Teknologi nuklir adalah teknologi yang melibatkan
reaksi dari
inti atom (inti=nuclei). Teknologi nuklir dapat ditemukan pada bebagai aplikasi, dari yang sederhana seperti
detektor asap hingga sesuatu yang besar seperti
reaktor nuklir.
Kejadian pada kehidupan sehari-hari, fenomena alam, jarang sekali berkaitan dengan reaksi nuklir. Hampir semuanya melibatkan
gravitasi dan
elektromagnetisme. Keduanya adalah bagian dari empat
gaya dasar dari alam, dan bukanlah yang terkuat. Namun dua lainnya,
gaya nuklir lemah dan
gaya nuklir kuat adalah gaya yang bekerja pada
range yang pendek dan tidak bekerja di luar inti atom. Inti atom terdiri dari muatan positif yang sesungguhnya akan saling menjauhi jika tidak ada suatu gaya yang menahannya.
Henri Becquerel di tahun 1896 meneliti fenomena
fosforesensi pada garam
uranium ketika ia menemukan sesuatu yang akhirnya disebut dengan
radioaktivitas. Ia,
Pierre Curie, dan
Marie Curie mulai meneliti fenomena ini. Dalam prosesnya, mereka mengisolasi unsur
radium yang sangat radioaktif. Mereka menemukan bahwa material radioaktif memproduksi gelombang yang intens, yang mereka namai dengan alfa, beta, dan gamma. Beberapa jenis radiasi yang mereka temukan mampu menembus berbagai material dan semuanya dapat menyebabkan kerusakan. Seluruh peneliti radioaktivitas pada masa itu menderita
luka bakar akibat radiasi, yang mirip dengan
luka bakar akibat sinar matahari, dan hanya sedikit yang memikirkan hal itu.
Fenomena baru mengenai radioaktivitas diketahui sejak adanya paten di dunia kedokteran yang melibatkan radioaktivitas. Secara perlahan, diketahui bahwa radiasi yang diproduksi oleh peluruhan radioaktif adalah radiasi terionisasi. Banya peneliti radioaktif di masa lalu mati karena
kanker sebagai hasil dari pemaparan mereka terhadap radioaktif. Paten kedokteran mengenai radioaktif kebanyakan telah terhapus, namun aplikasi lain yang melibatkan material radioaktif masih ada, seperti penggunaan
garam radium untuk membuat benda-benda yang berkilau.
Sejak
atom menjadi lebih dipahami, sifat radioaktifitas menjadi lebih jelas. Beberapa inti atom yang berukuran besar cenderung tidak stabil, sehingga
peluruhan terjadi hingga selang waktu tertentu sebelum mencapai kestabilan. Tiga bentuk radiasi yang ditemukan oleh Becquerel dan Curie temukan juga telah dipahami;
peluruhan alfa terjadi ketika inti atom melepaskan
partikel alfa, yaitu dua
proton dan dua
neutron, setara dengan inti atom
helium;
peluruhan beta terjadi ketika pelepasan
partikel beta, yaitu
elektron berenergi tinggi;
peluruhan gamma melepaskan
sinar gamma, yang tidak sama dengan radiasi alfa dan beta, namun merupakan
radiasi elektromagnetik pada
frekuensi dan
energi yang sangat tinggi. Ketiga jenis radiasi terjadi secara alami, dan radiasi sinar gamma adalah yang paling berbahaya dan sulit ditahan.
Pada radiasi nuklir alami, hasil sampingannya sangat kecil dibandingkan dengan inti di mana mereka dihasilkan.
Fisi nuklir adalah proses pembelahan inti menjadi bagian-bagian yang hampir setara, dan melepaskan energi dan neutron dalam prosesnya. Jika neutron ini ditangkap oleh inti lainnya yang tidak stabilm inti tersebut akan membelah juga, memicu
reaksi berantai. Jika jumlah rata-rata neutron yang diepaskan per inti atom yang melakukan fisi ke inti atom lain disimbolkan dengan
k, maka nilai
k yang lebih besar dari 1 menunjukkan bahwa reaksi fisi melepaskan lebih banyak neutron dari pada jumlah yang diserap, sehingga dapat dikatakan bahwa reaksi ini dapat berdiri sendiri. Massa minimum dari suatu material fisi yang mampu melakukan reaksi fisi berantai yang dapat berdiri sendiri dinamakan
massa kritis.
Ketika neutron ditangkap oleh inti atom yang cocok, fisi akan terjadi dengan segera, atau inti atom akan berada dalam kondisi yang tidak stabil dalam waktu yang singkat.
Ketika ditemukan pada masa
Perang Dunia II, hal ini memicu beberapa negara untuk memulai program penelitian mengenai kemungkinan membuat bom atom, sebuah senjata yang menggunakan reaksi fisi untuk menghasilkan energi yang sangat besar, jauh melebihi peledak kimiawi (TNT, dsb).
Proyek Manhattan, dijalankan oleh
Amerika Serikat dengan bantuan
Inggris dan
Kanada, mengembangkan senjata fisi bertingkat yang digunakan untuk melawan
Jepang di tahun 1945. Selama proyek tersebut,
reaktor fisi pertama dikembangkan, meski awalnya digunakan hanya untuk pembuatan senjata dan bukan untuk menghasilkan listrik untuk masyarakat.
Namun, jika neutron yang digunakan dalam reaksi fisi dapat dihambat, misalnya dengan
penyerap neutron, dan neutron tersebut masih menjadikan massa material nuklir berstatus kritis, maka reaksi fisi dapat dikendalikan. Hal inilah yang membuat
reaktor nuklir dibangun. Neutron yang bergerak cepat tidak boleh menabrak inti atom, mereka harus
diperlambat, umumnya dengan menabrakkan neutron dengan inti dari
pengendali neutron sebelum akhirnya mereka bisa dengan mudah ditangkap. Saat ini, metode seperti ini umum digunakan untuk menghasilkan listrik.
Jika inti atom bertabrakan, dapat terjadi
fusi nuklir. Proses ini akan melepas atau menyerap
energi. Ketika inti atom hasil tabrakan lebih ringan dari
besi, maka pada umumnya fusi nuklir
melepaskan energi. Ketika inti atom hasil tabrakan lebih berat dari besi, maka pada umumnya fusi nuklir
menyerap energi. Proses fusi yang paling sering terjadi adalah pada
bintang, yang mendapatkan energi dari fusi
hidrogen dan menghasilkan
helium. Bintang-bintang juga membentuk unsur ringan seperti
lithium dan
kalsium melalui
stellar nucleosynthesis. Sama halnya dengan pembentukan unsur yang lebih berat (melalui
proses-S) dan unsur yang lebih berat dari
nikel hingga
uranium, akibat
supernova nucleosynthesis,
proses-R.
Tentu saja, proses alami dari
astrofisika ini bukanlah contoh dari teknologi nuklir. Karena daya dorong energi yang tinggi dari inti atom, fusi sulit untuk dilakukan dalam keadaan terkendali (contoh:
bom hidrogen). Fusi terkontrol bisa dilakukan dalam akselerator partikel, yang merupakan cara bagaimana unsur sintetis dibuat. Namun fusi nuklir konvensional tidak menghasilkan energi secara keseluruhan, mempercepat partikel dalam jumlah sedikit membutuhkan energi lebih banyak dari pada total energi yang dihasilkan dari fusi nuklir. Kesulitan teknis dan teoritis menghalangi pengembangan teknologi fusi nuklir untuk kepentingan sipil, meski penelitian mengenai teknologi ini di seluruh dunia terus berlanjut sampai sekarang.
Fusi nuklir mulai diteliti pada tahap teoritis ketika
Perang Dunia II, ketika para peneliti
Proyek Manhattan yang dipimpin oleh
Edward Teller menelitinya sebagai metode pembuatan bom. Proyek ini ditinggalkan setelah menyimpulkan bahwa hal ini memerlukan reaksi fisi untuk menyalakan bom. Hal ini terus terjadi hingga pada tahun 1952, peledakkan bom hidrogen pertama dilakukan. Disebut bom hidrogen karena memanfaatkan reaksi antara
deuterium dan
tritium,
isotop dari
hidrogen. Reaksi fusi menghasilkan energi lebih besar per satuan massa material dibandingkan reaksi fisi, namun lebih sulit menjadikannya bereaksi secara berantai.
[sunting] Senjata Nuklir
Senjata nuklir adalah alat peledak yang mendapatkan daya ledaknya dari reaksi nuklir, entah itu reaksi
fisi atau kombinasi dari fisi dan
fusi. Keduanya melepaskan sejumlah besar energi dari sejumlah kecil massa, bahkan alat peledak nuklir kecil dapat menghancurkan sebuah kota dengan ledakan, api, dan radiasi. Senjata nuklir disebut sebagai
senjata pemusnah massal, dan penggunaan dan pengendaliannya telah menjadi aspek kebijakan internasional sejak kehadirannya.
Desain senjata nuklir lebih rumit dibandingkan apa yang terlihat dari luarnya, senjata ini harus menyimpan satu atau lebih massa subkritis yang stabil untuk dibawa, dari pada menginduksi massa kritis untuk peledakan. Kerumitan ini juga dirasakan ketika harus memastikan bahwa reaksi berantai harus menghabiskan sejumlah besar material sebelum material tersebut terpental jauh. Proses pengadaan material nuklir juga lebih rumit dari yang terlihat, substansi nuklir yang tersedia secara alami cukup stabil, sedangkan proses ini memerlukan material nuklir yang tidak stabil.
Satu
isotop uranium, yang dinamakan uranium-235, ada secara alami dan tidak stabil, namun selalu ditemukan bercampur dengan isotop uranium-238 yang yang lebih stabil, yang jumlahnya sekitar 99%. Sehingga, beberapa cara
pemisahan isotop berdasarkan perbedaan berat sebesar tiga
neutron harus dilakukan untuk meng
isolasi uranium-235.
Cara alternatif lainnya, unsur
plutonium memiliki isotop yang tidak stabil untuk digunakan dalam proses ini. Plutonium tidak terdapat secara alami, sehingga harus dibuat di
reaktor nuklir.
Proyek Manhattan membuat senjata nuklir berdasarkan pada setiap jenis unsur tersebut. Amerika Serikat meledakkan senjata nuklir pertama dalam sebuah
percobaan dengan nama "
Trinity", dekat
Alamogordo,
New Mexico, pada tanggal 16 Juli 1945. Percobaan ini untuk menguji cara peledakkan nuklir. Bom uranium,
Little Boy, diledakkan di kota
Hiroshima,
Jepang, pada tanggal 6 Agustus 1945, diikuti dengan peldakkan bom plutonium
Fat Man di
Nagasaki. Dengan segera ledakkan itu menghentikan
Perang Dunia II.
Sejak
peledakkan tersebut, tidak ada senjata nuklir yang dilepaskan secara ofensif. Namun,
perlombaan senjata untuk mengembangkan senjata pemusnah terjadi. Empat tahun berikutnya, pada 29 Agustus 1949,
Uni Soviet meledakkan
senjata fisi nuklir pertamanya.
Inggris mengikuti pada tanggal 2 Oktober 1952,
Prancis pada 13 Februari 1960, dan
Cina pada 16 Oktober 1964.
Tidak seperti senjata pemusnah konvensional,
cahaya yang intensif,
panas, dan
daya ledak tidak hanya menjadi komponen mematikan bagi senjata nuklir. Setengah dari korban yang tewas di Hiroshima dan Nagasaki meninggal dua hingga lima tahun setelah ledakan nuklir akibat
radiasi.
Senjata radiologis adalah tipe senjata nuklir yang dirancang untuk menyebarkan material nuklir yang berbahaya ke wilayah musuh. Senjata tipe tidak memiliki kemampuan ledakan seperti bom fisi atau fusi, namun mengkontaminasi sejumlah besar wilayah untuk membunuh banyak orang. Senjata radiologis tidak pernah dilepaskan karena dianggap tidak berguna bagi angkatan bersenjata konvensional. Namun senjata tipe ini meningkatkan kekhawatiran terhadap
terorisme nuklir.
Telah lebih dari
2000 percobaan nuklir dilakukan sejak tahun 1945. Di tahun 1963, seluruh negara pemilik dan beberapa negara non pemilik senjata nuklir menandatangani
Limited Test Ban Treaty, yang berisi bahwa mereka tidak akan melakukan
percobaan senjata nuklir di
atmosfer,
bawah air, atau
luar angkasa. Perjanjian ini masih mengijinkan
percobaan nuklir bawah tanah. Prancis melanjutkan percobaan nuklir di atmosfer hingga tahun 1974, Cina hingga tahun 1980. Percobaan bawah tanah terakhir oleh Amerika Serikat dilakukan pada tahun 1992, Uni Soviet di tahun 1990, dan Inggris di tahun 1991, sedangkan Prancis dan Cina hingga tahun 1996. Setelah mengadopsi
Comprehensive Test Ban Teaty di tahun 1996, seluruh negara tersebut telah disumpah untuk menghentikan seluruh percobaan nuklir.
India dan
Pakistan yang tidak termasuk ke dalam negara-negara tersebut melakukan percobaan nuklir terakhirnya di tahun 1998.
Senjata nuklir adalah senjata yang paling mematikan yang pernah diketahui. Ketika
Perang Dingin, dua kekuatan besar memiliki sejumlah besar persenjataan nuklir yang cukup untuk menghancurkan ratusan juta orang. Berbagai generasi manusia hidup dalam bayang-bayang penghancuran oleh nuklir, direlfeksikan dalam film-film seperti
Dr. Strangelove dan
Atomic Cafe.
[sunting] Penggunaan sipil
[sunting] Energi nuklir
Energi nuklir adalah tipe teknologi nuklir yang melibatkan penggunaan tekendali dari reaksi
fisi nuklir untuk melepaskan
energi, termasuk propulsi,
panas, dan pembangkitan
energi listrik. Energi nuklir diproduksi oleh reaksi nuklir terkendali yang menciptakan panas yang lalu digunakan untuk memanaskan air, memproduksi uap, dan mengendalikan turbin uap. Turbin ini digunakan untuk menghasilkan energi listrik dan/atau melakukan
pekerjaan mekanis. Lihat
teknologi reaktor nuklir
Saat ini, energi nuklir menghasilkan sekitar 15,7% listrik yang dihasilkan di seluruh dunia (data tahun 2004) dan digunakan untuk menggerakkan
kapal induk,
kapal pemecah es, dan
kapal selam.
[sunting] Aplikasi medis
Aplikasi medis dari teknologi nuklir dibagi menjadi diagnosa dan
terapi radiasi, perawatan yang efektif bagi penderita
kanker. Pencitraan (
sinar X dan sebagainya), penggunaan
Teknesium untuk diberikan pada
molekul organik, pencarian jejak radioaktif dalam tubuh sebelum di
ekskresikan oleh
ginjal, dan lain-lain.
[sunting] Aplikasi industri
Pada
eksplorasi minyak dan gas, penggunaan teknologi nuklir berguna untuk menentukan sifat dari be
batuan sekitar seperti
porositas dan
litografi. Teknologi ini melibatkan penggunaan
neutron atau sumber energi
sinar gamma dan
detektor radiasi yang ditanam dalam bebatuan yang akan diperiksa.
Pada konstruksi jalan, pengukur
kelembaban dan
kepadatan yang menggunakan nuklir digunakan untuk mengukur kepadatan
tanah,
aspal, dan
beton. Biasanya digunakan
cesium-137 sebagai sumber energi nuklirnya.
[sunting] Apikasi komersial
Ionisasi dari
americium-241 digunakan pada
detektor asap dengan memanfaatkan radiasi alfa.
Tritium digunakan bersama
fosfor pada rifle untuk meningkatkan akurasi penembakan pada malam hari. Perpendaran tanda “exit” menggunakan teknologi yang sama.
[sunting] Pemrosesan makanan dan pertanian
Irradiasi makanan adalah proses memaparkan
makanan dengan
ionisasi radiasi dengan tujuan menghancurkan
mikroorganisme,
bakteri,
virus, atau
serangga yang diperkirakan berada dalam makanan. Jenis radiasi yang digunakan adalah
sinar gamma,
sinar X, dan
elektron yang dikeluarkan oleh
pemercepat elektron. Aplikasi lainnya yaitu pencegahan proses
pertunasan, penghambat
pemasakan buah, peningkatan hasil daging buah, dan peningkatan
rehidrasi. Secara garis besar, irradiasi adalah pemaparan suatu bahan ke radiasi untuk mendapatkan manfaat teknis. Teknik seperti ini juga digunakan pada peralatan medis, plastic, tuba untuk jalur pipa gas, saluran untuk penghangat lantai, lembaran untuk pengemas makanan, bagian-bagian otomotif, kabel, ban, dan bahkan batu perhiasan. Dibandingkan dengan pemaparan irradiasi makanan, volume penggunaan nuklir pada aplikasi tersebut jauh lebih besar namun tidak diketahui oleh konsumen.
Efek utama dalam pemrosesan makanan dengan menggunakan ionisasi radiasi berhubungan dengan kerusakan
DNA, informasi dasar kehidupan. Mikroorganisme tidak mampu lagi berkembang biak dan melanjutkan aktivitas mereka. Serangga tidak akan selamat dan menjadi tidak mampu berkembang. Tanaman tidak mampu melanjutkan proses pematangan buah dan penuaan. Semua efek ini menguntungkan bagi konsumen dan industri makanan.
Harus diperhatikan bahwa jumlah energi yang efektif untuk radiasi cukup rendah dibandingkan dengan memasak bahan makanan yang sama hingga matang. Bahkan energi yang digunakan untuk meradiasikan 10 kg bahan makanan hanya mampu memanaskan air hingga mengalami kenaikan temperatur sebesar 2,5 oC.
Keuntungan pemrosesan makanan dengan ionisasi radiasi adalah, densitas energi per transisi atom sangat tinggi dan mampu membelah molekul dan menginduksi ionisasi (tercermin pada nama metodenya) yang tidak dapat dilakukan dengan pemanasan biasa. Ini adalah alasan untuk efek yang menguntungkan, dan di saat yang sama, menimbulkan kekhawatiran. Perlakuan bahan makanan solid dengan radiasi ionisasi dapat menciptakan efek yang sama dengan
pasteurisasi bahan makanan cair seperti susu. Namun, penggunaan istilah
pasteurisasi dingin dan iradiasi dalah proses yang berbeda, meski bertujuan dan memberikan hasil yang sama pada beberapa kasus.
Iradiasi makanan saat ini diizinkan di 40 negara dan volumenya diperkirakan melebihi 500.000 metrik ton setiap tahunnya di seluruh dunia.
Perlu diperhatikan bahwa iradiasi makanan secara esensial bukan merupakan teknologi nuklir; hal ini berhubungan dengan radiasi ionisasi yang dihasilkan oleh pemercepat elektron dan konversi, namun juga mungkin menggunakan sinar gamma dari
peluruhan inti nuklir. Penggunaan di dunia industri untuk pemrosesan menggunakan radiasi ionisasi, menempati sebagian besar volume energi pada penggunaan pemercepat elektron. Iradiasi makanan hanya sebagian kecil dari aplikasi nuklir jika dibandingkan dengan aplikasi medis, material plastik, bahan mentah industri, batu perhiasan, kabel, dan lain-lain.
Kecelakaan nuklir diakibatkan oleh energi yang terlalu besar yang seringkali sangat berbahaya. Pada sejarahnya, insiden pertama melibatkan pemaparan radiasi yang fatal.
Marie Curie meninggal akibat
aplastik anemia yang merupakan hasil dari pemaparan nuklir tingkat tinggi. Dua peneliti amerika,
Harry Daghlian dan
Louis Slotin, meninggal akibat penanganan massa
plutonium yang salah. Tidak seperti senjata konvensional, sinar yang intensif, panas, dan daya ledak bukan satu-satunya komponen mematikan bagi
senjata nuklir. Diperkirakan setengah dari korban meninggal di Hiroshima dan Nagasaki meninggal setelah dua hingga lima tahun setelah pemaparan radiasi akibat
bom atom.
Kecelakaan radiologis dan nuklir sipil sebagian besar melibatkan
pembangkit listrik tenaga nuklir. Yang paling sering adalah pemaparan nuklir terhadap para pekerjanya akibat
kebocoran nuklir.
Kebocoran nuklir adalah istilah yang merujuk pada bahaya serius dalam pelepasan material nuklir ke lingkungan sekitar. Yang paling terkenal adalah kasus
Three Mile Island di
Pennsylvania dan
Chernobyl di
Ukraina. Reaktor militer yang mengalami kecelakaan yang sama adalah
Windscale di
Inggris dan
SL-1 di
Amerika Serikat.
Kecelakaan militer biasanya melibatkan kehilangan atau peledakkan senjata nuklir yang tidak diharapkan. Percobaan
Castle Bravo di tahun 1954 menghasilkan ledakan diluar perkiraan, yang mengkontaminasi pulau terdekat, sebuah
kapal penangkap ikan berbendera Jepang (dengan satu kematian), dan meningkatkan kekhawatiran terhadap
kontaminasi ikan di Jepang. Di tahun 1950an hingga 1970an, beberapa bom nuklir telah hilang dari
kapal selam dan
pesawat terbang, yang beberapa di antaranya tidak pernah ditemukan. Selama 20 tahun terakhir telah jadi pengurangan kasus demikian.
Jangan kaget, kelak hadir kamera tembus pandang di balik tembok. Majalah New Scientist, meramalkan 10 produk masa depan
