BAHAN PEMBUATAN NUKLIR

 
Deuterium

Deuterium disebut juga Hidrogen-2, atau hidrogen berat (simbol ditulis D atau ²H) merupakan salah satu daripada tiga bentuk isotop hidrogen yang terdiri daripada protium, deuterium, dan tritium. Deuterium merupakan isotop stabil dengan kelimpahan alami di samudra Bumi kira-kira satu dari 6500 atom hidrogen (~154 PPM). Dengan demikian deuterium merupakan 0.015% (0.030% berat) dari semua hidrogen yang terbentuk secara alami. Inti deuterium, disebut deuteron, mengandung satu proton dan satu netron, sementara inti hidrogen paling umum terdiri dari hanya satu proton dan tanpa netron. Nama isotop berasal dari bahasa Yunani, deuteros yang berarti "dua", untuk menunjukkan 2 partikel sub-atomik yang menyusun inti.

Lambang kimia, keberadaan, dan sifat

Sebagai sebuah isotop hidrogen, lambang kimia yang disetujui untuk deuterium adalah ²H. Meskipun demikian, lambang tidak resmi, D, sering juga digunakan. Perbedaan signifikan pada berat atom relatif dibandingkan dengan protium murni (¹H) mungkin adalah alasan mengapa lambang D, yang mirip lambang sebuah unsur, digunakan. Berat atom dari deuterium adalah 2,014 amu, sementara berat rata-rata hidrogen sebesar 1,007947 amu, dan protium 1,007825 amu. Pada unsur-unsur kimia yang lain, rasio berat isotop sangat tidak signifikan, yang menjelaskan mengapa tidak ada simbol isotop yang unik digunakan di tempat lain.

Secara alami, deuterium ditemukan dalam jumlah kecil sebagai gas deuterium, ditulis ²H₂ atau D₂, tetapi kebanyakan keberadaanya secara alami di alam semesta terikat dengan atom ¹H membentuk gas yang disebut hidrogen deuterida (HD atau ¹H²H).^[1]

Deuteron memiliki spin +1, sehingga merupakan sebuah boson. Frekuensi resonansi magnetik nuklir (NMR = Nuclear Magnetic Resonance) dari deuterium berbeda secara signifikan dari hidrogen ringan yang biasa. Spektroskopi inframerah juga dengan mudah dapat membedakan banyak senyawa yang bersifat deuterium, karena perbedaan besar dalam frekuensi serapan inframerah dapat terlihat dalam vibrasi sebuah ikatan kimia yang mengandung deuterium, dibandingkan dengan yang mengandung hidrogen ringan. Kedua isotop stabil hidrogen tersebut juga bisa dibedakan dengan memakai spektrometri massa.

Sifat-sifat fisik senyawa-senyawa deuterium dapat berbeda dari senyawa-senyawa hidrogen yang analog dengannya; sebagai contoh, D₂O lebih kental daripada H₂O.

Secara kimia, kelakuan deuterium sama dengan hidrogen biasa, tetapi ada perbedaan dalam energi ikat dan panjang senyawa isotop-isotop hidrogen berat yang lebih besar daripada perbedaan isotopik di unsur mana pun. Ikatan yang melibatkan deuterium dan tritium sedikit lebih kuat daripada ikatan serupa pada hidrogen ringan, dan perbedaan ini cukup untuk membuat perubahan signifikan di dalam reaksi-reaksi biologis (lihat air berat).

Deuterium dapat menggantikan hidrogen normal dalam molekul air untuk membentuk air berat, yang 10,6% lebih padat daripada air biasa (es yang terbuat darinya akan tenggelam di air biasa). Air berat cukup beracun bagi organisme eukariota, dimana penggantian 25% air di dalam tubuh dengan air berat dapat menyebabkan masalah pembelahan sel dan kemandulan, 50% penggantian menyebabkan kematian yang disebabkan oleh sindrom sitotoksik (kegagalan sumsum tulang dan pelapisan gastrointestinal). Organisme prokariota masih mampu untuk bertahan dalam air berat murni (meskipun dengan pertumbuhan yang lambat). Konsumsi air berat bukan merupakan ancaman bagi manusia kecuali dalam jumlah yang sangat besar (melebihi 10 liter). Dosis kecil air berat (beberapa gram adalah jumlah yang sebanding dengan yang ada di dalam tubuh) secara rutin digunakan sebagai pelacak metabolis yang tak berbahaya bagi manusia dan binatang.

Keberadaan deuterium di Bumi, di Tata Surya (sebagaimana yang telah dikonfirmasi oleh wahana-wahana keplanetan), dan pada spektrum bintang, adalah sebuah fakta penting di dalam kosmologi. Reaksi fusi nuklir dalam bintang yang menghancurkan deuterium, dan tidak ada proses alami penciptaan deuterium yang diketahui selain nukleosintesis Big Bang, yang bisa jadi telah memproduksi deuterium dalam kelimpahan yang teramati saat ini. Kelimpahan ini nampak sebagai fraksi hidrogen yang tidak berubah banyak dimanapun hidrogen ditemukan. Jadi, keberadaan deuterium adalah salah satu argumen yang mendukung teori Big Bang.

Kanada adalah negara terdepan dalam pengayaan deuterium dalam bentuk air berat. Kanada menggunakan air berat sebagai moderator netron untuk operasi reaktor model reaktor CANDU.

Plutonium(IV) oksida

Plutonium(IV) oksida adalah senyawa kimia dengan rumus kimia PuO₂. Padatan bertitik lebur tinggi ini merupakan senyawa utama plutonium. Warna senyawa bervariasi dari kuning sampai hijau zaitun tergantung pada metode produksi, temperatur, dan ukuran partikel.^[1]

Plutonium(IV) oksida  Nama IUPAC Plutonium(IV) oksida Nama lain Plutonium dioksida

Identifikasi Nomor CAS [12059-95-9] Sifat Rumus molekul PuO₂ Massa molar 276,06 g/mol Penampilan Padatan kuning kecoklatan. Densitas 11,5 g/cm³ Titik leleh ~2400 °C Titik didih

~2800 °C

Kelarutan dalam air tak larut Struktur Struktur kristal Fluorit (kubik), cF12 Grup ruang Fm3m, No. 225 Geometri
koordinasi Tetrahedral (O^2–);
kubik (Pu^IV) Bahaya Bahaya utama Radioaktif Titik nyala Tak terbakar Senyawa terkait Senyawa terkait Uranium(IV) oksida
Neptunium(IV) oksida
Amerisium(IV) oksida Kecuali dinyatakan sebaliknya, data di atas berlaku
pada temperatur dan tekanan standar (25°C, 100 kPa)

Sangkalan dan referensi

Plutonium-239

Plutonium-239 adalah isotop plutonium yang penting dan dihasilkan/ diproduksi melalui reaktor nuklir, yang memiliki waktu paruh 24110 tahun (atau 2,411 x 10⁴ tahun).

Plutonium-239 dan uranium-235 , digunakan sebagai bahan bakar (fisi nuklir), dalam reaktor nuklir dan bom nuklir.

Produksi Plutonium-239

Reaktor neutron lambat

Dalam reaktor nuklir yang menghasilkan/ memproduksi plutonium, batangan-batangan uranium-238 digunakan sebagai sumber neutron lambat ( thermal neutron ), dan batangan-batangan uranium-238 lain-nya sebagai sasaran-nya.

Reaktor ini, butuh Air berat ( Heavy water ), yang mana penting, air berat tidak menyerap neutron, mendukung keberhasilan Uranium-238 dalam menangkap neutron lambat.

Reaktor ini, lebih murah, tidak menggunakan uranium-235, tetapi kurang efisien, uranium-238 lebih mudah untuk menangkap neutron cepat daripada menangkap neutron lambat.

Reaktor neutron cepat

Dalam reaktor nuklir yang menghasilkan/ memproduksi plutonium, batangan-batangan uranium-235 digunakan sebagai sumber neutron cepat, dan batangan-batangan uranium-238 sebagai sasaran-nya.

Air biasa ( H_{2O ),} digunakan sebagai pendingin. Air berat ( Heavy water ) tidak dibutuhkan.

Reaktor ini, lebih mahal, tetapi jauh lebih efisien, uranium-238 lebih mudah untuk menangkap neutron cepat daripada menangkap neutron lambat.

Uranium-238 menangkap neutron, dan berubah menjadi uranium-239, suatu unsur yang tidak stabil, yang akan meluruh menjadi neptunium-239, yang selanjutnya akan meluruh lagi, dengan waktu paruh 2,355 hari, menjadi Plutonium-239.

Dalam reaksi itu, juga dibantu oleh beryllium (Be), yang mana untuk memantulkan dan menghasilkan lebih banyak neutron, dan otomatis mempercepat reaksi nuklir tersebut.

n

+

9Be

→

8Be

+

2n - 1.67 MeV

(energi yang diserap jauh terlalu kecil, neutron-neutron tetap bergerak pada level energi yang tinggi)

Uranium-238 , umumnya digunakan selama beberapa minggu saja dalam reaktor nuklir, kemudian diangkat/ diambil untuk diproses secara kimia, untuk didapatkan plutonium-239. Hal ini untuk mencegah kandungan plutonium-240 yg terlalu banyak, yang mana juga terbentuk disamping plutonium-239.

Plutonium-240 tidak dapat dibedakan secara kimia, dan sangat mahal serta sulit untuk dipisahkan dari plutonium-239. Plutonium-240 tidak digunakan dalam bom nuklir, karena radiasi-nya yang terlalu kuat, menyebabkan kerusakan dan kesulitan untuk menanganinya, kandungan Plutonium-240 tidak boleh dari 7% dalam bom nuklir.

Plutonium-239 , juga harus dicampur dengan bahan galium ( antara 0,9 hingga 1% per kg plutonium ), ini untuk menstabilkan radiasi dari plutonium, sehingga lebih mudah menanganinya, dan sesuai untuk digunakan dalam bom nuklir dan reaktor nuklir.

Plutonium-244

Plutonium-244 memiliki waktu paruh selama 80 juta tahun. Ini berarti lebih lama daripada berbagai isotop plutonium lainnya, dan lebih lama daripada aktinida manapun kecuali tiga jenis alami yang dapat diperoleh secara berlimpah, yaitu U-235 (700 juta tahun), U-238, dan Torium-232. Waktu peruh tersebut juga lebih lama daripada isotop lainnya kecuali Samarium-146 (103 juta tahun), Potasium-40 (1.25 miliar tahun), dan sejumlah isotop-isotop hampir stabil yang memiliki waktu paruh lebih lama dari usia alam semesta.

Pengukuran yang lebih akurat yang dimulai pada awal tahun 1970-an telah mendeteksi adanya Pu-244 primordial.^[1] Mengingat usia Bumi adalah sekitar 50 waktu paruh, maka jumlah Pu-244 yang ada kini seharusnya sangatlah sedikit. Namun karena Pu-244 tidak dengan mudah dapat dihasilkan dalam penangkapan neutron alami yang terjadi pada lingkungan dengan aktivitas neutron rendah pada bijih uranium (lihat di bawah), keberadaannya tersebut tidak dapat dijelaskan secara masuk akal selain melalui penciptaan yang terjadi oleh proses r pada nukleosintesis di supernova. Pu-244 dengan demikian demikian adalah isotop primordial berusia terpendek dan terberat yang telah terdeteksi atau terprediksi secara teoritis.

Tidak seperti Pu-238, Pu-239, Pu-240, Pu-241, dan Pu-242, ²⁴⁴Pu tidak diproduksi dalam kuantitas banyak oleh siklus bahan bakar nuklir, karena penangkapan neutron selanjutnya terhadap ²⁴²Pu menghasilkan ²⁴³Pu yang memiliki paruh waktu singkat (5 jam) dan cepat mengalami peluruhan beta menjadi Amerisium-243, sebelum memiliki cukup kesempatan untuk menangkap lebih banyak neutron di lingkungan yang seharusnya memiliki fluks neutron yang sangat tinggi. Namun demikian, suatu ledakan senjata nuklir dapat menghasilkan sejumlah Pu-244 melalui penangkapan neutron secara pesat berturutan.

Uranium terdeplesi

Uranium terdeplesi ('Depleted uranium' atau 'DU'), adalah uranium yang mempunyai kadar isotop U²³⁵ yang lebih rendah dari uranium alam, biasanya sebagai akibat dari proses pengayaan uranium .

Uranium yang tersedia di alam mempunyai 3 isotop yaitu U²³⁸ , U²³⁵ dan U²³⁴, yang ditemukan di alam dengan komposisi 99,28 % U²³⁸, 0,72% U²³⁵ dan 0,0057 % U²³⁴ dengan aktivitas jenis 25,4 Bq/mg (1Bq=1 peluruhan atom radioaktif/detik). U²³⁵ adalah isotop yang fissil dan dapat meluruh sembari mengeluarkan sejumlah energi, yang digunakan dalam industri nuklir. Industri nuklir dalam bentuk bahan bakar reaktor dan persenjataan membutuhkan uranium dengan kadar isotop U²³⁵ yang lebih banyak (antara 2 - 94 % massa), sehingga diperlukan proses 'pengayaan' (enrichment) terhadap uranium alam. Dalam proses pengayaan ini, U²³⁵ disaring dan dipekatkan secara terus menerus. Uranium sisa saringan ini yang kemudian dikenal sebagai DU, dengan komposisi 99,8 % U²³⁸, 0,2 % U²³⁵ dan 0,001 % U²³⁴.

Pelapis kendaraan tempur

Tank M1 Abrams dipajang di museum senjata Amerika serikat. Tank ini dilapisi oleh Chobham yang diantara variannya mengandung DU.

Digunakan oleh militer Amerika Serikat sebagai pelapis tank M1 Abrams, yaitu campuran antara DU dan 0,7% Titanium.

Kegunaan non-militer

• Sebagai pigmen keramik
• Kontrabalans berat pesawat^[1]

Kontroversi

Penggunaan DU memang menjadi kontroversi berkait dengan bahan Radioaktif Uranium yang digunakannya. DU sendiri telah digunakan secara luas dalam kasus Perang Teluk I (1991) dan medan pertempuran Balkan (terutama pada saat krisis Kosovo 1999). Beberapa personel memang terekspos partikel DU ini, dan di kawasan teluk diduga terdapat 300 kg DU yang telah digunakan. Namun penyelidikan IAEA menunjukkan angka kematian yang sangat kecil (sehingga tidak signifikan secara statistik) pada ekspos DU ini.

Efek terhadap tubuh manusia

Secara kimiawi Uranium merupakan logam penekan kerja Ginjal. Sementara secara fisis, sebagai unsur radioaktif Uranium akan terkonsentrasi dalam Paru-paru, ginjal dan sistem peredaran darah serta beberapa jaringan lunak lainnya untuk sementara waktu. Dalam beberapa negara, konsentrasi Uranium di dalam tubuh dibatasi pada angka 3 mikrogram pergram jaringan tubuh. IAEA sendiri memberikan batas maksimal dosis serapan tahunan 1 mSv bagi penduduk yang berada di daerah peperangan dengan penggunaan senjata DU. Ini dilakukan untuk menghindari efek buruk Uranium pada tubuh manusia, diantaranya gangguan ginjal (secara kimiawi) ataupun kanker (akibat aktivitas radioaktifnya).

Uranium-235

Uranium-235 adalah isotop uranium yang penting disamping uranium-238. Hanya 0,72% uranium alami adalah uranium-235, yang memiliki waktu paruh 7,038 x 10⁸ tahun.

Uranium-235 juga digunakan sebagai sumber utama penghasil neutron dalam reaksi nuklir, yang mana neutron-neutron ditembakkan ke arah uranium-238, dalam hal ini untuk membuat/ memproduksi plutonium.

Uranium-235 dan plutonium-239 digunakan sebagai bahan bakar (fisi nuklir), dalam reaktor nuklir dan bom nuklir.

Produksi Uranium-235 & Uranium-238

Biji-biji uranium diambil/ dikeruk dari pertambangan, yang kemudian dihancurkan/ dihaluskan, dan kemudian diproses secara kimia (bertahap-tahap), hingga akhirnya dihasilkan/ didapatkan uranium murni (dalam bentuk U₃₀₈ ).

Kemudian diproses lagi (bertahap-tahap), dengan menggunakan bahan-bahan kimia, dari: U₃₀₈ menjadi UO₂(NO3)₂ ,kemudian menjadi ADU ,lalu menjadi UO₂ ,menjadi UF₄ ,dan akhirnya menjadi UF₆ ( Uranium hexafluoride ).

UF₆ , sudah bisa diproses secara kimia, untuk didapatkan uranium dalam bentuk logam murni, Uranium-238 .

Dalam bentuk UF₆ , untuk meningkatkan kandungan Uranium-235 dalam materi tersebut, yang mana kandungannya kurang dari 1% (sisanya 99% lebih adalah uranium-238), maka perlu dilakukan pengayaan uranium ( uranium enrichment ).

Setelah kandungan Uranium-235 nya, mencapai lebih dari 90%, yang mana sudah sesuai untuk senjata nuklir, materi UF6 diproses lagi secara kimia, untuk didapatkan uranium dalam bentuk logam murni, Uranium-235 .

Sisanya, dalam bentuk UF₆ ,yang mana kandungan Uranium-238 nya, lebih dari 99% ,diproses lagi secara kimia, untuk didapatkan uranium dalam bentuk logam murni, Uranium-238.