Fusi, Energi Alternatif Masa Depan

Fusi, Energi Alternatif Masa Depan

Ketersediaan energi menyongsong abad ke-21 menjadi hal krusial yang harus dipikirkan sejak dini oleh para generasi muda di dunia. Bukan hanya dari negara maju, tetapi Indonesia juga harus ikut berperan serta. Sebagian besar energi yang dikonsumsi oleh dunia berasal dari minyak bumi, lalu diikuti oleh batu bara di urutan kedua.

Penggunaan sumber energi seperti ini tentu saja memiliki dampak yang kompleks terhadap dimensi lingkungan dan sosio-politik seperti pemanasan global dan fenomena oil shock yang bersumber dari faktor geopolitik sebuah negara. Beberapa negara maju sudah memulai memanfaatkan sumber energi alternatif terbarukan untuk menyokong kebutuhan energi masyarakatnya seperti tenaga surya ataupun tenaga hidro. Salah satu sumber energi yang juga memiliki potensi besar untuk dimanfaatkan sebagai pembangkit tenaga listrik adalah energi nuklir fisi.



Amerika Serikat dan Prancis adalah dua negara yang banyak menggunakan energi nuklir fisi untuk keperluan pembangkit listrik. Di Asia, negara-negara maju seperti Korea Selatan dan Jepang memiliki beberapa pembangkit listrik tenaga nuklir fisi. Ada sekitar 450 pembangkit listrik tenaga listrik jenis ini tersebar di dunia.

Tentu saja, banyak pro dan kontra muncul dengan keberadaan pembangkit listrik jenis ini dan adalah hal yang wajar tentu saja. Selain energi nuklir fisi yang sudah banyak dikenal ada juga tenaga nuklir lain, yakni fusi. Energi nuklir fusi juga bisa dijadikan sebagai salah satu sumber tenaga energi alternatif yang saat ini pengembangannya masih dalam tahap penelitian.

Nuklir fusi

Berbeda dengan proses nuklir fisi di mana terjadi pemecahan atom untuk menghasilkan energi, pada proses nuklir fusi terjadi penggabungan dua atom bermassa kecil menjadi satu atom dengan massa yang lebih besar. Proses penggabungan ini disertai dengan pelepasan energi. Secara alami, proses nuklir fusi terjadi di matahari dan bintang. Energi yang dilepaskan di matahari memiliki spektrum gelombang yang lebar dan menjalar ke bumi yang kemudian menjadi sumber kehidupan di bumi. Reaksi nuklir fusi di bumi dapat dibuat dengan menggunakan teknik yang disebut magnetic confinement dan inertial confinement. Kedua jenis pembangkitan reaksi fusi tersebut sedang dalam tahap penelitian untuk digunakan sebagai pembangkit tenaga listrik.

Mesin magnetic confinement dinamakan tokamak dan di dunia telah tersebar banyak tokamak, seperti di negara-negara Eropa yaitu tokamak JET (Joint European Torus) di Culham Inggris yang sudah beroperasi sejak 1983. Untuk negara di Asia Tenggara, Universitas Malaya adalah satu-satunya universitas yang memiliki fasilitas ini dengan tokamak mereka yang dinamakan UMT-1.

Fisika plasma

Berbicara tentang fusi, tidak bisa lepas dari plasma karena plasma adalah materi di alam yang bisa mendukung agar reaksi fusi bisa berhasil. Plasma adalah kumpulan gas berdensitas tinggi (107-1.032 meter persegi) yang terinonisasi dan berada di dalam lautan elektron. Plasma dibangkitkan dengan memberikan energi yang cukup besar sehingga elektron-nya terlepas dengan tetap menjaga muatan totalnya netral, biasanya dengan cara memberikan energi termal. Temperatur plasma sendiri diukur dengan satuan eV dan bisa mencapai 105 eV atau setara dengan 1010 K. Ini adalah temperatur elektron, sementara temperatur ion biasanya jauh lebih rendah. Plasma bisa dikategorikan ke dalam dua jenis, menurut temperaturnya, yakni plasma panas (hot plasma) dan plasma dingin (cold plasma). Hot plasma digunakan di dalam reaksi fusi, sementara cold plasma banyak digunakan untuk purifikasi/pemurnian gas, teknologi permukaan (surface treatment), penanganan limbah sampai dekomposisi hidrokarbon.

Plasma dibangkitkan di dalam reaktor fusi dengan tiga cara, yakni pemanasan ohmic (ohmic heating), tembakan pancaran netral (neutral-beam injection), dan pemanasan gelombang radio (radio-frequency heating). Karena plasma adalah konduktor elektrik, pembangkitannya bisa dilakukan dengan cara mengalirkan arus listrik, yang dikenal dengan pemanasan ohmic/resistive. Atom bermuatan netral yang berenergi tinggi bisa ditembakkan ke dalam plasma sehingga bisa memanaskan plasma karena terjadi transfer energi dari atom yang kemudian terionisasi pada plasma.

Gelombang dengan frekuensi tinggi juga bisa digunakan untuk memanaskan plasma. Energi dari gelombang ini kemudian bisa beresonansi dengan frekuensi plasma sehingga temperatur plasma kemudian meningkat, teknik ini dikenal dengan pemanasan gelombang radio (radio -frequency heating). Membangkitkan plasma hanya dengan arus listrik biasanya tidak cukup, sehingga diperlukan pemanasan tambahan seperti neutral-beam injection dan radio-frequency heating.

Fusi dan ITER

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) adalah projyek internasional antara Uni Eropa, Jepang, Cina, India, Korea Selatan, Rusia, dan Amerika Serikat untuk menyelenggarakan riset gabungan pengembangan tenaga nuklir fusi. Sekitar 5 miliar euro dianggarkan untuk membangun situs ITER di Cadarache, sebuah kawasan di selatan Prancis. Dengan daya termal sebesar 500 mw, ITER akan menjadi eksperimen fusi pertama dengan nilai Q sampai dengan 10. Nilai Q merepresentasikan rasio jumlah energi termal yang dihasilkan oleh reaksi fusi dan jumlah energi termal yang diperlukan untuk membangkitkan reaksi fusi. ITER sendiri adalah reaktor fusi yang menggunakan teknik magnetic confinement.

Bahan bakar yang digunakan di dalam ITER adalah deterium dan tritium (DT). Keduanya adalah atom bermassa ringan. Hasil reaksi ini adalah helium yang memiliki massa lebih besar dan neutron yang memiliki energi sebesar 14 MeV. Di Jepang, sebuah tokamak yang diberi nama JT-60SA menggunakan bahan bakar lain, yakni deterium dan deterium (DD).

Neutron yang dihasilkan memiliki energi lebih rendah dibandingkan dengan tokamak yang menggunakan bahan bakar DT. Ada beberapa bahan bakar lain yang digunakan dalam fusi seperti TT (tritium dan tritium), atau deterium dan helium, tetapi karena pertimbangan ketersediaan yang cukup berlimpah dan energi neutron yang tidak terlalu besar, DD dan DT lebih disukai.

Reaktor fusi memiliki beberapa kelebihan, seperti tidak mengeluarkan emisi efek rumah kaca (greenhouse gas emission), tidak menggunakan bahan radioaktif dan limbah radioaktif yang dihasilkan dalam skala kecil serta dapat digunakan kembali dalam kurun waktu puluhan tahun. Bahan bakar fusi sendiri melimpah di alam, yakni deterium yang bisa diperoleh dengan cara elektrolisis air (30 g/meter kubik). Danau Geneva sendiri, jika semua airnya digunakan sebagai bahan bakar, bisa memenuhi suplai energi primer di bumi untuk ribuan tahun.

Beberapa permasalahan yang muncul dalam membangkitkan reaksi fusi yang diharapkan adalah kestabilan reaksi fusi yang sampai saat ini bisa mencapai beberapa detik. Penelitian untuk lebih memahami perilaku plasma yang dibangkitkan dalam sebuah magnetic confinement dipelajari melalui pergerakan aliran magnetik atau disebut magnetohydrodynamics. Dari sisi engineering, neutron berenergi tinggi bisa mengaktivasi semua material yang berada di dekat tokamak seperti vacuum vessel, inner vacuum vessel, insulator, kabel, dan magnetic coil.

Akibat radiasi neutron ini, electrical properties bisa berubah. Salah satunya adalah konduktivitas elektrik. Kabel yang teradiasi tidak lagi layak digunakan karena resitivitasnya meningkat. Keberadaan medan magnetik juga harus diperhitungkan karena kemudian bisa menyebabkan stres mekanik sampai beberapa ratus MPa terhadap struktur penyokong vacuum vessel.

Ketersediaan bahan material di pasaran juga menjadi perhatian utama dalam studi pembangunan reaktor fusi. Untuk ITER sendiri, selain menggunakan material yang terstandardisasi oleh AISI (The American Iron and Steel Institute), beberapa modifikasi material terstandardisasi yang sesuai dengan kondisi bertingkat radiasi tinggi dan terpapar medan elektromag-netik tinggi juga dilakukan yang kemudian ditambahkan label IG (ITER Grade).

Penelitian intensif di bidang material sudah banyak dilakukan untuk mencari material yang cocok digunakan sebagai insulator yang salah satunya akan melindungi sistem instrumentasi diagnostik dan pengukuran. Hal lain yang menjadi perhatian adalah masalah keamanan dan penanganan limbah. Keberadaan lithium di dalam tabung vakum, menyebabkan semua perbaikan teknis membutuhkan penanganan secara jarak jauh.

Robot yang memiliki presisi yang sangat akurat sudah diteliti sejak lama, tetapi kemudian permasalahan berikutnya adalah bagaimana memilih komponen robot yang memang tahan terhadap gempuran radiasi dan medan magnetik. Materi penyusun robot seperti sambungan elastis antara dudukan tabung untuk komponen port limiter dapat menjadi keras akibat radiasi. Semua material yang teraktivasi akibat terpapar dengan radiasi tidak bisa begitu saja dibuang, tetapi harus ditaruh di sebuah wadah khusus yg disebut hot cell sampai tingkat radiasinya luruh.

Beberapa universitas dan institusi penelitian di Eropa seperti Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) Spanyol melakukan studi yang komprehensif dalam bidang manajemen limbah. Kemajuan di berbagai bidang seperti material, robotik, teknologi pendinginan (cryostat), koil superkonduktor dll. tentunya akan sangat membantu dalam memecahkan tantangan-tantangan yang akan muncul.

DEMO untuk energi komersial

DEMO adalah prototipe selanjutnya setelah ITER. Jika semua tantangan di atas, baik dari sisi sains dan teknologi, berhasil dipecahkan dalam ITER, DEMO akan menjadi pembangkit nuklir fusi pertama di dunia yang bisa menawarkan energi listrik dengan harga murah walau dalam jangka waktu 50 tahun ke depan.

Walaupun keberhasilannya masih cukup lama untuk dicapai, tentunya akan sangat berguna sekali jika ada tunas bangsa yang ikut berpartisipasi dan berkontribusi dalam bidang ini sehingga jika saatnya tiba, Indonesia bisa ikut meletakkan jejak dalam dunia sains dan teknologi.***