Fisi nuklir

Visualisasi dari pembelahan atom Uranium dalam reaksi fisi nuklir

Dalam fisika nuklir dan kimia nuklir, fisi nuklir merupakan reaksi nuklir kala nukleus atom terbagi dijadikan bagian-bagian yang lebih kecil (nuklei yang lebih ringan), yang seringkali berproduksi foton dan neutron bebas sama sekali (dalam bangun sinar gamma), dan melepaskan energi yang sangat akbar. Dua nuklei yang dibuat pada umumnya ukurannya sebanding, dengan rasio massa sekitar 3:2 kepada isotop fisil.^[1][2] Fisi yang pada umumnya terjadi merupakan fisi biner, namun kadang-kadang (2 hingga 4 kali per 1000 peristiwa), tiga pecahan bermuatan positif dibuat dalam fisi ternari. Anggota terkecil dari ketiga nuklei ini ukurannya bervariasi selang sebesar proton hingga nukleus argon.

Reaksi nuklir energetik ini pada umumnya dipicu oleh neutron, meskipun kadang-kadang fisi juga dianggap menjadi salah satu bangun peluruhan radioaktif spontan, terutama dalam isotop dengan nomor massa yang sangat akbar. Komposisi hasil yang tak dapat diprediksi (yang bervariasi dalam kemungkinan yang beragam dan ketidakberaturan) membedakan fisi dari bagian penerowongan kuantum murni seperti emisi proton, peluruhan alfa, dan peluruhan kluster, yang berproduksi produk yang sama setiap kala.

Fisi elemen berat merupakan reaksi eksotermik yang dapat melepaskan energi yang akbar, baik menjadi radiasi elektromagnetik maupun energi kinetik pecahan. Supaya fisi dapat berproduksi energi, jumlah energi pengikat dari unsur yang dibuat harus lebih akbar daripada unsur awal. Fisi merupakan salah satu bangun transmutasi nuklir karena pecahan yang dibuat beda dengan unsur atom awal mulanya.

Fisi nuklir berproduksi energi listrik dan dimanfaatkan menjadi senjata. Pemanfaatan tersebut mungkin dimainkan karena substansi tertentu yang dikata bahan nuklir menemui fisi kala terkena neutron fisi, dan lewat berproduksi neutron kala mereka terbagi. Mengenai 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 sama sekali yang dikandung dalam bahan bakar nuklir merupakan jutaan kali jumlah energi bebas sama sekali 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 akbar, sehingga menimbulkan masalah limbah nuklir. Kekhawatiran akan limbah nuklir dan daya hancur senjata nuklir telah memicu perdebatan.

Ikhtisar

Produk dari reaksi fisi uranium, bervariasi, berproduksi atom-atom yang bermassa lebih kecil, seperti: Ba , Kr , Zr , Te , Sr , Cs , I , La dan Xe ,dengan massa atom sekitar 95 dan 135. Sedangkan, produk dari reaksi fisi plutonium, mempunyai massa atom sekitar 100 dan 135.

Rata-rata reaksi fisi pada Uranium-235 (U-235) dan Plutonium-239 (Pu-239) yang dikarenakan oleh neutron.

Mekanika

Sebuah representasi dari sebuah kejadian fisi nuklir terinduksi dimana sebuah neutron yang melakukan usaha lamabat akan diresap oleh nukleus atom uranium-235. Banyakan energi yang ditinggal benar dalam bangun kecepatan kinetik produk fisi dan neutron. Disini juga terlihat penangkapan neutron oleh uranium-238 kepada dijadikan uranium-239.

Fisi nuklir dapat menyembul tanpa benarnya penembakan neutron, menjadi tipe dari peluruhan radioaktif. Tipe fisi yang ini dikata menjadi fisi spontan, dan jarang terjadi kecuali pada seberapa macam isotop yang sangat berat. Pada alat-alat yang berteknologi nuklir, semua fisi nuklirnya menyembul menjadi sebuah "reaksi nuklir" — sebuah bagian yang dijalankan oleh penembakan yang dibuat dari tabrakan 2 partikel subatomik. Pada reaksi nuklir, sebuah partikel subatomik bertabrakan dengan sebuah nukleus atom dan menyebabkan perubahan padanya. Reaksi nuklir selanjutnya dijalankan oleh mekanika penembakan, bukan oleh peluruhan eksponensial yang relatif konstan dan karakteristik waktu paruh dari bagian radioaktif spontan.

Jumlah tipe dari reaksi nuklir yang kala ini sudah diketahui. Fisi nuklir beda begitu saja dengan tipe-tipe reaksi nuklir lainnya. Fisi nuklir dapat diperkeras dan dapat dikontrol melintasi reaksi rantai nuklir. Dalam sebuah reaksi, setiap neutron yang diloloskan oleh setiap reaksi fisi dapat menyebabkan reaksi fisi lainnya, sehingga akan melepaskan lebih jumlah neutron kembali dan menyebabkan lebih jumlah reaksi fisi kembali.

Isotop elemen kimia yang dapat meneruskan reaksi rantai fisi dikata bahan bakar nuklir, dan bersifat fisil. Macam bahan bakar nuklir yang paling umum merupakan ²³⁵U (isotop uranium dengan massa atom 235 dan dipakai di reaktor nuklir) dan ²³⁹Pu (isotop plutonium dengan massa atom 239). Bahan bakar nuklir ini akan terpecah dijadikan 2 anggota membentuk elemen kimia dengan massa atom mendekati 95 dan 135 u (produk fisi). Banyakan bahan bakar nuklir melintasi tahap fisi spontan dengan amat lambat, meluruh melintasi sebuah reaksi peluruhan partikel alfa/partikel beta dengan waktu sampai bermilenium-milenium. Dalam reaktor nuklir atai senjata nuklir, reaksi fisi yang akbar ini dikarenakan karena induksi neutron yang dibuat dari reaksi fisi sebelumnya.

Reaksi berantai

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

Semua isotop fisionabel dan fisil menemui seberapa fisi spontan, yang melepaskan beberapa neutron bebas sama sekali ke bahan bakar nuklir. Neutron tersebut akan dengan cepat bebas dari bahan bakar dan dijadikan neutron bebas sama sekali, dengan rata-rata 15 menit sebelum meluruh dijadikan proton dan partikel beta. Akan tetapi, neutron hampir selamanya berdampak dan diresap oleh nuklei lain di daerah sekitar sebelum ini terjadi (neutron fisi yang baru terbentuk melakukan usaha dengan kecepatan 7% laju cahaya). Beberapa neutron akan memengaruhi nuklei bahan bakar dan memicu fisi lanjutan, yang melepaskan lebih jumlah neutron. Bila bahan bakar nuklir dikumpulkan di satu tempat, atau bila neutron yang bebas dapat ditahan, maka neutron yang baru saja dibuat tersebut melebihi neutron yang bebas, dan reaksi berantai nuklir bersinambung akan berlanjut.

Reaktor fisi

Reaktor fisi kritis merupakan macam reaktor nuklir yang paling umum. Di dalam reaktor fisi kritis, neutron yang dibuat oleh fisi dari atom bahan bakar dipakai kepada menginduksi reaksi fisi lainnya, sehingga kepada mengawasi supaya energi yang diloloskan dapat dikendalikan. Alat yang dapat melakukan reaksi fisi tapi tidak dapat mandiri dikata menjadi reaktor fisi subkritis. Beberapa alat memakai peluruhan radioaktif atau akselerator partikel kepada menggerakkan fisi.

Reaktor fisi kritis pada umumnya dibangun kepada 3 tujuan utama, yang dilihat dari hasil panas yang dapat diambil atau neutron yang dibuat dari reaksi rantai nuklir:

• Pembangkit listrik merupakan reaktor yang tujuannya kepada memproduksi panas kepada daya nuklir, pada umumnya dipakai kepada memenuhi keperluan listrik atau juga kepada sumber tenaga untuk kapal selam.
• Reaktor penelitian dibangun dengan tujuan kepada memproduksi neutron dan/atau sumber radioaktif kepada keperluan ilmu, kedoketan, teknik, atau tujuan penelitian lainnya.
• Reaktor peranakan dibangun dengan tujuan kepada memproduksi bahan bakar nuklir dari isotop yang terabaikan. Reaktor peranakan cepat dapat membikin ²³⁹Pu (bahan bakar nuklir) dari bahan yang sebelumnya terabaikan merupakan ²³⁸U (bukan bahan bakar nuklir). Reaktor peranakan termal sebelumnya telah dites memakai ²³²Th kepada menggandakan isotop ²³³U yang dilanjutkan kepada dipelajari dan dikembangkan lebih jauh.

Pada dasarnya, semua reaktor fisi dapat dipakai kepada ketiga fungsi di atas. Tapi, karena tiap reaktor memiliki tujuan masing-masing maka pada umumnya hanya satu tugas utama saja. Reaktor pembangkit listrik pada umumnya mengubah energi kinetik dari hasil fisi dihangatkan yang kelak akan dipakai kepada memanaskan fluida kerja dan melakukan sebuah mesin panas yang kelak berproduksi listrik. Fluida kerja ini pada umumnya merupakan cairan dengan turbin uap, tapi beberapa desain lainnya memakai gas helium. Reaktor-reaktor fisi ini mengeluarkan limbah berupa limbah radioaktif yang sangat susah dibuang dengan aman, oleh maka pada umumnya limbah ini dibuang di tempat yang tahan radioaktif, misalnya di bawah tanah. Reaktor penelitian memproduksi neutron yang dipakai kepada beragam macam keperluan, tapi panas yang dibuat fisi diperlakukan menjadi produk buangan yang tidak dapat dihindari. Reaktor peranakan merupakan bangun khusus dari reaktor penelitian, sampel yang dijadikan penelitian pada umumnya merupakan bahan bakarnya sendiri, yang merupakan sebuah campuran dari ²³⁸U dan ²³⁵U. Kepada deskripsi yang lebih jauh mengenai sifat-sifat fisika dan pengoperasian dari reaktor fisi kritis, silahkan lihat fisika reaktor nuklir. Kepada deskripsi mengenai aspek sosial, politik, dan daerah sekitar yang berkaitan dengan, silahkan lihat daya nuklir.

Bom fisi

Awan jamur pada kala Serangan bom atom di Hiroshima dan Nagasaki pada tahun 1945 membumbung tinggi sampai ketinggian 18 km. Bom ini membunuh paling tidak 60.000 orang.^[3]

Salah satu tipe senjata nuklir merupakan bom fisi (tidak sama dengan bom fusi), pada umumnya juga dikenal dengan nama lain bom atom merupakan reaktor fisi yang dirancang kepada melepaskan sebanyak mungkin energi dalam waktu sesingkat mungkin, energi yang terlepas ini akan menyebabkan reaktornya meledak dan selesai reaksi rantainya tamat. Pengembangan senjata nuklir merupakan penelitian lanjutan dari fisi nuklir yang dimainkan oleh Militer A.S. selama Perang Dunia II. Proyek ini dikata Proyek Manhattan. Mereka selanjutnya memperkembangkan reaksi rantai fisi yang berproduksi 3 bom merupakan bom tes Trinity dan bom Little Boy dan Fat Man yang dijatuhkan di kota Hiroshima, Nagasaki, Jepang di bulan Agustus 1945.

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

Meskipun ilmu dasar fisika reaksi rantai fisi di dalam senjata nuklir mirip dengan ilmu dasar fisika reaktor nuklir terkontrol, tapi 2 alat ini direkayasa lebih kurang beda (lihat fisika reaktor nuklir). Bom nuklir dirancang kepada mengeluarkan semua energinya sekaligus, sedangkan reaktor nuklir dirancang kepada berproduksi listrik terus menerus. Ketika reaktor nuklir dihangatkan dan menyebabkan kebocoran nuklir dan ledakan uap, tapi tingkat pengayaan uranium yang jauh lebih rendah menyebabkan tidak mungkin kalau reaktor nuklir sampai meledak dengan kemampuan yang sama dengan senjata nuklir. Melakukan ekstrak tenaga dari bom nuklir juga susah, meskipun paling tidak benar satu sistem propulsi roket, Proyek Orion, bertujuan kepada meledakkan bom fisi dibelakang yang dikendarai yang berikat dan aman.

Sejarah

Penemuan fisi

Penemuan dari fisi nuklir merupakan di tahun 1938, anggar-anggar 5 dekade setelah studi pada radioaktivitas dan juga ilmu pengetahuan baru mengenai fisika nuklir yang menerangkan komponen-komponen dari sebuah atom. Pada tahun 1911, seorang berkebangsaan Selandia Baru bernama Lord Ernest Rutherford mengedepankan sebuah model atom baru yang bangunnya kecil, padat, dan nukleusnya bermuatan positif (proton) dan dibeliti oleh elektron yang bermuatan negatif (model atom ini dikata menjadi model atom Rutherford).^[4] Niels Bohr melebihkan baiknya pada tahun 1913 dengan menambahkan kulit-kulit elektron (atau dikata menjadi Model Bohr).

Proyek Manhattan

Di Amerika Serikat, proyek pembuatan senjata nuklir dimulai yang belakang sekali 1942. Proyek ini dikerjakan oleh Korps insinyur (Tingkatan Darat Amerika Serikat) tahun 1943, dikenal menjadi Manhattan Engineer District. Proyek ini diberi segala sesuatu yang diajarkan oleh Jenderal Leslie R. Groves. Benar jumlah lokasi yang digunakan: Situs Hanford di negara anggota Washington, yang mempunyai reaktor nuklir skala industri pertama; Oak Ridge, Tennessee, yang fokusnya pada pengayaan uranium; dan Los Alamos, New Mexico, dijadikan tempat kepada penelitian desain dan pengembangan dari bom. Sejumlah situs lainnya, seperti Laboratorium Radiasi Berkeley dan Laboratorium Metalurgi di Universitas Chicago, juga memegang peranan penting. Semua arahan ilmiah proyek ini dimanajeri oleh fisikawan J. Robert Oppenheimer.

Di bulan Juli 1945, bom atom yang pertama, "Trinity", diuji tes kepada diledakkan di padang gurun New Mexico. Bahan bakarnya merupakan plutonium yang diciptakan di Hanford. Di bulan Agustus 1945, 2 bom atom lagi: "Little Boy", bom uranium-235, dan "Fat Man", bom plutonium dipakai pada serangan bom atom di Hiroshima dan Nagasaki.

Bertahun-tahun setelah Perang Dunia II, jumlah negara di seluruh dunia melakukan pengembangan lebih jauh mengenai fisi nuklir dengan tujuan kepada keperluan reaktor nuklir dan senjata nuklir.

Lihat juga

• E=mc²
• fusi nuklir

Acuan

Pranala luar

• The nuclear fission process A simple explanation of the process of nuclear fission
• The Discovery of Nuclear Fission Historical account complete with audio and teacher's guides from the American Institute of Physics History Center
• Some Physics of Uranium