannya bergantung pada massa bintang. Untuk bintang-bintang seukuran Matahari atau lebih kecil, reaksi rantai proton-proton mendominasi, sementara untuk bintang bermassa lebih besar siklus CNO yang mendominasi. Reaksi pembakaran lain seperti pembakaran helium dan karbon juga terjadi bergantung terutama pada tahapan evolusi bintang.

Berlangganan update artikel terbaru via email: