Reaksi Fisi, Fusi & PLTN — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menghitung energi yang dilepaskan reaksi fisi dan fusi dari defek massa, dan menjelaskan prinsip kerja reaktor nuklir.

Satu gram uranium-235, seukuran sebutir beras, dapat menghasilkan energi setara 2.000 liter bensin — cukup menggerakkan mobil mengelilingi Pulau Jawa. Rahasianya adalah fisi nuklir: sebuah inti berat yang ditembak neutron terbelah dua, melepaskan energi yang membuat sedikit massa inti lenyap menjadi energi murni. Sebaliknya, matahari memperoleh energinya dari fusi — penggabungan inti-inti ringan menjadi helium. Kedua reaksi menuai keuntungan dari kurva energi ikat yang puncaknya di besi. Geser slider di bawah dan saksikan puncak itu menjelaskan segalanya.

Geser slider nomor massa A dan amati energi ikat per nukleon, puncaknya di besi (Fe-56) menjadi batas fisi vs fusi.

Grafik pendekatan energi ikat per nukleon (MeV per nukleon) terhadap nomor massa A. Kurva naik tajam dari H, melandai mendekati puncak di sekitar besi (A 56, sekitar 8,8 MeV per nukleon), lalu turun perlahan menuju uranium. Puncak di Fe menjelaskan mengapa fusi menguntungkan di kiri (ringan ke berat) dan fisi menguntungkan di kanan (berat ke ringan). Geser slider A; preset menandai helium, besi, uranium.

Kurva energi ikat: peta keuntungan nuklir

Setiap inti atom diikat oleh gaya kuat yang melawan tolak listrik antar proton. Energi ikat per nukleon mengukur seberapa kuat tiap proton/neutron terikat dalam inti — makin tinggi, makin stabil inti. Kurva energi ikat naik tajam dari hidrogen, melandai mendekati puncak di sekitar besi-56 (Fe-56, sekitar 8,8 MeV per nukleon), lalu turun perlahan menuju uranium. Puncak inilah kunci segalanya: reaksi yang membawa inti menuju besi melepas energi, sedangkan reaksi yang menjauhkannya menyerap energi.

Fisi nuklir adalah pembelahan sebuah inti berat (mis. uranium-235) menjadi dua inti lebih ringan, dipicu penembakan neutron. Fusi nuklir adalah penggabungan dua inti ringan (mis. deuterium + tritium) menjadi satu inti lebih berat. Keduanya melepas energi karena produk reaksi lebih dekat ke puncak kurva energi ikat (lebih stabil) daripada reaktan.

Anggap kurva energi ikat seperti lembah dengan dasar di besi. Inti berat (uranium) berada di lereng kanan yang tinggi — “menggelinding” ke kiri (fisi) melepaskan energi. Inti ringan (hidrogen) di lereng kiri — “menggelinding” ke kanan (fusi) juga melepaskan energi. Besi di dasar lembah paling stabil — tidak bisa melepas energi lagi. Inilah sebabnya besi adalah “abu nuklir” alam semesta.

Defek massa: massa yang hilang jadi energi

Energi yang dilepaskan reaksi nuklir berasal dari defek massa: produk reaksi sedikit lebih ringan daripada reaktan, dan selisih massa itu berubah menjadi energi lewat persamaan Einstein $E = mc^2$ . Karena $c^2$ sangat besar ( $9 \times 10^{16}$ m $^2$ /s $^2$ ), bahkan defek massa sebesar seribu gram menghasilkan energi sekitar $9 \times 10^{13}$ joule — setara pembakaran 3.000 ton batu bara.

$E = \Delta m \, c^2, \qquad \Delta m = m_{\text{reaktan}} - m_{\text{produk}}$

Arti tiap simbol: $E$ = energi yang dilepaskan (joule), $\Delta m$ = defek massa (kilogram), $c = 3{,}0 \times 10^8$ m/s (kelajuan cahaya), $m_{\text{reaktan}}$ = jumlah massa reaktan sebelum reaksi, $m_{\text{produk}}$ = jumlah massa produk setelah reaksi. Bila $\Delta m > 0$ (produk lebih ringan), reaksi eksoterm (melepas energi).

Grafik di bawah menunjukkan bagaimana energi yang dilepas tumbuh linier dengan defek massa — dengan kemiringan sangat curam $c^2$ . Geser slider defek massa untuk melihat energi yang dihasilkan.

Fisi vs fusi: dua arah menuju besi

Fisi dan fusi sama-sama melepas energi dengan menuju puncak kurva energi ikat, tapi dari arah berlawanan. Fisi membelah inti berat menjadi inti sedang (bergerak dari kanan ke kiri menuju besi); fusi menggabungkan inti ringan menjadi inti sedang (dari kiri ke kanan menuju besi). Tiap reaksi fisi U-235 melepaskan sekitar 200 MeV; tiap reaksi fusi D-T melepaskan sekitar 17,6 MeV (lebih kecil per reaksi, tapi per satuan massa jauh lebih besar).

$\text{Fisi: } ^{235}\text{U} + n \to {}^{141}\text{Ba} + {}^{92}\text{Kr} + 3n + \text{energi}$ $\text{Fusi: } ^{2}\text{H} + {}^{3}\text{H} \to {}^{4}\text{He} + n + 17{,}6 \text{ MeV}$

Arti tiap simbol: notasi $^{A}\text{X}$ = nuklida unsur X dengan nomor massa $A$ (proton + neutron), $n$ = neutron, MeV = mega-elektronvolt ( $1{,}6 \times 10^{-13}$ J). Fisi U-235 menghasilkan 3 neutron bebas yang dapat memicu fisi inti U-235 lain — dasar reaksi berantai.

Grafik di bawah membandingkan energi per reaksi dan per kilogram bahan bakar untuk fisi U-235 vs fusi D-T. Geser slider untuk mengubah skala.

Reaktor nuklir: reaksi berantai terkendali

Pusat PLTN adalah reaktor nuklir, tempat reaksi fisi berantai terkendali berlangsung. Saat sebuah inti U-235 menyerap neutron dan terbelah, ia melepaskan 2-3 neutron baru yang masing-masing dapat memicu fisi inti U-235 lain. Bila tiap fisi memicu rata-rata satu fisi berikutnya, reaksi kritis (daya stabil); bila lebih dari satu, superkritis (daya naik, dapat meledak); bila kurang, subkritis (daya turun, reaksi berhenti). Batang kendali (dari boron atau kadmium) menyerap neutron berlebih untuk menjaga kondisi kritis.

Diagram konseptual di bawah menggambarkan perkembangan reaksi berantai fisi. Satu neutron memicu satu fisi, yang menghasilkan 3 neutron, masing-masing memicu fisi baru — pertumbuhan eksponensial. Seret titik untuk mengubah geometri diagram.

Bangun segi-banyak yang merepresentasikan diagram reaksi berantai fisi: inti U-235 terbelah menjadi dua produk + 3 neutron yang memicu fisi inti lain. Lebar bangun menyatakan jumlah inti yang terlibat per generasi (tumbuh eksponensial: 1, 3, 9, 27). Seret titik untuk mengubah skala; preset menandai 1, 2, dan 3 generasi. Menjelaskan konsep reaksi berantai yang harus dikendalikan batang kendali.

Walaupun fisika inti tidak masuk cakupan resmi TKA Fisika (kelistrikan TKA terbatas statis + arus searah), fisi, fusi, dan PLTN adalah materi wajib ujian sekolah kelas 12 dan sering muncul di olimpiade. Tip soal lazim: (1) hitung energi lepas $E = \Delta m \, c^2$ dari massa reaktan dan produk; (2) identifikasi reaksi fisi vs fusi dari persamaan nuklir; (3) jelaskan peran batang kendali dan moderator dalam reaktor. Jebakan klasik: keliru satuan massa — massa inti biasa diberi dalam satuan massa atom (smu), harus dikonversi ke kilogram ( $1$ smu $= 1{,}66 \times 10^{-27}$ kg) sebelum substitusi $E = mc^2$ ; atau keliru menambahkan nomor massa (superskrip) alih-alih nomor atom di kedua sisi persamaan nuklir.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Reaksi fisi U-235: $^{235}\text{U} + n \to {}^{141}\text{Ba} + {}^{92}\text{Kr} + 3n$ . Massa reaktan: $m(^{235}\text{U}) = 235{,}044$ smu, $m(n) = 1{,}009$ smu. Massa produk: $m(^{141}\text{Ba}) = 140{,}914$ smu, $m(^{92}\text{Kr}) = 91{,}926$ smu, $m(3n) = 3 \times 1{,}009 = 3{,}027$ smu. Berapa energi yang dilepaskan per reaksi fisi? ( $1$ smu $= 1{,}66 \times 10^{-27}$ kg, $c = 3{,}0 \times 10^8$ m/s, $1$ MeV $= 1{,}6 \times 10^{-13}$ J.)

$m_{\text{reaktan}} = 235{,}044 + 1{,}009 = 236{,}053$ smu. $m_{\text{produk}} = 140{,}914 + 91{,}926 + 3{,}027 = 235{,}867$ smu.

$\Delta m = m_{\text{reaktan}} - m_{\text{produk}} = 236{,}053 - 235{,}867 = 0{,}186$ smu. Produk lebih ringan — reaksi eksoterm. Konversi ke kg: $\Delta m = 0{,}186 \times 1{,}66 \times 10^{-27} = 3{,}09 \times 10^{-28}$ kg.

$E = \Delta m \cdot c^2 = (3{,}09 \times 10^{-28})(3{,}0 \times 10^8)^2 = (3{,}09 \times 10^{-28})(9{,}0 \times 10^{16}) = 2{,}78 \times 10^{-11}$ J. Konversi ke MeV: $E = 2{,}78 \times 10^{-11} / 1{,}6 \times 10^{-13} \approx 174$ MeV per fisi (nilai tepat ~200 MeV termasuk energi peluruhan produk; pendekatan kasar ini sudah benar urutan besarnya).

Jebakan: keliru satuan massa — memasukkan massa inti dalam smu langsung ke $E = mc^2$ tanpa konversi ke kilogram. Yang benar: $1$ smu $= 1{,}66 \times 10^{-27}$ kg. Mencampur smu dengan $c$ dalam m/s menghasilkan kesalahan faktor $10^{27}$ . Atau gunakan langsung $1$ smu $= 931{,}5$ MeV untuk perhitungan nuklir.

Jebakan: keliru menyetimbangkan persamaan nuklir — jumlah proton (nomor atom, subskrip) dan nukleon (nomor massa, superskrip) harus sama di kedua sisi. Yang benar: periksa kedua nomor. Fisi U-235: $^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}n \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3{}^{1}_{0}n$ — superskrip $236 = 141+92+3$ , subskrip $92 = 56+36+0$ .

Jebakan: menyamakan reaktor nuklir dengan bom nuklir. Yang benar: reaktor menjaga reaksi berantai kritis (satu fisi memicu rata-rata satu fisi berikutnya, daya stabil) lewat batang kendali; bom sengaja membuat reaksi superkritis cepat (daya meledak eksponensial). Reaktor tidak bisa meledak seperti bom karena komposisi bahan bakar dan kendali berbeda jauh.

Kurva energi ikat per nukleon memuncak di besi (Fe-56); reaksi menuju besi melepas energi.
Fisi: inti berat terbelah jadi inti ringan (U-235 + n); fusi: inti ringan bergabung jadi inti berat (D + T).
Energi lepas dari defek massa: $E = \Delta m \, c^2$ ( $1$ smu $= 931{,}5$ MeV).
Fisi U-235 melepaskan ~200 MeV per reaksi; menghasilkan 2-3 neutron bebas → reaksi berantai.
Reaktor PLTN menjaga reaksi kritis (daya stabil) lewat batang kendali yang menyerap neutron.
Matahari dan bintang berenergi dari fusi H menjadi He — sumber energi alam semesta.